Электрические аппараты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Общие вопросы конструкции электрических аппаратов

1.1 Классификация и назначение электрических аппаратов

1.2 Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам

1.3 Основные материалы, применяемые в аппаратостроении

1.4 Электрические контактные соединения

1.5 Электромагнитные механизмы

1.6 Защитные аппараты ( электрические реле, предохранители, автоматические выключатели)

Введение

Электрические аппараты осуществляют управление потоком энергии от источника к приемнику. Они применяются в системах производства и распределения электрической энергии и энергоснабжения во всех областях народного хозяйства, в схемах автоматического и не автоматического управления электрическими машинами и разнообразным оборудованием.

Наряду с электрическими машинами электрические аппараты являются основными средствами электрификации и автоматизации. Стоимость их нередко оказывается соизмеримой со стоимостью управляемых ими электрических машин и оборудования или дажепревышает его.

Все нарастающин темпы электрификации страны требует большего числа электрических аппаратов. Однако простой рост количества выпускаемых аппаратов не обеспечивает темпы электрификации страны. Необходимо неприрывное их совершенствование на основе развития общей теории электоаппаратостроения, углубления предоставлений о физике явлений, протекающих в электрических аппаратах, и умение применять законы электротехники при их проектировании. При снижении материалоемкости электрических аппаратов и трудозатрат на их изготовление требуется повышение уровней их напряжений и токов, юыстродействия, надежности и ресурсов. На базе новых технологий и материалов должны бфть расширены работы по созданию бесконтактных (статистических) аппаратов, аппаратов с жидкометаллическими контактами по миниатюризации конструкций и модульному их исполнению.

Электрические аппараты, изготовляемые отечественной промышленносью, составят сотни наименований. Устройство, принцип действия, расчет и выбор электрических аппаратов приводится в большом количествеспециализированных учебников и справочников, которые далеко не всегда доступны студентам. С другой стороны, в учебной практике, при работе студентов над курсовыми проектами и выпускными квалификационными работами, возникают необходимости в получении сведений об электрических аппаратах, содержащихся в многочисленных источниках. С такой же проблемой сталкиваются также учителя технологии, которым необходимо уметь правильно выбирать электрические аппараты, используемые для управленияи защиты электрооборудования и электропроводокв школьной учебной мастерской.

Поэтому мы поставили перед собой задачу собрать и изложить сведения об устройстве, принципе действия, применении, расчете и выборе наиболее часто применяемых электрических аппаратов в относительно небольшой выпускной квалификационной работе, которая могла бы в известной степени облегчить обозначеннуб проблему для студентов технолого-экономического факультета и учителей технологии.

Сведения об электрических аппаратах изложены по возможности кратко, разбиты на отдельные параграфы, законченные по смыслу, иллюстрируются рисунками и схемами. В расчетной части представлены расчеты по выбору электрических аппаратов. Расчетные задания имеют практическую направленность, условия заданий соответствуют реальному электрооборудованию школьной учебной мастерской.

Задачи:

1. Проанализировать и обобщить научно-техническую литературу и рассмотреть класификацию электрических аппаратов.

2. Определить основные тебования, предъявляемые к электрическим аппаратам.

3. Проанализировать устройство, основные конструктивные особенности и применение электрических аппаратов.

4. Выполныть расчет и выбор электрических аппаратов для защиты электроустановок

5. Разработать план-конспект урока.

1. Общие вопросы конструкции электрических аппаратов

1.1 Классификация и назначение электрических аппаратов

Электрическим аппаратом принято называть электротехническое устройство, предназначенное для управления электрическими и неэлектрическим объектами, а также для защиты этих объектов при ненормальных режимах работы.

Понятие «электрический аппарат» охватывает очень обширный круг бытовых и промышленных устройств - это электрические аппараты, облаживающие электроустановки по производству (электростанции), преобразованию и распределению (электрические сети и подстанции), потреблению (электрический привод) электрической энергии в народном хозяйстве.

Многообразие самих аппаратов и выполняемых ими функций, совмещение в одном аппарате нескольких функций не позволяют строго классифицировать их по одному какому-то признаку. Представляется целесообразным рассмотреть их по назначению - основной функции, выполняемой аппаратом. Электрические аппараты подразделены на следующие группы:

- Коммуникационные, основное назначение которых - включать и отключать электрические цепи. Сюда можно отнести разъединители, выключатели (автоматические и неавтоматические), рубильники, переключатели и т.д.

- Защитные, основное назначение которых - ограничение токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжений (разрядники).

Пускорегулирующие, предназначены для управления электроприводами и другими промышленными потребителями электроэнергии. Сюда относятся контакторы, пускатели, силовые и командные контроллеры, реостаты.

- Контролирующие, основное назначение которых - контроль заданных электрических и неэлектрических параметров. Сюда относятся реле и датчики.

В пределах одной группы или типа аппараты различаются:

1) По напряжению - низкого напряжения (обычно до 660 В включительно), высокого напряжения (от 1000 В и выше);

2) По роду тока - постоянного тока, переменного тока промышленной частоты, переменного тока повышенной частоты;

3) По роду зашиты от окружающей среды - в исполнениях открытом, защищенном, брызгозащищенном, водозащищенном, герметическом, взрывобезопасном и т.д.;

4) По способу действия - электромагнитные, магнитоэлектрические, индукционные, тепловые;

5) По ряду других факторов (быстродействие, способы гашения дуги и т.п.).

По принципу работы электрические аппараты могут быть подразделены на контактные и бесконтактные. Первые имеют подвижные контактные части, и воздействие на управляемую цепь осуществляется путем замыкания или размыкания этих контактов. Эти аппараты осуществляют управление путем изменения своих электрических параметров (индуктивность, емкость, сопротивление).

Контактные аппараты могут быть автоматические и неавтоматические. Автоматические - это аппараты, приходящие в действие от заданного режима работы и цепи или машины. Неавтоматические - это аппараты, действие которых зависит только от воли оператора. Они могут управляться дистанционно или непосредственно (рукой, ногой).

1.2 Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам

электрический аппарат пускорегулирующий защитный

Требования предъявляемые к электрическим аппаратам, чрезвычайно разнообразны и зависят от назначения, условий применения и эксплуатации аппарата. Кроме специфических требований, относящихся к данному аппарату, все электрические аппараты должны удовлетворять некоторым общим требованиям:

1. Каждый электрический аппарат при работе обтекается каким-то рабочим током, при этом токоведущих частях выделяется определенное количество теплоты и аппарат нагревается. Температура не должна превосходить некоторого определенного значения, устанавливаемого для данного аппарата и его деталей.

2. В каждой электрической цепи может быть ненормальной (перегрузка) или аварийный (короткое замыкание) режим работы. Ток, протекающий по аппарату в этих режимах, весьма заметно (в 50 и более раз) превышает номинальный, или рабочий, ток. Аппарат подвергается в течении определенного времени чрезмерно большим термическим и электродинамическим воздействия тока, однако он должен выдерживать эти воздействия без каких-либо деформации, препятствующих дальнейшей его работе.

3. Каждый электрический аппарат работает в цепи с определенным напряжение, где возможны также и перенапряжения. Однако электрическая изоляция аппарата должна обеспечивать надежную работу аппарата при заданных значениях напряжения.

4. Контакты аппаратов должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, которые могут возникнуть в управляемых и защищенных цепях.

5. К каждому электрическому аппарату предъявляются те или иные требования по надёжности и точности работы, а также по быстродействию.

6. Любой электрический аппарат должен по возможности иметь наименьшие габариты, массу и стоимость, быть простым по устройству, удобным в обслуживании и технологичным в производстве.

1.3 Основные материалы, применяемые в аппаратостроении

Материалы, применяемые в аппаратостроении, могут быть разбиты на следующие группы:

- проводниковые -главным образом медь, сталь, алюминий, латунь и др.;

- магнитные - различного рода стали и сплавы - для магнитопроводов;

- изоляционные - для электрической изоляции токоведущих частей друга от друга и от заземленных частей;

- дугостойкие изоляционные - асбест, керамика, пластмассы - для дугогасительных камер;

- сплавы, обладающие высоким удельным сопротивлением - для изготовления различных резисторов;

- контактные - серебро, медь, металлокерамика - для обеспечения высокой электрической износостойкости контактов;

- биметаллы - применяются в автоматических аппаратах, использующих линейное удлинение различных металлов при нагревании током;

- конструкционные - металлы, пластмассы, изоляционные материалы - для придания аппаратам и их деталям тех или иных форм и для изготовления деталей, преимущественным назначением которых являются передача и восприятие механических усилий.

К материалам контактов современных электрическихаппаратов предъявляются следующие требования:

1. Высокая электрическая проводимость и теплопроводимость;

2. Высокая коррозионная стойкость в воздушной и других средах;

3. Стойкость простив образования пленок с высоким электрическим сопротивлением;

4. Малая твердость для уменьшения необходимой силы нажатия;

5. Высокая твердость для уменьшения механического износа при частых включениях и отключениях;

6. Малая эрозия;

7. Высокая дугостойкость (температура плавления);

8. Высокие значения тока и напряжения, необходимые для дугообразования;

9. Простота обработки, низкая стоимость.

Свойства некоторых контактных материалов рассмотрены ниже.

Медь. Положительные свойства: высокие удельная электрическая проводимость и теплопроводимость, достаточная твердость, что позволяет применять при частых включениях и отключениях довольно высокие значения U0 и I0, простота технологии, низкая стоимость.

Недостатки: достаточно низкая температура плавления, при работе на воздухе покрывается слоем прочных оксидов, имеющих высокое сопротивление, требует довольно больших сил нажатия. Для защиты меди от окисления поверхность контактов покрывается электролитическим способом слоем серебра толщиной 20-30 мкм.

Серебро. Положительные свойства: высокие электрическая проводимость и теплопроводность, пленка оксида серебра имеет малую механическую прочность и быстро разрушается при нагреве контактной точки.

Недостатки: малая дугостойкость и недостаточная твердость препятствуют использованию его при наличии мощной дуги и частных включения и отключения.

Алюминий. Положительные свойства: достаточно высокие электрическая проводимость и теплопроводностью. Благодаря малой плотности токоведущая часть круглого сечения из алюминия на такой же ток, как и медны проводник, имеет почти на 48% меньшую массу. Это позволяет уменьшить массу аппарата.

Недостатки: 1.образование на воздухе и в активных средах пленок с высокой механической прочностью и высоким сопротивлением; 2. Низкая дугостойкость (температура плавления значительно меньше, чем у меди и серебра); 3. Малая механическая прочность; 4. Из - за наличия в окружающем воздухе влаги и оксидов медный и алюминиевый контакт образуют своеобразный гальванический элемент.

Алюминий и его сплавы ( дюраль, силумин) главным применяются главным образом как материал для шин и конструкционных деталей аппаратов.

Вольфрам. Положительные свойства: высокая дугостойкость , большая стойкость против эрозии, сваривания. Высокая твердость вольфрама позволяет применять его при частых включениях и отключениях.

Недостатки: высокое удельное сопротивление, малая теплопроводность, малая теплопроводность, образование прочных оксидных и сульфидных пленок.

Металлокерамические материалы. Рассмотрение свойств чистых металлов показывает, что ни один из них не удовлетворяет полностью всем требованиям, предъявляемым к материалу контактов.

Основные необходимые свойства контактного материала -- высокие электрическая проводимость и дугостойкость -- не могут быть получены за счет сплавов таких материалов, как серебро и вольфрам, медь и вольфрам, так как они не образуют сплавов. Материалы, обладающие необходимыми свойствами, получают методом порошковой металлургии (металлокерамики). Полученные таким методом материалы сохраняют физические свойства входящих в них металлов. Дугостойкость металлокерамики обеспечивается такими компонентами, как вольфрам, молибден. Низкое переходное сопротивление контакта достигается использованием в качестве второго компонента серебра или меди. Чем больше содержание вольфрама, тем выше дугостойкость, механическая прочность и меньше возможность приваривания металлокерамических контактов. Но соответственно растет переходное сопротивление контактов и уменьшается их теплопроводность. Обычно металлокерамика с содержанием вольфрама выше 50 % применяется для аппаратов защиты на большие токи КЗ.

Композиции из тонко измельченных порошков с диаметром зерна менее 10 мкм имеют мелкодисперсную структуру и обладают большой механической прочностью. Их износостойкость в 1,5--2 раза выше, чем у материалов немелкодисперсного типа.

Свойства и состав наиболее распространенных материалов для металлокерамических контактов приведены в табл. 3.4.

Для контактов аппаратов высокого напряжения наиболее распространена металлокерамика КМК-А60, КМК-А61, КМК-Б20, КМК-Б21.

В аппаратах низкого напряжения чаще всего применяется металлокерамика КМК-А10 из серебра и оксида кадмия CdO. Отличительной особенностью этого материала является диссоциация CdO на пары кадмия и кислород. Выделяющийся газ заставляет дугу быстро перемещаться по поверхности контакта, что значительно снижает температуру контакта и способствует деионизации дуги. Металлокерамика КМК-А20, состоящая из серебра и 10 % оксида меди, обладает большей износостойкостью, чем К.МК-А10.

Серебряно-никелевые металлокерамики хорошо обрабатываются, обладают высокой стойкостью против электрического износа. Контакты из этих материалов обеспечивают низкое и устойчивое переходное сопротивление, но более подвержены привариванию, чем контакты КМК-А60, КМК-Б20, КМК-А10,

Серебряно-графитовые и медно-графитовые контакты благодаря высокой устойчивости против сваривания применяются как дугогасительные. Применение металлокерамики увеличивает стоимость аппаратуры, однако в эксплуатации эти затраты окупаются за счет увеличения срока службы аппарата и повышения его надежности.

1.4 Электрические контактные соединения

Электрическим контактным соединением называют конструктивный узел, соединяющий два или несколько проводников или токоведущих деталей, обеспечивающий надежное прохождение тока из одного элемента узла в другой. Место соприкосновения этих элементов называют электрическим контактом. Кроме, того контактом называют также детали, образующие электрическое контактное соединение. Поэтому необходимо различать, что подразумевается в этом или ином случае под словом «контакт»; место соприкосновение элементов или токоведущие детали.

В коммутационных и электромеханических элементах, предназначенных для переключений электрических цепей при ручном и автоматическом управлении, основным является контактный узел. Именно надежность контактного узла определяет работоспособность любой коммутационной аппаратуры.

Контактный узел состоит из подвижного и неподвижного контактов. Эти контакты могут находиться в замкнутом и разомкнутом состоянии. В замкнутом состоянии сопротивление между контактами должно быть минимальным. Это сопротивление называют сопротивлением контактного перехода. Казалось бы, для того чтобы обеспечить малое сопротивление контактного перехода, надо увеличить площадь соприкосновения контактов. Однако даже при самой тщательной шлифовке поверхности контактов остается много микровыступов и микровпадин (рис.2.1). поэтому площадь реально контактирующей поверхности меньше площади контактов.для того чтобы увеличить реальную контактирующую поверхность, надо приложить силу, прижимающую контакты друг к другу. В первый момент при сближении контактов они соприкасаются лишь в одной точке (рис. 2.1,а), площадь которой очень мала, а сопротивление контактов перехода велико. Усилие прижима F создает на малой площади большое удельное давление, что приводит к смятию материалов контактов, увеличению площади соприкосновения и появлению новых точек соприкосновения (рис.2.1, б). Удельное давление уменьшается, и процесс сближения контактов и смятия материала завершится тогда, когда это удельное давление сравняется с пределом прочности материала на смятие. Характер зависимости сопротивления контактного перехода Rк от удельного контактного давления Fуд (рис. 2.1, в) показывает, что увеличение Fуд целесообразно только до некоторого предела, при котором сопротивление Rк уже достаточно близко к минимально возможному, определяемому электропроводностью материала контактов. Через замкнутые контакты проходит ток I, и они нагреваются под действием выделяющейся теплоты, соответствующей мощности потерь в контактном переходе: Pк =I2Rк. Поэтому допустимое значение тока, проходящего через контакты, зависит от термической прочности контактов и от условий теплоотвода, т.е. конструкции и размеров контактов.

В разомкнутом состоянии контакты подвергаются химическому воздействию окружающей среды, происходит коррозия. Эта коррозия заключается в образовании оксидных (под действием кислорода воздуха) и сульфидных (под действие серы воздуха) пленок. У некоторых материалов (например, у меди) эти пленки обладают большим сопротивлением, что приводит к увеличению сопротивления контактного перехода при замыкании контактов.

Наиболее тяжелый режим работы контактов связан с размыканием электрической цепи, поскольку при размыкании контактов между ними возникает электрическая дуга. При этом происходит расплавление контактов и их износ, который называется электрической эрозией.

Таким образом, в процессе работы контакты подвергаются механическому истиранию, химической коррозии и электрической эрозии. Уменьшить отрицательное влияние эти факторов можно при правильном выборе конструкции контактов и их материала.

По форме контактирующих поверхностей все конструкции контактов могут быть подразделены на три основных типа: точечные, линейные и поверхностные. Точечные контакты (рис 2.1, а) имеют вид конусов или полусфер, соприкасающихся с плоскостью или полусферой в одной точке. Такие контакты предназначены для переключения малых токов. Линейные контакты (рис. 2.2,б) имеют вид двух цилиндрических поверхностей, или призмы или плоскости, соприкасающихся по линии. Они предназначены для средних и больших токов. Плоскостные контакты (рис. 2.3, в) имеют соприкосновение по плоскости и предназначены для больших токов.

Контактные узлы включают в себя кроме контактов витые или плоские пружины, обеспечивающие силу прижима между контактами.

1.5 Электромагнитные механизмы

Электромагнитными механизмами называют устройства, в которых электромагнитная энергия превращается в механическую. При этом происходит перемещение отдельных частей механизма, основанное на взаимодействии (притяжении, повороте или вращении) намагниченных ферромагнитных тел. Электромагнитные механизмы состоят из магнитопровода с воздушными зазорами между отдельными его частями и катушками, являющейся источником магнитодвижущей силы.

Магнитопровод состоит из двух основных частей: неподвижной (сердечника и ярма) и подвижной (якоря). В отличие от магнитопроводов постоянного тока, у которых неподвижная часть состоит обычно из двух жестко скрепленных между собой элементов - сердечника и ярма, неподвижная часть магнитопровода переменного тока состоит только из сердечника. Воздушный зазор между якорем и сердечником в электормагнитных механизмах называют главным, или рабочим, зазором. В соответствии с этим магнитный поток, проходящий через этот зазор при подключении катушки к источнику питания, называют главным, или рабочим, потоком. Помимо рабочего потока, в электромагнитных механизмах возникают потоки рассеяния, которые замыкаются между различными точками электромагнита, минуя рабочий зазор.

Перемещение якоря относительно сердечника используют для изменения положения рабочих элементов аппарата, например контактов. Усилие, с которым происходит перемещение подвижных частей, определяется величиной магнитного потока.

Электромагнитные механизмы в зависимости от назначения выполняют удерживающими и притягивающими. Удерживающие электромагниты предназначены для удержания грузов, деталей (к ним относятся электромагниты подъемных кранов, магнитные столы станков), а притягивающие - для перемещения на некоторое расстояние своего якоря, который сообщает при этом движение тому или иному устройству.

Электромагниты бывают с последовательными и параллельными катушками. Последовательные катушки имеют небольшое число витков и относительно малое сопротивление. Ток, протекающий в их обмотке, определяется сопротивлением последовательно включенных с ней приемников энергии. Такие катушки также называют токовыми. Параллельные катушки имеют относительно большое сопротивление, изготовляются из тонкого провода с большим числом витков и включаются на полное напряжение.

Конструктивно электромагниты выполняются поворотными (или клапанного типа) с поворачивающимся на призме …….. или на оси ……. якорем или прямоходовыми (или соленоидного типа) с прямолинейно движущимся внутри катушки якорем.

Магнитные системы с якорем, поворачивающимся на призме, просты в изготовлении и обладают большой износостойкостью. Однако ввиду ограниченного угла поворота сочленяющихся деталей (призмы якоря и призмы ярма) эти системы используют только в аппаратах постоянного тока, у которых воздушный зазор между якорем и сердечником относительно не большой. В аппаратах переменного тока применяются электромагниты с якорем, поворачивающимся на оси.

В зависимости от рода тока электромагниты бывают постоянного и переменного тока.

Магнитопроводы электромагнитов постоянного тока выполняются из литья или проката с последующей механической обработкой. Характерной особенностью их конструкции является относительно малый воздушный зазор между якорем и сердечником при отклоненном якоре, что позволяет уменьшить величину намагничивающей силы, необходимой для включения якоря, и, следовательно, объем катушки и потребляемую ею мощность от сети.

В электромагнитах постоянного тока при включении аппарата по мере уменьшения воздушного зазора между якорем и сердечником увеличивается магнитный поток и, следовательно, сила притяжения, развиваемая электромагнитом. В то же время наибольшая намагничивающая сила требуется в начале перемещения якоря, т.е. при максимальном воздушном зазоре. Поэтому после включении аппарата последовательно с катушкой в некоторых типах аппаратов вводят сопротивление, уменьшающее силу тока в обмотке до величины, необходимой для удержания якоря во включенном положении. Это позволяет снизить мощность, потребляемую от сети катушкой электромагнита. Такое сопротивление называют экономическим.

С этой целью катушку электромагнита в ряде конструкций выполняют в виде двух секций (или устанавливают две катушки), одна из которых является пусковой (включающей), а другая - удерживающей. При включении аппарата тяговое усилие электромагнита создается обеими секциями катушки. После включения пусковая катушка отключается и якорь удерживается во включенном положении только одной катушкой - удерживающей.

Магнитопроводы аппаратов переменного тока - шихтованные, т.е. собранные из отдельных изолированных друг от друга листов электротехнической стали. Такая конструкция создает повышенное сопротивление вихревым токам, которые наводятся в магнитопроводе магнитным потомком, изменяющимся с частотой напряжения сети. В результате этого величина вихревых потоков и, следовательно, потерь в стали уменьшается.

В электромагнитах переменного тока при подключении обмотки к источнику напряжения магнитный поток в течение периода дважды изменяет свое направление, достигая максимального значения + Фдm и - Фдm и снижаясь до нуля (рис……). Сила напряжения электромагнита, пропорциональная квадрату магнитного потока, при потоке Фд, равном нулю, также становится равном нулю. В момент, когда сила притяжения становится меньше отрывного усилия Fотр, создаваемого пружинами и собственной массой подвижных частей аппарата стремящегося отключить якорь электромагнита, якорь начинает отпадать (в точках А), а с возрастанием усилия (в точках Б) вновь притягиваться к сердечнику (рис. ………). Возникает вибрация якоря, которая приводит к износу магнитной системы и сопровождается гудением.

Для устранения вибрации магнитопроводы аппаратов переменного тока изготовляют с короткозамкнутым витком, охватывающим часть полюса электромагнита (рис….)

Принцип работы короткозамкнутого витка заключается

1.6 Защитные аппараты (электрические реле, предохранители, автоматические выключатели)

Наиболее распространенными электрическими аппаратами, предназначенными для автоматического управления электроустановками, защиты этих установок и их цепей от коротких замыканий и перегрузок, а также для автоматической сигнализации о режиме их работы, являются реле.

Принцип действия, конструкции и основные характеристики реле определяются физическим явлением, положенным в его основу. В соответствии с этим реле классифицируют на электромагнитные, магнитоэлектрические, ферродинамические, индукционные, электронные, тепловые, полупроводниковые, фотоэлектрические и т.д.

Существен в реле вид физической величины, на изменение которой оно реагирует. По этому признаку электрические реле подразделяют на реле тока, напряжения, мощности, частоты тока, сопротивления, фазы.

По роду тока бывают реле для постоянного или переменного тока.

По способу включения реле подразделяют на первичные, включаемые непосредственно в контролируемую цепь, и вторичные, включаемые во вторичную обмотку измерительного трансформатора.

В конструкции реле обычно четко выделяются три основных органа: воспринимающий, реагирующий на внешние воздействия; исполнительный, предназначенный для передачи воздействий от реле во внешнюю цепь, и промежуточный, перерабатывающий и передающий воздействия от воспринимающих органов к исполнительным.

По виду исполнительных органов реле разделяют на контактные, в которых исполнительными органами служат электрические контакты, коммутирующие электрические цепи, и бесконтактные, выходное воздействие в которых формируется изменение параметров выходных цепей (сопротивления, емкости, индуктивности).

Для защиты электроустановок чаще всего используют электромагнитные реле.

Электромагнитное реле служит для замыкания, размыкания или переключения управляемых выходных цепей при включении или выключении управляющей входной части.

Размещено на Allbest.ru