3778.pdf К курсачу по ЭА

где fуд – величина удельного нажатия для ряда современных серий

электрических аппаратов, приходящегося на один электрический контакт, работающий в воздухе и масле, НА (табл. П7).

Величина начального нажатия, соответствующая моменту касания контактов при замыкании или размыкании, принимается равной

Fк.нач = (0, 4 0,75) Fк.полн , Н .

(3.3)

Переходное сопротивление

Переходное сопротивление сильноточных коммутирующих контактов определяется сопротивлением стягиванием линий тока в площадках соприкосновения и сопротивлением пленок и загрязнений на поверхности контактов. При протекании тока через замкнутые контакты и вследствие воздействия дуги при коммутациях переходное сопротивление повышается [4 – 10]:

		ε	й1 +		2				- 20	щ
							(	доп		)ъ
			к	3
R	=		л							ы	, Ом ,
п.к				(0,102			Ч Fк.пол )m

где ε – коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности контакта, кгс0,5 ЧОм ; по рекомендациям авторов [4 – 10], в случае пластических деформаций для одноточечных контактов при 20 С окружающей среды (см. табл. П8); 2 3 – коэффициент, учитывающий уменьшение температуры по мере удаления от площадки касания, для температур материа-

ла до 200 С ; при температурах		200 С и выше вместо коэффициента 2
					3
надо подставлять коэффициент		1	[4, 7 – 9];	доп	– допустимая темпе-
		5
ратура материала контактов,	С (табл. П4);			20	– температура окру-

жающей среды, С ; m – показатель степени, характеризующий количество точек соприкосновения контактных поверхностей: при точечном контакте m = 0,5 (плоскоострый, сферический); при линей-

ном контакте m = 0,5 0,7 (полуцилиндр – плоскость), при поверхно-

стном (плоскостном) контакте, когда расстояние между соседними площадками таково, что исключено взаимное влияние на протекание тока через каждую площадку m = 0,7 1,0 (цилиндрические) [4].

11

Падение напряжения в переходном сопротивлении коммутирующих контактов

Uк = Iн.к Rп.к , В

не должно превышать значения (0,5 0,8)Uрек , где Uрек – напряжение рекристаллизации (табл. П6) [4, 7 – 10].

3.3.Расчет слаботочных коммутирующих контактов

Вслаботочных аппаратах (реле защиты и автоматики) применяются стыковые (торцовые) мостиковые контакты с серебряными цилиндрическими накладками [4, 7]. В зависимости от величины тока контак-

тов Iн.к выбираются диаметр и толщина накладок (табл. П5).

При протекании тока через контактную поверхность температура точки касания может достигать температуры рекристаллизации (размяг-

чения) рек материала контакта. Температуре рекристаллизации для

различных металлов соответствует падение напряжения на переходном сопротивлении контакта – напряжение размягчения Uрек (табл. П6), до-

пустимое значение которого находится в следующих пределах:

маломощные реле автоматики

Uк.доп =(0,1 0,25) Uрек , В ;

аппараты управления до 1000 В

Uк.доп = (2 30)Ч10-3, В [4].

Допустимое переходное сопротивление слаботочного контакта

Rк.доп = Uк.доп , Ом .

Iн.к

Необходимая сила нажатия контактов

Fк =	1	m					,	Н .
	0,102 Rк.доп
Полная сила контактного нажатия
Fк.полн = Fк ,					Н .			(3.4)

12

Fк.полн

Величина полной силы нажатия принимается обычно не менее значений, приведенных в табл. П7 [4, 7].

Величина начального нажатия принимается равной

Fк.нач = (0,4 0,75) Fк.полн , Н .

(3.5)

3.4.Ток сваривания

Врежиме короткого замыкания, продолжительность которого не превышает нескольких секунд, через контакты аппаратов проходит

ток, в 10 20 раз превосходящий значение тока номинального режима. Из-за малой постоянной времени нагрева температура контактной площадки возрастает практически мгновенно и может достигать температуры плавления металла контактов. Между контактами появляются определенные силы сцепления, приводящие к свариванию контактов.

Начальным током сваривания Iн.св , характеризующим возмож-

ность сваривания контактов, называют величину тока, прохождение которого по контактам приводит к расплавлению площадок соприкосновения; при этом усилие, разводящее контакты, не может преодолеть силы сцепления сварившихся контактов. Величина допустимой степени сваривания зависит от усилия, разводящего контакты. При инженерных расчетах ориентировочно начальный ток сваривания коммутирующих контактов определяют по расчетной зависимости Г.В. Буткевича, которая связывает Iн.св и силу нажатия контактов

[4, 7]:

Iн.св = kсв Fк.пол , А ,

где kсв – эмпирический коэффициент сваривания, учитывающий

физические свойства материала контакта и его тип, АН0,5 . При

времени импульса тока до 5 с коэффициент сваривания можно принять равным:

для контактов серебро – серебро, сплавы серебра и контактов из металлокерамики на основе серебра – kсв = 950АН0,5 ;

13

для контактов медь – медь, сплавы меди и контактов из металлокерамики на основе меди – kсв = 750АН0,5 .

3.5. Раствор и провал контактов

Расстояние между контактами в разомкнутом положении называется раствором контактов. Величина раствора обусловлена испытательными напряжениями, принятыми для данного аппарата, и электрическими свойствами среды, в которой находятся контакты.

Провалом контактов называется расстояние, на которое перемещается подвижный контакт с положения первого соприкосновения с неподвижным контактом. Величина провала определяется, прежде всего, величиной максимального износа контактов. Величина максимального износа обычно принимается:

для медных контактов, контактов из металлокерамики и контактов из сплавов металла – на каждый контакт до половины его толщины, суммарный износ равен толщине одного контакта [4, 7];

для контактов с накладками – до полного износа накладок, полный износ равен суммарной толщине накладок подвижного и неподвижного контактов [4, 7].

Для притирающихся контактов величина провала определяется кинематикой подвижного контакта, по рекомендациям [4] величину провала принять равной 1 3bш .

Провал определяет величину максимального износа контактов и обеспечивает постоянное нажатие.

Полное перемещение подвижного контакта равно сумме провала контактов и раствора контактов и называется ходом контакта.

3.6. Выбор и описание дугогасительной системы контакторов

При выборе дугогасительной системы необходимо изучить способы гашения дуги в цепях постоянного тока, конструкции дугогасительных систем [4, 7, 10]. В курсовой работе должен быть приведен эскиз дугогасительной системы, обоснование выбора, описание конструкции дугогасительной системы и принцип действия.

14

4. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ РАСЧЕТ
ЭЛЕКТРОМАГНИТА
Целью предварительного расчета является:
анализ формы конструкции электромагнита, выбор материала
магнитопровода и электромагнитных нагрузок с обоснованием приня-
тых решений;
определение размеров элементов магнитопровода и обмоточного
пространства с обоснованием принятых размеров и параметров;
определение конструкционных размеров и обмоточных данных
катушки с обоснованием принятых размеров и параметров;
разработка эскиза электромагнитного механизма.
Электромагнитным	механизмом	называется		электромагнитная
система, в которой при изменении или перераспределении магнитного
потока происходит перемещение подвижной части системы, совер-
шающей полезную работу.
При всем разнообразии встречающих-				3
ся на практике электромагнитов они со-				1
держат основные элементы одинакового
назначения (рис. 4.1):
1 – сердечник (часть магнитной сис-				4
темы, к которой притягивается якорь);
магнитная система может иметь один или				2
два сердечника;
2 – основание (ярмо) (неподвижная
часть магнитной системы, соединяющая			Рис. 4.1. Электромагнит:
сердечник и якорь или оба сердечника);
			1 – сердечник; 2 –ярмо;
3 – якорь (подвижная часть), кото-			3 – якорь; 4 – обмотка
рый воспринимает электромагнитное уси-
лие и передает его соответствующим деталям приводного механизма,
совершая при перемещении полезную работу; якорь может совершать
поступательное или вращательное движение;
4 – катушка электромагнита, которая служит для создания необ-
ходимого магнитного потока, обеспечивающего перемещение подвиж-
ной части магнитопровода – якоря.
Подвижная и неподвижная части магнитопровода, по которым замы-
кается магнитный поток, выполняются из ферромагнитного материала.

15

4.1. Анализ формы конструции электромагнита, выбор материала магнитопровода

и электромагнитных нагрузок

Выбор материала магнитопровода во многом определяет эксплуа-

тационные показатели электрического аппарата.

Для изготовления магнитопроводов электромагнитов постоянного тока применяют магнитомягкие низкоуглеродистые стали. Основной характеристикой магнитного материала является зависимость величины магнитной индукции ( В ) от напряженности магнитного поля (Н )

[4 – 6].

Детали магнитопровода постоянного тока изготавливают из прутков, полос и листов или отливают в соответствии c расчетным сечением.

Для маломощных электромагнитов, например реле, а в ряде конструкций и контакторов целесообразно применять магнитомягкие низкоуглеродистые низкокоэрцитивные электротехнические стали марок Э, ЭА и ЭАА [4 – 6]. Помимо малой величины задерживающей (коэрцитивной) силы эти стали имеют высокое значение максимальной относительной магнитной проницаемости.

Для электромагнитов средних размеров при отсутствии жестких требований к снижению коэрцитивной силы и высокой магнитной проницаемости детали магнитопровода целесообразно изготовлять из качественной конструкционной низкоуглеродистой стали марок Ст 05,

Ст 08, Ст 10 [4,7,11].

У электромагнитов больших размеров магнитопровод целесообразно изготовлять из электротехнического чугуна. Для уменьшения массы и габаритов применяют детали, отлитые из низкоуглеродистой стали марок Э, ЭА и ЭАА [4 – 6].

Электромагнитными нагрузками, определяющими размеры эле-

ментов электромагнитной системы и электрического аппарата в целом, являются магнитная индукция в рабочем воздушном зазоре (или зазорах, если их несколько) Вδ от , магнитная индукция в элементах магни-

топровода Вст , плотность тока в проводниках обмотки (или обмоток, если их несколько) j [4, 7].

Оптимальная величина магнитной индукции в рабочем воздушном зазоре зависит от соотношения между начальным усилием притяжения и величиной хода, т.е. от конструктивного фактора электромагнита.

16

Для электромагнитов постоянного тока конструктивный фактор определяется по формуле [4, 6, 11]

Кф = Fэл.ср , Н05см ,

н

где Fэл.ср = Fмаксў .нач – начальное тяговое усилие, развиваемое электро-

магнитом, принимается равным начальной противодействующей силе, приведенной к рабочему воздушному зазору δн = δ .

Практикой проектирования реле и контакторов выработаны рекомендации по выбору величины магнитной индукции в рабочем зазоре

Вδ от = f (Кф ,δн ) при отпущенном якоре, в зависимости от конструк-

тивного фактора для наиболее распространенных электромагнитных систем электрических аппаратов длительного режима работы представлены в виде кривых оптимальных значений магнитной индукции

(рис. П1) [4, 6, 11].

4.2.Определение размеров элементов магнитопровода

иобмоточного пространства

4.2.1.Определение размеров элементов магнитопровода

Площадь сечения сердечника при любом количестве рабочих воздушных зазоров n и равномерном магнитном поле на основании уравнения электромагнитной силы Максвелла определится как

		s =	2 0 Fэл.ср		, м2 ,
			В2	от
где	0	= 4 Ч10-7 , Гн м – магнитная проницаемость воздуха;				F	–
						эл.ср

расчетная электромагнитная сила, при которой электромагнит срабатывает, Н; для электромагнитов клапанного типа ее принимают равной начальной противодействующей силе, приведенной к рабочему

воздушному зазору, Fэл.ср = Fмаксў .нач ,Н; для П-образного с прямоходо-

вым якорем электромагнита, имеющего два рабочих зазора с равными площадями полюсов, расчетная сила делится на две равные части [4];

17

Вδ от – магнитная индукция в рабочем зазоре при отпущенном якоре,

Тл (раздел 4.1).

Площадь сечения торца сердечника без полюсного наконечника

sт.с = sδ , м2 , nδ

где n – количество воздушных зазоров.

Диаметр круглого сердечника электромагнита постоянного тока dс = 4sс , м ,

где sс – сечение сердечника принимают равным сечению торца сер-

дечника sс = sт.с.

Размер выступающей из катушки части сердечника можно принять равным (0, 2 0,5)dc [4].

Площадь сечения сердечника при наличии полюсного наконечника

s =	от Вп.н sδ	, м2 ,
c	nδ Вс. max от

где от – коэффициент рассеяния при отпущенном якоре, зависящий от величины рабочего воздушного зазора, изменяется в пределах 1,1 4,0 ; Вп.н – магнитная индукция полюсного наконечника, Тл; в

предварительном расчете величину магнитной индукции полюсного наконечника при отпущенном якоре принять равной величине индукции в рабочем воздушном зазоре при отпущенном якоре; Вс. max от –

максимальная магнитная индукция в сердечнике при отпущенном якоре (для большинства силовых электромагнитов можно принимать в пределах 0,8 1,2 Тл, а для электромагнитов высокой чувствительности (реле) 0,4 0,7 Тл.

Наличие полюсного наконечника необходимо учитывать при определении диаметра сердечника. Отношение сечений, а следовательно, диаметров сердечника и полюсного наконечника, устанавливаемого на сердечнике, оказывает влияние на форму тяговой характеристики.

18

Диаметр полюсного наконечника

В существующих конструкциях электромагнитов с притягиваемым якорем наружный диаметр полюсного наконечника принимают обычно равным dп.н dc =1,1 1,5 (реже 2), меньшие значения относятся к

малым электромагнитам [4]. Следовательно,

	п.н		(	)	4sс
d		=	1,1 1,5			, м ,	(4.1)

где sс = sт.с – сечение сердечника (4.2).

Высота полюсного наконечника hп.н должна быть достаточной для

обеспечения стойкости к механическим ударам и удобства крепления наконечника к сердечнику. Для обеспечения равенства индукций в сердечнике магнитопровода и в полюсном наконечнике в существующих конструкциях электромагнитов принимается hп.н dс = 0,1 0,3

(большие значения для мощных электромагнитов) [4, 7, 10].

Площадь сечения полюсного наконечника

sп.н = dп.н hп.н , м2 .

Фактические величины потока и индукции определяют при поверочном расчете.

Толщина сердечника прямоугольного сечения

ас = sc , м , bс

где bс – ширина сердечника, м, выбирается из конструкционных соображений с учетом соотношения сторон прямоугольного сечения сердечника ас bc =1, однако с целью большей устойчивости при воздействии боковых составляющих моментов пружин иногда применяют отношение ас bc = 0,8 2 .

Размеры полюсного наконечника прямоугольного сечения обычно принимают : ширина ап.н = (1,3 1,5)ас , м ; толщина bп.н = (1,3 1,5)bс , м

[11].

19

Определение намагничивающей силы обмотки электромагнита постоянного тока

Величина н.с. обмотки электромагнита постоянного тока, необходимая для срабатывания электромагнита:

об.срб	= 1, 2 1,6	)	Bδ от еδот	, А ,	(4.2)
	(
			0

где е от – сумма зазоров, у однофазных электромагнитов зависит от

конструктивной формы: клапанная система магнитопровода – два последовательных зазора – рабочий и нерабочий, П-образный магнито-

провод с прямоходовым якорем – два рабочих δот =δ – величина рабо-

чего воздушного зазора при отпущенном якоре, м.

Для катушки последовательного включения н.с. обмотки

	=	об.срб	Iн	, А ,	(4.3)
об.н		Iсрб

где Iсрб – ток срабатывания А ;

Для катушки параллельного включения н.с. обмотки

об.н =	об.срб	Uн	, А ,	(4.4)
	Uсрб

где Uсрб – напряжения срабатывания, В ;

Uсрб = Uн kmin ,

где kн.min = 0,6 0,9 – коэффициент, определяющий минимально возможную величину напряжения срабатывания электромагнитного при-

вода [4, 7].

Намагничивающая сила, приходящаяся на один рабочий воздушный зазор, при отпущенном якоре

от =	B от	от	, А .
		0

Намагничивающая сила обмотки при нескольких катушках – всей обмоточной структуры

к = об.н nкат , А ,

где nкат – количество катушек магнитопровода.

20