Расчет коммутирующих контактов

Выбор конструктивных форм контактной системы аппарата определяется многими факторами. Так как имеется малое значение тока (от единиц до нескольких десятков ампер) целесообразно применять двукратный разрыв, т.е. мостиковый коммутирующий контакт. Для аппаратов со значением номинального тока до нескольких десятков ампер наиболее частым является применение точечного контакта сфера-плоскость. Точечная форма одного из контактов способствует очищению пыли в месте контактирования. Малые силы нажатия вызывают необходимость применения неокисляющихся «драгоценных» металлов.

Рисунок 2. Мостиковый коммутирующий контакт

Основные требования предъявляемые к свойствам материала коммутирующего контакта: низкое удельное и контактное переходные сопротивление, высокая теплопроводность, теплоемкость и температура плавления, высокая стойкость против эрозии, коррозии и сваривания, высокая твердость, которая обуславливает механическую износостойкость. Также материал должен обладать хорошими технологическими свойствами и невысокой стоимостью. Материал контакта принимаем серебро, окись кадмия с мелкодисперсной структурой (85% Ag – 15%CdO), имеет следующее обозначение КМК – А10м. Данный материал удовлетворяет большинству требований, имеет высокую дугостойкость, высокую стойкость против сваривания и высокую износостойкость.

Основные свойства материала:

Плотность: ,

Удельное электрическое сопротивление: ,

Теплопроводность: ,

Твердость по Бринеллю: Н_В = (8 ¸10,5)×10⁸ Па,

Температурный коэффициент сопротивления: a=0,0036 1/град,

Модуль упругости: Е=13×10¹⁰ Па.

Геометрические размеры коммутирующих контактов главным образом зависят от величины номинального тока.

Форму площадки подвижного контакта принимаем сферической.

Рисунок 3. Контактная накладка сферической формы

Размеры цилиндрических контактных накладок принимаем по величине номинального тока. Принимаем значение диаметра Д=3 мм и высоту контакта h =1,6 мм. Теоретическое количество точек соприкосновения контактов n=1.

Определяем радиус закругления контактов

.

Согласно ГОСТ 403-73 для контактов с накладками из металлокерамических композиций на базе серебра с окисью кадмия допустимая температура . Данная температура ограничивается предельно допустимыми температурами соседних частей. Принимаем , т.к. контакты расположены близко друг к другу.

При протекании тока через замкнутые контакты и вследствие воздействия дуги при коммутациях тока контакты нагреваются, а переходное сопротивление увеличивается из-за роста удельного сопротивления материла контактов. Определяем удельное сопротивление

.

Сила контактного нажатия должна быть достаточна не только при рабочем режиме, но и при кратковременных сверхтоках – пусковых, перегрузочных и короткого замыкания, чтобы не было отбросов контактов вследствие электродинамических сил и не было их сваривания вследствие дугообразования при отбросах и вибрации.

Определяем конечное контактное нажатие согласно

,

где f _К – удельное нажатие, для электромагнитных контакторов с накладками из металлокерамики. Удельное нажатие составляет f _К =(7¸15) гс/А.

Принимаем окончательное значение F_K=1,4 Н.

По рекомендациям величина начального нажатия контактов принимается равной 0,4-0,75 величины конечного нажатия. Принимаем

F_КН= 0,55F_К=0,55(0,686¸1,47)=(0,377¸0,809) Н =0,8 Н.

Но основании исследований нескольких аппаратов установлено, что при силе нажатия от (0,1-0,15)Н до сотен ньютонов имеет место упругая деформация слоя металла. Задаемся упругой деформацией контактов. При данном виде деформации материала радиус контактной площадки определяется по следующей зависимости

м.

Определяем механическое напряжение для конечного нажатия

.

.

Определяем переходное сопротивление коммутирующих контактов.

1. Переходное сопротивление коммутирующих контактов, определяемое по теоретическим зависимостям. Зависимость переходного сопротивления стягивания (сужения) имеет вид

.

2. Переходное сопротивление коммутируемых контактов, определяемое по формуле, основывающейся на опытных данных

где k_ПХ – коэффициент, учитывающий материал и состояние контактных поверхностей, для металлокерамики k_ПХ=(0,2¸0,3)10^-3,

m – коэффициент формы контактной поверхности, для точечного контакта m=0,5.

Принимаем значение переходного сопротивления R_ПР=9,94×10^-4 Ом.

Рассчитываем напряжение на контакте.

При замкнутых коммутирующих контактах падение напряжения в токоведущем контуре аппарата в основном складывается из переходного сопротивления коммутирующих контактов. Определяем падение напряжения

В.

В существующих конструкциях аппаратов управления до 1000 В при контактах в воздухе рассчитанное падение напряжение должно находиться в следующих пределах до 2–30 мВ. Данное условие в расчете выполняется.

Тепловой расчет

Рассчитываем температуру коммутирующего контакта

.

Величина падения напряжения в контакте связана с превышением температуры контактной площадки над температурой металла контакта зависимостью

.

Превышение температуры не более (5-10) ⁰С, т.е. полученное значение температура не превышает допустимых значений.

⁰С,

где Р_К – тепловая мощность выделяемая в контактах при прохождении тока

Вт.

Т.о. температура коммутирующего контакта равна

⁰С.

Т.к. шина выбрана по термической стойкости ее температура значительно меньше допустимой. Поэтому температура коммутирующего контакта тоже значительно меньше принятого допустимого значения.

При протекании через коммутирующие контакты токов, значительно больших номинальных происходит повышенное нагревание и как результат их сваривание. Сваривание контактов может и не быть причиной выхода из строя аппарата, если отключаемый механизм способен разомкнуть сварившиеся контакты.

Имеется два параметра, которые являются критерием оценки. Это начальный ток сваривания контактов и сила, которая требуется для отрыва сварившихся контактов.

Определяем ток сваривания контактов. Имеется несколько методов для определения величины тока сваривания.

Метод, приводящий к удовлетворительному совпадению расчетного значения с экспериментом, для маломощных одноточечных серебряных контактов дает зависимость

А,

где U_ПЛ – напряжение плавления металла контактов. Для контактов на основе серебра U_ПЛ = 370 мВ.

Другим методом определения тока сваривания является метод, в основу которого положено соотношение, устанавливающее связь между падением напряжения в контактах и установившейся температурой контактной площадки дает следующую зависимость

А,

где f _К.ПЛ – коэффициент, характеризующий увеличение контактной площадки в процессе нагревания, зависит от силы нажатия и от продолжительности импульса находится в пределах 2 – 4. Принимаем f _К.ПЛ = 2,5;

А – постоянная для каждого материала величина,

,

Ожидаемые по расчетам токи сваривания превышают ток короткого замыкания. Контакты «проходят» расчет на термическую стойкость.

Динамическая стойкость

Проверяем силу отброса контактов. Электродинамическая сила, вызывающая отталкивание контактов, возникает вследствие сужения линий тока в контакт - детали при подходе его к месту контактирования

Н.

Для надежной работы аппарата необходимо чтобы выполнялось условие, F не превышало (10-20)% от значения F_K ((10-20)% F_K= (0,098-0,196) Н). Данное условие выполняется. Принятая сила нажатия больше силы электродинамического отталкивания в контактах, поэтому контакты не будут самопроизвольно расходиться под действием электродинамических сил.

Дата добавления: 2015-07-11