Курсовая работа по электрическим аппаратам. КР. Веденеев Александр. Апараты.. Электрические аппараты (ЭА)
 Скачать 63.6 Kb.
|
 ВВЕДЕНИЕ Электрические аппараты (ЭА) — это электротехнические устройства, применяемые при использовании электрической энергии, начиная от ее производства, передачи, распределения и кончая потреблением. Разнообразие видов ЭА и различие традиций мировых электротехнических школ затрудняют их классификацию. Электрические аппараты являются сложными электротехническими устройствами, содержащими много элементов, одни из которых являются проводниками электрических токов, другие - проводниками магнитных потоков, а третьи служат для электрической изоляции. Часть элементов может перемещаться в пространстве, передавая усилия другим узлам и блокам. Работа большой части аппаратов связана с преобразованием одних видов энергии в другие. При этом, как известно, неизбежны потери энергии и превращение ее в тепло. Тепловая энергия частично расходуется на повышение температуры аппарата и частично отдается в окружающую среду. В настоящее время под ЭА понимают электротехнические устройства управления потоком 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. Таких примеров использования ЭА можно привести большое количество. Примером использования ЭА для управления информацией является применение реле в телефонии. Например, при создании телеграфного аппарата П.Л. Шиллинг в 1820 г. применил впервые электромагнитное реле. Простейшая формально-логическая обработка дискретной информации также была реализована на реле. [6] 1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Электрический аппарат (ЭА) – это электрическое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии. Понятие «электрический аппарат» охватывает обширный круг бытовых и промышленных устройств. Многообразие самих аппаратов и выполняемых ими функций, совмещение в одном аппарате нескольких функций не позволяет строго классифицировать их по одному какому-то признаку. Классификация электрических аппаратов может быть проведена по ряду признаков: назначению, области применения, принципу действия, роду тока, исполнению защиты от воздействия окружающей среды, конструктивным особенностям и т.д. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на следующие большие группы: − коммутационные аппараты распределительных устройств, служащие для включения и отключения электрических цепей. К этой группе относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и выключение; − ограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (к.з.) (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварийными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам; − пускорегулирующие аппараты, предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или каких-либо других потребителей электроэнергии. К этой группе относятся контроллеры, командоконтроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более; − аппараты для контроля заданных электрических и неэлектрических величин, к которым относятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Выходной сигнал обычно воздействует на систему автоматики. В датчиках непрерывное изменение входной величины 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; − аппараты для измерений, с помощью которых цепи первичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измерительных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стандартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансформаторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения. [6] 2 ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ И ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕКИХ АППАРАТАХ 2.1.5 Через медный проводник длиной 10 метров и сечением 0,8  протекает электрический ток. В каком случае потери в нём больше: а) при протекании постоянного тока через указанный проводник; б) при протекании через него переменного тока?Решение: При протекании постоянного тока, нагрев происходит только за счет потерь в активном сопротивлении токоведущей цепи. Энергия W, Дж, выделяющаяся в проводнике равна [4, с. 34]
 где I – ток, протекающий по проводнику, А; R – сопротивление проводника, Ом; t – длительность протекания тока по проводнику, с. Полное сопротивление проводника R, Ом, мы можем найти по формуле
 где  – удельное сопротивление проводника, Ом м.l – длина проводника, м; s – поперечное сечение проводника,  .При протекании переменного тока активное сопротивление проводника отличается от сопротивления при постоянном токе из-за возникновения поверхностного эффекта и эффекта близости. Сопротивление при переменном R2, Ом, токе равно [4, c. 35]
где Кд – Коэффициент добавочных потерь, вызванных поверхностным эффектом и эффектом близости. Известно, что чем больше частота тока и чем меньше удельное сопротивление проводника, тем больше поверхностный эффект. В нашем случае имеет место быть только поверхностный эффект. Коэффициент добавочных потерь Кд больше единицы, поэтому сопротивление проводника при переменном токе будет больше. [4, с. 36] Ответ: при протекании переменного тока через проводник потери будут больше из-за поверхностного эффекта. 2.2.6 Два проводника одинаковой длины выполнены из различных материалов – стали и алюминия. У какого из проводников поверхностный эффект проявляется более существенно и почему? С приближением проводников друг к другу явление поверхностного эффекта усиливается, ослабляется или остаётся неизменным. Дайте правильный ответ. Решение: Мы знаем удельное сопротивление стали  , больше, чем удельное сопротивление алюминия  . Известно, что чем больше частота тока и чем меньше удельное сопротивление проводника, тем больше поверхностный эффект. Частота тока протекаемая по проводникам одинаковая, а удельное сопротивление у алюминия меньше, чем у стали, поэтому можем сделать вывод: поверхностный эффект у проводника выполненного из алюминия будет проявляться более существенно, чем у проводника выполненного из стали. [4, с. 37]Эффект близости растет с частотой тока, проводимостью материала и зависит от формы и взаимного расположения проводников. Чем ближе расположены проводники друг к другу, тем сильнее магнитное поле от соседнего проводника, и тем больше эффект близости. Можем сделать вывод: с приближением проводников друг к другу явление поверхностного эффекта усиливается. [4, с. 37] 2.3.17 Назовите основные способы воздействия на столб электрической дуги, возникающей при коммутации силовой цепи, которые направлены на увеличение активного электрического сопротивления дуги вплоть до бесконечности. Приведите статические и динамические вольтамперные характеристики дуги постоянного и переменного тока. Решение: Способы воздействия на столб электрической дуги - увеличение длины дуги путем еѐ растяжения; - перемещение столба дуги магнитным полем в щелевую камеру из дугостойкого изоляционного материала с большой теплопроводностью, где дуга интенсивно охлаждается, соприкасаясь со стенками. [4, с. 96] 1 - статическая характеристика; 2 - динамические характеристики. Рисунок 2.1 - Вольтамперная характеристика электрической дуги постоянного тока 1 - статическая характеристика; 2 - динамическая характеристика. Рисунок 2.2 - Вольтамперная характеристика электрической дуги переменного тока 2.4.10 Магнитопровод имеет две одинаковые обмотки. Как нужно подключить катушки к источнику постоянного напряжения, чтобы поток в магнитопроводе был: а) максимальным; б) равным нулю? Решение: Рисунок 2.3 – Способы подключения катушек магнитопровода Мы имеем замкнутый магнитопровод в форме прямоугольника, на котором последовательно на параллельных сторонах расположены две катушки. а) Чтобы поток в магнитопроводе был максимальным нам нужно, чтобы поток от первой и второй обмотки магнитопровода были направлены в одну сторону. Для этого нам нужно подключить наши катушки встречно, то есть начало первой катушки и конец второй катушки подключаем к «плюсу», а начало второй катушки и конец первой к «минусу», как показано на рисунке 2.3(б). По правилу буравчика определяем векторы магнитной индукции, в обеих катушках они будут направлены от нас. Потоки, созданные первой и второй катушкой, суммируются, следовательно, суммарный поток будет максимальным. б) Чтобы поток в магнитопроводе был равным нулю, нам нужно, чтобы поток первой и второй катушки были направлены противоположно друг другу. Для этого нам нужно подключить начало первой и второй обмотки к «плюсу», концы первой и второй обмотки к «минусу», как показано на рисунке 2.3(а). По правилу буравчика определим направления векторов магнитной индукции первой и второй катушки, они будут направлены противоположно, следовательно, и их потоки тоже, так как катушки полностью идентичны, суммарный магнитный поток будет равным нулю. 2.4.44 Как изменится ток в цепи при а) - увеличение потока рассеяния между индуктивно связанными катушками, включенными встречно катушками; б) – уменьшении потока рассеяния между двумя индуктивно связанными и включенными согласно катушками? Решение: Поток рассеяния Фр, Вб, определяется по формуле [4, c. 141]
где  – ток, протекающий по цепи, А; – число витков; - магнитная проводимость пути, по которому замыкается поток рассеивания.Поток рассеяния не зависти от подключения катушек. При увеличении потока рассеяния, при неизменных числа витков и магнитной проводимости пути , возрастает и ток, а при уменьшении потока рассеяния ток будет уменьшаться.3 РАЗРАБОТКА И ГРАФИЧЕСКОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ НА ОСНОВЕ ПРЕДЛОЖЕННОГО ВЫБОРА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ АПААРАТОВ 3.2 Разработать и нарисовать реверсивную схему пуска и останова асинхронного короткозамкнутого электродвигателя с короткозамкнутым ротором, используя при этом два комплекта нереверсивных магнитных пускателей с двумя замыкающими и двумя размыкающими контактами управления, три электротепловых реле, трёхкнопочную станцию управления и два предохранителя в цепи управления. При разработке схемы предусмотреть электрическую блокировку магнитных пускателей. Питание от сети напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Решение: Рисунок 3.1 – Разработанная схема реверса, пуска и останова асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Перечень элементов используемых в данной схеме: SB2 – кнопка «пуск»; SB3 – кнопка «пуск»; SB1 – кнопка «стоп»; М – асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором; КМ1, КМ2 – магнитный пускатель, контакты магнитного пускателя; FU1, FU2 – плавкий предохранитель; КК1, КК2, КК3 – реле электротепловое, контакт электротеплового реле. Представлена схема пуск и реверса асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором. Питание силовой и управляющей цепи производится от трёхфазной цепи переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 380 В. Штриховой линией обведена трёхкнопочная станция управления. Пуск и реверс электродвигателя осуществляется с помощью двух комплектов магнитных пускателей. В цепи управления предусмотрена электрическая блокировка магнитных пускателей, реализуемая с помощью нормально замкнутых контактов KM1 и KM2, стоящих последовательно с электромагнитами KM2 и KM1. При питании электромагнита KM1 его контакт KM1 разомкнется и этим защитит KM2 от случайного включения. Аналогично контакт KM2 защищает от случайного включения электромагнит KM1. Для прямого пуска двигателя нужно нажать кнопку SB2, подается напряжение на электромагнит KM1, его главные контакты KM1 в цепи двигателя замкнутся, вспомогательный нормально разомкнутый контакт KM1 замкнется, а нормально замкнутый контакт KM1 разомкнется, после этого кнопу SB2 можно отпустить. Нормально разомкнутый контакт KM1 шунтирует кнопку SB2, ток будет протекать через этот контакт. Для реверса сначала нужно остановить двигатель нажатием кнопки SB1, контакты KM1 в цепи двигателя разомкнутся, нормально разомкнутый контакт KM1 разомкнется, а нормально замкнутый KM1 замкнется, двигатель остановится. После этого нужно нажать кнопку SB3, подается напряжение на электромагнит KM2, его главные контакты KM2 в цепи двигателя замнутся, вспомогательный нормально разомкнутый контакт KM2 замкнется, а нормально замкнутый контакт KM2 разомкнется, после этого кнопу SB3 можно отпустить. Нормально разомкнутый контакт KM2 шунтирует кнопку SB3, ток будет протекать через этот контакт. Остановка двигателя производится нажатием кнопки SB1. Три тепловых реле KK1, KK2 и KK3 защищают двигатель от токов перегрузки, при их срабатывании разомкнется управляющая цепь. Плавкие предохранители FU1 и FU2 защищают цепь управления от токов короткого замыкания. Нулевая защита по напряжению осуществляется магнитными пускателями KM1 и KM2, при снижении напряжения или его отсутствии, магнитные пускатель KM1 или KM2 теряет питание, размыкая свои контакты, двигатель останавливается. 3.38 В цепь переменного тока через двухполюсный автоматический выключатель подключён однофазный трансформатор, в первичную обмотку которого включён бумажный конденсатор, а во вторичную обмотку – электромагнит и сигнальная лампочка параллельно друг другу на напряжение 36 В. Разработать и нарисовать электрическую схему, обозначить используемые электрические аппараты. Решение: Рисунок 3.2 – Разработанная схема управления Перечень элементов используемых в данной схеме: QF– автоматический выключатель; С– конденсатор; TV– однофазный трансформатор; KM– электромагнит; HL – сигнальная лампочка. Представлена силовая схема с питанием от трёхфазной сети переменного тока частотой 50 Гц и линейным напряжением 380 В. Автоматический выключатель QF совершает тепловую защиту и защиту от максимальных токов. Конденсатор С является фильтром. Трансформатор TV преобразует напряжение и питает электромагнит KM. Лампочка HL сигнализирует о том, что на электромагните есть питание. 4 ИЗУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ СИЛОВЫХ СХЕМ, ВЫПОЛНЕННЫХ НА БАЗЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН 4.13 По буквенным и графическим условным обозначениям, приведенным на схемах, определить тип, назначение аппаратов, используемых в конкретной схеме, и выбрать их по справочным каталогам. Описать принцип работы электрической схемы, последовательность ее включения и отключения с ГОСТ. Составить перечень элементов используемых электрических и электронных аппаратов согласно действующим стандартам. Решение: Рисунок 4.1– Схема пуска электродвигателя с короткозамкнутым ротором Перечень элементов используемых в данной схеме: QF– автоматический выключатель; SF – автоматический выключатель; FU1,FU2 – плавкий предохранитель; SB2 – кнопка «пуск»; SB1 – кнопка «стоп»; КМ – магнитный пускатель, контакты магнитного пускателя; М – асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Представлена схема пуска трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Питание силовой и управляющей цепи производится от трёхфазной сети переменного тока частотой 50 Гц, напряжением 380 В. Включаем вручную QF и SF. Пуск двигателя производится нажатием кнопки SB2, при её нажатии подается напряжение на катушку электромагнита магнитного пускателя KM1 в цепи управления, после этого замыкаются главные контакты в цепи двигателя и вспомогательный KM, происходит шунтирование кнопки SB2. Для остановки двигателя нужно нажать кнопку SB1 – разомнется цепь управления электромагнита KM, вспомогательный контакт и главные контакты, двигатель остановится. Автоматический выключатель QF нужен для защиты двигателя от токов короткого замыкания, а так же от токов превышающих номинальный. При срабатывании QF силовая цепь разомкнется. Плавкие предохранители FU1 и FU2 защищают цепь управления от высоких токов. 4.42 По буквенным и графическим условным обозначениям, приведенным на схемах, определить тип, назначение аппаратов, используемых в конкретной схеме, и выбрать их по справочным каталогам. Описать принцип работы электрической схемы, последовательность ее включения и отключения с ГОСТ. Составить перечень элементов используемых электрических и электронных аппаратов согласно действующим стандартам. Решение: Рисунок 4.2– Схема управления Перечень элементов используемых в данной схеме: SB1 – кнопка «стоп»; SA – пакетный переключатель; KL – промежуточное реле, контакт промежуточного реле; VD – сигнальный светодиод; R – резистор; KV1, KV2 – Реле напряжение, контакт реле напряжения; Представлена схема управления реле напряжений KV1 и KV2. Питание происходит от сети постоянного тока, напряжением 24 В. В начальный момент ток протекает через контакт пакетного выключателя SA-0 и питает промежуточное реле KL, контакт которого замкнется и ток будет протекать как через пакетный выключатель, так и через контакт KL. В цепи предусмотрен сигнальный светодиод, подключенный последовательно резистору R, резистор нужен для ограничения тока протекаемого через светодиод. Работающий светодиод, показывает, что на промежуточном реле есть напряжение, при отсутствие напряжения на KL светодиод так же перестает гореть. При переключении пакетного выключателя в положение «1», пакетный выключатель SA-1, замкнется, напряжение подается на электромагнит реле напряжения KV1, его контакт замыкается. При переключении пакетного выключателя в положение «2», контакт пакетного выключателя SA-1 разомкнется, а контакт пакетного выключателя SA-2 замкнется, напряжение подается на электромагнит реле напряжения KV2, его контакт замыкается. Выключение реле напряжений производится нажатием кнопки SB2. 5 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 5.1.6 Определить сопротивление резистора, обмотка которого выполнена из нихромового провода диаметром 0.1 мм, намотанного в один ряд, виток к витку, на керамический каркас длиной 10 мм и диаметром 4 мм. Как изменится сопротивление резистора при двухрядной намотке его обмотки? Решение: Определим количество витков нихромового провода n, для этого нам нужно длину каркаса поделить на его диаметр
где L – длина керамического каркаса, мм; d – диаметр нихромового провода, мм. Подставив значения в формулу (5.1) получим  Найдем длину одного витка нихромового провода, l1, мм
где d1 – диаметр керамического каркаса, мм. Подставив значения в формулу (5.2) получим  Определим общую длину нихромового провода l, м, для этого нам нужно длину одного витка умножить на количество витков
Подставив значения в формулу (5.3) получим  Площадь поперечного сечения нихромовой обмотки s, , определяется по формуле
где d – диаметр нихромового провода, мм.  Найдем сопротивление нихромовой обмотки R, Ом, по формуле
где – удельное электрическое сопротивление нихрома, Ом м. Подставив значения в формулу (5.5) найдем искомое сопротивление обмотки  Ответ: R=173.25 Ом. 5.3.49 Как изменится электромагнитная энергия катушки управления контактора постоянного тока: при увеличении числа витков в катушке; при уменьшении величины тока, протекающего по катушке; с ростом индуктивности катушки: при уменьшении магнитного потока в магнитопроводе катушки? Решение: Запишем формулу для нахождения электромагнитной энергии катушки постоянного тока W, Дж
где L – индуктивность катушки, Гн; I – ток протекающий через катушку, А. Запишем формулу для нахождения индуктивности L, Гн
где  – потокосцепление, Вб;w – число витков в катушке; Ф – сцепленный с контуром магнитный поток, Вб. При увеличении числа витков в катушке по формуле (5.7) индуктивность катушки увеличиться, поэтому по формуле (5.6), электромагнитная энергия катушки увеличиться. При уменьшении величины тока, протекающего по катушке, по формуле (5.6), электромагнитная энергия катушки уменьшиться. С ростом индуктивность катушки по формуле (5.6), электромагнитная энергия катушки увеличиться. При уменьшении магнитного потока в магнитопроводе катушки по формуле (5.7) индуктивность катушки уменьшится, поэтому по формуле (5.6), электромагнитная энергия уменьшится. Задача 5.4.17 Назовите электрические аппараты, с помощью которых может быть реализована максимальная токовая защита. Приведите электрические схемы. Решение: Максимальную токовую защиты можно выполнить с помощью - Автоматического выключателя; - Плавких предохранителей; - Реле тока; Рисунок 5.1 – Максимальная токовая защита на автоматическом выключателе Перечень элементов используемых в данной схеме: QF – автоматический выключатель; FU – плавкий предохранитель; SB1 – кнопка «стоп»; SB2 – кнопка «пуск»; КM – магнитный пускатель, контакты магнитного пускателя; KK1, KK2, KK3 – тепловое реле, контакты теплового реле; М – асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. При превышении номинального тока сработает автоматический выключатель, цепь двигателя разомкнется. В цепи так же предусмотрены три тепловых реле, при срабатывании, они разомкнут цепь управления. Рисунок 5.2 - Максимальная токовая защита, реализуемая на реле максимального тока Перечень элементов используемых в данной схеме: FU – плавкий предохранитель; SB1 – кнопка «стоп»; SB2 – кнопка «пуск»; КM – магнитный пускатель, контакты магнитного пускателя; KA1, KA2, KA3 – реле тока, контакт реле тока; М – асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Для защиты электродвигателя в данной схеме предусмотрены три реле тока KA1, KA2, KA3, подключенные последовательно в каждую фазу. При превышении номинального тока сработает реле тока KA, контакт которого разомкнет цепь управление, питание электромагнита KM прекратится, силовая цепь разомкнется. Рисунок 5.3 – Максимальная токовая защита реализуемая с помощью плавких предохранителей Перечень элементов используемых в данной схеме: QS – разъединитель; FU1, FU2, FU3 – плавкий предохранитель; SB1 – кнопка «стоп»; SB2 – кнопка «пуск»; КM – магнитный пускатель, контакты магнитного пускателя; М – асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. Плавкие предохранители в цепи управления защищают двигатель от высоких токов. ЗАКЛЮЧЕНИИЕ В данной курсовой работе были рассмотрены и изучены работы электрических и электронных аппаратов (физические явления, процессы: тепловые, коммутации, электромагнитные). Также в ходе работы были разработаны и нарисованы электрические схемы на основе предложенного набора аппаратов, описаны принципы работы схемы. Показано знание основных элементов схемы и их назначения. Был произведён расчёт электрических аппаратов. Можно считать, что основная задача курсовой работы, усвоить физическую сущность электрических и магнитных явлений в электрических аппаратах, их взаимную связь и количественные соотношения, овладеть необходимым математическим аппаратом для расчёта характеристик, нахождения и выбора их основных параметров, выполнена. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ СК-СТО1 – У – 37.3 – 16 – 11 Стандарт организации. Общие требования к оформлению пояснительных записок дипломных и курсовых проектов/ НГТУ. – Нижний Новгород, 2011. – 26 с. Кириенко, В.П. Задачник по теории и расчетам электрических и элек-тронных аппаратов / В.П.Кириенко, И.В. Ходыкина, Е.В. Бычков; НГТУ. – Нижний Новгород, 2013. – 136 с. Родштейн, Л.А. Электрические аппараты. Учебник для техникумов. /Л.А. Родштейн;4-е изд., перераб. и доп. – Л.:Энергоатомиздат, 1989. – 297 с. Чунихин, А.А. Электрические аппараты: Общий курс. Учебник для вузов /А.А. Чунихин; 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 720 с. Юдинцев, Б.А. Реле и автоматика: Справочник / Б.А. Юдинцев; 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 170 с. Электрические аппараты//[Электронный ресурс]. – Свободный доступ//https://electrono.ru/elektrotexnicheskaya-apparatura/elektricheskie-apparaty (Дата обращения 10.12.20) |
