1. Цепи постоянного тока(состав и особенности элементов цепи, область применения)

Электрическая цепь состоит из трех основных элементов:

• источника электрической энергии;

• приемника электрической энергии;

• соединительных проводов.

Источники электрической энергии - превращают химическую, механическую, тепловую, световую или энергию других видов в электрическую энергию.

Основное назначение источника энергии - создать и поддерживать в цепи разность потенциалов, разность электрических уровней; создать как бы электрический напор, под воздействием которого образуется упорядоченное движение электрических зарядов, то есть ток.

Принято зажим высшего потенциала источника обозначать знаком "+", зажим низшего потенциала знаком "-".

Разность электрических потенциалов количественно определяется величиной, которая называется электродвижущей силой, или коротко ЭДС.

Внешней характеристикой называется функциональная зависимость напряжения на клеммах источника от величины тока, протекающего через источник.

Приемник электрической энергии - электрическая энергия преобразуется тепловую, световую, механическую и другие виды энергии.

Это могут быть электрические лампы, нагревательные приборы, электродвигатели и другие устройства.

Вольтамперной характеристикой называется функциональная зависимость напряжения на зажимах нагрузки от тока, протекающего через нагрузку.

Линейным элементом, или нагрузкой, называют такой, сопротивление которого R при любых значениях тока через него остается постоянным, а вольтамперная характеристика представляет собой прямую линию.

Нелинейным элементом называют такой, сопротивление которого R непостоянно и зависит от величины тока, проходящего через него, а вольтамперная характеристика представляет собой кривую линию.

Только линейные элементы подчиняются закону Ома.

Соединительные провода - они обеспечивают передачу электрической энергии, транспортируют энергию от источника к нагрузке.

Их назначение передать электрическую энергию потребителю с минимальными потерями.

Область применения цепи постоянного тока: в технике, электронных схемах.

2. Эквивалентные преобразования в цепях постоянного тока при последовательном, параллельном и смешанном соединениях сопротивлений.

При последовательном:

При параллельном соединение:

Два наиболее встречающихся на практике случая:

a)Параллельное соединение n одинаков сопротивлений.

б)Параллельное соединение двух сопротивлений.

Преобразование в смешанном соединение осуществляется с помощью применения преобразований последовательных и параллельных соединений.

4. Сложная цепь, ветви, узлы. Закон сохранения энергии.

Сложная электрическая цепь - называют такую, в которой имеется несколько путей для растекания токов.

Узлами называются точки цепи, в которых соединяются между собой три или более проводников.

Проводники, соединяющие между собой узлы, называются ветвями.

Ветви бывают двух видов:

1) Активные - Активная ветвь, ветвь содержащая не только сопротивление но и источник энергии;

2) Пассивные - Пассивная ветвь, ветвь которая содержит только сопротивление.

Закон сохранение энергии - Энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной. Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы. Для незамкнутой системы увеличение/уменьшение ее энергии равно убыли/возрастанию энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей

5.Расчет цепи постоянного тока методом законов Кирхгофа

6.Расчёт цепи постоянного тока методом контурных токов

7.Резонанс( понятие о колебательной системе, собственной частоте колебаний, виды резонансов)

Понятие о колебательном контур:

Колебательный контур - это цепь в которой возникает явление резонанса.

Резонанс – такой режим цепи синусоидального тока, содержащей индуктивные и емкостные элементы, при котором реактивное сопротивление и проводимость равны нулю.

Собственная частота колебаний - Угловая частота, при которой наступает резонанс, называется резонансной, или собственной частотой колебаний резонансного контура.

Виды резонансов:

Резонанс напряжений

Резонанс токов

8. Резонанс напряжений (схема, частотные характеристики, применение)

Частотные характеристики:?

Применение: В радиотехнике и высокочастотных установка

9.Резонанс токов(схема, частотные характеристики, применение)

Частотные характеристики:?

Применение: В радиотехнике и высокочастотных установка

10.Треугольник напряжений, сопротивлений, токов, проводимостей (получение, вывод аналитических выражений)

11. Режимы работы электрической цепи (холостой ход, нормальный, номинальный, короткозамкнутый)

Режим холостого хода цепи называется такой режим, при котором сопротивление нагрузки , то есть внешняя цепь разомкнута

При режиме холостого хода ток холостого хода равен нулю.

Режим короткого замыкания цепи называется такой режим, при котором сопротивление нагрузки R=0, то есть внешняя цепь замкнута накоротко

Таким образом, при коротком замыкании ток в цепи максимален и ограничивается только величиной внутреннего сопротивления Ro источника энергии

Режим номинальной работы цепи - Это такой режим работы электрической цепи, при котором электрические параметры устройства (сила тока, напряжение, мощность) совпадают с параметрами, установленными заводом - изготовителем.

Согласованный режим работы или нормальный режим работы цепи - Это такой режим работы электрической цепи, при котором внутреннее сопротивление источника r равно внешнему сопротивлению потребителя R, при этом на потребителе выделяется максимальная мощность.

12.Однофазный синусоидальный ток. Период, частота, угловая скорость (определение, обозначение, аналитическая связь между ними)

Синусоидальным током называется такой ток, величина и направление которого изменяется в зависимости от времени по закону синуса.

Наименьший промежуток времени, в течение которого мгновенные значения переменного тока принимают все возможные значения, как положительные, так и отрицательные, называется периодом. Обозначение: Т. Измеряется в секундах.

Число периодов переменного тока в 1 с называется частотой. Обозначение :f

Частота находится по формуле - f = 1 / Т. Измеряется в герцах.

Угловая скорость или Угловая частота:

Измеряется в радианах в секунду.

13.Действующее значение переменного тока любой формы кривой и синусоидальной( определение, вывод формул)

Действующим значением переменного тока называется такой постоянный ток, который на том же сопротивлении и за то же время выделяет столько же тепла, что и данный переменный ток.

Вывод формул:

14. Мгновенное и амплитудное значение переменного тока( определение, обозначение, аналитические выражения, графики)

15. Среднее значение переменного тока любой формы кривой и синусоидальной (определение, вывод формул)

Средним значением переменного тока называется такой переменный ток, произведение которого на интервал времени равен интегралу данного переменного тока за тот же интервал времени.

16.Расчет цепей синусоидального переменного тока методом комплексных чисел

17. Вывести формулу закона Ома для цепи переменного тока и раскрыть его физическую сущность, сопоставляя с формулой закона Ома для цепи постоянного тока

18. Активной мощностью трехфазной системы называется сумма активных мощностей всех фаз приемника.

В симметричной трехфазной системе (при симметричном генераторе и приемнике) при любой схеме их соединений для каждой фазы мощности источника энергии и приемника одинаковы. Для каждой из фаз справедливо выражение

,

где - φ угол сдвига фаз между фазными напряжением и током.

Активная мощность системы в этом случае

Заменив действующее значение фазных тока и напряжения линейными при соединении источника энергии и приемника по схеме звезда т треугольник, получим одно и то же выражение для активной мощности симметричной трехфазной системы:

В общем случае реактивной мощностью трехфазной системы называется сумма реактивных мощностей всех фаз источника энергии, равная сумме реактивных мощностей всех фаз приемника.

Реактивная мощность симметричной трехфазной системы

,

или после замены действующих значений фазных тока и напряжения линейными

.

Комплексной мощностью трехфазной системы называется сумма комплексных мощностей всех фаз источника энергии, равная сумме комплексных мощностей всех фаз приемника. Полная мощность симметричной трехфазной системы

.

19. Активные элементы электрических цепей

Активными называются элементы цепи, которые отдают энергию в цепь, т.е. источники энергии. Существуют независимые и зависимые источники. Независимые источники: источник напряжения и источник тока.

Источник напряжения - идеализированный элемент электрической цепи, напряжение на зажимах которого не зависит от протекающего через него тока.

Внутреннее сопротивление идеального источника напряжения равно нулю.

Источник тока – это идеализированный элемент электрической цепи, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.

20. Индуктивным элементом называется идеализированный элемент электрической цепи, обладающий свойством накопления им энергии магнитного поля. Графическое изображение этого элемента показано на рисунке (а - нелинейного, б - линейного).

Линейная индуктивность характеризуется линейной зависимостью между потокосцеплением ψ и током i, называемой вебер-амперной характеристикой ψ = Li. Напряжение и ток связаны соотношением u = dψ/dt = L(di/dt)

Коэффициент пропорциональности L в формуле и называется индуктивностью и измеряется в генри (Гн).

21. Емкостным элементом (емкостью) называется идеализированный элемент электрической цепи, обладающий свойством накапливания энергии электрического поля. Графическое изображение этого элемента показано на рисунке. (а - нелинейного, б - линейного).

Линейная емкость характеризуется линейной зависимостью между зарядом и напряжением, называемой кулон-вольтовой характеристикой q = Cu

Напряжение и ток емкости связаны соотношениями i = dq/dt =C(du/dt).

Вопрос №22

 Трехфазная система представляет собой три отдельные электрические цепи, в которых действуют синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, которые в свою очередь сдвинуты друг от друга на 120°, и создаваемые одним источником энергии. Источником энергии чаще всего выступает трехфазный генератор.

  Преимущество трехфазной цепи заключается в её уравновешенности. То есть суммарная мгновенная мощность трехфазной цепи, остается величиной постоянной в течение всего периода ЭДС.

  Трехфазный генератор переменного тока имеет три самостоятельные обмотки, которые сдвинуты между собой на угол 120°. Также как и обмотки, начальные фазы ЭДС сдвинуты на 120°. Уравнения описывающие изменение ЭДС в каждой из обмоток выглядят следующим образом: 

  Векторная диаграмма ЭДС в начальный момент времени представляет собой три вектора, длина которых равна амплитудному значению ЭДС Em, и угол между которыми равен 120°. Если вращать векторы против часовой стрелке, относительно неподвижной оси, то они будут проходить в порядке Ea,Eb,Ec, такой порядок называют прямой последовательностью.

  По сути, каждую отдельную фазу можно было бы соединить отдельными проводами, но в таком случае получилась бы шестипроводная несвязная система. Это было бы крайне не выгодно с экономичной точки зрения, ведь как-никак, перерасход материала. Для того чтобы это избежать придумали связанные системы соединения.

Вопрос №23

Соединение треугольником

 При соединении треугольником конец одной обмотки соединяется с началом другой. Таким образом, образуется замкнутый контур.

В таком соединении каждая фаза находится под линейным напряжением, то есть линейные и фазные напряжения равны 

 А фазные  и линейные токи соотносятся как 

 Аналогичным способом, сделаем вывод для соединения треугольником: в симметричной трехфазной цепи при соединении фаз треугольником токи отличаются друг от друга в 1,72 раз, а линейные и фазные напряжения равны. 

Вопрос №24

 Соединение звездой

  При соединении обмоток звездой все три фазы имеют одну общую точку – ноль. При этом такая система может быть трехпроводной или четырехпроводной. В последнем случае используется нулевой провод. Нулевой провод не нужен, если система симметрична, то есть токи в фазах такой системы одинаковы. Но если нагрузка несимметрична, то фазные токи различны, и в нулевом проводе возникает ток, который равен векторной сумме фазных токов 

  Также, нулевой провод может выступать в роле одной из фаз, если она выйдет из строя, это предотвратит выход из строя всей системы. Правда нужно учитывать, что нулевой провод не рассчитан на подобные нагрузки, и в целях экономии металла и изоляции он изготавливает под более малые токи, чем в фазах.

  В трехфазных цепях существуют так называемые фазные и линейные напряжения и токи.

  Фазное напряжение – это разность потенциалов между нулевой точкой и линейным проводом. То есть, проще говоря, фазное напряжение - это напряжение на фазе.

  Линейное напряжение – это разность потенциалов между линейными проводами.

  При соединении звездой фазные и линейные напряжения соотносятся как 

  А фазные и линейные токи при симметричной нагрузке одинаковы

  Таким образом, можно сделать вывод, что в симметричной трехфазной цепи при соединении фаз звездой напряжения отличаются друг от друга в 1,72 раз, а линейные и фазные токи равны.

Вопрос 28

Схема однофазного двухобмоточного трансформатора представлена ниже.                                        

   На схеме изображены основные части: ферромагнитный сердечник, две обмотки на сердечнике. Первая обмотка и все величины которые к ней относятся (i₁-ток, u₁-напряжение, n₁-число витков,Ф₁ – магнитный поток) называют первичными, вторую обмотку и соответствующие величины - вторичными.

   Первичную обмотку включают в сеть с переменным напряжением, её намагничивающая сила i1n1 создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуцирует ЭДС e₁= -n₁dФ/dt, e₂= -n₂dФ/dt. При синусоидальном изменении магнитного потока Ф = Фm sinωt , ЭДС равно e = Em sin (ωt-π/2). Для того чтобы посчитать действующее значение ЭДС нужно воспользоваться формулой E=4.44 f n Фm, где f- циклическая частота, n – количество витков, Фm – амплитуда магнитного потока. Причем если вы хотите посчитать величину ЭДС в какой либо из обмоток, нужно вместо n подставить число витков в данной обмотке.

Конструкция обмоток, их изоляция и способы крепления на стержнях зависят от мощности трансформатора. Для их изготовления применяют медные провода круглого и прямоугольного сечения, изолированные хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Обмотки должны быть прочными, эластичными, иметь малые потери энергии и быть простыми и недорогими в изготовлении.

В обмотке и сердечнике трансформатора наблюдаются потери энергии, в результате которых выделяется тепло. В связи с этим трансформатору требуется охлаждение. Некоторые маломощные трансформаторы отдают свое тепло в окружающую среду, при этом температура установившегося режима не влияет на работу трансформатора. Такие трансформаторы называют “сухими”, т.е. с естественным воздушным охлаждением. Но при средних и больших мощностях, воздушное охлаждение не справляется, вместо него применяют жидкостное, а точнее масляное. В таких трансформаторах обмотка и магнитопровод помещены в бак с трансформаторным маслом, которое усиливает электрическую изоляцию обмоток от магнитопровода и одновременно служит для их охлаждения. Масло принимает теплоту от обмоток и магнитопровода и отдает ее стенкам бака, с которых тепло рассеивается в окружающую среду. При этом слои масла имеющие разницу в температуре циркулируют, что улучшает теплообмен. Трансформаторам с мощностью до 20-30 кВА хватает охлаждения бака с гладкими стенками, но при больших мощностях устанавливаются баки с гофрированными стенками. Также нужно учитывать что при нагреве масло имеет свойство увеличиваться в объеме, поэтому в высокомощных трансформаторах устанавливают резервные баки и выхлопные трубы (в случае если масло закипит, появятся пары которым нужен выход). В трансформаторах меньшей мощности ограничиваются тем, что масло не заливают до самой крышки.