Реферат: Расчет электромагнитного реле постоянного тока типа РС52
Министерство образования и науки Украины
Национальный технический университет
«Харьковский политехнический институт»
Кафедра «Автоматика и управление в технических системах»
Пояснительная записка к курсовому проекту по курсу:
«Элементы и устройства автоматики и систем управления»
по теме:
«Расчет электромагнитного реле постоянного тока типа РС52»
Выполнил:
Студент группы xxxxxxxxxxxx
xxxxxxxxxxxx
№ зачетной книжки — 03029
Принял:
xxxxxxxxx
xxxxxxxxxxx
Харьков 2006
Содержание
Введение
1. Техническое задание
2. Технические характеристики устройства
3. Расчет электромагнитного реле
4. Расчет и построение кривых намагничивания магнитной системы
5. Определение минимального числа ампер-витков срабатывания
6. Расчет и построение тяговой характеристики
7. Расчет обмоточных параметров реле
Вывод
Список литературы
Введение
Электромеханические элементы (наряду с электромагнитными) являются наиболее старыми электрическими элементами автоматики. Тем не менее, видоизменяясь и совершенствуясь, они успешно конкурируют с относительно новыми магнитными элементами.
Электромагнит – наиболее простой преобразователь электрического сигнала в механическое усилие и перемещение. Входной электрический сигнал подается на обмотку электромагнита, который притягивает подвижную часть, называемую якорем.
По роду тока в обмотке различают электромагниты постоянного и переменного тока. Электромагниты постоянного тока подразделяют на нейтральные и поляризованные. Нейтральные притягивают якорь при любой полярности тока в обмотке. В поляризованных электромагнитах направление усилия, действующего на якорь, изменяется при изменении полярности тока в обмотке.
Часто электромагниты являются приводными (тяговыми) и служат для перемещения таких исполнительных устройств, как клапаны, заслонки и т.п. Однако наибольшее распространение получили электромагниты, снабженные контактной системой – электромагнитные реле.
Электромагнитные реле являются одним из распространенных элементов многих систем автоматики, и выпускается свыше 200 типов только реле постоянного тока.
Реле предназначено для выполнения логических операций и непосредственного управления силовыми нагрузками небольшой мощности, устанавливаются в низковольтных комплектных устройствах управления промышленными объектами, а также в устройствах торговой, медицинской и подобной техники. По величине потребляемой при срабатывании мощности реле можно подразделить на высокочувствительные (до 10 мВт) и слаботочные нормальной чувствительности (до 1-5 Вт).
Реле можно разделить по временным параметрам на нормальные, быстродействующие и замедленные, так называемые реле времени.
К электромагнитным реле предъявляют разнообразные требования, которые не всегда удается удовлетворить в одной конструкции. Прежде всего задаются требования чувствительности и коммутируемой мощности. Часто реле должны иметь малые габариты, большое число переключаемых цепей (контактов), обладать большим сроком службы и достаточной надежностью работы в условиях вибрации, при резких колебаниях температуры и влажности, малым временем срабатывания и отпускания, а иногда и значительной выдержкой времени при срабатывании или отпускании.
В качестве средств автоматизации во всех отраслях промышленности широкое применение находят электромагнитные элементы автоматики, значительную долю которых составляют различные электромагнитные механизмы. В связи с этим знание теории, практики расчета и основ оптимального проектирования последних является необходимым для инженеров различных специальностей, особенно инженеров-электриков и инженеров-электромехаников.
Применение электромагнитных реле в радиоэлектронной аппаратуре предъявляет ряд существенных требований к технической документации, к литературе и, в конечном счете, к знаниям разработчиков аппаратуры. Оптимальное удовлетворение этих требований позволяет уменьшить массу и габариты, снизить стоимость, повысить стойкость к внешним дестабилизирующим факторам, надежность и долговечность радиоэлектронной аппаратуры.
1. Техническое задание
На курсовое проектирование по курсу:
«Элементы и устройства автоматики и систем управления»
Задание: «Расчет электромагнитного реле постоянного тока типа РС52»
Исходные данные:
Uпит = 24 В;
Материал: сталь низкоуглеродистая электротехническая марки Э отожженная;
Контакты: 2 разомкнутых, 2 замкнутых.
Расчетно-пояснительная записка должна содержать:
введение, технические условия на устройство;
расчет магнитной цепи;
расчет и построение кривых намагничивания магнитной системы;
определение минимального числа ампервитков срабатывания;
расчет и построение тяговой характеристики;
расчет обмотки.
2. Технические характеристики реле РС52
Реле РС52 – открытое, одностабильное, с двумя контактными группами, с сочетанием размыкающих, замыкающих и переключающих контактов, предназначено для коммутации электрических цепей постоянного и переменного тока частотой до 400 Гц.
Реле РС52 соответствует требованиям ГОСТ 16121-86 и техническим условиям КЩО-450-017ТУ.
Условия эксплуатации
Температура окружающей среды от – 60 до + 70 °C.
Циклическое воздействие температур -60 и +70 °C.
Повышенная относительная влажность до 98 % при температуре +20 °C.
Атмосферное давление от 2´103 до 106´103 Па.
Синусоидальная вибрация (вибропрочность и виброустойчивость) в диапазоне частот от 5 до 80 Гц – с ускорением не более 100 м/с2.
Ударная прочность
При многократных ударах с ускорением не более 1500 м/с2 – 250 ударов, с ускорением не более 750 м/с2 – 4000 ударов.
Постоянно действующие линейные ускорения не более 200 м/с2.
Технические характеристики
Ток питания – постоянный.
Сопротивление изоляции между токоведущими элементами, между токоведущими элементами и корпусом, МОм, не менее:
— в нормальных климатических условиях (обмотки обесточены) 200
— в условиях повышенной влажности 10
— при максимальной температуре (после выдержки обмотки под рабочим напряжением) 200
Испытательное переменное напряжение, В:
между токоведущими элементами, между токоведущими элементами и корпусом:
— в нормальных климатических условиях 900
— в условиях повышенной влажности 500
— при пониженном атмосферном давлении 250
между изолированными обмотками:
— в нормальных климатических условиях 500
— в условиях повышенной влажности 300
— при пониженном атмосферном давлении 250
Сопротивление электрического контакта в стадии поставки 0,5 Ом, в процессе эксплуатации и хранения 2 Ом. Масса реле не более 110 г.
3. Расчет электромагнитного реле
Расчет проводимости рабочего зазора
Расчет магнитной цепи сводится к вычислению магнитной проводимости рабочего и нерабочего воздушных зазоров, проводимости утечки, коэффициента рассеяния потока и производной проводимости рабочего зазора для нескольких положений якоря.
--PAGE_BREAK--/>Рисунок 1 — эскиз воздушных зазоров
Исходные данные:
Ширина полюсного наконечника d=0,017м;
Толщина полюсного наконечника c=0,00005 м.
Расстояние от оси вращения якоря до оси симметрии сердечника магнитной системы R0=0,01425 м.
5.толщина немагнитной прокладки />=0.001м;
6.толщина скобы a=0,003 м;
Расчетная формула для проводимости имеет вид:
/>,(3.1.1)
где:d — величина рабочего воздушного зазора;
h0 =4p×10-7 Гн/м — магнитная постоянная;
К – коэффициент, учитывающий неравномерность магнитного поля
/>, r=2R0/d=1,68
где Rр – магнитное сопротивление рабочего воздушного зазора, Гн-1.
Затем рассчитаем магнитное сопротивление рабочего воздушного зазора Rр по формуле:
/>; (3.1.2)
Производная магнитной проводимости имеет вид:
/>.(3.1.3)
Вычисления магнитной проводимости производятся для трех значений рабочих воздушных зазоров: d1=0,5×10-3 м; d2=1×10-3 м; d3=1,5×10-3 м.
Полученные значения магнитной проводимости и производной магнитной проводимости сводим в табл. 1.
при δр1= 0,5 ·10-3м:
/>
/>
/>
при δр2=1,0 ·10-3м:
/>
/>
/>
при δр3=1,5 ·10-3м:
/>
/>
/>
Таблица 1 – Значения магнитной проводимости и производной магнитной проводимости.
dp×10-3, м
0,5
1,0
1.5
Gp×10-7, Гн
7,305
3,98
2,82
Rp×10-7, Гн-1
0.1369
0.2513
0.355
/>×10-4, Гн/м
12.98
3.419
1.572
Построим график зависимости Gp=f(dp) Рисунок 2
/>
Расчет магнитной проводимости нерабочего зазора
Рассчитаем магнитную проводимость нерабочего воздушного зазора, который находится между прямоугольным якорем, расположенным под углом, и прямоугольной скобой. При этом принимаем следующие допущения:
зазор образован двумя параллельными плоскостями;
краевые потоки равны нулю и магнитная проводимость определяется по упрощенной формуле:
/>,(3.2.1)
гдеGн — магнитная проводимость нерабочего зазора, Гн;
Sн — площадь нерабочего зазора, м2;
δн — величина нерабочего зазора, м;
значение нерабочего зазора определяется посередине скобы магнитной системы.
Исходные данные:
толщина скобы a= 0.003 м;
ширина скобы b= 0,0155 м;
постоянная часть нерабочего воздушного зазора Δ= 0,00005 м.
Нерабочий зазор состоит из изменяющейся части, зависящей от величины рабочего зазора и постоянной части, обусловленной немагнитной прокладкой: />(3.2.2)
где δн’ — изменяющаяся часть нерабочего зазора, м.
/>(3.2.3)
продолжение--PAGE_BREAK--
В соответствии с принятыми значениями рабочего воздушного зазора рассчитаем значения нерабочего воздушного зазора по (3.2.2), его магнитную проводимость по (3.2.1) и магнитное сопротивление по (3.1.2).
при δр1=0,5 ·10-3м:
/>
/>
/>
/>.
при δр2=1,0 ·10-3м:
/>
/>
/>
/>.
при δр3=1,5 ·10-3м:
/>
/>
/>
/>.
Результаты расчетов приведены в таблице 2:
Таблица 2
dp×10-3, м
0.5
1.0
1.5
d’нз×10-3,м
0,1026
0,1553
0,2079
Gн×10-7, Гн
5,69
3,761
2,809
Rн×107, Гн
0,176
0,2659
0,356
Рассчитаем магнитную проводимость нерабочего воздушного зазора между прямоугольной скобой и основанием цилиндрического сердечника (зазор обусловлен наличием немагнитного покрытия этих деталей и неплотностью их прилегания). Магнитную проводимость рассчитаем без учета краевых потоков по формуле (3.2.4).
/>(3.2.4).
Исходные данные:
примем зазор равным δн1=15·10-6м;
диаметр сердечника dс=9 ·10-3м.
/>.
Магнитное сопротивление этого зазора:
/>.
Расчет проводимости зазора утечки
Рассчитаем магнитную проводимость зазора утечки, образованного параллельными цилиндрическим сердечником и прямоугольной скобой (рисунок 3).
/>
Рисунок 3. Упрошенное изображение магнитного поля
Магнитный поток утечки (рассеивания) замыкается помимо рабочего воздушного зазора. Потоки рассеяния являются распределенными и замыкаются внутри контура магнитопровода и вне его. При расчете будем учитывать только магнитные потоки, замыкающиеся внутри контура магнитопровода. Примем высоту зоны рассеяния равной высоте катушки электромагнита.
Удельная магнитная проводимость зазора утечки определяется по формуле (3.3.1).
/>(3.3.1),
гдеK=0.87 — коэффициент, зависящий от соотношения b и h.
/>(3.3.2).
Полная проводимость зазора утечки:
/>(3.3.3),
гдеH – высота катушки, м.
Приведенную магнитную проводимость воздушного зазора для потока рассеяния определим по формуле (3.3.4).
/>(3.3.4).
Исходя из вышеприведенных формул, определим удельную и приведенную магнитную проводимость зазора утечки.
Исходные данные:
расстояние от сердечника до прямоугольной скобы h=11,25 ·10-3м;
высота катушки H=47 ·10-3м.
/>,
/>,
/>,
/>.
Приведенное магнитное сопротивление зазора утечки:
/>.
Расчет коэффициентов рассеяния тока
Коэффициент σ рассеяния потока определяется через магнитные проводимости по формуле (3.4.1).
продолжение--PAGE_BREAK--
/>(3.4.1).
Подставим в (3.4.1) значения проводимостей рабочего и нерабочего зазоров и проводимость утечки:
/>,
/>,
/>.
Результаты расчетов приведены в таблице 3
/>
0,5
1,0
1,5
/>
1,322
1,592
1,732
4. Расчет кривых намагничивания и их построение
Кривые намагничивания позволяют определить связь между магнитным потоком и МДС катушки электромагнита. При срабатывании реле изменяется рабочий воздушный зазор и его магнитная проводимость. Каждому значению рабочего воздушного зазора соответствует своя кривая намагничивания.
Для расчета кривых намагничивания разбиваем магнитопровод на участки, каждый из которых имеет постоянное сечение и обтекается одним и тем же магнитным потоком (рис. 4).
В таблице 4 приведены значения поперечных сечений и средних силовых линий каждого участка.
Таблица 4 — параметры участков магнитной системы
Участок
Площадь сечения,
10-6м2
Длина силовой линии, 10-3м
1
Сердечник
63,59
40,5
2
Якорь
23,25
15,75
3
Верхняя часть скобы
38,75
40,5
4
Нижняя часть скобы
38,75
16,75
Полная схема замещения магнитной системы в этом случае будет выглядеть следующим образом рис. 5.
/>Рисунок 4 – Эскиз магнитной системы разбитой на участки
/>Рисунок 5 – полная схема замещения электромагнита
Задаемся значениями рабочего магнитного потока. Для этого найдем по характеристике намагничивания для стали низкоуглеродистой электротехнической марки Э отоженная минимальную Вmin и максимальную Вmax индукции, а затем подставим в выражения:
Фр.min= Вmin×Smax,(4.1)
Фр.max= Вmax×Smin,(4.2)
где:Smax и Smin – максимальная и минимальная площадь поперечного сечения участков магнитопровода.
Фр.min=0,1 × 63.59 × 10-6= 6,36 ×10-6 Вб,
Фр.max=1,3 × 23,25 × 10-6=30,23 × 10-6 Вб.
Также зададимся промежуточным значением рабочего магнитного потока Фр.пр = 18,3 × 10-6 Вб.
Определяем индукцию для каждого участка магнитной системы при минимальном, промежуточном и максимальном значении рабочего магнитного потока:
/>,(4.3)
где:Si – площадь поперечного сечения участка.
По кривой намагничивания материала магнитопровода (приложение) определяем напряженность магнитного поля, по вычисленным выше значениям магнитной индукции.
Падение магнитного напряжения на стальных участках по закону полного потока:
/>,(4.4)
где:Hi – напряженность магнитного поля;
li – длина силовой линии на участке.
Падение магнитного напряжения в нерабочих зазорах:
/> ,(4.5)
/>,(4.6)
где:Gнз1 и Gнз2 – проводимости нерабочих зазоров.
Суммарная намагничивающаяся сила в стали и в нерабочих зазорах магнитопровода:
/>.(4.7)
Кривые намагничивания строятся для трех значений рабочих воздушных зазоров.
В табл. 5 представлены значения величин, вычисленных по формулам (4.3) – (4.7).
Таблица 5 – Значения индукции, напряженности и намагничивающейся силы для всех участков магнитной системы.
Фр×10-6, Вб
Пара-метры
Участки
Fнз1, А
Fнз2, А
FS, А
Деталь 1
Деталь 2
Деталь 3
Деталь 4
dр=0,5×10-3 м, s=1,322
6,36
В, Тл
продолжение--PAGE_BREAK--
0,1
0,27
0,16
0,16
11,18
1,58
12,76
0,132
0,21
Н, А/м
0,006
0,0095
0,0083
0,0075
F, А
0,00024
0,00015
0,00034
0,00013
18,3
В, Тл
0,29
0,79
0,47
0,47
32,16
4,54
36,7
0,38
0,62
Н, А/м
0,011
0,017
0,0135
0,013
F, А
0,00045
0,00027
0,00055
0,00022
30,23
В, Тл
0,48
1,3
0,78
0,78
53,13
7,51
60,64
0,63
1,03
Н, А/м
0,014
0,045
0,02
0,017
F, А
0,00057
0,00071
0,00081
0,00028
dр=1,0 × 10-3 м, s=1,592
6,36
В, Тл
0,1
0,27
0,16
0,16
16,91
1,9
18,81
0,16
0,25
Н, А/м
0,0065
0,0095
0,0083
0,0075
F, А
0,00026
0,00015
0,00034
0,00013
18,3
В, Тл
0,29
0,79
0,47
0,47
48,66
5,47
54,13
0,46
0,75
Н, А/м
0,011
0,017
0,0145
0,013
F, А
0,00045
0,00027
0,00059
0,00022
30,23
В, Тл
0,48
1,3
0,78
0,78
80,38
9,04
89,42
0,76
1,24
Н, А/м
0,015
0,045
0,027
0,017
F, А
0,00061
0,00071
0,0011
0,00028
dр=1,5 × 10-3 м, s=1,732
6,36
В, Тл
0,1
0,27
0,16
0,16
22,64
2,07
24,71
0,17
0,28
Н, А/м
0,007
0,0095
0,0085
0,0075
F, А
0,00028
0,00015
0,00034
0,00013
18,3
В, Тл
0,29
0,79
0,47
0,47
65,15
5,95
71,1
0,5
0,81
Н, А/м
0,012
0,017
0,0153
0,013
F, А
0,00049
0,00027
0,00062
0,00022
30,23
В, Тл
0,48
1,3
0,78
0,78
107,62
9,83
117,45
0,83
1,35
Н, А/м
0,0153
0,045
0,046
0,017
F, А
0,00062
0,00071
0,0019
0,00028
--PAGE_BREAK--
По полученным данным построены кривые намагничивания, которые приведены на рис. 6.
5. Определение минимального числа ампервитков срабатывния
По таблице 5 построим кривые намагничивания (рис.6).
По формуле (5.1) определим углы, соответствующие проводимостям рабочих зазоров.
/>(5.1)
где p — коэффициент, учитывающий отношение масштабов осей ординат и абсцисс для графика, представляющего кривые намагничивания магнитной системы.
/>.
Определим углы проводимостей:
/>,
/>,
/>.
По рис.6 найдем точку, в которой значение критической намагничивающей силы будет максимальным. Для обеспечения надежного срабатывания реле необходимо ввести коэффициент надежности:
/>(5.2)
Зададимся по формуле (5.2) коэффициентом надежности, равным 1.2. По рис.6 находим Fminср = 47 А.
Полученное значение подставим в формулу (5.2) и найдем Fкр:
/>.
При помощи найденных по формуле (5.1) значений углов находим Fрi:
/>(5.3)
гдеFi — значения намагничивающих сил, найденных из рис.6 при помощи углов, рассчитанных по формуле (5.1).
/>,
/>,
/>.
6. Расчет и построение тяговой характеристики
Электромагнитную силу в рабочем воздушном зазоре определим по энергетической формуле:
/>(6.1)
где/> — электромагнитная сила, Н;
/>— падение магнитного напряжения в рабочем зазоре, А;
/>— производная магнитной проводимости рабочего зазора, />.
Подставим в формулу (6.1) найденные выше значения:
/>Н,
/>Н,
/>Н.
По полученным данным построим тяговую характеристику электромагнита:
/>
График 8.1. Тяговая характеристика электромагнита
7. Расчет обмоточных параметров реле
Расчет катушки сводится к определению диаметра провода, числа витков и сопротивления, определению превышения температуры при наиболее неблагоприятных условиях работы и уточнению ее габаритных размеров.
Найдем длину среднего витка катушки по формуле:
/>(7.1)
гдеDвн = 9 мм- внутренний диаметр обмотки катушки;
Dн = 16,25 мм- наружный диаметр обмотки катушки.
/>.
Найдем площадь поперечного сечения провода обмотки:
/>(9.2)
где/> — удельное сопротивление меди при температуре 378ºK;
U=24 В – рабочее напряжение.
/>
Рассчитаем диаметр провода обмотки по формуле:
/>(9.3)
/>
По справочным данным выбираем ближайший стандартный диаметр провода d= 0,063 мм и выписываем данные, необходимые для дальнейшего расчета катушки: диаметр провода с изоляцией для ПЭВ-2 dиз= 0,09 мм, площадь сечения провода q= 0,003957 мм2.
Найдем необходимое число витков катушки:
/>(7.4)
гдеlк= 3 мм — длина обмотки,
Hк= 36 мм — толщина обмотки,
fк — коэффициент заполнения катушки.
/>(7.5)
гдеKу=0.95 — коэффициент укладки, зависящий от способа намотки и марки провода.
/>
продолжение--PAGE_BREAK--
По формуле (7.4) рассчитаем количество витков:
/>.
Вычислим сопротивление катушки по формуле при температуре 378ºK:
/>(7.6)
/>.
Определим ток в витках по формуле:
/>(7.7)
/>
Сделаем проверку проведенных расчетов по следующим формулам:
/>,(7.8)
/>.
Вычисленная сила в 2,5 раза больше найденной по графику, т.к. значение Fкрвзято с запасом. Следовательно, вычисления выполнены правильно.
Вычислим мощность, потребляемую катушкой:
/>(7.9)
/>
Рассчитаем температуру перегрева обмотки катушки:
/>(7.10)
где/> — коэффициент теплопроводности,
S — площадь поверхности катушки.
Площадь поверхности сердечника катушки вычисляется по формуле (7.11):
/>(7.11)
/>
Подставим значение площади в формулу (7.10) и найдем температуру перегрева катушки:
/>
Найдем максимальную температуру катушки:
/>(7.12)
где/> — максимальная температура окружающей среды.
Подставив в формулу (7.12) значения получим:
/>
Для намотки катушки был выбран медный намоточный провод марки ПЭВ-2, изоляция которого относится к классу А. Для этого класса изоляции допустимой является температура 378ºK. Полученная температура ниже допустимой – следовательно катушка реле будет работать нормально.
Вывод
В данном курсовом проекте был произведен расчет реле постоянного тока типа РС52. Были рассчитаны и построены кривые намагничивания, тяговая характеристика. Также была рассчитана обмотка катушки реле и максимальная температура, до которой она может нагреваться в процессе работы.
Список литературы
Жукова Г.А., Жуков В.П. Курсовое и дипломное проектирование по низковольтным электрическим аппаратам: Учеб. Пособие для техникумов. –М.: Высш. шк., 1987.
Игловский И.Г. и Владимиров Г.В. Справочник по электромагнитным реле. Л., «Энергия», 1975.
В.П. Миловзоров Электромагнитные устройства автоматики. –М.: Высшая школа, 1983 г.
Ф.А. Ступель Электромеханические реле. –Харьков, 1956 г.
Ройзен В.З. Электромагнитные малогабаритные реле. –
Энергоатомиздат, 1986г.
Качанов П.А., Мащенко Т.Г. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Элементы и устройства автоматики и системы упрвления» каф. АиУТС 2001г.