Где и почему используется постоянный ток?

От теории к практике

Пример 1. Рассмотрим выбор автоматического выключателя для сетей постоянного тока на примере автоматических выключателей в литом корпусе серии Tmax.

Параметры установки: Тип сети: с одной заземлённой полярностью (только отрицательная) Напряжение установки: Un = 250 В постоянного Тока Номинальный ТОК, потребляемый нагрузкой: В = 450 Ток короткого замыкания: 40 кА

Для выбранного автоматического выключателя должны выполняться следующие условия: Ue ≥ Un Icu ≥ Ik In ≥ Ib

Как правило, у производителей существуют таблицы для подбора аппаратов постоянного тока, ниже в примерах приведены необходимые выдержки из них. В соответствии с типом сети необходимо выбрать таблицу, относящуюся к сети с одной заземлённой полярностью (см. табл. 1).

Табл. 1. Варианты соединения полюсов автоматических выключателей в литом корпусе Tmax для работы в сети с одной заземлённой полярностью (в рассматриваемых соединениях заземлена отрицательная полярность)

* Заземление должно быть осуществлено со стороны питания автоматического выключателя

Выбираем столбец с напряжением сети больше или равным напряжению электроустановки. Нужная строка подбирается по номинальному непрерывному току МЕ автоматического выключателя, который должен быть больше или равен току нагрузки. В соответствии с заданными в примере условиями следует выбирать автоматический выключатель Tmax Т5 c Iu=630A.

Исполнение по отключающей способности (НШ и т.д.) определяется с учётом выполнения условия Icu>Ik. В данном случае можно выбрать исполнение S, так как Ik = 40 кА.

Указанным требованиям удовлетворяют две схемы соединения полюсов, если должен отключаться заземлённый полюс сети, то следует выбрать следующий вариант:

Среди номинальных токов, доступных для термомагнитного расцепителя выключателя T5S630, может быть выбран In = 500 A, поэтому допустимо применять трёхполюсный термомагнитный автоматический выключатель T5S630 TMA500. Аппарат использует два полюса, соединённых последовательно на изолированной полярности, и один — на заземлённой. При этом при выборе автоматического выключателя с термомагнитным расцепителем необходимо учитывать поправочный коэффициент срабатывания по КЗ. 2

Пример 2. Рассмотрим выбор воздушного автоматического выключателя на примере серии Emax.

Параметры установки: Тип сети: изолированная Напряжение установки: Un = 500 В постоянного Тока Номинальный ток, потребляемый нагрузкой: In = 1800 А ток короткого замыкания: 45кA

История появления и «войны токов»

Никола Тесла и Томас Эдисон не дожили до того момента, когда представитель компании Consolidated Edison поставил точку в борьбе двух технологий. Переменный электрический ток одержал победу. В 2007 году ведущий инженер компании отсоединил кабель, символизирующий питание Нью-Йорка постоянным током.

Сербский учёный Никола Тесла ещё в 1882 году придумал, как применить эффект вращающегося электромагнитного поля. В то время Эдисон уже ввёл в строй 2 электростанции, вырабатывающие постоянный ток, и организовал производство кабелей, устройств освещения и динамо-машин. Тесла одно время работал в компании Эдисона и ремонтировал машины постоянного тока. Эдисон обещал Николе заплатить за проекты по модернизации двигателей, но выплатить вознаграждение за проведённую работу отказался. Тесла продал патенты своих изобретений Джорджу Вестингаузу, президенту компании Westinghouse Electric Corporation за 1 млн. долларов. Первая электростанция на 500 В изменяющего свою полярность электричества запущена в 1886 г. Война токов продолжалась более века.

Принцип работы

Электрические машины могут выступать в роли:

  1. генератора. Установка производит ток, обусловленный явлением электромагнитной индукции: изменения магнитного потока, пересекающего проводник, приводит к возникновению в нем ЭДС;
  2. двигателя. Электромагнитное воздействие со стороны статора заставляет подвижную составляющую вращаться.

Важное отличие от устройств Iпост: в режиме двигателя вращается магнитное поле, создаваемое статором. Это обусловлено характером Iпер

(периодическое изменение величины и направления) и расположением катушек обмотки.

По типу питания электрические машины делятся на два вида:

  1. однофазные. Статорные катушки разнесены на угол в 180, вследствие чего при протекании в них Iпер. формируется пульсирующее магнитное поле. Его можно представить как сумму двух полей, вращающихся в противоположном направлении. Наличия пульсирующего поля для обращения ротора недостаточно, но если тому придать такое движение извне, он продолжит вращение в ту же сторону. Это обусловлено тем, что за счет электромагнитного взаимодействия подвижный элемент гасит ту составляющую пульсирующего магнитного поля, что направлена против его вращения. В результате действующим остается только одно вращающееся магнитное поле, оно и увлекает ротор за собой. На ранних этапах ротор раскручивали вручную, сегодня для этого применяют пусковую обмотку, шунтирование или запуск через конденсатор;

  2. трехфазные. Обмотки фаз А, В и С разносят на треть периода (в однополюсной машине это 120 градусов), вследствие чего из-за разности токов в фазах результирующее магнитное поле как бы вращается в одну сторону. Очевидно, что за период оно совершит один оборот, то есть при частоте тока 50 Гц поле вращается со скоростью 3000 об/мин. Если на роторе установить электромагнит с двумя парами полюсов, а на статоре — 6 равноудаленных катушек, подключенных к фазам в последовательности А – В – С – А – В – С, то скорость вращения поля сократится вдвое: до 1500 об/мин. Она равна W = (60*f)/n, где f — частота электрического тока, n — число пар полюсов и катушек, подключенных к одной фазе.

Сказанное относится как к двигателю, так и к генератору

То есть для создания 3-фазного тока частотой 50 Гц при наличии 30 пар полюсов ротор требуется вращать со скоростью всего 100 об/мин вместо 3000, что важно для роторов гидроэлектростанций

Сколько бы ни было катушек, все они объединены в 3 однофазные группы, поэтому статор 3-фазной электрической машины всегда имеет 6 выводных клемм. В группах катушки подключаются параллельно или последовательно.

READ  Вентиляция и центральное кондиционирование

Общие сведения об МПТ

Сегмент МПТ или электромеханических преобразователей можно условно разделить на однофазные и трехфазные системы. Также на базовом уровне выделяют асинхронные, синхронные и коллекторные устройства, при этом общий принцип действия и конструкционное исполнение у них имеет много схожего. Данная классификация машин переменного тока носит условный характер, поскольку современные станции электромеханического преобразования частично задействуют рабочие процессы от каждой группы устройств.

Как правило, в основе МПТ находится статор и ротор, между которыми предусматривается воздушный зазор. Опять же, независимо от типа машины, рабочий цикл строится на вращении магнитного поля. Но если в синхронной установке движение ротора соответствует направлению силового поля, то в асинхронной машине ротор может двигаться в другом направлении и с разными частотами. Это различие обуславливает и особенности применения машин. Так, если синхронные могут выступать и в качестве генератора, и как электромеханический двигатель, то асинхронные в основном используют как двигатели.

Что касается количества фаз, то выделяют одно- и многофазные системы

Причем, с точки зрения практического использования, заслуживают внимание представители второй категории. Это по большей части трехфазные машины переменного тока, в которых функцию энергоносителя как раз выполняет магнитное поле

Однофазные же устройства ввиду эксплуатационной непрактичности и крупных размеров постепенно выходят из практики применения, хотя в некоторых сферах решающим фактором их выбора является низкая стоимость.

Устройство и принцип работы

Контактор – это двухпозиционный электромагнитный прибор, управление которым производится с помощью вспомогательной цепи электрического тока проходящего через катушки контактора. Во время прохождения электрического тока к сердечнику притягивается якорь, и группа контактов замыкается

В нормальном состоянии контакты в таком устройстве всегда разомкнуты – это важное правило для электробезопасности и удобства использования

Если говорить простыми словами контактор – это выключатель при подаче напряжения на который его контакты замыкаются, и нагрузка включается, а при отсутствии напряжения на контакторе – он размыкает электрическую цепь.

Конструктивно этот электромагнитный выключатель состоит из системы блок-контактов, дугогасительной, контактной и электромагнитной систем.

Для тех, кто знаком с электрическими схемами и принципами работы выключателей данные схемы будут понятны. На катушку А1 – А2 подается вспомогательное напряжение, при этом для создания механического усилия и замыкания контактов втягивается соленоид и включает те контакты, которые необходимо. В зависимости от типа контактора и его конструкции он может включать как одну группу контактов, так и несколько одновременно или в определенной последовательности. Для того чтобы безопасно и быстро размыкать контактор в его конструкции присутствует пружина, посредством которой контакты, при отсутствии напряжения, мгновенно размыкаются.

Несмотря на то, что с виду этот прибор кажется очень сложным, а во многих случаях (при управлении силовыми линиями до 600В и токами до 1600А) большим по размерам в его конструкции все достаточно просто:

  • группа контактов, выполненная из высококачественной меди;
  • корпус из диэлектрических материалов;
  • соединенная с электромагнитом напрямую контактная планка;
  • электромагнитная катушка;
  • дугогасительные элементы, которые необходимы при управлении большими токами.

Управление контактором производится с помощью вспомогательной цепи, напряжение которой должно быть ниже величины напряжения рабочего тока и может соответствовать 24, 42, 110, 220 или 380 В.

Компоненты и составляющие коммутационного устройства

Существуют устройства с другими разновидностями приводов – гидравлические и пневматические. Тем не менее, электромагнитные контакторы являются основными, поскольку они более универсальны, эффективны и устойчивы к износу.

Действие устройств электромагнитного типа осуществляется благодаря взаимодействию всех узлов, деталей и компонентов, составляющих цельный прибор.

Каждый контактор переменного и постоянного тока состоит из:

  • Главные (основные) контакты. Замыкают и размыкают цепь высокого напряжения и способны в течение длительного времени работать под воздействием тока с установленным номиналом. Контактные группы выдерживают циклы включений-выключений в больших количествах и с высокой частотой. Когда контакты принимают нормальное положение, через втягивающую катушку перестает поступать ток, а механические защелки переходят в свободное состояние. Конструкция основной контактной группы может быть рычажной, с двигающейся системой поворотов, или мостиковой – с прямым ходом.
  • В устройство контактора входит камера для гашения электрической дуги. Используется в устройствах постоянного тока. Конструкция данного элемента имеет щели, расположенные продольно, а непосредственное гашение осуществляется действием поперечных магнитных полей. Возбуждение таких полей осуществляется при помощи дугогасительной катушки, подключаемая в последовательную цепь вместе с контактами.
  • Система гашения дуги. Ее использует контактор переменного тока. С ее участием гасится электрическая дуга, возникающая в момент, когда размыкаются основные контакты. Конфигурация данной конструкции и методы гашения выбираются по рабочему режиму и параметрам тока в конкретной цепи. Внутри камеры устанавливается специальная решетчатая конструкция, при попадании на которую большая дуга разделяется на несколько небольших осколков и полностью гаснет при переходе тока через нулевую отметку.
  • Детали, используемые в электромагнитной схеме. Сюда входят магнитный сердечник, якорь и катушка, а также крепежные материалы. Такая схема позволяет управлять прибором на расстоянии, включать и отключать цепь. Ее можно настроить на выполнение определенных операций – включать якорь и удерживать его во включенном состоянии, или всего лишь включать якорь. Для поддержки замкнутого положения существует специальная защелка. Обесточивание катушки и полное выключение контактора производится собственным весом всей системы, но, как правило, для этой цели используются конструкции, состоящие из отключающих пружин.
  • Дополнительные контакты (вспомогательные). Предназначены для коммутаций в цепях, управляющих прибором, и на участках с блокирующей и сигнальной функцией. Через эти контакты ток может проходить достаточно долго, но не выше 20 А, а выключение происходит при силе тока не выше 5 А. Контакты могут быть замыкающего и размыкающего действия, многие из них имеют мостиковую конструкцию.
READ  Гост 21021-2000 устройства числового программного управления. общие технические требования

Общие внешние данные любого контактора переменного тока и постоянного, в целом будут одинаковыми для всех подобных систем. Основные отличия заключаются в разном количестве контактов, катушек и других элементов, установленных в автоматические выключатели.

ШАГ 3. Обеспечение селективности

Работа аппаратов защиты в цепях постоянного тока координируется путём постепенного повышения порогов токов и задержки срабатывания по мере приближения к источнику питания, то есть обеспечивается так называемая временная селективность. Нужно убедиться, что вышестоящие автоматические выключатели с задержкой срабатывания имеют значение кратковременно выдерживаемого тока, превышающее максимальную величину КЗ, которая может протекать в рассматриваемой части установки.

«Временная селективность обычно реализуется в электроустановках на уровне вводных устройств и главных распределительных щитов (ГРЩ). Для реализации селективности на нижних уровнях электроустановок следует выбрать другой тип координации устройств защиты. Так, например, для аппаратов в литом корпусе серии Tmax XT и Tmax на постоянном токе можно реализовать энергетическую селективность, а для воздушных автоматических выключателей Emax DC осуществляется также и зонная селективность», — дополняет Игорь Мещеряков , менеджер по группе изделий компании АББ, лидера в производстве силового оборудования и технологий для электроэнергетики и автоматизации.

Для обеспечения селективного срабатывания автоматических выключателей на постоянном токе необходимо:

  • построить времятоковые характеристики автоматических выключателей с термомагнитными и электронными расцепителями с учётом допусков и поправочных коэффициентов;
  • проанализировать построенные характеристики с точки зрения обеспечения функций защиты и селективного срабатывания;
  • составить карту уставок с учётом необходимых настроек расцепителей.

В случае необходимости обеспечения высоких предельных токов селективности, подобрать выключатели в соответствие с указаниями таблиц координации.

«Возможностей создать энергетическую систему с учётом требований по селективности на сегодняшний день более чем достаточно, — утверждает Игорь Мещеряков (АББ). — Современные электронные расцепители для постоянного тока, например, такие как PR122/DC — PR123/DC, обладают несколькими селективными задержками от короткого замыкания с обратнозависимой или фиксированной кратковременной задержкой срабатывания. Наличие широкого спектра встроенных защит (от замыкания на землю, превышения температуры, небаланса токов, колебаний напряжения, реверсирования мощности и др.) Позволяет осуществить функции, которые раньше были доступны только для электроустановок переменного тока».

Параметры и технические показатели

К основным показателям электро-магнитных контакторов относятся следующие:

  • Численность главных контактов. Для устройств постоянного тока их число – 1-2, переменного тока – 2-5.
  • Показатель токового номинала в силовой цепи.
  • Значение предельной коммутационной способности устройства. Означает показатель максимального тока, который может быть отключен контактором без утраты эксплуатационных качеств.
  • Номинальное напряжение силовой цепи – не более 660 В, управляющей цепи – 12, 24, 48, 110 и 220 В. По этим данным подбираем нужное устройство.
  • Устойчивость к коммутационному износу пускателей, составляющая до 2 млн. циклов. Прибор должен выдерживать установленное количество коммутаций под действием тока в силовой цепи, и быть пригодным для последующего использования.
  • Устойчивость к механическому износу, рассмотренная выше. Означает число срабатываний без тока в силовой цепи. У контакторов этот показатель равен 10-20 млн. циклов, по нему выбирают необходимый прибор.
  • Продолжительность собственного времени включения. Это временной отрезок от момента включения (подачи команды) и до момента, когда контакты окажутся полностью замкнутыми.
  • Продолжительность собственного времени отключения. Начинается от момента подачи команды на выключения и до полного гашения электрической дуги.
  • Значение токовых характеристик на дополнительных контактах, их количество и тип. По своим функциям они могут быть замыкающего и размыкающего действия.

Большое значение для электромагнитных контакторов приобретает номинальный показатель рабочего тока и напряжения. Значение номинальных токовых параметров зависит от условий нагрева основных цепей, при бездействии самого прибора. В замкнутом положении основных контактов, прибор должен выдерживать ток установленного номинала на протяжении 8 часов. При этом, его любые детали не могут нагреваться сверх установленной величины.

Напряжение силовой цепи соответствует номинальному, когда контакторное устройство может нормально выполнять свои функции. Кроме того, существуют контакторы постоянного и переменного тока, используемые в соответствующих цепях. Между ними имеется заметная разница, поэтому их следует рассмотреть более подробно.

Принцип действия в режиме генератора

Согласно первоначальной трактовке явления электромагнитной индукции в движущемся проводнике, данной еще Фарадеем, когда он пересекает при движении силовые линии магнитного поля, в нем наводится ЭДС. Следуя этому принципу, можно объяснить причину наведения ЭДС в активных проводниках (тех, что уложены в пазы) обмотки якоря МПТ. Действительно, они движутся под главными полюсами, пересекая при этом линии поля. Поскольку последние непрерывны, каждый проводник якоря независимо от того, расположен ли он на его поверхности (так было в первых конструкциях МПТ) или в пазах, пройдя под полюсом, пересечет все исходящие из его наконечника линии поля. Направление действия индуцированной в проводнике ЭДС можно определить, применяя правило правой руки, которое иллюстрирует рисунок ниже.

Пазовые проводники якоря попарно входят в состав витков катушек его обмотки. Сумма ЭДС витков дает ЭДС катушки. Неподвижные щетки делят всю обмотку якоря на несколько (минимум две) параллельных ветвей. Сумма ЭДС всех катушек, входящих в параллельную ветвь, дает ЭДС всей обмотки якоря МПТ. Таким образом, принцип действия машин постоянного тока при работе генератором можно сформулировать так: якорь возбужденной машины вращается приводным двигателем, в его обмотке наводится ЭДС, которая вызывает протекание постоянного тока якоря в замкнутой электроцепи, включающей обмотку, коллектор, щетки и внешнюю сеть с нагрузкой.

READ  Способы подключения электросчетчиков к электросетям

При наличии тока якоря на него начинает действовать тормозящий электромагнитный момент. Он создает нагрузку для приводного двигателя. Чем больше электрическая мощность нагрузки генератора, тем сильнее тормозится его якорь и тем выше нагрузка приводного двигателя. При этом согласно закона сохранения энергии в последнем расходуется столько топлива на приведение якоря генератора во вращение, чтобы высвобожденная при его сгорании химическая энергия за вычетом энергетических потерь в двигателе и генераторе равнялась бы энергии, отбираемой электрической нагрузкой от машины постоянного тока.

Контакторы работающие при постоянном и переменном токе

Контакторы постоянного тока используются для коммутационных действий в силовых цепях аналогичного тока. Для приведения в действие устройства используется соответствующий электромагнит.

Данные типы устройств работают при напряжении 22 и 440 вольт, силе тока – до 630 А. Конструктивно они могут быть одно- и двухполюсными. Отдельные виды контакторов используются в силовых и управляющих цепях постоянного тока напряжением 220 В и номинальных токах 25-250 А. Вес каждого устройства зависит от его величины и технических характеристик. Например, масса контактора на 100 А составляет 5,5 кг, а на 630 А – 30 кг. Подобные приборы все реже выпускаются производителями из-за снижения спроса.

Коммутационные устройства, автоматы, в том числе и контактор переменного тока используются в силовых цепях с аналогичными параметрами. Все рабочие процессы осуществляются с помощью электромагнита постоянного или переменного тока. Большинство из них имеют трехполюсную конструкцию на основе главных замыкающих контактов.

Конструкция электромагнитной системы изготавливается в шихтованном варианте – набирается из отдельных пластинок, толщина которых не более 1 мм, изолированных между собой. Катушки отличаются незначительным количеством витков и низким показателем сопротивления.

Индуктивное сопротивление катушки электромагнитного контактора составляет большую часть от общего сопротивления и может изменяться по мере изменения размера зазора. В связи с этим, величина переменного тока внутри катушки при разомкнутом положении контактов примерно в 5-10 раз выше тока в замкнутом состоянии магнитной системы. Неприятные явления в виде вибрации и гудения в таких приборах устраняются короткозамкнутым витком в сердечнике.

Модульный контактор (КМ)

Контакторы и магнитные пускатели: сходства и различия

Реверсивный контактор

Контакторы переменного тока

Контактор как электромеханическое устройство

Цепи переменного тока

Переменным называют электрический ток, способный менять направление своего движения периодически, за определенные промежутки времени.

Поскольку у него происходит изменение во времени, здесь невозможно применять расчеты, подходящие для цепей постоянного тока. При наличии высокой частоты, заряды совершают колебательное движение. Они переходят в цепи из одних мест в другие и в обратном направлении. При переменном в отличие от постоянного, последовательно соединенные проводники могут иметь неодинаковые значения. Этот эффект усиливается наличием емкостей в цепи. Здесь же наблюдается эффект самоиндукции, возникающий при использовании катушек с большой индуктивностью даже при низкой частоте.

Рассмотрим свойства цепи, подключаемой к генератору с переменным синусоидальным током. Роль конденсатора при подключении его в цепи постоянного и переменного тока совершенно различная. При постоянном, конденсатор заряжается до тех пор, пока его напряжение не сравняется с ЭДС источника тока. В этом случае зарядка прекращается и он падает до нуля. Если такую же цепь подключить к генератору переменного тока, то электроны будут перемещаться из одной части конденсатора в другую. Эти электроны и есть переменный ток с одинаковой силой с обеих сторон конденсатора.

В случае необходимости, с помощью выпрямителя, происходит преобразование переменного тока в постоянный.

Переменное напряжение

Конденсатор в цепи переменного тока

Схемы выпрямления переменного тока

Выпрямители переменного тока

Конденсатор в цепи переменного и постоянного тока

Обозначение постоянного и переменного тока

Заключение

Генераторы тока и электродвигатели являются обязательным силовым компонентом в современной промышленности. За счет их функции работают станки, транспорт, коммуникационные установки и прочие электротехнические агрегаты и приборы, требующие энергоснабжения. При этом существует огромный массив видов и подвидов электрические машины переменного и постоянного тока, особенности и характеристики которых в итоге определяют нишу для их эксплуатации. К технико-эксплуатационным особенностям МПТ можно отнести более простое конструкционное устройство и относительно низкие требования к обслуживанию. С другой стороны, машины постоянного тока оказываются более привлекательным решением задач энергоснабжения в сложных ответственных системах питания. Отечественный производственный сегмент энергетического промышленного оборудования имеет огромный опыт в проектировании и выпуске электрических машин обоих типов. Крупные предприятия все больший упор делают на разработку индивидуальных решений с конструкционными и эксплуатационными особенностями. Отклонения от типовых проектов часто связаны с необходимостью подключения вспомогательных функциональных узлов и оборудования наподобие систем охлаждения, защитных средств от перегрева и сетевых колебаний, дополнительного и резервного питания. Кроме того, на часть конструкционных свойств электрических машин немалое влияние оказывает внешняя среда эксплуатации, что также учитывается на этапах проектирования и создания техники.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: