5. Расчет токоведущего контура

5.1. Выбираем максимально допустимую температуру нагрева токопровода Т_уи превышение ее над температурой окружающего воздуха τ_упо табл. 15-1, стр.377, /Л 1/. Обычно для электрических аппаратов Т_у=105^оС, τ_у=65^оС.

5.2. Находим удельное сопротивление материала токопровода при нагреве до Т_у:

ρ_т= ρ_о[1 +α(Т_у‑ Т_о)],

где Т_осоответствует удельному сопротивлению материала ρ_о, так при ρ₂₀имеем Т_о=20^оС; для меди ρ₂₀= 0,0175 10^‑6Омм; для алюминия ρ₂₀= 0,0282 10^‑6Омм;

α - температурный коэффициент сопротивления (для меди – α = 0,0043, для алюминия – α = 0,0042).

5.3. Рассчитываем функцию А:

,

где К_Д– коэффициент увеличения сопротивления от поверхностного эффекта и эффекта близости (в первом приближении К_Д= 1); К_ТО– коэффициент теплоотдачи [Л1, табл. 16-1], размерность должна быть в _______

5.4.Сечение токопровода выбирается из условия допустимого нагрева [Л1, формулы (4-4, 4-5)]. Обозначим, a-ширина шины,b-толщина шины ис=b/a, имеем для сечения шиныS^’

или

При изменении сот 2 до 8 функцияизменяет свое значение от 0,29 до 0,38. Тогда для проектного расчета имеем:

Выбираем шину с близким сечением и необходимым соотношением сторон по Л1 ‑ табл. 2П ‑ 7 или по Л2 ‑ табл. П3.2, П3.3, П3.4, П3.5. В дальнейшем расчете используем действительные значения:

Для малых токов I20Aпредварительно диаметр токопровода определится как:

Затем выбирается провод по Л1 ‑ табл.2П ‑ 4, 2П ‑ 6 и Л2 ‑ табл.П3.1. В дальнейшем используем действительные значения диаметра провода и его сечения.

Следует иметь в виду, что токопроводы часто изолируются от конструктивных элементов. В этом случае следует выбрать нужный тип изоляции /Л2 – табл. П3.3/ и учитывать его при необходимости.

6. Расчет коммутирующих контактов

Во избежание путаницы при проведении вычислений и переводе единиц следует пользоваться рекомендациями Л1 стр. 95, 96, 97.

6.1. Сечение контактных элементов для выполнения условия термической устойчивости при токах короткого замыкания выбирается как S_К= (1,5 – 3,0)S. Уточняем величиныa_k,b_k,c_k по Л1, табл.2П-7 и Л2, табл.П3.2, П3.4, П3.5.

6.2. Контактную накладку выбираем для всех видов реле и пускателей и при необходимости для контакторов. Выбор сечения контактной накладки S_КНв квадратных миллиметрах производится:

-для токов Iдо 10Aпо графику рис.2;

-для токов Iот 10 до 300AS_КН= 3,2 (I‑ 4)

-для токов Iот 300 до 600AS_КН= 1200 + 5,4 (I‑ 300)

Окончательно размер накладок уточняется по Л1 табл. 5-5, 5-6. Для пальцевых контактов выбирают прямоугольные напайки, а для мостиковых ‑ прямоугольные или круглые.

6.3. Сила нажатия на контакты по условию нагрева тела контакта:

.

Здесь F_K1‑ сила, действующая на одной контактной площадке;n-число точек контакта: точечный контакт –n= 1; линейный контакт –n= 2; плоский контакт –n= 3; А ‑ число Лоренца (2,310 ^‑8В/°С); Н_B‑ твёрдость материала по Бринеллю [Л1, табл. 5-3]; λ ‑ удельная теплопроводность контакта [Л1, табл. 5-3]; Т_ПР‑ температура тела контакта, Т_ПР= Ту+273 °К; Т_К.ПЛ‑ температура контактной площадки Т_К.ПЛ=Т_ПР+τ_{К ПЛ} ,

где τ_{К ПЛ}‑ превышение температуры контактной площадки над температурой тела контакта [Л1, стр. 107]. Превышение температуры контактной площадки над температурой тела контакта может быть предварительно выбрано из диапазона, который определяется напряжением рекристаллизацииU_К= (0,5 – 0,8)U_рек. /Л1, табл. 5-8/. Можно принять для медных контактов τ_{К ПЛ}= 10 – 60^оС. Меньшие значения берут для ответственных и контактов с малыми токами. Большие значения выбирают для неответственных контактов и контактов, пропускающих большие токи. После окончательного расчета контактов (п. 6.13) следует проверить соответствие падения напряжения на контактах и превышение температуры контактной площадки над температурой тела контакта по таблице 2 в п.6.13.

6.4. Сила нажатия на контакт по удельному усилию из опыта эксплуатации аппаратов определится как F_КО=f_КI_Н, где f_К‑ удельное нажатие [Л1, табл. 5-7].

За реальное конечное усилие нажатия на контакт принимают среднее значение между величинами, полученными из расчёта. F_СР= 0,5 (F_К+F_КО).

6.5. Начальное нажатие на контакт: F_КН= (0,6 – 0,8)F_КК. Здесь F_КК= F_СР.

6.6. Ток термической устойчивости контактов или ток начального сваривания:

, где k_СВ‑ опытный коэффициент [Л1, табл5-9].

6.7. Необходимое сечение контакта из условия сваривания:

, гдеj‑ плотность тока в режиме КЗ. Можно считать, что j = 4810⁶А/м.

Сечение контактной накладки и сечение контактной пластины, выбранные ранее, должны быть больше полученного значения. В противном случае нужно увеличить сечение накладок и пальцевого контакта контактора до выполнения условия отсутствия сваривания.

6.8. Радиус контактной площадки:

6.9. Переходное сопротивление контакта: ,

где = 0,5 (₁+₂), если контакты изготовлены из разных материалов.

6.10. Переходное сопротивление контакта по опытным данным:

.

Здесь принимают: для точечного контакта m = 0,5;

для линейного контакта m= 0,5 ‑ 0,7;

для плоского контакта m= 0,7 ‑ 1,0.

k_ПХ‑ учитывает вид материала [Л1, стр.99].

За реальное значение сопротивления контактов принимается среднее значение переходного сопротивления контактов, полученное разными способами.

6.11. Падение напряжения в переходном сопротивлении контакта:

U_К = I_Н R_ПХ.

6.12. Температура контактной площадки:

.

6.13. Превышение температуры контактной площадки:

τ_{К ПЛ}= Т_К.ПЛ– Т_ПР.

Данному превышению должно соответствовать большее падение напряжения U_К на контактах, чем полученное в п. 6.11, или полученному значению U_К должно соответствовать превышение температуры контактной площадки большее, чем полученное в п. 6.13 (см. табл. 2). В противном случае необходимо пересчитать контакты ‑ увеличить усилия нажатия, конечное и в первую очередь начальное, или изменить материал контактов.

Таблица 2 – Соотношения падений напряжений и превышения температуры контактной площадки

Матер.	UК,мВ	10	15	20	25	30	35	40	45	50	60	70	90
Серебро	τК ПЛ,оС	3	4	8	11	16	21	28	36	44	61	85	149
Медь		4	5	10	14	20	26	40	42	51	70	96	160

6.14. Температура в точке контакта должна быть меньше температуры рекристаллизации материала контакта: Т_{К ПЛ} < Т_РЕК. Ниже приведена температура рекристаллизации основных контактных материалов

Медь ‑ 463°КСеребро ‑ 453°К

Платина ‑ 813°КВольфрам ‑ 1273°К

6.15. Допустимый объём износа подвижного контакта.

Обозначим: h_Н, S_Н ‑ соответственно высота и площадь накладки; _П – провал контактов, определение которого дано ниже; b – ширина контакта. Тогда имеем

Пальцевый контакт без накладок: .Контакты с накладками: .

6.16. Допустимый объём износа неподвижного контакта.

Контакты без накладок: . Контакты с накладками: .

6.17. Общий объём износа контактов

6.18. Износостойкость контактов (число циклов срабатывания):

,

где q_РЗ, q_{ЗМ ‑} удельный массовый износ при размыкании и замыкании контактов, г/А²; γ ‑ плотность материала контактной накладки или материала контакта.

Здесь k_Н.СР = 1,1 ‑ 3,0 ‑ коэффициент неравномерности износа; k_РЗ‑ коэффициент износа при размыкании [Л1, рис. 5-14];k_ЗМ‑коэффициент износа при замыкании [Л 1, рис. 5 ‑ 11]; k_П‑ кратность пускового тока включаемого двигателя,k_П= 1,5 – 2,5 (k_П= 2,5).

6.19. Провал контактов δ_П выбираем из конструктивных соображений. Для контактов с накладками он определяется толщиной выбранных контактных накладок.

‑ для токов менее 10 А δ_П = 1 ‑ 2 мм;

‑ для токов от 10 А до 160 А δ_П = 2 ‑ 4 мм;

‑ для токов от 100 А до 650 А δ_П = 3 ‑ 7 мм.

Для пальцевых контактов из меди без накладок с учётом износа сухарей неподвижных контактов можно принять δ_П =2 (0,5 ‑ 0,7) а_К, где а_К – толщина контактной пластины (толщина шины, из которой изготавливается контакт).

Если есть возможность повёртывания подвижного контакта для использования в работе неповреждённой стороны (КПВ-600), то: δ_П = (0,20 ‑ 0,35) а_К.

6.20. Раствор контакторов определяется по напряжению на контактах, роду отключаемого тока, характеру коммутируемой цепи. Для токов до 6 А и напряжении на контактах до 280 В при однократном разрыве величины растворов контакта приведены в табл. 3. При токах 4 – 10 А и напряжении на контактах до 500 В по возможности применяют двукратный разрыв с использованием контактов мостикового типа с величиной раствора контактов 4 – 6 мм. При токах более 6 А в контакторах постоянного и переменного тока с пальцевыми контактами однократного разрыва обязательно используют дугогасительные системы. Величину раствора контактов при напряжении до 800 В можно принять для переменного тока 6 – 8 мм, а для постоянного тока 10 – 17 мм. Для блокконтактов, токи которых не превышают обычно 5 А, а напряжение 220 В, применяют мостиковые контакты с раствором 4 – 6 мм и провалом 1,5 – 3,0 мм.

Таблица 3 – Раствор контактов однократного разрыва при напряжении до 380 В

Ток I, А	0,5	1	2	3	4	5	6
 ток рмм	0,5	0,6	1,0	1,8	2,8	4	6
= ток рмм	1,0	1,2	1,5	2,6	4	6	8

7. Расчет контактной и возвратной пружин

7.1. Принятые обозначения

l_СВ ‑ длина пружины в свободном состоянии.

l_Н ‑ длина пружины в начальном сжатом состоянии ‑

соответствует начальному усилию F_h..

l_К – длина пружины в конечном сжатом состоянии –

соответствует конечному усилию F_К.

l_СЖ ‑ -длина пружины в предельно сжатом состоянии

при посадке витков – соответствует усилию F_СЖ.

D ‑ диаметр пружины между осями витков (см. рис. 3).

d ‑ диаметр проволоки пружины (см. рис. 3).

Наружный диаметр пружины D_Н = D + d.

h ‑ шаг пружины в свободном состоянии.

Х_Н ‑ начальное сжатие пружины.

Рисунок 3 – Принятые обозначения

Х ‑ ход пружины в рабочем состоянии.

Х= l_Н ‑ l_К, Х_Н= l_СВ ‑ l_Н.

n ‑ число рабочих витков.

N ‑ полное число витков пружины,

N = n + (1,5 – 3,0) ‑ выбирается кратным 0,5.

τ ‑ напряжение сдвига кручения.

[τ] ‑ предельно допустимое напряжение кручения (табл.3, 4).

c = D/d ‑ индекс пружины.

Жесткость пружины i=F/Xилиi= (F_К–F_Н)/X.

G ‑ модуль упругости пружинной стали.

F_Н ‑ начальное нажатие пружины. F_К ‑ конечное нажатие пружины.

В дальнейших расчетах при необходимости все величины, относящиеся к контактной пружине, будем обозначать дополнительным индексом «к», а величины возвратной пружины – индексом «в».

Свойства материалов, которые применяются для изготовления пружин приведены в табл. 4, 5. Свойства проволоки из стали 65, широко применяемой для пружин, даны более подробно.

Таблица 4 – Механические свойства материалов для изготовления пружин

Материал	марка	σВ (МПа)	[τ] (МПа)
углеродистые стали	65	1000	800
	70	1050	850
	75	1100	900
	85	1150	1000
Рояльная проволока	-	2000-3000	1200-1800
холоднокатаная пружинная проволока	Н	1000-1800	600-1000
	П	1200-2200	700-1300
	В	1400-2800	800-1600

Таблица 5 – Проволока стальная углеродистая пружинная марки сталь 65

Диаметр проволоки, мм	Нормальной прочности		Повышенной прочности		Высокой прочности
	σВ, МПа	[τ], МПа	σВ, МПа	[τ], МПа	σВ, МПа	[τ], МПа
0,2-0,5	1700	850	2200	1100	2650	1300
0,5-1,0	1550	780	1950	980	2500	1250
1,0-1,5	1400	700	1900	950	2200	1100
1,5-2,0	1300	650	1750	880	2000	1000
2,0-2,5	1300	650	1650	830	1800	900
2,5-3,0	1200	600	1550	780	1700	850
3,0-3,5	1200	600	1500	750	1650	830
3,5-4,0	1100	550	1450	730	1600	800

Для неответственных пружин предел прочности может быть принят большим в 2,5 раза.