Міністерство освіти і науки україни національний університет "львівська політехніка"

Серія: лекції для електромеханіків

Електричні апарати низької напруги

Львів – 2009

Передмова

В основу навчального посібника покладено курс лекцій, що читається студентам базового напрямку "Електромеханіка" у Національному університеті "Львівська політехніка".

Вивчення курсу "Електричні апарати" для студентів базового напрямку "Електромеханіка" передбачає традиційний підхід, котрий полягає в наступному. В першій частині цього курсу вивчаються основні положення теорії, найбільш типові і значні для апаратів низької напруги, а також для апаратів автоматики, тобто питання електромагнітних явищ, нагрівання, термічної та електродинамічної стійкості, основні положення теорії комутації електричних кіл тощо. Цю частину курсу прийнято називати "Основами теорії електричних апаратів" і вона є базою для якісного пояснення і кількісної оцінки фізичних процесів, які протікають в електричних апаратах.

В другій частині курсу розглядаються особливості конструкції, принцип роботи і основні характеристики типових апаратів розподільчих пристроїв та апаратів автоматики, а також особливості режимів їх роботи та наведені деякі рекомендації щодо їх вибору та використання.

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Чунихин А.А. Электрические аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1988.

2. Основы теории электрических аппаратов / Буль Б.К., Буткевич Г.В., Кураев В.Г. и др. - М.: Высшая школа, 1970.

3. Родштейн Л.А. Электрические аппараты. - Л.: Энергоиздат, 1981.

4. Таев И.С. Электрические аппараты управления. - М.: Высшая школа, 1984.

5. Электрические и электронные аппараты/ под ред. Розанова Ю.К. - М.: Информэлектро, 2001.

6. Загирняк М.В., Кузнецов Н.И. Электрические аппараты – Кременчуг, 2005.

7. Теория электрических аппаратов /под ред. Александрова Г.Н. -М.:Высшая школа, 1985.

8. Основы теории электрических аппаратов / под ред. Таева И.С. - М.: Высшая школа, 1987.

9. Задачник по электрическим аппаратам / Буткевич Г.В. и др. - М.: Высшая школа, 1987.

10. Шопен Л.В. Бесконтактные электрические аппараты. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

З агальні положення та класифікація електричних апаратів

Електричні апарати (ЕА) є одним із основних засобів електрифікації і автоматизації технологічних процесів. В даний час під ЕА розуміють електротехнічні пристрої керування потоками енергії й інформації. При цьому мова може йти про потоки енергії різного виду: електричної, механічної, теплової і ін. Наприклад, потоком механічної енергії від двигуна до технологічної машини може керувати електромагнітна муфта. Потоками теплової енергії можна керувати за допомогою електромагнітних клапанів і заслінок. Таких прикладів використання ЕА можна привести велику кількість. Прикладом використання ЕА для керування інформацією є застосування реле в телефонії. Так при створенні телеграфного апарата П.Л. Шилінг у 1820 р. застосував уперше електромагнітне реле. Найпростіша формально-логічна обробка дискретної інформації також може бути реалізована електромагнітними реле. Однак найбільше поширення одержали ЕА для керування потоками електричної енергії для зміни режимів роботи, регулювання параметрів, контролю й захисту електротехнічних систем і їхніх складових частин (рис. 1).

Рис. 1. Приклад електричної схеми управління асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором і його захисту від перевантаження і струмів к.з.

Електричний апарат - електротехнічний пристрій, призначений для управління електричними і неелектричними об'єктами, а також для їх захисту при ненормальних умовах роботи.

У технічному відношенні до функцій керування потоками електричної енергії відносять:

1) комутацію (вмикання-вимикання) електричного струму і зв'язану з цим зміну параметрів електричного кола;

2) автоматичне і неавтоматичне регулювання, стабі­лі­за­цію, зміну за заданими законами електричного струму й зв'язаних з цим пара­метрів електричного кола;

3) розподіл електричної енергії між різними споживачами;

4) захист електричного обладнання від анормальних і аварійних режимів (короткого замикання, перевантаження тощо);

5) контроль параметрів електричного струму.

В основі більшості електромеханічних ЕА лежить контактна система з різними типами приводів - ручним, електромагнітним, механічним і ін. Процеси, що протікають у ЕА, визначаються різноманітними фізичними явищами, що вивчаються в курсах електродинаміки, механіки, термодинаміки й інших фундаментальних науках. Однієї з найбільш складних задач, які розв'язуються при проектуванні електромеханічного ЕА, є забезпечення працездатності електричних контактів у тому числі і при гасінні електричної дуги, що виникає при вимиканні ЕА. Удосконалення багатьох видів таких ЕА нерозривно пов'язано з розвитком теорії електромагнітного поля і методів розрахунку магнітних кіл.

Режими роботи електротехнічних пристроїв:

Номінальний режим роботи - це такий режим, коли  елемент  електричного кола працює при значеннях струму, напруги,  потужності  вказаних в технічному паспорті, що   відповідає  оптимальним  умовам роботи з погляду економічності і надійності (довговічності).

Надійність – безвідмовна робота апарату за весь час його експлуатації. Властивість апарату виконувати задані функції, зберігаючи в часі значення встановлених експлуатаційних показників в заданих межах, відповідних заданим режимам і умовам використання, технічного обслуговування і ремонтів, зберігання і транспортування.

Нормальний режим роботи - режим, коли апарат  експлуатується  при параметрах режиму що трохи відрізняються від номінального.

Аварійний режим роботи - це такий режим, коли параметри струму, напруга, потужності перевищують номінальний в два і більше разів. В цьому випадку об'єкт повинен бути відключений.

Класифікація електричних апаратів

Електричні апарати можна класифікувати за рядом ознак:

• за призначенням, тобто основною функцією, що виконується апаратом;

• за принципом дії;

• за характером роботи (тривалий, короткочасний, повторно-короткочасний режим роботи);

• за видом струму (постійного чи змінного струму);

• за величиною напруги;

• за виконанням;

• ступенем захисту.

Однією з основних ознак класифікації ЕА є напруга. За цією ознакою розрізняють апарати низької (до 1 кВ) напруги (АНН) і апарати високої (понад 1 кВ) напруги (АВН).

За принципом дії електричні апарати розділяють залежно від характеру імпульсу, що діє на них. Найбільше розповсюдження отримали:

- комутаційні електричні апарати для замикання і розмикання елект­ричних кіл за допомогою контактів, з’єднаних між собою для забезпечення переходу струму з одного контакту на інший або віддалених один від іншого для розриву електричного кола (рубильники, перемикачі, …);

ВАРІАНТ КЛАСИФІКАЦІЇ

ЕЛЕКТРИЧНИХ АПАРАТІВ

- електромагнітні електричні апарати базуються на використанні електромагнітних зусиль, які виникають при роботі апарату (контактори, реле, …);

- індукційні електричні апарати базуються на використанні законів взаємодії струму та магнітного поля (індукційні реле).

Більшість апаратів НН залежно від призначення можна розділити на наступні основні види:

апарати управління – призначені для пуску, реверсування, гальмування, регулювання швидкості обертання, напруги і струму електричних машин або регулювання параметрів інших споживачів електроенергії в системах електропостачання. Керують режимами роботи електрообладнання в розпо­діль­чих мережах з напругами 127, 220, 380, 660, 1140 В і здійснюють відповідний їх захист від анормальних та аварійних режимів (контактори, реле, пускачі електродвигунів, перемикачі, рубильники, запобіжники, кнопки керування й ін. ). Особливістю роботи є висока частота включень і відключень;

апарати захисту – використовуються для комутації електричних кіл, захисту електрообладнання та електричних мереж від струмів перевантаження та короткого замикання (автоматичні вимикачі, запобіжники, теплові та струмові реле та інші);

електричні апарати автоматики - здійснюють функції контролю електрич­них та неелектричних параметрів електрообладнання (реле, датчики, підсилювачі, перетворювачі й інші апарати, що здійснюють функції контролю, посилення і перетворення електричних сигналів);

автоматичні регулятори і стабілізатори - призначені для автоматичного регулювання за даними законами відповідних вихідних параметрів електротехнічних пристроїв у схемах автоматики і керування (стабілізатори і регулятори напруги, струму, потужності й інших параметрів електричної енергії).

Електричні апарати як низької, так і високої напруги звичайно є конструктивно завершеними технічними пристроями, що реалізують визначені функції і розраховані на різні умови експлуатації. До ЕА висуваються такі загальні вимоги: 1) у номінальному режимі роботи температура струмопроводів елементів апарата не повинна перевищувати рекомендованих відповідним стандартом значень; 2) ізоляція електричних апаратів повинна витримувати перенапруги, які можуть виникати під час експлуатації електрообладнання; 3) апарати повинні забезпечувати спеціальні вимоги під час їх роботи (високу механічну та електричну зносостійкість апаратів, призначених для частих вмикань і вимикань номінального струму навантаження тощо); 4) володіти високою чутливістю, швидкодією, універсальністю; 5) забезпечувати високу надійність, задовільні масо-габаритні показ­ники, низьку собівартість і малі витрати на обслуговування.

Електричні апарати, щодо ступеню захисту можуть мати такі види виконання:

• захищені ІР21, ІР22;

• бризко- та каплезахищені ІР23, ІР24;

• водозахищені (ІР55, ІР56);

• пилозахищені (ІР65, ІР66);

• закритого (ІР44, ІР54);

• герметичного (ІР67, ІР68).

Ступінь захисту від проникнення твердих тіл та рідин визначається відповідними стандартами. Встановлено 7 ступенів захисту від попадання твердих тіл і контакту персоналу зі струмопровідними та обертовими частинами: 0 – захист відсутній; 1 – захист від проникнення великої частини людського тіла (руки) і твердих тіл розміром більше 50 мм; 2 – захист від проникнення пальців або предметів довжиною не більшою за 80 мм та твердих

тіл розміром понад 12 мм; 3 – захист від проникнення ін­струменту або твердих тіл діаметром понад 2.5 мм; 4 – захист від проникнення - твердих тіл діаметром понад 1 мм; 5 – захист від проникнення пилюки в кількості недостатній для порушення роботи виробу; 6 – повний захист від проникнення пилюки. Від проникнення води визначені таки ступені захисту: 0 – спеціальний захист відсутній; 1 – захист від капель, що падають вертикально; 2 – захист від капель при нахилі оболонки до 150 в будь-якому напрямі відносно нормального поло­ження; 3 – захист від дощу, що падає на оболонку під кутом 600 від вертикалі; 4 – захист від бризок, які падають на оболонку в будь-якому напрямі; 5 – захист від струменів; 6 – захист від хвиль; 7 – захист від проникнення води при короткочасному зануренні; 8 - захист від проникнення води при тривалому.

Загальні критерії вибору електричних апаратів

При виборі електричних апаратів необхідно враховувати наступні критерії:

• струм, напругу та потужність, яка буде комутуватися електричним апаратом;

• параметри і характер навантаження — активний, індуктивний, ємнісний, низького чи високого опору та інше;

• число комутованих кіл;

• напругу та струм кола керування;

• напругу котушки електричного апарату;

• режим роботи апарата;

• умови роботи апарата — температура, вологість, тиск, наявність вібрації;

• способи кріплення апарату;

• економічні та масогабаритні показники;

• електромагнітну сумісність з іншими пристроями та апаратами;

• стійкість до електричних, механічним та термічних перевантажень;

• кліматичне виконання та категорія розміщення;

• ступінь захисту IP;

• вимоги техніки безпеки;

• висота над рівнем моря та умови експлуатації.