Головна
Банківська справа  |  БЖД  |  Біографії  |  Біологія  |  Біохімія  |  Ботаніка та с/г  |  Будівництво  |  Військова кафедра  |  Географія  |  Геологія  |  Екологія  |  Економіка  |  Етика  |  Журналістика  |  Історія техніки  |  Історія  |  Комунікації  |  Кулінарія  |  Культурологія  |  Література  |  Маркетинг  |  Математика  |  Медицина  |  Менеджмент  |  Мистецтво  |  Моделювання  |  Музика  |  Наука і техніка  |  Педагогіка  |  Підприємництво  |  Політекономія  |  Промисловість  |  Психологія, педагогіка  |  Психологія  |  Радіоелектроніка  |  Реклама  |  Релігія  |  Різне  |  Сексологія  |  Соціологія  |  Спорт  |  Технологія  |  Транспорт  |  Фізика  |  Філософія  |  Фінанси  |  Фінансові науки  |  Хімія

Електрофізичні процеси в електричних апаратах - Фізика

Призначення і види електричних та електронних апаратів

Електричні та електронні апарати здійснюють управління потоком енергії від джерела до споживача. Вони застосовуються в системах виробництва і розподілу електричної енергії, в системах електропостачання всіх видів виробництва, у тому числі і в системах електропостачання електричного транспорту. Електричні та електронні апарати поряд з електричними машинами є основними засобами електрифікації та автоматизації. Вартість їх нерідко виявляється сумірною з вартістю керованих ними електричних машин і устаткування або навіть перевищує її.

Електричні та електронні апарати призначені для:

- Управління режимами роботи електричних ланцюгів;

- Захисту електричних ланцюгів;

- Регулювання параметрів електричних ланцюгів.

В залежності від призначення апарати можна розділити на наступні групи.

1. Комутаційні апарати, що здійснюють перемикання в ланцюгах. Це рубильники, пакетні вимикачі, вимикачі навантаження, вимикачі високої напруги, роз'єднувачі, отделители, короткозамикачі, автоматичні вимикачі, запобіжники. Характерним для цієї групи є відносно рідкісне їх включення і відключення.

2. Обмежуючі апарати призначені для обмеження струмів короткого замикання (реактори) і перенапруг (розрядники).

3. Пускорегулюючі апарати призначені для пуску, регулювання частоти обертання, напруги та струму електричних машин або інших споживачів електричної енергії. Це контролери, контактори, пускачі, резистори, реостати. Для цієї групи характерні часті включення і відключення.

4. Контролюючі апарати здійснюють контроль електричних або неелектричних параметрів. До цієї групи відносяться реле і датчики. В реле, при плавному зміна вхідний (контрольованої) величини, вхідний сигнал змінюється стрибком. Датчики перетворять безперервна зміна вхідної величини в безперервна зміна якої або електричної вихідної величини.

5. Апарати для вимірювань ізолюють ланцюзі первинної комутації (головного струму) від ланцюгів вимірювальних і захисних приладів. Вони перетворять вимірювану величину до стандартного значення, зручного для вимірів. Це трансформатори струму, трансформатори напруги, подільники напруги.

6. Регулюючі апарати призначені для регулювання заданого параметра за певним, наперед заданому закону.

На електрорухомому складі (електровозах, трамваях, тролейбусах, вагонах метро) застосовуються апарати спеціального виконання, так звані тягові апарати. Залежно від основних функцій тягові апарати відносять до силових, допоміжним ланцюгах і ланцюгах управління.

В силові і допоміжні ланцюги переважно входять виконавчі апарати систем управління. Це струмоприймачі та заземлення пристрою, що з'єднують електричні ланцюги ЕРС з КС і через колісні пари з рейками; комутаційні апарати для групування машин при пуску і гальмуванні; резистори і реактори, застосовувані для регулювання в цих режимах; апарати прямого захисту, що безпосередньо впливають на захищає ланцюг (наприклад, автоматичні вимикачі); апарати непрямої захисту, що працюють як датчики певних величин.

Апарати ланцюгів управління мають переважно распорядітельно- інформативне призначення в системі управління ЕПС. Це контролери, безпосередньо керують рухом ЕРС; кнопкові вимикачі, керуючі окремими апаратами; автоматичні регулятори електричних і неелектричних величин; блокування різних видів, що забезпечують правильну послідовність спрацьовування апаратів.

В залежності від напруги розрізняють низьковольтні апарати-до 1000 В (660 В включно) і високовольтні апарати понад 1000 В.

В електричних контактних апаратах переключення ланцюгів здійснюється електромеханічними елементами шляхом переміщення рухомих частин апарату. Ці елементи прості у виготовленні і обслуговуванні, але мають ряд недоліків:

- Механічної та магнітної інерційністю;

- Нестабільністю характеристик внаслідок зношуваності частин;

- Незахищеністю від впливу більшого числа зовнішніх і внутрішніх збурень;

- Відносно низькими надійністю і особливо ремонтопридатністю.

Однак тільки такі елементи забезпечують гальванічну розв'язку ланцюгів, відповідають вимогам електробезпеки щодо знеструмлення ланцюгів і зняття напруги.

В електричних та електронних безконтактних апаратах, включення, відключення і перемикання струму в електричному ланцюзі здійснюється не механічним замиканням (розмиканням) контактів, а стрибкоподібним зміною внутрішнього опору керованого елемента, включеного в ланцюг послідовно з навантаженням. В якості такого елемента застосовують магнітні підсилювачі (МУ) зі зворотним зв'язком, що працюють в релейному режимі і напівпровідникові прилади, що міняють свій опір залежно від сили струму управління.

В електронних апаратах процеси включення, відключення і регулювання параметрів здійснюються за допомогою безконтактних силових напівпровідникових елементів (тиристорів, транзисторів, діодів). Напівпровідникові елементи мають мінімальної інерційністю. Їх характеристики стабільні протягом тривалого часу, елементи забезпечують високу надійність роботи апаратів, хоча в цьому випадку не відбувається абсолютного роз'єднання відключаються ланцюгів.

Електронні апарати є перспективними, особливо в системах, які в умовах експлуатації вимагають підвищеної надійності, високої швидкодії, великого терміну служби, коли апарати перебувають під впливом вібрацій або в атмосфері отруйних газів. Область застосування електронних апаратів обмежується, в першу чергу, зростанням перевантажень по струму і збільшенням перенапруг в комутованій ланцюга, великими втратами енергії у включеному стані, впливом температури і радіації. Поєднання позитивних якостей апаратів з електромеханічними і напівпровідниковими елементами призвело до створення апаратів принципово нового типу - комбінованих (гібридних) з високими техніко-економічними показниками. У них висока зносостійкість, велика перевантажувальна здатність, відносно малі габарити, малі втрати у включеному стані, підвищена надійність і довговічність.

Завдяки досягненням мікроелектроніки створюється можливість використання сучасної елементної бази, наприклад, мікропроцесорів, в системах управління електронними апаратами.

Електродинамічні сили в електричних аппаратахІзвестно, що на елемент dl1проводніка довжиною l1с струмом i1, розташованого в однорідному магнітному полі з індукцією, діє механічна сила (сила Ампера).

, (1)

де- кут між напрямком струму і вектором індукції.

Цю механічну силу називають електродинамічної. Електродинамічні сили виникають не тільки в контурі зі струмом, розташованим в зовнішньому магнітному полі, а й у випадку, коли цей контур відокремлений, і поле, його навколишнє, визначається струмом в самому контурі.

При проходженні струму к. З., Що перевищує номінальний в 10-20 разів, на токоведущей контур електричного апарату впливають значні електродинамічні сили, які прагнуть деформувати цей контур. При проходженні струму по сусідніх струмоведучих контурам також виникають сили, якими контури взаємодіють між собою. У сільноточних електричних апаратах електродинамічні сили можуть досягати десятків тисяч ньютон. Здатність електричного апарату протистояти механічним навантаженням, що виникають у струмоведучих частинах і підтримуючих їх елементах в режимі к. З., Називається електродинамічної стійкістю.

Електродинамічні сили залежать від найбільшого значення струму, від довжини, конфігурації і взаємного розташування деталей, що утворюють токоведущий контур, а також від магнітних властивостей навколишнього середовища. Струмопровідні частини можуть розташовуватися як в середовищі з постійною магнітною проникністю, що не залежить від напруженості магнітного поля (повітря, рідкі тверді ізоляційні матеріали), так і в середовищі, магнітна проникність якої залежить від напруженості магнітного поля.

Електродинамічні сили визначаються або за допомогою закону Ампера (формула 3), або по зміні запасу магнітної енергії токоведущего контуру. Перший метод рекомендується застосовувати тоді, коли можна аналітично знайти індукцію в будь-якій точці провідника, для якого необхідно визначити силу. Індукцію визначають, використовуючи закон Біо-Савара-Лапласа, згідно якого елементарна індукція dB від елемента dl2проводніка l2с струмом i2в довільній точці М, в нашому випадку належить елементу dl1проводніка l1, рівна (рис. 1):

, (2)

де-магнітна проникність вакууму рівна 4p 10-7Гн / м; a-кут між струмом i2і променем r.

Індукція в точці М, створювана струмом, що проходить по всьому провіднику l2:

(3) Силу, що діє на весь провідник l1, визначимо, підставивши (3) в (1)

, (4)

де kk- коефіцієнт контуру, величина інтеграла, що залежить тільки від геометричних розмірів провідників і їх взаємного розташування.

Отримані формули справедливі, коли можна вважати, що струми протікають по осях провідників, а форма і розміри перерізів провідників не впливають на електродинамічні сіли.По формулою (4) визначається сумарна величина електродинамічної сили взаємодії даних провідників або контурів із струмами, тобто рівнодіюча електродинамічні сил. Точки прикладання цієї сили залежать від характеру розподілу електродинамічні сил по довжині провідників, обумовленого їх конфігурацією і взаємним розташуванням.

Як уже сказано, при другому методі електродинамічні сили визначаються по зміні запасу магнітної енергії токоведущего контуру. Електромагнітне поле навколо провідників і контурів зі струмом володіє певним запасом енергії. Електромагнітна енергія контура зі струмом i.

(5)

Електромагнітна енергія двох контурів, обтічних струмами i1і i2

, (6)

де L1і L2- індуктивність контурів; М - взаємна індуктивність контурів.

Всяка деформація контуру (зміна розташування його елементів або частин) або зміна взаиморасположения контурів призводять до зміни запасу електромагнітної енергії. При цьому робота сил в будь-якій системі дорівнює зміні запасу енергії цієї системи:

, (7)

тут dW- зміна запасу енергії системи при деформації системи в напрямку х під дією сили F.На зазначеному законі і заснований другий метод визначення електродинамічних сил в контурах. Електродинамічна сила в контурі мулі між контурами, що діє в напрямку х, дорівнює швидкості зміни запасу енергії системи при деформації її в тому ж напрямку:

(8)

Відповідно до сказаного електродинамічна сила в контурі, обтічному струмом i

, (9)

а електродинамічна сила між двома взаємопов'язаними контурами з струмами i1і i2

(10) Розглянемо електродинамічні сили в найбільш простих випадках взаємного розташування провідників як при допущенні, що форма і розміри перерізів провідників не впливають на електродинамічні сили, а струми протікають по осях провідників, так і з урахуванням форми і розмірів перетинів.

Напрямок вектора сили Ампераопределяется за правилом лівої руки: вектор магнітної індукціівходіт в долоню, чотири пальці спрямовані уздовж струму, великий відігнутий палець покаже напрям вектора сили. При цьому напрямок вектора магнітної індукції визначається наступним чином. Якщо дивитися вздовж провідника по напрямку струму, то вектор магнітної індукції направлений по ходу годинникової стрілки.

Модуль електродинамічні сили визначаються або за допомогою закону Ампера, або по зміні запасу магнітної енергії токоведущего контуру.

1. Електродинамічні сили між паралельними провідниками нескінченної довжини

Якщо струми в паралельних провідниках спрямовані однаково, то вектори сили спрямовані назустріч один одному - провідники відчувають взаємне тяжіння. Якщо струми в паралельних провідниках спрямовані протилежно, то навпаки - провідники відштовхуються.

І для шуканої електродинамічної сили, що діє на ділянку l1проводніка зі струмом i1можно записати

(11)

де- відстань між провідниками.

Електродинамічні сили між провідниками, розташованими під прямим кутом.

Якщо l2® ?, то повна сила, що діє на провідник кінцевої довжини l1-r

, (12)

де r - радіус круглого провідника.

Якщо l2конечная довжина, то повна сила, що діє на провідник кінцевої довжини l1-r

(13)

Розглянуті випадки взаємного розташування провідників паралельно один одному і під прямим кутом мають широке поширення в електричних апаратах.

2. Електродинамічні сили в круговому витку

У круговому витку зі струмом i виникають радіальні сили f прагнуть збільшити його периметр, тобто розірвати виток. Електродинамічна сила, що діє на весь виток, розраховується за формулою:

(14)

Електродинамічна сила Fx, яка прагне розірвати виток, визначається як сума горизонтальних складових сил f на чверті довжини кола:

(15)

3. Електродинамічні сили в місці зміни перерізу провідника

При зміні поперечного перерізу провідника відбувається викривлення ліній струму. Так як сила dF нормальна до ліній струму, то вона нахилена в бік більшого перетину. Цю силу можна розкласти на дві складові: поперечну стискаючу dFcжі подовжню dFпр. Поздовжня складова, звана електродинамічної силою звуження, прагне розірвати провідник у місці зміни перерізу і спрямована від меншого перетину до більшого.

Для провідника круглого перетину повна сила, що діє по осі провідника

(16)

Для некруглого перетину вираз (26) набуває вигляду

, (17)

де S1і S2- велике і мале поперечний переріз провідника.

З формул (16) і (17) випливає, що поздовжня електродинамічна сила звуження залежить від співвідношення величин великого і малого перетинів провідника і не залежить від довжини і форми переходу від одного перерізу до іншого, а також від напрямку струму.

4. Електродинамічні сили при наявність в контурі феромагнітних деталей

Так як магнітний потік провідника зі струмом прагне замкнутися по феромагнітної деталі, що має мале магнітне опір, то магнітне поле між провідником зі струмом і феромагнітної деталлю ослаблено, а сила завжди спрямована в бік ослабленого магнітного поля. Визначити цю силу можна, якщо замінити вплив феромагнітної деталі симетрично розташованим таким же провідником (застосувати його дзеркальне зображення). Отже, електродинамічну силу взаємодії між провідником зі струмом і феромагнітної деталлю можна визначити як силу взаємодії між двома паралельними провідниками, розташованими під деяким кутом, якщо феромагнітна деталь розташована під цим кутом до провідника, з однаковими струмами одного напрямку. Таким чином, у загальному вигляді сила взаімодействіяі фактичне її значення визначається в кожному випадку відповідним значенням kk.

Електродинамічні сили при змінному струмі

Наведені вище рівняння справедливі і для змінного струму, але в цьому випадку сила буде змінюватися в часі (але не в просторі) за певним законом. Для розрахунків апаратів на електродинамічну стійкість важливо знати максимальне значення цієї сили.

Розглянемо однофазну систему змінного струму. Струм змінюється за законом, де Iт- амплітудне значення. Тоді, враховуючи, що sin2wt = (1-cos2wt) / 2, миттєве значення електродинамічної сили між окремими частинами провідника

(18)

З формули (18) випливає, що в однофазної ланцюга електродинамічна сила складається з двох складових (рис. 7.): постійної, що не змінюється в часі

,

де Iд- діюче значення змінного струму з амплітудним значенням Iті змінної, що змінюється в временіс подвоєною частотою змінного струму i.

Амплітуда змінної составляющейравна за значенням постійної складової.

Результуюча сілапульсірует з подвійною частотою в порівнянні з частотою струму, від нуля до максимального значення не змінюючи знака. Максимальне значення цієї сили. Звідси випливає, що при змінному однофазному струмі максимальне значення електродинамічної сили при одному і тому ж чинному значенні струму виявляється в два рази більшим, ніж при постійному.

На відміну від постійного струму, при якому максимальне значення струму короткого замикання одно його сталому значенню, при змінному струмі в залежності від моменту короткого замикання перша амплітуда ударноготока може значно перевищувати амплітудне значення усталеного струму короткого замикання

, (19)

де- ударний коефіцієнт (нормоване, що застосовується в розрахунках значення = 1,8); I - діюче значення періодичної складової струму короткого замикання. Таким чином, в однофазних апаратах в якості розрахункової, приймається електродинамічна сила при

(20)

Розглянемо трифазну систему змінного струму з трьох паралельних провідників лежать в одній площині (рис. 8.).

З графіків на рис. 8 видно, що сила, яка діє на середній провідник, більше сил діючих на крайні провідники. Сума сил, що діють в трифазній системі при симетричному розташуванні провідників, в будь-який момент часу дорівнює нулю.

Для трифазного апарату за розрахунковий струм береться

, (21)

де- амплітуда періодичної складової трифазного коротко замикання.

Розрахунок електродинамічної стійкості проводиться для середньої фази, що відчуває найбільше значення сил

(22)

де- діюче значення періодичної складової струму трифазного короткого замикання.

Механічний резонанс. Всяка пружна механічна система має так звану власну частоту коливань. Якщо яка-небудь сила виведе цю систему з рівноваги (деформує її будь-яким чином, не переходячи межі пружності), а потім перестане діяти, то система буде деякий час коливатися біля свого положення рівноваги. Частота цих коливань і називається власною частотою коливань системи. Швидкість їхнього загасання залежить від пружних властивостей і маси системи та її деталей, а також від сил тертя і не залежить від значення сили викликала коливання.

Якщо сила, що виводить механічну систему з рівноваги буде змінюватися з частотою, рівною частоті власних коливань системи, то на деформацію одного періоду буде накладатися деформація наступного періоду і система буде розгойдуватися з дедалі більшою амплітудою, теоретично до нескінченності. Природно, що ніяка конструкція не може протистояти такій усе зростаючою деформації і зруйнується.

Збіг частоти власних коливань з частотою зміни електродинамічної сили називається механічним резонансом.

Повний резонанс спостерігається при точному збігу частоти коливань сили з частотою власних коливань конструкції і рівних позитивних і негативних амплітудах, частковий - при неповному збігу частот і нерівних амплітудах.

Для уникнення механічного резонансу необхідно, щоб частота власних коливань конструкції відрізнялася від частоти зміни електродинамічної сили. Краще коли частота власних коливань лежить нижче частоти зміни сили. Підбір необхідної частоти власних коливань можна робити різними способами. Для шин, наприклад, частота власних коливань обернено пропорційна квадрату прольоту між ізоляторами. Тобто в цьому випадку частота власних коливань легко може змінюватися за рахунок зміни прольоту.
Мікроструктура кераміки, отриманої пресуванням в полі акустичних хвиль
Реферат Мікроструктури КЕРАМІКИ, одержані пресуванням У ПОЛІ акустичних хвиль Якість кераміки прямо пов'язане з отриманням прес-заготовок високої щільності. Раннє [1-3] показано, що при одноосьовому пресуванні із застосуванням ультразвукових коливань (УЗК) пористість кераміки ВаТiO3уменьшается,

Механічні й електромагнітні коливання
РЕФЕРАТ на тему:"Механічні й електромагнітні коливання" План 1. Гармонічні коливання і їх характеристики 2. Механічні гармонічні коливання 3. Гармонічний осцилятор. Пружинний, фізичний і математичний маятники 4. Вільні гармонійні коливання в коливальному контурі

Ньютон
Реферат З дисципліни: «Концепція сучасного природознавства» Тема: «Ньютон» Введення Щойно розпочавши роздумувати над навколишнім світом, людина усвідомила, що цей світ мінливий. Він сповнений активності - рухається Сонце, дме вітер, ширяють птахи, струмують водні потоки. Ще в давнину

Механічні властивості твердих тіл в практиці
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ Свердловської ОБЛАСТІУПРАВЛЕНІЕ ОСВІТИ МО «АРТЕМІВСЬКИЙ РАЙОН» МО ОУ №21 «ЦЕНТР ОСВІТИ» ОБЛАСТЬ: ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ ПРЕДМЕТ: ФІЗІКАМеханіческіе властивості твердих тіл в практиці Виконавець: Гаряева Тетяна учениця 11 «Г» класу Керівник: Баженова Галина Дмитрівна учитель

Механіка рідини і газу
Зміст. Введення. 2 Гідроаеромеханіка. 3 Закони механіки суцільного середовища. 4 Закон збереження імпульсу. 5 Закон збереження моменту імпульсу. 5 Закон збереження енергії. 6 Гідростатика. Рівновага рідин і газів. 9 Рух рідин і газів. 10 Прогнозування характеристик течії. 10 Рівняння нерозривності.

Наукові відкриття Ісаака Ньютона
4 січня 1643 в селі Вулсторп в домі нещодавно помер фермера Ньютона народився хлопчик. Йому дали ім'я батька - Ісаак. Він прийшов у світ в той рік, коли у Флоренції віддали землі прах Галілея. Ньютон прожив 85 років і відрізнявся гарним здоров'ям. Головні роки життя Ньютона пройшли в стінах

Методи обмеження струмів короткого замикання
Методи обмеження струмів короткого замикання Зміст Введення 1. Координація струмів КЗ в сучасних енергосистемах 2. Реактори7 3. Здвоєні реактори 4. Вибір реакторів Висновок Список літератури Введення Коротке замикання (КЗ) називають замикання між фазами (фазними провідниками електроустановки),

© 2014-2022  8ref.com - українські реферати