Электротехника

1. Электрическая цепь постоянного тока. Источники электрического тока. ЭДС. Напряжение. Сопротивление электрической цепи.

В цепях постоянного тока движение заряженных частиц происходит только в одном направлении

Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

Напряже́ние (разность потенциалов) между точками A и B — отношение работы электрического поля при переносе пробного электрического заряда из точки A в точку B к величине пробного заряда.

ЭДС, так же как и напряжение, измеряется в вольтах.

Электри́ческое сопротивле́ние — мера способности тел препятствовать прохождению через них электрического тока.

В системе СИ единицей сопротивления является Ом

Сопротивление электрической цепи складывается из сопротивлений каждого участка цепи (источника, проводов, потребителя)

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения

2. Последовательное и параллельное соединение в цепи электрического тока.

3. Переменный электрический ток, его определение. Синусоидальный ток. Период, частота, амплитуда.

Переменный электрический ток- электрический ток, изменяющийся с течением времени.

Периодический электрический ток, являющийся синусоидальной функцией времени, называется синусоидальным током.

В линейных электрических цепях переменный синусоидальный ток возникает под действием ЭДС такой же формы. Для получения ЭДС синусоидальной формы генератор переменного тока промышленного типа имеет определенные конструктивные особенности. Однако принципиально синусоидальную зависимость ЭДС от времени можно получить, вращая с постоянной частотой в равномерном магнитном поле проводник в виде прямоугольной рамке.

Период Т- наименьший интервал времени, по истечении которого мгновенные величины периодической ЭДС повторяются.

Частота f-величина, обратная периоду: f=1/T , т.е., частота равна числу периодов переменной ЭДС в секунду. (Гц).

Амплитуда Em- наибольшая величина, которую принимает ЭДС в течении периода. Она является одной из мгновенных величин, которая соответствует аргументу кn+90, где к- любое целое число или 0.

4. Действующее значение переменного тока. Цепь переменного тока с активным и реактивным (Индуктивность, емкость) сопротивлением.

Действующим значением переменного тока (правильнее среднеквадратичным значением) называют некоторое значение постоянного тока, который за время одного периода произведёт тот же самый тепловой или электродинамический эффект, что и переменный ток.

Для гармонических колебаний тока I=0,707*I_m

Цепи переменного тока характеризуются активным и реактивным сопротивлениями

Активное сопротивление — сопротивление электрической цепи или её участка, обусловленное необратимыми превращениями электрической энергии в другие виды энергии

Реактивное сопротивление — электрическое сопротивление, обусловленное передачей энергии электрическому или магнитному полю (и обратно)

Индуктивное сопротивление (X_L) обусловлено возникновением ЭДС самоиндукции. Электрический ток создает магнитное поле. Изменение тока, и как следствие изменение магнитного поля, вызывает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока. Величина индуктивного сопротивления зависит от индуктивности элемента и частоты протекающего тока:

Ёмкостное сопротивление (X_C). Величина ёмкостного сопротивления зависит от ёмкости элемента С и также частоты протекающего тока:

Полным сопротивлением цепи называют величину

Угол сдвига фаз между током и напряжением определяется уравнением

φ = arctg((X_L - X_C) / R)

В зависимости от величин X_L и X_C возможны следующие варианты: X_L > X_C; X_L < X_C; X_L = X_C.

Для варианта X_L > X_C угол φ > 0. Ток отстает от напряжения на угол φ. Цепь имеет активно-индуктивный характер.

Для варианта X_L < X_C угол φ < 0. Ток опережает напряжение на угол φ. Цепь имеет активно-емкостный характер.

Для варианта X_L = X_C угол φ = 0. Ток совпадает с напряжением. Цепь имеет активный характер. Полное сопротивление z=R. Этот режим называется резонанс напряжений (U_L = U_C – при последовательном соединении) или резонанс тока (при параллельном соединении)

5. Трехфазный переменный ток. Соединение обмоток в звезду и треугольник. Соотношения токов и напряжений.

Трёхфазная система электроснабжения — частный случай многофазных систем электрических цепей, в которых действуют созданные общим источником синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые друг относительно друга на определённый угол, называемый фазой. В трёхфазных системах этот угол равен 120 градусам. Обозначаются фазы в РФ латинскими буквами A, B и C.

Преимущества трехфазных сетей

1) Экономичность.

-Экономичность передачи электроэнергии на значительные расстояния.

-По сравнению с системами с большим числом фаз экономичность проявляется в необходимости меньшего числа линейных проводников, что снижает затраты на токопроводящие материалы.

-Меньшая материалоёмкость 3-фазных трансформаторов.

2) Уравновешенность системы. Это свойство является одним из важнейших, так как в неуравновешенной системе возникает неравномерная механическая нагрузка на энергогенерирующую установку, что значительно снижает срок её службы.

3) Возможность простого получения кругового вращающегося магнитного поля, необходимого для работы электрического двигателя и ряда других электротехнических устройств. Двигатели 3-фазного тока (асинхронные и синхронные) устроены проще, чем двигатели постоянного тока, одно- или 2-фазные и имеют высокие показатели экономичности.

4)Возможность получения в одной установке двух рабочих напряжений — фазного и линейного, и двух уровней мощности при соединении на "звезду" или "треугольник".

Звездой называется такое соединение, когда концы фаз обмоток генератора соединяют в одну общую точку, называемую нейтральной точкой или нейтралью. Концы фаз обмоток приёмника так же соединяют в общую точку. Провода, соединяющие начала фаз генератора и приёмника, называются линейными. Провод, соединяющий две нейтрали, называется нейтральным.

Трёхфазная цепь, имеющая нейтральный провод, называется четырёхпроводной. Если нейтрального провода нет — трёхпроводной.

Для соединения обмоток звездой, при симметричной нагрузке, справедливо соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:

Треугольник — такое соединение, когда конец первой фазы соединяется с началом второй фазы, конец второй фазы с началом третьей, а конец третьей фазы соединяется с началом первой.

Для соединения обмоток треугольником, при симметричной нагрузке, справедливо соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:

6. Трехфазные цепи с заземленной нейтралью. Соотношения токов и напряжений.

Глухозаземленная нейтраль получается тогда, когда она соединяется с землей системой проводников и электродов, находящихся в земле около места установки генератора или трансформатора. От нейтрали идет провод, называемый нулевым, который соединяется с корпусом каждого приемника энергии. Системы с глухозаземленной нейтралью применяются для питания большинства производственных и бытовых электроприемников.

При полном нарушении изоляции фазы А относительно земли (глухое заземление) эта фаза приобретает потенциал земли или близкий к нему, напряжения других фаз по отношению к земле (0'В и 0'С) возрастают до линейных напряжений (АС и АВ), т. е. увеличиваются в 1,73 раза, а напряжение нулевой точки по отношению к земле возрастает до фазного (00' = ОА).

Если нейтраль заземлена, фазные напряжения по отношению к земле остаются постоянными и равными фазному напряжению. При нарушении изоляции одной из фаз по отношению к земле нейтраль может получить незначительное смещение.

Прикосновение человека к одной из фаз создает цепь тока: проводник—тело человека—земля—заземленный нулевой провод—общая точка обмоток (рис. 5.). Напряжение прикосновения человека будет частью фазного напряжения, и ток, проходящий через человека, не зависит от токов утечки и емкостных токов других фаз, так как цепь замыкания через сопротивление нейтрали имеет меньшее сопротивление, чем сопротивления утечки и емкостные сопротивления этих фаз, т. е. эти сопротивления оказываются зашунтированными.

Прикосновение человека к токоведущей части может быть замыканием на заземленную часть электроустановки - замыканием на корпус, или замыканием непосредственно на землю. Здесь имеется различие, так как в последнем случае имеет значение большое переходное сопротивление в месте контакта человека с землей.

В системе с заземленной нейтралью при замыкании провода на землю создается путь тока от места замыкания через землю и нулевую точку к обмоткам других фаз генератора или трансформатора, и защита срабатывает. В случае касания провода человеком он оказывается под фазным напряжением и не может оказаться под линейным напряжением.

7. Трехфазные цепи с изолированной нейтралью. Соотношения токов и напряжений.

Сети напряжением до 1 кВ с изолированной нейтралью (рис. 1.3) —это малораззетвленные сети. К ним относятся, как правило, трехпроводные сети напряжением 380, 660 В. Электроустановки с изолированной нейтралью (ИН) следует при­менять при повышенных требованиях в отношении безопас­ности (торфяные разработки, горные карьеры, угольные шахты) ипри условии надежного контроля изоляции сети для быстрого обнаружения персоналом замыкания на землю. При этом должна быть обеспечена скорейшая лик­видация замыканий на землю или автоматическое отклю­чение участков при возникновении замыкания на землю. Системы с ИН не име­ют четвертого (нулевого) провода, поэтому их исполнение экономичнее по сравнению с четырехпроводной сетью с глухозаземленной нейтралью. В сетях с ИН при замыкании одной фазы на землю через место повреждения будут проходить только емкостные токи, обус­ловленные напряжением и емкостью неповрежденных фаз. Напряжение поврежденной фазы по отношению к земле становится равным нулю, а напряжения двух других фаз становятся равными междуфазным напряжениям (рис. 1.3,6).

При замыкании на землю система питания сети с ИН не отключается и может работать до отыскания повреждения согласно ПУЭ два с лишним ча­са. Этого времени достаточно для отыскания дежурным пер­соналом места повреждения, так как режим работы сети при замыкании одной фазы на землю считается не аварийным, а лишь анормальным режимом. Питание электроприемников при этом не прерывается. Из всех видов повреждений однофазные замыкания на землю составляют обычно 75— 85%, поэтому сети с ИН являются более надежными по сравнению с сетями с глухим заземле­нием нейтрали. В связи с тем, что при ИН сети во время замыкания на землю одной фазы на­пряжения двух других фаз относительно земли увеличива­ются в раз, изоляцию всех трех фаз сет нужно предусмотреть не на фазное, а на междуфазное напряже­ние.

8. Основные сведения о токах короткого замыкания. Электродинамическое и термическое действие токов КЗ. Виды коротких замыканий в трехфазной электрической сети.

Коро́ткое замыка́ние — электрическое соединение двух точек электрической цепи с различными значениями потенциала, не предусмотренное конструкцией устройства и нарушающее его нормальную работу. Короткое замыкание может возникать при нарушении изоляции токоведущих элементов или вследствие механического соприкосновения элементов, работающих без изоляции. Также коротким замыканием называют состояние, когда сопротивление нагрузки меньше внутреннего сопротивления источника питания

При коротком замыкании резко возрастает протекающая в цепи сила тока, что обычно приводит к механическому или термическому повреждению устройства. В месте короткого замыкания может возникнуть электрическая дуга.

Короткое замыкание в одном из элементов энергетической системы способно нарушить её функционирование в целом — у других потребителей может снизиться питающее напряжение, при коротких замыканиях в трёхфазных сетях возникает асимметрия напряжений, нарушающая нормальное электроснабжение. В больших энергосетях короткое замыкание может вызывать тяжёлые системные аварии.

В случае повреждения проводов воздушных линий электропередачи и замыкании их на землю, в окружающем пространстве может возникнуть сильное электромагнитное поле, способное навести в близко расположенном оборудовании ЭДС, опасную для аппаратуры и работающих с ней людей.

Рядом с местом аварии происходит растекание потенциала по поверхности земли, шаговое напряжение может достигнуть опасного для человека значения.

ТКЗ производит электродинамическое действие на аппараты и проводники, когда их детали могут деформироваться под действием механических сил, возникающих при больших токах.

Термическое действие ТКЗ заключается в перегреве аппаратов и проводов. Поэтому при выборе аппаратов их нужно проверять по условиям КЗ, с тем чтобы они выдержали ТКЗ в месте их установки.

В трёхфазных электрических сетях различают следующие виды коротких замыканий:

Однофазное (замыкание фазы на землю);

Двухфазное (замыкание двух фаз между собой);

Двухфазное на землю (2 фазы между собой и одновременно на землю);

Трёхфазное (3 фазы между собой).

9. Электрическая емкость, ее математическое выражение, единицы измерения. Конденсатор.

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, характеризующая его способность накапливать электрический заряд. Ёмкость определяется как отношение величины заряда проводника к потенциалу проводника. Ёмкость обозначается как C.

где Q — заряд, — потенциал.

В системе СИ ёмкость измеряется в фарадах.

Для плоского конденсатора ёмкость равна:

где S — площадь обкладок, d — расстояние между обкладками, ε — диэлектрическая проницаемость среды между обкладками, ε0 = 8.854*10^-12 Ф/м — электрическая постоянная.

Конденса́тор — двухполюсник с определённым значением ёмкости и малой омической проводимостью; устройство для накопления энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом. Обычно состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.

Конденсатор в цепи постоянного тока может проводить ток в момент включения его в цепь (происходит заряд или перезаряд конденсатора), по окончании переходного процесса ток через конденсатор не течет, так как его обкладки разделены диэлектриком. В цепи же переменного тока он проводит колебания переменного тока посредством циклической перезарядки конденсатора.

10. Электромагнетизм. Магнитное поле вокруг проводника с током. Намагничивающая и магнитодвижущая сила. Напряженность магнитного поля. Магнитная индукция. Взаимодействие проводника с током с магнитным полем.

Магнитным полем называется одна из двух сторон электромагнитного поля, возбуждаеая электрическими зарядами движущихся частиц и изменением электрического поля и характеризующаяся силовым воздействием на движущиеся заряженные частицы, а стало быть, и на электрические токи.

Маrнитные индукционные линии вокрyг проводника с током обладают следующими свойствами: 1) маrнитные индукционные линии прямолинейноrо проводника имеют форму концентрических окружностей; 2) чем ближе к проводнику, тем rуще распо- лаrаются магнитные индукционные линии; 3) маrнитная индукция (интенсивность поля) зависит от величины тока в проводнике; 4) направление маrнитных индукционных линий зависит от направления тока в проводнике.

Направление маrнитных индукционных линий вокpyr проводника с током можно определить по «правилу буравчика:.. Если буравчик (штопор) с правой резьбой будет двиrаться поступательно по направлению тока, то направление вращения ручки будет совпадать с направлением маrнитных индукционных линий вокpyr проводника

Взаимодействие проводников с током

Если близко один к другому расположены проводники с токами одного направления, то магнитные линии этих проводников, охватывающие оба проводника, обладая свойством продольного натяжения и стремясь сократиться, будут заставлять проводники притягиваться.

Магнитные линии двух проводников с токами разных направлений в пространстве между проводниками направлены в одну сторону. Магнитные линии, имеющие одинаковое направление, будут взаимно отталкиваться. Поэтому проводники с токами противоположного направления отталкиваются один от другого

Сила взаимодействия проводников равна

Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции, который имеет, следовательно, определенную величину и определенное направление в пространстве.

где - магнитная проницаемость вакуума = 4∙10^(-7) [генри/метр] , -относительная магнитная проницаемость. Магнитная индукция измеряется в [Вб/м^2]

Отношение магнитной индукции к произведению магнитных проницаемостей наз-ся напряженностью магнитного поля

измеряется в [А/м]

Напряженность поля катушки пропорциональна произведению числа ампер на число витков или числу ампер-витков. I∙ω называется намагничивающей силой (НС) и обозначается буквой F. Так как ω­ число отвлеченное, то намагничивающая сила измеряется в амперах.

Магнитодвижущая сила - величина, характеризующая магнитное действие электрического тока. Вводится при расчётах магнитных цепей по аналогии с электродвижущей силой в электрических цепях. М. с. F равна циркуляции вектора напряжённости магнитного поля Н по замкнутому контуру L, охватывающему электрические токи, которые создают это магнитное поле:

Взаимодействие проводника с током с магнитным полем

Направление силы, действующей на проводник с током в маrнитном поле, можно определить по «правилу левой руки». Если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии, выходящие из ceвepнoгo полюса, как бы входили

в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то большой отогнутый руки покажет направление действия силы.