Определение размеров коммутирующих контактов

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 17Следующая ⇒

Расчёт размеров поперечного сечения подвижного контакта производится по электрической плотности тока . В пределах или от 20 А до 1000 А плотность тока находится в диапазоне

Меньшие значения применяются при длительном режиме работы при больших токах, а большее значение – для повторно-кратковременного или кратковременного режима работы.

Общий вид главного контакта из меди без облицовки и облицованного пластиной серебра или металлокерамики представлен на Рисунке 4.3.1. Внешний вид реальных контактов может отличаться от изображённых на рисунке.

Рисунок 4.3.1. Общий вид главного контакта без облицовки и облицованного пластиной серебра или металлокерамики КМК-А10, КМК-А20

Расчёт площади поперечного сечения подвижного контакта производится по току в соответствии с формулой

(4.3.1)

Ширина подвижного контакта (длина линии касания) определяется п формуле

(4.3.2)

где – характеристический коэффициент.

Для проверки правильности вычисленного значения , принимаемого для дальнейших расчётов, можно ориентироваться на представленные в Приложениях (Таблица 14) значения линейной плотности тока , полученные экспериментально. В силовых контакторах линейная плотность тока может достигать значений до 20 А/мм.

Примерное значение ширины подвижного контакта можно также определить по графику, приведённому в приложениях (Рисунок 1).

Рисунок 1. Зависимость ширины подвижного контакта от величины тока

Толщина a подвижного и неподвижного контакта выбирается одинаковой и рассчитывается по формуле

(4.3.3)

Если значение толщины a получается 1-2 мм, то следует выбрать уточнённое технологическое значение a= (3-4) мм. При дальнейших расчётах использовать уточнённое значение толщины a. Принимаем a = 3 мм.

Ширина неподвижного контакта выбирается с учётом возможного, в процессе длительной эксплуатации, смещения подвижного контакта от расчётного положения. Ширина должна быть на 20 ÷ 25% больше ширины подвижного контакта .

(4.3.4)

Определим фактические конструктивные размеры коммутирующих контактов в соответствии с Рисунком 4.3.1.

Фактические размеры подвижного главного контакта:

· Толщина ;

· Ширина ;

· Длина ;

· Высота .

Фактические размеры неподвижного главного контакта:

· Толщина ;

· Ширина ;

· Длина ;

· Высота .

Выбор болтов, крепящих контакты к контактодержателю и выводу дугогасительной катушки тока

Подвижный и неподвижный контакты крепятся к контактодержателю и выводу дугогасительной катушки при помощи болтов (по одному крепёжному болту на каждый контакт). Контактодержатель и дугогасительная катушка выполняются из меди. От параметров применяемых крепёжных болтов и усилия их затяжки зависит надёжность работы всей конструкции в целом.

Из Приложений (Таблица 9) выбирается рекомендуемое значение плотности тока в зависимости от величины .

Расчёт силы контактного нажатия «контакт – контактодержатель»

Необходимая расчётная площадь контактной поверхности подвижного контакта определяется по формуле

(4.3.7)

Где – расчётная площадь контактирования подвижного контакта и контактодержателя;

– номинальный ток главной цепи контактора;

– рекомендуемое значение плотности тока;

Медь(Cu) – материал контактодержателя.

Определим фактическую площадь контактирования подвижного контакта и контактодержателя

(4.3.8)

Из двух значений и для дальнейших расчётов выбирается наименьшая величина.

С целью получения допустимых величин переходного сопротивления и падения напряжения в контактном соединении «контакт – контактодержатель» необходимо создать контактное давление в соответствие со справочными данными Приложений (Таблица 10).

Выбираются следующие рекомендуемые значения :

Медь не лужёная – материал контактного соединения;

– рекомендуемое контактное давление.

Сила контактного нажатия «контакт – контактодержатель» определяется по формуле

(4.3.9)

Где – расчётная площадь контактирования подвижного контакта и контактодержателя;

– рекомендуемое контактное давление;

По величине требуемой силы контактного нажатия выбирается один болт с расчётной силой затяжки , согласно справочным данным в Приложениях (Таблица 11). В процессе выбора болта следует учесть, что площадь контактного пятна не должна быть меньше . При применении болтов, изготовленных из стали марки Ст.4 или Ст.5, сила затяжки одного болта может быть увеличена в 1.15 или 1.30 раза соответственно. Для стали марки Ст.35 сила затяжки одного болта может быть увеличена в 2-2,5 раза. При этом недопустимо превышение величины номинального тока на один болт.

Для крепления неподвижного контакта к выводу дугогасительной катушки тока применяется болт, аналогичный рассчитанному выше.

В результате выполненных расчётов принимаются следующие технические параметры крепления «контакт – контактодержатель»:

Ст.3 – марка стали болта;

d М10 мм – диаметр болта;

– площадь контактного пятна одного болта;

– площадь контактной поверхности;

– расчётная сила контактного нажатия;

– сила затяжки одного болта;

– величина номинального ока на один болт.

Определение силы контактного нажатия коммутирующих контактов «подвижный контакт – неподвижный контакт»

Все электрические аппараты проектируются с учётом допустимых перегрузок. Рассчитанная сила контактного нажатия должна обеспечивать работу контактного узла при всех возможных режимах. В частности, необходимо исключить сваривание контактов, их отброс вследствие действия электродинамических усилий (ЭДУ) в контактных площадках, а также значительную вибрацию при их замыкании.

Расчёт силы контактного нажатия производится по формуле

(4.3.10)

Где – коэффициент типа контакта, число площадок касания; для точечного контакта , для линейного , для плоского - ;

– сила контактного нажатия, приходящаяся на одну элементарную площадку.

- сила контактного нажатия «подвижный контакт – неподвижный контакт», приведённая к контактам, определяется по эмпирической формуле

(4.3.11)

Где – номинальный ток главной цепи контактора;

– число Лоренца;

– теплопроводность материала токоведущего проводника;

– твёрдость материала контакта по Бринеллю;

– температура проводника в точке, удалённой от контактной площадки;

– температура нагрева контактной площадки;

В радианах

Если контакты облицованы пластинами из серебра или металлокерамики, то значения l и следует выбирать из таблиц для материала пластин.

При выполнении расчёта выбирается наибольшее из значений или .

Под эквивалентным током понимается ток, который вызвал бы тот же нагрев токоведущих деталей, что и отключаемый реальный номинальный ток при длительном протекании, в совокупности с дополнительным нагревом контактов электрической дугой.

Температура проводника в точке, удалённой от контактной площадки, рассчитывается по формуле

(4.3.12)

Где – удельное сопротивление меди;

– коэффициент теплоотдачи;

– периметр коммутирующего контакта;

– площадь поперечного сечения контакта;

– температура окружающей среды.

Температуру нагрева контактной площадки можно определить по формуле

(4.3.13)

Где – температура проводника в удалённой точке;

– температура нагрева контактной площадки;

- превышение температуры контактной площадки главных коммутирующих контактов.

Температура нагрева контактной площадки не должна превышать температуру рекристаллизации (размягчения) металла электрических контактов. Значения напряжений , и температуры рекристаллизации (размягчения) и плавления металлов электрических контактов приведены в Приложениях (Таблица 17).

В результате выполненных вычислений определены следующие параметры главных коммутирующих контактов:

– сила контактного нажатия;

– температура проводника в удалённой точке;

– температура нагрева контактной площадки;

– температура рекристаллизации металла контакта.

Определение переходного сопротивления коммутирующих контактов

Переходное сопротивление главных коммутирующих контактов (одного разрыва цепи с током ), определяется несколькими методами с использованием теоретических и практических зависимостей. Для дальнейших расчётов используется наибольшее значение .

Определение переходного сопротивления контакта по теоретической зависимости

Переходное сопротивление по первому методу рассчитывается по нижеприведённой теоретической формуле

(4.3.14)

Где – удельное сопротивление меди;

– ТКС материала контакта;

– допустимая температура нагрева;

– радиус круглой контактной площадки касания контактов, зависящий от вида деформации;

– коэффициент типа контакта, число площадок касания (линейный контакт).

При незначительных усилиях нажатия (до 0.01 Н) имеет место упругая деформация микровыступов на поверхности контакта. При увеличении нажатия до 0.1 ÷ 0.15 Н начинается пластическая деформация, вследствие чего происходит упрочение материала. При дальнейшем увеличении силы нажатия до сотен Ньютонов опять имеет место упругая деформация слоя металла, а при ещё большем нажатии наступает снова пластическая деформация слоя.

При пластической деформации радиус r круглой контактной площадки касания контактов определяется по эмпирической формуле

(4.3.15)

Где – сила контактного нажатия, приходящаяся на одну площадку;

– твёрдость материала контакта по Бринеллю;

По первому методу переходное сопротивление коммутирующих контактов имеет следующую величину:

– величина переходного сопротивления (метод 1).

Определение по формуле, основывающейся на экспериментальных данных

Переходное сопротивление по второму методу рассчитывается по нижеприведённой эмпирической формуле

(4.3.15)

Где – коэффициент, зависящий от материала и состояния поверхности контактов;

– сила контактного нажатия;

– коэффициент формы контактной поверхности;

– ТКС материала контакта;

– допустимая температура нагрева;

Значение выбирать с учётом наличия (отсутствия) на главных контактах облицовочных пластин из композиции металлокерамической КМК.

По второму методу переходное сопротивление коммутирующих контактов имеет следующую величину:

– величина переходного сопротивления (метод 2).

Определение по графическим зависимостям

В результате многочисленных опытов в лабораторных условиях и на действующих натурных объектах были установлены зависимости от величины силы контактного нажатия для различных материалов, используемых в электроаппаратостроении.

Ввиду того, что ток или в контакторе постоянного тока протекает последовательно через сопротивление и , то на них будет существовать падение напряжения. Чем больше величина , тем большая мощность тепловых потерь будет выделяться на коммутирующих контактах, что приводит к повышенному их нагреву и ускорению процессов окисления контактирующих поверхностей.

На графиках, находящихся в Приложениях (Рисунок 2, Рисунок 3), приведены экспериментальные зависимости , позволяющие оценить порядок в зависимости от материала главных контактов.

По третьему методу переходное сопротивление коммутирующих контактов имеет следующую величину (если есть данные, то среднеарифметическое значение, полученное из Рисунка 2 и Рисунка 3):

– величина переходного сопротивления (метод 3).

Величину определяем по графику, приведённому на рисунке 2 в Приложениях.

Рисунок3.Графические зависимости переходного сопротивления контактов от силы нажатия при разных формах контактной поверхности

(4-медный линейный)

Для дальнейших расчётов используется наибольшее значение :

– величина переходного сопротивления (метод 1).

Определение падения напряжения и температуры нагрева коммутирующих контактов

При замкнутых коммутирующих контактах падение напряжения в токоведущем контуре аппарата в основном складывается из переходного сопротивления коммутирующих контактов и переходных сопротивлений разборных и разъемных соединений.

Величину падения напряжения в переходном сопротивлении коммутирующих контактов можно получить путем измерения. В измеренную величину помимо величины переходного сопротивления, сосредоточенного в контактной площадке, входит величина сопротивления металла контакта, расположенного между точками приложения измерительных электродов и контактной площадкой. Но сопротивление металла незначительно в сравнении с величиной переходного сопротивления . Поэтому падение напряжения на замкнутых коммутирующих контактах может быть приближённо выражено по формуле

(4.3.16)

Где – падение напряжения на замкнутых коммутирующих контактах;

– номинальный ток главной цепи;

– величина переходного сопротивления.

В существующих конструкциях аппаратов падение напряжения на свежезачищенных контактах должно находиться в следующих пределах:

– для контактов, работающих в воздухе: ;

– для контактов, охлаждаемых водой: .

В любом случае, падение напряжения на контактах должно быть меньше напряжения рекристаллизации (размягчения) . Кроме напряжения рекристаллизации, применяется значение температуры рекристаллизации металла, из которого изготовлены главные контакты.

Для надежной работы коммутирующих контактов необходимо, чтобы температура нагрева контактной площадки не превышала температуру рекристаллизации металла , при которой начинается уменьшение механической прочности металла. Она должна быть значительно ниже температуры плавления , при которой может произойти сваривание контактов, и не достигать температуры кипения . Справочные данные находятся в Приложениях (Таблица 16, Таблица 17).

По вычисленной величине падения напряжения : на коммутирующих контактах определяется превышение температуры контактной площадки. Полученное значение сопоставляется с ранее принятым значением при расчёте по формуле (4.3.13).

Превышение температуры контактной площадки коммутирующих контактов над температурой металла контакта вычисляется по формуле

(4.3.17)

Где – падение напряжения на замкнутых коммутирующих контактах;

– удельное сопротивление меди;

– ТКС материала контакта;

Уточнённое значение температуры нагрева контактной площадки можно определить по формуле

(4.3.18)

Где – температура проводника в удалённой точке;

– уточнённое значение температуры нагрева контактной площадки;

– превышение температуры контактной площадки контактов.

Величину превышения температуры контактной площадки коммутирующих контактов также необходимо определить по справочным данным, находящимся в приложении(таблица 18). Во всех случаях должно выполняться условие:

(4.3.19)

В результате расчётов были получены и приняты следующие значения параметров коммутирующих контактов:

– падение напряжения на замкнутых коммутирующих контактах;

– температура нагрева контактной площадки коммутирующих контактов;

– превышение температуры контактной площадки контактов.

Определение допустимого тока через коммутирующие контакты

Допустимое значение тока через замкнутые коммутирующие контакты характеризует возможности контактного узла реализовать заданный режим работы с учётом материала контактов, конструктивной формы контактной поверхности, принятого значения и др.

Величина допустимого тока рассчитывается по формуле

(4.3.20)

Где – допустимое значение тока через коммутирующий контакт;

– предельное значение тока, при котором начинается рекристаллизация;

– напряжение рекристаллизации (размягчения) металла контакта;

– величина переходного сопротивления.

Определение величины тока сваривания контактов

При протекании через коммутирующие контакты токов, значительно больше номинальных (при перегрузках, пусках, коротких замыканиях) происходит повышенное нагревание и отброс контактов, и они свариваются. Термическая и электродинамическая устойчивости (устойчивость контактов против отбросов и сваривания) являются важнейшими параметрами, которые выражаются величинами предельно допустимого тока. Сваривание контактов может и не быть причиной выхода из строя аппарата, если отключающий механизм способен разомкнуть (разорвать) сварившиеся контакты.

Расчёт начального тока сваривания коммутирующих контактов

Расчёт начального тока сваривания выполняется как по теоретическим зависимостям, так и по экспериментальным данным. В теоретическом методе расчётов начального тока сваривания (граничного тока) материала контактов в основу положено соотношение, устанавливающее связь между падением напряжения в контакте и установившейся температурой нагрева контактной площадки . При расчёте используется следующая зависимость: