Мухутдинова Г.С., Рогинская Л.Э. Электромагнитный контактор переменного тока

Мухутдинова Г.С., Рогинская Л.Э. Электромагнитный контактор переменного тока

Даются основные сведения о проектировании электромагнитных контакторах переменного тока, описаны устройства и принцип действия контактора, режим работы, методы и порядок тепловых расчетов. Пособие является важным элементом подготовки студентов к освоению дисциплины "Электрические и электронные аппараты", написанию курсовых проектов. Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 140600 - Электротехника, электромеханика и электротехнологии, специальностям 140601 - Электромеханика, 140205 - Электроэнергетические системы и сети.

Скачать книгу    Содержание

Предисловие

В настоящем учебном пособии рассмотрены основы теории электромагнитных контакторов, описаны устройства и принцип действия, приведены основные конструкции и характеристики электромагнитных и тиристорных контакторов.

Начиная с 1992 г. учебная дисциплина "Электрические и электронные аппараты" стала базовой для студентов, обучающихся по направлению 551300 “Электротехника, электромеханика и электротехнологии". При написании учебного пособия авторы расширили вопросы проектирования электромагнитных контакторов, необходимые при выполнении курсовой работы по данной дисциплине.

В учебном пособии кроме известных сведений о контакторах отражены некоторые результаты, полученные и опубликованные авторами.

ВВЕДЕНИЕ

Электрические аппараты (ЭА) представляют собой средства управления потоками энергии и информации. При этом речь может идти о потоках энергии различного вида: электрической, механической, тепловой и др. Например, потоком механической энергии от двигателя к технологической машине может управлять электромагнитная муфта. Потоками тепловой энергии можно управлять при помощи электромагнитных клапанов и заслонок. Однако наибольшее распространение получили ЭА для управления потоками электрической энергии для изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составных частей. Как правило, функции таких ЭА осуществляются посредством коммутации (включения и отключения) электрических цепей с различной частотой, начиная от относительно редких, нерегулярных значений до периодических высокочастотных, например, в импульсных регуляторах напряжения.

Одним из основных признаков классификации ЭА является напряжение. По этому признаку различают аппараты низкого (до 1000 В) напряжения (АНН) и аппараты высокого (свыше 1000 В) напряжения (АВН). Большинство аппаратов низкого напряжения условно можно разделить на следующие основные виды:

• аппараты управления и защиты - автоматические выключатели, контакторы, реле, пускатели электродвигателей, переключатели, рубильники, предохранители, кнопки управления и другие аппараты, управляющие режимом работы оборудования и его защитой;
• аппараты автоматического регулирования - стабилизаторы и регуляторы напряжения, тока, мощности и других параметров электрической энергии;
• аппараты автоматики - реле, датчики, усилители, преобразователи и другие аппараты, осуществляющие функции контроля, усиления и преобразования электрических сигналов.

Следует отметить, что АНН иногда классифицируют по величине коммутируемого тока:

• слаботочные (до 10 А) и сильноточные (свыше 10 А). При этом нижние пределы коммутируемых современными ЭА токов достигают 10 А, а напряжений - 10 - 5В.

  Аппараты высокого напряжения работают в сетях с напряжением до 1150 кВ переменного тока и 750 кВ постоянного тока и также существенно различаются по своим функциям. К АВН обычно относят следующие основные виды аппаратов:

• выключатели высокого напряжения, обеспечивающие включение и отключение электрических цепей в различных режимах работы, включая аварийные, например, короткое замыкание (КЗ);
• токоограничивающие реакторы для ограничения токов КЗ и шунтирующие реакторы для ограничения перенапряжений и компенсации реактивной мощности;
• ограничители перенапряжений на основе разрядников и элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (например, оксидо-цинковые ограничители перенапряжений - ОПН);
• разъединители и отделители для отключения цепи без тока при ремонте электрооборудования;
• измерительные трансформаторы для высоковольтных цепей.

Электрические аппараты как низкого, так и высокого напряжения обычно являются конструктивно законченными техническими устройствами, реализующими определенные функции и рассчитанными на разные условия эксплуатации.

В основе большинства электромеханических ЭА лежит контактная система с различными типами приводов - ручным, электромагнитным, механическим и др. Процессы, протекающие в ЭА, определяются различными и многообразными физическими явлениями, которые изучаются в электродинамике, механике, термодинамике и других фундаментальных науках.

Одной из наиболее сложных задач, решаемых при разработке электромеханического ЭА, является обеспечение работоспособности электрических контактов, в том числе и при гашении электрической дуги, возникающей при выключении ЭА. Большой вклад в развитие теории процессов на контактах и методов эффективного гашения электрической дуги внесли отечественные ученые: В.В. Петров, М.О. Доливо-Добровольский, А.Я. Буйлов, Г.Т. Третьяк, Г. В. Буткевич, О.Б. Брон, Н.Е. Лысов, Г.А. Кукеков, А.М. Залессиий, Г.Н. Александров, И.С. Таев, О.Я. Новиков, В.В. Афанасьев и др. Совершенствование многих видов ЭА неразрывно связано с развитием теории электромагнитного поля и методов расчета магнитных цепей. Большое влияние на развитие научных основ этого направления оказали работы отечественных ученых: Р.Л.. Аронова, Б.К. Буля, В.С. Кулеба-кина, А.Ф. Сотскова, И.И. Пеккера, А.Г. Никитенко, А.Г. Сливин-ской, АВ. Гордона, Н.Е. Лысова, М.А. Любчика, Ф.А. Ступеля и др.

Наличие подвижных механических частей, явления искро- и ду-гообразования при коммутации, ограниченное быстродействие и другие негативные факторы, присущие электромеханическим ЭА, инициировали работы по созданию статических ЭА, которые в научно-технической литературе ранее назывались бесконтактными, а в последнее время - силовыми электронными аппаратами.

Первыми статическими устройствами, на основе которых начали создавать статические ЭА, были дроссели насыщения, управляемые путем подмагничивания постоянным током (магнитные усилители). Нелинейность их вольт-амперных характеристик и управляемость относительно маломощным сигналом позволили создать на их основе усилители, регуляторы и статические реле.

Эффективность таких устройств особенно возросла при включении в схемы таких устройств полупроводниковых диодов. Наиболее значительные успехи на этом направлении были достигнуты в 50— 60-е годы. При этом значительный вклад в развитие ЭА на основе магнитных усилителей внесли отечественные ученые: Е.Л. Львов, Р.А. Липман, Л.В. Шопен и др.

Освоение промышленностью производства мощных биполярных транзисторов и создание тиристоров обусловило, начиная с 60-х годов, новый этап развития полупроводниковых приборов, на основе которых были созданы различные типы быстродействующих реле, регуляторов, пускателей для асинхронных двигателей и др. Одновременно начало формироваться новое направление в области электрических аппаратов, в рамках которого разрабатывались гибридные электрические аппараты, обладающие достоинствами как электромеханических, так и полупроводниковых аппаратов. Однако низкая технико-экономическая эффективность большинства видов статических и гибридных аппаратов на этом этапе развития электронной техники ограничивала область и масштабы их внедрения в производство.

В 80-х годах начался новый этап в развитии силовой электроники, который был обусловлен созданием мощных быстродействующих и полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов: мощных полевых транзисторов и транзисторов с изолированным затвором, запираемых тиристоров и др. Одновременно развитие электронных технологий позволило организовать массовое производство силовых интегральных модулей компактных конструкций. В результате расширенных функциональных возможностей такие модули получили название "интеллектуальных" или “разумных”. Элементная база современной силовой электроники не только существенно расширила диапазон коммутируемых мощностей до единиц мегаватт, позволила поднять верхний уровень частоты коммутации электронных ключей, что сделало возможным создавать аппараты управления, регулирования и защиты постоянного и переменного тока с высокими технико-экономическими показателями. Появились новые виды силовых электронных аппаратов, управляющих качеством электрической энергии и коэффициентом мощности.

Новый класс силовых электронных аппаратов создан в результате достижений современной силовой электроники. Эти аппараты обладают большими функциональными возможностями в части реализации законов управления, защиты, диагностики текущего состояния, развитым интерфейсом для обмена информацией с внешней средой.

Однако они не могут заменить большинство видов электромеханических ЭА, поскольку уступают последним по ряду важных параметров. Силовые электронные ключи по принципу действия не обеспечивают такого низкого уровня потерь мощности во включенном (проводящем) состоянии как металлические контакты и, с другой стороны, не способны создать уровень изоляции, соответствующий разомкнутым контактам ЭА. В этой связи для определенных условий применения наиболее эффективным по технико-экономическим показателям оказываются гибридные ЭА. Последние являются компромиссным техническим решением, позволяющим соединить положительные качества электромеханических и силовых электронных аппаратов в одном комбинированном устройстве.

Следует отмстить, что достижения современной микроэлектроники и, в частности, микропроцессорной техники в настоящее время также используются практически в ЭА всех видов, как электромеханических, так и силовых электронных. Это позволяет существенно расширить их функциональные возможности, обеспечить эффективный контроль и диагностику, а также возможность управления с различных иерархических уровней системы, в которой используются ЭА.