Показатели технического уровня АУ

1. Показатель плотности номинального тока , отнесенного к единице занимаемой площади S

.

2. Отношение к занимаемому объему V

.

3. Отношение максимального отключаемого тока к S

.

4. Отношение к

.

5. Общий коэффициент технического уровня

.

Показатели экономического уровня

 

1. Коэффициент трудоемкости на один ампер

, T - трудоемкость.

2. Коэффициент себестоимости на один ампер

, С - себестоимость.

3. Коэффициент расхода цветных металлов на один ампер

, М - стоимость веса цветных металлов.

4. Общий коэффициент экономичности

.

 

КОНТАКТНЫЕ КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ

И УСТРОЙСТВА

1.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Эта группа аппаратов и устройств электроавтоматики предназначены для коммутации силовых цепей и цепей управления посредством замыкания токопроводящих контактов. При размыкании цепи в межконтактном промежутке восстанавливается требуемая его электрическая прочность (электрическая прочность межконтактного промежутка - эта величина напряжения, вызывающая его пробой после размыкания, единица измерения - вольт). Различают две группы контактных коммутационных АУ: автоматические и ручного управления. К автоматическим относятся: контакторы, всевозможные реле управления, в том числе герконы, шаговые искатели и другие. В аппаратуре ручного управления коммутация осуществляется непосредственно воздействием усилия оператора на контакты, это рубильники, тумблеры, различные выключатели и переключатели.

Характерным представителем группы контактных коммутационных АУ является контактор. Конструктивная схема контактора приведена на рис. 1.1, где обозначено: 1 - дугогасительная камера; 2 - электрическая дуга; 3 - главные контакты; 4 - катушка системы магнитного дутья; 5 - изоляционная пластина; 6 - пружина возврата; 7 - блок-контакты; 8 - катушка электромагнита; 9 - якорь электромагнита. Внешняя цепь: 10 - источник силового питания Е_с; 11 - сопротивление нагрузки; 12 - кнопка “Стоп”; 13 - кнопка “Пуск”; 14 - источник питания Е_у цепи управления.

В конструкции выделяют следующие основные функциональные конструктивные узлы: главные контакты 3; система магнитного дутья 4; дугогасительная камера 1; электромагнит (8,9); пружина возврата 6.

 

Рис. 1.1

Для срабатывания контактора на обмотку электромагнита при нажатии кнопки “Пуск” подается напряжение. В 0 катушке создается магнитный поток, который притягивает якорь к ее сердечнику. Он перемещается и перемещает (замыкает) главные контакты. Одновременно с этим взводится пружина возврата 6. Для размыкания снимается питание с катушки электромагнита за счет размыкания цепи управления кнопкой “Стоп”. Катушка электромагнита обесточивается. Якорь 9 под действием пружины возврата 6 поворачивается в исходное положение, вызывая размыкание контактов.

Для эффективного гашения дуги (при коммутации мощности больше 0,5 кВт) используется система магнитного дутья и дугогасительная камера. В результате броска тока в силовой цепи при размыкании в катушке 4 создается магнитный поток, который взаимодействует с дугой, представляющей проводник с током, перемещает (заталкивает) ее в дугогасительную камеру. Дуга растягивается дугогасительной решеткой, увеличивается ее сопротивление, и она гаснет, так как нет притока энергии для поддержания ее горения.

 

1.2. ТЕРМИЧЕСКАЯ СТОЙКОСТЬ

 

Нежелательными явлениями в АУ являются нагрев главных контактов и катушки электромагнита под действием протекающего тока и возникновение дуги при размыкании. Рассмотрим нагрев проводников.

Выделяемая в проводнике с током энергия расходуется на излучение, конвекцию, нагрев проводника и теплоотдачу во внешнюю среду.

На излучение и конвекцию приходится незначительная часть выделяемой энергии, поэтому при расчетах она не учитывается. Рассмотрим соотношение выделяемой и отводимой энергии в проводнике с током I и сопротивлением R, диаметром d и длиной l:

, ,

где - коэффициент теплоотдачи, Вт/м²× );

- перегрев; и - соответственно температура нагрева проводника и окружающей среды, ;

- боковая поверхность охлаждения, м².

Перейдем к плотности тока J и выразим R через параметры проводника

, , , [Ом×см].

В результате подстановки получим

. (1.1)

Мощность, отводимая с боковой поверхности проводника, будет:

 

. (1.2)

Как следует из выражений (1.1) и (1.2) выделяемая мощность растет пропорционально квадрату диаметра, а отводимая - пропорционально диаметру.

Чтобы не превышать температуру нагрева, необходимо снизить величину плотности тока J, т.е. в меньшей степени нагружать проводник тока. Взаимосвязь между J и d определяется из равенства

; .

Обычные токоведущие части - это сплошные медные или латунные проводники с сечением двух видов: прямоугольное и круглое.

Однако, как следует из формул (1.1), (1.2), при увеличении протекающего тока становится нецелесообразным применять сплошные токоведущие части, так как это приводит к снижению плотности тока и излишнему расходу меди. В этом случае применяют составные или разрезные проводники (рис.1.2), у которых при той же площади боковая поверхность охлаждения больше.

Расчет проводников токоведущих частей АУ (как системы контактов, так и катушек тяговых электромагнитов) состоит в определении параметров проводника. Для заданных I и при выбранном его материале (r, g) и режиме работы требуется определить d.

Рассмотрим нагрев токоведущих частей проводников в длительном режиме при следующих допущениях:

а) температура проводника одинакова во всех точках;

б) отвод тепла с торцов проводника не учитывается;

в) не учитываем энергию, идущую на излучение и конвекцию.

Общее уравнение нагрева токоведущих частей проводника с проходящим по нему током I имеет вид

dt, (1.3)

где - время; - перегрев; с [Дж/кг× ] - удельная теплоемкость среды материала проводника; g - [кг/м³] - плотность проводника; V - объем;

S - боковая поверхность охлаждения.

Выделяемая энергия - ; энергия, идущая на нагрев проводника -

c Vd ; энергия, отводимая во внешнюю среду, - .

Выразим V, S через параметры проводника

, , ,

где p - периметр; l - длина; S - сечение; -удельное сопротивление. Тогда выражение (1.3) можно записать

.

Разделим обе части этого уравнения на Sldt, тогда

.

Разделим на и приведем его к виду

. (1.4)

Уравнение (1.4) - дифференциальное уравнение 1-ого порядка, решением которого будет

 

(1.5)

или

,

где , .

Постоянная интегрирования определяется из выражения (1.5) при , , при этом

.

Тогда уравнение (1.5) запишется

 

. (1.6)

 

Решение уравнения (1.6) представляет экспоненту. Если в начальный момент , то и уравнение (1.6) принимает вид

.

 

Отметим, что , т.е. температура нагрева проводника с током определяется

, а при = 0 .

Следует иметь в виду, что корректируется с учетом температуры и рода тока, а именно:

а) для : ;

б) для : ,

где: =1,1 - 1,3 - коэффициент поверхностного эффекта;

=1,05 - 1,1 - коэффициент близости.

Если заданы и размеры проводника, то

и допустимый ток определяется

 

. (1.7)

Если задан ток нагрузки, то размеры проводника определяются из (1.7)

по соотношению

.

Для круглого проводника диаметром : ; /4, тогда

.

Для проводника с прямоугольным сечением и со сторонами и вводят параметр , тогда

или ;

;

.

При другом характере тока нагрузки определяется его эквивалентное значение , по которому в соответствии с выражением (1.7) определяются параметры проводника. В повторно-кратковременном режиме

,

где - ток в проводнике; , - соответственно время протекания тока и паузы.

Для кратковременного режима

 

.

 

1.3. СИСТЕМА МАГНИТНОГО ДУТЬЯ

 

Дуга на контактах коммутирующего аппарата возникает в двух случаях: при пробое промежутка между контактами и при размыкании контактов. Полагают [1], что минимальными условиями возникновения хотя бы неустойчивой дуги являются: 0,5 А; 15-20 В. Для определения условия гашения дуги следует рассмотреть взаимное расположение вольт-амперных характеристик дуги и коммутируемого участка.

Статическая вольт-амперная характеристика свободной дуги в воздухе выражается следующей эмпирической формулой

 

,

 

где =10-20В – приэлектродное падение напряжения, В; - длина дуги, см; - скорость движения дуги в поперечном направлении, см/с; -

ток дуги, А.

Вольт-амперные характеристики дуги и коммутируемого участка имеют вид, представленный на рис. 1.3.

Напряжение источника питания при размыкании и возникновении дуги

согласно второму закона Кирхгофа равно совокупности трех составляющих .

 

 

Устойчивое горение дуги возможно только при постоянном значении тока, когда . При этом

,

что соответствует точкам А и В графика. В остальных точках (при других значениях ) будет

.

Если >0, то энергия, подводимая к участку, больше чем потребная для горения дуги; дуга горит устойчиво. Если <0, то дуга гаснет. Таким образом дуга горит устойчиво при токах в коммутируемой цепи, когда её вольт-амперная характеристика располагается ниже реостатной. Отметим, что дуга представляет собой проводник тока. Это ионизированный столб газов с направленным движением заряженных частиц. Пока дуга горит, цепь не разомкнута. Задача коммутируемого аппарата - как можно быстрее погасить дугу. Самое быстрое размыкание цепи - бездуговое. Для гашения дуги в контактных аппаратах используют способы, состоящие в увеличении её сопротивления путем увеличения ее длины. Сущность его заключается в следующем. В цепь главных контактов (рис.1.4) вводят катушку. При размыкании главных контактов возникает бросок тока, в катушке создаётся магнитный поток, который, взаимодействуя с дугой, представляющей проводник с током, вызывает её перемещение в дугогасительную камеру. Она растягивается на пластинах камеры,

значительно увеличивая её сопротивление. В результате для её горения энергии

источника питания недостаточно, и она гаснет. Сила, с которой поток взаимодействует с дугой при последовательном включении катушки, определяется, Н

,

где - число витков в катушке; - длина дуги; - коммутируемый ток.

При включении катушки магнитного дутья параллельно источнику питания нагрузку сила взаимодействия потока с дугой определяется

 

,

где =1,25 Г/см; -сопротивление катушки. Однако параллельное включении используется крайне редко по конструктивным и эксплуатационным факторам. Она должна выполняться из тонкого провода с большим количеством витков.

 

1.4. КОНТАКТЫ

 

Основное требование, предъявляемое к контактам - высокая механическая и электрическая прочность (см. введение).

Краткая классификация:

1. По величине коммутируемого тока (для контакторов)

а) силовые (главные) > 1 - 5 А;

б) блок-контакты <1 А.

2. По изменению положения:

а) замыкающие;

б) размыкающие;

в) переключающие.

3. По конструкции (рис. 1.5):

а) точечные;

б) линейные;

в) плоскостные.

Расчет контактов состоит в определении сопротивления контактного перехода ,

где - допустимое усилие поджатия контактов; - конструктивный коэффициент, для точечных = 0,5, для линейных = 0,5-0,7, для плоскостных

=1.

 

Значения для различных материалов определяются по табл. 1.1. Предельное значение сопротивления контактов определяется

,

где - коммутируемый ток; (0,5-0,7) - падение напряжения на контактах определяется по табл. 1.2

Сначала определяется , далее выбирается конструкция, а затем . При замыкании контактов окисная пленка разрушается продавливанием механическими силами и пробоем за счет разности электрических потенциалов на контактах.

Таблица 1.1 Таблица 1.2

Материал	[мкОм/Н]
Ag
Cu (слаботочные)	140-280
Cu (сильноточные)

Материалы	[В]
Ag	0,08-0,1
Cu	0,09-0,25
W	0,12-0,25
Pt	0,22-0,4

 

Материал контактов для общепромышленных аппаратов выбирают как правило на основе меди, для специального назначения - из драгметаллов.

 

1.5 ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ

 

В коммутационных аппаратах и устройствах электромагниты предназначены для перемещения контактов. В зависимости от рода тока они бывают постоянного и переменного тока. На катушку подаётся напряжение цепи управления меньшее, чем коммутационное (для контакторов).

Основные требования: максимальное быстродействие и возможно больший коэффициент возврата =(0,8 - 0,9).

Различают следующие характеристики электромагнитов:

1) - тяговая характеристика, это зависимость электромагнитного усилия от величины зазора;

2) - механическая характеристика, это зависимость усилий пружин (в т.ч. и контактов) от величины зазора;

3) - коэффициент возврата;

4) - временная характеристика.

 

1.5.1. Электромагниты постоянного тока

Тяговая характеристика

Определим выражение для тяговой характеристики. Представим взаимное расположение якоря, катушки и сердечника в виде, представленном на рис. 1.6, где 1 - катушка; 2 - сердечник; 3 - якорь; 4 - штифт отлипания. Механическая работа А, совершаемая электромагнитным усилием при перемещении якоря на величину , определяется

.

 

При этом происходит изменение энергии в электромагнитной системе

,

 

где I - ток в катушке; w - число витков катушки; Ф₀ - магнитный поток при зазоре ; - магнитный поток при притянутом сердечнике.

Магнитный поток, в свою очередь, определяется

,

где и - магнитные сопротивление и проводимость цепи соответственно.

Положим, что магнитное сопротивление замкнутого магнитопровода сечением S определяется магнитным сопротивлением зазора , тогда

= ,

где Г/м.

Изменение энергии в электромагнитной системе обусловлено механической работой по перемещению якоря, тогда

.

Переходя от приращений к производным, запишем

.

Переменной величиной является магнитная проводимость, а именно определяющий здесь ее параметр , тогда

 

. (1.8)

Минус в выражении (1.8) говорит о разных направлениях изменений X

и .

В соответствии с выражением (1.8) при зазоре электромагнитное усилие стремится к бесконечности. Однако фактически это не наблюдается, что обусловлено насыщением магнитопровода (рис.1.7,а). Механическая характеристика формируется от усилий пружины возврата и в общем случае (для реле управления) от усилий размыкающих и замыкающих контактов. Относительно тяговой характеристики она направлена в обратную сторону и должна располагаться в нижнем квадранте, однако для удобства рассмотрения механизма срабатывания на графиках рис. 1.7 она взята с обратным знаком. Взаимное расположение характеристик и - представлено на рис. 1.7,в. Характеристика - должна располагаться между двумя характеристиками , соответствующими току срабатывания и отпускания, т.е. при - якорь притягивается; - якорь отпускается. Если эти характеристики имеют точки контакта (это означает равенство электромагнитного и механического усилий), то в них возможно «залипание», т.е. останов якоря, а следовательно, и связанных с ним контактов.

Для резкого увеличения магнитного сопротивления цепи при снятии тока в катушке на якоре выполняют так называемый «штифт отлипания». Отсутствие его, кроме этого, может привести к "залипанию" якоря за счёт остаточной магнитной индукции.

Временные характеристики

Рассмотрим временные характеристики (рис.1.8) на примере электромагнитов реле постоянного тока клапанного типа.

Уравнение для цепи имеет вид

.

Отметим, что индуктивное сопротивление переменное и является функцией зазора, что отражено последней составляющей в уравнении (1.8). Рассмотрим характер изменения тока и положения якоря по участкам.

Участок 0-а. Происходит нарастание тока от 0 до тока трогания.

Якорь неподвижен, следовательно и последний член уравнения обращается в нуль.

Тогда уравнение (1.8) принимает вид

.

Решение его будет

, где , .

 

 

Ток трогания соответствует равенству . При расчетах эта величина известна, тогда

.

Участок а - в. - Перемещение якоря. Здесь , если считать и соответствующим минимальному зазору между якорем и сердечником, то ток будет нарастать согласно уравнению

, .

Однако величина переменная, решение уравнения в этом случае затруднительно. На временной диаграмме при движении якоря будет наблюдаться «завал», обусловленный падением напряжения на переменной индуктивности. При достижении якорь притянется к сердечнику.

Участок в - с. - Нарастание тока до установившегося значения.

.

Участок с-d. - замкнутого состояние контактов, ток электромагнита постоянный.

Участок d-е. - убывание тока до величины тока отпускания в соответствии с уравнением

.

Время трогания определяется при

.

Участок e-f. - перемещение контактов под действием силы . Время движения является функцией , и подвижных масс и определяется эмпирической зависимостью

.

Как правило, = (0,5 - 0,8) .

Одной из характеристик электромагнитов и контакторов является коэффициент возврата

.

Это приводит к гистерезису характеристики (рис.1.9).

При использовании электромагнитных контактных АУ в системах управления желательно повышать их быстродействие и уменьшать петлю гистерезиса характеристики .