Материал: Конспект лекций по курсу Электрические и электронные аппараты. Гуляев А.А., Королев Н.И

Министерство общего и профессионального образования РФ

Воронежский государственный технический университет

Кафедра электромеханических систем и энергоснабжения

ГУЛЯЕВ А.А.,КОРОЛЕВ Н.И.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу "Электрические и электронные аппараты" для специальностей 180100,

180400

Воронеж 2000

2

ВВЕДЕНИЕ

Определение, назначение и квалификация электрических аппаратов (ЭА) их роль в общественном, экономическом и научно-техническом развитии общества.

Электрификация играет основную роль в развитии всех отраслей народного хозяйства России. Отсюда объективно следует необходимость опережающих темпов роста электроэнергии и устройств для ее распределения.

Электрический аппарат - это всякое электротехническое устройство, служащее для управления электрическими и неэлектрическими объектами и для защиты этих объектов от ненормальных условий работы.

Роль и значение ЭА в обеспечении правильной работы энергоустановок непрерывно растут. Это обусловлено усложнением схем и ростом электрических сетей и установок, повышением требований к точности, износоустойчивости, теплостойкости, надежности, габаритно-стоимостным показателям.

Опираясь на труды русских ученых, Ленца, Петрова, Чикилева, ДоливоДобровольского и др., обосновавших основные положения ЭА-строения, российские ученые Таев, Чунихин, Буткевич, Залесский, Новиков и др. Разработали современную теорию и ряд совершенных ЭА.

Примером таких ЭА могут служить ЭА с использованием полупроводниковых приборов (диодов, триодов, тиристоров). Применение полупроводниковых элементов открывает большие возможности по улучшению параметров ЭА, а также созданию абсолютно новых видов ЭА (в частности особо чувствительных и быстродействующих).

ЭА подразделяются на два вида:

аппараты высокого напряжения (>1000 В);

аппараты низкого напряжения (<1000В).

Классификация ЭА может быть произведена по ряду признаков: по области применения, принципу работы, роду тока и т.д. Основной является классификация по назначению.

В зависимости от основной функции, выполняемой ЭА их можно разделить на следующие группы:

1 Коммутационные ЭА - служат для включения и отключения электрических цепей (пакетные выключатели, рубильники, автоматы, предохранители и др.). Характерным является относительно редкое включение и отключение.

2 Защитные ЭА - предназначены для ограничения токов к.з. (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Характерным для их работы являются небольшие нагрузки.

3

3 Пускорегулирующие ЭА - предназначены для осуществления пуска и регулирования напряжения и тока в цепях потребителя эл. энергии (контролеры, контакторы, пускатели, резисторы, реостаты). Характеризуются эти ЭА большой частотой включения (до 1500 в час).

Контролирующие ЭА - основная функция - контроль заданных электрических и электрических параметров (реле, датчики).

5 Измерительные ЭА - служат для изолировки цепей главного тока от измерительных и защитных цепей (трансформаторы тока и напряжения, делители).

Основные требования к ЭА

1 При номинальном режиме температура токоведущих элементов не должна превосходить, рекомендуемых стандартом, а при к.з. термические и динамические нагрузки не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих нормальную дальнейшую работу ЭА.

2 ЭА предназначенные для включения и отключения токов к.з., должны иметь контакты, рассчитанные на токи к.з. При частом включении и отключении номинальных токов ЭА должны иметь высокую износостойкость.

3 Изоляция ЭА должна выдерживать возможные перенапряжения с учетом ухудшения ее свойств в процессе эксплуатации из-за влаги, пыли, грязи.

4 В настоящее время предъявляются повышенные требования к надежности ЭА.

5 Все ЭА должны иметь минимальную массу, габариты, стоимость и быть технологичными при изготовлении и эксплуатации.

6 ЭА должны обеспечивать специфические требования, обусловленные его назначением (например: быстродействие - в автоматах, точность - в измерительных трансформаторах и т.д.).

4

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

1 Электродинамические усилия (ЭДУ) в ЭА. Методы расчета ЭДУ

ЭДУ действующие в ЭА в моменты к.з. (когда Jк.з в десятки раз больше номинального тока) могут достигать значительных величин и деформировать части ЭА, нарушая нормальную работу ЭА в целом.

Электродинамической стойкостью ЭА называется способность его противостоять ЭДУ. Она выражается в амплитудном значении тока - Jдин, при котором механические напряжения не выходят за пределы допустимых (Cu - 1400 кг/см2, Al - 700 кг/см2...), либо кратностью этого тока относительно номинального

При расчете ЭДУ используется два метода:

1 ЭДУ - F - рассматривается как результат взаимодействия проводника (длины - l) с током - i и магнитного поля (с индукцией - B)

0

где - угол между векторами dl и B.

За направление dl берется направление тока в элементе. Если B создается другим проводником, то оно определяется правилом буравчика (рисунок 1.1).Этот метод применяется в том случае, когда модно аналитически найти B в любой точке l.

2 Основан на использовании энергетического баланса проводников с током.

Если пренебречь электростатической энергией системы и изменением токов в проводниках при их деформации в момент действия ЭДУ, то

где W - электромагнитная энергия,

x - перемещение проводника в направлении действия F. Для двух контуров

где L1,L2 - индуктивности контуров, i1,i2 - токи в контурах,

M- взаимоиндуктивность.

Вданном уравнении первые два члена дают энергию независимых контуров, а последний - энергию взаимосвязи. Поэтому это уравнение дает возможность рассчитать силы как в изолированном контуре, так и силы взаимодействия с другими контурами.

Энергетический метод применяется, когда известно аналитическое

выражение L,M от геометрических размеров контуров.

Направление действия ЭДУ при первом методе расчета определяется правилом левой руки. При втором методе сила, действующая на токоведущие части должна быть направлена так, чтобы электромагнитная энергия возрастала, так как это соответствует положительному направлению силы (dW/dx>0).Так для кольцевого контура ЭДУ действует по радиусу, т.к.

и L, ,Ф тогда возрастают).

Расчет простейших случаев ЭДУ

ЭДУ между параллельными проводниками (рисунок 1.2) рассчитывают первым методом, используя для определения B закон Био-Саварра-Лапласса. Так для бесконечно тонких проводников конечной длины - l:

только от длины проводников и расстояния между ними.

расчета не более 5%. Для реальных проводников круглого и трубчатого сечения форма сечения не оказывает существенного влияния на ЭДУ, и при расчете берут ток, текущий по геометрической оси. Поверхностный эффект в круглых сечениях не влияет на ЭДУ, эффект близости увеличивает ЭДУ при встречных токах и уменьшает при согласных. Для проводников