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.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

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

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

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

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

5. Задачник 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, δ, м⋅10–3

Приведенная начальная противодействующая сила Fммакс. 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, δ, м⋅10–3

Приведенная начальная противодействующая сила Fммакс. 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. Назначение и классификация электрических аппаратов., Электромеханические аппараты автоматики: назначение и принцип работы, выбор, предъявляемые требования. Электромеханические аппараты управления: назначение, принцип работы. выбор, предъявляемые требования. Электромеханические аппараты распределительных устройств: назначение, принцип работы, выбор, предъявляемые требования. Электромеханические аппараты релейной защиты: назначение, принцип работы, выбор, предъявляемые требования. Коммутация электрических цепей, основные законы коммутации. Процессы в дуговом промежутке. Электрическая дуга. Вольт-амперная характеристика электрической дуги. Условия стабильного горения и гашения электрической дуги. Гашение электрической дуги в цепи переменного тока: условия, устройства. Гашение дуги при отключении малых индуктивных и емкостных токов. Гашения электрической дуги постоянного тока: условия, устройства. Физические процессы в электрических аппаратах. Энергетический баланс электрической дуги. Восстановление электрической прочности дугового промежутка. Восстановление прочности на контактах. Классификация и конструкция контактных соединений. Режим работы контактов. Материалы контактов. Сопротивление контакта и его составляющие. Нагрев контактов. Сваривания контактов. Устойчивость контактов и контактных соединений при токах короткого замыкания. Износ контактов. Эрозия контактов под действием малых токов. Износ контактов. Износ контактов при больших токах. 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. Источники теплоты в электрических аппаратах. Нагрев изолированных и неизолированных токоведущих частей электрических аппаратов при коротких замыканиях. Нагрев нетоковедущих частей электрических аппаратов. Нагрев изолированных и неизолированных токоведущих частей электрических аппаратов. Тяговая сила и тяговые характеристики электромагнитов. Допустимые температуры нагрева токоведущих частей электрических аппаратов. Источники теплоты в электрических аппаратах. Режимы нагрева и отвод теплоты в электрических аппаратах. Нагрев катушек с ферромагнитным сердечником. Процессы нагрева и охлаждения однородного проводника во времени. Процесс нагрева при коротком замыкании. Термическая стойкость электрических аппаратов. Электродинамические силы при переменном и постоянном токе. Электродинамические усилия в витке, катушке и между катушками. Влияние размеров и формы сечения проводников на величину электродинамической силы.  Механический резонанс. Электродинамическая стойкость электрического аппарата. Полупроводники с электронной и дырочной электропроводимостью. Общие сведения о полупроводниках. 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. Силовые электронные ключи и бездуговая коммутация. Силовые диоды, силовые транзисторы, тиристоры.  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: схема работы, достоинства и недостатки. Микропроцессор: структура и функции. Микропроцессорные устройства. Конструкции микропроцессорных контроллеров. Микропроцессорные аппараты защиты. Микропроцессорные системы контроля защитной и коммутационной аппаратуры. Выбор, применение и эксплуатация микропроцессорных аппаратов. Понятие о гибридном аппарате. 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. Гибридные аппараты: реле тока с независимой выдержкой времени. Гибридные аппараты: реле дифференциальной защиты. 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