Электрические и электронные аппараты. Общие вопросы проектирования электрических аппаратов постоянного тока низкого напряжения

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
Л.А. НЕЙМАН 
 
 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  
И ЭЛЕКТРОННЫЕ  
АППАРАТЫ 
 
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ  
ПОСТОЯННОГО ТОКА  
НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 
 
 
Утверждено  
Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

УДК 621.316(075.8) 
   Н 46 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. З.С. Темлякова, 
канд. техн. наук, доц. В.В. Бирюков 
 
Работа подготовлена на кафедре электротехнических комплексов 
для студентов дневного и заочного отделений 
электротехнических специальностей 
 
Нейман Л.А. 
Н 46  
Электрические и электронные аппараты. Общие вопросы проектирования электрических аппаратов постоянного тока низкого напряжения: учебное пособие / Л.А. Нейман. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2020. – 156 с. 

 
 
ISBN 978-5-7782-4219-7 

Изложены метод и порядок проектирования электрических аппаратов постоянного тока низкого напряжения, особенности конструктивных форм, определение основных размеров и параметров, общие вопросы проектирования частей токоведущего контура, механизмов аппаратов и электромагнитов, конструктивная разработка аппаратов. Справочный материал пособия ориентирован на выполнение курсового проектирования и расчетно-графической работы. 
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 13.03.02 – 
«Электроэнергетика и электротехника» и 15.03.04 – «Автоматизация технологических процессов и производств в нефтегазовом комплексе». 

УДК 621.316(075.8) 

Нейман Людмила Андреевна 
 
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОННЫЕ АППАРАТЫ 
 
ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА  
НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ 
 
Учебное пособие 
 
Редактор Л.Н. Ветчакова 
Выпускающий редактор И.П. Брованова 
Дизайн обложки А.В. Ладыжская 
Корректор И.Е. Семенова 
Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова 
 
Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции 
Издание соответствует коду 95 3000 ОК 005-93 (ОКП) 
 
Подписано в печать 25.08.2020. Формат 60 × 84 1/16. Бумага офсетная 
Тираж 50 экз. Уч.-изд. л. 9,06. Печ. л. 9,75. Изд. № 262/19. Заказ № 773 
Цена договорная 

 
Отпечатано в типографии 
Новосибирского государственного технического университета 
630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20 
 
ISBN 978-5-7782-4219-7 
© Нейман Л.А., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
    технический университет, 2020 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ................................................................................................................... 5 
1. Общие вопросы теории электрических аппаратов ..................................... 6 
1.1. Общие сведения об электрических аппаратах ........................................... 6 
1.2. Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам ...................... 13 
1.3. Содержание и порядок проектирования электрических аппаратов ....... 14 
1.4. Подготовительный этап проектирования ................................................. 15 
2. Коммутирующие контакты ........................................................................... 16 
2.1. Общие сведения .......................................................................................... 16 
2.2. Выбор конструктивных форм системы коммутирующих  
контактов .................................................................................................... 17 
2.3. Выбор материала коммутирующих контактов ........................................ 24 
2.4. Определение основных размеров коммутирующих контактов .............. 31 
2.5. Раствор, провал и ход коммутирующих контактов ................................. 34 
2.6. Определение основных параметров коммутирующих контактов .......... 35 
2.7. Ток сваривания коммутирующих контактов ........................................... 38 
2.8. Выбор системы дугогашения .................................................................... 40 
3. Проектный расчет электромагнитов постоянного тока .......................... 43 
3.1. Задачи и порядок проектирования электромагнитов .............................. 43 
3.2. Выбор конструктивной формы электромагнита, материала  
магнитопровода и электромагнитных нагрузок ..................................... 47 
3.3. Определение основных размеров и параметров электромагнита .......... 54 
3.4. Определение размеров и обмоточных данных катушки ......................... 63 
3.5. Определение размеров электромагнита ................................................... 68 
4. Расчет катушек электромагнита постоянного тока .................................. 72 
4.1. Выбор материала изоляции обмоточного провода катушки .................. 73 
4.2. Выбор вида намотки обмотки катушки электромагнита ........................ 77 
4.3. Расчет обмотки катушки электромагнита постоянного тока ................. 80 

5. Определение магнитных проводимостей и коэффициентов рассеяния электромагнита ...................................................................................... 87 
5.1. Составление схемы замещения магнитной цепи ..................................... 87 
5.2. Определение магнитных проводимостей рабочих воздушных  
зазоров электромагнита постоянного тока .............................................. 88 
5.3. Определение магнитных проводимостей воздушных промежутков – 
путей потока рассеяния ............................................................................. 97 
5.4. Суммарная магнитная проводимость двух и более воздушных  
зазоров и промежутков рассеяния ......................................................... 106 
5.5. Коэффициент рассеяния .......................................................................... 109 
6. Расчет магнитной цепи и построение характеристик электромагнита постоянного тока .................................................................................. 111 
6.1. Порядок и методы расчета магнитной цепи электромагнита ............... 111 
6.2. Расчет магнитной цепи и построение силовых характеристик 
электромагнита ........................................................................................ 112 
6.3. Построение тяговых характеристик электромагнита по силовым 
характеристикам ...................................................................................... 118 
6.4. Расчет и построение характеристики противодействующих сил 
(механической характеристики) ............................................................. 120 
6.5. Кинематическая схема электрического аппарата .................................. 122 
6.6. Определение действующих сил и построение статических характеристик движущих и противодействующих сил ................................. 124 
6.7. Расчет пружинного механизма ................................................................ 130 
Библиографический список ................................................................................ 137 
Приложение .......................................................................................................... 138 
 
 
 

 

ВВЕДЕНИЕ 

Электрический аппарат – это электротехническое устройство, используемое для коммутации (включения и отключения) электрических 
цепей, измерения, контроля, защиты, управления и регулирования 
установок, предназначенных для передачи, преобразования и регулирования электрической энергии. 
Электрические аппараты нашли широкое применение в быту, промышленности и энергетике. 
В настоящем пособии рассматриваются вопросы проектирования 
электрических аппаратов постоянного тока низкого напряжения.  
При изучении вопросов проектирования и эксплуатации электрических аппаратов перед студентами ставится инженерная комплексная 
задача, которая требует понимания зависимостей между основными 
параметрами аппарата, его характеристиками, конструкцией и геометрическими размерами. Проектирование электрического аппарата представляет собой решение задачи со многими неизвестными. Вследствие 
этого приходится задаваться некоторыми параметрами, вводить ограничения, упрощения и принимать допущения.  
Следует отметить, что точный расчет в электрических аппаратах 
сложен в связи с нелинейностью и переменной проводимостью в электромагнитах в процессе работы. Поэтому при проектировании электрических аппаратов особое внимание уделяется разработке конструктивной формы и магнитной системы электромагнита. При этом понимание физики процессов в электрическом аппарате является основой 
для принятия правильных решений.  
Изложенные в учебном пособии основы теории, конструкции электрических аппаратов, методы расчета магнитных цепей, справочный 
материал направлены на понимание студентами вопросов проектирования электрических аппаратов, а также повышение качества усвоения 
теоретического материала по курсу «Электрические и электронные 
аппараты». 

 

1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ  
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ АППАРАТОВ 

1.1. Общие сведения об электрических аппаратах 

Электрическим аппаратом (далее – аппаратом) принято называть 
электротехническое устройство, предназначенное для включения и 
отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, служащих для передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии. 
Многообразие самих аппаратов и выполняемых ими функций, совмещение в одном аппарате нескольких функций, непрерывное их развитие не позволяют строго классифицировать их по одному какому-то 
признаку. Единого стандарта, классифицирующего электрические аппараты, нет. Так, например, Международная электротехническая комиссия делит электрические аппараты на две группы. 
1. «Аппаратура распределительных устройств – общий термин, 
применяемый к коммутационным аппаратам и их комбинациям с аппаратами, служащими для управления, измерения защиты и регулирования, с которыми они соединены, а также к устройствам, в которых 
эти аппараты сочетаются с соединительными проводниками, вспомогательными устройствами, оболочками и каркасами, предназначенными главным образом для использования при генерировании, передаче, 
распределении и преобразовании электроэнергии». 
2. «Аппаратура управления – общий термин, применяемый к коммутационным аппаратам и их комбинациям с аппаратами, служащими 
для управления, измерения, защиты и регулирования, с которыми они 
соединены, а также к устройствам, в которых эти аппараты сочетаются 
с присоединительными проводниками, вспомогательными устройствами, 

оболочками и каркасами, предназначенными, главным образом, для 
управления аппаратами, потребляющими электроэнергию». 
Наибольшее распространение получила классификация электрических аппаратов по следующим принципам: 
1) назначению;  
2) области применения; 
3) принципу действия; 
4) принципу работы; 
5) конструктивным особенностям. 
1. По назначению электрические аппараты в соответствии с выполняемыми ими функциями можно разделить на следующие группы. 
Коммутационные аппараты – аппараты, предназначенные для 
включения и отключения электрической цепи; в зависимости от назначения они подразделяются на подгруппы: 
– аппараты для коммутирования (отключения и включения) электрической цепи, находящиеся только под напряжением, т. е. когда по 
ней не проходит ток (рубильники с центральной рукояткой на напряжение 380 и 500 В переменного тока и 220 и 440 В постоянного тока); 
– аппараты для коммутирования электрической цепи с отключением тока, не превышающего номинальный ток аппарата; 
– аппараты только для отключения электрической цепи при токах 
перегрузки и токах короткого замыкания; 
– аппараты только для замыкания электрической цепи; 
– аппараты для коммутирования электрической цепи при нормальном и аварийном режиме ее работы – эти аппараты являются наиболее 
сложными и ответственными коммутационными аппаратами;  
– аппараты для многократного отключения и включения электрической цепи, величина тока которой не превышает номинальный ток 
аппарата, и для ограниченного числа включений и отключений при 
токе, в несколько раз превышающем номинальный ток. 
Ограничивающие аппараты – аппараты, предназначенные для изменения величины тока нагрузки или ограничения величины тока короткого замыкания, или же для ограничения перенапряжения. Режимы 
короткого замыкания и перенапряжений являются аварийными режимами, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам. 
Аппараты для питания измерительных и релейных цепей – аппараты, предназначенные для преобразования измеряемой величины (тока 

или напряжения) до стандартного значения, удобного как для измерения, так и для подключения соответствующих защитных реле. 
Контролирующие аппараты предназначены для контроля заданных электрических и неэлектрических величин.  
Пускорегулирующие аппараты – аппараты, предназначенные для 
управления пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и 
тока электрических машин или каких-либо других потребителей электрической энергии. 
2. Разделение аппаратов по областям применения – условно.  
Аппараты для электрических систем и электроснабжения объединяют 
в группу аппаратов распределительных устройств низкого и высокого 
напряжения. Аппараты, применяющиеся в схемах автоматического 
управления электроприводами и для автоматизации производственных 
процессов, удобно объединить в группу аппаратов управления. Одни и 
те же аппараты могут быть отнесены как к группе аппаратов распределительных устройств, так и к группе аппаратов управления, например, 
рубильники, контакторы, реле, пакетные выключатели и др. Поэтому 
не представляется возможным дать единую всестороннюю и четкую 
классификацию электрических аппаратов в связи с их применением. 
Электрические аппараты управления предназначены для управления режимом работы электрооборудования и подразделяются на следующие виды: контакторы; пускатели; контроллеры; электрические 
реле управления; командоаппараты; рубильники; электромагниты 
управления и др. 
Электрические аппараты автоматики – технические средства, с 
помощью которых выполняются различные операции с сигналами (получение и сбор, считывание, формирование, обработка, преобразование, сравнение, хранение, размножение, изменение уровня, логические 
операции и т. п.), если хотя бы один из сигналов (на входе или выходе 
аппарата) электрический [1].  
Аппараты релейной защиты предназначены для выявления коротких замыканий, определения места, формирования импульса на отключения.  
Аппараты распределительных устройств служат для защиты 
электрооборудования от различных аварийных режимов, связанных с 
появлением токов перегрузки и короткого замыкания, недопустимого 
снижения напряжения; появлением токов утечки на землю при  

повреждении изоляции, обратных токов и т. п. Эти аппараты подразделяются на автоматические выключатели и низковольтные предохранители. 
3. Классификация по принципу действия (независимо от назначения 
электрического аппарата) – электромагнитные, магнитоэлектрические, 
индукционные, тепловые и т. д. 
4. Классификация по принципу работы – контактные и бесконтактные.  
5. Классификация по конструктивным особенностям. Конструкция электрического аппарата независимо от его назначения определяется параметрами той сети (установки), в которой он работает. Поэтому каждый аппарат характеризуется определенными параметрами, основными из которых являются:  
– род тока;  
– номинальный ток;  
– номинальное напряжение; 
– устойчивость аппарата;  
– коммутационная способность. 
Род тока – постоянный или переменный. 
Номинальный ток (указывается на щитке аппарата) – это ток, при 
длительном протекании которого температура токоведущих частей 
аппарата не превышает значений, установленных Госстандартом. 
Номинальное напряжение – это наибольшее напряжение из ряда 
номинальных напряжений, при котором гарантируется неограниченно 
длительная работа аппарата; оно указано на щитке аппарата. Если аппарат предназначен для работы при различных напряжениях (из приведенного ниже ряда), то за номинальное напряжение принимается 
наивысшее. Номинальное напряжение – это напряжение у потребителя 
(токоприемника) электроэнергии. Однако в электрической цепи при 
прохождении тока напряжение падает, что обусловлено сопротивлением соединительных проводов. Поэтому напряжение источника электроэнергии должно быть выше номинального приблизительно на величину падения напряжения. Обычно падение напряжения в сети составляет 5…10 % ее номинального напряжения. 
Один и тот же электрический аппарат должен обеспечивать надежную работу как при установке его у потребителя, так и у источника 
электроэнергии. Следовательно, изоляция аппарата должна быть  

рассчитана на длительную работу не при номинальном напряжении,  
а при том напряжении, которое будет у источника электроэнергии, которое называется наибольшим рабочим напряжением аппарата. Оно 
нормировано стандартом только для номинальных напряжений от 110 В 
и выше.  
По номинальному напряжению электрические аппараты разделяются на две основные группы: 
– аппараты низкого напряжения, номинальное напряжение которых 
не превышает 1000 В; 
– аппараты высокого напряжения, номинальное напряжение которых превышает 1000 В. 
Устойчивость аппарата при токах короткого замыкания характеризуется его способностью противостоять механическим и тепловым воздействиям, возникающим при прохождении через аппарат 
таких токов. Различают электродинамическую и термическую устойчивость.  
Термической устойчивостью электрических аппаратов называется 
способность ЭА выдерживать без повреждений, препятствующих 
дальнейшей работе, термическое воздействие протекающих по токоведущим частям токов заданной длительности. Количественной характеристикой термической устойчивости аппаратов является ток термической стойкости, протекающий в течение определенного промежутка 
времени.  
Электродинамическая устойчивость характеризуется максималь-
ным (амплитудным) значением тока короткого замыкания, который 
аппарат выдерживает во включенном положении без повреждений, 
препятствующих его дальнейшей исправной работе. 
Коммутационная способность определяется величиной тока, которую аппарат может отключить и включить при заданном напряжении. 
Коммутационная способность аппарата низкого напряжения характеризуется:  
а) наибольшей отключающей способностью, соответствующей 
наибольшим амплитудным значениям тока в цепи, которую способен 
размокнуть электрический аппарат начиная с момента размыкания его 
контактов. Указанное значение тока принимают для случая, когда в 
цепи нет аппарата; 

б) наибольшей включающей способностью аппарата, соответствующей наибольшему амплитудному значению тока в цепи, которую он 
способен включить. Указанное значение тока принимают, когда в цепи 
нет аппарата; 
в) критической отключающей способностью, соответствующей 
действующим значениям тока поврежденной зоны, которые аппарат не 
способен отключить при условии, что все большие токи вплоть до токов наибольшей отключающей способности и все наименьшие токи 
могут быть отключены аппаратом. 
В основе функционирования большинства видов электрических аппаратов лежат процессы коммутации (включения и отключения) электрических цепей.  
К основным явлениям, сопровождающим работу электрического 
аппарата, относятся процессы коммутации электрических цепей; электромагнитные процессы; тепловые процессы.  
Тепловые процессы оказывают непосредственное влияние на работу аппарата и зависят от его режима работы. При работе электрического аппарата возможны следующие режимы работы: 
– продолжительный (длительный) – режим, при котором период 
нагрузки аппарата без отключения продолжается как угодно долго, но 
меньше времени, необходимого для достижения установившейся температуры всеми частями аппарата (при неизменных условиях охлаждения); 
– прерывисто-продолжительный режим – режим, при котором в 
период нагрузки аппарата температура всех его частей достигает установившегося значения, причем период нагрузки не превышает указанного заводом-изготовителем времени; 
– кратковременный режим – режим, при котором в период нагрузки температура частей аппарата не успевает достигнуть установившегося значения, а в период отсутствия нагрузки снижается до температуры холодного состояния (состояние, при котором температура всех 
его частей отличается от температуры окружающей среды не более, 
чем на 3 С); 
– повторно-кратковременный режим – режим, при котором кратковременный период нахождения под нагрузкой (период включения) чередуется с кратковременным периодом отключенного состояния (паузой) так, что температура частей аппарата в период включения не  

достигает установившегося значения, а в период паузы не успевает 
достигнуть холодного состояния; 
– режим короткого замыкания, который является ненормальным. 
При продолжительном, прерывисто-продолжительном, кратковременном и повторно-кратковременном режимах наибольшая допустимая температура нагрева токоведущих элементов аппарата определяется:  
– свойством изоляции, с которой соприкасается проводник; 
– характером изменения механических свойств металлов, используемых для изготовления проводников; 
– допустимой температурой нагрева в месте соприкосновения двух 
проводников (контактное соединение), через которое протекает ток из 
одного проводника в другой. 
В электрических аппаратах применяются изолированные и неизолированные проводники.  
Для изолированных проводников при нормальном режиме работы 
величина наибольшей допустимой температуры нагрева ограничивается нагревостойкостью изоляционного материала. Чем выше температура, воздействию которой подвергаются входящие в конструкции аппаратов изоляционные материалы, тем быстрее ухудшаются их механические и электрические качества. Ухудшение электрических и механических свойств изоляционных материалов приводит к нарушению 
нормальной работы аппарата. 
Для неизолированных токоведущих частей аппарата основным 
фактором, определяющим длительно допустимую температуру при 
нормальном режиме работы, является поведение электрических контактов, с помощью которых осуществляется соединение отдельных 
участков токоведущего контура электрического аппарата. Нагрев неизолированных проводников ограничивается в большинстве случаев 
снижением их механической прочности вследствие повышения температуры и допустимой температурой их контактных соединений. 
В режиме короткого замыкания, продолжительность которого не 
превышает нескольких секунд, допускаются более высокие значения 
температуры токоведущих частей аппаратов. Это объясняется тем, что 
за относительно короткий промежуток времени нагрев до высокой 
температуры не может привести к изменению физических свойств как 
материала (металла) проводника, так и изоляционных материалов.