Электрические аппараты управления. Классификация электрических аппаратов

1.

Электрические аппараты
управления. Классификация
электрических аппаратов
Электрический аппарат - это устройство, управляющее
электропотребителями и источниками питания, а также
использующее электрическую энергию для управления
неэлектрическими процессами.

2.

Классификация электрических
аппаратов
• Электрические аппараты общепромышленного назначения,
электробытовые аппараты и устройства делятся по напряжению
до 1 кВ и выше 1 кВ (высоковольтные). Аппараты до 1 кВ, в свою
очередь, делятся на аппараты ручного, дистанционного
управления, аппараты защиты и датчики.
• Электрические аппараты классифицируются по ряду признаков:
• 1. по назначению, т. е. основной функции выполняемой
аппаратом;
• 2. по принципу действия;
• 3. по характеру работы;

3.

Классификация электрических
аппаратов
• 4. роду тока – постоянный, переменный, высокочастотный;
• 5. величине тока – слаботочные (до 5 А) и сильноточные;
• 6. величине напряжения (до 1 кВ и свыше):
• 7. исполнению;
• 8. степени защиты (IP);
• 9. по конструкции.

4.

5.

Классификация электрических
аппаратов
• Классификация электрических аппаратов в зависимости от
назначения:
• 1. Аппараты управления, предназначены для пуска, реверсирования, торможения, регулирования скорости вращения,
напряжения, тока электрических машин, станков, механизмов
или для пуска и регулирования параметров других потребителей
электроэнергии в системах электроснабжения. Основная функция
этих аппаратов это управление электроприводами и другими
потребителями электрической энергии. Особенности: частое
включение, отключение до 3600 раз в час т.е. 1 раз в секунду.

6.

Классификация электрических аппаратов
• К ним относятся электрические аппараты ручного управления пакетные выключатели и переключатели, рубильники, универсальные переключатели, контролеры и командоконтроллеры,
реостаты и др., и электрические аппараты дистанционного управления - электромагнитные реле, пускатели, контакторы и т. д.
• 2. Аппараты защиты, используются для коммутации электрических цепей, защиты электрооборудования и электрических сетей
от сверхтоков, т. е. токов перегрузки, пиковых токов, токов
короткого замыкания. К ним относятся плавкие предохранители,
тепловые реле, токовые реле, автоматические выключатели и др.

7.

Классификация электрических
аппаратов
• 3. Контролирующие аппараты, предназначены для контроля
заданных электрических или неэлектрических параметров. К этой
группе относятся датчики. Эти аппараты преобразуют электрические или неэлектрические величины в электрические и выдают
информацию в виде электрических сигналов. Основная функция
этих аппаратов заключается в контроле за заданными электрическими и неэлектрическими параметрами. К ним относятся датчики
тока, давления, температуры, положения, уровня, фотодатчики, а
также реле, реализующие функции датчиков, например реле
контроля скорости (РКС), реле времени, напряжения, тока.

8.

Классификация электрических
аппаратов
• Классификация электрических аппаратов по принципу действия. По принципу действия электроаппараты разделяются в
зависимости от характера воздействующего на них импульса.
Исходя из тех физических явлений, на которых основано действие
аппаратов, наиболее распространенными являются следующие
категории:
• 1. Коммутационные электрические аппараты для замыкания и
размыкания электрических цепей при помощи контактов,
соединенных между собой для обеспечения перехода тока из
одного контакта в другой или удаленных друг от друга для
разрыва электрической цепи (рубильники, переключатели, ...).

9.

Классификация электрических
аппаратов
• 2. Электромагнитные электрические аппараты, действие которых зависит от электромагнитных усилий, возникающих при
работе аппарата (контакторы, реле).
• 3. Индукционные электрические аппараты, действие которых
основано на взаимодействии тока и магнитного поля
(индукционные реле).
• 4. Катушки индуктивности (реакторы, дроссели насыщения).
• Классификация электрических аппаратов по характеру работы.
• По характеру работы электрические аппараты различают в
зависимости от режима той цепи, в которой они установлены:

10.

Основные требования, предъявляемые к
электрическим аппаратам
• 1. аппараты, работающие длительно;
• 2. предназначенные для кратковременного режима работы;
• 3. работающие в условиях повторно-кратковременной нагрузки.
• Основные требования, предъявляемые к электрическим
аппаратам:
• 1. При нормальном режиме работы температура токоведущих
частей (элементов) не должна превышать допустимую (значений,
рекомендуемых
соответствующим
ГОСТ
или
другими
нормативными документами).

11.

Основные требования, предъявляемые к
электрическим аппаратам
• 2. Аппараты должны выдерживать в течении определенного
времени термическое воздействие токов К.З. без каких-либо
деформаций, препятствующих их дальнейшему использованию
(высокая износостойкость).
• 3. Изоляция аппарата должна быть рассчитана с учетом
возможных перенапряжений, возникающих в процессе
эксплуатации, с некоторым запасом, учитывающим её
«старение».
• 4. Контакты электрических аппаратов должны быть способны
многократно включать и отключать токи рабочих режимов.

12.

Контактные и бесконтактные аппараты.
Контактные узлы коммутационных аппаратов
• Аппараты должны иметь высокую надежность и точность,
необходимое быстродействие, минимум массы, малые габариты,
дешевизну, удобство в эксплуатации.
• Контактные и бесконтактные аппараты. Контактные узлы
коммутационных аппаратов.
• Важнейшей частью электрических аппаратов является коммутирующий узел, который характеризуется переходным сопротивлением: состояние «замкнуто» - RЭА ≤ Rприёмника , состояние
«разомкнуто» - RЭА ≥Rприёмника .

13.

Контактные и бесконтактные аппараты.
Контактные узлы коммутационных аппаратов
• Процессы коммутации сопровождаются импульсами тока, напряжения и появлением электромагнитных полей, которые могут
быть опасными для людей и мешать работе других электротехнических и электронных устройств. Отсюда возникает необходимость решения проблемы электромагнитной совместимости
электрических машин и электрической безопасности. По
типу
коммутирующего
узла
различают
контактные,
бесконтактные и гибридные электрические аппараты
управления.

14.

Контактные и бесконтактные аппараты.
Контактные узлы коммутационных аппаратов
• В контактных электрических аппаратах есть электрические контакты, которые замыкаются или размыкаются под действием механической силы, создаваемой приводом. Привод может быть
электромагнитный, пневматический, механический и др.
• Достоинства: большая надёжность, высокая перегрузочная
способность, большие номинальные значения токов и
напряжений в коммутаторной цепи.
• Недостатки: узость контактных поверхностей, невысокая частота
коммутаций, «дребезг» контактов.

15.

Контактные и бесконтактные аппараты.
Контактные узлы коммутационных аппаратов
• В бесконтактном электрическом аппарате коммутация достигается изменением сопротивления нелинейного элемента
(транзисторы, тиристоры и др.).
• Достоинства: нет подвижных частей, малые габариты, большой
срок службы, низкий уровень мощности управляющего сигнала.
• Недостатки: большое сопротивление в состоянии «замкнуто» и
малое – в состоянии «разомкнуто»; низкая перегрузочная
способность.

16.

Нагрев электрических аппаратов
• При протекании электрического тока по токоведущим частям
коммутационного аппарата в них и конструкционных деталях
возникают потери электрической энергии (потери на активном
сопротивлении, потери на вихревые токи, потери на гистерезис
ферромагнитных материалов), которые превращаются в
тепловую энергию. Тепло частично расходуется на повышение
температуры аппарата и частично отдается в окружающую среду.
При нагревании аппарата происходит ускорение старения
изоляции. Нагрев контактных соединений снижает надежность их
работы. Поэтому температура частей аппарата во всех возможных
режимах работы не должна превышать экономически
оправданных значений, которые устанавливаются стандартами.

17.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• При размыкании электрической цепи возникает электрический
разряд в виде электрической дуги. Для появления электрической
дуги достаточно, чтобы напряжение на контактах было выше 10 В
при токе в цепи порядка 0,1А и более. При значительных
напряжениях и токах температура внутри дуги может достигать 3
- 15 тыс. °С, в результате чего плавятся контакты и токоведущие
части.
• При напряжениях 110 кВ и выше длина дуги может достигать
нескольких метров. Поэтому электрическая дуга, особенно в
мощных силовых цепях, на напряжение выше 1 кВ представляет
собой большую опасность, хотя серьезные последствия могут
быть и в установках на напряжение ниже 1 кВ. Вследствии этого

18.

19.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• электрическую дугу необходимо максимально ограничить и
быстро погасить в цепях на напряжение как выше, так и ниже 1
кВ.
• Причины возникновения электрический дуги.
• Процесс образования электрической дуги может быть упрощенно
представлен следующим образом. При расхождении контактов
вначале уменьшается контактное давление и соответственно
контактная
поверхность,
увеличиваются
переходное
сопротивление ( плотность тока и температура — начинаются
местные (на отдельных участках площади контактов) перегревы,
которые в дальнейшем способствуют термоэлектронной эмиссии,

20.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• когда под воздействием высокой температуры увеличивается
скорость движения электронов и они вырываются с поверхности
электрода.
• В момент расхождения контактов, то есть разрыва цепи, на
контактном промежутке быстро восстанавливается напряжение.
Поскольку при этом расстояние между контактами мало,
возникает электрическое поле высокой напряженности, под
воздействием которого с поверхности электрода вырываются
электроны. Они разгоняются в электрическом поле и при ударе в
нейтральный атом отдают ему свою кинетическую энергию. Если
этой энергии достаточно, чтобы оторвать хотя бы один электрон с
оболочки нейтрального атома, то происходит процесс ионизации.

21.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Образовавшиеся свободные электроны и ионы составляют
плазму ствола дуги, то есть ионизированного канала, в котором
горит дуга и обеспечивается непрерывное движение частиц. При
этом отрицательно заряженные частицы, в первую очередь
электроны, движутся в одном направлении (к аноду), а атомы и
молекулы газов, лишенные одного или нескольких электронов, —
положительно заряженные частицы — в противоположном
направлении (к катоду).
Проводимость плазмы близка к
проводимости металлов. В стволе дуги проходит большой ток и
создается высокая температура.

22.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Способы гашения дуги в коммутационных электрических
аппаратах
• Для того чтобы отключить элементы электрической цепи и
исключить при этом повреждение коммутационного аппарата,
необходимо не только разомкнуть его контакты, но и погасить
появляющуюся между ними дугу. Процессы гашения дуги, так же
как и горения, при переменном и постоянном токе различны. Это
определяется тем, что в первом случае ток в дуге каждый
полупериод проходит через нуль. В эти моменты выделение
энергии в дуге прекращается и дуга каждый раз самопроизвольно
гаснет, а затем снова загорается.

23.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Практически ток в дуге становится близким нулю несколько
раньше перехода через нуль, так как при снижении тока энергия,
подводимая к дуге, уменьшается, соответственно снижается
температура дуги и прекращается термоионизация. При этом в
дуговом промежутке интенсивно идет процесс деионизации.
Если в данный момент разомкнуть и быстро развести контакты,
то последующий электрический пробой может не произойти и
цепь будет отключена без возникновения дуги. Однако
практически это сделать крайне сложно, и поэтому принимают
специальные меры ускоренного гашения дуги, обеспечивающие
охлаждение дугового пространства и уменьшение числа
заряженных частиц.

24.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Удлинение дуги (удаление контактов на расстояние).
• При расхождении контактов в процессе отключения
электрической цепи возникшая дуга растягивается. При этом
улучшаются условия охлаждения дуги, так как увеличивается ее
поверхность и для горения требуется большее напряжение.
• Деление длинной дуги на ряд коротких дуг.
• Если дугу, образовавшуюся при размыкании контактов, разделить
на n коротких дуг, например затянув ее в металлическую решетку,
то она погаснет. Дуга обычно затягивается в металлическую
решетку под воздействием электромагнитного поля, наводимого
в пластинах решетки вихревыми токами.

25.

26.

27.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Этот способ гашения дуги широко используется в коммутационных аппаратах на напряжение ниже 1 кВ, в частности в автоматических воздушных выключателях.
• Охлаждение дуги в узких щелях (дугогасительные камеры).
• Гашение дуги в малом объеме облегчается. Следовательно
в коммутационных аппаратах широко используют дугогасительные камеры с продольными щелями (ось такой щели совпадает
по направлению с осью ствола дуги). Такая щель обычно образуется в камерах из изоляционных дугостойких материалов.
Благодаря соприкосновению дуги с холодными поверхностями
происходят ее интенсивное охлаждение.

28.

29.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Кроме щелей с плоскопараллельными стенками, применяют
также щели с ребрами, выступами, расширениями (карманами).
Все это приводит к деформации ствола дуги и способствует
увеличению площади соприкосновения ее с холодными стенками
камеры.
• Втягивание дуги в узкие щели обычно происходит под действием
магнитного поля, взаимодействующего с дугой, которая может
рассматриваться как проводник с током.
• Внешнее магнитное поле для перемещения дуги наиболее часто
обеспечивают за счет катушки, включаемой последовательно с
контактами (магнитное дутье), между которыми возникает дуга.

30.

31.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Гашение дуги в узких щелях используют в аппаратах на все
напряжения.
• Гашение дуги высоким давлением.
• При неизменной температуре степень ионизации газа падает с
ростом давления, при этом возрастает теплопроводность газа.
При прочих равных условиях это приводит к усиленному
охлаждению дуги. Гашение дуги при помощи высокого давления,
создаваемого самой же дугой в плотно закрытых камерах,
широко используется в плавких предохранителях и ряде других
аппаратов.

32.

33.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Гашение дуги в масле
• Если контакты выключателя помещены в масло, то возникающая
при их размыкании дуга приводит к интенсивному испарению
масла. В результате вокруг дуги образуется газовый пузырь
(оболочка), состоящий в основном из водорода (70...80 %), а
также паров масла. Выделяемые газы с большой скоростью
проникают непосредственно в зону ствола дуги, вызывают
перемешивание холодного и горячего газа в пузыре,
обеспечивают интенсивное охлаждение и соответственно
деионизацию
дугового
промежутка.
Кроме
того,
деионизирующую способность газов повышает создаваемое при
быстром разложении масла давление внутри пузыря.

34.

35.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Интенсивность процесса гашения дуги в масле тем выше, чем
ближе соприкасается дуга с маслом и быстрее движется масло по
отношению к дуге. Учитывая это, дуговой разрыв ограничивают
замкнутым изоляционным устройством — дугогасительной
камерой. В этих камерах создается более тесное
соприкосновение масла с дугой, а при помощи изоляционных
пластин и выхлопных отверстий образуются рабочие каналы, по
которым происходит движение масла и газов, обеспечивая
интенсивное обдувание (дутье) дуги.

36.

Электрическая дуга. Способы гашения
электрической дуги
• Другие способы гашения дуги в аппаратах на напряжение до и
выше 1 кВ.
• Кроме указанных выше способов гашения дуги, используют
также: сжатый воздух, потоком которого вдоль или поперек
обдувается дуга, обеспечивая ее интенсивное охлаждение
(вместо воздуха применяются и другие газы, часто получаемые из
твердых газогенерирующих материалов — фибры, винипласта и т.
п. — за счет их разложения самой горящей дугой), элегаз
(шестифтористая
сера),
обладающий
более
высокой
электрической прочностью, чем воздух и водород, в результате
чего дуга, горящая в этом газе, даже при атмосферном давлении
достаточно быстро гасится, высокоразреженный газ (вакуум), при

37.

Вакуумная камера
• размыкании контактов в котором дуга не загорается вновь
(гаснет) после первого прохождения тока через нуль.
• Вакуумная камера. Принцип действия.
• Поскольку разрежённый газ (10−6 …10−8 Н) обладает электрической прочностью, в десятки раз превышающей прочность газа при
атмосферном давлении, то это свойство широко используется в
высоковольтных выключателях: в них при размыкании контактов
в вакууме сразу же после первого прохождения тока в дуге через
ноль изоляция восстанавливается, и дуга вновь не загорается. В
момент размыкания контактов в вакуумном промежутке

38.

39.

Вакуумная камера
• коммутируемый ток инициирует возникновение электрического
разряда — вакуумной дуги, существование которой
поддерживается за счет металла, испаряющегося с поверхности
контактов в вакуумный промежуток. Плазма, образованная
ионизированными парами металла, проводит электрический ток,
поэтому ток протекает между контактами до момента его
перехода через ноль. В момент перехода тока через ноль дуга
гаснет, а оставшиеся пары металла мгновенно (за 7—10
микросекунд) конденсируются на поверхности контактов и на
других
деталях
дугогасящей
камеры,
восстанавливая
электрическую прочность вакуумного промежутка. В то же время

40.

Элегазовая камера
• на разведенных контактах восстанавливается приложенное к ним
напряжение
(см.
иллюстрацию
процесса
отключения
https://youtu.be/zWhQaSsZmmw?list=PL_ynwgT-FX6fo8GInuKusN_NgcqgXJ8n).
• Элегазовые камеры.
• На сегодняшний день, использование элегаза в качестве
дугогасящей среды, более эффективной по сравнению со сжатым
воздухом и маслом, является наиболее перспективным и
быстроразвивающимся направлением развития выключателей
переменного тока высокого и сверхвысокого напряжения.

41.

Элегазовая камера
• Основные достоинства элегазового оборудования определяются
уникальными физико-химическими свойствами элегаза.
• Элегазовому оборудованию также присущи: компактность; большие межремонтные сроки, вплоть до отсутствия эксплуатационного обслуживания в течение всего срока службы; широкий
диапазон номинальных напряжений (6-1150 кВ); пожаробезопасность и повышенная безопасность обслуживания.
• В элегазовых выключателях применяются различные способы
гашения дуги в зависимости от номинального напряжения, номинального тока отключения и эксплуатационных особенностей в
месте установки. В элегазовых дугогасительных устройствах

42.

43.

Элегазовая камера
• в отличие от воздушных дугогасительных устройств при гашении
дуги прохождение газа через сопло происходит не в атмосферу, а
в замкнутый объем камеры, заполненный элегазом при
относительно небольшом избыточном давлении. По способу
гашения дуги в элегазе различаются следующие элегазовые
выключатели:
• автокомпрессионные с дутьем в элегазе, создаваемым
посредством
компрессионного
устройства
(элегазовые
выключатели с одной ступенью давления);
• в которых гашение дуги в дугогасительных устройствах
обеспечивается вращением её по кольцевым контактам под
действием поперечного магнитного поля, создаваемого
отключаемым током (элегазовые выключатели с электромагнит-

44.

Элегазовая камера
• ным дутьем).
• с дугогасительным устройством продольного дутья, в котором
предварительно сжатый газ поступает из резервуара с
относительно высоким давлением элегаза (элегазовые
выключатели с двумя ступенями давления);
• с дугогасительным устройством продольного дутья, в котором
повышение давления элегаза происходит за счет разогрева
газовой среды дугой отключения в специальной камере
(элегазовые выключатели с автогенерирующим дутьем).

45.

Электромагнитные и
электромеханические системы
• По принципу действия (в зависимости от используемых в них
физических явлений) электрические аппараты классифицируются
на:
• электромагнитные (основаны на явлении электромагнитной
индукции или взаимоиндукции) – электромагнитные контакторы,
реле, пускатели, трансформаторы, электродвигатели и др.;
• тепловые (основаны на нагревании проводника электрическим
током) – тепловые реле, биметаллические механизмы и др.;
• электрические аппараты нелинейной (полупроводниковой)
электротехники – дроссели насыщения, магнитные усилители,
разрядники и др.;

46.

Устройство и принцип действия
контактора
• комбинированные – действие этих аппаратов основано на
использовании нескольких физических явлений.
• Конта́ктор (лат. contāctor «соприкасатель») — двухпозиционный
электромагнитный аппарат, предназначенный для частых
дистанционных включений и выключений силовых электрических
цепей (электродвигателей) в нормальном режиме работы.
Работа контактора основана на принципе электромагнитной
индукции (втягивание якоря контактора катушкой при
прохождении через нее электрического тока и возникновении
вокруг катушки магнитного поля (принцип электромагнита).
• Контакторы, применяемые в слаботочных цепях на токи до 5 А
называются реле, выше 5А (до тысяч ампер) – собственно

47.

Устройство и принцип действия
контактора
• контакторами. Контакторы, имеющие электрические защиты
называются магнитными пускателями.
• Наиболее широко применяются одно- и двухполюсные
контакторы
постоянного
тока
и
трёхполюсные
контакторы переменного тока. К контакторам из-за частых
коммутаций (число торов разной категории изменяется от 30 до
3600 раз в час) предъявляются повышенные требования по
механической и электрической износостойкости. Контакторы как
постоянного, так и переменного тока содержат:
• электромагнитную систему, контактную систему, состоящую из
подвижных и неподвижных контактов, дугогасительные камеры

48.

Нереверсивный контактор
Реверсивный контактор

49.

Устройство и принцип действия
контактора
• контакторами. Контакторы, имеющие электрические защиты
называются магнитными пускателями.
• Наиболее широко применяются одно- и двухполюсные
контакторы постоянного тока и трёхполюсные
контакторы переменного тока. К контакторам из-за частых
коммутаций (число торов разной категории изменяется от 30 до
3600 раз в час) предъявляются повышенные требования по
механической и электрической износостойкости. Контакторы как
постоянного, так и переменного тока содержат:
• электромагнитную систему, контактную систему, состоящую из
подвижных и неподвижных контактов, дугогасительные камеры

50.

Устройство и принцип действия
контактора
• систему блок-контактов (вспомогательные контакты,
переключающие цепи сигнализации и управления при работе
контакторов) и разборный корпус.
• Контакторы бывают нереверсивными и реверсивными
(позволяющими изменять направление вращения
электродвигателя), контактными и безконтактными
(полупроводниковыми).

51.

Основные части контактора

52.

53.

Магнитный пускатель
Реле