Расчет электропневматического контактора

«Расчет   электропневматического   контактора»

 

 

Исходные данные для расчета контактора:

 

, длительный ток контактов……………………………………………600 А;

 , номинальное напряжение контактов………………………………..1800 В;

, тепловая постоянная контактов……………………………….….105 .

 

Контактор предназначен для работы на электроподвижном составе (ЭПС) в цепях постоянного тока в качестве коммутационного аппарата.

 

1. Расчет нажатия и ширины  контактов

 

Расчет ширины контакта  . Полученное значение (мм) округляем до ближайшего большего целого.

Расчет ведется исходя из допустимой температуры перегрева контактов к при протекании через них длительного тока . Уравнение баланса электрической и тепловой мощности в установившемся режиме имеет вид

                                                            (1.1)

где - коэффициент теплоотдачи;

     S- поверхность теплоотдачи;

    R к- контактное сопротивление.

Поверхность теплоотдачи прямо пропорциональна ширине контакта bк. Обозначив коэффициент пропорциональности , получим

                                                                                                 (1.2)

Контактное сопротивление зависит от силы нажатия контактов

                                                                                    ,                                     (1.3)

где н- коэффициент, зависящий от материала и конструкции контактов;

      m- показатель степени, зависящий от типа контакта (точечный, линейный поверхностный).

Из уравнений (1.1)-(1.3) получаем

                                                              ,                        (1.4)

При известном допустимом перегреве, который для медных силовых контактов аппаратов ЭПС составляет 50 0 С, максимальное значение равенства (1.4) для однотипных контактов является постоянной величиной и ее можно нормировать. Для расчетов удобней пользоваться однозначно связанной с выражением (1.4) величиной ,которая называется тепловой постоянной контактов

                                                                   .                                    (1.5)

Из равенства (1.5) следует, что обеспечить допустимый тепловой режим работы контактов можно либо за счет увеличения их ширины, либо за счет увеличения нажатия.

Целесообразный способ зависит от типа привода. Например, при электропневматическом приводе гораздо легче получить большие нажатия, чем при электромагнитном.

В контрольной работе при расчете принимаем для всех вариантов типичное для электропневматических контакторов значение отношения / = 20 А/мм. Значения и берутся из исходных данных.

Рассчитанное значение нужно проверить на обеспечение надежной работы контакта при перегрузках. Для этого определяется предельный ток контакта , при котором происходят структурные изменения (размягчение) материала контакта, и ток плавления материала контакта

                                                                                                       (1.6)

                                                          ,                                             (1.7)

где Uстр=0,11В- падение напряжения на контакте, при котором достигается температура размягчения меди, равная 190 0 С;

      Uпл=0,44В- падение напряжения на контакте, при котором достигается температура размягчения меди, равная 1083 0 С.

При расчете по формуле (1.3) принимаем типичные для линейных медных контактов значения                                                                                                           =1,6*10-3 Ом Н;         

  m = 0,75.

При рабочих перегрузках ток через контакты может достигать 2 , а при аварийных перегрузках - 10 . Соответственно должны выполняться условия

                      ,      ,      .                                       (1.8)

     При нарушении этих условий нажатие контактов нужно увеличивать.

1.1. Расчет  ширины контакта .

В контрольной работе при расчете принимаем для всех вариантов типичное для электропневматических контакторов значение отношения    .. Значения и   берутся из исходных данных, отсюда

                                               

принимаем  .

      1.2. Расчет нажатия контактов .

             ;                   откуда      114.28 Н.

      1.3. Расчет  контактного сопротивления .

Контактное сопротивление зависит от силы нажатия контактов

                                                                                             ;

принимаем типичные для линейных медных контактов значения

 

                                                            m=0.75.

 

      1.4. Расчет предельного  тока контакта  и тока плавления  .

       Рассчитанное  значение нужно проверить на обеспечение надежной работы контакта при перегрузках. Для этого определяется предельный ток контакта , при котором происходят структурные изменения (размягчение) материала контакта, и ток плавления материала контакта

 

                          

При рабочих перегрузках ток через контакты может достигать 2 , а при аварийных перегрузках - 10 . Соответственно должны выполняться условия

                            ,                        1682,324 > 1200

                                   ,                      .

Расчет мощности, рассеиваемой на контактах при токе .

 

 

 

                   2. Расчет дугогасительного устройства.

2.1. Расчет  конечной длины дуги .

В процессе гашения дуга растягивается до конечной длины , величина которой (м) для индуктивной нагрузки определяется формулой

                                                           , где

, В – номинальное  напряжение, которое выбирается  из таблицы исходных данных;

, А- разрываемый ток, который при расчетах принимается равным 2 .

                                        .

2.2. Расчет площади полюса камеры .

Площадь полюса, через которую в камере проходит магнитный поток,

                                                             .

При использовании простой щелевой камеры разрыв максимального тока = 2 сопровождается выходом дуги за пределы камеры на 0,1-0,2 м. С учетом этого требуемая для размещения дуги площадь боковой поверхности камеры при типичном для контактов соотношении ее сторон 1:2 определяется формулой

                                        ,

где – коэффициент использования пространства, который учитывает форму дуги и                                                                                                             зависит от типа камеры; для щелевой камеры= 0,8.

                            0,309

 

2.3.Расчет  расстояния между полюсами .

Воздушный зазор в магнитной системе камеры, равный расстоянию между полюсами  (м), зависит  от рассчитанной ранее ширины контакта .

                                          ,

где  =10 мм – толщина стенки камеры;

       =2 мм – зазор между контактом и стенкой.

                               м.

2.4. Расчет числа витков дугогасительной катушки .

Параметры дугогасительной катушки определяются исходя из заданной средней индукции Bс при разрыве длительного тока  . Чем больше величина индукции, тем больше электромагнитная сила, действующая на дугу, и тем быстрее она растянется до критической длины и погаснет. Однако при этом увеличиваются износ контактов в момент их расхождения и перенапряжения на отключаемом оборудовании. Для расчетов

принимаем индукцию =0,01 Тл, при которой обеспечивается достаточно большой ресурс контактов при приемлемом времени (0,05-0,1 с) отключения тока и незначительных перенапряжениях. При расчете камеры быстродействующего выключателя пришлось бы увеличить значение     в 10-15 раз.

При расчетной индукции магнитное сопротивление стали магнитопровода пренебрежимо мало по сравнению с магнитным сопротивлением зазора между полюсами. При этом условии

                                                      ,

где = 4 *10-7 Гн/м - магнитная проницаемость воздуха;

        H – напряженность магнитного поля, А/м;

        – МДС дугогасительной катушки, А;

=1,8 – коэффициент рассеивания  рассматриваемой магнитной системы.

 

По полученному значению МДС Fд определяется число витков дугогасительной катушки

 

Здесь коэффициент 0,5 учитывает, что средняя индукция должна обеспечиваться при среднем значении тока, изменяющемся в процессе дугогашения от 0 до . Полученное значение округляется до ближайшего большего целого числа.

 

2.5. Расчет поперечного сечения  сердечника .

Рассчитываем средний магнитный поток в зазоре между полюсами

                                         Вб

и средний  магнитный поток в сердечнике катушки

                                       Вб

Площадь поперечного сечения сердечника  должна быть достаточна для исключения насыщения стали (индукция насыщения стали  =0,2 Тл) при предельном разрываемом токе =2.

 

2.6. Выбор высоты и толщины шины  .

Дугогасительная катушка изготавливается из медной шины, намотанной на узкое ребро. Сечение шины выбирается по допустимой плотности тока , которая зависит от толщины шины . Чем толще шина, тем хуже ее условия охлаждения и тем меньше значение ,. Так, при = 1мм  , =9 А/мм2, а при = 8мм  , =3,6 А/мм2. В контрольной работе для выбора сечения шины принимаем , = 6 А/мм2. Это значение является средним для шин толщиной 2-4 мм. Сначала рассчитывается минимальное сечение шины

 

Затем выбирается стандартная шина, у которой сечение наиболее близко к и .

 

 – высота шины; выбирается  из значений стандартного ряда 16;20;25;30;35;40;45;50 мм;

- толщина шины; выбирается  из значений стандартного ряда 2; 2,5; 3; 4 мм.

           =25 мм.

           =4 мм.

 

3. Расчет  пневматического привода

3.1. Кинематическая  схема электропневматического контактора.

 

 

 

Рис.1. Кинематическая схема электропневматического контактора

где:    – сила, передающаяся со штока поршня на подвижный рычаг 1;

 – вес подвижных  частей контактора, приложенный  в центре тяжести подвижной  системы;

 – сила реакции  в точке касания контактов, равная  силе нажатия контактов

 

 

 

 

 

 

3.2. Расчетная  схема действующих сил при  включенном контакторе.

  

 

 

Рис.2. Расчетные схемы сил, действующих на поворотный рычаг при включенном контакторе (а) и при разрыве сварившихся контактов (б)

Произведение и называется приведенными силами веса и нажатия контактов,      далее все приведенные силы отмечаются штрихом;

 

3.4. Вывод расчетного уравнения  и определение диаметра поршня .

 

В приведенном примере базовой силой является сила на штоке

                                                 ,

где:    – сила давления воздуха;

  - сила отключающей пружины в конечном (сжатом) состоянии;

 -  сила трения поршня.

Подставляем в выражение =  0 получим

 

Последнее условие обычно является определяющим при расчете силы отключающей пружины. Для реализации сила, разрывающая сварившиеся контакты, должна как минимум в два раза превышать силу их нажатия при включенном контакторе.

 

Из расчетной схемы, приведенной на рис.2б, получим

 

где: =1,5 – сила трения покоя;

 – приведенная сила контактной пружины

Так как и , значением при предварительных расчетах можно пренебречь.

Из уравнений  
    и      с учетом получаем

                                                     ,

где:    - приведенная сила нажатия контактов.

Сила трения зависит от диаметра поршня, величина ее рассчитывается по эмпирической формуле:      ,

где: – диаметр поршня (м).

Для расчета принимаем типичное для контакторов соотношение плеч отсюда =1,2 ,  подставим в выражение значения и и получим: