Розанов Ю.К. Електричні та електронні апарати
Розанов Ю.К. Електричні та електронні апарати
Розглянуто основи теорії електричних та електронних апаратів, описані пристрої і принципи дії електромеханічних апаратів автоматики, управління і захисту, апаратів високої напруги, а також силові електронні апарати. Наведено основні конструкції і характеристики апаратів, режими їх роботи, умови вибору та експлуатації. Підручник перероблений відповідно до Державних освітніх стандартів вищої професійної освіти, затверджених наказом Міністерства Російської Федерації № 686 від 02.03.2000 р
Книга складається з двох частин:- Електромеханічні апарати і
- Силові електронні апарати, а також включено додаток, в якому дається повний перечнь продукції концерну '' ABB '', АТ "Сіменс", фірми "Legrand", компанії "Шнейдр Електрик", концерну "Alstom" і їх технічні характеристики.
Скачати книгу Зміст
ПЕРЕДМОВА
Розвиток сучасної техніки неможливо без широкого використання електричних та електронних апаратів - пристроїв управління потоками енергії та інформації, які здійснюють:
включення і відключення електричних ланцюгів об'єктів, які беруть участь в отриманні, перетворенні, передачі, розподілі та споживанні електроенергії; контроль і вимірювання параметрів зазначених об'єктів; захист їх від несанкціонованих режимів роботи; управління технологічними процесами;
регулювання (підтримки на незмінному рівні або зміна за певним законом) параметрів зазначених вище об'єктів;
перетворення неелектричних величин в електричні;
створення магнітного поля з певними параметрами і напрямком в заданому обсязі [1, 7, 51].
Починаючи з 1992 р дисципліна "Електричні та електронні апарати" стала базовою для студентів, які навчаються на звання бакалавра наук у напрямку 551300 "Електротехніка, електромеханіка та електротехнології". Відсутність підручника з названої дисципліни спонукало авторів заповнити наявний пробіл. При написанні підручника автори постаралися розширити основні положення курсу, необхідні для засвоєння таких дисциплін, як "Електромеханіка", "Автоматизований електропривод" і для поглибленого вивчення електричних і електронних апаратів студентами інженерної та магістерської підготовки. З цією метою автори основну увагу приділили опису фундаментальних законів, розкриття загального, значущого для більшості різноманітних апаратів, підкреслення приватного кожного з них, не прагнучи докладно розглядати можливі конструкції апаратів, методи їх розрахунку і проектування. На думку авторів це дозволяє отримати більш глибокі й різнобічні знання.
У підручник введені глави, які раніше були відсутні у всіх підручниках і навчальних посібниках - наприклад, вибір електричних апаратів і т. П.
Незалежно від призначення, області застосування, принципу дії, конструктивного виконання і т. П. Все електричні апарати можна розділити на дві великі групи: електромеханічні, неодмінно містять рухливі елементи, в результаті переміщення яких і здійснюється функціонування апарату;
статичні (іноді звані безконтактними) або силові електронні, не мають рухомих частин і здійснюють покладену на них функцію в результаті зміни параметрів і характеристик входять до їх складу елементів і блоків.
Виходячи з цього підручник розділений на дві частини: у першій розглядаються загальні аспекти, властиві всім апаратам, і детально описуються електромеханічні апарати; в другій увагу приділено силовим електронним апаратів.
При написанні першої частини підручника робота між авторами була розподілена таким чином: анотація, передмова, введення і висновок написані докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розановим; глава 1 - докт.техн.наук, проф. В.Г. Дегтярем, канд.техн.наук, доц. АГ. Годжелло і докт.техн.наук, проф. В.Н. Шофф; глава 2 - докт.техн.наук, проф. І.С. Таев, докт.техн.наук, проф. П.А. Курбатовим і докт. техн.наук, проф. В.Г. Дегтярем; глава 3 - докт.техн.наук, проф. В.Н. Шофф, канд.техн.наук, доц. Ю.С. Коробковим і канд.техн.наук доц. А.В. Савельєвим; глава 4 - докк.техн.наук, проф. Г.Г. Нестеровим, канд.техн.наук, доц. Є.Г. Акімовим, докт. техн. наук, проф. І.С. Таев і докт.техн.наук В.Є. Райнін; глава 5 - канд.техн.наук, доц. Н.А. Ведешенковим; глава 6 - канд.техн.наук, доц. Є.Г. Акімовим.
У написанні другої частини підручника взяли участь: голови 7 - докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов і ст.викл. М.В. Рябчіцкій; глави 8 - докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов і канд.техн.наук, доц. А.С. Пучков; глави 9 - докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов і ст.викл. М.В. Рябчіцкій; глави 10 - канд.техн.наук, доц. С.Ю. Рижов; глави 11 - докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов; глави 12 - докт.техн.наук, проф. Ю.К. Розанов і канд. техн.наук, доц. Ю.С. Коробков.
Друге видання підручника не містить принципових змін змісту. Усунені зауваження, отримані від численних читачів, включаючи помічені помилки і помилки, частково скорочено обсяг матеріалу, змінений дизайн видання.
Автори висловлюють глибоку вдячність всім співробітникам кафедри електричних та електронних апаратів, які брали участь в обговоренні рукописи, аспірантам і студентам кафедри, а також численним читачам підручника за доброзичливе ставлення до цього видання.
Особливу подяку колектив кафедри висловлює за допомогу у виданні підручника Всесоюзному науково-дослідному інституту на монтажні і спеціальні будівельних робіт і рекламної компанії "РАСТ плюс".
ВСТУП
Електричні апарати (ЕА) - це електротехнічні пристрої, що застосовуються при використанні електричної енергії, починаючи від її виробництва, передачі, розподілу і закінчуючи споживанням. Різноманітність видів ЕА і відмінність традицій світових електротехнічних шкіл ускладнюють їх класифікацію. Це ще більше посилюється багатозначністю і невизначеністю самого терміна апарат (лат. "Apparatus" - технічний пристрій). У Росії термін "апарат" був поширений з 1879 р відомим іелектротехніком П.М. Яблочкова на наступні електротехнічні пристрої того часу: рубильники, перемикачі, комутатори, реле і регулятори.
В даний час під ЕА розуміють електротехнічні пристрої управління потоками енергії та інформації. При цьому мова може йти про потоках енергії різного виду: електричної, механічної, теплової та ін. Наприклад, потоком механічної енергії від двигуна до технологічної машині може управляти електромагнітна муфта. Потоками теплової енергії можна управляти за допомогою електромагнітних клапанів і заслінок. Таких прикладів використання ЕА можна навести велику кількість. Прикладом використання ЕА для управління інформацією є застосування реле в телефонії. Наприклад, при створенні телеграфного апарату П.Л. Шилінг в 1820 р застосував вперше електромагнітне реле. Найпростіша формально - логічна обробка дискретної інформації також може бути реалізована електромагнітними реле.
Однак найбільшого поширення набули ЕА для управління потоками електричної енергії для зміни режимів роботи, регулювання параметрів, контролю і захисту електротехнічних систем і їх складових частин. Як правило, функції таких ЕА здійснюються за допомогою комутації (включення і відключення) електричних ланцюгів з різною частотою, починаючи від відносно рідкісних, нерегулярних значень до періодичних високочастотних, наприклад, в імпульсних регуляторах напруги.
Одним з основних ознак класифікації ЕА є напруга. За цією ознакою розрізняють апарати низького (до 1000 В) напруги (АНН) і апарати високого (понад 1000 В) напруги (АВН). Більшість апаратів низької напруги умовно можна розділити на наступні основні види:
апарати управління і захисту - автоматичні вимикачі, контактори, реле, пускачі електродвигунів, перемикачі, рубильники, запобіжники, кнопки управління та інші апарати, управляючі режимом роботи обладнання і його захистом;
апарати автоматичного регулювання -стабілізатори і регулятори напруги, струму, потужності та інших параметрів електричної енергії;
апарати автоматики - реле, датчики, підсилювачі, перетворювачі та інші апарати, які здійснюють функції контролю, посилення і перетворення електричних сигналів.
Слід зазначити, що АНН іноді класифікують за величиною комутованого струму: слабкострумові (до 10 А) і сільноточние (понад 10 А). При цьому нижні межі комутованих сучасними ЕА струмів досягають 10_9А, а напружень - 10_5В.
Апарати високої напруги працюють в мережах з напругою до 1150 кВ змінного струму і 750 кВ постійного струму і також істотно різняться за своїми функціями. До АВН зазвичай відносять такі основні види апаратів:
вимикачі високої напруги, що забезпечують включення і відключення електричних ланцюгів в різних режимах роботи, включаючи аварійні, наприклад, коротке замикання (КЗ);
токоограничивающие реактори для обмеження струмів КЗ і шунтуючі реактори для обмеження перенапруг і компенсації реактивної потужності;
обмежувачі перенапруг на основі розрядників і елементів з нелінійної вольт-амперної характеристикою (наприклад, оксидо-цинкові обмежувачі перенапруг - гостра ниркова недостатність);
роз'єднувачі і отделители для відключення ланцюга без струму під час ремонту електроустаткування;
вимірювальні трансформатори для високовольтних ланцюгів.
Електричні апарати як низького, так і високого напруги зазвичай є конструктивно закінченими технічними пристроями, що реалізовують певні функції і розрахованими на різні умови експлуатації.
В основі більшості електромеханічних ЕА лежить контактна система з різними типами приводів - ручним, електромагнітним, механічним та ін. Процеси, які відбуваються в ЕА, визначаються різними і різноманітними фізичними явищами, які вивчаються в електродинаміки, механіці, термодинаміці і інших фундаментальних науках.
Однією з найбільш складних завдань, що вирішуються при розробці електромеханічного ЕА, є забезпечення працездатності електричних контактів в тому числі і при гасінні електричної дуги, що виникає при виключенні ЕА Великий внесок у розвиток теорії процесів на контактах і методів ефективного гасіння електричної дуги внесли вітчизняні вчені: В. В. Петров, М.О. Доливо-Добровольський, АЯ. Буйлов, Г.Т. Третьяк, Г.В. Буткевич, О.Б. Брон, Н.Є. Лисов, Г.А. Кукеков, А.М. Залеський, І.С. Таев, О.Я. Новиков, В.В. Афанасьєв та ін. Удосконалення багатьох видів ЕА нерозривно пов'язане з розвитком теорії електромагнітного поля і методів розрахунку магнітних ланцюгів. Великий вплив на розвиток наукових основ цього напрямку зробили роботи вітчизняних вчених: Р.Л. Аронова, Б.К. Буля, В.С. Кулебакина, А.Ф. Сотскова, І.І. Пеккер, А.Г. Нікітенко, А.Г. Сливинської, А.В. Гордона, Н.Є. Лисова, М.А Любчика, Ф.А Ступель і ін.
Наявність рухомих механічних частин, явища іскро- і дугообразованія при комутації, обмежена швидкодія та інші негативні фактори, властиві електромеханічним ЕА, ініціювали роботи зі створення статичних ЕА, які в науково-технічній літературі раніше називалися безконтактними, а останнім часом - силовими електронними апаратами. Першими статичними пристроями, на основі яких почали створювати статичні ЕА, були дроселі насичення, керовані шляхом подмагничивания постійним струмом (магнітні підсилювачі). Нелінійність їх вольт-ам-Перно характеристик і керованість відносно малопотужним сигналом дозволили створити на їх основі підсилювачі, регулятори і статичні реле. Ефективність таких пристроїв особливо зросла при включенні в схеми таких пристроїв напівпровідникових діодів. Найбільш значні успіхи на цьому напрямку були досягнуті в 50-60-і роки. При цьому значний внесок в розвиток ЕА на основі магнітних підсилювачів внесли вітчизняні вчені: Е.Л. Львів, Р.А. Ліпман, Л.В. Шопен та ін.
Освоєння промисловістю виробництва потужних біполярних транзисторів і створення тиристорів зумовило, починаючи з 60-х років, новий етап напівпровідникових приладів, на основі яких були створені різні типи швидкодіючих реле, регуляторів, пускачів для асинхронних двигунів і ін. Одночасно почало формуватися новий напрям в області електричних апаратів, в рамках якого розроблялися гібридні електричні апарати, що володіють достоїнствами як електромеханічних, так і напівпровідникових апаратів. Однак низька техніко-економічна ефективність більшості видів статичних і гібридних апаратів на цьому етапі розвитку електронної техніки обмежувала область і масштаби їх впровадження у виробництво.
У 80-х роках почався новий етап у розвитку силової електроніки, який був обумовлений створенням потужних швидкодіючих і повністю керованих силових напівпровідникових приладів: потужних польових транзисторів і транзисторів з ізольованим затвором, що замикаються тиристорів та ін. Одночасно розвиток електронних технологій дозволило організувати масове виробництво силових інтегральних модулів компактних конструкцій. В одному корпусі вони об'єднують як силові електронні ключі, так і елементи мікроелектроніки з різним ступенем інтеграції. Такі модулі дозволяють реалізувати різні закони регулювання, включаючи формування сигналів захисту, діагностики та ін. При необхідності модулі можуть також включати в себе мікропроцесори або відповідний інтерфейс для сполучення з пристроями управління вищих рівнів. В результаті розширених функціональних можливостей такі модулі отримали назву "інтелектуальних" або "розумних".
Елементна база сучасної силової електроніки не тільки істотно розширила діапазон комутованих потужностей до одиниць мегават, дозволила підняти верхній рівень частоти комутації електронних ключів, що зробило можливим створювати апарати управління, регулювання та захисту постійного і змінного струму з високими техніко-економічними показниками. З'явилися нові види силових електронних апаратів, керуючих якістю електричної енергії та коефіцієнтом потужності.
Новий клас силових електронних апаратів створений в результаті досягнень сучасної силової електроніки. Ці апарати мають великі функціональні можливості в частині реалізації законів управління, захисту, діагностики поточного стану, розвиненим інтерфейсом для обміну інформацією з зовнішнім середовищем.
Однак вони не можуть замінити більшість видів електромеханічних ЕА, оскільки поступаються останнім по ряду важливих параметрів. Силові електронні ключі за принципом дії не забезпечують такого низького рівня втрат потужності у включеному (провідному) стані як металеві контакти і, з іншого боку, не здатні створити рівень ізоляції, відповідний розімкненим контактам ЕА У зв'язку з цим для певних умов застосування найбільш ефективним за техніко економічними показниками виявляються гібридні ЕА. Останні є компромісним технічним рішенням, що дозволяє з'єднати позитивні якості електромеханічних і силових електронних апаратів в одному комбінованому пристрої.
Слід зазначити, що досягнення сучасної мікроелектроніки і, зокрема, мікропроцесорної техніки в даний час також використовуються практично в ЕА всіх видів, як електромеханічних, так і силових електронних. Це дозволяє істотно розширити їх функціональні можливості, забезпечити ефективний контроль і діагностику, а також можливість управління з різних ієрархічних рівнів системи, в якій використовуються ЕА.
У більш широкому сенсі ЕА в даний час можна вважати технічними пристроями, що належать до нової, перспективної галузі техніки - механотроніка, що є синтезом електромеханіки і електроніки. Говорячи про роль силової електроніки, автори роблять акцент на тому, що вона дозволяє створювати виконавчі, силові органи пристрою або безпосередньо управляти електричними параметрами потужних електромеханічних пристроїв. Прикладом є силові електронні апарати, що дозволяють здійснювати м'який пуск або зупинку двигуна, або керувати роботою двигунів постійного струму в імпульсних режимах. Поки не було відповідної елементної бази, реалізація таких технічних рішень була практично неможлива. По суті через недостатньо розвиненою елементної бази відсутнє ланку, здатну реалізувати ефективну взаємодію слабкострумових систем управління і потужних виконавчих пристроїв. У той же час в ЕА використовується дуже широка номенклатура електронних приладів, що і визначило назву спеціальності "Електричні та електронні апарати".
З урахуванням сучасної класифікації ЕА, особливостей фізичних процесів в них і різноманіть конструктивних рішень в цьому підручнику виділені дві частини, об'єднані однією назвою "Електричні та електронні апарати". Частина перша підручника охоплює електромеханічні апарати, а частина друга - електронні апарати і апарати з мікропроцесорним управлінням.
У додатках наведено відомості про продукцію провідних фірм в області високовольтного і низьковольтного електротехнічного обладнання: концерну АВВ, фірми Siemenc AG, фірми Legrand, компанії "Шнейдер Електрик" і концерну ALSTOM. Наведені матеріали дають уявлення про сучасні досягнення в області Електроапарати-будови і можуть бути корисні не тільки для студентів, які вивчають курс "Електричні та електронні апарати", а й фахівців, пов'язаних з проектуванням і експлуатацією електротехнічних систем різного призначення. Слід також зазначити, що наведена інформація може бути успішно використана службами маркетингу в електротехніці. При необхідності отримання більш детальної інформації рекомендуємо звертатися до представництв, адреси яких вказані в Додатках.