По ГОСТ 9219-88 допустимые превышения температуры для электричес-ких контактов в аппаратах низкого напряжения при температуре окружающего воздуха Jо= 40 оС допустимая температура Jдоп= 65оС.
Гибкая связь выполнена из медных пластин толщиной 0,1 мм. Характеристики материала меди по П.7 [2]
r=8700-8900 кг/м3 – плотность материала
rуд=1,62×10-8 Ом×м – удельное сопротивление при 0оС
a=4,3×10-3 1/оС – температурный коэффициент сопротивления
l=390 Вт/м×оС – теплопроводность при 0оС
Тпл=1356 К – температура плавления
Тисп=2600 оС – температура испарения
С=390 Дж/кг×оС – теплоемкость
Принимаем следующие исходные данные:
а=5 мм – толщина пластины
в=20 мм – ширина гибкой связи
l=100 мм – длина гибкой связи
Активное сопротивление проводника
R=r×l/S=rуд×(1+a×J)×l/(a×b) (2.6)
R=1,62×10-8×(1+4,3×10-3×100)×100×10-3/(5×10-3×20×10-3) = 2,32×10-5 Ом
Площадь охлаждаемой поверхности
S=2×l×b (2.7)
S=2×100×10-3×20×10-3=4×10-3 м2
Коэффициент теплоотдачи равен сумме коэффициентов теплоотдачи конвекцией и излучением. Коэффициент теплоотдачи конвекцией определяем по критериальным уравнениям по [2]
Ктк=Nu×l/L, (2.8)
где:
Nu – критерий Нуссельта;
L – определяющий размер; L=b=20×10-3 м
λ – теплопроводность для воздуха; λ=2,96∙10-2 Вт/м2 оС
Nu= c×(Gr×Pr )n, (2.9)
где Gr-критерий Грасгофа, который определяется по формуле (16-13) [2]
Gr=β∙g∙L³∙(υ-υm )/γ², (2.10)
где β – коэффициент объемного расширения определяем по (2.11)
β=1/(273+ υm ) (2.11)
β=1/(273+72,5)=2,89∙10-3
υm=(υ+υ0)/2=(105+40)/2=72,5оС
g – ускорение свободного падения
g=9,8 м/с2
γ- кинематическая вязкость
γ=20,02∙10-6 м2/с
Gr=2,89∙10-3∙9,8∙ (20∙10-3)3∙(105-40)/(20,02∙10-6)2=3,67∙104
Pr – критерий Прандтля, по (П.9 [2])Pr = 0,694
[Pr∙Gr]=[0,694∙3,67∙104]=2,55∙104
по таблице 1.2 [2] определяем с=0,54 n=0,25, тогда по формуле (2.9)
Nu=0,54(2,55∙104)0,25=6,82
Коэффициент теплоотдачи конвекцией определяем по (2.8)
Кт.к=(6,82∙2,96∙10-2)/(20∙10-3)=10,1 Вт/м2оС
Коэффициент теплоотдачи излучением определяем по формуле (2.12)
Кт.и=5,67∙ε∙ [(Т1/100)4- (Т2/100)4]/(υдоп -υо), (2.12)
где:
ε=0,6 – степень черноты полного излучения материала;
Т1 и Т2 соответственно допустимая температура нагрева и температура окружающего воздуха.
Кт.и=5,67∙0,6∙[(378/100)4-(313/100)4]/(105-40)=5,66 Вт/м2оС
Коэффициент теплоотдачи для гибкой связи
Кт=5,66+10,1=15,76 Вт/м2оС
Допустимая температура нагрева по формуле (2.5)
Jдоп =(2502∙2,32∙10-5)/(15,76∙4∙10-3)+40=63 оС
Расчетное значение допустимой температуры нагрева имеет большой запас. С учетом технико-экономической точки зрения, принимаем новые размеры гибкой связи (уменьшаем затраты на материал) и проводим повторный расчет, аналогичный выше приведенному, до тех пор, пока не получим наименьший запас расчетной допустимой температуры по отношению к значению ГОСТ 9218-88.
Принимаем:
а=3 мм
b=20 мм
l=100 мм
Активное сопротивление проводника по формуле (2.6)
R= 1,62×10-8×(1+4,3×10-3×100)×100×10-3/(3×10-3×20×10-3)=3,87×10-5 Ом
Площадь охлаждаемой поверхности по формуле (2.7)
S=2×100×10-3×20×10-3=4×10-3 м2
Расчетная допустимая температура нагрева гибкой связи по (2.5)
Jдоп =(2502∙3,87∙10-5)/(15,76∙4∙10-3)+40=78 оС
Принимаем:
а=2,5 мм
b=20 мм
l=100 мм
Активное сопротивление проводника по формуле (2.6)
R= 1,62×10-8×(1+4,3×10-3×100)×100×10-3/(2,5×10-3×20×10-3)=4,64×10-5 Ом
Площадь охлаждаемой поверхности по формуле (2.7)
S=2×100×10-3×20×10-3=4×10-3 м2
Расчетная допустимая температура нагрева гибкой связи по (2.5)
Jдоп =(2502∙4,64∙10-5)/(15,76∙4∙10-3)+40=86 оС
Принимаем:
а=2 мм
b=20 мм
l=100 мм
Активное сопротивление проводника по формуле (2.6)
R= 1,62×10-8×(1+4,3×10-3×100)×100×10-3/(2×10-3×20×10-3)=5,8×10-5 Ом
Площадь охлаждаемой поверхности по формуле (2.7)
S=2×100×10-3×20×10-3=4×10-3 м2
Расчетная допустимая температура нагрева гибкой связи по (2.5)
Jдоп =(2502∙5,8∙10-5)/(15,76∙4∙10-3)+40=97,5 оС
Принимаем:
а=1,8 мм
b=20 мм
l=100 мм
Активное сопротивление проводника по формуле (2.6)
R= 1,62×10-8×(1+4,3×10-3×100)×100×10-3/(1,8×10-3×20×10-3)=6,4×10-5 Ом
Площадь охлаждаемой поверхности по формуле (2.7)
S=2×100×10-3×20×10-3=4×10-3 м2
Расчетная допустимая температура нагрева гибкой связи по (2.5)
Jдоп =(2502∙6,4∙10-5)/(15,76∙4∙10-3)+40=103,45 оС
Итак, оптимальные размеры гибкой связи:
толщина 1,8 мм; ширина пластины 20 мм; длина 100 мм.
Материал контактов – медь. Характеристики приведены в пункте 2.2.1.
Принимаем:
а=13 мм – толщина контактов (боковая поверхность)
b=50 мм – высота контакта
с=10 мм – длина (место соприкосновения двух контактных поверхностей)
Активное сопротивление проводника по формуле (2.6)
R= 1,62×10-8×(1+4,3×10-3×100)×50×10-3/(13×10-3×10×10-3)=8,9×10-6 Ом
Площадь охлаждаемой поверхности по формуле (2.13)
S=2∙(a∙b)+b∙c (2.13)
S=2×13×10-3×50×10-3+50∙10-3∙10∙10-3 =1,8×10-3 м2
Коэффициент теплоотдачи
Кт=5,66+8,03=13,69 Вт/м2оС,
где коэффициент теплоотдачи излучением по (2.12)
Кт.и=5,67∙0,6∙[(378/100)4-(313/100)4]/(105-40)=5,66 Вт/м2оС ;
коэффициент теплоотдачи конвекцией по (2.8)
Кт.к=(13,57∙2,96∙10-2)/(50∙10-3)=8,03 Вт/м2оС.
где Pr – критерий Прандтля, по (П.9 [2]) Pr=0,694; критерий Грасгоффапо формуле (2.10)
Gr=2,89∙10-3∙9,8∙ (50∙10-3)3∙(105-40)/(20,02∙10-6)2=5,74∙104
[Pr∙Gr]=[0,694∙5,74∙104]=3,98∙104
по таблице 1.2 [2] определяем с=0,54 n=0,25, тогда по формуле (2.9)
Nu=0,54(3,98∙104)0,25=13,57
Расчетная допустимая температура нагрева контактов по (2.5)
Jдоп =(2502∙8,9∙10-6)/(13,69∙1,8∙10-3)+40=62,57 оС
Принимаем:
а=10 мм
b=50 мм
с=5 мм
Активное сопротивление проводника по формуле (2.6)
R= 1,62×10-8×(1+4,3×10-3×100)×50×10-3/(10×10-3×5×10-3)=2,32×10-5 Ом
Площадь охлаждаемой поверхности по формуле (2.13)
S=2×10×10-3×50×10-3+50∙10-3∙5∙10-3 =1,25×10-3 м2
Расчетная допустимая температура нагрева контактов по (2.5)
Jдоп =(2502∙2,32∙10-5)/(13,69∙1,25∙10-3)+40=124 оС
Расчетное значение превышает значение ГОСТ 9219-88, что не допустимо.
Принимаем:
а=10 мм
b=50 мм
с=7 мм
Активное сопротивление проводника по формуле (2.6)
R= 1,62×10-8×(1+4,3×10-3×100)×50×10-3/(10×10-3×7×10-3)=1,65×10-5 Ом
Площадь охлаждаемой поверхности по формуле (2.13)
S=2×10×10-3×50×10-3+50∙10-3∙7∙10-3 =1,35×10-3 м2
Расчетная допустимая температура нагрева контактов по (2.5)
Jдоп =(2502∙1,65∙10-5)/(13,69∙1,35∙10-3)+40=96 оС
Итак, оптимальные размеры контактов:
Боковая поверхность 10 мм; высота 50 мм; линия соприкосновения 7 мм.
2.2.3. Расчет катушек магнитного дутья
Катушки предназначены для создания магнитного поля в сердечниках, за счет которого дуга затягивается в дугогасительные устройства.
Гашение малых токов обратной полярности посредством последовательного магнитного дутья не было достигнуто, и было принято решение разработать систему параллельного магнитного дутья.
Цель разработки:
- обеспечить уверенное гашение всего диапазона рабочих токов за время не более 0,08с;
- обеспечить две ступени электрической изоляции между цепями управления, и токоведущей системой. Первая ступень – обмотка катушки параллельного магнитного дутья – магнитопровод магнитного дутья, вторая ступень – магнитопровод магнитного дутья – токоведущая система;
- разработать систему управления аппаратом, включая датчик тока с выходом направления тока, схему обработки информации с блоком коммутации держащего тока привода и силовой модуль катушек параллельного магнитного дутья.
На аппарате применено параллельное магнитное дутьё, патент на полезную модель №35923. Магнитное поле создается катушкой из 200витков провода ПЭТВ-2-0.5, рабочий ток 15А, время протекания тока 0,2с.