bigpo.ru
добавить свой файл
1 2 ... 4 5
Министерство образования

Республика Беларусь

Гомельский Государственный политехнический колледж


КОНСПЕКТ

лекций по дисциплине: “Общая электротехника с основами электронники”


Разработал преподаватель:

Кончиц В.А.


Современная энергетика – это ключевая отрасль народного хозяйства страны. Она играет определяющую роль в развитии научно-технического прогресса, интенсификации общественного производства.

Из всех используемых видов энергии в настоящее время наиболее широко применяется электромагнитная энергия. Этот вид энергии в повседневной практике принято называть электрической энергией.

Энергия – одно из свойств материи. Для любого вида энергии можно назвать материальный объект, который является ее носителем. Механическую энергию несут, например, вода, падающая на лопасти гидротурбины, ветер, заведенная пружина; тепловую – нагретый газ, пар, горячая вода.

Носителем электрической энергии является особая форма материи – электромагнитное поле. Его главная особенность состоит в том, что оно оказывает силовое действие на электрически заряженные частицы, причем сила зависит от скорости частиц и величины их заряда.

Это свойство электромагнитного поля является основой связанных между собой электрических и магнитных явлений, известных из курса физики – взаимодействия электрически заряженных или намагниченных тел, электрического тока, электромагнитной индукции и др.

Использованием этих явлений для получения, передачи и преобразования электрической энергии занимается электротехника. Применение электромагнитного поля и его энергии для передачи информации без проводов – задача радиотехники.

Электрическую энергию широко используют во всех отраслях промышленного и сельскохозяйственного производства, на транспорте, в науке, быту; преобразуют ее в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую) в целях приведения в действие машин и механизмов, получения тепла и света, изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов и т.д.

Электрическую энергию получают из других видов энергии непосредственно или путем промежуточных преобразований. Для этого используют природные энергетические ресурсы – органическое и ядерное топливо, а также возобновляемые источники энергии; течение рек, ветер, геотермальные источники.

Учитывая быстрое уменьшение запасов органического топлива, а также неблагоприятное воздействие тепловых электростанций на окружающую природу, ведутся поиски технически и экономически удовлетворительных решений для получения электроэнергии на базе использования термоядерной энергии и перечисленных ранее возобновляемых источников энергии.


ГЛАВА 1

Электрическое поле


§ 1.1. Электрическое поле и его характеристика.


Большое количество электрических зарядов (электронов, протонов), содержащихся в любом теле, определяет его состояние (нейтральное или заряженное). Вокруг движущихся электрических зарядов существует электромагнитное поле, которое состоит из двух неразрывно связанных между собой электрического и магнитного. Поле обладает энергией (разноименные - притягиваются, одноименные – отталкиваются). Основными характеристиками электрического поля являются напряженность и потенциал.

Под напряженностью понимают отношение силы, с которой поле действует на точечный пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

,

где q – точечный пробный заряд, геометрические размеры которого и величина заряда настолько малы, что не искажают рассматриваемое поле.

Напряженность – величина векторная. Вектор напряженности совпадает с направлением сил, действующей на точечный пробный заряд. Поле считается однородным если вектора напряженности во всех его точках равны друг другу.


§ 1.2. Потенциал, электрическое напряжение.


Поместив положительный точечный пробный заряд в однородное электрическое поле, тогда под действием сил поля заряд переместиться из данной точки поля в другую на расстояние l.

Под напряжением понимают отношение работы совершенной силами поля для перемещения заряда из данной точки поля в другую к величине этого заряда:

[1В=1Дж/1Кл].

Напряжение, измеренное между данной точкой поля и точкой, потенциал которой принят равным 0, называется потенциалом.

Потенциал (φ) численно равен работе, совершенной силами поля при перемещении положительного единичного заряда из данной точки поля в точку, потенциал которой равен 0.

Выбрав любые две точки поля с различными потенциалами, говорят, что напряжение между этими точками поля равно разности потенциала этих точек:

.


§ 1.3. Конденсаторы. Соединение конденсаторов.


Конденсаторы – устройства, состоящие из двух металлических проводников разделенных диэлектриком, и предназначенные для использования их емкости:

[1Ф=1Кл/1В],

,

где εr – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика, разделяющего пластины конденсатора; ε0 – электрическая постоянная; S – площадь одной пластины, м2; d – расстояние между пластинами, м.

По типу диэлектрика конденсаторы делятся на бумажные, слюдяные, керамические и др.


Параллельное соединение:



Рис.1-1.


Таким образом, общая или эквивалентная емкость при параллельном соединении конденсаторов равна сумме емкостей отдельных конденсаторов:

.

Из этой формулы следует, что при параллельном соединении одинаковых конденсаторов емкостью С общая емкость

.


Последовательное соединение:



Рис.1-2.


Найдем общую емкость. Так как , где ; ; ; , то .

Сократив на Q получим

.

При последовательном соединении n одинаковых конденсаторов емкостью C каждый общая емкость

.

При зарядке конденсатора от источника питания энергия этого источника преобразуется в энергию электрического поля конденсаторов:

,

или с учетом того, что ,

.


ГЛАВА 2

Электрические цепи постоянного тока


§ 2.1. Электропроводность.


Под электрическим током понимают направленное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля. Различают два рода тока:

  1. постоянный ток – где направленное движение заряженных частиц не меняется и принято за направление от “+” к “-“ источника тока;

  2. переменный ток – величина и направление которого непрерывно изменяются.

Сила тока – это количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени:

[1А=1Кл/1с].

Под электропроводностью понимают способность вещества создавать электрический ток под действием электрического поля. В зависимости от электропроводности все вещества подразделяют на:

  1. проводники – практически все металлы, растворы кислот, щелочей, которые хорошо проводят электрический ток;

  2. диэлектрики – лаки, минеральные масла, химические соединения, которые практически не проводят электрический ток;

  3. полупроводники – занимают промежуточное положение между веществами первой и второй группы.



§ 2.2. Электрическая цепь и ее элементы.



Рис.2-1. Схема электрической цепи.


Совокупность устройств для получения в них электрического тока называются электрической цепью. В состав цепи входят:

  1. электрический генератор (аккумулятор) – источник электрической энергии. В них под действием не электрической силы на выходе данного прибора появляется напряжение;

  2. потребитель электрической энергии – в котором электрическая энергия преобразуется в другой вид: в механическую (электродвигатель), в световую (лампы накаливания), в тепловую (нагревательные приборы);

  3. проводник, который классифицируют:

по виду материала (алюминий, медь);

по числу токоведущих жил (одножильный, многожильный).

В любой цепи имеет место следующие ее виды:

  1. внутренняя цепь – то, что находится между “+” и “-“ источника питания;

  2. внешняя цепь – соединительные провода с потребителем.

Источник электрической энергии характеризуется понятием ЭДС (Е), под которой понимают величину, численно равную энергии, получаемой внутри источника единицей электрического заряда.

Потребитель характеризуется напряжением, под которым понимают какая электрическая энергия преобразуется в нем с каждым электрическим зарядом.

При отключении внешней цепи ЭДС и напряжение на зажимах источника равны между собой. Если подключить внешнюю цепь, то между ЭДС источника питания и напряжением на зажимах источника (не учитывая потери напряжения в проводах можно считать, что это напряжение потребителя) существует разность, которая называется внутренним падением напряжения (U0) – то часть энергии, которая теряется, переходит в тепловую в каждом единичном заряде E-U=U0.


§ 2.3. Сопротивление, проводимость.


При прохождении электрического тока в проводниках движущиеся электрические заряды (в основном электроны), сталкиваясь с атомами и молекулами вещества, испытывают противодействие своему движению, отдавая материалу вещества часть кинетической энергии. При этом говорят, что провод обладает сопротивлением. Сопротивление проводника

[1 Ом],

где ρ – удельное сопротивление, значение которого при 20 С можно взять из таблиц; l – длина проводника, м; S – сечение, мм2.

При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью:

,

где γ – удельная проводимость.

Единицей электрической проводимости является Сименс (См):

[g]=1/1Ом=1См.

Элементы электрической цепи, характеризующиеся сопротивлением R называются резистивными. Они могут быть проволочными и непроволочными. Проволочные реостаты и резисторы изготавливают из материалов с большим удельным сопротивлением. При этом обеспечивается нужное сопротивление при относительно малых габаритах.

Реостат обеспечивает получение переменного сопротивления, значение которого регулируется изменением положения подвижного контакта реостата.


§ 2.4. Закон Ома.


Для участка цепи.

.

Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению приложенному к данному участку и обратно пропорционален сопротивлению этого участка. Из этого закона вытекает, что так как , то 1 Ом=1В/1А.

Для всей цепи.

.

Ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника питания и обратно пропорционален сумме внешнего и внутреннего сопротивления цепи.


§ 2.5. Работа и мощность электрического тока.


Из определения ЭДС источника питания следует (например, генератор), что работа, совершаемая внешними силами на получение электрической энергии, т.е.

,

здесь, так как , то .

Из определения напряжения на потребитель следует, что



часть энергии теряется внутри источника в тепловую

,

А – работа, Дж; W – электрическая энергия, Дж.

Под мощностью понимают скорость, с которой совершается работа, т.е.

[1Вт=1Дж/1с=1В*1А].

Следует помнить, что согласно закону сохранения и превращения энергии всегда справедливо, что энергия, вырабатываемая источником питания, равна энергии, которую потребляет приемник электрической энергии плюс энергии потерь. Также , мощность вырабатываемая источником равна мощности потребителя плюс мощность потерь.


§ 2.6. Допустимая нагрузка провода.


При включении электрической цепи в сеть, по мере прохождения тока в проводниках, происходят следующие тепловые процессы, которые неразрывно связаны с тепловым действием тока, который поясняется законом Джоуля-Ленца: количество тепла, выделенное при прохождении его в проводнике прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения ток:

.

Тепловое действие тока объясняется тем, что в процессе сталкивания движущихся электронов с атомами и молекулами материала проводника, электроны отдают часть кинетической энергии, которая переходит в тепловую. Тепловое действие тока имеет положительную и отрицательную сторону: положительная – возможность использования данного явления в электронагревательных приборах; отрицательная – любая перегрузка, вызванная неправильным расчетом электрической цепи, приводит к перегреву элементов цепи, возникновению короткого замыкания.

В проводах электрической цепи при включении ее в сеть следует выделить следующие этапы нагрева:

  1. все тепло, выделяемое током при прохождении его в проводнике, идет на нагрев провода, в результате чего температура провода быстро повышается;

  2. начиная с какого-то момента часть тепла, выделенная током в проводе, начинает отдаваться в окружающую среду, что приводит к замедлению роста температуры проводника.

По истечению времени, которое называется временем переходного процесса, наступает режим, при котором все тепло выделенное током в проводе отдается в окружающую среду, температура провода замирает на отметке, называемой установившейся, и для каждой изоляции провода устанавливается температура своя. При этом, в цепи величина тока, соответствующая этому циклу, называется допустимым. Для нормальной работы любой цепи необходимо чтобы расчетный ток провода (ток потребителя ) был меньше или равен допустимому току провода (Р – мощность потребителя; U- напряжение потребителя).

Для правильного расчета любой цепи решающим фактором является выбор сечения провода, т.к. правильно выбранное сечение влияет на качество работы цепи.

Порядок расчета:

  1. определят расчетный ток потребителя, используя выражение:

;

  1. в соответствии с маркой провода, числом токоведущих жил провода, материалом проводника (алюминий, медь) выбирают, пользуясь таблицей допустимых токовых нагрузок сечение провода из условия, что допустимый ток , соответствующий данному сечению, должен быть больше или равен расчетного тока

Таблица 1

Сечение токопро-

водящей жилы, мм2

Токовые нагрузки, А

Провода, проложен-

ные открыто

Провода, проложенные в одной трубе

Два одно-

жильных

Три одно-

жильных

Четыре

одножиль-

ных

Один двух-

жильный

Один

трехжиль-

ный

0,5

0,75

1,0

1,5

2,5

4

6

10

16

25

11/-

15/-

17/-

23/-

30/24

41/32

50/39

80/55

100/80

140/105


-

-

16/-

19/-

27/20

38/28

46/36

70/50

85/60

115/85

-

-

15/-

17/-

25/19

35/28

42/32

60/47

80/60

100/80

-

-

14/-

16/-

25/19

30/23

40/30

50/39

75/55

90/70


-

-

15/-

18/-

25/-

32/-

40/-

55/-

80/-

100/-

-

-

14/-

15/-

21/-

27/-

34/-

50/-

70/-

85/-




  1. выбранное сечение провода проверяем на потерю напряжения:

, ,

где I – расчетный ток провода; l – длина провода – задана; ρ – удельное сопротивление; S – выбранное сечение. Причем, в процентном отношении

,

где U – напряжение потребителя. Эта цифра не должна превышать 7%.

Под коротким замыканием понимают место соединения двух проводников разного потенциала через ничтожно малое сопротивление. В результате короткого замыкания возникают опасные тепловые и механические разрушения элементов электрических установок. Для защиты от короткого замыкания пользуются элементами защиты, простейшими из которых являются плавкие предохранители. Плавкая вставка предохранителя, рассчитанная на ток превышающий расчетный в 2,5 раза, при достижении рабочих токов выше этой величины перегорает, отключет неисправную цепь. В настоящее время плавкие вставки заменяют автоматическими выключателями.


§ 2.7. Соединение сопротивлений.


В практике электрических цепей имеются участки, где сопротивления между собой последовательно, параллельно, а по отношению к зажимам электрической цепи соответственно смешанно.

Для анализа работы таких цепей изучим законы последовательного и параллельного соединений.

Последовательное соединение.



Рис.2-2.


Последовательным называют такое соединение сопротивлений, при котором потребители идут друг за другом без разветвления и по ним протекает один и тот же ток.

Законы соединений.

Ток в цепи определяется по закону Ома

,

где UAB – напряжение, приложенное в цепи; RAB – эквивалентное сопротивление, полученное расчетным путем из последовательно включенных сопротивлений в цепи

.

В эквивалентном сопротивлении будет протекать такой же ток, по величине, как и ток, который протекал в схеме с тремя сопротивлениями, которые были включены последовательно.



Рис.2-3.


Напряжение на зажимах цепи определяется как сумма падений напряжений на участках цепи, т.е.

,

где ; ; .

Особенностью эквивалентного сопротивления является то, что мощность потребляемая этим сопротивлением равна сумме мощностей потребляемых каждым участком, т.е.

,

где ; ; .

Параллельное соединение сопротивлений.

Узлом или точкой разветвления является место соединения трех и более проводов.


^ Закон Кирхгофа.

Алгебраическая сумма токов в точке разветвления равна 0, т.е.

.

Приняв за положительное значение направление тока притекающего к точке разветвления, а за отрицательное – направление истекающего, распишем выражение закона Кирхгофа и получим:

.

Преобразуя данное выражение, получим более понятное определение закона Кирхгофа: сумма токов притекающих к точке разветвления равна сумме токов вытекающих из нее.

.




Рис.2-4.

Параллельным называется такое соединение, при котором между одними и теме же двумя точками разветвления находится несколько параллельных ветвей. Ветвью электрической цепи называется участок цепи, расположенный между двумя точками разветвления.

Законы соединений.

Напряжение на потребителях, включенных параллельно – это одна и та же величина.

Для узла 1 по первому закону Кирхгофа

,

а для узла 2:

.

Для данной схемы справедливо

,

где ; ; . Здесь R2 – эквивалентное сопротивление цепи, равное . Эквивалентное сопротивление здесь работает аналогично как в схеме последовательного соединения. Так же для эквивалентного сопротивления справедливо, что

,

где ; ; .


§ 2.8. Потери напряжения в проводах.




Рис.2-5.


Rл – сопротивление двух проводов линии; U1 – напряжение в начале линии (генераторе); U2 – напряжение в конце линии (на потребителе (R)); l – длина линии; I – нагрузка – величина тока потребителя.

Сопротивление проводника



значит, что при передаче электрической энергии от источника к потребителю неизбежна потеря напряжения в линии электропередач, т.е.

или ,

где - удельная проводимость.

Для расчета электрических цепей принято при длине провода до 10 м не учитывать потери напряжения в линиях, а при длине провода свыше 10 м- потерей напряжения в линиях пренебрегать нельзя, т.к. потеря напряжения приводит так же:

  1. к потери мощности

;

  1. к потери энергии

.

Решающим фактором качества работы любой сети является сечение провода, которое в соответствии с методикой расчета должно быть правильно выбрано и выбранное сечение проверенно на потери напряжения.

Качественная оценка линии также определяется КПД линии

,

здесь P1 – мощность генератора.

Как видно из формулы КПД, с увеличением тока нагрузки значение КПД уменьшается.


§ 2.9. Два режима работы источника питания.


На автомобиле два источника.




Рис.2-6.


ABCD – точки разветвления сложной электрической цепи, а путь соединения этих точек – контур электрической цепи.

^ Контуром электрической цепи называется замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС, действующая в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падения напряжения на участках этого контура. Развернем эту формулу для семы рис.2-6, приняв во внимание, что Е12.

Для составления уравнения по второму закону Кирхгофа необходимо обходить контур по направлению, совпадающим с направлением большей ЭДС. Тогда, если направление обхода совпадает с направлением ЭДС, то значение ЭДС берут со знаком “+”, если не совпадает – со знаком “-“. Это же правило действует при определении знака падения напряжения, т.е. направление обхода и направление тока в ветви совпадают – берут знак “+”, на совпадают – знак “-“. Тогда выражение второго закона Кирхгофа для схемы рис.1 будет иметь вид

,

отсюда ток в цепи (от генератора к аккумулятору) равен

,

где R0 – внутреннее сопротивление источников Е1 и Е2; R – нагрузка схемы. Из этого следует, что при таком соотношении величины ЭДС источник Е1 остается генератором, Е2 переходит в режим потребителя (аккумулятор после запуска двигателя подзаряжается).


§ 2.10. Расчет сложной электрической цепи.





Рис.2-7.

Сложной электрической цепью называют цепь, состоящую из нескольких контуров и с несколькими ЭДС, рассчитать которую, используя законы последовательного и параллельного соединения невозможно.

Для расчета таких цепей существует несколько методов на базе законов Кирхгофа. Сущность его заключается в том, что для нахождения токов I1, I2, I3 нужно составить систему уравнений с тремя неизвестными.

Для точки разветвления С имеем

.

Для контура abcf по второму закону Кирхгофа с учетом, что Е12 имеем

.

Для контура abde по второму закону Кирхгофа имеем

.

Запишем в систему

.

Из первого уравнения выразим и подставим его во второе и третье и …

Пути снижения потери напряжения в линиях электропередач.

  1. Т.к., потеря напряжения в линии

,

то с увеличением напряжения в линии электропередач снижается расчетный ток провода (это позволяет уменьшить сечение, вес и стоимость воздушной сети), что в дальнейшем приводит к уменьшению потери напряжения в линии.

  1. Прокладку линии (сетей) надо вести по наименьшему расстоянию.

  2. Правильно выбирать сечение провода.

Гомельская область получает электроэнергию напряжением 220-330 кВ.







следующая страница >>