Определение размеров коммутирующих контактов

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

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

Общий вид главного контакта из меди без облицовки и облицованногопластиной 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 , принимаемогодля 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 такжеопределить 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, впроцессе 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 ипадения напряжения в контактном соединении «контакт – контактодержатель»необходимо создать контактное давление в соответствие со справочнымиданными 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 площадьконтактного 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 маркиСт.35 сила затяжки одного болта может быть увеличена в 2-2,5 раза. Приэтом 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;

dМ10 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 коммутирующихконтактов «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, необходимоисключить 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 - ;

– силаконтактного 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 тотже нагрев токоведущих деталей, что и отключаемый реальный номинальныйток при длительном протекании, в совокупности с дополнительным нагревомконтактов 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 превышатьтемпературу 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 дальнейшихрасчётов используется наибольшее значение .

Определение переходного сопротивления контакта по теоретической зависимости

Переходное сопротивление по первому методу рассчитывается понижеприведённой 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 упругаядеформация микровыступов на поверхности контакта. При увеличении нажатиядо 0.1 ÷ 0.15 Н начинается пластическая деформация, вследствие чего происходит упрочение материала. При дальнейшем увеличении силы нажатия до сотенНьютонов опять имеет место упругая деформация слоя металла, а при ещёбольшем нажатии наступает снова пластическая деформация слоя.

При пластической деформации радиус r круглой контактной площадкикасания 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 мощностьтепловых потерь будет выделяться на коммутирующих контактах, что приводитк повышенному их нагреву и ускорению процессов окисления контактирующихповерхностей.

На графиках, находящихся в Приложениях (Рисунок 2, Рисунок 3), приведены экспериментальные зависимости , позволяющие оценитьпорядок 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 вПриложениях.

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 насвежезачищенных контактах должно находиться в следующих пределах:

– для контактов, работающих в воздухе: ;

– для контактов, охлаждаемых водой: .

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

Для надежной работы коммутирующих контактов необходимо, чтобытемпература нагрева контактной площадки не превышала температуру рекристаллизации металла , при которой начинается уменьшение механической прочности металла. Она должна быть значительно ниже температурыплавления , 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 коммутирующихконтактах определяется превышение температуры контактной площадки.Полученное значение сопоставляется с ранее принятым значением прирасчёте по формуле (4.3.13).

Превышение температуры контактной площадки коммутирующихконтактов 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:

                (4.3.21)

где  – начальный ток сваривания материала контактов;

 – характеристический коэффициент;

 – коэффициент увеличения контактной площади при нагреве;

 – сила контактного нажатия;

Характеристический коэффициент определяется по формуле:

                  (4.3.22)

Где  – температура нагрева контактной площадки;

 – характеристический коэффициент;

 – удельное сопротивление меди;

 – ТКС материала контакта;

 – теплопроводность материала токоведущего проводника;

 – твёрдость материала контакта по Бринеллю;

Выражение для определения начального тока сваривания по экспериментальным данным имеет следующий вид:

                        (4.3.23)

Где  – коэффициент сваривания контактов;

 – сила контактного нажатия;