Методическое пособие 477

Министерство общего и профессионального образования РФ

Воронежский государственный технический университет

Кафедра электромеханических систем и энергоснабжения

ГУЛЯЕВ А.А.,КОРОЛЕВ Н.И.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу "Электрические и электронные аппараты" для специальностей 180100,

180400

Воронеж 2000

2

ВВЕДЕНИЕ

Определение, назначение и квалификация электрических аппаратов (ЭА) их роль в общественном, экономическом и научно-техническом развитии общества.

Электрификация играет основную роль в развитии всех отраслей народного хозяйства России. Отсюда объективно следует необходимость опережающих темпов роста электроэнергии и устройств для ее распределения.

Электрический аппарат - это всякое электротехническое устройство, служащее для управления электрическими и неэлектрическими объектами и для защиты этих объектов от ненормальных условий работы.

Роль и значение ЭА в обеспечении правильной работы энергоустановок непрерывно растут. Это обусловлено усложнением схем и ростом электрических сетей и установок, повышением требований к точности, износоустойчивости, теплостойкости, надежности, габаритно-стоимостным показателям.

Опираясь на труды русских ученых, Ленца, Петрова, Чикилева, ДоливоДобровольского и др., обосновавших основные положения ЭА-строения, российские ученые Таев, Чунихин, Буткевич, Залесский, Новиков и др. Разработали современную теорию и ряд совершенных ЭА.

Примером таких ЭА могут служить ЭА с использованием полупроводниковых приборов (диодов, триодов, тиристоров). Применение полупроводниковых элементов открывает большие возможности по улучшению параметров ЭА, а также созданию абсолютно новых видов ЭА (в частности особо чувствительных и быстродействующих).

ЭА подразделяются на два вида:

аппараты высокого напряжения (>1000 В);

аппараты низкого напряжения (<1000В).

Классификация ЭА может быть произведена по ряду признаков: по области применения, принципу работы, роду тока и т.д. Основной является классификация по назначению.

В зависимости от основной функции, выполняемой ЭА их можно разделить на следующие группы:

1 Коммутационные ЭА - служат для включения и отключения электрических цепей (пакетные выключатели, рубильники, автоматы, предохранители и др.). Характерным является относительно редкое включение и отключение.

2 Защитные ЭА - предназначены для ограничения токов к.з. (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Характерным для их работы являются небольшие нагрузки.

3

3 Пускорегулирующие ЭА - предназначены для осуществления пуска и регулирования напряжения и тока в цепях потребителя эл. энергии (контролеры, контакторы, пускатели, резисторы, реостаты). Характеризуются эти ЭА большой частотой включения (до 1500 в час).

Контролирующие ЭА - основная функция - контроль заданных электрических и электрических параметров (реле, датчики).

5 Измерительные ЭА - служат для изолировки цепей главного тока от измерительных и защитных цепей (трансформаторы тока и напряжения, делители).

Основные требования к ЭА

1 При номинальном режиме температура токоведущих элементов не должна превосходить, рекомендуемых стандартом, а при к.з. термические и динамические нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих нормальную дальнейшую работу ЭА.

2 ЭА предназначенные для включения и отключения токов к.з., должны иметь контакты, рассчитанные на токи к.з. При частом включении и отключении номинальных токов ЭА должны иметь высокую износостойкость.

3 Изоляция ЭА должна выдерживать возможные перенапряжения с учетом ухудшения ее свойств в процессе эксплуатации из-за влаги, пыли, грязи.

4 В настоящее время предъявляются повышенные требования к надежности ЭА.

5 Все ЭА должны иметь минимальную массу, габариты, стоимость и быть технологичными при изготовлении и эксплуатации.

6 ЭА должны обеспечивать специфические требования, обусловленные его назначением (например: быстродействие - в автоматах, точность - в измерительных трансформаторах и т.д.).

4

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1 Электродинамические усилия (ЭДУ) в ЭА. Методы расчета ЭДУ

ЭДУ действующие в ЭА в моменты к.з. (когда Jк.з в десятки раз больше номинального тока) могут достигать значительных величин и деформировать части ЭА, нарушая нормальную работу ЭА в целом.

Электродинамической стойкостью ЭА называется способность его противостоять ЭДУ. Она выражается в амплитудном значении тока - Jдин, при котором механические напряжения не выходят за пределы допустимых (Cu - 1400 кг/см2, Al - 700 кг/см2...), либо кратностью этого тока относительно номинального

При расчете ЭДУ используется два метода:

1 ЭДУ - F - рассматривается как результат взаимодействия проводника (длины - l) с током - i и магнитного поля (с индукцией - B)

0

где - угол между векторами dl и B.

За направление dl берется направление тока в элементе. Если B создается другим проводником, то оно определяется правилом буравчика (рисунок 1.1).Этот метод применяется в том случае, когда модно аналитически найти B в любой точке l.

2 Основан на использовании энергетического баланса проводников с током.

Если пренебречь электростатической энергией системы и изменением токов в проводниках при их деформации в момент действия ЭДУ, то

где W - электромагнитная энергия,

x - перемещение проводника в направлении действия F. Для двух контуров

где L1,L2 - индуктивности контуров, i1,i2 - токи в контурах,

M- взаимоиндуктивность.

Вданном уравнении первые два члена дают энергию независимых контуров, а последний - энергию взаимосвязи. Поэтому это уравнение дает возможность рассчитать силы как в изолированном контуре, так и силы взаимодействия с другими контурами.

Энергетический метод применяется, когда известно аналитическое

выражение L,M от геометрических размеров контуров.

Направление действия ЭДУ при первом методе расчета определяется правилом левой руки. При втором методе сила, действующая на токоведущие части должна быть направлена так, чтобы электромагнитная энергия возрастала, так как это соответствует положительному направлению силы (dW/dx>0).Так для кольцевого контура ЭДУ действует по радиусу, т.к.

и L, ,Ф тогда возрастают).

Расчет простейших случаев ЭДУ

ЭДУ между параллельными проводниками (рисунок 1.2) рассчитывают первым методом, используя для определения B закон Био-Саварра-Лапласса. Так для бесконечно тонких проводников конечной длины - l:

только от длины проводников и расстояния между ними.

расчета не более 5%. Для реальных проводников круглого и трубчатого сечения форма сечения не оказывает существенного влияния на ЭДУ, и при расчете берут ток, текущий по геометрической оси. Поверхностный эффект в круглых сечениях не влияет на ЭДУ, эффект близости увеличивает ЭДУ при встречных токах и уменьшает при согласных. Для проводников

6

прямоугольного сечения форма сечения учитывается коэффициентом формы

Kф.

Для определения Кф построены кривые [1].

На перемычку действуют ЭДУ и моменты, определяемые по первому методу (рисунок 1.3).Таким образом, суммарное усилие на перемычку вычисляется по формуле:

Силы, действующие в витке удобно определить энергетическим методом (рисунок 1.4).

При расчете электродинамической стойкости необходимо знать Fq, разрывающую виток:

ЭДУ в цилиндрической катушке направлены так, чтобы возрастало ее потокосцепление, поэтому они сжимают обмотку по высоте и толщине и

увеличивают ее средний диаметр. Для расчета ЭДУ определяют B в различных точках катушки и пользуются уравнением (1.2).

Для однофазной цепи переменного тока (рисунок 1.5) среднее значение силы за период равно

где I - действующее значение тока. Максимальное значение ЭДУ

При включении на к.з. может возникнуть апериодическая составляющая, величина которой зависит от момента замыкания цепи относительно нулевого значения переменной составляющей установившегося тока.

При расчете ЭДУ берут наиболее тяжелый режим, когда апериодическая составляющая максимальна

где Im - амплитудное значение тока,

Kуд - ударный коэффициент, зависящий от постоянной времени апериодической составляющей Та=L/R (L - индуктивность цепи, R - активное сопротивление цепи к.з.).

Наибольшее значение ЭДУ имеет в самом неблагоприятном случае через полпериода (0.01 сек) после начала к.з.

т.е. апериодическая составляющая увеличивает в 3.24 раза амплитуду силы. Механический резонанс может появиться между гармонически

меняющимися ЭДУ и механическими колебаниями деталей токоведущей цепи ЭА. Для проводников круглого и прямоугольного сечения

где k - коэффициент, определяемый характером крепления, материалом, l - длина шины,

q - сечение шины.

Из формулы (1.15) видно, что резонанс может быть легко устранен изменением длины пролета, сечения, а также жесткостью крепления.

8

2 НАГРЕВ ЭА

Соотношение условий и причин, причины нагрева ЭА

Вобъективном мире мы наблюдаем постоянное взаимодействие явлений,

врезультате которого одни из них порождают, вызывают к жизни другие, а эти

всвою очередь – третьи и т.д. Явление или группа взаимодействующих явлений, предшествующих другим и вызывающих их, называется причиной. Причину следует отличать от условий, в которых она действует. Причиной нагрева ЭА постоянного тока являются потери в активном сопротивлении токоведущей части. На переменном токе активное сопротивление проводника возрастает из-за возникновения эффекта близости и поверхностного эффекта. Сущность поверхностного эффекта в том, что магнитное поле, охватывая проводник, создает в нем противоЭДС. Причем центральные слои проводника пересекаются большим магнитным потоком и, создаваемая здесь ЭДС больше, чем в наружных, что приводит к уменьшению плотности тока в центральных слоях по сравнению с наружными. Физически это явление отражается в увеличении сопротивления проводника, т.к. при одном и том же положенном напряжении переменный ток, протекающий по проводнику, будет меньше, чем постоянный. Эффект близости по существу аналогичен поверхностному, но проявляется во влиянии друг на друга двух параллельных проводников. При этом сопротивление их увеличивается за счет вытеснения линий тока из близлежащих областей проводников в более удаленные. Увеличение активного сопротивления за счет эффектов близости и поверхностного в расчетах

учитывается коэффициентом дополнительных потерь – Кд.

Кроме того, при переменном токе появляются активные потери в ферромагнитных деталях ЭА, расположенных в переменном магнитном поле.

Нагрев ЭА сопровождается различными условиями охлаждения, т.е. теплообмена с окружающей средой. Различают три вида теплообмена:

теплопроводность, конвекцию, и тепловое излучение.

Нагрев деталей ЭА, как правило, ухудшает надежность работы ЭА в целом. Так нагрев изоляции всего на 8ОС сокращает срок ее службы (следовательно, и ЭА) в 2 раза, резко падает при нагреве механическая

прочность металлических деталей (медь на 40% при увеличении tO от 100О до 250ОС), ухудшается работа контактных деталей и т.д. Поэтому в любых режимах работы ЭА температура частей ЭА не должна превосходить допустимые значения, регламентируемые стандартом, при которых обеспечивается его длительная, надежная работа.

Теплоотдача в установившемся режиме, обычно одновременная с конвекцией и излучением, характеризуется коэффициентом теплоотдачи Кт, который определяет количество тепла, отданное в окружающую среду за 1 сек, всеми видами теплоотдачи с 1 см2 поверхности при разности температуры нагретого тела и окружающей среды в 1ОС.

9

В установившемся режиме все потери отдаются в окружающее пространство.

где P – мощность потерь в проводнике; F – площадь поверхности;

у – установившееся превышение температуры над окружающей

средой.

где G – вес проводника;

c – удельная теплоемкость;

d - превышение температуры по отношению к окружающей среде.

Часть энергии выделяется в окружающее пространство - F КТ dt

(2.4)

Отсюда уравнение теплового баланса

Решая относительно , получим:

где 0 – превышение температуры проводника над средой в начале процесса (см. рисунок 2.1).

G c

F КТ

Т имеет размерность времени и называется постоянной

времени нагрева.

Физически это то время, за которое проводник нагреется до установившейся температуры без теплоотдачи в окружающую среду.

т.е. наступает установившийся режим.

При 0=0 уравнение (2.6) может быть представлено в виде:

Кривая 3 – это зеркальное отображение кривой 1 (рисунок 2.1).

Нагрев и охлаждение при кратковременной нагрузке

Кратковременная нагрузка – режим, когда температура не достигает установившегося значения.

После кратковременного нагрева ЭА отключается, и его температура падает, пока не сравняется с температурой окружающей среды (рисунок

2.2).Обычно tкр для Iкр выбирают так, чтобы температура токоведущих частей

Из уравнения (2.11) видно, что чем больше Т, тем большее время может протекать Iкр (рисунок 2.2).

Связь между допустимым током кратковременного включения Iкр определяется по уравнению:

кратковременном режиме можно превысить Iдл. Анализ выражения (2.11) показывает, что Iкр растет (при неизменном tкр) с ростом T, поэтому в ЭА в