1. Основные понятия и определения электротехники. Топологические параметры.
Электротехника - это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребления электрической энергии.
Электроника - это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребленияинформации.
Электромагнитное поле - это особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между заряженными частицами.
Магнитное поле - это одна из форм электромагнитного поля. Оно создается движущимися электрическими зарядами и спиновыми магнитными моментами (момент количества движения микрочастиц) атомных носителей магнетизма. Взаимосвязь магнитного и электрического полей описывает уравнение Максвелла.
Электрическое поле - это частная форма проявления электромагнитного поля. Оно создаётся электрическими зарядами или переменным магнитным полем.
Магнитная цепь - это совокупность источников магнитного потока (постоянных магнитов, электромагнитов) и ферромагнитных или других тел и сред, через которые магнитный поток замыкается.
Электрический ток - это направленное движение электрических зарядов в веществе или вакууме под воздействием электрического поля. Ток характеризуется силой, измеряемой в амперах (А). Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный. Постоянным называют ток, который может изменяться по величине, но не меняется по знаку сколь угодно долгое время. Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине, так и по знаку. Переменные токи подразделяются на синусоидальные и несинусоидальные.
Гармонические колебания характеризуются изменением колеблющейся величины во времени по синусоидальному закону. По синусоидальному закону изменяется напряжение, ЭДС, магнитный поток. Синусоидально изменяющиеся величины изображают синусоидами, показывающими мгновенные их значения в любой момент времени, или вращающимися векторами.
Скорость изменения переменного тока характеризуется его частотой, определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой / и измеряется в герцах (Гц). В России (как и во многих странах мира) частота тока в электрической сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям (периодам) в секунду.
Электродвижущая сила (ЭДС) - это сила, способная совершать работу по перемещению в электрической цепи электрических зарядов. ЭДС измеряется в вольтах (В) и обозначается латинской буквой Е.
Электрическое напряжение (U) - это величина, численно равная работе по перемещению единицы электрического заряда между двумя произвольными точками электрической цепи. Напряжение, как и ЭДС, измеряется в вольтах (В). Если источник ЭДС подключить к замкнутой цепи, то она окажется под воздействием электромагнитного поля, а на её участках установятся разности электрических потенциалов или напряжения.
Электрической цепью называется, в общем виде, совокупность определенным образом соединенных источников, преобразователей и потребителей электрической энергии, через которые может протекать электрический ток.
Электрическое сопротивление - это способность элемента электрической цепи противодействовать в той или иной степени прохождению по нему электрического тока. Сопротивление, в общем случае, зависит от материала элемента, его размеров, температуры, частоты тока и измеряется в омах (Ом). Различают активное (омическое), реактивное и полное сопротивления. Они обозначаются чаще всего соответственно: R, X, Z.
Активное сопротивление элемента - это сопротивление постоянному току.
Индуктивное сопротивление - это сопротивление элемента, связанное с созданием вокруг него переменного или изменяющегося магнитного поля. Оно зависит от конфигурации и размеров элемента, его магнитных свойств и частоты тока. Индуктивность можно определить как меру магнитной инерции элемента в отношении электромагнитного поля. По смыслу индуктивность в электротехнике можно уподобить массе в механике. Например, чем больше индуктивность элемента, тем медленнее и тем большую энергию магнитного поля он запасает. Индуктивностью обладают в разной мере все элементы электрической цепи переменного тока: провода, шины, кабели и т.п., но в большей степени обмотки электрических машин и разного рода многовитковые катушки.
Ёмкостное сопротивление - это сопротивление элемента, связанное с созданием внутри и вокруг него электрического поля. Оно зависит от материала элемента, его размеров, конфигурации и частоты тока.
Фаза (от греч. - появление) - в теории колебаний и волн переменного тока определяет состояние колебательного процесса в каждый момент времени.
Однофазная цепь - это электрическая цепь переменного тока, в которой действует одно синусоидальное напряжение.
Трёхфазная цепь - это электрическая цепь переменного тока, в которой действуют три синусоидальных напряжения сдвинутых по фазе обычно на 120°. Трёхфазные цепи экономичнее однофазных, дают существенно меньшие пульсации тока после выпрямления в постоянный ток, позволяют простыми средствами получать вращающееся магнитное поле в электродвигателях.
Фазное напряжение источника (приёмника, сети) электрического тока - это разность потенциалов между выводом фазы и нейтральной точкой (проводом).
Линейное напряжение источника (приёмника, сети) электрического тока - это разность потенциалов между выводами смежных фаз.
Электромагнитная индукция есть возникновение ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле или в замкнутом проводящем контуре вследствие движения контура в магнитном поле или в результате изменения самого поля.
Взаимная индукция - это явление возбуждения ЭДС в одной электрической цепи при изменении электрического тока в другой цепи или при изменении взаиморасположения этих двух цепей. Самоиндукция - наведение ЭДС в электрической цепи при изменении протекающего в ней электрического тока.
Магнитодвижущая сила (МДС) - ранее часто называлась намагничивающей силой - это величина, характеризующая магнитное действие электрического тока. МДС вводится при расчётах магнитных цепей по аналогии с ЭДС в электрических цепях.
Электрическая энергия - это способность электромагнитного поля производить работу, преобразовываясь в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и др.).
Электрическая мощность - это работа по перемещению электрических зарядов в единицу времени. Единица измерения мощности -ватт (Вт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт). Различают активную и реактивную мощности.
Активная мощность (Р) - это мощность, связанная с преобразованием электроэнергии в тепловую или механическую энергию.
Диэлектрики - это вещества практически не проводящие электрический ток. Диэлектрики бывают твёрдые, жидкие и газообразные. Важнейшими характеристиками диэлектриков являются: диэлектрическая восприимчивость, диэлектрическая проницаемость и электрическая прочность.
Диэлектрические потери есть мощность, выделяющаяся в диэлектрике при воздействии на него переменного электрического поля. Потери мощности в диэлектриках, работающих в переменном поле, оцениваются тангенсом угла диэлектрических потерь.
Конденсатор электрический - это электрическая ёмкость, представляющая собой устройство из двух или более электродов (обкладок), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок.
Электрическая изоляция - это устройство, выполненное из диэлектрических материалов и предназначенное для изоляции частей электрооборудования, находящихся под разными электрическими потенциалами с целью предотвращения коротких замыканий на землю, на корпус машин, на сооружения и конструкции. Наиболее распространенные материалы: фарфор, слюда, бумага, минеральное масло, эпоксидные смолы, стекло и другие.
Изоляторы - из фарфора и стекла - одни из основных элементов для изоляции электроустановок и наиболее широко распространены. По своему назначению изоляторы подразделяются на опорные, проходные и линейные с нормированными соответствующими стандартами электрическими и механическими нагрузками. Опорные изоляторы предназначены для крепления и изоляции токоведущих частей. Проходные изоляторы служат для изоляции и соединения токоведущих частей, находящихся в закрытых помещениях, баках трансформаторов с открытыми токоведущими частями электроустановок и ЛЭП. Линейные изоляторы служат для изоляции и крепления проводов и грозозащитных тросов воздушных ЛЭП и подстанций.
Изоляционное масло - это минеральное масло повышенной степени очистки, обладающее диэлектрическими свойствами.
Пробивное напряжение - это напряжение, при котором происходит пробой (разрушение), т.е. наступает предел электрической прочности диэлектрика, а соответствующее значение напряженности электрического поля называется электрической прочностью диэлектрика.
Электролиты - это растворимые химические вещества, в которых прохождение постоянного электрического тока осуществляется в результате движения ионов и сопровождается электролизом - распадом. Положительно заряженные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательно заряженные ионы (анионы) движутся к аноду.
Короткое замыкание (КЗ) - это образование электрического контакта вследствие соединения проводников электрической цепи, не предусмотренного нормальными условиями работы. Это явление в электрической части ГЭС относится к числу самых опасных случаев.
В сети переменного тока КЗ может быть между фазами (2-х и 3-х -фазное) или вследствие замыкания фазы на землю (однофазное). В сети постоянного тока КЗ бывает между полюсами или полюсом и землёй. КЗ возникает из-за нарушения изоляции частей электрической установки и обычно сопровождается значительным увеличением силы тока в цепи, что создаёт опасность повреждения оборудования. У потребителей электроэнергии в момент КЗ резко снижается электрическое напряжение. Для предотвращения опасных последствий КЗ применяют релейную защиту или устанавливают плавкие предохранители, которые обеспечивают быстрое отключение участка с КЗ.
Релейная зашита - это комплекс электрических устройств, содержащих релейные элементы (реле), способные выявлять скачкообразное изменение контролируемых параметров (тока, напряжения, частоты тока, мощности и др.), и при достижении их недопустимых значений выдавать командные импульсы на отключение поврежденных участков электроустановки или на остановку агрегатов, машин, механизмов.
Переходный процесс в электрических установках представляет собой переход от одного устачовившегося состояния к другому установившемуся состоянию в результате планового включения или отключения генераторов, а также при возникновении КЗ либо при внезапных изменениях нагрузки (мощности).
Электрическая машина - это электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии (электрогенератор и электродвигатель).
Электрической цепью называют совокупность тел и сред, образующих замкнутые пути для протекания электрического тока.
Обычно физические объекты и среду, в которой протекает электрический ток, упрощают до условных элементов и связей между ними. Тогда определение цепи можно сформулировать как совокупность различных элементов, объединенных друг с другом соединениями или связями, по которым может протекать электрический ток.
Элементами электрической цепи являются источники электрической энергии, активные и реактивные сопротивления.
Связи в электрической цепи изображаются линиями и по смыслу соответствуют идеальным проводникам с нулевым сопротивлением.
Связи цепи, наряду с элементами, определяют ее свойства и для одних и тех же элементов можно создать множество различных электрических цепей различающихся только связями.
Связи элементов электрической цепи обладают топологическими свойствами, т.е. они не изменяются при любых преобразованиях, производимых без разрыва связей. Пример такого преобразования показан на рис. 1.
Возможность взаимно однозначного преобразования электрической цепи позволяет использовать его до начала анализа для приведения схемы к наиболее простому и легко воспринимаемому виду. Так схема на рис. 1 б) выглядит значительно проще, чем схема а).
Для описания топологических свойств электрической цепи используются топологические понятия, основными из которых являются узел, ветвь и контур.
Узлом электрической цепи называют место (точку) соединения трех и более элементов.
Графически такое соединение может изображаться различными способами.
Обратите внимание на точку в месте пересечения линий схемы. Если она отсутствует, то это означает отсутствие соединения. Точка может не ставиться там, где при пересечении линия заканчивается (рисунок а)).
Узел не обязательно имеет вид точки. На рис. 1 б) вся нижняя линия связи, соединяющая R2, E, R5 и R3 , является узлом, а на рис. 1 а) этот же узел представлен диагональной связью.
Ветвью называют совокупность связанных элементов электрической цепи между двумя узлами.
Ветвь по определению содержит элементы, поэтому вертикальные связи рис. 2 а) и б) ветвями не являются. Не является ветвью и диагональная связь рис. 1 а).
Контуром (замкнутым контуром) называют совокупность ветвей, образующих путь, при перемещении вдоль которого мы можем вернуться в исходную точку, не проходя более одного раза по каждой ветви и по каждому узлу.
По определению различные контуры электрической цепи должны отличаться друг от друга по крайней мере одной ветвью.
Количество контуров, которые могут быть образованы для данной электрической цепи ограничено и определено.