1.5 Назначение и классификация электрических аппаратов автоматики

Технические средства автоматики, с помощью которых выполняются различные операции с сигна­лами (получение и сбор, считывание, формирова­ние, обработка, преобразование, адресование, сравнение, хранение, размножение, изменение уровня, логические операции и т. п.), относят к электрическим аппаратам автоматики, если хотя бы один из сигналов (на входе или выходе аппарата) электрический. Под сигналом подразумева­ется воспринимаемая или передаваемая информа­ция о вещественном (размер, плотность, цвет и т.п.) или энергетическом (скорость, давление, темпера­тура, напряжение, ток, cos φ, КПД и т.д.) парамет­ре. Сигналы могут быть периодическими и непериодическими, непрерывными и дискретными.

Для реализации электрических аппаратов авто­матики используются разнообразные физические принципы. По назначению они классифицируются следующим образом:

первичные преобразователи (датчики) — пре­образующие контролируемую (входную, как пра­вило, неэлектрическую) величину в выходной электрический сигнал. . Часто конструктивно датчи­ки включают в себя усилители и релейные элементы (например, триггер Шмитта). Датчики с релей­ным выходом называются биполярными;

распределители (коммутаторы) — распреде­ляющие информацию в виде электрических сигна­лов по различным каналам связи;

сумматоры, логические элементы, ЦАП, АЦП — обрабатывающие информацию, поступающую по различным каналам (входам) в виде электрических сигналов, и вырабатывающие команду (сигнал) для исполнительных устройств;

исполнительные аппараты. К этому классу аппаратов относятся электрические реле автомати­ки, электрогидровентили, электрогидрокраны, электроклапаны, магнитные опоры и подвесы, задвижки, толкатели и др.;

электрические реле автоматики — устройства для защиты электрических систем, сетей и цепей, а также других объектов от несанкционированных режимов работы; для выработки сигналов, опове­щающих о приближении нештатных ситуаций и об их наступлении; для усиления, размножения, обработки, кодирования и запоминания поступаю­щей информации.

К разновидностям электрических реле относятся герконовые реле, основу которых составляют гермети­зированные магнитоуправляемые контакты (герконы).

К электрическим аппаратам автоматики можно отнести также релейные аппараты с механическим управлением (входом) и электрическим выходом: кнопки, ключи, клавиатуры, тумблеры, микровык­лючатели.

Лекция 4.

1.6 Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах

К основным явлениям, сопровождающим работу электрического аппарата, относятся: процессы ком­мутации электрических цепей (или механических нагрузок), электромагнитные процессы (электро­механические и индукционные явления, электро­магнитные взаимодействия элементов аппарата и т.п.) и тепловые процессы.

Общим фактором для всех аппаратов, оказыва­ющим непосредственное влияние на указанные процессы, является режим работы аппарата. Таких режимов три: длительный (при длительном про­хождении тока аппарат нагревается до установив­шейся температуры), кратковременный (в отключенном состоянии между отдельными вклю­чениями температура нагрева аппарата снижается практически до температуры окружающей среды), повторно-кратковременный (температура нагрева за время паузы тока не успевает снизиться до температуры окружающей среды). Два последних режима характеризуются относительной продол­жительностью включения, %

,

где tп и tн время паузы и нагрузки тока.

Стандартные значения ПВ: 15; 25; 40; 60%.

Функции коммутации электрических цепей осуществляют выключатели высокого напряжения, контакторы, пускатели, реле, предохранители, рубильники и разъединители, автоматические вы­ключатели и другие коммутаторы электрических цепей.

Коммутацию механических нагрузок реализуют аппараты, основным элементом которых являются электромагнитные устройства — тяговые электро­магниты различного назначения, электромагнит­ные заслонки, муфты и т.п.

Коммутация электрической цепи аппаратами осуществляется путем изменения электрического сопротивления их коммутирующего органа. Для коммутирующего органа электрического аппарата характерны два режима: коммутационный и уси­лительный. В коммутационном режиме происходит скачкообразное изменение сопротивления R_K ком­мутирующего органа и быстрое изменение тока нагрузки. В усилительном режиме происходит плавное изменение сопротивлений R_K и тока на­грузки. Сопротивление коммутирующего органа во включенном состоянии R_{K вкл} мало, его сопротив­ление в отключенном состоянии К_коткл велико. Отношение этих сопротивлений определяет глуби­ну коммутации, которая определяется соотношением:

.

Для электромеханических аппаратов (с контак­тной системой) К_к = 10¹⁰-10¹⁴, для коммутиру­ющего органа на статических (бесконтактных) аппаратах К_к = 10⁴-10⁷.

Скачкообразное изменение тока или напряжения характеризуется основным законом коммутации. Процесс коммутации в контактных аппа­ратах длится доли секунды, а в бесконтактных полупроводниковых — микросекунды.

Основным элементом коммутирующего органа контактных аппаратов являются контакты различ­ного исполнения, которые характеризуются переходным сопротивлением

,

где Rc - сопротивление суженных участков, по которым проходит ток, Rп — сопротивление загрязняющих пленок (оксиды, грязепылевые осад­ки и т.п.) на поверхности контактов.

Для слаботочных контактов (до 10А), когда контактные нажатия невелики (до 1Н), Rп имеет существенное значение и определяется по формуле:

,

где - удельное поверхностное сопротивление пленок;

S- площадь поверхности соприкосновения по пленкам;

d- толщина пленки.

Для разных материалов контактов и условий эксплуатации .

Сопротивление сужения (или сопротивление стягивания многоточечного контакта):

,

где ρ - удельное электрическое сопротивление материала контактов;

σсм – сопротивление материала смятию;

Рк - контактное нажатие;

n - число точек контактирования.

В предельном случае при наихудшем контакти­ровании: n = 1 для точечного контакта, n = 2 для линейного контакта, n = 3 для плоскостного кон­такта.

Темпера­тура в области контактирования не должна превышать 105°С для медных контактов и 180°С для контактных материалов на основе серебра.

При отключении электрической цепи с током нагрузки до 10А и напряжении до 220В на контактах появляется искра или небольшая элект­рическая дуга, которые быстро гасятся за счет раствора контактов. При токах в десятки, сотни ампер и более для гашения электрической дуги применяются разнообразные дугогасительные уст­ройства, в которых электрическая дуга растягива­ется и интенсивно охлаждается (щелевые дугогасительные камеры, камеры с деионной ре­шеткой, камеры с магнитным дутьем, трансформа­торное масло в сочетании с лабиринтной камерой — в высоковольтных выключателях и т.п.).

Общее условие гашения электрической дуги или искры: электрическая прочность межконтакт­ного промежутка должна быть выше восстанавли­вающегося на контактах напряжения сети.

Состояние межконтактного промежутка в про­цессе дугогашения описывается уравнением:

,

где Q — количество теплоты, содержащейся в единице длины дуги; Е и iД — градиент напряже­ния и ток дуги; р_о — мощность, отводимая от единицы длины дуги; t — время.

Все эти явления присущи контактным ЭА. Для полупроводниковых ЭА этот эффект отсутствует.

В электрических аппаратах имеются все три вида теплопереноса: теплопроводность, конвекция и излучение. Для приближенного расчета теплового режима электрических аппаратов используется формула Ньютона, в которой коэффициентом теплоотдачи КТ объединяются все три вида теплопереноса. По этой формуле мощность Р, отводимая от нагретой до температуры Т поверхности охлаждения S_OXJI, равна:

,

где Токр — температура окружающей среды.

В большинстве электрических аппаратов (кроме силовых электронных, реакторов, трансформаторов и некоторых других) имеется привод, предназна­ченный для выполнения необходимых механиче­ских операций и их циклов, обеспечивающих работоспособность аппарата в условиях эксплуатации.

В ручных приводах используется мускульная энергия оператора.

В электромагнитных и электродвигательных приводах источником энергии является непосредст­венно электрическая сеть.

В пружинных, пневматических и гидравлических приводах используется энергия, предварительно за­пасенная собственно в пружинах, пневматических и пневмогидравлических аккумуляторах.

Для расчета электромагнитного взаимодействия между частями электрических аппаратов использу­ются три метода: энергетический метод; метод, основанный на использовании формулы Максвел­ла; метод взаимодействия токов с магнитным полем на основе использования закона Ампера. При необходимости с этими методами можно ознакомиться в специальной литературе.