уч. пособие Электротехника. Часть 2
.pdfvk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Э.В. ЯКОВЛЕВА, А.И. БАРДАНОВ, И.Н.ВОЙТЮК
Электротехника. Часть II.
Учебное пособие
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2019
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
УДК 621.3 ББК 31.211
А 162
Вучебном пособии изложены основные понятия о переходных процессах в электрических цепях, магнитных цепях, электрических машинах, а также особое внимание уделено электробезопасности. Подробно объяснены особенности расчетов магнитных цепей и переходных процессов. Приведены основные типы электрических машин, которые используются на объектах минерально-сырьевого комплекса. В каждом разделе кроме теоретической части изложен практический материал, рекомендации к решению задач с примерами решения и вопросы для самопроверки.
Учебное пособие «Электротехника. Часть II» является продолжением учебного пособия «Электротехника. Часть I» и необходимо для успешного освоения курса «Электротехника» для студентов направления подготовки «Нефтегазовое дело», а также студентов специализации «Электрификация и автоматизация горных работ» специальности 21.05.04 «Горное дело».
Врезультате работы с данным курсом студенты овладеют научными знаниями по основным вопросам электротехники и тем самым обеспечат себе базовую электротехническую подготовку, необходимую для изучения последующих дисциплин и успешной профессиональной деятельности в области нефтегазового дела.
Рецензенты: Фролов В.Я. (д.т.н., проф., зав. кафедрой Электротехника и электроэнергетика, Санкт–Петербургский политехнический университет Петра Великого); Шевчук А.П. (к.т.н., руководитель Инженерно-конструкторского отдела низковольтного оборудования ООО «ПО «Энергосистема»).
Научный редактор проф. Я.Э. Шклярский Редактор А. В. Сушков
Э.В. Яковлева, А.И. Барданов, И.Н. Войтюк
Электротехника. Часть II: учебное пособие / Э.В. Яковлева, А.И. Барданов, И.Н. Войтюк // ООО «Издательство Инфо-Да», СПб, 2019, 120 стр.
ISBN 978-5-94652-633-3
© Э.В. Яковлева, А.И. Барданов, И.Н. Войтюк, 2019
2
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................. |
5 |
|
1. |
Переходные процессы в электрических цепях......................... |
7 |
1.1. |
Основные понятия и определения ................................................... |
7 |
1.2. |
Причины возникновения переходных процессов в электрических |
|
цепях. Законы коммутации. ........................................................................... |
8 |
|
1.3. |
Классический метод расчета переходных процессов .................. |
11 |
1.3.1.Основы классического метода расчета переходных процессов
11
1.3.2.Пример расчета переходного процесса классическим методом
в цепи с одним накопителем – катушкой индуктивности ....................... |
15 |
1.3.3.Пример расчета переходного процесса классическим методом
в цепи с одним накопителем – ѐмкостью.................................................. |
17 |
1.3.4.Расчет переходного процесса в цепи переменного тока с одним
|
накопителем................................................................................................. |
20 |
|
|
1.4. |
Вопросы для самопроверки к разделу 1 ........................................ |
24 |
2. |
Нелинейныеэлектрическиецепи .............................................. |
25 |
|
|
2.1. |
Нелинейные электрические элементы .......................................... |
25 |
|
2.2. |
Нелинейные электрические сопротивления ................................. |
26 |
|
2.2.1. |
ВАХ нелинейного сопротивления............................................. |
30 |
|
2.2.2. |
Последовательное и параллельное соединение НЭ ................. |
32 |
|
2.3. |
Нелинейная индуктивность............................................................ |
33 |
|
2.4. |
Нелинейная емкость........................................................................ |
35 |
2.5.Аналитическое представление характеристик нелинейных
элементов....................................................................................................... |
37 |
|
2.6. |
Вопросы для самопроверки к разделу 2 ........................................ |
39 |
3. |
Магнитные цепи........................................................................ |
40 |
3.1. |
Закон полного тока ......................................................................... |
41 |
3.2. |
Магнитная проницаемость среды .................................................. |
43 |
3.3. |
Индукция магнитного поля. Магнитный поток. .......................... |
45 |
3.4. |
Потокосцепление ............................................................................ |
47 |
3.5. |
Индуктивность ................................................................................ |
48 |
3.6. |
Магнитное сопротивление ............................................................. |
49 |
3.7. |
Трансформаторы ............................................................................. |
51 |
3.8. |
Магнитный момент. Намагниченность. Гистерезис. ................... |
53 |
3.9. |
Постоянные магниты ...................................................................... |
56 |
3.10. |
Некоторые особенности из практики расчета катушек |
|
индуктивности .............................................................................................. |
57 |
|
3.11. |
Вопросы для самопроверки к разделу 3 ........................................ |
61 |
4. |
Электрические машины............................................................ |
62 |
|
3 |
|
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
4.1. |
Классификация электрических машин.......................................... |
62 |
4.2. |
Трансформатор ................................................................................ |
65 |
4.2.1. |
Устройство трансформатора...................................................... |
65 |
4.2.2. |
Режимы работа трансформатора ............................................... |
67 |
4.2.3. |
Вопросы для самопроверки к разделу 4.2 ................................ |
73 |
4.3. |
Машины постоянного тока............................................................. |
74 |
4.3.1. |
Конструкция и принцип работы машины постоянного тока .. |
74 |
4.3.2. |
Двигательный режим работы машины постоянного тока....... |
79 |
4.3.3. |
Регулирование частоты вращения двигателя ........................... |
81 |
4.3.4. |
Пуск двигателей постоянного тока ........................................... |
83 |
4.3.5. |
Способы торможения двигателя постоянного тока ................. |
84 |
4.3.6. |
Вопросы для самопроверки к разделу 4.3 ................................ |
86 |
4.4.Электрические машины переменного тока. Асинхронные
электрические машины ................................................................................ |
87 |
|
4.4.1. |
Конструкция и принцип работы асинхронного двигателя...... |
87 |
4.4.2. |
Получениекругового вращающегося магнитного поля........... |
89 |
4.4.3. |
Режимы работы трехфазной асинхронной машины ................ |
90 |
4.4.4. |
Процессы в асинхронной машине ............................................. |
91 |
4.4.5. |
Электромагнитный момент асинхронной машины ................. |
93 |
4.4.6. |
Механическая характеристика асинхронного двигателя ........ |
95 |
4.4.7. |
Рабочие характеристики асинхронного двигателя .................. |
96 |
4.4.8. |
Вопросы для самопроверки к разделу 4.4 ................................ |
99 |
4.5.Электрические машины переменного тока. Синхронные
|
электрические машины. ............................................................................. |
100 |
|
|
4.5.1. |
Синхронныйдвигатель.............................................................. |
100 |
|
4.5.2. |
Синхронный генератор............................................................. |
103 |
|
4.5.3. |
Вопросы для самопроверки к разделу 4.5 .............................. |
107 |
5. |
Электрическая безопасность.................................................. |
108 |
|
|
5.1. |
Воздействие электрического тока на человека........................... |
109 |
|
5.2. |
Классификация электропомещений ............................................ |
114 |
5.3.Технические меры защиты, обеспечивающие безопасность работ
в электроустановках ................................................................................... |
115 |
|
5.4. |
Режимы работы нейтрали в электроустановках ......................... |
117 |
5.5. |
Вопросы для самопроверки к разделу 5 ...................................... |
118 |
4
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
ВВЕДЕНИЕ
В учебное пособие входят 5 разделов, которые изучаются во второй половине семестра в рамках рабочей программы дисциплины «Электротехника» для студентов технических специальностей, в особенности для студентов, профессиональная деятельность которых связана с работой в нефтегазовой отрасли и студентов направления подготовки 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника», а также студентов специализации «Электрификация и автоматизация горных работ» специальности
21.05.04 «Горное дело».
С учетом особенностей учебных планов бакалавриата по направлению подготовки «Нефтегазовое дело» студентам необходимо освоить в течение одного семестра большой объем информации как на лекционных и практических занятиях, так и в рамках самостоятельной работы.
Полученные знания и навыки будут в дальнейшем использованы студентами во время изучения последующих дисциплин, а также в профессиональной деятельности.
Понимание процессов и явлений, происходящих в электрических и магнитных цепях, в том числе переходных процессов, позволит полностью сформировать представление о том, как работают линии электропередач, каким образом устроены трансформаторы, электрические машины постоянного и переменного тока. Изучение нелинейных элементов и нелинейных электрических цепей сформирует представление о принципах работы различных электронных устройств, коммутационной аппаратуры, преобразователей и тп.
Знание типов, основных характеристик и особенностей применения различных электрических машин, таких как – асинхронный двигатель, синхронная машина или машина постоянного тока, позволит правильно подбирать и осуществлять эксплуатацию оборудования на производстве. Кроме этого, знания и навыки, приобретенные в рамках дисциплины «Электротехника», позволят студентам, успешно прошедшим курс, грамотно читать электрические схемы, использовать информацию технического паспорта той или иной электроустановки.
5
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Особое внимание в данном учебном пособии уделено электробезопасности - системе организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от вредного и опасного воздействия электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества. Знание всех аспектов электробезопасности чрезвычайно важно для безопасного выполнения профессиональных обязанностей. Так как изучение раздела, посвященного электробезопасности, сформирует у студентов общие знания о воздействии электрического тока на организм, о принципах устройства и правильной эксплуатации электрооборудования, основ энергосбережения, правил электротехнических и механических испытаний.
6
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
1.Переходные процессы в электрических цепях
1.1.Основные понятия и определения
Анализируя работу электрической цепи можно выделить два режима (процесса) – установившийся (стационарный) режим работы и переходной (динамический, нестационарный) процесс.
Установившимся процессом называется такой процесс, который протекает в рассматриваемый момент времени при условии, что все изменения (включение или отключение источников питания, нагрузки, изменение параметров цепи и др.) происходили теоретически при t , практически при достаточно большом времени в прошлом. Иными словами, при установившихся режимах в цепях постоянного тока напряжения и токи неизменны во времени, а в цепях переменного тока они представляют собой периодические функции времени.
Установившиеся режимы при заданных и неизменных параметрах цепи полностью определяются только параметрами источника энергии.
Под переходными процессами понимают процессы перехода от одного установившегося режима работы электрической цепи (обычно периодического) к другому режиму работы электрической цепи, который является также установившимся (как правильно тоже периодическому). Два разных установившихся режима отличаются между собой – амплитудой, фазой формой или частотой действующей в схеме ЭДС, значениями параметров схемы и конфигурацией схемы.
К периодическим режимам относятся режимы синусоидального и постоянного тока, а также режим отсутствия тока в ветвях цепи.
Переходные процессы возникают при любых изменениях работы электрической цепи – процессы включения и отключение источников питания, нагрузки, при возникновении аварийных режим. В общем виде все эти процессы называют коммутацией. И, следовательно, переходные процессы вызываются коммутацией в цепи.
Коммутацией называется процесс замыкания или размыкания выключателей (рисунок1.1)
7
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
Рис.1.1. Коммутация: а) размыкание б) замыкание
Физически переходные процессы представляют собой процессы перехода от одного энергетического состояния, соответствующего докоммутационному режиму, к другому энергетическому состоянию, соответствующему послекоммутацонному режиму.
Длительность переходного процесса исчисляется как правильно весьма малыми долями секунды, но токи и напряжения за это время могут достигнуть значений, превышающих в десятки раз значения при установившемся режиме, а это может привести к повреждению электрооборудования. Кроме того, в таких областях техники, как электроника, радиотехника, автоматика и др., важно знать о характере переходных процессов, что позволяет определить характеристики систем.
Весь процесс в электрических цепях можно разделить на три режима:
1.Начальный установившийся режим, который имел место до коммутации t .
2.Переходный режим. За его начало обычно принимается момент времени t = 0.
3.Конечный установившийся режим после коммутации,
который наступает теоретически при t , а практически, через сравнительно короткое время.
1.2. Причины возникновения переходных процессов в электрических цепях. Законы коммутации.
Переходные процессы в электрической цепи возникают при условии наличия в ней накопителей энергии, которыми являются катушки индуктивности и конденсаторы.
Поэтому переходные процессы связаны с изменением магнитной энергии в индуктивности Lи электрической энергии в
8
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
емкостиС и запасом этих энергий на момент коммутации. В момент коммутации, происходит перераспределение энергии между индуктивными, емкостными элементами цепи и внешними источниками энергии.
После окончания переходного процесса наступает новый установившийся режим в электрической цепи.
Энергия магнитного поля в индуктивности определяется выражением:
= |
|
2 |
= |
2 |
(1.1) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Энергия электрического поля в емкости определяется |
||||||||||
выражением: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
||||
= |
|
|
= |
|
|
|
|
(1.2) |
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Э |
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
Энергия электрического поля и энергия магнитного поля не могут измениться мгновенно, так как для этого потребовались бы бесконечно большие мощности источников, что физически невозможно.
Из выражений 1.1. и 1.2. следует, что ток в катушке индуктивности iLи потокосцепление ψ не могут измениться мгновенно, как и не могут измениться мгновенно напряжение конденсатора UC и заряд q. Эти два положения легли в основу законом коммутации. Для правильной записи законов коммутации принято считать:
момент времени непосредственно до коммутации – t = 0-; момент времени, когда происходит коммутация – t = 0; момент времени сразу же после коммутации – t = 0+.
Первый закон коммутации- ток в ветви с индуктивность в начальный момент времени после коммутации (0+)имеет то же значение, какое он имел непосредственно перед коммутацией(0-), а затем с этого значения он начинает плавно изменяться.
Второй закон коммутации – напряжение на конденсаторе в начальный момент времени после коммутации (0+) имеет то же
9
vk.com/club152685050 | vk.com/id446425943
значение, какое оно имел непосредственно перед коммутацией (0-), а затем с этого значения он начинает плавно изменяться.
Для учета влияния энергетического состояния цепи на момент коммутации и для записи законов коммутации введем понятие тока iL ( 0) в индуктивности и напряжения uC ( 0) на емкости в
последний момент перед коммутацией, а также понятие тока iL ( 0) в индуктивности и напряжения uC ( 0) на емкости в первый момент
после коммутации. В соответствии с этим, аналитически законы коммутации можно представить в следующем виде:
|
0 − |
= (0+) |
(1.3) |
|
|
|
|
|
0 − |
= (0+) |
(1.4) |
|
|
|
|
Также можно записать для потокосцепления для катушки |
|||
индуктивности и заряда конденсатора: |
|
||
0 − = (0+) |
(1.5) |
||
0 − |
= (0+) |
(1.6) |
|
Напомним, что скачкообразное изменение напряжения на конденсаторе и тока в ветви с индуктивным элементом невозможно и противоречит второму закону Кирхгофа, так как в природе не существует источников электрической энергии бесконечной мощности.
Однако следует заметить, что напряжение на индуктивности (а) и ток в емкости (б) могут изменяться мгновенно, как показано на рисунке 1.2.
10