Проектирование электромеханических устройств

Порядок расчёта зависимости Н_б от I_отк рекомендуется следующий:

Для каждого тока отключаемого последовательно определяется:

По полученному значению индукции В_с устанавливается положение рабочей точки на кривой намагничивания , а именно: находится эта точка ещё на линейном участке или находится на участке перехода в насыщение (колено кривой намагничивания). Условно принимается, что индукция насыщения В_с составляет . Если рассчитанное значение В_с для какого-то принятого I_отк находится в указанном диапазоне индукции, то необходимо пересчитать величину Н_б, принимая новое значение коэффициента К_б, соответствующее уже насыщенному состоянию сердечника электромагнитной системы. В этом случае К_б принимается в пределах К_б =(0,4 ч 0,6).

В области магнитного насыщения сердечника величину напряжённости Н_б необходимо рассчитать, по крайней мере, для двух-трёх значений тока отключения, принимая для всё больших значений отключаемого тока большие значения коэффициента К_б. Для рационального проектирования электромагнитной системы насыщение сердечника должно наступать при токах отключения: I_отк =(2,5 ч3,5)I_н

Рисунок 1.45 - Определение и

8 Если при расчётах электромагнитной системы необходимо учитывать две составляющие магнитного поля Н_б и Н_с в зоне размыкания контактов, то для каждого отключаемого тока, кроме зависимости выполняется расчёт зависимости .

Рисунок 1.46 - Зависимость

6 Определяется скорость движения электрической дуги для всех принятых токов отключения в зависимости от соотношения выбранной ширины щели и диаметра дуги . Расчёт выполняется по формулам:

а) если

б) если

где: - средний ток в дуге, А

- напряжённость поля в зоне размыкания контактов, которая определяется по графическим зависимостям, полученным в результате расчёта:

Расчёт диаметра дуги производится по формуле:

где - скорость движения дуги, см/с, вычисленная по формуле а) или б)

Очевидно целесообразно в начале расчёт производить по формуле: а) до тех пор, пока будет выполняться условие , а затем по формуле б).

Следует также полагать, что для каждого отключаемого тока, который изменяется от I_отк до 0, скорость перемещения дуги является средней величиной и принимается как постоянная величина.

7 Выполняется построение ВАХ для всех отключаемых токов, по которым определяется критическая длина дуги , нагрузочные характеристики строим по U_расч и I_отк. ВАХ рассчитывают по формулам:

а) для ширины щели

б) для

где: - длина дуги, которая принимается произвольно, см;

- ширина щели, см;

- текущее значение тока в дуге, при изменении отключаемого тока от I_отк до 0.

- скорость перемещения дуги, см/с

Если в расчётах получается чрезмерно больше, , то целесообразно увеличить градиент падения напряжения на дуге. Более высокий градиент можно получить при уменьшении ширины щели . Приняв новое расчёты повторяются, начиная с п. 6.

8 Определяем время горения дуги и строится зависимость: t_г = f (I_отк)



Рисунок 1.47 - ВСХ дуги

9 Определяются перенапряжения для каждого отключаемого тока и проверяется выполнимость условия:

- максимальное значение напряжения при отключении

10 Определяется стрела вылета дуги для всех отключаемых токов и корректируются размеры камеры.

11 Производится расчёт температуры нагрева камеры. Этот пункт, прежде всего, относится к проектированию аппаратов для повторно-кратковременного режима.

- температура окружающей среды, +40 ⁰С;

Z - число включений-отключений в час;

К_т - коэффициент теплоотдачи со стенок камеры, его можно принять

;

- площадь боковой поверхности в узкой части камеры, там где дуга непосредственно контактирует со стенками камеры;

- энергия, выделяющаяся в дуге при одном цикле гашения дуги, Дж

Энергия определяется по формуле:

где - индуктивность отключаемой цепи:

- электромагнитная постоянная, определяется по таблице.

Расчёт и выполняется для всех отключаемых токов. Одновременно проверяется выполнимость условия:

- максимально допустимая температура нагрева материала камеры.

Если указанное условие не выполняется, то необходимо производить повторный расчёт дугогасительного устройства.

12 Производится мотивированная оценка параметров спроектированного дугогасительного устройства, при этом должна учитываться выполнимость следующих условий:

17 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАЦИОНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СПЕЦИАЛЬНОГО ДУГОГАСИТЕЛЬНОГО УСТРОЙСТВА ДЛЯ ГАШЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Если на основании предыдущих расчётов (двухкратного разрыва) установлено, что двухкратный разрыв для гашения электрической дуги переменного тока не эффективен, то приступают к расчёту специального дугогасительного устройства. Выбор вида ДУ производится с учётом заданной категории применения аппарата и числа включений-отключений в час.

ДУ целесообразно применять в коммутационных аппаратах, рассчитываемых на лёгкий режим работы (до 600 вкл. - откл. в час).

Эффективность применения решётки должна оцениваться по температуре нагрева пластин и габаритами проектируемого ДУ.

Гашение дуги переменного тока в камере с продольной щелью в переменном магнитном поле применяется при больших номинальных токах (сотни ампер) главным образом у аппаратов, предназначенных для работы в тяжёлых условиях, т.е. данное ДУ применяется тогда, когда камера с решёткой не эффективна.

18 ГАШЕНИЕ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В КАМЕРЕ С РЕШЁТКОЙ

Помимо тех данных, которые использовались при расчёте дуги с двукратным разрывом, определяются ещё следующие данные:

а) Материал пластин (обычно низкоуглеродистая сталь)

Штампованные пластины защищаются от коррозии гальванопокрытием (медь, кадмий)

б) Принимается ориентировочно расстояние между пластинами .

Принимается обычно от 2 до 12 мм, менее 2 мм не рекомендуется. Рекомендации по конструкции пластин и их установки в камере, см.[1, стр.114].

Определяем установившуюся температуру нагрева пластин по формуле:

где - отключаемый ток, А

Z - число включений-отключений в час.

Начиная с этого пункта расчёт параметров ДУ производится дл 2-х токов (номинального и предельного).

Если установочная температура равна или больше 400⁰С, то применение решётки нецелесообразно и приступают к расчёту щелевой камеры. Если температура не превышает 400⁰С, то можно продолжить расчёт.

Определяется величина напряжения по формуле:

где - расстояние между пластинами, мм

Определяется величина напряжения:

где - расстояние между пластинами, мм

Определяется величина :

где - это расстояние между пластинами, мм

- толщина

Определяется величина по формуле:

где - индукция отключаемой цепи, Гн

Определяется коэффициент :

Определяется число разрывов для апериодического процесса восстановления напряжения:

Полученная величина округляется в большую сторону до целого числа.

Проверяется, выполняется ли условие перехода колебательного процесса восстановления напряжения в апериодический:

Если условие перехода выполняется, то => число разрывов дугогасительной решётки равно .

Если условие не выполняется, то определяют число пластин при колебательном процессе восстановления напряжения. Расчёт выполняется по формуле:

где определяется по формуле:

Полученное значение округляют в большую сторону до целого числа.

На основании данных полученных в п.8 и п.9, расчёте пластин и при колебательном процессе, принимается реальное число пластин, которое равно расчётному значению плюс несколько резервных пластин.

Так как расчёт производится для двух значений тока: и , то во внимание должно приниматься наибольшее число пластин.

Если при использовании данного способа гашения дуги предусмотреть применение мостиковых контактов (например, с целью повышения коммутационной способности или с целью упрощения кинематической схемы аппарата), то расчёт числа пластин и производится для половинного напряжения, т.е.

Определяется минимальная длина пластин , чтобы дуга не вышла за пределы дугогасительного устройства:

где - время горения дуги, с; - в мм

В реальных условиях время горения дуги в решётке может быть больше 1 полупериода, вследствие неодновременного входа частей дуги в камеру.

Поэтому, в расчётах время следует принимать равным двум полупериодам, т.е.

Вычерчивается эскиз камеры с решёткой, определяются габаритные размеры спроектированного дугогасительного устройства, по числу пластин, по , по ширине пластин. Ширина пластин определяется с учётом ширины подвижных контактов.

Рисунок 1.48 - Эскиз камеры с решёткой

19 ГАШЕНИЕ ДУГИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В КАМЕРЕ С ПРОДОЛЬНОЙ ЩЕЛЬЮ В ПОПЕРЕЧНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

19.1 Порядок расчёта

1 Производят выбор вида ДК, задаются ширина щели , выполняются эскизные проработки ДУ, определяют число витков катушки, размеры магнитопровода, системы магнитного дутья, рассчитывают зависимость:

Порядок расчёта электромагнитной системы ЭМ дутья см. в постоянном токе.

Расчёт ДУ переменного тока выполняется для ряда отключаемых токов, в которых обязательно включают критические токи, номинальный ток и предельный.

Под отключаемым током в рассматриваемом случае следует понимать его действующее значение.

При определении основных параметров электромагнитной системы ДУ следует руководствоваться рекомендациями [1, стр. 180].

2 Определяем среднюю скорость движения дуги в камере для всех отключаемых токов:

где - действующее значение тока, принимаемое из ряда намеченных токов

Н - напряжённость поля, А/см, определяется по графику зависимости: или ,

- ширина щели , см

3 Определяется диаметр дуги, чтобы уточнить к какому типу отнести дугогасительную камеру с широкой или узкой щелью:

где - скорость движения дуги, в см/с

- определяется для всех отключаемых токов

4 С учётом полученного диаметра дуги производится расчёт градиента напряжения на дуге: а) для камер с широкой щелью:

б) для камер с узкой щелью:

В указанных формулах I_от - в Амперах, - в см.

5 Для выбранного значения и каждого значения отключаемого тока определяют величины: и см. [1, рис.6.19 стр.178].

6 Определяется коэффициент :

7 Определяется коэффициент

где угловая частота:

8 Определяется приближённое значение времени гашения дуги:

где - время от начала размыкания контактов до того момента, когда в межконтактном промежутке создаются условия для нормального распределения дуги в камере, т.е. когда между контактами исчез расплавленный мостик металла и образовалось расстояние между ними, достаточное для свободного выхода дуги в камеру. Для существующих конструкций аппаратов принимается в пределах 0,01ч0,02 с.

Вторая составляющая зависит от параметров размыкающей цепи и параметров дугогасительной камеры. Это время является одной из основных величин, которая рассчитывается.

Третья составляющая - это время гашения пламени дуги, тысячные или сотые доли секунды, в расчётах следует принимать .

Расчёт :

а) определяем время горения дуги при апериодическом законе изменения напряжения:

После определения проверяют условие выполнимости апериодического условия:

где - собственная частота, Гц

- индуктивность отключаемой цепи, Гн

Если это условие выполняется, то расчётное время

Если условие не выполняется, то определяют , т.е. время горения дуги при колебательном процессе восстановления напряжения.

б) определение времени горения дуги :

где К_сх - коэффициент схемы.

Если при расчёте получаются мнимые числа (отрицательные), то это значит, что вторая составляющая полного времени горения дуги будет меньше продолжительности 1 полупериода, или < 0,01 с.

Расчёт времени производится для всех отключаемых токов.

9 Выполняется построение зависимости

Рисунок 1.49 - Зависимость

10 Проверяют для всех отключаемых токов выполнимость условия:

в момент времени

Рисунок 1.50 - Изменение во времени

Как для колебательного, так и для апериодического процесса восстановления напряжения.

Расчёт восстанавливающейся прочности :

где - начальная восстановительная прочность, см. [1, рис.6.19, стр. 178].

- скорость роста восстановления прочности

где - собственная частота, Гц

Расчёт максимальной величины восстанавливающегося напряжения производится по формулам:

а) при колебательном процессе восстановления напряжения:

б) при апериодическом процессе восстановления напряжения:

, f_о - в Гц

- электромагнитная постоянная отключаемой цепи - индуктивность цепи, Гн; см. расчёт формулы гашения дуги двукратным разрывом - эквивалентное активное сопротивление нагрева, Ом

Эти параметры рассчитываются для всех отключаемых токов.

11 Определяется длина дуги и стрела вылета дуги для всех отключаемых токов а)

где - вторая составляющая полного времени гашения дуги , с.

б)

12 Корректируются размеры дугогасительного устройства с учётом стрелы вылета дуги.

13 Расчёт нагрева стенок камеры и уточняется материал дугогасительной камеры. Расчёт выполняется по формулам аналогичным как и для ДУ постоянного тока, при расчёте энергии, выделяемой в дуге под временем следует понимать время , а под .

14 Составляется мотивированное заключение о применимости ДУ с учётом выполнения следующих условий:

; ; или ;

20 НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАСЧЁТА ДУ ПОСТОЯННОГО ТОКА С РЕШЁТКОЙ

Дугогасительная решётка является одной из наиболее распространённых дугогасительных камер в сильноточных коммутационных аппаратах. Она состоит из ряда металлических пластин, укреплённых в изоляционных стенках.

Возникающая на контактах дуга перемещается на пластины решётки и разбивается на ряд коротких дуг, включенных последовательно относительно друг друга. Пластины обладают хорошими теплопроводными свойствами и в результате интенсивного охлаждения дуги повышается эффект гашения дуги постоянного тока в решётке определяется увеличением сопротивления и напряжения дуги.

Рисунок 1.51 - Дугогасительная решётка

где - число разрывов в решётке, число коротких дуг

- приэлектродное напряжения, которые могут достигать 20 ч 30 В

- напряжение, приходящееся на столб дуги в одном разрыве решётки

Во избежание отрицательного эффекта перемещения дуги в зону контактов, а не из зоны контактов. Можно применять U - образные пластины решётки, при этом повышается плотность силовых линий. Магнитные поля всегда под дугами и ЭДС всегда будут направлены вверх.

Рисунок 1.52 - Дугогасительная решётка с U - образными пластинами

Применение решётки создаёт эффект повышения напряжения и сопротивления дуги с увеличением числа разрывов решёткой.

20.1 Расчёт ЭДС, втягивающей дугу на пластины решётки

В соответствие с положениями, разработанными профессором Броном:

- относительная магнитная проницательность материала пластин

- толщина пластин, см

- расстояние между пластинами, см

- коэффициент, учитывающий неравномерность магнитного поля дуги вблизи пластин решётки,

- ток дуги, А

- расстояние от столба дуги до ближнего края пластин, см

ЭДС, втягивающие дугу в решётку, могут оказаться весьма существенными, например, при токе 5000 А и а = 0,2 см => = 3,9 Н/см, для сравнения при магнитном дутье для создания такой же силы потребовалось бы напряжённость поля порядка 640 А/см.

Когда дуга находится в решётке, на неё действует сила, которая определяется по формуле:

По мере продвижения дуги вверх, сила действия на дугу ослабляется

20.2 ВАХ дуги

Напряжение дуги в решётке мало зависти от величины тока, больше зависти от приэлектродных напряжений, т.е. числа пластин.

ВАХ дуги имеет такой же вид, как и ВАХ дуги без деления её на короткие дуги, но оказывается сдвинутой в область больших падений напряжений.



Рисунок 1.53 - ВАХ дуги с решёткой и без: 1 - ВАХ дуги без деления, 2 - ВАХ с делением дуги на короткие дуги, n - число пластин решётки, - приэлектродные напряжения, U_д¹ - падение напряжения без деления на короткие дуги

Если пренебречь падением напряжения на столбе дуги, то необходимое число пластин в камере может быть найдено из условия , тогда

,

ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1 Сахаров П.В. «Проектирование электрических аппаратов»

2 Усов В.В. «Металловедение Электрических контактов», 1963 г.

3 Таев И.С. «Аппараты управления»

4 Сотсков Б.С. «Основы расчёта и проектирования электромеханических элементов автоматических и телемеханических устройств», 1965 г.