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:

U_пит = 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.

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 =0.001 м;

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 R_р – магнитное сопротивление рабочего воздушного зазора, Гн^-1.

Затем рассчитаем магнитное сопротивление рабочего воздушного зазора R_р 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 δ_р1= 0,5 ·10^-3м:

при δ_р2=1,0 ·10^-3м:

при δ_р3=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 G_p=f(d_p) 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)

гдеG_н- магнитная проводимость нерабочего зазора, Гн;

S_н- площадь нерабочего зазора, м²;

δ_н- 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 δ_н^’- изменяющаяся часть нерабочего зазора, м.

(3.2.3)

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 δ_р1=0,5 ·10^-3м:

.

при δ_р2=1,0 ·10^-3м:

.

при δ_р3=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 δ_н1=15·10^-6м;

диаметр сердечника d_с=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).

(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 В_min и максимальную В_max индукции, а затем подставим в выражения:

Ф_р.min= В_min×S_max,(4.1)

Ф_р.max= В_max×S_min,(4.2)

где:S_max и S_min – максимальная и минимальная площадь поперечного сечения участков магнитопровода.

Ф_р.min=0,1 × 63.59 × 10^-6= 6,36 ×10^-6 Вб,

Ф_р.max=1,3 × 23,25 × 10^-6=30,23 × 10^-6 Вб.

Также зададимся промежуточным значением рабочего магнитного потока Ф_р.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:S_i – 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:H_i – напряженность магнитного поля;

l_i – длина силовой линии на участке.

Падение магнитного напряжения в нерабочих зазорах:

,(4.5)

,(4.6)

где:G_нз1 и G_нз2 – 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

	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

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 F_{min ср} = 47 А.

Полученное значение подставим в формулу (5.2) и найдем F_кр:

.

При помощи найденных по формуле (5.1) значений углов находим F_рi:

(5.3)

гдеF_i- 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)

гдеD_вн = 9 мм- внутренний диаметр обмотки катушки;

D_н = 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 d_из= 0,09 мм, площадь сечения провода q= 0,003957 мм².

Найдем необходимое число витков катушки:

(7.4)

гдеl_к= 3 мм- длина обмотки,

H_к= 36 мм- толщина обмотки,

f_к- коэффициент заполнения катушки.

(7.5)

гдеK_у=0.95- коэффициент укладки, зависящий от способа намотки и марки провода.

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 F_кр взято 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

1. Жукова Г.А., Жуков В.П. Курсовое и дипломное проектирование по низковольтным электрическим аппаратам: Учеб. Пособие для техникумов. –М.: Высш. шк., 1987.

2. Игловский И.Г. и Владимиров Г.В. Справочник по электромагнитным реле. Л., «Энергия», 1975.

3. В.П. Миловзоров Электромагнитные устройства автоматики. –М.: Высшая школа, 1983 г.

4. Ф.А. Ступель Электромеханические реле. –Харьков, 1956 г.

5. Ройзен В.З. Электромагнитные малогабаритные реле. –

6. Энергоатомиздат, 1986г.

7. Качанов П.А., Мащенко Т.Г. Методические указания к курсовому проектированию по курсу «Элементы и устройства автоматики и системы упрвления» каф. АиУТС 2001г.