СОДЕРЖАНИЕ Введение…………………………………………………………………... 1 Информация о дисциплине, её структуре и форме итогового контроля…………………………………………………………….. 2 Программа дисциплины……………………………………….….. 3 Перечень лабораторных работ …………………….…………….. 4 Контрольная работа……………………….………………………. 5 Содержание и оформление контрольной работы……………….. Список рекомендуемой литературы……………………………………. 3 4 4 5 10 10 12 13 Введение Целью изучения электрических и электронных аппаратов в электроэнергетике является приобретение теоретических и практических знаний в области проектирования и применения электрических и электронных аппаратов в объектах электротехники и электроэнергетики. Задача изучения электрических и электронных аппаратов в электроэнергетике заключается в том, что студент должен знать: – устройство общепринятых электрических и электронных аппаратов, применяемых в современной электроэнергетике; – основные характеристики электрических и электронных аппаратов, как средств автоматизации в электроэнергетике; – основы теории электрических аппаратов; – бесконтактные электрические и электронные аппараты; – специальные электрические аппараты; и должен уметь: – разбираться в электрических схемах, использующих электрические и электронные аппараты; – применять электрические и электронные аппараты; – пользоваться методами расчёта основных параметров электрических и электронных аппаратов; – пользоваться современными электрическими и электронными аппаратами, как средствами автоматизированного управления в электроэнергетике. Изучение электрических и электронных аппаратов в электроэнергетике основано на знаниях, полученных при изучении высшей математики, численных методов расчёта в электроэнергетике, САПР в электроэнергетике, современных методов математического и физического моделирования, методов оптимизации в электроэнергетике, энергетической электроники. Знания, полученные при освоении электрических и электронных аппаратов в электроэнергетике, используются при прохождении преддипломной практики и выполнении научно-исследовательской работы. Следует заметить, что электрические и электронные аппараты в электроэнергетике играют значительную роль в современной электроэнергетике и электротехнике. 1 Информация о дисциплине, её структуре и форме итогового контроля В разделе «Программа дисциплины» в соответствии с рабочей программой приводятся теоретические темы с указанием, что студенту необходимо знать в пределах каждой темы. В конце приводятся вопро4 сы для самопроверки и литература из списка рекомендуемой литературы с указанием страниц, на которых излагается рассматриваемый материал. Данный раздел един для всех форм обучения. В разделе «Перечень лабораторных работ» указаны темы лабораторных работ по данной дисциплине, предусмотренные учебным планом специальности и рабочей программой дисциплины. Следует отметить, что последовательность лабораторных работ соответствует последовательности изучения теоретических тем. Для очной формы обучения обязательно выполнение всех перечисленных лабораторных работ. Для заочной формы обучения лабораторные работы выполняются частично в соответствии с рабочей программой. Раздел «Контрольная работа» касается только студентов заочной формы обучения. В нем приведены варианты заданий. Задан алгоритм выбора варианта. Приводятся основные требования к оформлению контрольной работы по дисциплине. В разделе «Список рекомендуемой литературы» приводится список учебников, учебных пособий и другой учебно-методической литературы, необходимой для изучения данной дисциплины. Формой итогового контроля для всех форм обучения является экзамен. 2 Программа дисциплины Тема 1. Введение Определение электрических аппаратов. Назначение и классификация электрических аппаратов и средств автоматизации. Основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам. Роль электрических аппаратов в системах электроснабжения, автоматического управления электроприводами и автоматизации производственных процессов. Литература: [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. Каково назначение и классификация электрических аппаратов и средств автоматизации? 2. Каковы основные требования, предъявляемые к электрическим аппаратам? 3. Какова роль электрических аппаратов в системах электроснабжения и автоматизации производственных процессов? Тема 2. Электрические контакты Основные понятия. Переходное сопротивление контакта и его зависимость от различных факторов. Режимы работы контактов. Способы уменьшения износа контактов. Материалы и конструкция контактов. Расчёт контактов. 5 Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. Что такое переходное сопротивление контакта? 2. Каковы режимы работы контактов? 3. Как уменьшить износ контактов? 3. Методы расчёта контактов. Тема 3. Электродинамическая стойкость аппаратов Электродинамические усилия в элементах аппаратов. Э.д.у. при переменном токе. Расчёт силы для простейших случаев. Силы втягивания дуги в стальную решётку. Электродинамическая стойкость аппарата. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. В чём заключаются электродинамические усилия в элементах аппаратов? 2. Как осуществляется расчёт силы для простейших случаев? 3. В чём заключается электродинамическая стойкость аппарата? Тема 4. Термическая стойкость аппаратов Общие сведения. Потери энергии в аппаратах. Способы передачи тепла. Нагрев аппаратов в длительном режиме. Нагрев аппаратов в переходном режиме. Термическая стойкость аппаратов. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. Каковы потери энергии в аппаратах? 2. Опишите нагрев аппаратов в длительном режиме. 3. Опишите термическую стойкость аппаратов. Тема 5. Электрическая дуга Свойства дугового разряда. Вольт-амперная характеристика дуги. Условия гашения дуги постоянного тока. Дуга переменного тока. Условие гашения дуги переменного тока. Восстанавливающееся напряжение. Принцип действия дугогаситпельных устройств аппаратов низкого напряжения. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. Перечислите основные свойства дугового разряда. 2. В чём заключается вольт-амперная характеристика дуги? 3. В чём заключаются принципы действия дугогасительных устройств? 6 Тема 6. Изоляция электрических аппаратов Номинальные напряжения аппаратов. Наибольшие рабочие напряжения. Перенапряжения, воздействующие на изоляцию аппарата. Испытательные напряжения. Изоляционные зазоры и расстояния по поверхности в низковольтных аппаратах. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. Перечислите номинальные напряжения аппаратов. 2. В чём заключаются перенапряжения, воздействующие на изоляцию аппарата? 3. Назовите изоляционные зазоры и расстояния по поверхности в низковольтных аппаратах. Тема 7. Преобразование энергии в электромагните постоянного тока Преобразование энергии в электромагните постоянного тока. Энергия магнитного поля и индуктивность системы. Работа, производимая якорем при его перемещении. Расчёт силы тяги электромагнитов. Тяговая характеристика. Зависимость тяговой характеристики от формы рабочего зазора и конфигурации магнитной цепи. Алгоритм расчёта тягового электромагнита постоянного тока. Тепловой расчёт катушки. Расчёт магнитной системы. Расчёт тяговой характеристики. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. В чём заключается преобразование энергии в электромагните постоянного тока? 2. В чём заключается расчёт силы тяги электромагнитов? 3. В чём заключается алгоритм расчёта тягового электромагнита постоянного тока? Тема 8. Электромагнитные механизмы переменного тока Основные закономерности рабочего процесса электромагнитов переменного тока. Преобразование энергии в электромагнитах переменного тока. Расчёт силы тяги электромагнитов переменного тока. Однофазная система. Двухфазная система. Трёхфазная система. Устранение вибрации якоря электромагнита переменного тока. Алгоритм расчёта тягового электромагнита переменного тока. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. В чём заключаются основные закономерности рабочего процесса электромагнитов переменного тока? 2. В чём заключается преобразование энергии в электромагнитах переменного тока? 7 3. В чём заключается расчёт силы тяги электромагнитов переменного тока? Тема 9. Динамика работы электромагнитных механизмов Общие сведения. Нарастание тока и время трогания при включении электромагнита постоянного тока. Динамика и время движения при включении электромагнита постоянного тока. Время отпускания при отключении электромагнита постоянного тока. Методы ускорения и замедления срабатывания электромагнитов. Динамика электромагнитов переменного тока. Согласование тяговых и противодействующих характеристик. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. В чём заключаются динамика и время движения при включении электромагнита постоянного тока? 2. В чём заключается время отпускания при отключении электромагнита постоянного тока? 3. В чём заключается методы ускорения и замедления срабатывания электромагнитов? Тема 10. Постоянные магниты Общие сведения. Основные параметры и характеристики магнитотвёрдых материалов. Материалы для постоянных магнитов. Расчёт постоянных магнитов. Сила магнитного притяжения и механическая работа в системах с постоянными магнитами. Область применения и основная номенклатура выпускаемых электромагнитов постоянного и переменного тока. Специальные устройства, использующие электромагниты и постоянные магниты. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. В чём заключаются основные параметры и характеристики магнитотвёрдых материалов? 2. В чём заключается сила магнитного притяжения и механическая работа в системах с постоянными магнитами? 3. В чём заключаются специальные устройства, использующие электромагниты и постоянные магниты? Тема 11. Датчики неэлектрических величин Общие сведения. Пассивные датчики. Резистивные датчики. Индуктивные датчики. Трансформаторные датчики. Магнитоупругие датчики. Активные датчики. Индукционные датчики. Импульсный индукционный датчик. Коммутационные аппараты автоматики ручного и механического управления. Литература [1−4]. 8 Вопросы для самопроверки: 1. Как действуют пассивные датчики? 2. Как действуют индуктивные датчики? 3. Как действуют активные датчики? Тема 12. Полупроводниковые коммутационные аппараты Полупроводниковые усилители. Тиристорные аппараты. Логические элементы. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. Как действуют полупроводниковые усилители? 2. Как действуют тиристорные аппараты? 3. Как действуют логические элементы? Тема 13. Магнитные усилители Принцип действия. Трансформаторы постоянного тока. Усилители с самонасыщением. Схема усилителя. Физические процессы. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. Как действуют трансформаторы постоянного тока? 2. Как действуют усилители с самонасыщением? 3. В чём заключаются физические процессы в магнитных усилителях? Тема 14. Муфты с электрическим управлением Общие сведения. Электромагнитные фрикционные муфты. Ферропорошковые муфты. Гистерезисные муфты. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. Как действуют электромагнитные фрикционные муфты? 2. Как действуют ферропорошковые муфты? 3. Как действуют гистерезисные муфты? Тема 15. Магнитные опоры Общие сведения. Опоры на постоянных магнитах. Индукционные и диамагнитные опоры. Кондукционные, магнитогидродинамические и магнитоферрожидкостные опоры. Электромагнитные опоры. Литература [1−4]. Вопросы для самопроверки: 1. Как действуют опоры на постоянных магнитах? 2. Как действуют индукционные и диамагнитные опоры? 3. Как действуют электромагнитные опоры? 9 3 Перечень лабораторных работ Объём каждой лабораторной работы восемь часов. В течение лабораторной работы необходимо выполнить необходимые опыты, оформить отчёт и защитить её. Подготовка к лабораторной работе, изучение теоретического материала для выполнения работы осуществляется за счёт часов самостоятельной работы, отведённых учебным планом. 1 Лабораторная работа №1. . Исследование реле. Литература [1−4]. 2 Лабораторная работа №2. Исследование влияния переходного сопротивления контактов на нагрев проводников. Литература [1−4]. 3 Лабораторная работа №3. Изучение электродинамических усилий. Литература [1−4]. 4 Лабораторная работа №4. Изучение магнитного усилителя. Литература [1−4]. 5 Лабораторная работа №5. Изучение тиристорного контактора. Литература [1−4]. 4 Контрольная работа Выполнение контрольной работы осуществляется студентами заочной формы обучения. 4.1 Алгоритм выбора варианта задания При выполнении контрольных работ следует учесть, что в задачах исходные данные и номер варианта обозначены буквами А, Б и В, которые соответствуют последовательно трем последним цифрам шифра зачетной книжки, причем буква В соответствует последней цифра шифра. Если одна из трех цифр ноль, то ее следует заменить цифрой девять. Вариант задачи 6 выбирать по последней цифре зачётки. При выполнении контрольных работ на поставленные вопросы давать лаконичный и исчерпывающий ответ. Все чертежи и схемы выполнять в соответствии с требованиями стандартов. При использовании формул давать ссылку на литературу с указанием страниц и приводить полную расшифровку буквенных обозначений, входящих в формулу. 4.2 Условия задач контрольной работы Задача I. Определите контактное нажатие при длительном токе (1000+АБВ) А и токе КЗ (30+А,БВ) кА для контактов, образованных двумя торцами медных цилиндров с диаметром d=(30+А,БВ)•10-3 м. Температура окружающей среды (40+А,БВ)°С. 10 Задача 2. Определите механические напряжения в шинах и изоляторах двухфазной шинной конструкции. Дано: ток КЗ составляет (20+А,БВ) кА; постоянная времени апериодической составляющей 0,05 с. Шины расположены горизонтально. Расстояние между фазами (0,5+0,АБВ) м. Расстояние между изоляторами (1+0,АБВ) м. Шины алюминиевые, трубчатые В/d = (70+А,БВ)/(64+А,БВ) мм. Опорные изоляторы с минимальной разрушающей нагрузкой (3000+АБВ) Н и высотой Н = (0,3+0,АБВ) м. Номинальное напряжение 35 кВ. Шины имеют жесткое крепление в изоляторах. Задача 3. Определите длительный ток через токоведущий элемент в виде медного стержня d = 0,0АБВ м. Наружная изоляция имеет толщину (1+0,АБВ)•10-3 м и выдерживает температуру (100+АБ,В)°С. Температура окружающей среды (30+А,БВ)°С. Найти также допустимый ток КЗ при длительности его протекания 5 с. Частота тока 50 Гц. Задача 4. Найдите частоту восстанавливающегося напряжения и среднюю скорость восстановления напряжения на контактах полюса выключателя, отключающегося первым. Дано: трехфазная трансформаторная группа с номинальной мощностью 32000 кВА и напряжением 35 кВ/110 кВ питается от системы бесконечной мощности. Трехфазное КЗ произошло на стороне Uном.=110 кВ и отключается выключателем. Нулевая точка трансформатора на стороне 110 кВ заземлена, а в месте КЗ нуль изолирован. Напряжение КЗ трансформатора eк=(10+0,АБВ)%. Емкость одной фазы трансформатора Ст=(3000+АБВ) пФ. К шинам 110 кВ присоединено оборудование общей емкостью Cм=(4000+AБB) пФ. Задача 5. Определите основные геометрические размеры электромагнита постоянного тока и электромагнита переменного тока при ПВ = 100%. Начальное усилие – (БВ) Н, начальный зазор – (20+В)•10-4 м, температура окружающего воздуха – 20°С, допустимая температура катушки электромагнита 110°С. Сравните объем активных, материалов электромагнита постоянного тока с объемом активных материалов электромагнита переменного тока, объясните причину несовпадения результатов. Для электромагнита постоянного тока рассчитайте приближенным методом время движения якоря, считая, что противодействующее усилие не зависит от величины рабочего зазора и равно (БВ – 5) Н. Определите изменение начального тягового усилия, если ПВ станет равным 50%. Задача 6. Дайте техническое предложение по конструкции преобразователя неэлектрической величины в электрическую для варианта В. 1. В резервуаре с жидкостью необходимо знать уровень жидкости. 2. Необходимо измерить момент, приложенный к валу рабочего механизма. 3. Необходимо измерить величину линейного перемещения суппорта токарного станка. 11 4. В автоматическом сверлильном станке необходимо ограничить глубину высверливаемого отверстия. 5. Необходимо измерить усилие, развиваемое якорем электромагнита. 6. Необходимо измерить величину амплитуды вибраций. 7. Необходимо измерить время срабатывания электромагнита. 8. Необходимо измерить ускорение. 9. Необходимо снять статическую тяговую характеристику электромагнита. 4.3. Пояснения к выполнению контрольных задач При решении задач 1 – 4 следует воспользоваться примерами расчета, приведенными в учебнике [2, с. 57, 86, 121, 181]. При решении задачи 5 воспользоваться наиболее простыми формулами, так как цель решения задачи – понять основные физические процессы, происходящие в электромагнитах. Магнитную систему электромагнита считать ненасыщенной, поле в рабочем зазоре равномерным, влиянием короткозамкнутого витка на начальное усилие электромагнита переменного тока пренебречь. Конструкцию электромагнита принять произвольную. Активными материалами называются сталь и обмоточный провод [2, с. 183 – 244]. В решении задачи 6 должна быть представлена основная идея конструкции преобразователя и приложен поясняющий чертёж или схема. Описание технического предложения должно быть дано сначала в статике, а затем в динамике [2, с. 466 – 483]. 5 Содержание и оформление контрольной работы 5.1 Контрольная работа выполняется либо в стандартной тетради, либо на листах формата А4. Текст можно выполнять любым способом. Если работа выполняется на листах формата А4, то текст следует размещать на обеих сторонах листа, соблюдая стандартные поля. В тетради также следует оставлять обычные поля для комментариев рецензента. При оформлении текста, заголовков, иллюстраций, таблиц и приложений следует руководствоваться требованиями ГОСТ, используя стандартную терминологию, а при ее отсутствии – принятую в технической литературе. Применяемые наименования величин должны соответствовать требованиям стандартов. Листы контрольной работы нумеруют арабскими цифрами. Оформление иллюстраций, графиков и диаграмм выполнять в соответствии с требованиями стандартов. 5.2 Структура и содержание разделов контрольной работы: 12 − основная часть, в которой приводятся промежуточные математические доказательства, методики, формулы, расчеты др.; − список использованных источников, в которых приводятся сведения об использованных источниках, на которые в тексте контрольной работы есть ссылки в порядке их упоминания. Список рекомендуемой литературы Основная 1. Щербаков Е.Ф. Электрические аппараты [Электронный ресурс]: учеб. пособие. − М.: Форум; НИЦ Инфра-М, 2015. − 304 с. – Режим доступа: http://znanium.com/. Дополнительная 2. Чунихин А.А. Электрические аппараты: общий курс. Учебник для вузов. − 3-е изд., перераб. и доп. − М.: Энергоатомиздат. 1988. − 720 с.: ил. 3 Родштейн.Л.А. Электрические аппараты: учебник для техникумов. − 4-е изд., перераб. − Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989. − 304 с.: ил. 4 Таев И.С. Электрические аппараты. Общая теория. − М.: Энергия. 1977. − 272 с.: ил. Перечень программного обеспечения 1. Программное обеспечение: Delphi, Matlab. 2. Программное обеспечение, разработанное на кафедре и зарегистрированное в КубГТУ (под авторством доц. Попова Б.К.). 3. Интернет-ресурсы: официальный сайт фирмы "Шнайдер-Электрик": http://www.schneider-electric.com. 13
