Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника и электроника. Учебное пособие.pdf
X
- •и полупроводники
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи для самостоятельной работы
- •Тема 2. Электрические цепи постоянного тока.
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи для самостоятельной работы
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи для самостоятельной работы.
- •Тема 5. Трансформатор.
- •Электрические цепи постоянного тока
- •Вопросы для самопроверки
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи для самостоятельной работы
- •Тема 6. Цепи однофазного переменного тока.
- •Вопросы для самопроверки
- •Задачи для самостоятельной работы.
- •Тема 7. Мощность цепи синусоидального тока
- •Задачи для самостоятельной работы.
- •Тема 8. Цепи трехфазного переменного тока.
- •Задачи для самостоятельной работы.
- •Тепловые расчеты элементов нагревательных устройств
- •Вопросы для самопроверки
- •Особенности измерения цифровыми электронными приборами
- •Заключение
- •Список рекомендованной литературы

U = U1 + U2 + U3 + U3 +…+ U
n
1
'
∑
=
=
k
kэкв
RR
или
U = R
I + R2 I + R3 I +…+ Rn I = I (R1 + R2 + R3 +…+ Rn) = R
1
n
I
экв
где
– эквивалентное сопротивление цепи.
Таким образом, эквивалентное сопротивление последовательно соединенных пассивных элементов равно сумме сопротивлений
этих элементов. Схема электрической цепи (рис. 4.2а) может быть
представлена эквивалентной схемой (рис. 4.2), состоящей из одного элемента с эквивалентным сопротивлением R
мы U = R
I, что совпадает с уравнением (4.1). При расчете цепи с
экв
. Для такой схе-
экв
последовательным соединением элементов при заданном напряжении источника питания и сопротивлениях элементов ток в цепи
рассчитывают по закону Ома:
I = U/R
Падение напряжения на k-м элементе U = R
сит не только от сопротивления этого элемента R
лентного сопротивления R
, т. е. от сопротивления других элемен-
экв
экв
.
I = RkU/R
k
, но и от эквива-
k
зави-
экв
тов цепи. В этом заключается существенный недостаток последовательного соединения элементов. В предельном случае, когда сопротивление какого-либо элемента цепи становится равным бесконечности (разрыв цени), ток во всех элементах цепи становится
равным нулю. Так как при последовательном соединении ток во
всех элементах цепи один и тот же, то отношение падений напряжения на элементах равно отношению сопротивлений этих элементов:
U
= Rk/Rn.
k/Un
51

Вопросы для самопроверки
1. Что
такое цепь, узел, какие виды цепей вы знаете?
2. Что такое правило Кирхгофа? Ответ обосновать.
3. Какие бывают задачи в теории электрических цепей, объяс-
ните, в чем причина?
4. Что такое разветвлённая цепь и степень ее применимости?
5. Дайте определение 1 правилу Кирхгофа. Степень его при-
менимости.
6. Дайте определение 2 правилу Кирхгофа. Степень его при-
менимости.
7. В чем заключаются задачи анализа?
8. Опишите последовательности решения задачи анализа.
9. В чем заключаются задачи синтеза?
10. В чем разница между задачами синтеза и анализа? Какие
законы применяются?
11. Объясните, что такое эквивалентное сопротивление цепи?
12. Почему тело утопленника всплывает в течение определен-
ного времени? Ответ обоснуйте.
13. Нарисуйте схемы подключения параллельного и последова-
тельного соединения проводников. Дайте полный развернутый ответ.
14. Что такое параллельное соединение проводников достоин-
ства и недостатки? Приведите на примере электрических осветительных ламп.
15. Объясните, что такое эквивалентное сопротивление? Как
могут быть применимы эти законы?
16. Что такое последовательное соединение проводников до-
стоинства и недостатки?
17. Составьте и нарисуйте схему освещения для жилого поме-
щения (задания для каждого отдельного случая обучающемуся
предоставит преподаватель или учебный мастер).
18. Что такое эквивалентная проводимость?
19. Что такое замкнутый контур, ответ поясните на примере?
адачи для самостоятельной работы
З
ассчитать площадь поперечного сечения алюминиевого
1. Р
провода для передачи энергии на 500 км. При этом мощность равна
52

1 ГВт, напряжение в линии электропередач равно 500 кВ, учесть
потерю энергии в проводах α = 0,08. Принять равным ρ = 2,8 ∙108
Ом ∙ м.
2. Рассчитать площадь сечения проводов для линии напряже-
ния 250 В, 220 В, 330 В. Полученные результаты проанализируйте.
3. Нагревательное устройство имеет мощность 2 кВт, опреде-
лить допустимое сечение провода до рекомендуемого времени
нагрева воды 3,4, 5 мин.
4. Определить параметры силы тока, сечение и материал
нагревателя для циркуляционной установки, если известно, что
мощность установки 10 кВт. Рабочая температура термической обработки принять равной 1000°С.
5. Определить время службы проволочных нагревателей в за-
висимости от температуры, скорости испарения и свойства газовой
среды и вакуума. Рассчитать для металлических и неметаллических
нагревателей. Необходимые данные возьмите из справочника.
6. Определить изменение линейных размеров детали (в зави-
симости от материала). Данные возьмите из справочника о коэффициенте линейного и объёмного расширения металлов. Рассчитать для жаропрочных сплавов до температур 450°С и выше от 500
до 1000°С, сталей ХН78Т, Х13Ю4, 20Х23Н18, 20х25Н20С2.
Тема 5. Трансформатор.
Электрические цепи постоянного тока
Трансформатор (Т) – устройство повышения и понижения
напряжения, а значит и электрического тока. Дадим более точное
определение. Трансформатор – это статическое устройство, имеющее два или большее число индуктивно связанных обмоток и
предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в
одну или несколько других систем переменного тока.
Обычно приемники электроэнергии расположены на некотором расстоянии от электростанций. Иногда эти расстояния измеряются сотнями и тысячами километров.
Генераторы электростанций вырабатывают электроэнергию
напряжением 10−20 кВ. Энергия большой мощности при небольшом значении напряжения может быть передана только при большом значении тока. Для этого требуются провода больших сече-
53

ний, иначе потери мощности
Pn = 3I2R0 L, (5.1.)
где R0 – сопротивление 1 км линии передачи, Ом/км; L — длина
линии (км) будут большими. Чем больше мощность и длина линии
передачи, тем больше потери мощности. При некоторых значениях
S и L передача электроэнергии становится экономически невыгод-
ной. Если ту же самую мощность передавать при более высоком
напряжении, то I= S/3
1/2
U уменьшится.
Такое изменение напряжения при практически неизменной передаваемой мощности осуществляется с помощью трансформатора.
Трансформаторы могут повышать напряжение генераторов электростанций до 35, 110, 220, 330, 500, 750 кВ. На местах потребления электроэнергии напряжение должно быть понижено до такого
уровня, которое является номинальным для электроприемников
(220, 380 В и т. д.). Для этой цели также используют трансформаторы. Первые идеи создания трансформатора принадлежали талантливому русскому изобретателю П.Н. Яблочкову (1878).
Быстрое развитие трансформаторостроения началось, когда
М.О. Доливо-Добровольским была разработана трехфазная система
тока (1889−1890). Им же была предложена конструкция трехфазного трансформатора. Трансформаторы применяются в установках
электросварки, в радио- и телеустановках, в системах автоматического управления, связи и др. В этих случаях трансформаторы преобразуют напряжение одного уровня в напряжение другого уровня,
которое требуется для питания данного элемента установки и отличается от напряжения, источника питания. Область применения
трансформаторов очень широка, чем и объясняются их конструктивное разнообразие и большой диапазон мощностей (от долей
вольт-ампер до сотен мегавольтампер).
Он представляет собой железный сердечник, на котором надеты две обмотки (катушки). Количество витков в катушке различное. Например, при подключении к одной из катушек сетевое
напряжение и с помощью вольтметра можем убедиться, что на
концах другой обмотки появится напряжение, отличающее от сетевого. Отсюда если первичная обмотка имеет W1 витков, а вторичная имеет W2, то отношение напряжений будет равно
54

2
1
2
1
W
W
U
U
=
(5.1а)
Таким образом, трансформатор будет повышать напряжение,
если первичное напряжение подведем к катушке с меньшим числом витков и понижать в обратном случае.
Вопрос: почему так происходит?
Ответ: дело в том, что весь магнитный поток проходит практически через железный сердечник. Значит обе катушки пронизаны
одинаковым числом линий индукции. Поэтому трансформатор будет действовать в том случае, если первичное напряжение переменное. Синусоидальное изменение тока в первичной катушке будет вызывать синусоидальное ЭДС индукции во вторичной катушке. Виток первичной и вторичной катушек находится в одинаковых
условиях. ЭДС одного витка первичной катушки равна ЭДС сети,
поделённой на число витков первичной катушки, U
вторичной катушки равна произведению значения U
витков W
. Трансформатор может использоваться и как повышаю-
2
1/W1
на число
1/W1
, а ЭДС
щий, и как понижающий, в зависимости от того, к какой катушке
подключено первичное напряжение.
В быту приходится использовать трансформатор, так как многие приборы рассчитаны на различное напряжение. Также трансформаторы применяют в автомобилях в качестве так называемой
бобины (повышающий трансформатор). При создании искры, поджигающей рабочую смесь, требуется высокое напряжение, которое
и получается от аккумулятора автомобиля, предварительно превратив постоянный ток аккумулятора в переменный с помощью прерывателя или выпрямителя. Здесь нетрудно сообразить, что с точностью до потерь энергии, идущей на нагревание трансформатора,
при повышении напряжения уменьшается сила тока и наоборот.
При сварке тоже требуются, но только понижающие, трансформаторы. При сварке применяют очень сильные токи, и трансформатор
сварочного аппарата имеет всего лишь один выходной виток.
В настоящее время трансформатор изготавливают из тонких
листов стали толщиной 0,35-0,5 мм, делается это с целью не терять
энергии при преобразовании напряжения, как уже говорилось выше, так как вихревые токи будут играть меньшую роль, чем в
сплошном металле. В производстве применяют мощные трансфор-
55

маторы, где сердечник с обмотками помещают в бак, заполненный
охлаждающим маслом.
В настоящее время применяют два вида специальной электротехнической стали: горячекатаную сталь с высоким содержанием
кремния или холоднокатаную сталь. Последняя имеет лучшие магнитные характеристики в направлении прокатки. Стальные листы
изолированы друг от друга бумажной, лаковой изоляцией (толщиной 0,04−0,6 мм) или окалиной, что позволяет уменьшить потери
мощности в магнитопроводе за счет того, что вихревые токи замыкаются в плоскости поперечного сечения отдельного листа. Чем
меньше толщина листа, тем меньше сечение проводника, по которому протекает вихревой ток I
, и тем больше его сопротивление. В
в
результате вихревой ток и потери мощности на нагрев магнитопровода уменьшаются.
Трансформатор (рис. 5.1) состоит из стального магнитопровода, на который намотаны обмотки. Обмоток может быть две (двухобмоточный трансформатор), три (трехобмоточный) и т. д. К одной из обмоток подводят напряжение u
обмотка называется первичной и имеет ω
имеющая ω
витков, называется вторичной. Начала обмоток обо-
2
от источника питания. Эта
1
витков. Другая обмотка,
1
значают A и a, концы – X и x.
Рисунок 5.1 – Электромагнитная схема трансформатора (а) и его
условное изображение на электрической схеме (б, в)
Под действием переменного напряжения u1 по виткам первичной обмотки протекает переменный ток i, создающий переменную
магнитодвижущую силу iω1, которая, в свою очередь, создает переменный основной магнитный поток Ф, замыкающийся по сталь-
56

ному магнитопроводу. Применение магнитопровода с большой
),
2
sin(cos
-
-
111
1
π
ωωω
ωω
−
⋅=⋅⋅
⋅
==
tEtФ
dt
dФ
E
mm
),
2
sin(
cos-
22
2
2
π
ω
ωωω
ω
−⋅=
⋅⋅⋅
=−=
tE
tФ
dt
dФ
E
m
m
,44,4
2
2
2
2
11
11
1 mm
mm
ФfФf
ФЕ
E ⋅⋅==
⋅⋅
==
ωω
π
ωω
,44,4
2
2
2
2
22
22
2 mm
mm
ФfФf
ФЕ
E ⋅⋅==
⋅⋅
==
ωω
π
ωω
магнитной проводимостью способствует увеличению магнитного
потока и усилению электромагнитной связи между обмотками. Замыкаясь, магнитный поток Ф оказывается сцепленным как с первичной, так и со вторичной обмотками. При синусоидальном первичном напряжении магнитный поток также будет синусоидальным: Ф = Фmsinωt (здесь и далее ω – угловая частота синусоидального напряжения, а ω1, ω2 – количество витков первичной и вторичной обмоток трансформатора). Магнитный поток индуцирует в
первичной обмотке ЭДС самоиндукции, пропорциональной числу
витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:
(5.2)
где Е1m = ω ω1 Фm – амплитуда первичной ЭДС. Как видно из формулы (5.2), ЭДС первичной обмотки отстает по фазе от магнитного
потока на угол π/2.
Синусоидальный магнитный поток, сцепленный со вторичной
обмоткой, индуцирует в ней ЭДС взаимоиндукции
(5.3)
где Е2m = ω ω2 Фm – амплитуда вторичной ЭДС.
Сравнивая (5.3) и (5.2), видим, что вторичная ЭДС совпадает
по фазе с первичной ЭДС, т. е. также отстает по фазе от магнитного
потока на угол π/2. Этого и следовало ожидать, так как обе ЭДС
индуцируются одним и тем же магнитным потоком.
Так как частота ЭДС одинакова и индуцируются они одним и
тем же магнитным потоком, то первичная ЭДС отличается от вторичной только в том случае, если число витков ω1 и ω2 обмоток неодинаково. Чем больше число витков обмотки, тем большая ЭДС в
ней индуцируется
57

.
2
1
2
1
ω
ω
=
=
E
Е
k
Отношение первичной ЭДС ко вторичной называется коэффициентом трансформации трансформатора и равно отношению числа витков обмоток. Коэффициент трансформации может быть как
больше, так и меньше единицы.
Если необходимо повысить напряжение источника питания, то
число витков вторичной обмотки делают больше числа витков первичной обмотки (ω1 < ω2). Такой трансформатор называется повышающим. Если это напряжение надо понизить, то ω2 < ω1. В этом
случае трансформатор будет понижающим. Если требуется несколько различных значений вторичного напряжения, то на тот же
магнитопровод наматывают несколько вторичных обмоток с различным числом витков.
Таким образом, при подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного тока на зажимах вторичной
обмотки индуцируется переменная ЭДС. Е2 и вторичная обмотка
становятся источником питания, к которым можно присоединить
какой-либо электроприемник.
Электрической цепью называется совокупность устройств и
объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. В электрической цепи постоянного тока могут действовать как постоянные токи, т. е. такие, значение и направление которых в любой момент
времени остаются неизменными, так и токи, направление которых
остается постоянным, а значение изменяется во времени произвольно или по какому-либо закону (такие токи нельзя назвать строго постоянными). Под цепями постоянного тока в современной
технике подразумевают цепи, в которых ток не меняет своего
направления, т. е. полярность источников ЭДС в них постоянна.
Электрическая цепь состоит из отдельных устройств или элементов, по назначению подразделяющиеся на три группы:
1. Элементы, предназначенные для генерирования (выработки)
электроэнергии (источники питания или источники э. д. с.).
2. Элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды
энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т. д.);
эти элементы называются приемниками электрической энергии,
58

или нагрузкой.
3. Элементы, предназначенные для передачи электроэнергии
от источника питания к электроприемнику (провода, устройства,
обеспечивающие уровень и качество напряжения и др.). Электрическая цепь, электрическое сопротивление участков которой не
зависит от значений и направлений токов и напряжений в цепи,
называется линейной электрической цепью. Такая цепь состоит
только из линейных элементов, а ее состояние описывается линейными алгебраическими уравнениями. В противном случае цепь
называется нелинейной и описывается более сложными математическими уравнениями. Для расчета и анализа работы электрической цепи, состоящей из любого количества различных элементов,
удобно представить графически (рис. 5.1). Графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее
элементов и показывающее соединения этих элементов, называется
схемой электрической цепи. Простейшая схема электрической цепи, состоящая из источника ЭДС (Е) и резистора сопротивлением
(R), изображена на рис. 5.1.
Рисунок 5.2. Схема электрических цепей:
а – простейший одноконтурный, б – многоконтурный (р = 5, q = 3)
Участок электрической цепи, вдоль которого протекает один и
тот же ток, называется ветвью. Место соединения ветвей электрической цепи называется узлом.
На электрических схемах узел обозначают точкой (рис. 2.1б).
Иногда несколько геометрических точек, соединенных проводниками, сопротивление которых принимают равным нулю (c – d), об-
59

разуют один узел – (рис. 5.2). Таким образом, каждая ветвь соеди-
рис. 2.1б), имеет число ветвей р = 5 и число
няет два соседних узла электрической схемы. Число ветвей схемы
принято обозначать р, а число узлов – q. Электрическая цепь, изображенная на схеме (
узлов q = 3 (а, b, с).
Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям,
называют контуром электрической цепи. Простейшая электрическая цепь имеет одноконтурную схему (рис. 2.1а), сложные элек-
трические цепи – несколько контуров (рис. 5.2).
Вопросы для самопроверки
1. Что такое трансформатор и поясните его физический смысл?
2. Объясните принцип работы трансформатора.
3. Почему энергию передают при большем значении тока и пояс-
нить и обоснуйте ответ? Ответить на вопросы: какова его
мощность, ток, сопротивление и напряжение.
4. Запишите уравнение коэффициента трансформации и поясните
его физический смысл.
5. Что такое первичная обмотка и вторичная обмотки трансфор-
матора?
6. Почему трансформатор повышает напряжение и соответствен-
но понижает, ответ пояснить? Какие основные процессы протекают в трансформаторе?
7. Расскажите принцип работы трансформатора и его частей.
8. Из каких составных частей состоит трансформатор, перечис-
лите, какова основная функция?
9. Как определить предотвратить потери на нагревание, поясните
подробно.
10. Что такое бобины? Где применяются трансформаторы? Пере-
числите области применения.
11. Почему целесообразно применение масло в трансформаторах и
в чем его преимущества?
12. Как влияет среда в процессе эксплуатации на нагреватели,
объясните почему срок службы нагревателей уменьшается или
увеличивается?
13. Какое количество теплоты выделяется при нагреве 1 литра во-
ды, сравнить при сгорании 1 литра бензина. Дайте полный развернутый ответ?
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
