Размещено на http://www.allbest.ru/

Магнитный пускатель



Техническое задание

Исходные данные к проекту:

Номинальное напряжение - 380 В,

номинальный ток - 35 А,

род коммутируемого тока - переменный,

частота напряжения сети - 50 Гц,

число полюсов пускателя - 3,

режим работы - длительный;

степень защиты IP44.



Оглавление

• Техническое задание
• Введение
• 1. Выбор прототипа
• 2. Расчет токоведущего контура
• 2.1 Определение конструкций токоведущего провода и контактных соединений
• 2.2 Выбор материалов
• 2.3 Определение площади и размеров сечения токоведущей шины
• 2.4 Расчет коммутирующих контактов
• 3. Расчет дугогасительного устройства переменного тока
• 4. Расчет механической характеристики
• 5. Расчет электромагнитного привода
• Заключение
• Перечень использованных источников


Введение

Темой курсового проектаявляетсярасчет магнитного пускателя, предназначенного для коммутации переменного трехфазного электрического тока. токоведущий провод дугогашение сечение

Магнитные пускатели применяются для коммутации тока, подаваемого на электродвигатели, а также на нагрузки других типов. Этот тип электрических устройств широко применяется на производстве, в быту, на транспорте.

Целью курсового проекта является учебное конструирование и расчет магнитного пускателя, предназначенного для дистанционного управления мощными электрическими нагрузками. Для достижения поставленной цели следует решить ряд задач:

- выполнить расчет токоведущего контура;

- выполнить расчет системы дугогашения;

- выполнить расчет механической характеристики;

- выполнить расчет электромагнитного привода;

- сделать сборочный чертеж устройства.



1. Выбор прототипа

Объектом разработки является МП, коммутирующий трехфазный ток промышленной частоты, от сети 380В. Номинальный ток нагрузки 35А.

Исходя из условий работы, номинального тока и оптимальных соотношений габаритов и массы, в качестве прототипа выбран магнитный пускатель серии ПМ12, который имеет достаточно простую конструкцию и технологию изготовления.

Пускатели ПМ12 обладает степенью защиты IP54 изготавливаются в исполнении по износостойкости А, Б, В как для поставок внутри страны, так и на экспорт.

Электромагнитные пускатели серии МП12 предназначены для применения в в схемах управления электроприводами, главным образом в стационарных установках, для дистанционного пуска непосредственным подключением к сети, остановки и реверсирования трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором и других токоприемников электроустановок при напряжении до 660 В переменного тока частоты 50 и 60 Гц.

Основными техническими данными пускателей являются номинальный ток главных контактов, предельный отключаемый ток, номинальное напряжение коммутируемой цепи, механическая и коммутационная износостойкость, допустимое число включений в час, собственное время включения и отключения. Способность пускателя обеспечить работу при большом числе операций характеризуется износостойкостью.



2. Расчет токоведущего контура

Токоведущий контур электрического аппарата состоит из частей: зажимы контактных выводов, провода, кабели, шины, стержни, перемычки, катушки, контактодержатели, коммутирующие контакты, траверсы, гибкие шунты шарнирных контактных соединений, термоэлементы токовых реле и расцепителей автоматических выключателей и другие.

Задачей расчета проводников и контактных соединений токоведущего контура является определение их размеров и площади сечения.

Выполняем расчет токоведущего контура для длительного режима работы.

2.1 Определение конструкций токоведущего провода и контактных соединений

Выбираем токоведущую шину прямоугольного сечения и контакты мостикового типа.

Рис.2.1 Мостиковые контакты

Принимаем ток короткого замыкания в 10 раз больше номинального

Изоляционные материалы пускателя выдерживают повышенную температуру до 105°С. Примем допустимую температуру нагрева шин на 5 градусов ниже, 100°С. Если средняя температура пускателя 40°С, то допустимое превышение температуры токоведущего контура

2.2 Выбор материалов.

В качестве материалатоковедущего контура выбираем медь, используются медные провода стандартного сечения. Сечение шины должно быть выбрано таким образом, чтобы температура нагрева шины не превышала допустимого значения. Допустимая плотность тока для медных проводников обычно лежит в пределах от 2 (большие токи) до 6 (малые токи) А/мм².

2.3 Определение площади и размеров сечения токоведущей шины

Контрольный расчет площади и размеров сечения при кратковременном режиме - пусковом для аппаратов управления и аварийном (при токе короткого замыкания) для аппаратов распределения энергии.

Принимаем коэффициент добавочных потерь k_д = 1;

отношение сторон токоведущей шины n=1/3;

коэффициент теплоотдачиk_то = 7.5 Вт/(м²*С°).

Рассчитываем размеры токоведущей шины.

Удельное электрическое сопротивление при допустимой температуре

Принимая допустимую плотность тока J= 3,5 А/мм2, найдем сечение шины:

S=35/3,5=10мм²

Рассмотрим рекомендуемые размеры контактных накладок. При токе 35 А диаметр контактной накладки должен составлять 11-12 мм.

Принимая во внимание рекомендуемые размеры контактных накладок, выбираем ширину шины 11,8мм.

Исходя из условий механической прочности и в соответствии с сортаментом проводов, выбираем а=2,5мм

Площадь сечения s=29,0мм²

Выполним поверочный расчет.

Принимаем ток короткого замыкания равным 10*Iн = 10*35=350А

Время термической стойкости t_тс = 3с.

Плотность тока при коротком замыкании

Jкз = 350/29 = 12,0А/мм² = 12,0*10⁶ А/м²

Температура в начале короткого замыкания Tн = 273+95=368°К

В конце короткого замыкания Ткз = 273+300=573°К

Выполним оценку термической стойкости.

Расчетная плотность тока 12,0*10⁶ А/м² меньше допустимого значения.

Уточненное значение температуры шины



При выбранных размерах шины перегрева свыше допустимой температуры как в номинальном, так и в аварийном режиме не произойдет.

2.4 Расчет коммутирующих контактов

Выбираем контакты мостикового типа.

Режим работы - длительный.

Номинальный ток 35 А.

Размеры токоведущей шины: а=2,5мм, b=11,8мм

При определении формы контактов принимается во внимание, что их электрическое сопротивление должно быть малым. Важным фактором является износостойкость, механическая прочность, устойчивость к коррозии.

Для пускателя выбрано контактное соединение мостикового типа с двумя контактами. Двукратный разрыв или мостиковый контакт целесообразно применять при номинальных напряжениях 220-380 В переменного тока. К преимуществам такого типа контактного соединения относятся: значительно большая по сравнению с однократным коммутационная способность и отсутствие быстро изнашивающегося гибкого соединения.

У мостикового контакта имеются недостатки: необходимость удвоения усилия контактного нажатия и связанное с ним усиление приводного механизма.

При переменных токах до нескольких десятков ампер принято применять точечные контакты сфера-плоскость или сфера-сфера. Эта форма способствует самоочищению контактов от пыли. Выбираем форму контакта сфера-плоскость, подвижные контакты имеют закругленную форму, а на неподвижных деталях делаются цилиндрические напайки.

Материал контактов должен быть устойчив к окислению, иметь низкое удельное и контактное переходные сопротивление, высокие теплопроводность, теплоемкость и температура плавления, высокая коррозийная стойкость и стойкость против сваривания, высокая твердость, которая обуславливает механическую износостойкость, Этимми качествами обладает серебро, но его стоимость высока. Близкими характеристиками, но меньшей стоимостью обладает металлокерамика. Выбираем металлокерамические контакты, содержащие серебро и окись кадмия, с мелкодисперсной структурой (85%Ag-15%CdO). Материал имеет следующее обозначение: KMK A10м. Этот материал удовлетворяет большинству требований, предъявляемых к контактам, имеет высокую дугостойкость, высокую стойкость против сваривания и высокую износостойкость.

Основные свойства материала [2, с. 86, табл. 5-3]:

Плотность:

Удельное электрическое сопротивление:

Теплопроводность ,

Твердость по Бринеллю: ,

Температурный коэффициент сопротивления: б =0,0043 1/град,

Модуль упругости: Е=13•10¹⁰ Па.

Геометрические размеры выбираем в соответствии с величиной номинального тока. Форму площадки подвижного контакта принимаем сферической.

Рис.2.2 - Контактная накладка сферической формы

Определяем радиус закругления контактов:

Размеры контактных напаек в соответствии с рекомендациями принимаем следующие: диаметр напайки d_кн = 11,8 мм, высота напайки h_кн =3 мм

Напряжение размягчения серебра, входящего в состав металлокерамики, составляет 0,09В, допустимое падение напряжения не должно превышать напряжения размягчения

Uк.доп<= 0.5*0.09=0.045B

Допустимое сопротивление контакта

Rк.доп = Uк.доп/I = 0.045/35 = 0.0013Ом

Определим силу контактного нажатия различными способами. Радиус площадки касания можно определить по теоретической формуле

Где =2,5*10^-8 Ом*м - удельное сопротивление металлокерамики

Для контактных накладок, обработанных под сферу, при упругой деформации справедлива формула

По формуле определяем силу контактного нажатия на одну точку:



где E = 7,4* 10¹⁰ Н/м²? модуль упругости серебра

r - радиус закругления сферической части контакта

h₀ - высота сферической части контактной накладки

Для мостикового контакта сила контактного нажатия

Определим необходимую силуконтактного нажатия на один контакт. Используем формулу

для точечного контакта m = 0,5

K₀ = 0.00006 для серебра

Для мостикового контакта сила контактного нажатия

Согласно опытным данным сила контактного нажатия



За расчетное значение принимаем набольшее значение из рассчитанных:

Сила предварительного контактного нажатия

Уточним значение переходного сопротивления.

Найдем радиус площади касания при условии, что имеет место упругая деформация:

Механическое напряжение в контактной площадке

Это напряжение меньше, чем напряжение смятия серебра

Следовательно, будет иметь место упругая деформация

Переходное сопротивление по теоретической формуле

по эмпирической формуле

В дальнейших расчетах принимаем большее значение

6. Температура контактов

Рассчитанное значение температуры не превышает температуры рекристаллизации для серебра 150°C

7. Ток сваривания

Где

А=380А/Н^0,5

Ток коротко замыкания

При коротком замыкании контакты не приварятся, так как ток короткого замыкания 480А меньше, чем ток сваривания 1699А.

Электродинамические силы в контактах

Электродинамические усилия в контактах в режиме короткого замыкания меньше силы контактной пружины, следовательно, самопроизвольного размыкания контактов не произойдет.



3. Расчет дугогасительного устройства переменного тока

При размыкании крнтактов, по которым протекает электрический ток, может создать условия для искрения, а в худшем случае - для возникновения электрического дугового разряда.. Дуговой разряд возникает при условии, что величина тока и напряжения превосходит некоторые критические значения. Эти критические значения зависят от параметров цепи, материала контактов, свойств среды. При размыкании цепей постоянного тока опасность возникновения дуги выше, чем при переменном токе.

Возникновение дугового разряда может привести к аварии, и при конструировании коммутирующих устройств принимаются меры для предотвращения этого явления.

Причина возникновения дугового разряда в том, что вмомент размыкания контактов уменьшается контактная поверхность и из-за этого резко увеличивается переходное сопротивление, температура и плотность тока. В итоге из-за повышенной температуры возникает лавинный разряд, в воздухе образуется лавинный канал, и электроны, двигаясь с большой скоростью, с силой бомбардируют электрод и разрушают материал контакта.

Чем меньше раствор контактов, тем выше вероятность возникновения дугового разряда. Также опасность растет при повышении напряжения. В этом отношении переменный ток при напряжении 380 В является менее опасным, чем постоянный ток при том же напряжении, или переменный ток при высоких напряжениях, составляющих сотни киловольт. Поэтому защита от возникновения дуги в магнитном пускателе 380В, 28А достигается более простыми и экономичными способами.

Основным способом гашения дуги переменного тока до (220 - 380) В, (50 - 500) Гц является двукратный разрыв цепи. Определяющими факторами являются начальная восстанавливающаяся прочность околокатодной зоны и число разрывов цепи тока (n). Двукратный разрыв обеспечивается мостиковым контактом.

Для пускателей по ГОСТ 11206-65 предельный отключаемый ток цепей переменного тока:

Условие гашения дуги переменного тока: если после прохождения тока через нуль электрическая прочность дугового промежутка в каждый заданный момент времени будет больше напряжения на нем, то дуга погаснет. Если же в какой-либо момент времени напряжение, приложенное к дуговому промежутку, станет выше электрической прочности промежутка, то процесс гашения дуги прекратится и дуга загорится вновь.

При погасании дуги напряжение на дуговом промежутке нарастает от величины напряжения гашения Uг до мгновенного значения напряжения сети или ЭДС источника питания. Процесс изменения напряжения на дуговом промежутке после прохождения тока через нуль называется восстановлением напряжения.

Рис. 4. Начальная восстанавливающаяся прочность и рост прочности от тока



Мгновенное значение напряжения на дуговом промежутке, возникающее в процессе восстановления напряжения, называетсявосстанавливающимся напряжением Uв . После того как дуга погасла, восстанавливающееся напряжение стремится пробить дуговой промежуток, электрическая прочность которого восстанавливается. Дуга окончательно погаснет в том случае, если в любой момент времени электрическая прочность дугового промежутка будет больше восстанавливающегося напряжения.

Для дугогасительных устройств со свободной дугой коэффициент амплитуды:

Определяем удельную величину эквивалентного сопротивления дуги:

Индуктивность отключаемой цепи:

Определяем длину дуги на один разрыв:

где t - время гашения дуги, принимают меньше одного полупериода тока t = 0,008 с, чтобы обеспечить гарантированное гашение дуги в момент первого перехода тока через нулевое значение.

Реально выбран разрыв между контактами 5 мм, это больше чем длина дуги.

Рассчитываем число разрывов при апериодическом процессе:

где k_СХ - коэффициент схемы, который определяется схемой отключаемой цепи и отключающего аппарата. Для отключения трехфазной цепи трехполюсным аппаратом k_СХ = 1,5;

М₀ - функция отключаемого тока (420•10^-6 В•Гн/мкс•В).

коэффициент, учитывающий влияние контактного материала на скорость восстановления прочности. Для контактов из серебра при частоте источника питания 50 Гц, .

Полученное значение количества контактов является значительно меньшим, чем используется в магнитном пускателе, то есть дуга при n = 2 будет гаситься.

Условие перехода колебательного процесса восстановления напряжения в апериодический:

Условие выполняется. Таким образом в данном случае наблюдается апериодический процесс восстановления напряжения и два разрыва на полюс аппарата достаточно для гашения дуги в воздухе.

Вывод: мостиковое контактное соединение с раствором контактов 5 мм, два разрыва; этого достаточно для того, чтобы дуга при размыкании контактов не загоралась.

4. Расчет механической характеристики

В качестве примера выбрана конструкция электромагнита переменного тока, характерная для пускателя типа ПМЕ

Рис.4.1 Конструктивная схема электромагнитного механизма переменного тока

Пускатель коммутирует три фазы, имеет три группы мостиковых контактов и три контных пружины, а также две возвратные пружины.

Согласно выбранному прототипу, выбираем витые цилиндрические пружины, работающие на сжатие.

Выполним расчет пружины на основании теории деформациивинтовой пружины, навитой из проволоки или прутка круглого сечения ивоспринимающей осевую сжимающую нагрузку.

Исходными величинами при расчете:

· сила контактного нажатия;

· необходимый прогиб.

В соответствии с прототипом принимаем провал контактов у_i = 3 мм,

раствор контактов x_р=l_к =6 мм,

Начальный рабочий зазор

Сила начального контактного нажатия (сила контактной пружины)

Сила конечного сжатия

Определяем силу давления на упор:

где f_У - удельное давление на 1 А, для пускателя f_У =(0,1ч0,15) Н/А, примем f_У=0,12 Н/А.

Рассчитываем усилия контактов с учетом вида и числа контактов:

где p =3 - число полюсов, - сила начального контактного нажатия,

=1.9 - выбрана в соответствии с рекомендациями.

Приведенная сила конечного нажатия контактной пружины

Производим расчет параметров возвратной пружины. Принимаем материал для пружины - сталь качественная рессорно-пружинная в прутках, ГОСТ 2052-53, круглая, горячей навивки, марка 65Г. Основные свойства материала:

- прочность при растяжении

- допустимый предел выносливости при изгибе

- допустимый предел выносливости при кручении

- модуль упругости Е=200000 .;

- модуль сдвига G=80000 .

Начальная сила возвратной пружины в отпущенном состоянии:

Сила конечного сжатия возвратной пружины

Где =0,15 - расчетный коэффициент возвратной пружины.

Рассчитываем предварительное значение жесткости пружины j, т.е. силу, которую развивает пружина на 1 мм прогиба:

Определяем максимальную силу пружины при полном сжатии:

где - относительный инерционный зазор, для пружин =(0,050,20), принимаем = 0,1.

Максимальная деформация возвратной пружины:

Определяем средний диаметр пружины:

Предварительно принимаем Д =20 мм. Диаметр проволоки определяем по формуле:

согласно стандартному ряду значений, принимаем d =1 мм.

Определяем индекс пружины. Индекс пружины - это параметр, который характеризует кривизну витка, определяющую концентрацию напряжений в материале пружины.

Рассчитываем число витков:

Производим контрольный расчет. Определяем величину напряжения кручения при действии силы, принятых размерах и числе витков и сравниваем с допустимым:

Полученное значение является меньше допустимого у_КР<у_Д.КР., 283,6<350. То есть расчет произведен верно. Определяем параметры пружины.

Жесткость возвратной пружины:

Минимальная длина пружины:

Свободная длина:

Сила при отпущенном якоре: F_ВН = 2,7 Н - неизменна.

Длина при отпущенном якоре:

Тогда при притянутом якоре длина пружины равна:

где - рабочая деформация пружины, равна суммарному ходу якоря.

Уточним силу при притянутом якоре:

Определяем суммарные усилия создаваемые контактными пружинами в цепи главных контактов:

Производим приведение критической точки на начальный зазор:

Точка является критической, производим приведение критической точки на начальный зазор.



Рис. 4.2 Механическая характеристика пускателя

На механической характеристике показано возрастание усилия в пружине при срабатывании контактора. На графике видно, что критическая точка соответствует начальному зазору контактов. Это учитывается при расчете электромагнита.



5. Расчет электромагнитного привода

При расчете электромагнита исходят из того, что сила электромагнита должна превышать противодействующую силу

Опытным путем получено значение коэффициента k=1.3

Конструктивные формы электромагнитов многообразны. Для выбора оптимальной конструктивной формы используем метод геометрического показателя.

Геометрический показатель для электромагнитов переменного тока определяется по формуле:

Для электромагнитов переменного тока при Г=30025000, применяем электромагнит, шихтованный из штампованных пластин с прямоходовым Ш-образным якорем и броневой.

Используются материалы:

· для изготовления магнитопроводов - магнитомягкие низкоуглеродистые материалы;

· для аппаратов переменного тока - кремнистые электротехнические стали.

Для электромагнита пускателя примем магнитопровод, изготовленный из холоднокатаной листовой электротехнической стали марки Э310 толщиной 0,5 мм.

Для предварительного расчета размеров сердечника магнитопровода величину индукции в рабочем воздушном зазоре при отпущенном якоре выбираем по величине геометрического показателя.

Bд = 0.1Тл.

Для расчета площади используется уравнение электромагнитной силы Максвелла. Для электромагнитов переменного тока площадь сечения:

Оптимальное соотношение сторон прямоугольного сечения сердечника для шихтованных магнитопроводов a/b=1. Тогда:

где k_З.СТ. - коэффициент заполнения сечения пакета сталью, учитывающий изоляционные слои окалины и лака; для листов толщиной 0,5 мм k_З.СТ. = 0,95.

Получаем размеры сердечника равные a = b = 40мм.

Определяем размеры катушки. Высота обмотки:

где - безразмерный коэффициент, = 0,50,8.

Длина обмотки:

Где - безразмерный коэффициент, = 1,53.

Изоляционный зазор:

где = 0,20,5 - отношение изоляцинного зазора к главному размеру.

Ширина крайних полюсов:

где U = 0,550,65 - отношение ширины бокового полюса к ширине главного полюса.

Ширина окна:

Высота окна:

Принимаем из прототипа отношение Н1:Н2 = 1:2, тогда:

На рисунке 5.1 изображен эскиз электромагнита в соответствии с полученными результатами расчета.



Рис.5.1 Эскиз электромагнита



Заключение

В данном курсовом проекте выполнен расчет магнитного пускателя по данным, приведенным в ТЗ. Магнитный пускатель предназначен для коммутации трехфазного переменного тока промышленной частоты 50 Гц, фазное напряжение 380В, номинальный ток нагрузки составляет 35 А. Конструкция электромагнита выбрана на основании прототипа,. Размеры электромагнита, параметры токового контура рассчитаны в соответствии с электрическими параметрами.

Выбраныконтакты мостикового типа, которые эффективно противостоят возникновению дуговых и искровых разрядов. актов. Расчет токоведущего контура выполнен из условия допустимого нагрева шин.

В качестве материала шин выбрана медь, для мостиковых контактов применена металлокерамика, содержащая серебро; такие контакты обладают хорошей проводимостью и повышенной устойчивостью к коррозии.

Способ противодействия образованию дугового разряда при размыкании контактов - двойной разрыв в мостиковом контакте, его длина рассчитана в соответствии с рекомендованной методикой.

Выполнен сборочный чертеж магнитного пускателя с использованием графического редактораКомпас-3D.



Перечень использованных источников

1. Таев И.С. Электрические аппараты управления: Учебник для вузов по спец. «Электрические аппараты». 2-е изд. перераб. и доп. - М., Высш. шк., 1984. - 247 с., ил

2. Буль Б.К. Основы теории электрических аппаратов / Б.К. Буль и др.; под ред. Г.В. Буткевича. - М.: Высш. шк., 1970. - 599 с.

3. Буткевич Г.В Задачник по электрическим аппаратам: учеб. посо- бие / Буткевич Г.В, Дегтярь В.Г., Сливинская А.Г. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1987. - 232 с.

4. Виттенберг М.И. Расчет электромагнитных реле. - Л.: Энергия, 1975. 413с.

5. Гордон А.В. Электромагниты постоянного тока / А.В. Гордон, А.Г. Сливинская. - М.: Энергоиздат, 1972. - 446 с.

6. Грачев А.С. Электрические аппараты: руководство по решению задач проектирования электрических аппаратов / Мар. гос. ун-т; А.С. Грачев. - Йошкар-Ола, 2009. - 111 с.

7. Елкин В.Д. Электрические аппараты / В.Д. Елкин, Т.В. Елкина. - Минск : Дизайн-ПРО, 2003. - 76 с.

8. Жукова Г.А. Курсовое проектирование по низковольтным электрическим аппаратам / Г.А. Жукова, В.П. Жуков: учеб. пособие - М.: Высш. шк., 2006. - 160 с.

Размещено на Allbest.ru

...