Конспект склав – к.т.н. доцент,

Кафедри електромеханічних систем

Артеменко Л.Ф.

 

Київ 2006

Зміст курсу: «Електричні апарати»

Частина 1

1.Класифікація електричних апаратів

Тема I. Основи теорії електродинамічних сил

1.1. Закон Био-Савара-Лапласса

1.2. Розрахунок електродинамічних сил по зміні запасу електромагнітної енергії контурів.

Тема 2. Нагрівання електричних апаратів

Види теплопередач

2.2. Нагрівання й охолодження струмоведучих частин при нормальному режимі.

Тема 3. “Електричні контактні з'єднання”

Перехідні опори контактів

Матеріали контактних з'єднань

Основні конструкції контактних з'єднань

Тема 4.Основи теорії гасіння дуги.

Процеси, що відбуваються в дуговому проміжку

Умови гасіння дуги постійного струму

Частина 2.

Тема 5 Основи теорії магнітних ланцюгів

Основні закони магнітного ланцюга.

 

Тема 6 Електромагнітні механізми

Статичні тягові характеристики електромагнітів і механічні характеристики апаратів.

6.2. Динамічні характеристики електромагнітів. Рівняння руху рухливої системи

6.3. Уповільнення і прискорення дії електромагніта.

Поляризовані, магнітоелектричні, електродинамічні й індукційні системи.

Магнітоелектричні системи.

Електродинамічні системи.

Індукційні системи.

 

Тема 7 ЕЛЕМЕНТИ КЕРУВАННЯ ЕЛЕКТРОПРИВОДОМ

Резистори і потенціометри

Конденсатори

Рубильники і перемикачі

Кнопки керування, універсальні перемикачі і пакетні вимикачі

Кнопки керування, універсальні перемикачі і пакетні вимикачі

Контролери

Шляхові і кінцеві вимикачі (перемикачі)

Реле захисту

Реле керування й автоматики

Крокові шукачі і лічильники імпульсів

Блоки, магнітні пускачі і станції

Перетворювачі

Діелектричні елементи

Безконтактні логічні елементи

Зображення елементів на схемах

 

 

Лекція 1.

Ми починаємо вивчати електричні апарати. Усіх Вас, природно, цікавить, що вивчає дисципліна «Електричні апарати»?

Різноманіття апаратів і виконуваних ними функцій не дозволяє дати єдиного визначення і строго класифікувати їх по якійсь сдній ознаці.

Але все-таки, дамо визначення електричним апаратам.

ЕЛЕКТРИЧНІ АПАРАТИ - це електротехнічний пристрій для комутації, чи стабілізації регулювання електричних, механічних чи інших навантажень. «Комутація» - (у перекладі з латинського - зміну) буває плавною і ступінчастою Характерні для ступінчастої комутації - включення і відключення електричного ланцюга. Плавну комутацію струму ел. ланцюга здійснюють різні підсилювачі.

Електричні апарати можуть комутувати як електричний струм, так і електричну напругу (наприклад, включення під напругу ненавантажених ліній електропередачі чи зняття напруги з них) і електричну потужність, що є функцією струму, що відключається, і напругу мережі. Струм напруга і потужність – різновиди електричного навантаження, що комутують електричні апарати.

От же, електричні апарати здійснюють керування потоком енергії від джерела до приймача. Вони застосовуються у всіх областях народного господарства, у системах виробництва і розподілу електричної енергії й енергопостачання, у схемах автоматичного і неавтоматичного керування електричними машинами і різноманітним устаткуванням.

Прикладом пристроїв, комутуючих механічне навантаження є електромагнітні муфти, що з'єднують чи роз'єднують відому чи ведучу частини приводу.

Будь-яку електричну установку умовно можна розділити на наступні складові частини:

1.Споживачі і генератори електричної енергії.

2.Електричні апарати для керування і регулювання установки

3.Канали передачі енергії.

Простий вимикач електричної лампочки, самий могутній високовольтний вимикач в енергосистемі і пристрої складних систем автоматичного керування установками в десятки тисяч кіловат - усе це відноситься до електричних апаратів.

Різноманітність в кількості і функціональних призначеннях різних апаратів привело до надзвичайно великої їхньої номенклатури в сучасній техніці, у той час як кількість фізичних принципів, покладених в основу їхньої роботи, обмежено.

З загальнонаукової точки зору електричним апаратом називається електротехнічний пристрій призначенний для керування потоком енергії.

З погляду призначення, електричним апаратом називається пристрій, призначений для комутації, захисту і керування електричними і неелектричними об'єктами.

 

· Класифікація електричних апаратів.

· Електричні апарати класифікуються:

· 1. По призначенню:

· комутаційні апарати ( вмикачі й вимикачі електричних ланцюгів, рубильники, роз'єднувачі, короткозамикачі і т.д.) - характеризуються короткочасним режимом роботи);

· пускорегулюючі - здійснюють пуск гальмування двигунів, електроприводів і інших навантажень (контактори, силові резистори, реле й ін.) - характерний режим роботи - до 3600 включень у годину, час роботи 8 і більш годин;

· апаратура контролю, керування і захисту (реле струму, реле часу, теплові реле, трансформатори вимірювальні, запобіжники, кнопкові і шляхові вимикачі, сигнальні лампи, датчики неелектричних величин і ін.)

· Струмообмежуючі апарати - реактори (підстанційні, пускові), опору (пускові, регулюючі й ін.)

· Розвиток напівпровідникової техніки й електронних приладів привело до створення принципово нових електричних апаратів, що здійснює комутацію електричного ланцюга не замиканням і розмиканням (видимий розрив) її, а «відмиканням» і «запиранням». ДСТ 17703- 72 розділили комутаційні апарати на контактні і безконтактні.

· «Контактний комутаційний апарат - комутаційний електричний апарат, що здійснює комутаційну операцію шляхом переміщення його контакт деталей відносно один одного». «Безконтактний комутаційний апарат - комутаційний електричний апарат, що здійснює комутаційну операцію без переміщення і руйнування його деталей». Наступний (після 1972 г) розвиток безконтактних апаратів показав (зокрема для реле), що термін «безконтактний» не цілком відбиває сутність роботи і конструкції цих апаратів, і ДСТ 16022-83 на реле електричні ввели термін реле електромеханічні, робота яких заснована на використанні відносного переміщення їхніх механічних елементів під впливом електричного струму.

· По напрузі:

· -на електричні апарати низької напруги -до 1000 В;

· - на електричні апарати високої напруги - понад 1000 В;

· По роду електричного струму:

· - електричні апарати постійного струму;

· - електричні апарати змінного струму промислової частоти;

· - електричні апарати змінного струму підвищеної частоти;

· По роду захисту від навколишнього середовища:

· - у виконаннях - відкритому, захищеному, водо-захищеному герметичному, вибухобезпечному і т.д.

· По способі дії:

· - електромагнітні, магнітоелектричні, індукційні, теплові і т.д.

· По ряду інших факторів:

· - швидкодії, способу гасіння дуги і т.д.

· Електричний апарат являє собою сукупність ряду взаємозалежних елементів і вузлів, у яких протікають різноманітні складні фізичні процеси.

· Математичні залежності, що описують ці процеси, виявляються нерідко недоступними для рішення звичайними методами. Багато розрахунків можуть служити тільки для попередньої орієнтації.

· Загальна теорія електричних апаратів містить у собі:

· теорію теплопереносу в апаратах, нагрівання й охолодження струмоведучих частин, електричні контакти, тепло і масоперенос при комутаціях

· теорію комутацій електричних ланцюгів, що охоплює основні закономірності процесів комутації, газорозрядні процеси при комутації, комутаційні пристрої і їхній розрахунок;

· -теорію електромагнітних і електродинамічних явищ в апаратах, магнітні ланцюги і їхній розрахунок, електромагніти, електродинамічні явища в апаратах.

· У курсі розглядаються конструкції електричних апаратів високої і низької напруги, а також безконтактні електричні апарати.

· Вимоги, пропоновані до електричних апаратів,надзвичайно різноманітні і залежать від призначення, умов застосування й експлуатації апарата.

· Крім специфічних вимог, що відносяться до даного апарата, всі електричні апарати повинні задовольняти загальним вимогам:

· 1 По кожному електричному апарату при роботі протікає якийсь робочий струм, при цьому в струмоведучих частинах виділяється кількість теплоти й апарат нагрівається. температура не повинна перевищувати деякого визначеного значення, установленого для даного апарата і його деталей.

· 2.У кожному електричному ланцюзі може бути ненормальний (перевантаження) чи аварійний(коротке замикання) режим роботи. Струм, що протікає по апарату в цих режимах перевищує в 50 і більше раз номінальний, чи робочий струм. Апарат піддається в цей час надмірно великим термічним і електродинамічним впливам струму, однак він повинен витримувати ці впливи без будь яких деформацій, що перешкоджають подальшій роботі апарата.

· 3. Кожен електричний апарат працює в ланцюзі з визначеною напругою, де можливі і перенапруги. Електрична ізоляція апарата повинна забезпечувати надійну роботу його при заданих значеннях перенапруг.

· 4. Контакти апаратів повинні бути здатні включати і відключати всі струми робочих режимів, а багато апаратів і струми аварійних режимів.

· 5. До кожного електричного апарата пред'являються вимоги по надійності і точності роботи, а також по швидкодії.

· 6. Любий електричний апарат повинен по можливості мати найменші габарити, масу і вартість, бути простим по констрцкції, зручним в обслуговуванні і технологічним у виробництві.

 

· Умовні позначки електричних апаратів.

· Існують ДСТ 2.723 - 68 і ДСТ 2.756 - 76 на позначення електричних апаратів.

· замикаючий - що розмикає

 

· - силовий - з дугогашенням

 

· вимикачі без - замикаючі

· самоповернення- - контакти реле

§ часу

· витримка на включення

· витримка на відключення

· витримка на включення і

· відключення

· Контакти, що розмикають, реле часу з витримкою часу:

· - на замикання - на розмикання

· - контакту теплового реле із самоповерненням

· - автоматичний вимикач

· - шляховий (кінцевий) вимикач

· - кнопкові контакти.

 

· Котушки, контактори, реле.

· теплові реле

 

· котушка реле часу

 

o конденсатор

 

 

· Електричні машини.

· - Якір електричної машини постійного струму

o електрична машина змінного струму

 

§ котушка напруги (обмотки збудження,

· обмотки трансформатора)

· Вимірювальні прилади.

· Напівпровідникові прилади.

· діод тиристор

·

· стабілітрон транзистор

 

· Буквенно- цифрові умовні позначки електричних апаратів.

Принцип простановки позначень:

 

· Букв. Цифровий, Буквений, Уточнюючий номінал.

· пристрій узагалі.

· - перетворювач неелектричної величини в електричну.

· - тахогенератор

· - датчик температури

· - датчик тиску

· - конденсатор

· - інтегральна мікросхема

· - аналогова інтегральна мікросхема

· - цифрова чи дискретна мікросхема

· - елементи без спеціального позначення

· - освітлювальна лампа

· - запобіжник

· - плавкий запобіжник

· - сигнальні чи індикаторні пристрої

· - сигнальна лампа

· - генератори різних типів

· - гальванічна батарея

· - реле і контактори

· - токові реле

· - реле часу

· - теплові реле

· - індуктивність

· - двигуни

· -Вимірювальні прилади

· - амперметр - вольтметр

· вимикачі - автоматичні вимикачі

· резистори: - потенціометри

· - шунт

· терморезистор

· - Комутаційні пристрої:

· - вимикачі і перемикачі

· - кнопковий вимикач

· - шляховий вимикач

· - автоматичний вимикач ланцюгів керування.

· - трансформатори - трансформатори струму, -трансф. напруги

·

 

· - Перетворювач електричної величини в механічну,

· - перетворювач частоти у выпрямителе

· - Напівпровідникові прилади

· - - транзистор

· - діод

· - тиристор

· -Контактні з'єднання

· - Пристрій перетворення електричної енергії в механічну:

· - електромагніт

· - гальмо

· - електромагнітна муфта

o позначення постійного струму

o позначення перемінного струму

 

 

· Електричні апарати здійснюють комутацію, стабілізацію, регулювання і перетворення електричного струму. Усі ці функції поєднуються загальним терміном «керування струмом». Під електричним апаратом можна розуміти електротехнічний пристрій для керування електричним струмом.

· Поняття «електричний апарат» охоплює дуже великий клас побутових і промислових пристроїв.

· Різноманіття самих апаратів і виконуваних ними функцій, сполучення в одному апараті декількох функцій, не дозволяють строго класифікувати по одній якійсь ознаці. Єдиного стандарту, що класифікує електричні апарати немає. МЕК Міжнародна електротехнічна комісія поділяє розглянуті апарати на дві групи: «Апаратура керування» і «Апаратура розподільних пристроїв».

 

Лекція 2-3.

 

Тема I. ОСНОВИ ТЕОРІЇ ЕЛЕКТРОДИНАМІЧНИХ СИЛ.

 

Основні поняття.

 

На прямолінійний провідник довжиною l, обтікаючий струмом i, розташований у магнітному полі з індукцією В, діє механічна сила

,

де: b - кут між напрямками вектора магнітної індукції і струму в провіднику.

Такі ж сили виникають між провідником зі струмом і феромагнітними масами. Напрямок дії сили визначають по ((правилу лівої руки). “Якщо ліву руку розташувати так, аби магнітні силові лінії входили в долоню, а витягнуті пальці долоні спрямувати в напрямі струму через провідник, то відігнутий великий палець укаже напрям сили, яка діє на провідник у магнітому полі. У системі, що складається з декількох провідників, обтічних струмами, можна уявити, що кожен з провідників знаходиться в магнітному полі, створеному струмами інших провідників. Це значить, що між такими провідниками, охопленими загальним магнітним потоком, завжди виникають механічні сили.

У нормальних експлуатаційних умовах електродинамічні сили, як правило, малі і не викликають деформацій чи поломок деталей апарата. При коротких замиканнях ці сили досягають дуже великих величин і можуть привести до деформації чи руйнуванню не тільки деталей, але і всього апарата. Тому для всіх апаратів необхідно робити розрахунки на електродинамічну стійкість, під якою розуміють здатність апарата витримати без ушкоджень проходження найбільш можливого в експлуатаційних умовах струму короткого замикання. Необхідність проведення подібного розрахунку обумовлена ще тим, що для одержання мінімальних габаритів струмоведучі частини апарата розташовують якнайближче один до одного.

Розрахунок електродинамічних сил ведуть або користаючись законом Био-Савара-Лапласса, або по зміні запасу магнітної енергії системи.

 

 

Розрахунок електродинамічних сил між

струмоведучими частинами апарата.

 

Закон Био-Савара-Лапласса. Два провідники (мал.23) розташовані в одній площині й обтікаються струмами i₁ і i₂. Відповідно до закону Био-Савара-Лапласса напруженість магнітного поля, створювана елементом dy провідника 2 у місці розташування елемента dx провідника 1 буде:

,

де: a - кут між вектором r і напрямком струму в елементі dy.

Весь провідник 2 у місці розташування елемента створює напруженість

.

Тоді елементарна сила, що діє на елемент dx, обтічний струмом i₁

,

де: b - кут між вектором магнітної індукції і вектором струму i₁.

Тому що провідники розташовані в одній площині, то вектор індукції перпендикулярний до цієї площини, тобто площини креслення. Тому b = 90⁰ і Sinb = 1. У цьому випадку

.

 

 

Повну силу взаємодії F між провідниками 1 і 2 одержимо, якщо проінтегруємо по всій довжині провідника 1:

.

Якщо i₁ і i₂ незмінні по всій довжині провідника, то останнє рівняння можна записати у виді добутку

.

Перший член залежить тільки від величини струмів. Другий член залежить тільки від геометричного розташування провідників і представляє безрозмірну величину. Часто другий член називають коефіцієнтом контуру і позначають буквою С:

.

Таким чином, електродинамічна сила прямо пропорційна струмам i₁ і i₂, що протікає по провідниках і залежить від геометрії провідників.

Якщо

,

то

(н).