Конспект лекций электротехника

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция 1

Введение.

Лекция 2

Электрические цепи однофазного переменного тока.

Лекция 3

Электрические цепи однофазного переменного тока (продолжение).

Лекция 4

Электрические цепи переменного трехфазного тока.

Лекция 5

Электрические цепи переменного трехфазного тока (продолжение).

Лекция 6

Трансформаторы.

Лекция 7

Электрические машины.

Лекция 8

Электрические машины (продолжение)

Лекция 9

Электроснабжение строительных площадок.

Приложение

Электроизмерительные приборы и электрические измерения.

Литература

ЛЕКЦИЯ № 1

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника принадлежат к числу основных дисциплин, изучаемых студентами инженерных специальностей. Главная цель изучения дисциплины - ознакомить будущих инженеров-строителей с элементами физических основ электротехники, закрепить эти сведения при выполнении лабораторных работ и практических занятий, а также привить будущему инженеру-строителю теоретические и практические навыки, необходимые для правильной эксплуатации современного электрооборудования. Электротехника является областью науки и техники, которая занимается изучением электрических и магнитных явлений и их использованием в практических целях.

Трудно найти область современного производства, отрасль народного хозяйства где бы не использовалась электрическая энергия.

Электротехника является теоретической базой для автоматики, электропривода, электроники, технологического оборудования, сварки.

Огромное значение электрической энергии объясняется рядом её преимуществ перед другими видами энергии :

1).Сравнительно просто получается из других видов энергии; 2).Относительно просто передается на значительные расстояния с небольшими потерями;

3).В местах потребления сравнительно легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, лучистую ); 4).Легко распределяется между различными потребителями;

5).Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать.

При изучении электротехники мы будем пользоваться Международной системой единиц СИ. В этой системе основные электрические величины измеряются в следующих единицах измерения:

Очень часто в электротехнике применяют кратные и дольные значения основных величин.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Процессы, происходящие в электротехнических устройствах, как правило очень сложны, они связаны с созданием электромагнитных полей или изменением величин, характеризующих эти поля. Для их описания требуется привлечение векторных электрических и магнитных величин, характеризующих электромагнитные поля: напряженности электрического поля Е, напряженности магнитного поля Н, вектора магнитной индукции В, вектора плотности электрического тока j и других. Однако во многих случаях основные характеристики электротехнических устройств могут быть получены и описаны с помощью, известных из курса физики, скалярных интегральных величин: силы тока, электродвижущей силы, напряжения, сопротивления и другие величин. При таком описании совокупность электротехнических устройств рассматривают как электрическую цепь, состоящую из источников и приемников электрической энергии, характеризуемых э.д.с. , силой тока I, напряжением U, электрическим сопротивлением R.

Источники и приемники электрической энергии, являющиеся основными элементами электрической цепи, соединяют проводами для обеспечения замкнутого пути для электрического тока.

Для включения и отключения электротехнических устройств применяют коммутационную аппаратуру ( выключатели, рубильники, тумблеры ).

Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включаться электрические приборы для измерения силы тока, напряжения и мощности.

Таким образом электрической цепью называют совокупность устройств, предназначенных для генерирования, передачи, преобразования и использования электрической энергии, процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, напряжении и э.д.с..

Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, называют элементами электрической цепи. Часть электрической цепи, содержащую выделенные в ней элементы, называют участком цепи. Элементы цепи, предназначенные для генерирования электрической энергии, называют источником питания, а элементы использующие, электрическую энергию - приемниками электрической энергии.

Висточниках в электрическую энергию преобразуются иные виды энергии: механическая в машинных генераторах, химическая в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловая в термоэлементах, лучистая в фотоэлементах и так далее.

Вприемниках, наоборот, электрическая энергия преобразуется в иные виды энергии: в механическую

вэлектродвигателях, в химическую в аккумуляторах, в тепловую в различных нагревательных приборах и печах, в лучистою в осветительных приборах и так далее.

ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СХЕМАМИ СОЕДИНЕНИЙ

При изучении процессов в электрических цепях их изображают графически при помощи схем соединения отдельных элементов.

Чаще всего пользуются тремя видами схем: монтажными, принципиальными, замещения.

На монтажных схемах изображают рисунок элементов цепи и соединительные провода. В большинстве случаев монтажными схемами пользуются при изготовлении монтаже и ремонте электрических цепей и устройств.

На принципиальных схемах показывают условные графические изображения элементов и схему их соединения. Ими пользуются при изучении, монтаже и ремонте электрических цепей и устройств. Схема замещения - это расчетная модель электрической цепи. На ней реальные элементы замещаются расчетными моделями и из схем исключаются все вспомогательные элементы не влияющие на результаты расчета. Так гальванический элемент представляется в виде источника э.д.с. с последовательно включенным внутренним сопротивлением.

При расчете электрических цепей источники питания заменяют эквивалентными идеальными источниками, которые, в свою очередь подразделяют на идеальные источники э.д.с. и идеальные

источники тока.

Идеальным источником э.д.с. (напряжения) называется источник внутреннее сопротивление которого равно нулю, а э.д.с. постоянна и равна э.д.с. реального источника, причем эта э.д.с. не зависит от тока нагрузки, проходящего через источник Е = U = const. На электрических схемах источники э.д.с. изображают в виде кружка со стрелочкой внутри, стрелка указывает положительное направление э.д.с., то есть направление возрастания потенциала внутри источника.

Идеальным источником тока называется источник с внутренним сопротивлением, равным бесконечности, и током, не зависящим от сопротивления нагрузки цепи, то есть током, значение которого не зависит от значения напряжения и равно току короткого замыкания источника питания. На электрических схемах источники тока изображаются в виде кружочка со стрелочкой с двойным наконечником внутри. Стрелка указывает положительное направление тока.

Вольтметр и амперметр из схем замещения исключаются, если они принимаются “идеальными” (если нет дополнительных указаний, то сопротивление вольтметра считается бесконечно большим, а амперметра равным нулю).

При описании электрических цепей используют следующие понятия:

Ветвь электрической цепи - это участок, элементы которого соединены последовательно. Ток во всех элементах один и тот же.

Узел электрической цепи - это точка соединения трех и более ветвей.

Контур - это любой путь вдоль ветвей электрической цепи, начинающийся и заканчивающийся в одной и той же точке.

Двухполюсник - это часть электрической цепи с двумя выделенными выводами. Четырехполюсник - часть электрической цепи с двумя парами выводов.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ И ВЕЛИЧИНЫ ИХ ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ.

В источнике электрической энергии в результате действия сил неэлектромагнитной природы - химических, механических, тепловых, атомных, называемых сторонними силами, создается электрическое поле, которое характеризуется напряженностью электрического поля.

Напряженность электрического поля Е - векторная величина, определяющая силу, с которой поле действует на зараженные частицы.

Она численно равна отношению силы, действующей на заряженную частицу, к величине ее заряда, и направлена также, как и сила, действующая на положительно заряженную частицу.

Под действием сил стороннего поля положительные и отрицательные заряды внутри источника разделяются.

На электроде источника, обозначенного знаком “ + ” , накапливается избыток положительных зарядов, на электроде, обозначаемом знаком “ - ” - избыток отрицательных зарядов. Заряды внутри источника создают свое поле, которое при отключении источника уравновешивает стороннее поле. При подключении к выводам источника внешней части электрической цепи в ней также создается электрическое поле, направленное от положительного электрода источника к отрицательному. Под действием сил этого поля носители отрицательных зарядов - электроны перемещаются вдоль внешней части цепи от отрицательного электрода к положительному, нейтрализуя недостаток отрицательных зарядов на положительном электроде. В цепи наступает динамическое равновесие: в источнике непрерывно происходит разделение зарядов, а через внешнюю часть цепи - их соединение.

Физические процессы в электрической цепи описываются следующими величинами :

1. Cила тока. Электрический ток - это явление направленного движения свободных носителей электрического заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны, в плазме и электролитах - ионы.

Электрический ток количественно описывается величиной, которая называется силой тока.

Значение электрического тока сквозь некоторую поверхность в данный момент времени равно пределу отношения электрического заряда q, переносимого заряженными частицами сквозь эту поверхность в

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участках цепи. Закон Ома для участка цепи не содержащий э.д.с. формулируется так :

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению провода :

I = U / R.

Напряжение на пассивном участке цепи U и равное ему произведение IR часто называют еще падением напряжения.

Рассмотрим простейшую электрическую цепь, содержащую источник э.д.с.

Напряжение между выводами нагруженного источника меньше э.д.с. Разность между э.д.с. и напряжением U представляет собой энергию, которая преобразуется в тепло при перемещении единичного заряда в источнике питания и называется внутренним падением напряжения U0 ; следовательно

- U = U0 , = U + U0.

Отсюда получаем закон Ома для всей электрической цепи :

Закон Джоуля-Ленца. При прохождении тока в проводнике с сопротивлением R происходит столкновение электрически заряженных частиц с ионами вещества. При этом кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам, что и приводит к нагреванию. Скорость преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью :

P = UI,

имея в виду, что U = IR , получаем

P = I2R = U2/R.

Количество электрической энергии переходящей в тепловую за время t,

W = Pt = I2Rt,

и при этом выделяется количество теплоты :

Q = W = I2Rt.

Эта формула и выражает закон Джоуля - Ленца, который формулируется следующим образом : Количество тепла, выделенное током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Законы Кирхгофа - являются основными законами, определяющими режим работы электрической цепи.

Первый закон Кирхгофа - применяется к узлам электрической цепи и формулируется так: Алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю, то есть

N

I k 0,

k 1

N - число ветвей. Токи, направленные от узла записываются со знаком плюс, а направленные к узлу со знаком минус.

Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрической цепи. Он формулируется следующим образом :

Во всяком замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма э.д.с. равна алгебраической сумме падений напряжений в отдельных сопротивлениях этого контура :

N M

U k k

Uk - напряжение на k - ом сопротивлении, k - k - я э.д.с. входящая в контур, M - число э.д.с. в контуре, N - число сопротивлений в контуре. При составлении уравнений по этому закону со знаком “ + ” записываются те э.д.с., направления которых совпадают с произвольно выбранным направлением обхода контура. Со знаком “ - ” записываются э.д.с., направленные противоположно обходу контура. Падения напряжения IR записываются со знаком “+”, если направление обхода совпадает с направлением с направлением тока в сопротивлении. В противном случае падения напряжения записываются со знаком “ - ”.

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

Электрическая цепь в зависимости от значения сопротивления нагрузки R может работать в различных характерных режимах : номинальном, согласованном, холостого хода и короткого замыкания. Рассмотрим эти режимы работы для цепи рассмотренной выше.

Номинальный режим - это расчетный режим, при котором элементы цепи (источники, приемники, линия электропередач) работают в условиях, соответствующих проектным данным и параметрам. Изоляция источника, линии электропередачи, приемников расчитана 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 расчитан 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 э.д.с. ( = U). Из этих соотношений вытекает метод измерения э.д.с. 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.