Скачать

Проектирование электромеханических устройств

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрических машин и аппаратов

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ

(раздел – электрические аппараты)

для студентов специальности 6.092206 – «Электрические машины и аппараты»

старший преподаватель

Алчевск 2009

СОДЕРЖАНИЕ

1 Классификация электрических аппаратов по областям применения

1.1 Электрические аппараты распределения электрической энергии высокого напряжения

1.2 Электрические аппараты распределения электрической энергии низкого напряжения

1.3 Аппараты управления

1.4 Электрические аппараты защиты

1.5 Установочные аппараты

2 Части электрических аппаратов

3 Общие требования, предъявляемые к проектируемым аппаратам

3.1 Функционально-технические требования

3.2 Эксплуатационные требования

3.3 Социальные требования

3.4 Экономические требования

4 Применяемые материалы и прогрессивные направления их выбора

4.1 Применяемые материалы в создании электрических аппаратов

4.2 Прогрессивные направления выбора материала

5 Термины, относящиеся к проектированию серии электрических аппаратов

6 Ряды предпочтительных чисел номинальных параметров

7 Определение основных размеров и параметров аппаратов серии

7.1 Общие положения

7.2 Зависимость сечения токоведущих деталей от величины номинального тока

7.3 Зависимость силы контактного нажатия аппаратов серии от величины номинального тока

7.4 Зависимость основных (габаритных) размеров аппаратов серии от величины номинального тока

7.5 Зависимость основных (габаритных) размеров аппаратов серии от величины номинального напряжения

8 Выбор и расчет общей электрической изоляции аппаратов

8.1 Общие положения

8.2 Аппараты низкого напряжения

8.3 Аппараты высокого напряжения

8.4 Порядок расчета общей электрической изоляции аппарата высокого напряжения

9 Проектирование оболочек электрических аппаратов электрооборудования. Степени защиты оболочками электрооборудования

10 Проектирование проводников и контактных соединений токоведущего контура электрических аппаратов

11 Определение площади и размеров сечения проводников токоведущего контура в нормальных режимах

11.1 Продолжительный режим

11.1.1 Расчет проводника с неизменным сечением по длине

11.1.2 Расчёт проводника с переменным сечением по длине

11.2 Кратковременный режим работы

11.3 Повторно-кратковременный режим работы

11.4 Расчёт токоведущих частей в режиме КЗ или предельных токах

12 Расчет коммутирующих контактов

12.1 Общие требования к коммутирующим контактам

12.2 Общий порядок проектирования контактов

12.3 Выбор конструктивных форм контактов

12.4 Выбор формы контактной поверхности

12.5 Выбор материалов и определение размеров контактов

12.6 Определение размеров коммутирующих контактов и контактных

Накладок

12.7 Определение размеров рычажных контактов

12.8 Определение силы контактного нажатия коммутирующего контакта

12.9 Определение переходного сопротивления контактов

12.9.1 Определение переходного сопротивления контактов по теоретической зависимости

12.9.2 Определение по формуле, основывающейся на опытных

данных

12.9.3 Определение  по графическим зависимостям

12.10 Определение напряжения и температуры нагрева коммутирующих контактов

12.11 Определение допустимого тока через коммутирующие контакты

12.12 Определение величины тока сваривания контактов

12.12.1 Общий метод определения тока сваривания

12.12.2 Расчёт начального тока сваривания контактов

12.12.3 Определение тока сваривания по экспериментальным данным

12.12.4 Определение тока сваривания по опытным данным

12.13 Мероприятия по повышению устойчивости контактов против

сваривания

12.13.1 Конструктивные мероприятия

12.13.2 Повышение устойчивости за счёт рационального выбора

материала

12.14 Износостойкость контактов

12.14.1 Общие положения

12.14.2 Расчётные зависимости для определения электрической износостойкости

13 Маломощные реле

13.1 Условия работы

14 Аппараты распределения энергии и управление её приёмниками (до 1000В)

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

14.2 Мероприятия по повышению износостойкости контактов

15 Расчет контактных пружин

15.1 Порядок проектирования

15.1.1 Эскизная проработка контактного узла в масштабе

15.1.2 Построения нагрузочной характеристики пружины

15.1.3 Выбор материала пружины

15.1.4 Определение характеристических коэффициентов пружины

15.1.5 Определение диаметра проволоки или прутка и числа витков катушки

15.1.6 Определение шага пружины сжатия и длины пружины

15.1.7 Уточнение полученных данных

15.1.8 Конструктивная проработка пружины

16 Проектирование дугогасительных устройств

16.1 Общие положения

16.2 Условие гашения дуги постоянного тока

16.3 Условия гашения дуги переменного тока

16.4 Значения токов, для которых производится расчёт дугогасительного устройства

16.5 Перенапряжения при отключении дуги постоянного тока

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

16.7 Основные критерии правильности расчёта ДУ постоянного и переменного тока

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

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

16.9.1 Порядок расчёта ДУ (дугогасительного устройства)

16.10 Гашение свободной открытой дуги переменного  тока двукратным разрывом

16.11 Гашение дуги постоянного тока в камере с продольной щелью в поперечном магнитном поле

16.11.1 Порядок расчёта электромагнитной системы магнитного дутья  100

17 Определение рациональных параметров специального дугогасительного устройства для гашения электрической дуги переменного тока

18 Гашение дуги переменного тока в камере с решёткой

19 Гашение дуги переменного тока в камере с продольной щелью в поперечном магнитном поле

19.1 Порядок расчёта

20 Некоторые особенности расчета ДУ постоянного тока с решеткой

20.1 Расчёт ЭДС, втягивающей дугу на пластины решётки

20.2 ВАХ дуги

Перечень ссылок

1 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПО ОБЛАСТЯМ ПРИМИНЕНИЯ

1.1 Электрические аппараты распределения электрической энергии высокого напряжения

· выключатели (воздушные, масляные, маломасляные, электромагнитные, элегазовые (баковые, автокомпрессионные, электромагнитные)), вакуумные

· разъединители

· отделители

· короткозамыкатели

· плавкие предохранители

· разрядники

· реакторы

· трансформаторы тока

· измерительные трансформаторы напряжения

· комплексные распределительные устройства

1.2 Электрические аппараты распределения электрической энергии низкого напряжения

· автоматические воздушные выключатели (автомат)

· неавтоматические выключатели и переключатели (рубильники, пакетные выключатели, плавкие предохранители, контактные разъёмы)

1.3 Аппараты управления

- контакторы

- магнитные пускатели

- реле управления

- кнопки и кнопочные посты управления

- команда контроллеры

- силовые контроллеры

- тяговые электромагниты

- путевые выключатели и переключатели

- магнитные усилители

- резисторы и реостаты

1.4 Электрические аппараты защиты

- реле тока, напряжения, мощности, сопряжения, частоты, фазы и т.д.

- трансформаторы тока

- трансформаторы напряжения

1.5 Установочные аппараты

- выключатели и переключатели

- автоматические выключатели

- плавкие предохранители

- разъёмы и др.

2 ЧАСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Деталь – это элементарная часть аппарата, изготовленная из целого куска материала без применения сборочных операций.

Узел (сборочная единица) – соединение двух или более деталей, объединённых выполнением общей функции.

Группа – соединение узлов и деталей, объединённых общностью выполняемых ими функций, например электромагнит.

Несмотря на большое разнообразие электрических аппаратов, в них можно выделить общие части – проводники токоведущего контура и их контактные соединения; коммутирующие контакты; дугогосительные устройства; механизмы электроаппаратов; электромагниты; пневмоцилиндры; изоляционные детали и узлы; корпусные детали; оболочки; резервуар.

3 ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПРОЕКТИРУЕМЫМ АППАРАТАМ

Спроектированный электрический аппарат должен удовлетворять комплексу требований. Эти требования сформулированы в государственных и отраслевых стандартах, в технических условиях и формируются в проектном техническом задании.

3.1 Функционально-технические требования

· нагревостойкость частей аппарата при нормальном и аварийном режимах

· электрическая прочность изоляционных частей и промежутков при максимальном рабочем напряжении, а также при коммутации и при атмосферных перенапряжениях

· механическая прочность и износостойкость всех частей аппарата

· коммутационная способность при нормальном рабочем и аварийном режимах

· специфические требования (чувствительность для реле защиты, взрывозащищённость и т.д.)

· простота конструкции, малая масса, габаритные размеры

3.2 Эксплуатационные требования

· учёт, влияние окружающих условий (температура, влажность, запылённость)

· надёжность, безопасность

· долговечность, большой срок службы

· ремонтопригодность, простота и удобство наблюдения, осмотра и замены частей

· низкие эксплуатационные расходы (малое потребление электрической энергии)

3.3 Социальные требования

· безопасность в производстве, монтаже и эксплуатации

· обеспечение условий труда обслуживающего персонала

· эстетичность конструкции

3.4 Экономические требования

· низкая себестоимость

· малые капиталовложения при установке, монтаже и вводе в эксплуатацию

· низкие эксплуатационные расходы

· должна обеспечиваться технологичность конструкции

4 ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ПРОГРЕССИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ИХ ВЫБОРА

4.1 Применяемые материалы в создании электрических аппаратов можно разбить на три группы по выполняемым ими функциям

1 Конструкционные материалы

2 Электротехнические материалы (проводниковые, контактные, магнитные сплавы высокого электрического сопротивления, изоляционные материалы и т.д.)

3 Вспомогательные материалы

4.2 Прогрессивными направлениями выбора материалов являются

1 Сокращение номенклатуры материалов

2 Выбор материалов с учётом технологичности конструкции и объёма производства (единичное, мелкосерийное, серийное, крупносерийное, массовое)

3 Экономия материалов (безотходное производство)

4 Экономия электротехнических материалов

5 ТЕРМИНЫ, ОТНОСЯЩИЕСЯ К ПРОЕКТИРОВАНИЮ СЕРИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Вид – это совокупность аппаратов, объединённых общим назначением (например, предохранители, контакторы).

Типаж – это совокупность аппаратов одного вида, состоящая из ряда серий аппаратов.

Серия – это совокупность электрических аппаратов одного вида общего назначения сходных по конструкции.

Типоразмер – это представитель серии, отличающийся от других некоторыми параметрами, оказывающими влияние на габаритные размеры.

Типоисполнение – это вариант типоразмера, отличающийся исполнением какой-либо детали, узла, группы, не влияющих на габаритные размеры.

6 РЯДЫ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ЧИСЕЛ НОМИНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Аппараты представляющие серии имеют, как уже отмечалось, сходную конструкцию большинства деталей и узлов, но отличаются номинальными параметрами. У большинства электрических аппаратов главными параметрами считаются: номинальное напряжение и ток, влияющие на размеры аппарата.

В процессе проектирования необходимо принимать градации параметров и размеров, а также отдельных числовых величин. Для этой цели необходимо использовать ГОСТ 8032-80 “Ряды предпочтительных чисел”. Например, ряд номинальных токов серии следует принимать по ГОСТ 6827-76, который построен в соответствии с ГОСТ 8032-80:

...10, 16,25, 40, 63, 100…А и т.д.

Эти ряды, представляющие собой десятичные ряды геометрической прогрессии, можно назвать естественными, так как они присущим многим физическим и другим закономерностям в природе.

Ряды предпочтительных чисел, построенные по геометрическим прогрессиям, имеют постоянное отношение каждого последующего члена  к предыдущему члену ряда . Это отношение называют знаменателем прогрессии .

Например, ряд чисел 1; 1,6; 2,5; 4; 6,3; 10; 16;…. образуют геометрическую прогрессию со знаменателем .

Основные свойства геометрических прогрессий:

1) достаточно равномерное распределение членов в пределах ряда;

2) произведение и частное любых двух членов ряда является членом ряда этой же прогрессии ( и т.д.)

3) любой член ряда, возведенный в целую положительную и отрицательную степень, дает число, являющееся членом этого же ряда ( и т.д.)

4) площади фигур или объема тел, стороны которых равны членам геометрической прогрессии, являются членами этой же прогрессии.

Многолетним опытом установлено, что требования всех отраслей промышленности наиболее удовлетворяют ряды предпочтительных чисел, составляющих геометрические прогрессии, со знаменателями , где х – показатель степени, равный 5; 10; 20; 40 или 80. Ряды предпочтительных чисел безграничны.

Таблица 1.1- Ряды предпочтительных чисел в интервале от 1 до 10

Примечание: ряды предпочтительных чисел свыше 10 можно получить  путем умножения на 10, 100 и т.д. предпочтительных чисел исходного ряда, а числа меньше 1 – делением на 10, 100 и т.д.

В СССР для электрических сетей общего назначения приняты следующие номинальные напряжения постоянного тока и переменного тока .

· для аппаратов постоянного тока низкого напряжения:

6; 12; 24; 36; 60; 110; 220 и 440 В

· для аппаратов однофазного переменного тока низкого напряжения (линейное напряжение):

36; 220; 380 (500); 660 и 1140 В (для угольных шахт).

В СССР принята следующая школа номинальных токов (ГОСТ 6827-76), А:

0,1; 0,125; 0,16; 0,2; 0,25; 0,3; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,2; 4; 5; 6,3; 8; 10; 12,5; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3200; 4000; 5000; 6300; 8000; 10000; 11200; 12500; 14000; 16000; 18000; 20000; 22400; 25000; 28000; 32000; 35500; 40000; 45000; 50000; 56000; 63000; 71000; 80000 А.

Определение ряда , а значит, количества типоразмеров являются важной народно-хозяйственной технико-экономической задачей. При проектировании не обязательно выбирать все числа подряд, в диапазоне токов. Нужно читывать, что освоение типоразмера требует значительных затрат труда и средств. Однако может быть, что при отсутствии этого промежуточного типоразмера потребитель будет вынужден применять следующий более дорогой типоразмер. Поэтому, если потребность народного хозяйства в промежуточном размере такова, что экономия за счет разницы в стоимости между большим типоразмером и промежуточным будет превышать затраты на освоение производства промежуточного типоразмера, то целесообразно предусмотреть его в серии.

7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ И ПАРАМЕТРОВ АППАРАТОВ СЕРИИ

7.1 Общие положения

При проектировании серии аппаратов не обязательно рассчитывать размеры каждого типоразмера. Задачу можно упростить, если использовать зависимости основных размеров и параметров серии аппаратов от главных ее параметров – обычно  и . Некоторые элементы аппаратов можно просто и удобно рассчитывать по пропорциональной зависимости между сходными размерами и параметрами на основании подобия.

В общем, зависимость, связывающая эти величины (с достаточной для инженерных расчетов точностью) выглядит так:

,

где – искомый параметр;

– параметр или размер базового типоразмера серии;

> 0 – постоянная величина;

– постоянная величина, характеризующая размер или параметр, независящий от главного параметра;

– число, характеризующее изменение параметров или размеров серии.

В конкретном случае данная формула может быть упрощена (например: , ) и функция может из степенной преобразоваться в линейную.

Таблица 1.2 – Примеры применения формулы

Часто также оказывается более удобным зависимость выражать посредством коэффициента нарастания величин главных параметров серии – номинального тока (коэффициент ) и номинального напряжения (коэффициент ), которые представляют отношение последующих величин главных параметров серии к их начальным величинам.

Таблица 1.3 – Пример изменения  при изменении

Таблица составлена в соответствии с ГОСТ 8032-80

7.2 Зависимость сечения токоведущих деталей от величины номинального тока

При установлении этой зависимости принять следующее исходное положение – превышение температуры токоведущих деталей независимо от величины номинального тока должно оставаться примерно постоянным в пределах регламентированными ГОСТ.

Поэтому отношение выделяющейся в детали мощности  к поверхности теплоотдачи при длине проводника должно быть постоянным:

; ;

где – коэффициент нарастания по току;

– сечение токоведущей детали;

– номинальный ток, увеличивающийся в – раз.

– поверхность теплоотдачи;

– мощность, выделяемая в детали;

Отсюда следует:

     или    

Таким образом, при увеличении тока в  раз для сохранения прежнего превышения температуры площадь сечения токоведущей детали необходимо увеличить не в  раз, а в  раз, при этом плотность тока считается в  раз.

Формулы применимы при постоянном токе и переменном, частотой 50Гц, так как коэффициент добавочных потерь »1. При частоте > 50Гц, показатель степени у  изменяется.

Если считать, что поперечное сечение квадрат, то .

Тогда учитывая это соотношение и сократив, получим:

;  и если считать ;

При увеличении сечения линейные размеры токоведущих деталей изменяются примерно в .

Можно показать, что аналогичное соотношение имеет место и при иной конфигурации токоведущей детали.

7.3 Зависимость силы контактного нажатия аппаратов серии от величины номинального тока

Силы контактного нажатия  должны обеспечивать соответствующую величину переходного сопротивления коммутирующих контактов. Для того чтобы температура коммутирующих контактов аппаратов серии оставалась постоянной в пределах, регламентируемых государственными стандартами, необходимо снижать их переходимое сопротивление в  раз по мере увеличения тока, то есть необходимо, чтобы контактное нажатие  увеличивалось в  раз.

Это можно выразить через удельное контактное нажатие

Отсюда следует, что сила контактного нажатия аппаратов серии может быть определена по формуле:

значения  приведены в (1, табл. 5-7).

7.4 Зависимость основных (габаритных) размеров аппаратов серии от величины номинального тока

С увеличением номинального тока аппаратов серии габаритные размеры аппарата растут

где  – исходный параметр.

У аппаратов, конфигурация которых приближается к кубу, когда все три габарита близки между собой .

У аппаратов, имеющих один размер (например, высоту) значительно больший, чем другие, показатель большего размера достигает значения

Сумма показателей одного аппарата равна показателю в выражении, определяющем объем аппарата.

У аппаратов высокого напряжения величина номинального тока оказывает влияние на габаритные размеры и габаритный объем только при малых и средних величинах номинального напряжения (до 35 кВ). При более высоких напряжениях величина номинального тока практически не влияет на габаритные размеры аппарата; решающее влияние оказывает .

7.5 Зависимость основных (габаритных) размеров аппаратов серии от величины номинального напряжения

С увеличением номинального напряжения габариты (при > 35 кВ)аппарата заметно растут

где – искомый линейный размер аппарата серии, проектируемого на ;

– угловой коэффициент прямой, которая определяется на основе анализа существующих близких серий.

 – коэффициент нарастания номинального напряжения;

 – номинальное напряжение базового аппарата серии или отрезка;

 – исходный размер базового аппарата серии или отрезка.

При проектировании серий использование вышеприведенных зависимостей значительно упрощает расчеты. При этом можно пользоваться и другими зависимостями, позволяющими рассчитывать различные узлы, например электромагнитную систему, э.д.у. и т.д.

Если при проектировании серии можно использовать в качестве базовой существующую конструкцию аппарата без изменения его конструктивной схемы, целесообразно применять положения теории подобия и частного подобия.

Теория подобия применяется при трехмерной пропорциональности размеров.

8 ВЫБОР И РАСЧЁТ ОБЩЕЙ ИЗОЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

8.1 Общие положения

Электрическая изоляция в значительной ст