Электрические аппараты, тепловые преобразователи, основы HART

Электрический аппарат (ЭА) – это электрическое устройство, которое используется для включения и отключения электрических цепей, контроля, измерения, защиты, управления и регулирования установок, предназначенных для передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии.

Понятие «электрический аппарат» охватывает обширный круг бытовых и промышленных устройств. Огромное разнообразие самих аппаратов, выполняемых ими функций и варианты их совмещения в одном устройстве не позволяет строго классифицировать по какому-то определенному признаку. Классификация электрических аппаратов может быть построена по ряду параметров: назначению, области применения, принципу действия, роду тока, исполнению защиты от воздействия окружающей среды, конструктивным особенностям и т.д. Основной является классификация по назначению, которая предусматривает разделение электрических аппаратов на следующие большие группы:

коммутационные аппараты распределительных устройств, служащие для включения и отключения электрических цепей. К этой группе относятся рубильники, пакетные выключатели, выключатели высокого напряжения, разъединители, отделители, короткозамыкатели, автоматические выключатели, предохранители. Для аппаратов этой группы характерно относительно редкое их включение и выключение;

ограничивающие аппараты, предназначенные для ограничения токов короткого замыкания (к.з.) (реакторы) и перенапряжений (разрядники). Режимы короткого замыкания и перенапряжений являются аварийными, и эти аппараты редко подвергаются наибольшим нагрузкам;

пускорегулирующие аппараты, предназначенные для пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин или каких-либо других потребителей электроэнергии. К этой группе относятся контроллеры, комманд-контроллеры, контакторы, пускатели, резисторы и реостаты. Для аппаратов этой группы характерны частые включения и отключения, число которых достигает 3600 в час и более;

аппараты для контроля заданных электрических и неэлектрических величин, к которым относятся реле и датчики. Для реле характерно плавное изменение входной (контролируемой) величины, вызывающее скачкообразное изменение выходного сигнала. Выходной сигнал обычно воздействует на систему автоматики. В датчиках непрерывное изменение входной величины преобразуется в изменение какой-либо электрической величины, являющейся выходной. Это изменение выходной величины может быть как плавным (измерительные датчики), так и скачкообразным (реле-датчики). С помощью датчиков могут контролироваться как электрические, так и неэлектрические величины;

аппараты для измерений, с помощью которых цепи первичной коммутации (главного тока) изолируются от цепей измерительных и защитных приборов, а измеряемая величина приобретает стандартное значение, удобное для измерений. К ним относятся трансформаторы тока, напряжения, емкостные делители напряжения;

электрические регуляторы, предназначенные для регулирования заданного параметра по определенному закону. В частности, такие аппараты служат для под-держания на неизменном уровне напряжения, тока, температуры, частоты вращения и других величин.

Разделение электрических аппаратов по другим признакам, таким как область применения, более условно. Аппараты для электрических систем и электроснабжения объединяют в группу аппаратов распределительных устройств низкого и высокого напряжения, а аппараты, применяющиеся в схемах автоматического управления электроприводом и для автоматизации производственных процессов, объединяют 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, пакетные выключатели, контакторы, трансформаторы тока, реле и другие.

По номинальному напряжению электрические аппараты разделяются на две группы: аппараты низкого напряжения НН (до 1000 В) и высокого напряжения ВН (более 1 кВ).

Требования, предъявляемые к электрическим аппаратам, также очень разнообразны и зависят от назначения, условий эксплуатации, необходимой надежности и т.д. Однако можно сформулировать требования, которые являются общими для всех электрических аппаратов:

1) При номинальном режиме работы температура токоведущих элементов аппарата не должна превосходить значений, рекомендуемых стандартом или другими нормативными документами.

2) При коротком замыкании и других аварийных режимах токоведущие элементы аппарата подвергаются значительным термическим и динамическим воздействиям тока. Эти воздействия не должны вызывать остаточных явлений, нарушающих работоспособность аппарата после устранения короткого замыкания.

3) Изоляция электрических аппаратов должна выдерживать перенапряжения, которые имеют место в эксплуатации, и обладать определенным запасом, учитывающим ухудшение свойств изоляции с течением времени и по причине осаждения пыли, грязи и влаги.

4) Контакты электрических аппаратов должны быть способны включать и отключать все токи рабочих режимов, а также и токи аварийных режимов, которые могут возникнуть в управляемых и защищаемых цепях.

5) К каждому аппарату предъявляется ряд специфических требований, обусловленных его назначением. Так, например, выключатель ВН должен отключать ток к.з. за малое время (0,04…0,06 с.). Трансформатор тока должен давать токовую и угловую погрешности, не превышающие определенного значения.

6) В связи с широкой автоматизацией производственных процессов, применением сложных схем автоматики увеличивается число аппаратов, участвующих в работе. Возможность отказа в работе аппарата требует их резервирования и создания специальной системы поиска неисправностей. В связи с этим электрические аппараты должны обладать высокой надежностью.

7) Масса, габаритные размеры, стоимость и время, необходимое для установки и обслуживания электрического аппарата должны быть минимальными. Отвечающие современным требованиям электрические аппараты за срок службы 25 лет не должны нуждаться в ремонте и сложной ревизии. Конструкция электрического аппарата должна обеспечивать возможность автоматизации в процессе их изготовления и эксплуатации.

Электрической машиной принято считать электромеханическое устройство, способное преобразовать механическую энергию в электрическую и обратно. В первом случае происходит выработка электроэнергии (машины являются генераторами), во втором – её потребление (электродвигатели). Последние необходимы, для того чтобы привести в движение транспортные средства, станки и другие механизмы.

Генераторы и электродвигатели – основная сфера использования электрических машин.

Классификация электрических машин

Коллекторные и бесколлекторные электрические машины

Деление на коллекторные и бесколлекторные электрические машины существует благодаря принципиальным отличиям в принципе их действия.

Коллекторные машины

Коллекторные агрегаты работают только на постоянном токе, поэтому отличительной чертой их конструкции является наличие механического преобразователя, который позволяет получить постоянный ток из переменного или наоборот. Они могут использоваться в качестве двигателя или генератора без необходимости внесения изменений в схему.

Их существенными преимуществами являются отличные пусковые характеристики и возможность плавной регулировки частоты вращения вала. Именно поэтому коллекторные электрические машины постоянного тока нашли очень широкое применение в качестве приводов для прокатных станов, электротранспорта, источников питания для сварочных аппаратов, электролитических ванн. В самолётах, тракторах, автомобилях такие двигатели приводят в движение всё используемое вспомогательное оборудование.

Небольшая группа коллекторных машин небольшой мощности выполняется в виде универсальных двигателей, которые уникальны тем, что могут работать и от постоянного, и от переменного тока.

Бесколлекторные машины

Бесколлекторные агрегаты работают только с переменным током и делятся на синхронные и асинхронные машины. Синхронные машины широко применяются как в качестве генераторов, так и электродвигателей, в то время как асинхронные – в основном служат двигателями.

Синхронный генератор (упрощённая схема устройства)

1 – сердечник статора (неподвижная часть машины), 2 – обмотка статора, 3 – вал, 4 – ротор двигателя (постоянный магнит).

Принцип работы такого генератора заключается в том, чтобы при помощи привода (двигателя внутреннего сгорания или турбины) через ременную передачу привести в движение ротор генератор. Одновременно в обмотке статора наводится ЭДС (указано стрелками) и благодаря замыканию её на нагрузке в цепи появляется ток.

Если речь идёт о синхронном электродвигателе, то его работа начинается с подачи тока на обмотку статора. Это приводит к вращению магнитного поля, которое при взаимодействии с полем ротора вырабатывает силу, и в конечном счёте, преобразует электрическую энергию в механическую и вращает вал.

Принцип действия асинхронного электродвигателя

В асинхронном электродвигателе при включении обмотки статора в сеть образуется вращающееся с частотой n1 магнитное поле. При этом в обмотке статора и ротора наводится ЭДС. Благодаря тому что обмотка ротора замкнута в ней возникает ток, который взаимодействуя с полем статора создаёт электромагнитные силы Fэм, которые уже в свою очередь приводят в движение ротор двигателя.

Трансформаторы

Трансформатор – электрический аппарат, который представляет собой статическое устройство, преобразующее одну систему переменного тока в другую. Параметры для преобразования могут быть самыми разными: ток, напряжение, частота, число фаз. Но чаще всего в системах электроснабжения используются силовые трансформаторы, которые позволяют изменить величину тока и напряжения (при этом все остальные параметры сети остаются неизменными).

По назначению существует деление аппаратов на трансформаторы силового и специального назначения. Силовые являются одним из основных элементов систем энергоснабжения и используются при транспортировке электроэнергии для получения напряжения требуемого класса.

Специальные же крайне разнообразны по своей конструкции и рабочим характеристикам (примером могут послужить сварочные, печные, испытательные трансформаторы). Отдельной их категорией являются автотрансформаторы – однообмоточные аппараты, которые способны изменять величину напряжения в минимальных пределах (когда коэффициент трансформации приближён к 1).

Принцип действия силового трансформатора

Простейший силовой однофазный трансформатор

Конструктивно аппарат состоит из сердечника, выполненного из листовой электротехнической стали и обмоток 1 и 2 (первичной и вторичной), которые размещены на стержнях и электрически не связаны между собой. К обмотке 1 подключается источник питания, к обмотке 2 – нагрузка (потребитель).

Благодаря принципу электромагнитной индукции переменный ток i1 создаёт магнитный поток, замыкающийся в сердечнике, который сцепляясь с обеими обмотками наводит в них ЭДС само- и взаимоиндукции соответственно. При подключении потребителя во вторичной обмотке создаётся ток i2, а на выводах – вторичное напряжение. Разница в напряжениях на вводах и выводах образуется за счёт разного количества витков в 1 и 2 обмотках, и их отношение параметров может быть любым.

По количеству фаз существует разделение на одно- и трехфазный трансформатор, по виду охлаждения – на воздушный и масляный, по форме магнитопровода – на стержневой, бронестержневой, броневой, тороидальный. Особенностью трёхфазного от однофазного трансформатора в плане его электрической схемы состоит в том, что схемы трёх отдельных систем объединены в одну.

Трансформаторы и электрические машины в целом являются одними из важнейших элементов любой системы энергоснабжения. Огромное количество технических решений и отдельных видов устройств позволяет решать самые разные задачи во всех сферах деятельности.

Температурный измерительный преобразователь STAHL (9182)

Температурный измерительный преобразователь используется для эксплуатации температурных датчиков. Могут подключаться почти все распространенные датчики, например, Pt 100, Pt 500, Pt 1000, Ni 100, термоэлементы и дистанционные датчики сопротивления. Установка параметров производится при помощи программного обеспечения параметрирования ISpac Wizard или в качестве альтернативы при помощи DIP-выключателя.

Схема подключения преобразователя

Конфигурирование преобразователей

Калибраторы, коммуникаторы и образцовое оборудование

Калибратор электрических сигналов СА-71

Калибратор СА71 предназначен для поверки (калибровки) преобразователей электрических сигналов и приборов в реальных условиях эксплуатации. Прибор может воспроизводить тестовый сигнал для проверяемого оборудования и одновременно измерять сигнал на выходе устройства. И при этом, нет необходимости осуществлять синхронизацию с другими устройствами.

Основные технические характеристики

Воспроизведение:

Величина	Диапазон	Базовая погрешность	Разрешение
Постоянное напряжение	от — 10,00 мВ до 30,00 В	±0,02%	0,01/0,1/1/10 мВ
Постоянный ток	от 0 до 24,00 мА	±0,025%	1 мкА
Термопары (K,E,J,T,N,L,U,R,S,B) и термометры сопротивления (Pt100. JPt100)	от —200 до 1800 С	±0,02%	0,1/1 С
Частота	от 1,0 до 11,0 кГц	±0,2 Гц	0,1 Гц/1 Гц/0,1 кГц
Последовательность импульсов	от 1 до 99999		1 импульс
Сопротивление	от 0 до 400,0 Ом	±0,025%	0,01 Ом

Измерение:

Величина	Диапазон	Базовая погрешность	Разрешение
Постоянное напряжение	от 0 до ±110,00 В	±0,025%	0,01/0,1/1/10 мВ
Постоянный ток	от 0 до ±100,00 мА	±0,025%	1/10 мкА
Сопротивление	от 0 до 400,00 Ом	±0,05%	0,01 Ом
Переменное напряжение	от 0 до 300 В	±0,5%	0,001/0,01/0,1/1 В
Частота	от 1,00 Гц до 11,000 кГц	±0,02 Гц	0,01/0,1/1 Гц
Подсчет количества импульсов	от 1 до 99999 в минуту или час	±2 импульса	1 импульс
Термопары (K,E,J,T,N,L,U,R,S,B) и термометры сопротивления (Pt100. JPt100)	от —200 до 1800 С	±0,05%	0,1/1 С

Передняя панель прибора

Основы HART-протокола

HART-коммуникатор Н-375

HART-протокол основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции (Frequency Shift Keying, FSK), в соответствии с широко распространенным коммуникационным стандартом Bell 202. Цифровая информация передаётся частотами 1200 Гц (логическая 1) и 2200 Гц (логический 0), которые накладываются на аналоговый токовый сигнал.

Частотно-модулированный сигнал является двухполярным и при применении соответствующей фильтрации не влияет на основной аналоговый сигнал 4…20 мА. Скорость передачи данных для HART составляет 1,2 кбит/с. Каждый HART-компонент требует для цифровой передачи соответствующего модема. Благодаря наличию двух ведущих устройств каждое из них может быть готово к передаче через 270 мс (время ожидания). Цикл обновления данных повторяется 2, 3 раза в секунду в режиме запрос/ответ и 3, 4 раза в секунду в пакетном режиме. Несмотря на относительно большую длительность цикла, в большинстве случаев он является достаточным для управления непрерывными процессами. Важнейшим условием для передачи HART-сигналов является то, что нагрузка в общей цепи коммуникационного канала должна быть в пределах 230...1100 Ом.

Метод передачи данных