ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие современной техники невозможно без широкого использования электрических и электронных аппаратов – устройств управления потоками энергии и информации, осуществляющих:
включение и отключение электрических цепей объектов, принимающих участие в получе- нии, преобразовании, передаче, распределении и потреблении электроэнергии;
контроль и измерения параметров указанных объектов; защиту их от несанкционированных режимов работы; управление технологическими процессами;
регулирование (поддержания на неизменном уровне или изменение по определенному закону) параметров отмеченных выше объектов;
преобразование неэлектрических величин в электрические; создание магнитного поля с определенными параметрами и направлением в заданном
объеме [1, 7, 51].
Начиная с 1992 г. дисциплина ”Электрические и электронные аппараты” стала базовой для студентов, проходящих обучение на звание бакалавра наук по направлению 551300 ”Электротехника, электромеханика и электротехнологии”. Отсутствие учебника по названной дисциплине побудило авторов восполнить имеющийся пробел. При написании учебника авторы постарались расширить основные положения курса, необходимые для усвоения таких дисциплин, как ”Электромеханика”, ”Автоматизированный электропривод” и для углубленного изучения электрических и электронных аппаратов студентами инженерной и магистрской подготовки. С этой целью авторы основное внимание уделили описанию фундаментальных законов, раскрытию общего, значимого для большинства разнообразных аппаратов, подчеркиванию частного каждого из них, не стремясь подробно рассматривать возможные конструкции аппаратов, методы их расчета и проектирования. По мнению авторов это позволяет получить более глубокие и разносторонние знания.
В учебник введены главы, которые ранее отсутствовали во всех учебниках и учебных пособиях – например, выбор электрических аппаратов и т. п.
Независимо от назначения, области применения, принципа действия, конструктивного исполнения и т. п. все электрические аппараты можно разделить на две большие группы:
электромеханические, непременно содержащие подвижные элементы, в результате перемещения которых и осуществляется функционирование аппарата;
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.
Исходя из этого учебник разделен на две части: в первой рассматриваются общие аспекты, присущие всем аппаратам, и детально описываются электромеханические аппараты; во второй внимание уделено силовым электронным аппаратам.
При написании первой части учебника работа между авторами была распределена следующим образом: аннотация, предисловие, введение и заключение написаны докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розановым; глава 1 – докт.техн.наук, проф. В.Г. Дегтярем, канд.техн.наук, доц. А.Г. Годжелло и докт.техн.наук, проф. В.Н. Шоффой; глава 2 – докт.техн.наук, проф. И.С. Таевым, докт.техн.наук, проф. П.А. Курбатовым и докт. техн.наук, проф. В.Г. Дегтярем; глава 3 – докт.техн.наук, проф. В.Н. Шоффой, канд.
3
техн.наук, доц. Ю.С. Коробковым и канд.техн.наук доц. А.В. Савельевым; глава 4 – докт.техн.наук, проф. Г.Г. Нестеровым, канд.техн.наук, доц. Е.Г. Акимовым, докт. техн. наук, проф. И.С. Таевым и докт.техн.наук В.Е. Райниным; глава 5 – канд.техн.наук, доц. Н.А. Ведешенковым; глава 6 – канд.техн.наук, доц. Е.Г. Акимовым.
В написании второй части учебника приняли участие: главы 7 – докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов и ст.препод. М.В. Рябчицкий; главы 8 – докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов и канд.техн.наук, доц. А.С. Пучков; главы 9 – докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов
èст.препод. М.В. Рябчицкий; главы 10 – канд.техн.наук, доц. С.Ю. Рыжов; главы 11 – докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов; главы 12 – докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов и канд. техн.наук, доц. Ю.С. Коробков.
Второе издание учебника не содержит принципиальных изменений содержания. Устранены замечания, полученные от многочисленных читателей, включая замеченные ошибки
èопечатки, частично сокращен объем материала, изменен дизайн издания.
Авторы выражают глубокую признательность всем сотрудникам кафедры электрических и электронных аппаратов, принимавшим участие в обсуждении рукописи, аспирантам и студентам кафедры, а также многочисленным читателям учебника за благожелательное отношение к настоящему изданию.
Особую благодарность коллектив кафедры выражает за помощь в издании учебника Всесоюзному научно-исследовательскому институту по монтажным и специальным строительным работам и рекламной компании ”ÐÀÑÒ ïëþñ”.
Отзывы, замечания и пожелания авторы просят присылать по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., 14, МЭИ, каф. Э и ЭА.
Авторы
4
ВВЕДЕНИЕ
Электрические аппараты (ЭА) – это электротехнические устройства, применяемые при использовании электрической энергии, начиная от ее производства, передачи, распределения и кончая потреблением. Разнообразие видов ЭА и различие традиций мировых электротехнических школ затрудняют их классификацию. Это еще больше усугубляется многозначностью и неопределенностью самого термина аппарат (лат. ”apparatus” – техни- ческое устройство). В России термин ”аппарат” был распространен с 1879 г. известным электротехником П.Н. Яблочковым на следующие электротехнические устройства того времени: рубильники, переключатели, коммутаторы, реле и регуляторы.
В настоящее время под ЭА понимают электротехнические устройства управления потоками энергии и информации. При этом речь может идти о потоках энергии различного вида: электрической, механической, тепловой и др. Например, потоком механической энергии от двигателя к технологической машине может управлять электромагнитная муфта. Потоками тепловой энергии можно управлять при помощи электромагнитных клапанов и заслонок. Таких примеров использования ЭА можно привести большое количество. Примером использования ЭА для управления информацией является применение реле в телефонии. Например, при создании телеграфного аппарата П.Л. Шиллинг в 1820 г. применил впервые электромагнитное реле. Простейшая формально – логическая обработка дискретной информации также может быть реализована электромагнитными реле.
Однако наибольшее распространение получили ЭА для управления потоками электри- ческой энергии для изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составных частей. Как правило, функции таких ЭА осуществляются посредством коммутации (включения и отключения) электрических цепей с различной частотой, начиная от относительно редких, нерегулярных значений до периодических высокочастотных, например, в импульсных регуляторах напряжения.
Одним из основных признаков классификации ЭА является напряжение. По этому признаку различают аппараты низкого (до 1000 В) напряжения (АНН) и аппараты высокого (свыше 1000 В) напряжения (АВН). Большинство аппаратов низкого напряжения условно можно разделить на следующие основные виды:
аппараты управления и защиты – автоматические выключатели, контакторы, реле, пускатели электродвигателей, переключатели, рубильники, предохранители, кнопки управления и другие аппараты, управляющие режимом работы оборудования и его защитой;
аппараты автоматического регулирования – стабилизаторы и регуляторы напряжения, тока, мощности и других параметров электрической энергии;
аппараты автоматики – реле, датчики, усилители, преобразователи и другие аппараты, осуществляющие функции контроля, усиления и преобразования электрических сигналов.
Следует отметить, что АНН иногда классифицируют по величине коммутируемого тока: слаботочные (до 10 А) и сильноточные (свыше 10 А). При этом нижние пределы коммутируемых современными ЭА токов достигают 10–9А, а напряжений – 10–5Â.
Аппараты высокого напряжения работают в сетях с напряжением до 1150 кВ переменного тока и 750 кВ постоянного тока и также существенно различаются по своим функциям. К АВН обычно относят следующие основные виды аппаратов:
выключатели высокого напряжения, обеспечивающие включение и отключение электри- ческих цепей в различных режимах работы, включая аварийные, например, короткое замыкание (КЗ);
5
токоограничивающие реакторы для ограничения токов КЗ и шунтирующие реакторы äëÿ
ограничения перенапряжений и компенсации реактивной мощности; ограничители перенапряжений на основе разрядников и элементов с нелинейной вольт-
амперной характеристикой (например, оксидо-цинковые ограничители перенапряжений – ОПН);
разъединители и отделители для отключения цепи без тока при ремонте электрооборудования;
измерительные трансформаторы для высоковольтных цепей.
Электрические аппараты как низкого, так и высокого напряжения обычно являются конструктивно законченными техническими устройствами, реализующими определенные функции и рассчитанными на разные условия эксплуатации.
В основе большинства электромеханических ЭА лежит контактная система с различными типами приводов – ручным, электромагнитным, механическим и др. Процессы, протекающие в ЭА, определяются различными и многообразными физическими явлениями, которые изучаются в электродинамике, механике, термодинамике и других фундаментальных науках.
Одной из наиболее сложных задач, решаемых при разработке электромеханического ЭА, является обеспечение работоспособности электрических контактов в том числе и при гашении электрической дуги, возникающей при выключении ЭА. Большой вклад в развитие теории процессов на контактах и методов эффективного гашения электрической дуги внесли отечественные ученые: В.В. Петров, М.О. Доливо-Добровольский, А.Я. Буйлов, Г.Т. Третьяк, Г.В. Буткевич, О.Б. Брон, Н.Е. Лысов, Г.А. Кукеков, А.М. Залесский, И.С. Таев, О.Я. Новиков, В.В. Афанасьев и др. Совершенствование многих видов ЭА неразрывно связано с развитием теории электромагнитного поля и методов расчета магнитных цепей. Большое влияние на развитие научных основ этого направления оказали работы отечественных ученых: Р.Л. Аронова, Б.К. Буля, В.С. Кулебакина, А.Ф. Сотскова, И.И. Пеккера, А.Г. Никитенко, А.Г. Сливинской, А.В. Гордона, Н.Е. Лысова, М.А. Любчика, Ф.А. Ступеля и др.
Наличие подвижных механических частей, явления искро- и дугообразования при коммутации, ограниченное быстродействие и другие негативные факторы, присущие электромеханическим ЭА, инициировали работы по созданию статических ЭА, которые в научно-технической литературе ранее назывались бесконтактными, а в последнее время – силовыми электронными аппаратами. Первыми статическими устройствами, на основе которых начали создавать статические ЭА, были дроссели насыщения, управляемые путем подмагничивания постоянным током (магнитные усилители). Нелинейность их вольт-ам- перных характеристик и управляемость относительно маломощным сигналом позволили создать на их основе усилители, регуляторы и статические реле. Эффективность таких устройств особенно возросла при включении в схемы таких устройств полупроводниковых диодов. Наиболее значительные успехи на этом направлении были достигнуты в 50–60-е годы. При этом значительный вклад в развитие ЭА на основе магнитных усилителей внесли отечественные ученые: Е.Л. Львов, Р.А. Липман, Л.В. Шопен и др.
Освоение промышленностью производства мощных биполярных транзисторов и создание тиристоров обусловило, начиная с 60-х годов, новый этап полупроводниковых приборов, на основе которых были созданы различные типы быстродействующих реле, регуляторов, пускателей для асинхронных двигателей и др. Одновременно начало формироваться новое направление в области электрических аппаратов, в рамках которого разрабатывались гибридные электрические аппараты, обладающие достоинствами как электромеханических, так и полупроводниковых аппаратов. Однако низкая технико-эконо- мическая эффективность большинства видов статических и гибридных аппаратов на этом этапе развития электронной техники ограничивала область и масштабы их внедрения
âпроизводство.
Â80-õ годах начался новый этап в развитии силовой электроники, который был обусловлен созданием мощных быстродействующих и полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов: мощных полевых транзисторов и транзисторов с изолиро-
6
ванным затвором, запираемых тиристоров и др. Одновременно развитие электронных технологий позволило организовать массовое производство силовых интегральных модулей компактных конструкций. В одном корпусе они объединяют как силовые электронные ключи, так и элементы микроэлектроники с различной степенью интеграции. Такие модули позволяют реализовать различные законы регулирования, включая формирование сигналов защиты, диагностики и др. При необходимости модули могут также включать в себя микропроцессоры или соответствующий интерфейс для сопряжения с устройствами управления более высоких уровней. В результате расширенных функциональных возможностей такие модули получили название ”интеллектуальных” или ”разумных”.
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. Появились новые виды силовых электронных аппаратов, управляющих качеством электрической энергии и коэффициентом мощности.
Новый класс силовых электронных аппаратов создан в результате достижений современной силовой электроники. Эти аппараты обладают большими функциональными возможностями в части реализации законов управления, защиты, диагностики текущего состояния, развитым интерфейсом для обмена информацией с внешней средой.
Однако они не могут заменить большинство видов электромеханических ЭА, поскольку уступают последним по ряду важных параметров. Силовые электронные ключи по принципу действия не обеспечивают такого низкого уровня потерь мощности во включенном (проводящем) состоянии как металлические контакты и, с другой стороны, не способны создать уровень изоляции, соответствующий разомкнутым контактам ЭА. В этой связи для определенных условий применения наиболее эффективным по технико-экономическим показателям оказываются гибридные ЭА. Последние являются компромиссным техническим решением, позволяющим соединить положительные качества электромеханических и силовых электронных аппаратов в одном комбинированном устройстве.
Следует отметить, что достижения современной микроэлектроники и, в частности, микропроцессорной техники в настоящее время также используются 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,
âкоторой используются ЭА.
Âболее широком смысле ЭА в настоящее время можно считать техническими устройствами, относящимися к новой, перспективной области техники – механотронике, являющейся синтезом электромеханики и электроники. Говоря о роли силовой электроники, авторы делают акцент на том, что она позволяет создавать исполнительные, силовые органы устройства или непосредственно управлять электрическими параметрами мощных электромеханических устройств. Примером являются силовые электронные аппараты, позволяющие осуществлять мягкий пуск или останов двигателя, или управлять работой двигателей постоянного тока в импульсных режимах. Пока не было соответствующей элементной базы, реализация таких технических решений была практически невозможна. По существу из-за недостаточно развитой элементной базы отсутствовало звено, способное реализовать эффективное взаимодействие слаботочных систем управления и мощных исполнительных устройств. В то же время в ЭА используется очень широкая номенклатура электронных
приборов, что и определило название специальности ”Электрические и электронные аппараты”.
С учетом современной классификации ЭА, особенностей физических процессов в них и многообразий конструктивных решений в настоящем учебнике выделены две части,
объединенные одним названием ”Электрические и электронные аппараты”. Часть первая учебника охватывает электромеханические аппараты, а часть вторая – электронные аппараты и аппараты с микропроцессорным управлением.
7
В приложениях приведены сведения о продукции ведущих фирм в области высоковольтного и низковольтного электротехнического оборудования: концерна АВВ, фирмы Siemenc AG, фирмы Legrand, компании ”Шнейдер Электрик” и концерна ALSTOM. Приведенные материалы дают представление о современных достижениях в области электроаппаратостроения и могут быть полезны не только для студентов, изучающих курс ”Электрические и электронные аппараты”, но и специалистов, связанных с проектированием и эксплуатацией электротехнических систем различного назначения. Следует также отметить, что приведенная информация может быть успешно использована службами маркетинга в электротехнике. При необходимости получения более детальной информации рекомендуем обращаться в представительства, адреса которых указаны в Приложениях.
Дополнительно к учебнику прилагается CD-ROM, в состав которого входят: электронная версия учебника в PDF-формате; перечень контрольных вопросов для самопроверки с различными вариантами ответов; задание и методические указания к курсовому проекту по курсу ”Электрические и электронные аппараты”, часть 1; СУБД ”Выбор 2.2” и набор баз данных для выбора электрических аппаратов в рамках курсового проекта. Ко 2-ой части учебника подготовлены задачи или тесты в программных средствах Pspice.
Учебник поставляется с CD-ROM.
8