Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Повсеместная автоматизация технологических процессов, внедрение нового электроэнергетического оборудования, увеличение общих мощностей электростанций требует создания и производства новых, более совершенных электрических аппаратов. В связи с этим, массогабаритные, стоимостные показатели, а также надежность электрических аппаратов влияют на качество продукции во всех отраслях промышленности. Поэтому вопросы проектирования электрических аппаратов имеют большое значение.

Контактор - двухпозиционный электромагнитный аппарат, предназначенный для частых дистанционных включений и выключений силовых электрических цепей в нормальном режиме работы.

Наиболее широко применяются одно- и двухполюсные контакторы постоянного тока и трёхполюсные контакторы переменного тока. К контакторам из-за частых коммутаций предъявляются повышенные требования по механической и электрической износостойкости. Контакторы как постоянного, так и переменного тока содержат: электромагнитную систему, контактную систему, дугогасительную систему, систему блок-контактов.

Управление контактором осуществляется посредством вспомогательной цепи оперативного тока, проходящего по катушкам 8 контактора. При этом величина оперативного тока, как правило, значительно ниже величины рабочего тока в коммутируемых цепях. Контактор не имеет механических средств для удержания контактов во включенном положении, при отсутствии управляющего напряжения на катушке контактора он размыкает свои контакты.

Как правило, контакторы применяются для коммутации электрических цепей при напряжении до 660В и токах до 630А.

Основные области применения контакторов: управление мощными электродвигателями, коммутация цепей компенсации реактивной мощности, коммутация больших постоянных токов.



1.Расчет токоведущего контура

1.1 Определение размеров токоведущих частей

Расчет токоведущих частей контактора в номинальном режимеработы проводим с учетом эквивалентного длительного тока. Подэквивалентным током понимают постоянный по величине ток,который при длительном протекании по проводнику вызывает такойже нагрев, как и реальный ток, изменяющийся во времени согласноданному режиму работы:

Где ПВ% - продолжительность включения;

Z - допустимое число циклов включения;

Iн - номинальный ток главной цепи;

Сравнивая Iн и Iэкв, дальнейший расчет токоведущего контура проводим по большему из этих значений, то есть

1.1.1 Расчет размеров токоведущих частей

Размеры шин определяются исходя из условия удовлетворительного теплового режима, как в режиме штатной нагрузки, так и в режиме короткого замыкания.

По выбранному значению расчетного тока по таблице1выбираем предварительные размеры шины .В данном случае оптимальным вариантом является медная шина .

Рассчитываем коэффициент геометрии:

Проводим расчет размера токоведущей шины по формуле:

Неравенство соблюдается.

Расчет температуры нагрева токоведущих частей в номинальном режиме

Температуру нагрева токоведущих частей находим из условия, что переходное сопротивление шинного соединения равно нулю, тогда



Условие выполняется.

1.2 Расчет термической стойкости

При коротком замыкании в цепи токоведущего контура протекают сверхтоки. Однако в результате их кратковременного действия можно допустить значительно более высокие значения превышения температуры, чем в номинальном режиме работы. При этом аппарат должен обладать термической стойкостью. Допустимую температуру нагрева токоведущих частей в режиме короткого замыкания примем равной. Импульс тока вычисляется по формуле:



1.3 Расчет размеров гибкого соединения

В аппаратах управления кроме плоских контактных соединений широко применяются контактные соединения с гибкими связями(рис. 1).

Эти соединения осуществляют токовую связь подвижного контакта аппарата с токоподводящими деталями. Гибкие соединения, как правило, выполняются из эластичной медной ленты толщиной20 0.1 мм и менее, или из многожильного плетеного проводника, состоящего из медных жил диаметром 0.08-0.1 мм. При работе гибкая связь не должна иметь резких перегибов.

Сечение меди гибкого соединения должно быть близким к сечению шины

Ширина шунта примерно равна ширине шины



Толщина гибкого шунта

1.4 Определение переходного сопротивления

1.4.1 Определение плотности тока

Кажущаяся плотность тока определяется отношением величины тока, проходящего через контактное соединение к полной поверхности контактирования.

Для медных шин при токе плотность тока равна

1.4.2 Расчет силы контактного нажатия



По величине необходимого контактного нажатия выбираем болты М10 с расчетной силой затяжки P = 8,6 кН, число болтов m=1. (таблица4).

При коротком замыкании в цепи, содержащей контактные соединения, возникают дополнительные эффекты, обусловленные появлением больших механических напряжений вследствие неодинакового температурного коэффициента расширения болтов и токоведущих частей. Это приводит к тому, что в болтах появляются остаточные деформации, которые при остывании контактного соединения вызовут ослабление нажатия в контактах, а следовательно, повышение переходного сопротивления и нагрев контакта при нормальном режиме работы.

Расстояние между центрами болтов выбирается не менее (2,22,4) , где

- диаметр болта, м.

Как показывают опытные данные, превышение температуры нагрева болтов составляет примерно 25 % от превышения температуры токоведущих частей.

Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе усилий натяга болтов. Для снижения влияния остаточных деформаций рекомендуется в болтовых соединениях использовать пружинные шайбы.

1.4.3 Переходное сопротивление контактирующих поверхностей

Это сопротивление образуется посредством токоведущих частей, стянутых несколькими болтами и определяется следующим образом:



1.4.4 Омическое сопротивление контакта

Сопротивление отличается от сопротивления прямого участка контактирующих частей за счет искривления линий тока на месте контактирования. Это приводит к повышению сопротивления контактного соединения, которое учитывается поправочным коэффициентом .

из графика k_c=0.6



1.4.5 Полное сопротивление контактного соединения

1.4.6 Расчет превышения температуры контактного соединения

При номинальном режиме температура контактного соединения не должна превышать температуру нагрева примыкающих к нему шин больше чем на 10 єС и быть больше допустимой.

1.5 Расчет коммутирующих контактов

Коммутирующие контакты, как одни из основных элементов токоведущего контура, осуществляют электрическое соединение двух или нескольких токопроводов для перехода тока из одного токопровода в другой.

Конструктивная форма, размеры и параметры контактных систем, в основном, определяются двумя факторами: током, протекающим по контактам, и напряжением сети, при котором контакты работают.

На рис.3 приведены две наиболее распространенные разновидности контактных систем: мостикового и рычажного типов.

В рычажных контактах создаются хорошие условия для растяжения электрической дуги в процессе ее гашения. Основной недостаток данной контактной системы - наличие не более чем одного разрыва на полюсе аппарата, что ограничивает возможности отключения цепей при более высоких напряжениях. Этот недостаток устраняется в контактах мостикового типа. Подобная контактная система применяется в аппаратах прямоходового типа серии ПМЕ, ПМА и др. и поворотного типа серии КН,КНТ,ПА и др. Однако наличие двух последовательно соединенных точек контактирования приводит к необходимости создания в каждой из них необходимой силы контактного нажатия, что в свою очередь вызывает увеличение силы контактной пружины вдвое и увеличение размеров привода аппарата.

Выбор контактного материала определяется условиями работы аппарата, величиной коммутируемого тока, режимом работы аппарата, характером отключаемой цепи и др.



Сваривание контактов зависит от конструкции самих контактов и от токоведущей части аппарата.

В болтовом шинном соединении при коротком замыкании токоведущий проводник нагревается до температуры 200-300°С.

Стягивающие стальные болты нагреваются в основном за счет теплопроводности, так как ток через болты практически не проходит. Температура болтов обычно не превосходит 25 % температуры шин.

Для того, чтобы избежать пластической деформации шин, ставятся соответствующие шайбы. Вследствие малой прочности алюминиевых шин может произойти пластическая их деформация, что приведет к порче контакта.

Поэтому для стабильности алюминиевого контакта необходимо либо производить предварительный обжим, уплотнение шин, либо ставить под гайки пружинящие шайбы или специальные пружины, которые ограничивают деформации элементов контактов.

Основным признаком любого вида электрического контакта является наличие переходного сопротивления - резкого увеличения активного сопротивления в месте перехода тока из одной детали в другую.

Основным источником нагрева контактов являются контактные точки, имеющие сопротивление, значительно превышающее сопротивление собственного контакта, которое при расчете не учитывается.

1.6 Расчет сил контактного нажатия

Для одноточечных контактов сила контактного нажатия



1.7 Расчет уточненного значения переходного сопротивления

Определение величины переходного сопротивления коммутирующих контактов необходимо для выявления тепловых потерь в контактной точке.



1.8 Расчет нагрева контактов в номинальном режиме

1.8.1 Падение напряжения в токоведущем контуре аппарата при замкнутых коммутирующих контактах

1.8.2 Превышение температуры контактной площадки

По величине определяем и сравниваем с допустимым значением.

Условие выполняется.

1.9 Расчет износа контактов

Износ контактов происходит как при замыкании, так и при размыкании цепи тока. Мерой износа контактов является уменьшение провала (линейный износ), а также объема и массы удаляемого с контактной поверхности металла.

Износ определяют следующие основные факторы:

· Условие работы (род тока, напряжение источника питания, величина тока, характер нагрузки, частота замыканий и размыканий, среда);

· Конструкция аппарата (время коммутации, вибрация контактов, материал контактов и т.д.).

1.9.1 Расчет удельного массового износа

1.9.2 Расчет изнашиваемой части объема контакта



1.9.3 Расчет линейного износа

Надежная работа контактов возможна, если их износ по толщине не превышает значения от первоначальной толщины.

1.9.4 Расчет провала контакта



2.Расчет параметров короткого замыкания

В режиме короткого замыкания по контактам аппарата протекает сверхток, длительностью, не превышающей нескольких секунд, но по величине значительно превышающий номинальный. В результате этого, в месте контактирования выделяется большое количество тепла, в десятки и сотни раз больше, чем при продолжительном режиме работы. В точке соприкосновения контактов появляются электродинамические силы стягивания, которые стремятся отбросить один контакт от другого и тем самым уменьшить контактное нажатие. Помимо электродинамических сил стягивания на контакты действуют силы от токоведущего контура, которые также могут увеличивать электродинамические силы стягивания. Таким образом, в месте контактирования при протекании сверх токов происходит увеличение переходного сопротивления контактов, их разогрев и возможное сваривание, и как следствие ? выход аппарата из строя.

Основной задачей расчета нагрева контактов в режиме короткого замыкания является определение устойчивости замкнутых контактов к токам короткого замыкания на основе методов, основанных на термическом и электродинамическом действии токов.

При расчетах контактов в условиях короткого замыкания в цепи необходимо исходить из максимального значения тока короткого замыкания, им является ударный ток короткого замыкания.

2.1 Расчет начального тока сваривания



2.1.1 Расчет тока приваривания контактов

2.1.2 Расчет силы электродинамического отталкивания

Условие выполняется.



3.Кинематический расчет привода

Механической характеристикой электрического аппарата называется зависимость всех механических сил или моментов, приведенных обычно к оси действия привода аппарата, от величины хода или от угла поворота привода.

В электрических аппаратах с электромагнитным приводом за величину хода обычно принимается величина рабочего воздушного зазора магнитной системы.

3.1 Характеристика противодействующих сил

3.1.1 Расчет силы предварительного сжатия контактных пружин всех полюсов

Расчет силы конечного сжатия контактных пружин



Расчет конечного сжатия возвратной пружины

Расчет силы начального сжатия возвратной пружины

Расчет полного хода контактов

По найденным величинам строим ориентировочную характеристику противодействующих сил (механическая характеристика), приведенная к общей оси вращения.

Механическая характеристика, представляющая собой изменение механических противодействующих сил (ось ординат), развиваемых пружинами при передвижении якоря (ось абсцисс, где -критический зазор(момент касания контактов), -минимальный зазор 0.5 мм), имеет вид ломанной линии (рис.4), так как на якорь действуют две пружины: возвратная и контактная с различными коэффициентами упругости (рис.5).



3.2 Расчет возвратной пружины

3.2.1 Расчет силы начального натяжения возвратной пружины

Определение расчетного напряжения на скручивании



Расчет диаметра проволоки пружины

Расчет сжатия пружины

Предварительный расчет числа витков и длины пружины в свободном состоянии



Округляем число витков в большую сторону, то есть

3.3 Расчет контактной пружины

3.3.1 Расчет силы контактной пружины

Определение расчетного напряжения на скручивание

Диаметр проволоки пружины



Расчет сжатия пружины

Предварительный расчет числа витков



4.Расчет электромагнита

Основные параметры и характеристики электромагнитов следующие:

1. конструктивная форма;

2. род тока, номинальное напряжение и частота источника питания, режим питания (постоянство напряжения, тока, мощности);

3. режим работы (продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный и др.);

4. потребляемая мощность;

5. развиваемая сила и величина начального хода или зависимость электромагнитной силы от хода - тяговая характеристика;

6. предельная температура нагрева (класс нагревостойкости изоляции);

7. параметры притягивания (втягивания) и отпускания якоря (сердечника); время, напряжение, ток;

8. износостойкость - число гарантируемых операций;

9. масса;

10. габаритные размеры;

11. стоимость.

Для изготовления магнитопроводов электромагнитов переменного тока применяются магнитомягкие низкоуглеродистые стали, свойства которых характеризуются кривыми намагничивания.



4.1 Расчет оптимальной конструктивной формы электромагнита

Расчет электромагнитной силы

Принимаем

Расчет геометрического показателя

Для электромагнитов переменного тока

По значению геометрического показателя выбираем конструктивную форму электромагнита (таблица 8): однокатушечный с одним сердечником и внешним притягиваемым якорем.

Расчет основных размеров электромагнита

Расчет электромагнитной силы

Принимаем

Расчет сечения полюса

Для электромагнитов переменного тока

Определение размеров сторон сечения прямоугольного сердечника электромагнита переменного тока

Для листов стали толщиной 0.35 мм



4.2 Расчет высоты сердечника

Для электромагнитов переменного тока размеры обмоточного пространства выбираются из соотношения

4.3 Расчет обмотки переменного тока

Так как тяговая характеристика электромагнита переменного тока с внешним притягивающимся якорем является, как правило, весьма пологой, то определение намагничивающей силы может быть произведено при минимальном значении рабочего зазора.

4.3.1 Определение намагничивающей силы

С учетом падения магнитного потенциала и потерь в стали получим



Принимаем

Определение числа витков с учетом снижения напряжения на 15%

Определение действующего значения МДС

Ток в обмотке



Сечение провода

Расчетный диаметр не изолированного провода

Принимаем стандартный диаметр провода по таблице 9

По стандартному размеру рассчитываем

Далее уточняем число витков



Сопротивление обмотки

Площадь поверхности охлаждения



4.4 Расчет магнитной цепи с экраном

Расчет магнитного потока в рабочем зазоре (при притянутом якоре)

Расчет коэффициента запаса

Расчет необходимого электрического сопротивления экрана



Расчет угла между потоками и при одновитковом экране



4.5 Расчет магнитных потоков

Поток неэкранированной части

Поток в экранированной части

Расчет магнитной индукции в неэкранированной части зазора



B_H < 2 Тл. Условие выполняется.

Расчет средних значений сил в неэкранированной и экранированной частях

Расчет амплитуды , средней и минимальной силы



Условие не выполняется, так как тяговое усилие больше.

Расчет геометрических размеров экрана

Выбор геометрических размеров экрана производят:

· Исходя из величины необходимого электрического сопротивления экрана, с учетом значительного изменения сопротивления при температуре экрана, доходящей до 200-250 .

· Размеры определяют на основании теплового расчета экранированной области магнитопровода.

Выбор размеров экрана производят исходя из рис. 7

Принимаем толщину экрана

Длина средней линии экрана

Электрическое сопротивление экрана



Высота экрана

4.6 Расчет проводимостей

4.6.1 Схема замещения

Проводимости рассчитываем методом разбивки поля на простые геометрические фигуры (метод Роттерса или метод вероятных путей потока). Метод предусматривает разбиение объема пространства воздушного зазора на простые геометрические тела, ограниченные плоскостями, цилиндрическими, либо сферическими поверхностями. Как правило, все частичные тела образуют вероятные параллельные пути общего магнитного потока в области воздушного зазора Фд. Это обстоятельство определяет целесообразность расчета их параметров в форме частичных магнитных проводимостей , так что полная магнитная проводимость определяется суммированием частичных составляющих:



В рассматриваемом методы частичная проводимость геометрического тела основной части воздушного зазора рассматривается как рабочая проводимость , а остальные фигуры создают краевую проводимость .

Поэтому соответственно для проводимости справедливо:

Выделяем простые фигуры согласно рис.8. При расчете проводимости данным методом, важное значение имеет выбор параметра m, учитывающего поток с боковых поверхностей полюса магнитной системы. Его значение определяется соотношением величины зазора д к линейным размерам а и b, и принимают обычно m=(1-2)д.



Расчет проводимостей производим для пяти зазоров

1. Минимальный зазор

2. Выбираем величину зазора, значение которого лежит между первым и третьим зазором м

3. Критический зазор м. Для переменного тока k=0.8-1.5

4. Выбираем величину зазора, значение которого лежит между третьим и пятым зазором.

5. Максимальный зазор м

Расчет проводимостей осуществляется по формулам:

Фигура 1 - Призма высотой и основанием a и b

Фигура 2 - Полуцилиндр диаметром длиной b

Фигура 3 - Половина полого цилиндра



Фигура 4 - Четверть цилиндра радиусом

Фигура 5 - Четверть полого цилиндра

Фигура 6 - Полуцилиндр диаметра длиной a

Фигура 7 - Половина полого цилиндра длиной a

Фигура 8 - Сферический квадрант

Фигура 9 - Квадрант сферической оболочки

Полная проводимость воздушного зазора представляет собой сумму всех частичных проводимостей, согласно рис.8.



Результаты записаны в таблице 1: (Результаты вычислений проводимостей).

Таблица 1

Расчет проводимости нерабочего зазора

Суммарная проводимость



4.7 Расчет тяговой характеристики

Рассчитываем Ртяг для каждого воздушного зазора



Проводим касательные к кривой л=f(д) в расчетных точках (рассчитываемые зазоры) (рис. 9). Углы, образованные с осью абсцисс, характеризуют первые производные в этих точках

Кривая изменения тяговой силы в зависимости от величины рабочего воздушного зазора выглядит следующим образом: (рис. 10)



4.8 Динамические характеристики

Расчет времени трогания

Ток трогания

Установившийся ток в катушке при номинальном напряжении.

Время трогания



Расчет времени движения



Заключение

В ходе выполнения курсовой работы был произведен расчет электромагнитного контактора переменного тока, набран опыт в электромагнитных, электромеханических и тепловых расчетах современных конструкций контакторов, а так же в иных расчетах входивших в курсовую работу. Изучены области применения контакторов и их принцип работы. По результатам расчетов убедился в работоспособности данного контактора 6012Б.



Список используемой литературы

электромагнитный контактор цепь

1.Расчет электромагнитного контактора: Методические указания к выполнению курсовой работы по дисциплине «Электрические и электронные аппараты» / Уфимск. Гос. Авиац. Техн. Ун?т; Сост. Л.Э. Рогинская, Г.С. Мухутдинова, Ю.В. Рахманова. - Уфа, 2010 - 60с.

2.Электрические и электронные аппараты: учебное пособие / Л.Э. Рогинская, Т.П. Костюкова, Ю.В. Рахманова; Уфимск. Гос. Авиац. Техн. Ун?т. Уфа: УГАТУ, 2009. - 177с.

3.Мышкин, Н.К. Профессиональное учебно-справочное руководство по электроэнергетике, механике и материаловедению контактных соединений в электротехнике и электронике / Н. К. Мышкин, М. Браунович. - М.: Изд-во «Интеллект», 2008. - 560 с.

Размещено на Allbest.ru