Буль Б.К. Основы теории электрических аппаратов

Буль Б.К. Основы теории электрических аппаратов

В книге рассматриваются основы теоретических расчетов электрических аппаратов, применяемых в электротехнических устройствах высокого и низкого напряжений, электротехнических систем с коммутирующими электрическими контактами и бесконтактных электрических аппаратов, применяемых для управления электрическими цепями.

Скачать книгу    Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ

Книга представляет собой учебное пособие по курсу для специализирующихся в области электроаппаратостроения, в котором рассмотрены основные вопросы теории электрических аппаратов и на базе которого впоследствии студентам читаются специальные курсы электрических аппаратов и даются необходимые сведения по проектированию и расчету аппаратов конкретного назначения и применения.

Здесь читатель найдет только «основы теории», т. е. рассмотрение совокупности вопросов, на базе которых возможно построение специальных дисциплин по аппаратостроению. В книге освещены вопросы, которые являются наиболее типичными и общими для аппаратов высокого и низкого напряжений, а также для аппаратов автоматики, например вопросы нагрева, термической и электродинамической устойчивости, гашения электрической дуги, вопросы контактов, электромагнитных явлений, некоторые вопросы механики.

За последние годы в аппаратостроении все чаще внедряются элементы бесконтактной техники. В связи с этим в настоящем учебнике нашли отражение вопросы в области теории и расчета дросселей насыщения, магнитных усилителей и полупроводниковых элементов.

Естественно, что у студента-электромеханика, когда он приступает к изучению курса «Основы теории электрических аппаратов», прежде всего возникает вопрос: что представляет собой в электротехнике направление «электрические аппараты»? Из большой области различного аппаратного электротехнического оборудования к электрическим аппаратам принято относить коммутационные, защитные, контрольно-измерительные и регулирующие аппараты, обслуживающие электроустановки по производству (электростанции), преобразованию и распределению (электрические сети и подстанции) и потреблению (электрический привод) электрической энергии в народном хозяйстве. Существуют большие группы электрических аппаратов и других назначений (авто-авиа-оборудование, рентгенотехника и т. д.), которые обычно не относят к специализации «Электрические аппараты».

Если область аппаратов ограничить их применением в производстве, преобразовании, распределении и потреблении электрической энергии, то и в этом случае она представляет собой огромный раздел электротехники и электропромышленности. В нашей стране в настоящее время имеются десятки крупнейших заводов, лабораторий и институтов, занятых разработкой и производством электрических аппаратов.

Электрические аппараты, относящиеся к области производства, преобразования, распределения и потребления электроэнергии, могут быть разделены на следующие основные группы.

1. Коммутационные аппараты. Сюда могут быть отнесены: выключатели высокого и низкого напряжений, разъединители, короткозамыкатели и отделители высокого напряжения, предохранители высокого и низкого напряжений, контакторы, реле управления, магнитные пускатели низкого напряжения и др.
2. Защитные и контрольные аппараты. Реле различного назначения, реагирующие на изменение тока, напряжения, мощности, температуры, создающие выдержку времени и пр., электрические датчики, служащие для контроля неэлектрических величин (давления, температуры, уровня жидкости, угловых и линейных перемещений), трансформаторы тока и напряжения и т.д.
3. Токоограничивающие аппараты. Реакторы (подстанционные, печные, пусковые), сопротивления (пусковые, регулирующие и пр.).
4. Регулирующие аппараты. Регуляторы электрические (напряжения, тока, скорости вращения, температуры).

Значительная часть перечисленных категорий аппаратов подвержена воздействию длительных или кратковременных рабочих токов, снабжена контактными устройствами, предназначенными для размыкания и замыкания цепей, имеет электромагнитные элементы (катушки, электромагниты) управления и механизмы движения.

В ряде аппаратов релейного типа и регуляторов в последнее время находят широкое применение магнитные усилители и полупроводниковые элементы.

Большая часть аппаратов высокого и низкого напряжений предназначена для работы в цепях с относительно большими рабочими токами — сотни, тысячи и десятки тысяч ампер — и подвергается большим, но кратковременным токам короткого замыкания. Для разработки электрических аппаратов такого рода весьма важное значение приобретают вопросы учета тепловых и электродинамических действий рабочих и аварийных токов (см. разд. I).

Во многих аппаратах, особенно коммутационной группы, одной из центральных задач являются проблемы дугогашения и электрических контактов. Они имеют большое значение как для контакторов низкого напряжения (износ и переходное сопротивление контактов, срок жизни и устойчивость работы аппарата), так и при создании рациональных систем мощных выключателей и автоматов (отключающая способность, время отключения цепи, устойчивость контактов при токах короткого замыкания).

Вопросы гашения дуги и электрических контактов рассмотрены во втором и третьем разделах книги.

При разработке аппаратов, таких как: контакторы, реле, датчики, автоматы, приводы к автоматам и высоковольтным выключателям, магнитные пускатели и пр. весьма существенное значение приобретают вопросы электромагнитов постоянного и переменного токов. От рационального выбора систем магнитных цепей и электромагнитов зависят расход материалов в производстве, тяговые характеристики, время срабатывания и прочие характеристики аппаратов. Эти вопросы рассматриваются в четвертом и пятом разделах книги.

При решении вопросов построения регулирующих и автоматических аппаратов, схем управления аппаратами все более и более используются достижения бесконтактной техники, т. е. техники, основанной на применении полупроводниковых элементов и магнитных усилителей.

Основы теории этих элементов даны в шестом разделе.

В последнем разделе книги (седьмом) приведены основные сведения по кинематике и динамике механизмов, наиболее часто встречающихся в электроаппаратостроении.

Все нарастающие темпы электрификации страны требуют больших количеств аппаратов, однако простое увеличение их числа не решает вопроса. С ростом количества выпускаемых аппаратов непрерывно возрастают требования к их характеристикам: уровням напряжений и рабочих токов, уменьшению габаритов и весов, повышению быстродействия коммутационных и релейных аппаратов (убыстрения отключения поврежденных участков цепи), устойчивости и надежности в эксплуатации при увеличении срока службы.

Совокупность всех этих требований ставит перед конструкторами и научными работниками все новые требования к пересмотру существующих типов аппаратов и созданию новых более совершенных. Такая работа может успешно проводиться только на базе достаточно ясных представлений о физической сущности явлений, протекающих в электрических аппаратах, и умении применять законы электротехники при расчетах и проектировании элементов аппаратов.

Дореволюционная Россия по сути дела не имела никакой промышленности в области электроаппаратостроения. За 50 лет существования советского строя в нашей стране возникла мощная электротехническая промышленность, организованы мощные лаборатории и испытательные стенды для разработки электрических аппаратов. Однако рост потребности в электрических аппаратах и требований к их характеристикам настолько велик, что приходится все время создавать новые предприятия н новые исследовательские организации, а следовательно, все время возрастает необходимость в подготовке квалифицированных специалистов в области электроаппаратостроения.

Подготовка специалистов по электрическим аппаратам осложнена тем обстоятельством, что здесь требуются инженеры, осведомленные по ряду вопросов физики и теоретической электротехники. Этим обстоятельством в значительной степени объясняется появление такого рода книги, как «основы теории электрических аппаратов».

По многим вопросам теории электрических аппаратов были выпущены в отечественной литературе книги Буйлова А. Я., Брона О. Б., Залесского А. М., Сотскова Б. С., Розенблата М. А. и др. Однако некоторые из них уже несколько устарели, а другие по своему содержанию выходят за рамки учебных планов и программ.

Авторы настоящей книги ставили своей задачей изложить вопросы теории электрических аппаратов в объеме, находящемся, по возможности, в соответствии с учебными планами подготовки специалистов по электроаппаратостроению во втузах страны.

В составлении учебника принял участие основной состав преподавателей кафедры «Электроаппаратостроение» МЭИ: раздел I написан доц. Годжелло А. Г., проф. Лысовым Н. Е. и доц. Чуни-хиным А. А.; раздел II — проф. Буткевичем Г. В. и проф. Таевым И. С.; раздел III — проф. Буткевичем Г. В. и доц. Годжелло А. Г.; раздел IV — проф. Булем Б. К., раздел V — доц. Сли-винской А. Г.; раздел VI — доц. Кураевым В. Г. и доц. Шопеном Л. В.; раздел VII —доц. Сахаровым П. В. и доц. Чунихиным А. А.

Авторы надеются, что с выходом в свет настоящей книги будет в значительной степени восполнен недостаток в учебниках и учебных пособиях ряда втузов, ведущих подготовку специалистов в области электрических аппаратов.

Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность рецензентам рукописи проф. Брону О. Б. и проф. Омельченко В. Т. за ценные замечания и пожелания, которые были использованы при ее доработке, а также аспирантам кафедры инж. Дегтярю В. Г., инж. Талыб-Заде X. Р. за помощь в доработке рукописи.