Основы теории электрических аппаратов для электромеханических систем горных предприятий

Оглавление 

 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации  
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
Б. С. Заварыкин, Р. С. Кузьмин, В. А. Меньшиков, А. И. Герасимов 
 
 
 
ОСНОВЫ ТЕОРИИ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 
ДЛЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ  
ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ 
 
 
Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела           
в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки (специальности) «Горное 
дело» (специализация «Электрификация и автоматизация 
горного производства») (рег. № 51-16/412 от 13.03.2014) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск  
СФУ 
2014 

Основы теории электрических аппаратов для электромеханических систем горных предприятий 
 

2 

УДК 622:621.313(07) 
ББК 33-42я73 
        О-753 
 
 
 
 
Рецензенты: 
Д. В. Барышников, кандидат технических наук, главный специалист 
Ачинского комплексного отдела ОАО «Самара-нефтехимпроект»; 
Ю. А. Афанасьев, кандидат технических наук, директор ОАО 
«Центр технической диагностики» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
О-753         Основы теории электрических аппаратов для электромеханических систем горных предприятий : лаб. практикум для студентов специальности 130400 «Горное дело» / Б. С. Заварыкин,               
Р. С. Кузьмин, В. А. Меньшиков, А. И. Герасимов. – Красноярск: 
Сиб. федер. ун-т, 2014. – 116 с. 
ISBN 978-5-7638-3024-8 
 
Рассмотрены теория расчета и принципы действия ряда элементов электрических и электронных аппаратов, даны методики проведения опытов и обработки полученных результатов, вопросы для самопроверки. 

Предназначен для студентов специальности 130400 «Горное дело» спе
циализации 130400.65 «Электрификация и автоматизация горного производства». 

 
Электронный вариант издания см.: 
           http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 622:621.313(07) 
ББК 33-42я73  
 
ISBN 978-5-7638-3024-8                                                             © Сибирский федеральный  
                                                                                                           университет, 2014 

 

Оглавление 

 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ .......................................................................................................... 5 

1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ  БЕЗОПАСНОСТИ  И  ПОРЯДОК                                          
    ВЫПОЛНЕНИЯ  ЛАБОРАТОРНЫХ  РАБОТ ............................................. 6 

2. НАГРЕВ  И  ОХЛАЖДЕНИЕ  ТОКОВЕДУЩИХ  ЧАСТЕЙ ................... 10 
2.1. Уравнение теплового баланса ............................................................... 10 
2.2. Уравнения нагрева и охлаждения ......................................................... 11 
2.3. Допустимая температура нагрева частей аппарата ............................ 13 
2.4. Режимы работы электрических аппаратов и расчеты ........................ 17 
           Лабораторная работа 1 ........................................................................... 21 

3. ТОКОВЕДУЩИЕ  И  КОНТАКТНЫЕ  ДЕТАЛИ                    
    ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  АППАРАТОВ ............................................................ 26 
3.1. Электродинамические усилия в токоведущих деталях и их расчет  26 
3.2. Расчет голых и изолированных шин и катушек из них ..................... 28 
3.3 Основные параметры контактных соединений .................................... 32 
3.4. Переходное сопротивление и нагрев электрического контакта ........ 33 
3.5. Вибрация, сваривание и износ контактов ............................................ 36 
3.6. Материалы контактов ............................................................................ 40 
3.7. Выбор параметров размыкающихся контактов .................................. 42 
3.8. Конструкции взаимонеподвижных контактных соединений ............ 45 
3.9. Конструкции взаимоподвижных контактных соединений ................ 50 
           Лабораторная работа 2 ........................................................................... 52 

4. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ  ДУГА .......................................................................... 57 
4.1. Электрическая дуга и условия ее гашения .......................................... 57 
4.2. Перенапряжения при погасании дуги и энергия дуги ........................ 60 
4.3. Особенности гашения дуги переменного тока .................................... 61 
4.4. Дутье в дугогасительных устройствах ................................................. 63 
4.5. Дугогасительные рога ............................................................................ 65 
4.6. Дугогасительные камеры ...................................................................... 68 
4.7. Деионное гашение дуги ......................................................................... 71 
4.8. Пламегасительные устройства .............................................................. 73 
           Лабораторная работа 3 ........................................................................... 75 

Основы теории электрических аппаратов для электромеханических систем горных предприятий 
 

4 

5. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ  УСТРОЙСТВА ......................................................... 80 
5.1. Магнитные цепи и основные законы ................................................... 80 
5.2. Кривая намагничивания магнитопровода ........................................... 83 
5.3. Электромагниты с постоянной и переменной МДС ........................... 84 
5.4. Формула Максвелла. Усилия притяжения                                                    
       в электромагните переменного тока .................................................... 87 
5.5. Прямая и обратная задачи расчета электромагнита ........................... 91 
5.6. Магнитная энергия электромагнита ..................................................... 94 
5.7. Характеристики электромагнитов ........................................................ 97 
5.8. Проектный расчет электромагнита ...................................................... 99 
5.9. Коэффициент возврата электромагнита ............................................ 104 
5.10. Время срабатывания и отпускания электромагнита ....................... 107 
         Лабораторная работа 4 ....................................................................... 111 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ  СПИСОК .......................................................... 115 
 

Введение 

 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Ведущую роль в развитии всех отраслей промышленности и осуществлении всего современного научно-технического процесса играют электрификация и автоматизация. 
Основные направления технического прогресса в горной промышленности – совершенствование в широких масштабах техники и технологии 
для повышения эффективности добычи и переработки полезных ископаемых с улучшением их качества; разработка и внедрение новых средств 
обеспечения безопасных условий труда; создание высокомеханизированных горных предприятий (шахт, рудников, карьеров, фабрик) с автоматическим управлением всеми производственными процессами. 
Современный этап развития элементной базы электроавтоматики           
в горном деле связан в первую очередь с появлением электронных вычислительных машин и промышленных контроллеров. Это повлекло а собой бурное 
развитие бесконтактных электронных и микроэлектронных устройств. 
Одновременно с развитием бесконтактных и программируемых 
средств автоматизации происходит дальнейшее совершенствование традиционных электрических аппаратов и устройств. Наблюдается стремление  
к миниатюризации элементов, созданию новых контактных и гибридных 
контактно-полупроводниковых устройств.  
В то же время, несмотря на бурное развитие и внедрение в различные отрасли промышленности современных аппаратов выполненных                
на базе современной микроэлектроники, широкое применение находят               
и электрические аппараты. 
Электрические аппараты как технический арсенал электрификации          
и автоматизации непрерывно развиваются для удовлетворения запросов развивающегося горного производства. В свете требований, предъявляемых          
к инженерно – техническому персоналу, возрастает значение электрических 
аппаратов средств автоматизации как элементов сложного электротехнического хозяйства, значение которых призвано дать горному инженеру-электрику 
или электромеханику надежное средство для успешного решения технических 
задач в области электрификации и автоматизации горного производства. 
Электрические аппараты наряду с электрическими машинами являются 
основными средствами электрификации и автоматизации. Осуществляемые 
ими функции управления – это коммутация, регулирование и преобразование. 
Поэтому проверка основных вопросов теории электрических аппаратов на практике является актуальной, это позволит инженерно – техническому персоналу производить модернизацию и создание новых электрических аппаратов, отвечающих современным требованиям развития электрификации и автоматизации горного производства. 

Основы теории электрических аппаратов для электромеханических систем горных предприятий 
 

6 

1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗОПАСНОСТИ И  ПОРЯДОК 
ВЫПОЛНЕНИЯ  ЛАБОРАТОРНЫХ  РАБОТ 
 
 
Безопасность проведения и выполнения лабораторных работ является важнейшим условием учебного процесса. Несоблюдение правил техники безопасности и неосторожное обращение с электрическими аппаратами, 
схемами работ могут привести к тяжелым несчастным случаям. 
Для предупреждения несчастных случаев все студенты во время 
проведения лабораторных работ, практических занятий или научноисследовательских экспериментов в лаборатории и мастерской должны 
строго выполнять все требования по технике безопасности для каждого 
вида и рода работ. 
Инструкции по проведению лабораторных работ 
В лабораториях кафедры ЭГМП рабочие напряжения переменного 
тока – 380, 220 и 127 В, постоянного тока – 220 и 110 В. При несоблюдении правил техники безопасности данные величины напряжений представляют собой серьезную опасность. 
В соответствии с этим студенты допускаются к занятиям только после ознакомления с правилами техники безопасности при работе с электрическими устройствами и установками и после того как расписались           
в журнале по технике безопасности. 
Правила выполнения лабораторных работ 
Допуск к проведению намеченной по графику, утверждённому предметной комиссией, лабораторной работы осуществляется после предварительного ознакомления студентов с содержанием инструкции по проведению работы и последующего опроса преподавателем, в результате определяется степень готовности студентов к проведению работы. 
Получив разрешение на проведение работы, студент должен сначала 
вычертить схему соединений в соответствии с заданием, заготовить необходимые таблицы и показать все материалы преподавателю. Только после 
утверждения схемы и дополнительного опроса о порядке проведения работы студент может приступить к сборке схемы. Её полезно производить по 
памяти, лишь изредка проверяя себя по чертежу. 
При выполнении работы запрещается вносить какие-либо изменения 
в работу схемы без согласования с преподавателем. 
Схемы и оборудование подключаются к электрической сети после 
проверки преподавателем правильности сборки схемы работы. 
Работы следует выполнять в последовательности, указанной в руководстве к каждой лабораторной работе. 

1. Обеспечение безопасности и порядок выполнения лабораторных работ 

 

7 

Перед выполнением лабораторной работы необходимо распределить 
обязанности между членами группы. Не разрешается после начала работы 
переходить из одной группы в другую. 
Рекомендуется сначала проделать в порядке тренировки все операции, предусмотренные программой, без точных измерений и записей          
и лишь после этого провести опыты, обратив особое внимание на точность 
измерений. 
Записи показаний приборов ведутся каждым студентом в отдельности и по окончании работы предъявляются преподавателю на подпись. 
После окончания испытаний опытная установка отключается от сети, 
и результаты измерений показываются преподавателю. 
Работа считается выполненной только в случае признания ее результатов удовлетворительными. 
По завершении работы необходимо получить разрешение преподавателя на разборку схемы, после чего все соединения должны быть разобраны, соединительные провода в полном порядке сданы лаборанту, а рабочее 
место приведено в порядок. 
Если испытания завершены до окончания занятия, студенты приступают к составлению отчета в соответствии с указаниями, приведенными           
в руководстве к лабораторной работе. 
Отчет о выполненной лабораторной работе должен быть в обязательном порядке предъявлен преподавателю перед началом очередного  
занятия. В противном случае учащиеся к занятиям не допускаются. 
Лабораторные работы защищают в порядке очередности, установленной преподавателем. Студент при этом обязан знать краткие теоретические сведения по данной работе, методику определения тех или иных зависимостей и уметь объяснить их характер. 
Если студент по какой-либо причине не выполнит работу в намеченный 
срок, он должен выполнить ее во внеурочное время по согласованию           
с преподавателем. Произвольные изменения графика работ не допускаются 
во избежание срыва работы других групп. 
Правила безопасности при сборке схем 
Проверить наличие предохранителей на всех щитах. 
Проверить наличие защитных кожухов на аппаратах, подлежащих 
закрытию, и на вращающихся частях электроустановок. 
Во время сборки схемы аппараты (реле, реостаты, тумблеры и др.), 
которые подключаются к сети, должны быть отключены или выведены             
в нулевое исходное положение. 
Верхние губки рубильников на распределительных щитах всегда находятся под напряжением, поэтому прикосновение к ним категорически 
запрещается. 

Основы теории электрических аппаратов для электромеханических систем горных предприятий 
 

8 

Измерительные приборы и аппараты необходимо размещать таким 
образом, чтобы в процессе выполнения работ была исключена возможность случайного прикосновения к оголенным токоведущим частям. 
Перед сборкой схемы необходимо еще раз убедиться в том, что на 
лабораторном стенде напряжение отсутствует. 
Сборка схемы производится при помощи проводников соответствующей длины и сечения, со специальными наконечниками, предназначенными для выполнения данной работы. Запрещается сращивать или разрезать проводники. Неиспользованные соединительные провода не должны оставаться на рабочем месте. 
Сборку схемы необходимо выполнять по возможности без пересечения проводов, их натянутого состояния и не допускать их скрещивания. 
Запрещается пересекать проводами проходы между рабочими местами. 
Работая в лаборатории, студенты должны пользоваться теми приборами, которые находятся на рабочих местах. Использование других приборов без разрешения преподавателя запрещается. 
При проверке схемы следует обратить особое внимание на исправность проводов и положение рукояток реостатов, измерительных приборов 
и других аппаратов согласно руководству и инструкции к каждой лабораторной работе. 
Студент должен предварительно проверить соответствие выполненных соединений по утверждённой преподавателем схеме, затем 
пригласить для проверки преподавателя или лаборанта и только с их 
разрешения включить напряжение. 
Правила безопасности при выполнении работы 
Включение схемы под напряжение производится только с разрешения преподавателя или лаборанта и только после предупреждения об этом 
всех студентов, работающих на данном рабочем месте. 
В случае короткого замыкания или повреждения прибора в собранной схеме студент должен немедленно отключить рубильник (пакетный 
выключатель) на щитке рабочего места и, не сделав попыток к исправлению, сообщить о повреждении преподавателю или лаборанту. 
При отсутствии напряжения в цепи рубильник (пакетный выключатель) должен быть в отключенном состоянии. 
В случае прекращения опыта или перерыва в работе схему надо обязательно отключить от сети. 
Все изменения в соединениях (согласно программе проведения каждой лабораторной работы) должны производиться только при отключенном рабочем щите. После каждого изменения соединений – до включения 
напряжения - схема должна быть вновь проверена преподавателем или лаборантом. 

1. Обеспечение безопасности и порядок выполнения лабораторных работ 

 

9 

Во время выполнения работы запрещается: 
● производить переключения в рабочей схеме, находящейся под напряжением; 
● прикасаться к оголенным токоведущим частям установок; 
● оставлять без наблюдения схему, находящуюся под напряжением; 
● включать не имеющие отношения к данной работе аппараты, приборы и рубильники. 
Студенты должны бережно и аккуратно обращаться с аппаратурой, 
приборами и инструментами. 
Во всех случаях обнаружения неисправного состояния оборудования, измерительных приборов и проводов необходимо немедленно поставить в известность преподавателя. 
Избегать прикосновения к токоведущим частям установки. 
Общие указания по оформлению отчётов 
Конкретные указания по содержанию отчетов приводятся в конце 
руководств к каждой лабораторной работе. 
Отчеты по работам выполняются в специально выделенной для этой 
цели тетради с соблюдением очередности. 
Схемы и графики можно вычерчивать в карандаше, но обязательно с 
применением чертежных принадлежностей. Элементы схемы должны быть 
изображены по ГОСТу. 
Графики выполняют на клетчатой или миллиметровой бумаге. Значения аргумента следует откладывать по горизонтальной оси, а значения 
функции – по вертикальной. Вдоль осей наносят масштабные шкалы, деления которых должны быть равномерными. Числовые значения следует 
указывать против соответствующих делений. 
После нанесения экспериментально полученных точек на график, 
используя линейку и лекало, следует провести плавную линию, проходящую по возможности ближе к этим точкам. 
При большом количестве кривых на одном графике рекомендуется 
изображать их штриховыми, штрихпунктирными или цветными линиями. 
Следует избегать графиков, в которых деления в начале координат 
начинаются не с нулевого значения. Такие графики не дают представления 
о характере рассматриваемых зависимостей. 
В конце каждой выполненной и оформленной работы должна стоять 
подпись студента. 
Защита лабораторных работ осуществляется согласно графику, утверждённому преподавателем. 

Основы теории электрических аппаратов для электромеханических систем горных предприятий 
 

10 

2. НАГРЕВ  И  ОХЛАЖДЕНИЕ  
ТОКОВЕДУЩИХ  ЧАСТЕЙ 
 
 
2.1. Уравнение теплового баланса 
 
Так как проводник имеет активное сопротивление, он при протекании тока нагревается. Если считать активное сопротивление проводника R 
и ток I во времени постоянными, энергия, выделяющаяся в проводнике              
и превращающаяся в теплоту за время dt, будет равна 

 
2
д
dW
k I R dt
=
,                                      (2.1) 

где 
дk  – коэффициент добавочных потерь, учитывающий повышение активного сопротивления из-за неравномерного распределения тока по сечению проводника (переменный ток повышенной частоты – поверхностный 
эффект, эффект близости и т. д.). 
Тепловая энергия, выделяющаяся в проводнике, расходуется в двух 
направлениях: часть ее идет на нагрев проводника – на повышение его 
температуры, а другая часть отдается в окружающее пространство. 
Энергия, идущая на нагрев проводника за время dt (Дж), равна 
 
1
dW
сG d
=
τ,                                         (2.2) 

где с – удельная теплоемкость материала проводника Дж/(г⋅град); G – масса материала проводника, г; dτ – изменение температуры проводника за 
время dt, град. 
Таким образом, эта часть энергии зависит только от физических 
свойств материала проводника и его размеров. 
Величина второй части энергии, выделенной в проводнике, очевидно, прежде всего, зависит от возможностей передачи теплоты в окружающее пространство, определяемых коэффициентом теплопередачи k, 
который выражается мощностью, выделяемой единицей поверхности нагретого тела в окружающее пространство при превышении температуры, равном одному градусу. Коэффициент теплопередачи зависит от физических свойств окружающей среды, формы поверхности тела и превышения его температуры. 
На основании изложенного энергия, рассеиваемая в окружающее 
пространство за время dt (Дж), равна 
 
2
dW
kS dt
=
τ
,                                          (2.3) 

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(см2·град); S – поверхность охлаждения, см2; τ  – превышение температуры проводника θ над температурой 
окружающей среды θо. 

2. Нагрев и охлаждение токоведущих частей 

 

11 

На основании закона сохранения энергии из выражений (2.1)–(2.3) 
получаем дифференциальное уравнение нагрева проводника: 

 
2
дk I R dt
cG d
kS dt
=
τ +
τ
.                              (2.4) 

При охлаждении ток (I = 0), и энергия в проводнике не выделяется; 
тогда из уравнения нагрева (2.4) получаем дифференциальное уравнение 
охлаждения проводника: 

 cG d
kS dt
−
τ =
τ
.                                        (2.5) 

Как видно из выражения (2.3), по мере увеличения превышения температуры энергия, рассеиваемая в окружающем пространстве, увеличивается. Поскольку общее количество энергии, выделяемой в проводнике, остается неизменным, то очевидно, что при определенной температуре нагрева получается такое состояние, когда вся энергия, выделяемая в проводнике, рассеивается в окружающем пространстве, а температура не повышается, т. е. τ = τуст и наступает установившийся режим. Это состояние 
называется тепловым балансом и характерно для любого установившегося 
режима. 
Поскольку τуст = соnst, то dτ = 0, и из уравнения (2.4) получим уравнение теплового баланса 
  
 kдI2R = kSτуст.                                                                      (2.6) 
 
 
2.2. Уравнения нагрева и охлаждения 
 
Рассмотрим процессы, проходящие в проводнике, когда по нему 
протекает ток. Допустим, что в начальный момент времени проводник 
имеет превышение температуры над температурой окружающей среды τ0, 
но не нагрет до установившейся температуры. Материал проводника имеет 
теплоемкость с и удельное электрическое сопротивление ρ, масса проводника G, его поверхность охлаждения S и коэффициент теплопередачи k; 
его теплопроводность полагаем настолько большой, что перепадом температуры по всей массе проводника можно пренебречь. 
Процесс изменения температуры во времени в этом случае определяется уравнением (2.4), т. е. 
Рdt = сGdτ + kSτdt, 

где 
2
Р
I R
=
 – мощность потерь в проводнике. 
Решая уравнение относительно dt, получаем 
Рdt – kSτdt = сGdτ; dt = сGdτ/(Рdt – kSτ).