а) при Uот< Uо и Іот < Іо эрозия контактов в основном вызывается плавлением контактных площадок и вытягиванием жидких мостиков при замыкании контактов. Металл переносится на катод. Объём перенесённого металла на одно размыкание:

где: , - постоянные для каждого металла (см. [2]).

б) при U от ≥ Uо и Іот ≥ Іо образуется искра и максимально короткая дуга. Расчётные соотношения приведены в [4].

в) при Uот >> Uо, Іот >> Іо, когда образуется дуга, вызывающая сильную эрозию контактов, объём перенесённого металла с катода на анод за одно размыкание и одно замыкание:

где: , , – удельные значения износа металла анода и катода при одном замыкании и одном размыкании, см3 / кг;

– количество электричества в Кл, протёкшего за время одного включения:

где: – средний ток дуги, – часть суммарного времени вибрации контактов.

– количество электричества в Кл, протёкшего за время размыкания.

Для постоянного тока: , где – время горения дуги – средний ток в дуге при размыкании

При переменном токе

а) износ контактов происходит вследствие распыления металла под влиянием высокой температуры дуги, при размыкании контактов и расплющивании их от ударов при замыкании.

б) дуга образуется только при размыкании тока, при выполнении условий:

Uот > Uо , Іот > Іо

Чем больше отношения и , где Іm , Um – амплитудные значения тока и напряжения, тем большая возможность для образования дуги, которая также зависит от фазы тока в момент размыкания.

в) дуга гаснет при первом приближении тока к нулю, поэтому время горения её не превышает одного полупериода (для частоты 50 Гц – 10 мс)

г) количество электричества, протёкшего в виде газового разряда при размыкании определяется по формуле:

– число полупериодов горения дуги, принимается, как целое число.

Для маломощных реле –

– угловая частота

14 АППАРАТЫ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ И УПРАВЛЕНИЕ ЕЁ ПРИЁМНИКАМИ (до 1000В)

По зависимости, предложенной профессором Кузнецовым П.С., удельный массовый износ определяется по формуле:

, – удельный массовый износ при одном замыкании и размыкании

, – коэффициенты износа металла контактов, полученные опытным путём для конкретных материалов (см.[1, табл. 5-11]) или графической зависимости

– коэффициент неравномерности, учитывающий неравномерность износа контактов:

· при постоянном токе износ анода превышает полусумму износа анода и катода в (1,1 ÷ 3,0) раза

· у трёх полюсных апаратах переменного тока максимальная потеря массы контактов одного полюса больше средней потери(1,1 ÷ 2,5) раза

, – предельные токи включения и отключения, для заданной категории применения аппарата.

14.1 Последовательность расчёта электрической износостойкости и провала контактов для аппаратов управления (контакторов)

1Задаёмся электрической износостойкостью на основании заданной для данного класса механического износа.

2 Определяем объём изнашиваемого металла, расчёт выполняется, по крайней мере, двумя методами:

1 Метод:

2 Метод: Изнашиваемый объём определяется по формуле Таева И.С.:

– коэффициент использования объёма контакта

– коэффициент, характеризующий удельный расход металла контактов на единицу количества электричества, протёкшего в виде газового разряда.

– количество электричества, протёкшего в виде газового разряда при отключенной цепи, в Кл:

На постоянном токе величина рассчитывается по формуле:

где – предельный ток отключения для данной категории аппарата

– время горения дуги, которое может быть приближенно принято равным времени растяжения дуги до критической длины дуги ( ).

Время определяется по результатам расчёта дугогасительного устройства, на переменном токе.

Величина определяется по формуле:

где – действующее значение отключаемого тока в амперах в соответствии с категорией применения аппарата;

– угловая частота;

– число полупериодов горения электрической дуги, которое принимается равным целому числу, в зависимости от категории применения аппарата:

АС1 – n = 1; АС2 – n = 2; АС3, АС4 – n = 3

Из двух полученных результатов после определения для дальнейших расчётов принимаем больший результат (как самый худший вариант).

Если используется массивный контакт без накладок, принимается равным 0,5.

Если используются контактные накладки, то принимается = 1.

3 Определяется линейный износ контактов:

где – линейный износ;

– возможная площадка контактирования

Для линейных контактов без накладок

Рисунок 1.21 – Точечный контакт

Рисунок 1.22 – Линейный контакт

Рисунок 1.22 – Плоскостной контакт: а –момент замыкания контакта, а–б– длина линий переката рычажного контакта в – ширина подвижного контакта

Для контактов, содержащих контактные накладки,

Рисунок 1.23 – Определение для любой формы поверхности

Рисунок 1.23 – Определение толщины изнашиваемого металла

После определения линейного износа необходимо выполнить контрольные мероприятия, если контакт рычажный без накладок, где коэффициент использования металла контакта в зоне , не должен превышать 0,5, то линейный износ должен быть не более , т.е.

– толщина неподвижного контакта, – толщина подвижного контакта

Для контактов, содержащих контактные накладки (мостиковые, рычажные), где коэффициент использования ≈ 1 должно выполняться условие:

Н1, Н2 – толщина или высота контактных накладок на неподвижных и подвижных контактах.

Если указанные условия не выполняются, то необходимо произвести корректировку размеров контактов. Либо, в случае больших расхождений, расчёты контактного узла повторяются с самого начала, либо уменьшается электрическая износостойкость и увеличивается число замен контактов. После корректировки размеров контактов, определяется провал контактов:

Провал контактов используется как важный исходный параметр для расчёта контактных пружин.

14.2 Мероприятия по повышению износостойкости контактов

1 Выбор материалов контактов может быть произведён с учётом рекомендаций и условий эксплуатации контактов.

2 Уменьшение времени существования между контактами мостика расплавленного металла и дуги:

а) в общем случае желательно увеличивать начальную скорость расхождения контактов при размыкании, в некоторых случаях целесообразно принимать оптимальную скорость размыкания контактов;

б) необходимо выбирать оптимальную напряжённость магнитного поля в зоне размыкания контактов при наличии системы магнитного дутья, для обеспечения минимального линейного износа контактов.

Рисунок 1.24 – Зависимость линейного износа от напряженности магнитного поля

3 Уменьшение вибрации контактов при их замыкании.

4 Конструктивные мероприятия.

а) уменьшение площади изнашиваемой части контактов, в том числе за счёт изменения радиуса кривизны контактной поверхности;

б) обеспечение более равномерного износа контактов за счёт применения самоустанавливающихся контактов.

15. РАСЧЕТ КОНТАКТНЫХ ПРУЖИН

Большинство электрических аппаратов содержит в конструкции одну или даже несколько пружин, обычно это контактные или отключающие пружины. Пружины в электрических аппаратах выполняют ответственную роль и определяют основные характеристики аппаратов, поэтому их расчёт имеет большое значение. Для выполнения расчётов необходимо определить расположение пружины в механизме контактного узла или аппарата и взаимодействие их с другими частями аппарата. Выбор материала пружины необходимо производить исходя их общепринятых рекомендаций:

1 При относительно больших силах и небольших перемещениях (прогибах) целесообразно применять сталь.

2 При необходимости получения относительно больших перемещений (прогиба) при небольших силах применяют материалы с меньшими значениями модуля упругости, например, фтористую бронзу.

В зависимости от названия аппарата следует принимать повышенные или пониженные допустимые напряжения в металле. Например, для аппаратов распределительных устройств, работающих редко при износостойкости до нескольких десятков тысяч циклов, можно предусматривать наименьший коэффициент запаса. Для аппаратов управления и автоматики принимаются значения допустимых напряжений, а для особо тяжёлых режимов – пониженное допустимое значение напряжения в металле. Помимо указанного, необходимо также руководствоваться требованиями ГОСТов.

Наибольшее распространение получили витые цилиндрические пружины. Они могут в зависимости от размеров развивать усилия от долей до тысяч Ньютонов.

Рассмотрим принципы конструирования и проектного расчёта витых цилиндрических пружин на примере рычажных контактов.

15.1 Порядок проектирования

15.1.1 Эскизная проработка контактного узла в масштабе

Эскизная проработка выполняется после окончательного выбора размеров контактов, расчёта объёмного износа контактов, когда можно определить провал контактов, по известным силам конечного и начального нажатия. На этом этапе фактически формируется конструкция контактного узла, в частности производится выбор конструкции контакта держателя.

Рисунок 1.25 – Контакты: – вектор силы контактного нажатия, – вектор силы контактной пружины, – длина плеча, на которое будет действовать вектор силы Fпр, – длина плеча, на которое будет действовать вектор силы .

Величины , устанавливаются в результате проработки контактного узла в масштабе.

Исходными данными для расчёта параметров пружины служат, (для мостиковых контактов в подобных ситуациях эти силы удваиваются), , длины плеч , .

15.1.2 Построения нагрузочной характеристики пружины

Для этого выполняется привидение сил контактного нажатия и провала контакта в точке О2, где действует проектируемая пружина. Про пересчёт действующих сил вводится кинематическая схема.

Рисунок 1.26 – Кинематическая схема сил

, Н

Для пересчёта перемещений вводится следующая кинематическая схема:

Рисунок 1.27 – Кинематическая схема перемещений

, , ,

так как угол один и тот же, то

Для построения нагрузочной характеристики вводим систему координат

Рисунок 1.28 – Зависимость противодействующих сил от перемещения

Полученная нагрузочная характеристика является исходной для определения параметров пружины

Рисунок 1.29 – Пружина: d – диаметр проволоки, Dср – средний диаметр пружины, W – число витков пружины, определяющее длину пружины в сжатом и свободном состоянии.

15.1.3 Выбор материала пружины

Производится выбор материала пружины с учётом рекомендаций и определяется G – модуль сдвига, модуль упругости при кручении (Н/мм2, кгс/мм2)

Определяется – допустимое напряжение при кручении, (Н/мм2, кгс/мм2)

15.1.4 Определение характеристических коэффициентов пружины

, и

где – длина пружины в свободном состоянии

В обычном исполнении пружин значение коэффициентов С1 и С2 следующее:

Важно выдержать втрое условие для значения С2 в пружинах, работающих на сжатие: когда , при работе пружины может получиться боковое выпучивание, при этом создаётся трение в витках, искажающее характеристику пружины. Последнее не касается пружин, работающих в специально предусмотренных для них каналов, отверстий.

При проектировании пружин рекомендуется выбирать следующие предпочтительные размеры и :

– 5; 6; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 62 мм

– 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,2; 1,6; 2; 2,5; 3; 4,5; 6 мм

15.1.5 Определение диаметра проволоки или прутка и числа витков катушки

Полученное значение корректируется с учётом действующего сортамента на проволоку или пруток.

Определяется рабочее число витков пружины:

где – скорректированный диаметр проволоки или прутка

– полное перемещение пружины,

Определяется полное число витков пружины:

15.1.6 Определение шага пружины сжатия и длины пружины

Шаг пружины:

Длина пружины в рабочем состоянии:

После определения производится проверка коэффициента C2, если имеются существенные расхождения, то необходимо вносить корректировку и расчёты повторять:

После этого определяется длина пружины в сжатом состоянии:

15.1.7 Уточнение полученных данных

Так как в процессе расчёта некоторые величины округлялись, то выполняется построение расчётной характеристики пружины и сопоставление её с требуемой характеристикой по условиям работы:

а) уточняется начальная сила пружины:

б) уточняется сила пружины конечная:

Расхождение расчётных сил и с исходными не должно быть более ± 5 ÷ ±10 %.

16 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДУГОГАСИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

16.1 Общие положения

При проектировании ДУ необходимо учитывать ряд требований:

1 ДУ должно обеспечивать заданную коммутационную отключающую и включающую способность аппарата при заданных условиях работы.

2 ДУ должна обеспечивать минимальное время горения дуги с целью уменьшения износа контактов и дугогасительной камеры, если она предусмотрена.

3 При гашении дуги в ДУ не должно возникать недопустимых перенапряжений, вызывающих перекрытие изоляции.

4 ДУ должно иметь минимальные размеры, минимальный выброс пламени дуги и ионизированных газов, которые могут вызвать пробой изоляции между частями аппарата.

5 ДУ должно обеспечивать минимальный звуковой и световой эффекты.

Некоторые требования взаимно противоречивы: например, уменьшение времени горения дуги связано с увеличением перенапряжений.

16.2 Условие гашения дуги постоянного тока

Рисунок 1.30 – ВАХ дуги постоянного тока

ВАХ дуги должна лежать выше нагрузочной

где: – градиент напряжения на столбе дуги, В/см

– длина дуги, см

– приэлектродное падение напряжения на контактах, В

Для низковольтных аппаратов не превышает по максимуму 20÷30 В, поэтому в практических расчётах, если не предусмотрена решётка, этим параметром пренебрегают (тогда считают , < 30 см).

Для реализации условия гашения дуги можно воздействовать на путём перемещения дуги из зоны контактов за счёт ЭДУ контура или специальной схемы магнитного дутья.

Модно также воздействовать на увеличение за счёт увеличения раствора контактов, однако, у есть ограничения ≤ 30 см.

16.3 Условия гашения дуги переменного тока

В любой момент времени после погасания дуги (проход тока через естественный ноль) восстанавливающая прочность межконтактного промежутка должна быть больше восстанавливающегося напряжения.

где: – мгновенно восстанавливающаяся прочность, она зависит от материала контакта и предшествующей величины тока в дуге

– скорость роста восстанавливающейся прочности,

– время, с

Рисунок 1.31 – Изменение восстанавливающейся прочности во времени

В зависимости от характера отключаемой цепи, закон изменения восстанавливающегося напряжения может быть апериодическим и колебательным.

Рисунок 1.32 – Колебательный процесс восстановления напряжения

, – собственная частота,

Если эти две характеристики пересекаются, то происходит повторный пробой промежутка между контактами и дуга восстанавливается. При колебательном процессе восстановления напряжения максимальное напряжение не может быть больше .

В расчётах это учитывается путём введения коэффициента Ка– коэффициента превышения амплитуды.

Рисунок 1.33 – Апериодический процесс восстановления напряжения

При апериодическом процессе восстановления напряжения, максимальное напряжение не может быть больше Uс.

16.4 Значения токов, для которых производится расчёт дугогасительного устройства

Значения токов назначаются с учётом зависимости времени горения дуги от величины отключаемого тока и категории применения аппарата.

Рисунок 1.34 – Зависимость времени горения дуги от величины тока отключения

1–область, где гашение дуги, в основном, определяется механическим растяжением, т.е. ЭДУ малы и основную роль играет раствор контактов.

3 – область значительных токов, где решающим фактором в процессе гашения дуги является ЭДУ, между областью 1 и областью 3 находится область с максимально возможным временем горения дуги 2 . Это область критических токов. Это объясняется невозможностью растяжения контактов.

Эта область может приходится на диапазон токов от 3 до 30 А, в зависимости от особенности аппарата и характера отключаемой нагрузки. В некоторых случаях область критических токов может достигать до 100 А.

4 – область отключения предельных токов, малое время горения дуги, за счёт малых ЭДУ. С учётом приведённой зависимости при расчётах ДУ назначается ряд токов:

· токи из области критических токов (4 – 5 значений тока)

· , проверка номинальных значений ДУ

· , величина, которых устанавливается по категории применения аппарата, для определения предельных возможностей ДУ.

Максимальное время горения дуги при расчётах должно быть ≤ 0,1 с, если это условие не выполняется, то расчёт ДУ начинается сначала.

16.5 Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока

Рисунок 1.35 – Осциллограмма изменения напряжения и тока в дуге

При гашении свободной открытой дуги, а также гашения дуги в камере с широкой цепью, упрощённо считают, что ток в дуге спадает по линейной зависимости, поэтому , где – напряжение, возникающее за счёт ЭДС самоиндукции. Для свободной дуги и в случае камеры с широкой щелью:

а при гашении дуги в камере с узкой щелью

где: L – индукция отключаемой сети;

– время горения дуги при данных и

– в общем случае называется напряжением отключения, которое принимается равным: , где 1,1 – коэффициент, учитывающий возможные колебания напряжения в сети в большую сторону на 10%.

При расчёте дугогасительных устройств, необходимо учитывать возможность появлений перенапряжений, и должно соблюдаться условие: , где – испытательное напряжение для данного класса аппарата.

16.6 Учёт влияния индуктивности отключаемой цепи при расчётах дугогасительных устройств постоянного тока

Как было указано выше, во время горения дуги к отключаемому напряжению источника добавляется ЭДС самоиндукции , если принять, что при отключаемом токе скорость изменения тока в течение времени горения дуги – постоянно, т.е. ток в дуге спадает по линейной зависимости, то ЭДС самоиндукции будет равна:

т.е. ,

Поскольку при расчёте ДУ постоянного тока приближённо можно считать, что гашение дуги в индукционной цепи происходит как в цепи с активной нагрузкой, но при большем напряжении, то расчёт ДУ производится не по величине , а по величине: , .

Рисунок 1.36 – ВАХ дуги постоянного тока для и

16.7 Основные критерии правильности расчёта ДУ постоянного и переменного тока

Длина дуги не должна быть > 30 см, , время горения дуги не должно быть больше 0,1 с, .

Максимальное напряжение не должно превышать испытательное напряжение: для постоянного тока

, для переменного тока

Если при гашении дуги используется щелевая камера, то максимальная температура нагрева внутренних стенок камеры не должна превышать допустимой температуры для выбранного материала камеры: .

16.8 Гашение свободной, неподвижной, открытой дуги постоянного тока механическим растяжением

Данный способ гашения электрической дуги используется для слаботочных электрических аппаратов вспомогательных контактов, а также приемлем для установления растворов контактов аппаратов управления.

Отключаемую способность контактов аппаратов характеризуют предельной мощностью коммутации: .

Как известно, при увеличении допустимый отключаемый ток для контактов уменьшается, поскольку мощность отключения принимается как постоянная величина.

Рисунок 1.37 –Графическая зависимость

Задачей расчёта является определение , величина которого фактически определяет процесс гашения электрической дуги механическим растяжением. Этот способ дугогашения применяется для слаботочных аппаратов (контактов) в следующих случаях:

1) дуга не возникает;

2) дуга возникает.

В первом случае этот способ применяется при небольших растворах, которые принимаются по конструктивным соображениям, и при этом .

Во втором случае необходимо определять по графическим зависимостям, либо по империческим формулам. Графические зависимости устанавливаются для нескольких фиксированных зазоров, каждый из которых характеризует определённую отключающую способность аппарата.

Рисунок 1.38 – Графическая зависимость при разных

Условия применения графических зависимостей для второго случая следующие:

1 – дуга открытая свободная (без специальных дугогасительных устройств) при атмосферном давлении воздуха.

2 – дуга гаснет за время не более 0,1 с

3 – при повышении напряжения на 10 ÷ 15 % при данном токе получается устойчивая дуга.

4 – разрыв цепи тока однократный, при наличии нескольких последовательных разрывов, например, при использовании мостиковых контактов, напряжение делится на количество разрывов.

5 – нагрузка от чисто активной до слабо индуктивной (Тэм не более 0,01 с) при большой индуктивности можно ориентироваться на графические зависимости, но при выборе раствора определять его по .

6 – материал контактов – серебро, металлокерамика на основе серебра, возможно использование меди и других не тугоплавких материалов.

Скорость расхождения контактов не более 0,1 см/с, увеличение скорости даёт возможность увеличить отключаемый ток всего на 10 %.

Расчётные значения определяются с учётом коэффициента запаса, величина которого зависит от конкретных условий работы аппарата и выбирается в пределах .

Таким образом, расчётное значение будет определяться:

Определение по империческим зависимостям

При свободной открытой дуге постоянного тока, необходимый раствор контактов можно определить также по величине критической длине дуги, для токов из области критических. Общая формула для указанного случая имеет следующий вид:

где: – константы для данного газа;

– давление.

Для воздуха эта формула имеет следующий вид:

По величине выбирается раствор контактов ; с учётом конструктивных соображений. При этом раствор контактов не должен быть более 30 см.

16.9 Гашение свободной дуги постоянного тока, перемещающейся под действием электродинамических усилий

16.9.1 Порядок расчёта ДУ (дугогасительного устройства)

1 Задаются рядом токов отключения, в которые обязательно включают токи из области критических, номинальный и предельный ток.

2 Определяют величину расчётного напряжения с учётом категории применения проектируемого аппарата и строят нагрузочные характеристики. Величину расчётного напряжения определяют по формуле:

где , Тэм – электромагнитная постоянная, величина которой определяется по [3] с учётом заданной категории применения аппарата.

– время гашения дуги в секундах, которое на данном этапе расчёта может быть принята равной 0,1 с

3 Для каждого отключаемого тока определяем критическую длину дуги, с этой целью путём последовательного приближения строится ВАХ, которая должна касаться нагрузочной характеристики в одной точке.

Статистическую ВАХ рассчитывают по формуле:

где – длина дуги в см, задаётся произвольно и принимается как постоянная величина,

– средняя скорость перемещения дуги на участке от до 0 (см/с), полагают, что на этом участке

– промежуточное текущее значение тока в дуге на участке от данного до 0

Рисунок 1.39 – Построение ВАХ дуги по разным iд

Если отключаемый ток находится в пределах до 200 А, то определяется по формуле:

– раствор контактов, который определяется по имперической формуле с учётом рекомендаций.

Если более 200 А, то

4 Определяется время растяжения дуги до для всех отключаемых токов:

– критическая длина для каждого, отключаемого тока, см

– скорость расхождения контактов, принимается в пределах от 1 до 100 см/м

– скорость перемещения дуги для каждого, отключаемого тока, который определяется в п.3

5 Строится зависимость времени горения дуги , время горения дуги определяется по формуле:

где – принимается равным 0,01с, это время существования пламени дуги

6 Определяется стрела вылета дуги для всех отключаемых токов:

Рисунок 1.40 – Стрела вылета дуги

По величине строится возможная траектория движения дуги, этот параметр позволяет установить тот объём пространства, который будет занят дугой.

7 Определяются величины перенапряжений для каждого отключаемого тока:

где: L – индукция отключаемой цепи, Гн, определяется на основе применения аппарата.

Составляется мотивированное заключение о целесообразности применения данного способа гашения дуги постоянного тока. При этом необходимо учитывать выполнимость следующих условий для всех отключаемых токов:

1) –