Расчет токового реле

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Министерство образования и науки российской федерации

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по Электрические и электронные аппараты

на тему Расчет токового реле

г. Новосибирск, 2006г.

1. Исходные данные для проектирования (научного исследования)

Номинальный ток катушки	Iн.	240	А
Ток срабатывания	Iср	240	А
Воздушный зазор при отпущенном якоре	dот	0.003	м
Приведенная начальная противодействующая сила	F'max нач	5	H
Номинальный ток контактов	Iнк	3.5	А
Номинальное напряжение коммутирующей цепи	Uнк	80	В
Тип аппарата	Реле токовое
Род тока	Постоянный
Режим работы	Длительный
Рисунок	Рис.1.1

2. Конструктивный, электрический и тепловой расчет контактов

2.1 Выбор материала и конструктивных форм коммутирующих контактов

В качестве материала контактов выбирается серебро марки Ср999, ГОСТ 6836-54

Выбор данного материала обусловлен следующими соображениями:

Контактное соединение аппарата должно обеспечивать его повышенную эксплуатационную надежность. Серебро удовлетворяет этому условию лучше остальных материалов, т.к. имеет наименьшее электрическое удельное сопротивление и имеет стабильные характеристики переходного сопротивления при длительной эксплуатации. Кроме того применение серебра устраняет необходимость удалять окисленные пленки.

В качестве формы контактной поверхности выбирается точечный контакт, который обеспечивает высокое удельное нажатие и, следовательно, малое контактное сопротивление даже в случае малых сил контактного нажатия.

2.2 Определение основных размеров коммутирующих контактов, необходимые силы нажатия контактов, их температуры, их переходные сопротивления и падение напряжения при номинальном токе

Допустимое падение напряжения на контакте

,

где - напряжение рекристаллизации.

Для серебра В.

В.

Переходное сопротивление контакта

,

где - допустимое напряжение на контакте; - номинальный ток контактов.

Здесь В, А

Ом.

Необходимая сила нажатия

,

где m - коэффициент формы контактной поверхности; k_п - коэффициент, учитывающий материал и состояние контактной поверхности.; R_к.доп. - переходное сопротивление контакта.

Здесь m=0.5, ,

Н.

Принимаем Н, т.к. это предельно допустимое минимальное значение силы нажатия.

Начальный то сваривания контактов найдем из выражения

,

где - коэффициент, зависящий от материала контактов, формы контактов и времени импульса тока; - необходимая сила нажатия.

Здесь А/Н^0.5, Н

А

Раствор контактов принимаем Р=4 мм. Уменьшение раствора нежелательно, т.к. погрешности при изготовлении отдельных деталей могут существенно повлиять на величину раствора.

Т.к. провал определяется суммарной толщиной напаек подвижного и неподвижного контактов, то провал П=2 мм.

Исходя из по [1] определяем диметр и высоту контакта: d_к.=4 мм, h_к.=1.2 мм.

3. Предварительный расчет электромагнита

3.1 Выбор материала магнитопровода

В качестве материала магнитопровода применяем сталь марки Э41 со следующими параметрами:

- задерживающая (коэрцетивная) сила Н_с=0.8 А/см;

- удельное сопротивление ;

- плотность =7.85 г/см³

- углерод С 0.04%

3.2 Выбор величины магнитной индукции

Геометрический показатель для электромагнитов постоянного тока

,

где - начальное усилие притяжения электромагнита, Н; - величина рабочего воздушного зазора при отпущенном якоре, м.

Здесь Н, м

кгс^0.5/см.

Величину магнитной индукции в рабочем зазоре выбираем в зависимости от величины геометрического показателя Г по графической зависимости рис. 6 в [2].

=0.225 Тл.

3.2 Определение основных размеров и параметров электромагнита. Площадь торца сердечника

,

где - начальное усилие притяжения электромагнита, - магнитная индукция в рабочем зазоре.

Здесь , =0.225 Тл.

м².

Диаметр торца сердечника

,

где S_с - площадь торца сердечника.

Здесь м²

м.

Намагничивающая сила, приходящаяся на один рабочий зазор

,

где - магнитная индукция в рабочем зазоре;- величина рабочего воздушного зазора при отпущенном якоре; - магнитная проницаемость воздуха. контакт температура электромагнит сердечник

Здесь =0.225 Тл, м, Г/м

А.

Общая намагничивающая сила срабатывания

,

где - намагничивающая сила, приходящаяся на один рабочий зазор.

Здесь А

А.

Общая номинальная намагничивающая сила срабатывания

,

где - общая намагничивающая сила срабатывания; I_н. - номинальный ток катушки; I_срб. - ток срабатывая.

Здесь А, I_н.=240А, I_срб.=240А

А.

Площадь поперечного сечения обмотки

,

где и - длина и толщина обмоточного пространства; - общая номинальная намагничивающая сила срабатывания; - коэффициент перегрузки по току; - плотность тока, соответствующая ее номинальному параметру; - коэффициент заполнения обмоточного пространства.

Здесь А, , А/м²,

м².

Рекомендуемое отношение . Принимаем м, м.

3.4 Определение размеров частей магнитопровода и катушки. Разработка эскиза.

Размер выступающей части сердечника

где - диаметр торца сердечника.

Здесь м

м.

Принимаем бескаркасную катушку.

Длина катушки

,

где - длина обмоточного пространства; - толщина торцевых изоляционных шайб.

Здесь м, м.

м.

Длина сердечника

,

где - длина катушки; - размер выступающей части сердечника.

Здесь м, м

м.

Внутренний диаметр обмотки

,

где - диаметр торца сердечника; - толщина внутренней изоляции.

Здесь м, м

м.

Принимаем толщину наружной изоляции катушки м.

Принимаем сечение скобы м² не менее сечения сердечника.

Ширину скобы целесообразно принимать близкой к наружному диаметру катушки , т.е. м.

Сечение якоря

,

где S_с - площадь торца сердечника.

Здесь м²

м²

Целесообразно принять ширину якоря м, чтобы он несколько выступал за сердечник.

Выберем величины нерабочих воздушных зазоров. Примем величину зазора «отлипания» м, а величину зазора в месте сочленения сердечника и скобы м.

Величина зазора между якорем и скобой

.

Задаваясь некоторыми величинами рабочего воздушного зазора произведем расчет. Результаты расчета сведем в табл. 3.4.1

Таблица 3.4.1 Величины воздушных зазоров магнитопровода

На основе произведенных расчетов строим эскиз электромагнита (рис. А.1)

4. Проверочный расчет электромагнита

4.1 Расчет магнитных проводимостей воздушных зазоров и промежутков потока рассеяния. Определение суммарной проводимости и производной проводимости рабочих зазоров

Проводимость воздушного зазора

,

где - диаметр торца сердечника; - рабочий воздушный зазор; - величина выступающей части сердечника.

;

где - величина рабочего воздушного зазора при притянутом якоре.

Здесь м, м, м, м, м.

Произведем расчет для разных значений воздушного зазора и занесем результаты в табл. 4.1.1

Таблица 4.1.1 Проводимости воздушных зазоров

Проводимость воздушного зазора между скобой и якорем при спущенном якоре

,

где - магнитная проницаемость воздуха; и - длина и ширина скобы якоря; - величина зазора между якорем и скобой.

Здесь Г/м, м, м,

Произведем расчет для нескольких значений и результаты занесем в тебл.4.1.1.

Проводимость зазора в месте сочленения сердечника и скобы

,

где - магнитная проницаемость воздуха, - величину зазора в месте сочленения сердечника и скобы, - толщина скобы, - радиус

Здесь Г/м, м, м, м

Г.

Производная проводимости воздушного зазора

,

где - магнитная проницаемость воздуха, - диаметр торца сердечника, - рабочий воздушный зазор, - величина выступающей части сердечника.

Здесь Г/м, м, м, м.

Значения производных проводимости при разных зазорах приведены в табл. 4.1.2

Таблица 4.1.2 Значения производных проводимости

Удельная проводимость сердечника

,

где - магнитная проницаемость воздуха; - расстояние от середины сердечника до скобы; - радиус сердечника.

Коэффициент рекомендуется брать [2] в диапазоне . Пусть . Так же м, м, Г/м.

Г/м.

Суммарная проводимость рабочего воздушного зазора и воздушного зазора между скобой и якорем

где - проводимость рабочего воздушного зазора; - проводимость воздушного зазора между скобой и якорем.

Ранее были рассчитаны и для различных значений воздушного зазора. Произведем расчет, а результаты сведем в табл.4.1.3

Таблица 4.1.3 Суммарная проводимость

Местоположение максимального магнитного потока

,

где - длина обмоточного пространства; - проводимость зазора в месте сочленения сердечника и скобы; - удельная проводимость сердечника; - длина сердечника; - суммарная проводимость рабочего воздушного зазора и воздушного зазора между скобой и якорем.

Здесь м, Г, Г/м, м.

Для различных величин воздушного зазора ранее найдены значения Произведем расчет для , а результаты сведем в табл. 4.1.4.

Таблица 4.1.4 Местоположение максимального магнитного потока

Убывание потока на участке 2-3 происходит обычно небольшое и поэтому при небольших значениях воздушного зазора можно принимать

, м.

Результаты расчетов также занесены в табл. 4.4.4.

Суммарная проводимость со стороны рабочего воздушного зазора

,

где - суммарная проводимость рабочего воздушного зазора и воздушного зазора между скобой и якорем; - удельная проводимость сердечника; - местоположение максимального магнитного потока.

Значения суммарной проводимости со стороны рабочего воздушного зазора приведены в табл.4.1.5.

где - проводимость рабочего воздушного зазора; - сила срабатывания электромагнита; - производная проводимости воздушного зазора.

Напомним, чтоН. Для различных значений рабочего воздушного зазора произведем расчет, а результаты сведем в табл.4.3.1.

Табл.4.3.1 Необходимый магнитный поток в рабочем зазоре

4.4 Расчет магнитной цепи по участкам с использованием коэффициентов рассеяния и кривой намагничивания и построение силовых характеристик

Для выполнения расчета магнитную цепь, используя эскиз магнитопровода, разбивают на отдельные участки. Каждый участок на всей своей длине должен иметь постоянное сечение и обтекаться одним и тем же магнитным потоком. На рис. 4.4.1 изображена схема замещения магнитопровода

Магнитный поток в сечении 1

Магнитный поток в сечении 2

.

Магнитный поток в сечении 3

.

Индукция на стальном участке

.

Напряженность магнитного поля определяется по кривой намагничивания.

Намагничивающая сила в рабочем зазоре

.

Намагничивающая сила в сердечнике

,

где - напряженность магнитного поля в сечении сердечника.

Намагничивающая сила якоря

.

Намагничивающая сила в месте сочленения сердечника и скобы

.

Намагничивающая сила на участке 0

.

Намагничивающая сила в скобе

,

где - напряженность магнитного поля в сечении скобы.

Намагничивающая сила в нерабочем воздушном зазоре

В качестве материала магнитопровода выберем сталь марки Э отожженная.

Сведем все расчеты в табл.4.4.1

Табл.4.4.1 Расчет силовых характеристик электромагнита

На основании проведённых расчетов стоим силовые характеристики (Рис. А.2)

4.5 Построение тяговых характеристик

Тяговая характеристика - это зависимость электромагнитной силы от величины рабочего воздушного зазора

Построенние ведется путем параллельного переноса на правый график точек при соответствующих намагничивающих силах: срабатывания и номинальной.

Номинальная намагничивающая сила

,

где - намагничивающая сила срабатывания; - коэффициент, учитывающий отношение номинальной намагничивающей силы и срабатывания.

Положим .

Здесь А.

А.

Соответствующие характеристики построены на рис. А.2.

4.6 Расчет параметров катушки

Число витков катушки

,

где - намагничивающая сила срабатывания, - ток срабатывания.

Здесь А, А.

.

Принимаем . Величину рабочего воздушного зазора реализуем упорным винтом.

Сечение шины

,

где - номинальный ток катушки; - плотность тока.

Здесь А, А/м²

м².

Согласно табл.IV-2 в [3] по сечению шины выбираем шину со следующими параметрами: м², м, м.

Длина среднего витка обмотки

где - внешний диаметр намотки; - внутренний диаметр намотки.

Здесь м, м.

м.

Площадь наружной поверхности

,

где - длина обмоточного пространства; - внешний диаметр намотки.

Здесь м, м

м².

Площадь внутренней поверхности

,

где - длина обмоточного пространства; - внутрений диаметр намотки.

Здесь м, м

м².

Удельное сопротивление материала обмоточного провода в нагретом состоянии

,

где - удельное сопротивление материала при 20⁰С; - температурный коэффициент сопротивления; - наибольшая допустимая температура нагрева материала обмоточного провода.

Здесь , град^-1, ⁰С

.

Сопротивление обмотки в нагретом состоянии

,

где - удельное сопротивление материала обмоточного провода в нагретом состоянии; - длина среднего витка обмотки; - площадь поперечного сечения обмоточной шины; - число витков обмотки.

Здесь , м, м²,

Ом.

Максимальный ток катушки

где - номинальный ток катушки; - коэффициент максимального тока.

Здесь А,

А.

Максимально возможные потери в обмотке катушки

где - сопротивление обмотки в нагретом состоянии; - максимальный ток катушки.

Здесь Ом, А

Вт.

Перегрев

,

где - максимально возможные потери в обмотке катушки; - коэффициент теплоотдачи; - коэффициент, характеризующий теплоотдачу внутренней поверхностью; - площади наружной и внутренней поверхностей.

Для бескаркасных катушек .

Здесь Вт, Вт/(м²град.), м, м

⁰С.

Температура обмоточной шины 52,17⁰С.

Максимально допустимый перегрев 55⁰С. Очевидно, что условие выполняется.

5. Определение величин и приведение действующих сил, расчет пружин, построение механической характеристики противодействующих сил

Зазор в месте положения силы между начальным и конечным (прижатым и отжатым) положением якоря

,

где - рабочий воздушный зазор; - зазор между сердечником и прижатом якорем.

Здесь м, м

м.

Длина большого плеча якоря

,

где - зазор в месте соприкосновения контактов между отжатым и прижатым положениями якоря; - плечо приложения силы F_э;- зазор в месте приложения силы F_э между начальным и конечным положением якоря.

Здесь м, м, м

м.

Принимаем длину малого плеча якоря м.

Раствор контактов в месте приложения силы F_э

,

где Р - раствор контактов; - длина большого плеча якоря.

Здесь м, м, м

м.

Провал контактов в месте приложения силы F_э

,

где - зазор в месте приложения силы F_э между начальным и конечным положением якоря; - раствор контактов в месте приложения силы F_э

Здесь м, м.

м.

Определим действующие в аппарате силы.

Силу тяжести якоря не учитываем, т.к. реле в рабочем состоянии будет расположено вертикально, чтобы на контактах не скапливалась пыль.

Силы приводим к месту приложения силы F_э.

Приведенная сила нажатия контактов

,

где - сила нажатия контактов; - плечо приложения силы нажатия контактов; - плечо приложения силы F_э

Здесь Н, м, м

Н.

Приведенная сила возвратной пружины



где - приведённая сила нажатия якоря на упор; - приведенная сила нажатия контактов.

Здесь Н, Н

Н.

Сила возвратной пружины

,

где - приведенная сила возвратной пружины; - плечо приложения силы F_э; - плечо приложения силы возвратной пружины.

Здесь Н, м, м

Н.

Теперь произведем расчет пружин.

В качестве материала контактной и возвратной пружин выбираем нейзильбер ленточный твердый марки МнЦ15, для которого модуль сдвига Н/мм²; допустимы предел выносливости при кручении Н/мм².

Рассчитываем возвратную пружину сжатия.

Принимаем индекс пружины с=7.

Диаметр витка пружины

,

где - сила возвратной пружины; с - индекс пружины; - допустимы предел выносливости при кручении.

Здесь Н, с=7, Н/мм²

мм.

Средний диметр пружины

,

где с - индекс пружины; - диаметр витка пружины.

Здесь с=7, мм

мм.

Прогиб пружины

,

где - плечо приложения силы F_э; - плечо приложения силы возвратной пружины; - зазор в месте приложения силы F_э между начальным и конечным положением якоря.

Здесь м, м, м.

м.

Число витков пружины

,

где - модуль сдвига; - диаметр витка пружины; - прогиб пружины; - индекс пружины; - сила возвратной пружины.

Здесь Н/мм², мм, с=7, мм, Н

.

Шаг пружины

,

где - диаметр витка пружины; - прогиб пружины; - число витков пружины.

Здесь м, м, .

м.

Свободная дина пружины

,

где - диаметр витка пружины; - число витков пружины; - шаг пружины.

Здесь м, , м.

м.

Рассчитываем контактную пружину сжатия.

Принимаем индекс пружины с=15.

Диаметр витка пружины

,

где - сила контактной пружины; с - индекс пружины; - допустимы предел выносливости при кручении.

Здесь Н, с=15, Н/мм²

мм.

Средний диметр пружины

,

где с - индекс пружины; - диаметр витка пружины.

Здесь с=15, мм

мм.

Прогиб пружины равен провалу контактов мм

Число витков пружины

,

где - модуль сдвига; - диаметр витка пружины; - прогиб пружины; - индекс пружины; - сила контактной пружины.

Здесь Н/мм², мм, с=15, мм, Н

.

Шаг пружины

,

где - диаметр витка пружины; - прогиб пружины; - число витков пружины.

Здесь м, м, .

м.

Свободная дина пружины

,

где - диаметр витка пружины; - число витков пружины; - шаг пружины.

Здесь м, , м.

м.

Далее строим механическую характеристику. Делаем это на том же графике, что и тяговую. Для удобства они условно строятся в первом квадранте хотя силы направлены в противоположные стороны.

Список литературы

1. Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов. - М.: Энергия, 1971. - 560 с.

2. Никитин Л.В. Тяговые электрические аппараты (методическое руководство к курсовому проектированию). - НЭТИ, 1982. - 44 с.

3. Сергеев П.С., Виноградов Н.В., Горяинов Ф.А. Проектирование электрических машин. Изд. 3-е перераб. и доп. - М.: Энергия, 1969. - 632 с.

Размещено на Allbest.ru

...