Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические и электронные аппараты. Лабораторный практикум
.pdf
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Комсомольский-на-Амуре государственный университет»
А. В. Сериков, Р. В. Кузьмин, А. С. Мешков
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ
Рекомендовано Дальневосточным региональным учебно-методическим
центром (ДВ РУМЦ) в качестве лабораторного практикума
для студентов специальности 13.05.02 «Специальные электромеханические
системы» и направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика
и электротехника» вузов региона
Комсомольск-на-Амуpе
2023
1
УДК 621.31:621.38(07)
ББК 31.264я7+32.85я7
С327
Рецензенты:
Кафедра «Системы электроснабжения» ФГБОУ ВО
«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»,
зав. кафедрой канд. техн. наук, доцент И. В. Игнатенко;
О. И. Киница, канд. техн. наук, зам. генерального директора,
директор учебно-производственного центра КГА ПОУ «Губернаторский
авиастроительный колледж г. Комсомольска-на-Амуре (МЦК)»
Сериков, А. В.
С327 Электрические и электронные аппараты : лабораторный
практикум / А. В. Сериков, Р. В. Кузьмин, А. С. Мешков. – Комсомольск-на-Амуре : ФГБОУ ВО «КнАГУ», 2023. – 72 с.
ISBN 978-5-7765-1552-1
В лабораторном практикуме приведены классификация и основные
требования к электрическим и электронным аппаратам, используемым в
электрических системах, схемах электроснабжения промышленных предприятий и при автоматизации производственных процессов в электроприводах. Даны методические указания по выполнению лабораторных работ и
приведены контрольные вопросы для подготовки к их защите.
Предназначен для студентов, обучающихся по специальности
13.05.02 – «Специальные электромеханические системы» и направлению
13.03.02 – «Электроэнергетика и электротехника».
УДК 621.31:621.38(07)
ББК 31.264я7+32.85я7
ISBN 978-5-7765-1552-1 Сериков А. В., Кузьмин Р. В.,
Мешков А. С., 2023
ФГБОУ ВО «КнАГУ», 2023
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ......................................................................................................... 4
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ
АППАРАТАХ ................................................................................................. 4
2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ........................................................................ 9
2.1. Лабораторная работа 1. Характеристики электромагнита
постоянного тока ................................................................................... 10
2.2. Лабораторная работа 2. Нагрев электромагнита постоянного
тока .......................................................................................................... 15
2.3. Лабораторная работа 3. Исследование влияния силы
контактного нажатия на переходное сопротивление контактов ...... 21
2.4. Лабораторная работа 4. Времятоковая характеристика
автоматического выключателя ............................................................ 25
2.5. Лабораторная работа 5. Исследование плавких
предохранителей ................................................................................... 31
2.6. Лабораторная работа 6. Исследование реле тока и напряжения ...... 38
2.7. Лабораторная работа 7. Исследование реле времени ........................ 45
2.8. Лабораторная работа 8. Измерение сопротивления сдвоенного
реактора .................................................................................................. 51
2.9. Лабораторная работа 9. Вольт-амперная характеристика
ограничителя перенапряжений ............................................................ 57
2.10. Лабораторная работа 10. Магнитные пускатели .............................. 60
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................ 71
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ............................................................ 71
3
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время электрические и электронные аппараты широко
применяются абсолютно во всех сферах деятельности человека, где используется электрическая энергия. Такие электротехнические устройства
предназначены 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, в промышленности,
на транспорте и в энергетике.
Для более глубокого изучения и понимания процессов, протекающих
в электрических аппаратах, учебный план дисциплины «Электрические и
электронные аппараты» содержит такой вид занятий, как лабораторные
работы. Лабораторный практикум содержит теоретическую и практическую части. Практическая часть практикума предназначена для успешного
выполнения обучающимися лабораторных работ. По каждой лабораторной
работе приведены краткие теоретические сведения о процессах, протекающих в тех или иных электрических аппаратах, описаны конструкции и
принципы работы исследуемых устройств, приведена другая необходимая
информация, позволяющая более широко понимать назначение и области
применения рассматриваемых аппаратов и их элементов.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
И ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТАХ
Развитие современной техники невозможно без широкого использования электрических и электронных аппаратов – устройств управления потоками энергии и информации, осуществляющих следующие функции:
- включение и отключение электрических цепей объектов, принимающих участие в получении, преобразовании, передаче, распределении и
потреблении электроэнергии;
- контроль и изменение параметров указанных объектов;
- защита объектов от аварийных режимов работы;
- управление технологическими процессами;
- регулирование (поддерживание на неизменном уровне или изменение по определенному закону) параметров различного электрооборудования;
- преобразование неэлектрических величин в электрические;
- создание магнитного поля с определенными параметрами и направлением в заданном объеме.
Электрические аппараты находят широкое применение в различных
областях народного хозяйства: электроэнергетике, промышленности и на
4
транспорте, аэрокосмических системах и оборонных отраслях, телекоммуникациях, коммунальном хозяйстве, бытовой технике и т.д. При этом в
каждой из областей диапазон используемой номенклатуры аппаратов
очень широкий. Можно определенно сказать, что не существует области,
связанной с использованием электрической энергии, где бы ни применялись электрические аппараты.
В основе функционирования большинства видов электрических аппаратов лежат процессы коммутации (включения и отключения) электрических цепей. К основным явлениям, сопровождающим работу всякого
электрического аппарата, относятся процессы коммутации электрических
цепей, электромагнитные и тепловые процессы.
Независимо от назначения, области применения, принципа действия,
конструктивного исполнения, все электрические аппараты можно подразделить на две большие группы:
1) электромеханические, непременно содержащие подвижные элементы, в результате перемещения которых осуществляется функционирование аппарата;
2) статические (иногда называемые бесконтактными) или силовые
электронные, не имеющие подвижных частей и осуществляющие возложенную на них функцию в результате изменения параметров и характеристик входящих в их состав элементов и блоков.
Таким образом, электрический аппарат – это электротехническое
устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения параметров, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования,
распределения и потребления электроэнергии.
Классификация электрических и электронных аппаратов
Понятие «электрический аппарат» охватывает обширный круг бытовых и промышленных устройств. Многообразие самих аппаратов и выполняемых ими функций, совмещение в одном аппарате нескольких функций
не позволяет строго классифицировать их по одному какому-то признаку.
Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду
признаков: назначению, области применения, принципу действия, роду тока, исполнению защиты от воздействия окружающей среды, конструктивным особенностям и т.д. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на несколько больших групп:
1. Коммутационные аппараты распределительных устройств, служащие для включения и отключения электрических цепей. К этой группе
относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели высокого
напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характер-
5
но относительно редкое их включение и отключение. Могут быть и случаи,
когда такие аппараты довольно часто включаются и отключаются (например, выключатели высокого напряжения в цепях питания электрических
печей).
2. Ограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения
токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжений (разрядники).
Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварийными, и
эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам.
3. Пускорегулирующие аппараты, предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин
или каких-либо других потребителей электроэнергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения
и отключения, число которых достигает 3600 в час и более.
4. Аппараты для контроля заданных электрических и неэлектрических величин, к которым относятся реле и датчики. Для реле характерно
плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее
скачкообразное изменение выходного сигнала. Выходной сигнал обычно
воздействует на систему автоматики. В датчиках непрерывное изменение
входной величины преобразуется в изменение какой-либо электрической
величины, являющейся выходной. Это изменение выходной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так и скачкообразным
(реле-датчики). С помощью датчиков могут контролироваться как электрические, так и неэлектрические величины.
5. Аппараты для измерений, с помощью которых цепи первичной
коммутации (главного тока) изолируются от цепей измерительных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стандартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансформаторы тока,
напряжения, емкостные делители напряжения.
6. Электрические регуляторы, предназначенные для регулирования
заданного параметра по определенному закону. В частности, такие аппараты служат для поддержания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин.
Разделение электрических аппаратов по другим признакам, например по областям применения, более условно. Аппараты для электрических
систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов распределительных устройств низкого и высокого напряжений. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического управления электроприводом и для автоматизации производственных процессов, объединяют в группу аппаратов управления. Одни и те же аппараты могут быть отнесены как к группе
аппаратов распределительных устройств, так и к группе аппаратов управ-
6
ления, например: рубильники, пакетные выключатели, контакторы, трансформаторы тока, реле и другие.
По номинальному напряжению электрические аппараты разделяются
на две группы: аппараты низкого напряжения (с номинальным напряжением до 1000 В) и высокого напряжения (с номинальным напряжением более
1000 кВ). Следует отметить, что аппараты высокого напряжения, в свою
очередь, делятся на аппараты среднего (с номинальным напряжением до
35 кВ), высокого (с номинальным напряжением до 220 кВ) и сверхвысокого напряжений (с номинальным напряжением свыше 220 кВ).
Защитные оболочки электрических и электронных аппаратов
Для предотвращения соприкосновения обслуживающего персонала с
токоведущими или подвижными частями и исключения попадания в аппараты инородных тел устанавливаются специальные защитные оболочки.
Согласно ГОСТ 14254–2015 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (Код IP)» 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–
2015.
IP00. 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 шарнирного пальца диаметром 12 мм и длиной 80 мм, шарик диаметром 12,5 мм не должен проникать внутрь аппарата.
IP22. В дополнение к свойствам исполнения IP20 оболочка защищает
от вредного воздействия капель жидкости, попадающих 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 IP40 оболочка защищает
от воздействия брызг жидкости, падающих под любым углом.
7
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 IP60 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.
Требования, предъявляемые к электрическим и электронным
аппаратам
Требования, предъявляемые 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 стандартом или другими нормативными документами.
2. При коротком замыкании и других аварийных режимах токоведущие элементы аппарата подвергаются значительным термическим и динамическим воздействиям тока. Эти воздействия не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения короткого замыкания.
3. 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.
4. Контакты электрических аппаратов должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, а также и токи аварийных
режимов, которые могут возникнуть в управляемых и защищаемых цепях.
5. К каждому аппарату предъявляется ряд специфических требований, обусловленных его назначением. Так, например, выключатель ВН
должен отключать ток короткого замыкания 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,
8
участвующих в работе. Возможность отказа в работе аппарата требует их
резервирования и создания специальной системы поиска неисправностей.
В связи с этим электрические аппараты должны обладать высокой надежностью.
7. Масса, габаритные размеры, стоимость и время, необходимое для
установки и обслуживания электрического аппарата, должны быть минимальными. Отвечающие современным требованиям электрические аппараты за срок службы 25 лет не должны нуждаться в ремонте и сложной ревизии. Конструкция электрического аппарата должна обеспечивать возможность автоматизации в процессе их изготовления и эксплуатации.
2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ
Общие рекомендации по выполнению лабораторных работ и
технике безопасности
Лабораторные работы по пройденным разделам дисциплины «Электрические и электронные аппараты» необходимы для углубления теоретических знаний студентов, ознакомления с устройством и характеристиками
электрических аппаратов различного назначения, а также для развития
способности анализировать полученные результаты экспериментов.
К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, ознакомившиеся с правилами работы в лаборатории и прошедшие инструктаж по
технике безопасности.
Включение схемы под напряжение разрешается только после проверки ее преподавателем. В процессе снятия экспериментальных данных
показания приборов желательно фиксировать в делениях шкалы прибора с
указанием цены деления. Разбирать рабочую схему можно только после
обесточивания стенда и проверки преподавателем полученных опытных
данных.
В содержание отчета по каждой лабораторной работе должны быть
включены следующие пункты: 1) цель работы; 2) электрическая схема;
3) основные расчетные формулы; 4) таблица с записью результатов эксперимента и вычислений; 5) графики зависимостей; 6) краткие выводы по
работе.
Графики следует представлять в определенном масштабе размером
не менее 80×80 мм, желательно на миллиметровой бумаге. При построении
графиков по оси абсцисс в масштабе откладывают независимую переменную, а по оси ординат – зависимую функцию.
Защита лабораторных работ проводится индивидуально и (или) в
группе в виде устного опроса при наличии отчета, оформленного в соответствии с требованиями.
9
При выполнении лабораторных работ необходимо строго соблюдать
правила электробезопасности. В связи с этим запрещается:
- без разрешения преподавателя подавать напряжение на рабочий
стенд;
- закреплять контакты или зажимы, менять проводники или приборы,
изменять пределы измеряемых величин на мультиметрах, а также выполнять всякие изменения в схеме при наличии напряжения в цепи;
- касаться контактов, разъемов и проводов в процессе снятия экспериментальных данных;
- размыкать цепи вторичных обмоток трансформаторов, когда по
первичной обмотке протекает ток.
2.1. Лабораторная работа 1. Характеристики электромагнита
постоянного тока
Цель работы: опытным путем получить статическую тяговую и
нагрузочную характеристики электромагнита постоянного тока.
Общие сведения
Электромагнит осуществляет преобразование электрического сигнала в механическое усилие или перемещение, используя явление притяжения между намагниченными ферромагнитными телами. Электромагниты
постоянного тока применяются для создания усилия в муфтах, тормозных
и тяговых устройствах, в приводах различных электрических аппаратов.
Любой электромагнит содержит намагничивающую обмотку и магнитопровод, состоящий из неподвижной части и подвижного якоря. Под
действием намагничивающей силы обмотки в магнитопроводе создается
магнитный поток, часть которого (рабочий поток) пронизывает зазор между неподвижным сердечником и якорем, вследствие чего возникает усилие, притягивающее якорь к сердечнику. Все остальные потоки, замыкающиеся не через рабочий зазор между якорем и сердечником, называются
потоками рассеяния.
Статической тяговой характеристикой электромагнита называется
зависимость тягового усилия P от величины рабочего зазора при неизменном токе в обмотке (неподвижном якоре), нагрузочной характеристи-
кой – зависимость тягового усилия от тока I при неизменном зазоре. Эти
характеристики определяют возможность использования электромагнита
как привода для какого-то механизма.
При постоянном и равномерно распределенном в зазоре магнитном
потоке Ф
тяговое усилие может быть вычислено по формуле Максвелла
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]