Электромеханические аппараты. 
Электрические и электронные аппараты

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АППАРАТ КАК СРЕДСТВО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ, ЗАЩИТЫ И РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ.

После изучения материала данной главы студент должен:

знать

• основные функции электрических аппаратов; классификацию электрических аппаратов;

уметь

• переходить от однолинейного изображения электрических схем к реальному, и наоборот;

владеть

• навыками прочтения электрических схем, содержащих аппараты.

Ключевые термины: электрический аппарат; аппараты высокого напряжения; аппараты низкого напряжения; коммутационные аппараты; аппараты распределения; аппараты управления; ограничивающие аппараты; аппараты автоматического регулирования; аппараты автоматики; предохранитель; автоматический выключатель; механизм свободного расцепления; контактор; пускатель; предохранитель; трансформатор тока; реле; релейная защита и автоматика.

Функциональное назначение и классификация электрических аппаратов

Электрические аппараты широко применяются в электроэнергетике, системах электроснабжения и электропривода, электротехнологии и электрооборудовании промышленности и сельского хозяйства, на всех видах транспорта, в бытовой и медицинской технике.

Аппарат (от лат. apparatus — оборудование) — прибор, техническое устройство, приспособление.

Применительно к электрическим аппаратам многозначность и неопределенность термина можно конкретизировать, рассмотрев их функциональное назначение.

Под электрическими аппаратами понимают электротехнические устройства, выполняющие следующие функции:

• • включение и отключение электрических цепей в электроустановках, предназначенных для производства, преобразования, передачи и потребления электроэнергии;
• • контроль и измерение параметров электрооборудования;
• • защита электроустановок в аварийных режимах, защита человека и имущества при повреждении электрооборудования;
• • регулирование параметров электротехнических устройств;
• • управление технологическими процессами;
• • преобразование неэлектрических величин в электрические;
• • создание магнитного поля с заданными параметрами и конфигурацией.

Такое разнообразие функций привело к появлению многих видов электрических аппаратов, существенно различающихся, но принципу действия и конструкции, но имеющих одно назначение.

В современном контексте электрический аппарат — электротехническое устройство для управления потоками энергии и информации.

С учетом вышеизложенного и различий в традициях мировых электротехнических школ классификация аппаратов достаточно условна. Их разделяют, прежде всего, на две большие группы по принципу действия.

• — электромеханические, содержащие подвижные элементы, в результате перемещения которых и осуществляется функционирование аппарата;
• — статические (иногда называемые бесконтактными) или силовые электронные, не имеющие подвижных частей и функционирующие посредством изменения параметров и характеристик входящих в их состав элементов и блоков.

Электромеханические аппараты появились на начальном этапе промышленного использования электроэнергии, прошли долгий путь совершенствования конструкций, применения новых материалов и технологий, и, в силу разных причин, до сих пор доминируют, главным образом, в сегменте коммутационной аппаратуры.

Статические аппараты являются относительно новыми устройствами (силовые полупроводниковые приборы появились в середине XX в.) и обладают расширенными функциональными возможностями. Они позволяют в одном устройстве объединить аппарат управления (с неограниченным ресурсом выполнения операции «включено-выключено»), сверхбыстродействующий аппарат защиты и регулятор подводимой к нагрузке мощности. Поэтому применявшиеся прежде различные электромеханические регуляторы (например, угольный регулятор напряжения) повсеместно вытеснены статическими аппаратами. Область использования статических аппаратов постоянно расширяется. Однако для гарантированного разъединения частей электроустановки по правилам электробезопасности всегда будут применяться аппараты с механическим разрывом цепи.

Общеприняты также следующие классификационные признаки.

• • Напряжение главной цепи аппарата:
  • — аппараты высокого напряжения (свыше 1000 В);
  • — аппараты низкого напряжения (до 1000 В).
• • Функциональное назначение:
• — коммутационные аппараты;
• — ограничивающие аппараты;
• — аппараты автоматического регулирования;
• — аппараты автоматики;
• — измерительные аппараты.
• • Среда, используемая для гашения дуги в электромеханических аппаратах:
• — воздушные;
• — масляные;
• — элегазовые;
• — вакуумные.

Управлять потоками энергии необходимо на всех стадиях ее применения (производство, передача, преобразование и потребление.) Однако коммутационные, ограничивающие и измерительные аппараты высокого и низкого напряжения, несмотря на идентичность функционального назначения, конструктивно резко различаются. Это обусловлено не только существенно разными требованиями по электрической изоляции, но и связано с необходимостью при помощи аппаратов высокого напряжения управлять потоками энергии очень большой мощности. В этой связи и классификация аппаратов по среде, используемой для гашения дуги, более характерна для коммутационных аппаратов высокого напряжения, в то время как аппараты низкого напряжения выполняются, как правило, воздушными.

Аппараты низкого напряжения иногда классифицируют по току⁴, слаботочные (до 10 А) и сильноточные (свыше 10 А).

Коммутационные аппараты применяются для формирования конфигурации распределительной электросети, защиты сети и приемников электроэнергии в аварийных режимах, разъединения сети на части для безопасного обслуживания, управления нагрузками по принципу «включено-выключено» и защиты человека от поражения электрическим током.

В свою очередь, коммутационные аппараты разделяют:

• — на аппараты распределения (выключатели различных типов, переключатели, разъединители, короткозамыкатели, отделители и т. д.);
• — аппараты управления (контакторы, пускатели, сильноточные реле).

Автоматические выключатели, предохранители, тепловые реле, аппараты, управляемые дифференциальным током, часто выделяют в отдельную группу — аппараты защиты.

Деление коммутационных аппаратов низкого напряжения на аппараты распределения и аппараты управления возникло исторически в силу разных требований, предъявляемым к этим группам аппаратов (по коммутационному ресурсу, коммутируемым и сквозным токам и т. д.) на стадиях распределения энергии и потребления. Различие в требованиях привело к принципиально разным конструкциям, общим признаком для которых остается наличие контактно-дугогасительной системы.

Аппараты распределения энергии предназначены для относительно редких оперативных коммутаций, преимущественно в распределительных сетях, и осуществляют защиту установок и сетей в аварийных режимах работы (токи короткого замыкания и перегрузки, понижение напряжения), а также защиту людей от поражения электрическим током.

Аппараты управления предназначены для частых оперативных отключений и включений нормальных токов нагрузки и нечастых отключений токов перегрузки, обычно превышающих номинальные в 5—20 раз. Для улучшения условий коммутации тока в аппаратах управления иногда применяются полупроводниковые приборы, шунтирующие механические контакты. В таких гибридных аппаратах длительное проведение тока осуществляют контакты, в то время как полупроводниковые приборы фактически обесточены. В момент коммутации при размыкании контактов ток кратковременно отводится в полупроводниковый прибор, который затем выключается, в результате чего практически устраняется дугообразование в аппарате и существенно повышается срок его службы. Такие аппараты часто называют аппаратами с ограниченным дугообразованием.

Ограничивающие аппараты используются для ограничения токов коротких замыканий (реакторы и дуговые электродинамические токоограничители) или как средство защиты от перенапряжений (шунтирующие реакторы, дуговые разрядники и статические ограничители перенапряжений на основе элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой).

Аппараты автоматического регулирования (регуляторы) в большинстве случаев являются статическими и предназначены для автоматизации производственных процессов, преобразования, накопления энергии и управления параметрами качества электроэнергии (стабилизация напряжения, повышение коэффициента мощности и г. д.) в условиях преобладания нелинейных нагрузок. Они переживают бурный период развития, особенно с появлением полностью управляемых силовых полупроводниковых приборов. Помимо применения в системах промышленного и городского электроснабжения они широко используются как стабилизаторы напряжения, корректоры и регуляторы мощности, во вторичных источниках питания и в автономной энергетике. Совместно с объектом регулирования такие аппараты образуют замкнутую систему регулирования. Применение электронных устройств в системах высокого напряжения определяется достигнутым уровнем развития элементной базы силовой электроники.

Аппараты автоматики — слаботочные реле, датчики, усилители, преобразователи, контроллеры и др. — широко используются как средства автоматизации во всех областях техники. Они работают при невысоких напряжениях (до сотен вольт) и токах (до 5 А) и обычно выполняют функции контроля какого-либо электрического параметра (например, реле) и неэлектрического входного параметра (например, датчики). Когда входной (контролируемый) параметр реле достигает заданной величины, происходит срабатывание электрического реле и «выдача сигнала» на выходе. Это осуществляется размыканием или замыканием контактов (контактные или электромеханические реле) или резким изменением электрического сопротивления на выходе (бесконтактные или статические реле). В любом случае происходит скачкообразное изменение тока в оперативной цепи, в которую включен выходной элемент. Поэтому кривая зависимости выходного сигнала от входного обычно имеет «релейный» характер. В датчиках зависимость выходного сигнала от входного имеет плавный характер: малое изменение входного сигнала вызывает пропорциональное небольшое изменение сигнала на выходе.

Электромеханические реле используются, как правило, в относительно простой электроавтоматике. В устройствах средней сложности, как более надежные и гибкие, применяются статические реле на микроэлектронной базе. В устройствах со сложным алгоритмом работы, с относительно большим количеством входов и выходов в настоящее время используются микропроцессорные программируемые контроллеры. Современная релейная защита строится также на базе микропроцессорных устройств.

В целом, необходимо отметить, что электромеханические аппараты автоматики интенсивно вытесняются статическими устройствами на микропроцессорной основе. Однако они продолжают успешно применяться в отдельных электромеханических устройствах, например аппараты с герметизированными контактами — герконы. Контакты гсркона находятся в стеклянном герметичном баллоне с инертным газом для уменьшения воздействия на них окружающей среды. Контакт-детали выполнены в виде ферромагнитных упругих пластин, которые под воздействием внешнего магнитного поля притягиваются, что приводит к замыканию контактов. При снятии внешнего магнитного поля силы упругости возвращают контакты в исходное состояние. Благодаря такой конструкции герконы легко управляются и обладают очень высоким коммутационным ресурсом. Герконы также способны работать при малых токах (менее 20 мА) и напряжениях (5—15 В и менее), что делает их совместимыми с микропроцессорными устройствами. Поэтому герконовые реле эффективно применяются в самых разных областях техники, и многие электромеханические датчики строятся на базе гсрконов.

Изменение параметров магнитного или электрического поля при перемещении твердых тел, изменении уровней жидкостей или сыпучих тел лежит в основе принципа действия различных индуктивных и емкостных датчиков (первичных преобразователей). Такие датчики позволяют осуществлять контроль угловых и линейных перемещений деталей, давления газов и жидкостей, уровней жидких и сыпучих тел, механических усилий и моментов, скоростей движения и т. д.

Магнитоупругие датчики используют эффект изменения магнитной проницаемости ряда материалов при появлении в них механических напряжений и деформаций.