Проектирование электромеханических устройств

Таблица 1.6 - Выбор ширины подвижного контакта

Iн, А	в, мм
63	14	4,5
160	18	8,9
300	25	12

В тяговых контакторах может достигать до 20 .

Для номинальных токов, не указанных в таблице 1.3, отношение можно определить, построив график зависимости



Рисунок 1.17 - Зависимость ширины подвижного контакта от номинального тока

Толщина подвижного (неподвижного) контакта может быть рассчитана по формуле:

Ширина неподвижного контакта в` устанавливается с учётом возможного отклонения подвижного контакта, от нормального положения в процессе эксплуатации, и должна быть на 20ч25% больше подвижного контакта, т.е. , мм

Окончательные размеры рычажных контакторов принимаются после расчёта контактного узла, на заданную износостойкость, при этом коэффициент использования металла контактом принимается равным 0,5.

Для повышения износостойкости на рычажных контактах могут устанавливаться контактные накладки (прямоугольные, квадратные, например из металлокерамики). При расчётах на электрическую износостойкость коммутирующих контактов (мостиковых, рычажных, с контактными накладками) коэффициент использования металла контактных накладок принимается ? 1, т.е. .

12.8 Определение силы контактного нажатия коммутирующего контакта

Известно, что все аппараты должны иметь перегрузочную способность, поэтому, рассчитанная сила конечного контактного нажатия, должна обеспечивать нормальную работу контактного узла, при всех возможных режимах. В частности необходимо предусматривать, чтобы исключалось сваривание контактов, их отброс вследствие действия ЭДУ в контактных площадках, а также значительная вибрация, при их включении.

Расчёт производится по теоретической зависимости - по формуле Кубекова:

, кгс

где: - сила контактного нажатия, приходящаяся на одну элементарную площадку;

- число элементарных площадок

Для точечного контакта - = 1, для линейного - = 2, для плоскостного - = 3

- это ток, на который рассчитывается сила контактного нажатия, А.

Если режим работы аппарата длительный, то ток для длительного режима.

Если режим работы - повторно - кратковременный, то для расчёта силы необходимо вначале определить эквивалентный ток:

, А

где: ПВ% - продолжительность включения согласно техническому заданию;

Ж - частота включения-отключения в час.

Под эквивалентным током понимается ток, который вызвал бы тот же нагрев токоведущих деталей, что и отключаемый реальный номинальный ток при длительном протекании, в совокупности с дополнительным нагревом контактов электрической дугой.

Если эквивалентный ток меньше номинального, то при расчётах используется номинальный ток.

Если эквивалентный ток больше номинального, то расчёт производится по эквивалентному току.

А - число Лоренца, имеющее значение

= 3,14

- твёрдость материала контакта по Бринеллю (кгс/см²)

Твёрдость материала существенно зависит от температуры нагрева контактных площадок.



Рисунок 1.17 - Зависимость твердости материала от температуры нагрева

При расчётах характеризующую твёрдость материала необходимо принимать меньшее значение в таблице.

Рисунок 1.18 - Линии стягивания тока

- удельная усредненная теплопроводность материала контактов

- температура контакта в удалённой от контактной площадки точке.

- температура нагрева контактных площадок

=+ , где - превышение температуры контактной площадки по отношению к температуре нагрева контактора.

В этой формуле , - в К, - в ⁰С

Величина принимается произвольно, но так, чтобы температура нагрева контактной площадки не превышала температуру рекристаллизации металла контактов, т.е. должен быть запас.

Рисунок 1.18 - Зависимость силы контактного нажатия от превышения температуры

В соответствии с рекомендациями, после расчёта , производится определение.

Рисунок 1.19 - Зависимость силы контактного нажатия от зазора

12.9 Определение переходного сопротивления контактов

Переходное сопротивление контактов, как правило, определяется несколькими методами:

12.9.1 Определение переходного сопротивления контактов по теоретической зависимости

,

где - удельное электрическое сопротивление материала контактов, приведённое к температуре нагрева контактных площадок

- число контактных площадок

Если материалы неподвижных контактов и подвижных разные, то определяется как

-радиус круглой элементарной площадки, зависящий от вида деформации

При пластической деформации: , см

При упругой деформации:

- радиус сферы элементарной контактной площадки, см

- модуль упругости материала, кгс/см

Вид деформации, а, следовательно, и выбор расчётной формулы для определения можно сделать на основании результатов исследований нескольких авторов (Виттенберг, Лысов, Васильев).

Было установлено, что при незначительных усилиях нажатия, до 0,01 Н имеет место упругая деформация микровыступов, при увеличении нажатия до 0,1 - 0,15Н, начинается уже пластическая деформация, следовательно, происходит упрочение материала, и она имеет место при увеличении силы нажатия до сотен ньютонов, после чего опять имеет место упругая деформация.

После расчёта , подтверждение о характере деформации на втором этапе расчёта, можно получить по величине среднего давления:

Если среднее давление меньше твёрдости контакта материала, , то деформация считается упругой. Если , то деформация считается пластической.

12.9.2 Определение по формуле, основывающейся на опытных данных

где: - коэффициент, учитывающий материал и состояние контактов поверхности (см. табл. значений); 0,102 - переводной коэффициент, из Н в кгс; - сила конечного контактного нажатия, Н;

- коэффициент, учитывающий конструктивную форму контактной поверхности:

- для точечного контакта - =0,5

- для линейного контакта - =0,5 ч 0,7

- для плоскостного контакта - = 0,7 ч 1,0

- температурный коэффициент возрастания сопротивления материала контактов

12.9.3 Определение по графическим зависимостям

В соответствии с рекомендациями [1, рис. 5.9, 5.10, 5.11], установлены зависимости от величины силы контактного нажатия.

Из полученных результатов по определению тремя методами, для дальнейших расчётов принимается большее значение.

Рисунок 1.20 - Эквивалентная схема замещения

На большем всегда будет большее падение напряжения, следовательно, будет и больший нагрев контактных площадок.

12.10 Определение напряжения и температуры нагрева коммутирующих контактов

Падение напряжения на контактах определяется по закону Ома: , В

В существующих конструкциях аппаратов падание напряжения на свежезачищенных контактах должно находиться в следующих пределах:

а) маломощные реле: , где - падение напряжения, соответствующее рекристаллизации материала контактов;

б) аппараты распределения и управления электрической энергией до 1000В:

- для контактов, работающих в воздухе: мВ

- для контактов, охлаждаемых водой: мВ

в) аппараты распределения энергии выше 1000 В: мВ

Предельные падения напряжения при окисленных контактах допускаются до 300мВ.

В любом случае, падение напряжения на контактах должно быть меньше напряжения рекристаллизации. Кроме напряжения рекристаллизации, используется температура рекристаллизации. По установленной величине падения напряжения на коммутирующих контактах определяется превышение температуры в контактных площадках, полученное значение сопоставляется с ранее принятым при расчёте :

12.11 Определение допустимого тока через коммутирующие контакты

Допустимый ток фактически характеризует возможности контактного узла на заданный режим работы с учётом принятого материала контактов, конструктивной формы контактной поверхности, принятого значения и др.

Величина допустимого тока рассчитывается по формуле:

Полученное значение допустимого тока необходимо сопоставить с предельным током для контактного узла в соответствии с категорией применения аппаратов (ДС1, ДС2, АС1, АС2, АС3), а также с учётом режима коммутации (нормальный, редкий). В любом случае, должно выполняться условие:

Если это условие не выполняется или допустимый ток существенно больше предельного, то контактный узел спроектирован нерационально. Для определения рациональных параметров контактного узла необходимо все расчёты повторить, начиная с пересмотра выбора материала.

12.12 Определение величины тока сваривания контактов

12.12.1 Общий метод определения тока сваривания

Предполагают, что при протекании тока постоянной величины происходит нарастание температуры контактной площадки, близкой к температуре плавления по экспоненте, при этом предельный ток сваривания определяется по формуле:

где:- общие результирующие силы контактного нажатия

t₁ - это предполагаемое время протекания предельного тока

Т - постоянная времени нагрева контактной площадки

, где

- удельная теплоёмкость, теплопроводность и плотность материала контактов

- температура нагрева контактной площадки в момент времени t₁

F_эду - [1, стр. 49]

12.12.2 Расчёт начального тока сваривания контактов

- коэффициент, характеризующий увеличение контактной площадки в процессе нагревания, который зависит от силы и от времени импульса тока.

находится в пределах от 2 до 4 , (см.[1]).

- характерный коэффициент, определяется по формуле:

- соответственно твёрдость материала по Бринеллю и удельное сопротивление при 0^оС. Н_Во из таблицы значений выбираем большее значение.

- температура плавления контакта материала

Этот способ даёт значительные погрешности, применяется при небольших силах нажатия.

12.12.3 Определение тока сваривания по экспериментальным данным

Эта экспериментальная формула даёт хорошее совпадение расчётных и экспериментальных данных по , для маломощных одноточечных серебряных и медных контактов.

- это напряжение, соответствующее плавлению контакта материала

12.12.4 Определение тока сваривания по опытным данным

В соответствии с рекомендациями Буткевича:

где - определяется по [1, табл. 5.9 и рис. 5.12], который получен на опытных данных.

Полученные значения тока сваривания сопоставляются между собой и для дальнейших расчётов принимают меньшее значение. Принятое это значение тока сваривания сопоставляется с возможным током к.з. при работе аппарата или с предельным током для соответствующей категории применения аппаратов, при этом должно выполняться условие: ;.

12.13 Мероприятия по повышению устойчивости контактов против сваривания

12.13.1 Конструктивные мероприятия

а) повышение силы конечного контактного нажатия.

б) уменьшение вибрации контактов при включении и выключении.

в) ускорение процесса возрастания силы нажатия после замыкания контактов.

г) компенсация отбрасывающего давления электродинамических сил:

- предельный ток для заданной категории применения аппарата или ток к.з.

S₁ - поперечное сечение контактной детали

S - сечение площади смятия:

Эта сила F_эду возникает в контактных площадках при замкнутых контактах, за счёт стягивания линий тока в контактных площадках.

д) изменение формы контактной поверхности.

Точечный контакт сваривается при меньших токах, чем линейный, а линейный контакт - при меньших токах, чем плоскостной.

е) разделение контактов на ряд параллельных.

Парные контакты свариваются при токах ? в два раза больше чем одинарных.

При этом распределение тока в контактах следует определять по формуле:

, А

где - коэффициент неравномерности ;

- число параллельных ветвей

12.13.2 Повышение устойчивости за счёт рационального выбора материала

а) применение разнородных материалов для контактов;

б) использование металлокерамических контактов, содержащих графит;

в) использование мелкодисперсных металлокерамических контактов.

12.14 Износостойкость контактов

12.14.1 Общие положения

Износ контактов зависит от многих факторов и происходит при замыкании и размыкании.

Износостойкость зависит:

а) условия работы:

· род тока (постоянный, переменный)

· напряжение источника питания

· величина тока

· характер нагрузки (активная, слабо инд., сильно инд.)

· частота включений в час

· среда (воздух, масло, спец. газовая среда и др.)

б) конструкции аппарата:

· время коммутации

· вибрация контакта

· конструктивная форма контакта

· напряжённость магнитного поля в межконтактном промежутке (увеличение напряжения больше оптимального приводит к выбрасыванию мостика расплавленного металла ЭДУ и повышению износа)

· скорость движения контактов (скорость движения при включении и скорость движения при отключении)

Мерой износа контактов является уменьшение провала контактов (линейный износ), а также объём и масса удаляемого с контактной поверхности металла.

12.14.2 Расчётные зависимости для определения электрической износостойкости

Электрическая износостойкость или гарантируемое число коммутаций в общем случае определяется по формуле:

, или ,

где - объём изнашиваемого металла двух контактов, см³

- удельный объёмный износ при одном размыкании и одном замыкании

- плотность материала

- удельный массовый износ при одном замыкании и одном размыкании

При решении прямой задачи обычно задаются и определяют изнашиваемый объём. принимают на основании заданной механической износостойкости, которая определяется по классу механической износостойкости в рамках технического задания. В идеальном случае мы должны стремиться к выполнению условия:

т.е., чтобы электрический аппарат и все его узлы работали до полного износа (класс механического износа см.[3]).

13 МАЛОМОЩНЫЕ РЕЛЕ

13.1 Условия работы

Маломощные реле коммутируют токи до 5 А при U = до 220 В постоянного и переменного тока.

При постоянном токе

При постоянном токе существует ярко выраженный износ одного из контактов и перенос металла на другой (при переменном токе износ приблизительно одинаков). Износ контактов при постоянном токе зависит от величины напряжения отключения и тока отключения (U_от и І _от): U_от=1,1U_н.

Износ контактов зависит также от напряжения U_о и тока І_о (напряжения и тока дугообразования, ниже которого дуга не образуется).

а) при U_от< U_о и І_от < І_о эрозия контактов в основном вызывается плавлением контактных площадок и вытягиванием жидких мостиков при замыкании контактов. Металл переносится на катод. Объём перенесённого металла на одно размыкание:

где: , - постоянные для каждого металла (см. [2]).

б) при U _от ? U_о и І_от ? І_о образуется искра и максимально короткая дуга. Расчётные соотношения приведены в [4].

в) при U_от >> U_о, І_от >> І_о, когда образуется дуга, вызывающая сильную эрозию контактов, объём перенесённого металла с катода на анод за одно размыкание и одно замыкание:

где: , , - удельные значения износа металла анода и катода при одном замыкании и одном размыкании, см³ / кг;

- количество электричества в Кл, протёкшего за время одного включения:

где: - средний ток дуги, - часть суммарного времени вибрации контактов.

- количество электричества в Кл, протёкшего за время размыкания.

Для постоянного тока: , где - время горения дуги - средний ток в дуге при размыкании

При переменном токе

а) износ контактов происходит вследствие распыления металла под влиянием высокой температуры дуги, при размыкании контактов и расплющивании их от ударов при замыкании.

б) дуга образуется только при размыкании тока, при выполнении условий:

U_от > U_о , І_от > І_о

Чем больше отношения и , где І_m , U_m - амплитудные значения тока и напряжения, тем большая возможность для образования дуги, которая также зависит от фазы тока в момент размыкания.

в) дуга гаснет при первом приближении тока к нулю, поэтому время горения её не превышает одного полупериода (для частоты 50 Гц - 10 мс)

г) количество электричества, протёкшего в виде газового разряда при размыкании определяется по формуле:

- число полупериодов горения дуги, принимается, как целое число.

Для маломощных реле -

- угловая частота

14 АППАРАТЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ И УПРАВЛЕНИЕ ЕЁ ПРИЁМНИКАМИ (до 1000В)

По зависимости, предложенной профессором Кузнецовым П.С., удельный массовый износ определяется по формуле:

, - удельный массовый износ при одном замыкании и размыкании

, - коэффициенты износа металла контактов, полученные опытным путём для конкретных материалов (см.[1, табл. 5-11]) или графической зависимости

- коэффициент неравномерности, учитывающий неравномерность износа контактов:

· при постоянном токе износ анода превышает полусумму износа анода и катода в (1,1 ч 3,0) раза

· у трёх полюсных апаратах переменного тока максимальная потеря массы контактов одного полюса больше средней потери(1,1 ч 2,5) раза

, - предельные токи включения и отключения, для заданной категории применения аппарата.

14.1 Последовательность расчёта электрической износостойкости и провала контактов для аппаратов управления (контакторов)

1Задаёмся электрической износостойкостью на основании заданной для данного класса механического износа.

2 Определяем объём изнашиваемого металла, расчёт выполняется, по крайней мере, двумя методами:

1 Метод:

2 Метод: Изнашиваемый объём определяется по формуле Таева И.С.:

- коэффициент использования объёма контакта

- коэффициент, характеризующий удельный расход металла контактов на единицу количества электричества, протёкшего в виде газового разряда.

- количество электричества, протёкшего в виде газового разряда при отключенной цепи, в Кл:

На постоянном токе величина рассчитывается по формуле:

где - предельный ток отключения для данной категории аппарата

- время горения дуги, которое может быть приближенно принято равным времени растяжения дуги до критической длины дуги ( ).

Время определяется по результатам расчёта дугогасительного устройства, на переменном токе.

Величина определяется по формуле:

где - действующее значение отключаемого тока в амперах в соответствии с категорией применения аппарата;

- угловая частота;

- число полупериодов горения электрической дуги, которое принимается равным целому числу, в зависимости от категории применения аппарата:

АС1 - n = 1; АС2 - n = 2; АС3, АС4 - n = 3

Из двух полученных результатов после определения для дальнейших расчётов принимаем больший результат (как самый худший вариант).

Если используется массивный контакт без накладок, принимается равным 0,5.

Если используются контактные накладки, то принимается = 1.

3 Определяется линейный износ контактов:

где - линейный износ;

- возможная площадка контактирования

Для линейных контактов без накладок

Рисунок 1.21 - Точечный контакт

Рисунок 1.22 - Линейный контакт

Рисунок 1.22 - Плоскостной контакт: а -момент замыкания контакта, а-б- длина линий переката рычажного контакта в - ширина подвижного контакта

Для контактов, содержащих контактные накладки,



Рисунок 1.23 - Определение для любой формы поверхности

Рисунок 1.23 - Определение толщины изнашиваемого металла

После определения линейного износа необходимо выполнить контрольные мероприятия, если контакт рычажный без накладок, где коэффициент использования металла контакта в зоне , не должен превышать 0,5, то линейный износ должен быть не более , т.е.

- толщина неподвижного контакта, - толщина подвижного контакта

Для контактов, содержащих контактные накладки (мостиковые, рычажные), где коэффициент использования ? 1 должно выполняться условие:

Н_1, Н₂ - толщина или высота контактных накладок на неподвижных и подвижных контактах.

Если указанные условия не выполняются, то необходимо произвести корректировку размеров контактов. Либо, в случае больших расхождений, расчёты контактного узла повторяются с самого начала, либо уменьшается электрическая износостойкость и увеличивается число замен контактов. После корректировки размеров контактов, определяется провал контактов:

Провал контактов используется как важный исходный параметр для расчёта контактных пружин.

14.2 Мероприятия по повышению износостойкости контактов

1 Выбор материалов контактов может быть произведён с учётом рекомендаций и условий эксплуатации контактов.

2 Уменьшение времени существования между контактами мостика расплавленного металла и дуги:

а) в общем случае желательно увеличивать начальную скорость расхождения контактов при размыкании, в некоторых случаях целесообразно принимать оптимальную скорость размыкания контактов;

б) необходимо выбирать оптимальную напряжённость магнитного поля в зоне размыкания контактов при наличии системы магнитного дутья, для обеспечения минимального линейного износа контактов.



Рисунок 1.24 - Зависимость линейного износа от напряженности магнитного поля

3 Уменьшение вибрации контактов при их замыкании.

4 Конструктивные мероприятия.

а) уменьшение площади изнашиваемой части контактов, в том числе за счёт изменения радиуса кривизны контактной поверхности;

б) обеспечение более равномерного износа контактов за счёт применения самоустанавливающихся контактов.

15. РАСЧЕТ КОНТАКТНЫХ ПРУЖИН

Большинство электрических аппаратов содержит в конструкции одну или даже несколько пружин, обычно это контактные или отключающие пружины. Пружины в электрических аппаратах выполняют ответственную роль и определяют основные характеристики аппаратов, поэтому их расчёт имеет большое значение. Для выполнения расчётов необходимо определить расположение пружины в механизме контактного узла или аппарата и взаимодействие их с другими частями аппарата. Выбор материала пружины необходимо производить исходя их общепринятых рекомендаций:

1 При относительно больших силах и небольших перемещениях (прогибах) целесообразно применять сталь.

2 При необходимости получения относительно больших перемещений (прогиба) при небольших силах применяют материалы с меньшими значениями модуля упругости, например, фтористую бронзу.

В зависимости от названия аппарата следует принимать повышенные или пониженные допустимые напряжения в металле. Например, для аппаратов распределительных устройств, работающих редко при износостойкости до нескольких десятков тысяч циклов, можно предусматривать наименьший коэффициент запаса. Для аппаратов управления и автоматики принимаются значения допустимых напряжений, а для особо тяжёлых режимов - пониженное допустимое значение напряжения в металле. Помимо указанного, необходимо также руководствоваться требованиями ГОСТов.

Наибольшее распространение получили витые цилиндрические пружины. Они могут в зависимости от размеров развивать усилия от долей до тысяч Ньютонов.

Рассмотрим принципы конструирования и проектного расчёта витых цилиндрических пружин на примере рычажных контактов.

15.1 Порядок проектирования

15.1.1 Эскизная проработка контактного узла в масштабе

Эскизная проработка выполняется после окончательного выбора размеров контактов, расчёта объёмного износа контактов, когда можно определить провал контактов, по известным силам конечного и начального нажатия. На этом этапе фактически формируется конструкция контактного узла, в частности производится выбор конструкции контакта держателя.

Рисунок 1.25 - Контакты: - вектор силы контактного нажатия, - вектор силы контактной пружины, - длина плеча, на которое будет действовать вектор силы F_пр, - длина плеча, на которое будет действовать вектор силы .

Величины , устанавливаются в результате проработки контактного узла в масштабе.

Исходными данными для расчёта параметров пружины служат, (для мостиковых контактов в подобных ситуациях эти силы удваиваются), , длины плеч , .

15.1.2 Построения нагрузочной характеристики пружины

Для этого выполняется привидение сил контактного нажатия и провала контакта в точке О₂, где действует проектируемая пружина. Про пересчёт действующих сил вводится кинематическая схема.

Рисунок 1.26 - Кинематическая схема сил

, Н

, Н

Для пересчёта перемещений вводится следующая кинематическая схема:

Рисунок 1.27 - Кинематическая схема перемещений

, , ,

так как угол один и тот же, то

Для построения нагрузочной характеристики вводим систему координат

Рисунок 1.28 - Зависимость противодействующих сил от перемещения

Полученная нагрузочная характеристика является исходной для определения параметров пружины



Рисунок 1.29 - Пружина: d - диаметр проволоки, D_ср - средний диаметр пружины, W - число витков пружины, определяющее длину пружины в сжатом и свободном состоянии.

15.1.3 Выбор материала пружины

Производится выбор материала пружины с учётом рекомендаций и определяется G - модуль сдвига, модуль упругости при кручении (Н/мм², кгс/мм²)

Определяется - допустимое напряжение при кручении, (Н/мм², кгс/мм²)

15.1.4 Определение характеристических коэффициентов пружины

, и

где - длина пружины в свободном состоянии

В обычном исполнении пружин значение коэффициентов С₁ и С₂ следующее:

,

Важно выдержать втрое условие для значения С₂ в пружинах, работающих на сжатие: когда , при работе пружины может получиться боковое выпучивание, при этом создаётся трение в витках, искажающее характеристику пружины. Последнее не касается пружин, работающих в специально предусмотренных для них каналов, отверстий.

При проектировании пружин рекомендуется выбирать следующие предпочтительные размеры и :

- 5; 6; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 62 мм

- 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,2; 1,6; 2; 2,5; 3; 4,5; 6 мм

15.1.5 Определение диаметра проволоки или прутка и числа витков катушки

Полученное значение корректируется с учётом действующего сортамента на проволоку или пруток.

Определяется рабочее число витков пружины:

где - скорректированный диаметр проволоки или прутка

- полное перемещение пружины,

Определяется полное число витков пружины:

15.1.6 Определение шага пружины сжатия и длины пружины

Шаг пружины:

Длина пружины в рабочем состоянии:

После определения производится проверка коэффициента C₂, если имеются существенные расхождения, то необходимо вносить корректировку и расчёты повторять:

После этого определяется длина пружины в сжатом состоянии:

15.1.7 Уточнение полученных данных

Так как в процессе расчёта некоторые величины округлялись, то выполняется построение расчётной характеристики пружины и сопоставление её с требуемой характеристикой по условиям работы:

а) уточняется начальная сила пружины:

б) уточняется сила пружины конечная:

Расхождение расчётных сил и с исходными не должно быть более ± 5 ч ±10 %.

16 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

16.1 Общие положения

При проектировании ДУ необходимо учитывать ряд требований:

1 ДУ должно обеспечивать заданную коммутационную отключающую и включающую способность аппарата при заданных условиях работы.

2 ДУ должна обеспечивать минимальное время горения дуги с целью уменьшения износа контактов и дугогасительной камеры, если она предусмотрена.

3 При гашении дуги в ДУ не должно возникать недопустимых перенапряжений, вызывающих перекрытие изоляции.

4 ДУ должно иметь минимальные размеры, минимальный выброс пламени дуги и ионизированных газов, которые могут вызвать пробой изоляции между частями аппарата.

5 ДУ должно обеспечивать минимальный звуковой и световой эффекты.

Некоторые требования взаимно противоречивы: например, уменьшение времени горения дуги связано с увеличением перенапряжений.

16.2 Условие гашения дуги постоянного тока



Рисунок 1.30 - ВАХ дуги постоянного тока

ВАХ дуги должна лежать выше нагрузочной

где: - градиент напряжения на столбе дуги, В/см

- длина дуги, см

- приэлектродное падение напряжения на контактах, В

Для низковольтных аппаратов не превышает по максимуму 20ч30 В, поэтому в практических расчётах, если не предусмотрена решётка, этим параметром пренебрегают (тогда считают , < 30 см).

Для реализации условия гашения дуги можно воздействовать на путём перемещения дуги из зоны контактов за счёт ЭДУ контура или специальной схемы магнитного дутья.

Модно также воздействовать на увеличение за счёт увеличения раствора контактов, однако, у есть ограничения ? 30 см.

16.3 Условия гашения дуги переменного тока

В любой момент времени после погасания дуги (проход тока через естественный ноль) восстанавливающая прочность межконтактного промежутка должна быть больше восстанавливающегося напряжения.

где: - мгновенно восстанавливающаяся прочность, она зависит от материала контакта и предшествующей величины тока в дуге

- скорость роста восстанавливающейся прочности,

- время, с

Рисунок 1.31 - Изменение восстанавливающейся прочности во времени

В зависимости от характера отключаемой цепи, закон изменения восстанавливающегося напряжения может быть апериодическим и колебательным.



Рисунок 1.32 - Колебательный процесс восстановления напряжения

, - собственная частота,

Если эти две характеристики пересекаются, то происходит повторный пробой промежутка между контактами и дуга восстанавливается. При колебательном процессе восстановления напряжения максимальное напряжение не может быть больше .

В расчётах это учитывается путём введения коэффициента К_а- коэффициента превышения амплитуды.

Рисунок 1.33 - Апериодический процесс восстановления напряжения



При апериодическом процессе восстановления напряжения, максимальное напряжение не может быть больше U_с.

16.4 Значения токов, для которых производится расчёт дугогасительного устройства

Значения токов назначаются с учётом зависимости времени горения дуги от величины отключаемого тока и категории применения аппарата.

Рисунок 1.34 - Зависимость времени горения дуги от величины тока отключения

1-область, где гашение дуги, в основном, определяется механическим растяжением, т.е. ЭДУ малы и основную роль играет раствор контактов.

3 - область значительных токов, где решающим фактором в процессе гашения дуги является ЭДУ, между областью 1 и областью 3 находится область с максимально возможным временем горения дуги 2 . Это область критических токов. Это объясняется невозможностью растяжения контактов.

Эта область может приходится на диапазон токов от 3 до 30 А, в зависимости от особенности аппарата и характера отключаемой нагрузки. В некоторых случаях область критических токов может достигать до 100 А.

4 - область отключения предельных токов, малое время горения дуги, за счёт малых ЭДУ. С учётом приведённой зависимости при расчётах ДУ назначается ряд токов:

· токи из области критических токов (4 - 5 значений тока)

· , проверка номинальных значений ДУ

· , величина, которых устанавливается по категории применения аппарата, для определения предельных возможностей ДУ.

Максимальное время горения дуги при расчётах должно быть ? 0,1 с, если это условие не выполняется, то расчёт ДУ начинается сначала.

16.5 Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока

Рисунок 1.35 - Осциллограмма изменения напряжения и тока в дуге

При гашении свободной открытой дуги, а также гашения дуги в камере с широкой цепью, упрощённо считают, что ток в дуге спадает по линейной зависимости, поэтому , где - напряжение, возникающее за счёт ЭДС самоиндукции. Для свободной дуги и в случае камеры с широкой щелью:

,

а при гашении дуги в камере с узкой щелью

,

где: L - индукция отключаемой сети;

- время горения дуги при данных и

- в общем случае называется напряжением отключения, которое принимается равным: , где 1,1 - коэффициент, учитывающий возможные колебания напряжения в сети в большую сторону на 10%.

При расчёте дугогасительных устройств, необходимо учитывать возможность появлений перенапряжений, и должно соблюдаться условие: , где - испытательное напряжение для данного класса аппарата.

16.6 Учёт влияния индуктивности отключаемой цепи при расчётах дугогасительных устройств постоянного тока

Как было указано выше, во время горения дуги к отключаемому напряжению источника добавляется ЭДС самоиндукции , если принять, что при отключаемом токе скорость изменения тока в течение времени горения дуги - постоянно, т.е. ток в дуге спадает по линейной зависимости, то ЭДС самоиндукции будет равна:

т.е. ,

Поскольку при расчёте ДУ постоянного тока приближённо можно считать, что гашение дуги в индукционной цепи происходит как в цепи с активной нагрузкой, но при большем напряжении, то расчёт ДУ производится не по величине , а по величине: , .

Рисунок 1.36 - ВАХ дуги постоянного тока для и

16.7 Основные критерии правильности расчёта ДУ постоянного и переменного тока

Длина дуги не должна быть > 30 см, , время горения дуги не должно быть больше 0,1 с, .

Максимальное напряжение не должно превышать испытательное напряжение: для постоянного тока

, для переменного тока

Если при гашении дуги используется щелевая камера, то максимальная температура нагрева внутренних стенок камеры не должна превышать допустимой температуры для выбранного материала камеры: .

16.8 Гашение свободной, неподвижной, открытой дуги постоянного тока механическим растяжением

Данный способ гашения электрической дуги используется для слаботочных электрических аппаратов вспомогательных контактов, а также приемлем для установления растворов контактов аппаратов управления.

Отключаемую способность контактов аппаратов характеризуют предельной мощностью коммутации: .

Как известно, при увеличении допустимый отключаемый ток для контактов уменьшается, поскольку мощность отключения принимается как постоянная величина.

Рисунок 1.37 -Графическая зависимость

Задачей расчёта является определение , величина которого фактически определяет процесс гашения электрической дуги механическим растяжением. Этот способ дугогашения применяется для слаботочных аппаратов (контактов) в следующих случаях:

1) дуга не возникает;

2) дуга возникает.

В первом случае этот способ применяется при небольших растворах, которые принимаются по конструктивным соображениям, и при этом .

Во втором случае необходимо определять по графическим зависимостям, либо по империческим формулам. Графические зависимости устанавливаются для нескольких фиксированных зазоров, каждый из которых характеризует определённую отключающую способность аппарата.

Рисунок 1.38 - Графическая зависимость при разных

Условия применения графических зависимостей для второго случая следующие:

1 - дуга открытая свободная (без специальных дугогасительных устройств) при атмосферном давлении воздуха.

2 - дуга гаснет за время не более 0,1 с

3 - при повышении напряжения на 10 ч 15 % при данном токе получается устойчивая дуга.

4 - разрыв цепи тока однократный, при наличии нескольких последовательных разрывов, например, при использовании мостиковых контактов, напряжение делится на количество разрывов.

5 - нагрузка от чисто активной до слабо индуктивной (Т_эм не более 0,01 с) при большой индуктивности можно ориентироваться на графические зависимости, но при выборе раствора определять его по .

6 - материал контактов - серебро, металлокерамика на основе серебра, возможно использование меди и других не тугоплавких материалов.

Скорость расхождения контактов не более 0,1 см/с, увеличение скорости даёт возможность увеличить отключаемый ток всего на 10 %.

Расчётные значения определяются с учётом коэффициента запаса, величина которого зависит от конкретных условий работы аппарата и выбирается в пределах .

Таким образом, расчётное значение будет определяться:

Определение по империческим зависимостям

При свободной открытой дуге постоянного тока, необходимый раствор контактов можно определить также по величине критической длине дуги, для токов из области критических. Общая формула для указанного случая имеет следующий вид:

,

где: - константы для данного газа;

- давление.

Для воздуха эта формула имеет следующий вид:

По величине выбирается раствор контактов ; с учётом конструктивных соображений. При этом раствор контактов не должен быть более 30 см.

16.9 Гашение свободной дуги постоянного тока, перемещающейся под действием электродинамических усилий

16.9.1 Порядок расчёта ДУ (дугогасительного устройства)

1 Задаются рядом токов отключения, в которые обязательно включают токи из области критических, номинальный и предельный ток.

2 Определяют величину расчётного напряжения с учётом категории применения проектируемого аппарата и строят нагрузочные характеристики. Величину расчётного напряжения определяют по формуле:

,

где , Т_эм - электромагнитная постоянная, величина которой определяется по [3] с учётом заданной категории применения аппарата.

- время гашения дуги в секундах, которое на данном этапе расчёта может быть принята равной 0,1 с

3 Для каждого отключаемого тока определяем критическую длину дуги, с этой целью путём последовательного приближения строится ВАХ, которая должна касаться нагрузочной характеристики в одной точке.

Статистическую ВАХ рассчитывают по формуле:

где - длина дуги в см, задаётся произвольно и принимается как постоянная величина,

- средняя скорость перемещения дуги на участке от до 0 (см/с), полагают, что на этом участке

- промежуточное текущее значение тока в дуге на участке от данного до 0

Рисунок 1.39 - Построение ВАХ дуги по разным i_д

Если отключаемый ток находится в пределах до 200 А, то определяется по формуле:

- раствор контактов, который определяется по имперической формуле с учётом рекомендаций.

Если более 200 А, то

4 Определяется время растяжения дуги до для всех отключаемых токов:

- критическая длина для каждого, отключаемого тока, см

- скорость расхождения контактов, принимается в пределах от 1 до 100 см/м

- скорость перемещения дуги для каждого, отключаемого тока, который определяется в п.3

5 Строится зависимость времени горения дуги , время горения дуги определяется по формуле:

где - принимается равным 0,01с, это время существования пламени дуги

6 Определяется стрела вылета дуги для всех отключаемых токов:

Рисунок 1.40 - Стрела вылета дуги



По величине строится возможная траектория движения дуги, этот параметр позволяет установить тот объём пространства, который будет занят дугой.

7 Определяются величины перенапряжений для каждого отключаемого тока:

где: L - индукция отключаемой цепи, Гн, определяется на основе применения аппарата.

Составляется мотивированное заключение о целесообразности применения данного способа гашения дуги постоянного тока. При этом необходимо учитывать выполнимость следующих условий для всех отключаемых токов:

1) -

2) -

3) -

Если хотя бы одно из этих условий не выполняется, то приступают к расчёту специального дугогасительного устройства.

16.10 Гашение свободной открытой дуги переменного тока двукратным разрывом

1 Определяется раствор контактов , см.[1, стр.166-167].

2 Задаются скоростью расхождения контактов , используя рекомендации.

3 По исходным данным с учётом категории применения аппарата определяют:

а) предельный отключаемый ток

б) коэффициент мощности

Указанные параметры приводятся в таблице для заданной категории применения аппарата. Например, А3, А4 (АС3, АС4), ;

4 Определяется мощность отключаемой нагрузки:

Начиная с этого пункта расчёт всех параметров, производится для двух значений отключаемых токов

5 Определяем собственную частоту отключаемой частоты, исходя из наличия кабельной сети.

Для этого случая можно воспользоваться формулой:

где: Р - отключаемая мощность, в кВт

6 Определяется коэффициент превышения амплитуды :

где - собственная частота отключаемой цепи, в кГц

7 Определяется коэффициент схемы , который учитывает количество полюсов аппарата и схему отключаемой цепи.

Таблица 1.4 - Значение для типичных случаев в соответствии с векторной диаграммой напряжения

Типичные случаи
Отключение трёхфазной цепи трехполюсный аппаратом	1,5
Тоже, но при глухом заземлении нейтрали, источника и приёмника	1
Отключение однофазной цепи двухполюсным аппаратом	0,865
Тоже, но однополюсным аппаратом	1,73

8 Определяется индуктивность отключаемой цепи:

где: - начальный угол сдвига фаз между током и напряжением;

- угловая частота:

9 Определяется коэффициент :

10 Определяется коэффициент , характеризующий скорость роста восстанавливающейся прочности между контактными промежутками для медных контактов.

11 В случае использования контактов из серебра, металлокерамических контактов при определении вводится поправочный коэффициент .

12 Определяется коэффициент , характеризующий максимальную скорость восстановления напряжения при апериодическом процессе восстановления напряжения:

13 Определяется длина дуги на один разрыв.

При токах до 80 А длина дуги на одном разрыве должна приниматься равной конечному раствору контактов , если , то должна быть равна 1 см.

Для токов в диапазоне от 80 до 200 А определяется по формуле:

Для токов более 200 А определяется по формуле:

где: - отключаемый ток в А, в соответствии с рекомендациями п.3;

- конечный раствор контактов, см

Время горения дуги на данном этапе расчёта принимается ориентировочно с учётом категории применения проектирования аппарата. Например,;

;

14 Определяется начальная восстанавливающаяся прочность промежутка от величины отключаемого тока, отнесённую к моменту перехода тока через 0.

Например, см. [1, стр.168, расчёт 4.23]

15 Определяется усреднённая величина эквивалентная сопротивлению дуги , приходящаяся на один сантиметр длины дуги.

16 Определяется число разрывов при апериодическом процессе восстановления напряжения:

В реальной конструкции аппарата число разрывов на полюс может быть равно лишь конечным значениям: поэтому расчётные значенияокругляются до целого числа в большую сторону.

17 Проверяем условие возможности перехода колебательного процесса восстановления напряжения в апериодический по формуле:

Если условие выполняется, то в рассматриваемом случае наблюдается апериодический процесс восстановления напряжения и число разрывов на полюс аппарата может быть принято .

18 Определяем каким бы было число разрывов при колебательном процессе восстановления напряжения:

Полученное расчётное значение округляется до целого числа в большую сторону.

19 После указанных расчётов выполняют мотивированное заключение:

а) - если число разрывов или > 1, но < 2 , то принимают мостиковые контакты. Если они не предусматривались ранее в токоведущем контуре, то соответственно в него вносятся коррективы.

б) - если число разрывов или < 1, то целесообразно принимать рычажные контакты, но с оговоркой. Однако если требуется упрощённая кинематическая схема аппарата, предпочтение отдаётся мостиковым контактам.

в) - если число разрывов или > 2, то приступают к расчёту специального дугогасительного устройства (дугогасительной решётки или щелевой камеры). К расчёту специального дугогасительного устройства приступают и в том случае, если > 30.

16.11 Гашение дуги постоянного тока в камере с продольной щелью в поперечном магнитном поле

1) Производится выбор вида дугогасительной камеры с учётом имеющихся конструкций, [1, стр.134].

2) Выбирается ширина щели и рекомендуемые значения:

3) Выполняется эскизная проработка конструкции дугогасительного устройства в определённом масштабе. По эскизу с учётом масштаба определяется площадь пластин магнитопровода системы магнитного дутья и расстояния между ними

При определении величины учитывают возможную траекторию движения дуги, чтобы она надёжно входила в щель камеры под действием внешнего магнитного поля

При определении величины учитывают ширину подвижного контакта, а также зазоры между ним и стенками камеры и также учитывают толщину стенок камеры. Здесь же предварительно выбирается материал для изготовления щелевой камеры из рекомендуемых. Впоследствии уточняется материал после расчёта нагрева камеры.

Рисунок 1.41 - Эскизная проработка конструкции дугогасительного устройства

4 Производится выбор величины напряжённости магнитного поля в зоне размыкания контактов для номинального тока, см. [1, стр.158, рис.6.14].

При выборе напряжения поля необходимо принимать минимально возможный линейный износ контактов.



Рисунок 1.42 - Зависимость линейного износа от напряженности магнитного поля

5 Производится проектный расчёт электромагнитной системы дугогасительного устройства. Задачами данного расчёта являются: определение диаметра сердечника системы магнитного дутья ; числа витков катушки системы магнитного дутья ; корректировка величин и . Построение зависимости напряжённости магнитного поля в магнитном зазоре от величины отключаемого тока , которая используется для определения параметров дугогасительного устройства.

В зоне размыкания контактов обычно действует суммарная напряжённость магнитного поля , которая имеет две составляющие: собственную напряжённость магнитного поля, созданную элементами токоведущего контура и рычажными контактами, а также напряжённость магнитного поля , созданную электромагнитной системой магнитного дутья, т.е. общая напряжённость будет определяться суммой этой напряжённости.

Исходную величину напряжённости устанавливают по графической зависимости, с учётом минимального линейного износа контактов для номинального тока. Собственная напряжённость магнитного поля определяется по формуле:

где - ток отключения (из принятого ряда отключаемых токов).

- это раствор контактов, в метрах

-это ширина токоведущей контактной детали (ширина подвижного контакта), в метрах

Зная величины напряжённостей магнитного поля и можно определить напряжённость магнитного поля , которую должна создать система магнитного дутья при номинальном токе . Полученное значение должно быть использовано для расчётов параметров системы магнитного дутья. Однако необходимо выполнить сопоставление перед расчётом параметров системы магнитного дутья. При достаточно больших может оказаться, что напряжённость магнитного поля уже достаточно велика и может примерно достигать значений требуемой напряжённости . Если находится в пределах , то необходимость в использовании системы магнитного дутья отпадает, в этом случае условно принимают, что и для аппарата можно использовать щелевую камеру без катушки магнитного дутья. Если величина находится в пределах: , то в практических расчётах не используется, т.е. , и считают, что необходимую величину напряжённости магнитного поля должна создать система магнитного дутья. Если значения находятся в пределах , то в расчётах учитывают обе составляющие напряжённости магнитного поля. В этом случае, расчёт параметров электромагнитной системы магнитного дутья выполняют на величину напряжённости магнитного поля, полученную по формуле: , для номинального тока, а затем для всего диапазона отключаемых токов.

16.11.1 Порядок расчёта электромагнитной системы магнитного дутья

1 - сердечник; 2 - полюс системы магнитного дутья; 3 - катушка магнитного дутья 4 - изоляционная трубка.

Рисунок 1.43 - Эскиз системы магнитного дутья

1 С учётом указанных рекомендаций определяется необходимая напряжённость магнитного поля Н_б для номинального тока. С целью упрощения расчётов будем считать, что собственная проводимость поля Н_с в данном случае очень мала и ей можно пренебречь Н_с ? 0 .

2 Выбирается материал магнитопровода для сердечника и пластин полюсов с учётом имеющихся рекомендаций. Следовательно, для данного материала будет известна кривая намагничивания .

3 По нижнему значению величины Н_б для номинального тока определяется число витков катушки магнитного дутья.

Число витков катушки:

где Н_б - напряжённость магнитного поля в зоне размыкания контактов в зазоре;

- номинальный ток, А;

-коэффициент, который учитывает магнитное состояние системы электромагнитного дутья. Для ненасыщенных магнитопроводов, что соответствует номинальному току, К_б принимается в пределах . Полученное расчётное значение округляется до целого числа, в большую сторону, и после этого уточняется значение Н_б.

4 По полученным значениям Н_б и S_п определяется величина магнитного потока Ф_б в магнитном зазоре . Расчёт производится по формуле:

где - магнитная постоянная,

Для самоконтроля по найденному значению определяется величина индукции должна быть порядка

5 Исходя из условия, что магнитный поток , где - это магнитный поток в сердечнике (потоками рассеивания пренебрегаем) и принимая, что индукция в сердечнике для ненасыщенного состояния, соотношения номинальному току должно быть в пределах . Определяем необходимое сечение сердечника по формуле: .

Зная величину сечения сердечника, определяем диаметр сердечника:

Полученное значение округляем до целого числа и окончательно выбираем с учётом имеющегося сортамента на выбранный магнитный материал. После этого уточняется значение сечения сердечника .

6 Строится в масштабе кривая намагничивания для принятого магнитного материала. Полученная зависимость будет использована для анализа магнитного состояния электромеханической схемы, которая будет оцениваться по величине индукции .

Рисунок 1.44 - Кривая намагничивания

7 Производится расчёт зависимости напряжённости магнитного поля Н_б от величины отключаемого тока по формуле: