Проектирование электромагнитного реле управления переменного тока

 

Введение

Электрический аппарат (ЭА) – это электротехническое устройство, которое используется для включения, отключения электрических цепей контроля, измерения, защиты и управления установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления энергии.

Электрические аппараты управления – это аппараты, осуществляющие управление режимами работы электрооборудования  промышленных предприятий, а также управление режимами работы распределительных сетей низкого напряжения. К аппаратам управления относятся реле управления, контакторы, электромагнитные пускатели, плавкие предохранители, автоматические воздушные выключатели (автоматы).

Задачей данного курсового  проекта является проектирование реле управления переменного тока. Реле управления – это аппараты на небольшие токи, обычно не превышающие 5-20 А. Контакты реле управления просты по конструкции, а дугогасительные устройства в них обычно не применяются. Реле работают в схемах управления электроприводами, используются для защиты электроустановок от сверхтоков, от понижения напряжения.

Электромагнитные реле приводятся в действие электромагнитами постоянного или переменного тока. Такие реле выполняют разные функции. Существуют реле тока и напряжения, в которых предусмотрена возможность регулирования тока или напряжения срабатывания (отпускания). Промежуточное реле срабатывает от одного (иногда довольно слабого) сигнала и своими многочисленными контактными парами осуществляют коммутацию ряда автономных электрических цепей.

Благодаря большому распространению  сетей переменного тока в качестве приводного элемента аппаратов применяются электромагниты переменного тока.

Электромагниты переменного  тока многообразны по своим конструктивным исполнениям, выполняемым функциям, области применения. Электромагниты переменного тока имеют ряд особенностей по сравнению с электромагнитами постоянного тока: пульсирующая электромагнитная сила и связанная с ней вибрация якоря, зависимость тока от воздушного зазора магнитной системы, наличие дополнительных потерь мощности.

Проектирование электромагнитных контакторов и реле включает в  себя расчет токоведущего контура, коммутирующих контактов, дугогасительной системы, механизма, электромагнитного привода (постоянного и переменного тока).

 

Глава 1.Выбор прототипа и его описание.

В качестве прототипа выбираем реле управления  типа РЭП-15-220.

Ток главных  контактов – 20 А.

Напряжение  главных контактов – 230 В.

Реле промежуточные серии РЭП15 применяются в цепях переменного  тока номинальным напряжением до 660 В частоты 50 (60) Гц и постоянного  тока номинальным напряжением до 220 В. Реле могут применяться в качестве магнитного пускателя для управления маломощными двигателями переменного тока. Реле, комплектуемые ограничителями перенапряжений, пригодны для работы в системах управления с применением микропроцессорной техники.

Рис.1. Реле управления переменного тока РЭП-15-220.

 

Глава 2. Расчет токоведущего контура

Токоведущий контур ЭА обычно состоит  из частей, различных по конфигурации, размерам и материалам. К ним относятся: зажимы контактных выводов, провода, кабели, шины, стержни, перемычки, токовые (в том числе дугогасительные) катушки, контактодержатели, коммутирующие контакты, траверсы, гибкие шунты, шарнирные контактные соединения, термоэлементы токовых реле и расцепителей автоматических выключателей и т.д.

Задачей проектирования токоведущего контура является определение размеров сечения частей контура, определяющего  их габаритные размеры, а следовательно, и габаритные размеры всего аппарата.

2.1 Площадь и размеры сечения  шины

Материалом для шины служит медь марки М1. Для шины прямоугольного сечения с размерами а и b, выбрав соотношение сторон n=а/b=5, сторона b, м, определяется по выражению:

где I_н – номинальный ток, 20 А;

K_д – коэффициент добавочных потерь, K_д =1;

K_m – коэффициент теплоотдачи, Вт/м²∙°С;

 – превышение температуры  проводника над температурой  окружающей среды,  =55 °С;

 – установившаяся температура  проводника, =95°С;

 – температура окружающей  среды,  +40°С;

 – удельное электрическое  сопротивление, Ом∙м, при определяется из выражения:

где – температурный коэффициент сопротивления, 1/°С , для меди  = 0,0043 1/°С;

  – удельное электрическое сопротивление при = 20°С для меди М1

Рассчитывается размер а, м, по формуле :

Определяется сечение  шины S_ш, м², по формуле :

S_ш =

Выбираем ближайший стандартный  размер шины

мм.

2.2 Контактные  зажимы шинных выводов и внутренних  соединений

Расчет производится с целью  определения достаточной силы нажатия, чтобы переходное сопротивление  и падение напряжения не были чрезмерными.

По выбранной ширине шины а определяется площадь контактной поверхности S_к, м²:

Удельное  контактное нажатие должно быть не менее

Следовательно, сила нажатия Р_к, Н, должна быть не менее:

Выбираем болт марки М6 с диаметром резьбы 6 мм и

Условие выполняется.

Рассчитывается переходное сопротивление  контактного соединения R_пх, Ом, по формуле:

где Р_б – сила одного болта, винта, 2,9 кН;

m – коэффициент, учитывающий форму контактирующих поверхностей; для шинного соединения m= 0,5;

n_б – число болтов или винтов,1;

К_пх – коэффициент, характеризующий материал и состояние контактной поверхности

для плоского контакта медь — медь К_пх = (0,09 -0,14) 10^-3[4].

Определяется сопротивление R_м, Ом материала частей шин, образующих контактное соединение

где К_с – коэффициент, учитывающий неравномерное распределение тока по сечению контакта, К_с = 0,5-0,63;

l – длина перекрытия проводников,15 10^-3м;

S— сечение одного проводника,45 10^-6 м².

Определяется  электрическое сопротивление контактногo соединения R_К ,Ом по формуле:

Рассчитывается  падение напряжения U_К, В в одном контактном соединении по формуле :

Допустимое значение падения напряжения контактного соединения не более 7 мВ.

2.3 Термическая  стойкость шин

Ток термической стойкости  А, принимается равным наибольшему допустимому пусковому току:

Допустимая температура  при кратковременном протекании тока (токах короткого замыкания) устанавливается для деталей из металлов такой, при которой их механическая прочность существенно не уменьшается по сравнению с прочностью при 20°С. Для частей, не изолированных и не соприкасающихся с изоляцией, медных и стальных =300°С.

Рассчитывается допустимое время t_ТС, с протекания тока термической стойкости по формуле :

Где S = 0.0045 m²[4];

c/м⁴[4];

c/м⁴[4].

 

Глава 3. Расчет контактных систем

3.1. Проектирование контактов

Надёжная работа, конструктивные особенности, размеры и масса  коммутационного контактного аппарата в значительной мере определяются конструктивными  параметрами контактной системы. Так, в аппаратах управления контактный зазор и скорость размыкания контактов определяют размеры дугогасительных камер и электромагнитной системы, необходимых для гашения дуги и обеспечения требуемого электромагнитного усилия. Напротив, для аппаратов высокого и сверхвысокого напряжения межконтактное расстояние определяется не процессами дугогашения, а необходимой электрической прочностью межконтактного промежутка в отключенном состоянии.

Основные требования, которым  должна удовлетворять контактная система:

1.Малое переходное сопротивление  в контакте.

2. Возможно более низкая  температура нагрева контакта  в режиме длительного протекания  номинального тока.

3. Минимальное эрозионное  и механическое разрушение контактов  при коммутациях цепи.

4. Отсутствие вибрации  контактов, отсутствие из сваривания  и отброса в режиме КЗ.

3.2. Проектирование главных контактов

3.2.1. Выбор материала, формы и размеров контактов

форма главных контактов – прямоугольная;

вид контактирования – плоскостной;

материал контактов – серебро СОК 15М;

соединяемые материалы –серебро – серебро (плоскостной контакт);

номинальный ток – 20 А;

номинальное напряжение -  220 В;

температура окружающей среды – 40⁰ С.

Выбираем для электромагнитных реле размеры по табл.1.4.1 [4]:

a=0.02 м            b=0.01 м         h=0.002 м.

 

3.2.2 Расчет силы  нажатия контактов

По данным табл.2.4.4.[4] определяется контактное нажатие на один контакт, поэтому для мостиковых контактов это составляет половину нажатия на весь мостиковый контакт. Полное нажатие на мостик равно 2F_к=50Н.

3.2.3. Выбор  раствора и провала контактов

Раствор контактов выбирается из условия надежного гашения  дуги. Величина раствора зависит от тока, напряжения, режима работы.

Для реле с контактами из серебра- и металлокерамики на основе серебра на постоянном токе при однократном разрыве при токах 5-20 А раствор контактов определяется по таблице 1.5[4]:

Напряжение  U,  В	24	48	110	220	440
Раствор         Р, мм	1,8	3,5	8,0	15	17

 

Т.к. напряжение главных контактов 220 В, то раствор примем равным 0,015 м.

Величина провала выбирается из условия допустимого износа контактов. На практике контакты подлежат замене при износе, равном половине толщины каждого контакта. Поэтому провал принимают не меньше толщины одного контакта. Величина провала выбирается с запасом, рассчитанным на производственные отклонения размеров деталей, на аварийный износ контактов в эксплуатации. Для реле на токи 5-20 А провал принимается равным 1–3 мм. Большее значение берется для аппаратов тяжелого режима работы (свыше 600 включений).

Принимаем провал равным 0.0025 м.

3.2.4. Определение  переходного сопротивления

Переходное сопротивление R_ПХ, Ом коммутирующих контактов определяется по формуле:

 Ом,

где Р_К  – сила нажатия,25 Н;

m – коэффициент формы контактной поверхности, он равен для плоскостного m = 1,0;

К_пх – коэффициент, учитывающий материал и состояние контактных поверхностей. При очищенных от оксидов поверхностях его можно принять:

серебро-серебро – К_пх=0,06∙10^-3[4].

3.2.5. Падение  напряжения в переходном сопротивлении

Падение напряжения U_К, В, на замкнутом коммутирующем контакте определяется по формуле:

В.

3.2.6. Определение  температуры контактной площадки

Температура контактной площадки Т_кпл, °К определяется по формуле:

,

где Т_пр – температура токоподводящего проводника в удаленной от контактной площадки точке, Т_пр= +273,К[4];

А – число Лоренца, А =2,3∙10^-8 (В/°С)²[4];

Н_В – твердость контактной поверхности по Бринелю, Н/м², для серебра Н_В =3627∙10⁵ Н/м²[4],

Р_К1 – сила нажатия, относящаяся к одной контактной площадке, Р_К1=25 Н;

– удельная усредненная теплопроводность токоведущего проводника для серебра =4.16∙10². Вт/м °С[4].

3.2.7. Определение  тока сваривания контактов

По формуле, основанной на опытных  данных, определяется начальный ток сваривания ,А, коммутирующих контактов: