Система коммутации электрической цепи

1 Основные положения теории коммутации электрических цепей.

Под коммутацией электрических цепей понимается операция замыкания или размыкания электрических цепей, при которой изменение её сопротивления происходит практически скачкообразно.

Качество коммутации электрической цепи определяется временем и глубиной коммутации, коммутационными перенапряжениями, а для контактных аппаратов – объемом ионизированных газов и электрическим износом контактов.

Глубиной коммутации — называется отношение сопротивления коммутирующего органа в отключенном состоянии к сопротивлению во включенном состоянии.

Во включенном состоянии сопротивление равно десятым долям Ома, а в отключенном – сопротивлению изоляции межконтактного промежутка. Для контактных аппаратов глубина коммутации имеет значение от 10 10 до 10 14 .

Переход от одного режима работы к другому не происходит мгновенно, а занимает определенное время. Это определяется тем, что каждому установившемуся состоянию электрической цепи соответствует определенный запас электрической или магнитной энергии, созданный напряжением и током этой цепи. Переход к новому состоянию связан с нарастанием или убыванием энергии.

Энергия магнитного поля индуктивности W=LI 2 /2, электрического поля конденсатора W=CU 2 /2. Они не могут изменяться мгновенно. В противном случае мощность dW/dt достигала бы бесконечных значений, что невозможно. Для RL цепи на ЭДС e. Ri+L(di/dt)=e, если бы ток изменялся скачком, то di/dt – бесконечность, но e не бесконечно отсюда не выполняется второй закон Крихгофа.

Аналогично для RC цепи. RC(dUc/dt)=e-Uc. Если Uc изменяется скачком то е= беск. Отсюда напряжение на конденсаторе и ток в индуктивности никогда не меняются скачкообразно.

1.1. Классификация электрических аппаратов.

Распределение энергии между приемниками электрической энергии (двигателями, нагревательными, осветительными и другими электротехническими устройствами) и электриче­ская защита их осуществляются с помощью электрических аппаратов.

По назначению электрические аппараты можно разделить на четыре группы:

1) коммутирующие аппараты, производящие отключение и включение главных (силовых) электрических цепей в системах, генерирующих, передающих и распределяющих электрическую энергию;

2) реле и регуляторы, осуществляющие защиту и управление работой различных электротехнических устройств, а также реше­ние логических задач (ДА, НЕТ, ИЛИ и др.);

3) аппараты управления (контакторы, пускатели, контролле­ры, командоаппараты), управляющие работой электротехническо­го устройства, например пуск, регулирование частоты вращения, торможение, реверс электрических двигателей в системах электро­привода;

4) датчики, создающие электрические сигналы (ток, напряже­ние), соответствующие определенным параметрам протекающего технологического процесса.

Различают три группы коммутирующих аппаратов: 1) авто­матические выключатели, 2) плавкие предохранители и 3) неавтоматические выключатели.

Автоматические выключатели выполняют ручное и автомати­ческое включение и выключение, а неавтоматические выполняют только ручное отключение и включение.

Плавкие предохранители выполняют только разовое отклю­чение при недопустимых нарушениях режима работы электро­технического устройства.

Электрические аппараты классифицируются по роду тока и зна­чениям тока и напряжения. Различают сильноточные от 5А и выше и слаботочные — до 5А, низкого напряжения — до 1000 В и высокого напряжения — выше 1000 В. Электрические аппараты подразделяются также по числу раз­рываемых контактов-полюсов на одно-, двух- и трехполюсные.

Источник

1.2.19. Коммутация электрической цепи

При анализе и расчёте процессов коммутации, то есть процессов замыкания или размыкания цепи с током, необходимо учитывать законы коммутации:

При коммутации индуктивных электрических цепей не могут изменяться скачком ток цепи и магнитный поток ();

При коммутации емкостных цепей не могут изменяться скачком напряжение и электрический заряд ().

Под глубиной коммутации понимают отношение сопротивления коммутирующего органа в отключенном состоянии к сопротивлениюво включенном состоянии:

, (1.2.52)

Контактные электрические аппараты, у которых сопротивление межконтактного промежутка в отключенном состоянии измеряется мегомами, а сопротивление замкнутых контактов – микроомами, обеспечивают глубину коммутации

Для бесконтактных аппаратов, которые по глубине коммутации уступают контактным аппаратам, обычно

1.2.20. Включение электрической цепи

При включении контактов может иметь место:

эрозия в результате образования разряда между сходящимися контактами.

Для уменьшения вибрации контактная группа имеет предварительный натяг при разомкнутых контактах.

Износ контактов в результате переноса материала с одного контакта на другой (испарение в пространство) называется физическим износом или эрозией. Может привести к спеканию контактов.

1.2.21. Отключение электрической цепи контактными аппаратами

При размыкании контакта уменьшается усилие контактного нажатия , в результате увеличивается контактное сопротивление, температура нагрева контактаи может возникнуть мостик из жидкого металла, а затем дуговой или тлеющий разряд, в зависимости от параметров отключаемой цепи. Таким образом, отключение цепи контактным аппаратом характеризуется воз­никновением плазмы, которая проходит разные стадии газового разряда в процессе преобразования межконтактного промежутка из проводника электрического тока в изолятор.

Рис. 1.2.16. Вольтамперная характеристика стадий электрического разряда в газах

ри токах выше 0,5-1 А возникает стадия дугового разряда (область1) (рис. 1.2.16.); при снижении тока возникает стадия тлеющего разряда у катода (область 2); следующая стадия (область 3) – таунсендовский разряд, и наконец, область 4 – стадия изоляции, в которой носители электричества – электроны и ионы – не образуются за счет ионизации, а могут поступать только из окружающей среды.

Первый участок кривой – дуговой разряд (область 1) – характеризуется малым падением напряжения у электродов и большой плотностью тока. С ростом тока напряжение на дуговом промежутке сначала резко падает, а затем изменяется незначительно.

Второй участок (область 2) кривой, представляющий собой область тлеющего разряда, характеризуется высоким падением напряжения у катода (250 – 300 В) и малыми токами. С ростом тока возрастет падение напряжения на разрядном промежутке.

Таунсендовский разряд (область 3) характеризуется чрезвычайно малыми значениями тока при высоких напряжениях.

В обычных условиях воздух является хорошим изолятором. Так, для пробоя воздушного промежутка в 1 см требуется приложить напряжение не менее 30 кВ. Для того чтобы воздушный промежуток стал проводником, необходимо создать в нем определенную концентрацию заряженных частиц: отрицательных – в основном свободных электронов, и положительных – ионов. Процесс отделения от нейтральной частицы одного или нескольких электронов с образованием свободных электронов и ионов называется ионизацией.

Ионизация газа может происходить под действием света, рентгеновских лучей, высокой температуры, под влиянием электрического поля и ряда других факторов. Для дуговых процессов в электрических аппаратах наибольшее значение имеют: из процессов, происходящих у электродов, – термоэлектронная и автоэлектронная эмиссии, а из процессов, происходящих в дуговом промежутке – термическая ионизация и ионизация толчком.

Источник

Коммутация и её законы в электротехнике простыми словами

С латинского коммутация (commutatio) переводится как изменение, перемена. Поэтому с развитием технологий с помощью этого слова стали обозначать различного рода переключения кабелей и электроустройств, потребляющих, генерирующих и распределяющих электроэнергию. Понятие «коммутация» в электротехнике и электронике — это переключения, приводящие к изменению конфигурации схем протекания или прекращения тока в электрических цепях, а также перемене направлений потоков информации в сетях.

Общее понятие

Термин коммутация электрических цепей сформулирован в пункте 14 ГОСТ 18311–80 и означает динамический процесс включения и выключения элементов электроцепи. В информатике и электронике это процесс изменения уровня сигнала от 0 к 1 и наоборот. Во время перехода в электронных и электрических схемах из одного устойчивого состояния в следующее происходит перераспределение токов и напряжений.

В машинах постоянного тока коммутационными являются процессы, связанные с изменением направления тока в секциях обмотки якоря во время их перехода из одной ветви в другую.

Режимы электрических цепей

Устойчивые состояния в цепях постоянного тока до и после коммутации характеризуются различными, но не меняющимися уровнями напряжения и тока. В схемах переменного тока частота не меняется, а амплитуды тока и напряжения различны. Для импульсных систем устойчивый режим — это отсутствие или наличие импульса.

Во время включения и отключения источников электроэнергии, выключении отдельных ветвей схем, изменении характера нагрузки происходит переход из одного установившегося состояния в другое. Характер и время переходного процесса зависит от источника питания и реактивной (накопленной) энергии электрической сети.

Известно, что такое явление, как коммутация в сетях с чисто активной мощностью нагрузки (реактивная энергия минимальна и ее значением можно пренебречь) происходит быстро и без сложностей. В системах, предназначенных для получения различного типа излучений — от светового до рентгеновского, переходные процессы являются основой функционирования. Их анализируют с помощью двух законов коммутации.

Законы коммутации

Реальная электрическая цепь состоит не только из резисторов, транзисторов, тиристоров и других переключателей, но и катушек индуктивности и конденсаторов. На создание магнитного поля катушки в устоявшемся режиме затрачивается Li 2 /2 реактивной мощности, а на зарядку конденсатора (создание электрического поля) уходит Cu 2 /2. Переход на другой установленный режим мгновенно не возможен.

Управление переходными процессами (коммутацией) требует учета реактивной мощности цепи и отдельных емкостей конденсаторов и индуктивностей катушек. Знание закономерностей о сохранении начальных условий перед переходами позволяет влиять на изменение параметров сети.

Первый закон

Влияние катушки индуктивности в контуре описано в первом законе коммутации. Он гласит, что ток через индуктивность не может меняться скачкообразно. Переходный момент начинается со значений тока, предшествующих началу коммутации, затем плавно выходит на новый уровень.

В предложенной схеме при замыкании рубильника коммутируемый ток будет нарастать постепенно, так как ЭДС самоиндукции будет отбирать энергию на создание магнитного поля. Формула второго закона Кирхгофа для этой цепи:

Используя эту формулу можно сделать вывод, что предположение скачкообразного изменения тока в катушке абсурдно, так как при нем ЭДС стремится к бесконечности, а это потребует огромной мощности источника, что невозможно.

Второй закон

Для электрических схем с конденсатором переходные процессы регламентирует второй закон коммутации. Он говорит о том, что напряжение на емкости и накопленный заряд не могут изменяться скачкообразно:

То есть, переход в другое устойчивое состояние начинается с тех величин напряжения, которые были перед началом процесса.

Для проверки второго закона коммутации используется простая электросхема:

Второй закон Кирхгофа для предложенной цепи будет выражен формулой:

Сумма падений напряжения в контуре равна напряжению источника питания.

Допуск, что напряжение на емкости может измениться скачкообразно, приводит к тому, что скорость изменения напряжения устремится к бесконечности, а это является нарушением закона Кирхгофа.

Законы коммутации позволяют управлять изменением напряжений на катушке и емкостных токов скачкообразно, если это соответствует задачам переходного процесса.

Основные разновидности коммутационных аппаратов

Коммутация в любой электрической цепи осуществляется с помощью специальных устройств. Их делят на две группы:

• контактные. Приборы, обеспечивающие физический, часто видимый, разрыв токопроводящих цепей механическим способом. Они одновременно соединяют или разъединяют несколько цепей (от одной до четырех), меняя состояние «включено» на «выключено»;
• бесконтактные. Создаются на основе полупроводников: транзисторов, тиристоров, симисторов. Они часто, кроме переключений, несут и регулирующую, управляющую функцию.

Смена состояний коммутационной аппаратуры может быть ручной или автоматической.

Виды рубильников

Коммутационные аппараты с ручным управлением широко применяются в высоковольтных сетях электроснабжения. К ним относятся разъединители, переключатели и короткозамыкатели. При работах в таких сетях создание видимого разрыва шинопровода — важное условие безопасности в электрике.

Переключение разъединителя происходит со снятием нагрузки при минимальных токах. Короткозамыкатель тоже имеет видимый разрыв между контактами, но срабатывает при аварийных ситуациях автоматически для создания искусственного короткого замыкания.

К рубильникам можно отнести и большинство бытовых выключателей освещения. Они могут переключать группы светильников и оснащаться дугогасительными камерами.

Автоматические коммутационные аппараты

Смена состояния этих коммутирующих устройств на включение, отключение или переключение происходит в основном без участия человека. Автоматика при помощи различных датчиков отслеживает состояние объекта и при необходимости производит нужные действия.

К такой аппаратуре относятся:

• автоматические выключатели, УЗО, дифференциальные выключатели. Они взводятся вручную и отслеживают перегрузку, утечки тока, короткие замыкания. При достижении точки срабатывания отключают электрическую сеть;
• магнитные пускатели, контакторы включают силовую часть двигателей исполнительных механизмов, насосов промышленного и бытового назначения;
• тепловые реле для защиты от перегрева, механические реле времени для организации цикла переключения электрических цепей.

Автоматические коммутирующие устройства в сетях напряжением до 1000 В существуют в контактном и бесконтактном (полупроводниковом) вариантах.

Коммутация в телефонных сетях

Коммутация телефонных проводов в начале прошлого века осуществлялась по звонку на станцию. Телефонная барышня вставляла штекер номера позвонившего клиента в нужную ячейку коммутатора, осуществляя таким образом физическое соединение абонентов сети.

Сейчас используются следующие способы коммутации в телефонных сетях:

• сквозной (Cut-Through). Представляет собой усовершенствованный старый способ. Коммутатор автоматически считывает номер нужного абонента и без барышни соединяет клиентов. Задержка соединения минимальна, но могут быть ошибки;
• с промежуточным запоминанием (Store and Forward). Соединение происходит после анализа записанного фрагмента и устранения ошибок;
• гибридный или беcфрагментный (Fragment-Free). Комбинация двух предыдущих способов.

Соотношение скорости соединения и надежности связи зависит от стоимости и бренда производителя оборудования.

Переключения в интернет

В локальной сети абонентом может быть каждое из офисных устройств. Если между собой их подключить физическими линиями, количество проводов станет неприемлемым. Интернетовские технологии коммутации объединяют устройства с помощью специальных узлов, разделяя общие каналы связи. Управление осуществляется чаще всего при помощи коммутаторов и маршрутизаторов.

Принцип работы Switch (коммутатора)

Коммутатор (Switch — переключатель) передает информацию непосредственно получателю в той ветви локальной сети, к которой подключен и через роутер взаимодействует с интернет. Работает Switch в режиме обучения, формируя в своей памяти таблицу адресов отправителей. В результате использования мостовых технологий и ограниченного количества устройств обеспечивается высокая скорость передачи данных с малой задержкой.

Принцип работы маршрутизатора

Маршрутизатор, он же Router, организует входные и выходные информационные потоки собственным процессором согласно загруженной в память таблице маршрутизации. Она может быть загружена вручную (статическая маршрутизация) или использовать обновляемые протоколы (своды правил) при динамической маршрутизации.

Динамический способ создания таблицы держит ее в актуальном состоянии и находит оптимальные маршруты коммутации в данный момент, но создает дополнительную нагрузку на устройства.

Уплотнение информационных потоков выдвигает постоянные задачи по инженерному и программному обеспечению скорости, надежности и безопасности систем коммутации.

Видео по теме

Источник