Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические и электронные аппараты. Учебное пособие.pdf
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
————————————
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Омский государственный технический университет»
О. А. Лысенко, В. В. Барсков, А. А. Охотников
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ
АППАРАТЫ
Учебное текстовое электронное издание
локального распространения
Рекомендовано редакционно-издательским советом
Омского государственного технического университета
Омск
Издательство ОмГТУ
2021
————————————————————————————————
Сведения об издании: 1, 2 © ОмГТУ, 2021
ISBN 978-5-8149-3248-8
1
УДК 321.313+621.38(075)
ББК 31.264+32.85я73
Л88
Рецензенты:
В. В. Харламов, д.т.н, профессор, заведующий кафедрой
«Электрические машины и общая электротехника»
ФГБОУ ВО «Омский государственный университет путей сообщения»;
А. С. Никишкин, к.т.н., зам. директора по СПО Омского института водного
транспорта – филиала ФГБОУ ВО «Сибирский государственный
университет водного транспорта»
Лысенко, О. А. Электрические и электронные аппараты : учеб. пособие /
О. А. Лысенко, В. В. Барсков, А. А. Охотников ; Минобрнауки России, Ом. гос. техн.
ун-т. – Омск : Изд-во ОмГТУ, 2021. – 1 CD-ROM (2,01 Мб). – Систем. требования:
процессор с частотой 1,3 ГГц и выше ; 256 Мб RAM и более ; свободное место
на жестком диске 300 Мб и более ; Windows XP и выше ; разрешение экрана 1024×768
и выше ; CD/DVD-ROM дисковод ; Adobe Acrobat Reader 5.0 и выше. – Загл. с титул.
экрана. – ISBN 978-5-8149-3248-8.
Представлены основные теоретические сведения и лабораторный практикум по
электрическим аппаратам ручного и автоматического действия, аппаратам защиты,
а также электронным аппаратам и цифровым узлам.
Учебное пособие разработано на кафедре электрической техники и предназначено для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 13.03.02
и магистров 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также по специальности 13.05.02 «Специальные электромеханические системы».
Редактор М. А. Болдырева
Компьютерная верстка Ю. П. Шелехиной
Для дизайна этикетки использованы материалы
из открытых интернет-источников
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Сводный темплан 2021 г. © ОмГТУ, 2021
Подписано к использованию 11.05.21.
Объем 2,01 Мб.
2
ВВЕДЕНИЕ
Под электрическими аппаратами понимают электротехнические устрой-
ства управления потоком энергии и информации. При этом речь может идти
о потоках энергии различного вида: электрической, механической, тепловой
и других.
Однако наибольшее распространение получили электрические аппа-
раты управления потоками электрической энергии для изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составных частей. Как правило, функции таких электрических аппаратов осуществляются посредством коммутации (включения и отключения) электрических цепей с различной частотой, начиная от
относительно редких, нерегулярных значений до периодических высоко-
частотных, например, в импульсных регуляторах напряжения.
В электротехнических комплексах и системах применяют различные
электрические и электронные аппараты. Эти аппараты отличаются между
собой устройством, принципом работы, конкретным назначением и областью применения, номинальными параметрами, техническими характери-
стиками, а также графическими и буквенными обозначениями.
Современные высокие требования к качеству технологического процес-
са и производительности различных механизмов могут быть обеспечены
только на основании применения автоматизированных электроприводов.
Успех работы автоматизированного электропривода зависит в значительной
мере от индивидуальных свойств отдельных аппаратов и устройств, а также
от их совместной работы.
Для понимания современных электротехнических систем автоматизи-
рованного электропривода, умения их анализировать и рассчитывать необ-
ходимо знать не только устройство и принцип работы аппаратов, но и их
функциональные свойства относительно входных и выходных параметров.
Пособие предназначено для обучающихся по направлению подготовки бакалавров (13.03.02) и магистров (13.04.02) «Электроэнергетика
и электротехника», а также по специальности «Специальные электромеханические системы» (13.05.02) при освоении дисциплин «Электрические
и электронные аппараты» и «Применение силовой электроники и микропроцессоров в электротехнических комплексах».
3
1. АППАРАТЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО
А
В
С
Цепь рабочего
тока
1
2
3
5
6
A B
Цепь управления
4
УПРАВЛЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В
1.1. КОНТАКТОРЫ
В схеме контакторного управления (рис. 1.1) электродвигатель включают специальным аппаратом – контактором 1 [1, 6]. Когда нажимают
кнопку 2, ток проходит через катушку 3, надетую на сердечник 5 из листовой стали. Сердечник 5 намагничивается и притягивает якорь 4, также
изготовленный из листовой стали. Вал 6 контактора при этом поворачивается и замыкает рабочие контакты 7 в цепи рабочего тока асинхронного
двигателя (АД).
Катушка 3 имеет большое число витков провода малого сечения и об-
Рис. 1.1. Контакторное управление АД
ладает значительным сопротивлением, поэтому ток, протекающий через
кнопку 2, не превышает нескольких сотен миллиампер. Вследствие малой
силы тока кнопка 2 может быть небольшой. Воздействие на кнопочный
элемент требует незначительного усилия, и, следовательно, при частых
включениях рабочий меньше утомляется, чем при пользовании другой ап-
4
паратурой ручного управления. При отпускании кнопки 2 контактор от-
1
2 3 4 5 1
2
3
а
б
ключается под действием силы тяжести своих подвижных частей. Реже
для отключения применяют пружину. Главные контакты 7 при этом размыкаются, и двигатель отключается от сети.
При значительной мощности электродвигателя главные контакты
контактора могут сильно обгорать под действием электрической дуги,
возникающей между ними, особенно значительное разрушение контактов
дугой постоянного тока.
Для ускорения гашения электрической дуги при значительной силе
тока применяют контакторы с дугогашением (рис. 1.2). Дугогасительная
катушка 1 (рис. 1.2, а) состоит из небольшого числа витков провода большого сечения (либо медной полосы, намотанной на ребро). Катушка 1
намотана на сердечник. Изоляцией между витками является воздушный
промежуток. По виткам катушки 1 проходит весь рабочий ток электродвигателя.
Рис. 1.2. Дугогасительная катушка и решетка
Создаваемое дугогасительной катушкой магнитное поле замыкается
через промежуток между рабочими контактами 2 и 3 контактора, где возникает электрическая дуга. Как известно, всякий обтекаемый током и не
закрепленный на месте проводник, помещенный в магнитное поле, начи-
нает двигаться в ту или иную сторону в зависимости от направления тока
в проводнике и направления магнитного поля. В данном случае электри-
5
ческая дуга является таким движущимся проводником; под влиянием маг-
нитного поля дугогасительной катушки дуга начинает перемещаться.
Направление витков дугогасительной катушки подбирают так, чтобы
электрическая дуга перемещалась вверх; при этом она быстро удлиняется,
остывает и рвется. Чем больше разрываемый ток, тем мощнее электрическая дуга и тем сильнее действие дугогасительной катушки. Поток подводится двумя стальными щеками 4, изготовленными из мягкой стали
и охватывающими справа и слева асбоцементную дугогасительную камеру 5, в которой размещены рабочие контакты 2 и 3. Дугогасительная ка-
мера закрывает область возникновения электрической дуги; щели остают-
ся только сверху и снизу. Дугогасительную катушку применяют в контак-
торах как постоянного, так и переменного тока.
При переменном токе происходит одновременное изменение направлений тока в дуге и магнитного поля, создаваемого дугогасительной катушкой, следовательно направление силы взаимодействия остается неизменным.
Для улучшения условий гашения электрической дуги применяют
также дугогасительную решетку (рис. 1.2, б), впервые предложенную русским электротехником М. О. Доливо-Добровольским.
Над рабочими контактами 1 и 2 расположены металлические пластины 3, укрепленные в боковых стенках дугогасительной камеры. При раз-
мыкании рабочих контактов электрическая дуга входит в промежуток
между этими пластинами, разбивается там на части и быстро гаснет. При-
чинами, заставляющими электрическую дугу войти в промежуток между
пластинами дугогасительной решетки, являются магнитное поле, создаваемое самой дугой, и поток нагретого дугой воздуха, проходящего через
щели камеры. Силовые линии поля дуги имеют одинаковое направление
и поэтому отталкиваются друг от друга. Это приводит к удлинению дуги,
которая в процессе втягивания входит в дугогасительную решетку. Пла-
стины дугогасительной решетки отбирают у электрической дуги много
тепла и тем способствуют быстрому ее разрыву.
6
Все сказанное относится к контакторам, разрывающим большие токи.
Кроме главных контактов, у контактора имеются еще так называемые
вспомогательные контакты. Они предназначены для управления токами
небольшой силы и выполнены из сплава серебра с кадмием.
Контакторы с поворотной осью, конструкция которых описана выше,
иногда называют контакторами клапанного типа. Кроме контакторов с поворотной осью, широкое распространение получили прямоходовые контакторы, у которых якорь не поворачивается, а притягивается, перемещаясь прямолинейно по вертикали или горизонтально. В последнем случае
возврат якоря производит пружина.
Между контакторами переменного и постоянного тока имеются сле-
дующие конструктивные и эксплуатационные различия:
1. Магнитную систему контакторов переменного тока во избежание
нагрева ее вихревыми токами собирают из отдельных листов электротехнической стали. Магнитопроводы контакторов постоянного тока изготовляют из литой стали.
2. У контакторов переменного тока при нажатии кнопки 2 (рис. 1.1)
через катушку 3 вначале протекает ток большой силы. После того как
якорь 4 контактора притянется к сердечнику 5, сила тока в цепи катушки
резко уменьшается. Это явление объясняется тем, что при наличии значительного воздушного зазора между сердечником и якорем магнитный поток, создаваемый включаемой катушкой 3 контактора, очень мал. Вследствие этого мала индуктивность катушки, а следовательно, малое индуктивное сопротивление. Когда якорь притянется к сердечнику, магнитный
поток возрастет, индуктивность и индуктивное сопротивление включаю-
щей катушки контактора увеличатся, и сила тока в ней уменьшится в не-
сколько раз.
Наличие импульса тока в цепи катушки контактора во время его
включения приводит к тому, что включение контактора переменного тока
происходит очень быстро и сопровождается значительными ударами яко-
ря по сердечнику катушки. Это сокращает срок службы аппарата. Обычно
7
контакторы переменного тока допускают (1–2)·106 безотказных включений за время работы и от 150 до 1200 включений в час. При больших ча-
стотах включений в час необходимо на катушку управления подавать по-
стоянное напряжение.
У контакторов постоянного тока после включения катушки сила тока
будет постепенно увеличиваться до значения, которое не зависит от положения якоря. Постепенное нарастание силы тока объясняется значительной
индуктивностью катушки. У контакторов постоянного тока поэтому якорь
притягивается плавно и значительные удары якоря по сердечнику отсут-
ствуют. Поэтому контакторы постоянного тока отличаются значительно
большей механической долговечностью, чем контакторы переменного тока
(до (30–50)·106 включений). Контакторы постоянного тока изготовляют преимущественно однополюсными и в клапанном исполнении.
3. Помимо указанных особенностей, контакторы переменного тока
имеют специальные устройства для уменьшения шума (гудения) при
включенном положении. Когда ток в катушке 1 (рис. 1.3) проходит через
нулевое значение, якорь 3 контактора под действием силы тяжести подвижных частей аппарата начинает отпадать. Новое нарастание тока в катушке 1 вновь притянет якорь 3 к сердечнику 2. Для устранения таких
вибраций якоря и сопровождающего их громкого гудения на торце сердечника или якоре помещают демпферный виток 4, который представляет
собой замкнутую медную рамку, охватывающую часть торца сердечника
электромагнита. Переменный магнитный поток катушки 1, часть которого
пульсирует внутри демпферного витка, наводит в нем ЭДС (как и во вторичной обмотке трансформатора). Под действием этой ЭДС в замкнутом
демпферном витке потечет переменный ток, который создаст добавочный
магнитный поток, не совпадающий по фазе с основным. Так как оба эти
потока проходят через нулевое значение не одновременно, то всегда имеется поток, удерживающий якорь от отпадения. В результате резко
уменьшается дрожание якоря и гудение.
8
8
раб
t >
Рис. 1.3. Демпферный виток
Контакторы различают между собой также:
1) по роду тока главной цепи и цепи управления (переменный ток, по-
стоянный ток);
2) числу главных контактов (от одного до пяти) и вспомогательных
(от двух до четырех);
3) номинальному току главных цепей (4; 6,5; 10; 16; 25; 40; 63;
100;160; 250; 400; 630; 1000(2500) А);
4) номинальному напряжению главной цепи (постоянное напряже-
ние 220; 440; 600 В, переменное напряжение 380 (500) и 660 В);
5) номинальному напряжению включающих катушек (постоянное
напряжение 24, 48, 60, 110, 220 В; переменное напряжение 24, 36, 110,
127, 220, 230, 240, 380, 400, 500, 660 В частотой 50 Гц);
6) допустимой частоте включений в час (30, 120, 300, 1200, 2000, 3000);
7) категории применения (АС-1, АС-2, АС-3, АС-4, DС-1, DС-2, DС-3,
DС-4, DС-5), степени защиты и воздействию климатических факторов.
Контакторы предназначены для работы в одном, нескольких или во
всех следующих режимах: кратковременном, с периодом нагрузки 5; 10; 15;
30 с и 10; 30; 60 и 90 мин; в прерывисто-продолжительном, с периодом
нагрузки не более 8 ч; продолжительном (
ч); повторно-кратковре-
менном, с продолжительностью включения (ПВ): 15; 25; 40 и 60 %.
9
Время включения контакторов переменного тока в зависимости от
,
НКУ
НКУ
КУ
U
I
R
=
НКУ
U
КУ
R
22
НКУ
НКУ
КУ КУ
U
I
RX
=
+
КУ
X
НКУ НЭД
II≥
конкретного типа составляет 0,02–0,08 с, время отключения 0,02–0,07 с.
Основой для выбора контакторов для коммутации и управления элек-
тродвигателями являются номинальные (паспортные) данные двигателя,
режим и условия его работы. К числу показателей, по которым выбираются контакторы, относятся характер и величина напряжений главной цепи
и цепи управления (включающих катушек), номинальный ток контакто-
ров, коммутационная способность контакторов и их количество, допусти-
мая частота включений, режимы работы, категории размещения, степень
защиты от воздействия окружающей среды [1].
Номинальный ток в катушке управления (КУ) контактора постоянно-
го тока:
(1.1)
где
– номинальное напряжение катушки управления;
– активное сопротивление катушки управления.
Номинальный ток в катушке управления контактора переменного тока:
, (1.2)
где
– индуктивное сопротивление катушки управления.
Номинальный ток главных контактов контактора, предназначенного
для управления электродвигателем, работающего в продолжительном
(прерывисто-продолжительном) режиме:
. (1.3)
10