Электрические аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Кубанский государственный технологический университет

Армавирский механико-технологический институт

Кафедра внутризаводского электрооборудования и автоматики

Методические указания по изучению дисциплины для студентов всех форм обучения и МИППС направления

Электрические аппараты

13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

Составитель: канд. техн. наук, доц. С.И. Моногаров

Краснодар 2015

УДК 621.312

Электрические аппараты: Методические указания по изучению дисциплины для студентов всех форм обучения и МИППС направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника / Сост. С.И. Моногаров; Кубан. гос. технол. ун-т. Каф. внутризаводского электрооборудования и автоматики. - Краснодар: Изд. КубГТУ, 2015. - 48 с.

Составлено в соответствии с рабочей программой курса «Электрические аппараты» для студентов всех форм обучения и МИППС направления 13.03.02.

Ил.49. Библиогр.: 5 назв.

Рецензенты: зав. кафедры ЭиЭМ КубГТУ, канд. техн. наук, доц. Я.М. Кашин;

гл. энергетик ОАО «АЭТЗ» В.И. Заболотный;

доц. кафедры ВЭА АМТИ С.К. Давыдов.

© КубГТУ, 2015

Содержание

Введение

1. Содержание дисциплины

1.1 Цели и задачи дисциплины

1.2 Требования к уровню усвоения содержания дисциплины

2. Процессы, протекающие в электрических аппаратах

2.1 Классификация электрических аппаратов.

2.2 Формулы для расчета магнитной цепи

2.2.1 Магнитная цепь, приводы электрических аппаратов. Рабочий магнитный поток, поток рассеивание

2.2.2 Прямая и обратная задачи при расчетах магнитных цепей

2.3 Электродинамические усилия (ЭДУ)

2.3.1 Методы расчета электродинамических усилий

2.3.2 Расчет ЭДУ между параллельными витками

2.4 Контактные явления в электрических аппаратах

2.4.1. Эрозия контактов

2.4.2. Коррозия

2.4.3 Вибрация контактов

2.4.4 Материалы контактов и требования, предъявляемые к ним

2.5 Электрическая дуга

2.6 Поляризованные электромагниты

2.7 Автоматические выключатели (автоматы)

2.8 Предохранители

2.9 Резисторы. Реостаты. Контроллеры

2.10 Реле времени с электромагнитным замедлением

2.11 Контакторы

2.12 Магнитный пускатель

2.13 Полупроводниковые электрические аппараты

2.14 Комбинированные контактные полупроводниковые аппараты

3. Лабораторные работы

4. Контрольные задания

5. Перечень вопросов для подготовки к зачету

Заключение

Литература

Введение

Электрические аппараты - электротехнические устройства, применяемые при использовании электрической энергии.

Невозможно представить развитие производственной базы предприятий без качественного изменения электрических аппаратов.

Все электрические аппараты можно разделить на три большие группы:

– электромеханические, т.е. аппараты, содержащие подвижные элементы, соответственно, имеющие трение;

– статические, т.е. не имеющие подвижных частей, изменяющие в работе параметры и характеристики входящих в их состав элементов;

– гибридные, совмещающие свойства двух предыдущих групп.

В данном пособии рассмотрим электрические аппараты всех этих групп.

По дисциплине предусматривается 72 академических часа, из них аудиторные занятия составляют 36 часов (18 час. - лекции, 18 час. - лабораторные занятия) и 36 часов отводится на самостоятельную работу студентов. В настоящих методических указаниях показано, как студенту необходимо организовать свою самостоятельную работу по изучению материала дисциплины, приобретения знаний и умений для формирования необходимых компетенций.

1. Содержание дисциплины

1.1 Цели и задачи дисциплины

Дисциплина «Электрические аппараты» предназначена для изучения студентами 2 курса.

Для студентов заочной формы обучения предусмотрено выполнение контрольной работы.

Преподавание дисциплины имеет целью формирование у студентов знаний по теории процессов, протекающих в электрических и электронных аппаратах, используемых в схемах управления, регулирования и защиты электроустановок, а также по правильному их выбору при проектировании, наладке автоматизированных систем управления и их защиты в аварийных режимах работы. Основными задачами дисциплины являются рассмотрение вопросов теории, расчетов, конструкции, выбора и эксплуатации электрических и электронных аппаратов.

1.2 Требования к уровню усвоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

классификацию электрических и электронных аппаратов по их назначению и применению;

основные электродинамические процессы, протекающие в аппаратах и методы их оценки;

способы устранения отрицательного влияния вибрации якоря, электрической дуги, коррозия и эрозия контактов на надежность работы контактных аппаратов управления;

причины возникновения аварийных режимов в схемах электроустановок и применяемые при этом классы защитной аппаратуры;

сравнительную оценку электрических контактных аппаратов и полупроводниковых электронных аппаратов, используемых в схемах управления, регулирования и защиты электроустановок.

В итоге изучения дисциплины студент должен уметь:

правильно выбирать электрические и электронные аппараты управления и защиты, исходя из конкретных условий работы электроустановок;

уметь находить основные причины возникновения неисправностей электрических аппаратов и устранять их;

производить измерения основных паспортных характеристик электрических аппаратов, определяющих их пригодность для использования по назначению;

производить замену отказавших электрических и электронных аппаратов в схемах управления электроустановками;

составлять принципиальные электрические схемы по использованию электрических аппаратов в схемах управления электроприводами и других приемников электрической энергии.

Для изучения дисциплины «Электрические аппараты» необходимы знания курсов «Высшая математика», «Физика», «Теоретические основы электротехники». электрический магнитный полупроводниковый резистор

2. Процессы, протекающие в электрических аппаратах

2.1 Классификация электрических аппаратов

Электрический аппарат -- это электротехническое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электрической энергии.

Классификация электрических аппаратов:

- электромеханические;

- статические;

- гибридные.

Классификация по назначению:

1. Коммутационные аппараты распределительных устройств служащих для включения и выключения электрических цепей (рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагрузки, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители).

Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и выключение.

2. Ограничивающие аппараты предназначены для ограничения токов короткого замыкания (КЗ) (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Аппараты редко подвергаются большим нагрузкам.

3. Пускорегулирующие аппараты предназначены для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или других потребителей электрической энергии (контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты).

Аппараты для контроля заданных электрических или неэлектрических параметров (реле, датчики).

Аппараты для измерений (трансформаторы, емкостные делители напряжения).

Электрические регуляторы предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону.

Требования к электрическим аппаратам:

При номинальном режиме работы температура токоведущих элементов не должна превосходить рекомендуемых нормативными документами значений.

Короткие замыкания не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения короткого замыкания.

Электрические аппараты, предназначенные для частого включения и выключения, должны иметь высокую износостойкость и их контакты должны быть рассчитаны на этот режим.

Изоляция должна выдерживать перенапряжение и обладать определенным запасом, учитывая ухудшение свойств изоляции с течением времени.

Каждому аппарату предъявляется ряд специфических требований, таких как высокая надежность.

2.2 Формулы для расчета магнитной цепи

Закон Ома для магнитной цепи.

Магнитная цепь состоит из участков ферромагнитных материалов и воздушных зазоров. Каждый из участков оказывает некоторое сопротивление по прохождению магнитного потока. Сопротивление участка ферромагнитного материала:

R_µ =l /м?S_м, (1)

где l - длина участка,

S_м - сечение участка магнитопровода,

м - магнитная проницаемость.

Сопротивление воздушных зазоров:

R_д = д ? (?S_д ) (2)

где д - длина зазора,

м₀ - магнитная проницаемость для воздуха;

S_д - сечение зазора.

Общий поток замкнутой магнитной цепи равен МДС умноженной на магнитную проводимость.

Ф=F/R_м + R _д =F (3)

По аналогии с электрической цепью магнитное сопротивление участка конечной длины можно представить в виде

R _м =1/м_a • l/S = с_м • l/S (4)

где с_м - магнитное сопротивление единицы длины магнитной цепи при сечении, также равном единице.

При расчете магнитной цепи часто более удобным является введение величины, обратной сопротивлению -- магнитной проводимости

G=1/R _м=(м_a • S)/l (5)

уравнение имеет вид:

?Ф_i• 1/G_i =? F_j (6)

Для простейшей неразветвленной цепи с проводимостью

Ф• 1/G=I•щ (7)

или

Ф= I•щ?G (8)

Магнитная проводимость является сложной нелинейной функцией индукции. Зависимость относительной магнитной проводимости а следовательно и магнитной проводимости от величины индукции для магнитного мягкого материала. В слабых и сильных полях магнитное сопротивление материала резко возрастает. Изменения магнитного сопротивления от индукции сильно затрудняет решение как прямой, так и обратной задачи.

В рабочем зазоре поток проходит через воздух, магнитная проводимость является постоянной величиной. Для прямоугольных и круглых полюсов при малом зазоре поле можно считать равномерным и проводим легко определение

G=м₀•S/д, (9)

где д - длина зазора,

S - сечение потока в зазоре.

Уравнением можно пользоваться только при относительно малых зазорах. При больших зазорах у краёв полюсов возникает дополнительный поток. В результате при данном значении разности магнитных потенциалов полный поток из полюса увеличивается. Магнитная проводимость, равная отношению потока к разности магнитных потенциалов возрастает.

2.2.1 Магнитная цепь, приводы электрических аппаратов. Рабочий магнитный поток, поток рассеивание

Электромагниты нашли в аппаратостроении широкое применение и как элемент привода аппаратов. Намагничивающая катушка создает МДС, под действием которой возбуждается магнитный поток. Этот поток замыкается как через зазор д, так и между частями магнитной цепи, имеющими различный потенциал. Воздушный зазор д, меняющийся при перемещении якоря, называют рабочим зазором, а поток, проходящий через рабочий зазор, называется рабочим потоком и обозначается Ф. Все остальные потоки в магнитной цепи называются потоками рассеяния Ф. Сила развиваемая якорем электромагнита определяется потоком в рабочем зазоре д.

Магнитная цепь -- совокупность деталей , в том числе и воздушных зазоров, через которые замыкается магнитный поток. Он характеризуется следующими параметрами:

1. Магнитный поток Ф

2. Магнитной индукцией B=Ф/S

3. Напряжением магнитного поля H(A/n)

4. Магнитной проницаемостью м=B/H

5. Магнитной проницаемостью вакуума м₀ =4H•10 ^-7

6. МДС F=i?щ

7. Магнитной проводимостью

2.2.2 Прямая и обратная задачи при расчетах магнитных цепей

Задачей расчета магнитной цепи является либо определение МДС катушки, необходимой для создания рабочего потока заданной величины (прямая задача), либо определение рабочего потока по известной МДС катушки (обратная). Эти задачи могут быть решены с помощью 2-х законов Кирхгофа, применяемых к магнитной цепи.

1. (10)

2. (11)

Выражение 1 используется при расчетах магнитных цепей, если заданы кривая намагничивания B=f(H) . Выражение 2 используется если известно удельное магнитное сопротивление материала магнитопровода с_м.

Согласно 1-ому закону Кирхгофа для магнитного контура алгебраическая сумма потоков в узле магнитной цепи равна 0.

Падение магнитного потенциала по замкнутому контуру равно сумме МДС, действующему в этом контуре.

Второй закон Кирхгофа можно получить из закона полного тока

(12)

где H - напряженность магнитного поля;

dl -элемент длины контура, по которому производится интегрирование;

- МДС, действующее в контуре.

Помня что запишем в виде

или

(13)

где S - сечение магнитной проводимости

м_a - абсолютная магнитная проводимость.

2.3 Электродинамические усилия (ЭДУ)

При коротком замыкании через токоведующую часть аппарата могут проходить токи в десятки раз превышающие номинальные.

При взаимодействии этих токов с магнитным полем других токоведущих частей аппарата создаются электродинамические усилия (ЭДУ). Эти усилия стремятся деформировать как проводники токоведущих частей, так и изоляторы, на которых они крепятся. При номинальных токах эти усилия малы и ими можно пренебречь.

A B C

самый тяжелый режим работы

Рисунок 1 Электродинамические усилия проводников

Электродинамической стойкостью аппарата называется его способность противостоять ЭДУ, возникающая при прохождении токов к.з. Эта величина может выражаться либо амплитудным значением тока i_дин , либо кратностью

k_дин=i_дин/?2•I_ном (14)

Иногда электродинамическая стойкость оценивается действующим значением только за один период ( при f=30 Гц, Т=0,02) после начала к.з.

2.3.1 Методы расчета электродинамических усилий

Для расчета ЭДУ используется 2 метода.

В первом ЭДУ определяется как результат взаимодействия проводника с током и магнитного поля по правилу Ампера

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2 Определение направления действия магнитной индукции.

- угол между векторами dl и индукцией B , измеренной по кратчайшему расстоянию между ними. Направление индукции в создаваемом другим проводнике распределяется по правилу Буравчика, а направление усилия по правилу левой руки. Если б=90° то Описанный метод рекомендовано применять только тогда, когда индукцию можно определить в любой точке аналитически, используя закон Био-Савара-Лапласа:

?B=

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 3 Определение магнитного поля

Магнитное поле удовлетворяет принципу суперпозиции: если магнитное поле создается несколькими проводниками с током, то индукция результирующего поля , есть векторная сумма индукции полей, создаваемых каждым проводником компонент провода ?l по которому течет ток I создает в вакууме( или в среде с магнитной проницаемостью м=1 ). В некоторой точке магнитное поле, индукция которого ?B обратно пропорциональна квадрату расстояния r от компонента тока до точки наблюдения.

Второй метод основан на использовании энергетического баланса системы проводников с током, если пренебречь электростатической энергией системы и принять что при деформации токоведущих контуров или их перемещении под действием ЭДУ токи в них неизменны, то усилия можно найти по уравнению -энергетическая формула (14)

- W - электромагнитная энергия

- x - возможное перемещение направленного действия.

Усилие определяется частной производной от электромагнитной энергии данной системы по координате в направлении которой оно действует.

Электромагнитная энергия системы обусловлена как энергия магнитного поля, каждого изолированного контура, так и энергией, определяющей связью между контурами. Для взаимодействия контуров

W= (15)

где L ₁ L ₂ - индуктивности изолируемых контуров

- i₁, i₂ токи протекающие в них

- М - взаимная индуктивность

Первые два члена уравнения определяют энергию независимых контуров, а третий определяет энергию обусловленную их магнитной связью. Уравнение позволяет рассчитать как усилие, действующее в изолированном контуре, так и усилие взаимодействия контура как с одним, так и с другим.

p= (16)

Энергия взаимодействия 2-х контуров

(17)

Если ЭДУ определяется методом энергетического баланса, направленные усилия находят из следующих соображений: положительному направлению усилия соответствует возрастание энергии системы

(18)

Таким образом усилие, действующее на токоведущие части направлено так, чтобы электромагнитная энергия системы возрастала

(19)

- электромагнитная энергия кольцевого контура

где ш - потокосцепление

- Ф - магнитный поток

- щ -число витков в контуре

В этом случае ЭДУ действует по радиусу, растягивая контур, при этом индуктивность, потокосцепление и 2-х витках или катушках с разными направлениями токов ЭДУ направленными так, чтобы отбросить витки друг от друга, т.к. потосцепление увеличивается с ростом расстояния. Если токи текут в одинаковом направлении, то витки притягиваются.

2.3.2 Расчет ЭДУ между параллельными витками

Рисунок 4 Электродинамическое усилие между параллельными витками

Полная индукция от проводника l , в месте расположения элемента dx

(20)

Перейдем к переменной б

; ; (21)

После подстановки y, r, dy получим:

(22)

Усилия взаимодействия между проводником l1 элементом x:

(23)

После подстановки получаем:

(24)

(25)

- k - коэффициент контура, зависящий только от размеров проводника и их расположения, если расстояние между проводником значительно меньше их длины, то (случай бесконечно длинных шин), тогда погрешность не превышает 5%.

(26)

- для проводников k_ф коэффициент формы, который определяется по кривым Двайта.

2.4 Контактные явления в электрических аппаратах

Электрический контакт -- это соприкосновение тел, обеспечивающее протекание тока в электрической цепи. Соприкасающиеся тела называются контактами или контакт деталями.

Классификация электрических контактов по виду соединения:

1. Взаимонеподвижные: разъемные (болтовое соединение), неразъемные (сварные, паянные, напыленные).

2. Взаимоподвижные: неразмыкающиеся - предназначены для осуществления передачи электрической энергии с неподвижных частей установки на подвижную или наоборот, щёточные, скользящие, жидкометаллические, роликовые, размыкающиеся, расходящиеся в процессе работы: мостиковые контакты, розеточные, щёточные, пальцевые или ножевые с плоскими пружинами.

Как бы тщательно не были обработаны поверхности соприкосновения контактов электрический ток проходит между ними только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, т.к. получить абсолютно гладкую поверхность невозможно. Благодаря нажатию одного контакта на другой вершины выступов деформируются и образуются площадки действительного касания контактов.

Рисунок 5 Площадка действительного касания контактов

Предположим что имеется одна площадка касания с радиусом а . Радиус а можно найти из формулы :

(27)

где P_конт - сила контактного нажатия

д -временное сопротивление на смятие материалов контакта .

В результате стягиваний линий тока к площадке, их длина увеличивается, а сечение проводника уменьшается, что вызывает увеличение сопротивления.

Сопротивление в области площади касания, обусловленное явлениями стягивания линиями тока называются переходным сопротивлением стягивания контакта:

(28)

- при упругой деформации

- удельное сопротивление материала контакта

для одноточечных только что зачищенных контактов:

меди -

серебра-

стали-

Сопротивление зависит и от обработки поверхности.

- сопротивление, обусловленное окислением поверхности касания .

(29)

Плёнки особенно опасны для контактов на малые токи когда силы нажатия и пятна малы.

Экспериментальные исследования и расчет переходного сопротивления ведутся только зачищенными контакт сильноточных контуров пленка разрушается, либо благодаря большим нажатиям, либо за счет проскальзывания одного контура относительно другого.

В процессе переходное сопротивление контактов не остается постоянным под воздействием кислорода, других газов, повышения температуры, интенсивность образования пленки растёт, при этом переходное сопротивление контакта, падение напряжения на нем и его температура растут. При определенных значительных напряжении и температуры происходит электрический пробой пленки, после чего сопротивление контакта падает, это явление называется фриттингом.

2.4.1 Эрозия контактов

В процессе включения по мере приближения подвижного контакта к неподвижному возрастает напряженность электрического поля между ними. При определенном расстоянии между контактами произойдет пробой между ними. Электрическая дуга при пробое не возникает, т.к. Подвижный контакт продолжает двигаться и замыкая промежуток прекращает разрядные процессы. Однако при пробое электроны бомбардируют контакт с положительным потенциалом -- анод и его материал переходит на катод, откладываясь на нем в виде игл. Износ контактов в результате переноса материала с одного контура на другой, т.е. Испарения в окружающее пространство без изменения состава материала называется физическим износом или эрозией. Она же при замыкании контактов невелика, но при малых нажатиях при малых воздушных зазорах она может привести их к привариванию.

2.4.2 Коррозия

Высокая температура приводит к окислению и распылению материала контактов в окружающем пространстве, переносу материала с одного электрода на другой и образованию плёнок. Всё это влечет за собой износ контактов.

Износ, связанный с окислением и образованием на пленках химических соединений материала контактов со средой, называется химическим износом или коррозией.

2.4.3 Вибрация контактов

При включении электрических аппаратов в их контактных системах могут иметь место следующие процессы:

Вибрация

Эрозия

Рисунок 6 Осциллограмма включения цепи

- напряжение на контактах.

- x перемещение подвижного контакта

Пусть контурное соприкосновение в точке А, напряжение на контактах стало равно нулю, ток стал равен I (приняли индуктивность цепи =0).

После касания подвижный контакт продолжает движение влево за счет инерции подвижных частей и деформации материала контакта. В точке B контакт останавливается начинается движение подвижного контакта вправо за счет упругих сил, возникающих из-за деформации контактов. Этот процесс идёт до точки С . В точке С цепь разрывается J=0 Контакт не останавливается, а продолжает движение по инерции до положения , после этого подвижный контакт под действием пружины снова стремится замкнуться и ток появляется в точке D , таким образом отброс контакта за счет упругих сил материала контактов равен , а за счет силы инерции . Если , то вибрация контактов не приводит к их размыканию после точки G .

При вибрации контактов происходит многократное образование электрической дуги, которая приводит к их сильному износу из-за оплавления и распыления материала контактов. В связи с износом контактов уменьшаются усилия их нажатия во включенном положении, что приводит к повышению переходного сопротивления.

Рисунок 7 Усилия на контакте

Для уменьшения вибрации создается предварительная деформация (натяг) контактной пружины при разомкнутых контактах . В момент касания контакта, усилие, возникающее с , а не с нуля. При включенном положении на контакт действует конечное нажатие .Однако при чрезмерно большом усилии вибрация может возрасти из-за недостаточной мощности включающего электромагнита. Увеличение жёсткости контактной пружины также не влияет на уменьшение вибрации, но слабее предварительного натяга).

Иногда между контактным рычагом и подвижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из пористого материала в виде губчатой резины способствующей затухнаию колебаний контура и уменьшению его вибрации).

Вибрационный контур усиливается с ростом их момента инерции (из-за этого масса контура должна быть минимальной).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 8 Изменение напряжения на контактах при их включении

Кривая 3 иллюстрирует изменение напряжения на контактах при их включении. Время вибрации контактов от удара между собой , удар якоря электромагнита, перемещающего контакт о неподвижный сердечник вновь вызывает вибрацию подвижного контакта(t2).

Для снижения силы удара якоря о сердечник тяговая характеристика электромагнита не должна сильно превышать противодействие. С целью снижения вибрации от удара якоря магнитопровод электромагнита крепится на пружинах амортизатора.

Рисунок 9 Измерение сопротивления контакта

Контакты должны быть замкнуты

2.4.4 Материалы контактов и требования , предъявляемые к ним

Требования:

1. Высокие электропроводимость и теплопроводность.

2. Высокая коррозионная стойкость в воздушных и других средах.

3. Стойкость против образования плёнок с высоким электрическим сопротивлением.

4. Малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия.

5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях.

6. Малая эррозия.

7. Высокая дугостойкость (температура плавления).

8. Высокие значения тока и напряжение, необходимые для дугообразования.

9. Простота обработки, низкая стоимость.

Медь

Положительные свойства: высокие удельная электрическая проводимость и теплопроводность, достаточная твердость.

Недостатки: достаточно низкая температура плавления, при работа на воздухе покрывается слоем оксидов (имеющих высокое сопротивление), требует больших сил нажатия.

Для защиты меди от окисления электролитическим способом поверхность контактов покрывается слоем серебра 20-3- микрон.

Серебро

Положительные свойства: высокие электропроводность и теплопроводность. Пленка оксида серебра имеет малую механическую прочность и быстро разрушается при нагреве в контактной точке. Для работы достаточны малые нажатия.

Недостатки: малая дугостойкость и недостаточная твердость (при наличии дуги, и при частых включениях и отключениях).

Применяется в реле и контакторах до 20 А.

Алюминий

Положительные свойства: достаточно высокие электропроводность и теплопроводность.

Недостатки: Образование на воздухе пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением, низкая дугостойкость.

Малая механическая прочность.

Из-за наличия влаги в воздухе и оксидов медный и алюминиевый контакты образуют своеобразный гальванический элемент, под действием ЭДС элемента происходит электрохимическое разрушение контакта (электрохимическая коррозия).

Вольфрам

Положительные свойства: высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сваривания, высокая твердость.

Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок (требует большого нажатия).

В реле на малые токи с небольшим нажатием применяются стойкие против коррозии материалы: золото, платина, палладий и их сплавы.

Металлокерамические материалы

Рассматривая свойства металлов видим, что ни один из них не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к материалу контакта. Нельзя получить сплавы серебра и вольфрама, меди и вольфрама. (Для получения высокой электропроводности и дугостойкости).

Материалы, полученные методом порошковой металлургии (металлокерамики) сохраняют физические свойства входящих в них металлов. Дугостойкость обеспечивается вольфрамом или молибденом. Низкое переходное сопротивление контакта.используется в качестве второго элемента меди или серебра. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50 % используется для аппаратов защиты на большие токи к.з.

Для контактного аппарата высокого напряжения наиболее распространены металлокерамика:

КМК-А60

КМК-Б20

КМК-А62КМК-Б21

Применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры, зато в эксплуатации эти затраты окупаются за счет увеличения срока службы аппарата и повышения прочности.

2.4.5 Герметизированные контакты (герконы)

Наименее надежным узлом реле является контактная система. Электрическая дуга или искра, образующаяся при замыкании или размыкании контакта, приводит к их быстрому разрушению. Этому способствуют окислительные процессы и покрытие контактных поверхностей слоем пыли, влаги, грязи. Существенным недостатком электромагнитного реле является также наличие трущихся механических частей (деталей), износ, а также инерционность, обусловленная значительной массой подвижных деталей. Это всё привело к созданию герконов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 10 Устройство геркона

Контактные сердечники 1 и 2 изготавливаются из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (герконов) и ввариваются в стеклянный герметичный баллон 3, баллон заполнен инертным газом азотом или азотом с 3% водородом. Баллон устанавливают в обмотке управления 4.

При подаче тока в обмотку, возникает магнитный поток F, который проходит по магнитному сердечнику 1, r через рабочий зазор между ними и замыкается по воздуху вокруг обмотки 4.

Магнитный поток при прохождении через рабочий зазор создает усилие, которая преодолевает упругость контакта сердечника соединяя их между собой. При отключении обмотки магнитный поток и электромагнитная сила спадают и под воздействием сил упругости контакты сердечника размыкаются.

Преимущества и недостатки герконов.

Преимущества:

1. Возможность работы в условиях повышенной влажности, запыленности.

2. Простота конструкции, малая масса и габариты, что позволяет автоматизировать их производство и снизить стоимость изготовления.

3. Высокое быстродействие позволяет использовать герконы при частоте коммутации до 1000 В сек

4. Отсутствие трущихся деталей.

5. Высокая электропрочность междуконтактного промежутка.

6. Гальваническая развязка цепей управления и коммутируемых цепей.

7. Возможность управления как электромагнитным полем, так и полем постоянного магнита.

8. Надежность работы в широком диапазоне температур (от -60 до +120).

9. Удобство согласования с современными изделиями микроэлектроники.

Недостатки:

1. Сравнительно низкая чувствительность по МДС.

2. Восприимчивость к внешним магнитным полям, что требует специальных мероприятий по защите от их воздействия.

3. Хрупкость стеклянного баллона, чувствительность к ударам и вибрациям, что требует специальных мер по амортизации мест установки геркона.

4. Значительное время вибрации контактов

5. Малая мощность коммутируемых цепей

6. Возможность самопроизвольного размыкания контактов при больших токах.

7. Недопустимое замыкание и размыкание контактов при питании обмотки током низкой частоты.

8. Значительный технологический разброс параметров.

Герконы широко используются в схемах автоматики и защиты, как логические элементы, преобразователи неэлектрических величин в электрические, как электромеханические усилители сигналов между полупроводниковыми устройствами и силовыми электрическими аппаратами.

2.5 Электрическая дуга

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 11 Возникновение дуги

Любой замкнутый контур запасает электромагнитную энергию

(30)

При размыкании цепи эта энергия расходуется на создание разряда между размыкающимися контактами. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют:

из процессов, происходящих в дуговом промежутке -- термическая ионизация и ионизация толчком.

Термоэлектродная эмиссия -- явление испускания электронов из накаленного электрода.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 12 Протекание дугового процесса

При расхождении контактов резко возрастают переходное сопротивление контакта и плотность тока в последней площадке контактирования. Эта площадка разогревается до расплавления и образования контактного перешейка из-за расплавленного металла, который при дальнейшем расхождении контактов рвётся, происходит испарение металлоконтактов. На отрицательном электроде образуется катодное пятно (раскаленная площадка), которая служит основанием дуги и очагом излучения электронов в первый момент расхождения контактов. Достаточно для возникновения электрической дуги, но недостаточно для её горения.

Автоэлектронная эмиссия -- явление испускания электронов из катода под воздействием сильного электрического поля.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 13 Протекание дугового процесса

Место разрыва электрической цепи может быть представлено как конденсатор переменной емкости. Емкость в начальный момент равна , затем убывает по мере расхождения контактов. Конденсатор заряжается и напряжение на нём растёт постепенно от нуля до напряжения сети. Ток автоэлектронной эмиссии также весьма мал и может служить только началом дугового разряда.

Ионизация толчком

Если свободный электрон будет обладать достаточной скоростью, то при столкновении с нейтральной частицей и большой температуре, которая имеет место области дугового столба скорость частицы возрастает до значения, при котором удар в нейтральный атом приводит к его ионизации. Такая ионизация называется термической. Она является основным источником электронов и ионов в дуге.

Зона столба дуги

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 14 Зоны столба дуги: где 1 -- околоанодная область 2 -- ствол(столб) дуги 3 -- околокатодная область

Околокатодная область -- занимает очень малое место. Около катода возникает положительный объёмный заряд, создаваемый положительными ионами, между этим зарядом и катодом создается электрическое поле с напряженностью до , в котором движутся электроны, вышедшие из катода и создающие электрический ток. Электрическое поле воздействует на электроны, увеличивая их скорость. Ввиду малой протяженности околокатодной области электроны не набирают скорости достаточной для ионизации удара. Действует ступенчатая ионизация. При ступенчатой ионизации необходим многократный удар электронов по атому, поэтому около катода носит электронный характер.

Область дугового столба.

Уравнение Саха:

(31)

Где х - степень ионизации, равная отношению числа ионизированных частиц к полному количеству;

p- абсолютное давление газов,(Па);

Т - абсолютная температура газов (К);

U_i - потенциал ионизации (В).

1. Если температура постоянная (), то учитывая что , то получается что

С ростом давления степень ионизации х- уменьшается. В связи с этим во многих дугогасящих устройствах электрических аппаратов создается повышенное давление газа, что способствует гашению дуги.

2. Очень сильное влияние на ионизацию влияет температура. Во всех дугогасящих устройствах стремятся отводить тепло от дуги за счёт либо охлаждения движущимся воздухом или газом (воздушный, масляные выключатели), либо отдачей тепла стенкам дугогасительной камеры.

Околоанодная область

Вблизи анода создается отрицательный объёмный заряд, что вызывает появление околоанодного падения напряжения и повышения напряженности электрического поля. Околоанодное падение напряжения зависит от температуры анода, его материала и значения тока . Энергия, приобретенная электронами отдается аноду. Роль анода сводится к приему электронного потока из дугового столба. Околоанодное падение напряжения столь мало, что им можно пренебречь.

2.6 Поляризованные электромагниты

Рисунок 15 Устройство поляризованного электромагнита: 1-сердечник 2-якорь 3-поляризующий магнит 4-обмотка

2.7 Автоматические выключатели (автоматы)

Рисунок 16 Устройство автоматического выключателя: 1 Дугогасительные контакты 2 Дугогасительная камера 3 Основные контакты 4 Электромагнитное включение 5 Тепловой расцепитель (срабатывает только при токах перегрузки) 6 ,7,13 Механизм свободного расцепления 8,10 Расцепитель (токовая отсечка) срабатывает только при токах КЗ 9 Пружина. Обеспечивает скорость расхождения контактов. 11 Электромагнит дистанционного включения (независимый электромагнитный расцепитель) 12 Рукоятка включения

Автомат служит для отключения электрической цепи при ненормальных и аварийных режимах, перегрузках, КЗ, чрезмерном понижении напряжения питания. Также используются при редких включениях отключениях номинальных токов нагрузки.

Требования:

1 Токоведущая цепь должна пропускать номинальный ток в течении длительного времени.

2 Должен обеспечивать многократное отключение предельных токов КЗ. После этих отключений автомат должен быть пригоден к длительному пропусканию номинальных токов.

3 Для повышения электродинамической и электрической стойкости энергоустановок, уменьшение разрешений, вызываемых токами КЗ автоматы должны иметь малое время отключения.

2.8 Предохранители

Предохранители - аппараты, защищающие установки от токов КЗ.

Основными элементами являются плавкая вставка и дугогасительное устройство.

Требования:

- При КЗ предохранители должны работать селективно

- Характеристики предохранителей должны быть свободными

(32)

(33)

- пусковой ток.

При тяжелых условиях пуска в знаменателе вместо 1,5 надо ставить 1,6-2.

Плавкие вставки должны устанавливаться последовательно. В сети должны работать селективно, т.е должны перегорать вставки которые находятся ближе к КЗ, а не наоборот.

Для этого практически нужно чтобы ток вставки, расположенной ближе к месту КЗ был на 1-2 ступени ниже по шкале номинальных токов вставок.

Рисунок 17 Селективность защиты

2.9 Резисторы. Реостаты. Контроллеры

Реостатом называется аппарат, состоящий из набора резисторов и устройство с помощью которых можно регулировать сопротивление включенных резисторов. В зависимости от назначения различают следующие виды реостатов:

1 Пусковые - для пуска электродвигателей постоянного или переменного токов.

2 Пускорегулирующие - для пуска и регулирования частоты вращения электродвигателей постоянного тока.

3 Реостаты возбуждения - для регулирования токов в обмотке возбуждения.

4 Нагрузочные или балластные - для поглощения электрической энергии и регулирования нагрузки генератора.

Допустимую нагрузку проволоки или ленты сопротивления оценивают по допустимому току.

(34)

Материал используемый для изготовления резисторов и реостатов- манганин, константан, нихром, чугун, сталь, фехраль.

Резисторы могут изготовляться - бескаркасные, на теплоемком каркасе, рамочные, чугунные, литые и штампованные. Несколько элементов, собранных по определенной электрической схеме и объединенных в единый конструктивный узел, называется ящиком резисторов.

2.10 Реле времени с электромагнитным замедлением

Рисунок 18 РЭВ-800: 1 Якорь 2 Немагнитная прокладка 3 Обмотка катушки 4 Магнитопровод 5 Короткозамкнутая обмотка виде гильзы 6 Возвратная пружина

Время срабатывания реле можно плавно регулировать с помощью возвратной пружины. С увеличением сжатия этой пружины увеличивается электромагнитное усилие, необходимое для трогания якоря и определяется потоком магнитной цепи. При большем сжатии пружины поток трогания возрастает, следовательно возрастает время трогания.

Грубое регулирование вытяжки времени осуществляется изменением толщины немагнитной прокладки. Короткозамкнутая обмотка обеспечивает медленный спад потоков магнитной цепи.

Реле - это электрический аппарат дискретного действия предназначенный для коммутации цепей управления более мощных аппаратов, сигнализации, связи, а также для суммирования и разложения сигналов.

В реле при плавном изменении управляющего параметра до определенного заданного значения, управляемый параметр изменяется скачкообразно, при этом хотя бы один параметр должен быть электрическим.

2.11 Контакторы

Контактор - электрический аппарат предназначенный для коммутации силовых электрических цепей. Замыкание или размыкание контактов происходит под воздействием электромагнитного привода.

Контакторы различаются между собой:

1 По роду тока главной цепи (постоянный, переменный)

2 По роду тока цепи управления (управление постоянным, переменным токами)

3 По числу главных полюсов (от 1 до 5)

4 По номинальному току главных цепей: 4; 6,5; 10; 16; 25; 40; 63; 100; 160; 250; 400; 630; 1000; 2500 А.

5 По номинальному напряжению главной цепи на постоянное напряжение Uпост= 220, 440, 600 В; Uпер=380, 660 В.

6 По номинальному напряжению включающих катушек

Постоянное- 24, 48, 60, 110, 220;

Переменное- 24, 36, 110, 127, 220, 380, 660 В с частотой 50 Гц.

7 По наличию и исполнению вспомогательных контактов.

8 По роду присоединения проводников

9 По категории применения

10 По воздействию климатических факторов

11 По степени защиты

Рабочий ток при различных режимах определяется по формуле:

(35)

ПВ - относительная продолжительность включения

П - число включений в час

2.12 Магнитный пускатель

Магнитный пускатель - это электрический аппарат, предназначенный для пуска, остановки, реверсирования и защиты электрической нагрузки, в том числе и электрических двигателей.

Его отличие от контактора - наличие устройств защиты (тепловое реле) от токовых перегрузок.

2.13 Полупроводниковые электрические аппараты

Действие аппаратов основано на принципе использования полупроводниковых приборов, а именно в их способности находиться в 2-х устойчивых состояниях (проводящее, непроводящее), и быстро переходить из одного состояния в другое. Используются тиристоры и транзисторы.

Достоинства:

1 Отсутствие электрической дуги при коммутации цепи.

2 Высокое быстродействие (время срабатывания не более 50 мкс). У контактных аппаратов это время составляет десятые или сотые доли секунд.

3 Высокая надежность

4 Отсутствие механического износа

5 Отсутствие шума при коммутации и выброса раскаленных газов

6 Технологичность конструкций не требует обслуживания

7 Повышенный срок службы

Недостатки:

1 Не выдерживает больших перегрузок по току, что объясняется разрушающим действием высокой температуры на структуру полупроводниковых элементов.

2 Очень чувствительны к кратковременным перенапряжениям при коммутации цепи.

3 Большие потери энергии, выделяющиеся виде тепла, что требует принудительного охлаждения.

4 Наличие токов утечки в отключенном состоянии, поэтому для полного отключения дополнительно устанавливают контактные аппараты.

Рисунок 19 Управление по контакту Uз - запускающее напряжение

Тиристор начинает проводить ток только после подачи на управляющий электрод напряжения определенной длительности и амплитуды (запускающий сигнал). После снятия запускающего сигнала тиристор остается открытым, неограниченно долго, пока ток в анодной цепи Ia не станет меньше тока удержания. Поэтому при использовании тиристора не только для включения цепи, но и для размыкания, в цепи постоянного тока применяют прерывание тока в анодной цепи, или уменьшение его.

Рисунок 20 Работа тиристора Rн -нагрузка Uз- запускающее напряжение

В исходном положении на схеме тиристор закрыт, напряжение на Rн и С отсутствует. При подаче запускающего импульса Uз, через тиристор и Rн начинает протекать ток нагрузки, величина которого равна:

(36)

Одновременно начинает проходить ток заряда конденсатора через R1, величина тока равна:

(37)

Время заряда конденсатора определяется параметрами цепи заряда, т.е. оно равно:

(38)

Конденсатор заряжается до напряжения:

(39)

Таким образом тиристор в данном случае работает как контакт, замыкающий силовую цепь Rн. Для размыкания силовой цепи необходимо замкнуть Контакт S, при этом конденсатор начинает разряжаться через тиристор. Как только ток через тиристор станет меньше тока удержания, тиристор запирается. Нагрузка обесточивается, а анодный ток Ia=0, что равносильно выключению силовой цепи. Такая схема называется схемой естественной коммутации.

Рисунок 21 Схема естественной коммутации

Эта схема состоит из колебательного контура образованного элементами L и C и подключенного параллельно к тиристору. В исходном состоянии схемы конденсатор заряжен до напряжения источника питания. При подаче на тиристор Uз, он открывается и через него и нагрузку начинает протекать ток силовой цепи. Одновременно с этим начинается разряд конденсатора через тиристор. В колебательном контуре конденсатор после разряда начинает заряжаться за счет накопленной энергии индуктивности L. Во время этого полупериода ток заряда, протекающий через тиристор, будет направлен встречно току нагрузки. В тот момент, когда ток заряда конденсатора станет больше Iсз>Ia, тиристор запирается, отключая нагрузку от источника питания. Такая схема называется схемой искусственной коммутации. По сравнению с аппаратами постоянного тока, ПП аппараты переменного тока имеют более сложную структуру. Конструктивное исполнение этих аппаратов определяется их назначением, требованиями и условиями работы. Аппараты состоят из следующих функциональных блоков: Силовой блок, блок управления, блок датчиков и режимов работы, блок принудительной коммутации.

Рисунок 22 Обобщенная структурная схема полупроводникового контактора переменного тока 1 Силовой блок 2 Блок управления 3 Блок датчиков режимов работы 4 Блок принудительной коммутации

Силовой блок является исполнительным органом коммутации цепи нагрузки. Он содержит цепь защиты состоящую из C и R, а также встречно-паралельных включенных силовых тиристоров.

БУ формирует управляющие импульсы и обеспечивает их подачу на тиристоры, в момент перехода тока через ноль.

Если аппарат, кроме коммутации цепей, осуществляет еще и регулирование напряжения, схема блока управления усложняется за счет добавления системы фазового управления (СИФУ), обеспечивающая сдвиг импульсов управления на заданный угол по отношению к нулю.

Блок датчиков режимов работы содержит:

1 Измерительные датчики тока и напряжения

2 Реле защиты (различного напряжения)

3 Блок выработки логических команд и сигнализации.

Принудительная коммутация включает:

1 Конденсаторную батарею и схему заряда батареи.

2 Коммутирующие тиристоры

Через каждый тиристор при паралельновстречном включении протекает рабочий ток, составляющий Iср=0,95Iн, где Iн- номинальный ток.

2.14 Комбинированные контактные полупроводниковые аппараты

Рисунок 23 Комбинированный аппарат

Комбинированные аппараты содержат одновременно электромеханические контакты и силовую цепь с использованием силовых полупроводниковых приборов.

3. Лабораторные работы

В курсе изучения дисциплины проводятся следующие лабораторные работы:

№ 1. Изучение конструктивных особенностей электрических аппаратов

№ 2. Исследование магнитного пускателя

№ 3. Исследование теплового реле.

№ 4. Исследование электрических аппаратов в схеме управления многосекционным конвейером.

Методические указания к лабораторной работе № 1

«Изучение конструктивных особенностей электрических аппаратов»

1 Цель и программы работы

Целью работы является изучение конструктивных особенностей электрических и электронных аппаратов.

Программа работы:

Осмотр аппаратов, указанных в разделе 2, с целью ознакомления с назначением, конструктивными особенностями, условным обозначением на электрических схемах и их включением в электрическую цепь.

Подробное изучение конструкции, технических характеристик аппаратов, выбранных по шифру зачетной книжки студента (последней цифре) из таблицы 1 раздела 2.

1.3Составление схемы электрических цепей с использованием выбранных аппаратов.

2 Методические указания

При выполнении работы рекомендуется ознакомиться со всеми электрическими и электронными аппаратами, приведенными в таблице 1.

Кроме перечисленных, преподавателем могут быть дополнительно указаны для изучения и другие аппараты.

После установления назначения, основных характеристик и типа ап-парата, следует отыскать его по каталогу и дальнейшее изучение аппарата производить, пользуясь сведениями, приведенными в каталоге.

В ряде случаев изучение аппарата должно сопровождаться частичной его разборкой. Перечень аппаратов, подлежащих подробному изучению, указан в таблице 1.

В процессе подробного изучения необходимо выяснить назначение и устройство каждого узла и основных деталей конструкции аппарата.

Пользуясь плакатами электрооборудования промышленных механиз-мов, имеющимися в лаборатории, найти на электрических схемах изучаемые аппараты, выяснить выполняемые ими функции и совместную их работу с другими элементами схемы. При этом найти управляемые ими цепи и показать путь тока в цепях управления.

Составить упрощенную электрическую схему цепей с использованием аппаратов, выбранных для подробного изучения из таблицы, показывающую роль и функции, выполняемые этими аппаратами.

3 Содержание отчета

В отчете о работе необходимо:

указать назначение, тип и основные технические данные каждого из выбранных из таблицы аппаратов;

дать краткое описание конструкции аппарата;

привести эскиз аппарата, позволяющий судить о назначении, принципе действия и особенностях аппарата, а также изобразить условное обозначение аппарата на электрических схемах;

дать упрощенную электрическую схему, показывающую применение изученных аппаратов в электроустановках.

4 Контрольные вопросы

Назначение, принцип действия, устройство каждого из указанных в таблице аппаратов. Их обозначение на электрических схемах.

Пользуясь имеющимися в лаборатории плакатами электрооборудования промышленных установок, рассказать назначение аппаратов.

5 Указания по технике безопасности

Выполнение данной работы производится без включения аппаратов в электрическую сеть. Поэтому вопросы электробезопасности сводятся к выполнению общих мер и требований, указанных в инструкции по технике безопасности при проведении работ в лаборатории. Кроме того, при ознакомлении с аппаратурой и устройствами, входящими в схему электроснабжения лаборатории, убедиться в том, что оборудование отключено от сети (красная сигнальная лампочка на щите не должна гореть).

4. Контрольные задания и методические указания по выполнению для студентов всех форм обучения направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника»

Общие методические указания

К решению задач контрольного задания следует приступать только после изучения соответствующего раздела курса. При этом рекомендуется ознакомиться с ходом решения аналогичных задач по литературе, список которой дан в конце учебного пособия. Вариант выполняемой работы должен соответствовать шифру студента. Работы, выполненные не по своему варианту, не рассматриваются.