1. Предмет электротехники. Режимы работы электрической цепи.

Предмет электротехники.

Электротехника – техническая наука, которая изучает способы передачи, преобразования и потребления электроэнергии.

Электротехника включает в себя линейные электрические цепи и нелинейные электрические цепи.

Линейные – это эл. машины переменного тока, эл. машины постоянного тока и эл. измерительные приборы.

Нелинейные – это выпрямители переменного тока, преобразователи и стабилизаторы.

Режимы работы электрической цепи.

Источник напряжения – источник эл. энергии, способный давать стабильное напряжение при колебании силы тока в определенном диапазоне.

Источник тока – при колебании напряжение в цепи остается постоянным, вырабатывается сила тока.

Можно выделить 4 основных режима работы эл. цепи:

1. Режим холостого хода(R=∞, i=0). Возникает при размыкании цепи.

2. Режим короткого замыкания. Возникает при замыкании клемм источника(R=0, i=E/r)

3. Согласованный режим. Источник должен отдать потребителю как можно больше энергии(R=r). В электротехнике режим используется редко, в радиотехнике повсеместно.

4. Режим номинальный – режим работы, на который рассчитана эл. цепь и потребитель (КПД эл. цепи максимальный, минимальный износ узлов эл. цепи).

2. Электрическая цепь переменного тока.

В электроэнергетике используется переменный ток синусоидального типа.

В РФ и Европе принят стандарт частоты 50 Гц, напряжение 220в; в США и Японии 60 Гц и 110 В.

Z – комплексное сопротивление, состоящее из активного и реактивного компонента. В электротехнике при расчете эл. цепей используются комплексные числа, при этом действительной частью считается активное сопротивление, а мнимой – реактивная.

1. Цепь, содержащая активное сопротивление:

В такой цепи мгновенные значения тока и напряжения меняются синфазно (одновременно)

2. Цепь, содержащая индуктивность:

В данном случае происходит запоздание тока по отношению к напряжению за счет явления самоиндукции l_L= -L·(d_i /d_t)= -LI_mωcos(ωt)= LI_mωsin(ωt-π/2)

Индуктивный элемент характеризуется индуктивным сопротивлением (X_L=ωL)

3. Емкость цепи переменного тока:

Здесь происходит опережение током напряжения, что связано с процессами заряда конденсатора.

i=C·(du/dt)=CU_mωcos(ωt)= CU_mωsin(ωt+π/2)

Таким образом при прохождении переменного тока через нагрузку содержащую активную и реактивную компоненту происходит определенный сдвиг фаз между током и напряжением, который можно легко описать с помощью комплексных чисел.

3. Действующие значения напряжения и тока. Мощность переменного тока.

Действующие значения напряжения и тока.

Анализ цепи переменного тока с использованием мгновенных значений напряжений и тока весьма неудобен для оценки эффективности действия синусоидального тока, их заменяют постоянными во времени параметрами, которые называются действующие значения тока и напряжения.

Их определяют как средние квадратичные значения тока и напряжения

I=I_m/корень из 2; U=U_m/ корень из 2.

При прохождении постоянного тока, в проводнике выделяется такое же количество теплоты, что и при прохождении синусоидального тока. Они эквивалентны по своему тепловому действию I²RT=i²RT. Кроме действующих значений в электротехнике также используется среднее значение за полупериод:

Мощность переменного тока.

P=i·u – мгновенное значение мощности.

(U_m·I_m)/2{cosφ-cos(2ωt+φ)}=UI{ cosφ-cos(2ωt)· cosφ+sin(2ωt)·sinφ}

u=U_m· sin(ωt); i=I_m·sin(ωt+φ).

UI=S

|S·cosφ=P – активная мощность; S·sinφ=Q – реактивная мощность|=>p=P(1- cos(2ωt))+Qsin(2ωt) – мгновенная мощность.

сosφ – коэффициент мощности играет значительную роль в электроэнергетике, при малых значениях коэффициента мощности потребитель не может эффективно использовать электрический ток. Поэтому добиваются, чтобы коэффициент мощности несильно отличался от единицы.