Основы теории электрических аппаратов

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО РАЗДЕЛАМ

Введение

Цели и задачи дисциплины. Назначение электрических аппаратов. Общие требования, предъявляемые к ним. Условные графические обозначения аппаратов и их элементов.

Литература: [1, с. 5–30].

Методические указания

Во введении следует изучить цели и задачи дисциплины, усвоить основные понятия, определения и термины. Изучить условные обозначения электрических аппаратов и их элементов, основные требования к электрическим аппаратам.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется электрическим аппаратом?

2. Какие общие требования предъявляются к электрическим аппаратам?

3. Как обозначаются электрические аппараты и их элементы в электрических схемах?

Основы теории электрических аппаратов

Классификация электрических аппаратов. Электродинамические силы в электрических аппаратах. Силы, действующие на элементы токоведущей цепи. Динамическая стойкость аппаратов. Нагрев электрических аппаратов в нормальном режиме и при коротком замыкании, термическая стойкость. Электрические контакты: переходное сопротивление контактов, зависимость этого сопротивления от различных факторов, работа коммутирующих контактов при включении, в замкнутом состоянии, при отключении. Расчет и выбор контактного нажатия; материалы контактов. Конструкции контактов.

Электрическая дуга. Свойства электрической дуги. Условия гашения дуги постоянного и переменного тока. Конструкции дугогасительных устройств низкого и высокого напряжения. Бездуговые отключения электрических цепей. Инновационные технологии в разработке электрических аппаратов. Электромагнитные механизмы. Магнитные цепи электрических аппаратов постоянного и переменного тока. Простейший расчет потока в рабочем зазоре электромагнита. Сила тяги электромагнитов постоянногои переменного тока. Влияние магнитного сопротивления стали на силу тяги электромагнита.

Устранение вибрации якоря электромагнита переменного тока. Расчет обмоток электромагнитов. Согласование тяговых характеристик электромагнита с механической нагрузкой. Время срабатывания и отпускания электромагнитов. Ускорение и замедление времени срабатывания и отпускания электромагнитов.

Литература: [1, с. 5–10, 31–245].

Методические указания

Электрические аппараты можно классифицировать по ряду признаков: назначению, области применения, принципу действия, роду тока и др. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на ряд больших групп, например: коммутационные, ограничивающие, пускорегулирующие и др.

При проектировании и разработке электрических аппаратов в первую очередь необходимо учитывать электродинамические усилия, возникающие в них в процессе работы.

Следует изучить методы расчета электродинамических уси-лий, усилия, возникающие между параллельными проводниками, усилия в витке, катушке и между витками, усилия в месте изменения сечения проводника, а также электродинамические усилия при переменном однофазном и трехфазном токах и усвоить понятие электродинамической стойкости аппаратов.

При работе электрических аппаратов все элементы их подвергаются тепловому воздействию. Нагрев токоведущих частей и изоляции аппаратов существенно определяет надежность работы. При повышении температуры сокращается срок службы изоляции и уменьшается механическая прочность проводников.

Необходимо изучить причины нагрева электрических аппаратов при постоянном и переменном токе, способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности. Особое внимание уделить изучению установившегося режима нагрева, крат-ковременного и повторно-кратковременного, а также при коротком замыкании.

Определение электрического контакта. Режимы работы кон-тактов (включение, включенное состояние, отключение), материалы, конструкции, расчет контактов.

Ряд коммутационных аппаратов связан с возникновением, протеканием и гашением электрической дуги между контактами. Этому явлению в теории электрических аппаратов уделяется большое внимание. Следует изучить причины появления и свойства электрической дуги при постоянном и переменном токах. Особенности отключения дуги при разных видах нагрузки, условия гашения дуги, способы гашения. Конструкции дугогасительных устройств низкого и высокого напряжения. Бездуговые отключения электрических цепей. Важным конструктивным элементом многих электрических аппаратов являются электромагниты постоянного и переменного тока. На основе теории магнитных цепей следует изучить методику расчета обмоток электромагнитов постоянного и переменного тока, силу тяги и согласование тяговых характеристик с механической нагрузкой, способы устранения вибрации якоря электромагнита переменного тока, динамику работы и время срабатывания и отпускания электромагнитов, ускорение и замедление времени срабатывания и отпускания электромагнитов.

Вопросы для самопроверки

1. Какие существуют методы расчета электродинамических усилий?

2. Как определить электродинамические усилия между параллельными проводниками?

3. Как определить электродинамические усилия и моменты, действующие на взаимно перпендикулярные проводники?

4. Как рассчитываются усилия в витке, катушке и между катушками?

5. Как рассчитываются электродинамические усилия в мес-те изменения сечения проводника?

6. Что такое электродинамическая стойкость аппаратов?

7. Как определяются электродинамические усилия при однофазном переменном токе, трехфазном токе при отсутствии и наличии апериодической составляющей тока?

8. Что такое поверхностный эффект? Как он влияет на величину сопротивления проводника на переменном токе?

9. Что такое эффект близости? Как он влияет на величину сопротивления проводника на переменном токе?

10. Способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности.

11. Что такое установившийся процесс нагрева?

12. Как происходит нагрев аппаратов в переходных режимах?

13. В чем особенность нагрева аппаратов при коротких замыканиях?

14. Пояснить понятие «термическая стойкость» аппарата.

15. Что называется электрическим контактом? Опишите основные конструкции контактов, материалы контактов.

16. Поясните режимы работы контактов при включении, во включенном состоянии, при отключении цепи.

17. Что такое переходное сопротивление контакта, как оно зависит от величины протекающего тока?

18. Каковы меры борьбы с эрозией и коррозией контактов?

19. Причины появления электрической дуги в аппаратах.

20. Пояснить статическую вольтамперную и динамическую характеристики дуги постоянного тока.

21. Пояснить условие стабильного горения и гашения дуги постоянного и переменного тока.

22. Каковы причины возникновения перенапряжения при отключении дуги постоянного тока?

23. Как происходит процесс восстановления напряжения на дуговом промежутке при отключении активной нагрузки, индуктивной нагрузки?

24. Какие факторы влияют на скорость восстановления напряжения на дуговом промежутке в цепи переменного тока?

25. Опишите основные способы гашения дуги в электрических аппаратах.

26. Как осуществляется бездуговая коммутация электрических цепей?

27. Пояснить законы Кирхгофа для магнитной цепи электромагнита.

28. Пояснить методику расчета магнитной цепи электромаг-нитов постоянного тока, переменного тока.

29. Чем отличается назначение короткозамкнутого витка в электромагнитных механизмах постоянного и переменного тока?

30. Как производится расчет обмотки электромагнита постоянного тока, переменного тока?

31. Как рассчитывается сила тяги электромагнитов постоянного и переменного тока?

32. Как зависит сила тяги электромагнитов постоянного и переменного тока от величины воздушного зазора?

33. Пояснить динамику работы электромагнитов и время сра-батывания (время трогания, время движения якоря, время отпускания, ускорение и замедление срабатывания и отпускания).

Коммутационные аппараты низкого напряжения,

реле напряжения, тока и времени, позисторная защита двигателей, автоматические воздушные выключатели (автоматы)

Контакторы и магнитные пускатели: конструкция контакторов постоянного и переменного тока; основные параметры и режимы работы контакторов. Магнитные пускатели: устройство, схема включения, тепловая защита. Выбор контакторов и магнитных пускателей.

Реле напряжения, тока и времени. Основные параметры реле и требования, предъявляемые к ним. Электромагнитные ре-ле тока и напряжения. Коэффициент возврата реле. Конструкция электромагнитных реле тока и напряжения. Электромагнитные реле на герконах. Тепловые реле: принцип действия. Времятоковые характеристики, выбор реле.

Позисторная защита двигателей. Поляризованные реле. Прин-цип действия, основные соотношения. Преимущества поляризованных реле. Реле времени с механическим и электромагнитным замедлением. Устройство, регулировка и области при-менения реле.

Автоматические воздушные выключатели (автоматы): назна-чение, требования, предъявляемые к автоматам, принцип действия. Предохранители. Основные параметры и требования, предъявляемые к предохранителям. Работа предохранителей при номинальном токе и коротком замыкании. Конструкция предохранителей. Защита полупроводниковых приборов автоматики предохранителями. Выбор автоматов и предохранителей.

Литература: [1, с. 308–403, 504–552].

Методические указания

Контакторы и магнитные пускатели нашли самое широкое применение в схемах электроснабжения.

Контакторы – это электрические аппараты дистанционного действия, предназначенные для частых включений и отключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы. Выпускаются контакторы для коммутации цепей переменного и постоянного тока. Наибольшее применение наш-ли контакторы с электромагнитным приводом, когда контактная система приводится в действие при помощи электромагнита, реже применяются контакторы с пневматическим и гидравлическим приводами.

При изучении контакторов постоянного и переменного тока необходимо изучить их устройство: контактные, дугогасительные и электромагнитные системы, методику выбора для практического применения, основные серии выпускаемых кон-такторов и их технические характеристики.

Магнитные пускатели предназначены для пуска и отключения короткозамкнутых асинхронных двигателей. Кроме кон-тактора в пускатель встроено, как правило, тепловое реле, которое служит для защиты двигателя от токов перегрузки. При изучении магнитных пускателей следует обратить внимание не только на их конструкцию и устройство, а также и на схемы их включения (нереверсивная и реверсивная).

В схемах автоматики, управления, защиты широко применяются различные типы реле: тока, напряжения, мощности, частоты, времени, тепловые и др. Реле представляет собой электрический аппарат, в котором при изменении входного параметра до определенной заданной величины происходит скачкообразное изменение выходного параметра. Реле может реагировать не только на входной параметр, но и на разность значений входного параметра, на изменение знака или скорости изменения входного параметра. К основным характеристикам реле относятся: параметр срабатывания (например, значение тока, напряжения, при котором срабатывает реле), параметр отпускания (значение входного параметра, при котором происходит скачкообразное отпускание реле). Значения параметров срабатывания или отпускания, на которые отрегулировано реле, называются уставкой по входному параметру. Время с момента подачи команды на срабатывание до момента начала возрастания выходного параметра называется временем срабатывания.

Значение отношения величины параметра отпускания к величине параметра срабатывания называется коэффициентом возврата.

Время с момента подачи команды на отключение до дости-жения минимального значения выходного параметра называется временем отключения.

Важным параметром для ряда реле является коэффициент усиления, определяемый как отношение максимальной мощности нагрузки в управляемой цепи к минимальной мощности входного сигнала срабатывания реле.

При выборе реле учитываются требования по селективности, быстродействию, чувствительности и надежности.

В схемах электроснабжения применяются электромагнитные реле серий РТ и РН. Система контактов этих реле приводится в действие с помощью электромагнитов постоянного и переменного тока. Противодействующие усилия в таких реле создаются возвратной и контактными пружинами.

Тепловые реле предназначены для защиты оборудования от токов перегрузки. Реле имеют биметаллический элемент, состоящий из двух пластин с различным коэффициентом линейного расширения. Широкое распространение в тепловых реле получили такие материалы, как инвар (с малым значением коэффициента линейного расширения) и хромоникелевая сталь (с большим значением коэффициента линейного расширения).

При нагревании биметаллическая пластина изгибается и воз-действует на контакты реле. Биметаллическая пластина должна при токе перегрузки двигателя достигнуть температуры срабатывания за такое время, в течение которого двигатель мо-жет выдержать данную нагрузку. Поэтому, одной из основных характеристик теплового реле является времятоковая характеристика, выражающая зависимость времени срабатывания реле от тока, протекающего через него.

В настоящее время для защиты электродвигателей применяются позисторы, устанавливаемые на лобовой части обмоток двигателей. Позисторы являются нелинейными резисторами. При достижении определенной температуры сопротивление позистора скачкообразно увеличивается на несколько порядков. Это свойство позистора позволяет с помощью специальных полупроводниковых схем сформировать управляющий сигнал на размыкание цепи электромагнита пускателя, после чего обмотка статора отключается от сети.

Широкое применение в устройствах электросиловой автоматики, релейной защиты, в системах телеуправления получили поляризованные реле. В них действуют два магнитных потока, один из которых создается катушкой электромагнита, другой – установленным в цепи постоянным магнитом.

Благодаря поляризующему потоку направление электромаг-нитного усилия на якорь изменяется в зависимости от тока в катушке. По сравнению с обычными реле поляризованные электромагнитные реле имеют ряд преимуществ:

- реле могут управляться кратковременными импульсами тока;

- замкнутое состояние контактов может сохраняться после окончания действия управляющего импульса, что позволяет использовать реле как элемент памяти;

- высокая чувствительность и высокий коэффициент усиления по мощности;

- возможность осуществления однопозиционной, нейтраль-ной и двухпозиционной настроек.

В схемах релейной защиты, различной автоматики широко применяются реле времени, создающие выдержку времени при действии различных аппаратов и устройств. Для этой цели при-меняются реле с электромагнитным замедлением (демпфером) и механическим. В качестве механического замедляющего устройства чаще всего применяется часовой (анкерный) механизм.

Автоматические воздушные выключатели (автоматы) служат для автоматического отключения цепи при перегрузках оборудования, коротких замыканиях в цепи, редких оперативных переключениях при нормальных режимах работы, при снижении напряжения питания и т.п. В соответствии с назначением автоматов к ним предъявляются следующие требования:

- токоведущая цепь автомата должна пропускать номиналь-ный ток в течение длительного времени и кратковременно выдерживать большие токи короткого замыкания (КЗ);

- автомат должен обеспечивать многократное отключение предельных токов короткого замыкания;

- автомат должен иметь малое время отключения для обес-печения электродинамической и термической стойкости энергоустановок;

- элементы защиты автомата должны обеспечивать селективность срабатывания.

К основным узлам автомата относятся: токоведущая цепь, дугогасительная система, привод, механизм свободного расцепления, расцепители.

Автоматы выбираются по номинальному значению напряжения сети, длительному току нагрузки и кратковременному максимальному току.

Предохранители предназначены для защиты оборудования электрических цепей от токов КЗ и перегрузок. Основными элементами являются: корпус, контактное присоединительное устройство, плавкая вставка и дугогасительное устройство. Важнейшей характеристикой предохранителя является зависимость времени перегорания плавкой вставки от тока – времятоковая характеристика. К предохранителям предъявляются следующие требования:

- времятоковая характеристика должна проходить ниже, но вблизи времятоковой характеристики защищаемого объекта;

- время срабатывания предохранителя при КЗ должно быть минимальным, особенно при защите полупроводниковых при-боров;

- должна обеспечиваться селективность защиты в цепях с несколькими предохранителями;

- конструкция предохранителей должна обеспечивать возможность безопасной и быстрой замены плавкой вставки.

Предохранители выбираются по номинальному току плавкой вставки, который должен быть больше или равен номинальному току электроприемника, и больше или равен кратковременным предусмотренным увеличениям тока в цепи, например, во время пуска двигателя.

Вопросы для самоконтроля

1. Для чего применяются контакторы? Какие требования предъявляются к ним?

2. Пояснить принцип действия контакторов постоянного и переменного тока.

3. Какие дугогасительные устройства применяются в контакторах постоянного и переменного тока?

4. Каково назначение короткозамкнутого витка в контакторах переменного тока?

5. Пояснить зависимость тока в катушке от воздушного зазора в контакторах постоянного и переменного тока.

6. Как выбираются контакторы?

7. Для каких целей служит тепловое реле в магнитных пускателях?

8. Опишите конструкции тепловых реле и принцип их работы.

9. Как устроен магнитный пускатель серии ПМЛ?

10. Описать схемы включения нереверсивного и реверсивного пускателя.

11. Каково назначение электрической и механической блокировок в магнитном пускателе?

12. Описать схему включения тиристорного пускателя.

13. Пояснить назначение реле и основные их характеристики.

14. Каков принцип действия электромагнитных реле тока и напряжения?

15. Описать конструкции электромагнитных реле, привести их основные параметры, характеристики.

16. Пояснить принцип действия поляризованных реле, их параметры и характеристики.

17. Каково назначение и устройство реле времени (с электромагнитным, механическим и пневматическим замедлением)?

18. Как осуществляется регулировка выдержки времени реле времени?

19. Как осуществляется позисторная защита двигателей?

20. Назначение автоматических воздушных выключателей (автоматов) и требования, предъявляемые к ним.

21. Пояснить устройство и назначение основных узлов автомата.

22. Какие принципы гашения дуги применяются в автоматах?

23. Как осуществляется выбор автоматов?

24. Пояснить устройство и назначение предохранителей. Типы предохранителей, применяемых в сети до 1 кВ.

25. Для каких целей используется металлургический эффект у плавких вставок?

26. Пояснить времятоковую характеристику предохранителей.

27. В чем особенность устройства предохранителей для защиты полупроводниковых приборов?

28. Как осуществляется выбор предохранителей для защиты электрических цепей?