Введение

Электротехника – наука о техническом (т.е. практическом, прикладном) использовании электрических и магнитных явлений.

Можно выделить три основных направления электротехники, в которых используются эти явления:

1. Энергетическое – преобразование различных видов энергии природы в электрическую энергию и электрической энергии в другие виды энергии (тепловую, механическую, лучевую и т.д.);

2. Технологическое – превращение одних веществ природы в другие;

3. Информационное – получение и передача информации.

Следовательно, электротехника – это область науки и техники, где используются электрические и магнитные явления для преобразования энергии и превращения вещества электрическим путем, а также для получения и передачи информации.

Из всех видов энергии в природе электрическая энергия является наиболее универсальной. По сравнению с другими видами она имеет ряд преимуществ:

а) легко преобразуется в другие виды энергии – тепловую, механическую, химическую, лучистую;

б) коэффициент полезного действия (КПД) электрических установок значительно выше КПД установок, работающих за счет других видов энергии;

в) легко транспортируется (передается по проводам на значительные расстояния);

г) легко распределяется между различными потребителями;

д) широкое применение её в промышленности и авиатранспортных предприятиях дает возможность объединить много мелких и крупных электростанций в общую энергосистему.

Важный этап в развитии электротехники связан с созданием первого промышленного электромашинного генератора с самовозбуждением.

Электрификация – это широкое развитие производства электроэнергии и ее внедрение во все области техники и быт человека. Начало электрификации было положено в трудах М.О. Доливо – Добровольского, который осуществил первую электропередачу с помощью трехфазной цепи (Лауффен – Франкфурт, 1891 г., Германия). Сименс создал трехфазный асинхронный двигатель и трансформатор.

На рубеже XIX и XX вв. электрический двигатель начал вытеснять паровую машину, процесс электрификации охватывает все новые области производства: развиваются электрометаллургия, электротермия, электрохимия. Электрическая энергия широко используется в различных отраслях промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве, в быту.

В настоящее время достигнуты значительные успехи в электрификации России. По производству электроэнергии Россия занимает ведущее место в Европе.

Электрическая энергия широко применяется на воздушных судах ГА. Повышение скорости, высоты, дальности и безопасности полетов современного ВС в значительной степени зависит от уровня и качества его электрификации. Большую роль в безопасности полетов играет совершенное наземное электро-светотехническое оборудование аэропортов.

Электрические элементы авиационного оборудования обеспечивают надежные полеты днем и ночью, при больших скоростях и больших высотах («слепой» полет по радиотрассе, взлет и посадку в сложных метеоусловиях, определение местонахождения ВС, борьбу с обледенением и т.д.).

Эксплуатация современных ВС (скоростных, высотных, экономических, работающих в сложных условиях полета) была бы невозможна без широкого применения электрических автоматизированных систем управления.

Автоматизация процессов управления полетом любых ВС немыслима без электрической энергии. Электрическая энергия используется для приведения в действие всех элементов устройств и оборудования ВС (силовой установки, органов управления, систем связи, освещения, отопления, пилотажно – навигационного оборудования и т.д.), в то время как остальные виды энергии (гидравлическая, пневматическая, механическая, химическая) имеют лишь частичное применение.

Дисциплина «Электротехника и электроника» должна дать студентам Академии общие сведения, без которых они не смогут изучать и понять действие разнообразных электрических приборов и устройств бортового и наземного электрооборудования и в дальнейшем научиться эффективно эксплуатировать их в различных службах аэропорта.

1. Электрические цепи постоянного тока

1. Основные свойства и методы анализа электрических цепей

1.1.1 Состав электрической цепи

Электрическая цепь в общем случае содержит:

- источники электрической энергии (ИЭЭ);

- приемники электрической энергии (ПЭЭ);

- измерительные приборы (ИП);

- коммутационную аппаратуру (КА);

- соединительные линии, провода и вспомогательные элементы, т.е. электрическую сеть (ЭС).

В ИЭЭ осуществляется преобразования в электрическую энергию каких-либо других форм энергии.

Ими могут быть:

- электромеханические генераторы;

- электрохимические источники (аккумуляторы, гальванометрические элементы, топливные элементы);

- термопреобразователи (термопары).

Условные обозначения ИЭЭ:

+--гальванический элемент

-аккумуляторная батарея

- электрическая машина (генератор) постоянного тока с постоянным магнитом

-генератор переменного тока

-фотодиод

r_в

Е

-источник ЭДС

- источник тока

В ПЭЭ электрическая энергия источников преобразуется в механическую (электродвигатели постоянного тока), тепловую (электропечь, электронагреватели), химическую и электромеханическую (электролизные ванны).

Особую группу составляют приемники, в которых происходят обратимые преобразования электрической энергии в энергию электрического поля (конденсаторы, дроссели).

Условные обозначения приемников электрической энергии:

rp

Uc

OB

- двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

- электрическая печь сопротивления

Л

-лампа накаливания (осветительная)

Л

-лампа сигнальная

R

-резистор постоянный (нерегулируемый)

-резистор переменный без разрыва цепи

- резистор постоянный с отводами

- резистор переменный с плавным регулированием сопротивления (реостат)

- резистор переменный с разрывом цепи

U

- резистор нелинейный, сопротивление которого зависит от напряжения (варистор)

t

- резистор нелинейный, сопротивление которого от температуры (термистор)

- конденсатор постоянной емкости (нерегулируемый)

- -конденсатор переменной емкости (регулируемый)

-конденсатор электролитический (поляризованный)

-катушка индуктивности (дроссель) без сердечника

- катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником

ИП служит для количественного определения параметров электрической цепи и контроля режима работы всех электрических устройств (определения тока, напряжения,, мощности источника электроэнергии и т.д.).

Условные обозначения измерительных приборов:

- общее обозначение измерительного прибора

- амперметр

-вольтметр

КА и ЭС служат для передачи электрической энергии от источников, распределения её между приемниками, защиты от перенапряжений или допустимого значения тока и управления режимом электрической цепи.

Условные обозначения КА и ЭС:

- разборное соединение проводов (зажим)

Пр

- плавкий предохранитель

- выключатель

- переключатель

- штепсельный разъем

- повышающий (понижающий) трансформатор в линиях передачи электроэнергии на большие расстояния (силовой трансформатор)

- трансформатор однофазный с ферромагнитным магнитопроводом

- обмотка контактора, магнитного пускателя или реле

- контакт замыкающий

- контакт размыкающий

1. Электрические схемы, их классификация, свойства и режимы работы

Графическое изображение электрической цепи, составленное из условных обозначений электротехнических устройств (по правилам ГОСТа), называется принципиальной схемой. На рис.1.1 изображена принципиальная схема подключения лампы накаливания к аккумулятору (с измерительными приборами).

В

АК

Л

Рис. 1.1

Принципиальная схема показывает назначение всех электротехнических устройств в цепи и их взаимодействие, но по ней нельзя рассчитать режим работы электротехнических устройств цепи.

Для расчета необходимо каждое из электротехнических устройств представить схемой замещения. Схема замещения электрической цепи является её количественной моделью. Она состоит из совокупности различных идеализированных элементов, с помощью которых можно с достаточно хорошим приближением описать процессы в электрической цепи.

П

rv

редставив все элементы принципиальной схемы цепи (см. рис. 1.1) в виде соединений соответствующих идеализированных элементов , получим схему замещения цепи, состоящую из схем замещения отдельных устройств (рис. 1.2).

В

б

а

rл

Е

rа

Источник ЭДС

rв

Рис. 1.2

Геометрические понятия схемы замещения включают в себя:

- ветвь – один или несколько последовательно соединенных идеализированных элементов, каждый из которых имеет два вывода (начало и конец), т.е. ветвь – это участок цепи с одним значением тока;

- узел – место соединения (точка) трех и большего числа ветвей, т.е. узел – это точка разделения тока;

- контур – замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречаются больше одного раза.

Схема замещения (рис.1.2) содержит три ветви, соединенные в двух узлах а и б:

1 ветвь: r_л (сопротивление цепи лампы);

2 ветвь: r_v (сопротивление цепи вольтметра);

3 ветвь: r_a (сопротивление цепи амперметра);

r_в (внутреннее сопротивление гальванического элемента);

E (ЭДС гальванического элемента).

Контур цепи включает в себя все три ветви схемы. Свойства электрической цепи рассмотрим для схемы замещения (рис.1.3).

I

+

U

Рис.1.3

Непосредственной причиной возникновения электрического тока в цепи является ЭДС E источника энергии.

Направление тока I в цепи принято считать совпадающим с направлением ЭДС (показано стрелками). При этом:

«+» - положительный зажим источника, через него ток «выходит» во внешнюю цепь;

«-» - отрицательный зажим источника, через него ток из внешней цепи «входит» в источник.

Если мы замнем выключатель B, то по цепи пойдет ток:

I=E/R=E/(r+r_в ),

Где E – ЭДС источника питания;

R – полное сопротивление всей цепи;

r – сопротивление приемника электрической энергии (нагрузки);

r_в - внутреннее сопротивление источника электрической энергии.

Получили закон Ома для всей цепи. Закон Ома для участка цепи имеет более простой вид:

I=U/r,

То есть ток в данном участке цепи равен отношению напряжения на участке к его сопротивлению.

Из закона Ома для полной цепи получаем:

U=E-Ir_в

То есть напряжение на зажимах источника энергии меньше его ЭДС на величину внутренней потери напряжения, равной Ir_в.

Как правило, внутреннее сопротивление источников питания очень мало r_в→0, поэтому, если ещё и пренебречь сопротивлением поводом, можно записать U≈E

Рассмотрим основные режимы работы электрической цепи.

1)режим холостого хода – внешняя цепь разомкнута, то есть r_в→∞(рис.1.4), при этом I_хх=0, следовательно, I_ххr_в=0, отсюда U=E, так как

U=E-Ir_в (учитывая, что Ir_в=0) Р

I_xx=0

ежим холостого хода для цепи неопасный;

B

r

Рис 1.4

2) режим короткого замыкания (рис 1.5) (r→0 и r<< r_в), можно считать, что U=0, при этом ток:

I_к.з=Е/r_в

И может достигать очень больших значений, так как r_в ничтожно мало (r=0).

Рис. 1.5

Режим короткого замыкания очень опасен для электрической цепи и является аварийным, т.к. большие токи приводят к выходу из строя элементов цепи (например, перегрев проводов сети).

Для определения номинального и согласованного режимов работы источника рассмотрим энергию и мощность цепи (понятия, определения, единицы измерения).

В соответствии с законом Джоулем –Ленца энергия, Дж, выделенная в цепи с сопротивлением r, Ом, при протекании тока I, А, в течение времени t

A=I²rt,

Превращается в тепловую и рассеивается в окружающее пространство.

Мощность, Р, Вт, численно равна энергии, Дж, выделяемой в единицу времени P=∂A/∂t =I²r.

Учитывая, что I=U/r, можно записать P=UI.

За промежуток времени t=t_k –t_н при любом законе изменения тока и напряжения энергия, отдаваемая источником или доставляемая приемнику определяется как:

А=∫Р∂t=∫I²r∂t=∫UI∂t

Если {U,I,P}=const в течение времени t, то определение энергии упростится и A=Pt=I²rt=UIt.

Энергия измеряется в джоулях: 1 Дж=1Вт*с,

Соотношение единиц измерения энергии:

1Вт*ч=3600Дж;

1кВт*ч=3,6*10⁶ Дж;

1мВт*ч=3,6*10⁹ Дж;

3) номинальный режим работы это такой, при котором электрическое устройство может работать неопределенно длительное время или в определенном режиме без перегрева и других недопустимых последствий при указанных номинальных напряжении, токе и отдаваемой мощности. Естественно, что это устройство (приемник электрической энергии, соединительные линии и вспомогательные элементы) может работать и при меньших нагрузках, и при некоторых отклонениях напряжения от номинального; могут быть допущены и кратковременные перегрузки, например, переходные режимы при запуске электродвигателя или запуске генератора.

Номинальный режим работы (рис. 1.6) источника энергии, приемник или другого устройства указывается в паспорте, каталоге, а также на щитке устройства;

Рис.1.6

4)согласованный режим работы осуществляется в том случае, когда требуется получить от источника энергии с данными параметрами наибольшую мощность, например, от аварийного источника электрической энергии (аккумулятора или вспомогательной силовой установки), для подачи потребителю первой категории ВС или АП.

Для простейшей электрической цепи (рис.1.6) мощность доставляемая приемнику, определяется как P_n =UI=I²r,

Так как I=E/(r+r_в), то P_n=rE²/(r+r_в)

Наибольшая мощность будет при максимуме отношения изменяемого сопротивления нагрузки r к квадрату суммы сопротивлений (r+ r_в)², то есть, если примем r/(r+r_в)²=I/R, то

Max P_n= (1/R)*E², 1/R→max.

Из условий экстремума , взяв производную по r от величины r/(r+r_в)² и приравняв её к нулю, найдём:

(∂/∂r)[ r/(r+r_в)²]= ((r+r_в)²-2(r+r_в)r)/ (r+r_в)⁴=0

Алгебраически решив данное уравнение, получим , r^*=r_в

Где r^*- сопротивление нагрузки, при котором источник отдает в цепь наибольшую мощность.

Это – условие максимума мощности, получаемой приемником.

Умножив на I² левую и правую часть условия максимума мощности находим мощность P_n , отдаваемую приемнику, равную мощности ∆P потерь в источнике энергии: I²r^*=I²r_в , где I²r^*=P_n^max, I²r_U= ∆P_U.

Отсюда P_n^max=∆P_U.

Следовательно, мощность, передаваемая приемнику источника, будет наибольшей при равенстве сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению источника энергии. Однако из экономических соображений этот режим работы практически не применяется в системах электроснабжениях ВС и АП, потому что мощности источников энергии здесь находятся в соответствии с требованиями потребителей, и потери энергии в источниках были бы чрезмерно велики, не менее половины всей вырабатываемой энергии. Это можно показать, сделав несложные преобразования: ∆P_U= I²r_в=IIr_в ,

I=E/( r^*+r_в) , и так как r^*=r_в , то I=E/2r_в

Подставляя последнее выражение в уравнение для ∆P_U, получим :

∆P_U=IE/2= P_n^max

Следовательно, при согласованном режиме работы был бы очень низок КПД подобных систем, так как ЭДС источника используется на 50%.

В достаточно мощных электроэнергетических системах эквивалентное сопротивление приемников в десятки раз больше сопротивления источников энергии: R_эп >>r_в , что обеспечивает наиболее экономичные режимы эксплуатации авиационной техники, являющейся потребителем электрической энергии.