Министерство образования и науки Российской Федерации
Кубанский государственный технологический университет
Армавирский механико-технологический институт
Кафедра внутризаводского электрооборудования и автоматики
Методические указания по изучению дисциплины для студентов всех форм обучения и МИППС направления
Электрические аппараты
13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
Составитель: канд. техн. наук, доц. С.И. Моногаров
Краснодар 2015
УДК 621.312
Электрические аппараты: Методические указания по изучению дисциплины для студентов всех форм обучения и МИППС направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника / Сост. С.И. Моногаров; Кубан. гос. технол. ун-т. Каф. внутризаводского электрооборудования и автоматики. - Краснодар: Изд. КубГТУ, 2015. - 48 с.
Составлено в соответствии с рабочей программой курса «Электрические аппараты» для студентов всех форм обучения и МИППС направления 13.03.02.
Ил.49. Библиогр.: 5 назв.
Рецензенты: зав. кафедры ЭиЭМ КубГТУ, канд. техн. наук, доц. Я.М. Кашин;
гл. энергетик ОАО «АЭТЗ» В.И. Заболотный;
доц. кафедры ВЭА АМТИ С.К. Давыдов.
© КубГТУ, 2015
Содержание
Введение
1. Содержание дисциплины
1.1 Цели и задачи дисциплины
1.2 Требования к уровню усвоения содержания дисциплины
2. Процессы, протекающие в электрических аппаратах
2.1 Классификация электрических аппаратов.
2.2 Формулы для расчета магнитной цепи
2.2.1 Магнитная цепь, приводы электрических аппаратов. Рабочий магнитный поток, поток рассеивание
2.2.2 Прямая и обратная задачи при расчетах магнитных цепей
2.3 Электродинамические усилия (ЭДУ)
2.3.1 Методы расчета электродинамических усилий
2.3.2 Расчет ЭДУ между параллельными витками
2.4 Контактные явления в электрических аппаратах
2.4.1. Эрозия контактов
2.4.2. Коррозия
2.4.3 Вибрация контактов
2.4.4 Материалы контактов и требования, предъявляемые к ним
2.5 Электрическая дуга
2.6 Поляризованные электромагниты
2.7 Автоматические выключатели (автоматы)
2.8 Предохранители
2.9 Резисторы. Реостаты. Контроллеры
2.10 Реле времени с электромагнитным замедлением
2.11 Контакторы
2.12 Магнитный пускатель
2.13 Полупроводниковые электрические аппараты
2.14 Комбинированные контактные полупроводниковые аппараты
3. Лабораторные работы
4. Контрольные задания
5. Перечень вопросов для подготовки к зачету
Заключение
Литература
Введение
Электрические аппараты - электротехнические устройства, применяемые при использовании электрической энергии.
Невозможно представить развитие производственной базы предприятий без качественного изменения электрических аппаратов.
Все электрические аппараты можно разделить на три большие группы:
– электромеханические, т.е. аппараты, содержащие подвижные элементы, соответственно, имеющие трение;
– статические, т.е. не имеющие подвижных частей, изменяющие в работе параметры и характеристики входящих в их состав элементов;
– гибридные, совмещающие свойства двух предыдущих групп.
В данном пособии рассмотрим электрические аппараты всех этих групп.
По дисциплине предусматривается 72 академических часа, из них аудиторные занятия составляют 36 часов (18 час. - лекции, 18 час. - лабораторные занятия) и 36 часов отводится на самостоятельную работу студентов. В настоящих методических указаниях показано, как студенту необходимо организовать свою самостоятельную работу по изучению материала дисциплины, приобретения знаний и умений для формирования необходимых компетенций.
1. Содержание дисциплины
1.1 Цели и задачи дисциплины
Дисциплина «Электрические аппараты» предназначена для изучения студентами 2 курса.
Для студентов заочной формы обучения предусмотрено выполнение контрольной работы.
Преподавание дисциплины имеет целью формирование у студентов знаний по теории процессов, протекающих в электрических и электронных аппаратах, используемых в схемах управления, регулирования и защиты электроустановок, а также по правильному их выбору при проектировании, наладке автоматизированных систем управления и их защиты в аварийных режимах работы. Основными задачами дисциплины являются рассмотрение вопросов теории, расчетов, конструкции, выбора и эксплуатации электрических и электронных аппаратов.
1.2 Требования к уровню усвоения содержания дисциплины
В результате изучения дисциплины студент должен знать:
классификацию электрических и электронных аппаратов по их назначению и применению;
основные электродинамические процессы, протекающие в аппаратах и методы их оценки;
способы устранения отрицательного влияния вибрации якоря, электрической дуги, коррозия и эрозия контактов на надежность работы контактных аппаратов управления;
причины возникновения аварийных режимов в схемах электроустановок и применяемые при этом классы защитной аппаратуры;
сравнительную оценку электрических контактных аппаратов и полупроводниковых электронных аппаратов, используемых в схемах управления, регулирования и защиты электроустановок.
В итоге изучения дисциплины студент должен уметь:
правильно выбирать электрические и электронные аппараты управления и защиты, исходя из конкретных условий работы электроустановок;
уметь находить основные причины возникновения неисправностей электрических аппаратов и устранять их;
производить измерения основных паспортных характеристик электрических аппаратов, определяющих их пригодность для использования по назначению;
производить замену отказавших электрических и электронных аппаратов в схемах управления электроустановками;
составлять принципиальные электрические схемы по использованию электрических аппаратов в схемах управления электроприводами и других приемников электрической энергии.
Для изучения дисциплины «Электрические аппараты» необходимы знания курсов «Высшая математика», «Физика», «Теоретические основы электротехники». электрический магнитный полупроводниковый резистор
2. Процессы, протекающие в электрических аппаратах
2.1 Классификация электрических аппаратов
Электрический аппарат -- это электротехническое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электрической энергии.
Классификация электрических аппаратов:
- электромеханические;
- статические;
- гибридные.
Классификация по назначению:
1. Коммутационные аппараты распределительных устройств служащих для включения и выключения электрических цепей (рубильники, пакетные выключатели, выключатели нагрузки, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители).
Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и выключение.
2. Ограничивающие аппараты предназначены для ограничения токов короткого замыкания (КЗ) (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Аппараты редко подвергаются большим нагрузкам.
3. Пускорегулирующие аппараты предназначены для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или других потребителей электрической энергии (контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты).
Аппараты для контроля заданных электрических или неэлектрических параметров (реле, датчики).
Аппараты для измерений (трансформаторы, емкостные делители напряжения).
Электрические регуляторы предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону.
Требования к электрическим аппаратам:
При номинальном режиме работы температура токоведущих элементов не должна превосходить рекомендуемых нормативными документами значений.
Короткие замыкания не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения короткого замыкания.
Электрические аппараты, предназначенные для частого включения и выключения, должны иметь высокую износостойкость и их контакты должны быть рассчитаны на этот режим.
Изоляция должна выдерживать перенапряжение и обладать определенным запасом, учитывая ухудшение свойств изоляции с течением времени.
Каждому аппарату предъявляется ряд специфических требований, таких как высокая надежность.
2.2 Формулы для расчета магнитной цепи
Закон Ома для магнитной цепи.
Магнитная цепь состоит из участков ферромагнитных материалов и воздушных зазоров. Каждый из участков оказывает некоторое сопротивление по прохождению магнитного потока. Сопротивление участка ферромагнитного материала:
Rµ =l /м?Sм, (1)
где l - длина участка,
Sм - сечение участка магнитопровода,
м - магнитная проницаемость.
Сопротивление воздушных зазоров:
Rд = д ? (?Sд ) (2)
где д - длина зазора,
м0 - магнитная проницаемость для воздуха;
Sд - сечение зазора.
Общий поток замкнутой магнитной цепи равен МДС умноженной на магнитную проводимость.
Ф=F/Rм + R д =F (3)
По аналогии с электрической цепью магнитное сопротивление участка конечной длины можно представить в виде
R м =1/мa • l/S = см • l/S (4)
где см - магнитное сопротивление единицы длины магнитной цепи при сечении, также равном единице.
При расчете магнитной цепи часто более удобным является введение величины, обратной сопротивлению -- магнитной проводимости
G=1/R м=(мa • S)/l (5)
уравнение имеет вид:
?Фi• 1/Gi =? Fj (6)
Для простейшей неразветвленной цепи с проводимостью
Ф• 1/G=I•щ (7)
или
Ф= I•щ?G (8)
Магнитная проводимость является сложной нелинейной функцией индукции. Зависимость относительной магнитной проводимости а следовательно и магнитной проводимости от величины индукции для магнитного мягкого материала. В слабых и сильных полях магнитное сопротивление материала резко возрастает. Изменения магнитного сопротивления от индукции сильно затрудняет решение как прямой, так и обратной задачи.
В рабочем зазоре поток проходит через воздух, магнитная проводимость является постоянной величиной. Для прямоугольных и круглых полюсов при малом зазоре поле можно считать равномерным и проводим легко определение
G=м0•S/д, (9)
где д - длина зазора,
S - сечение потока в зазоре.
Уравнением можно пользоваться только при относительно малых зазорах. При больших зазорах у краёв полюсов возникает дополнительный поток. В результате при данном значении разности магнитных потенциалов полный поток из полюса увеличивается. Магнитная проводимость, равная отношению потока к разности магнитных потенциалов возрастает.
2.2.1 Магнитная цепь, приводы электрических аппаратов. Рабочий магнитный поток, поток рассеивание
Электромагниты нашли в аппаратостроении широкое применение и как элемент привода аппаратов. Намагничивающая катушка создает МДС, под действием которой возбуждается магнитный поток. Этот поток замыкается как через зазор д, так и между частями магнитной цепи, имеющими различный потенциал. Воздушный зазор д, меняющийся при перемещении якоря, называют рабочим зазором, а поток, проходящий через рабочий зазор, называется рабочим потоком и обозначается Ф. Все остальные потоки в магнитной цепи называются потоками рассеяния Ф. Сила развиваемая якорем электромагнита определяется потоком в рабочем зазоре д.
Магнитная цепь -- совокупность деталей , в том числе и воздушных зазоров, через которые замыкается магнитный поток. Он характеризуется следующими параметрами:
1. Магнитный поток Ф
2. Магнитной индукцией B=Ф/S
3. Напряжением магнитного поля H(A/n)
4. Магнитной проницаемостью м=B/H
5. Магнитной проницаемостью вакуума м0 =4H•10 -7
6. МДС F=i?щ
7. Магнитной проводимостью
2.2.2 Прямая и обратная задачи при расчетах магнитных цепей
Задачей расчета магнитной цепи является либо определение МДС катушки, необходимой для создания рабочего потока заданной величины (прямая задача), либо определение рабочего потока по известной МДС катушки (обратная). Эти задачи могут быть решены с помощью 2-х законов Кирхгофа, применяемых к магнитной цепи.