Электрические и электронные аппараты

Электрические и электронные аппараты конспект лекций Оглавление Оглавление 3 ЛЕКЦИЯ № 1. 7 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТАХ 7 1.1. Предмет и задачи изучения дисциплины, её значение для подготовки дипломированных специалистов 7 1.2. Понятие об электрическом и электронном аппарате 8 1.3. Электрические и электронные аппараты как средства управления режимами работы, защиты и регулирования. 8 1.4. Расположение электрических аппаратов в установке по производству, распределению и потреблению электрической энергии 11 1.5. Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам 12 1.6. Особенности схем электроустановок и общие требования к их выполнению 13 ЛЕКЦИЯ № 2. 15 2.1. Свойства электрической дуги и условия её гашения 15 2.1.1. Свойства дугового разряда 15 2.1.2. Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ) 22 2.1.3. Условия гашения дуги постоянного тока 25 2.1.4. Энергия, выделяемая в дуге 26 2.1.5. Условия гашения дуги переменного тока 28 ЛЕКЦИЯ № 3 30 2.1.6. Способы гашения электрической дуги 30 2.1.7. Дугогасительные устройства постоянного и переменного тока 30 2.1.8. Применение полупроводниковых приборов для гашения дуги 36 ЛЕКЦИЯ № 4 39 2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ 39 2.2.1.Общие сведения 39 2.2.2. Режимы работы контактов 41 2.2.3. Материалы контактов 46 2.2.4. Конструкция твёрдометаллических контактов 46 2.2.5. Жидкометаллические контакты 46 2.2.6. Расчёт контактов аппаратов 48 ЛЕКЦИЯ № 5 50 2.3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСИЛИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ 50 2.3.1. Общие сведения 50 2.3.2. Методы расчёта электродинамических усилий (ЭДУ) 50 2.3.5. Усилия в витке, катушке и между катушками 54 ЛЕКЦИЯ № 6 55 2.3.6. Усилия в месте изменения сечения проводника 55 2.3.7. Усилия при наличии ферромагнитных частей 56 2.3.8. Электродинамические усилия при переменном токе 56 2.3.9. Электродинамическая стойкость электрических аппаратов 57 2.3.10. Расчёт динамической стойкости шин 57 ЛЕКЦИЯ 7 58 2.4. НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 58 2.4.1. Общие сведения 59 2.4.2. Активные потери энергии в аппаратах 59 2.4.3. Способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности 60 2.4.4. Установившийся режим нагрева 61 2.4.5. Нагрев аппаратов в переходных режимах 62 2.4.6. Нагрев аппаратов при коротком замыкании 63 2.4.7. Допустимая температура частей электрических аппаратов 65 2.4.8. Термическая стойкость электрических аппаратов 66 ЛЕКЦИЯ № 8 67 3.1. Электромагнитные контакторы переменного тока 67 3.1.1. Назначение контакторов 67 3.1.2. Классификация контакторов 67 3.1.3. Область применения контакторов 68 3.1.4. Узлы контактора и принцип его действия; физические явления, происходящие в электрическом аппарате 68 3.1.5. Параметры контакторов 69 ЛЕКЦИЯ № 9 69 3.1.6. Контакторы переменного тока, их конструкция и параметры 69 ЛЕКЦИЯ № 10 75 3.2. Электромагнитные контакторы постоянного тока 75 3.2.1. Режимы работы контакторов, физические явления, происходящие в электрических аппаратах 75 3.2.2. Контакторы постоянного тока, их конструкция и параметры 75 3.2.3. Контакторы серии КПВ-600 76 3.2.4. Контакторы типа КТПВ-600 77 3.2.5. Контакторы типа КМВ. Контакторы серии КП81 77 3.2.6. Выбор электрических аппаратов 77 ЛЕКЦИЯ № 11 78 3.3. Пускатели магнитные 78 3.3.1. Назначение магнитных пускателей 78 3.3.2. Основные требования и условия работы; физические явления, происходящие в электрических аппаратах 78 3.3.3. Конструкция и схема включения 79 3.3.4. Магнитные пускатели серии ПМЛ 81 3.3.5. Пускатели серии ПМА 81 3.3.6. Нереверсивные пускатели 81 3.3.8. Реверсивный магнитный пускатель 82 3.3.9. Схема включения реверсивного пускателя 82 3.3.10. Выбор магнитных пускателей 84 ЛЕКЦИЯ №12 85 4.1. Электромагнитные реле 85 4.1.1. Назначение и область применения реле 85 4.1.2. Классификация реле 85 4.1.3.Устройство и принцип действия и электромагнитных реле, физические явления в электрических аппаратах 86 Поляризованные электромагнитные системы 87 4.1.4. Основные характеристики и параметры реле 89 4.1.5. Требования, предъявляемые к реле 90 4.1.6. Согласование тяговых и противодействующих характеристик реле 91 4.1.7. Электромагнитные реле тока и напряжения для защиты энергосистем, управления и защиты электропривода 92 4.1.8. Выбор, применение и эксплуатация максимально-токовых реле 93 ЛЕКЦИЯ № 13 95 4.2. ГЕРКОНОВЫЕ РЕЛЕ (ГР) 95 4.2.1. Назначение, принцип действия и устройство геркона; физические 95 явления в электрическом аппарате 95 4.2.2. Основные параметры герконового реле 98 4.2.3. Конструкции герконовых реле 99 4.2.4. Реле тока на герконе 100 4.2.5. Поляризованные ГР 101 4.2.6. Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана 101 ЛЕКЦИЯ № 15 102 5.1. ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ 102 5.1.1. Основные понятия, физические явления в электрических аппаратах 102 5.1.2. Энергия магнитного поля и индуктивность системы 103 5.1.3. Работа, производимая якорем магнита при перемещении 104 5.1.4. Вычисление сил и моментов электромагнита 105 5.1.5. Электромагниты переменного тока 107 5.1.6. Короткозамкнутый виток 107 5.1.7. Статические тяговые характеристики электромагнитов и механические характеристики аппаратов 109 ЛЕКЦИЯ № 17 112 6.1. Предохранители низкого напряжения 112 6.1.1. Назначение, принцип действия и устройство предохранителя 112 6.1.2. Параметры предохранителя 114 6.1.3. Конструкция предохранителей 116 6.1.4. Предохранители с гашением дуги в закрытом объёме 117 6.1.5. Предохранители с мелкозернистым наполнителем (ПН-2, ПРС) 117 6.1.8. Предохранитель-выключатель 118 6.1.9. Выбор, применение и эксплуатация предохранителя для защиты 118 электродвигателя и полупроводниковых устройств 118 ЛЕКЦИЯ № 18 120 6.2 Автоматические воздушные выключатели (автоматы) 120 6.2.1. Назначение, классификация и область применения автоматов 121 6.2.2. Требования, предъявляемые к автоматам 123 6.2.3. Узлы автомата и принцип его действия, физические явления в электрическом аппарате 123 6.2.4. Основные параметры автомата 124 6.2.5. Универсальные и установочные автоматы 125 6.2.8. Выбор, применение и эксплуатация автоматических воздушных выключателей 125 ЛЕКЦИЯ № 23 127 7.4. Токоограничивающие реакторы 127 7.4.1. Назначение, область применения и принцип работы реактора, физические явления в электрическом аппарате 127 7.4.2. Основные параметры реактора 128 ЛЕКЦИЯ № 24 129 7.5. Разрядники 129 7.5. Назначение, область применения разрядников 129 7.5.1. Требования, предъявляемые к разрядникам 129 7.5.2. Основные параметры разрядников 130 7.5.4. Конструкции разрядников, физические явления в них 130 7.5.5. Трубчатые разрядники, физические явления в них 130 7.5.8. Ограничители перенапряжения, физические явления в электрических аппаратах 131 7.5.9. Выбор разрядников 132 ЛЕКЦИЯ № 25 133 7.6. Предохранители высокого напряжения 133 7.6.1. Назначение предохранителей 133 7.6.2. Требования, предъявляемые к предохранителям ВН 133 7.6.3. Принцип действия, устройство и основные параметры предохранителей ВН, физические явления в электрических аппаратах 133 7.6.4. Предохранители с мелкозернистым наполнителем серий ПК и ПКТ 134 7.6.5. Предохранители серии ПКТН 135 7.6.6. Предохранители с автогазовым, газовым и жидкостным гашением дуги 135 7.6.7. Выбор, применение и эксплуатация предохранителей ВН 136 ЛЕКЦИЯ № 26 137 8.1.1.Назначение, принцип действия, включение трансформатора тока 137 8.1.2. Основные параметры трансформаторов тока 137 8.1.3. Режимы работы трансформаторов тока 139 8.1.4. Конструкция и принцип действия трансформаторов тока, физические явления в электрическом аппарате 142 8.1.5. Выбор трансформаторов тока 144 Список рекомендованной литературы 145 Список вопросов к зачету по ЭиЭА 146 ЛЕКЦИЯ № 1. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ АППАРАТАХ План: 1.1. Предмет и задачи изучения дисциплины, её значение для подготовки дипломированных специалистов 1.1. Понятие об электрическом и электронном аппарате. 1.2. Электрический и электронный аппараты как средства управления режимами работы, защиты и регулирования параметров системы электроснабжения и управления автоматизированным электроприводом; электромеханические аппараты автоматики, управления, распределительных устройств (РУ) и релейной защиты. 1.3. Расположение электрических и электронных аппаратов в установке по производству, распределению и потреблению электрической энергии. 1.4. Требования, предъявляемые к электрическим и электронным аппаратам. 1.5. Особенности схем электроустановок и общие требования к их выполнению. 1.1. Предмет и задачи изучения дисциплины, её значение для подготовки дипломированных специалистов Дисциплина "Электрические и электронные аппараты" (ЭиЭА) относится к базовым дисциплинам направления 140600 «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» специализации "Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов". Целью преподавания дисциплины являются освоение теоретических основ электрических и электронных аппаратов, ознакомление с назначением, устройством и их техническими характеристиками. Задачей изучения дисциплины является получение знаний, позволяющих правильно выбирать электрические и электронные аппараты в зависимости от технических и экономических требований, предъявляемых к ним. Данная дисциплина базируется на фундаментальных и общеинженерных дисциплинах и общеинженерных дисциплинах учебного плана специальности: физике, высшей математике, теоретической механике, теоретических основах электроники, электрических машинах и др. Она будет использоваться при изучении дисциплин специализации, дипломном и курсовом проектировании. 1.2. Понятие об электрическом и электронном аппарате Широкая программа развития средств электрификации и автоматики делает непрерывным прогресс в области отечественного электроаппаратостроения. ЭиЭА являются одним из основных средств автоматизации и электрификации народного хозяйства и развиваются очень интенсивно. Аппарат (от латинского apparatus - оборудование) - это прибор техническое устройство, приспособление. 1.2.1. Совершенствование электрических аппаратов как насущная необходимость повышения эффективности установок по производству, распределению и потреблению электрической энергии. ЭА осуществляют потоком энергии от источника к приемнику. Они применяются в системах производства и распределения электроэнергии и электроснабжения во всех об­ластях народного хозяйства, в схемах автоматического и неавтоматического управления электрическими машинами и разным оборудованием. Наряду с электрическими машинами ЭА являются основными средствами электрификации и автоматизации. Стоимость их нередко оказывается соизмеримой со стоимостью управ­ляемых ими электрических машин и оборудования или даже превышает ее. ЭА составляют самостоятельную и обширную область электротехники, к которой относится большинство средств автоматики. Научно-технический прогресс непосредственно связан с электровооруженностью производства, так как производительность труда пропорциональна его электровооруженности. Простой рост качества выпускаемых аппаратов не обеспечивает темпы электрификации страны. Необходимо непрерывное их совершенствовании на основе развития общей теории электроаппаратостроения, углубление представления о физике явлений, протекающих в ЭА, при их проектировании. При снижении материалоемкости и трудозатрат на их изготовление требуется повышения уровней их напряжения и токов, быстродействия надежности и ресурса. На базе новых технологий и материалов должны быть расширены работы по созданию бесконтактных (статических) аппаратов, аппаратов с жидкометаллическими контактами, по миниатюризации конструкций и модульному их исполнению. 1.3. Электрические и электронные аппараты как средства управления режимами работы, защиты и регулирования. Электрические и электронные аппараты применяются как средства управления режимами работы, защиты и регулирования. параметров системы электроснабжения и управления автоматизированным электроприводом; электромеханические аппараты автоматики, управления, распределительных устройств (РУ) и релейной защиты 1.3.1.Назначение и область применения электрических аппаратов (ЭА) ЭА-электротехническое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для производства (электростанции), передачи, распределения (электрические сети и подстанции) и потребления (электрический привод) электроэнергии. ЭА представляют собой средства управления электрическим током, которые заключаются в управлении параметрами, характеризующими ток: электрическим напряжением, электрической мощностью и энергией, частотой электрического тока, его силой, формой импульсного тока (напряжения), магнитным потоком и т.д. в техническом отношении к функциям управления током относятся: коммутация (включение - отключение) электрического тока и связанных с ним параметров; автоматическое и неавтоматическое регулирование, стабилизация, изменение по заданному закону электриче­ского тока и связанным с ним параметров; распределение тока (электроэнергии) по объектам и потребителям; защита электрического оборудования от аварийных режимов (короткого замыкания, перегрузки, изменения частоты тока, направления потоков энергии и др.); контроль параметров электрического тока для подачи информации на входные органы автоматических регуляторов или аппаратов защиты; преобразование параметров тока (его вида, формы кривой, частоты и др.) для создания быстродействующих, высокочувствительных, высокоэффективных, и надежных ЭА и систем управления. ЭА являются основными средствами автоматизации и электрификации народного хозяйства. Они нашли широкое применение в энергетике (электрические станции и сети), в различных схемах управления оборудованием, светотехнике, плазменной технике и др., а также в системах автоматики, телемеханики, электросвязи радиотехнике в автоматизированных системах управления. Условия работы ЭА в различных областях техники имеют существенные отличия в технических параметрах и характеристиках, а также в конструктивном исполнении. Понятие "ЭА" охватывает очень обширный класс всевозможных устройств, применяемых в быту, промышленности и энергетике. Для выполнения переключения в целях управления ЭА переменного и постоянного тока предназначены аппараты управления (АУ). Из большого разнообразия АУ можно выделить следующие основные группы: контроллеры, командоаппараты и реостаты, контакторы и магнитные пускатели, электромагнитные и тепловые реле, датчики неэлектрических величин. Аппаратура РУ НН и ВН служит для управления, измерения, защиты и регулирования при генерировании, передачи, распределении и преобразовании электроэнергии. К ним относятся рубильники и переключатели, предохранители, автоматические воздушные выключатели (автоматы), выключатели переменного тока, разъединители, отделители и короткозамыкатели, реакторы разрядники, трансформаторы тока и напряжения, комплектные РУ ВН. 1.3.2. Классификация электрических аппаратов. Для коммутационных аппаратов общим стандартом является ГОСТ 17703-72 "Аппараты электрические коммутационные. Основные понятия". Для других групп аппаратов обобщающих стандартов нет, имеются частные стандарты, а также отраслевой каталог ("Электротехника СССР: Отраслевой каталог. Информэлектро 1986") Классификация ЭА может быть проведена по ряду признаков: назначению (основной выполняемой функции), области применения, принципу действия, роду тока, исполнению защиты от воздействия окружающей среды, конструктивным особенностям и др. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение ЭА на следующие группы. 1. Коммутационные аппараты распределительных устройств, служащие включения и отключения электрических цепей. Согласно ГОСТ 17703-72 к ним относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатель нагрузки. Выключатели ВН, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характера сравнительно редкое их включение-отключение. 2. Токоограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (реакторы) и перенапряжения (разрядники). Режим короткого замыкания и перенапряжения являются аварийными и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам. 3. Пускорегулируюшие аппараты, предназначены для пуска, регулирования частоты вращения и тока электрических машин. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерно частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более. 4. Аппараты для контроля заданных электрических и неэлектрических параметров. К этой группе относятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Входной сигнал обычно воздействует на схему автоматически. В датчиках непрерывное изменение входного сигнала преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выходной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так и скачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контролироваться как электрические так и неэлектрические величины. 5. Аппараты для измерений. С помощью этих аппаратов цепи первичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измерительных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стандартные значения, удобные для измерения. К ним относятся трансформаторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения . 6. Электрические регуляторы. Предназначены для регулирования заданного параметра по определенному закону.В частности, такие аппараты служат для поддержки на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин. Разделение аппарат по области применения более условно. Аппараты для электрических систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов РУ НН и ВН. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического управления электроприводами и для автоматизации производственных процессов удобно объединить в группу аппаратов управления. Одни и те же аппараты могут быть отнесены как к группе РУ, так и к группе аппаратов управления, например рубильники, пакетные выключатели, контакторы, трансформаторы тока и др. В пределах одной группы или типа аппараты различаются: по номинальному напряжению на две группы: аппараты низкого напряжения(с номинальным напряжением до 1000 В) и высокого напряжения (с номинальным напряжением свыше 1000 В); по роду тока - постоянного тока: переменного тока промышленной частоты, переменного тока повышенной частоты; по роду защиты от окружающей среды - в исполнении открытом, защищенном, брызгозащищенном, воздухозащищенном, герметичном, взрывобезопасном и т.д.: по способу действия - электромагнитные, магнитоэлектрические, индуктивные, тепловые и т. д.; по ряду других факторов (быстродействие, способы гашения дуги и т. п.). 1.4. Расположение электрических аппаратов в установке по производству, распределению и потреблению электрической энергии ЭА условно можно разделить на пять основных видов: Аппараты высокого напряжения, управляющие режимом работы электрических сетей и систем ВН (6, 10, 20, 35, 110, 220, 330, 550, 750, 1150 кВ). С их помощью выполня­ются оперативные переключения в сетях и системам, а так­же осуществляется защита от токов КЗ, от перенапряжения, от перегрузки др. Аппараты управления, управляющие режимом работы электрооборудования и распределительных сетей на номи­нальное напряжения 127, 220, 380, 500, 660, 1140 В, а также осуществляют автоматизированную защиту от аварий­ного режимов. ЭА автоматики, выполняющих функцию контроля электри­ческих и неэлектрических параметров, работающего обору­дования и вырабатывающие сигналы в схемы автоматики и управления, которые соответствуют контролируемым пара­метрам, а также включающий в себя реле автоматики и за­щиты. Автоматические регуляторы и стабилизаторы, предна­значены для автоматического регулирования по заданному закону тока или иного параметра или поддержания этого параметра на заданном уровне. Усилители и преобразователи, осуществляющие усиления слабых сигналов, подаваемых на входе (усилители), а также преобразование одной формы сигнала в другую (преобразователи) например сигналы постоянного тока в переменный и наоборот. 1.5. Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам Требования, предъявляемые к ЭА чрезвычайно разнообразны и зависят от назначения, условий применения и эксплуатации аппарата, необходимой надежности. Кроме специфических требований, относящихся к данному аппарату, все ЭА должны удовлетворять нескольким общим требованиям: 1. Каждый ЭА при работе обтекается каким-либо рабочим током, при этом в токоведущих частях выделяется определенное количество теплоты и аппарат нагревается. При номинальном режиме работы температура токоведущих частей аппарат не должна превышать некоторого определенного значения, установленного для данного аппарата и его деталей соответствующим ГОСТ или другим нормативным документам. 2. В каждой цепи может быть ненормальный (перегрузка) или аварийный(короткое замыкание) режим работы. Ток, протекающий по аппарату в это время, весьма заметно (в 50 и более раз) превышает номинальный или рабочий ток. При коротком замыкании (КЗ) токоведушие части аппарата подвергаются чрезвычайно большим термическим и электродинамическим нагрузкам, вызываемым значительным током. Эти нагрузки ЭА должен выдержать без каких-либо деформаций и остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения КЗ. 3. Каждый ЭА работает в цепи с определенным напряжением, где возможно и перенапряжение. Изоляция ЭА должна обеспечивать надежную работу его при заданных значениях перенапряжения, которые имеют место в эксплуатации, и обладать определенным запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляции с течением времени и вследствие осаждения влаги, пыли, грязи. 4. Контакты аппарата должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, а многие аппараты также токи аварийных режимов, которые могут возникать в управляемых и защищаемых цепях. Контакты аппаратов, предназначенных для отключения тока К3, должны быть рассчитаны на этот режим. 5. К каждому ЭА предъявляются требования по быстродействию, надежности и точности работы. При этом все функции аппарат должен выполнять в условиях, соответствующих внешним воздействиям. 6. К каждому аппарату предъявляется ряд специфических требований, обусловленных его назначением. Так например, выключатель высокого напряжения должен отключать КЗ за малое время (0,04-0,О6с). Трансформатор тока должен токовую и угловую погрешности, не превышающие определённого значения. 7. В связи с широкой автоматизацией производственных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе. Возможность отказа в работе ЭА требует их резервирования и создания специальной системы поиска неисправностей. В связи с этим ЭА должны обладать высокой надежностью. Выход из строя аппаратов ВН приводит к большим материальным потерям. 8. Масса, габаритные размеры, стоимость и время, необходимое для установки и обслуживания ЭА должны быть минимальными. Отвечающие современным требованиям ЭА за срок службы 25 лет не должны нуждаться в ремонте и сложной ревизии. Конструкция ЭА должна быть удобна в обслуживании и технологичной в производстве. Обеспечивать возможность применения автоматизации в процессе их сборки и эксплуатации. 1.6. Особенности схем электроустановок и общие требования к их выполнению Как известно, процессы получения, преобразования, передачи и потребления электроэнергии происходят в электрических цепях электроустановок и электрических устройств. Поэтому основным средством изображения электроустановок и устройств служат электрические схемы, на которых показывают соответствующие цепи. Наиболее важными являются принципиальные схемы, позволяющие понять взаи­модействие всех элементов электроустановок. Наряду с несложными электрическими схемами с одной или нескольким электрическими цепями и небольшим количеством элементов (например, схема освещения с несколькими светильниками, схема управления электродвигателями) во многих случаях выполняются схемы (дистанционное управления, телемеханики, релейной защиты и автоматики), содержащие десятки цепей и соответствующее множество элементов. ЭА различного назначения. В простых схемах, зная смысл условных графических обозначений отдельных элементов и связей между ними, разобраться нетрудно. Для чтения сложных схем этого недостаточно, так как на них дополнительно проставляются буквенно-цифровые обозначения, указывающие вид и порядковый номер каждого элемента, а также различные обозначения (буквами, цифрами, буквами и цифрами) цепей и их участков. Особенностью схем электроустановок является использование в них условно-графических обозначений, применяемых в схемах других видов. Это обусловлено например в электроустановках электрических устройств с кинематическими или гидропневматическими связями элементов. Кроме того, при выполнении электрических схем отдельные элементы одного и того же устройства (например, обмотки и контакты реле, обмотки тока и напряжения ваттметров и счетчиков, магнитных усилителей) разносят по разным цепям, иногда находящихся на разных чертежах. Этим обусловлена необходимость выполнения чертежей двумя разными способами: совмещенным и разнесенным. Второй способ преимущественно применяется при выполнении управления и контроля силовым электрооборудованием. Общие требования к электрическим схемам установлены стандартом ЕСКД, в которых даны определения различных видов и типов схем, приведены правила их выполнения, уловные графические, буквенно-цифровые обозначения электрических устройств и их элементов, а также обозначение электрических цепей. Основными из них являются следующие. Разрядники. Предохранители (ГОСТ 2727-68). Резисторы. Конденсаторы (ГОСТ 2.728-74). Полупроводниковые приборы (ГОСТ 2.730-73). Коммутационные устройства и контактные соединения (по ГОСТ 2.755-74). Воспринимающая часть электромеханических устройств (ГОСТ 2.756-76). ГОСТ 2.748-68. Обозначения условные графические для электрических схем. ГОСТ 2.710-81 (СТ СЭВ 2182-80). Обозначения буквенно-цифровые в принципиальных схемах. ЛЕКЦИЯ № 2. 2.1. Свойства электрической дуги и условия её гашения 2.1.1. Свойства дугового разряда. 2.1.2. Вольтамперные характеристики электрической дуги. 2.1.3. Условия гашения дуги постоянного тока. 2.1.4. Энергия, выделяемая в дуге. 2.1.5. Условия гашения дуги переменного тока. 2.1.6. Способы гашения электрической дуги. 2.1.7. Дугогасительные устройства постоянного и переменного тока. 2.1.8. Применение полупроводниковых приборов для облегчения гашения дуги. 2.1.1. Свойства дугового разряда В коммутационных ЭА, предназначенных для замыкания и размыкания цепи с током, при отключении возникает разряд в газе либо в виде тлеющего разряда, либо в виде дуги. Тлеющий разряд возникает тогда, когда отключаемый ток ниже 0,1 А, а напряжение на контактах достигает величины 250-300 В. Такой разряд встречается либо на контактах маломощных реле, либо как переходная фаза к разряду в виде электрической дуги. Если ток в цепи напряжения выше значений = 0,03-0,9 А, то имеет место дуговой разряд. Основные свойства дугового разряда: 1.Дуговой разряд имеет место только при токах большой величины. Минимальный ток дуги для различных материалов и для металлов составляет 0,5А. 2. Температура центральной части дуги очень велика и в аппаратах может достигать 6000-25000 К. 3. Плотность тока на катоде чрезвычайно велика и достигает . 4. Падение напряжения у катода составляет всего 10-20 В и практически не зависит от тока. В дуговом разряде можно различить три характерные области: околокатодную, область столба дуги и околоанодную. Электрическая сварочная дуга Электрическая сварочная дуга – это длительный электрический разряд в плазме, которая представляет собой смесь ионизированных газов и паров компонентов защитной атмосферы, присадочного и основного металла. Дуга получила свое название от характерной формы, которую она принимает при горении между двумя горизонтально расположенными электродами; нагретые газы стремятся подняться вверх и этот электрический разряд изгибается, принимая форму арки или дуги. С практической точки зрения дугу можно рассматривать как газовый проводник, который преобразует электрическую энергию в тепловую. Она обеспечивает высокую интенсивность нагрева и легко управляема посредством электрических параметров. Общей характеристикой газов является то, что они в нормальных условиях не являются проводниками электрического тока. Однако, при благоприятных условиях (высокая температура и наличие внешнего электрического поля высокой напряженности) газы могут ионизироваться, т.е. их атомы или молекулы могут освобождать или, для электроотрицательных элементов наоборот, захватывать электроны, превращаясь соответственно в положительные или отрицательные ионы. Благодаря этим изменениям газы переходят в четвертое состояние вещества называемого плазмой, которая является электропроводной. Возбуждение сварочной дуги происходит в несколько этапов. Например, при сварке МИГ/МАГ, при соприкосновении конца электрода и свариваемой детали возникает контакт между микро выступами их поверхностей. Высокая плотность тока способствует быстрому расплавлению этих выступов и образованию прослойки жидкого металла, которая постоянно увеличивается в сторону электрода, и в конце концов разрывается. В момент разрыва перемычки происходит быстрое испарение металла, и разрядный промежуток заполняется ионами и электронами возникающими при этом. Благодаря тому, что к электроду и изделию приложено напряжение электроны и ионы начинают двигаться: электроны и отрицательно заряженные ионы - к аноду, а положительно заряженные ионы – к катоду, и таким образом возбуждается сварочная дуга. После возбуждения дуги концентрация свободных электронов и положительных ионов в дуговом промежутке продолжает увеличиваться, так как электроны на своем пути сталкиваются с атомами и молекулами и "выбивают" из них еще больше электронов (при этом атомы, потерявшие один и более электронов, становятся положительно заряженными ионами). Происходит интенсивная ионизация газа дугового промежутка и дуга приобретает характер устойчивого дугового разряда. Через несколько долей секунды после возбуждения дуги на основном металле начинает формироваться сварочная ванна, а на торце электрода – капля металла. И спустя еще примерно 50 – 100 миллисекунд устанавливается устойчивый перенос металла с торца электродной проволоки в сварочную ванну. Он может осуществляться либо каплями, свободно перелетающими дуговой промежуток, либо каплями, которые сначала образуют короткое замыкание, а затем перетекают в сварочную ванну. Электрические свойства дуги определяются процессами, протекающими в ее трех характерных зонах – столбе, а также в приэлектродных областях дуги (катодной и анодной), которые находятся между столбом дуги с одной стороны и электродом и изделием с другой. Для поддержания плазмы дуги при сварке плавящимся электродом достаточно обеспечить ток от 10 до 1000 ампер и приложить между электродом и изделием электрическое напряжение порядка 15 – 40 вольт. При этом падение напряжения на собственно столбе дуги не превысит нескольких вольт. Остальное напряжение падает на катодной и анодной областях дуги. Длина столба дуги в среднем достигает 10 мм, что соответствует примерно 99% длины дуги. Таким образом, напряженность электрического поля в столбе дуги лежит в пределах от0,1 до 1,0 В/мм. Катодная и анодная области, напротив, характеризуются очень короткой протяженностью (около 0.0001 мм для катодной области, что соответствует длине свободного пробега иона, и 0.001 мм для анодной, что соответствует длине свободного пробега электрона). Соответственно, эти области имеют очень высокую напряженность электрического поля (до 104 В/мм для катодной области и до 103 В/мм для анодной). Экспериментально установлено, что для случая сварки плавящимся электродом падение напряжения в катодной области превышает падение напряжения в анодной области: 12 – 20 В и 2 – 8 В соответственно. Учитывая то, что выделение тепла на объектах электрической цепи зависит от тока и напряжения, то становится понятным, что при сварке плавящимся электродом больше тепла выделяется, в той области, на которой падает больше напряжения, т.е. в катодной. Поэтому при сварке плавящимся электродом используется, в основном, обратная полярность подключения тока сварки, когда катодом служит изделие для обеспечения глубокого проплавления основного металла (при этом положительный полюс источника питания подключают к электроду). Прямую полярность используют иногда при выполнении наплавок (когда проплавление основного металла, напротив, желательно чтобы было минимальным). В условиях сварки ТИГ (сварка неплавящимся электродом) катодное падение напряжения, напротив, значительно ниже анодного падения напряжения и, соответственно, в этих условиях больше тепла выделяется уже на аноде. Поэтому при сварке неплавящимся электродом для обеспечения глубокого проплавления основного металла изделие подключают к положительной клемме источника питания (и оно становится анодом), а электрод подключают к отрицательной клемме (таким образом, обеспечивая еще и защиту электрода от перегрева). При этом, независимо от типа электрода (плавящийся или неплавящийся) тепло выделяется, в основном, в активных областях дуги (катодной и анодной), а не в столбе дуги. Это свойство дуги используется для того, чтобы плавить только те участки основного металла, на которые направляется дуга. Те части электродов, через которые проходит ток дуги, называют активными пятнами (на положительном электроде – анодным, а на отрицательном – катодным пятном). Катодное пятно является источником свободных электронов, которые способствуют ионизации дугового промежутка. В то же время к катоду устремляются потоки положительных ионов, которые его бомбардируют и передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности катода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 3000 °С. Строение дуги Lк - катодная область; Lа - анодная область (Lа = Lк = 10-5-10-3см); Lст - столб дуги; Lд - длина дуги; Lд = Lк + Lа + Lст К анодному пятну устремляются потоки электронов и отрицательно заряженных ионов, которые передают ему свою кинетическую энергию. Температура на поверхности анода в области активного пятна при сварке плавящимся электродом достигает 2500 … 4000°С. Температура столба дуги при сварке плавящимся электродом составляет от 7 000 до 18 000°С (для сравнения: температура плавления стали равна примерно 1500°С). Влияние на дугу магнитных полей При выполнении сварки на постоянном токе часто наблюдается такое явление как магнитное. Оно характеризуется следующими признаками: - столб сварочной дуги резко откланяется от нормального положения; - дуга горит неустойчиво, часто обрывается; - изменяется звук горения дуги - появляются хлопки. Магнитное дутье нарушает формирование шва и может способствовать появлению в шве таких дефектов как непровары и несплавления. Причиной возникновения магнитного дутья является взаимодействие магнитного поля сварочной дуги с другими расположенными близко магнитными полями или ферромагнитными массами. Столб сварочной дуги можно рассматривать как часть сварочной цепи в виде гибкого проводника, вокруг которого существует магнитное поле. В результате взаимодействия магнитного поля дуги и магнитного поля, возникающего в свариваемой детали при прохождении тока, сварочная дуга отклоняется в сторону противоположную месту подключению токопровода. Влияние ферромагнитных масс на отклонение дуги обусловлено тем, что вследствие большой разницы в сопротивлении прохождению магнитных силовых линий поля дуги через воздух и через ферромагнитные материалы (железо и его сплавы) магнитное поле оказывается более сгущенным со стороны противоположной расположению массы, поэтому столб дуги смещается в сторону ферромагнитного тела. Магнитное поле сварочной дуги увеличивается с увеличением сварочного тока. Поэтому действие магнитного дутья чаще проявляется при сварке на повышенных режимах. Уменьшить влияние магнитного дутья на сварочный процесс можно: - выполнением сварки короткой дугой; - наклоном электрода таким образом, чтобы его торец был направлен в сторону действия магнитного дутья; - подведением токоподвода ближе к дуге. Уменьшить эффект магнитного дутья можно также заменой постоянного сварочного тока на переменный, при котором магнитное дутье проявляется значительно меньше. Однако необходимо помнить, что дуга переменного тока менее стабильна, так как из-за смены полярности она погасает и зажигается вновь 100 раз в секунду. Для того, чтобы дуга переменного тока горела стабильно необходимо использовать стабилизаторы дуги (легкоионизируемые элементы), которые вводят, например, в покрытие электродов или во флюс. У электродов в прианодной и в прикатодной областях имеет место резкое падение напряжения: катодное Uk и анодное Ua . Величина этого падения напряжения зависит от материалов электродов и от газа (15В – 30В). В остальной части дуги, называемой стволом, падение напряжения прямопропорционально длине дуги lд. Градиент приблизительно постоянен вдоль ствола и достигает от 100 до 200 В/см. Итоговое напряжение на дуге Uд=Uк+Uа+lд∙Ед 2.1.2. Вольт-амперная характеристика дуги (ВАХ) Важнейшей характеристикой дуги является зависимость напряжения на ней от величины тока. Эта характеристика называется волтамперной. Имеет место статическая вольт-амперная характеристика и динамическая вольт-амперная характеристика. С ростом тока i увеличивается температура дуги, усиливается термическая ионизация, возрастает число ионизированных частиц в разряде и падает электрическое сопротивление дуги . Напряжение на дуге равно . Зависимость напряжения на дуге от тока при медленном его изменении называется статической вольт-амперной характеристикой дуги. Статическая характеристика дуги зависит от расстояния между электродами (длины дуги), материала электродов и параметров среды, в которой горит дуга. а) Статическая вольт-амперная характеристика , где: - напряжение на дуге; - сумма околоэлектродного падений напряжений; - напряженность поля в столбе дуги; l - длина дуги. Величина l зависит от тока и условий, в которых горит дуга. Статические вольт-амперные характеристики дуги имеют вид: Рис. 1. Чем больше длина дуги, тем выше лежит ее статическая вольт-амперная характеристика. С ростом давления среды, в которой горит дуга, также увеличивается напряженность Е и поднимается вольт-амперная характеристика. Охлаждение дуги существенно влияет на эту характеристику. Чем интенсивнее охлаждение дуги, тем больше от нее отводится мощность. При этом должна возрастать мощность, выделяемая дугой. При заданном токе это возможно за счет увеличения напряжения на дуге. Таким образом, с ростом охлаждения вольт-амперная характеристика поднимается. Этим широко пользуются в дугогасительных устройствах аппаратов. ВАХ дуги (рис.1) приведена для небольших плотностей токов (до 100 А/мм2). При дальнейшем увеличении тока ВАХ становится горизонтальной. Если продолжить увеличение тока – напряжение начнет увеличиваться. б) Динамическая вольт-амперная характеристика дуги. В реальных установках ток может меняться довольно быстро. Вследствие тепловой инерции дугового столба изменение сопротивления дуги отстает от изменения тока. Зависимость напряжения на дуге от тока при быстром его изменении называется динамической вольт-амперной характеристикой. При возрастании тока динамическая характеристика идет выше статической (кривая В на рис. 2), так как при быстром росте тока сопротивление дуги падает медленнее, чем растет ток. При уменьшении - ниже, поскольку в этом режиме сопротивление дуги меньше, чем при медленном изменении тока (кривая С на рис.2). Рис.2 Динамическая характеристика в значительной степени определяется скоростью изменения тока в дуге. Если в цепь ввести очень большое сопротивление за время, бесконечно малое по сравнению с тепловой постоянной времени дуги, то в течение времени спада тока до нуля сопротивление дуги остается постоянным. В этом случае динамическая характеристика изобразится прямой проходящей из точки 2 в начало координат (прямая Д), т.е. дуга ведет себя как металлический проводник, так как напряжение на дуге пропорционально току. В реальном аппарате после размыкания контактов расстояние между ними меняется и дуга имеет переменную длину. В этом случае процесс отключения можно представить следующим образом. Разобьем путь, который проходит контакт, на участки и нанесем статические вольт-амперные характеристики, соответствующие концу каждого участка (рис. 3). Если индуктивность цепи мала, то по мере увеличения длины дуги ток будет быстро принимать значения, соответствующие точке пересечения статических характеристик с прямой . В точке 0 ток достигнет критического значения. При дальнейшем увеличении длины дуги наступят условия для гашения. Рис. 3 Длина дуги, при которой статическая характеристика касается прямой , называется критической длиной дуги. После точки О ток быстро уменьшается до нуля, дута гаснет. В цепи с большой индуктивностью спадание тока из-за большой величины индуктивности замедляется; вольт-амперная характеристика дуги сразу же после расхождения контактов поднимается выше прямой . В момент гашения дуги возможны большие перенапряжения. При отключении активной нагрузки гашение происходит быстро, никаких перенапряжений не происходит. 2.1.3. Условия гашения дуги постоянного тока В электрических аппаратах принимаются все меры к тому, чтобы дуга гасла в минимально короткое время. Очевидно, для гашения дуги при всех значениях тока напряжение должно быть отрицательно. Для выполнения этого условия необходимо, чтобы Это возможно либо за счет поднятия вольт-амперной характеристики, либо за счет увеличения сопротивления цепи. Вольт-амперная характеристика дуги может быть поднята за счет увеличения длины дуги, интенсивного охлаждения, повышения давления среды, в которой горит дуга. При замкнутых контактах дуга отсутствует, и ток в цепи равен . При разведении контактов между ними возникает дуга с током . Если дуги и напряжение источника неизменны, то при увеличении сопротивления ток в цепи будет уменьшаться, принимая значения , и . При дальнейшем возрастании сопротивления соблюдается неравенство , т.е. создаются условия для гашения дуги. Токи и сопротивления, при которых наступают условия для гашения, называются критическими. Если при неизменном значении тока цепи увеличить напряжение питания U или при неизменном значении напряжения U увеличить ток цепи , то прямая будет проходить выше. Тогда для соблюдения условий гашения необходимо поднять вольт-амперную характеристику дуги. Таким образом, с ростом отключаемого тока и напряжения источника условия отключения утяжеляются. Определим длительность горения дуги. Обозначим . Тогда . Таким образом, чем больше , тем меньше длительность горения дуги. Но увеличение ведет к росту напряжения на контактах в момент гашения дуги. 2.1.4. Энергия, выделяемая в дуге Сопротивление дуги Rд независимо от рода тока можно считать чисто активным. Оно является величиной переменной, падающей с ростом тока, и может быть определено из вольт-амперной характеристики дуги. Сопротивление дуги Rд = Uд/i. (1) Мощность электрической дуги Рд = U i. (2) Энергия Wд, выделяемая в дуге за время tг её горения. Wд = (3) Для выключающих аппаратов весьма важно определить значение этой энергии за одно отключение. Подставив в выражение (3) значение UД согласно формуле (), получим для дуги постоянного тока WД = R(I0-i)dt+Lidt = L+R(I0-i)dt = WM+ WГ, (4) где WM = L—энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи; WГ = R(I0-i)dt — энергия, поступающая от генератора в дугу за время ее горения; I0 = U/R — начальное значение тока. Таким образом, независимо от способа гашения дуги постоянного тока в ней выделится энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи, плюс еще какая-то доля энергии, которая поступит от генератора за время горения дуги (в устойчиво горящей дуге вся выделяющаяся в ней энергия поступает от генератора). Изменение тока в дуге при отключении может быть охарактеризовано следующим эмпирическим выражением: i = I0 [1 - (t/tГ) (5) где tг — время гашения; t — текущая координата; n — некоторая постоянная для данных условий величина. Графически уравнение (5) представлено семейством кривых на рис.4, а. Для дугогасительных устройств с узкими щелями и для закрытых дугогасительных устройств, а также при значительных индуктивностях п > 1 (порядка 2 — 4). Для открытых дугогасительных устройств и при активной нагрузке п < 1. Подставив уравнение (5) в выражение для WГ, получим WГ = kRtГ = L k, (6) Рис.4: а - графическая интерпретация уравнения (5) и б – зависимость где к = n /(2n2 + 3n + n); T= L/R — постоянная времени отключаемой цепи. Кривая, характеризующая зависимость к = f(n), приведена на рис.4, б. Энергия, поступающая в дугу от генератора, пропорциональна времени горения и зависит от коэффициента k, характеризующего в некоторой степени дугогасительное устройство. Максимальное количество энергии выделится в дуге при изменении тока по закону, близкому к линейному. При этом kn=1 = 0,167, а ток в цепи за время отключения меняется по линейному закону: i = I0 (1-(t/tГ). Таким образом, энергия, выделяющаяся в дуге при отключении постоянного тока, WД = WM + WГ = L(l + 2k). (7) В дуге отключения переменного тока, если гашение происходит в момент перехода тока через нуль, выделится только энергия WГ = (ImUД)m, (8) где f — частота; Im — ток; UД — падение напряжения на дуге; m — число полупериодов горения дуги. Рис.5. Характерные осциллограммы тока и напряжения при отключении цепи с большей (а) и малой (б) индуктивностью Энергия, запасенная в магнитном поле отключаемой цепи, L возвращается в генератор. Минимальное количество энергии выделится, если дуга погаснет при первом прохождении тока через нуль (m = 1). Если дуга начнёт гаснуть раньше естественного перехода тока через нуль, то часть энергии L не успеет вернуться в генератор и выделится в дуге. Таким образом, гашение дуги переменного тока в момент естественного прохождения тока через нуль облегчается и за счет меньшей энергии, выделяемой в дугогасительном устройстве. При расчете дугогасительных устройств постоянного тока следует учитывать, что дугогасительное устройство должно быть способно принять и рассеять (отвести) выделяемую в дуге энергию, которая может быть весьма большой, в частности при отключении цепей обмоток возбуждения. Индуктивность стремится поддержать неизменным протекающий по цепи ток, что приводит к автоматическому поддержанию напряжения, равного iR, пока не будет израсходована вся запасенная в цепи магнитная энергия. Чем больше индуктивность, тем трудней погасить дугу постоянного тока и тем больше будет напряжение на дуге при том же времени гашения. Характерные осциллограммы тока и напряжения на дуге при отключении цепей с различными индуктивностями приведены на рис.5. 2.1.5. Условия гашения дуги переменного тока Рассмотрим цепь, у которой . Пусть контакты аппарата разошлись в точке а (рис.6). Рис.6. Процесс отключения активной нагрузки переменного тока Между ними загорается дуга. К концу полупериода из-за уменьшения тока и воздействия дутогасительного устройства наблюдается увеличение сопротивления дугового промежутка и подъем напряжения на дуге. При подходе тока к нулю к дуге подводится малая мощность, температура ее уменьшается, что с одной стороны, ведет к замедлению термической ионизации, с другой - способствует деионизации. Все это приводит к погасанию дуги. Напряжение, при котором дуга гаснет, называется напряжением или пиком гашения . Резкий подъем напряжения к концу полупериода ведет к тому, что ток в цепи обрывается до своего естественного прохождения через нуль. После погасания дуги дуговой промежуток не превращается мгновенно в изоляционный, поскольку температура не снижается до нуля. В процессе гашения дуги число заряженных частиц в области дугового промежутка уменьшается; после гашения дуги сопротивление промежутка резко возрастает. При этом возрастает и электрическая прочность промежутка, т.е. такое напряжение, при котором происходит его электрический пробой. После прохождения напряжения через нуль напряжение источника изменяет знак, и начинает расти по закону синусоиды. Электрическая прочность промежутка начинает нарастать не с нуля, а со значения, соответствующего точке (начальная прочность промежутка). Начальная прочность и дальнейший рост прочности зависит от свойств ДУ: чем эффективней оно действует, тем больше начальная прочность, тем круче идет нарастание этой прочности. В момент напряжение на промежутке пересекает кривую прочности b1. В этой точке дуга загорается вновь. Напряжение называется напряжением зажигания. В связи с тем, что ток в первой половине полуволны синусоидой возрастает, напряжение на дуге уменьшается. После прохождения током максимального значения напряжение на дуге начинает возрастать, поскольку ток уменьшается. Таким образом, кривая на дуге имеет седлообразную форму. При больших токах из-за сильной термической ионизации почти на протяжении всего полупериода горения дуги напряжение не изменяется. Только в начале и конце полупериода появляются пики зажигания и гашения. В точке О дуга вновь гаснет и происходят процессы, аналогичные списанным раннее. ЛЕКЦИЯ № 3 2.1.6. Способы гашения электрической дуги В современных аппаратах гашение дуги при отключении цепи осуществляется в дугогасительных устройствах, задача которых погасить дугу в малом объеме (желательно замкнутом), за малое время, при малом износе частей аппаратов, при заданных перенапряжениях, при малых звуковом и световом эффектах. Способы гащения дуги: 1. Гашение дуги в продольных щелях. 2. Гашение дуги с помощью дугогасительной решётки. 3. Гашение дуги высоким давлением. 4. Гашение дуги в масле. 5. Гашение дуги воздушным дутьём. 6. Гашение дуги в элегазе. 7. Гашение дуги в вакууме. 2.1.7. Дугогасительные устройства постоянного и переменного тока 2.7.1. Широкие и узкие продольные щели. Весьма широкое распространение (особенно в низковольтных аппаратах) получили ДУ, камеры которых имеют продольные щели. Продольной называют щель, ось которой совпадает по направлению с осью ствола дуги. В таких камерах основное воздействие осуществляется на ствол дуги. Охлаждение ствола дуги (отбор энергии) происходит за счет движения дуги через неподвижный воздух и охлаждающего действия стенок камеры. Явления у электродов (их всего два) здесь можно учитывать при переменном токе и напряжениях ниже 220 В. Движение дуги в устройствах с продольными щелями происходит за счет взаимодействия тока дуги с создаваемым внешним магнитным полем и полем контура тока. На рис. 7 схематично изображены характерные формы продольных щелей камер ДУ. В t верхней части камеры (рис.7, а) между точками 1 и 2 имеется одна прямая продольная щель 3 с плоскопараллель­ными стенками. В камере на рис.7, б — несколько прямых параллельных щелей, Рис.7. Характерные формы продольных щелей дугогасительных камер аналогичные щели в камере на рис.7,а. Несколько параллельных щелей применяют при отключении больших токов. Однако параллельные дуги существуют недолго. Они весьма неустойчивы, и все, кроме одной, последней, быстро погасают. Условия гашения оставшейся дуги такие же, как в камере с одной щелью. На рис.7,в показана камера с одной продольной щелью 3, которой придана извилистая форма. При такой форме представляется возможным в камере небольших размеров уместить длинную дугу. Кроме того, наличие ребер способствует повышению напряжения на дуге. Именно эти особенности обусловливают те преимущества рассматриваемой камеры, которые обеспечивают ей широкое применение. Продольная щель с рядом ребер и уширений 4, за счет которых происходит возрастание продольного градиента напряжения, изображена на рис.7,г. Камера (рис.7,д) имеет комбинированную зигзагообразную щель 3 с местными уширениями 4. В такой щели, по-видимому, должны сочетаться все достоинства зигзагообразной щели с преимуществами, которые дают местные уширения. 2.7.2. Дугогасительные решётки. В дугогасительной решетке для гашения дуги используется околоэлектродное падение напряжения иэ (в аппаратах постоянного тока) и околокатодная электрическая прочность (в аппаратах переменного тока). После расхождения контактов 1 и 2 (рис.8,б) возникшая между ними дуга 3 под воздействием магнитного поля! движется вверх на пластины 5 и разбивается на ряд коротких дуг 4. На каждой пластине образуются катод и анод. Падение напряжения на каждой паре пластин составляет 20-25 В. При большом числе пластин удаётся поднять статическую ВАХ дуги и обеспечить условия её гашения. На рис. 8 показаны различные схемы ДУ с дугогасительными решетками. В решетке на рис. 8,а дуга выводится на пластины и делится между ними с помощью магнитного поля напряженностью Н, создаваемого специальной системой. В решетке на рис. 8,б дуга втягивается в решетку за счет электродинамических усилий, возникающих в контуре 1, 3, 2, и за счет усилий, действующих на дугу, благодаря наличию ферромагнитных пластин. В конструкции рис.8,г (позиция 3), для облегчения вхождения дуги в решетку пластины имеют клиновидный паз. Для того чтобы дуга не образовала жидких мостиков между пластинами, расстояние между ними берется не менее 2 мм. 2.7.3. Гашение дуги высоким давлением. Гашение дуги, при помощи высокого давления, создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах, широко используется в плавких предохранителях и ряде других аппаратов. В этих аппаратах вся энергия, выделяющаяся в дуге отключения, отдается газу, находящемуся в ограниченном объеме. При условии, когда стенки камеры не выделяют газа, справедливо (в первом приближении) следующее соотношение: pv=l05WД, (9) 21 Рисунок 8 – Статические ВАХ электрической дуги в решётке и виды дугогасительных решёток: кривая 1 - напряжение на дуговых промежутках; кривая 2 – результирующее напряжение где WД — энергия дуги, Дж; v — объем, см3; р — возникающее в камере давление, Па. В результате дугу удается погасить в небольших плотно закрытых камерах и сделать аппараты совершенно безопасными в пожарном отношении. 2.7.4. Гашение дуги в масле. Этот способ гашения нашёл широкое применение в выключателях переменного тока на ВН. Дугогасительные устройства современных масляных выключателей по принципу действия могут быть разделены на три основные группы: 1. Дугогасительные устройства с автодутьем, в которых дутье газопаровой смеси и масла в зону гашения дуги создается за счет энергии, выделяющейся в самой дуге. 2. Дугогасительные устройства с принудительным (импульсным) масляным дутьем, в которых масло в зону гашения дуги (к месту разрыва) подается с помощью специальных нагнетающих гидравлических механизмов за счет по­стороннего источника энергии. 3. Дугогасительные устройства с магнитным гашением дуги в масле, в которых ствол дуги под влиянием поперечного магнитного поля перемещается в узкие, заполненные маслом каналы и щели, образованные стенками из изоляционного материала. Наибольшее распространение находят дугогасительные устройства первой группы, так как обеспечивают большую эффективность гашения при сравнительно несложных конструкциях. Принципиальные схемы работы простейших дугогасительных камер с автодутьем приведены на рис.9. Газовый пузырь, образующийся вокруг дуги при размыкании контактов, приводит к существенному повышению давления в ограниченном объеме камеры (положение I). Масло и продукты его разложения, стремясь выйти через отверстия в камере, создают интенсивное обдувание дуги потоками газопаровой смеси и масла вдоль дуги (продольное дутье — рис.9, а) при выходе подвижной контакт-детали из камеры (положение II) или поперек дуги (поперечное дутье — рис.9,б) при наличии выхлопного отверстия, расположенного против места разрыва (положение II). После гашения дуги камера наполняется маслом (положение III). Современные масляные выключатели снабжены более сложными камерами, в которых используются указанные принципы в различных комбинациях с одним, двумя и большим числом разрывов. 2.7.5. Гашение дуги воздушным дутьём. Этот способ гашения нашел широкое применение в выключателях переменного тока на высокое напряжение. Дуга, образующаяся между контактами, обдувается вдоль или поперек потоком воздуха под определенным давлением. Перемещающийся с большой скоростью (приближающейся к звуковой) поток воздуха удаляет из зоны дуги нагретые ионизированные частицы, замещая их другими, охлажденными. Температура ствола дуги резко падает, особенно в момент прохождения тока через нуль. Одновременно происходит и механическое разрушение ствола дуги. По отношению к стволу дуги поток воздуха может быть поперечным — поперечное воздуш­ное дутье (рис.10, а), продольным — продольное воздушное дутье (рис.10, б — е) и продольно-поперечным — продольно-поперечное дутье. Продольное и продольно-поперечное дутье может быть односторонним и двусторонним. 23 Рис. 9 – Схемы процесса гашения электрической дуги в камерах с автодутьём: а – камера продольного дутья; б – камера поперечного дутья: 1-масло; 2-неподвижный контакт; 3-клапан; 4-дуга; 5-газовый пузырь; 6-камера; 7-подвижный контакт Поперечное дутье является весьма эффективным способом гашения, но имеет существенные недостатки. Работа камер связана с большим расходом воздуха и большим износом поперечных изоляционных перегородок 2 (рис.10). Камеры оказываются достаточно сложными. Такое дутье применяется при напряжении до 20 кВ и токах отключения до 120 кА. Продольное дутье нашло преимущественное распространение за счет своей простоты и надежности, малого износа камер. Эффективность этого способа гашения заключается в следующем. Сама камера находится в закрытом баке. Давление в камере много выше давления в баке. Вытекая из камеры под давле­нием 1—4 МПа, газовый поток направлен вдоль дуги. В сопле (рис. 6-20), где этот поток тесно соприкасается с дугой и проникает в нее, образуются два потока — поток холодного воздуха с температурой примерно 0,3 • 103 К и скоростью истечения их «330 м/с и поток горячего воздуха с температурой до 15х103К и скоростью истечения до vг ~ 2500 м/с. На границе этих потоков образуется интенсивное турбулентное движение. Перемешивание потоков и обеспечивает чрезвычайно интенсивный отбор теплоты от ствола дуги. 2.7.6. Гашение дуги в элегазе. В последние годы все более широко в высоковольтных выключателях вместо воздуха применяется элегаз — электротехнический газ. Элегаз — шести-фторная сера SF6, обладает очень высокими дугогасительными свойствами, что позволяет при высокой отключающей способности выключателей существенно сократить их размеры, а также создать герметизированные (полностью закрытые) КРУ. Рис. 10. Схемы камер с воздушным дутьем: а — поперечное дутье; 6 — продольное одностороннее в горловине камеры; в — продольное одностороннее через соплообразныи контакт; г — продольное одностороннее через изоляционное сопло; д, е — продольное двустороннее через соплообразные контакты 1 — неподвижный контакт; 2 — изоляционные перегородки; 3 — дуга; 4 — подвижный контакт; 5 - корпус камеры; б — металлическое сопло; 7 — изоляционное сопло 2.7.7. Гашение дуги в вакууме. Известно, что вакуум обладает высокими изоляционными и дугогасящими войствами (рис. 6-23). Достижения в области получения высокого вакуума 1,33 (10-4…10-6) Па в современных выключателях, а главное, сохранение его в пpoцecce их работы обеспечили внедрение и расширение применения этого способа гашения в выключателях на напряжения свыше 6-35кВ. Механизм гашения дуги в вакууме поясняется следующим образом. При расхождении контактов сперва образуется жидкий металлический мостик из материала электродов. Мостик очень быстро нагревается и испаряется, появляется дуга, которая горит в среде этих паров. Такая дуга называется вакуумной. Её характерной особенностью является малое падение напряжения на ней (20 — 40 В). Только при токах 10—100 кА падение напряжения на дуге возрастает до 50 — 200 В. При прохождении тока через нуль дуга гаснет. Чрезвычайно большая разница в плотности частиц в плазме погасшей дуги и в пространстве камеры (вакууме) обусловливает исключительно высокую скорость диффузии зарядов из дугового промежутка. Соответственно этому мгновенно достигается высокая начальная прочность промежутка. Восстанавливающаяся электрическая прочность промежутка в зависимости от времени в вакууме на несколько порядков выше, чем в других средах Последнее иллюстрируется рис. 6-24. 2.1.8. Применение полупроводниковых приборов для гашения дуги Одним из перспективных путей повышения эффективности коммутации силовых цепей, позволяющим исключить возникновение дуги отключения или ограничить время ее горения, является использование силовых полупроводниковых приборов. Во многих странах и у нас в РФ ведутся работы по созданию коммутационных аппаратов на базе тиристоров и симисторов, однако до настоящего времени такие аппараты имеют ограниченное применение. Основ­ными факторами, препятствующими широкому применению указанных аппаратов, даже при низком напряжении, являются высокая стоимость, значительные габариты, отсутствие видимого разрыва цепи, чувствительность к перегрузкам, скорости нарастания тока и напряжения. Более приемлемыми для сильноточных аппаратов признаны устройства с бездуговой коммутацией, основанные на использовании механических контактов и тиристоров или механических синхронизирующих устройств, контактов и не­управляемых диодов. Коммутация цепей переменного тока. Для аппаратов с высокой частотой оперативных включений и отключений заслуживает внимания контактная система с тиристорным блоком бездугового отключения (рис. 6-28). Тиристоры VS1 и VS2 включены параллельно контакту. При разомкнутом контакте К они заперты — ток в цепи отсутствует. При замыкании контакта и возникновении тока в цепи трансформаторы тока ТА1 и ТА2 (или другое устройство) через диоды VD1 и VD2 подают соответственно полярности полуволны отпирающие сигналы на управляющие электроды тиристоров. Однако ток через тиристоры не протекает, так как они шунтированы контактом. В момент размыкания контакта ток переходит в цепь того из тиристоров, направление проводимости которого соответствует полярности тока. Прямое падение напряжения, на открытом тиристоре мало (1,5 — 2 В на одном тиристоре), и дуга на контактах не возникает. При переходе тока через нуль проводящий тиристор закроется, а второй не откроется ввиду отсутствия сигнала. Ток в цепи прекратится. Коммутационная износостойкость контактов при этом способе гашения сильно возрастает (например, у контакторов серий КТ64 и КТ-65 — в 10 раз). Так как тиристоры обтекаются здесь током только в течение полупериода, то они могут выбираться на малые номинальные токи с большими перегрузками. Габариты тиристорного блока оказываются малыми. Принципиальная электрическая схема коммутационного устройства с синхронизированным размыканием контактов приведена на рис. 6-29. Контакты К1 и К2 замыкаются и удерживаются в замкнутом положении приводом. Встречно-параллельно включенные диоды VD1 и VD2 представляют собой незначительное нелинейное симметричное малоинерционное сопротивление, они не искажают форму тока и не влияют на него. Ток протекает в парал­лельных цепочках в соответствии с полярностью диодов. При отключении привод освобождает подвижные контакт-детали, предоставляя возможность контак­там К1 и К2 разомкнуться с помощью своих отжимающих пружин. Контролирующие электромагниты 1 и 2 удерживают контакты замкнутыми до перехода тока через нуль и до закрытия диодов. Если в момент отключения привода ток проходит через электромагнит 2, то контакт К2 удерживается в замкнутом положении до конца полупериода, а контакт К1 размыкается одновременно с приводом. Аналогично происходит, если в момент отключения привода ток протекает через электромагнит 1: контакт К2 (обесточенный) отключается одновременно с приводом, а контакт К1 — в конце полупериода тока, проходящего по нему. Контролирующие электромагниты обеспечивают размыкание контактов не синхронно с приводом, а в паузу тока, создаваемую диодами после перехода тока через нуль. Устраняя электрическую дугу, устройство, выполненное по этой схеме, обеспечивает высокую изолирующую способность межконтактного промежутка в отключенном состоянии (контакты разомкнуты) и малое сопротивление во включенном состоянии. При больших токах это устройство может быть использовано как дугогасительный контакт, у которого основной контакт отключается одновременно с приводом, а контакты К1 и К2 – соответственно полупериоду протекающего по ним тока. Рис. 6-30. Схемы бездуговой коммутации на постоянном токе Коммутация цепей постоянного тока. Отключение постоянного тока представляет собой процесс принудительного его обрыва. Схемы, обеспечивающие либо ограничение времени горения дуги, либо полностью бездуговую коммутацию, многообразны и сложны. Они основаны, как правило, на конденсаторном гашении в сочетании с искусственной коммутацией тиристоров. * В схемах, выполненных по принципу, показанному на рис. 6-30, а, после размыкания контакта К открывается тиристор VS. Заранее заряженный конденсатор С разряжается через дугу и катушку индуктивности L, благодаря чему ток в дуге дважды меняет свое направление. В один из переходов тока через нуль возможно гашение дуги. Такие схемы при токах свыше 100 А требуют значительных емкостей (конденсатор имеет большие габариты и время заряда), обеспечивают только сокращение времени горения дуги и, таким образом, малоэффективны. В схемах, подобных показанной на рис. 6-30,б, процесс отключения цепи двухступенчатый: сперва открывается тиристор VS1, ток переводится в цепь тиристора и контакт К размыкается без дуги. Затем открытием тиристора VS2 осуществляется разряд конденсатора С и запирание тиристора VS1, достигается полное бездуговое отключение тока. Во всех случаях амплитуда тока разряда конденсатора должна быть больше тока цепи. Цепь диода VD и резистора R служит для снижения напряжений и повышения отключающей способности, тиристор VS3 — для заряда (одна из схем) конденсатора. Бездуговая коммутация цепей постоянного тока в сочетании с другими мероприятиями позволяет проектировать выключатели с полным временем отключения не более 0,01 с, а также повышать коммутационную износостойкость аппаратов (для контакторов — в 5 — 10 раз). ЛЕКЦИЯ № 4 2.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОНТАКТЫ 2.2.1. Общие сведения. 2.2.2. Режимы работы контактов. 2.2.3. Материалы контактов. 2.2.4. Конструкция твёрдометаллических контактов. 2.2.5. Жидкометаллические контакты. 2.2.6. Расчёт контактов аппаратов. 2.2.1.Общие сведения Электрическим контактом называется соединение двух проводников, позволяющее проводить ток. Соприкасающиеся проводники называются контакт-деталями или просто контактами. Как бы ни была тщательно обработана поверхность соприкосновения контактов, электрический ток проходит из одного контакта в другой только в отдельных точках, в которых эти поверхности касаются, так как абсолютно гладкой поверхности нельзя получить ни при каком методе ее обработки. Рассмотрим процесс перехода тока из одного контакта в другой при касании двух цилиндрических контактов по торцам. Положим, что контакты имеют только одну площадку касания и что эта площадка имеет форму круга с радиусом а. Величину радиуса а при пластической деформации можно найти по формуле где: F - сила нажатия контактов; - временное сопротивление на смятие материала контактов. В результате стягивания линий тока к площадке касания путь тока меняется. Сечение проводника, через которое фактически проходит ток, становится меньше, что вызывает увеличение сопротивления. Сопротивление в области точки касания, обусловленное явлениями стягивания тока, называется переходным сопротивлением контакта. Рис. 2.2.1. Идеализированная картина растекания тока в точечном контакте Картина растекания тока в области стягивания (рис. 2.2.1.а) аналогична картине растекания тока из плоского диска радиусом а полубесконечную среду. Учитывая, что размеры области стягивания малы по сравнению с размерами тела контакта, реальные контакты можно заменить полубесконечными телами. Для двух полубесконечных тел, контактирующих по одной круглой площадке касания, картина поля тока и электрических потенциалов представлена на рис. 31.б. Эквипотенциальные поверхности являются полуэлепсоидами вращения, линии тока гиперболами с общим фокусом. Для такой идеализированной картины растекания тока в контактах переходное сопротивление , где - удельное сопротивление. С точностью до 5% эта формула справедлива, если поперечные размеры тела контакта превосходят в 13 раз диаметр площадки касания. Определив а, имеем Если имеет место упругая деформация контактирующих выступов, то . Для многоточечных контактов , где m – показатель, меняющийся от 0,7 до 1. Сопротивление зависит и от обработки поверхности, Шлифовка ведет к тому, что на поверхности остаются более пологие выступы с большим сечением. Снятие таких выступов возможно только при больших силах нажатия. Поэтому сопротивление шлифованных контактов выше, чем контактов с более грубой обработкой. Мы рассмотрели только переходное сопротивление, вызванное явлением стягивания линий тока. В действительности контактирующие поверхности покрыты адсорбированными молекулами газа, в котором располагались контакты до их замыкания. Очень часто эти молекулы вступают в химическую реакцию с материалом контактов, в результате чего на поверхности металла могут возникнуть пленки с очень высоким удельным сопротивлением. Если напряжение замыкаемой цепи мало или нажатие на контакты недостаточно, то иногда контакты вообще не пропускают тока. Как только свежезачищенная поверхность контактов соприкасается с воздухом, сейчас же начинается процесс образования пленки и переходное сопротивление может возрасти в десятки раз. В связи с этим контакты на малые точки (малые нажатия) изготовляются из благородных металлов, не поддающихся окислению (золото, платина и др.). В сильноточных контактах пленка окислов разрушается либо благодаря большим нажатиям, либо путем самозачистки при включении за счет проскальзывания одного контакта относительно другого. При прохождении тока через область стягивания линий тока контакт нагревается. С ростом температуры сопротивление стягивания изменяется из-за роста удельного сопротивления материала , где - сопротивление стягивания при температуре тела контакта . Возрастание превышения температуры контактной точки , приводит к увеличению сопротивления . 2.2.2. Режимы работы контактов а) Включение цепи. При включении контактов могут иметь место следующие процессы: 1) вибрация контактов; 2) эрозия в результате образования разряда между сходящимися контактами Рассмотрим природу вибраций на примере рис. 5. Подвижный контакт 1 связан с контактным рычагом 2 через контактную пружину 3. Неподвижный контакт 4 .жестко закреплен на опоре. Электромагнит контактора воздействует на рычаг 2. В момент сопротивления контактов происходит удар, в результате которого происходят деформация смятия контактов и отброс контакта 1 вправо. Между контактами образуется зазор и загорается дуга. Движение контакта 1 вправо прекратится тогда, когда энергия, полученная им при ударе, перейдет в энергию сжатия пружины 3. После этого контакт 1 под действием пружины 3 начнет перемещаться влево. Произойдет новый удар и новый отброс контакта. Вибрация контактов - явление весьма вредное, поскольку при этом имеет место многократное образование короткой дуги, которая ведет к сильному сплавлению и распылению контактов. В связи с износом контактов уменьшается их взаимное нажатие в полностью включенном положении, что приводит к повышению переходного сопротивления. При большом числе включений и отключений возможен быстрый выход из строя контактов. Для уменьшения вибрации контактная пружина имеет предварительную деформацию (натяг) при разомкнутых контактах. В момент касания контактов сила нажатия возрастает не с нуля, а с величины предварительного начального нажатия контактов. В некоторых конструкциях между контактным рычагом и подвижным контактом вводится противовибрационный вкладыш из специального пористого материала типа губчатой резины. Этот материал увеличивает затухание колебаний контакта и способствует уменьшению вибраций. На вибрацию контактов влияет также момент инерции, с ростом которого вибрация усиливается. В связи с этим контакты должны быть возможно легкими. С целью снижения вибраций, возникающих от удара якоря, магнитопровод с обметкой крепится не жестко, а на пружинах. При включении на существующее короткое замыкание вибрация контактов усиливается из-за возникновения отбрасывающих сил в точке касания. Для того чтобы не было сплавления контактов в момент их соприкосновения, необходимо силой предварительного натяга контактной пружины компенсировать электродинамические силы отброса и создать такое нажатие, при котором падение напряжения на переходном сопротивлении не приводит к плавлению касания. При включении цепи по мере приближения подвижного контакта к неподвижному возрастает напряженность электрического поля между контактами и при определенном расстоянии произойдет пробой промежутка. В аппаратах НН пробой возникает при очень малом расстоянии между контактами. В дуговую форму разряд не переходит, так как подвижный контакт продолжает двигаться и, замыкая промежуток, прекращает разрядные процессы. Однако возникающие при пробое электроны бомбардируют анод и вызывает его износ. Металл анода откладывается на катоде в виде тонких игл. Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой, т.е. испарение в окружающее пространство без изменения состава материала, называется физическим износом или эрозией. В аппаратах ВН при сближении контактов пробой происходит при больших расстояниях. Возникшая дуга горит относительно долго, при этом возможно сваривание контактов, особенно при включении на существующее короткое замыкание. За счет применения большого числа последовательно соединенных разрывов уменьшается напряжение, приходящееся на разрыв, что дает снизить время предварительного пробоя до безопасного значения. б) Проведение тока во включенном состоянии. В этом режиме следует различать два случая: через контакты проходит длительный номинальный ток и через контакты проходит ток КЗ. Для надежной работы контактов необходимо, чтобы при номинальном токе падение напряжения на сопротивлении было меньше : , где К1 – точка размягчения материала; К2 - точка плавления материала. Для расчета контактов на небольшие токи используется эта формула. По заданному току и допустимому определяем , после чего находим необходимое контактное нажатие. Для одноточечных контактов на большие токи , где: Fk - сила нажатия; - ток действующий; В -число Лоренца ; - число твердости по Виккерсу; λ - удельная теплопроводность; - температура точки касания; - температура тела контакта. Формула позволяет по заданному сразу найти , если известно соотношение , где: - действующее значение тока; - удельное сопротивление материала контактов; - удельный коэффициент теплоотдачи; - периметр сечения контактов; q - сечение тела контактов; - температура окружающей среды. Температуру контактной точки можно определить, воспользовавшись, что для надежно работающих контактов не должна превышать 5 - 10°С. Если имеется n контактных точек, то расчет проводится для одной контактной точки (ток ) и При расчете динамической стойкости контактов , где: I - ток электродинамической стойкости; F - сила нажатия; r - коэффициент, определенный экспериментально, и сведен в таблицу для различных материалов контактов. Сваривание контактов зависит от конструкции самих контактов и токоведующей цепи аппарата. Электродинамические силы, возникающие в токоведущих частях, необходимо использовать для повышения устойчивости контактов. в) Отключение цепи. При размыкании контактов сила нажатия уменьшается, переходное сопротивление возрастает, и поэтому растет температура точек касания. В момент разъединения контактов температура достигает температуры плавления и между контактами возникает мостик из жидкого металла. При дальнейшем движении контактов мостик обрывается и в зависимости от параметров отключаемой цепи возникает либо дуговой разряд, либо тлеющей. Это приводит к интенсивному окислению, распылению материала контактов в окружающее пространство, переносу материала с одного электрода на другой и образованию пленок, что влечет износ контактов. Износ, связанный с окислением, образованием на электродах пленок химических соединений материала контактов со средой называется химическим износом или коррозией. Перенос материала с анода на катод называется положительной эрозией и наоборот отрицательной эрозией. Направление эрозии и форма износа контактных поверхностей зависят от вида разряда и величины тока. При срок службы контактов , где: N - число допустимых отключении; Vo - объем контакта, предназначенный на износ; ν - плотность материала; - эмпирический коэффициент износа; - количество электричества, протекающего через промежуток за одно отключение. Количество электричества, протекающего через дугу и находится на осциллограмме. При ориентировочных расчетах , где: - значение тока в момент размыкания; - время гашения. При , где: Q - износ контакта; N - число отключений - включений (операций); - ток отключения; - эмпирический коэффициент; определенный: для различных материалов. г) Способы уменьшения износа контактов. Основными средствами борьбы с эрозией в аппаратах на токи от 1 до 600 А являются: 1. сокращение длительности горения дуги за счет применения дугогасительных устройств; 2. устранение вибрации при включении; 3. применение дугостойких контактных материалов. Для контактов, управляющих токами от долей ампера до нескольких ампер, применяются схемные методы уменьшения эрозии. Наиболее распространенные схемы приведены на рис. 2.2. Рис. 2.2. Схемы для уменьшения износа контактов Вся электромагнитная энергия цепи при отключении выделяется в дуговом промежутке. Исследования показали, что чем меньше эта энергия, тем меньше эрозия контактов. В схеме рис. 3.2,а электромагнитная энергия, накопленная на индуктивности L , тратится в активных сопротивлениях r и R Искра отсутствует, если Дуга отсутствует при условии и берутся по таблице. Наличие резистора r увеличивает токовую нагрузку контактов, что является недостатком схемы. В связи с широким выпуском высококачественных диодов рекомендуется схема рис. 3.2,б. В этой схеме контакты нагружаются только током и обратным током диода D. При отключении магнитный поток в системе начинает падать. При этом обмотка будет закорочена на сопротивление диода в проводящем направлении. Для схемы рис. 3.2,в выполнено условие отсутствия искрового разряда, если Однако с уменьшением r растет ток, который должен отключаться другими контактами для полного обесточивания цепи. Хорошие результаты дает схема рис. 3.2,г. Наличие конденсатора уменьшает ток между контактами, так как в конденсатор ответвляется ток, равный ; где U - напряжение на контактах. Наличие емкости снижает скорость нарастания напряжения на контактах, в результате чего разряд может прекратиться. При замыкании цепи возможна сильная эрозия за счет энергии конденсатора, разряжающегося на промежуток. Для ограничения тока разрядки ставится сопротивление r. При правильном выборе r и C эрозия должна отсутствовать. Для обеспечения гашения дуги и уменьшения обгорания контактов сильноточные аппараты (контакторы, автоматы, высоковольтные выключатели) снабжаются дутогасительными камерами. С этой же целью подвижный контакт должен иметь определенную скорость движения и определенный ход в зависимости от конструкции аппарата и его номинального напряжения. 2.2.3. Материалы контактов К материалу контактов предъявляются следующие требования: 1. Высокие электрическая проводимость и теплопроводность. 2. 2. Стойкость против коррозии во воздухе ж других гавах, 3. Стойкость против образования пленок с высоким удельным 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, необходимых для ду-гообразования. 9. Простота обработки, низкая стоимость. К таким материалам относятся медь, серебро, алюминий, вольфрам, металлокерамические материалы. Данные материалы имеют как положительные стороны, так и недостатки. Поэтому, исходя из этого, каждый из перечисленных материалов применяется с учетом большего эффекта по перечисленным требованиям. 2.2.4. Конструкция твёрдометаллических контактов а) Жесткие. Контакты служат для неподвижного соединения токоведущих деталей. Сюда относятся шинные соединения, соединения кабелей, места присоединения аппаратов цени. В процессе эксплуатации оба контакта связываются с помощью болтов, либо с помощью горячей или холодной сварки. б) Неразмыкающиеся контактные соединения подвижных элементов. Такие соединения используются либо для того, чтобы передать ток с подвижного контакта на неподвижный, либо для того, чтобы дать возможность элементу неподвижного контакта тлеть небольшое перемещение под действием подвижного контакта. Наиболее простым соединением такого типа является гибкая связь. При больших ходах подвижных контактов к больших номинальных токах применяются скользящие и роликовые токосъемы. в) Разрывные контакты. Конструкция разрывных контактов определяется значениями , , тока КЗ, режимом работы, назначением аппарата и рассмотрена в разделах, посвящённых устройству различных аппаратов. г) Герметизированные контакты (герконы). 2.2.5. Жидкометаллические контакты Наиболее характерные недостатки твердометаллических контактов следующие: 1. С ростом длительного номинального тока возрастают необходимое значение контактного нажатия, габариты и масса контактов. При токах 10 кА и выше резко увеличиваются габариты и масса аппарата в целом. 2. Эрозия контактов ограничивает износостойкость аппарата. 3. Окисление поверхности и возможность приваривания контактов понижают надежность аппарата. При больших токах КЗ контактные нажатия достигают больших значений, что увеличивает необходимую мощность привода, га­ариты и массу аппарата. Рассмотрим принцип действия контактора с жидкометаллическим контактом (ЖМК) (рис. 2.3). Внешняя цепь подключается к электродам 1 и 2. Корпус 3 выполнен из электроизоляционного материала. Полости корпуса запол­нены жидким металлом 4 и соединяются между собой от­верстием 5. Внутри полостей корпуса плавают пустотелые ферромагнитные цилиндры 6. При подаче напряжения на катушку 7 цилиндры 6 опускаются вниз. Жидкий металл поднимается и через отверстие 5 соединяет электроды 1 и 2, контактор включается. По сравнению с твердометаллическими ЖМК обладают следующими преимуществами: 1. Малое переходное сопротивление и высокие допусти­мые плотности тока на поверхности раздела жидкий металл — электрод (до 120 А/мм2), что позволяет резко сократить габаритные размеры контактного узла и контактное нажатие, особенно при больших токах. Рис. 2.3. Контактор с жидкометаллическим контактом 1. Отсутствие вибрации, приваривания, залипания и окисления контактов при их коммутации. 2. Высокая механическая и электрическая износостойкость ЖМК, что позволяет создавать аппараты с боль­шим сроком службы. 3. Возможность разработки коммутационных аппаратов на новом принципе [автоматический восстанавливающийся предохранитель и др.] благодаря свойствам текучести жидкого металла. 5. Возможность, работы ЖМК при высоких внешних давлениях, высоких температурах, в глубоком вакууме. К электрическим аппаратам обычно предъявляется требование сохранять работоспособность в интервале температур 40. Очевидно, что жидкий металл должен сохранять свое состояние в. указанном интервале. Из известных материалов только ртуть находится в жидком виде при температуре ниже 0 °С и может быть в чистом виде пригодна для ЖМК. Высокая токсичность паров ртути существенно осложняет технологию ее применения. В ЖМК перспективно применение диэлектрического или металлокерамического твердого каркаса, пропитанного жидким металлом. Весьма перспективным является применение ЖМК в самовосстанавливающихся предохранителях. Необходимо отметить и недостатки ЖМК: 1. Обычно применяемые контактные материалы галий и его сплавы с другими металлами требуют подогрева контактов до момента включения, так как температура окружающей среды может быть ниже температуры затвердевания этих материалов. 2. Большинство аппаратов с ЖМК требуют определенного положения в пространстве и подвержены влиянию сторонних механических воздействий (ударов, вибраций), что затрудняет их применение. 2.2.6. Расчёт контактов аппаратов Пример 1. Контакты образованы двумя торцами медных цилиндров с диаметром d=0,03 м. Определить контактное нажатие при длительном токе 1000 А и токе КЗ 30 кА. Температура окружающей среды 0=40°С. Необходимое контактное нажатие, Н, если исходить из длительного режима работы, по (3.10) , где = 1000 А; теплопроводность меди λ = Вт/(); В=2,42х10-8 (В/°С)2; HV — число твердости по Виккерсу, равное Па [18.2]; кт = 12Вт/() (табл. 2.1). Температура тела контакта Т0 = + 273 + ; ; p = d = 0,03 = 9,45; Согласно 3.2. ТК - Т0 = 5 – 10 К; , Необходимое контактное нажатие с учетом тока КЗ согласно (3.12) ; Торцевой контакт, образуемый касанием торцов двух стержней, может рассматриваться как пальцевый несамоустанавливающийся контакт. Согласно табл. 3.2 к2=1300, следовательно, ; Таким образом, данная система при контактном нажатии 382<3340 Н неустойчива при КЗ. Если во конструктивным соображениям контактное нажатие нельзя увеличить до 3440 Н, то надо либо переходить на розеточную или многопальцевую контактную систему, либо заменить медь на металлокерамику. Так, при использовании металлоке­рамики КМК-Б21 усилие 510 Н достаточно при ударном токе 76,6 кА. Пример 2. Определить необходимое давление серебряных одното­чечных контактов. Длительный ток 10 А. Ток КЗ 100 А, Для надежной работы контактов согласно (3.8) RК 0,5 UК1 < 0, 5£/ м. Для серебра при UК1 =0,09 В (табл. 3.1), UК ДОП =0,045 В; RК =0,045/10=0,0045 Ом. Для одноточечного контакта при RK=k1/1/2 [формула (3.3)], k1 = 0,006 (§ 3.1) = (k1/ RK)=(0,006/0,045)=1,68 Н. Для ориентировочного расчета можно принять, что условия неприваривания для серебряных контактов такие, же, как и для медных, так как физические параметры материалов достаточно близки: = 255 A; k2 = 1300 (табл. 3.2); = 2552/(169-104*) = 0,0378 Н. Поскольку контактное нажатие по номинальному току =1,68 Н больше контактного нажатия, определяемого по току КЗ = 0,0378 Н, то выбираем нажатие =1,68 Н. ЛЕКЦИЯ № 5 2.3. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ УСИЛИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТАХ 2.3.1. Общие сведения. 2.3.2. Методы расчёта электродинамических усилий. 2.3.3. Усилия между параллельными проводниками. 2.3.4. Усилия и моменты, действующие на взаимно перпендикулярные проводники. 2.3.5.Усилия в витке, катушке и между катушками. 2.3.1. Общие сведения При КЗ в сети через токоведущую часть аппарата могут проходить токи, в десятки раз превышающие номинальный ток. Эти токи, взаимодействуя с магнитным полем, создают электродинамические силы, которые стремятся деформировать как сами проводники, так и изоляторы, на которых они крепятся. Электродинамической стойкостью аппарата называется его способность противостоять силам, возникающим при прохождении токов КЗ. Эта величина может выражаться либо непосредственно амплитудным значением тока , при котором механические напряжения в деталях аппарата не выходят за пределы допустимых значений, либо краткостью этого тока относительно амплитуды номинального тока. . Иногда динамическая стойкость оценивается действующим значением ударного тока за период после начала КЗ. 2.3.2. Методы расчёта электродинамических усилий (ЭДУ) а) Методы расчёта. Для расчета э.д.у. используются два метода. В первом – сила рассматривается как результат взаимодействия проводника с током и магнитного поля по правилу Ампера. Если элементарный проводник с током находится в магнитном поле с индукцией , создаваемой другими проводниками (рис. 1), то сила , действующая на этот элемент, равна: Рис. 1. Направление ЭДУ, действующего на элемент с током где: i – ток; β – угол между векторами элемента dl и индукции B, измеряемый углом поворота вектора dl до вектора B по кратчайшему расстоянию. За направление dl принимаем направление тока в элементе. Направление индукции B, создаваемой другим проводником, определяется по правилу Буравчика, а направление силы – по правилу левой руки. Полная сила, действующая на проводник длиной l, определится по формуле . В случае любого расположения проводников в одной плоскости β = 90°, то выражение имеет вид . Описанный метод рекомендуется применять тогда, когда можно аналитически найти индукцию в любой точке проводника, для которого необходимо определить силу. Второй метод основан на использовании энергетического баланса системы проводников с током. Если пренебречь электростатической энергией системы и принять, что при деформации токоведущих контуров или при их перемещении под действием э.д.у. токи во всех контурах остаются неизменными, то силу можно найти по уравнению , где: W - электромагнитная энергия; X - возможное перемещение в направлении действия силы. Электромагнитная энергия системы обусловлена как энергией магнитного поля каждого изолированного контура, так и энергией, определяемой магнитной связью между контурами, и для двух взаимосвязанных контуров равна: , где: и - индуктивности контуров; и - токи, протекающие в них; М - взаимная индуктивность. Первые два члена уравнения определяют энергию независимых контуров, а третий член дает энергию, обусловленную их магнитной связью. Уравнение дает возможность рассчитать как силы, действующие в .изолированном контуре, так и силу взаимодействия контура со всеми остальными. Для определения сил внутри одного независимого контура пользуемся уравнением При расчете силы взаимодействия контуров мы считаем, что энергия изменяется только в результате изменения взаимного расположения контуров. При этом энергия, обусловленная собственной индуктивностью, считается неизменной. В данном случае, сила взаимодействия между контурами равна . Энергетический метод удобен, когда известна аналитическая зависимость индуктивности или взаимной индуктивности от геометрических размеров. б) Направление действия ЭДУ. Найдем направление силы, действующей на элемент d11 с током , (рис.2). Рис. 2. Линия индукции , создаваемая током , является окружностью с радиусом r, лежащей в плоскости, перпендикулярной . Направление силы dF определяется по правилу левой руки и показано на рис. 2. Для плоской задачи, когда все проводники лежат в одной плоскости, результирующая на проводник, всегда перпендикулярна к этой плоскости, а сила лежит в плоскости. Направления э.д.у. для некоторых случаев расположения проводников в одной плоскости показаны на рис. 3. Согласно положительному направлению силы соответствует возрастание энергии системы , т. е. сила, действующая на токоведущие части, направлена так, чтобы электромагнитная энергия системы возрастала. Для кольцевого контура где: ψ - потокосцепление; Φ – поток; ω - число витков в контуре. В этом случае э.д.у. действует по радиусу, растягивая контур, т.к. при этом индуктивность, потокосцепление и поток возрастают. 2.3.3. Усилия между параллельными проводниками Сила взаимодействия между проводником и элементом , где x – координата на проводнике имеет выражение , где: - длина первого проводника; - длина второго проводника; - токи, протекающие по проводникам и ; а - расстояние между проводниками и . Если , то . Произведение зависит только от размеров проводников и их расположения. Тогда . Если расстояние между проводниками значительно меньше их длины, т.е., то можно принять равным . При расчет ведется по формуле Для двух параллельных проводников разной длины, расположенных с любым сдвигом, , где: - сумма диагоналей трапеции, построенной на взаимодействующих проводниках; - сумма боковых сторон этой трапеции. Форма сечения проводника влияет на электродинамическую силу , где - коэффициент формы. 2.3.4. Усилия и моменты, действующие на взаимно перпендикулярные проводники В электрических аппаратах очень часто встречается расположение частей токоведущего контура под прямым углом. Сила, действующая на перемычку, имеет в этом случае следующее выражение , где: - абсолютная магнитная проницаемость воздуха, равная Г/м; а - длина прямоугольной перемычки; R - радиус проводника. В масляных выключателях и других аппаратах токоведущая цепь может иметь вид петли. На перемычку в этом случае действует э.д.у. . Если длина l соизмерима с расстоянием а, то расчет э.д.у. необходимо производить по формуле . При расчете электродинамической стойкости необходимо определять момент э.д.у. относительно точки крепления . Кроме э.д.у. от левого и правого проводников создается изгибающий момент за счет силы, возникающей в месте перехода тока. Полный момент относительно точки 0 равен . 2.3.5. Усилия в витке, катушке и между катушками а) ЭДУ в витке. Сила, действующая в витке, направлена по радиусу; с ростом радиуса возрастет индуктивность, а следовательно, электромагнитная энергия проводника. Выражение имеет вид . Сила приложена к окружности длиной . При расчете электродинамической стойкости необходимо знать силу , разрывающую виток. . Если круговой виток находится в равномерном магнитном поле, создаваемом другими проводниками, то кроме внутренних сил, возникает дополнительная сила в результате взаимодействия тока витка с внешним полем. б) ЭДУ в катушке. Электродинамические силы в цилиндрической катушке направлены таким образом, чтобы возрастало ее потокосцепление. Поэтому при прохождении тока в обмотке возникают силы, стремящиеся сжать обмотку по высоте и толщине и увеличить диаметр. Для расчета сил, действующих в различных точках катушки, определяют индукцию в этих точках и используют рассмотренные выше уравнения. в) ЭДУ между витками и между катушками. Сила, действующая между витками и катушками: вертикальная составляющая: , где R - радиус витка 1; h - расстояние между витками 1 и 2 ; горизонтальная составляющая: . Для расчета сил, действующих между цилиндрическими катушками, удобно пользоваться энергетической формулой . ЛЕКЦИЯ № 6 2.3.6. Усилия в месте изменения сечения проводника. 2.3.7. Усилия при наличии ферромагнитных частей. 2.3.8. Электродинамические усилия при переменном токе. 2.3.9. Электродинамическая стойкость электрических аппаратов. 2.3.10. Расчёт динамической стойкости шин. 2.3.6. Усилия в месте изменения сечения проводника При изменении сечения проводника линии тока искривляются, в результате сила F, действующая на линию тока, получает продольную и поперечную составляющие. Продольная сила направлена в сторону большего сечения . Электродинамическая сила, возникающая при изменении сечения, зависит только от отношения конечного и начального радиусов и не зависит от формы перехода при ассиметричном проводнике. Если положить, что площадка находится в центре цилиндрических проводников, то сила, действующая на каждую половину проводника, определяется формулой (аналогично контактам цилиндрическим) где: r - радиус цилиндрического контакта; - радиус круглой площадки касания; а - форма круга радиуса. 2.3.7. Усилия при наличии ферромагнитных частей Сила определится для проводника с током вблизи ферромагнитной стенки, по формуле . Сила, действующая на проводник (дугу), симметрично расположенный в пазу клиновидного сечения, равна , где: - зазор, соответствующий координате X. 2.3.8. Электродинамические усилия при переменном токе Электродинамические усилия при переменном токе. Механический резонанс. Если токи в проводниках имеют одинаковое направление, то проводники притягиваются и сила равна , где: - амплитудное значение тока; ω - угловая частота; F – максимальное значение силы, равное . Среднее значение силы за период , где: I - действующее значение тока. При наличии апериодической составляющей сила во времени меняется по уравнению . Наибольшее значение сила имеет через полпериода после начала короткого замыкания , где: - ударный коэффициент, зависит от постоянной времени ; L - индуктивность цепи; R - активное сопротивление цепи короткого замыкания. Электродинамические силы в трехфазной цепи при отсутствии апериодической составляющей где для однофазной цепи , (l - длина проводника; а - расстояние между осями). Электродинамические силы в трехфазной системе при наличии апериодической составляющей тока: максимальное отталкивающее усилие, действующее на провод фазы 1 максимальная сила, действующая на провод средней фазы . 2.3.9. Электродинамическая стойкость электрических аппаратов Электродинамическая стойкость аппаратов в однофазных установках определяется по ударному току короткого замыкания, а для 3-х фазного аппарата за расчетный ток берется , где: - амплитуда периодической составляющей трехфазного короткого замыкания. Расчет устойчивости проводится для средней фазы, дающей наибольшие значения сил. 2.3.10. Расчёт динамической стойкости шин Механический резонанс возникает в результате появления резонанса между гармонически меняющейся электродинамической силой и собственными механическими колебаниями деталей токоведущей цепи аппарата. В случае, когда частота переменной составляющей силы близка к собственной частоте механических колебаний, аппарат может разрушиться вследствие явления резонанса. Для шин прямоугольного и круглого сечения эту частоту можно определить приближённо где: ν – плотность материала шины; g - ускорение свободного падения; l - пролет между изоляторами; Е - модуль упругости материала шин; J - момент инерции сечения шины; q - сечение шины; к - коэффициент, зависящий от характера крепления шин. К шине как балке, закреплённой на концах, прикладываются максимальные расчётные усилия, находятся механические напряжения в ней и усилия, действующие на изоляторы. Максимальное механическое напряжение в шине, Па где М – максимальный изгибающий момент, Нм; W – момент сопротивления, м; l – длина свободного пролёта шины, м; - наибольшее значение удельной электродинамической нагрузки от соседней фазы, Н/м. Нагрузка на изолятор F = l. Прочность изолятора проверяется неравенством F = , где - минимальное разрушающее усилие, допустимое для изолятора, Н (берётся по каталогу) Н – высота изолятора,м; - расстояние от основания изолятора до центра тяжести поперечного сечения шины, м. ЛЕКЦИЯ 7 2.4. НАГРЕВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 2.4.1.Общие сведения. 2.4.2. Активные потери энергии в аппаратах. 2.4.3. Способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности. 2.4.4. Установившийся режим нагрева. 2.4.5. Нагрев аппаратов в переходных режимах. 2.4.6. Нагрев аппаратов при коротком замыкании. 2.4.7. Допустимая температура различных частей электрических аппаратов. 2.4.8. Термическая стойкость электрических аппаратов. 2.4.1. Общие сведения При работе аппарата в его токоведущей цепи, изоляции и деталях конструкции возникают потери электрической энергии, которые превращаются в тепло. Тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично отдается в окружающую среду. Работа контактных соединений также сильно зависит от температуры. Нагрев токоведущих частей и изоляции аппарата в значительной степени определяет его надёжность. Поэтому во всех возможных режимах работы температура частей аппарата не должна превосходить таких значений, при которых обеспечивается его длительная надёжная работа. 2.4.2. Активные потери энергии в аппаратах а) Потери в токоведущих частях. В аппаратах постоянного тока нагрев происходит только за счет потерь в активном сопротивлении токоведущей цепи. Энергия, выделяющаяся в проводнике , где: W - энергия; i - ток в цепи; R – активное сопротивление; t - длительность протекания тока. При переменном токе активное сопротивление проводника отличается от сопротивления при постоянном токе из-за возникновения поверхностного эффекта и эффекта близости. Сопротивление при переменном токе , где: R - сопротивление при постоянном токе; - коэффициент добавочных потерь, вызванных эффектом поверхностным и эффектом близости, - коэффициент добавочных потерь от поверхностного эффекта рассчитывается по специальным кривым; ; - коэффициент эффекта близости; - активное сопротивление проводника, находящегося в магнитном поле других проводников; - сопротивление уединённого проводника. б) Потери в нетоковедущих ферромагнитных частях. При переменном токе, кроме активных потерь в токоведущей цепи, появляются активные потери в ферромагнитных деталях аппаратов, расположенных в переменном магнитном поле. В этих деталях появляются э.д.с. и вихревые токи таких направлений, при которых создаваемые ими потоки противодействуют изменению основного потока. Из-за размагничивающего действия этих потоков магнитный поток по сечению распределяется неравномерно. Толщина слоя, на протяжении которого индукция постоянна, называется глубиной проникновения потока. Эффект этот аналогичен поверхностному эффекту у проводников. где: а - глубина проникновения; ρ - удельное сопротивление; ω - круговая частота; - абсолютная проницаемость материала. От вихревых токов возникают дополнительные потери на перемагничивание за счет гистерезиса. Полные потери в магнитопроводе где: - максимальное значение индукции; - частота; и - коэффициенты потерь от гистерезиса и вихревых токов; - масса магнитопровода. В аппаратах переменного тока ВН, помимо потерь в проводниковых и ферромагнитных материалах, необходимо учитывать потери, возникающие в изоляции , где - частота; С - емкость изоляции; U - действующее значение напряжения на изоляции; - тангенс угла диэлектрических потерь. Изоляция аппарата нагревается за счёт как этих потерь, так и потерь в токоведущей цепи. 2.4.3. Способы передачи тепла внутри нагретых тел и с их поверхности Различают три вида передачи тепла: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Теплопроводность – процесс распространения тепла между непосредственно соприкасающимися частицами, обусловленный тепловым движением молекул или атомов вещества, а в металлах свободных электронов. Конвенция - процесс переноса тепла связанный с перемещением микрообъемов нагретого газа или жидкости (естественная и искусственная). Лучеиспускание - процесс отдачи части тепла нагретого тела в окружающее пространство, путем излучения электромагнитных колебаний (ультрафиолетовых, световых и инфракрасных лучей). 2.4.4. Установившийся режим нагрева Процесс нагрева считается установившимся, если с течением времени температура аппарата и его частей не изменяется. а) Расчёт сечения неизолированного проводника. Сопротивление круглого проводника где: ρ.- удельное сопротивление материала при 0°С; d - диаметр проводника; l - его длина; α - температурный коэффициент сопротивления; - допустимая температура в номинальном режиме. , где - удельный обобщенный коэффициент теплоотдачи. Выбирая диаметр с некоторым запасом, рассчитываем коэффициент добавочных потерь и окончательную проверку для проводников прямоугольного сечения (шин) где а и b - стороны сечения. Из конструктивных соображений и из условий механической прочности задаются соотношением (в пределах 3 – 10) и Определив затем а, находят и проводят проверку с учетом этого коэффициента. б) Нагрев изолированных токоведущих частей. Результирующее тепловое сопротивление где: - температура поверхности проводника; - температура окружающей среды; - тепловой поток в единицу времени через боковую поверхность; - тепловое сопротивление изоляции; - тепловое сопротивление перехода от наружной стенки к окружающей среде; D - диаметр изоляции; λ - удельная теплопроводность изоляционного материала. в) Нагрев катушек. , где - превышение температуры (тах. значение). , где: - мощность потерь в единице объема катушки; - внутренний радиус катушки; - внешний радиус катушки; - высота катушки; - средний радиус. Максимальная температура провода 2.4.5. Нагрев аппаратов в переходных режимах Процесс нагрева и охлаждения аппаратов описывается уравнениями энергетического баланса. Различают кратковременный режим работы, перемежающийся и повторно-кратковременный. а) Нагрев при кратковременном режиме работы. Кратковременный - режим работы аппарата, когда при включении температура его не достигает установившейся. Время , где: Т - время, в течение которого тело нагрелось бы до установившейся температуры при условии отсутствия отдачи тепла в окружающую среду; - допустимое значение температуры токоведущих частей; - установившееся значение превышения температуры при токе допустимом кратковременного режима ; ; Для характеристики кратковременного режима вводится понятие коэффициента перегрузки . б) Перемежающийся и повторно-кратковременный режимы работы. Наиболее общим является перемежающийся режим, когда после кратковременного нагрева аппарата величина тока падает и температура его снижается. По прошествии некоторого времени максимальные превышения температуры и минимальные превышения соседних циклов станут одинаковыми. , где - время первого цикла установившегося тока Частным случаем перемежающегося режима является повторно-кратковременный режим, при котором , Для характеристики повторно-кратковременного режима вводится понятие - продолжительность включения ПВ или ПВ%: где - время цикла. С учетом коэффициента перегрузки по току . 2.4.6. Нагрев аппаратов при коротком замыкании При расчете температуры элементов аппаратов в режиме короткого замыкания благодаря малой длительности этого режима можно пренебречь теплом, отдаваемым во внешнюю среду, и считать, что все тепло расходуется на повышение температуры проводника. В этом случае энергетический баланс проводника, имеющего сопротивление R и массу М, выражается уравнением Ввиду того, что температура может достигать больших значений (300°С), необходимо учитывать изменение как сопротивления R, так и удельной теплоёмкости С от температуры. Изменение сопротивления проводника от температуры , где: - коэффициент добавочных потерь; - удельная теплоемкость при О°С; α - температурный коэффициент сопротивления материала; q - сечение проводника; l - длина проводника. Зависимость удельной теплоемкости от температуры , где: - удельная теплоемкость при О°С; β - температурный коэффициент теплоемкости. Выразив и подставив в эти выражения после упрощения имеем В результате интегрирования получим где: δ - плотность тока; и - значения интеграла правой части при верхнем () и нижнем () пределах интегрирования. С целью упрощения расчетов построены кривые для различных материалов. С помощью этих кривых легко произвести расчет на термическую стойкость аппарата. В соответствии со свойствами проводника и изоляции выбирается допустимая температура при коротком замыкании , и при номинальном токе . С помощью кривых находим и , соответствующие температурам и. Зная можно при данных t и I определить сечение проводника q, либо при известных t и q найти допустимый ток короткого замыкания. Если известен допустимый ток при времени , то допустимый ток при времени Уравнение не учитывает теплоотдачу в окружающую среду, поэтому им можно пользоваться при времени не более 10 c. Если используется материал, для которого нет кривых, аналогичных, то при расчёт термической устойчивости производят по формуле При коротком замыкании вблизи генератора из-за переходных процессов величина переменной составляющей тока, протекающего через аппарат, меняется. В этом случае расчет термической стойкости ведется по установившемуся току короткого замыкания∞ Время прохождения установившегося тока ∞ принимается равным фиктивному времени Фиктивное время - это время, при котором тепло, выделяющееся при прохождении установившегося тока ∞ равно теплу, выделяющемуся при прохождении реального тока за реальное время протекания. Фиктивное время для периодической составляющей тока короткого замыкания находится с помощью кривых. Для данного генератора определяют ( - действующее значение сверхпереходного тока) и зная действительное время прохождения тока и β, находят Фиктивное время для апериодической составляющей тока может быть определено Фиктивное время 2.4.7. Допустимая температура частей электрических аппаратов Предельные температуры элементов аппаратов определяются свойствами применённых проводниковых и изоляционных материалов, длительностью воздействия и назначением аппарата. Температура элементов аппарата в длительном режиме складывается из температуры окружающей среды и превышения температуры: Согласно ГОСТ наибольшая температура окружающей среда принята +4О°С. Если >4О°С, то токовая нагрузка аппарата должна быть снижена таким образом, чтобы предельные температуры находились в соответствии с ГОСТ (уменьшается допустимое превышение температуры). Допустимый ток при ≠4О°С определяется формулой . Если <40°С, то токовая нагрузка аппарата может быть увеличена, но не более чем на 20% с таким расчетом, чтобы предельные температуры были в соответствии с ГОСТ. Шины, присоединяемые к аппаратным зажимам, должны иметь температуру ниже, чем эти зажимы, для того, чтобы создавать отвод тепла от контактов. 2.4.8. Термическая стойкость электрических аппаратов Токоведущие части, рассчитанные и выбранные по длительному режиму, должны быть проверены на термическую стойкость при коротком замыкании с помощью рассмотренных зависимостей и кривых. При расчете берется наиболее тяжелый случай - к моменту начала короткого замыкания элемент аппарата нагрет длительным током до предельно допустимой температуры этого режима. Поскольку ток термической стойкости зависит от длительности его прохождения, то термическая стойкость относится к определенному времени. В РФ ток термической стойкости обычно относят ко времени 1; 3; 5 и 10 с в зависимости от параметров аппарата. Связь между токами термической стойкости для различных времен определяется равенством . ЛЕКЦИЯ № 8 3.1. Электромагнитные контакторы переменного тока 3.1.1. Назначение контакторов. 3.1.2. Классификация контакторов. 3.1.3. Область применения контакторов. 3.1.4. Узлы контактора и принцип его действия; физические явления, происходящие в электрическом аппарате. 3.1.5. Параметры контакторов. 3.1.1. Назначение контакторов Контакторы - это ЭА дистанционного действия, предназначенные для частых, включений и отключений силовых электрических цепей при нормальных режимах работы. Замыкание или размыкание контактов контактора осуществляется чаще всего под воздействием электромагнитного привода. Условные графические обозначения: обмотка (катушка) (ГОСТ 2.756-76) Контакты: а) замыкающий (ГОСТ 2.755-74) б) размыкающий Буквенные коды элементов контактора (ГОСТ . -первая буква кода (обязательно) - К. Двухбуквенный код -КМ (контактор, магнитный пускатель). 3.1.2. Классификация контакторов В зависимости от рода привода контакторной системы различают контакторы электромагнитные, пневматические и гидравлические. Пневматические и гидравлические контакторы, где открытие или закрытие прохождения воздуха осуществляется электромагнитом или каким-либо другим дистанционных способом здесь не рассматривается. Контакторы различаются по роду тока: постоянного, переменного (частотой 50 и 60 Гц) , а также переменного тока повышенной частоты (до 10 кГц) . Они могут выполняться с управлением на постоянном или переменном тою частотой 50 и 60 Гц независимо от рода главной цепи. Контакторы постоянного тока предназначены для коммутации цепей постоянного тока и, как правило, приводятся в действие электромагнитом постоянного тока. Контакторы переменного тока предназначены для коммутации цепей переменного тока. Электромагниты этих контакторов могут быть как переменного, так и постоянного тока. По наибольшей частоте включений в час и повторно-кратковременном режиме работы контакторы делятся на классы 0; 3; 1,3; 10; 30, что соответствует частоте 30, 120, 300, 1200, 3600 включений в час. Нормированная механическая износостойкость достигает 30 млн. циклов, коммутационная износостойкость должна быть не менее 0,1 механической. Контакторы в основном выполняются по 10-му классу и на соответствующую механическую износостойкость . 3.1.3. Область применения контакторов Электромагнитные контакторы получили широкое распространение, они являются основными коммутирующими аппаратами схем автоматизированного электропривода. Изготовляются контакторы главным образом на токи дс 630 А, напряжением 220, 440 В постоянного тока и 380, 660 В частотой 50 и 60 Гц переменного тока, частотой включений 600, 1200 включений в час (10-ый класс) и соответствующей механической износостойкостью (10 - 15 и .1 - 5 млн. циклов). 3.1.4. Узлы контактора и принцип его действия; физические явления, происходящие в электрическом аппарате Контактор (рис. 3.1) имеет следующие основные узлы: контактную систему, дугогасительное устройство, электромагнит и систему вспомогательных контактов. Рис. 3.1. Прямоходовой контактор Главные контакты осуществляют v размыкание силовой цепи. Дугогасительная система обеспечивает гашение электрической ду­и, возникающей при размыканш главных контактов. Электромагнитная система обеспечивает дистанционное управление контактором, т.е. включение и отключение. При подаче напряжения на обмотку электромагнита контактора его якорь притягивается. Подвижный контакт, связанный с якорем электромагнита, замыкает или размыкает главную цепь. Вспомогательные контакты производят переключения в цепях управления контактора, блокировки и сигнализации. Они рассчитываются на продолжительное проведение тока не более 20 А и отключение тока не более 5 А. На рис. (рис. 3.1) изображена конструктивная схема контактора прямоходового типа. При подаче напряжения на обмотку 6 электромагнитного привода возникает магнитный поток Ф, который развивает электромагнитную силу и притягивает к полюсам 5 верхний якорь 4. Вместе с ним переместится вниз контактный элемент 2, мостиковые контакты 2 и 3 замкнут цепь тока I0. Контактная пружина обеспечит необходимую силу нажатия Рк в замкнутых контактах. Для отключения аппарата снимается напряжение с обмотки 6. Тогда исчезнет электромагнитная сила привода и силой Рп отключающей пружины подвижная система переместится вверх, а цепь ток I0 будет разорвана контактами 2 и 3. Возникающие при отключении тока электрические дуги между контактами 2 и 3 гасятся в дугогасительном устройстве 1. 3.1.5. Параметры контакторов Основными техническими параметрами контакторов являются: IНОМ главных контактов, предельный отключаемый ток, UНОМ коммутируемой цепи, механическая и коммутацион­ная износостойкость, допустимое число включений в час, собственное время включения tB и отключения t0. IНОМ контактора - это ток, который можно пропускать по замкнутым главным контактам в течении 8 часов без коммутаций и без превышения допустимой температуры различных частей контактора. Номинальный рабочий ток контактора IНОМ.Р. - это допустимый ток через его замкнутые главные контакты в конкретных условиях применения. Так, например, IНОМ.Р. контактора для коммутации асинхронных двигателей с к.з. ротором выбирается из условия включения шестикратного пуско­ого тока двигателя. UHОМ называется наибольшее напряжение коммутируемой цепи, для работы при котором предназначен контактор. Способность контактора обеспечить работу при большем числе операций характеризуется износостойкостью. Различают механическую и коммутационную износостойкость. Механическая износостойкость определяется числом циклов включений - отключение контактора без ремонта и замены его узлов и деталей. Ток в цепи при этом равен нулю. Механическая износостойкость современных контакторов составляет (10 - 20)106 операций. Коммутационную износостойкость определяется числом включений и отключений цепи с током, после которого требуется замена контактов. Современные контакторы должны иметь коммутационную износостойкость (2 - 3)106 операций. Собственное время включения (tB) состоит из времени нарастания потока в электромагните контактора до значения потока трогания и времени движения якоря. Для контакторов постоянного тока с IНОМ=100 A, tB = 0,14 с; для контакторов с IНОМ = 630 A, tB = 0,37 с. Собственное время отключения контактора t0 - время с момента обесточивания электромагнита контактора до момента размыкания его контактов. В контакторах постоянного тока с IНОМ = 100 A, tО = 0,07 с, в контакторах с IНОМ = 630 A, tО = 0, 33 с. ЛЕКЦИЯ № 9 3.1.6. Контакторы переменного тока, их конструкция и параметры 3.1.6.1.Контактная система. 3.1.6.2. Электромагнитные системы: физические явления, происходящие в электрических аппаратах. 3.1.6.3. Конструкция контакторов переменного тока. 3.1.6.4. Контакторы серии КТ6600. 3.1.6.5. Контакторы серии КТ64 и КТ65. 3.1.6.6.Контакторы серии МК. 3.1.6.7. Контакторы переменного тока на напряжение 1140 В. 3.1.6.8. Вакуумные контакторы. 3.1.6.9. Выбор, применение и эксплуатация контакторов. 3.1.6.1.Контактная система Контактная система. Выпускаются на IНОМ от 100 до 1000 А при числе главных контактов от одного до пяти. Наиболее распространены контакторы трехполюсного исполнения. Контакторы имеют вспомогательные контакты, которые приводятся в действие тем же электромагнитом, что и главные контакты. 3.1.6.2. Электромагнитные системы: физические явления, происходящие в электрических аппаратах а) Электромагнитные системы. Для уменьшения потерь от вихревых токов системы выполняются шихтованными, т.е. набираются из отдельных изолированных друг от друга пластин. Для устранения вибрации якоря система снабжена К.З. витком. Катушки низкоомные, с малым числом витков. Электромагнитная система независимо от типа состоит из сердечника, якоря, К.З. витка, катушки и крепежних деталей. б) Дугогасительные системы. Для контакторов с однофазным разрывом на фазу на U = 380 В и частоту до 600 вкл/ч применяется магнитное гашение в камерах с широкими щелями. Для контакторов тяжелого режима работы 1200 вкл/ч и более на U = 660 В широкое распространение получило электромагнитное гашение в камерах с узкими щелями, а так же комбинированных камерах - с узкими зигзагообразными и другими щелями в сочетании с пламегасительными решетками, где также исключается выброс дуги и ее пламени за пределы камеры. Особо следует отметить применение для контакторов переменного тока бездуговой коммутации, что во много раз повышает износостойкость контактов. Так, в контакторах с бездуговой коммутацией (шунтирование контактов тиристорами) в режимах коммутации, соответствующих категориям применения АС-3 и АС-4, достигается коммутационная износостойкость контактов не менее 5 млн. циклов, в то время как у контакторов с электромагнитным гашением она составляет 0,5 млн. циклов. 3.1.6.3. Конструкция контакторов переменного тока Кинематические схемы. Кинематические схемы современных контакторов переменного тока характеризуются большим разнообразием. Поворотные схемы применяются преимущественно в контакторах тяжелого режима работы и специальных, например в контакторах со смешанными контактами. Вращение в подшипниках скольжения не обеспечивает высокой механической износостойкости. Для достижения износостойкости 10 млн. циклов и выше переходят на вращение вала контактора на цапфах или призматических подшипниках. Последнее также облегчает сборку контактора, так как обеспечивает самоустановку вала. Широко применяется прямоходовая схема (рис.3.1, а). В ней исключаются промежуточные звенья и шарнирные соединения от якоря к контактам. Иногда контакты непосредственно связываются с якорем (рис.3.1,б). Якорь перемещается в направляющих, где трущейся парой является металл — пластмасса. Отсутствие каких-либо шарнирных соединений и подшипников позволяетполучить высокую механическую износостойкость. Однако за счет ударов в магнитной системе, непосредственно передаваемых контактам, здесь происходит дополнительный «вторичный» дребезг контактов, Для устранения которого необходимо применять специальные меры. Здесь трудно получить наилучшее соотношение между тяговой и механической характеристиками. Наряду с прямоходовой весьма широкое распространение получили схемы, в которых передача движения от электромагнита к контактам осуществляется через шарнирно-рычажные соединения. Существовавшее мнение, что шарнирные соединения (оси, втулки и т. п.) не обеспечивают достаточной механической износостойкости, практически опровергнуто. Высокая износостойкость (до 10 млн. циклов и выше) шарнирных соединений достигается правильным их расчетом и конструкцией, отсутствием ударов в них, правильным подбором трущейся пары, например применением в качестве трущихся деталей пары металл — пластмасса и т. д. Передача движения от электромагнита к контактам через рычажную систему позволяет подобрать желаемое соотношение плеч и достигнуть наиболее благоприятного соотношения между механической и тяговой характеристиками. Например, схема на рис.3.1, г, представляющая собой сочетание поворотной магнитной системы с прямоходовой контактной системой, позволяет получить снижение скорости контактов в момент их замыкания и соответствующее повышение нажатия на контакты. Такая кинематика дала возможность применить многоступенчатую контактную систему при четырехкратном разрыве на полюс без существенного увеличения размеров магнитной системы. Движущиеся во взаимно перпендикулярных плоскостях прямоходовые (рис. 3.1, в) или поворотные (рис. 3.1, д) контактные и магнитные системы приводят к снижению степени взаимного влияния ударов в каждой из систем. Кинематическая схема на рис. 3.1, е позволяет обеспечить при одинаковой по отношению к схемам на рис.3.1, а и б магнитной системе более высокое контактное нажатие. Однако в схеме на рис. 3.1, е следует ожидать более сильных ударов, для устранения вредного влияния которых необходимо применять специальные меры. Для нормальных условий работы (в основном категория АС-3) контакторы выполняются по кинематическим схемам, изображенным на рис. 3.1. Рис. 3.1. Характерные кинематические схемы контакторов переменного тока нормального режима работы: а,б,в - прямоходовая схема; г,д,е - поворотная схема магнитной системы. Для тяжелых режимов работы (АС-4) контакторы выполняются с поворотными кинематическими схемами на U до 660 В частотой 50 и 60 Гц. Эти контакторы пригодны для работы на постоянном токе до 440 В. Фактически это контакторы переменно-постоянного тока. Как пример таких контакторов приведем контакторы серии КТ6600 и ее модификации. 3.1.6.4. Контакторы серии КТ6600 Контакторы серии КТ6600 выпускаются на токи до 160 А, напряжение 660 В частотой 50 и 60 Гц и 440 В постоянного тока. Частота включений до 1200 вкл/ч, механическая износостойкость 10х106 циклов, коммутационная износостойкость 106 циклов. 3.1.6.5. Контакторы серии КТ64 и КТ65 Контакторы серии КТ64 и КТ65 выпускаются на токи до 630 А и те же напряжения и представляют собой комбинированный аппарат из контактора серии КТ 6600 и полупроводникового блока бездуговой коммутации. Механическая износостойкость (5...15)106 циклов, в зависимости от значения IНОМ, коммутационная износостойкость (КИ)5-10б циклов, а при коммутации IНОМ 15-106 циклов. Конструкция контакторов моноблочная с поворотной подвижной системой. 3.1.6.6.Контакторы серии МК Контакторы серии МК могут работать в цепях постоянного тока U до 440 В и в цепях переменного тока U до 660 В, частотой 50, 60 Гц при IН до 160 А. Электромагнитный привод контактора выполняется только на постоянном токе c U24-220 В. Для гашения дуги постоянного тока имеются две системы магнитного гашения с катушкой тока. Контакторы в зависимости от модификации могут иметь от одной до трех систем главных контакторов. Таким образом, контактор может работать в трехфазных цепях и при этом использоваться для пуска трехфазных асинхронных двигателей. Контактор имеет также четыре цепи вспомогательных замыкающих и размыкающих контактов. МИ контакторов с IН до 63А 16х106, с IН 100 А и 160А – 10х106 циклов. Допустимая частота срабатывания 1200 вкл/ч при ПВ=40%. Для увеличения износостойкости и надежности контакторов серии МК используется полупроводниковая приставка. Контакторы МК с приставкой предназначены для тяжелого режима работы АС-4 с частотой коммутации 1200 вкл/ч иболее. Их КИ составляет 5х106 циклов при IН = 63А и 3х106 циклов при IН = 100 А. 3.1.6.7. Контакторы переменного тока на напряжение 1140 В Электрическая схема контактора с бездуговой коммутацией приведена на рис. 3.2. Контактор имеет три основных контакта 1, 2, 3 и соответствующие Рис. 3.2. Принципиальная электрическая схема контактора с синхронизированным отключением дугогасительные контакты 1.1 и 1.2, 2.1, 3.1 и 3.2 с синхронизирующими катушками и диодами, обеспечивающими бездуговое отключение. Замыкание основных и дугогасительных контактов при включении контактора и удержании их в замкнутом состоянии осуществляется общим электромагнитным приводом с втягивающей катушкой 4. Основные подвижные контакты, как и в обычных контакторах, связанны жестко с приводом. Конструкция одного из полюсов, (В) здесь упрощена - основной контакт в нем шунтирован только одним дугогасительным контактом с синхронизирующим электромагнитом, диоды отсутствуют. По коммутационной способности контактор удовлетворяет требованиям ГОСТ 11206 - 77Е по категориям применения АС-3 и АС-4 при частоте включений до 1200 вкл/ч. 3.1.6.8. Контакторы переменного тока вакуумные Вакуумные контакторы имеют герметичное ДУ, с помощью которого отключение коммутируемой цепи происходит в вакуумной среде за один-два полупериода. Разработаны на т­ки до 630 А, напряжение до 1140 В частотой 50 и 60 Гц, на частоту включений до 1200 вкл/ч. Контакторы вакуумные обеспечивают высокую коммутационную способность. Например, у контактора на IH 400A, при U = 660 -1140 В соответственно ток включения 8800 - 6500 Af ток отключения 4800 - 3450 А, ток динамической стойкости 10000 А, термическая стойкость 8000 А2с. На такой основе созданы трехфазные контакторы типов КТ12РЗЗ и КТ 12Р37 с IН 160 А и 400 А и UH 660 и 1140 В. Контакторы предназначены для работы в режимах АС-3 и АС-4 при числе циклов 600 и 1200 в час с высокой износостойкостью. 3.1.6.9. Выбор, применение и эксплуатация контакторов 1. Важнейшей характеристикой контакторов (К) является режим коммутаций нагрузки. Характеристики режимов коммутации К следует использовать при их выборе. 2. Для К серии КПВ допустимый ток повторно кратковременного режима IДОП с учетом нагрева контактов можно определить по формуле IДОП = , где IHОМ - номинальный ток контактора для длительного режима работы; ПВ - продолжительность включения, %; п - число включений в час. В ряде случаев заводом-изготовителем указываются допустимые коммутируемые токи К при различных режимах работы и различном напряжении коммутируемой цепи. 3. Колебания напряжения на катушке К в эксплуатации должны находиться в пределах, гарантируемых заводом-изготовителем (обычно +10 и -15% номинального значения) . При заказе контактора необходимо указать его тип, напряжение и ток цепи главных контакторов (частоту, если ток переменный), число и исполнение вспомогательных контактов (замыкающих и размыкающих), напряжение катушки, климатическое исполнение и категорию размещения. Ток, например, для контактора серии МК для тока 40А частотой 50 Гц и напряжением 380 В, предназначенного для работы в зоне умеренного климата в закрытом помещении, следует написать: контактор МК1, 380 В, 50 Гц, 40А (главные контакторы), один замыкающий контакт; вспомогательные контакты: два замыкающих и два размыкающих; катушка 24 В. Исполнение УЗ. ЛЕКЦИЯ № 10 3.2. Электромагнитные контакторы постоянного тока 3.2.1. Режимы работы контакторов, физические явления, происходящие в электрических аппаратах. 3.2.2. Контакторы постоянного тока, их конструкция и основные параметры. 3.2.3. Контакторы серии КПВ-600. 3.2.4. Контакторы типа КТПВ-600. 3.2.5. Контакторы типа КМВ. Контакторы серии КП81. 3.2.6. Выбор, применение и эксплуатация электрических аппаратов. 3.2.1. Режимы работы контакторов, физические явления, происходящие в электрических аппаратах Коммутационная способность контакторов определяется и регламентируется условиями работы. В настоящее время частота коммутации в схемах электропривода достигает 3600 в час. Этот режим работы является наиболее тяжелым. Основными операциями управления электроприводами является пуск, реверсирование, торможение, отключение. На переменном токе это означает: 1) включение при IHОМ и Cos = 0,3...0,4 шестикратных и реже десяти - двенадцатикратных IHОМ при пуске и реверсе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; 2) отключение IHОМ при U до 0,2UHОМ двигателей, вращающихся с полной (или близкой к ней) частотой вращения, или 6-10 кратных токов при (1.. .1,l)UHОМ и Cos = 0,3...0,4, если двигатель не тронулся или только тронулся (n < 0,2 nном). В этих режимах износ контакторов при замыкании может превосходить износ при размыкании. Аналогичная картина имеет место при управлении двигателями постоянного тока, однако пусковые и отключаемые токи не разогнавшихся двигателей здесь находятся в пределах 2,5-4 IHОМ, а восстанавливающееся на контактах напряжение при отключении двигателя составляет 0,1UHOМ. ГОСТ 11206-77 нормирует коммутационную способность контакторов общего назначения переменного тока по четырем категориям применения АС-1-АС-4, а контакторов постоянного тока - по пяти категориям применения ДС-1-ДС-5. Для контакторов существует еще один режим редких коммутаций, характеризуемый более тяжелыми условиями, чем при нормальных коммутациях [ток включения достигает 10IHОМ]. Такие режимы возникают довольно редко (например, при КЗ). 3.2.2. Контакторы постоянного тока, их конструкция и параметры Контакторы постоянного тока выпускаются в основном на UHОМ 220 и 440 В, токи 630 А, одно и двухполюсные, а также многополюсные со смешанными (замыкающими и размык ающими) конт акт ами. Основные направления развития контакторов - повышение коммутационной способности, механической и коммутационной износостойкости. Контактные системы контакторов одноступенчатые, рычажные. Дугогасительные системы построены на принципе гашения электрической дуги поперечным магнитным полем в камерах с продольными щелями. Магнитное поле гашения в подавляющем большинстве конструкций возбуждается последовательной дугогасительной катушкой. 3.2.3. Контакторы серии КПВ-600 Имеют два исполнения контактной системы: с замыкающими и размыкающими главными контактами. В первом исполнении замыкание главных контактов производится при подаче напряжения на обмотку электромагнита, а размыкание - под действием возвратной пружины, Во втором исполнении контакты замыкаются под действием пружины, а размыкание контактов происходит при подаче напряжения на обмотку электромагнита. В обесточенном состоянии обмотки контакты замкнуты. Рис. 3.2.1. Характеристика противодействующих усилий контактора КПВ-600 Характеристика противодействующих усилий, приведенных к якорю электромагнита, для контактора КПВ-600 приведена на рис. 3.2.1, где — угол поворота якоря. Отрезки ординаты этой кривой представляют соответственно: 1 — силу тяжести, 2— силу возвратной пружины, 3— силу контактной пружины; 4 — результирующая противодействующая характеристика. Наиболее тяжелым моментом при включении является преодоление силы в момент касания главных контактов, так как электромагнит должен развивать значительное усилие при большом рабочем зазоре. Важным параметром контактора является коэффициент возврата kВ=U0TП/UСР. Для контакторов постоянного тока kВ, как правило, мал (0,2—0,3), что не позволяет использовать контактор для защиты двигателя от снижения напряжения. Наибольшее напряжение на катушке не должно превы­шать 110% UHOМ.,так как при большем напряжении увеличивается износ контактов из-за усиления ударов якоря, а температура обмотки может превысить допустимое значение. 3.2.4. Контакторы типа КТПВ-600 Применяются для реверса а. двигателей при большой частоте включений в час (до 1200). В этих контакторах сдвоенные полюса, подвижные контакты изолированы от корпуса, что делает более безопасным обслуживание аппарата. Для пуска, останова и реверса двигателя используются три контактора такого же типа. При неполадках и отказе одного контактора подается напряжение только на одну фазу двигателя, что не приводит к его включению. Контакторы с двухполюсной контактной системой очень удобны для закорачивания сопротивлений в цепи ротора а. двигателей. В контакторах при IH = 600A устанавливаются два параллельно работающих электромагнита для того, чтобы развить необходимую силу.... 3.2.5. Контакторы типа КМВ. Контакторы серии КП81 а) Контакторы типа КМВ. Предназначены для включения и отключения мощных электромагнитов постоянного тока масляных выключателей. Применяется двухполюсная контактная система. Такая система включенная в оба провода сети постоянного тока, обеспечивает надежное отключение индуктивной нагрузки, т.к. в отключенную цепь вводятся два дуговых промежутка. б) Контакторы серии КП81. Рассчитаны на токи до 630 А и напряжение 220 В. Применено бездуговое гашение с использованием тиристоров и силовых диодов. Контакторы построены на базе серийных контакторов КТП 6000 с полупроводниковыми блоками БПК51. При этом допускается отдельное от контактора расположение блока на расстоянии до 1,5 м. Контакторы обеспечивают бездуговую коммутацию токов нагрузки до 2,5 IHОМ при постоянной времени до 10 мл с, а в режиме редких коммутаций – до 10 IHОМ. Коммутационная износостойкость контакторов в режиме нормальных коммутаций при частоте включений до 2000 вкл/ч составляет 5 млн. циклов (ранее при "дуговой" коммутации 0,5-1 млн. циклов). 3.2.6. Выбор электрических аппаратов Выбор контакторов постоянного тока осуществляется по тем же правилам, что и контакторов переменного тока. ЛЕКЦИЯ № 11 3.3. Пускатели магнитные 3.3.1. Назначение магнитных пускателей. 3.3.2. Основные требования и условия работы; физические явления, происходящие в электрических аппаратах. 3.3.3. Конструкция и схема включения. 3.3.4. Магнитные пускатели серии ПМЛ. 3.3.5. Пускатели серии ПМА. 3.3.6. Нереверсивные пускатели. 3.3.7 Схема включения нереверсивного пускателя. 3.3.8. Реверсивный магнитный пускатель. 3.3.9. Схема включения реверсивного пускателя. 3.3.10. Выбор магнитных пускателей. 3.3.1. Назначение магнитных пускателей Магнитным пускателем называется ЭА, предназначенный для nyска и отключения КЗ асинхронных двигателей. 3.3.2. Основные требования и условия работы; физические явления, происходящие в электрических аппаратах 1. Работа асинхронных двигателей в значительной степени зависит от таких свойств, как износостойкость, коммутационная способность, надежность зашиты двигателя от перегрузок. В процессе эксплуатации довольно часто обрывается одна из фаз трехфазного питающего напряжения, например, из-за перегорания предохранителя. К двигателю при этом подводится только две фазы и ток в в статоре резко возрастает, что приводит к выходу его из строя из-за нагрева обмотки до высокой температуры. Тепловые реле пускателя от этих токов должны срабатывать и отключать двигатель. 2. При включении двигателя пусковой ток в 6 раз превышает номинальный. При таком токе даже незначительная вибрация контактов быстро выводит их из строя. Это накладывает высокие требования в отношении вибрации и износа контактов. С целью уменьшения времени вибрации контакты и подвижные части контакторов МП делаются возможно легче, уменьшается их скорость, увеличивается контактное нажатие. 3. После разгона двигателя ток падает до номинального значения. Поэтому отключение работающего двигателя происходит при меньшей токовой нагрузке контактов. 4. Нередки случаи, когда двигатель необходимо отключить сразу после пуска. В этих случаях контактор пускателя отключает ток, равный 6 - ному номинальному при низком коэффициенте мощности (Cos 0,3) и восстанавливающемся напряжении, равном номинальному напряжению сети. По действующим нормам после 50 - кратного включения и выключения заторможенного двигателя пускатель должен быть пригоден для дальнейшей работы. 4. Электрическая износостойкость контакторов пускателя обратно пропорциональна мощности управляемого двигателя в степени 1,5 - 2. Для повышения срока службы пускателя его необходимо выбирать на ток, превышающий номинальный ток двигателя. 5. Двигатель меньшей мощности быстрее достигает номинальной частоты вращения. Поэтому при его отключении разрывается установившийся номинальный ток, что облегчает работу пускателя и повышает допустимой число включений в час. 6. С учетом широкого распространения магнитных пускателей большое значение приобретает снижение потребляемой ими мощности, которая расходуется в электромагните контактора и других элементах схемы (тепловые реле и т.д.). Потери мощности в электромагните составляют примерно 60, в тепловых реле 40% общих потерь пускателя. 3.3.3. Конструкция и схема включения а) Магнитный пускатели. Магнитный пускатель на номинальный ток 10 А (рис. 3.1, а) имеет мостиковую контактную систему (позиции 3, 9, 11) с металлокерами-ческими контактами 4, расположенными в ДУ 1. Контактное нажатие создается пружиной 14, упирающейся в траверсу 2. На контакты воздействует электромагнит 10 с Ш-образным магнитопроводом и короткозамкнутым витком 13, расположенным на неподвижной части магнитопровода 6. Возвратная пружина 7 расположена внутри электромагнита. На его среднем стержне размещена катушка 8. При IНОМ > 10 А ДУ выполняется в виде дугогасительной решетки на каждом разрыве. В системе вспомогательных контактов можно установить до четырех дополнительных контактов 5 (рис. 3.1,б). Детали пускателя прикреплены на основании 11. Рис. 3.1. Магнитный пускатель серии ПМЛ б) Тиристорные пускатели. Бесконтактные тиристорные пускатели находят широкое применение во взрыво- и пожароопасных производствах и других областях техники, требующих высокой надежности. Силовой блок пускателя содержит силовые тиристоры и диоды, рассчитанные на номинальный и пусковой токи двигателя (рис. 3.2). При подаче сигнала управления на электроды тиристоры открываются и двигатель подключается к сети. В отрицательный полупериод, когда тиристоры закрываются отрицательным анодным напряжением, ток двигателя проходит по диодам. Диоды могут быть заменены тиристорами. Рис.3.2. Тиристорный пускатель При снятии сигнала управления (при перегрузке, потере фазы, нажатии кнопки "Стоп") тиристоры закрываются. Следующий период тока пропускается диодами. После этого диоды закрываются и двигатель отключается от сети. Защита двигателя и силовых тиристоров от токов КЗ в данном пускателе осуществляется быстродействующими предохранителями типа ПНБ-5. По сравнению с контактными тиристорный пускатель обладает следующими преимуществами: 1. Отсутствие электрической дуги при коммутациях делает аппарат незаменимым в во взрывоопасных и пожароопасных средах. мВысокая электрическая износостойкость (15*10 циклов) 2. Совершенная защита от токов перегрузки и КЗ, а также при потере фазы, что обеспечивает увеличение срока службы двигателя. 3. Допустимое число включений достигает 2000 в час. 4. Длительность отключения не превышает 0,02с. 5. Высокая надежность и долговечность, а также отсутствие необходимости в уходе при эксплуатации. Недостатками тиристорного пускателя является сложность схемы, большие габариты и высокая стоимость. 3.3.4. Магнитные пускатели серии ПМЛ а) МП серии ПМЛ. Работают в сети переменного тока напряжением 600 В при IН от 10 до 200 А. Коммутационная износостойкость пускателя на 200 А составляет 2х106 при 600 вкл/ч и том же UH для категории применения АС-4. При U 660 В износостойкость та же при 300 вкл/ч. При IНОМ < 10 А износостойкость при IР < IНОМ N Р = NHOM . При IНОМ > 10 А N Р = NHOM (IНОМ / IР ), где NHOM - износостойкость при номинальном токе IНОМ. МП имеет мостиковую контактную систему с металлокерамическими контактами, расположенными в ДУ. При IHOM > 10A ДУ выполняется в виде дугогасительной решетки на каждом разрыве. В корпусе пускателя устанавливается тепловое трехфазной реле типа РТЛ, позволяющее регулировать ток срабатывания. 3.3.5. Пускатели серии ПМА б) Пускатели серии ПМА. На токи 40 - 160 A, U 380- 660 В. Электромагнит в пускателях может быть как переменного так и постоянного тока. Частота включений достигает 1200 вкл/ч. Коммутационная износостойкость составляет от 0,5 до 2, 5х10 циклов в зависимости от условий работы. 3.3.6. Нереверсивные пускатели Магнитный пускатель (МП) относительно простое комплектное устройство, содержащее один (нереверсивный пускатель) или два (реверсивный пускатель) контактора, кнопки управления («Пуск», «Стоп»), электротепловые реле. Контакторами производится коммутация силовой цепи. Тепловые реле осуществляют защиту от перегрузок и "потери фазы". Аппараты устанавливаются на плите или раме (открытое исполнение) или размещаются в ящике (закрытое исполнение). В пускателях используются контакторы категории применения АС-2 и АС-3. В технических данных указывается не только номинальный ток пускателя, но и мощность электродвигателя, с которым он может работать при разных напряжениях. 3.3.7. Схема включения нереверсивного пускателя В схеме пускателя, приведенной на рис. 3.3, в двух фазах двигателя М включены нагревательные элементы тепловых реле КК1, КК2. Тепловые реле защищают двигатель от перегрузки, а предохранители FU1—FU3 защищают питающую сеть от КЗ в двигателе. Главные контакты КМ1—КМЗ пускателя включены последователь­но с предохранителями FU1—FU3. Катушка КМ контактора подключается к сети через контакты тепловых реле и кнопки управления «Пуск» и «Стоп». При нажатии кнопки «Пуск» (SB2) напряжение на катушку КМ подается через замкнутые контакты кнопки «Стоп» и замкнутые контакты тепловых реле. При срабатывании контактора замыкаются вспомогательные контакты КМ, шунтирующие замыкающие контакты кнопки «Пуск», которую после этого можно отпустить. Для отключения двигателя нажимается кнопка «Стоп» (SB1), после чего контакты КМ1—КМЗ размыкаются. При токовой перегрузке двигателя срабатывают КК1, КК2, контакты которых разрывают цепь катушки КМ. При этом контакты КМ1—КМЗ размыкаются и двигатель отключается. Рис. 3.3. Схема включения нереверсивного пускателя Высокий коэффициент возврата электромагнитов контакторов ~ тока позволяет защищать двигатель от понижения напряжения сети [электромагнит отпускает при U = (0,6-0,7)UHOМ]. При восстановлении напряжения сети до номинального значения самопроизвольного включения пускателя не происходит, т.к. после размыкания контакта КМ4 цепь катушки КМ не замкнута. 3.3.8. Реверсивный магнитный пускатель Реверсивный пускатель. Такой пускатель помимо пуска и защиты двигателя обеспечивает его реверс с помощью изменения последовательности фаз. Пускатель содержит два контактора, якоря которых соединены между собой рычагом механической блокировки. Для того, чтобы катушка контактора не вышла из строя, механическая блокировка дополняется электрической. 3.3.9. Схема включения реверсивного пускателя Реверсивное управление асинхронным электродвигателем с КЗ ротором, осуществляется контакторами КМ1 и КМ2 реверсивного МП показано на рис. 3.4, а, б. Цепи 1 управления и цепи 2-4 сигнальных ламп HLR, HLR и HLG питаются от той же сети, что и электродвигатель М. В цепи 1 общими для участков катушки КМ1 1-го контактора и КМ2 2-го контактора является кнопка отключения STB и контакт электротеплового реле КК. В исходном положении горит лампа HLG, указывая на отключенное состояние обоих контакторов (ее цепь замкнута через их размыкающие контакты КМ1:3 и КМ2:4) и электродвигателя М. Для включения электродвигателя М с вращением в одну сторону нажимают кнопку SBC1 и ее контакт ЗВС1:1 в цепи катушки контактора КМ1 замыкается, а контакт SBC1:2 в цепи катушки контактора КМ2 размыкается. При этом замыкается цепь включения контактора КМ1, который срабатывает, включая двигатель М. При срабатывании контактора КМ1 замыкается его вспомогательный контакт КМ1:1, шунтируя контакт SBC1, в результате чего при отпускании этой кнопки контактор КМ1 и двигатель М остаются во включенном состоянии. Рис. 3.4. Принципиальная схема управления асинхронным двигателем: а - силовые цепи; б - цепи управления Для включения электродвигателя М с вращением в другую сторону нажимают кнопку SBC2, и ее контакт SBC2:1 в цепи в цепи катушки контактора КМ2 замыкается, а контакт SBC2:2 в цепи катушки контактора КМ1 размыкается. Контактор КМ2 при этом срабатывает, электродвигатель включается и начинает вращаться, но в другую сторону, поскольку чередование фаз подводимых к обмотке, изменяется: к выводам Cl, C2 и СЗ подводятся соответственно фазы А, С, В электрической сети (в первом случае подводились фазы А, В, С) Для отключения электродвигателя нажимают кнопку SBT, разрывая тем самым цепь 1, в которую включены обмотки обеих контакторов. При перегрузке двигатель отключается реле КК, контакт которого входит в цепь 1. При срабатывании контактора КМ1 его вспомогательные контакты КМ1:2 замыкаются, а КМ1:3 размыкаются, лампа HLG, сигнализирующая об отклю­енном состоянии двигателя М, гаснет, лампа LHR1 загорается, указывая что он включен и вращается например "вперед". При срабатывании контактора КМ2,его вспомогательный контакт КМ2:2 замыкается, а КМ2:3 размыкается, лампа HLG гаснет, а лампа HLR2 загорается, указывая, что он включен и вращается в обратном направлении ("назад"). Введение в цепь включения контактора КМ1 размыкающего контакта SBC2:2 кнопки включения контактора КМ2 и его вспомогательного контакта КМ2:4, а в цепь включения контактора КМ2 размыкающего контакта SBC1:2 кнопки включения контактора КМ1 обеспечивает электрическую блокировку. Такая блокировка предотвращает одновременное включение обоих контакторов или включения одного из низ при включенном состоянии другого, что может привести к КЗ между фазами В и С сети. 3.3.10. Выбор магнитных пускателей 1. Пускатель необходимо выбирать на ток, превышающий номинальный ток двигателя. 2. Важнейшей характеристикой пускателей, как и контакторов, являются коммутации нагрузки. Характеристики режимов коммутации пускателей нагрузки следует использовать при их выборе. 3. При заказе пускателя следует указать его тип, напряжение и ток цепи главных контакторов, число и исполнение вспомогательных контактов, напряжение катушки, климатическое исполнение и категорию размещения . 4. Согласование тепловых реле и двигателя производится выбором номинального тока IHOM. НАГР нагревателя на ток, равный номинальному току двигателя: I ном. нагр. = Iном.дв 5. Применение тепловых реле целесообразно при длительности включения двигателя, превышающей 30 мин. 6. Тепловые реле в большинства случаев не защищают цепь от КЗ и требуют для своей защиты установки предохранителей или защиты с помощью электромагнитных реле или автоматов. ЛЕКЦИЯ №12 4.1. Электромагнитные реле 4.1.1. Назначение и область применения реле. 4.1.2. Классификация реле. 4.1.3. Принцип действия и устройство электромагнитных реле, физические явления в электрических аппаратах. 4.1.4. Основные характеристики и параметры реле. 4.1.5. Требования, предъявляемые к реле. 4.1.6. Согласование тяговых и противодействующих характеристик реле. 4.1.7. Электромагнитные реле тока и напряжения для защиты энергосистем, управления и защиты электропривода. 4.1.8. Выбор максимально-токовых реле. 4.1.1. Назначение и область применения реле Под реле понимают такой ЭА, в котором при плавном изменении управляющего (входного) параметра до определенной наперед заданной величины происходит скачкообразное изменение управляемого (выходного) параметра. Хотя бы один из этих параметров должен быть электрическим. Электромагнитные реле благодаря простоте конструкции и надёжности широко распространены в схемах автоматизированного электропривода и в схемах защиты энергосистем. 4.1.2. Классификация реле По области применения реле можно разделить на реле для схем автоматики, для управления и защиты электропривода и защиты энергосистем. По принципу действия реле делятся на электромагнитные, поляризованные, тепловые, индукционные, магнитоэлектрические, полупроводниковые и др. В зависимости от входного параметра реле можно разделить на реле тока, напряжения, мощности, частоты и других величин. Отметим, что реле может реагировать не только на входной параметр, но и на разность значений (дифференциальное реле), изменение знака или скорости изменения входного параметра. Иногда реле, имеющее только один входной параметр, должно воздействовать на несколько независимых цепей. В этом случае реле воздействует на другое, так называемое промежуточное реле, которое имеет необходимое число управляемых цепей. Промежуточное реле используется и тогда, когда мощность основного реле недостаточна для воздействия на управляемые цепи. По принципу воздействия на управляемую цепь реле делятся на контактные и бесконтактные. Выходным параметром бесконтактных реле является резкое изменение сопротивления, включенного в управляемую цепь. Разомкнутому состоянию контактов контактного реле соответствует большое сопротивление управляемой цепи бесконтактного реле. Это состояние бесконтактного реле называется закрытым. Замкнутому состоянию контактов контактного реле соответствует малое сопротивление в управляемой цепи бесконтактного реле. Такое состояние бесконтактного реле называется открытым. Контактные реле воздействуют на нагрузку путём замыкания или размыкания контактов в её цепи, а бесконтактные – путём скачкообразного изменения сопротивления выходной части реле (без механического разрыва цепи нагрузки). По способу включения реле различаются на первичные и вторичные. Первичные реле включаются в управляемую цепь непосредственно, вторичные — через измерительные трансформаторы. 4.1.3.Устройство и принцип действия и электромагнитных реле, физические явления в электрических аппаратах Электромагнитным реле называется реле, в котором тяговые усилия создаются энергией магнитного поля, возникающего при протекании электрического тока через катушки. Существует три основных разновидности электромагнитным реле: 1) нейтральные постоянного тока; 2) нейтральные переменного тока; 3) поляризованные. Нейтральным реле постоянного и переменного тока называется такое реле, у которого тяговое усилие на якоре, развиваемое магнитным потоком катушки, не зависит от направления тока в ней. Нейтральное электромагнитное реле постоянного тока (рис. 4.1,а) представляет собой электромагнитный механизм и ряд контактных групп. Рис. 4.1. Электромагнитные реле постоянного тока: а – нейтральное; б – поляризованное реле Магнитопровод электромагнита состоит из стальных сердечника 6 и подвижного якоря 3. На сердечнике помещается катушка с одной или несколькими обмотками 2. При прохождении по обмотке тока , превышающего ток срабатывания, якорь притягивается к сердечнику и замыкает контакты 5. При отсутствии тока якорь оттягивается от сердечника возвратной пружиной 1. Для предотвращения залипания якоря при = 0 на нём устанавливается немагнитная прокладка 4 (латунный штифт или пластина). Поляризованные реле отличаются от нейтральных электромагнитных реле зависимостью выходного сигнала от полярности входного, а также более высокими чувствительностью и быстродействием. Их конструктивной особенностью является наличие постоянного магнита, создающего эффект поляризации. В поляризованных реле в отличие от нейтральных действуют два независимых друг от друга магнитных потока: поляризующий магнитный поток Ф0, создаваемый постоянным магнитом или катушкой подмагничивания, питаемой от независимого источника постоянного тока, и рабочий магнитный поток Фр, создаваемый рабочими катушками. Главным их недостатком является малое число выходных (управляемых) цепей. Существует много разновидностей поляризованных реле. На рис. 4.1,б показано устройство поляризованного реле с дифференциальной магнитной цепью. По магнитопроводу 7 протекают два потока: рабочий поток Фр, созданный током в обмотках 1 и поляризующий Ф0 от постоянного магнита 2. Для указанной полярности напряжения, приложенного к обмоткам, магнитные потоки в левой части магнитопровода складываются, а в правой – вычитаются. Якорь 3 под действием результирующей силы перемещается влево. Вызывая замыкание контактов 4 и 5. При изменении полярности напряжения на обмотках результирующий поток будет больше в правой части магнитопровода, что вызывает перемещение якоря вправо и замыкание контактов 5 и 6. В рассмотренном реле якорь может занимать только два положения – левое или правое. Такое реле является двух позиционным. Если в конструкцию реле внести пружину, под действием которой якорь будет возвращаться при = 0 в среднее положение, то реле станет 3-х позиционным. В практике наиболее широко распространены реле типа РП, допускающие частоту переключений до 200 в секунду при МДС срабатывания 1 - 2 А. Длительный ток контактов 0,2 А; напряжение коммутируемой цепи 24 В. В нейтральных реле переменного тока имеет место пульсирующий магнитный поток и, следовательно, возникают потери на гистерезис и вихревые токи, что уменьшает тяговое усилие якоря. Кроме этого, за один период изменения тока тяговое усилие дважды становится равным нулю, что вызывает вибрацию якоря. Для уменьшения вибрации применяют либо реле специального типа (со сдвигом по фазе магнитных потоков – например, реле с КЗ витком), либо обычные реле постоянного тока, параллельно с катушкой которых включён конденсатор боль = 0 шой ёмкости (6 – 8 мкф). Поляризованные электромагнитные системы Поляризованные электромагнитные системы отличаются от рассмотренных выше наличием двух не зависящих друг от друга магнитных потоков: постоянного, не зависящего от состояния схемы, в которую включен механизм, и переменного, зависящего от состояния схемы, в которую включен механизм. Первый, поляризующий, поток Фп создается либо постоянным магнитом (рис. 5-13, а), либо электромагнитом с независимым питанием. Второй, рабочий, поток ФЭ создается электромагнитом. Значение и направление рабочего потока зависят от состояния схемы, в которую включен механизм. Принцип действия. Образованный магнитом 3 поляризующий поток Фп, пройдя через якорь 2, разветвляется. Одна его часть ФП1 проходит через зазор 1: и левую часть сердечника 1. Вторая его часть ФП2 проходит через зазор 2 и правую часть сердечника. Катушками 4 и 4', надетыми на сердечник и включенными согласно, создается рабочий поток. Основная его часть Фэ замыкается через весь воздушный зазор 1: + 2 и сердечник, охватывая обе катушки. Меньшие части этого потока Ф4 и Ф4 замыкаются через якорь, соответствующий воздушный зазор и часть сердечника, охватывая только одну катушку. Рис. 5-13. Принцип устройства поляризованной магнитной системы При наличии только одного поляризующего потока якорь отклонится к одному из полюсов магнита, так как с уменьшением зазора (в нашем примере 1) часть поляризующего потока в этом зазоре увеличится за счет уменьшения его доли в другом зазоре. При появлении рабочего потока в одном из зазоров будем иметь разность потоков, а в другом — сумму. В нашем примере в зазоре 1 — поток ФП1 — Фэ — Ф4 , в зазоре 2 — поток Фп2 + Фэ + Ф4. По мере увеличения рабочего потока поток в зазоре 1 будет все уменьшаться, а в зазоре 2 — увеличиваться. При каком-то соотношении потоков якорь перекинется на правую сторону, т. е. система сработает. Для возврата системы в исходное положение нужно изменить полярность тока (а, следовательно, и потока) в рабочих катушках. Можно настроить систему так, что якорь вернется в исходное положение при снижении рабочего потока и сохранении его полярности. Для этого необходимо, чтобы, перекинувшись вправо, якорь не переходил через нейтральное положение (рис. 5-13,б), т. е. чтобы при любом положении якоря один и тот же воздушный зазор оставался меньше другого (например, 1 < 2). Такая настройка называется настройкой на преобладание. В магнитной системе (рис. 5-13, в) якорь в зависимости от полярности тока в рабочей катушке может отклоняться в ту или другую сторону. При обесточенной катушке якорь вернется в нейтральное положение. 4.1.4. Основные характеристики и параметры реле а) Основные параметры. Основными параметрами электромагнитных реле являются: 1) параметр срабатывания xcр – значение входного параметра xcр (напряжения, тока и т.д.), при котором контакты из исходного состояния переходят в рабочее; 2) рабочий параметр – параметр xр (напряжение, ток), обеспечивающий надёжную работу контактов реле (xр всегда больше xcр); 3) величина отпускания – значение входного параметра xcр, при котором контакты реле переходят из рабочего состояния в исходное; 4) коэффициент запаса по срабатыванию кср = и по отпусканию котп. = ; 5) коэффициент усиления ку = , показывающий во сколько раз управляемая мощность (на контактах) Рконт больше управляющей мощности Ру, потребляемой катушкой; 6) время срабатывания tср – время с момента подачи команды на срабатывание до момента начала возрастания выходного параметра; 7) время отпускания tотп – время, необходимое для полного размыкания контактов после снятия питания с катушки; 8) уставка по входному параметру – значения параметров срабатывания или отпускания, на которые отрегулировано реле. б) Основные характеристики реле. Основными характеристиками электромагнитных реле являются: 1) тяговая (электромеханическая) Рэ = f () – зависимость тяговых усилий Рэ, создаваемых на якоре электромагнита магнитным полем катушки, от величины хода якоря (воздушного зазора); 2) нагрузочная (механическая) Рм = f () – зависимость сил реакции исполнительных и промежуточных органов реле от величины хода якоря ; 3) статическая Uвых = f (Uвх) – зависимость напряжения Uвых в цепи управления от величины напряжения Uвх, приложенного к катушке; 4) временная (характеристика переходного процесса) Iк = f (t) – зависимость тока в катушке Iк от времени при включении, работе и отключении реле. Первые три характеристики жёстко зависят от конструкции реле и в процессе настройки и эксплуатации могут быть изменены лишь в малых пределах. Временные характеристики, наиболее важные с точки зрения применения реле в качестве элемента автоматических и телемеханических систем, могут меняться в значительных пределах без изменения конструкции реле. Это достигается путём включения параллельно или последовательно с цепью катушки реле сопротивлений и емкостей. По виду статической характеристики реле разделяются на двух – и трёхпозиционные. Статическая характеристика двухпозиционного реле, имеющего два устойчивых состояния показана на рис. 4.2. На рис. 4.2 по оси абсцисс отложено значение входного параметра х, а по оси ординат — выходного параметра у. До тех пор, пока х<хСР, выходной параметр у равен нулю либо своему минимальному значению ymin (для бесконтактных аппаратов). Рис. 4.2. Характеристика управления реле Рис. 4.3. Выходной и входной параметры электромагнитного реле При х=хср выходной параметр скачком меняется от ymin до ymах.. Происходит срабатывание реле. Если после срабатывания уменьшать значение входного параметра, то при х хОТП происходит скачкообразное возвращение вы­одного параметра от значения утах до 0 или ymin — отпускание реле. Подобную характеристику имеют, например, электромагнитные реле. Входным сигналом для них является ток в обмотке или напряжение на ней, а выходным – ток или напряжение нагрузки, коммутируемой контактами реле. На рис. 4.3 даны зависимости входного iy и выходного iн параметров электромаг­итного реле от времени. Входным параметром в данном случае является ток в обмотке реле, выходным — ток в управляемой цепи (цепи нагрузки). Для рис. 4.3 принято, что включение обмотки реле происходит при t=0. При t = tтр якорь электромагнита реле трогается и начинает движение. В течение времени tдв якорь перемещается и в конце хода замыкается контакт в цепи нагрузки. Ток нагрузки iн возрастает от нуля до установившегося значения Iн. Время tтр = tтр + tдв называют временем срабатывания реле. После этого ток в обмотке реле продолжает расти до установившегося значения Iраб. При отключении реле из рабочего состояния tраб цепь его обмотки разрывается и ток в ней спадает. В момент времени tотп, когда усилие противодействующей пружины становится больше электромагнитного усилия, происходит отпускание якоря. Контакты реле разомкнутся после выбора провала контактов через время tпров.к. После размыкания контактов загорается дуга, которая погаснет через время tд и ток в нагрузке iн = 0. Время tотк = tотп + tпров.к. + tд называется временем отключения. 4.1.5. Требования, предъявляемые к реле К реле защиты энергосистем, для схем автоматики, а также для управления и защиты электропривода предъявляются требования селективности, быстродействия, чувствительности, высокой надёжности, механической и коммутационной износостойкости до (1 – 10)10циклов. 4.1.6. Согласование тяговых и противодействующих характеристик реле а) Согласование тяговых и противодействующих характеристик. Рассмотрим работу максимального реле постоянного тока с простейшей магнитной системой клапанного типа. На рис. 4.4 изображены тяговая и противодействующая характеристики реле. Противодействующие усилия создаются возвратной Р1 и контактными Р2 пружинами. Для срабатывания реле необходимо, чтобы тяговая характеристика РЭ1 во всех точках хода якоря шла выше суммарной противодействующей характеристики. РП = Р1 + Р2 . Рис. 4.4. Согласование характеристик электромагнитного реле Наименьшее значение тока, при котором кривая РЭ1 проходит выше зависимости Рп, называется током трогания IТР реле. Коэффициент запаса при этом кз = IРАБ / IСР и обычно составляет k3 = 1,4. Для того чтобы устранить залипание якоря, в магнитной системе всегда создается конечный зазор к. При этом зазоре тяговое усилие значительно превышает противодействующее (Ра—Р = Ризб). Срабатывание реле определяется точкой в (зазор = н), при котором РЭ1 идёт выше РП. Для отключения реле тяговая характеристика РЭ2чкой во всех точках должна быть ниже характеристики РП. При этом усилие, развиваемое противодействующими пружинами, больше электромагнитного усилия и якорь возвратится в начальное положение. Для реле защиты энергосистем и электропривода коэффициент возврата кв = IОТП /IСР 1. Для конечного зазора = к Ра= к1 I, где Ра – электромагнитное усилие при = к и токе срабатывания IСР ; к1 – конструктивный фактор. Для отпускания реле необходимо так уменьшить ток, чтобы развиваемое усилие Стало равно Р = к1 I, откуда кв = IОТП /IСР = . Рис. 4.5. Условия получения высокого коэффициента возврата Из рис. 4.5 Ра—Р = Ра – Ризб. Тогда Кв = . Поскольку Ризб 0 Кв 1. Для увеличения Кв необходимо максимально сблизить тяговую и противодействующую характеристики с целью уменьшения Ризб. 4.1.7. Электромагнитные реле тока и напряжения для защиты энергосистем, управления и защиты электропривода а) Реле защиты энергосистем. В схемах защиты энергосистем и крупных силовых установок (мощных электродвигателей, трансформторов) широко применяются реле серии РТ-40. Реле выпускаются на токи от 0,2 до 200 А. Время срабатывания составляет 0,03 с при I = 3Iср. Коэффициент возврата Кв 0,7. Потребляемая мощность от 0,2 до 8 В А. Мощность коммутируемой цепи 50 Вт постоянного тока при напряжении 220 В. На базе реле серии РТ-40 выпускаются реле максимального напряжения РН-51, РН-53 и минимальные реле напряжения РН-54. б) Реле тока и напряжения для управления и защиты электропривода. В качестве таких реле часто применяются реле постоянного тока серии РЭВ-300 благодаря большому к.и малому ходу якоря. в) Реле защиты электропривода. Основными требованиями, предъявляемыми к реле защиты электропривода, являются высокое быстродействие (tср. 0,05с),широкая регулировка тока срабатывания, вибро и ударостойкость. Для работы в электроприводах переменного тока предназначены реле серии РЭВ. Эти реле используются для защиты от токов КЗ, а, в совокупности с реле времени – для защиты от токовых перегрузок. Катушки токовых реле выполняются на Iном от 2,5 до 600 А. Регулирование уставки по току срабатывания производится изменением натяжения возвратной пружины и находится в пределах 110-700% Iном. Реле напряжения допускают регулировку уставки по напряжению срабатывания 70 – 85% Uном. . Кв токовых реле Кв = 0,2 – 0,4. Время срабатывания реле серии РЭВ 0,06с, время отпускания 0.07с. 4.1.8. Выбор, применение и эксплуатация максимально-токовых реле 1. Данные, указанные в паспортах реле и двигателя должны обеспечивать неравенство Iном. р Iном. дв , где Iном. р и Iном. дв – номинальные токи реле и защищаемого двигателя. Для двигателей, работающих в повторно-кратковременном режиме Iном. дв = Iном. дв. 25, где Iном. дв. 25 – номинальный ток двигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме при ПВ = 25%. 2. Схема включения КА приведена на рис. 4.6. Рис. 4.6. Схемы включения максимально-токовых реле 3. Уставка реле по току срабатывания должна быть Iуст. (1,3 – 1,5) I пуск , где I пуск - пусковой ток двигателя. 4. Для защиты двигателей с фазным ротором ток срабатывания выбирается из условия Iуст. (2,25 – 2,5) Iном. дв . 5. Если несколько двигателей с фазным ротором питаются через общий ввод (рис. 4.6,б), уставка реле КА1 и КА2 должна быть Iуст. (2,25 – 2,5) Iном. дв . Уставка реле КАО составляет I уст = (1,25 – 1,5)Iном. дв. 25 + Iном. дв. 25 , где Iном. дв. – номинальный ток двигателя наибольшей мощности (режим ПВ = 25%); Iном. дв. 25 - сумма номинальных токов всех двигателей, защищаемых КАО. Если двигатели включаются на длительный режим, то Iном. дв = Iном. дв. 25. 6. Коммутационная способность Nk КА должна соответствовать номинальным значениям тока и напряжения катушек контакторов КМ, КМ1, КМ2, в цепи которых включены реле. При выборе КА следует учитывать, что пусковой ток электромагнита контактора может быть в 10 – 15 раз больше установившегося значения и что этот ток контакты КА должны отключать. Ток отключения реле Iотк.р. (2,25 – 2,5) I кат тока катушки контактора. 7. Если токи цепи двигателей достаточно велики, то реле защиты включается в цепь с помощью трансформаторов тока ТА (рис. 4.6,в). 8. Для того, чтобы защитить двигатель при затянувшемся пуске (велика нагрузка на валу) или кратковременной пиковой перегрузке, КА воздействует на контактор через реле времени КТ (рис. 4.7), которое запускается с помощью реле КА4. При нормальном пуске или кратковременной перегрузке, безопасной для двигателя, время пуска или перегрузки меньше времени выдержки tкт и контактор КМ в цепи двигателя М не отключается. При этом реле КА4 отпадает и снимает напряжение с реле КТ. Если время пуска или перегрузки tпуск tкт, то контакты КТ размыкаются, контактор КМ отключается и двигатель М обесточивается. Такая схема может использоваться в схемах реверса двигателя. Рис. 4.7. Схема максимальной токовой защиты с реле времени 9. Ток уставки реле КА4 выбирается по условию I уст 0,75 I пуск . Ток возврата реле должен быть больше номинального тока двигателя на 30%. Номинальные токи реле и двигателя должны удовлетворять условию I ном.р. Iном. дв. ЛЕКЦИЯ № 13 4.2. ГЕРКОНОВЫЕ РЕЛЕ (ГР) 4.2.1. Назначение, принцип действия и устройство геркона; физические явления в электрическом аппарате. 4.2.2. Основные параметры герконового реле. 4.2.3. Конструкции герконовых реле. 4.2.4. Реле тока на герконе. 4.2.5. Поляризованные ГР. 4.2.6. Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана. 4.2.1. Назначение, принцип действия и устройство геркона; физические явления в электрическом аппарате а) Назначение геркона. Герконы - это реле с герметичными магнитоуправляемыми контактами. Они широко используются в схемах автоматики и зашиты как логические элементы, преобразователи неэлектрических величин в электрические, как электромеханические усилители сигналов между полупроводниковыми устройствами и силовыми электрическими аппаратами. б) Принцип действия и устройство геркона. Простейшее герконовое реле (ГР) с замыкающими контактами изображено на рисунке 4.2.1, а. Рис. 4.2.1. Простейшее герконовое реле с симметричным замыкающим контактом Контактные .сердечники (КС) 1 и 2 изготавливаются из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (пермаллоя) и ввариваются в стеклянный герметичный баллон 3. Валлон заполнен инертным газом - чистым азотом или азотом с небольшой (около 3%) добавкой водорода. Давление газа внутри баллона составляет (О, 4-5-0, 6) -105 Па. Инертная среда предотвращает Рис. 4.2.2. Упрощенная картина магнитного поля геркона управляемого обмоткой с током окисление КС. Баллон устанавливается в обмотке управления 4. При подаче тока в обмотку возникает магнитный поток Ф, который проходит по КС 1 и 2 через рабочий зазор 8 между ними и замыкается по воздуху вокруг обмотки 4. Упрощенная картина магнитного поля показана на рисунке 4.2.2. Поток Ф при прохождении через рабочий зазор создает тяговую электромагнитную силу Рэ, которая преодолевая упругость КС, соединяет их между собой. Для улучшения контактирования поверхности касания покрываются тонким слоем (2-50 мкм) золота, родия, серебра и др. При отключении обмотки магнитный поток и электромагнитная сила спадают и под действием сил упругости КС размыкаются. Т. о, в ГР отсутствуют детали, подверженные трению (места крепления якоря в электрома­нитных реле) , а КС одновременно выполняют функции магнитопровода, токопровода и пружины. В связи с тем, что контакты в герконе управляются магнитным полем, герконы называют магнитоуправляемыми контактами. На основе герконов могут быть созданы также реле с размыкающими и переключающими контактами. Рис. 4.2.3. Переключающие герконы В герконе с переключающими контактами (Рис. 4.2.3, а) неподвижные КС 1, 3 и подвижные 2 размещены в баллоне 4. При появлении сильного магнитного поля КС2 притягивается к КС1 и размыкается с КСЗ. Один из КС переключающего геркона (например 2) может быть вполне из немагнитного материала (рис. 4.2.3,б). Герконовое реле (рис. 4.3,в) имеет два подвижных КС 1, 2, два неподвижных КС 5, 6 и две обмотки управления 7, 8. При согласном включении обмоток замыкаются КС 1 и 2. При встречном включении обмоток КС1 замыкается с КС5, а КС2 с КС6. При отсутствии тока в обмотках все КС разомкнуты. ГР (рис. 4.3,г) имеет переключающий контакт 3 сферической формы. При согласном включении обмоток 7 и 8, контакт 3 притягивается к КС1 и КС2 и замыкает их. После отключения обмоток 7 и 8 при согласном включении обмоток 9 и 10 контакт 3 замыкает КС5 и КС6. Т.к. КС герконов выполняют функции возвратной пружины, то им придают определенные упругие свойства. Упругость КС обуславливает возможность их вибрации ("дребезга") после удара, который сопутствует срабатыванию. Длительность такой вибрации достигает 0,25 мс при общем времени срабатывания 0,5-1,0 мс. Одним из способов устранения влияния вибрации является использование жидкомет аллич еских контактов. (4.4). Рис. 4.2.4. Ртутные герконы В переключающем герконе (рис. 4.2.4, а) внутри подвижного КС имеется капиллярный канал, по которому из нижней части баллона 4 поднимается ртуть 5. Ртуть смачивает поверхности касания КС1 с КС2 или КСЗ. В момент удара контактов при срабатывании возникает их вибрация. Из-за ртутной пленки на контактной поверхности КС1 вибрация не приводит к разрыву цепи. В конструкции на рис. 4.2.4,б между КС2 и КСЗ и ртутью 5 находится ферромагнитная изоляционная жидкость 6. При возникновении магнитного поля ферромагнит­ная жидкость 6 перемещается вниз, в положение при котором поток будет наибольшим. Ртуть вытесняется вверх и замыкает контакты КС2 и КСЗ. Следует отметить, что жидкометаллический контакт позволяет уменьшить переходное сопротивление и значительно увеличить коммутируемый ток. Наличие ртути удлиняет процесс разрыва контактов, что увеличивает время отключения реле. Управление герконом можно осуществлять и с помощью постоянного магнита. Если постоянный магнит установлен в близи геркона, его магнитный поток замыкается через КС, которые в результате этого находятся в замкнутом состоянии. Использование постоянного магнита совместно с управляющей катушкой позволяет создать ГР с размыкающим контактом. 4.2.2. Основные параметры герконового реле Основными характеристиками геркона являются: тяговые Рэ() и противодействующая Рпр() и время срабатывания. Упрощенная схема замещения магнитной цепи геркона имеет вид (рис. 4.2.5). Здесь обозначены: Л - полная магнитная проводимость рабочего зазора с учетом потоков выпучивания; Лвш - проводимость пути магнитного потока по воздуху вне КС; Лкс - суммарная магнитная проводимость обоих КС; Ф - магнитный поток, созданный обмоткой; F - МДС обмотки . Рис.4.2.5. Упрощенная схема замещения магнитной цепи геркона Рис. 4.2.6. Влияние смещения Z центра обмотки относительно центра перекрытия КС на МДС срабатывания геркона Fср Вблизи рабочего зазора образуются заметные магнитные потоки вспучивания. В результате магнитный поток поток Ф в сечении КС уменьшается по мере приближения к зазору . Электромагнитная сила, воздействующая на КС, выражается через конструктивные параметры уравнением = , где Ф - поток в рабочем зазоре ; а и b - размеры рабочего зазора; К = 6,66+44,4 h/b - коэффициент неравномерности поля, в рабочем зазоре. Иногда с целью регулировки МДС срабатывания центр рабочего зазора и центр обмотки О смещается на расстояние Z . Внешняя проводимость Лвш = , где L - полная длина геркона; рc - периметр поперечного сечения КС; dвт - внутренний диаметр обмотки управления; 1К - длина обмотки; x(Q + lk dвт /lк - средняя длинна витка обмотки; Q – площадь поперечного сечения обмотки. Проводимость Л Л = . Зависимость Рэ = f() имеет вид гиперболы (рис. 4.2.7) Противодействующая сила определяется упругостью КС и определяется формулой Рпр = с(н - ), где с - эквивалентная жесткость КС, представляющая собой жесткость контактной системы; Н - начальный зазор между концами КС; - текущее значение зазора. На рис. 4.2.7 представлены электромагнитные тяговые Рэ () и противодействующая Рпр ()) характеристики геркона. Рис. 4.2.7. Тяговые и противодействующие характеристики геркона: Fср ,Fотп - МДС срабатывания и отпускания Fотп F1 Fср ; F3 Fср При F = F1 равновесное состояние Pэ(1)= Рпр(2) определяется точкой А. При дальнейшем увеличении МДС точки равновесия поднимаются. При МДС Fср и зазоре = 3 (точка Б) происходит срабатывание и замыкание КС реле. Зазор 3 = ср называется зазором срыва. КС переходит в конечное положение, определяемое зазором 4 = К, который определяется толщиной контактного покрытия и неровностями контактной поверхности. РЭ.К - конечная электромагнитная сила, РК.. Н - контактное нажатие, РПР. К -конечная сила пружины. Разность РЭ.К - РПР. К = РК.. Н определяет контактное нажатие. Время срабатывания ГР можно определить по уравнению t = (Н - К,), где т - эквивалентная масса подвижной части КС; А - постоянная, определяемая размерами, материалом и жесткостью КС. Для размыкания контактов ГР необходимо, чтобы тяговая характеристика опустилась ниже точки В. Коэффициент возврата ГР КВ = FОТП /FCР, где FОТП - МДС опускания. КВ = 0,3-0, 9. 4.2.3. Конструкции герконовых реле ГР разнообразны по конструкции и назначению. Конструктивные выполнения ГР: с разомкнутой магнитной цепью (рис. 4.2.8,а); с кожухом (экраном) из магнитомягкого материала (рис. 4.2.8,б,в); с магнитным шунтом (рис. 4.2.8, ); с осевым смещением геркона в обмотке (рис. 4.2.6), многоцепевые ГР с расположением геркона внутри или вне катушки; герконовое реле тока; поляризованное ГР; управление герконом с помощью постоянного магнита; ГР с магнитной памятью, герконы с большей коммутационной способностью. Конструкция ГР (рис. 4.2.8,а) имеет разомкнутую цепь. По этой причине большая доля МДС расходуется на проведение магнитного потока по воздуху. Кроме того, конструкция подвержена воздействию внешних магнитных полей, создаваемых расположенными рядом электротехническими устройствами. Для устранения этого Рис. 4.2.8. Конструкции выполнения ГР недостатка магнитная система ГР заключается в кожух (экран) из магнитомягкого материала (рис. 4.2.8,б,в). Регулирование МДС срабатывания и отпускания может производится за счет изменения зазора е (рис. 4.2.8, б) или положения магнитного шунта (Рис. 4.2.8, г), либо осевого смешения геркона в обмотке (рис. 4.2.6). Герконы могут быть установлены внутри и с наружи управляющей обмотки (многоцелевые ГР) . Конструкция с внешним расположением герконов предпочтительнее чем с внутренним, т.к. обеспечивает меньшее взаимное влияние соседних герконов. Число герконов в одном реле может достичь 12 и более. 4.2.4. Реле тока на герконе В реле контроля большого тока используется компоновка указанная на рис. 4.2.9. Рис. 4.2.9. Реле тока на герконе Ток проходит по шине 1. Магнитное поле этого тока замыкается внутри шины и по КС геркона 2. Iср геркона может регулироваться за счет изменения угла а и расстояния между шиной и герконом. 4.2.5. Поляризованные ГР В поляризованном ГР кроме основного герконе поля управления (МДС Fу) создается дополнительное поляризующее магнитное поле за счет специальной обмотки (МДС Fn) или постоянного магнита (рис. 4.2.10). Рис. 4.2.10. Характеристика поляризованного герконового реле Если Fn > > Fу ср. , то под действием МДС Fn контакты геркона замкнутся. Для размыкания контактов МДС Fy должна быть меньше Fn и иметь обратный знак. 4.2.6. Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана Управлять состоянием геркона можно с помощью не только магнитного поля, создаваемого катушкой управления, но и поля постоянного магнита. Такой способ широко используется в современных слаботочных аппаратах управления (тумблеры, переключатели, кнопки, командоаппараты) и КИП (сигнализаторы положения, конечные выключатели, датчики). Состояние геркона изменяется при приближении или удалении от него постоянного магнита. Рис. 4.2.11. Управление герконом с помощью ферромагнитного экрана: а - геркон 1 срабатывает при удалении экрана 4 и магнита 2; б - геркон 1 срабатывает при приближении к магнитам 2 и 3 экрана 4; в - геркон 1 срабатывает при удалении экрана 4 из зазора между герконом и постоянным магнитом 2 Следует отметить, что при наличии постоянного магнита управление герконом может производится за счет ферромагнитного экрана (рис. 4.2.11). ЛЕКЦИЯ № 15 5.1. ТЯГОВЫЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ 5.1.1. Основные понятия, физические явления в электрических аппаратах. 5.1.2. Энергия магнитного поля и индуктивность системы. 5.1.3. Работа, производимая якорем электромагнита при перемещении. 5.1.4. Вычисление сил и моментов электромагнита. 5.1.5. Электромагниты переменного тока. 5.1.6. Короткозамкнутый виток. 5.1.7. Статические тяговые характеристики электромагнитов. 5.1.8. Выбор, применение и эксплуатация тяговых электромагнитов. 5.1.1. Основные понятия, физические явления в электрических аппаратах Электромагнитные механизмы применяются для приведения в действие многих аппаратов. Конструкции электромагнитов равнообразны, они могут быть классифицированы: 1) по способу действия: удерживающие — для удержания тех или иных грузов или деталей (например, электромагнитные столы станков, электромагниты подъемных кранов и т. п.); притягивающие — совершают определенную работу, притягивая свой якорь; 2) по способу включения: с параллельной катушкой — ток в катушке определяется параметрами самого электромагнита и напряжением сети; с последовательной катушкой- катушка включается в силовую цепь, ток в катушке определяется не параметрами электромагнита, а теми устройствами (машины, аппараты), в цепь которых включена катушка; Рйс. 5-1. Схемы электромагнитов: а, б — с поворотным якорем; в, г — с прямоходовым якорем. 1 — скоба; 2 — якорь; 3 — катушка; 4 — сердечник 3) по роду тока: постоянного тока — при параллельном включении ток в катушке зависит от сопротивления ее обмотки и приложенного напряжения, электромагнитная система работает при постоянной МДС; переменного тока — при параллельном включении ток в катушке зависит от индуктивности системы, меняющейся обратно пропорционально воздушному зазору, электромагнитная система работает при постоянстве потокосцеплений; 4) по характеру движения якоря: поворотные — якорь поворачивается вокруг какой-то оси или опоры (рис. 5-1, а и б); прямоходовые — якорь перемещается поступательно (рис. 5-1, в и г). 5.1.2. Энергия магнитного поля и индуктивность системы Определим энергию в электромагните при неподвижном якоре и при включении катушки на напряжение постоянного тока. Ток в ней установится не мгновенно, а по некоторой кривой (рис. 5-2). Приложенное к катушке напряжение U в переходном процессе уравновешивается активным падением напряжения ir и ЭДС самоиндукции е: U = ir + e.m (5.1) ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения потокосцепления обмотки: (5.2) Умножив уравнение (5-1) на idt и взяв интеграл, получим энергетический баланс электромагнита за время переходного процесса: - = , (5-3) где Uidt — энергия, поступившая из сети; i2rdt — потери энергий в катушке электромагнита; = WM — энергия, сообщенная электромагниту. Таким образом, энергия, сообщенная электромагниту, равна энергии, поступившей из сети, за вычетом потерь в катушке и магнитопроводе. При установившемся режиме Uidt = i2rdt, т. е. вся поступающая из сети энергия расходуется на потери в катушке. Говоря о потокосцеплении , следует иметь в виду, что его значение является сложной функцией тока. Зависимость = Ф = f(i) представлена на рис. 5-3. Она учитывает нелинейность кривой намагничивания для стали и зависит от тока, материала и размеров магнитопровода и воздушного зазора. Запасенная в электромагните энергия на графике пропорциональна площади, ограниченной = f(t) и осью ординат (заштрихованная площадь). Как известно, отношение /I = L, (5-4) Рис. 5-2. Кривая нарастания Рис. 5-3. Зависимость тока в катушке при включе- = f(i) нии электромагнита постоян- 1 — в цепи без стали; 2 — ного тока в цепи со сталью где I — ток в катушке; L представляет собой индуктивность системы. Для системы со сталью (кривая 2 на рис. 5-3) индуктивность не является постоянной величиной, а зависит от степени насыщения системы. Каждому значению потоко-сцепления будут соответствовать какая-то индуктивность и определенное значе­ние запасенной энергии, т. е. WM = = = L, (5.5) откуда L= 2Wм/I2. 5.1.3. Работа, производимая якорем магнита при перемещении При включении притягивающего электромагнита якорь переместится и приблизится к сердечнику, зазор уменьшится. Допустим, что в начале движения якоря = 1, I = I1, = 1, а в конце движения = 2, I = I2, = 2. Энергия, запасенная в момент начала движения (рис. 5-4, а), WM1 = ~ площадь Оа1 b1. (5-6) Энергия, приобретенная за время движения, Wm = ~ площадь b1a1a2b2, (5-7) а энергия, запасенная в момент окончания движения, ,- WM2 = ~ площадь Оа2 b2. (5-8) Таким образом, согласно закону сохранения энергии, энергия, пропорциональная площади Оа1а2, пошла на механическую работу А перемещения якоря: А = Wм1 + WM - Wм2 ~ ~ площадь Оа1а2. (5-9) Для ненасыщенной системы (рис. 5-4,б) WM1 = ; WM2 = ; WM = ; (5-10) Рис. 5-4. Графики к определению работы электромагнита А = ; тогда А = . Перейдя к пределу и опустив индексы, получим dA = . (5-11) Аналогично для системы, работающей при неизменной МДС (рис. 5-4, в), А = dA = , (5.12) а для системы, работающей при неизменном потокосцеплении (рис. 5-4, г), А = dA = , (5.13) 5.1.4. Вычисление сил и моментов электромагнита При перемещении якоря электромагнита из положения 1 в положение 2, т. е. за путь , им произведена работа А . Следовательно, средняя сила притяжения Рср, действовавшая на этом отрезке, Рср = А /. (5-14) Переходя к пределу, получим формулы для вычисления сил и моментов притяжения якоря электромагнита: Р = ; , (5-15 где d — угол поворота якоря, соответствующий изменению воздушного зазора на d. Подставив в уравнение (5-15) выражение (5-11) для dA, получим в общем случае Р = . (5-16) В электромагнитных системах, работающих при постоянной МДС, 1 == const и dI/d = 0, тогда Р = . (5-17) Согласно выражению (5-4) = L I,, откуда = I+ = I так как при I = const, dI/d = 0, то Р = . (5-18) Учитывая, что L= , где — проводимость воздушного зазора, — число витков катушки, получим = Р = . (5-19) Здесь произведение w I представляет собой МДС F, приложенную к воздушному зазору. В таком случае P = . (5-20) Для электромагнитных систем, работающих при постоянном потокосцеплении = const, d/d = 0 и P = . (5-21) Так как I = ; = - ; = , то P = . (5-22) Заменив в формуле (5-22) U/w = Ф w J/, a L= , получим P = . (5-23) С учетом рассеяния P = . (5-24) Таким образом, уравнения (5-20) и (5-24) позволяют определить тяговые усилия для электромагнитов постоянного и переменного тока. Для построения тяговых характеристик, кроме зависимостей F = f() или Ф = f() , необходимо иметь вспомогательные кривые: = f() /(8); = f(); d /d=f()). Сила притяжения электромагнита может быть вычислена по формуле Максвелла: Р = В2S (20), (5-25) где В — индукция в рабочем зазоре; S - эквивалентное сечение воздушного зазора; 0 - магнитная проницаемость воздуха. Формулой (5-25) можно пользоваться, если индукция в воздушном зазоре распределена равномерно. При неравномерном распределении индукции воздушный зазор можно разбить на отдельные параллельные участки S и, принимая индукцию равномерной на каждом участке, вычислить силу притяжения как сумму сил отдельных участков. Формулой (5-25) можно также пользоваться, если достаточно точно определена средняя индукция. При однородном магнитном поле Р = . (5-26) 5.1.5. Электромагниты переменного тока При синусоидальном переменном токе поток (рис. 5-5, а) изменяется по закону Ф = Фm Sint . (5-27) Сила притяжения электромагнита в таком случае будет Р = (5-28) Обозначим = Рm (5-29) Тогда Р = Рт sin2 t = (1 - cos 2t), (5-30) т. е. сила притяжения Р пульсирует по значению с двойной частотой сети не меняя при этом своего знака (рис. 5-5,б). Сила притяжения может быть пред-ставлена в виде двух составляющих: постоянной во времени Р' = Pт/2 и изменяю- щейся во времени по закону косинуса переменной Р'' = cos 2t). Среднее за пе­риод значение силы Р будет Pт/2. 5.1.6. Короткозамкнутый виток Если отрывное усилие электромагнита будет Ротр, то дважды за период в точке А (рис. 5-5,в) якорь электромагнита будет отпадать, а в точке В — снова притягиваться, т. е. будет вибрировать с двойной частотой. Вибрация приводит к износу магнитной системы и сопровождается гудением. Для устранения вибрации электромагниты переменного тока снабжаются ко-роткозамкнутыми витками (рис. 5-6, а) из проводниковых материалов (медь, латунь), охватывающими часть полюса электромагнита (70 — 80%). Принцип работы витка заключается в следующем. Общий поток электромагнита Ф разветвляется на поток Ф1, который проходит по не охваченной витком части полюса, и на поток Ф2, который проходит через часть, охватываемую короткозамкнутым витком. При этом в витке индуцируется ЭДС еКЗ и возникает ток iКЗ, сдвинутый по отношению к еКЗ, на угол 0 и определяемый весьма незначительной индуктивностью витка. Для упрощения принимаем 0 = 0. Ток iКЗ возбуждает магнитный поток Фкз, который охватывает короткозамкнутый виток и вместе с частью основного потока образует поток Ф2, Рис. 5-5. Кривые изменения силы притяжения электромагнита переменного тока без короткозамкнутого витка проходящий через часть полюса, охваченную витком, и сдвинутый во времени по отношению к потоку Ф1 на угол (рис. 5-6,б и в). Сила притяжения электромагнита Р складывается из двух пульсирующих, но сдвинутых во времени сил P1 и Р2 (рис. 5-6, г). Благодаря сдвигу их во времени общая сила Р пульсирует много меньше и минимальное значение ее остается выше Ротр, чем и исключается вибрация якоря. Каждая из сил P1 и Р2 может быть представлена в виде двух составляющих: Р1 = - cos 2t; (5-31) Р2 = - cos 2(t-); (5-32) Полная сила Р = + . (5.33) Р = + - постоянная составляющая; - переменная составляющая. Амплитудное значение Р12т (рис 5-6, д) переменной составляющей Р12т = . (5-34) тогда полная сила Р = + - . (5-35) Как видно из уравнения (5-35), пульсация зависит от угла сдвига , между потоками Ф1 и Ф2. Под пульсацией силы понимают отношение амплитудных значений переменной и постоянной составляющих: = . (5-36) Пульсация будет отсутствовать при Р12т = 0. Это возможно при одновременном выполнении двух условий: ' 1) Р1m/2 = Р2m|/2, т.е. Ф1 = Ф2; 2) 2 = , т. е. угол сдвига между потоками Ф1 и Ф2 должен быть 90°. Рис. 5-6. Принцип работы короткозамкнутого витка в электромагнитных системах переменного тока В системах с короткозамкнутым витком достигнуть сдвига потоков на 90° практически невозможно. В осуществляемых системах = 50 ... 80°. Минимальное значение пульсации получается при соблюдении первого условия. 5.1.7. Статические тяговые характеристики электромагнитов и механические характеристики аппаратов Для удерживающих электромагнитов интерес представляет только сила Р, создаваемая электромагнитом при неизменном (притянутом) положении детали. Для притягивающих электромагнитов нас интересует зависимость создаваемого электромагнитом усилия от рабочего зазора Р = f() или зависимость момента от угла раствора якоря М = f(), так как для приведения в действие того или иного аппарата необходимо преодолеть его противодействующие силы, изменяющиеся по ходу якоря у разных аппаратов по-разному. Примеры тяговых характеристик некоторых электромагнитов приведены на рис. 5-7. Под механической характеристикой аппарата понимают зависимость суммарной силы сопротивления, противодействующей перемещению подвижной системы, от хода якоря. Суммарная сила сопротивления складывается из противодействующих сил отключающих и контактных пружин, веса подвижной системы и сил трения в подшипниках и шарнирах между подвижными деталями. При этом противодействующие силы пружин и веса всегда направлены в одну сторону независимо от направления перемещения якоря, силы трения меняют свое направление в зависимости от направления движения якоря. Характеристики обычно строятся: для прямоходовых подвижных систем в осях «противодействующая сила Ротр. — рабочий зазор », для поворотных магнитных систем в осях «противодействующий момент Мотр – угол поворота », где Ротр Рис. 5-7. Статические тяговые характеристики некоторых электромагнитных систем: 1 – 8 – формы систем и соответствующие им характеристики . и Мотр – соответственно отрывные усилие и момент. При включении Ротр. = Рпруж. = G + Ртр (5-37) соответственно Мотр = Мпруж. = МG + Mтр ; (5-38) при отключении Ротр. = Рпруж. = G - Ртр (5-39) и соответственно Мотр = Мпруж. = МG - Mтр ; (5-40) где Рпруж — усилия, создаваемые отключающими и контактными пружинами; G — вес подвижной системы, в зависимости от конструкции вес может противодействовать ( + ) или помогать ( —) включению; где Ротр — силы трения. Рис. 5-8. Механические характеристики контактора: а – при включении; б – при отключении В общем случае механическая характеристика представляет собой ломаную линию (рис. 5-8). В качестве примера рассмотрим построение механической характеристики электромагнитного контактора при включении и отключении. В точке 1 действуют вес подвижной системы (кривая 1), сила отключающей пружины (кривая 2) и силы трения (кривая 3). При движении якоря Ротр возрастает за счет дополнительного сжатия отключающей пружины. В точке 2 происходит соприкосновение контактов, при этом Ротр возрастает сначала скачкообразно за счет начального нажатия (кривая 4), а затем плавно за счет дополнительного сжатия контактных пружин. Кривая 5 представляет собой сумму кривых 1—4 и является механической характеристикой рассматриваемого аппарата. Тяговая характеристика Р (кривая 6) представляет собой зависимость силы притяжения электромагнита от зазора (соответственно зависимость момента притяжения от угла поворота якоря). Движение якоря начнется, когда электромагнитная сила притяжения при = 1 станет больше противодействующей. Для обеспечения четкого и надежного включения аппарата тяговая характеристика должна лежать выше механической и соответствовать ей. В зависимости от конструкции и рода тока электромагнита могут быть получены различного рода статические тяговые характеристики, как это показано на рис. 5-7. Расположение катушки в магнитной системе относительно рабочего зазора в значительной степени определяет поток рассеяния. Таким образом, при данной МДС значение силы притяжения электромагнита также зависит от расположения катушки в магнитной системе. Большая сила притяжения получается, когда рабочий зазор расположен внутри катушки. При этом катушка должна быть смещена в сторону якоря. ЛЕКЦИЯ № 17 6.1. Предохранители низкого напряжения 6.1.1. Назначение, принцип действия и устройство предохранителя; физические явления в электрическом аппарате. 6.1.2. Параметры предохранителя. 6.1.3. Конструкция предохранителей. 6.1.4. Предохранители с гашением дуги в закрытом объёме. 6.1.5. Предохранители с мелкозернистым наполнителем (серии ПН-2, ПРС). 6.1.6. Предохранители с жидкометаллическим контактом. 6.1.7. Быстродействующие предохранители для защиты полупроводниковых приборов. 6.1.8. Предохранитель - выключатель. 6.1.9. Выбор, применение и эксплуатация предохранителя для защиты электродвигателя и полупроводниковых устройств. 6.1.1. Назначение, принцип действия и устройство предохранителя а) Назначение предохранителя. Предохранители появились одновременно с электрическими сетями. Простота устройства и обслуживания, малые размеры, высокая отключающая способность, небольшая стоимость обеспечили их очень широкое применение. Предохранители НН изготовляются на токи от мА до тысяч А и на напряжение до 660 В, а предохранители ВН - до 35 кВ и выше. Предохранители - это ЭА, предназначенные для защиты электрических цепей от токовых перегрузок и токов КЗ. Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определенное значение. В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путем расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную или автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель. Широкое применение предохранителей в самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако, несмотря на это, все они имеют следующие основные элементы: корпус или несущую деталь, плавкую вставку, контактное присоединительное устройство, дугогасительное устройство или дугогасительную среду. б) Принцип работы предохранителя, физические явления в электрическом аппарате. Отключение защищаемой цепи происходит посредством разрушения специально предусмотренных для этого токоведущих частей под действием тока, превышающего определённое значение. В большей части конструкций отключение цепи осуществляется путём расплавления плавкой вставки, которая нагревается непосредственно током защищаемой цепи. После отключения цепи необходимо заменить перегоревшую вставку на исправную. Эта операция осуществляется вручную либо автоматически. В последнем случае заменяется весь предохранитель. При токах > I плавления предохранитель должен срабатывать в соответствии с времятоковой характеристикой. Сростом тока степень ускорения перегорания плавкой вставки должна возрастать намного быстрее тока. Для получения такой характеристики придают вставке определенную форму или используют металлургический эффект. Вставку выполняют в виде пластинки с вырезами (рис. 6.1,а), уменьшающими ее сечение на отдельных участках. На этих суженых участках Рис.6.1 – Распределение температур (а) и места перегорания фигурных плавких вставок при перегрузках (б) и при КЗ (в) выделяется больше теплоты, чем на широких. При Iном избыточная теплота вследствие теплопроводности материала вставки успевает распределятся к более широким частям и вся вставка имеет практически одну температуру. При перегрузках (I ) нагрев суженных участков идет быстрее, т.к. только часть теплоты успевает отводиться к широким участкам. Плавкая вставка плавится в одном самом горячем месте (рис 6.1,б). При КЗ (I » ) нагрев суженных участков идет настолько интенсивно, что практически отводом теплоты от них можно пренебречь. Плавкая вставка перегорает одновременно во всех или нескольких суженых местах (рис 6.1,в). Во многих конструкциях вставке 1 придается такая форма (рис 6.2,а) , при которой электродинамические силы F, возникающие при токах КЗ , разрывают вставку еще до того, как она успевает расплавиться. На рис. 6.2,а место разрыва обозначено кружком. Этот участок выполняется меньшего сечения. Рис. 6.2. Примеры форм плавких вставок с ускоренным их разрывом При токах перегрузки электродинамические силы малы и плавкая вставка плавится.в суженом месте. В конструкции на рис. 6.2,б ускорение отключения цепи при перегрузках и КЗ достигается за счет пружины 2, разрывающей вставку 1 при размягчении металла на суженных участках, до того, как происходит плавление этих участков. Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец и др.) способны в расплавленном состоянии растворять другие тугоплавкие металлы (медь, серебро и др.). Это явление используется в предохранителях с вставками из ряда параллельных проволок. Для ускорения плавления вставок при перегрузках на проволоки напаиваются оловянные шарики. При токах перегрузки шарик расплавляется и растворяет часть металла, на котором он напаян. Вставка перегорает в месте напайки шарика. 6.1.2. Параметры предохранителя Предохранитель работает в двух резко различных режимах: в нормальных условиях и условиях перегрузок и КЗ. В первом случае перегрев вставки имеет характер установившегося процесса, при котором вся выделяемая в ней теплота отдается в окружающую среду. При этом кроме вставки нагреваются до установившейся температуры все другие детали предохранителя. Эта температура не должна превышать допустимых значений. Ток, на который рассчитана плавкая вставка для длительной работы, называют номинальным током плавкой вставки Iном. Он может быть отличен от номинального тока самого предохранителя. Обычно в один и тот же предохранитель можно вставлять плавкие вставки на разные номинальные токи. Номинальный ток предохранителя, указанный на нем, равен наибольшему из токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя. Защитные свойства предохранителя при перегрузках нормируются. Для предохранителей обычного быстродействия задаются условный ток не плавления - ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка не должна перегореть, условный ток плавления - ток, при протекании которого в течении определенного времени плавкая вставка должна перегореть. Например, для предохранителя с плавкими вставками на номинальные токи 63 -100 А плавкие вставки не должны перегореть при протекании тока 1,3 Iном в течении одного часа, а при токе 1,6 Iном должны перегореть за время до одного часа. Рассмотрим нагрев вставки при длительной нагрузке. Основной характеристикой предохранителя является времятоковая характеристика, представляющая собой зависимость времени плавления вставки от протекающего тока t=f(i). Для совершенной защиты желательно, чтобы времятоковая характеристика предохранителя (кривая 1 на рис. 6.3) во всех точках шла немного ниже характеристики защищаемой цепи или объекта (кривая 2 на рис. 6.3) . Однако реальная характеристика предохранителя (кривая 3) пересекает кривую 2. Поясним это. Если характеристика предохранителя соответствует кривой 1, то он будет перегорать из-за старения или при пуске Рис. 6.3. Согласование характеристик предохранителя и защищаемого объекта двигателя. Цепь будет отключаться при отсутствии недопустимых перегрузок. Поэтому ток плавления вставки выбирается больше номинального тока нагрузки. При этом кривые 2 и 3 пересекаются. В области больших перегрузок (область Б) предохранитель защищает объект. В области А предохранитель объект не защищает. При небольших перегрузках (1,5 – 2)Iном нагрев предохранителя протекает .медленно. Большая часть тепла отдается окружающей среде, Ток, при котором плавкая вставка сгорает при достижении ею установившейся температуры, называется пограничным током Inoгp. Для того, чтобы предохранитель не срабатывал при номинальном токе Iном, необходимо Inoгp > Iном. С другой стороны, для лучшей защиты значение Inoгp должно быть возможно ближе к номинальному. Для снижения температуры плавления вставки при ее изготовлении применяются легкоплавкие металлы и сплавы (медь, серебро, цинк, свинец, алюминий). Рассмотрим нагрев вставки при КЗ. Если ток, проходящий через вставку, в 3 - 4 раза больше Iном, то практически процесс нагрева идет адиабатически, т.е. все тепло, выделяемое вставкой, идет на ее нагрев. Время нагрева вставки до температуры плавления , где А'- постоянная, определяемая свойствами материала; q - поперечное сечение вставки; jк -плотность тока вставки. По мере того как часть плавкой вставки из твердого состояния перейдет в жидкое, ее удельное сопротивление резко увеличится (в десятки раз). Время перехода из твердого состояния в жидкое , где - удельное сопротивление материала вставки при температуре плавления; - удельное сопротивление материала вставки в жидком состоянии; у - плотность материала вставки; L - скрытая теплота плавления материала вставки. Основным параметром предохранителя при КЗ является предельный ток отключения - ток, который он может отключить при возвращающемся напряжении, равном наибольшем рабочему напряжению. Время существования дуги зависит от конструкции предохранителя. Полное время отключения цепи предохранителем t пр= tпл + t перех + t дуги Для предохранителя со вставкой, находящейся в воздухе , где коэффициент n =3 учитывает преждевременное разрушение вставки, a k0 = 1.2 -1.3 учитывает длительности горения дуги. В предохранителях с наполнителем (закрытого типа) разрушение вставки до полного ее плавления менее вероятно. Время отключения цепи предохранителем , Коэффициент кд = 1,7 -2 учитывает длительность горения дуги. Плавление вставки переменного сечения происходит в перешейках с наименьшим сечением. Процесс нагрева протекает так быстро, что тепло почти не успевает отводится на участки повышенного сечения. Наличие перешейков уменьшенного сечения позволяет резко снизить время с момента начала КЗ до появления дуги. Процесс гашения дуги начинается до момента достижения током КЗ установившегося или даже амплитудного значения. Дуга образуется через время t1 после начала КЗ, когда ток в цепи значительно меньше установившегося значения Ik уст. Средства дугогашения позволяют погасить дугу за миллисекунды. При этом проявляется эффект токоограничения, показанный на рис. При отключении поврежденной цепи с токоограничением облегчается гашение дуги, т. К. Отклю­чается не установившийся ток КЗ, а ток, определяемый временем плавления вставки. Рис. 6.4. Отключение постоянного и переменного тока предохранителем с токоограничением 6.1.3. Конструкция предохранителей в) Устройство предохранителя. Широкое применение предохранителей в самых различных областях народного хозяйства и в быту привело к многообразию их конструкций. Однако, несмотря на это, все они имеют следующие основные элементы: корпус или несущую деталь, плавкую вставку, контактное присоединительное устройство, дугогасительное устройство или дугогасительную среду. 6.1.4. Предохранители с гашением дуги в закрытом объёме К ним относятся предохранители со сменными плавкими вставками общего назначения без наполнителя серии ПР-2. Такие предохранители изготавливаются на напряжение до 500 В и токи до 1000 А. Гашение дуги у них происходит за счет высокого давления (до 10 МПа и более), возникающего вследствие газогенерации из стенок трубок при высокой температуре электрической дуги. Рис. 6.5. Предохранитель типа ПР-2 Вставка располагается в герметичном трубчатом патроне и может иметь от одного до четырех сужений в зависимости от Uном. Суженные участки вставки способствуют быстрому ее плавлению при КЗ и создают эффект токоограничения. Время гашения дуги 0,002 с. Предохранители работают бесшумно, практически без выброса пламени и газов, что позволяет устанавливать их на близком расстоянии друг от друга. 6.1.5. Предохранители с мелкозернистым наполнителем (ПН-2, ПРС) Предохранители серии ПН-2 предназначены для защиты силовых цепей до 500 В переменного тока и 440 В постоянного тока. Они выполняются на номинальные токи 100, 250, 400 и 630 А, обладают токоограничивающим действием и высокой разрывной способностью. Корпус 1 квадратного сечения изготовляется из фарфора или стеатита. Внутри корпуса расположены ленточные плавкие вставки 2,3 и наполнитель - кварцевый песок 3. Вставки привариваются к диску 4, который крепится к пластинам 5, связанным с ножевыми контактами 9. Для получения токоограничения вставка имеет суженное сечение 8. Для снижения температуры плавления на вставку наносится оловянные полоски 7. Рис. 6.6. Предохранитель ПН 2: 1 - корпус, 2- вставка, 3- песок, 4- диск, 5- пластины, 6- прокладка, 7- оловянные полоски, 8- сужения, 9- ножевые контакты. При КЗ вставка сгорает и дуга горит в канале, образованном зернами наполнителя. Из-за горения в узкой щели при токах выше 100 А дуга имеет возрастающую вольтамперную характеристику. Градиент напряжения на дуге очень высок и достигает (2-6)104 В/м. Этим обеспечивается гашение дуги за несколько миллисекунд. В малогабаритных распредустройствах применяются резьбовые предохранители типа ПРС. Они выпускаются на токи до 100 А, напряжение до 440 В постоянного тока и до 500 В переменного тока. Предельно отключаемый ток 60 кА. Эти предохранители сложны в производстве и более дороги, чем предохранители ПН 2. 6.1.8. Предохранитель-выключатель Предохранитель-выключатель — аппарат (блок), выполненный как рубильник, в котором в качестве подвижных контактов (ножей) применены предохранители. Таким образом, он одновременно предназначен для неавтоматической коммутации силовых электрических цепей в устройствах распределения электрической энергии, а также для защиты этих цепей при токах перегрузки и короткого замыкания. Используется на напряжение до 380 В частотой 50 Гц с номинальными токами до 400 А и отключающей способностью в соответствии с примененным предохранителем. Аппарат состоит из несущей конструкции, неподвижных контактов, подвижных контактов-предохранителей, ручного привода с системой рычагов. Привод обеспечивает необходимое перемещение патронов предохранителей из положения «Отключено» в положение «Включено» и обратно. В закрытом исполнении имеется блокировка, исключающая открывание дверцы (кожуха) при включенном положении аппарата и включение аппарата при открытой дверце. 6.1.9. Выбор, применение и эксплуатация предохранителя для защиты электродвигателя и полупроводниковых устройств а) Защита двигателя. Выбор плавкой вставки предохранителя осуществляется по условиям длительной эксплуатации и пуска. 1. Если условия пуска лёгкие, то номинальный ток вставки выбирается по пусковому току нагрузки Iв.ном = 0,4 Iп, где Iп – пусковой ток асинхронного двигателя с КЗ ротором. 2. Для тяжёлых условий пуска, когда двигатель медленно разворачивается (привод центрифуги), или в повторно-кратковременном режиме, когда пуски происходят с большой частотой Iв.ном = (0,5 – 0,6) Iп. 3. Если предохранитель стоит в линии, питающей несколько двигателей, плавкую вставку рекомендуется выбирать по формуле Iв.ном = 0,4, где Iр – расчётный номинальный ток линии, равный . Разность Iр – Iном. дв берётся для двигателя, у которого она наибольшая. 4. Для двигателя с фазным ротором, если Iп 2 Iном. дв., плавкую вставку можно выбирать по условию Iв.ном = (1 - 1,25) Iном.дв. . 5. Выбранные предохранители надо проверить на КЗ непосредственно у двигателя. Берётся двухфазное КЗ при изолированной нейтрали и однофазное КЗ на землю, если нейтраль заземлена. Для правильной работы необходимо Iк/Iв.ном 3 – 4, где Iк – ток КЗ у двигателя; Iв.ном – номинальный ток плавкой вставки у двигателя. Зачение Iк зависит от активного и реактивного сопротивления источника питания (трансформатора) и питающих линий. Для двухфазного КЗ: Iк(2) = ; для однофазного КЗ: Iк(1) = ; для трёхфазного КЗ: Iк(3) = . Сопротивления фаз Zф и Zфо определяются уравнениями Zф = ; Zфо = , где Rф и Хф – активное и индуктивное сопротивления проводников фазы; Rфо и Хфо –т о же нулевого провода; Rт и Хт –т о же фазы трансформатора; Zт1 – полное расчётное сопротивление трансформатора при замыкании на землю. б) Выбор быстродействующих предохранителей для защиты полупроводниковых приборов. На рис. 6.9. представлена схема мощной выпрямительной установки. В каждом плече моста установлено по пять диодов, каждый из которых защищён предохранителем FU. При пробое диода VDk ток Iк, обозначенный пунктиром, замыкается через VDk в обратном направлении и закорачивает две фазы. Предохранитель FU срабатывает, повреждённый диод отключается, и схема продолжает нормальную работу с некоторой перегрузкой диодов. Рис. 6.9. Схема защиты полупроводниковых диодов в мощной выпрямительной установке Рис. 6.10. Зависимость преддуговых интегралов от тока предварительной нагрузки Полный джоулев интеграл при отключении предохранителя ()откл. пред. должен быть меньше допустимого джоулева интеграла полупроводникового прибора ()приб. .Для защиты диодов должно соблюдаться условие ()откл. пред. ()приб. где n – число параллельных ветвей преобразователя; с – коэффициент неравномерности деления тока по ветвям. При равномерном распределении тока с = 0 и ()откл. пред. ()приб. Значение ()приб. Для прибора берётся из каталога или (при синусоидальном токе) по уравнению ()приб. = Т/4, где - допустимое значение ударного неповторяющегося тока в прямом направлении; Т – период переменного тока. ЛЕКЦИЯ № 18 6.2 Автоматические воздушные выключатели (автоматы) 6.2.1. Назначение, классификация и область применения автоматов. 6.2.2. Требования, предъявляемые к автоматам. 6.2.3. Узлы автомата и принцип его действия, физические явления в электрическом аппарате. 6.2.4. Основные параметры. 6.2.5. Универсальные и установочные автоматы. 6.2.6. Быстродействующие автоматы. 6.2.7. Автоматы для гашения магнитного поля мощных генераторов. 6.2.8. Выбор, применение и эксплуатация автоматических воздушных выключателей. 6.2.1. Назначение, классификация и область применения автоматов а) Назначение автоматов. Автоматы предназначены для проведения тока в нормальных режимах и автоматического отключения защищаемой цепи при перегрузках, КЗ, чрезмерного понижения питания, а также оперативных нечастых отключений. б) Классификация автоматов. Конструкции, характеристики и защитные функции весьма разнообразны, однако по назначению и принципам работы они могут быть разделены на включатели общего назначения, быстродействующие и специальные. Автоматы общего назначения по роду тока цепи выполняются переменного, постоянного, переменного и постоянного тока. По собственному времени отключения выключатели могут быть токоограничивающими и нетокоограничивающими. Общая продолжительность КЗ tK3 (рис 6.1.а и б) складывается из трех слагаемых: tO -времени от начала КЗ до момента, когда ток достигнет значения Iуст, при котором в стационарном режиме срабатывает отключающее устройство; tOткл - собственное время отключения - время от момента достижения током значения тока уставки до момента расхождения контактов; tг - длительность процесса дугогашения. Время tO зависит в основном от постоянных цепи. Время tOткл определяет быстродействие выключателя. Рис. 6.1. Процесс отключения при КЗ: а - нетокоограничивающим выключателем; б, в - токоограничивающим выключателем Токоограничивающий выключатель - выключатель, у которого собственное время отключения таково, что в данной цепи за это время ток не успевает достигнуть установившегося значения IКЗ и отключаемый ток Iоткл меньше того, который был бы в случае отсутствия выключателя или при нетокоограничивающем выключателе (рис 6.1,а). Нетокоограничивающие выключатели могут быть с выдержкой токов в цепи КЗ или без нее. Первые предназначены для осуществления селективной защиты суть которой заключается в том, что при токе IКЗ (рис. 6.2), превосходящем ток уставки Iуст выключателей всех ступеней, отключается ближайший к месту аварии участок, у которого выключатель имеет меньшую выдержку времени tl (tl200 А (рис. 6.3) токоведущая цепь имеет главные 1 и дугогасительные контакты 3. Включение автомата может производиться вручную рукояткой 12 или электромагнитом 4. Звенья 6, 7 и упор 13 образуют механизм свободного расцепления. Отключение может производиться рукояткой 12 или с помощью тепловых и электромагнитных расцепителей 5,8,10,11. Необходимая скорость расхождения контактов обеспечивается пружиной 9. Гашение дуги происходит в камере 2. Рис. 6.3. Принципиальная схема автомата. 1-дугогасительные контакты, 2- камера дугогашения; 3-главные контакт; 4- электромагнит; 5,8,10,11 - электромагнитные расцепители; 6,7 - рычаги (звенья) механизма свободного расцепления; 13 - упор; 9 - пружина 6.2.4. Основные параметры автомата 1. Собственное и полное время отключения; 2. Номинальный длительный ток: Iном; 3. Номинальное напряжение: Uном; 4. Предельный ток отключения. Под собственным временем отключения автомата понимают время от момента, когда ток достигнет значения тока срабатывания Iср, до начала расхождения его контактов. После расхождения контактов возникшая дуга должна быть погашена за минимальное время с перенапряжением не представляющим опасности для остального оборудования. На рис. 6.4, а показано изменение тока и напряжения на контактах в процессе отключения для небыстродействующего автомата, а на рис 6.4, б - для быстродействующего. Для простоты примем, что до КЗ ток нагрузки =0. Установившийся ток КЗ Iкз. уст. От момента начала КЗ ток растет по закону экспоненты до значения тока срабатывания автомата icp (время tO). После этого до момента размыкания контактов проходит время t l. Это время тратится на работу механизма расцепления , выбор провала контактов и является собственным временем отключения автомата. После расхождения контактов дуга гаснет за время t2. Время равное tоткл =tO+tl+t2, является полным временем отключения автомата. 6.4. Изменение тока цепи и напряжения на контактах в процессе отключения Если tl>=0.01c то автомат называется обыкновенным (небыстродействующим). В быстродействующих автоматах t1=0.002-0.008с. 6.2.5. Универсальные и установочные автоматы Выключатели изготавливаются в основном на токи от 6,3 А до 6300 А и U до 1000 В переменного тока и 440 В постоянного тока в соответствии со стандартизованными шкалами токов и напряжений. а) Автоматы серии А-3700. Iном=160-630А при ~U до 660 В и постоянном до 440 В. Iдоп.КЗ =200 кА. Износостойкость (5-10)10 циклов. Автомат может снабжаться электромагнитным приводом для дистанционного управления. б) Выключатели серии ВА51 и ВА52. Серии выполняются на токи 63-630 A, U до 660 В ~ тока частотой 50 и 60 Гц и до 440 В постоянного тока с многообразием модификаций по набору и сочетанию расцепителей. Привод ручной или двигательный. в) выключатели серии ВА53, ВА55 и ВА75 по конструкции представляют собой продолжение серии ВА51 в сторону больших токов (до 4000 А) при тех же напряжениях. В этих сериях применяются полупроводниковые максимальные расцепители. Отключаемый ток до 135кА при 380 В и 160 кА при 440 В. г) Выключатели на напряжение 1.140 В. Такой выключа­ель (серии А3790) разработан на базе А3700 на ток 630 А с предельно допустимым током КЗ 25 кА при 1140 В, 12 кА при 660 В переменного тока и 50 кА при 440 В постоянного тока. Механическая износостойкость 16000 циклов, коммутационная износостойкость при 1140 В - 600 циклов, а при 660 В -1000 циклов. 6.2.8. Выбор, применение и эксплуатация автоматических воздушных выключателей 1. Номинальное значение напряжения Uном.а и тока Iном.а автомата, ток нагрузки Iном.н и напряжения сети Uном.с должны удовлетворять соотношениям Uном.а >= Uном.с; Iном.а >= Iном.н 2. Для автомата защиты двигателя, работающего в повторно-кратковременном режиме, номинальный ток расцепителя принимается равным току двигателя в режиме ПВ=25%. 3. Для автоматов защиты двигателей с КЗ ротором ток уставки электромагнитного расцепителя Iуст. эм >=(2,5-3) Iном. дв 1. Для группы короткозамкнутых двигателей , где разность (Iп - Iном дв) берется для двигателей, у которых она наибольшая. 5. Для двигателя с фазным ротором . 6. Для группы двигателей с фазным ротором , где - ток двигателя с наибольшим пусковым током. 7. Для двигателей, работающих в тяжелом или повторно-кратковременном режиме, номинальный ток теплового или комбинированного расцепителя . 8. Выбор по току КЗ : а) для автоматов с электромагнитным расцепителем Iкз /. б) для автоматов с комбинированным расцепителем 1к/1н расц>3 Iкз /. 9. Предельный ток отключения автомата Iоткл.авт должен быть не мене тока Ik. ЛЕКЦИЯ № 23 7.4. Токоограничивающие реакторы 7.4.1. Назначение, область применения и принцип работы реактора, физические явления в электрическом аппарате. 7.4.2. Основные параметры реактора. 7.4.3. Бетонные реакторы. 7.4.4. Масляные реакторы. 7.4.5. Сдвоенные реакторы. 7.4.6. Выбор, применение и эксплуатация реакторов. 7.4.1. Назначение, область применения и принцип работы реактора, физические явления в электрическом аппарате Реактор-это ЭА в виде катушки с постоянным индуктивным сопротивлением X=L, предназначенный для ограничения ударного тока КЗ в мощных сетях и поддержания напряжения на шинах при аварийном режиме. Реакторы устанавливаются на отходящих фидерах (1 и 2) рис. 7.4.1 и между секциями сборных шин 3. Рис. 7.4.1. Схемы включения токоограничивающих реакторов: 1 - фидерный; 2- фидерный групповой; 3 – межсекционный; 4 - сдвоенный. Распределение напряжений в цепи с реактором показано на рис. 7.4.2. Следует отметить, что при номинальном режиме потери напряжения на реакторе не равны численно падению напряжения Up на нем (рис. 7.4.2, а и б) и существенно зависят от величины Cos ( 0 при Cos =1; = Up при Cos =0; 5Up при Cos=0,8). Таким образом, при нормальном режиме обеспечивается допустимое (3-4%) отклонение напряжения у потребителей. При КЗ Cos 0 и большая часть напряжения приходится на реактор (рис. 7.4.2,б), вследствие чего на сборных шинах поддерживается высокое остаточное напряжения, значение которого зависит от соотношения сопротивления сети до реактора и самого реактора 165 Рис. 7.4.2. Распределение напряжений в цепи с реактором: а) при номинальном токе, б) при КЗ 7.4.2. Основные параметры реактора Основными параметрами реактора являются: 1) Uном; 2) Iном; 3) реактивное (индуктивное) сопротивление Хр, равное отношению падения напряжения на реакторе Up при протекании по нему Iном к фазному напряжению Uф. Хр = Индуктивное сопротивление фидерных реакторов выбирается обычно 6-8%, а секционных 8-12 %. 4) Ток термической стойкости Iт для времени t; 5) Ток динамической стойкости iуд iуд = 1,8 Iкз.р , где Iкз.р - наибольший ток, проходящий через реактор. Iкз.р = Iном.р 100/Хр%. ЛЕКЦИЯ № 24 7.5. Разрядники 7.5.1. Назначение, область применения разрядников. 7.5.2. Требования, предъявляемые к разрядникам. 7.5.3. Основные параметры разрядников. 7.5.4. Конструкции разрядников, физические явления в электрических аппаратах. 7.5.5. Трубчатые разрядники, физические явления в электрическом аппарате. 7.5.6. Вентильные разрядники, физические явления в электрическом аппарате.. 7.5.7. Разрядники постоянного тока, физические явления в электрическом аппарате.. 7.5.8. Ограничители перенапряжения, физические явления в электрических аппаратах. 7.5.9. Выбор разрядников. 7.5. Назначение, область применения разрядников Разрядник – это ЭА, искровой промежуток которого пробивается при определённом значении приложенного напряжения, ограничивая тем самым перенапряжения в установке. Разрядники предназначены для защиты электроустановок от коммутационных и атмосферных импульсов перенапряжений, существенно превышающих номинальные. 7.5.1. Требования, предъявляемые к разрядникам К разрядникам предъявляются следующие требования. 1. Вольт-секундная характеристика разрядник должна идти ниже характеристики защищаемого объекта и должна быть более пологой. 2. Искровой промежуток разрядника должен иметь определенную гарантированно электрическую прочность при промышленной частоте(50 Гц) и при импульсах. 3. Остающееся напряжение на разряднике, характеризующее его токоограничивающую способность, не должно достигать опасных для изоляции оборудования значений. 4. Сопровождающий ток частотой 50 Гц должен отключаться за минимальное время. 5. Разрядник должен допускать большое число срабатываний без осмотра и ремонта. 7.5.2. Основные параметры разрядников Основными параметрами разрядника являются: 1) вольт-секундная характеристика; 2) остающееся напряжение; 3) сопровождающий ток. Вольт-секундная характеристика – это зависимость максимального напряжения импульса от времени разряда. Основным элементом разрядника является искровой промежуток. Вольт-секундная характеристика этого промежутка (кривая 1) должна лежать ниже вольт- секундной характеристики защищаемого оборудования (кривая 2). Рис. 7.5.1. Согласование характеристик разрядника и защищаемого оборудования: 1 – характеристика искрового промежутка, 2 – вольт-секундная характеристика изоляции оборудования, 3 – ограниченное разрядником перенапряжение При возникновении перенапряжения (кривая 5) искровой промежуток разрядника пробивается раньше (точка О), чем изоляция оборудования. После пробоя линия (сеть) заземляется через сопротивление разрядника. При этом напряжение на линии определяется значением тока I через разрядник, сопротивлением разрядника и заземления R3. Падение напряжения на разряднике при протекании тока данного значения и формы называется остающимся напряжением. Чем меньше это напряжение, тем лучше качество разрядника . После пробоя разрядника от импульса напряжения его искровой промежуток ионизирован и легко пробивается фазным напряжением. Возникает КЗ на землю, и через разрядник протекает ток промышленной частоты, который называется сопровождающим. Чтобы избежать срабатывания защиты и отключения оборудования, разрядник должен отключать сопровождающий ток в возможно малые сроки (примерно полупериод промышленной частоты). 7.5.4. Конструкции разрядников, физические явления в них Конструкции и параметры отечественных и зарубежных разрядников приведены в справочниках по электрическим сетям и электроооборудованию. 7.5.5. Трубчатые разрядники, физические явления в них При нормальной работе установки разрядник заземлен от линии воздушным промежутком S2. Рис. 7.5.2. Трубчатый разрядник: 1 - трубка; 2- электроды; 3 - кольцевой электрод; 4 - заземленный электрод; 5 - буферный объем При возникновении перенапряжения пробиваются оба промежутка S1 и S2 и импульсный ток отводится в землю. Возникающая в трубе дуга вызывает сильную газогенерацию из стенок трубки. Газы устремляются через выхлопные отверстия в кольцевом электроде 3, образуя интенсивное продольное дутье, которое гасит дугу при прохождении ток через нуль, одновременно гаснет дуга и на промежутке S2. Отключение сопровождается большим выбросом пламени и газов. Предельный отключаемый ток определяется прочностью трубки и, например для разрядников серии РТВ на 6-10 кВ составляет 12 кА. Предельные токи отключения разрядников с фибробакетовыми трубками меньше, чем у разрядников с винипластовыми трубками. 7.5.8. Ограничители перенапряжения, физические явления в электрических аппаратах ОПН выпускаются на широкую гамму напряжений – от 0,04 кВ до 500 кВ. На основе оксида цинка, имеющего резко выраженную нелинейность вольт-амперной характеристики, разработана серия нелинейных ограничителей перенапряжений (ОПН) на номинальное напряжение110—500 кВ. ОПН представляет собой нелинейный резистор с высоким коэффициентом нелинейности =0,04 (против 0,1—0,2 для вилита). Он включается параллельно защищаемому объекту (между потенциальным выводом и землей) без разрядных промежутков. Благодаря высокой нелинейности при номинальном фазном напряжении через ОПН протекает ничтожный ток 1 мА. При увеличении напряжения сопротивление ОПН резко уменьшается, ток, протекающий через него, растет. При напряжении 2,2Uф через ОПН протекает ток 104 А. После прохождения импульса напряжения ток в цепи ОПН определяется фазным напряжением сети. Рис. 7.5.5. Вольт-амперная характеристика ограничителя ОПН-500 ОПН ограничивают коммутационные перенапряжения до уровня 1,8 Uф и атмосферные перенапряжения до (2-2,4) Uф. Из вольт-амперной характеристики ОПН-500 (рис. 7.5.5) видно, что при снижении перенапряжений с 2 Uф до Uф ток, протекающий через резисторы, уменьшается в 106 раз. Сопровождающий ток, протекающий после срабатывания аппарата, невелик (миллиамперы), так же как и невелика мощность, выделяемая в резисторах. Это позволяет отказаться от последовательного включения нескольких искровых промежутков и дает возможность присоединять ОПН непосредственно к защищаемому оборудованию, что значительно повышает надежность работы. Высокая нелинейность резисторов ОПН (для области больших токов=0,04) позволяет значительно снизить перенапряжения и уменьшить габариты оборудования, особенно при напряжении 750 и 1150 кВ. Габаритные размеры и масса ОПН намного меньше, чем у обычных вентильных разрядников того же класса напряжения. 7.5.9. Выбор разрядников А. Выбор разрядников и ограничителей напряжения. Трубчатые разрядники. 1. Номинальное напряжение разрядника Uном.разр должно соответствовать номинальному напряжению сети Uном.сети. 2. Токи короткого замыкания, возникающие при срабатывании разрядника, должны находиться в пределах токов, отключаемых разрядником. 3. Искровые промежутки S1 и S2 берутся в соответствии с данными табл. справочника. Вентильные разрядники и ограничители перенапряжения. 1. Номинальное напряжение UHOM разрядника или ограничителя перенапряжения должно быть равно номинальному напряжению сети Uном.сети. 2. Расстояние до защищаемого объекта выбирается в зависимости от номинального напряжения сети, схемы установки и типа разрядника в соответствии с ПУЭ. ЛЕКЦИЯ № 25 7.6. Предохранители высокого напряжения 7.6.1. Назначение предохранителей. 7.6.2. Требования, предъявляемые к предохранителям ВН. 7.6.3. Принцип действия, устройство и основные параметры предохранителей ВН, физические явления в электрических аппаратах. 7.6.4. Предохранители с мелкозернистым наполнителем серий ПК и ПКТ. 7.6.5. Предохранители серии ПКТН. 7.6.6. Предохранители с автогазовым, газовым и жидкостным гашением дуги. 7.6.7. Выбор, применение и эксплуатация предохранителей ВН. 7.6.1. Назначение предохранителей При напряжении выше 3 кВ и частоте 50 Гц применяют высоковольтные предохранители. Процесс нагрева плавкой вставки в высоковольтных предохранителях протекает так же, как и предохранителях низкого напряжения. 7.6.2. Требования, предъявляемые к предохранителям ВН 1. В отношении времени плавления к высоковольтным предохранителям предъявляется следующее общее требование: длительность плавления вставки должна быть менее 2ч при токе перегрузки, равном 2Iном, и более 1ч при токе перегрузки равном 1,3 Iном. 2. Высоковольтные предохранители часто применяются для защиты трансформаторов от токов КЗ. Ток, текущий через предохранители в номинальном режиме не превышает доли ампера. В таких предохранителях время плавления вставки равно 1 мин при токе 1,25 - 2,5 А. 3. В связи с высоким значением восстанавливающегося напряжения процесс гашения дуги усложняется. В связи с этим изменяются габаритные размеры и конструкция высоковольтных предохранителей. 7.6.3. Принцип действия, устройство и основные параметры предохранителей ВН, физические явления в электрических аппаратах Назначение и принцип работы предохранителей ВН такие же, как и предохранителей НН. Основная трудность созда­ния предохранителей ВН - гашение дуги. В современных конструкциях применяется главным образом гашение в узких каналах при высоком давлении (предохранители с мелкозернистым наполнителем) гашение при помощи автогазового и жидкостного дутья. Наибольшее распространение получили предохранители с мелкозернистым наполнителем и стреляющего типа. 7.6.4. Предохранители с мелкозернистым наполнителем серий ПК и ПКТ Они выполняются на напряжения 3; 6,3; 10 и 35 кВ и номинальные токи 400, 300, 200 и 40 А соответственно. Небольшая разрывная способность 200 MB А для силовых предохранителей и 1000 MB-А и более (не ограничено) у предохранителей (серия ПКТ) на малые токи для защиты цепей измерительных трансформаторов напряжения. Такая высокая отключающая способность достигается токоограничивающим эффектом. Полное время отключения силовыми предохранителями тока короткого замыкания достигает 0,005 — 0,007 с. Предохранители предназначены для внутренней и наружной установки. Рис.7.6.1. Предохранители серии ПК: а — общий вид; б — патрон с плавкой вставкой на керамическом сердечнике; в — патрон со спиральными плавкими вставками Предохранитель (рис.7.6.1) состоит из контактных стоек 1, укрепленных через соответствующие изоляторы 2 на стальном основании 3, и патрона 4. Патрон состоит из изоляционного корпуса 8, армированного по концам латунными колпаками 13 и закрытого герметично с обеих сторон крышками 5. Внутри патрона размещаются плавкие вставки 7. Весь объем заполнен кварцевым песком 6. Перегорание предохранителя сигнализируется якорем 14, который после перегорания удерживающей его стальной указательной вставки 11 выталкивается пружиной 12. На малые токи плавкая вставка выполняется в виде намотки из тонких проволок 9 на керамическом сердечнике 10. На большие токи плавкие вставки выполняются в виде отдельных спирально свитых проволок 9 (рис.7.6.1,б). Проволоки медные, посеребренные либо константановые. Такая форма вставок обусловлена стремлением разместить достаточно длинную вставку, в патроне ограниченной длины. Длина плавкой вставки (в миллиметрах) для этих предохранителей составляет l= 160 +70Uном, где Uном — номинальное напряжение, кВ. Для снижения температуры предохранителя при небольших перегрузках на места скрутки плавких вставок напаяны оловянные шарики. На токи 7,5 А и ниже для ограничения перенапряжений вставки имеют переменное сечение. Разное время перегорания отдельных участков приводит к снижению перенапряжений при отключении. 7.6.5. Предохранители серии ПКТН Предохранители серии ПКНТ на напряжение U до 35 кВ имеют внутри керамический каркас с тонкой плавкой вставкой. Так как номинальный ток вставок Iном < 1А, то сечение вставки мало и токоограничивающий эффект особенно велик. Плавкая вставка выполняется из константановой проволоки с 4-х ступенчатым сечением для ограничения перенапряжений. Плавление вставки происходит последовательно по ступеням. Предохранитель обеспечивает защиту шин ВН от повреждения трансформатора напряжения при любой мощности источника питания (ток ограничивается предохранителем).. Предохранители серий ПК и ПКНТ работают бесшумно без выброса пламени и раскаленных газов. Для нормальной работы предохранителей особо важное значение имеет герметизация. При проникновении влаги в предохранитель он теряет свойство дугогашения. Поэтому места пайки и цементирующая замазка, крепящая колпачки, окрашиваются специальной влагозащитной эмалью. Перезарядка предохранителя в эксплуатации не допускается. Как правило, установки напряжением 35 кВ и выше работают на открытом воздухе и подвержены воздействию атмосферы. В этих условиях трудно обеспечить надежную работу предохранителя ПК из-за увлажнения наполнителя. Характеристики кварцевых предохранителей ВН приведены в справочниках. Перспективы дальнейшего развития предохранителей на U > 35 кВ осложняются технологическими трудностями изго­товления и ростом их габаритов. 7.6.6. Предохранители с автогазовым, газовым и жидкостным гашением дуги Рис. 7.6.2. Предохранители с автогазовым (а) и жидкостным (б) гашением Эти предохранители (рис.7.6.2) выполняются с короткой плавкой вставкой. Плавкая вставка состоит из медной 4 (токоведущей) и стальной 5 (удерживающей) частей. После расплавления (перегорания) вставки (сначала медной части, а затем стальной) дуговой промежуток удлиняется с помощью пружин или давления образующихся газов. Дуга втягивается в дугогасящую или газогенерирующую среду и под действием газового или жидкостного дутья гаснет. В стреляющем предохранителе (тип ПСН — рис. 7.6.2, а) вытягивание гибкой связи 3 из патрона осуществляется пружиной ножа, связанного с контактным наконечником 1. Дуга, втянутая в газогенерирующую трубку 2, резко повышает давление в трубке (до 10—12 МПа) и создает весьма интенсивное продольное автодутье. Гибкая связь окончательно выбрасывается из патрона, дуга энергично гасится. Гашение сопровождается выбросом раскаленных газов, световым и звуковым эффектом. В жидкостном предохранителе (рис. рис. 7.6.2, б) пружина 8, растягивая дуговой промежуток, тянет поршень 6 и проталкивает через отверстия 7 жидкость, заполняющую весь объем под поршнем. Создаваемое интенсивное продольное дутье надежно гасит дугу. Автогазовое и жидкостное гашение позволяет создать конструкции предохранителей на напряжения 110 — 220 кВ с высокой отключающей способностью. 7.6.7. Выбор, применение и эксплуатация предохранителей ВН 1. При определении Iном вставки необходимо исходить из условия максимальной длительной перегрузки. 2. Очень часто обмотка высокого напряжения трансформатора присоединяется через предохранитель. При подаче напряжения на трансформатор возникают пики намагничивающего тока, среднее значение амплитуды которых достигает 10 Iном, а длительность прохождения равна ~ 0,1 с. Выбранный по Iном предохранитель должен быть проверен на прохождение в течении 0,1 с начального намагничивающего тока. 3. В заключении необходимо проверить селективность работы предохранителя с выключателями, установленными на стороне высокого и низкого напряжения. 4. При КЗ в самом трансформаторе время отключения предохранителя должно быть меньше, чем выдержка времени выключателя, установленного на стороне ВН и ближайшего к предохранителю. 5. При КЗ на стороне НН предохранитель должен иметь время плавления больше, чем уставка защиты выключателя на стороне НН 6. При выборе предохранителя необходимо соблюсти также соотношения U ном. пред = U ном. уст I отк. пред I кз. уст ЛЕКЦИЯ № 26 8.1. Измерительные трансформаторы тока (ТТ) 8.1.1.Назначение, принцип действия, схема включения трансформатора тока. 8.1.2. Основные параметры трансформаторов тока. 8.1.3. Режимы работы трансформаторов тока. 8.1.4. Конструкция и принцип действия трансформаторов тока, физические явления в электрическом аппарате. 8.1.5. Выбор трансформаторов тока. 8.1.1.Назначение, принцип действия, включение трансформатора тока Трансформаторы тока (ТТ) предназначены для измерения тока и питания схем защиты, а также для изолирования цепей измерения и защиты от высокого напряжения. Они выполняются как для внутренней, так и для внешней установки на всю шкалу токов и напряжений. Рис. 8.1-1. Схемы включения трансформатора тока (ТТ) и трансформатора напряжения — однофазного (ТН) и трехфазного (3ТН) Трансформатор тока имеет замкнутый магнитопровод с двумя обмотками. Первичная обмотка 1 (рис. 8.1.1) включается последовательно в измеряемую цепь. Ток этой обмотки и есть измеряемый ток. Вторичная обмотка 2 должна быть обязательно замкнута на нагрузку (на измерительный прибор, цепь защиты и т. д.), сопротивление которой не превосходит определенного значения. Разомкнутое состояние вторичной обмотки является аварийным режимом. Так как ток первичной обмотки не изменяется при разрыве цепи вторичной обмотки, то на вторичной обмотке возбуждается очень высокое напряжение, которое может привести к пробою изоляции. Для безопасности работы в случае повреждения изоляции между первичной и вторичной обмотками вторичная обмотка должна быть, кроме того, обязательно заземлена. В случае повреждения изоляции приборы и реле остаются под потенциалом земли. 8.1.2. Основные параметры трансформаторов тока Основными параметрами ТТ являются следующие. 1. Номинальное напряжение — линейное напряжение системы, в которой трансформатор должен работать. Это — напряжение, на которое рассчитана изоляция первичной обмотки. 2. Номинальный первичный и вторичный ток — ток, который трансформатор может пропускать длительно не перегреваясь. Номинальный ток вторичной обмотки стандартизован и может быть 5 или 1 А. Вторичных обмоток может быть несколько с разными номинальными токами. 3. Номинальный коэффициент трансформации — отношение номинального первичного тока к номинальному вторичному току: К ном = I1ном/I2ном. 4. Номинальная нагрузка трансформатора — это сопротивление нагрузки Z2ном.в омах, при котором трансформатор работает с заданным классом точности при номинальном значении Cos2ном.=0,8. Иногда этот термин заменяется номинальной мощностью в вольт-амперах Р2ном. Р2ном. = 2ном Z2ном. Поскольку значение тока I2ном. стандартизовано, то Z2ном.определяет и Р2ном.ТТ. 5. Класс точности. Вследствие потерь в трансформаторе реальный коэффициент трансформации не равен номинальному. Различают погрешность токовую и угловую. Токовая погрешность в процентах определяется выражением 100. В зависимости от значения токовой погрешности различают классы точности (0,5; 1). Класс точности говорит о погрешности по току при номинальных условиях. В идеальном трансформаторе вторичный ток сдвинут по фазе относительно первичного на 180°. В реальном трансформаторе этот угол отличается от 180°. Погрешность по углу измеряется в минутах. 6. Номинальная предельная кратность. С увеличением первичного тока выше номинального значения погрешность ТТ сначала уменьшается, затем по мере насыщения магнитопровода увеличивается. ТТ является одним из основных звеньев систем защиты. При токах короткого замыкания погрешность может быть такой, что нормальная работа защиты не будет обеспечиваться. Поэтому для ТТ указывается предельная кратность тока первичной обмотки по отношению к номинальному току, при которой полная погрешность не преышает 5 или 10% (разные классы), и в пределах этой погрешности проектируется нормальная работа защиты. 7. Максимальная кратность вторичного тока – отношение наибольшего вторичного тока к его номинальному значению при номинальной вторичной нагрузке. Максимальная кратность I2 определяется насыщением магнитопровода, когда дальнейшее возрастание I1 не ведёт к возрастанию потока. 8. Термическая стойкость — отношение предельно допустимого тока КЗ, который трансформатор может выдержать без повреждений в течение нормированного времени 1с, к номинальному первичному току I1ном при номинальной вторичной нагрузке и нормированной температуре окружающей среды, с учетом предварительного нагрева ТТ номинальным током. 9. Динамическая стойкость ТТ (кратность) — отношение амплитудного значения предельного сквозного тока короткого замыкания (ударного тока КЗ), выдерживаемого трансформатором без механических повреждений, к амплитудному значению номинального первичного тока I1ном. Так как ток первичной обмотки ТТ задаётся сетью, то наибольшим термическим и динамическим воздействиям подвергается первичная обмотка. Вторичный ток часто ограничивается насыщением магнитопровода, и поэтому вторичная обмотка работает в облегчённых условиях. Конструкции ТТ. Конструкции трансформаторов тока весьма разнообразны. При этом они состоят из замкнутого магнитопровода с соответствующими обмотками и корпуса. Магнитопровод может быть прямоугольный шихтованный или то­роидальный, навитый из ленты. Трансформатор может иметь несколько магнито-проводов 2 (рис. 12-2, а). При напряжениях до 35 кВ магнитопровод может служить опорой трансформатора. Вторичные обмотки 3 всегда многовитковые. Первичная обмотка 4 может быть многовитковой (обычно на токи до 400 А) или одновитко-вой на токи от 600 А и выше. В последнем случае витком служит шина или стер­жень, проходящие через окно магнитопровода (проходной ТТ - рис. 12-2,6). Этим же витком может служить шина распределительного устройства, пропускаемая через то же окно трансформатора (шинный ТТ — рис. 12-2, в). Обмотки могут выполняться из изолированного или голого медного провода. Для напряжений до 35 кВ широкое распространение получила изоляция первичной обмотки от вторичной и от заземленных деталей литым компаундом на основе эпоксидной смолы. Литой изоляционный корпус 1 (рис. 12-2, а) защищает первич­ную и вторичную обмотки от возможных механических повреждений и проникно­вения ллаги. 8.1.3. Режимы работы трансформаторов тока а) Работа ТТ при КЗ в контролируемой сети. Трансформаторы тока являются одним из основных звеньев релейной защиты. Поэтому они должны быть термически и динамически стойкими и обладать погрешностью, обеспечивающей нормальную работу релейной защиты. При больших кратностях первичного тока магнитопровод ТТ насыщается и погрешность резко растет. Практика показала, что если полная погрешность достигла 10 %, то при дальнейшем возрастании первичного тока она столь быстро увеличивается, что нормальная работа релейной защиты невозможна. Поэтому номинальная предельная кратность ТТ должна быть выше отношения тока КЗ к номинальному. Типичная зависимость номинальной предельной кратности от сопротивления нагрузки показана на рис. 8.1.2. Уменьшая сопротивление нагрузки, можно увеличивать и номинальную предельную кратность. Рис. 8.1.2. Зависимость номинальной предельной кратности от сопротивления нагрузки Трансформаторы, предназначенные для дифференциальной защиты, выбираются с одинаковой номинальной предельной кратностью. При этом ток небаланса защиты, равный разности вторичных токов трансформаторов (при одинаковом первичном токе), получается небольшим. При КЗ вследствие насыщения магнитопровода кривая вторичного тока резко отличается от синусоиды. Приближенно максимальную кратность вторичного тока можно найти по формуле где Bs — индукция насыщения (для электротехнической' стали Bs2Тл); BтН0М — амплитуда индукции при номинальном первичном токе. Трансформаторы с многовитковой первичной обмоткой при КЗ в контролируемой сети подвергаются повышенной электрической нагрузке. Индуктивное сопротивление такой обмотки соизмеримо с сопротивлением остальной короткозамкнутой цепи. При этом на обмотку может ложиться существенная часть напряжения сети, вследствие чего возможен пробой междувитковой изоляции. б) Работа ТТ при наличии в токе КЗ апериодической составляющей. При установившемся режиме в первичной обмотке протекает синусоидальный ток неизменной амплитуды. В действительности начало КЗ характеризуется переходным процессом при наличии апериодической составляющей тока. Наиболее тяжёлый случай для ТТ возникает, когда начальное значение апериодической составляющей равно амплитуде переменной составляющей. Рассмотрим изменение токов ТТ в переходном режиме. На рис.8.1.3,а показано изменение во времени апериодических составляющих первичного тока i'1апер, вторичного тока i2апер и намагничивающего тока i'0апер. В момент t0 , когда составляющая i'0апер проходит через максимум, апериодическая составляющая вторичного тока i2апер проходит через нуль. Из-за наличия апериодической составляющей i'0апер кривая i2апер идет ниже кривой i'1апер При этом происходит насыщение магнитопровода и возникают большие погрешности по току и углу, осложняющие работу релейной защиты. Для снижения погрешностей ТТ выполняются с немагнитным зазором, наличие которого предотвращает насыщение магнитопровода под воздействием апериодической составляющей индукции. Рис. 8.1.3. Изменение токов ТТ в переходном режиме: i'1апер, i2апер, i'0апер – кривые апериодической составляющей первичного, вторичного тока и апериодической составляющей намагничивающего тока в) Работа ТТ при разомкнутой вторичной обмотке. При эксплуатации ТТ возможны случаи, когда вторичная обмотка( ) оказывается разомкнутой. В нормальном режиме:МДС IQw1 составляет проценты или даже доли процента МДС F1. Амплитуда магнитной индукции составляет 0,06—0,1 Тл. При размыкании вторичной обмотки F2 = 0 и размагничивающее действие вторичной МДС прекращается. Ток в первичной цепи остается неизменным, и первичная МДС целиком идет на намагничивание магнитопровода. Это приводит к его насыщению и появлению высокой ЭДС на разомкнутой вторичной обмотке. Рис. 8.1.4. Изменение индукции В и вторичной ЭДС е2 во времени при разомкнутой вторичной обмотке Примерные кривые изменения индукции В и вторичной ЭДС е2 показаны на рис.8.1.4. Чем больше первичная номинальная МДС I1НОМw1, тем больше амплитудное значение е2, которое может достигать десятка киловольт. Такое напряжение опасно для изоляции трансформатора и обслуживающего персонала. При насыщении магнитопровода в нем резко возрастают активные потери, за счет которых температура изоляции может существенно превысить допустимые значения. Режим разомкнутой вторичной обмотки является для трансформатора тока аварийным, что необходимо предусматривать при проектировании цепей релейной защиты. Обычно вторичная обмотка выводится на дополнительные контакты К с перемычкой (см. рис. 8.1.5). Перед отключением от вторичной обмотки измерительного прибора она вначале шунтируется этой перемычкой. Рис. 8.1.5. Схема включения трансформатора тока 8.1.4. Конструкция и принцип действия трансформаторов тока, физические явления в электрическом аппарате Конструкции трансформаторов тока весьма разнообразны. При этом они состоят из замкнутого магнитопровода с соответствующими обмотами и корпуса. Магнитопровод может быть прямоугольный шихтованный или тороидальный, навитый из ленты. Трансформатор может иметь несколько магнитопроводов 2 (рис. 8.1.6, а). При напряжениях до 35 кВ магнитопровод может служить опорой трансформатора. Вторичные обмотки 3 всегда многовитковые. Первичная обмотка 4 может быть многовитковой (обычно на токи до 400 А) или одновитковой на токи от 600 А и выше. В последнем случае витком служит шина или стержень, проходящие через окно магнитопровода (проходной ТТ - рис. 8.1.6, б). Этим же витком может служить шина распределительного устройства, пропускаемая через то же окно трансформатора (шинный ТТ — рис. 8.1.6, в). Обмотки могут выполняться из изолированного или голого медного провода. Для напряжений до 35 кВ широкое распространение получила изоляция первичной обмотки от вторичной и от заземленных деталей литым компаундом на основе эпоксидной смолы. Литой изоляционный корпус 1 (рис. 8.1.6, а) защищает первичную и вторичную обмотки от возможных механических повреждений и проникновения влаги. Применение литой эпоксидной изоляции позволяет силбно упростить конструкцию и технологию производства. Рис.8.1.6. Трансформаторы тока с литой компаундной изоляцией: а — проходной опорный катушечный; б — проходной одновитковыи; в — шинный Л1, Л2 — первичная обмотка; И1, И2 — вторичная обмотка Электродинамическая стойкость одновитковых ТТ достаточно высока, т.к. на первичную обмотку действуют силы только от подводящих шин и соседних фаз. Недостаток одновитковых ТТ заключается в большой погрешности при малом номинальном первичном токе, поскольку w1 = 1. Поэтому одновитковые ТТ применяются при токах 400 А и более. Одновитковые ТТ могут быть встроенными. В этом случае используются токоведущий стержень и изолятор другого аппарата или оборудования (выключателя, силового трансформатора, проходного изолятора и др.). На проходном изоляторе встроенных ТТ, как правило, устанавливается несколько ТТ, вторичные обмотки которых можно соединять последовательно или параллельно. При последовательном соединении вторичных обмоток коэффициент трансформации не изменяется, так как удваивается число первичных и вторичных витков. Вторичный ток сохраняется неизменным, а вторичная ЭДС удваивается, что позволяет увеличить в 2 раза вторичную мощность. Для встроенных ТТ это очень важно, так как они удалены от реле и измерительных приборов, благодаря чему сопротивление соединяющих проводов получается большим. При параллельном соединении вторичных обмоток коэффициент трансформации уменьшается, так как первичные обмотки включаются последовательно. При этом вторичный ток двух ТТ увеличивается. Это дает возможность получить вторичный ток, приближающийся к стандартному значению 5 А, например при первичном токе I1ном =200 А. Вторичные обмотки имеют отводы, которые позволяют в неболь­шом диапазоне регулировать коэффициент трансформации. При малых первичных токах (ниже 400 А) для получения высокого класса точности применяются многовитковые ТТ. При напряжении 35 кВ и выше для открытых установок применяются ТТ с масляной изоляцией. С ростом номинального напряжения стоимость ТТ возрастает примерно пропорционально квадрату напряжения, в основном за счёт изоляции. Поэтому при напряжении Uном 220 кВ применяют каскадную схему включения ТТ. На рис. 8.1.7 показана схема включения обмоток двухступенчатого каскадного ТТ. Рис. 8.1.7. Принципиальная схема двухступенчатого каскадного ТТ Вторичная обмотка первого ТТ питает первичную обмотку второго. Стоимость возрастает в 2 раза, а не в 4. В связи с повышением Uном до 1150 кВ и выше представляется целесообразным переход на ТТ с оптико-электронной системой. Однако вследствие сложности такой системы пока широкого применения не получили. 8.1.5. Выбор трансформаторов тока 1. Uном ТТ должно быть не меньше н Uном. сети, в которой он устанавливается. оказывается под линейным напряжением. 2. I1ном ТТ для получения наименьшей погрешности должен быть возможно ближе к наибольшемувозможному току продолжительного режима работы установки. 3. ТТ с I2 1 А желательно применять при удаленном расположении ТТ от аппаратов релейной защиты, так как в этом случае можно допустить большее сопротивление проводников, соединяющих его с нагрузкой. 4. Класс точности ТТ выбирается в соответствии с его назначением. ТТ с меньшей погрешностью (классы 0,5 и 1) используются для измерений. Для релейной защиты выбираются ТТ, имеющие необходимую номинальную предельную кратность. 5. После выбора ТТ по указанным параметрам проводится проверка его динамической и термической стойкости. Для этого необходимо знать ударный ток в месте установки и действующее значение установившегося тока КЗ. Эти величины должны быть меньше токов динамической и термической стойкости выбранного ТТ. 6. Для ТТ цепей релейной защиты необходимо, чтобы номинальная предельная кратность была выше отношения тока КЗ к номинальному. ТТ дифференциальной защиты должны иметь одинаковую номинальную предельную кратность. 7. При выборе ТТ необходимо учитывать, что его реальной нагрузкой являются не только обмотки измерительных приборов и реле, но и сопротивления соединительных проводов. Тепловые реле Реле времени Список рекомендованной литературы 1. Слукин А. М. Электрические и электронные аппараты : лаб. практикум для студ. обуч. по напр. бакалавров 210100.62 "Электроника и микроэлектроника" и инженеров спец. 210106 "Пром. электроника" / А. М. Слукин; ТГУ ; Электротехн. фак. ; каф. "Пром. электроника". - ТГУ. - Тольятти : ТГУ, 2010. - 51 с. : ил. - Библиогр.: с. 50. - 22-88 2. Слукин А. М. Лабораторный практикум по курсу "Электрические и электронные аппараты" / А. М. Слукин; ТГУ; каф. "Промышленная электроника". - ТГУ. - Тольятти : ТГУ, 2008. - 82 с. : ил. - Библиогр.: с. 81. - 10-00 3. Магнитные усилители : лаб. практикум по дисциплине "Магнитные элементы электронных устройств" для студ. спец. 210106 дневной и заоч. формы обучения / ТГУ; каф. "Промышленная электроника"; [сост. В.А. Медведев и др.]. - ТГУ. - Тольятти : ТГУ, 2007. - 32 с. : ил. - Библиогр.: с. 32. - 5-00 Список вопросов к экзамену по ЭиЭА 1. ЭиЭА, назначение ЭиЭА, классификация, параметры. 2. Электрическая дуга. Свойства дуги. Статическая и динамическая ВАХ дуги. Условия гашения дуги постоянного и переменного токов. 3. Способы гашения электрической дуги (гашение дуги воздушным/магнитным дутьем, в жидкости и т.д.). Дугогасительные устройства, варианты конструкций. 4. Электрические контакты. Режимы работы, материалы. Конструкция твердометаллических и жидкометаллических контактов. 5. Электромагнитные реле. Устройство, принцип действия, применение, характеристики. Поляризованные и неполяризованные реле. Временные диаграммы работы. 6. Электромагнитные контакторы постоянного и переменного токов. Назначение, устройство, принцип действия. Кинематические схемы. 7. Герконы. Устройство, принцип действия, варианты конструктивного исполнения, параметы. Неполяризованные и поляризованные герконы. 8. Электромагниты. Варианты конструктивного исполнения. Принцип действия и применение. Анализ работы электромагнитов с помощью энергетических диаграмм (зависимости потокосцепления от тока). 9. Предохранители низкого напряжения. Назначение, устройство, варианты конструкции, принцип действия, параметры. Способы гашения дуги в предохранителях. Использование мелкозернистых наполнителей. 10. Предохранители высокого напряжения. Назначение, устройство, варианты конструкции, принцип действия, параметры. Способы гашения дуги в предохранителях. Использование мелкозернистых наполнителей. 11. Разрядники. Назначение, устройство, варианты конструкции, принцип действия.