ЭЛЕКТРОТЕХНИКА Программа ИГА 1 2 3 4

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Программа ИГА 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. Простые электрические цепи. Законы Ома. Законы Кирхгофа. Смешанное соединение резисторов. Энергия и мощность в электрических цепях. Баланс мощностей. Нелинейные электрические цепи. Расчет простых цепей. Магнитное поле. Параметры поля: магнитная индукция, напряженность, намагничивающая сила, магнитный поток. ЭДС индукции. Самоиндукция. Взаимоиндукция. Индуктивность. Сложные электрические цепи. Расчет сложных цепей одним из методов. Переменный ток. Основные понятия. Действующее и среднее значения тока. Векторная диаграмма. Последовательное соединение активного сопротивления, индуктивности и емкости. Резонанс напряжения. Коэффициент мощности Cos φ , его технико экономическое значение. Методы повышения. Трехфазные цепи. Основные понятия. Соединение обмоток генераторов звездой и треугольником. Соединение потребителей звездой и треугольником. Аварийные случаи в трехфазных цепях

Программа ИГА (практическая часть) 1. 2. Рассчитать простую электрическую цепь постоянного тока. Рассчитать сложную электрическую цепь постоянного тока методом наложения или методом законов Кирхгофа. 3. Рассчитать неразветвленную цепь переменного тока. 4. Рассчитать разветвленную цепь переменного тока. 5. Рассчитать батарею компенсационных конденсаторов. 6. Рассчитать трехфазную цепь, соединенную звездой. 7. Рассчитать трехфазную цепь, соединенную треугольником. 8. Рассчитать добавочные сопротивления к многопредельному вольтметру. 9. Рассчитать емкость или индуктивность с помощью авометра и источников постоянного и переменного токов. 10. Рассчитать шунт и проверить амперметр

Простые электрические цепи. Законы Ома. Законы Кирхгофа. Смешанное соединение резисторов • • Электрическая цепь – совокупность устройств для прохождения электрического тока: источники электрической энергии – внутренняя цепь приемники электрической энергии (потребители), соединительные провода Простая цепь, если ее можно преобразовать к виду Закон Ома для полной цепи Закон Ома для участка цепи Участки электрической цепи: Узел – участок электрической цепи, в которой сходятся несколько ветвей (проводов) Ветвь – участок электрической цепи, по которому идет ток Контур – замкнутый участок электрической цепи Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из узла Второй закон Кирхгофа: во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжения на сопротивле ниях, входящих в этот контур

Простые электрические цепи. Законы Ома. Законы Кирхгофа. Смешанное соединение резисторов • • Последовательное соединение, если по всем элементам идет один и тот же ток Параллельное соединение, если ко всем элементам приложено одно и то же напряжение

Энергия и мощность в электрических цепях. Баланс мощностей • • • Мерой количества энергии является работа. Работа W, совершаемая электрическим током за время t при известном напряжении U и силе тока I, равна произведению напряжения на силу тока и на время его действия Работа, совершаемая электрическим током силой 1 А при напря жении 1 В в течение 1 с, принята за единицу электрической энергии – джоуль (Дж) Мощность – энергия, получаемая приемником (или отбираемая источником тока) в течение 1 с Мощность, которая создается силой тока 1 А при напряжении 1 В, принята за единицу измерения мощности – ватт (Вт) Баланс мощностей: мощность, созданная источником электроэнергии равна сумме мощностей потребителей и мощности потерь

Нелинейные электрические цепи. Расчет простых цепей • Электрическая цепь, сопротивление которой не зависит ни от тока, ни от напряжения, называется линейной • Если сопротивление какого либо участка — элемента электрической цепи зависит от тока или напряжения, то эле мент ицепь называются нелинейными

Магнитное поле. Параметры поля: магнитная индукция, напряженность, намагничивающая сила, магнитный поток • • При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле Направление магнитного поля вокруг проводника с током можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика совместить с направлением тока в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий маг нитного поля вокругпроводника Магнитная индукция В [Тл] определяет интенсивность маг нитного поля, т. е. способность магнитного поля производить работу, силовая характеристика магнитного поля Магнитный поток Ф [Вб], проходящий через какую либо поверх ность, определяется общим числом магнитных силовых линий, про низывающих эту поверхность, например, катушку. Если поверхность расположена под углом , тогда учитывается cos Абсолютная магнитная проницаемость а [1 Гн/м = 1 Ом с/м] – величина, характеризующая магнитные свойства среды (, 0 [Гн/м] - магнит ная постоянная, относительная магнитная проницаемость) FM [А] – магнитодвижущая сила – равна причине, вызывающей возникновение магнитного поля (силе тока) Напряженность магнитного поля Н [А/м] – силовая характеристика магнитного поля, численно равная силе действующих на проводник с током в 1 А, длиной 1 м при магнитной индукции 1 Тл

ЭДС индукции. Самоиндукция. Взаимоиндукция. Индуктивность • • Явление возникновения (индуцирования) ЭДС при пересечении проводником силовых линий магнитного поля называется электромагнитной индукцией Индуцировать ЭДС в проводниках возможно: Перемещая проводник (закон Фарадея) Перемещая само магнитное поле Изменяя тем или иным путем магнитный поток, охваты ваемый витком, катушкой или каким либо другим замкнутым кон туром Направление индуцированной ЭДС определяют правилом правой руки: Ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, Отогнутый большой палец сов местить с направлением движения проводника (т. е. направлением его скорости ), Вытянутые четыре пальца укажут направление индуцированной ЭДС е Правило Ленца: инду цированная ЭДС имеет такое направление, при котором созданный ею ток противодействует причине, вызвавшей появление ЭДС, т. е. противодействует изменению магнитного потока ЭДС самоиндукции е. L – это ЭДС, индуцированная в проводнике или катушке в результате изменения магнитного потока, созданного током, проходящим по этому же проводнику или катушке Способность различных проводников (катушек) индуцировать ЭДС самоиндукции оценивается индуктивностью L [Гн] Взаимоиндукция – явление индуцирования ЭДС в проводнике или катушке при изменении магнитного потока, созда ваемого другим проводником (катушкой)

Сложные электрические цепи. Расчет сложных цепей одним из методов • Сложная электрическая цепь – цепь, имеющая две или более ветвей с источниками ЕДС • Методы решения сложных цепей: Метод наложения: цепь разбивается на ряд простых цепей, решается каждая отдельно, затем определяются токи в исходной цепи Метод законов Кирхгофа (метод узловых и контурных уравнений): для цепи составляется система уравнений по законам Кирхгофа – по первому (п – 1, где п – количество узлов), остальные по второму Метод узловых потенциалов (метод двух узлов): применяется для схем с двумя узлами, определяются проводимости ветвей, определяется напряжение между этими узлами, затем определяются токи

Переменный ток. Основные понятия. Действующее и среднее значения тока. Векторная диаграмма • • Период Т : Промежуток времени, в течение которого ЭДС е, напряжение и или ток i совершают полный цикл изменений Чем быстрее вращается виток или ротор генератора переменного тока, тем меньше период Частота (циклическая) f : Число полных периодов изменения ЭДС, напряжения или тока в 1 с Измеряется в герцах (Гц) Чем больше частота, тем меньше период изменения тока, напряжения или ЭДС, т. е. частота и период обратно пропорциональны: Т = 1/f Угловая частота : Частота, с которой вращается рамка Имеет размерность рад/с Фаза = t – угол, определяющий мгновенное значение величины (начальная фаза 0, сдвиг фаз ) Мгновенное значение ЭДС, тока, напряжения Значение ЭДС, тока, напряжения в данный момент времени Обозначение е, i, и Амплитудное (максимальное) значение тока, ЭДС, напряжения: Наибольшее значение переменного тока (ЭДС, напряжения) за период Обозначение Im, Em, Um Действующее значение тока (ЭДС, напряжения): Сила такого постоянного тока, который, проходя по проводнику в течение некоторого времени (например, в течение одного периода или 1 с), выделит в нем такое же количество тепла (произведет такую же механическую работу), как и данный переменный ток Обозначение I, Е, U Среднее значение тока (ЭДС, напряжения): Сила такого постоянного тока, при котором в течение полупериода через поперечное сечение проводника проходит такой же заряд, что и при переменном токе Обозначение Iср, Eср, Uср

Последовательное соединение активного сопротивления, индуктивности и емкости. Резонанс напряжения • • • Закон Ома Полное сопротивление Векторная диаграмма Треугольник сопротивлений Коэффициент мощности

Последовательное соединение активного сопротивления, индуктивности и емкости. Резонанс напряжения

Коэффициент мощности Cos φ , его технико экономическое значение. Методы повышения • • По значению cos можно судить, как использует мощность источника данный приемник или электрическая цепь Чем больше cos , тем меньше sin , следовательно, при заданных U и I больше активная и меньше реактивная мощности, отдаваемые источником При повышении cos и при постоянной активной мощности Р, поступающей в приемник, уменьшается ток в цепи При этом уменьшаются потери мощности в проводах и обеспечивается возможность дополнительной загрузки источника и электрической сети (лучшего их использования) Способы повышения коэффициента мощности: Правильный выбор (установки должны иметь высокий cos ) и эксплуатация электроустановок (например, исключение работы на холостом ходу, с малым коэффициентом загрузки) Включение параллельно прием никам электрической энергии специальных устройств, называемых компенсаторами, чаще всего используют батареи конденсаторов (статические компенсаторы), но могут быть применены также и синхронные электрические машины (вращаю щиеся компенсаторы)

Трехфазные цепи. Основные понятия. Соединение обмоток генераторов звездой и треугольником • За положительное направление токов i. A, i. B и i. С принято: в фазах источника — от конца соответствующей фазы к ее началу, в фазах нагрузки — от начала к концу, в линейных проводах — от источника к приемнику • За положительное направление напряжения принято: Направление напряжения и. А, и. Б и и. С в фазах источника и нагрузки от начала фаз к концам, Линейные напряжения и. АВ, и. ВС, и. СА — от предыдущей фазы к последующей

Звезда с нулевым проводом • Роль нулевого провода Необходим при несимметричной нагрузке, т. к. сумма токов не равна нулю При обрыве нулевого провода произойдет перекос фаз, т. е. фазные напряжения будут различными

Звезда без нулевого провода • • • Если включена равномерная нагрузка, то нулевой провод не нужен Условие равномерной (симметричной) нагрузки: во всех фазах включены одинаковые активные и реактивные сопротивления: RA = RВ = RC ХА = Х В = Х С При равномерной (симметричной) нагрузке всех трех фазные токи i. A, i. B и i. С будут равны по величине и сдвинуты от соответствующих фазных напряжений на равные углы В этом случае получаем симметричную систему токов, при которой токи i. A, i. B и i. С будут сдвинуты по фазе друг относительно друга на угол 120°, а ток i 0 в нулевом проводе в любой момент времени равен нулю При трехпроводной системе передачи электрической энергии в каждое мгновение ток по одному (или двум) проводу проходит от источника трехфазного тока к приемнику, а по двум другим (или одному) протекает обратно от приемника к источнику

Соединение треугольником

Мощность трехфазной системы

Соединение потребителей звездой и треугольником

Аварийные случаи в трехфазных цепях • Смещение нейтрали В трёхфазной цепи при соединении гене ратора и приемника звездой нейтральный провод, сопро тивлением которого можно пренебречь, обеспечивает равен ство потенциалов нейтральных точек генератора N и приемника N‘ Поэтому при малых сопротивлениях линейных проводов фазные напряжения приемника равны соответствующим фазным напряжениям генератора Если сопротивлением нейтрального провода ZН пре небречьнельзя, то при неодинаковых сопро тивлениях фаз приемника через нейтральный провод проходит ток IN и между нейтралями приемника N' и генератора N возникает разность потенциалов — смещение нейтрали: UN'N = UN = INZN Если смещение нейтрали отсутствует, т. е. , то точка N' совпадает с точкой N

Аварийные случаи в трехфазных цепях • В симметричной трехпроводной цепи при соеди нения приемников энергии звездой обрыв одного из проводов вызывает уменьшение до нуля напряжения на фазе прием ника с оборванным проводом и уменьшение напряжения на двух других фазах приемника примерно на 16 %. • Симметричная звезда, короткое замыкание фазы при коротком замыкании одной из фаз приемника напряжение на других фазах приемника увели чивается в 3 раз

Аварийные случаи в трехфазных цепях • • Обрыв нейтрального провода нейтральный провод при любых нагрузках фаз обеспечивает равен ство фазных напряжений электро приемников В случае же обрыва нейтрального провода при неоди наковых сопротивлениях фаз приемников энергии напря жения на отдельных фазах приемников будут различными На некоторых фазах (с меньшим сопротивлением) напря жение уменьшится, а на других увеличится по сравне нию с нормальным, что является недопустимым Обрыв нейтрального провода и короткое замыкание в фазе Особенно опасно, если при обрыве нулевого провода в одной из фаз произойдет короткое замыкание При этом напряже ние в других фазах увеличится в 3 раз По указанной при чине во избежание разрыва нейтрального провода в нем не устанавливают предохранители и выключатели • Соединение треугольником Неправильное соединение обмоток генератора, при котором у одной из них начало и конец поменяли местами алгебраическая сумма ЭДС в замкнутом контуре не будет равна нулю она равна удвоенной фазной ЭДС, что при малом сопротивлении контура эквивалентно короткому замыканию генератора

Расчет компенсационных конденсаторов • 1 – значение угла, при котором работает энергетическая установка • 2 – значение угла, при котором должна работать энергетическая установка • cos = 0, 90 0, 92

Расчет компенсационных конденсаторов • Асинхронный двигатель, включенный в сеть с напряжением U = 220 В и частотой f = 50 Гц, развивает на валу мощность Р = 11, 4 к. Вт. КПД двигателя = 95% при cos = 0, 74. Определить емкость С конденсатора, который необходимо включить параллельно с двигателем, чтобы повысить cos установки до 0, 95

Расчет компенсационных конденсаторов • Мощность, потребляемая двигателем из сети: • Ток нагрузки IЯ, т. е. ток двигателя • Так как у двигателя cos Н = 0, 74, то Н = 48°, sin Н = 0, 67 • Реактивная составляющая тока двигателя

Расчет компенсационных конденсаторов • Ток установки I при подключении конденсаторов, т. е. при cos = 0, 95 • При cos = 0, 95 угол = 18°, sin = sin 18° = 0, 31 • Реактивная составляющая тока установки • Ток конденсаторов IС

Расчет компенсационных конденсаторов • Емкостное сопротивление конденсаторов • Емкость конденсаторов, которые нужно подключить параллельно двигателю, для улучшения cos до 0, 95 (мк. Ф) • Улучшить (увеличить) коэффициент мощности нагрузки индуктивного характера можно последовательным включением конденсатора с нагрузкой. Однако при этом изменяется режим работы (напряжение) потребителя