Министерство сельского хозяйства РФ

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Рязанский государственный агротехнологический университет

имени П. А. Костычева»

Кафедра «Электроснабжение»

Методические указания

для выполнения расчетно-графической работы по дисциплине:

"Электрическая аппаратура "

для студентов направлению подготовки 110800.62 «Агроинженирия», профиль подготовки «Электрооборудование и электротехнологии в сельском хозяйстве»

Рязань-2013

Авторы: профессор, д.т.н. Васильева Т.Н., ст. преподаватель Лопатин Е.И.

Рецензент: кандидат технических наук, доцент Кипарисов Н.Г.

Одобрены методической комиссией инженерного факультета Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А.Костычева.

Протокол № от 2013 года.

ВВЕДЕНИЕ

Электрические аппараты (ЭА) — это электротехнические устрой­ства, применяемые при использовании электрической энергии, от ее производства, передачи, распределения и до потребле­ниея. Разнообразие видов ЭА и различие традиций мировых элект­ротехнических школ затрудняют их классификацию.

В настоящее время под ЭА понимают электротехнические уст­ройства управления потоком энергии и информации. При этом речь может идти о потоках энергии различного вида: электрической, механической, тепловой и др. Например, потоком механической энергии от двигателя к технологической машине может управлять электромагнитная муфта. Потоками тепловой энергии можно управ­лять при помощи электромагнитных клапанов и заслонок. Таких примеров использования ЭА можно привести большое количество. Примером использования ЭА для управления информацией является применение реле в телефонии. Например, при создании телеграфного аппарата П.Л. Шиллинг в 1820г. применил впервые электромагнит­ное реле. Простейшая формально-логическая обработка дискретной информации также была реализована на реле.

Однако наибольшее распространение получили ЭА для управления потоками электрической энергии для изменения режимов работы, регулирования параметров, контроля и защиты электротехнических систем и их составных частей. Как правило, функции таких ЭА осуществляются посредством коммутации (включения и отключения) электрических цепей с различной частотой, начиная от относительно редких, нерегулярных значений до периодических высокочастотных, например, в импульсных регуляторах напряжения.

Одним из основных признаков классификации ЭА является напря­жение. Различают аппараты низкого напряжения (АНН) — до 1000 В и аппараты высокого напряжения (АВН) — свыше 1000 В.

Большинство аппаратов низкого напряжения условно можно разделить на следующие основные виды:

аппараты управления и защиты — автоматические выключатели, контакторы, реле, пускатели электродвигателей, переключатели, рубильники, предохранители, кнопки управления и другие аппараты, управляющие режимом работы оборудования и его защитой;

аппараты автоматического регулирования — стабилизаторы и регуляторы напряжения, тока, мощности и других параметров элек­трической энергии;

аппараты автоматики — реле, датчики, усилители, преобразо­ватели и другие аппараты, осуществляющие функции контроля, усиления и преобразования электрических сигналов.

Электрические аппараты низкого напряжения иногда классифицируют по величине коммутируемого тока: слаботочные (слаботоковые) — до 10 А и сильноточные (сильнотоковые) — свыше 10 А. При этом нижние пределы надёжно коммутируемых современными электрическими аппаратами токов достигают 10^-9 А, а напряжений - 10^-5 В.

Аппараты высокого напряжения работают в сетях с напряжением до 1150 кВ переменного тока и 750 кВ постоянного тока и также существенно различаются по своим функциям.

Электрические аппараты как низкого, так и высокого напряжения обычно являются конструктивно законченными техническими уст­ройствами, реализующими определенные функции и рассчитанными на разные условия эксплуатации.

По принципу работы электрические аппараты подразделяются на контактные и бесконтактные. Первые имеют подвижные контактные части, и воздействие на управляемую цепь осуществляется путем замыкания или размыкания этих контактов. Бесконтактные аппараты не имеют коммутирую­щих контактов. Эти аппараты осуществляют управление путем изменения своих электрических параметров (индуктивности, ёмкости, сопротивления и т.д.).

В основе большинства электромеханических ЭА лежит контактная система с различными типами приводов - ручным, электромагнит­ным, механическим и др. Процессы, протекающие в ЭА, определя­ются различными и многообразными физическими явлениями, которые изучаются в электродинамике, механике, термодинамике и других фундаментальных науках.

Одной их наиболее сложных задач, решаемых при разработке электромеханического электронного аппарата, является обеспечение работоспособности электрических контактов, в том числе и при гашении электрической дуги, возникающей при выключении ЭА.

Контактные аппараты могут быть автоматическими и неавтоматическими. Автоматические — это аппараты, приходящие в действие от заданного режима работы цепи или машины. Неавтоматические — это аппараты, действие которых зависит только от оператора. Они могут управляться дистанционно или непосредственно.

Тема расчетно-графической работы - расчет катушки электромагнитного аппарата при постоянном и переменном токе.

Цель расчетно-графической работы - расчет магнитной цепи и размеров катушки электромагнита.

РАЗДЕЛ №1

Конструктивный расчет электромагнитной катушки электрического аппарата при постоянном токе

Рисунок 1. Магнитная цепь электромагнитной катушки

Магнитная цепь электромагнитной катушки содержит участки стального сердечника и якоря, а также воздушный зазор , через который замыкается основная часть рабочего потока. Сердечник магнитопровода имеет цилиндрическую форму; ярмо и якорь выполнены из стали одинакового прямоугольного сечения.

Исходные данные представлены в таблице 1.

U - напряжение питающей сети;

Ф - магнитный поток в рабочем воздушном зазоре;

d - диаметр сердечника магнитопровода;

с, Н - параметры окна магнитопровода;

, - параметры каркаса;

- воздушный зазор (рабочий ход якоря);

а, в - размеры сечения якоря.

Таблица 1. Исходные данные для расчета при постоянном токе.

Номер варианта	U, В	Ф, Вб	d, мм	с, мм	, мм	в, мм	мм	мм	H, мм	а, мм	Q, Н	U1, В	U2, В
		7,0 · 10^-4			3,0		2,4	2,7
		7,1 · 10^-4			3,1		2,5	2,7
		7,2 · 10^-4			3,2		2,6	2,7
		7,3 · 10^-4			3,3		2,2	2,7
		7,4 · 10^-4			3,4		2,8	2,7
		7,5 · 10^-4			3,5		1,9	2,7
		7,6 · 10^-4			3,6		2,1	2,7
		7,7 · 10^-4			3,7		2,2	2,7
		7,8 · 10^-4			3,8		2,3	2,7
		7,1 · 10^-4			3,9		2,9	2,7
		7,9 · 10^-4			4,0		2,4	2,7
		7,05 · 10^-4			2,9		2,5	2,7
		7,1 · 10^-4			2,8		2,7	2,7
		7,6 · 10^-4			2,7		2,2	2,7
		7,0 · 10^-4			3,0		2,4	2,7
		7,1 · 10^-4			3,1		2,5	2,7
		7,2 · 10^-4			3,2		2,6	2,7
		7,3 · 10^-4			3,3		2,2	2,7
		7,4 · 10^-4			3,4		2,8	2,7
		7,5 · 10^-4			3,5		1,9	2,7
		7,6 · 10^-4			3,6		2,1	2,7
		7,7 · 10^-4			3,7		2,2	2,7
		7,8 · 10^-4			3,8		2,3	2,7
		7,1 · 10^-4			3,9		2,9	2,7
		7,9 · 10^-4			4,0		2,4	2,7

1.1 Намагничивающая сила определяется по формуле:

,(Н)

где - напряженности поля на участках сечения сердечника, якоря и воздушного зазора соответственно, А/м.

1.2 Магнитная индукция в сердечнике определятся по формуле:

, (Тл)

где Ф - магнитный поток в рабочем воздушном зазоре,

, (мм²)

1.3 Магнитная индукция в якоре и ярме рассчитывается по формуле:

(Тл),

где

1.4 Напряженности поля сердечника и якоря определяются по формуле:

,

1.5 Значения напряженности поля в якоре и ярме, сердечнике электромагнита по кривой намагничивания, соответствующее полученным значениям В_я и В_с, равны:

H_я = 150 (Н ·А);

H_с = 200 (Н ·А).

1.6 Полная намагничивающая сила рассчитывается по формуле:

, (Н).

1.7 Размеры катушки определяются по заданным размерам магнитопровода.

1.7.1 Внутренний диаметр катушки равен:

(мм²).

1.7.2 Наружный диаметр катушки D₂ зависит от размера окна магнитопровода и ограничивается в пределах:

(мм²).

В противном случае в электромагнитной катушке электрического аппарата значительно возрастают потоки рассеяния.

1.7.3. Радиальный размер катушки определяется по формуле:

,(мм²).

1.7.4 Осевой размер катушки рассчитываем как:

,(мм²).

1.8 Геометрическое сечение катушки равно:

Так как часть площади окна магнитопровода занята изоляцией провода, то в расчет вводится коэффициент заполнения проводниками обмотки площади окна электромагнита k_з.

, (мм²),

где g - сечение провода, мм²;

w - число витков катушки.

Для обмоточных проводов круглого сечения коэффициент заполнения k_з обмотки изменяется в зависимости от диаметра провода.

При намотке катушек электромагнитных аппаратов наиболее употребительны медные провода с эмалевой изоляцией марок ПЭЛ и ПЭВ для температур до 105 и 125^°С при продолжительном режиме работы аппарата.

1.8.1. Средняя длина витка катушки определяется по формуле:

(мм)

1.8.2 Сечение провода равно:

, (мм²)

где - удельное электрическое сопротивление меди для катушки в нагретом состоянии

, (мм²)

температурный коэффициент меди

1.8.3. В соответствие со стандартом на обмоточные провода марка и ближайшее большее значение сечения принимается:

= 10 (мм²)

Для выбранной марки при известном диаметре провода находили соответствующее значение коэффициента значения:

k_з = 0,83

1.8.4 Число витков катушки определяем по формуле:

,

1.8.5 Электрическое сопротивление рассчитываем как:

, (Ом)

1.9 Ток катушки равен:

, (А)

1.10 Соответствие тока требуемой намагничивающей силе определяется по формуле:

, (Н)

1.11. Сравнивается рассчитанное значение со значением F₁ со значением F, полученным в п.1.6. Определяется фактическая плотность тока по формуле:

, ,(А·мм²)

1.12 В завершении первого раздела расчетно – графической работы делается вывод о размерах катушки и ее электрических параметрах.

РАЗДЕЛ №2

Конструктивный расчет электромагнитной катушки электрического аппарата при переменном токе

Исходные данные для конструктивного расчета при переменном токе приведены в таблице 2. В таблице: Q - усилие притяжения якоря электромагнита.

Размеры магнитопровода из предыдущего расчета.

Таблица 2.

Исходные данные для конструктивного расчета при переменном токе

Номер варианта	U, В	Q, H

2.1 Магнитная индукция определяется по формуле:

(Тл)

2.2 Магнитный поток равен:

(Вб)

2.3 Сделаем допущение:

E U; E = 4,44f (Фw)

2.4 Определяем потокосцепление:

Фw = U/4,44f

2.5 Число витков катушки определяется по формуле:

(витков)

2.6 Значение напряженности поля в сердечнике принимается по кривой намагничивания Н_с:

H_c = 200 (H ·А)

2.7 Полная намагничивающая сила определяется по формуле:

(Н)

2.8 Ток в катушке рассчитывается по формуле:

,(А)

2.9 Сечение обмоточного провода определяется по формуле:

,(мм²)

исходя из того, что

2.10 Ближайшее большее значение сечения выбирается в соответствии со стандартом на обмоточные провода, и определяется сечение (диаметр) провода

g_н = 0,12 (мм²);

D = 0,39 (мм)

2.11 Размеры катушки определяются в соответствие с диаметром провода:

d₁ = 34,4 (мм); d₂ = 81 (мм); В = 23,3 (мм); h = 64,6 (мм)

2.12 Активное сопротивление катушки рассчитывается по формуле:

,(Ом)

2.13 Определяется падение напряжения в активном сопротивлении по формуле:

(В)

2.14 Для учета допущения п.2.3., определяется поправка на число витков по формуле:

(витков)

На основании результатов расчетно – графической работы делается вывод о конструктивном исполнении и геометрических параметрах электромагнитной катушки.

ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

РАЗДЕЛ №1

Конструктивный расчет электромагнитной катушки электрического аппарата при постоянном токе

1.1 Магнитная индукция в сердечнике:

Тл.

1.2 Магнитную индукцию в якоре и ярме:

Тл.

1.3 Напряженности поля сердечника и якоря:

.

.

1.4 Значения напряженности поля в якоре и ярме и сердечнике электромагнита определяются по кривой намагничивания соответствующее полученным значениям В_я и В_с:

H_я = 150 (Н ·А);

H_с = 200 (Н ·А).

1.5 Полная намагничивающая сила:

Н.

1.6 Определение размеров катушки по заданным размерам магнитопровода

1.6.1 Внутренний диаметр катушки:

мм².

1.6.2 Наружный диаметр катушки D₂ :

мм².

1.7 Радиальный размер катушки:

мм.

1.8 Осевой размер катушки:

мм.

1.9 Геометрическое сечение катушки:

мм².

При намотке катушек электромагнитных аппаратов наиболее употребительны медные провода с эмалевой изоляцией марок ПЭЛ и ПЭВ для температур до 105 и 125^°С при продолжительном режиме работы аппарата.

1.10 Средняя длина витка катушки:

мм.

1.11 Сечение провода:

температурный коэффициент меди

мм.

1.12 Марка и ближайшее большее значение сечение выбирается в соответствие со стандартом на обмоточные провода:

= 10 мм².

Для выбранной марки при известном диаметре провода определяется соответствующее значение k_з:

k_з = 0,83.

1.13 Число витков катушки:

витков.

1.14 Величина электрического сопротивления:

Ом.

1.15 Величина тока катушки:

А.

1.16 Соответствие тока требуемой намагничивающей силе:

Н.

Сравниваем полученное значение со значением F, полученным в п.1.5

53,75 Н 54,525 Н.

1.17 Фактическая плотность тока:

А/мм².

РАЗДЕЛ №2

Конструктивный расчет электромагнитной катушки электрического аппарата при переменном токе

2.1 Магнитная индукция:

Тл.

2.2 Магнитный поток:

Вб.

Делается допущение, что:

Гц.

2.3 Отсюда потокосцепление равно:

Фw = 220/4,44 49,55 = 0,99

2.4 Число витков катушки:

витков.

2.5 Полная намагничивающая сила:

H.

2.6 Величина тока катушки:

А.

Определяется сечение обмоточного провода исходя из того, что

мм².

2.7 Выбирается ближайшее большее значение сечения в соответствии со стандартом на обмоточные провода и определяем диаметр провода

g_н = 0,12 (мм²); D = 0,39 мм.

2.8 Размеры катушки:

d₁ = 34,4 мм;

d₂ = 81 мм;

В = 23,3 мм;

h = 64,6 мм.

2.9 Активное сопротивление катушки:

Ом.

2.10 Падение напряжения в активном сопротивлении:

В.

2.11 Для учета допущения, определяется поправку на число витков по формуле:

витков.

На основании расчета для изготовления электромагнитной катушки электрического аппарата выбираем медный провод диаметром 0,39 мм с числом витков равное 707 единицам. При этом электромагнитная катушка имеет габариты: d₁ = 34,4 (мм); d₂ = 81 (мм); В = 23,3 (мм); h = 64,6 (мм).

РАЗДЕЛ №3

Теоретические вопросы

1. Процесс нагрева катушки электрических аппаратов.

2. характер изменения температуры при нагревании катушек.

3. Физический смысл постоянной времени нагрева.

4. Способы определения температуру катушки.

5. Изменение сопротивления катушки при нагревании.

6. Переходное сопротивлением контакта.

7. Влиянии формы и материала контактов на переходное сопротивление.

8. Влияние силы контактного нажатия на переходное сопротивление.

9. Зависимость переходного сопротивления от температуры контакта.

10. Влияние состояние контактной поверхности на переходное сопротивление.

11. Определение мощности, выделяющуюся на переходном сопротивлении контакта.

12. Механическая характеристика электрического аппарата.

13. Нагрузочная и тяговая характеристика электромагнита.

14. Влияние рабочего воздушного зазора на электромагнитную силу.

15. Назначение полюсного наконечника.

16. Применение контакторы и магнитные пускатели.

17. В чем состоят особенности конструкции контакторов, магнитных пускателей.

18. Особенности работы магнитного пускателя при управлении асинхронным двигателем.

19. Как отражается на работе контактора или магнитный пускатель обрыв короткозамкнутого витка.

20. Влияние воздушный зазор в магнитной системе на ток в катушке электромагнита.

21. Влияние «паразитных» воздушных зазоров в магнитопроводе магнитном пускателе.

22. Применение тепловые реле совместно с магнитным пускателем.

23. В чем состоит неисправность, если при нажатии на кнопку SB2 двигатель включается, а после прекращения нажатия – отключается?

24. Виды защиты, которые выполняют контакторы и магнитные пускатели.

25. Виды биметаллических пластин применяемые в тепловых реле.

26. Назначение предохранителей.

27. Требования к материалу для плавких вставок.

28. Назначение металлургического эффекта в предохранителях.

29. В чем заключаются особенности работы предохранителя при «пограничном» токе.

30. Основные параметрами предохранителей.

31. Схема включения предохранителей в защищаемую цепь.

32. Назначение автоматических выключателей.

33. Классификация автоматических выключателей.

34. Достоинства и недостатки автоматических выключателей.

35. Конструкция и принцип действия автоматических выключателей АП – 50 3МТ.

36. Основные элементы автоматических выключателей.

37. Принцип действия дугогасительной системы автоматических выключателей.

38. Характеристики времени срабатывания автоматических выключателей с полупроводниковыми и тепловыми расцепителями, их отличие.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Правила устройства электроустановок (ПУЭ). М.: Энергоатомиздат, 2012.

2 Чунихин А.А. Электрические аппараты. М.: Энергоатомиздат, 1988.

3 Жукова Г.А., Золина М.А. Лабораторные работы по электрическим аппаратам. М.: Высшая школа, 1986.

4 Семенов В.А. Лабораторно-практические работы по специальной технологии для электромонтажников. М.: Высшая школа, 1984.

5 Электрические аппараты: Метод. указания / Авт.-сост.: К.А. Набатов, В.В. Афонин, В.С. Соболевский. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005.

Согласовано: Утверждаю:

Декан инженерного факультета проректор по учебной

К.т.н., доцент работе РГАТУ

____________ Бачурин А.Н. ____________Борычев С.Н.

«___» ___________ 2013 г. «___»____________2013 г.

Рассмотрено: Рассмотрено:

На заседании кафедры методическим советом

«Электроснабжение» инженерного факультета

Протокол №___ от______2013 г Протокол №___от______2013 г.

Зав. кафедрой, д.т.н., профессор Председатель, к.т.н.,

_____________ Васильева Т.Н. ______________ Олейник Д.О.

«___»____________2012 г. «___»_____________2012 г.

---

Дата добавления: 2015-08-29