ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

___________________________________________________________________________________________________________

 

ЭЛЕНТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ

АППАРАТЫ

Конспект лекций

 

 

Самара 2009

 

 

УДК 621. 313

 

Электрические и электронные аппараты: Конспект лекций. / Э.Г. Чеботков; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2009. с. 268

 

Содержатся общие сведения, теоретические основы, описание принципа действия, принципиальные схемы, характеристики и основные соотношения для конспекта лекций по электрическим и электронным аппаратам. Предназначено для практических занятий и самостоятельной работы.

 

ISBN

 

. Илл.123. Табл.7. Библиогр.: назв.

 

 

Печатается по решению редакционно-издательского совета Самарского государственного технического университета

 

 

ISBN © Э.Г. Чеботков, 2009

© Самарский государственный

технический университет, 2008

 

 

Раздел 1. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

 

Лекция № 1.

Тема лекции:

Введение. Предмет и задачи. Литература и ГОСТы, определения и классификация. Состояния и перспективы развития.

Области применения, классификация электромагнитов, расчет магнитных полей.

Введение. Предмет и задачи. Литература и ГОСТы, определения и классификация. Состояния и перспективы развития.[I;с. 5—11]

 

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.

Под электрическими аппаратами понимается широкий круг всевозможных устройств, применяемых в быту, про­мышленности и энергетике.

В настоящем курсе лекций рассматриваются основы теории, конструкция и эксплуатационные характеристики аппара­тов, которые применяются в электрических системах, схе­мах электроснабжения промышленных предприятий и при автоматизации производственных процессов и электропри­вода.

Для изучения курса электрических аппаратов можно рекомендовать следующую литературу:

Основная литература.

1.Алиев И.И., Абрамов М.Б. Электрические аппараты.

Справочник-М: радио софт, 2004.

2.Чунихин А.А. Электрические аппараты. – М.: Энергоатомиздат,CD-ROM, 2005

3. Родштейн Л.А.Электрические аппараты. – М.: Энергоатомиздат, CD-ROM, 2005.

4. Розанов Ю.К. и др. Электрические и электронные аппараты.

-М,: Информэлектро,2001

5.Буткевич Г. В. и др. Задачник по электрическим аппаратам. М., Высш. школа,1977

6. Буль Б. К.и др.Основы теории электрических аппаратов. Под ред. Г. В. Буткевича. Учеб. пособие для электротехнич. специальностей вузов. М., «Высшая шко­ла», 1970. 600 с. с илл.

 

 

Дополнительная литература.

6. Гольдберг О.Д. и др. Переходные процессы в электрических машинах и аппаратах, вопросы их проектирования. М,: Высшая школа, 2001.

7. Сахаров П.В. Проектирование электрических аппаратов.–М,:Энергия, 1971

Дается краткая характеристика каждого издания с рекомендациями по использованию.

1. Коммутационные аппараты распределительных устройств, слу­жащие для включения и отключения электрических цепей. К этой груп­пе относятся… 2.Ограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого… 3.Пускорегулирующие аппараты, предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока…

Защитные оболочки электрических аппаратов. Для предотвращения соприкосновения обслуживающего персонала с токоведущими или под­вижными частями и исключения попадания в аппараты инородных тел устанавливаются специальные защитные оболочки. Согласно ГОСТ 14254—80 защитные свойства оболочки обозначаются буквами IP и дву­мя цифрами. Первая цифра обозначает степень защиты от прикоснове­ния персонала к опасным деталям аппарата, вторая характеризует за­щиту от попадания внутрь аппарата инородных предметов и жидкос­тей. Ниже приводятся защитные свойства некоторых исполнений по ГОСТ 14254—80.

IР00. Открытое исполнение. Защита персонала от соприкосновения с токоведущими или подвижными частями отсутствует. Инородные те­ла могут попадать внутрь аппарата.

IP20. Защищенное исполнение. Оболочка таких аппаратов предо­храняет от случайного прикосновения к токоведущим или подвижным частям или от проникновения внутрь аппарата посторонних предметов. Оболочка должна препятствовать соприкосновению с деталями аппа­рата металлического щупа (диаметр 12, длина 80 мм), шарик диамет­ром 12 мм не должен проникать внутрь аппарата.

IP22. В дополнение к свойствам исполнения IP20 оболочка защища­ет от вредного воздействия капель жидкости, падающих на стенку оболочки, наклоненную к вертикали под углом в пределах 15°.

IP23. В дополнение к свойствам исполнения IP20 оболочка защи­щает от дождя, падающего под углом 60° к вертикали.

IP40. Оболочка защищает аппарат от попадания внутрь него мел­ких предметов диаметром более 1 мм.

IP42. В дополнение к свойствам исполнения IP40 оболочка защи­щает от воздействия капель жидкости (так же как IP22).

IP44. В дополнение к свойствам исполнения 1Р40 оболочка защи­щает от воздействия брызг жидкости, падающих под любым углом.

IP50. Оболочка аппарата защищает от вредного воздействия пыли (допускается попадание внутрь небольшого количества пыли, не нару­шающего нормальной работы аппарата).

IP60. Пылезащищенное исполнение. Оболочка полностью препятствует попаданию пыли.

IP65. Пылеводозащищенное исполнение. В дополнение к свойствам исполнения IР60 оболочка защищает от воздействия струи воды, направленной под любым углом к ее поверхности.

IP66. Пылеводонепроницаемое исполнение. В дополнение к свойствам исполнения IP60 оболочка обеспечивает полную защиту от попадания воды внутрь аппарата при воздействии струи под любым углом к поверхности (морское исполнение).

IP67. Герметичное исполнение. В дополнение к свойствам исполнений IP60 оболочка обеспечивает полную герметичность аппарата.

Воздействия механических и климатических факторов на электри­ческие аппараты в условиях эксплуатации регламентируются действую­щими стандартами (ГОСТ 15150—69 и 15543—70). Под климатически­ми факторами внешней среды понимаются температура и влажность окружающего аппарат воздуха, давление воздуха (высота над уровнем моря), солнечное излучение, дождь, ветер, пыль (в том числе и снеж­ная), солевой туман, иней, гидростатическое давление воды, действие плесневых грибков, содержание в воздухе коррозионно-активных аген­тов. Нормальные значения климатических факторов внешней среды, при­нятые для использования в технике, соответствуют данной географиче­ской зоне с учетом места размещения аппарата. В технической докумен­тации на электрический аппарат всегда оговариваются значения клима­тических факторов, в пределах которых обеспечивается нормальная эксплуатация изделий. Эти значения принято называть номинальными. Различают также рабочие и предельные значения факторов. Значения климатических факторов, при которых обеспечивается сохранение но­минальных параметров и гарантированный срок службы аппаратов, на­зываются рабочими. Значения климатических факторов: а) при которых сохраняется работоспособность аппарата при допустимых отклонениях точности и номинальных параметров, б) после прекращения действия которых точность и номинальные параметры аппарата восстанавлива­ются, принято называть предельными рабочими.

С точки зрения воздействия климатических факторов поверхность земного шара делится на ряд макроклиматических районов. Каждый макроклиматический район характеризуется однородностью географиче­ских факторов и количественных показателей климатических факторов на своей территории.

В табл.1.1 приведены климатические исполнения электрических аппаратов, предназначенных для эксплуатации на суше, озерах и ре­ках морского климата. В зависимости от места размещения в условиях эксплуатации электрические аппараты делятся на категории, указанные в табл. 1.2. Следует отметить, что на работу аппаратов оказывает влияние также атмосферное давление. От плотности атмосферного воздуха зависят прочность внешней электри­ческой изоляции и охлаждение электрических аппаратов. Большинство электрических аппаратов изготовляют для работы на нормальной вы­соте 1000 м над уровнем моря, при которой аппараты работают с номи­нальными параметрами. Однако аппараты могут работать на высотах, превышающих нормальную. При этом в соответствующих стандартах или технических условиях указывается уменьшение номинальной нагрузки на каждые 100 или 1000 м высоты, превышающей нормальную. Аналогично учитывает­ся уменьшение электрической прочности воздушных промежутков. Элек­трические аппараты для самолетов и других летательных аппаратов работают при пониженном давлении на высоте значительно выше 1000 м, которое регламентировано в пределах 70—1,3-10^-4 кПа.

Климатическое исполнение и ка­тегория размещения указываются в конце сокращенного обозначения электрических аппаратов. Так, например, обозначение ВЭ-10-1250-20-УЗ означает выключатель электромагнитный на номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток 1250 А, номинальный ток отключения 20 кА, для умеренного климата (У), и для эксплуатации в закрытых помеще­ниях (категория размещения 3). Предприятия, разрабатывающие и из­готавливающие электрические аппараты, руководствуются стандартами, предусматривающими нормы механических испытаний (на удары, виб­рацию, механические нагрузки на выводы аппарата), акустических ис­пытаний, климатических испытаний (теплостойкость, холодостойкость, грибоустойчивость, водонепроницаемость, брызгозащищенность, солнеч­ная радиация и др.).

 

Требования к электрическим аппаратам весьма разно­образны и зависят от назначения, условий эксплуатации, необходимой надежности и т. д. Однако можно сформули­ровать требования, которые являются общими для всех электрических аппаратов.

1. При номинальном режиме работы температура токоведущих элементов аппарата не должна превосходить зна­чений, рекомендуемых соответствующим ГОСТ или другим нормативным документом.

При коротком замыкании (КЗ) токоведущие элементы аппарата подвергаются значительным термическим и ди­намическим нагрузкам, вызываемым большим током. Эти нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения КЗ.

2. Аппараты, предназначенные для частого включения и отключения, должны иметь высокую износостойкость.

3. Контакты аппаратов, предназначенных для отклю­чений токов КЗ, должны быть рассчитаны на этот режим.

4. Изоляция электрических аппаратов должна выдер­живать перенапряжения, которые имеют место в эксплуа­тации, и обладать определенным запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляции с течением времени и вслед­ствие осаждения пыли, грязи и влаги.

5. К каждому аппарату предъявляется ряд специфиче­ских требований, обусловленных его назначением. Так, на­пример, выключатель высокого напряжения должен отключать ток КЗ за малое время (0,04—0,06 с). Трансфор­матор тока должен давать токовую и угловую погрешно­сти, не превышающие определенного значения.

6. В связи с широкой автоматизацией производствен­ных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе. Возможность отказа в работе электрических аппаратов требует их резервирования и создания специальной систе­мы поиска неисправностей. В связи с этим электрические аппараты должны обладать высокой надежностью. Выход из строя аппаратов высокого напряжения приводит к боль­шим разрушениям и материальным потерям.

7.Масса, габаритные размеры, стоимость и время, не­обходимые для установки и обслуживания электрических аппаратов, должны быть минимальными. Отвечающие со­временным требованиям электрические аппараты за срок службы 25 лет не должны нуждаться в ремонте и сложной
ревизии. Конструкция электрических аппаратов должна обеспечивать возможность автоматизации в процессе их изготовления и эксплуатации.

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Электромагнитными называются устройства, предназначен­ные для создания в определенном пространстве магнитного поля с помощью обмотки, обтекаемой… В нейтральных электромагнитах постоянного тока рабочий магнитный поток… Значительную часть электромагнитов постоянного тока составляют электромагнитные механизмы, использующиеся в качестве…

КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ

ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКОВ.

ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Магнитные цепи находят широкое применение в различного рода электрических аппаратах и электромагнитных устройствах: контакторах, автоматах, приводах выключателей, тормозных, тяговых и подъемных электромагнитах, релейной аппаратуре, датчиках, электромагнитных муфтах, дросселях переменной индуктив­ности, шаговых искателях, магнитных подвесках и др. Магнитные цепи также являются основным элементом и в ускорителях элемен­тарных частиц, электромагнитных сепараторах, применяемых в металлургии; электромагнитных плитах и приспособлениях, ис­пользуемых в металлообрабатывающей промышленности, вибра­торах и других устройствах, где требуется создание магнитного поля определенной формы.

 

КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ ЦЕПЕЙ

Огромное разнообразие конструктивных форм магнитных це­пей создают определенные трудности в разработке для них методов расчета. Поэтому в основу классификации нами положен характер образования и распределения магнитного потока в магнитопроводе, что позволило значительное число цепей объединить в ряд однородных групп и разработать для некоторых из них общие прин­ципы расчета с учетом особенностей каждой.

Магнитные цепи можно разбить на два основных вида:

1)цепи, поток рассеяния которых мал, и при расчете параметров намагничивающей катушки его можно не учитывать;

2)цепи, поток рассеяния которых необходимо учитывать.

Магнитные цепи, при расчете которых можно с достаточной для практики точностью потоки рассеяния не учитывать.

Если через равномерно распределенную обмотку, рас­положенную по всей длине ферромагнитного тороида пропустить ток, то по нему будет проходить только основной поток, а поток рассеяния вследствие полной симметрии будет отсутство­вать. В подавляющем большинстве магнитные цепи выполняются несимметричными. При этом магнитопровод может быть замкнутым или иметь небольшой воздушный зазор, а обмотки обычно распола­гаются на отдельных участках цепи. В таких цепях появляется поток рассеяния, который будет определяться величиной воздуш­ного зазора, конфигурацией магнитной цепи, степенью насыщенно­сти стали, расположением намагничивающей катушки, наличием электромагнитных экранов (короткозамкнутых витков) и другими факторами.

Степень учета поля рассеяния зависит в каждом отдельном случае от требований, предъявляемых к расчету электрического аппарата. С достаточной для практики точностью потоком рассеяния можно пренебречь в трех случаях: когда магнитопровод замкнут; когда на пути основного потока имеется воздушный зазор сравнительно малой величины, а магнитная цепь насыщена незначительно и когда размагничивающее действие вторичной обмотки сравнительно не­велико. Иначе говоря, пренебрегать потоком рассеяния можно в тех случаях, когда он мал по сравнению с основным потоком.

Пренебрежение потоком рассеяния значительно облегчает рас­чет магнитной цепи, однако трудности по определению габаритных размеров при заданных параметрах, учету нелинейности кривой намагничивания и размагничивающего действия электромагнит­ных экранов полностью сохраняются.

 

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ МАГНИТНОМЯГКИХ МАТЕРИАЛОВ

Для магнитных цепей электрических аппаратов применяются самые разнообразные магнитномягкие материалы, от правильного выбора которых во многом… Важнейшей характеристикой ферромагнитного материала яв­ляется связь между…  

Лекция № 2.

 

Тема лекции:

Расчет и экспериментальное определение магнитных

проводимостей воздушных промежутков./2, с.240-268/

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПРОВОДИМОСТЕЙ ВОЗДУШНЫХ

ПРОМЕЖУТКОВ

Магнитные проводимости этого объемного поля или поля между двумя полюсами можно рассчитать тремя методами. Первый метод, наиболее достоверный,…      

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПРОВОДИМОСТЕЙ ВОЗДУШНЫХ ЗАЗОРОВ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ ШИРИНЫ ГРАНИ ИЛИ ДИАМЕТРА СЕРДЕЧНИКА НА БОКОВУЮ УДЕЛЬНУЮ ПРОВОДИМОСТЬ

Этот метод позволяет, пользуясь простыми уравнениями и гра­фиками, провести расчет проводимостей воздушных зазоров с дос­таточной для практики точностью в 5—8%.

Определение проводимости воздушного зазора

Прямоугольного полюса по координате Z

Для случая полюс — плоскость

Проводимость между боковой гранью полюса в и плоскостью по высоте координаты z соответственно равна   (2.1)

Б. Полюса цилиндрической формы

На основании проведенных опытов получены кри­вые для удельной проводимости потока с цилиндрической поверх­ности полюса gz (рис.2.4) и удельной… Определим проводимости воздушного зазора с учетом поля вы­пучивания для… 1. Проводимости поля с ребра полюса для расположения полюс — плоскость и полюс — полюс (рис.2.4):

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНЫХ ПРОВОДИМОСТЕЙ

ВОЗДУШНЫХ ЗАЗОРОВМЕТОДОМ РАСЧЕТНЫХ ПОЛЮСОВ

Расчет по этому методу проводится для плоско параллельных или плоско меридианных полей.

 

А. Определение расчетных размеров и проводимости воздушного зазора прямоугольного полюса при расположении

Полюс — плоскость по координате z

  (2.4) Здесь FT — магнитное напряжение между торцевыми поверхностя­ми полюсов; Fzb— то же между точками А' и В' (рис. 4.16,…

ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА ПО МЕТОДУ СУММИРОВАНИЯ

ПРОСТЫХ ОБЪЕМНЫХ ФИГУР ПОЛЯ

Расчет проводимостей воздушного зазора методом суммирования простых объемных фигур поля, предложенный Ротерсом, на практике получил достаточно… Приведем расчетные формулы для определения проводимостей простей­ших фигур при… 1. Проводимость четверти ци­линдра (проводимость между ребром АВ торца полюса и плоскостью, рис. 2.5, а)

РАСЧЕТ МАГНИТНЫХ ПРОВОДИМОСТЕЙ ВОЗДУШНЫХ ПУТЕЙ ГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Для практических целей широко используются магнитные цепи, у которых магнитная проводимость рассеяния на единицу длины сердечника непостоянна. Поле… Исследования показали, что эту задачу можно решить прибли­женно, сочетая… Если в электрических машинах размеры магнитной системы в осевом направлении велики и поле можно считать…

Лекция № 3.

 

Тема лекции:

Расчет магнитной цепи электромагнитов постоянного тока,

Обмоточных данных.

Магнитные цепи электромагнитов переменного тока. Расчет обмоток.

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНИТНЫХ ЦЕПЯХ АППАРАТОВ

Конфигурация магнитной це­пи электромагнита зависит от на­значения аппарата и может быть самой разнообразной. Основные соотношения для магнитной цепи мы рассмотрим на примере клапанной… В клапанной системе якорь может иметь как поступательное движение так и вращательное.

МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рассмотрим закон изменения потока вдоль сердеч­ников и разности магнитных потенциалов между ними в клапанной системе (рис. 3.1). Намагничивающая сила на единицу длины стержня равна Iw/l. Разность магнитных… . (3.12)

МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1. Ток в катушке электромагнита зависит главным образом от ее индуктивного сопротивления. 2. Магнитное сопротивление цепи зависит от потерь в стали и наличия… 3. Магнитопровод обычно выполняется шихтован­ным (с целью уменьшения потерь на вихревые токи) прямоугольного…

КАТУШКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

В результате расчета магнитной цепи определяется поток в катушке и ее н. с. Катушка должна быть рас­считана таким образом, чтобы, с одной стороны,… В зависимости от способа включения различают па­раллельные (шунтовые) и… а) Расчет обмотки электромагнита постоян­ного тока. Эскиз обмотки представлен на рис.3.4. Заданы напряжение U и н. с.…

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

При заданном потоке падение магнитного потенциала уменьшает­ся с уменьшением магнитного сопротивления. Так как сопротивление обратно пропорционально… Вторым важным параметром материала является индукция на­сыщения. Сила,… После того как катушка электромагнита обесточивается, в систе­ме существует остаточный поток, который определяется…

Лекция №4.

 

Тема лекции:

 

Энергетический баланс электромагнита постоянного тока. Расчет силы тяги, формула Максвелла. Сила тяги электромагнитов переменного тока. Магнитный демпфер.

 

СИЛА ТЯГИ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

. (4.1) Умножив обе части уравнения на idt, получим: . (4.2)

Лекция № 5.

 

Тема лекции:

Тяговые и механические характеристики электромагнитов постоянного и переменного тока.

Динамика электромагнитов, время трогания и движения. Ускорение и замедление срабатывания

. (5.1) Если площади полюсов у электромагнитов одинаковы и одинаковы максимальные… Таким образом, при той же затрате стали электро­магнит постоянного тока развивает в 2 раза большее усилие, чем…

ДИНАМИКА И ВРЕМЯ СРАБАТЫВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ

Рассмотрим более подробно все эти три стадии для электромагнита постоянного тока с параллельной обмот­кой. Первая стадия — с момента подачи… . (5.2) Так как в начальном положении якоря рабочий зазор имеет относительно большое значение, магнитная цепь может считаться…

МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ С ПОСТОЯННЫМИ МАГНИТАМИ

Работа постоянного магнита происходит на участке отH= 0 до H = — Нс. Эта часть петли называется кривой размагничивания. Рассмотрим основные соотношения в постоян­ном магните, имеющем форму тороида с…  

Лекция №6.

 

Тема лекции:

Электродинамические усилия (ЭДУ), методы расчета. Электродинамическая устойчивость.

Нагрев электроаппаратов. Нормы нагрева, термическая устойчивость.

При коротком замыкании в сети через токоведущую часть ап­парата могут протекать токи, в десятки раз превышающие номи­нальные. Эти токи,… Для определения э. д. у. используются два метода. В первом методе сила рассматривается как резуль­тат взаимодействия проводника с током и магнитным полем. Если…

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ АППАРАТОВ

Ранее было показано, что э. д. у. меняются как во времени, так и по направлению. Известно, что прочность материала зависит не только от величины… Электродинамической устойчивостью аппарата называется его способность… Эта устойчивость может выражаться либо непосредственно амплитудным значением тока , при кото­ром механические…

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ В НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ И ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ

ИЗОЛИРОВАННЫЕ ПРОВОДНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА В НОРМАЛЬНОМ РЕЖИМЕ

Естественно, что изоляционные материалы обладают разной стойкостью в отношении воздействия температур. Кроме того, в различных условиях степень… В настоящее время в соответствии с ГОСТ 8865—58 и нормами МЭК (Международная… Дело в том, что в некоторых пределах изменения температур окружающего воздуха для данного режима работы превышение…

ИЗОЛИРОВАННЫЕ И НЕИЗОЛИРОВАННЫЕ

Т0К0ВЕДУЩИЕ ЧАСТИ АППАРАТОВ

ПРИ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЯХ

В настоящее время довольно широко распространено мнение о нецелесообразности ограничения каким-либо ГОСТом темпера­тур при коротких замыканиях, и… (1 сек, 5 сек и т. д.). Для лучшей ориентировки при проек­тировании… а)для медных проводников неизолированных или покрытых изоляцией органического происхождения —250° С;

ПРОСТЕЙШИЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПРЕВЫШЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

ПОНЯТИЕ О ВИДАХ ТЕПЛООБМЕНА

По аналогичной причине происходит выравнивание температур двух тел, имеющих разные температуры и находящихся в непосредственном соприкосновении или… Теплопроводностью называют явление пере­носа тепловой энергии непосредственно… Конвекцией называют явление переноса тепловой энер­гии путем перемещения частиц жидкости или газа; явление конвек­ции…

ПРИМЕНЕНИЕ ФОРМУЛЫ НЬЮТОНА ДЛЯ РАСЧЕТА

ОТДАЧИ ТЕПЛА С НАРУЖНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

В электротехнической практике весьма часто приходится рассчитывать превышение температуры наружной поверхности относительно температуры жидкой или… , (6.25) здесь Р– мощность, отда­ваемая конвекцией и лучеиспусканием окружающей среде, Вт;

ПРИМЕНЕНИЕ ФОРМУЛЫ НЬЮТОНА

ДЛЯ РАССМОТРЕНИЯ УСТАНАВЛИВАЮЩЕГОСЯ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ТЕЛА ОТ ИСТОЧНИКОВ ТЕПЛА, РАСПОЛОЖЕННЫХ ВНУТРИ ТЕЛА

Пусть внутри тела действует источник тепла постоянной мощ­ности Р. Введем следующие предположения: температура тела в любой момент времени одинакова во всех точках объема… теплоемкость тела С не зависит от температуры;

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ

ОСНОВНОЙ ЗАКОН ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ БИО - ФУРЬЕ

(6.46) - коэффициент теплопроводности (Вт/м°С). Знак (–) показывает, что тепло передается в направлении убывания температуры вдоль нормали (п) к площадке (S).

ПЕРЕДАЧА ТЕПЛА ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ СКВОЗЬ ТОЛЩУ СТЕНКИ, ОГРАНИЧЕННУЮ ДВУМЯ

ПЛОСКОСТЯМИ

Такой случай может иметь место при наличии стенки толщиной б, ограниченной двумя параллельными плоскостями и разделяющей две среды (жидких или… Пусть температура на всем протяжении одной стороны стенки 1 будет больше, чем…

ПРОЦЕСС НАГРЕВА ПРИ КОРОТКОМ ЗАМЫКАНИИ. ПОНЯТИЕ 0 ТЕРМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

Обычно время воздействия токов к. з. tK 3 значительно меньше постоянной времени нагрева токоведущих частей. Легко показать, что при <0,05Т… Действительно, если функцию разложить в ряд Маклорена, то выражение (6.70)– (6.71)

Лекция №7.

Тема лекции:

Электроконтакты, понятия и теория. Конструкция и выбор коммутирующих контактов.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

НАЗНАЧЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

Любая электротехническая установка состоит из элементов, так или иначе связанных между собой. Соединение проводящих звень­ев электрической цепи, обеспечивающее протекание электрического тока при наличии источника э. д. с, осуществляется с помощью электрических контактов.

Слово контакт от латинского слова contactus — прикосновение. Под электрическим контактом весьма часто понимается совокупность двух или нескольких проводников электрического тока, соеди­ненных между собой и сжатых с определенной силой.

ГОСТ 2774—44 определяет электрический контакт, как «место перехода тока из одной токоведущей части в другую».

По своему назначению электрические контакты можно разделить на две группы.

1. Соединительные контакты, которые служат только для сое­динения различных звеньев электрической цепи, т. е. для обеспе­чения протекания тока от одного звена к другому. Соединительные контакты всегда замкнуты.

2. Коммутирующие контакты, предназначенные для включе­ния, отключения и переключения электрических цепей.

Соединительные контакты, применяемые в токопроводах элект­рических аппаратов, весьма разнообразны. Некоторые типичные конструкции их изображены на рис. 3.1.

Основным требованием, предъявляемым к соединительным кон­тактам, является надежность в длительной эксплуатации: соедини­тельные контакты должны длительно, в пределах срока службы всей установки в целом и без повреждений допускать протекание токов нормального режима и кратковременных токов аварийных режимов работы.

Надежность в длительной эксплуатации соединительных (не размыкаемых) контактов будет обеспечена, если сопротивление кон­такта электрическому току будет достаточно стабильным. Для этого соединительный контакт должен обладать способностью противостоять как воздействию окружающей среды, так и воздействию механических усилий от температурных деформаций и от электродинамических усилий, возникающих при протекании больших токов короткого замыкания.

Контактирующие проводники в соединительных контактах могут быть либо неподвижны друг отно­сительно друга (хотя контакт в це­лом может и перемещаться с опре­деленной скоростью), либо переме­щаться относительно друг друга без размыкания цепи, как, например это имеет место роликовом или в щеточном контакте.

Коммутирующие контакты могут находиться в замкнутом (соответствующая цепь включена) или разомкнутом (соответствующая цепь отключена) состоянии.

Существует большое разнообразие коммутирующих контактов. Например, могут быть контакты: рубящие, торцовые, щеточные, пальцевые, розеточные и пр. По своему назначению коммутирую­щие контакты в сильноточных аппаратах можно разделить на глав­ные и дугогасительные. Обычно главные контакты шунтируются дугогасительными, в процессе размыкания цепи главные контакты выходят из соприкосновения ранее, чем дугогасительные, а поэтому образование дуги происходит только на дугогасительных. Таким образом главные контакты защищены от воздействия дуги и слу­жат для надежного пропускания рабочих токов и токов короткого
замыкания в замкнутом состоя­нии.

 

 

Рис.7.1.Некоторые типы коммутирующих контактов:

а — контакты контактора; б —релейные контакты на плоских пружинах

 

Часто функции контактов совмещаются: они выполняют роль и токоведущих, и дугогасительных контактов.

Некоторые типы коммутационных контактов представлены на рис.7.1.

Как ни тщательно обработаны поверхности соприкосно­вения контактов, электрический ток проходит между ними только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, так как получить абсолютно гладкую поверхность практически невозможно. Примерная картина соприкосновения контактов показана на рис.. Благодаря нажатию Р одного контакта на другой вершины выступов деформи­руются и образуются площадки действительного касания контактов. Рассмотрим процесс перехода тока из одного контакта в другой при касании двух цилиндрических кон­тактов по торцам.

 

Рис.7.2 .Соприкосновение поверхностей контактов

В результате стягивания линий тока к площадке каса­ния их длина увеличивается, а сечение проводника, через которое фактически прохо­дит ток, уменьшается, что вызывает увеличение сопро­тивления. Сопротивление в области площади касания, обусловленное явлениями стягивания линий тока, на­зывается переходным сопро­тивлением стягивания кон­такта.

Таким образом, переходное сопротивление, обусловлен­ное стягиванием линий тока, пропорционально удельному сопротивлению материала контакта, корню квадратному из временного сопротивления на смятие этого материала о и обратно пропорционально корню квадратному из силы контактного нажатия. Одноточечный контакт при­меняется в основном только три малых токах (до 20 А). При больших токах (100 А и более) применяется многото­чечный контакт. В многоточеч­ном контакте ток проходит че­рез несколько контактных пе­реходов, соединенных парал­лельно. Поэтому его переход­ное сопротивление при неиз­менном нажатии меньше, чем у одноточечного контакта. Од­нако нажатие в каждой контактной площадке уменьшается. Количество контактных переходов увеличивается с ростом нажатия по весьма слож­ному закону.

Сопротивление зависит и от обработки поверхности. При шлифовке поверхность выступов более пологая с большой площадью. Смятие таких выступов возможно только при больших силах нажатия. Поэтому сопротивле­ние шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой.

Переходное сопротивление контактов обусловлено не только явле­нием стягивания линий тока. Контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контак­ты до их замыкания. Очень часто молекулы газа вступают в химичес­кую реакцию с материалом контактов, в результате чего на их поверх­ности могут возникнуть пленки с высоким удельным сопротивлением.

 

МАТЕРИАЛЫ КОНТАКТОВ

К материалам контактов современных электрических аппаратов предъявляются следующие требования:

1) высокие электрическая проводимость и теплопровод­ность;

2) высокая коррозионная стойкость в воздушной и дру­гих средах;

3) стойкость против образования пленок 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 эрозия;

7) высокая дутостойкость (температура плавления);

8) высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования;

9) простота обработки, низкая стоимость.

Свойства некоторых контактных материалов рассмотре­ны ниже.

Медь. Положительные свойства: высокие удельная электрическая проводимость и теплопроводность, достаточная твердость, что позволя­ет применять при частых включениях и отключениях, простота технологии, низкая стоимость.

Недостатки: достаточно низкая температура плавления, при рабо­те на воздухе покрывается слоем прочных оксидов, имеющих высокое сопротивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитичес­ким способом слоем серебра толщиной 20—30 мкм. В контактах на большие токи иногда ставятся серебряные пластинки (в аппаратах, включаемых относительно редко). Применяется как материал для плос­ких и круглых шин, контактов аппаратов высокого напряжения, кон­такторов, автоматов и др. Вследствие низкой дугостойкости нежелатель­но применение в аппаратах, отключающих мощную дугу и имеющих большое число включений в час.

В контактах, не имеющих взаимного скольжения, из-за пленки ок­сидов применение меди не рекомендуется.

Серебро. Положительные свойства: высокие электрическая проводи­мость и теплопроводность, пленка оксида серебра имеет малую механи­ческую прочность и быстро разрушается при нагреве контактной точки. Контакт серебра устойчив благодаря малому напряжению на смятие Сем. Для работы достаточны малые нажатия (применяется при нажати­ях 0,05 Н и выше). Устойчивость контакта, малое переходное сопротив­ление являются характерными свойствами серебра.

Недостатки: малая дугостойкость и недостаточная твердость пре­пятствуют использованию его при наличии мощной дуги и частых вклю­чениях и отключениях.

Применяется в реле и контакторах при токах до 20 А. При больших токах вплоть до 10 кА серебро используется как материал для главных контактов, работающих без дуги.

Алюминий. Положительные свойства: достаточно высокие электри­ческая проводимость и теплопроводность. Благодаря малой плотности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медный проводник, имеет почти на 48 % меньшую массу. Это позволя­ет уменьшить массу аппарата.

Недостатки: 1) образование на воздухе и в активных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением;

2) низ­кая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра);

3) малая механическая прочность;

4) из-за наличияв окружающем воздухе влаги и оксидов медный и алюминиевый контакты образуют своеобразный гальванический элемент. Под действием ЭДС этого элемента происходит электрохимическое разрушение кон­тактов (электрохимическая коррозия). В связи с этим при соединении с медью алюминий должен покрываться тонким слоем меди электролитическим путем либо оба металла необходимо покрывать серебром. Алюминий и его сплавы (дюраль, силумин) применяются главным образом как материал для шин и конструкционных деталей аппаратов.

Вольфрам. Положительные свойства: высокая дугостойкость, большая стойкость против эрозии, сваривания. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок. В связи с образованием пленок и их высокой механической прочностью вольфрамовые контакты требуют большого нажатия.

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

Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых ме­таллов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полностью всем требованиям, предъявляемым к материалу контактов.

Основные необходимые свойства контактного материала— высокие электрическая проводимость и дугостойкость — не могут быть получе­ны за счет сплавов таких материалов, как серебро и вольфрам, медь и вольфрам, так как они не образуют сплавов. Материалы, обладаю­щие необходимыми свойствами, получают методом порошковой метал­лургии (металлокерамики). Полученные таким методом материалы со­храняют физические свойства входящих в них металлов. Дугостойкость металлокерамики обеспечивается такими компонентами, как вольфрам, молибден. Низкое переходное сопротивление контакта достигается ис­пользованием в качестве второго компонента серебра или меди. Чем больше содержание вольфрама, тем выше дугостойкость, механическая прочность и меньше возможность приваривания металлокерамических контактов. Но соответственно растет переходное сопротивление кон­тактов и уменьшается их теплопроводность. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50 % применяется для аппаратов за­щиты на большие токи КЗ.

Композиции из тонко измельченных порошков с диаметром зерна менее 10 мкм имеют мелкодисперсную структуру и обладают большой механической прочностью, Их износостойкость в 1,5—2 раза выше, чем у материалов не мелкодисперсного типа.

Для контактов аппаратов высокого напряжения наиболее распрост­ранена металлокерамика КМК-А60, КМК-А61, КМК-Б20, КМК-Б21

В аппаратах низкого напряжения чаще всего применяется металлокерамика КМК-А10 из серебра и оксида кадмия CdO. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация CdO на пары кадмия и кислород. Выделяющийся газ заставляет дугу быстро перемещаться по поверхности контакта, что значительно снижает температуру контакта и способствует деионизации дуги. Металлокерамика КМК-А20, состоящая из серебра и 10 % оксида меди, обладает большей износостойкостью, чем КМК-А10.

Серебряно-никелевые металлокерамики хорошо обрабатываются, об­ладают высокой стойкостью против электрического износа. Контакты из этих материалов обеспечивают низкое и устойчивое переходное со­противление, но более подвержены привариванию, чем контакты КМК-А60, КМК-Б20, КМК-А10.

Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря вы­сокой устойчивости против сваривания применяются как дугогасительные. Применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры, однако в эксплуатации эти затраты окупаются за счет увеличения срока службы аппарата и повышения его надежности.

КОНСТРУКЦИЯ ТВЕРДОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ

А) Неподвижные разборные и неразборные контакты.

Такие контакты служат для соединения неподвижных токоведущих деталей шин, кабелей и проводов. Эти детали могут находиться как внутри электрического аппарата, так и вне его. В последнем случае они служат для присоедине­ния аппарата к источнику энергии или к нагрузке. Контак­ты соединяются с помощью либо болтов (разборные соеди­нения), либо горячей или холодной сварки.

При болтовом соединении медные шины перед сборкой тщательно зачищаются от оксидов и смазываются техниче­ским вазелином. После сборки места стыков между шина­ми покрываются влагостойким лаком или краской. При этом уменьшается переходное сопротивление и повышается его стабильность во времени.

Покрытие соприкасающихся поверхностей контактов оловом (лужение) несколько увеличивает начальное пере­ходное сопротивление, но благодаря пластичности олова увеличивает количество площадок смятия и переходное сопротивление становится более стабильным. Для токоведущих деталей, от которых требуется повышенная на­дежность при больших номинальных токах, рекомендуется серебрение соприкасающихся поверхностей. Описанные раз­борные контактные соединения могут быть разобраны при ремонте и монтаже и имеют малое переходное сопротивле­ние.

Рекомендуемые давления одной шины на другую, Па,

при болтовом соединении приведены ниже.

Материалы соединения

Медь луженая 500—1000

Медь, латунь, бронза нелуженые 600—1200

Алюминий 2500

 

Момент при затяжке болтов контролируется специаль­ным тарированным моментным ключом. Болтовые соедине­ния могут оказаться недостаточно надежными, особенно при алюминиевых контактах. Поэтому в настоящее время алюминиевые токоведущие детали соединяются с помощью холодной или горячей (термитной) сварки и представляют после этого неразборный контакт.

В болтовом шинном соединении при КЗ токоведущий проводник нагревается до температуры 200—300 °С.

Стягивающие стальные болты нагреваются в основном за счет теплопроводности, так как ток через болты практи­чески не проходит. Температура болтов обычно не превос­ходит 20 % температуры шин. Температурный коэффици­ент расширения у меди и алюминия значительно выше, чем у стали, поэтому шины, увеличиваясь по толщине боль­ше, чем удлиняются болты, растягивают их. При этом де­формация болтов может перейти за пределы упругости. Тогда после отключения цепи и остывания контакта из-за вытягивания болтов нажатие в контактах уменьшится, что приведет к увеличению сопротивления, сильному нагреву и последующему разрушению.

Для того чтобы избежать пластической деформации шин, ставятся соответствующие шайбы. Вследствие малой прочности алюминиевых шин может произойти пластиче­ская их деформация, что приведет к порче контакта. По­этому для стабильности алюминиевого контакта необходи­мо либо производить предварительный обжим, уплотнение шин, либо ставить под гайки пружинящие шайбы или спе­циальные пружины, которые ограничивают деформации элементов контактов.

б) Подвижные неразмыкающиеся контактные соединения.Такие соединения используются либо для передачи тока с подвижного контакта на неподвижный, либо при небольшом перемещении неподвижного контакта под дейст­вием подвижного.

Наиболее простым соединением такого типа является гибкая связь (рис.7.3). Неподвижный контакт 1 крепится к каркасу аппарата на изоляционной подкладке. Подвиж­ный контакт 2 вращается относительно точки 0, располо­женной на контактном рычаге 4. Этот рычаг изолирован от вала 5, на который действует электромагнит контактора. Гибкая связь 6 соединяет подвижный контакт 2 с выводом аппарата. Контактное нажатие создается пружиной 3. Для получения необходимой эластичности гибкая связь изго­товляется из медной ленты толщиной 0,1*10^{-3 м} и менее или из многожильного жгута, сплетенного из медных жил (0,1*10^{-3 м и менее). При наличии резких перегибов гибкая связь быстро разрушается.}

При больших ходах подвижных контактов длина гибкой связи получается значительной, а ее надежность уменьша­ется. Поэтому она применяется при перемещениях подвиж­ного элемента не более 0,25 м.

При больших ходах и больших номинальных токах при­меняются контактные соединения в виде скользящих и ро­ликовых токосъемов. Принцип действия токосъема ясен из рис. 7.4 и 7.5. Подвижный контакт 1 скользящего то­косъема (рис. 7.4) выполнен в виде стержня круглого се­чения. Цилиндрическая обойма 2 соединяется с неподвижным выводом аппарата. Соединение контакта / и обоймы 2 осуществляется пальцами (ламелями) 3. Контактное на­жатие создается пружинами 4. Подвижный контакт имеет возможность перемещаться поступательно. Неподвижный контакт имеет поверхность касания в виде плоскости, по­движный — в виде цилиндрической поверхности. Контакти­рование осуществляется по линии, отчего контакт называ­ется линейным.

Недостатком скользящего токосъема является большая сила трения, которая требует значительной мощности при­водного механизма. Сила трения уменьшается при ролико­вом контакте (рис. 7.5). Подвижный контакт 1 роликового токосъема (рис. 7.5) выполнен в виде стержня круглого сечения и имеет поступательное движение. Токосъемные стержни 2 также имеют круглое сечение и соединены с вы­водом аппарата. Соединение стержня 1 и стержней 2 осу­ществляется с помощью конусных роликов 3, которые ка­тятся по поверхности стержней 1 и 2. Контактное нажатие создается пружинами 4.

Число роликов зависит от номинального тока и тока КЗ. Этот контакт для своего перемещения требует небольших усилий и широко применяется в современной аппаратуре высокого напряжения.

в)Разрывные контакты.Контакты многих аппаратов разрывают цепь с током, большим, чем минимальный ток дугообразования. Возникающая электрическая дуга приводит к быстрому износу контактов. Для надежного гашения дуги, образующейся при отклю­чении, необходимо определенное расстояние между непо­движным и подвижным контактами, которое выбирается с запасом. Расстояние между неподвижным и подвижным контактами в отключенном состоянии аппарата называется зазором контактов (рис. 7.6, 7.7). Конструкция разрывных контактов определяется значениями номинального то­ка, номинального напряжения, тока КЗ, режимом работы, назначением аппарата и рассмотрена в разделах, посвя­щенных устройству различных аппаратов. Здесь же рас­смотрим только некоторые общие вопросы.

 

 

 

Рис. 7.3. Передача тока с подвижного контакта на вывод аппарата с помощью гибкой связи

 

 

Рис. 7.4. Скользящий токосъемный розеточный контакт

 

 

Рис. 7.5. Роликовый токосъемный контакт

 

Число площадок касания и стабильность переходного сопротивления зависят от конструкции крепления подвиж­ного и неподвижного контактов. Подвижные контакты, имеющие возможность устанавливаться в положение с мак­симальным числом контактных площадок, называются самоустанавливающимися. Контактный узел с самоустанав­ливающимся контактом дан на рис. 7.6. Неподвижные кон­такты / и подвижный мостиковый контакт 2 в месте каса­ния имеют сферические (или цилиндрические) напайки 3, выполненные из серебра или металлокерамики. Контактное нажатие создается пружиной 4. После касания контактов скоба 5, связанная с приводом аппарата, продолжает свое движение вверх на величину хода, равную провалу б. При­менительно к конструкциям, показанным на рис. 7.6 и 7.7, провалом называется расстояние, на которое переместится подвижный контакт, если убрать неподвижный.

На рис. 7.7 показана работа контактной системы, ши­роко применяемой в контакторах с медными контактами.

Для наглядности точки начального и конечного каса­ния обозначены буквами а и Ь. При включении контактный рычаг 4 вращается электромагнитом вокруг центра 0₂, а точка 0_{ вращения контактной скобы 3 перемещается по радиусу 0₂0_].

Касание пальцевых контактов 1 и 2 происходит в точ­ках а (рис. 7.7,б). При дальнейшем перемещении О_х точ­ка касания переходит в точку b (рис. 7.7,в). При этом происходит перекатывание контакта 2 по контакту1 с не­большим проскальзыванием, за счет чего пленка оксида на них стирается.

 

 

 

 

Рис. 7.6. Контактный узел с само­устанавливающимся контактом

 

При включении контактов, отключавших ду­гу, из-за шероховатости поверхности касания появляется дополнительная вибрация контактов. Для уменьшения виб­рации проскальзывание должно быть небольшим. При от­ключении дуга загорается между точками а—а, что пре­дохраняет от оплавления точки b—b, в которых контакты касаются уже во включенном положении. Таким образом, контакт разделяется на две части: в одной происходит га­шение дуги, в другой ток проводится длительно. Поскольку для контактов по рис. 7.7 непосредственный контроль про­вала затруднен, о нем судят по зазору б' между рычагом 4 и контактной скобой 3. Контактное нажатие создается пружиной 5.

 

Рис. 7.7. Контактный узел с перекатыванием подвижного кон­такта

 

Во всех без исключения аппаратах имеется провал кон­тактов, который обеспечивает их необходимое нажатие. Вследствие обгорания и износа контактов в эксплуатации провал уменьшается, что приводит к уменьшению контакт­ного нажатия и росту переходного сопротивления. Поэтому при эксплуатации провал контактов должен контролиро­ваться и находиться в пределах, требуемых заводом-изго­товителем. Особенно это относится к аппаратам, работаю­щим в режиме частых включений и отключений (контак­торы), где износ контактов интенсивен. Допустимое уменьшение провала обычно составляет 50 % начального значения.

В торцевом мостиковом контакте (рис. 3.14) провал обычно составляет 3—5 мм. В мощных выключателях высо­кого напряжения он увеличивается до 8—10 мм.

В высоковольтных масляных выключателях широко применяется розеточная система (рис. 7.8). Неподвижный контакт состоит из пальцев (ламелей) 1, расположенных по окружности. Для уменьшения обгорания концы ламелей снабжены металлокерамическими наконечниками 2. Контактное нажатие создается пружинами 3. Ламели с помощью гибких связей 5 соединяются с медным цоколем 4. Параллельное соединение шести ламелей снижает переход­ное сопротивление контакта и облегчает работу контакта при токах КЗ, так как через ламель протекает примерно '/б полного тока контакта. Контактное нажатие обратно про­порционально квадрату числа ламелей. Подвижный кон­такт выполнен в виде стержня круглого сечения, движуще­гося поступательно. Конец стержня снабжен металлокерамическим наконечником.

Для главных контактов применяется щеточная система (рис. 7.9). Неподвижные контакты 1 выполняются в виде массивных медных призм, часто покрываемых серебром. Подвижные контакты выполнены в виде пакета эластич­ных медных пластин 2. Большое количество пластин создает многоточечный контакт с малым переходным сопротив­лением. При нажатии на подвижный контакт происходит деформация пластин, скольжение линии касания по по­верхности неподвижного контакта и разрушение пленки оксидов.

Широкое применение получили пальцевые самоустанав­ливающиеся контакты (рис. 7.10). Неподвижным контак­том являются пальцы (ламели) /, выполняемые из меди. Пальцы крепятся к выводу 2 гибкими связями 3. Нажатие контактов создается плоскими пружинами 4. Для получе­ния наибольшего числа площадок касания пружина 4 действует на контакт 1 через сферическую по­верхность заклепки 5 (самоустанав­ливающийся контакт).

Если не имеется возможности подвижному контакту самоустанав­ливаться, то такой контакт называ­ется несамоустанавливающимся (пружина 4 жестко соединена с кон­тактом 1). Подвижный контакт вы­полнен в виде латунной призмы 6.

 

 

 

 

Рис 7.8. Неподвижный розеточный контакт

 

 

 

 

Рис. 7.9. Щеточные контакты

 

На рис. 7.11 показана двухсту­пенчатая контактная система с глав­ными 1–1 и дугогасительными 2— 2' контактами. Главные контакты выполняются из меди, а поверхно­сти их соприкосновения из серебра, нанесенного электролитически (слой 20 мкм) или в виде припаянных пла­стин. Дугогасительные контакты вы­полняются из меди и имеют наконечники из дугостойкого материала — вольфрама или металлокерамики.

 

 

Рис 7.10. Пальцевый самоустанавливающийся контакт

 

Ввиду того, что переходное сопротивление цепи главных контактов значительно меньше, чем дугогасительных, через них проходит 70—80 % длительного тока. При отключении вначале расходятся главные контакты и весь ток цепи за­мыкается по дугогасительным контактам.

Дугогасительные контакты 2—2' расходятся в тот момент, когда расстояние между главными контактами достаточно, чтобы выдержать наибольшее напряжение, возникающее в процессе гашения дуги на ду­гогасительных контактах.

 

 

 

 

 

Рис. 7.11.Двухступенчатая контактная система

 

Необходимо отметить, что при отключении больших токов на глав­ных контактах может возникнуть дуга. Дело в том, что после размыкания главных контактов весь ток цепи начинает проходить через дугогасительную систему и на главных контактах появляется напряже­ние. Допустим, что дугогасительная система имеет сопротивление и индуктивность , а скорость нарастания тока в этой цепи. Тогда напряжение на главных контактах может оказаться достаточным для пробоя промежутка между ними. Для уменьшения обгорания главных контактов необ­ходимо уменьшать индуктивность L.

При включении двухступенчатой системы вначале замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные, что обеспечивает отсутствие дуги и оплавления серебряных поверхностей главных контактов. Вви­ду своей сложности двухступенчатые системы применяются только при очень больших токах (более 2000 А) в автоматах и выключателях вы­сокого напряжения. Во всех остальных случаях надежная работа кон­тактов обеспечивается выбором их материала и конструкции при ис­пользовании одноступенчатой системы.

В заключение отметим, что в настоящее время начинают широко применяться электрические аппараты с герметизированными контактами и контактами, работающими в глубоком вакууме.

ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ

1.С ростом длительного номинального тока возрастают необходимое значение контактного нажатия, габариты и масса контактов. При токах 10 кА и выше… 2.Эрозия контактов ограничивает износостойкость ап­парата. 3.Окисление поверхности и возможность приваривания контактов понижают надежность аппарата. При больших токах КЗ…

Лекция №8.

 

Тема лекции:

 

Электрическая дуга, физические явления, основы горения и гашения дуги постоянного тока.

 

ОТКЛЮЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ. (ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ДУГА)

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1. Дуговой разряд имеет место только при относитель­но больших токах. Минимальный ток дуги для различных материалов для металлов составляет примерно… 2. Температура центральной части дуги очень велика и может достигать 6000—25… 3. При дуговом разряде плотность тока на катоде чрез­вычайно велика и достигает 102—103 А/мм2.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДУГ030Г0 РАЗРЯДА ПРИ ВЫСОКОЙ ПЛОТНОСТИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

При несамостоятельном разряде (зона О — В) ток поддерживается за счет внешних ионизаторов (космические лучи, рентгеновские лучи и др.); при… Между точками О — А зависимость и = / (t) следует закону степени трех… В стадии «насыщения» (А — В) все заряды, содержащиеся в про­межутке, достигают электродов. Но так как никакой…

ГАШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДУГ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

При размыкании контактов аппарата, находящегося в цепи пос­тоянного тока, возникает дуговой разряд. Для гашения возникающей дуги постоянного тока… Это достигается применением специальных дугогасительных ка­мер в выключающих… Казалось бы, что идеальным вы­ключателем постоянного тока будет тот, сопротивление межконтактного промежутка в котором…

Лекция №9.

 

Тема лекции:

Горения и гашения дуги переменного тока: в условиях активной деионизации, высокого напряжения, низкого напряжения.

УСЛОВИЯ ГАШЕНИЯ ДУГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Дуга переменного тока обычно гасится легче, чем дуга постоянно­го тока. Чтобы погасить дугу постоянного тока, надо насильственно свести к нулю ток… Перейдем к рассмотрению этих трех случаев.  

А. Открытая дуга переменного тока при высоком напряжении источника

При определенной длине дуги переменного тока напряжение сети оказывается недостаточным для поддержания горения дуги (критическая длина), наступает… На рис. 9.1 приведена осциллограмма тока и напряжения на дуге переменного… В начале процесса, как можно видеть, ток в цепи меняется очень слабо и его величина определяется главным образом…

Б. Дуга переменного тока в условиях активной деионизации

Если столб дуги переменного тока подвергается интенсивной деионизации, то в этом случае механизм гашения дуги существенно меняется по сравнению с… При подходе тока к нулю дуговой столб приобретает весьма ма­лые размеры и… Таким образом, дуга переменного тока в условиях активной деионизации дугового столба представляет собой такое явление,…

В. Дуга переменного тока в условиях отключения цепей низкого напряжения

Общая картина процессов при отключении цепи переменного тока низкого напряжения представлена на рис. 9.3. До момента размыкания контактов аппарата… В момент t0 разомкнулись контакты аппарата и начало воз­растать сопротивление… Увеличивающееся при гашении дуги сопротивление Rд приво­дит к некоторому уменьшению амплитудных значений тока (I1, I2,…

Лекция №10.

 

Тема лекции:

Магнитные усилители (МУ), дроссельный МУ, характеристики и режимы работы. МУ с самоподмагничиванием (МУС). Двухполупериодные схемы МУС.

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основой построения бесконтактных электроаппаратов служат различного рода нелинейные элементы. Главными из них яв­ляются нелинейные индуктивности —… Ниже будут рассмотрены выполняемые на базе ферромагнети­ков и… Большинство из рассматриваемых элементов называют усили­телями. Блок-схема простейшего усилителя приведена на рис.…

ДВУХПОЛУПЕРИОДНЫЕ СХЕМЫ МУС

1.Для ограничения наведенных в обмотке управления токов необходим балластный дроссель, наличие которого ухудшает выходные параметры МУС. 2.Прохождение рабочего тока лишь в течение одного полупериода уменьшает… 3.Схема пригодна для питания нагрузки только выпрям­ленным током.

ПАРАМЕТРЫ МУС

Статические параметры

(10.5) Напряжение на нагрузке

Лекция №11.

 

Тема лекции:

Предохранители, параметры, требования, характеристики. Выбор предохранителей.

ПРЕДОХРАНИТЕЛИ

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Предохранители — это электрические аппараты, предназначенные для зашиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов КЗ. Основными элементами… К предохранителям предъявляются следующие требо­вания. 1. Времятоковая характеристика предохранителя долж­на проходить ниже, но возможно ближе к времятоковой ха­рактеристике…

НАГРЕВ ПЛАВКОЙ ВСТАВКИ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ НАГРУЗКЕ

При небольших перегрузках (l,5–2) IH0M нагрев предо­хранителя протекает медленно. Большая часть тепла отда­ется окружающей среде. Сложные условия… Ток, при котором плавкая встав­ка сгорает при достижении ею уста­новившейся…    

КОНСТРУКЦИЯ ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

а) Предохранители с гашением дуги в закрытом объеме. Предохранители на токи от 15 до 60 А имеют упрощенную конструкцию. Плавкая вставка 1… Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне, который состоит из… При отключении сгорают суженные перешейки плавкой вставки, пос­ле чего возникает дуга. Под действием температуры дуги…

Б) Предохранители с мелкозернистым наполнителем.

Эти предохра­нители более совершенны, чем предохранители ПР-2. Корпус квадратно­го сечения 1 предохранителя типа ПН-2 (рис. 11.3) изготавливается из прочного фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточ­ные плавкие вставки 2 и наполнитель — кварцевый песок 3. Плавкие вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, свя­занным с ножевыми контактами 9. Пластины 5 крепятся к корпусу вин­тами.

В качестве наполнителя используется кварцевый песок с содержа­нием Si0₂ не менее 98 %, с зернами размером (0,20,4) • 10^{-3 м} и влаж­ностью не выше 3 %. Перед засыпкой песок тщательно просушивается при температуре 120—180 °С. Зерна кварцевого песка имеют высокую теплопроводность и хорошо развитую охлаждающую поверхность.

Плавкая вставка выполняется из медной ленты толщиной 0,1— 0,2 мм. Для получения токоограничения вставка имеет суженные сечения 8. Плавкая вставка разделена на три параллельных ветви для более пол­ного использования наполнителя. Применение тонкой ленты, эффектив­ный теплоотвод от суженных участков позволяют выбрать небольшое минимальное сечение вставки для данного номинального тока, что обес­печивает высокую токоограничивающую способность. Соединение не­скольких суженных участков последовательно способствует замедлению роста тока после плавления вставки, так как возрастает напряжение на дуге предохранителя. Для снижения температуры плавления на вставки наносятся оловянные полоски 7 (металлургический эффект).

 

 

 

Рис. 11.3. Предохранитель типа ПН-2

 

При КЗ плавкая вставка сгорает и дуга горит в канале, образован­ном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольт-амперную характеристику. Гра­диент напряжения на дуге очень высок и достигает В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд.

После срабатывания предохранителя плавкие вставки вместе с дис­ком 4 заменяются, после чего патрон засыпается песком. Для гермети­зации патрона под пластины 5 кладется асбестовая прокладка 6 , что предохраняет песок от увлажнения. При номинальном токе 40 А и ни­же предохранитель имеет более простую конструкцию.

Предохранители ПН-2 выпускаются на номинальный ток до 630 А. Предельный отключаемый ток КЗ, который может отключаться предохранителем, достигает 50 кА (действующее значение тока металлическо­го КЗ сети, в которой устанавливается предохранитель).

Малые габариты, незначительная затрата дефицитных материалов, высокая токоограничивающая способность являются достоинствами это­го предохранителя.

В малогабаритных распределительных устройствах применяются резьбовые предохранители типа ПРС (рис. 11.4, а). Один конец цепи подводится к контакту 1, который связан с контактной гильзой 2, сое­диненной резьбой с контактом съемной головки 3. Плавкая вставка 4 располагается в фарфоровом цилиндре 5, заполненном кварцевым пес­ком. На торцах цилиндра 5 укреплены контактные колпачки, с которы­ми соединена плавкая вставка 4. Второй конец цепи через контакт 7 со­единяется с контактным винтом 8. Предохранитель имеет указатель сра­батывания. При сгорании плавкой вставки освобождается специальная пружина, которая выбрасывает глазок в застекленное отверстие 6. По­сле срабатывания предохранителя заменяется цилиндр 5 со сгоревшей плавкой вставкой и сигнализирующим устройством.

Предохранители этого типа выпускаются на токи до 100 А, напряжение до 440 В постоянного тока и до 500 В переменного тока частотой 50 Гц. Предельно отключаемый ток составляет 60 кА.

Эти предохранители более сложны в производстве и более дороги, чем предохранители ПН-2. Поэтому их применение целесообразно при малых габаритах распределительного устройства и ограниченном време­ни обслуживания (после сгорания плавкой вставки).

в) Предохранители с жидкометаллический контактом.

В таком пре­дохранителе (рис. 11.5, б) электроизоляционная трубка 1 имеет капил­ляр, заполненный жидким металлом 2. Капилляр с жидким металлом герметично закрыт электродами 3, 4 и корпусом 5 с уплотнением 6 и имеет специальное демпфирующее устройство 7, 8. При протекании большого тока жидкий металл в нем испаряется, образуется паровая пробка и электрическая цепь размыкается. После определенного време­ни пары металла конденсируются и контакт восстанавливается. Предель­ный отключаемый ток таких предохранителей достигает 250 кА при на­пряжении 450 В переменного тока. Предохранители работают многократ­но с большим токоограничением.

г) Быстродействующие предохранители для защиты полупроводни­ковых приборов.

Малая тепловая инерция, быстрый прогрев полупро­водникового перехода крайне затрудняют защиту мощных диодов, тиристоров и транзисторов при токовых перегрузках. Обычные типы предохранителей и автоматических выключателей из-за относительно боль­шого времени срабатывания не обеспечивают защиту полупроводнико­вых приборов при КЗ. Для выполнения этой задачи разработаны специальные быстродействующие предохранители.

При времени протекания тока t<0,02с можно считать, что про­цесс нагрева прибора протекает по адиабатическому закону. Для удоб­ства согласования характеристик прибора и предохранителя вводится

понятие интеграла Джоуля

где t — длительность протекания тока через прибор.

 

 

 

 

Рис. 11.4. Предохранитель типа ПРС (а)

 

 

 

 

Рис. 11.5. Жидкометаллический пре­дохранитель (б)

 

Для эффективной защиты необходимо, чтобы полный джоулев интеграл предохранителя был меньше джоулева интеграла защищаемого прибора. Джоулев интеграл предохранителя состоит из джоулева ин­теграла нагрева до температуры плавления вставки С_пл и джоулева интеграла гашения образовавшейся дуги С_гаш..С целью сокращения первой составляющей предохранитель должен работать с большим то­коограничением. Для достижения этой цели плавкая вставка выполня­ется из серебра, имеет перешеек с минимальным сечением и охлажда­ется кварцевым наполнителем.

С целью улучшения охлаждения при больших номинальных токах плавкая вставка выполняется из ленты толщиной 0,05—0,2 мм. При больших токах вставка имеет несколько параллельных ветвей. Помогает также заполнение кварцевым песком под большим давлением. В не­которых случаях для дальнейшего уменьшения перешейка предохрани­тель имеет искусственное водяное охлаждение.

Для уменьшения времени горения дуги плавкая вставка имеет большое число перешейков. После плавления вставки образуется ряд последовательно включенных дуг, благодаря чему вольт-амперная ха­рактеристика предохранителя поднимается. Число перешейков ограни­чивается перенапряжением, которое возникает при отключении цепи.

При постоянном токе гашение дуги осложняется тем, что ток не про­ходит через нуль и вся электромагнитная энергия отключаемой цепи рассеивается в предохранителе. Решающим фактором при постоянном токе является постоянная времени цепиС увеличением постоянной времени Т условия работы предохранителя утяжеляются. Необ­ходимо выбирать предохранитель на более высокое номинальное напря­жение, чем при переменном токе.

Конструктивно быстродействующий предохранитель представляет собой корпус из прочного фарфора, внутри которого расположены плав-, кие вставки и кварцевый песок. Контакты укрепляются к корпусу вин­тами и могут иметь различное исполнение.

В современных преобразовательных установках каждый полупро­водниковый прибор имеет предохранитель. Токи, протекающие через предохранитель, могут достигать 100—200 кА. При разрушении предо­хранителя может произойти авария преобразовательной установ­ки. В связи с этим быстродействующие предохранители должны иметь большую механическую прочность и обладать высокой надеж­ностью.

Выпускается серия быстродействующих предохранителей ПП-57 на номинальные токи 40—800 А и готовится к выпуску серия ПП-59 на номинальные токи 250—2000 А. Номинальные напряжения составляют до 1250 В переменного и до 1050 В постоянного тока.

Быстродействующие предохранители предназначены только для за­щиты от КЗ. Защита от перегрузок должна выполняться другими аппа­ратами.

 

ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЕЙ

Предохранитель не должен отключать установку при перегрузках, которые являются эксплуатационными. Так, пусковой ток асинхронного двигателя с… Для тяжелых условий пуска, когда двигатель медленно разворачивается (привод… Iв.ном =(0,5–0,6) Iп.

Лекция №12.

 

Тема лекции:

Контакторы постоянного и переменного тока, параметры, требования. Магнитные пускатели.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Контактор – это одноступенчатый аппарат, пред­назначенный для частых дистанционных включений и отключений электрических силовых цепей. Замыкание контактов контактора может осуществляться электромагнитным или гидравлическим при­водом. Наибольшее распространение получили электромагнитные контакторы.

В настоящее время частота коммутаций в схемах элек­тропривода достигает 3600 в час. Этот режим работы является наиболее тяжелым. При каждом включении и от­ключении происходит износ контактов. Поэтому принимаются меры к сокращению длительности горения ду­ги при отключении и к устранению вибраций контактов.

Общие технические требования к контакторам и усло­вия их работы регламентированы ГОСТ 11206–77.

Основными техническими данными кон­такторов являются номинальный ток главных контак­тов, предельный отключаемый ток, номинальное напря­жение коммутируемой цепи, механическая и коммутацион­ная износостойкость, допустимое число включений в час, собственное время включения и отключения. Способность контактора, как и любого коммутационного аппарата, обе­спечить работу при большом числе операций характеризу­ется износостойкостью. Различают механическую и комму­тационную износостойкость. Механическая износостойкость определяется числом циклов включения-отключения кон­тактора без ремонта и замены его узлов и деталей. Ток в цепи при этом равен нулю. Механическая износостойкость современных контакторов составляет (10-20) · 10⁶ опера­ций.

Коммутационная износостойкость определяется таким числом включений и отключений цепи с током, после кото­рого требуется замена контактов. Современные контакторы должны иметь коммутационную износостойкость порядка (2-3) · 10⁶ операций (некоторые выпускаемые в настоящее время контакторы имеют коммутационную износостойкость 10⁶ операций и менее).

Собственное время включения состоит из времени нарастания потока в электромагните контактора до значения потока трогания и времени движения якоря. Большая часть этого времени тратится на нарастание магнитного потока. Для контакторов постоянного тока с номинальным током 100 А собственное время включения составляет 0,14 с, для контакторов с током 630 А оно увеличивается до 0,37 с.

Собственное время отключения – время с момента обесточивания электромагнита контактора до момента размы­кания его контактов. Оно определяется временем спада по­тока от установившегося значения до потока отпускания. Временем с начала движения якоря до момента размыка­ния контактов можно пренебречь. В контакторах постоян­ного тока с номинальным током 100 А собственное время отключения составляет 0,07, в контакторах с номинальным током 630 А – 0,23 с.

Номинальный ток контактора представляет собой ток, который можно пропускать по замкнутым главным контактам в течение 8 ч без коммутаций, причем превышение температуры различных частей контактора не должно быть больше допустимого (прерывисто-продолжительный режим работы). Номинальный рабочий ток контактора – это допустимый ток через его замкнутые главные контакты в конкретных условиях применения. Так, напри­мер, номинальный рабочий ток контактора для ком­мутации асинхронных двигателей с короткозамкнутым ро­тором выбирается из условий включения шестикратного пускового тока двигателя.

Номинальным напряжением называется наибольшее напряжение коммутируемой цепи, для работы при котором предназначен контактор. Вспомогательные контакты должны ком­мутировать цепи электромагнитов переменного тока, у ко­торых пусковой ток может во много раз превышать устано­вившийся.

Контактор имеет следующие основные узлы: контакт­ную систему, дугогасительное устройство, электромагнит и систему вспомогательных контактов. При подаче напря­жения на обмотку электромагнита контактора его якорь притягивается. Подвижный контакт, связанный с якорем электромагнита, замыкает или размыкает главную цепь. Дугогасительное устройство обеспечивает быстрое гашение дуги, благодаря чему достигается малый износ контактов. Система вспомогательных слаботочных контактов служит для согласования работы контактора с другими устройст­вами.

Контакторы постоянного тока коммутируют цепь постоянного тока и имеют, как правило, электромагнит также постоянного тока.

Контакторы переменного тока коммутируют цепь переменного тока. Электромагнит этих контакторов может быть выполнен либо для работы на переменном токе, либо для работы на постоянном токе. Способность аппарата обеспечивать работу при большом числе операций характеризуется износоустойчивостью. Различают меха­ническую и электрическую износоустойчивость.

Механическая износоустойчивость определяется чис­лом включений-отключений контактора без ремонта и замены его узлов и деталей. Ток в цепи при этом равен нулю. К современным контакторам предъявляется очень высокое требование по механической износоустойчивости (10-20)·операций.

Электрическая износоустойчивость определяется чис­лом включений и отключений, после которого требуется замена износившихся контактов. Современные контак­торы должны иметь электрическую износоустойчивость порядка 2-3 млн операций. Эти требования очень вы­соки (часть выпускаемых в настоящее время контакторов имеет электрическую износоустойчивость 10⁶ опе­раций и менее). Наряду с высокой механической и элек­трической износоустойчивостью контакторы должны иметь малый вес и размеры. Зона выхлопа раскаленных газов дуги должна быть возможно малой, что позволяет сократить размеры всей установки в целом.

Контактор имеет следующие основные узлы: контактную систему, дугогасительную систему, электромагнит­ный механизм, систему блокконтактов.

При подаче напряжения на катушку электромагнита притягивается якорь. Подвижный контакт, связанный с якорем, производит замыкание или размыкание глав­ной цепи. Дугогасительная система обеспечивает быст­рое гашение дуги, благодаря чему достигается малый износ контактов. Кроме главных контактов, контактор имеет несколько дополнительных слаботочных контак­тов (блок-контактов) для согласования работы контак­тора с другими аппаратами.

2. УСТРОЙСТВО КОНТАКТОРА С УПРАВЛЕНИЕМ
ОТ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

а) Контактная система. Контакты аппарата подвер­жены наиболее сильному электрическому и механическо­му износу ввиду большого числа операций в час и тяже­лым условиям работы. С целью уменьшения износа пре­имущественное распространение получили линейные перекатывающиеся контакты. В про­цессе работы контакты большого числа аппаратов разрывают цепь с током, большим, чем минималь­ный ток дугообразования. Возни­кающая электрическая дуга способ­ствует быстрому износу контактов.

Для надежного гашения дуги, образующейся при отключении, между неподвижным и подвижным контактами необходимо создавать определенное расстояние. В реальных аппаратах это расстояние выбирается с запасом.

Расстояние между неподвижным и подвижным кон­тактами в полностью отключенном положении аппарата называется раствором контактовВ зависимости от конструк­ции крепления контактов меня­ется число контактных точек со­прикосновения и стабильность контакта.

Контакт, имеющий возмож­ность свободно устанавливаться на поверхности, имеет макси­мальное число точек касания. Такой контакт называется само­устанавливающимся. Пример та­кого контакта дан на рис. 12.1. Неподвижные контакты 1 и подвижный мостиковый кон­такт 2 в месте касания имеют сферические (или цилин­дрические) напайки 3, выполненные из серебра или металлокерамики. Нажатие контактов создается пру­жиной 4. После касания контактов скоба 5, связан­ная с якорем электромагни­та, продолжает свое движе­ние вверх на величину, рав­ную вжиму (провалу) кон­такта 6.

Применительно к рис.12.1 провалом (вжимом) контакта называется рас­стояние, на которое переме­стится подвижный контакт, если убрать неподвижный контакт. В контактах рис.12.1 пленка окисла не стирается, по­этому медь нельзя использовать в этой конструкции.

На рис.12.1 показана пальцевая система с перека­тыванием, широко применяемая в контакторах с медны­ми контактами. Контактный рычаг 4 связывается с якорем электромагнита. При включении центр О переме­щается по дуге с радиусом 0₂О_х(1). Касание пальцев 1 и 2 происходит в точке В. При дальнейшем переме­щении точка касания переходит в А. Перекатывание контакта 2 по контакту 1 происходит с небольшим про­скальзыванием. При этом пленка окисла на контактах стирается. При включении контактов, из-за шероховатости на поверхности касания появ­ляется дополнительная вибрация контактов. Поэтому величина проскальзывания должна быть небольшой. При отключении дуга загорается между точками В-В, что спасает от оплавления точки А-А, в которых контак­ты касаются во включенном положении. Таким образом удается разделить контакт на две части: в одной проис­ходит гашение дуги, в другой ток проводится длительно. Поскольку для контактов непосредственный контроль провала контактов б затруднен, о величине провала судят по зазору, образующемуся между ры­чагом и контактной скобой.

 

 

Р и с. 12.1. Конструкции коммутирующих контактов:

а – перекатывающиеся; б – мостиковые; в – сдвоенные

Во всех без исключения аппаратах имеется вжим (провал) контактов, который обеспечивает необходимое нажатие контактов. Вследствие обгорания и износа кон­тактов в процессе эксплуатации вжим уменьшается, что приводит к уменьшению силы нажатия и росту переход­ного сопротивления контактов. Поэтому в эксплуатации вжим контактов должен обязательно контролироваться и находиться в пределах, требуемых заводом-изготовите­лем. Особенно это относится к аппаратам, работающим в режиме частых включений и отключений (контакторы), где износ контактов особенно интенсивен. В торцевом мостиковом контакте вжим обычно состав­ляет 3-5 мм. В мощных выключателях высокого напря­жения он увеличивается до 8-10 мм.

При больших номинальных токах (более 2 000 А) применяется сдвоенная контактная система (рис.12.1, а). Аппарат имеет главные контакты 1 – 1' и дугогасительные 2 – 2'.

Тело главных контактов выполняется из меди, а по­верхности их соприкосновения – из серебра, нанесенного электролитически (слой 20 мк) или в виде припаянных сереб­ряных пластинок.

Тело дугогасительного кон­такта выполняется из меди. На­конечники дугогасительных контактов выполняются из дугостойкого материала вольфрама или металлокерамики.

Ввиду того, что сопротив­ление цепи главных контактов значительно меньше, чем дуго­гасительных, 75-80% длитель­ного тока проходит через глав­ные контакты, имеющие малое переходное сопротивление.

При отключении вначале расходятся главные контакты и весь ток цепи перебрасывается в дугогасительные. Контакты 2 – 2' расходятся в тот момент, когда рас­стояния между главными контактами достаточно, чтобы выдержать наибольшее напряжение, возникающее в про­цессе гашения дуги на дугогасительных контактах.

При включении таких контактов вначале замыкаются дугогасительные контакты, а затем главные, что обеспе­чивает отсутствие дуги и оплавление на серебряных по­верхностях главных контактов. Ввиду громоздкости это решение применяется только при очень больших токах в автоматах и выключателях высокого напряжения.

Во всех остальных случаях стремятся подобрать соот­ветствующий контактный материал и обойтись одноконтактной системой.

Для предотвращения вибраций контактов контактная пружина создает предварительное нажатие, равное при­мерно половине конечной силы нажатия. Большое влия­ние на вибрацию оказывают жесткость крепления непо­движного контакта и стойкость к вибрациям всего контактора в целом.

Основным параметром контактора является номи­нальный ток, который определяет величину (размеры) контактора. Так, контактор II величины имеет ток 100 А, III – 150 А и т.д.

Номинальным током контактора называется ток пре­рывисто-продолжительного режима работы. При этом режиме работы контактор находится во включенном со­стоянии не более 8 ч. По истечении этого промежутка аппарат должен быть несколько раз включен и отклю­чен (для зачистки контактов от окиси меди). После это­го аппарат снова включается.

Если контактор располагается в шкафу, то номи­нальный ток понижается примерно на 10% из-за ухуд­шающихся условий охлаждения.

В продолжительном режиме работы, когда длитель­ность времени непрерывного включения превышает 8 ч, допустимый ток контактора снижается примерно на 20%. В таком режиме из-за окисления медных контактов рас­тет переходное сопротивление, что может привести к по­вышению температуры выше допустимой величины.

Согласно рекомен­дациям завода допустимый ток повторно-кратко-времен­ного режима для контактора КПВ-600 определяется по формуле

,

где , а п – число включений в час.

Необходимо отметить, что если при отключении в по­вторно-кратковременном режиме длительно горит дуга (отключается большая индуктивная нагрузка), то темпе­ратура контактов может резко увеличиться за счет по­догрева контактов дугой. В этом случае нагрев контак­тов в продолжительном режиме работы может быть мень­ше, чем в повторно-кратковременном режиме.

Как правило, контактная система имеет один полюс.

б) Дугогасительная си­стема. В контакторах посто­янного тока наибольшее распространение получили устройства с электромагнит­ным дутьем. Как указыва­лось, при взаимодей­ствии магнитного поля с ду­гой возникает электродина­мическая сила, перемещаю­щая дугу с большой скоростью.

Электрическая дуга является газообразным проводником тока. На этот проводник, так же как на металлический, действует магнит­ное поле, создавая силу, пропорциональную индукции поля и току в дуге. Магнитное поле, действуя на дугу, увеличивает ее длину и перемещает элементы дуги в пространстве с большой скоростью.

Поперечное перемещение элементов дуги создает интенсивное охлаждение, что приводит к повышению градиента напряжения на столбе дуги.

При движении дуги в среде газа с большой скоростью возникает расслоение дуги на отдельные параллельные волокна. Чем длиннее дуга, тем сильнее происходит расслоение дуги.

С целью создания эффективного охлаждения дуга с по­мощью магнитного поля втягивается в узкую щель между стенками из дугостойкого материала с высокой теплопроводностью (диаметр дуги больше ширины щели). Из-за увеличения теплоотдачи стенкам щели градиент в столбе дуги при наличии узкой щели значительно выше, чем у дуги, свободно перемещающейся между электродами. Это дает возможность сократить необходимую для гашения длину дуги и время гашения.

Для улучшения охлаждения дуги ее заго­няют в щель из дугостойкого материала с высо­кой теплопроводностью.

На рис.12.2 изображена зависимость раствора кон­тактов, при котором происходит гашение дуги, от вели­чины тока и напряженности магнитного поля для контактора одного типа. При всех значениях напряженности поля Н кривые имеют один и тот же характер: при токе 5-7 А кривая достигает максимума, после чего с ростом тока необходимый раствор падает и при токе 200 А все кривые сливаются. Такой ход кривых объясняется сле­дующими явлениями. Электродинамическая сила, дейст­вующая на единицу длины дуги, равна

,

где – ток; В – индукция магнитного поля.

Рассмотрим случай, когда H = 0 (кривая 1). При ма­лом значении тока в дуге величина электродинамической силы получается столь незначительной, что она не ока­зывает никакого влияния на процесс гашения. Условия, необходимые для гашения, создаются за счет механиче­ского растяжения дуги подвижным контактом. Чем боль­ше величина отключаемого тока, тем большая энергия должна быть рассеяна в дуге. При этом условия гаше­ния дуги наступают при большей ее длине.

При токе более 7 А на дугу действует электродинами­ческая сила, возникающая как за счет магнитного поля подводящих проводников, так и за счет конфигурации са­мой дуги (грубо можно представить, что дуга имеет фор­му части окружности). Эти силы являются решающими для гашения дуги. Чем больше ток в цепи, тем больше электродинамическая сила, растягивающая дугу. В ре­зультате при токе 200 А для гашения дуги достаточно иметь раствор контактов около 1,5 мм. Фактически при таком токе, как только контакты разойдутся, возникаю­щие электродинамические силы выталкивают дугу из межконтактного зазора и перемещают со скоростью несколько десятков метров в секунду. При этом длина дуги, при которой она гаснет, достигает 10 мм и более. Наличие внешнего магнитного поля способствует рез­кому сокращению раствора контактов в области малых токов и незначительно сказывается на процессе гаше­ния при токах 100 А и выше. Оптимальной на­пряженностью является H = 55 А/см. Дальнейшее увели­чение напряженности мало влияет на процесс гашения, но требует большей мощности для создания магнитного поля, что связано с увеличением затрат меди на ка­тушку.

Хотя при токах выше 100 А применение магнитного дутья кажется излишним (рис.12.2), во всех кон­такторах на токи 100 А и выше такая система обязательно применяется. Дело в том, что наличие внешнего маг­нитного поля способствует быстрому перемещению опор­ных точек дуги на контактах, перегоняя ее на дугогасительные электроды – рога и тем самым уменьшая оплав­ление контактов. Для каждого значения тока имеется свое оптимальное значение поля. При напряженности, большей оптималь­ной, наступает усиленный износ контактов за счет того, что жидкометаллический контактный мостик, образую­щийся в стадии размыкания контактов, уносится и рас­пыляется сильным магнитным полем.

Величина напряжения отключаемой цепи утяжеляет процесс гашения дуги только в области малых токов до 30 А. В области с токами выше 100 А, когда решающую роль играют электродинамические силы, величина пи­тающего напряжения практически не влияет на раствор контактов. Раствор контактов обычно берется 10-17 мм и определяется условиями гашения малого тока.

Характер нагрузки отключаемой цепи также оказы­вает влияние только при малых токах в области, где га­шение дуги происходит за счет механического растяже­ния дуги. В области больших токов следует опасаться больших перенапряжений и повторных пробоев из-за резкого снижения тока к нулю при сильном магнитном поле

Р и с. 12.2. Зависимость раствора контактов от тока дуги

 

В зависимости от способа создания магнитного поля различают системы с последовательным (сериесным) включением дугогасительной катушки и с параллельным (шунтовым) включением катушки и системы с постоян­ным магнитом.

В случае применения сериесной катушки она об­текается током, проходящим в отключаемой цепи. Если пренебречь магнитным сопротивлением стали, то можно считать, что индукция пропорциональна отключаемому току. Тогда выражение для силы, действующей на дугу, можно преобразовать к виду

.

Таким образом, сила, действующая на единицу длины дуги, пропорциональна квадрату тока.

Как было показано ранее, наиболее важно иметь не­обходимую величину магнитного поля для дутья в обла­сти малых токов. Сериесная система обладает как раз тем недостатком, что в этой области токов не создает необходимой напряженности магнитного поля. В результате гашение дуги получается мало­эффективным.

Согласно опытным данным ток, надежно отключае­мый контакторами с сериесным дутьем, составляет 20-25% номинального тока аппарата.

Для надежного и быстрого гашения дуги в области малых токов применяются контакторы на небольшой ток (блок-контакторы) со сменными дугогасительными ка­тушками. Эти катушки имеют номинальный ток 1,5-40 А. При малом отключаемом токе катушка имеет боль­шое число витков, благодаря чему создается необхо­димое магнитное поле для гашения дуги за малое время.

Достоинства системы с сериесной катушкой таковы.

1. Система хорошо работает в области токов свыше 100 А. При этих токах магнитное поле быстро сдувает дугу с рабочих поверхностей контактов и обеспечивает малый их износ.

2. Работа системы не зависит от направления тока. При изменении направления тока меняет знак и магнит­ное поле. Сила, действующая на дугу, не изменяет сво­его направления.

3. Поскольку через катушку проходит номинальный ток контактора, она выполняется из провода большого сечения. Такая катушка механически прочна и не боит­ся ударов, возникающих при работе контактора. Паде­ние напряжения на катушке составляет доли вольта. По­этому к изоляции катушки не предъявляются высокие требования.

Наряду с достоинствами эта система имеет и ряд не­достатков.

1. Плохое гашение дуги при малых токах (5-7 А).

2. Большая затрата меди на катушку.

3. Подогрев контактов за счет тепла, выделяемого дугогасительной катушкой.

Несмотря на эти недостатки, си­стема с сериесной катушкой благодаря высокой на­дежности при гашении номинальных и больших токов получила преимущественное распространение.

В параллельной (шунтовой) системе катушка, соз­дающая магнитное поле, подключается к независимому источнику питания. Напряженность магнитного поля, создаваемая системой, постоянна и не зависит от отклю­чаемого тока.

Сила, действующая на дугу, пропор­циональна отключаемому току.

На рис. 2.5 изображена эта зависимость для случая, когда н.с. сериесной обмотки при номинальном токе равна н.с. шунтовой. При токах от 0 до сила, дейст­вующая на дугу, при шунтовой катушке получается боль­шей, чем при сериесной, – прямая F₂. Это позволяет рез­ко снизить длительность горения дуги в области малых токов. При токах больших сила, действующая на дугу, при сериесной катушке больше, чем при шунтовой. Одна­ко для гашения это не имеет существенного значения, так как решающими являются силы, возникающие в са­мом контуре дуги.

Зависимость времени гашения дуги от тока для шун­товой обмотки приведена на рис. 2.5 (кривая 3).

Поскольку в области малых токов шунтовая катушка действует более эффективно, чем сериесная, при одной и той же длительности горения дуги требуется меньшая н.с., что дает экономию. Однако шунтовые катушки име­ют и ряд крупных недостатков.

1. Направление электродинамической силы, действу­ющей на дугу, зависит от полярности тока. При измене­нии направления тока дуга меняет направление своего движения. Контактор не может работать при перемене полярности тока.

2. Поскольку к катушке прикладывается напряжение источника питания, изоляция должна быть рассчитана на это напряжение. Катушка выполняется из тонкого провода. При ударах и вибрациях возможны поврежде­ние изоляции провода и выход из строя катушки. Бли­зость дуги к такой катушке делает ее работу ненадеж­ной.

3. При коротких замыканиях возможна посадка на­пряжения па источнике, питающем катушки. В резуль­тате процесс гашения дуги идет неэффективно.

В связи с указанными недостатками системы с шун­товой обмоткой в настоящее время применяются только в случаях, когда необходимо отключать небольшие токи от 5 до 10 А. В аппаратах на большие силы тока эта си­стема не применяется.

Система с постоянным магнитом по существу мало отличается по своей характеристике от системы с шун­товой обмоткой. Магнитное поле создается за счет по­стоянного магнита.

По сравнению с системами, где поле создается обмот­ками, постоянный магнит имеет ряд преимуществ.

1. Нет затрат энергии на создание магнитного поля.

2. Резко сокращается расход меди на контактор.

3. Отсутствует подогрев контактов от катушки, как это имеет место в системе с сериесной обмоткой.

4. По сравнению с шунтовой системой, система с по­стоянным магнитом обладает высокой надежностью и хорошо работает при любых токах. Применение постоянного магнита позволяет сократить длительность горения дуги при малых токах. В силу сво­их преимуществ эта система, очевидно, в дальнейшем бу­дет широко использоваться.

Магнитное поле, действующее на дугу, создает силу, которая перемещает дугу в дугогасительную ка­меру. Назначение камеры – локализовать область, занятую раскаленными газами дуги, препятствовать пере­крытию между соседними полюсами. При соприкоснове­нии дуги со стенками камеры происходит интенсивное охлаждение дуги, что приводит к подъему вольтампер­ной характеристики и успешному гашению.

Асбоцементные камеры, применявшиеся в течение дли­тельного времени, обладают тем недостатком, что под действием высокой температуры дуги на поверхности сте­нок образуются проводящие мостики. В результате возможно возникновение стабильной дуги, которая горит в местах, где образовались эти проводящие мостики.

Наиболее совершенной является лабиринтно-щелевая камера. Под действием магнитного поля дуга загоняется в суживающуюся зигзагообразную щель (рис. 2.6, б). Благодаря увеличению длины дуги и хорошему теплово­му контакту дуги со стенками камеры происходит ее эф­фективное гашение. По сравнению с обычной продольной щелью (рис. 2.6, а) зиг­загообразная щель умень­шает количество выброшен­ных из камеры раскаленных газов и, следовательно, зо­ну выхлопа.

в) Электромагнитная си­стема. В контакторах с при­водом на постоянном токе преимущественное распро­странение получили электро­магниты клапанного типа.

С целью повышения ме­ханической износоустойчиво­сти в современных контак­торах применяется вращение якоря на призме. Выбранная компоновка электромагни­та и контактной системы, применение специальной пру­жины, прижимающей якорь к призме, позволили повысить износоустойчивость узла вращения до 20-10⁶. В случае приме­нения подшипникового соединения якоря и магнитопровода при износе подшипника возникают люфты, нару­шающие нормальную работу аппарата.

 

а б

 

Р и с. 12.3. Дугогасительная камера с прямой
и зигзагообразной щелью

 

При включении электромагнит преодолевает действие силы возвратной и контактной пружин. Тяговая харак­теристика электромагнита должна во всех точках идти выше характеристики противодействующих пружин при минимальном допустимом напряжении на катушке () и нагретой катушке. Включение должно про­исходить при постоянно нарастающей скорости. Не долж­но быть замедления в момент замыкания главных кон­тактов.

В противодействующей характеристике наиболее тя­желым моментом является преодоление силы в момент касания главных контактов. Наибольшее напряжение на катушке не должно превышать 110% , так как при большем напряжении увеличивается износ из-за усиле­ния ударов якоря, а температура катушки может превы­сить допустимую величину.

 

Следует отметить, что с целью уменьшения намагни­чивающей силы катушки, а следовательно, и потребляе­мой ею мощности рабочий ход якоря выбирается не­большим, порядка 8-10 мм. В связи с тем, что для на­дежного гашения дуги при малых токах требуется рас­твор контактов 17-20 мм, расстояние точки касания подвижного контакта от оси вращения подвижной си­стемы берется в 1,5-2 раза больше, чем расстояние от оси полюса до оси вращения.

Для сокращения габаритов контактора и уменьшения по­требляемой мощности применяется форсировка. Контактор снабжается размыкаю­щим контактом и экономи­ческим (форсировочным) сопротивлением. Поскольку процесс включения длится кратковременно, то в об­мотке можно допустить вы­сокую плотность тока. В ре­зультате при малом габари­те катушки удается полу­чить большое значение на­магничивающей силы. С точки зрения работы схем автоматики весьма важной характеристикой яв­ляется собственное вре­мя включения контак­тора. Собственное время при включении состоит из вре­мени нарастания потока до значения потока трогания и времени движения якоря. Большая часть времени тра­тится на нарастание потока. Для контакторов на ток 100 А собственное время составляет 0,14 сек, а для кон­такторов на ток 600 А оно увеличивается до 0,37 сек.

Собственное время отпадания – время с момента обесточивания электромагнита до момента размыкания контактов. Оно определяется временем спа­да потока от установившегося значения до потока от­пускания (временем движения с момента начала движения якоря до момента размыкания контактов можно пренебречь). Переходный процесс в обмотке мало ска­зывается на спаде потока, так как цепь обмотки быстро разрывается отключающим аппаратом. Этот процесс в основном определяется токами, циркулирующими в массивных элементах магнитной цепи (в основном за счет токов в цилиндрическом сердечнике, на котором расположена катушка). Ввиду большого удельного электрического сопротивления стали эти токи создают небольшое за­медление в спадании потока. В контакторах на 100 А время отпадания составляет 0,07 сек, а в контакторах на 600 А – 0,23 сек.

3. КОНТАКТОРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

КОНТАКТНАЯ СИСТЕМА

Широкое распростра­нение получила мостиковая контактная система с двумя разрывами на каждый полюс. Такая конструкция распространена в пускате­лях.… Более совершенным является контактор, который имеет мостиковую систему и… Расстояние от оси вращения до места расположения контактов в 2,5 раза меньше, чем расстояние от оси вра­щения до точки…

Лекция №13.

 

Тема лекции:

Автоматические воздушные выключатели (автоматы), виды, параметры

Электромагнитные реле (тока и напряжения, для энергосистем и электроприводов).

 

 

АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДУШНЫЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ.

 

Автоматические выключатели (автоматы) обеспечивают одновременно функции коммутации силовых цепей (токи от единиц ампер до десятков килоампер) и защиты электроприемника, а также сетей от перегрузок и коротких замыканий. По выполняемым функциям защиты автоматы можно подразделять на:

1.Автоматы максимального тока;

2.Автоматыминимального тока;

3.Автоматы понижения напряжения;

4.Автоматыобратной мощности.

Принципиальные схемы действия автоматов без выдержки времени представлены на рис.13.1 (с электромагнитными расцепителями).

Основными элементами всякого автомата являются:

чувствительный орган в виде элемента защиты;

исполнительный орган в виде контактного устройства;

промежуточное кинематическое устройство- механизм выключателя;

дугогасительное устройство;

механизм управления- привод включения.

Элемент защиты воспринимает изменение параметров электрической цепи и срабатывает при наступлении ненормального режима в ней (недопустимое увеличение тока, понижения напряжения и др.) При срабатывании элементов защиты происходит воздействие на механизм свободного расцепления. Элементы защиты с промежуточными конструктивными частями (пружинами и др.) воздействующие на механизм свободного расцепления, называют расцеплениями.

Составной частью кинематики многих конструкций автоматов является механизм свободного расцепления. В различных конструкциях автоматов свободное расцепление обеспечивается по разному: механизмом с ломающимся рычагом, механизмы с защелкой и др.

На рис.13.2 показана схема механизма свободного расцепления, выполненного в виде системы шарнирно связанных ломающихся рычагов. Эти рычаги устроены так, что при включенном состоянии автомата (положение1) «б» лежит несколько ниже мертвого положения рычагов(ниже прямой, соединяющей шарниры «а»и «в» причем рычаги опуститься ниже не могут. Следовательно. при включении и выключении автомата система рычагов 6 является жесткой. Если под воздействием толкателя сердечника 5 включающий катушки 4 звенья рычага 6 будут повернуты так, что шарнир «б» окажется выше прямой, соединяющей шарниры «а» и «в», то контакты 2 и 3 автоматически разойдутся вне зависимости от положения рукоятки 1,даже если ее удерживать (положение II). Чтобы вновь включить автомат, необходимо рукоятку поставить в положение, соответствующее отключенному автомату (положение III), при котором центр «б» окажется ниже прямой «а» и «в» (говорят–«зарядить» автомат).

Механизм свободного расцепления чаще всего выполняется так, что при ручном отключении происходит излом системы рычагов, а контакты быстро расходятся под действием отключающих пружин.

13 14

Существует большое разнообразие конструкций автоматов на различные номинальные токи, предназначенные для работы в цепях переменного и постоянного тока.

Автоматы защиты от перегрузок и коротких замыканий обеспечивают удобную установку и монтаж как на панелях и щитах распредустройств, так и отдельных устройствах. Таки автоматы на токи до 100-600А называют установочными.

Автоматы на номинальные токи 200-1500-6000А обладают способностью отключать токи короткого замыкания на десятки килоампер, имеют обычно несколько защит (от перегрузок, коротких замыканий, снижения напряжения и др.), дистанционное управлние, сигнализацию. Поэтому конструкции их значительно сложнее. Такие автоматы называют универсальными.

Наибольшее распространение получили автоматы серий А-3000;АЕ-1000, АЕ-2000, «Электрон». Серия АЕ для защиты цепей электроприемников от перегрузок и коротких замыканий на напряжения переменного тока 380,660В; постоянного – 110-220В; на номинальные токи от16 до 100А

Серия А-3000 выполняется на напряжении: переменные 380,660В; постоянные до 440В и токи от50 до 630А. Серия имеет модификации по повышению частоты на 400и 1500Гц.

Серия «Электрон» используется в распредустройствах на напряжения до 440 В постоянного и 660В переменного и токи от 630Адо 4000А

Автоматы выбирают по их номинальному току. Уставки токов расцепителей определяют по следующим соотношениям:

Для силовых одиночных электроприемников: ток уставки теплового расцепителя Iг>1,25 Iн; ток уставки электродинамического расцепителя Iэ>1,2 Iпуск, где Iн-номинальный ток электроприемника, Iг-пусковой ток электродвигателя .

Для группы силовых (двигательных) электроприемников:

Iт>1,1Imax, Iэ>1,2(Iпуск+Imax),где Imax-наибольший суммарный ток группы электроприемников в номинальном режиме.

Лабораторная работа по исследованию автоматических воздушных выключателей направлена на изучение характеристик элементов защиты.

 

 

 

Рис.13.1.Принципиальные схемы автоматических воздушных выключателей

а–автомат максимального тока; б — автомат максимального тока с выдержкой вре­мени; в — автомат минимального тока;

г — автомат понижения напряжения;д — автомат обратной мощности.

 

Рис.13.2. Принципиальная схема механизма свободного расцепления автомата.

/ — автомат включен; //-после автоматического отключения автомата; ///—автомат подготовлен к включению

 

Автоматическое отключение автоматов происходит под действием встроенных в них тепловых и максимально-токовых элементов защиты. Первые выполняются при помощи биметаллических элементов, срабатывающих обратнозависимой от тока выдержкой времени при появлении в цепи перегрузок; вторые при помощи электромагнитов, срабатывающих мгновенно при коротком замыкании.

 

Электромагнитные реле (тока и напряжения, для энергосистем и электроприводов).

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Реле – это электрический аппарат, в котором при плавном изменении входной (управляющей) величины происходит скачкообразное изменение выходной… По принципу действия реле подразделяются на электромагнитные, поляризованные,… В настоящих методических указаниях рассматриваются электромагнитные реле, принцип действия которых основан на…

Реле максимального тока РТ-40, РТ-140 (рис. 10.32) применяются в качестве измерительных реле в схемах релей­ной защиты реле тока серий РТ-40 и РТ-140 выпускаются в унифицированном кор­пусе «СУРА» и приспособлены для переднего или заднего под винт при­соединения внешних проводников.

Коэффициент возврата реле не ме­нее 0,85 на первой уставке и не менее 0,8 на остальных уставках шкалы. Реле имеет один замыкающий и один размыкающий контакты. Номинальная частота тока — 50 и 60 Гц. Габаритные размеры реле типа РТ-40 -— 67x128x158 мм; реле типа РТ-140 — 95x140x181 мм. Масса реле не более 0,85 кг.

 

Лекция №14.

 

Тема лекции:

 

Тепловое реле. Устройство, характеристики. Реле времени.

1.ТЕПЛОВЫЕ РЕЛЕ.   Тепловые реле основаны на принципе изменения физических свойств тел при их нагревании электрическим током или другими…

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ РЕЛЕ ВРЕМЕНИ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Общими требованиями для реле времени являются: а) стабильность выдержки времени при колебаниях на­пряжения, частоты питания,… б) малые потребляемая мощность, масса и габариты. Возврат реле в исходное положение происходит, как правило, при его…

ЗАМЕДЛЕНИЕМ

а) Устройство реле и влияние различных факторов на его

Работу.

На магнитопроводе установлена намагничивающая об­мотка 7 и короткозамкнутая обмотка в виде овальной гильзы 8. Усилие возвратной пру­жины 9… Для получения большой выдержки времени при отпус­кании необходима высокая… У реальных магнитных материалов после отключения намагничивающей обмотки поток спадает до , кото­рый определяется…

Б) Схемы включения реле.

 

Время срабатывания реле с электромагнитным замедлением очень мало, так как постоянная времени мала из-за большого начального ра­бочего зазора, и трогание реле происходит при малом зна­чении МДС обмотки. МДС трогания значительно меньше установившегося значения. Это время составляет 0,05— 0,2 с при наличии короткозамкнутого витка и 0,02—0,05 с при его отсутствии. Таким образом, возможности электромагнитного замедления при срабатывании весьма ограни­чены. Поэтому используются специальные схемы включения электромагнитных реле (рис.14.12).

Если необходима большая выдержка времени при замыкании контактов, то целесообразна схема с промежуточным реле К (рис. 6, а). Обмотка реле времени КТ все время подключена к напряжению через размыкающий контакт реле К. При подаче напряжения на обмотку К последнее размыкает свой контакт и обесточивает реле КТ. Якорь КТ отпадает, и его размыкающие контакты срабатывают с необходимой выдержкой времени, обусловленной временем срабатыва­ния реле К и временем отпускания реле КТ.

В схеме рис. 6, б роль короткозамкнутого витка играет сама намагничивающая обмотка, которая питается через резистор. Напряжение, приложенное к обмотке, должно быть достаточным для насыщения магнитной цепи при притяну­том якоре. При замыкании управляющего контакта S об­мотка реле закорачивается и обеспечивается медленный спад потока в магнитной цепи. Отсутствие специальной короткозамкнутой обмотки позволяет все окно магнитопровода занять намагничивающей обмоткой и создать боль­шой запас по МДС. При этом выдержка времени неизмен­на при снижении питающего напряжения на обмотке до . Такая схема широко применяется в электроприво­де. Обмотка реле включается параллельно ступени пуско­вого реостата в цепи якоря. При закорачивании этой сту­пени обмотка реле замыкается, а его контакты с выдерж­кой времени включают контактор, шунтирующий следующую ступень пускового реостата.

Применение полупроводникового вентиля также позво­ляет использовать реле без короткозамкнутого витка (рис. 6,в). При включении обмотки ток через вентиль прак­тически равен нулю. При отключении управляющего кон­такта S поток в магнитной цепи спадает и в обмотке на­водится ЭДС с полярностью, указанной на рис. 6, в. При этом через вентиль протекает ток, определяемый этой ЭДС, активным сопротивлением обмотки и вентиля и ин­дуктивностью обмотки.

Для того чтобы прямое сопротивление вентиля не при­водило к уменьшению выдержки времени (растет актив­ное сопротивление короткозамкнутой цепи), оно должно быть на один-два порядка ниже сопротивления обмотки.

При любых схемах обмотки реле питаются от источни­ка либо постоянного, либо переменного тока с мостовой схемой выпрямления.

 

 

Рис. 14.12. Схемы включения реле с выдержкой време­ни

 

в) Регулирование выдержки времени.

 

Время срабатывания реле можно плавно регулировать с помощью воз­вратной пружины 9 (рис. 14.12). С увеличением сжатия этой пружины увеличивается электромагнитное усилие, необходимое для трогания якоря и определяемое потоком в магнитной цепи. При большем сжатии пружины поток трогания возрастает. Следовательно, возрастает время тро­гания.

При разомкнутой магнитной цепи постоянная времени обмотки мала и максимальная выдержка времени также незначительна (около 0,2 с). Выдержка времени значи­тельно увеличивается, если поток трогания близок к уста­новившемуся значению. Однако в этом случае реле рабо­тает на пологой части кривой что вызывает большие разбросы времени срабатывания.

Для получения выдержки времени 1 с и более, необхо­димо использовать отпускание якоря. Регулировка выдерж­ки реле при отпускании может производиться плавно и сту­пенчато (грубо).

Плавное регулирование выдержки времени производит­ся изменением усилия пружины 11 (рис.14.12). Эта пружи­на верхним концом упирается в шайбу 14, которая удер­живается шпилькой 15, ввернутой в якорь реле. Нижний конец пружины посредством специальной пластины 16 пе­редает силу через два латунных штифта 12, которые могут свободно перемещаться в отверстиях якоря. Оси латунных штифтов 12 смещены относительно оси пружины. В притя­нутом положении якоря 2 штифты 12 перемещаются вверх и пружина 11 дополнительно сжимается. Пружина 11 соз­дает основную силу, отрывающую якорь от сердечника. Начальное сжатие пружины изменяется с помощью гайки 13. С увеличением силы пружины 11 электромагнитное усилие, при котором происходит отрыв якоря, увеличива­ется и возрастает поток отпускания При этом время отпускания уменьшается (рис. 7). Чем меньше сила пружины, тем больше выдержка времени. Следует отме­тить, что при близком к , якорь реле вообще мо­жет не отпадать от сердечника.

Возвратная пружина 9 регулируется так, чтобы обес­печить необходимое нажатие размыкающих контактов ре­ле и четкий возврат якоря.

Грубое регулирование выдержки времени осуществля­ется изменением толщины немагнитной прокладки . По­скольку при притянутом якоре магнитная цепь насыщена, толщина немагнитной прокладки мало сказывается на установившемся потоке. С уменьшением толщины немагнит­ной прокладки растет индуктивность катушки при ненасыщенном магнитопроводе и уменьшается скорость спадания магнитного потока. В результате при неизменном усилии пружины 11 (рис.14.12) выдержка времени увели­чивается. Толщину немагнитной прокладки не рекомендуется брать менее 0,1 мм. В противном случае при повторно-кратковременном режиме работы якорь раскле­пывает немагнитную прокладку и толщина ее уменьшает­ся, что ведет к изменению выдержки времени. При толщине прокладки мм этим явлением можно пренебречь.

Следует отметить, что электромеханические реле вре­мени достаточно просты по конструкции и обладают боль­шой ударо-, вибро- и износостойкостью. Допустимое чис­ло включений достигает 600 в час. Они могут использо­ваться в схемах автоматики и электропривода как реле тока, напряжения и промежуточные. Коэффициент возвра­та их низок и составляет 0,1—0,3. Короткозамкнутые вит­ки создают электромагнитное замедление как при притя­жении, так и при отпускании якоря. Поэтому токовые реле с короткозамкнутым витком не реагируют на кратковре­менные перегрузки. При кратковременных перегрузках МДС обмотки пропорциональна этим перегрузкам.

Поток в магнитопроводе нарастает с постоянной време­ни , определяемой параметрами короткозамкнутого вит­ка . Если перегрузка кратковременна и ее длитель­ность , то поток к моменту не достигнет значе­ния потока срабатывания и якорь останется неподвижным. Если , то реле сработает. Таким образом, предотвращается отключение нагрузки (двигателя) при боль­ших, но кратковременных токовых перегрузках, не опасных для двигателя.

Промышленностью выпускаются многочисленные моди­фикации реле с электромагнитным замедлением и выдерж­кой времени при отпускании 0,3—5 с.

 

 

Рис.14.13. Регулирование времени отпускания с помощью пружины и регулирование времени отпускания изменением немагнит­ного зазора

Современные реле имеют один или два унифицированных контактных узла. Каждый узел имеет один замыкающий и один размыкаю­щий контакты с общей точкой. Постоянный ток включения контактов составляет 10 А при напряжении 110 В и 5 А при 220 В. Ток отключения для индуктивной нагрузки (ка­тушки реле, контакторов) составляет 0,2, для активной 0,5 А.

Реле с электромагнитным замедлением выполняют только на постоянном токе путем замедления вре­мени нарастания магнитного потока при срабатывании реле и времени спадания тока при отпускании.

 

Реле с электромагнитным замедлением РЭ-100­­ – РЭ-570.

Принцип электромагнитного замедления используется в ря­де конструкций реле (реле типа РЭ-100, РЭ-180, РЭ-500, РЭ-570 и др.). Реле типа РЭ имеют магнитную систему кла­панного типа с короткозамкнутым витком (втулкой), и только реле РЭ-100 может выполняться и без короткозамкнутого витка. Эти реле выпускаются на напряжения 48, 110 и 220В. Мощность, потребляемая обмотками, 20—25 Вт, мощность кон­тактов реле дана в табл. 1.

При работе реле используется выдержка времени, давае­мая ими при отпускании якоря. Для реле РЭ-100 и РЭ-500 может быть получена выдержка порядка 0,25—0,9 сек. Для реле РЭ-180 и РЭ-560 выдержка времени 1—3 и 3—5 сек.

Собственное время притяжения якоря реле при наличии короткозамкнутого витка примерно в 3 раза больше, чем без него.

Лекция №15.

 

Тема лекции:

Полупроводниковые реле. Устройство, параметры.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕЛЕ

Полупроводниковые реле защиты содержат измеритель­ный орган и логическую часть. В измерительном органе непрерывные входные величины преобразуются в… Измерительный орган полупроводникового реле тока обычно имеет на входе… В измерительных органах используются следующие три принципа:

Лекция №16.

 

Тема лекции:

Бесконтактные контакторы и пускатели на базе

Тиристорных элементов.

РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ

а) Общие сведения.На основе тиристоров возможно осуществление следующих операций: 1) включение и отключение электрической цепи с актив­ной и смешанной… 2) изменение тока нагрузки за счет регулирования мо­мента подачи сигнала управления.

ТИРИСТОРНЫЙ ПУСКАТЕЛЬ

При снятии сигнала управления (при перегрузке, потере фазы, на­жатии кнопки «Стоп») тиристоры закрываются. Следующий полупериод тока пропускается… Сигналы управления тиристорами формируются в блокинг-генераторе Б2, который… Длительность импульса 30 мкс при паузе между импульсами 300 мкс (частота около 3 кГц).

Лекция №17.

Тема лекции:

Электромагнитные муфты. Фрикционные, индукционные. Принцип действия, конструкция.

 

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ МУФТЫ УПРАВЛЕНИЯ

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Индукционные муфты (рис. 17.1) по принципу действия аналогичны асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Приводной двигатель соединяется со… Регулируя ток возбуждения Iв и тем самым меняя магнитное поле, можно плавно… -

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФРИКЦИОННЫЕ МУФТЫ

В обесточенном состоянии пружина 9 упирается в на­правляющую втулку 7, жестко закрепленную на валу 10, и отодвигает подвижную часть полумуфты 5… При подаче на обмотку управляющего напряжения воз­никает магнитный поток Ф. На… На рис. 14.3,6 изображена поверхность трения. Элемен­тарный момент трения

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ФЕРРОПОРОШКОВЫЕ МУФТЫ

При подаче напряжения на электромагнит зерна ферромагнитного порошка теряют свободу перемещения под воздействием магнитного поля обмотки. Вязкость… При определенном значении тока возбуждения ферро­магнитный порошок и… Благодаря тому что зазор между барабаном и электро­магнитом заполнен ферромагнитной смесью, его магнит­ная…

ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ МУФТЫ

В магнитогистерезисной муфте (рис. 17.6) постоянные магниты 1 с полюсными наконечниками 2 укреплены в магнитопроводе 3 индуктора, связанного с… Пусть ротор заторможен, а индуктор вращается привод­ным двигателем с угловой… Преимущество гистерезисной муфты заключается в по­стоянстве передаваемого момента. Если нагрузочный мо­мент Мн резко…

Лекция №18.

Тема лекции:

Комплектные распредустройства. Виды, состав,

Конструкция.

Ограничительные аппараты. Реакторы разрядники.

Ограничители напряжения.

Электрические аппараты высокого напряжения (АВН) исполь­зуются в электроэнергетических системах (объединенных и авто­номных) для осуществления всех… По функциональному признаку аппараты высокого напряжения подразделяются на… - коммутационные аппараты (выключатели, выключатели на­грузки, разъединители, короткозамыкатели, отделители);

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Развитие науки и техники, научно-технические исследования предполагают развитие и совершенствование методов проектирования и расчета существующих, а… Методическое пособие охватывает курс электрических аппаратов и предназначено…  

Электрические аппараты

 

 

Редактор Г.В. Загребина

Технический редактор В.Ф. Елисеева

Оригинал-макет Е.Э. Парсаданян

 

Подп. в печать 00.00.09

Формат 60х841/16. Бумага офсетная.

Печать офсетная. Усл. п. л. 3.

Усл кр. отт. 4,83. Уч.-изд. л. 3.

Тираж 75 экз. С.-

___________________________________________________________________

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Главный корпус

Отпечатано в типографии

Самарского государственного технического университета

443100 г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244. Корпус N 8