ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1-1

Основная литература:

Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.:Энергоатомиздат, 1988. – 720 с.
Родштейн Л.А. Электрические аппараты. – Л.:Энергоиздат, 1981. – 304 с.

Дополнительно:

Таев И.С. Электрические аппараты управления. – М.:Высшая школа, 1984. – 247 с.
Буль Б.К. Основы теории электрических аппаратов. – М.:Высшая школа, 1970. – 600 с.
Теория электрических аппаратов/Под ред. проф. Александрова Г.Н.. – М.:Высшая школа, 1985. – 312 с.
Баринберг А.Д. Электрические реле: Учебное пособие для ВУЗов. – Д.:ДонГТУ, 1997. – 97 с.

1-2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И 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 электроэнергии.

Понятие «электрический аппарат» охватывает очень большой круг бытовых и промышленных устройств. Многообразие самих аппаратов и выполняемых ими функций, совмещение в одном аппарате нескольких функций не позволяют строго классифицировать их по одному какому-то признаку. Представляется целесообразным рассмотреть их по назначению – основной функции, выполняемой аппаратом.

1-3

В этом случае они могут быть подразделены на следующие группы:

– Коммутационные – предназначены для включения и отключения

электрической цепи. (К ним можно отнести – разъединители, выключатели высокого и низкого напряжения, рубильники, переключатели и т.д.).

– Аппараты защиты – для защиты электрических цепей от ненормальных

режимов работы (к.з., перегрузка). Сюда относятся предохранители высокого и низкого напряжения, различного рода реле.

–Пускорегулирующие аппараты – для управления электроприводами и

другими промышленными потребителями электроэнергии (двигатели – пуск, остановка, регулирование скорости вращения). Это контакторы, пускатели, реостаты и т.д.

– Ограничивающие аппараты – для ограничения токов к.з. (реакторы) и

перенапряжений (разрядники).

1-4

– Контролирующие аппараты – для контроля заданных электрических и

неэлектрических параметров. Сюда о тносятся различного рода реле и датчики.

– Регулирующие аппараты – для автоматической и непрерывной

стабилизации и регулирования заданных параметров. Это различные стабилизаторы и регуляторы.

– Измерительные аппараты – для изоляции цепей первичной коммутации от цепей измерительных приборов и релейной защиты. (Измерительные трансформаторы тока и напряжения).
– Аппараты, предназначенные для выполнения механической работы – подъемные и удерживающие электромагниты, электромагнитные тормоза, муфты.

Любой аппарат состоит из трех элементов: воспринимающего, преобразующего и исполнительного.

По принципу действия воспринимающего элемента:

электромагнитные
магнитоэлектрические
индукционные
электродинамические
поляризованные
полупроводниковые
тепловые
электронные
магнитные и т.д.

1-5

По принципу действия исполнительного элемента:

контактные
бесконтактные

В пределах одной группы или типа аппараты различаются:

по напряжению: - высокого напряжения (свыше 1000 В)

- низкого напряжения (до 1000 В)

по роду тока: - постоянного тока,

- переменного тока промышленной частоты,

- переменного тока повышенной частоты

по величине тока: - слаботочные (до 5А)

- сильноточные (свыше 5А)

по режиму работы: - продолжительного

- кратковременного

- повторно-кратковременного

по времени срабатывания: - безынерционные (до 3 мс)

- быстродействующие (3-50 мс)

- нормального исполнения (50-150 мс)

- замедленные (150 мс-1 с)

- реле времени (свыше 1 с)

по способу управления: - автоматические

- неавтоматические (ручного управления)

по роду защиты от окружающей среды: в исполнении открытом, защищенном, водозащищенном, взрывозащищенном и т.д.

1-6

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ АППАРАТАМ

При нормальном режиме работы температура токоведущих частей (элементов) не должна превышать допустимую (значений, рекомендуемых соответствующим ГОСТ или другими нормативными документами).
Аппараты должны выдерживать в течении определенного времени термическое воздействие токов К.З. без каких-либо деформаций, препятствующих их дальнейшему использованию (высокая износостойкость).
Изоляция аппарата должна быть рассчитана с учетом возможных перенапряжений, возникающих в процессе эксплуатации, с некоторым запасом, учитывающим её «старение».

1-7

Контакты электрических аппаратов должны быть способны многократно включать и отключать токи рабочих режимов.
Аппараты должны иметь высокую надежность и точность, необходимое быстродействие, минимум массы, малые габариты, дешевизну, удобство в эксплуатации.

1-8

НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

ИСТОЧНИКИ НАГРЕВА:

Джоулево тело, выделяющееся в обмотках аппарата. (Это количество тепла, выделяемое в приемнике, которое пропорционально его R, t и I2, Вт*с=Дж).
Нагрев магнитопровода за счет потерь на перемагничивание и гистерезис.
Диэлектрические потери в изоляционных материалах.

НАПРАВЛЕНИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ЯВЛЕНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ

Расширение тел при нагреве - (биметалические тепловые реле – электроутюг).

Создание неблагоприятных тепловых условий в одном аппарате, его разрушение и в результате защита других аппаратов (плавкие предохранители).

Преобразование электрической энергии отключаемой цепи в тепловую энергию и рассеивание этого тепла с помощью дугогасительного устройства в окружающую среду.

1-9

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Продолжительный, кратковременный, повторно-кратковременный.

Нагрев и охлождение аппарата при продолжительном режиме работы.

При включении электрической цепи энергетический баланс аппарата выглядит так:

Pdt=kТSdt+cMd,

где: Pdt - мощность тепловых потерь за время dt ;

kТSdt - количество тепла, отдаваемого в окружающую среду с поверхности S при температуре за время dt при обобщенном коэффициенте теплоотдачи kт;

cMd – количество тепла, воспринимаемое аппаратом массой M со средней удельной теплоемкостью c при изменении температуры на d.

Решение этого уравнения имеет вид:

=e-t/T+у(1-е-t/T),

1-10

где: - начальное значение температуры;

у – установившееся значение температуры;

Т – постоянная времени нагрева (цепи).

Т=,

где с – средняя удельная теплоемкость;

М – масса аппарата;

КТ – коэффициент теплоотдачи;

S – поверхность, с которой излучается тепло.

Решение имеет графическое выражение

Кривая 2 соответствуют решению с начальными нулевыми условиями.

Если =0, то решению соответствует кривая 1.

В общем случае - это превышение температуры над температурой окружающей среды.

1-11

Постоянная времени нагрева T – это время, за которое аппарат нагреется до установившейся температуры при отсутствии теплоотдачи в окружающую среду.

Установившегося значения температура аппарата достигает практически за 4Т.

Кривая 3 характеризует процесс охлаждения. Уравнение для процесса охлаждения имеет вид:

кТSdt+cMd=0.

В процессе охлаждения теплового баланса нет.

Решение имеет вид:

=у e-t/T.

В установившемся режиме справедливо следующее выражение (формула Ньютона)

P=kтS.

Для продолжительного режима работы:

у=,

где Рпр – мощность тепловых потерь в аппарате при продолжительном режиме работы.

1-12

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ АППАРАТА В КРАТКОВРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

Кратковременным считается режим, когда время паузы чередуется со временем работы, причем время паузы намного больше 4Т.

Если аппарат используется в продолжительном (длительном) режиме работы, то мощность к нему можно приложить поменьше и кривая нагрева имеет вид 1.

1-13

пр=у=. (1)

Если в кратковременном режиме – кривая 2.

=. (2)

Приравниваем правые части выражений (1) и (2) и определяем коэффициент перегрузки аппарата по мощности:

Кр=.

Он показывает во сколько раз аппарат можно перегрузить в кратковременном режиме по сравнению с продолжительным.

Коэффициент перегрузки по току:

1-14

НАГРЕВ И ОХЛАЖДЕНИЕ АППАРАТОВ В ПОВТОРНО-КРАТКОВРЕМЕННОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ

Повторно-кратковременный режим характеризуется в %.

Продолжительность включения:

ПВ%= 100%,

где tп – время паузы, за которое аппарат успевает охладиться;

tр – время работы;

(tр+tп) – время цикла tц.

Коэффициент перегрузки по мощности:

В течении первого цикла за время tр1 аппарат нагреется до некоторого превышения температуры max1 ,а за время первой паузы tп1 произойдет его охлаждение до min1. Во втором цикле нагрев аппарата начнется при нач2=min1 и за время tр2 будет достигнута температура max2. Т.к. tр1=tр2 и нач2>нач1, то max2>max1. За время второй паузы tп2 аппарат охладится и в конце второго цикла будет температура min2, которая больше min1. Если такие циклы будут периодически повторяться достаточно долго, то в конце концов установится процесс колебания температуры аппарата, так называемый квазиустановившийся режим.

2-1

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

Магнитной цепью называются совокупность деталей и воздушных зазоров, через которые замыкается магнитный поток.

Различают разветвленные и неразветвленные магнитные цепи.

НЕРАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ:

11 - сердечник

22 - катушка электромагнита

33 - якорь

44-5 - воздушный зазор

66 - возвратная пружина

РАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ

Воздушный зазор изменяется при перемещении якоря.

ФФ-рабочий поток

ФФ-поток рассеяния

2-2

Магнитная цепь характеризуется следующими параметрами:

- Магнитным потоком Ф (фи) в веберах (Вб);

- Магнитной индукцией В=Ф/S в теслах (Тл);

- Напряженностью магнитного поля Н в амперах на метр (А/м);

- Магнитной проницаемостью =В/Н в генри на метр (Гн/м);

- Магнитодвижущей силой F=IW в амперах (А).

Магнитное поле создается током намагничивающей катушки. Чем больше ток (I) катушки и чем больше витков она имеет (W), тем сильнее магнитное поле, поэтому величина F=IW называется магнитодвижущей силой (М..Д.С.), которая рассматривается как причина возникновения магнитного поля.

2-3.

Магнитопровод выполняется из ферромагнитного материала, который способен намагничиваться, т.е. усиливать магнитное поле, создаваемое током, при этом необходимый намагничивающий ток для создания определенного поля уменьшается в сравнении со случаем отсутствия магнитопровода. Кроме того, магнитопровод направляет поле, создаваемое катушкой, в нужную сторону. (У нас на рисунке к воздушному зазору).

Магнитное поле условно отображается замкнутыми силовыми линиями. (На рисунке пунктир). Направление и интенсивность магнитного поля в каждой точке определяется вектором магнитной индукции , касательным к силовым линиям. Вектор оценивают по механической силе, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Чем больше , тем сильнее поле в данной точке.

Если пересечь силовые линии плоскостью S, то векторы магнитной индукции пронизывают ее (подобно струям воды, текущей из крана), образуя скалярную величину:

2-4.

магнитный поток Ф=,

(где – нормаль к поверхности S).

Для равномерного потока (В равномерно распределено по S), перпендикулярного к S,значение Ф=BS.

В (магнитная индукция) оценивает магнитное поле в каждой точке, а Ф (магнитный поток) – по всему сечению магнитопровода. (Аналогично вода, текущая в трубе, имеет различную скорость в каждой точке сечения, а поток определяет расход через всё сечение трубы.)

Влияние среды, где имеется магнитный поток, оценивается вектором напряженности магнитного поля:

где - относительная магнитная проницаемость среды,

=4*10-7 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

2-5.

Для неферромагнитных материалов , а для намагничивающихся ферромагнитных >>1. Записав, приходим к выводу - коэффициент примерно показывает, во сколько раз ферромагнитный сердечник усиливает магнитное поле, создаваемое катушкой с током.

Так как ферромагнитные материалы легко намагничиваются, то магнитный поток преимущественно замыкается по магнитопроводу (он играет для магнитного потока такую же роль, как и проводник для электрического тока), магнитная индукция в магнитопроводе намного больше, чем в окружающей среде. Поэтому различают основной магнитный поток Ф, который замыкается через рабочий (воздушный) зазор (а при его отсутствии через рабочий объем магнитопровода) и поток рассеяния Ф, не доходящий до рабочего объема.

2-6.

Обычно Ф>>Ф. Если специально не оговорено, будем дальше считать, что основной поток Ф – равномерный, а потоком Ф будем пренебрегать.

При постоянном намагничивающем токе I направление потока Ф неизменно: это магнитная цепь с постоянной М.Д.С. Источником такого потока могут быть постоянные магниты.

При переменном токе i направление потока переменно: это магнитная цепь с переменной М.Д.С.

На магнитные цепи, как и на электрические, распространяются понятия ветвь, узел, контур.

О магнитных свойствах материалов, мы с Вами говорили в курсе ЭТМ (л/р №8).

И понятие домены, собственная намагниченность, коэрцитивная сила (значение обратной напряженности, при которой материал полностью размагничивается В=0), мягнитомягкие и магнитотвердые материалы Вам знакомы.

Поэтому перейдем к следующему вопросу.

2-7.

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ С ПОСТОЯННОЙ М.Д.С.

РАСЧЕТ НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ ОДНОРОДНОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ (из одного материала с неизменным сечением)

Расчеты магнитных цепей основаны на известном из физики законе полного тока

(1)

— интеграл вектора напряженности вдоль замкнутого контура равен полному току, охваченному контуром.

Применим его к тороиду, т.е. к кольцевому соленоиду с ферромагнитным сердечником, поток которого близок к равномерному.

2-8.

Выделим в соленоиде контур по его средней линии с радиусом R. В силу равномерности поля вектор Н одинаков в каждой точке средней линии и касателен к ней, поэтому

где - длина средней линии.

Если катушка имеет W витков, то ток I катушки пересекает контур W раз, поэтому полный ток I=IW.

Тогда формула (1) принимает вид

откуда

. (2)

Для однородной магнитной цепи по заданному I однозначно определяется H или наоборот. Изменяя I, можно изменить Н, измеряя при этом Ф, можно определить , т.е. снять экспериментально кривые намагничивания.

2-9.

Если кривая намагничивания задана, то для однородной магнитной цепи можно решить две задачи:

1) По заданному Ф определить , по В на кривой намагничивания найти Н и => намагничивающий ток. Это – прямая задача расчета магнитной цепи.

Дано: L,S,Ф – магнитный поток.

2) По заданному намагничивающему току I, найти H, по H на кривой намагничивания найти В и =>. Это – обратная задача расчета магнитной цепи.

Дано: L, S, IW – МДС.

2-10.

Эти две задачи решались без учета рассеяния. В неоднородной магнитной цепи решения этих задач усложняются.

ПРЯМАЯ ЗАДАЧА РАСЧЕТА НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ НЕОДНОРОДНОЙ МАГНИТНОЙ ЦЕПИ

Пусть заданы геометрические размеры магнитной цепи,

кривая намагничивания электротехнической стали сердечника, магнитный поток Ф.

Требуется определить поперечное сечение сердечника SC и намагничивающий ток.

2-11.

Сечение сердечника

(3),

где: – оптимальное значение индукции в сердечнике, которое принимают на границе насыщения (на рисунке т.А).

При увеличивается сечение магнитопровода (перерасход стали), при резко увеличивается напряженность поля в магнитопроводе, что потребует увеличения тока и (или) числа витков намагничивающей катушки (перерасход меди). Из формулы (3) следует: чем больше магнитный поток, тем больше сечение магнитопровода.

Для вычисления тока неоднородную цепь делят на однородные участки, вдоль которых Н и В неизменны. Здесь их два: сердечник, имеющий одно сечение, и воздушный зазор. Индукции на каждом участке и , где и - сечения сердечника и зазора. Обычно в зазоре поток выпучивается, однако при коротких зазорах .

По кривой намагничивания по Вср находят Нср в сердечнике. Для воздушного зазора .

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ