МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Тема 4. Электротехнические

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Тема 4. Электротехнические материалы Учебное пособие для подготовки по профессии «помощник машиниста тепловоза, электровоза» А. В. Ломакин 1

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Электротехнические материалы по их способности проводить электрический ток делятся на: • проводниковые; • полупроводниковые; • электроизоляционные 2

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Электротехнические материалы Часть 1. Проводниковые материалы 3

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Электропроводящие материалы — это материалы, применяемые в электротехнических и радиотехнических устройствах для обеспечения передачи электрического тока (электрические машины, аппараты и т. п. ) В качестве электропроводящих материалов : - медь; - алюминий; - серебро; - железо; - сплавы металлов; 4

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Проводниковые металлы медь железо алюминий серебро сплавы 5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 В качесве электропроводящих материалов в основном используются металлы, поскольку имеют низкое сопротивление электрическому току: Наименование Удельная материала проводимость, Ом • 10 -8 Медь (Cu) 1. 7 Алюминий (Al) 2. 8 Железо (Fe) 9. 8 Никель (Ni) 3. 7 Платина (Pt) 10, 5 Серебро (Ag) 1, 6 6

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Медь. Самый распространенный материал для проводов, шин питания электрическим током. На локомотивах используются проводники из меди различного сечения от 1. 5 мм 2 (проводники для потребителей малой мощности – приборы безопасности, радиостанция и т. п. ) до 200 мм 2 (шины тягового генератора, кабели к тяговым двигателям, контактный провод и т. п. ) Медные проводники бывают как в изоляции (цепи управления, кабели питания к тяговым двигателям), так и без изоляции (шины силовых цепей). 7

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Медь. При низком удельном сопротивлении, у меди имеется существенный недостаток – потеря механических свойств при нагревании до высокой температуры. Таким образом чистый медный проводник не должен подвергаться нагреванию, то есть не должны превышать предельные значения тока на каждый проводник (10 А на 1 мм 2); 8

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Алюминий Второй по распространенности материал для проводов, шин питания электрическим током. На локомотивах используются проводники из алюминия в силовых цепях локомотива из- за его низкой стоимости, при относительно невысокой электропроводности ( 2, 8 Ом • 10 -8 при сопротивлении меди 1, 7). Алюминий также используются в воздушных линиях электроснабжения, линиях обратного тока. 9

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Серебро Используется только в цепях низкого тока – приборы безопасности и системы управления локомотивом. Серебро – очень ценный материал при проводимости электрического тока на уровне меди. Хорошее свойство серебра – отсутствие окислов в месте контакта, что позволяет создавать надежные системы управления (контактные группы реле, аннодированное покрытие контактов контроллера машиниста и т. п. ) 10

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Сплавы металлов Для регулирования силы тока в цепи тяговых двигателей до 2000 -х годов на большинстве локомотивов используются материалы с высокой проводимостью для включения в цепи в качестве сопротивления. Включением в цепи тяговых двигателей сопротивлений добиваются регулирования напряжения на тяговых двигателях, а значит скорости движения поезда. Например, манганин, константант, нихромы (железо-никелевые сплавы, фехраль (железо-хромовые сплавы). 11

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Электротехнические материалы Часть 2. Полупроводниковые материалы 12

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Полупроводниковые материалы Занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Но в 50 -х годах прошлого века научились использовать свойство полупроводников пропускать ток в одну стороны (диоды) или управлять пропуском тока при наличии сигнала управления (триоды, тиристоры и т. п. ) стали использовать данные материалы в цепях управления локомотивом. Основные полупроводниковые материалы – кремний, германий, селен. Первые опыты по созданию управляемых цепей тяговыми двигателями в России были реализованы на электровозах переменного тока, затем на тепловозах. В 21 веке по германской технологии создаются полностью управляемые электровозы большой мощности – 2 ЭС 10 и 2 ЭС 7 на асинхронном двигателе, электропоезд ЭС 2 Г (Ласточка). 13

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Полупроводниковые материалы Кремниевые выпрямители (диоды). Используются в цепях электровозов переменного тока при выпрямлении переменного тока в постоянный, на тяговых подстанциях – при преобразовании переменного тока в постоянный 3. 3 к. В, который подается в контактную сеть. 14

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Полупроводниковые материалы Управляемые выпрямители (тиристоры) на базе оксидов галия. Используются в силовых цепях электровозов постоянного тока при преобразовании постоянного тока в переменный, который подается в в асинхронный тяговых двигатель. При этом регулируется частота и уровень подаваемого напряжения – за счет чего получаем локомотив с широким диапазоном регулируемых характеристик на любой скорости (в будущем возможно создание полностью управляемого локомотива на базе электронного машиниста). 15

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Электротехнические материалы Часть 3. Электроизоляционные материалы 16

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Электроизоляционные материалы — это материалы, применяемые в электротехнических и радиотехнических устройствах для разделения токоведущих частей, имеющих разные потенциалы, для увеличения емкости конденсаторов, а также служащие теплопроводящей средой в электрических машинах, аппаратах и т. п. В качестве электроизоляционных материалов используют диэлектрики, которые по сравнению с проводниковыми материалами обладают значительно большим удельным объемным электрическим сопротивлением rv= 109 – 1020 Ом×см (у проводников 10 -6 – 10 -4 Ом×см). 17

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Основные характеристики электроизоляционных материалов: Высокое удельное объемное и поверхностное сопротивления rv и rs, относительная диэлектрическая проницаемость е, температурный коэффициент диэлектрической проницаемости 1/е-dе/d. Т град-1, угол диэлектрических потерь d, электрическая прочность Е пр (напряженность электрического поля, при которой происходит пробой). 18

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Электроизоляционные материалы применяются для изготовления систем изоляции тяговых электродвигателей тепловозов, электровозов на электрической тяге, а также двигателей постоянного тока классов нагревостойкости В, F и Н 19

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Основные характеристики электроизоляционных материалов: При оценке материала учитывают также зависимость этих характеристик от частоты электрического тока и величины напряжения. Электроизоляционные материалы можно классифицировать по нескольким признакам: агрегатному состоянию, химическому составу, способам получения и т. д. В зависимости от агрегатного состояния различают твердые, жидкие и газообразные электроизоляционные материалы. 20

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Твердые электроизоляционные материалы составляют наиболее обширную группу и в соответствии с физико-химическими свойствами, структурой, особенностями производства делятся на ряд подгрупп (например, слоистые пластики, бумаги и ткани, лакоткани, слюды и материалы на их основе, электрокерамические и др. ). К этим же материалам условно можно отнести лаки, заливочные и пропиточные составы, которые используются в качестве электроизоляционных материалов в затвердевшем состоянии. 21

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Жидкие электроизоляционные материалы — это электроизоляционные масла, в т. ч. нефтяные, растительные и синтетические. Электроизоляционные материалы отличаются друг от друга вязкостью и имеют различные по величине электрические характеристики. Лучшими электрическими свойствами обладают конденсаторные и кабельные масла. 22

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Воздух является естественным изолятором (воздушные промежутки в электрических машинах, аппаратах и т. п. ), обладает электрической прочностью около 3 Мв/м. Элегаз и фреон-21 имеют электрическую прочность около 7, 5 Мв/м, применяются в качестве электроизоляционных материалов в основном в кабелях и различных электрических аппаратах. 23

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 По химическому составу различают органические и неорганические электроизоляционные материалы. Наиболее распространенные электро- изоляционные материалы — неорганические слюда, керамика и пр. . 24

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Искусственные электроизоляционные материалы можно создавать с заданным набором необходимых электрических и физико-химических свойств, поэтому такие электроизоляционные материалы наиболее, широко применяют в электротехнике и радиотехнике. В соответствии с электрическими свойствами молекул вещества различают полярные (дипольные) и неполярные (нейтральные) электроизоляционные материалы. 25

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. Часть 5 Искусственные электроизоляционные материалы керамические используются в качестве изоляторов высоковольтных шин от корпуса локомотива. 26