зачет

Шрифт Arial, заголовки 14, текст 9.

Электротехника

1. Электрическая энергия ее особенности и область применения

Из всех видов энергии в настоящее время наиболее широко применяется электромагнитная энергия, которую называют электрической.

Применение электрической энергии позволило повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать и внедрить целый ряд технологических процессов в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и быту, основанных на новых принципах, ускоряющих, облегчающих и удешевляющих процесс получения окончательного продукта, а также создать комфорт в производственных и жилых помещениях.

Электрическая энергия кардинально изменила производство. Ее уникальное свойство переходить в другие виды энергии всегда считалось физической основой техники будущего, и прежде всего электротехники и электроэнергетики, которые уже в начале XX века стали началом научно-технической революции. И совсем уж недаром первые шаги электротехники были названы «колоссальной революцией». Развитие электроэнергетики сегодня является основным условием научно-технического прогресса и технического совершенствования производства. Это обусловлено следующим.

В электрическую легко преобразуются любые виды энергии (тепловая, атомная, механическая, химическая, лучистая, энергия водного потока), и наоборот, электрическая энергия легко может быть преобразована в любой другой вид энергии. Электроэнергию можно передавать практически на любое расстояние. Ее можно легко дробить на любые части (мощность электроприемников может быть от долей ватта до тысяч киловатт).

Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать. Управление процессами, в которых используется электроэнергия, обычно очень простое (нажатие кнопки, выключателя и т. п.). Использование электроэнергии способствует созданию комфортных условий на производстве и в быту.

Единственным недостатком электрической энергии является «отсутствие склада готовой продукции», т. е. запасать электроэнергию и сохранять эти запасы в течение больших сроков человечество еще не научилось. Запасы электроэнергии в аккумуляторах, гальванических элементах и конденсаторах достаточны лишь для работы сравнительно маломощных установок, причем сроки хранения этих запасов ограничены. Поэтому электрическая энергия должна быть произведена тогда и в таком количестве, когда и в каком ее требует потребитель.

Электроэнергию преобразуют в механическую с помощью электродвигателей, которые используют для привода станков и вращающихся машин в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве и быту.

2. Электрическая цепь, назначение основных элементов

Электрическая цепь представляет собой 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, так и токи, направление которых остается постоянным, а значение изменяется произвольно во времени или по какому-либо закону. Всего элементов 3.

1)Приемник - элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии

2)Источник -элементы, предназначенные для выработки электроэнергии

3)Провода - элементы предназначенные для передачи энергии от источника, до приемника

Источники питания цепи постоянного тока — это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление, значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.

Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы и др. Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых можно назвать самые основные — напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах (клеммах) необходимо поддерживать номинальное напряжение. Для приемников постоянного тока оно составляет

27, 110, 220, 440 В, а также 6, 12, 24, 36 В.

3. Анализ простых электрических цепей методом эквивалентного сопротивления

Когда в состав электрической цепи входит только один источник Э.Д.С., его ток определяется общим сопротивлением пассивных приемников электрической энергии. Такое сопротивление называют эквивалентным – Rэкв. Очевидно, что если известно Rэкв, то цепь можно представить в виде двух последовательно соединенных элементов – источника Э.Д.С. и Rэкв, а определение тока источника сводится к применению закона Ома. Процесс перехода от электрической цепи с произвольной топологией к цепи с Rэкв называется эквивалентным преобразованием. Такое преобразование и положено в основу рассматриваемого метода анализа.

Приемы преобразования электрической цепи определяются способами соединения пассивных элементов.

Различают способы соединения: последовательное, параллельное, по смешанной схеме,

треугольником и звездой. Рассмотрим сущность эквивалентных преобразований при каждом из названных способов.

Электрическая цепь с последовательным соединением элементов

Рис. 2. Рис. 3.

Последовательным называют такое соединение элементов цепи, при котором во всех включенных в цепь элементах возникает один и тот же ток I (рис. 2.).

На основании второго закона Кирхгофа общее напряжение U всей цепи равно сумме напряжений на отдельных участках:

R = R + R + R .

экв 1 2 3

Таким образом, при последовательном соединении элементов цепи общее эквивалентное сопротивление цепи равно арифметической сумме сопротивлений отдельных участков. Следовательно, цепь с любым числом последовательно включенных сопротивлений можно заменить простой цепью с одним

эквивалентным сопротивлением R (рис. 3.). После этого расчет цепи сводится к определению тока I

экв

всей цепи по закону Ома

,

и по вышеприведенным формулам рассчитывают падение напряжений U1, U2, U3 на соответствующих участках электрической цепи (рис. 2.).

4. Преобразование треугольника в эквивалентную звезду при расчете мостовых схем

На рис. 1.5 показана одна из разновидностей мостовых схем, называемая четырехплечий мост или мост Уитстона . Ни одну пару сопротивлений в этой схеме нельзя квалифицировать как последовательно или параллельно включенные. Следовательно, к ней неприменимы основные правила нахождения эквивалентных сопротивлений. Расчет эквивалентного сопротивления схем такого типа осуществляется методом эквивалентных преобразований.

При эквивалентном преобразовании часть цепи заменяется новыми элементами с другим их соединением. При этом сопротивления новых элементов должны быть такими, чтобы проведенная замена не привела к изменению распределения токов и напряжений в участках цепи, не подвергшихся изменениям. В этом случае новую цепь можно считать эквивалентной старой.

Рассмотрим одно из широко распространенных эквивалентных преобразований - преобразование

"треугольник - звезда". Участок цепи .,ограниченный узлами В, С, D (рис. 1.4, слева),

заменяется новыми элементами соединенными по схеме

"трехлучевая звезда" и подключенными к тем же точкам исходной цепи В, С, D (рис. 1.4, справа); при этом в новой схеме, называемой схемой замещения, добавляется еще один узел - Е.

Рис. 1.4

проводимость схемы между узлами В-С, B-D и C-D.

Рис. 1.5 Рис.1.6

5. Режимы работы электрических цепей

Электрическая цепь в зависимости от значения сопротивления нагрузки R может работать в различных характерных режимах:

1)номинальном;

2)согласованном;

3)холостого хода;

4)короткого замыкания.

Номинальный режим- это расчетный режим, при котором элементы цепи (источники, приемники, линия электропередачи) работают в условиях, соответствующих проектным данным и параметрам.

Изоляция источника, линии электропередачи, приемников рассчитана на определенное напряжение, называемое номинальным. Превышение этого напряжения приводит к пробою изоляции, увеличению токов в цепи и другим аварийным последствиям.

Тепловой режим источников или приемников энергии рассчитан на выделение в них определенного количества тепла, то есть на определенную мощность, а последняя зависит от квадрата тока RI2, rI2.

Расчетный по тепловому режиму ток называется номинальным.

Номинальное значение мощности для источника электрической энергии - это наибольшая мощность, которую источник при нормальных условиях работы может отдать во внешнюю цепь без опасности пробоя изоляции и превышения допустимой температуры нагрева.

Для приемников электрической энергии типа двигателей - это мощность, которую могут развивать на валу при нормальных условиях работы. Для остальных приемников электрической энергии (нагревательные и осветительные приборы) - это их мощность при номинальном режиме. Номинальные значения напряжений, токов и мощностей указывают в паспортах изделий.

Согласованный режим работы- это режим, в котором работает электрическая цепь (источник и приемник), когда сопротивление нагрузки R равна внутреннему сопротивлению источника r. Этот режим характеризуется передачей от данного источника к приемнику максимально возможной мощности. Однако в согласованном режиме К.П.Д.= 0,5 - низкий и для мощных цепей работа в согласованном режиме экономически невыгодна. Согласованный режим применяется, главным образом, в маломощных цепях, если К.П.Д. не имеет существенного значения, а требуется получить в приемнике возможно большую мощность.

Режим холостого хода и короткого замыкания. Эти режимы являются предельными режимами работы электрической цепи. В режиме холостого хода внешняя цепь разомкнута и ток равен нулю. Так как ток равен нулю, то падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника так же равно нулю (rI = 0) и напряжение на выводах источника равно ЭДС (= U). Из этих соотношений вытекает метод измеренияЭДС (2.7)источника: при разомкнутой внешней цепи вольтметром, сопротивление которого можно считать бесконечно большим, измеряют напряжение на его выводах. В режиме короткого замыкания выводы

источника соединены между собой, например, сопротивление нагрузки замкнуто проводником с нулевым сопротивлением. Напряжение на приемнике при этом равно нулю. Сопротивление всей цепи равно внутреннему сопротивлению источника, и ток короткого замыкания в цепи равен:

Iк.з. = / r.

Он достигает максимально возможного значения для данного источника и может вызывать перегрев источника и даже его повреждение. Для защиты источников электрической энергии и питающих цепей от токов короткого замыкания в маломощных цепях устанавливают плавкие предохранители, в более мощных цепях - отключающие автоматические выключатели, а высоковольтных цепях - специальные высоковольтные выключатели.

6. Сложная цепь постоянного тока. Применение законов Кирхгофа, для расчета цепи.

Сложная цепь - это цепь в которой есть 2 или более источников питания.

Законы Кирхгофа

Законы Кирхгофа являются вариантом формулировки постулатов о сохранении материи и энергетического потенциала для электрических энергопреобразующих цепей. Введем определения.

1)Узел электрической цепи

Место соединения трёх и более ветвей. В схемах электрических принципиальных обозначается точкой.

2) Ветвь электрической цепи

Участок электрической цепи, содержащий только последовательно включённые элементы.

3) Контур электрической цепи

Замкнутый путь, проходящий через несколько узлов и ветвей электрической цепи.

I закон Кирхгофа — является следствием закона сохранения заряда, согласно которому в любом узле заряд не может ни накапливатся, ни убывать. Закон формулируется как для цепей постоянного, так и для цепей переменного тока.

Для цепей постоянного тока алгебраическая сумма токов в узлах равна нулю.

Для цепей переменного тока геометрическая сумма токов в узлах равна нулю.

II закон Кирхгофа — является следствием закона сохранения энергии, в силу которого изменение потенциала в замкнутом контуре равно нулю. Закон формулируется как для цепей постоянного, так и для цепей переменного тока.

Для цепей постоянного тока алгебраическая сумма падений напряжения в контуре равна нулю.

Для цепей переменного тока геометрическая сумма падений напряжения в контуре равна нулю.

Расчёт токов в исследуемой электрической цепи путём непосредственного применения законов Кирхгофа.

Рисунок – Исследуемая схема цепи

Составим систему уравнений, согласно законам Кирхгофа для цепи (рисунок 1.2):

(1)

Расчете методом контурных токов полагают, что в каждом независимом контуре течет свой контурный ток. Уравнения составляют относительно контурных токов, после чего определяют токи ветвей через контурные токи.

Таким образом, метод контурных токов можно определить как метод расчета, в котором за искомые принимают контурные токи. Число неизвестных в этом методе равно числу уравнений, которые

необходимо было бы составить для схемы по II закону Кирхгофа, т.е. . Следовательно, этот метод более экономичен при вычислениях, чем метод уравнений Кирхгофа.

Разработаем алгоритм расчета цепей методом контурных токов на примере схемы с тремя независимыми контурами (рис. 2.3). Предположим, что в каждом контуре протекает свой контурный ток в указанном направлении. Для каждого из контуров составим уравнения по II закону Кирхгофа.

При этом учтем, что по смежной ветви для контурных токов и

(ветвь аd, содержащая сопротивление ) протекает ток .

Тогда уравнения по II закону Кирхгофа для каждого контура принимают следующий вид:

8. Использование метода узлового напряжения в расчете сложных цепей

Метод узловых напряжений заключается в определении на основании первого закона Кирхгофа потенциалов в узлах электрической цепи относительного некоторого базисного узла. Базисный узел в общем случае выбирается произвольно, потенциал этого узла принимается равным нулю. Разности потенциалов рассматриваемого и базисного узлов называется узловым напряжением На рис.29 представлена схема электрической цепи, содержащая пять ветвей и три узла. За базисный принят узел с индексом «0».

стрелкой от рассматриваемого узла к базисному.

Рис.29. Иллюстрация к методу узловых напряжений.

Напряжение на ветвях цепи равно, очевидно, разности узловых напряжений концов данной

Уравнения по первому закону Кирхгофа для 1 и 2 узлов соответственно записываются:

9. Работа и мощность постоянного тока. Нагрев проводов током. Выбор сечения на нагрев проводов.

Работа тока- это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника.

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась. Применяя формулу закона Ома для участка цепи, можно записать несколько вариантов формулы для расчета работы тока:

работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока.

В системе СИ:

ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА

При прохождении тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.

В системе СИ:

[Q] = 1 Дж

МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.

В системе СИ:

Нагрев электропроводов

Существует две причины нагрева проводов

1)Первой причиной нагрева проводника является его сопротивление. Но электропровода изготовлены из алюминия и меди, удельные сопротивления которых одни из самых малых среди всех металлов. Поэтому сопротивление может появиться только как следствие некачественного соединения нескольких проводов в скрутке или иных соединений – клеммных, штепсельных и т.п. В результате происходит местный нагрев электропровода вблизи некачественного соединения, а температура провода уменьшается по мере удаления от такого соединения.

2)Второй причиной нагрева проводника является поверхностный эффект, или так называемый скин-эффект. Этот эффект обусловлен природой электрического тока, который неравномерно распределяется в проводнике. Электрический ток стремиться к поверхности проводника.При

этом электропровод равномерно нагревается по всей длине. Поскольку технологии изготовления проводов с жилами круглого сечения обеспечивают их минимальную себестоимость и наилучшее сочетание потребительских свойств, существуют стандартные соотношения диаметра электропровода, количества жил в нём и допустимой силы тока.

10. Свойства и характеристики ферромагнитных материалов. Магнитный поток. Напряженность магнитного поля и магнитная индукция.

Ферромагне́тики — вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Свойства:

●Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.

●При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.

●Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.

●Ферромагнетики притягиваются магнитом.

Магнитный поток, или поток вектора магнитной индукции - скалярная величина, которая количественно описывает прохождение магнитного поля через некоторую поверхность. Обозначается буквой Ф.

В однородном магнитном поле B B→ через плоскую поверхность площади SS магнитный поток определяется как Ф=B S cosα,

Напряжённость магнитного поля

МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ -векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле.

Вектор магнитной индукции всегда направлен по касательной к магнитной линии

Расчетная формула:

11. Действие магнитного поля на проводник с током. Принцип

действия простейшего двигателя. Взаимодействие двух

паралельних проводником с током.

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током,

находящийся в нем.

Если проводник, по которому протекает электрический ток подвесить в магнитном поле, например, между полюсами магнита, то магнитное поле будет действовать на проводник с некоторой силой и отклонять его. Направление движения проводника зависит от направления тока в проводнике и от расположения полюсов магнита.

Простейший электродвигатель

Простейший электродвигатель работает только на постоянном токе (от батарейки). Ток проходит по рамке, расположенной между полюсами постоянного магнита. Взаимодействие магнитных полей рамки с током и магнита заставляет рамку поворачиваться. После каждого полуоборота коллектор переключает контакты рамки, подходящие к батарейке, и поэтому рамка вращается.