10

Введение Виды и основные функции электрических аппаратов

Электрических аппарат ‑ это электрическое устройство управления потоками энергии и информации, режимами работы, контроля и защиты технических систем и их компонентов.

Они осуществляют:

‑ включение и отключение электрических цепей объектов, принимающих участие в получение, преобразовании, передачи, распределении электрической энергии;

‑ контроль и измерение параметров указанных объектов;

‑ защиту их от несанкционированных режимов работы;

‑ управление технологическими процессами;

‑ регулирование (поддержание на неизменном уровне или изменение по определенному закону) параметров, отмеченных выше объектов;

‑ преобразование неэлектрических величин в электрические;

‑ создание магнитного поля с определенным параметром и направлением в заданном объеме.

Независимо от назначения, области применения принципа действия конструктивного исполнения все электрические аппараты разделяются на 2 большие группы:

1. Электромеханические (контактные).

2. Статические (бесконтактные, силовые электронные).

Основным признаком электромеханических аппаратов является контактная система с различными типами приводов ‑ ручным, механическим, электромагнитным, осуществляющая коммутацию электрической цепи.

Процессы, протекающие в электромеханических ЭА определяются различными многообразными физическими явлениями, которые изучаются в электродинамике, механике, термодинамике и других фундаментальных науках.

Характерные преимущества электромеханических аппаратов:

‑ более низкое значение сопротивления включенных электрических контактов по сравнению с сопротивлением большинства проводящих полупроводниковых ключей;

‑ практически идеальная гальваническая развязка между цепями управления и силовой частью, а также между разомкнутыми силовыми цепями;

‑ работоспособность при более высоких значениях температуры и радиации окружающей среды.

Благодаря этим преимуществам во многих областях техники предпочтительно использовать электромеханические ЭА коммутации по сравнению со статическими.

Наличие подвижных механических частей, явление искро- и дугообразования при коммутации, ограниченное быстродействие и другие негативные факторы, присущие этой группе ЭА, инициировали работы по созданию статических ЭА. Первыми были дроссели насыщения, магнитные усилители, регуляторы, статические реле.

Освоение промышленностью мощных биполярных, а затем полевых транзисторов и тиристоров обусловили, начиная с 60 годов 20 века, привело к созданию различных типов быстродействующих статических ЭА.

Статические ЭА выполняются на основании полупроводниковых приборов или в сочетании последних с управляемыми магнитными усилителями или магнитным ключом.

Принцип действия большинства статических ЭА основан на изменении проводимости входящих в них управляемых нелинейных элементов. При этом диапазон изменения проводимости может быть очень широким Широкий диапазон изменения магнитной проводимости имеют также и магнитные ключи.

Изменение проводимости статической ЭА, в свою очередь, дает возможность управлять потоками электрической энергии. Проводимость может изменятся непрерывно или дискретно. Дискретное или импульсивное управление является более предпочтительным так как позволяет реализовывать более высокие технико-экономические характеристики ЭА, в частности, получить существенно лучшее значение КПД. Поэтому в современных статических ЭА исполнительные органы работают в ключевом режиме.

Их преимущества:

‑ высокое быстродействие;

‑ практически неограниченное число коммутаций силовых ключей;

‑ существенно большой ресурс работы;

‑ более широкие возможности по управлению выходным параметрам;

‑ широкие функциональные возможности;

‑ низкое значение мощности, затрачиваемое на управление.

В 80-годах ХХ века начался новый этап в развитии силовой электроники, который был обусловлен освоением мощных быстродействующих, полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов:

‑ мощных полевых транзисторов;

‑ транзисторов с изолированным затвором;

‑ запираемых тиристоров.

Одновременно начался выпуск силовых интегральных модулей – компактных конструкций, в которых размещены силовые электронные ключи и элементы микроэлектроники с различной степенью интеграции. Такие модули позволяют реализовывать различные законы регулирования, включая формирование сигналов защиты, диагностики и др. При необходимости такие модули могут также включать в себя микропроцессоры или соответствующий интерфейс для сопряжения с устройствами управления более высоких уровней.

Элементная база современной силовой электроники не только существенно расширила диапазон коммутируемых мощностей до единиц мегаватт, позволила поднять верхний уровень частоты коммутации электронных ключей, что сделало возможным создавать аппараты управления, регулирования и защиты постоянного и переменного тока с высокими технико-экономическими показателями.

Однако, силовые электронные ЭА не могут заменить большинства видов электромеханических ЭА, поскольку уступают последним в качестве коммутационных ключей. Силовые электронные ключи по принципу действия не обеспечивают такого низкого уровня потерь мощности во включенном состоянии как металлические контакты и, с другой стороны, не способны создать уровень изоляции соответствующий разомкнутым контактам ЭА.

Здесь наиболее эффективными оказываются гибридные ЭА, представляющие собой сочетание электромеханических и статических ЭА.

Это компромиссное техническое решение, позволяет соединить положительные качества электромеханических и силовых электронных аппаратов в одном комбинированном устройстве. Существенные преимущества гибридных ЭА коммутации является практическое исключение дуговых явлений при включении и выключении электрических контактов. Это позволяет продлить срок их службы и в ряде случаев улучшить массогабаритные показатели ЭА в целом. Другим существенным достоинством гибридных ЭА является возможность сочетания в одном аппарате функций регулятора на интервалах включения и выключения с высокими характеристиками коммуникационного аппарата.

Следует отметить, что достижения в микропроцессорной техники в настоящее время также используется практически в ЭА всех видов как электромеханических, так и силовых электронных. Это позволяет существенно расширить их функциональные возможности, обеспечить эффективный контроль и диагностику, а также возможность управления с различных иерархических уровней системы, в которой используется ЭА.

Области применения и использования ЭА очень разнообразны, причем для каждой из них диапазон используемой номенклатуры ЭА очень широкий. Другими словами, не существует ни одной области, связанной с использованием электрической энергии, где бы не применялись электрические аппараты различного типа, это:

‑ электроэнергетика;

‑ транспорт;

‑ различные области промышленности;

‑ аэрокосмические системы;

‑ центры обработки информации и телекоммуникации;

‑ коммунальное хозяйство;

‑ бытовая техника.