Классификация электрических аппаратов

I)Классификация по назначению:

1)Коммутационные аппараты.

Основное назначение - это включение, отключение, переключение электрических цепей.

• рубильники • пакетные переключатели • различные переключатели • автоматические выключатели • предохранитель Особенность : редкое включение, отключение.

2)Защитные аппараты. Основное назначение - это защита электрических цепей от токов короткого замыкания и перегрузок • автоматические выключатели • предохранитель.

3)Пускорегулирующие аппараты. Основная функция этих аппаратов это управление электроприводами и другими потребителями электрической энергии. Их еще называют аппараты управления (АУ) • контакторы • пускатели • командо-контроллеры • реостаты

Особенности : частое включение, отключение до 3600 раз в час т.е. 1 раз в секунду.

4)Ограничивающие аппараты. Функцию ограничителя токов короткого замыкания (ТКЗ) выполняют реакторы, а функцию перенапряжения (разрядники).

5)Конролирующие аппараты. Основная функция этих аппаратов заключается в контроле за заданными электрическими и неэлектрическими параметрами • реле • датчики

6)Измерительные аппараты. Основная функция - изолирование цепи первичной коммутации (силовой цепи, цепи главного тока) от измерительных цепей, они преобразуют контролирующий параметр в форму удобную для измерения

• трансформаторы тока • трансформаторы напряжения • делители напряжения

7)Регулирующие аппараты. Предназначены для автоматизации, стабилизации и регулирования заданного параметра электрической цепи.

II)Классификация по напряжению: 1)До 1000 В (660 В включительно) 2)Аппараты больше 1000 В.

III)Классификация по роду тока : 1)Постоянного тока 2)Переменного тока промышленной частоты 3)Переменного тока повышенной частоты

IV)Классификация по роду защиты.

Устройство, принцип действия и особенности электромагнитов

Электромагнит создает магнитное поле с помощью обмотки, обтекаемой электрическим током. Для того чтобы усилить это поле и направить магнитный поток по определенному пути, в большинстве электромагнитов имеется магнитопровод, выполняемый из магнитномягкой стали.

Устройство электромагнита:

К ним относятся катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток), неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (ярмо и сердечник) и подвижная часть магнитопровода (якорь). В некоторых случаях неподвижная часть магнитопровода состоит из нескольких деталей (основания, корпуса, фланцев и т. д.).

Принцип действия: При пропускании электрического тока через катушку помещенный внутри ее стальной сердечник приобретает свойства естественного магнита

Степень намагничивания стального сердечника, определяемая величиной проходящего через него магнитного потока, о которой судят по максимальной массе притягиваемого груза (грузоподъемная сила электромагнита), зависит от величины тока, пропускаемого через катушку, числа витков и температуры катушки, химического состава, формы, размеров и температуры поднимаемого груза.

Катушка без стального сердечника также будет обладать магнитными свойствами — притягивать к себе ферромагнитные тела, но сила притяжения при одном и том же токе, проходящем через нее, значительно меньше, чем у катушки со стальным сердечником. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость воздуха намного меньше, чем стального (ферромагнитного) сердечника.

Электрические контакты

Контакт электрический - это поверхность соприкосновения составных частей электрической цепи, обладающая электрической проводимостью. Электрические аппараты состоят из отдельных деталей, узлов электрически соединенных между собой. Классификация :

1. По возможному перемещению контактирующих деталей. а)Разборный контакт (контактное соединение) - это конструктивный узел, предназначенный только для проведения электрического тока, но не предназначенный для коммутации (болтовое соединение “шин”, присоединение проводника к зажиму). б)Коммутирующие контакты - это конструктивный узел, предназначенный для коммутации электрической сети (выключатель, контактор рубильник). в)Скользящие контакты - разновидность коммутирующего контакта, у которого одна деталь скользит относительно другой, но электрический контакт при этом не нарушается (контакты реостата, щеточный контакт, шарнирный контакт, проскальзывающий контакт).

2. По форме контактирования. а)Точечный контакт (контакт в одной физической площадке: сфера-сфера, сфера-плос-конус, конус- плоскость). б)Линейный контакт - условное контактирование происходит по линии (ролик-плоскость). в)Поверхностный контакт - условное контактирование по поверхности.

Существует две причины возникновения контактного сопротивления: 1) Резкое уменьшение сечения проводника в месте контактирования (засчет микровыступов) 2) Образование на контакте окисных пленок, удельное сопротивление ρ которых обычно выше, чем ρ основного металла.

Для шлифованной поверхности.От условной площадки контактирования. Если будем увеличивать площадь контакта, то будет увеличиваться число физических точек контактирования.

Тиристорные пускатели

Коммутация тока в цепи электромагнитными пускателями, контакторами, реле, аппаратами ручного управления (рубильниками, пакетными выключателями, переключателями, кнопками и т. д.) осуществляется изменением в широких пределах электрического сопротивления коммутирующего органа. В контактных аппаратах таким органом является межконтактный промежуток. В режиме коммутации цепи происходит очень быстрое скачкообразное изменение сопротивления меж контактного промежутка от минимальных до максимальных предельных значений (отключение), или наоборот (включение).

Бесконтактными электрическими аппаратами называют устройства, предназначенные для включения и отключения (коммутации) электрических цепей без физического разрыва самой цепи. Основой для построения бесконтактных аппаратов служат различные элементы с нелинейным электрическим сопротивлением, величина которого изменяется в достаточно широких пределах, в настоящее время это - тиристоры и транзисторы, раньше использовались магнитные усилители.

Достоинства и недостатки бесконтактных аппаратов по сравнению с обычными пускателями и контакторами

По сравнению с контактными аппаратами бесконтактные имеют преимущества:

- не образуется электрическая дуга, оказывающая разрушительное воздействие на детали аппарата; время срабатывания может достигать небольших величин, поэтому они допускают большую частоту срабатываний (сотни тысяч срабатываний в час),

- не изнашиваются механически,

Недостатки:

- они не обеспечивают гальваническую развязку в цепи и не создают видимого разрыва в ней, что важно с точки зрения техники безопасности;

- глубина коммутации на несколько порядков меньше контактных аппаратов,

- габариты, вес и стоимость на сопоставимые технические параметры выше.

Чувствительны к перенапряжениям и сверхтокам. Чем больше номинальный ток элемента, тем ниже обратное напряжение, которое способен выдержать этот элемент в непроводящем состоянии. Бесконтактные аппараты нельзя заменить контактными в условиях большой частоты срабатываний и большого быстродействия.

Бесконтактные тиристорные пускатели: Для включения, отключения, реверсирования в схемах управления асинхронными электродвигателями разработаны тиристорные трехполюсные пускатели серии ПТ. Пускатель трехполюсного исполнения в схеме имеет шесть тиристоров VS1, …, VS6, включенных по два тиристора на каждый полюс. Включение пускателя осуществляется посредством кнопок управления SB1 «Пуск» и SB2 «Стоп».Схема тиристорного пускателя предусматривает защиту электродвигателя от перегрузки, для этого в силовую часть схемы установлены трансформаторы тока ТА1 и ТА2, вторичные обмотки которых включены в блок управления тиристорами.

Управляемые выпрямители

Управляемый выпрямитель — выпрямитель с импульсным управлением. Очень часто необходимо, чтобы выпрямитель не только преобразовывал переменное напряжение в постоянное, но имог изменять его значение.

Выпрямители, которые совмещают выпрямление переменного напряжения с управлением выпрямленным напряжением, называют управляющими.
Основной элемент управляемого выпрямителя – тиристор.

Управление напряжением сводится к управлению во времени моментом отпирания тиристора.
Классификация управляемых выпрямителей

•однофазные однополупериодные; •однофазные мостовые: с полным числом тиристоров и с неполным числом, т.е. 2 тиристора, 2 диода; • трехфазные с выводом от средней точки трансформатора и мостовые.

Преобразователи частоты

Частотные преобразователи – это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока (напряжения) одной частоты в переменный ток (напряжение) другой частоты.

Назначение: Частотный асинхронный преобразователь частоты служит для преобразования сетевого трёхфазного или однофазного переменного тока частотой 50 (60) Гц в трёхфазный или однофазный ток, частотой от 1 Гц до 800 Гц.

Частотный преобразователь электронного типа — это устройство, состоящее из выпрямителя (моста постоянного тока), преобразующего переменный ток промышленной частоты в постоянный, и инвертора (преобразователя) (иногда с ШИМ), преобразующего постоянный ток в переменный требуемых частоты и амплитуды. Частотные преобразователи электронного типа часто применяют для плавного регулирования скорости асинхронного электродвигателя или синхронного двигателя за счет создания на выходе преобразователя электрического напряжения заданной частоты.

Электронный преобразователь частоты состоит из схем, в состав которых входит тиристор или транзистор, которые работают в режиме электронных ключей. В основе управляющей части находится микропроцессор, который обеспечивает управление силовыми электронными ключами, а также решение большого количества вспомогательных задач (контроль, диагностика, защита).

В зависимости от структуры и принципа работы электрического привода выделяют два класса преобразователей частоты:

С непосредственной связью. В преобразователях с непосредственной связью электрический модуль представляет собой управляемый выпрямитель. Система управления поочередно отпирает группы тиристоров и подключает обмотки двигателя к питающей сети.

С явно выраженным промежуточным звеном постоянного тока. Наиболее широкое применение в современных частотно регулируемых модулях находят преобразователи с явно выраженным звеном постоянного тока. В преобразователях этого класса используется двойное преобразование электрической энергии: входное синусоидальное напряжение с постоянной амплитудой и частотой выпрямляется в выпрямителе, фильтруется фильтром, сглаживается, а затем вновь преобразуется инвертором в переменное напряжение изменяемой частоты и амплитуды. Двойное преобразование энергии приводит к снижению КПД и к некоторому ухудшению массо-габаритных показателей по отношению к преобразователям с непосредственной связью.

Главным достоинством тиристорных преобразователей частоты, как и в схеме с непосредственной связью, является способность работать с большими токами и напряжениями, выдерживая при этом продолжительную нагрузку и импульсные воздействия. Они имеют более высокий КПД (до 98 %) по отношению к преобразователям на IGBT-транзисторах.

Преобразователи частоты являются нелинейной нагрузкой, создающей токи высших гармоник в питающей сети, что приводит к ухудшению качества электроэнергии.

Инверторы

Инве́ртор — устройство для преобразования постоянного тока в переменный[1] с изменением величины частоты и/или напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближённого к синусоиде, или дискретного сигнала.

Инверторы напряжения могут применяться в виде отдельного устройства или входить в состав источников и систем бесперебойного питания аппаратуры электрической энергией переменного тока.

Свойства инверторов: Инверторы напряжения позволяют устранить или по крайней мере ослабить зависимость работы информационных систем от качества сетей переменного тока.

Широкое развитие получили технологии преобразования энергии, где инвертор является промежуточным звеном в цепочке преобразователей. Принципиальной особенностью инверторов напряжения для таких приложений является высокая частота преобразования (десятки-сотни килогерц). Для эффективного преобразования энергии на высокой частоте требуется более совершенная элементная база (полупроводниковые ключи, магнитные материалы, специализированные контроллеры).

Инвертор должен иметь высокий КПД, обладать высокой надежностью и иметь приемлемые массо-габаритные характеристики, иметь допустимый уровень высших гармонических составляющих в кривой выходного напряжения (допустимое значение коэффициентов гармоник) и не создавать при работе недопустимый для других потребителей уровень пульсации на зажимах источника энергии.

Работа инвертора: напряжения основана на переключении источника постоянного напряжения с целью периодического изменения полярности напряжения на зажимах нагрузки. Частота переключения задается сигналами управления, формируемыми управляющей схемой (контроллером).

Контроллер также может решать дополнительные задачи: регулирование напряжения;

синхронизация частоты переключения ключей; защитой их от перегрузок; и др.

Методы технической реализации инверторов и особенности их работы: Ключи инвертора должны быть управляемыми (включаются и выключаются по сигналу управления), а также обладать свойством двухсторонней проводимости тока. Как правило такие ключи получают шунтированием транзисторов обратными диодами. Исключение составляют полевые транзисторы, в которых такой диод является внутренним элементом их полупроводниковой структуры.

Регулирование выходного напряжения инверторов достигается изменением площади импульса полуволны. Наиболее простое регулирование достигается регулированием длительности (ширины) импульса полуволны. Такой способ является простейшим вариантом метода широтно-импульсной модуляции (ШИМ) сигналов.

Полупроводниковые реле

Полупроводниковые реле в отношении быстродействия, чувствительности, селективности и надежности превосходят электромагнитные. В ряде случаев полупроводниковые реле обладают характеристиками, которые невозможно получить с помощью электромагнитных реле.

Полупроводниковые реле защиты содержат измерительный орган и логическую часть.

В измерительном органе непрерывные выходные величины преобразуются в дискретный выходной сигнал.

Дискретный выходной сигнал поступает на вход логической части, выдающей управляющий сигнал чаще всего на электромагнитное реле.

Измерительный орган полупроводникового реле тока обычно имеет на входе трансформатор тока, нагруженный на малое активное сопротивление. Напряжение на этом сопротивлении пропорционально первичному току в контролируемой сети.

В измерительных органах используются следующие три принципа:

1) сравнение однородных физических величин, например напряжений. В момент равенства измеряемого и опорного напряжений на выходе появляется нулевой сигнал, который приводит к срабатыванию нуль-органа. На выходе появляется дискретный сигнал. Регулируя опорное напряжение, можно менять уставку срабатывания. Реализация такого принципа показана на. Выпрямленный сигнал, пропорциональный напряжению или току, подается на мост R1, R2, R3, VD1. В момент равенства напряжений на R2 и VD1 на выходе моста появляется нулевой сигнал, который приводит в действие нуль-орган. Главным источником погрешности полупроводниковых реле является зависимость параметров полупроводниковых приборов от температуры. Поэтому в схемы вводится температурная компенсация. В данной схеме для температурной компенсации последовательно со стабилитроном VD1 включается в прямом направлении диод. С ростом температуры у стабилитрона падение напряжения растет, а у диода в проводящем направлении падает;

2)проявление физического эффекта, возникающего, при определенном значении измеряемого напряжения, — скачок в нелинейной характеристике туннельного диода, релейная характеристика триггера Шмидта и др.;

3)преобразование непрерывного входного сигнала и опорного напряжения в цифровую форму. После этого производится сравнение входного сигнала с опорным напряжением.

Обработка входного сигнала в цифровой форме может производиться по требуемому алгоритму вычислительного устройства. Последний принцип наиболее перспективен ввиду высокой универсальности и стремительного развития вычислительной техники.

Микроконтроллеры

Микроконтроллер – это такая микросхема, предназначенный для выполнения различных функций.

Данная микросхема работает в соответствии с заложенной в нее программой, которую создает программист. Микроконтроллер может в себе содержать различное количество так называемых периферийных модулей, которые определяю его возможности, а также стоимость.

Микроконтроллер содержит следующие основные узлы: Арифметико-логическое устройство (АЛУ или ALU);универсальные цифровые порты, которые можно настраивать как на ввод, так и на вывод;различные интерфейсы ввода-вывода, такие, как UART, I²C, SPI, CAN, USB, IEEE 1394, Ethernet;аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;компараторы;широтно-импульсные модуляторы (ШИМ-контроллер);таймеры;контроллеры бесколлекторных двигателей, в том числе шаговых;контроллеры дисплеев и клавиатур;радиочастотные приемники и передатчики;массивы встроенной флеш-памяти;встроенные тактовый генератор и сторожевой таймер; Сердцем микроконтроллера является арифметико-логическое устройство (АЛУ).

АЛУ производит все арифметические и логические операции с двоичными данными. Бывают АЛУ различной разрядности: 8-, 16- или 32-разрядные.

К арифметическим операциям относятся: сложение, вычитание, сравнение и т.д.

К логическим операциям относятся: операция умножения «И», сложения «ИЛИ», отрицания «НЕ», «исключающее ИЛИ», сдвиг вправо, сдвиг влево и т.д. Есть также операции, которые не относятся ни к логическим, ни к арифметическим, например сброс в «0» или установка в «1».

У каждого микроконтроллера количество регистров может быть разным. Для того, чтобы можно было хранить больше информации, используется оперативно-запоминающее устройство (ОЗУ). Регистры общего назначения содержат данные, с которыми АЛУ работает в данный момент, а ОЗУ – остальные.