Проектирование аналога контактора КПВ605-У3

Проектирование контактора постоянного тока

Развитие современной техники невозможно без широкого использования электрических и электронных аппаратов — устройств управления потоками энергии и информации, осуществляющих включение и отключение электрических цепей объектов, принимающих участие в получении, преобразовании, передаче, распределении и потреблении электроэнергии.

Контактор — коммутационный аппарата с неручным управлением, способный включать, проводить и отключать токи в нормальных условиях цепи, в том числе и при рабочих перегрузках. Наибольшее распространение получили контакторы, в которых замыкание и размыкание контактов осуществляется под воздействием электромагнитного привода. Высокая эффективность таких аппаратов и несложная конструкция предопределила их широкое распространение, а, следовательно, необходимость в их массовом производстве.

Основой данного курсового проекта стало учебное пособие И. С. Таева «Расчет электромагнитных коммутационных реле и контакторов».

Целью курсового проекта являлась разработка контактора постоянного тока на заданные номинальные параметры, определение возможности проектирования электрических аппаратов на основе данных расчетных моделей при сравнении полученных расчетных значений с параметрами прототипа.

Алгоритм проектирования

Курсовой проект можно разделить 3 части:

1. Этап формирования технического задания;

2. Этап предварительного проектирования;

3. Этап эскизного проектирования.

Первая часть состоит из следующих этапов:

1. Получение исходных данных, то есть основных технических параметров будущего изделия, такие как: вид и значение тока, напряжение, категория применения и т. д.

2. Поиск прототипа или аналога. Этот пункт заключается в нахождении ранее спроектированного и запущенного в производство изделия. Если не удаётся найти изделие, подходящее по всем параметрам к проектируемому, тогда за аналог принимается изделие с параметрами наиболее близкими к заданным.

3. Формирование таблицы исходных данных. После окончательного выбора аналога необходимо сформировать список основных технические параметры будущего изделия. В этот список должны войти помимо исходных данных все остальные параметры (например габаритные), которые могут быть применены в дальнейших расчётах проектирования изделия.

Вторая часть проектирования заключается в предварительном расчёте параметров изделия (контактора). Этот расчёт делится на следующие этапы:

1. «Расчёт токоведущей части»;

Результатами расчёта являются получения геометрических параметров контактов («a» и «b») и определение величины допустимого тока КЗ для 3 значений времени протекания. Далее определяются такие параметры, как: сила контактного нажатия, провал и раствор контактов.

2. Расчёт параметров магнитопровода и катушки; Расчёт пружин (контактной, возвратной) и построение механических характеристик (на основании пособия А.В. Савельева).

3. Расчёт дугогасительного устройства. Результатом расчёта является определение размеров данного устройства. В рамках этого расчёта произведены расчеты открытой дуги и дуги в щелевой камере.

4. Расчёт контактных соединений. Результатом расчёта являются параметры контактных соединений токоведущих частей аппарата

Третий этап проектирования состоит из следующих этапов:

1. Оптимизация; Этот этап заключается в определении оптимального (минимального) значения целевой функции F=б₁W/W_ном+ б₁V/V_ном в зависимости оти L_к.

2. Выполнение эскиза оптимального варианта дугогасительной камеры.

Исходные данные на проектирование

Номинальный ток,;

Номинальное напряжение, ;

Род тока: постоянный;

Категория применения: DC4;

Частота коммутации: 1200 циклов/час;

Коммутационная износостойкость не менее 0,45 млн.;

Согласно исходным данным из базы сайта ielectro.ru выбираем аналог проектируемого контактора. Им является контактор КПВ605-У3.

Рис. 1. Общий вид контактора КПВ605-У3

Табл. 1. Установочные размеры и масса контактора КПВ605-У3

Расчет токоведущих частей контактора

Параметры поперечного сечения определяются формулой 1 [1]:

где и S — периметр сечения и его площадь; - удельное электрическое сопротивление проводника; К_т — коэффициент теплоотдачи с поверхности проводника (); Т_доп — допустимая температура нагрева по ГОСТ 8865; Т_окр — температура окружающей среды (35−40 С); - температурный коэффициент сопротивления, К_пэ и К_бл — коэффициенты поверхностного эффекта и эффекта близости (поскольку необходимо спроектировать контактор на постоянный ток, то принимаем К_пэ=1 и К_бл=1).

Расчет размеров контактной пластины выполним в программе «Контур», интерфейс которой представлен на рис. 2. Введя в программе основные параметры проводников, получаем ширины и длину пластины.

а=27 мм;

b=14 мм.

Зная толщину и длину пластины, можно найти ее периметр и площадь сечения.

Рис. 2. Расчет размеров контактной пластины в программе «Контур»

Максимальная температура электрического аппарата при повторно-кратковременном режиме нагрева меньше, чем при продолжительном при условии равенства мощностей источников теплоты в том и другом случаях. Поэтому вводится коэффициент перегрузки по мощности, который показывает во сколько раз можно увеличить мощность источников теплоты в электрическом аппарате при повторно-кратковременном режиме работы по сравнению с мощностью при продолжительном режиме при равенства допустимой температуры в том и другом случаях.

Поскольку при прочих равных условиях мощность источников теплоты в большинстве случаев пропорциональна квадрату тока, то вводят коэффициент перегрузки по току, который равен. Дальнейший расчет токоведущих частей аппарата будем проводить по эквивалентному току, который определяется:

Эквивалентный ток нагрева токоведущей части и контактов электрической дугой определяется зависимостью ВНИИР:

После нахождения эквивалентного тока необходимо произвести перерасчет размеров контактной пластины с новым значением тока.

Рис. 3. Расчет размеров контактной пластины в программе «Контур» при протекании эквивалентного тока

В результате расчета получаем геометрические размеры контактной пластины:

a=29 мм; b=15 мм.

P=88 мм; S=435 ммІ.

Расчет токов термической стойкости

Расчет токов термической стойкости проводится в программе «Контур». Результаты расчеты представлены на рис. 3. В итоге для трех значений времени t=1, 5 и 10 с получаем три значения тока термической стойкости.

При t_k=1с допустимый ток I_доп(1)=65,4кА.

При t_k=5с допустимый ток I_доп(5)=29,3кА.

При t_k=10с допустимый ток I_доп(10)=20,7кА.

Расчет контактной системы.

Для расчета силы контактного нажатия воспользуемся формулой для сильноточных контактов с учетом отвода тепла по токоведущим шинам и их теплообмена с окружающей средой:

где

у_см — сопротивление смятия материалов контакта;

с и л — удельное электрическое сопротивление и теплопроводность материала контактов;

I — номинальный ток нагрева;

p и S — периметр и площадь сечения контактной пластины;

T_кд и T_к — допустимая и реальная температура контактов (обычно T_кд не превышает T_кд более, чем на 5−10єС).

Электродинамическая сила отталкивания контактов:

где

Для

Ток горячего сваривания определим по формуле:

Ток «холодного» сваривания можно определить по той же формуле, подставив в нее температуру рекристаллизации материала Т_рк вместо Т_пл.

Результатом расчета являются следующие величины:

— сила контактного нажатия;

— ЭДУ в контактах;

— ток холодного сваривания контактов.

Расчет контактных соединений

Примем величину удельного давления в контактирующих частях, выполненных из меди,

Кажущаяся плотность тока:

Площадь поверхности контактирования:

Сила контактного нажатия:

При этом можно использовать 4 болта из стали Ст. 3 с диаметром резьбы 8 мм.

Сила на 1 болт:

Переходное сопротивление контактирующих поверхностей (при коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности контактирующих поверхностей, — коэффициент, зависящий от числа точек соприкосновения и типа контактов):

Омическое сопротивление:

где — величина перекрытия контактного соединения;

— поправочный коэффициент;

Общее сопротивление контактного соединения равно

Полная наружная поверхность контактного соединения:

Превышение температуры контактного соединения:

Температура нагрева в номинальном режиме:

— контактное соединение заданных размеров не является источником тепла в токоведущем контуре аппарата.

Определим ток приваривания контактов:

Величина тока приваривания значительно превышает величину отключаемого тока и значение отключаемого тока в режиме редких коммутаций DC4 I_о=4I_ном=2,5кА. Следовательно, при данной силе контактного нажатия и при протекании как номинального тока, так и тока КЗ контактные соединения не сварятся.

Расчёт раствора контактов

Расчет раствора контактов проводится в программе «Дуга». Окно программы представлено на рис. 4. Предварительно по кривой Пашена необходимо определить значение pl для U=5U_ном.

При U=220 В pl=8000 .

Рис. 4. Расчет раствора контактов в программе «Дуга»

В результате расчета получаем необходимый раствор контактов, равный 240,9 мм. Такое расстояние неприемлемо, поэтому необходимо использовать дугогасительную камеру. Предварительная величина раствора контактов принимается равной в=0,8 мм.

Расчёт контактной пружины

Для расчета контактной пружины зададимся индексом и жесткостью пружины С=160 Н/мм, а также выберем материал пружины — сталь углеродистая нормальной прочности. Тогда допустимое напряжение кручения, а модуль сдвига

Диаметр проволоки пружины d:

P_к — сила контактного нажатия;

Число витков пружины N:

C — принятая ранее жесткость пружины.

Принимаем N=2 витка.

Диаметр пружины D:

Проверка механических напряжений в пружине

Расчёт возвратной пружины

Для возвратной пружины примем следующие значения жесткости и силы контактного нажатия:

Жесткость пружины С=15 Н/мм,

Также зададимся индексом

Диаметр проволоки пружины d:

Число витков пружины N:

Принимаем N=13 витков.

Диаметр пружины D:

Проверка механических напряжений в пружине

Расчёт износа дугогасительных контактов

На рис. 5 представлено окно программы «Контур», где производился расчет износа контактов. Итогом этого расчета является значение провала контактов, которое составило Окончательно примем

Поскольку величина провала контактов оказалась больше ранее принятого значения раствора в=0,8 мм, то необходимо подкорректировать значение последнего. Окончательная величина раствора контактов принимается равной в=20 мм.

Рис. 5. Расчет провала контактов в программе «Контур»

Рис. 6. Тяговые характеристики пружин аппарата

Расчёт магнитной системы

Начальный зазор якоря: д_н= в +

Определим конструктивный фактор

На основе зависимости B_д от (рис. П3.5 из [2]) находим, что

B_д=0,2 Тл.

Найдем площади полюса и якоря:

Зададимся размерами магнитопровода:

a= 40 мм; R₀=40 мм; с=3 мм; d_с= 35 мм; h= 28 мм; e=0 мм.

Рис. 7. Основные размеры магнитопровода

Рис. 8. Дополнительные размеры магнитопровода

Расчёт проводимостей

Проводимость зазора:

Удельная проводимость рассеяния:

Алгоритм расчета магнитной системы по участкам

Для расчёта магнитной системы методом участков разобьем длину сердечника на n участков и определим удельную МДС f=F/l. Обозначим длины участков как ?x_i и составим схему замещения магнитной цепи. Введем обозначения:

R_мя - магнитное сопротивление якоря;

R_дУ — суммарное магнитное сопротивление зазоров;

R_м1, R_мІ - магнитные сопротивление участков магнитопровода;

R_d1, R_d2 - магнитное сопротивление рассеяния;

R_м0 — магнитное сопротивление основания

Рис. 9. К расчету магнитной системы электромагнита методом участков

Зададимся в первом приближении значением МДС:

F'=1,25 (U_мд+U_мя), где

U_мд — магнитное напряжение в зазоре;

U_мя — магнитное напряжение в якоре;

Найдём МДС по формуле:

F= U_мд+ U_мя+ U_м0+УU_мi

Расчёт должен проводиться до тех пор, пока расхождение междуF и F' не станет меньше допустимого.

На начальном этапе расчёта по известному магнитному потоку в зазоре определяется магнитная индукция в зазоре:

B_я= Ц_д/S_я, где

Sя — площадь сечения якоря.

Затем по кривой намагничивания выбранного материала магнитопровода находится значение H_я, а по нему магнитное напряжение в якоре:

U_мя=H_яl_я, где l_я — длина якоря.

Магнитное напряжение в зазоре:

U_мя= Ц_дR_дУ

Поток рассеяния на первом участке:

Ц_d1= (U_мд+ U_мя)/R_d1

Поток в сердечнике на первом участке:

Ц₁= Ц_d1+ Ц_д

Магнитная индукция на первом участке:

B₁= Ц₁/S, где S — площадь сечения сердечника.

По кривой намагничивания находится напряжённость магнитного поля для первого участка H₁, а по нему магнитное напряжение на первом участке:

U_м1=H₁?x₁, где

?x₁ — длина 1-ого участка.

Поток рассеяния на втором участке:

Ц_d2= (U_мд+ U_мя+ U_м1 - ?x₁)/R_d2, гдеf=F'/l=1,25 (U_мд+U_мя)/l

И так далее для каждого участка.

Расчет производится для магнитопровода, выполненного из стали 20 880.

Рис. 10. Кривая намагничивания стали 20 880

Рис. 11. Окно программы «Магнит» с исходными данными и результаты расчета

Рис. 12. Зависимость индукции в зазоре от МДС обмотки

Для полученной МДС 6423 А, используя кривые зависимости магнитной индукции от МДС для различных значений воздушного зазора (рис. 12) найдем значения магнитной индукции, а по ним при помощи формулы Максвелла () значения электромагнитной силы. Результаты представлены в табл. 2

Табл. 2. Зависимость силы и индукции от величины зазора

Рис. 13. Согласование характеристик пружин и электромагнита

Для всех значений зазора характеристика электромагнитной силы лежит выше суммарной характеристики противодействующих усилий. На основание этого можно сделать заключение о работоспособности спроектированного электромагнита.

Вывод

Размеры дугогасительного устройства аналога получились незначительно больше, чем размеры спроектированного устройства. Это можно объяснить тем, что при проектировании была принята идеальная модель. Реальные устройства проектируются с учетом опыта эксплуатации, результатов испытаний опытных образцов. Поэтому полученные расхождения можно считать приемлемыми.

1. И. С. Таев Расчет электромагнитных коммутационных реле и контакторов // Московский энергетический институт, 1997 г.

2. А. В. Савельев Проектирование электромеханических аппаратов автоматики с применением ЭВМ // Московский энергетический институт, 1998 г.

3. Е. Г. Акимов Проектирование дугогасительных устройств контакторов // Московский энергетический институт, 1982 г.

4. Ю. К. Розанов Электрические и электронные аппараты // Информэлектро, 2001 г.