(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Расчет бесконтактного магнитного реле
ВВЕДЕНИЕ
Реле ? устройства, в каких непрерывное изменение входного параметра вызывает скачкообразное изменение выходного параметра, получили очень обширное применение в автоматике, телемеханике и связи.
вместе с обширно известными контактными реле, к примеру электромагнитными, в истинное время всё большее применение находят бесконтактные реле.
Главными преимуществами бесконтактных реле являются высочайшая степень надёжности вследствие отсутствия контактов и подвижных частей, независимость характеристик срабатывания и отпускания от ударов, вибраций и неизменных убыстрений, также от положения в пространстве, пожарная и взрывобезопасность, большая чувствительность.
Принцип деяния бесконтактных магнитных реле основан на использовании нелинейных параметров ферромагнитных материалов.
Бесконтактное магнитное реле (БМР) представляет собой магнитный усилитель с глубочайшей положительной оборотной связью (ПОС).
По сопоставлению с электромагнитными реле бесконтактные магнитные реле характеризуются наименьшим значением мощности срабатывания, огромным сроком службы, наиболее высочайшей стабильностью тока срабатывания, также наименьшей инерционностью (временем срабатывания и отпускания).
Данная курсовая работа посвящена проектированию 1-го из БМР. Внутренняя ПОС достигается тем, что неизменная составляющая имеет величину, которая зависит от величины входного сигнала и делает поле, которое либо складывается, либо вычитается из поля входного сигнала.
1. Начальные данные
Начальными данными при расчете БМР являются:
1) номинальная мощность в перегрузке ;
2) действующее
3) частота источника питания ;
4) схема бесконтактного магнитного реле ? мостовая (набросок 1), перегрузка ? активная, на неизменном токе;
Набросок 1. Принципная схема бесконтактного магнитного реле (БМР)
5) материал и форма магнитопровода — 79НМ, тороидальный, толщина ленты 0,05 мм.;
6) наибольшее превышение температуры провода обмоток 50 — 60 оС (провод марки ПЭЛ, ПЭВ ? при наибольшей температуре окружающей среды 40 оС);
7) мощность и ток переключения ;
8) коэффициент возврата реле .
Требуется:
найти геометрический фактор БМР и избрать обычный магнитопровод;
2. высчитать номинальные характеристики перегрузки: среднее
3. избрать диоды В1 ч В4 в рабочей цепи;
4. найти число витков и поперечник проводов обмоток;
5. проверить размещение обмоток в окне магнитопровода, найти сопротивление и перегрев обмоток;
6. выстроить характеристику управления в координатах (UH ,IУ ), пользуясь динамической кривой размагничивания материала магнитопровода;
7. по релейной характеристике найти токи срабатывания IУ.СРАБ и отпускания IУ.ОТП , номинальное UHN и малое UHМ напряжения на перегрузке;
8. подсчитать коэффициент возврата kВ и ток переключения IУП;
9. найти мощность срабатывания РУ.СРАБ , отпускания РУ.ОТП и переключения РУП , также коэффициент усиления БМР по мощности kP(БМР).
2. Геометрический фактор БМР и выбор обычного магнитопровода
Для определения нужного типоразмера магнитопровода обычно употребляют геометрический фактор Г1 ? показатель, связывающий геометрические размеры магнитопровода с критериями работы БМР (температурой нагрева), его мощностью и КПД :
, (1)
где S ? поперечное сечение магнитопровода, м2;
Sохл ? поверхность остывания дросселей БМР, м2;
Q ? площадь обмоточного окна, м2;
lМ ? длина среднего витка всей обмотки, м;
РHN ? среднее
kФР ? коэффициент формы тока рабочей цепи;
с ? удельное электронное сопротивление материала провода обмоток при допустимой температуре нагрева, Ом ·м;
f ? частота питающей сети, Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ);
з ? КПД;
Вm ? наибольшая индукция в магнитопроводе, Тл;
в ? коэффициент, учитывающий неполное насыщение магнитопроводов в номинальном режиме;
kс ? коэффициент наполнения сталью поперечного сечения магнитопроводов;
kМР ? коэффициент наполнения по “меди” рабочей обмотки;
лР ? относительная длина витков рабочей обмотки;
бР ? относительная площадь окна, занятая рабочей обмоткой;
kТ ? коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2 ·0С);
идоп ? допустимое превышение температуры провода обмоток над температурой окружающей среды, оС.
Зная допустимое превышение температуры идоп для данной марки провода, определяют удельное сопротивление с при данной температуре:
, (2)
где с20 ? удельное электронное сопротивление провода обмотки при 20оС, Ом ·м ; для меди ? с20=0,0175·10-6 Ом ·м;
б ? температурный коэффициент материала провода; для меди ? б=0,0041 оС-1;
иокр ? температура окружающей среды, 40оС.
=0,0175 10-6 [1 + 0,0041(50+40-20)] = 2,252 10-8 Омм.
Среднее
.
По таблице П1.3 [5] определяют коэффициент наполнения сталью поперечного сечения магнитопровода. Для ленточного тороидального магнитопровода из железо-никелевых сплавов принимается вид изоляции — катафорез, коэффициент наполнения стали: kc =0,75 при данной толщине ленты 0,05мм.
По динамической кривой размагничивания (ДКР) материала магнитопровода (набросок 2) определяются координаты точек M , N и N’:
?ВМ=1,1 Тл при НYM=-3,5 А/м;
?ВN=0,4 Тл при НYN=-2 А/м;
?ВN’=0,2Тл при НYN’=0 А/м.
Набросок 2. Динамическая кривая размагничивания материала 79НМ, имеющего толщину 0,05 мм, соответственный частоте питания f=800 Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)
Точки M и N соответствуют границам “линейного” участка ДКР. По минимальному режиму (точка М) определяют наибольшее изменение ДВМ индукции и подобающую напряжённость HYM, по номинальному режиму (точка N) ? значения ДВN и HYN.
Амплитудное значение магнитной индукции:
(3)
.
Коэффициент, учитывающий неполное насыщение сердечника в номинальном режиме:
(4)
.
Принимая в первом приближении: р = 0,9; р = 1; kМР = 0,4; kт(1) = 10 Вт/(м2оС); (1) =0,85 и беря во внимание, что для синусоиды kФР =р/2, по формуле (1) определяется Г1:
.
По отысканному значению Г1(1) уточняются [таблица П1.1(5)]: kT(2)=11,35Вт/(м2оС) и з(2)=0,955. И делается 2-ое приближение в определении:
(5)
.
Потому что з=0,955>0,7 , то по уточненному значению Г1(2) выбирается типовой магнитопровод [таблица П1.1(5)], другими словами выбирают его наружный D и внутренний d поперечникы и ширину b ленты, из которой сделан магнитопровод.
Таблица 1 — Главные данные БМР на тороидальном магнитопроводе
ОЛ
d/D-b,
10-3 м2
S, 10-4 м2
lc, 10-2 м
lм, 10-2 м
Г1, 10-7 м3,5
KT, Вт/(м2·0C)
КПД при f=800Гц (единица частоты периодических процессов в Международной системе единиц СИ)
40/64-15
1,92
16,3
8,48
25,0
11,5
0,953
3. Расчёт номинальных характеристик перегрузки
Среднее
UHN= з в E, (6)
либо, принимая равными коэффициенты формы номинального напряжения на перегрузке и напряжения питания:
UHN= з в EД , (7)
где Е и ЕД — среднее и действующее значения ЭДС питания, В.
UHN= 0,9530,818127=89,13 В.
Среднее значение номинального тока на перегрузке:
(8)
Сопротивление перегрузки:
(9)
4. Выбор диодов В1 ч В4 в рабочей цепи
Диоды В1ч В4 в рабочей цепи выбирают из справочника [2] по большему значению среднего рабочего тока Iв.ср и наибольшему оборотному напряжению Uв.обр. на диодиках:
Iв.ср.= 0,5IHN= 0,53,65=1,82 A;
Uв.обр.m.= EД=127=180 B.
Принимаются диоды КД213А: Iпр.ср.max=10 A, Uоб.max.=200 В, Uпр.ср.=1 В, Iобр.=0,2 мA. По ВАХ избранных диодов (набросок 3) находят их сопротивления в проводящем (RВ) и оборотном (RВО) направлениях, также зная величину тока IВ, определяется полное падение напряжения UВ.
а) б)
Набросок 3. ВАХ диодика КД213А: а) зависимость прямого тока от напряжения, б) зависимость оборотного тока от напряжения.
По ВАХ диодика определяется: UВ=0,63 В при IВ=1,82 А. Тогда:
.
Исходя из настоящего оборотного напряжения UВО=180 В на вентилях (при UН=UHN), по ВАХ оборотный ток вентиля равен IВО=40 мкА, тогда:
.
Понятно, что оборотный ток IВО вентилей В1 и В2 оказывает воздействие на наклон свойства управления, коэффициент усиления и ширину релейной петли, а оборотный ток вентилей В3 и В4 не оказывает такового воздействия.
Для уменьшения воздействия оборотного тока вентилей на характеристику управления лучше, чтоб соблюдалось условие:
(10)
где IВ. ОБР. m — наибольшее среднее за управляющий полупериод
Условие производится, потому что =0,55<<=1,5.
5. Определение числа витков и поперечника проводов обмоток
Число витков рабочей обмотки:
, (11)
где Sc — активное сечение стали, м2:
Sc=kcS=0,751,9210-4=1,4410-4 м2.
витка.
Число витков обмотки оборотной связи при твердой положительной оборотной связи по току:
, (12)
где n-коэффициент припаса, обычно принимаемый в границах от 3 до 5;
— эквивалентная магнитная проницаемость, характеризующая наклон ДКР.
виток.
Число витков обмотки управления:
(13)
витков.
Выбираются поперечникы проводов обмоток. Сечение q проводов обмоток определяется по очень вероятному току в их и допустимой плотности тока ддоп. для меди:
(14)
.
Поперечникы проводов выбираются, исходя из отысканного сечения (таблица П1.5 [5]).
Рабочая обмотка:
(15)
.
Принимается провод марки ПЭВТЛ-2: d=1,04мм; q=0,8495мм2; dи=1,15мм.
Обмотка оборотной связи:
(16)
где больший ток, протекающий по обмотке оборотной связи,
.
мм2.
Принимается провод марки ПЭВТЛ-2: d=1,25мм; q=1,227мм2; dи=1,36мм.
Обмотка управления:
(17)
где Iу.д. — наибольшее действующее
(18)
A.
мм2.
Принимается провод марки ПЭВТЛ-2: d=0,62мм; q=0,30191мм2; dи=0,69мм.
Проверка размещения обмоток в окне магнитопровода, определение сопротивления и нагрева обмоток
Проверяется размещение обмоток на сердечнике (набросок 4).
Набросок 4. Эскиз размещения обмоток БМР
Задаваясь шириной каркаса дк=1мм, определяется внутренний dк и внешний Dк поперечникы и его высоту bк:
dк= d-2дк=40-21=38 мм,
Dк=D+2 дк=64+21=66 мм,
bк= b+2дк=15+21=17 мм.
По сечению, поперечнику провода и числу витков обмоток рассчитывается обмоточное место, занятое каждой из их:
Qкi=1,7qiWi(), (19)
где qi — сечение провода i-ой обмотки, мм2;
dи , dм ? соответственно поперечникы проводов с изоляцией и без неё.
Qк р=1,70,8495452 мм2 ;
Qк о.с=1,71,2272 1 мм2 ;
Qк у=1,70,3019115 мм2 .
Выбирается изоляция для катушки: лакоткань марки ЛШ-1 шириной 0,1 мм, при выполнении изоляции в полнахлеста ди.в = диi= ди.н= 0,2 мм. Дальше определяются размеры торов опосля намотки каждой из обмоток:
(20)
тут индексом “-1” снабжены характеристики, которые имело БМР до наложения очередной i ? обмотки. На приготовленный сердечник наносят рабочую обмотку, на неё ? обмотку управления, потом обмотку оборотной связи. Отсюда рабочей обмотке d-1 соответствует dk, а обмотке управления -dр и т.п., dи ? 0,2 мм ? толщина изоляции катушек.
мм;
мм;
мм;
;
;
;
мм;
мм;
мм;
мм;
мм;
мм.
Опосля наложения всех i ? обмоток подсчитывается вольный внутренний поперечник d0 ,наибольший внешний поперечник D0 и расчётная по эквивалентному сечению высота b0 тора с обмоткой :
Dо.с =Do=75,74мм; dо.с= do= 17,59мм; bо.с=bo=32,08мм.
Опосля размещения всех i ? обмоток подсчитывается поверхность остывания БМР при совмещении дросселей по торцам:
(21)
мм2.
Опосля выбора поперечника проводов обмоток и их размещения на магнитопроводе подсчитываются сопротивления обмоток RWр, RWу, RWо.с:
(22)
Ом;
Ом;
Ом.
нужно удостоверится, что RWу0,5Rу, где Rу — полное сопротивление цепи управления,
Ом;
0,13 Ом 0,520=10 Ом. Условие производится.
Расчёт перегрева обмоток БМР.
По известным сопротивлениям обмоток и токам, протекающим по ним, можно отыскать суммарные утраты мощности PW в обмотках 1-го дросселя:
(23)
Вт.
Превышение температуры:
(24)
оС.
Нужно выполнение последующего условия:
31,6оС 50оС, условие производится.
Расчёт и построение свойства управления БМР
Перед тем, как приступить к построению свойства управления, нужно уточнить номинальные характеристики перегрузки.
Для уточнения КПД годна формула:
(25)
Уточнённое среднее
В.
Уточнённое
Ом.
Уточнённое среднее
А.
Действующие значения напряжения и тока:
В;
А.
Потому что уточнённое
Рассчитывается и строится черта управления БМР без учета деяния цепей оборотной связи. Для построения свойства управления Uн= Uн(Iу) употребляют динамическую кривую размагничивания ДВ = ДВ(Ну), а так же уравнения напряжения на перегрузке и тока управления:
(26)
(27)
Hу.
Уравнение (26) справедливо до значения:
Uн = Uно = (28)
Uн= В.
Достигнув Uно при Hу= Hум, напряжение на перегрузке при предстоящем уменьшении Hу начинает несколько возрастать, изменяясь по последующему закону:
(29)
Потом учитывается воздействие оборотного тока вентилей рабочей цепи и наружной оборотной связи, для чего же нужно отыскать коэффициент пропорциональности kпв, связывающий ток отрицательной оборотной связи вентилей с напряжением на перегрузке:
(30)
.
ток Iу.ос управления с учётом знака оборотной связи, соответственный хоть какому текущему значению напряжения Uн, быть может найден по формуле:
Iу.ос = Iу — knjUн, (31)
где knj — коэффициент пропорциональности, связывающий ток j — оборотной связи с напряжением на перегрузке;
Iу — ток управления, соответственный напряжению Uн при отсутствии деяния рассматриваемой оборотной связи.
Для наружной положительной оборотной связи коэффициент равен:
(32)
.
В формулу (31) коэффициент пропорциональности knj = kn oc и ток управления Iу подставляют со своими знаками. Поочередно применяя формулу (31), можно учитывать действие всех оборотных связей.
Таблица 2 — Расчётные данные для построения свойства управления БМР
-Ну, А/м
0
1,6
2
2,3
2,5
2,65
2,84
3
3,2
3,5
7
?В, Тл
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
1,097
1,3
Uн, В
88,37
78,53
68,69
58,84
49
39,16
29,32
19,48
9,64
0,061
0,0924
-IУ, мА
0
17,39
21,74
25
27,18
28,81
30,87
32,61
34,78
38,05
76,09
-IУ ООС, мА
-0,63
16,84
21,25
24,58
26,83
28,53
30,66
32,47
34,72
38,04
76,09
-IУ ПОС, мА
241,2
231,8
209,2
185,6
161
135,7
110,9
85,79
61,1
38,21
76,34
На рисунке 5 изображена черта управления БМР: 1 — кривая зависимости тока управления от напряжения на перегрузке без учёта оборотных связей, 2 — кривая зависимости тока управления от напряжения на перегрузке с учётом отрицательной оборотной связи, 3 — кривая тока управления реле (линия зависимости тока управления от напряжения на перегрузке с учётом положительной оборотной связи, релейная черта), 4 — луч оборотной связи без учёта деяния тока управления при установленном токе переключения, 5 — луч оборотной связи без учёта деяния тока управления при данном токе переключения.
магнитное реле диодик обмотка
Регулировать глубину оборотной связи и, соответственно, ширину релейной петли можно числом витков Wос либо шунтировкой обмотки Wос резистором Rшос. Уменьшить ток переключения с Iу=203мА до данного 50мА уменьшением числа витков обмотки оборотной связи нереально, потому что Wос = 1виток. Остаётся высчитать сопротивление Rшос, параллельное обмотке оборотной связи. Расчёт шунтирующего сопротивления создают исходя из построения луча оборотной связи (линия 5, набросок 5). Угол , тогда tg=. Коэффициент пропорциональности: . Коэффициент наружной оборотной связи:
(33)
Шунт рассчитывается по формуле:
(34)
Ом
Реально приобретенное сопротивление не существует, как следует, уменьшить ширину релейной петли нереально. В данной курсовой работе при расчёте БМР было установлено, что недозволено выполнить аппарат с начальными данными.
4. Определение токов срабатывания и отпускания, номинального и малого напряжений на перегрузке
По результирующей релейной характеристике определяются токи срабатывания Iу.сраб. и отпускания Iу.отп., номинальное UHN и малое UHM напряжения на перегрузке:
ток срабатывания: Iу.сраб= -241,24мА;
ток отпускания: Iу.отп= -38,21мА;
напряжение на перегрузке номинальное: UHN= 88,39В;
напряжение на перегрузке малое: UHM= 0,061В.
5. Подсчёт коэффициента возврата и тока переключения
Коэффициент возврата kв:
.
Ток переключения Iуп:
Iуп = Iу.сраб.- Iу.отп. = — 38,21- (- 241,24) = 203,03мА.
6. Определение мощности срабатывания, отпускания и переключения, также коэффициента усиления по мощности, времени срабатывания и отпускания БМР
Мощности срабатывания Pу.сраб., отпускания Pу.отп., переключения Pу.п., определяют по формуле:
, (35)
где j — индекс мощности (срабатывания, отпускания, переключения),
Rу — полное сопротивление цепи управления, Rу= 20 Ом.
Вт,
Вт,
Вт.
Номинальная средняя мощность в перегрузке:
Вт.
Номинальная работающая мощность в перегрузке:
Вт.
Коэффициент усиления БМР по мощности:
.
время срабатывания и отпускания БМР определяют при коэффициенте припаса kз = 1,5; до этого подсчитывая последующие нужные коэффициенты. Коэффициент усиления мощности:
k0р =4.
Коэффициент наружной оборотной связи:
, (36)
где — коэффициент пропорциональности,
, где — угол наклона меж лучом оборотной связи и вертикальной осью (набросок 5), = 69о; . По формуле (36):
.
Критичный коэффициент наружной оборотной связи:
, (37)
где Rр=Rн+Rwр+Rв=24,4+1,06+0,34=25,8Ом — сопротивление рабочей цепи,
Lр.э — эквивалентная индуктивность рабочей обмотки;
Lр.э=. (38)
Lр.э= Гн .
.
Для определения времени срабатывания и отпускания БМР определяют последующие соотношения:
(kо.с — 1) = kно.с — kно.с.кр = 4,22 — 0,0004 = 4,2196,
(kо.с+1)=2+(kо.с — 1) = 2+4,2196 = 6,2196.
По наивысшей точке ДКР (набросок 2) определяют ДВmax.max=1,3Тл, отсюда ВЗ=0,5ДВmax.max=0,51,3=0,65Тл. Дальше определяют — коэффициент, характеризующий степень насыщения дросселей:
.
время срабатывания и отпускания с нормально включённым состоянием БМР определяют по формулам:
(39)
tотп(НВ)= (40)
tотп(НВ)= мкс.
Перечень применяемой литературы
1. Л.В. Шопен. Бесконтактные электронные аппараты автоматики. ? М. : Энергия, 1976? 568 с. с ил.
2. Справочник. Диоды и их забугорные аналоги. В 3 т. Т. 1. / А.К. Хрулёв, В.П. Черепанов; ? М. : ИП Радиософт, 1999. ? 640 с., ил.
3. А.А. Чунихин. электронные аппараты. — 3-е изд., перераб. и доп. ? М. : Энергоатомиздат, 1988. ? 720 с.: ил.
4. М.А. Розенблат. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники. ? М. : Наука, 1974. ? 768с.
5. М.И. Цикановская. Расчёт бесконтактных магнитных реле. Методические указания к РГЗ для студентов ЭТФ. — Оренбург, 1991.
]]>