Класифікація електричних апаратів.

Класифікація електричних апаратів.

Класифікація електричних апаратів може проводитись по-різному. Це зв’язано з різноманітністю апаратів та функцій, які вони виконують, із суміщенням в одному апараті декількох функцій. По одній ознаці їх класифікувати дуже важко, бо ознак по яких можна розділяти або об’єднати апарати є багато: габарити, призначення, допустимі струми і напруги, температурні режими експлуатації, кліматичні умови та багато інших. Найбільш прийнятною є класифікація електричних апаратів по призначенню, що передбачає їх поділ на наступні великі групи:

1) комутаційні апарати – призначені для вмикання, вимикання та перемикання електричних кіл. Це рубильники, пакетні вимикачі, вимикачі навантаження, автоматичні вимикачі, перемикачі, роз’єднувачі.

2) захисні – для захисту електричних кіл від короткого замикання (запобіжники високої та низької напруги);

3) обмежуючі – для обмеження струмів короткого замикання (реактори) і перенапруги (розрядники);

4) пускорегулюючі – для пуску, регулювання частоти обертання, струму, напруги електричних машин та інших споживачів електроенергії (контактори, пускачі, силові і командні контролери, реостати);

5) контролюючі – це апарати для контролю заданих електричних і неелектричних параметрів (реле, датчики);

6) електричні апарати для вимірювань шляхом ізолювання первинних кіл від вторинних (трансформатори струму і напруги);

7) регулюючі електричні апарати – для автоматичного неперервного регулювання заданого параметра електричної сітки або автоматичного підтримування неперервної стабілізації.

- В границях однієї групи апарати поділяються на апарати низької напруги, як правило 660 В, і високої (вище 1000 В або 3000 В).

- По виду струму розрізняють апарати:

змінного струму;

постійного струму;

промислової частоти; високої частоти(відбійні молотки).

- По роду захисту від оточуючого середовища апарати ділять на ті, що працюють у відкритому середовищі, закритому, водозахисному, вибухонебезпечному, на повітрі.

- По способу дії (електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні, теплові і т.п.).

- По принципу роботи апарати розділяють на контактні і безконтактні. Контактні мають рухомі контакти; безконтактні діють на принципі зміни їх параметрів: індуктивності, ємності, електричного опору.

- Апарати можна поділити на автоматичні, що діють в залежності від заданого режиму, і ручного перемикання, що працюють від волі оператора.

Перехідний опір контактів.

У зоні переходу струму з одного тіла в інше має місце відносно великий електричний опір, названий перехідним опором контакту.

Електричне контактування – вельми складне явище. Контактні поверхні

завжди мають деяку шорсткість і, як правило, завжди покриті плівками, які утворюються під впливом кисню повітря, озону, азоту та інших хімічних реагентів. Плівки мають товщину приблизно до 10~6 см і питомий опір ρ = 105 Ом-см. Металеве контактування здійснюється не по всій поверхні, а лише в небагатьох точках. Плівка, що є на поверхні металу, може бути в одних випадках продавлена силою, що стискає контакти, в інших – пробита під впливом різниці електричних потенціалів. У місці пробою може утворитися металевий перешийок, що проводить електричний струм. Явище пробою плівки при деякій напрузі називається фріттінгом. Воно полягає в тому. що при деякому (пороговому) значенні напруги, залежному від вигляду і товщини плівки, опір її різко падає. Відбувається електричний пробій плівки, що завершується утворенням в ній тонкого металевою провідника, який може залишитися після зняття напруги. У місцях чисто металевого контактування розвиваються великі сили міжмолекулярних і міжатомних зв'язків. Чисто металеве контактування – явище рідкісне. Такий контакт при значній площі стикання поверхонь неможливо було б розірвати тими силами, які реально існують в електричних апаратах. Ймовірно, чисто металеве контактування можемо спостерігатися лише в місцях дуже вузьких металевих перешийків, які можуть утворитися при пробої плівок і розвиватися, наприклад, під впливом електростатичних сил. Явища електричного контактування остаточно ще не вивчені.

Перехідний опір () можна уявити собі як місце звуження перерізу матеріалу і різкого підвищення густини струму, в порівнянні з густиною стуму в тілі контакту. Експериментально встановлено, що існує зв’язок: , де - деяка величина, що залежить від матеріалу обробки і стану контактної поверхні. - сила натискання; n – показник, що характеризує кількість точок контактування.

Із збільшенням їх кількості контактний опір зменшується. Встановлено, що n=0.5 для одноточкового контакту, n=0.7÷1 для лінійного контакту, n=1 для поверхневого контакту.

дуже сильно залежить від степені окислення. Для неокислених має такі значення (в Ом/Н): мідь – 1.0·10^-3 латунь – 6.7·10^-3 алюміній – 1.6·10^-3 сталь – 7.6·10^-3

Поверхневий ефект.

Поверхневий ефект зумовлений тим, що змінний струм збуджує в провіднику неоднорідне по його перерізу магнітне поле, що викликає різну величину вихрового струму, напрямленого проти основного струму. Це призводить до того, що опір провідника збільшується, оскільки струм виштовхується до поверхні. З підвищенням температури провідність матеріалу зменшується, значить, поверхневий ефект спадає.

Ефект близькості.

Ефект близькості полягає в тому, що магнітне поле одного провідника впливає на магнітне поле іншого провідника, розташованого поруч. Взаємовплив полів струмів цих провідників теж призводить до змін електричного опору провідника. Тому при змінному струмі: (4.3)

де – коефіцієнт додаткових втрат;

– поверхневого ефекту (росте із ростом частоти і провідності);

– коефіцієнт близькості (росте в провідниках із феромагнетика).

Теплопровідність.

Теплопровідність – це властивість матеріалу передавати теплоту від більш нагрітих місць до менш нагрітих. Передача теплоти може відбуватися всередині одного тіла, між двома дотичними тілами і між двома тілами, розділеними третім.

Кількість теплоти Q, що проходить за одиницю часу t від більш нагрітої ділянки до менш нагрітої, пропорційна площадці (перерізу) S, через яку передається теплота, перепаду температури (Θ1 - Θ2)/ δ в напрямку, перпендикулярному площадці, і залежить від теплопровідних властивостей

середовища λ: Q=

де δ – товщина стінки (рис. 30).

Рис. 30 – Передача теплоти через плоску стінку

(теплота поширюється тільки в одному напрямку);

(Ф0 – густина теплового потоку)

Теплопровідні властивості середовища характеризуються коефіцієнтом

теплопровідності, який чисельно дорівнює кількості теплоти, що проходить

через площадку 1 м2 протягом 1 секунди при перепаді температури 1 К/м. Цей коефіцієнт позначають λ і вимірюють у Ватах на метр – кельвін.

Конвекція.

Конвекція – це перенесення тепла, пов’язане з переміщенням мікро-об’ємів нагрітого газу або рідини. При природній конвекції рух охолоджуючого газу або рідини відбувається за рахунок різниці щільностей нагрітих і холодних об’ємів газу або рідини. При штучній конвекції рух охолоджуючого середовища здійснюється за допомогою вентиляторів або насосів. Кількість тепла, що віддається тілом за рахунок конвекції, визначається у найпростішому випадку з рівняння:

,

де Ф_к – тепло, що віддається за 1с з поверхні S; a_к – коефіцієнт теплопередачі під час конвекції, яке зменшується за 1 с з поверхні в 1 м² при різниці температур поверхні і охолоджуючого середовища; q₂ – температура охолоджуваної поверхні; q₁ – температура охолоджуючого середовища; S – поверхня, що охолоджується.

Газ чи рідина, що стикаються з поверхнею нагрітого тіла (апарата), нагріваються з цієї поверхні. Нагрівання дотичних шарів відбувається за рахунок теплопровідності. Нагріті шари – легші, ніж сусідні, більш холодні шари навколишнього середовища, – піднімаються вгору, несуть відібрану від нагрітого тіла теплоту. Зазначений фізичний процес називається тепловіддачею через конвекцію.

Якщо швидкість руху часток охолоджуючого середовища визначають

тільки ступенем їхнього нагрівання на поверхні гарячого тіла, то конвекція

називається природною.

Якщо швидкість руху часток охолоджуючого середовища задається

примусово (за допомогою вентиляторів, насосів), то конвекція називається штучною.

Теплове випромінювання.

Випромінювання – це процес переносу теплової енергії від нагрітого тіла до тіл, що розташовані в навколишньому просторі. Процес здійснюється електромагнітними коливаннями з різною довжиною хвилі. Найбільше переносять теплову енергію інфрачервоні промені (довжина хвилі 0,8. 40 мкм), менше – світлові промені (довжина хвилі 0,4. 0,8 мкм).

Фізичні властивості теплових і світлових променів подібні. І ті й інші

поширюються зі швидкістю світла, здатні переломлюватися і відзеркалюватися при зустрічі з якимись поверхнями.

Поверхню, що відбиває від себе всі падаючі на неї промені, називають

абсолютно білою поверхнею. Поверхню, що повністю поглинає всі падаючі на неї промені, називають абсолютно чорною. Випромінювальна здатність інших тіл порівнюється з випромінювальною здатністю абсолютно чорного тіла як еталоном.

Кількість теплоти, що випромінюється з поверхні нагрітого тіла за секунду, визначають формулою

де Кл – коефіцієнт випромінювання, Θ1 – температура нагрітого тіла, К;

Θ2 – температура тіл, на які падають промені, К.

Короткозамкнений виток.

Короткозамкнений виток, який охоплює частину магнітопровода, служить для зсуву по фазі частини потока.Ето робиться для того, щоб у сумарному магнітному потоці не було нульових значень (при переході напруги через 0), і відповідно не було вібрації.

Цим витком магнітопровід реле поділяється на дві частини - зовнішню і внутрішню. По кожній з цих частин проходить половина магнітного потоку котушки φк / 2 (якщо короткозамкнений виток охоплює половину перетину сердечника). В першу чверть періоду φк / 2 (рис. 12, б) зростає і має позитивний напрям. Магнітний потік короткозамкнутого витка φкз перешкоджає збільшенню потоку φк / 2 і спрямований у протилежний бік (має від'ємне значення).

У другу чверть періоду магнітний потік φк / 2 убуває і магнітний потік короткозамкнутого кільця φкз перешкоджає його убуванню (направлений в ту ж сторону). Потік витка φкз відстає від потоку котушки на чверть періоду.

Викреслити синусоїду φкз і склавши її з синусоїдою φк / 2, отримаємо сумарну синусоїди магнітного потоку в зовнішній частині магнітопровода φн.

У внутрішній частині магнітопровода створюється магнітний потік тільки котушкою φк / 2 = φвн.

Порівнюючи синусоїди φн з φвн, можна зробити висновок, що нульові значення вони мають в різний час.

Коли φвн = 0 і сила тяжіння якоря потоком внутрішньої частини сердечника відсутній, то φн ≠ 0 (якір утримується магнітним потоком зовнішній частині сердечника). Коли φн = 0, то φвн ≠ 0 "Якір електромагніту не буде вібрувати (відскакувати, і притягатися 100 раз в секунду, при частоті 50 Гц), а буде триматися.

Моторні реле часу

Для створення витримки часу 20-30 хвилин використовують так звані моторні реле часу, в склад яких входить електродвигун з заданою частотою обертання. Промисловістю випускається велика серія цих релена витримки часу від 1 с до 26 хв з різним виконанням контактів. Для пуску реле подається напруга на електромагніт 1 і двигун 2. З допомогою ручки 12 електромагніт без витримки часу включає муфту 3, 4 і замикає вихідний контакт 5. Через муфту і зубчасту передачу 6 двигун починає обертати диски 7 з кулачками 8 і 9, які діють на проміжні кулачки 10 і 11 і вихідні контакти 16 і 13. При дотику кулачків 8 і 10 останній повертається проти годинникової стрілки і дає можливість контактній пластині 14 опуститися вниз під дією сили пружності. При цьому контакт 16 розмикається. При дотику кулачків 9 і 11 останній повертається і звільняє пластину 15, що викликає замикання контакта 13. Витримка часу роботи контактів16 і 13 регулюється шляхом зміни початкового положення дисків 7. При знятті напруги з реле диски 7 повертаються в початкове положення з допомогою спіральної повертаючої пружини 17

Точність роботи реле . Реле дозволяє встановлювати різну витримку часу в п’яти незалежних колах. Вихідні контакти реле допускають довгий струм 10 А і при змінному струмі можуть відключати навантаження потужністю 800 ВА при напрузі 220 В і 100 Вт при тій же напрузі і індуктивному навантаженні постійного струму. Допустимі коливання напруги складають . Час повертання не більше 1 с.

 

 

Запобіжники плавкі

Запобіжник – комутаційний електричний апарат, призначений для захисту електричних кіл від струмових перевантажень і короткого замикання. Це – найпростіші і найпоширеніші електричні апарати, що захищають систему від перевантажень.

Запобіжники спрацьовують, як правило, від струмів, що мають величину від 1 мА до 1000А. вони поділяються на:

1) Запобіжники низької напруги(до 660 В при І=до 1000А)

2) 2) Запобіжники високої напруги(до 35 кВ при І=до 15кА)

Основними елементами запобіжника є:

-плавка вставка, що включається послідовно із колом, яке захищається;

-дугогасильний пристрій.

Запобіжники при спрацюванні проходять декілька стадій

1) нагрівання вставки до температури плавлення;

2) плавлення і випаровування вставки;

3) поява і гасіння дуги

Найбільш розповсюджені матеріали вставок: мідь, цинк, алюміній, плюмбум, срібло. Срібні вставки найбільш стабільні, але дорогі, цинк і плюмбум мають високу чутливість, але і високий опір.

Запобіжник працює в двох режимах, які різко відрізняються: в нормальних умовах і в умовах перевантажень і коротких замикань. В першому випадку нагрів вставки має характер усталеного процесу, при якому вся виділяючи в ньому теплота віддається в навколишнє середовище. При цьому крім вставки нагріваються до установленої температури і всі інші деталі запобіжника. Ця температура не повинна перевищувати допустимих значень. Струм, на який розрахована плавка вставка для довгої роботи, називають номінальним струмом плавкої вставки . Він може відрізнятися від номінального струму самого запобіжника

Зазвичай в один і той самий запобіжник можна вставити плавкі вставки на різні номінальні струми. Номінальний струм запобіжника, вказаний на ньому, рівний найбільшому із номінальних струмів плавких вставок, призначених для даної конструкції запобіжника.

Захисні властивості запобіжника при перевантаженнях нормуються. Наприклад, для запобіжника з плавкими вставками на номінальні струми 63-100А плавкі вставки не повинні перегоріти при протіканні струму 1,3 на протязі 1 години, і при струмі 1,6 повинні перегоріти за час до 1 години. При струмах, які перевищують струм плавлення, запобіжник повинен спрацювати відповідно до струмо-часової характеристики. Зі зростанням струму степінь прискорення перегорання плавкої вставки повинен зростати набагато швидше струму. Для отримання такої характеристики надають вставці спеціальну форму або використовують металургійний ефект, який полягає в тому, що багато легкоплавких металів здатні в розплавленому стані розчиняти деякі тугоплавкі метали…

 

 

Резистори, реостати

Резистор – самостійний елемент або вузол електричного апарата, призначений для поглинання електричної енергії шляхом перетворення її в теплову, а також для перегородки струму в колі. Виконується з матеріалу з високим подільним опором.

В вигляді самостійних елементів резистори можуть виготовлятися, без каркасними, на тепловому каркасі, рамочними, чугунними литимі і стальними штампованими.

Декілька резисторів, електрично з’єднані по заданій схемі і обладнані контактними зажимами для приєднання для приєднання в електричне коло, називаються блоком резисторів.

Блоки резисторів призначені для роботи в якості баластних, нагрівальних, додаткових пускових і пускорегулюючих, гальмівних, розрядних і тому подібних опорів і виконуються для роботи в колах змінного струму частотою 50 і 60 Гц на напругу до 660 В і в колах постійного струму на напругу 440 В. Як опір для заземлення нейтралі синхронних генераторів і трансформаторів, а також як гальмівні до синхронних двигунів вони виготовляються на напругу до 11 кВ відносно землі.

Резистор на теплоємному контурів вигляді циліндра або трубки йз теплостійкого матеріалу з достатньою діелектричною міцністю показано нижче.

Намотка на циліндрі забезпечує жорсткість конструкції і підвищує загальну теплоємність елемента за рахунок теплоємності циліндра.

Циліндр має гвинтоподібний жолобок, глибина і крок його залежить від діаметра прокладаючої проволоки. Застосовується проволока(проміжок) діаметром 0,3-2 мм. Осьовий отвір служить для кріплення в ящиках-циліндр одягається на стержень. За умовами технології циліндри виготовляються невеликих розмірів на малі потужності.

Для проміжків малих діаметрів застосовуються циліндри без жолобків. Для покращення тепловіддачі і захисту від сповзання резистори покриваються зверху шаром емалі або скла. Вони виготовляються на потужності 5-150 Вт і опір 1Ом-150кОм з глибокими і жорсткими виводами, не регулюючі і регулюючі

Реостатом називається апарат, який складається з нобору резисторів і пристрою, з допомогою якого можна регулювати опір включених резисторів.

В залежності від призначення розрізняють наступні основні види реостатів:

Пускові –для пуску електродвигунів постійного і змінного струму;

Пускорегулюючі –– для пуску і регулювання частоти обертання електродвигунів постійного струму;

Реостати збудження – для регулювання струму в обмотках збудження електричних машин постійного і змінного струму;

Навантажні або баластні – для поглинання електроенергії регулювання навантаження генераторі при випробуванні самих генераторів або їх первинних деталей.

Одним із основних елементів, які визначають загальне конструктивне виконання реостата, є матеріал, з якого виготовлені його резистори. В залежності від цього розрізняють реостати металічні, рідинні, вугільні і керамічні. В резисторах електрична енергія перетворюється в теплову, яка повинна від них відводитися, розрізняють реостати з повітряним і рідинним (масляним або водяним) охолодженням. Повітряне охолодження може застосовуватися для всіх конструкцій реостатів. Масляне і водяне охолодження використовується для металічних реостатів, резистори можуть або занурюватися в рідину, або обтікати нею. При цьому потрібно пам’ятати, що охолоджуюча рідина повинна і може охолоджуватись як повітрям, так і рідиною.

 

 

Класифікація електричних апаратів.

Класифікація електричних апаратів може проводитись по-різному. Це зв’язано з різноманітністю апаратів та функцій, які вони виконують, із суміщенням в одному апараті декількох функцій. По одній ознаці їх класифікувати дуже важко, бо ознак по яких можна розділяти або об’єднати апарати є багато: габарити, призначення, допустимі струми і напруги, температурні режими експлуатації, кліматичні умови та багато інших. Найбільш прийнятною є класифікація електричних апаратів по призначенню, що передбачає їх поділ на наступні великі групи:

1) комутаційні апарати – призначені для вмикання, вимикання та перемикання електричних кіл. Це рубильники, пакетні вимикачі, вимикачі навантаження, автоматичні вимикачі, перемикачі, роз’єднувачі.

2) захисні – для захисту електричних кіл від короткого замикання (запобіжники високої та низької напруги);

3) обмежуючі – для обмеження струмів короткого замикання (реактори) і перенапруги (розрядники);

4) пускорегулюючі – для пуску, регулювання частоти обертання, струму, напруги електричних машин та інших споживачів електроенергії (контактори, пускачі, силові і командні контролери, реостати);

5) контролюючі – це апарати для контролю заданих електричних і неелектричних параметрів (реле, датчики);

6) електричні апарати для вимірювань шляхом ізолювання первинних кіл від вторинних (трансформатори струму і напруги);

7) регулюючі електричні апарати – для автоматичного неперервного регулювання заданого параметра електричної сітки або автоматичного підтримування неперервної стабілізації.

- В границях однієї групи апарати поділяються на апарати низької напруги, як правило 660 В, і високої (вище 1000 В або 3000 В).

- По виду струму розрізняють апарати:

змінного струму;

постійного струму;

промислової частоти; високої частоти(відбійні молотки).

- По роду захисту від оточуючого середовища апарати ділять на ті, що працюють у відкритому середовищі, закритому, водозахисному, вибухонебезпечному, на повітрі.

- По способу дії (електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, індукційні, теплові і т.п.).

- По принципу роботи апарати розділяють на контактні і безконтактні. Контактні мають рухомі контакти; безконтактні діють на принципі зміни їх параметрів: індуктивності, ємності, електричного опору.

- Апарати можна поділити на автоматичні, що діють в залежності від заданого режиму, і ручного перемикання, що працюють від волі оператора.

Перехідний опір контактів.

У зоні переходу струму з одного тіла в інше має місце відносно великий електричний опір, названий перехідним опором контакту.

Електричне контактування – вельми складне явище. Контактні поверхні

завжди мають деяку шорсткість і, як правило, завжди покриті плівками, які утворюються під впливом кисню повітря, озону, азоту та інших хімічних реагентів. Плівки мають товщину приблизно до 10~6 см і питомий опір ρ = 105 Ом-см. Металеве контактування здійснюється не по всій поверхні, а лише в небагатьох точках. Плівка, що є на поверхні металу, може бути в одних випадках продавлена силою, що стискає контакти, в інших – пробита під впливом різниці електричних потенціалів. У місці пробою може утворитися металевий перешийок, що проводить електричний струм. Явище пробою плівки при деякій напрузі називається фріттінгом. Воно полягає в тому. що при деякому (пороговому) значенні напруги, залежному від вигляду і товщини плівки, опір її різко падає. Відбувається електричний пробій плівки, що завершується утворенням в ній тонкого металевою провідника, який може залишитися після зняття напруги. У місцях чисто металевого контактування розвиваються великі сили міжмолекулярних і міжатомних зв'язків. Чисто металеве контактування – явище рідкісне. Такий контакт при значній площі стикання поверхонь неможливо було б розірвати тими силами, які реально існують в електричних апаратах. Ймовірно, чисто металеве контактування можемо спостерігатися лише в місцях дуже вузьких металевих перешийків, які можуть утворитися при пробої плівок і розвиватися, наприклад, під впливом електростатичних сил. Явища електричного контактування остаточно ще не вивчені.

Перехідний опір () можна уявити собі як місце звуження перерізу матеріалу і різкого підвищення густини струму, в порівнянні з густиною стуму в тілі контакту. Експериментально встановлено, що існує зв’язок: , де - деяка величина, що залежить від матеріалу обробки і стану контактної поверхні. - сила натискання; n – показник, що характеризує кількість точок контактування.

Із збільшенням їх кількості контактний опір зменшується. Встановлено, що n=0.5 для одноточкового контакту, n=0.7÷1 для лінійного контакту, n=1 для поверхневого контакту.

дуже сильно залежить від степені окислення. Для неокислених має такі значення (в Ом/Н): мідь – 1.0·10^-3 латунь – 6.7·10^-3 алюміній – 1.6·10^-3 сталь – 7.6·10^-3