Электрические и электронные аппараты автоматизированных систем

Министерство образования и науки Российской Федерации

Новосибирский государственный технический университет

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ

Методические указания по изучению дисциплины

для студентов специальности 220301

– Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)

Новосибирск

2010

Составитель: канд. техн. наук, доцент

Рецензент: канд. техн. наук, доцент

Работа подготовлена на кафедре

электротехнических комплексов

Введение

Дисциплина «Электрические и электронные аппараты автоматизированных производств» является одним из курсов новой специальности «Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)», открытой на кафедре «Электротехнические комплексы».

Дисциплина знакомит студентов с особенностями конструктивного исполнения и режимами работы электрических и электронных аппаратов, используемых при автоматизации технологических процессов и производств для управления потоками энергии и информации. Отсутствие новых изданий учебной и технической литературы по данной дисциплине создает определенные трудности в подборе необходимого материала по теории, что и вызвало необходимость разработки настоящих методических указаний. Методические указания содержат не только программу, перечень литературных источников, рекомендации по использованию первоисточников, но и перечень вопросов, которые должны быть усвоены студентами в процессе аудиторной и самостоятельной работы. В методических указаниях приведены варианты заданий по расчетно-графической работе, предусмотренной учебным планом. Методические указания к выполнению расчетно-графической работы и примеры выполнения некоторых задач приведены в раздаточном материале, апробируемом студентами.

После изучения курса студент должен знать устройство, принципы действия и режимы работы электрических и электронных аппаратов, используемых для автоматизации технологических процессов и производств. Изучение курса тесно связано с приобретением практических навыков по использованию основных методов расчета параметров электрических и электронных аппаратов постоянного и переменного тока, а также с выбором типов аппаратов для конкретных условий работы.

1.Программа курса

Введение

Электрический аппарат как средство управления режимами работы, защиты и регулирования параметров системы. Классификация электрических аппаратов. Основные термины и определения. Выбор, применение и эксплуатация электрических аппаратов.

Электромеханические аппараты автоматики

Электромеханические реле. Классификация, составные части реле. Основные параметры. Основные характеристики реле.

Электромагнитные и поляризованные реле: способы включения реле.

Электромеханические реле времени: назначение, общие требования, предъявляемые к реле. Электромеханические реле времени с электромагнитным замедлением, электромеханические реле времени с механическим замедлением.

Герконы и герконовые реле. Характеристики управления. Управление геркона с помощью постоянного магнита.

Датчики. Общие сведения. Датчики, основанные на изменении активного сопротивления (резистивные, контактные релейные). Бесконтактные датчики (индуктивные, трансформаторные, индукционные). Предъявляемые требования.

Электромеханические аппараты управления

Классификация аппаратов управления и их основные группы. Командоаппараты: назначение, устройство, применение. Контроллеры: назначения, конструктивные исполнения, область применения.

Реостаты. Классификация реостатов и предъявляемые требования к ним. Конструктивные исполнения реостатов и резисторов. Выбор резисторов и схема их соединения. Схемы включения пусковых и пускорегулирующих реостатов.

Контакторы и магнитные пускатели: Назначение, принцип действия, требования, предъявляемые к контакторам. Основные параметры и режимы работы контакторов. Контакторы постоянного и переменного тока. Магнитные пускатели: назначение, устройство, предъявляемые требования, условия работы, схемы включения. Выбор контакторов и магнитных пускателей.

Электромеханические автоматики релейной защиты

Назначение релейной защиты. Основные требования, предъявляемые к релейной защите. Электромагнитные реле тока и напряжения: конструкции, принцип работы, схемы включения, предъявляемые требования.

Тепловые реле: конструкция, принцип действия. Характеристики теплового реле. Выбор реле.

Электромеханические аппараты распределительных устройств

Аппараты высокого напряжения: Выключатели высоковольтные: назначение, классы напряжения, общие требования. Воздушные, элегазовые, масляные, электромагнитные и вакуумные выключатели: устройство, основные параметры, применения. Выбор вида и параметров выключателя.

Разъединители, отделители, короткозамыкатели, выключатели нагрузки: назначение, требования, основные параметры, устройство. Выбор по требуемому уровню термической стойкости при сквозных токах короткого замыкания и требуемому классу напряжения.

Трансформаторы тока и напряжения: назначение, виды, устройство, режимы работы, предъявляемые требования. Выбор в соответствии с номинальными параметрами установки и токами короткого замыкания.

Аппараты низкого напряжения. Автоматические выключатели: общего назначения, быстродействующие постоянного тока, гашения магнитного поля. Назначение, основные понятия, принцип действия; основные элементы конструкции; функциональное назначение. Требования, предъявляемые к автоматическим выключателям. Выбор автоматических выключателей.

Предохранители плавкие: назначение, предъявляемые требования, основные параметры и характеристики, конструкции. Выбор предохранителей.

Физические явления и процессы в электрических аппаратах

Коммутациия электрических цепей. Процессы в дуговом промежутке. Электрическая дуга. Условия стабильного горения и гашения электрической дуги. Способы гашения электрической дуги. Энергия, выделяемая в дуге. Восстановление электрической прочности дугового промежутка. Восстановление прочности на контактах.

Магнитные системы электрических аппаратов. Основные законы и методы расчета магнитных цепей. Рабочий цикл электромагнита. Способы ускорения и замедления движения якоря при срабатывании и отпускании электромагнита. Характеристики электромагнитов.

Электрические контакты.

Классификация и конструкции контактных соединений. Режимы работы контактов. Сопротивления контактов. Нагрев контактов. Износ контактов. Материалы контактов.

Термическая и электродинамическая стойкость

электрических аппаратов.

Допустимые температуры нагрева в электрических аппаратах. Источники теплоты и отвод теплоты. Процессы нагрева и охлаждения однородного проводника во времени. Нагрев катушек с ферромагнитным сердечником. Процесс нагрева при коротком замыкании. Термическая стойкость электрических аппаратов.

Электродинамические усилия. Методы определения величины и направления электродинамических сил. Электродинамические усилия: между параллельными проводниками; действующие в витке, катушке и между катушками. Влияние размеров и формы сечения проводников на величину электродинамической силы. Механический резонанс. Электродинамическая стойкость электрических аппаратов.

Физические явления в электронных аппаратах.

Общие сведения о полупроводниках. Полупроводники с электронной и дырочной электропроводимостью. Дрейфовый ток, диффузный ток. Контактные явления в полупроводниках. Элетронно-дырочный переход в состоянии равновесия. Прямое и обратное включение p-n перехода. Теоретическая и реальная вольт-амперная характеристика p-n перехода. Емкости p-n перехода.

Электронные и микропроцессорные аппараты.

Электронный ключ и бездуговая коммутация. Транзисторные реле и контакторы. Тиристорные контакторы. Твердотельное реле: элементная структура, схема работы системы управления с твердотельным реле. Реле тока с выдержкой времени, зависящей от тока. Электронное реле времени. Выбор, применение и эксплуатация электронных аппаратов. Тиристорный пускатель.

Микропроцессорные аппараты. Микропроцессор: структура и функции. Микропроцессорные устройства. Конструкции микропроцессорных контроллеров. Микропроцессорные аппараты защиты. Микропроцессорные системы контроля защитной и коммутационной аппаратуры. Выбор, применение и эксплуатация.

Гибридные электрические аппараты.

Гибридный аппарат. Гибридный коммутационный аппарат постоянного тока: назначение, схема и принцип работы. Гибридные герконо-полупроводниковые реле. Применения герконов в устройствах защиты: реле максимального тока; реле тока мгновенного действия с высоким коэффициентом возврата; реле тока с независимой выдержкой времени; реле дифференциальной защиты. Выбор, применение и эксплуатация.

2. Рекомендуемая литература

1. Розанов и электронные аппараты: Учебник для вузов. [Текс] – М.: Информэлектро, 2001. – 420 с.

2. Чунихин аппараты: Учебник для вузов. [Текс] – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 720 с.

3. Алиев аппараты: Справочник [Текст] /, . – М.: Радио Софт, 2005. – 225.

4. Буль теории электрических аппаратов: Учебн. пособие для электротехнич. специальностей вузов [Текст] /, , . – М.: Высш. шк., 1970. – 600 с.

5. Буткевич по электрическим аппаратам: Учеб. пособие для вузов по спец. «Электрические аппараты» [Текст] / , , . – 2-е изд., пераб. и допол. – М.: Высш. шк., 1987. – 232 с.

3. Методические указания к изучению теории

В соответствии с учебным планом специальности изучение дисциплины «Электрические и электронные аппараты» начинается после изучения курса «Теоретические основы электротехники», «Физические основы электроники», «Материаловедения», которые являются основой успешного ее изучения.

Изучение курса следует начать с тех разделов [1,2,4], в которых в доступной и наглядной форме излагаются особенности конструктивного исполнения и принципа работы аппаратов, обусловливающие успешное изучение дисциплины. Кроме того, целесообразно обратиться и к соответствующим разделам учебной литературы по электротехники и электроники, которые студенты могут найти самостоятельно.

При изучении материала курса, основанного на выборе и применении электрических и электронных аппаратов, необходимо обратиться к соответствующим разделам [3].

При изучении материала курса, связанного с выполнением расчетно-графической работы обратиться к соответствующим разделам [,5].

4. ЗАДАНИЕ НА РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКУЮ РАБОТУ

Вариант задания выбирается студентом по последним цифрам шифра зачётной книжки по таблице 1.

Таблица 1

Варианты	Магнитная система	Тип аппарата
Последняя цифра шифра	Предпоследняя цифра шифра
Цифра шифра	Номинальное напряжение катушки, Uн, В	Напряжение срабатывания, Uсрб, В	Номинальный ток катушки, Iн, А	Ток срабатывания Iсрб, А	Цифра шифра	Величина воздушного зазора при отпущенном якоре, d, м×10–3	Приведенная начальная противодействующая сила F́макс. нач., Н	Номинальный ток контакта Iн. к., А	Номинальное напряжения коммутирующей цепи, Uн. к., В
0	220				0 1 2	7,0 11,0 13,0	19,2 18,6 7,2	110 30 72	110 40 220	U-образная П-образная Клапанная	Контактор Контактор Контактор
1	5				0 1 2	4,0 5,0 7,0	3,2 7,2 10,2	9,3 16,5 0,2	2 45 110	П-образная Клапанная U-образная	Реле напряжения
2	27				0 1 2	8,0 17,0 13,0	11,9 16,2 20	50 210 105	16 24 30	Клапанная П-образная U-образная	Контактор Контактор Контактор
3	400				0 1 2	14,0 16,0 15,0	17,6 30,8 26,5	28 86 38	36 127 75	П-образная Клапанная U-образная	Контактор Контактор Контактор
4	36				0 1 2	5,0 3,0 6,0	4,0 2,2 6,5	32,5 ,5 6,8	63 8 96	П-образная Клапанная U-образная	Реле напряжения

Продолжение таблицы 1

Варианты	Магнитная система	Тип аппарата
Последняя цифра шифра	Предпоследняя цифра шифра
Цифра шифра	Номинальное напряжение катушки, Uн, В	Напряжение срабатывания, Uсрб, В	Номинальный ток катушки, Iн, А	Ток срабатывания Iсрб, А	Цифра шифра	Величина воздушного зазора при отпущенном якоре, d, м×10–3	Приведенная начальная противодействующая сила F́макс. нач., Н	Номинальный ток контакта Iн. к., А	Номинальное напряжения коммутирующей цепи, Uн. к., В
5	96				0 1 2	4,0 7,0 6,0	1,1 3,9 2,4	0,4 22,0 8,1	5 24 60	Клапанная П-образная U-образная	Реле напряжения
6	630				0 1 2	14,0 16,0 12,0	12,8 28,8 17,2	65 120 42	300 85 400	U-образная Клапанная П-образная	Контактор Контактор Контактор
7			5	5,5	0 1 2	3,0 5,0 2,0	1,5 2,15 0,5	4,5 26,2 20,0	150 24 60	П-образная Клапанная U-образная	Реле токовое
8			70	84	0 1 2	6,0 5,0 9,0	3,3 1,65 3,5	20,0 12,0 0,2	6 36 110	Клапанная U-образная П-образная	Реле токовое
9			150	135	0 1 2	4,0 2,0 3,0	4,2 5,2 4,7	7,7 15,8 18,8	220 48 12	U-образная Клапанная П-образная	Реле токовое

5. ВОПРОСЫ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ БИЛЕТОВ

1.  1. Назначение и классификация электрических аппаратов.,

2.  Электромеханические аппараты автоматики: назначение и принцип работы, выбор, предъявляемые требования.

3.  Электромеханические аппараты управления: назначение, принцип работы. выбор, предъявляемые требования.

4.  Электромеханические аппараты распределительных устройств: назначение, принцип работы, выбор, предъявляемые требования.

5.  Электромеханические аппараты релейной защиты: назначение, принцип работы, выбор, предъявляемые требования.

6.  Коммутация электрических цепей, основные законы коммутации.

7.  Процессы в дуговом промежутке.

8.  Электрическая дуга. Вольт-амперная характеристика электрической дуги.

9.  Условия стабильного горения и гашения электрической дуги.

10.  Гашение электрической дуги в цепи переменного тока: условия, устройства.

11.  Гашение дуги при отключении малых индуктивных и емкостных токов.

12.  Гашения электрической дуги постоянного тока: условия, устройства.

13.  Физические процессы в электрических аппаратах.

14.  Энергетический баланс электрической дуги.

15.  Восстановление электрической прочности дугового промежутка.

16.  Восстановление прочности на контактах.

17.  Классификация и конструкция контактных соединений.

18.  Режим работы контактов.

19.  Материалы контактов.

20.  Сопротивление контакта и его составляющие.

21.  Нагрев контактов. Сваривания контактов.

22.  Устойчивость контактов и контактных соединений при токах короткого замыкания.

23.  Износ контактов. Эрозия контактов под действием малых токов.

24.  Износ контактов. Износ контактов при больших токах.

25.  Магнитные системы электрических аппаратов.

26.  Основные законы и методы расчета магнитных цепей.

27.  .Рабочий цикл электромагнита.

28.  Способы ускорения и замедления движения якоря при срабатывании и отпускании электромагнита.

29.  Характеристики электромагнитов.

30.  Источники теплоты в электрических аппаратах.

31.  Нагрев изолированных и неизолированных токоведущих частей электрических аппаратов при коротких замыканиях.

32.  Нагрев нетоковедущих частей электрических аппаратов.

33.  Нагрев изолированных и неизолированных токоведущих частей электрических аппаратов.

34.  Тяговая сила и тяговые характеристики электромагнитов.

35.  Допустимые температуры нагрева токоведущих частей электрических аппаратов.

36.  Источники теплоты в электрических аппаратах.

37.  Режимы нагрева и отвод теплоты в электрических аппаратах.

38.  Нагрев катушек с ферромагнитным сердечником.

39.  Процессы нагрева и охлаждения однородного проводника во времени.

40.  Процесс нагрева при коротком замыкании.

41.  Термическая стойкость электрических аппаратов.

42.  Электродинамические силы при переменном и постоянном токе.

43.  Электродинамические усилия в витке, катушке и между катушками.

44.  Влияние размеров и формы сечения проводников на величину электродинамической силы.

45.  Механический резонанс. Электродинамическая стойкость электрического аппарата.

46.  Полупроводники с электронной и дырочной электропроводимостью.

47.  Общие сведения о полупроводниках. Дрейфовый ток, диффузный ток.

48.  Контактные явления в полупроводниках. Элетронно-дырочный переход в состоянии равновесия.

49.  Прямое и обратное включение p-n перехода.

50.  Теоретическая и реальная вольт-амперная характеристика p-n перехода. Емкости p-n перехода.

51.  Силовые электронные ключи и бездуговая коммутация. Силовые диоды, силовые транзисторы, тиристоры.

52.  Транзисторные реле и контакторы.

53.  Тиристорные контакторы.

54.  Твердотельное реле: элементная структура, схема работы системы управления с твердотельным реле.

55.  Реле тока с выдержкой времени, зависящей от тока.

56.  Электронное реле времени.

57.  Выбор, применение и эксплуатация электронных аппаратов.

58.  Тиристорный пускатель: схема работы, достоинства и недостатки.

59.  Микропроцессор: структура и функции.

60.  Микропроцессорные устройства. Конструкции микропроцессорных контроллеров.

61.  Микропроцессорные аппараты защиты.

62.  Микропроцессорные системы контроля защитной и коммутационной аппаратуры.

63.  Выбор, применение и эксплуатация микропроцессорных аппаратов.

64.  Понятие о гибридном аппарате. Гибридный коммутационный аппарат постоянного тока: назначение, схема и принцип работы.

65.  Гибридные герконо-полупроводниковые реле.

66.  Применения герконов в устройствах защиты: реле максимального тока; реле тока мгновенного действия с высоким коэффициентом возврата.

67.  Гибридные аппараты: реле тока с независимой выдержкой времени.

68.  Гибридные аппараты: реле дифференциальной защиты.

69.  Выбор и применение гибридных аппаратов.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………….. 3

1. ПРОГРАММА КУРСА ………………………………………………………. 3

2. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА ………………………………………… 7

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЦЗУЧЕНИЮ ТЕОРИИ ………………… 7

4. ЗАДАНИЕ НА РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКУЮ РАБОТУ …………………... 8

5. ВОПРОСЫ ЭКЗАМЕНАЦИОННЫХ БИЛЕТОВ …………………………. 9