Негосударственное образовательное учреждение высшего образования Московский технологический институт

Филиал в г. Оренбурге

Кафедра «Энергетики»

Никульченко А. Г.

Конспект лекций по дисциплине

«Электроснабжение с основами электротехники»

Направление подготовки

270800.62 «Строительство»

Профиль подготовки

«Промышленное и гражданское строительство»

форма обучения заочная

г. Оренбург

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Переменным называется ток (или напряжение), периодически изменяющий свое направление и величину, причем, среднее значение этого тока за период равно нулю (рис. 48). Через определенный промежуток времени Т, называемый периодом, изменения тока повторяются. Длительность периода измеряется в секундах.

Число периодов в секунду называется частотой f. Следовательно, частота f = 1/с. Она измеряется в герцах (Гц). Гц — 1 /с, т. е. частота переменного тока равна одному герцу, если его период равен одной секунде. Частота электроэнергетических установок стандар­тизована. Это необходимо, так как электрические машины и аппараты переменного тока нормально работают только при одной определенной частоте, на которую они рассчи­таны. В СССР и в большинстве стран мира стандартная частота 50 Гц, в США — 60 Гц.

Преимущественное применение переменного тока в электроэнергетике и промышлен­ности объясняется в основном тем, что на переменном токе работают трансформаторы, а двигатели переменного тока проще, прочнее и дешевле двигателей постоянного тока. Особо важна возможность трансформирования электроэнергии, т. е. простого и с малыми потерями преобразования тока большой силы и низкого напряжения в ток малой силы и высокого напряжения или обратного преобразования.

1.2. Синусоидальный ток

Переменный ток представляет собой периодический процесс, а с математической точки зрения простейшим периодическим процессом являются гармонические колеба­ния, выражаемые уравнением синусоидальной кривой. Мгновенные значения синусоидаль­ного переменного тока выражаются математической формулой

I = I_m*sin(ωt + ά)

где I_m — максимальное значение синусоидального тока; ω = 2π/T=2π*f — угловая частота переменного тока; ά — начальная фаза переменного тока.

Графическое изображение волновой диаграммы переменного тока показано на рис. 50.

1.3. Источники переменного тока

Источниками переменного тока промышленной частоты (50 Гц) служат электромашинные генераторы, вращаемые теми или иными первичными двигателями (паровыми или гидравлическими турбинами и др.).

Устройство электромашинного генератора переменного тока показано на рис. 54. Он состоит из неподвижной части статора (от лат. слова stator - стоящий) и вращаю­щейся части — ротора (от лат. слова rotor - вращающийся). Статор имеет форму по­лого цилиндра, сердечник которого собран из тонких (0,35—0,5 мм) листов электротех­нической стали, изолированных друг от друга лаком. В пазах (каналообразных канав­ках), сделанных вдоль внутренней поверхности цилиндра статора, размещены провод­ники обмотки переменного тока статора, соединенные между собой определенным образом.

На роторе размещены электромагниты. Их обмотка, называемая обмоткой возбуж­дения генератора, соединяется через кольца и щетки с источником постоянного тока — возбудителем.

Постоянный магнитный поток, возбужденный током ротора, проходит через тело ротора, два воздушных зазора между статором и ротором и сердечник статора. При вра­щении ротора этот поток пересекает проводники статора и наводит в них э. д. с..

В двухполюсном генераторе (см. рис. 54) за один оборот ротора проходит один пе­риод э. д. с. статора. Генератор делает n оборотов в минуту. Следовательно, в минуту э. д. с. проходит n периодов, а частота индуктированной в обмотке статора э. д. с. будет:

f = n/60

Если же ротор имеет р пар полюсов, то за один его оборот происходит p*n полных периодов изменений э. д. с. и частота э. д. с. будет:

f = p*n/60

По этой формуле легко вычислить, что для получения частоты 50 Гц двухполюсные (р = 1) генераторы должны делать 3000 об/мин (скорость большинства генераторов на тепловых электростанциях). Но многополюсный генератор для получения той же частоты может вращаться значительно медленнее: например, при р = 40 число оборотов в минуту уменьшится до 75. При таких малых скоростях работает большинство генераторов, при­водимых во вращение гидравлическими турбинами.

1.4. Простейшие цепи переменного тока

Простейшие условия имеют место в цепи переменного тока, содержащей одно со­противление r (рис. 56, а). Ток создается в ней только действием напряжения источника энергии и при синусоидальном напряжении u = U_m*sinωt сила тока будет:

i = u/r = U_m*sinωt/r = I_m* sinωt

Обычно сопротивление r достаточно постоянно, поэтому ток в цепи, содержащей толь­ко r, совпадает по фазе с напряжением. Во временной диаграмме цепи кривые u и i одно­временно проходят через нулевые и амплитудные значения (рис. 56, б). Максимальное значение силы тока I_m = U_m/r, что является выражением закона Ома для амплитудных значений, и так как I_m = √2I и U_m = √2U, то аналогичное выражение получим и для действующих значений:

I = U/r

Эта формула не отличается от выражения закона Ома для постоянного тока. Но в цепи переменного тока сопротивление r называется активным сопротивлением, в отличие от сопротивления цепи при постоянном токе r = ρ*ℓ/s (§ 1—5), называемом омическим сопро­тивлением.

В одной и той же цепи часто активное сопротивление существенно отлича­ется от омического (обычно оно больше).