Электронный учебник по "электротехнике и электронике"
учебно-методический материал на тему

      Государственное автономное образовательное учреждение

Саратовской области «Энгельсский  колледж профессиональных технологий»

                          ЭЛЕКТРОННЫЙ  КУРС  ЛЕКЦИЙ

                     ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Специальности

051001 Профессиональное обучение (Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта)

190631 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта

                                      Энгельс, 2014 г.

ТЕМА № 1 Строение вещества

Рассматриваемые вопросы:

1. Строение вещества Электроемкость. Конденсаторы. Соединение конденсаторов

1. Строение вещества

Любое вещество состоит из  молекул и атомов . Оно может находиться в зависимости от  условий   в  различных состояниях:  твердом,  жидком  или  газообразном.  Любое вещество в природе  в зависимости от   изменения температуры и давления проходят все  эти три стадии.  Например : при нагреве твердого вещества оно переходит в жидкое состояние , а в дальнейшем и в газообразное.  Это происходит от  того, что при нагреве расстояние между атомами и молекулами увеличивается , в результате притяжение между ними уменьшается. При газообразном состоянии притяжение практически  отсутствует и вещество  не может держать  объем, т.е. атомы разлетаются в пространстве.

Атом любого вещества состоит из протонов и нейтронов которые образуют ядро атома. Вокруг ядра существует семь оболочек на которых расположены электроны. На каждой оболочке может находиться максимальное число электронов:

на первой оболочке  - 2                        на пятой оболочке - 32

на второй оболочке  - 8                        на шестой оболочке - 14

на третьей оболочке - 18                на седьмой оболочке - 2

на четвертой оболочке - 32                

В каждом веществе число протонов и электронов одинаково  , а т.к. протоны заряжены положительно а электроны отрицательно, то у атома заряд  отсутствует . У разных материалов число электронов и оболочек – разное. Последняя оболочка, на которой находятся электроны, называется валентной. Она может быть заполнена полностью или частично. Предыдущие оболочки обязательно  заполнены полностью, последующие всегда  пустые.  Чем ближе валентная оболочка находится к ядру, тем сильнее притяжение электронов к ядру, и тем тяжелее им отрываться от ядра. Если на валентной оболочке много свободных мест , то электронам легче перемещаться от одного атома на другой, т.е. существует много свободных  электронов. 

В некоторых случаях электроны могут присоединяться к атому или отрываться от него, при этом число электронов становится больше или меньше, чем протонов. В результате атом становится заряженным в зависимости от того  чего больше, если электронов, то отрицательно заряженным и называется отрицательно заряженным ионом. Если наоборот протонов больше, то положительно заряженным ионом. Такое происходит при прохождении электрических зарядов через это вещество. Т.е. процесс ионизации  неразрывно связан  с прохождением электрического тока .

В любом веществе всегда есть электроны вокруг ядра, но в обычных условиях они не могут оторваться от ядра и перейти на другой атом, т.к. притяжение ядра не дает такой возможности. Если дать дополнительную энергию электрону, то он преодолевает притяжение и если есть свободные места на валентной оболочке другого ядра, он переходит туда. Такую энергию электрон может получить, если вещество подключить к источнику  электрических зарядов, которыми являются источники питания. В технике существует два вида источников :  генераторы- где электрические заряды возникают в результате изменения магнитного поля; и аккумуляторы- где электрические заряды возникают в результате химической реакции.  В природе электрические заряды получаются в результате трения например стеклянной палочки о шерстяную ткань. Кроме того протоны и электроны всегда имеют заряд, но в природе их количество одинаково, поэтому они компенсируют друг друга.

2.     Электроемкость. Конденсаторы. Соединение конденсаторов

В электростатическом поле все точки проводника имеют один и тот же потенциал, который, как показывает опыт, пропорционален заряду проводника, т.е. отношение заряда q к потенциалу <р не зависит от заряда q. Поэтому оказалось возможным ввести понятие электрической емкости (электроемкости, или просто емкости) С уединенного проводника:

                             С = q/f

Электроемкость - скалярная величина, численно равная заряду, который нужно сообщить проводнику, чтобы его потенциал изменился на единицу. Емкость определяется геометрическими размерами проводника, его формой и свойствами окружающей среды (ее диэлектрической проницаемостью £)ине зависит от материала проводника. За единицу емкости в системе СИ принимают емкость такого проводника, потенциал которого изменяется на 1 В при сообщении ему заряда в 1 Кл. Эта единица емкости называется фарад (Ф).  1 Ф = 1 Кл/В.  1 Ф - этоочень большая емкость. На практике используют микрофарады (1 мкФ = 10 6 Ф), нанофарады (1 нФ= = 109 Ф) и пикофарады (1 пФ = 1012 Ф).

Наличие вблизи проводника других тел изменяет его емкость, так как потенциал проводника зависит и от электрических полей, создаваемых зарядами, наведенными в окружающих телах вследствие электростатической индукции. Можно создать систему проводников, которая будет обладать емкостью значительно большей, чем уединенный проводник, и притом не зависящей от окружающих тел. Такую систему называют конденсатором. Простейший конденсатор состоит из двух проводников (обкладок), расположенных на малом расстоянии друг от друга. Электрическое поле заряженного конденсатора сосредоточено практически полностью между обкладками (внутри) конденсатора. Линии вектора напряженности поля Е начинаются на одной обкладке и заканчиваются на другой. Заряды на обкладках одинаковы по величине и противоположны по знаку.

Основной характеристикой конденсатора является его емкость, под которой понимают величину, пропорциональную заряду одной из обкладок и обратно пропорциональную разности потенциалов между обкладками.

Емкость у  конденсатора зависит от его размеров, формы и диэлектрической проницаемости е диэлектрика, находящегося между обкладками. В случае плоского конденсатора его емкость где S - площадь обкладки, d - расстояние между обкладками (пластинами). Линейные размеры пластин обычно велики по сравнению с расстоянием между пластинами. В этом случае можно пренебречь «краевыми» эффектами и считать электрическое поле сосредоточенным внутри конденсатора и практически однородным, а заряд q распределенным по пластинам равномерно с поверхностной плотностью

При необходимости увеличить емкость конденсаторы соединяют между собой параллельно

Рисунок 1- Электрическая  схема соединения емкостей

При этом способе соединения общая площадь пластин увеличивается по сравнению с площадью пластины отдельного конденсатора. Общая емкость конденсаторов, соединенных параллельно, равна сумме емкостей отдельных конденсаторов:

Co6ui = Cl + C2 + C3  ...

Эта формула получается следующим образом. При параллельном соединении все конденсаторы находятся под одинаковым напряжением U, а общий заряд всех конденсаторов равен Q . При этом каж-дый конденсатор соответственно получит заряд Q ,Q ,Q и т.д. Следовательно, общий заряд

Q = Q1 + Q2+Q3 + …. Qn..

Из определения емкости следует, что Q1 = C. U,Qz = C2U,Qa = С„U . Подставляя эти выражения в формулу и разделив обе части равенства на U, получим  формулу

При необходимости уменьшить емкость конденсаторы соединяют последовательно

При этом общая емкость конденсаторов вычисляется по формуле

                        1/Собщ = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3 + …1/Сп

Эта формула получается следующим образом. Общее напряжение на всех конденсаторах равно U и напряжение на каждом конденсаторе соответственно будет равно Ut,U2U3 и т.д. Следовательно, общее напряжение

U = U1+U2+U3 + ...        

Из определения емкости  следует, что

U1 = Q / С1  ,                     U2 = Q/ С2                      Us = Q/ С3

Подставляя эти выражения в формулу и разделив обе части равенства на Q , получим  формулу

1/Собщ = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3 + …1/Сп

Вопросы для смоконтроля.

1.Из каких частиц состоит атом ?

2.Какая атомная частица имеет положительный заряд и большую массу ?

3. Какая атомная частица имеет отрицательный заряд и маленькую массу?
4. Какая атомная частица не имеет заряда?
5. Что определяет атомную массу элемента?
6. Что определяет атомный номер элемента?
7. Что такое валентность?
8. Почему одни материалы являются проводниками, а другие изоляторами?
9. Приведите примеры проводников и диэлектриков.

10. Сформулируйте закон Кулона.
11. Сформулируйте закон сохранения заряда.
12. Что такое напряженность электрического поля?
13. Как графически изображают электрическое поле?
14. Сформулируйте принцип суперпозиции.
15. Что такое электростатическая индукция?
16. Чему равна напряженность электрического поля внутри проводника?
17. Что такое диэлектрическая проницаемость?
18. Что такое разность потенциалов? В каких единицах она измеряется?
19. Чему равна емкость уединенного проводника? В каких единицах измеряется емкость?
20. Как устроен конденсатор?
21. По какой формуле вычисляется емкость плоского конденсатора?
22. Как надо соединить конденсаторы, чтобы их общая емкость увеличилась? Уменьшилась?
23. Как вычислить общую емкость конденсаторов при параллельном соединении?
24. Как вычислить общую емкость конденсаторов при  последовательном соединении?

ТЕМА № 2 Постоянный  электрический ток.

 Рассматриваемые вопросы:  

1. Электрический ток
2.  Понятие о сопротивлении проводников .
4. Электрическое соопративление
5. Закон ома для экономической цепи
6. Развлетвленые цепи

1. Электрический ток - это  направленное движение электронов. Электроны находятся в любом веществе, но электрический ток проходит не через каждое вещество, т.е. не каждое вещество является проводником тока . Физический смысл электрического тока заключается в следующем : при подключении источника тока к проводнику , электроны проводника получают электрический заряд, в результате дополнительной энергии они отрываются от ядра атома , переходят на валентную оболочку другого атома  , с другого атома электроны переходят на третий и т.д., при этом они переносят электрический заряд от источника к потребителю, например : от генератора к электрической лампочке. Отдают энергию заряда лампочке и она светится. Что бы движение электронов происходило, необходимы некоторые условия :

1. На валентной оболочке материала проводника должны быть свободные места, и чем больше свободных мест, тем больше свободных электронов и тем больше они могут перенести зарядов от источника к потребителю- такой  материал из которого состоит проводник обладает хорошей проводимостью и называется  проводником.  Лучшие проводники- это серебро, медь, золото, алюминий и т.д. В материалах где нет свободных электронов ток не проходит, они называются  диэлектрики или  изоляторы, например: стекло, дерево и т.д. Существует третий вид, который называется полупроводником, он в определенных условиях может быть изолятором или проводником, например : кремний, германий. Углерод.
2. Необходимо, чтобы электроны получали электрические заряды от источника тока  , в результате дополнительной энергии они начинают отрываться от атома и передвигаться к  потребителю тока.
3. Электрическая цепь должна быть замкнута, при этом создается условие беспрепятственного движения электронов от источника к потребителю.

Проводимость – это способность материала пропускать электрический ток.

Электрическая цепь – это совокупность электрических приборов, проводников и источника тока. Электрические цепи бывают внутренние и наружные.

Внутренние – это электрические цепи внутри источника тока,  генератора или аккумулятора.

Наружные – это электрические цепи от источника тока до потребителя, к ним относятся – проводники, электрические приборы. Их бесконечное множество .

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока I, она численно равна заряду q, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени t , сила тока измеряется в «Амперах», А.

Плотность тока это количественная характеристика электрического тока, она равна     Ј = I/s  ; (А/М2)   Если сила и плотность тока не меняются во времени, то такой ток называется – постоянным.

В 1826г. Георг Ом установил, что сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к концам этого участка, и обратно пропорциональна его сопротивлению.

I = U/R

2. Понятие о сопротивлении проводников .

Электрическим сопротивлением называется способность проводников препятствовать прохождению   электрического тока. Это обратная величина проводимости . Физический смысл понятия сопротивление заключается в следующем : при движении свободных электронов от атома к атому могут возникнуть  препятствия в виде ионов кристаллической решетки, при этом электрон, который движется прямолинейно может соударяться с ионом, при этом энергия удара превращается в тепловую энергию. Понятно, что чем больше таких столкновений, тем больше нагревается проводник. В результате проводники, у которых много ионов плохо проводят электрический ток и при этом сильно нагреваются . К таким материалам относятся : вольфрам, нихром и т.д. Поэтому эти материалы применяются в электрических нагревателях в виде спирали - утюг, эл. чайник, эл. лампочка.  Другие материалы у которых мало ионов они хорошо проводят электрический ток, у них практически отсутствует нагрев и применяются они для передачи электрической энергии от источника к потребителю на большие расстояния практически без потерь. К ним относятся : серебро, медь, алюминий.

Сопротивление  R = q * L/S; зависит:

1. От длины проводника – чем больше длина, тем больше сопротивление (L).

      2. От материала проводника – чем больше удельное сопротивление, тем больше сопротивление.           (q)

3. От площади поперечного сечения проводника – чем больше площадь, тем меньше сопротивление.           (S)

4.  От температуры – например: у металлов при повышении температуры сопротивление увеличивается.              R = R0  * (1+α*t)

Резисторы – это электрические приборы, которые обладают сопротивлением. Резисторы бывают – постоянного сопротивления и переменного.

Резисторы переменного сопротивления – это реостаты и потенциометры имеют переменное сопротивление, которое можно регулировать перемещением скользящего контакта.  С их помощью можно плавно менять силу тока, при этом электрический прибор будет получать разное количество электрической энергии. Применяется для плавной регулировки освещения или для плавной регулировки оборотов двигателя.

Устройство : состоят из катушки намотанной  из провода с большим сопротивлением ( нихром ), по виткам катушки скользит контакт, который меняет число витков находящихся под током, при этом меняется сопротивление и соответственно напряжение или сила тока.

Резисторы постоянного сопротивления – состоят из катушки  и обладают постоянным сопротивлением. Применяются для ступенчатого регулирования, например: оборотов двигателя в автомобиле ( вентилятор обогревателя печки, стеклоочиститель и т.д. ).

Неисправности резисторов :

1. Обрыв катушки -   сопротивление увеличивается до бесконечности, в результате ток не проходит, подключенные приборы не работают. При определении омметром стрелка не отклоняется.

2.   Внутреннее замыкание витков катушки – сопротивление катушки уменьшается, проходящий через нее ток увеличивается, в результате подключенные  приборы , не рассчитанные  на такой большой ток перегреваются и  выходят из строя.

Соединение резисторов .

Резисторы  постоянного сопротивления могут соединяться :

1.   Последовательно

2.   Параллельно

3.   Смешанное соединение.

Последовательное соединение.

При таком соединении сила тока через все резисторы  одинакова : I = I1 = I2 = I3 . На каждом резисторе происходит падение напряжения, т.е. общее напряжение питания равно сумме падений напряжений на каждом резисторе :

U = U1+ U2+ U3. Чем больше сопротивление резистора (и мощность прибора ), тем происходит большее падение на нем. В итоге напряжение питания прибора становится меньше и например лампочка горит слабо. Общее сопротивление всех резисторов равно сумме  их сопротивлений : R=R1+R2+R3. Пример – соединение елочной гирлянды. При таком соединении существует следующая зависимость: U1 / U2=R1 / R2

Параллельное соединение – при таком соединении напряжение тока на всех резисторах одинаково ( поэтому такое соединение применяется в жилых помещениях для подключения любых приборов- телевизор, утюг , стиральная машина и т.д. ): U = U1=U2= U3. Сила тока на каждом резисторе своя, это зависит от сопротивления резистора, чем больше его сопротивление, тем меньше сила тока проходящая через него. Общая сила тока равна сумме токов на каждом резисторе: I = I1 + I2 + I3.  Общее

сопротивление при этом соединении определяется по формуле : 1/R=1/R1+1/R2+1/R3 , причем общее сопротивление становится меньше, что является положительным явлением при включении электрических приборов в квартирах, т.к. потребление электрической энергии уменьшается. При таком соединении существует следующая зависимость:

R1 / R2 = I2 / I1

                                                                                               Рисунок 2

Решение задач.

Условие задачи : определить общее сопротивление электрической цепи R, силу тока I, напряжение на каждом резисторе U.

Решение :

       1. Расставить силу тока и напряжения на каждом резисторе  электрической схемы.

      2. Выделить участки цепи где простые соединения: последовательное или параллельное . Определить их общее  ( эквивалентное ) сопротивление  и последовательно решая аналогичные участки схема упрощается , в результате мы определяем общее сопротивление всей схемы.

      3. Зная общее напряжение питания схемы и общее сопротивление её, можно определить общую силу тока цепи и силу тока и напряжения на каждом резисторе.

Источники электрического тока.    Э.Д.С.

Закон Ома для замкнутой цепи.

Для поддержания тока в проводнике  необходимо отводить заряды от конца проводника с меньшим потенциалом и подводить к началу с большим потенциалом, т.е. осуществлять круговое движение.  Движение положительных зарядов в сторону убывания осуществляется электростатическими силами, а в сторону возрастания – сторонними ( не электрического происхождения ) силами . Их получают в результате химических процессов – в аккумуляторах или батарейках, или изменяющимися магнитными полями- в генераторах.

Устройства , в которых возникают сторонние силы- называются источниками тока. 

Работа  сторонних сил отнесенных к единице положительного заряда- называется ЭДС. Она измеряется  в вольтах.  

Закон Ома для замкнутой цепи имеет вид :  I = е / R + r ;

( R+r ) – полное сопротивление цепи,   где :

 R - сопротивление внешней цепи ,

r - внутреннее сопротивление источника тока.

Токи в замкнутой цепи , прямо пропорциональны ЭДС  источника   и обратно пропорциональны полному сопротивлению .

Законы Кирхгофа.

                                                  Разветвленные цепи.

Законы Кирхгофа дают основу для расчета электрических цепей, они выведены опытным путем на основе закона сохранения энергии. Эти законы справедливы только для постоянного тока. Применяя законы Кирхгофа, мы получим уравнение для определения всех неизвестных токов. Число неизвестных токов обязательно будет равно числу уравнений. За направление тока можно взять любое, если направление не верно, то в ответе получим знак минус, это не ошибка , просто необходимо  поменять  направление тока.

Первый закон Кирхгофа : алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю, т.е. сумма приходящих токов равна сумме уходящих.

Правило знаков : считаем уходящие токи имеют знак + ( плюс ) , входящие  -  ( минус ).   

      Например, для узла, изображенного на рис.:

It + 12 + Is = 13 + 14      или
/1+/2-J3-/4+J5=0.                                                    ∑ Iп = 0

Рисунок 3

Второй закон Кирхгофа :  в любом замкнутом электрическом контуре сумма всех падений напряжений равна сумме ЭДС в нем.

Для составлений уравнений необходимо выделить в электрических цепях отдельные замкнутые контуры, затем принять направление их обхода и если направление тока совпадает с направлением обхода он положительный  +  

( плюс ), если не совпадает  - ( минус ).

               Рассмотрим теперь разветвленную цепь, изображенную на рис.

              Рисунок 4

Выделим в этой разветвленной цепи какой-либо замкнутый контур, например, контур ABCFA. Согласно второму правилу Кирхгофа в любом замкнутом электрическом контуре сумма всех падений напряжения равна сумме всех ЭДС в нем:                                                ∑ Iп *Rп = ∑ eп

 Шунтирование.

Шунтирование, это создание обходного пути для тока (расширяет пределы   измерения амперметра). Чтобы измерить ток в n раз больше тока амперметра, необходимо параллельно амперметру подключить шунт, т.е. резистор с определенным сопротивлением: , R = RA / n-1 ; 

RA- это сопротивление амперметра,

n – число, которое показывает во сколько раз увеличены пределы измерения амперметра,

R – это сопротивление шунта.

Измеряемый ток определяется : I = n * IA :

I – измеряемый ток

IA  - показание амперметра 

              Вопросы для повторения

        1. Что такое электрический ток?

  2. Что такое сила и плотность тока? В каких единицах они измеряются?

  3. Какова причина электрического сопротивления?

 4. В каких единицах измеряется сопротивление?

 5. От чего зависит сопротивление проводника?

 6. Что такое удельное сопротивление?

 7. Что такое проводимость и удельная проводимость?

 8. Какой формулой описывается зависимость сопротивления проводников от температуры?

 9. Чему равно общее сопротивление последовательно соединенных проводников?

10. Чему равно общее сопротивление параллельно соединенных проводников?

11. Как распределяются токи в параллельно соединенных проводниках?
12. Запишите формулы для вычисления работы и мощности электрического тока.

  13. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.
14. Что такое потеря напряжения в линии?

15. Как влияет напряжение в линии электропередачи на потери мощности в проводах?

16. Что такое ЭДС источника тока?

17. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.

18. Сформулируйте первое правило Кирхгофа.

ТЕМА № 3

Рассматриваемые вопросы

1. Электромагнетизм.
2. Правило Ленца.  
3. Самоиндукция.

                                                                 Электромагнетизм.

                               Взаимодействие токов.  Магнитное поле.

Было замечено, что в природе к некоторым железным рудам притягиваются стальные предметы. Это явление назвали магнетизмом. Эта руда  состоит из железа с кислородом. Искусственные магниты- это намагниченные специальные сплавы или керамические материалы. Они имеют два полюса: северный N и южный S . Одноименные полюса отталкиваются, разноименные притягиваются. Магнетизм в технике играет огромное значение. 90% электрических приборов работают на основе магнетизма.

Ампер в 1820 г. установил, что тела двух параллельно расположенных проводников притягиваются друг к другу, если заряды по ним движутся  в одном направлении и отталкиваются, если в разных. Магнитное поле появляется в проводниках лишь при движении зарядов . Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции В, величина которой определяет силу действия на заряд.

Если в магнитное поле внести рамку с током, то вращающий момент сил действующих на рамку, равен : М = I*S*B sin α ;

S – площадь рамки

α – угол между нормалью к рамке и площади рамки

I – cила тока.

                                           Правило буравчика.

Если поступательное движение буравчика совпадает   с направлением тока I в проводнике, то направление вращения рукоятки с направлением линий магнитной индукции  В.

                                           Закон Ампера.

F= I*B*l* sin α ;

F- сила Ампера ;

l – длина проводника;

                                           Правило левой руки .

Направление силы F  определяется правилом левой руки,  если в ладонь входят линии вектора магнитной индукции В, четыре пальца показывают направление тока   I, а большой палец ладони под углом 90 о показывает направление силы ампера F.

                                 Электромагнитная индукция.

                                           Правило Ленца.  

Фарадей в 1831 г. проводя опыты заметил, что при в движении и выдвижении магнита в электрический  контур (катушка) в нем возникает электрический ток.

Причем, чем быстрее двигается магнит, тем больше ток, если магнит неподвижен ток равен 0 , если поменять полярность магнита меняется направление тока. Он сделал вывод : что во всяком замкнутом проводящем контуре при изменении числа линий магнитной индукции проходящих через него, возникает электрический ток. Это явление назвали электромагнитной индукцией. На ее основе работают сложные электрические приборы, например : генераторы, двигатели , катушка зажигания автомобиля , датчик Хола и т.д.

Для возникновения электромагнитной индукции необходимы следующие условия :

1. Замкнуты проводящий контур (катушка) - в нем будет возникать электрический ток.

Переменное магнитное поле, которое можно получать разными способами .

Четыре способа получения переменного магнитного поля.

1. Постоянный магнит двигается внутри неподвижной катушки – например: в генераторе переменного тока.

2. Катушка подвижна, магнит  неподвижный – например : в генераторе постоянного тока.

3. Катушка и магнит неподвижны, для получения переменного магнитного   поля между ними двигается металлический экран, перекрывая или открывая магнитное поле – например : датчик Хола.

4. Имеем две катушки, одна катушка подключена к источнику тока, при включении её возникает электромагнитное поле, которое действует на первую катушку, при отключении магнитное поле пропадает. В результате происходит электромагнитная индукция – например : катушка зажигания автомобиля.

                                             Самоиндукция.

При  действии переменного магнитного поля на катушку в ней индуктируется электрический ток. При этом от этого тока в катушке возникает своё электромагнитное поле, которое препятствует увеличению внешнего магнитного потока вызывающего ЭДС индукции. При этом создаётся дополнительный ток в контуре, это явление называется самоиндукцией.

                              Вопросы для повторения

1. Как взаимодействуют полюсы магнитов?
2. Какой величиной характеризуется магнитное поле?
3. Как графически изображается магнитное поле?
4. Сформулируйте правило буравчика.
5. Запишите закон Ампера.
6. Сформулируйте правило левой руки.
7. Что такое сила Лоренца? Чему она равна?
8. Какие материалы называются диамагнетиками? Парамагнетиками? Ферромагнетиками?
9. Какова природа диамагнетизма и парамагнетизма?

10. Что такое магнитная проницаемость?
11. Что такое остаточная намагниченность?
12. Что такое коэрцитивная сила?
13. Изобразите петлю гистерезиса.
14. Что такое точка Кюри?
15. Чему равен магнитный поток через контур? В каких единицах он измеряется?
16. Запишите закон электромагнитной индукции.
17. Сформулируйте правило Ленца.
18. В чем состоит явление самоиндукции?
19. По какой формуле можно вычислить ЭДС самоиндукции?
20. В каких единицах измеряется индуктивность?
21. С помощью какой формулы можно вычислить индуктивность соленоида

ТЕМА № 4

Рассматриваемые вопросы

1. Получение переменного тока.
2. Цепь переменного тока с различными видами сопротивлений
3. Мощность переменного тока.

                                          Однофазный переменный ток.

                                        Получение переменного тока.

Электрический ток, который в течении  времени меняет свои параметры называется переменным. 

Достоинства переменного тока:

1. Можно получать любые напряжения
2. Хорошо передается на большие расстояния
3. Приборы на переменном токе проще , надёжнее, дешевле, экономичнее
4. Переменный ток хорошо трансформируется в постоянный ток.

Переменный ток получаем в результате вращения медной рамки  в магнитном поле. Причём при максимальном действии магнитного поля на рамку (рамка направлена всей плоскостью на магнит) ток в рамке будет равен нулю или минимальный, при повороте рамки действие магнитного поля уменьшается, но при этом возникающий электрический ток увеличивается и при наименьшем действии магнитного поля на рамку, когда она встает ребром, ток становится максимальным. При дальнейшем вращении магнитное поле усиливается, ток уменьшается до нуля за половину поворота рамки. При этом форма тока имеет вид синусоиды, одной полуволны, причем она имеет положительный знак  + (плюс). При дальнейшем повороте рамки происходит возрастание тока, но с отрицательным знаком, т.е. возникает вторая полуволна со знаком – (минус).

В итоге, за один полный оборот рамки , получаем ток в форме синусоиды состоящей их двух полуволн, одна плюсовая, другая минусовая.

Время одного полного оборота рамки называется периодом Т.

Частотой тока f  называется величина обратная периоду, фактически она равна числу оборотов рамки за секунду .

F = 1/Т  - измеряется в Гц. (Герц)

Во всём мире принята частота тока 50 Гц.

Допускается отклонение от частоты +/ - 0,2%

- если частота тока меньше 50Гц., то увеличиваются размеры электрических машин, и возникает мигание ламп, увеличиваются размеры машин.

- если частота тока больше 50 Гц., то увеличиваются потери энергии в сердечниках машин и трансформаторах, увеличивается стоимость, уменьшаются размеры машин.

Переменный ток характеризуется двумя скалярными величинами : амплитудой и фазой.

                      Цепь переменного тока с различными видами

                                        сопротивлений.

Существует два вида сопротивлений – активные и реактивные.

Активные R - это те виды нагрузок, которые полностью потребляют энергию электрического тока, без остатка, к ним относятся все бытовые приборы, которые преобразуют электрическую энергию в те виды  энергии, которые нужны человеку: тепловая- электрочайник, утюг; световая – различные светильники; механическая – пылесос, эл.мясорубка, миксер; и т.д.

Реактивные  - делятся на две нагрузки : индуктивная L и емкостная С.

Индуктивная L – это обычные катушки, при подключении которых к источнику переменного тока в них возникает переменное магнитное поле в виде синусоиды. В начале первой полуволны синусоиды ток увеличивается, а магнитное поле в катушке  тоже увеличивается, при этом индукционный ток уменьшается , препятствуя увеличению тока от источника. Затем на второй полуволне наружный ток уменьшается, магнитное поле тоже, а индукционный ток увеличивается и препятствует уменьшению наружного тока. В результате происходит простая перекачка электрического тока от источника на катушку, а с катушки на источник, поэтому фактического потребления тока  катушкой нет.

Емкостная С  -  это конденсатор или ёмкость , которая при подключении к источнику переменного тока на первой полуволне заряжается , когда наружный ток увеличивается, а на второй полуволне отдает полученную энергию опять источнику тока, т.е. разряжается. В итоге происходит перекачивание электрической энергии от источника на емкость и обратно, поэтому фактического потребления тока  нет.

  Цепь переменного тока с активным сопротивлением R .

  Цепь переменного тока с индуктивным сопротивлением L .

  Цепь переменного тока с  емкостным  сопротивлением C.

Цепь переменного тока с активным R и индуктивным  L               сопротивлением  .

Цепь переменного тока с активным R и емкостным С       сопротивлением  .

 Последовательная цепь переменного тока с активным R ,индуктивным L  и  емкостным С сопротивлением.

Параллельная цепь переменного тока с активным R ,индуктивным L  и  емкостным С сопротивлением.

                                           Мощность переменного тока.

Мощность переменного тока складывается из трёх видов мощностей : полная мощность S, реактивная Q и активная Р.

Из треугольника напряжений видно, что :

S = I * U =

Q = S *

P = S * cos f.

Q – всегда связана с обменом электрической энергии между источником и потребителем, измеряется в «Вольт-Амперах реактивных»     ( ВАр)

Р – активная мощность связанная с той электрической энергией, которая преобразуется в другие виды энергии – тепловую, световую, механическую и т.д.

Измеряется в  «Ваттах»  (Вт)

Активная мощность Р зависит :

1. От силы тока  I.

2. От напряжения U

3. От коэффициента мощности  cos f.

При  увеличении f , уменьшается cos f и мощность Р.

При уменьшении f, увеличивается cos f и мощность Р.

Для рационального использования мощности переменного тока делают нагрузку такой, чтобы cos f был близок к нулю. На практике он равен  0,9 - 0,95.

При низких cos f возникают дополнительные потери на нагрев проводов и нерационально используется  мощность тока в приборе.

S – содержит в себе активную и реактивную мощность и потребляется от

источника электрической энергии.

При Р = 0,   S-- становится реактивной.

При Q = 0,    S – становится активной.

S – измеряется в «Вольт-Амперах»   (ВА).

                                          Вопросы для повторения.

1. Какой ток называется переменным?
2. Что такое мгновенное значение ЭДС, тока и напряжения?
3. Что называется фазой?
4. Что называется амплитудой?
5. Что такое частота?
6. Какова связь между периодом и частотой?
7. Дайте определение действующего значения тока и напряжения.
8. Какое сопротивление называется активным, а какое реактивным?
9. От чего зависит емкостное сопротивление?

10.  От чего зависит индуктивное сопротивление?
11.  В какой цепи наблюдается резонанс напряжений? Запишите условие резонанса.
12.  В какой цепи наблюдается резонанс токов? Запишите условие резонанса.
13.  Дайте определение полной, активной и реактивной мощностей.
14.  Что такое коэффициент мощности?
15.  Как на практике увеличивают коэффициент мощности?

                                          ТЕМА № 5

Рассматриваемые вопросы

1. Трёхфазный переменный ток.

                                   Трёхфазный переменный ток.

                       Принцип построения трёхфазной системы.

В 1889-1891 гг. русский ученый Доливо-Добровольский  рассчитал и доказал, что наиболее рационально использовать трёхфазную систему. Во всем мире это приняли и до сих пор применяется. Она имеет следующие достоинства:

1. Более экономично
2. Электрические приборы имеют меньшие размеры при одинаковой мощности.
3. Меньше масса активных металлов.
4. Меньше потери энергии.
5. Мощность трёхфазных машин в полтора раза больше.
6. Меньше стоимость.

                Рисунок 5

Трехфазная система - это совокупность трех однофазных переменных токов

одной частоты и амплитуды сдвинутых относительно друг друга по фазе на 1/3

периода ( 120о).

Фаза – отдельная цепь составляющая трёхфазную систему.

Если ЭДС во всех трех фазах имеет одинаковую амплитуду и сдвинуты по фазе     на одинаковый угол и полное сопротивление нагрузки на всех фазах равны по  величине,   то такая система называется симметричной.

Не симметричной (перекос фаз) – называется система , если  хотя бы один из этих параметров не совпадает.

Что бы система была единой её необходимо соединить определенным образом. Существует два  способа : звездой  или  треугольником.

                                      Соединение звездой .

                                          Рисунок 6

Для соединения звездой трех обмоток генератора необходимо начала или концы этих обмоток соединить в одну точку, оставшиеся три конца  остаются свободными и если это генератор, то с них забирается полученный электрический ток; если двигатель , то к ним подключается трехфазный переменный ток.

Линейным   называется провод  соединяющий начало обмоток генератора с нагрузкой.

Нулевым  - называется провод, соединяющий общую точку генератора с общей точкой  соединения нагрузки.

Если нагрузка не симметрична  т.е. имеет разное сопротивление и разную мощность, то происходит перекос фаз. Там  где нагрузка самая большая, на этой фазе возникает большая сила тока I , а напряжение U падает. При этом на фазе, где маленькая нагрузка, сила тока  маленькая, а напряжение может увеличиваться почти в 2 раза, при этом электрические приборы , подключенные к этой фазе выходят из строя. Поэтому в случаях, когда есть вероятность перекоса фаз, применяется четырехпроводная система, где – три линейных провода и один нулевой.

Если нагрузка симметричная то на каждой фазе напряжение и сила тока одинаковые, а в нулевом проводе ток равен нулю.

Если нагрузка не симметричная, то напряжение и сила тока на фазах отличаются, а в нулевом проводе возникает ток. Но при наличии нулевого провода напряжение  на фазах примерно одинаковое, т.е. нет скачка поэтому приборы не перегорают. Эта система применяется  в жилых районах, где обязательно будет несимметричная нагрузка.

Если нагрузка симметричная (в промышленных предприятиях) то применяется трехпроводная система, т.е. без нулевого провода.

Присоединение звездой  линейное напряжение, это напряжение между любыми линейными проводами равно  Uл =380В.

Фазное напряжение , это напряжение между любым линейным и нулевым проводом  равно  Uф =220В.

Зависимость между этими напряжениями  Uл = *Uф ;    380 = *220

При соединении звездой линейные и фазные токи равны между собой  Iл  = Iф

                                       Соединение треугольником.

        Применяется в случаях, когда есть вероятность короткого замыкания в подключенных цепях, при таком соединении обмотки не перегорают, т.к. они соединяются последовательно.

Рисунок 7

Для соединения обмоток треугольником необходимо конец первой обмотки соединить с началом второй, конец  второй  с началом третьей, конец третьей с началом первой, те обмотки соединены последовательно. Линейные провода подключаются к этим общим точкам, их три .

При этом соединении фазные  напряжения совпадают с линейными Uф = Uл .

Линейные токи больше фазных в       Iл = *Iф ;    

При соединении треугольником подключенная нагрузка работает на ток напряжением 220 В, а при соединении звездой на 380 В.

                                            Вопросы для повторения

1. Дайте определение трехфазной системы переменного тока.
2. Какое соединение называется соединением звездой?
3. Как строится векторная диаграмма для токов и напряжений при соединении звездой?
4. Какое соединение называется соединением треугольником?
5. Как строится векторная диаграмма для токов и напряжений при соединении треугольником?
6. В каком случае отсутствует ток в нулевом проводе?
7. Какова связь между линейными и фазными напряжениями при соединении звездой?
8. Какова связь между линейными и фазными токами при соединении треугольником?
9. Какие способы измерения мощности трехфазной системы вы знаете? В каких случаях применяется каждый из них?

                                                ТЕМА № 5

Рассматриваемые вопросы

1. Электрические измерения.
2. Цифровые измерительные приборы.
3. Датчики

                                           Электрические измерения.

Применяются для контроля режима работы электрических цепей, измеряется ток, напряжение, мощность, частота, сопротивление и т.д.

Измерение – это нахождение значения физической величины с помощью технических средств.

Технические средства  называются  электроизмерительными приборами.

Измерительные приборы не должны  вносить  заметных искажений в работу электрических цепей, поэтому должны потреблять минимальные токи и обладать минимальной мощностью и сопротивлением. Например : вольтметр  подключается параллельно цепи и должен обладать очень большим сопротивлением, если сопротивление будет малым произойдет короткое замыкание.  Амперметр  включается в цепь последовательно  и должен обладать минимальным сопротивлением,  если сопротивление будет большим на нем произойдет падение напряжения и возникнет искажение.

Приборы делятся :

1. Аналоговые  - шкала прибора в виде цифр и делений , показания непрерывны,отсчет ведется по шкале.
2. Цифровые  - шкала в виде экрана, информация высвечивается в цифровой форме.
3. Суммирующие  - значения измеряемых величин суммируются по времени, например счетчик электрической энергии.

Условное обозначение

      Электромагнитный логометр

      Электродинамический

      Электродинамический логометр

      Ферродинамический

Ферродинамический логометр

       Индукционный

       Электростатический

      Вибрационный (язычковый)

Абсолютная погрешность прибора  это разность между показанием прибора и истинным значением измеряемой величины .

Относительная погрешность  это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины, измеряется в процентах. Чем она меньше, тем выше класс  точности  прибора.

          Электрические измерительные приборы классифицируются. 

1.По виду измеряемых  величин , например : амперметр,вольтметр и т.д.

2.По роду измеряемого тока : переменный, постоянный.

3.По принципу действия механизма прибора .

4.По классу точности : 0,05 ; 0,1 ; 0,2 ; 0,5 ; 1,0 ; 1,5 ; 2,5 ; 4,0.

                            На шкале прибора отмечают.

- измеряемая им физическая величина

- класс точности

- род тока (постоянный, переменный однофазный, переменный трехфазный с симметричной или несимметричной нагрузкой)

- рабочее положение прибора : вертикальное, горизонтальное или наклонное

- система прибора

- величина напряжения при котором испытана изоляция прибора.

                                   Устройство  приборов. 

Любой  электрический  прибор состоит  из подвижной  части расположенной вертикально или горизонтально. Он крепится на оси, растяжках или подвесах. Противодействующий момент перемещению стрелки создается упругой спиральной пружиной изготовленной из немагнитных сплавов (бронза, латунь). Один конец пружины крепят к подвижной части, второй к корпусу прибора. Момент пружины действует противоположно вращающемуся моменту прибора.

В некоторых приборах через пружину проходит измеряемый ток.

Корректор  служит для установки на ноль стрелки при отключенном приборе (при его повороте натягивается или ослабляется пружина).

Успокоитель  служит для  устранения колебания стрелки при включении прибора (стрелка должна остановиться не более, чем за 4 сек.) . Успокоитель бывает индукционного или воздушного типа.

                             Приборы  магнитоэлектрической системы. 

Принцип действия – это взаимодействие рамки с током с постоянным магнитом.

Рисунок8

Устройство -  измеряемый ток проходит в рамку через спиральные пружины, которые одновременно создают противодействующий момент. При протекании тока через рамку возникает вращающий момент, рамка с цилиндром и стрелкой поворачивается, пружина уравновешивает этот момент.

Применяется  для замеров  постоянного тока, для гальванометров и амперметров, вольтметры подключаются последовательно с обмоткой рамки через резистор с большим сопротивлением.

Достоинства : большая точность, чувствительность, малое потребление энергии, невосприимчив к температурам и магнитным полям.

Недостатки : сложность конструкции, чувствителен к перегрузкам, высокая стоимость, непригоден для переменного тока.

                              Приборы электромагнитной системы. 

Принцип действия и устройство – взаимодействие магнитного поля катушки, созданного измеряемым током, со стальным сердечником помещенным в это поле. Сердечник соединен со стрелкой. При протекании измеряемого тока в катушке в её плоской щели возникает магнитное поле, стальной сердечник намагничивается и втягивается в щель катушки поворачивая ось со стрелкой.

Рисунок 9

Применяется  для измерения постоянного и переменного тока в амперметрах и вольтметрах.

Достоинства : простота конструкции, низкая стоимость, выдерживает большие нагрузки, применяется для переменного и постоянного тока, амперметр выдерживает большие токи.

Недостатки :  низкая чувствительность, неравномерность шкалы, большое потребление энергии, чувствительность к магнитным полям (поэтому корпус прибора металлический).

                     Приборы    электродинамической  и         ферродинамической системы.

Принцип действия – это механическое взаимодействие двух катушек с током.

Устройство – неподвижная катушка состоит из двух секций и  толстого  провода для создания однородного магнитного поля. Внутри неё легкая подвижная катушка соединенная со стрелкой через пружину, через которую проходит измеряемый ток. Магнитные поля катушек отталкиваются друг от друга , легкая подвижная катушка поворачивается вместе со стрелкой.

Применяется для переменного и постоянного токов, амперметра и вольтметра, в основном для ваттметра.

- для амперметра катушки соединяются параллельно,

- для вольтметра – последовательно с резистором,

- для ваттметра – неподвижная катушка включается последовательно, подвижная последовательно с резистором и параллельно  зажимам  приемника.

Рисунок 10

Достоинства:  большая точность измерения от 0,1 до 0,5 ; измеряет постоянные и переменные токи.

Недостатки:  неравномерность шкалы, чувствительность к перегрузкам, чувствительность к внешним магнитным полям.

                Однофазный  индукционный счетчик  электрической энергии.

Принцип действия  основан на взаимодействии переменного магнитного поля с вихревыми токами , индуцируемыми этим же полем в проводящем подвижном диске или цилиндре. Применяется только для переменного тока.

Устройство  - счетчик состоит из двух электромагнитов и подвижного алюминиевого диска . Диск связан червячной передачей со счетным механизмом и вращается в зазоре электромагнитов. Верхний электромагнит  из тонкого провода подключен параллельно цепи и реагирует на напряжение тока. Нижний из толстого провода включен последовательно и реагирует на силу тока, т.к. магнитные потоки этих катушек сдвинуты по фазе в их пространстве образуется «бегущее»  магнитное поле, которое пересекает диск. В диске  индуцируются вихревые токи  , они взаимодействуют с магнитными полями катушек, возникает электромагнитная сила которая вращает диск. Чтобы диск вращался с постоянной скоростью ему противодействует постоянный магнит, который является тормозным моментом.

Рисунок 11

Недостаток : индукционный счетчик очень чувствителен к изменению частоты тока в сети,

Достоинства :   не чувствителен к температурам и внешним магнитным полям

                            Цифровые измерительные приборы.

Современные приборы, показания в виде цифр, более точные, чем аналоговые. Применяются практически для измерения всех электрических величин переменного и постоянного тока,  а также  напряжения, сопротивления, емкости, индуктивности  и т.д. ; для неэлектрических преобразований в электрические, т.е. давление, температура, скорость, освещенность и т.д.  превращает в электрические сигналы.

Принцип действия :  автоматически преобразует непрерывную (аналоговую) измеряемую величину в дискретные сигналы в виде кода, а затем отображает их на дисплее в цифровой форме.

Устройство состоит : 

- из измерительной цепи (измерительный мост, измерительный усилитель, преобразователь напряжения и т.д.)

-  из аналогового преобразователя

-  из дешифратора, где кодируемый сигнал преобразуется в соответствующее число и затем оно отображается на дисплее.

                      Измерение неэлектрических величин электрическими методами.

                                                Датчики.

Измерять неэлектрические величины проще всего электрическими методами. Любой электрический прибор для измерения неэлектрических величин (температура,  давление,  освещенность, загазованность,  скорость  и   т.д.) имеет :

Датчик  преобразует  неэлектрическую величину в электрическую . Любой датчик меняет своё внутреннее сопротивление (увеличивает или уменьшает) при изменении замеряемой физической величины например температуры. Поэтому при пропускании тока через датчик его величина меняется при увеличении сопротивления уменьшается , при уменьшении увеличивается. Эти изменения передаются на электрическое измерительное  устройство, которое запоминает информацию, анализирует её и вырабатывает управляющее воздействие например при уменьшении температуры, включает нагревательные устройства. Такие системы применяются при автоматизации производственных процессов и в автомобилях например при поддержании определенной температуры двигателя. Кроме того информация может поступать на прибор указатель и человек видит изменение физической величины например температуры, давления и т.д. Фактически измерительный прибор, который показывает физическую величину, является обычным амперметром или вольтметром, просто его шкала  проградуирована где определенная сила тока  соответствует  определенной  физической величине, например  1Ампер соответствует -15 градусов, а 2Ампера – 30 градусов и.т.п.      

Датчики  делятся на две группы :

-  непрерывного действия, у них внутреннее сопротивление меняется плавно в зависимости от изменения измеряемой  физической величины,  например –температуры. В автомобилях применяется для слежения за изменением температуры двигателя по приборам на панели автомобиля.

-  релейного или прерывистого действия, у них внутреннее сопротивление меняется скачком от  нуля до какого то значения  при  достижении  определенной   величины  измеряемого параметра,  например в автомобиле при достижении температуры двигателя 105 градусов срабатывает датчик температуры, в  результате  включается вентилятор печки и сигнальная лампа на панели приборов.

Датчики имеют малую мощность, малые размеры, очень чувствительные поэтому включатся напрямую в силовую цепь не могут, т.к. перегорят. Поэтому для их подключения применяется  уравновешенный мост сопротивлений , сигнал с которого усиливается по мощности специальным устройством, в результате можно включать силовой прибор например вентилятор радиатора. (Напрямую включить вентилятор  датчиком невозможно). Датчики  обладают быстротой срабатывания, т.е. малой инерцией.    

                                              Вопросы для повторения.

1. Что такое абсолютная погрешность электроизмерительного прибора ?
2. Что такое класс точности электроизмерительного прибора ?

3. Какие условные обозначения имеются на шкале электроизмерительного прибора?

4. Для чего служит корректор?
5. Для чего служит успокоитель?
6. Как действует магнитный успокоитель?
7. Как действует воздушный успокоитель?
8. Опишите устройство и принцип действия магнитоэлектрического электроизмерительного прибора.
9. Опишите устройство и принцип действия электромагнитного электроизмерительного прибора.

10. Опишите устройство и принцип действия электродинамического электроизмерительного прибора.
11. Как надо соединить обмотки электродинамического прибора, чтобы использовать его как амперметр?
12. Как надо соединить обмотки электродинамического прибора, чтобы использовать его как вольтметр?
13. Как надо включить электродинамический прибор, чтобы измерить активную мощность на переменном
    токе?
14. Как надо включить электродинамический прибор ,чтобы измерить реактивную мощность на переменном токе?
15. Как устроен омметр?
16. Почему у омметра нулевое деление шкалы находится справа?
17. Как устроен термоэлектрический прибор?
18. Как устроен детекторный прибор?
19. Как устроен и работает счетчик электрической энергии?
20. Опишите принцип действия цифрового измерительного прибора.
21. Приведите пример измерения неэлектрической величины с помощью датчика.

                                                  ТЕМА № 6 

Рассматриваемые вопросы

1. Трансформаторы.
2. Режимы работы трансформатора .
3. Автотрансформатор.                                          

                                             Трансформаторы.

Трансформатор, это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный электрический ток одного напряжения в другое, при неизменной частоте тока.

Трансформатор состоит :

1. Магнитопровод ( сердечник )
2. Обмотки

Сердечник состоит из тонких пластин (0,3-0,5мм.) электротехнической стали. Пластины изолированы друг от друга лаком , они необходимы для того, чтобы возникающие вихревые токи не нагревали сердечник. Электротехническая сталь нужна для того, чтобы не было остаточного магнетизма во время работы трансформатора. Если  изготовить сердечник  из обычной стали, он в процессе работы намагнитится, магнитное поле станет постоянным   и не будет происходить  электромагнитная  индукция, трансформатор не работает.

Рисунок 12

Принцип работы трансформатора.

 При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в ней возникает переменное магнитное поле, которое по магнитопроводу передается на вторичную обмотку, т.к. магнитное поле переменное во вторичной обмотке будет индуктироваться переменное ЭДС, т.е. возникнет электрический ток. При этом величина напряжения тока во вторичной обмотке  будет зависеть от количества витков  этой  обмотки. Чем больше витков, тем больше напряжения- и наоборот.

Во сколько раз количество витков первичной и вторичной обмоток отличаются друг от друга, во столько раз будет отличаться и напряжение в  них.

Это отношение называется коэффициентом трансформации  К, он показывает во сколько раз трансформатор повышает или понижает напряжение тока.

Повышающий трансформатор - у него количество витков первичной обмотки меньше, чем во вторичной, соответственно во вторичной обмотке напряжение будет выше, а сила тока наоборот; в первичной больше, во вторичной меньше. Следовательно толщина провода, которая зависит  от силы тока в первичной обмотке будет больше, во вторичной меньше. Пример : катушка зажигания автомобилей,   первичная обмотка на 14 В , число витков около 300, а вторичная обмотка напряжение12 000В, число витков около  50 000, соответственно сила тока во вторичной обмотке очень  мала- тысячная доля ампера, т.к. толщина провода этой обмотки 0,01мм, а первичной обмотки 0,57мм.

Коэффициент  трансформации определяется по формуле :

                                         К = U1/U2 = I2/I1 = n1/n2

Мощность трансформатора  зависит от количества железа в  магнитопроводе и толщине провода в обмотках. Чем больше железа, тем мощнее трансформатор. Общая мощность трансформатора, мощность первичной и вторичной обмоток одинакова, хотя мощность вторичной обмотки примерно на 1-5% меньше в связи с потерями на перемагничивание и вихревые токи возникающие при работе трансформатора. При практических расчетах этим можно пренебречь.

Мощность определяется :

                          Р = I*U

Потери в трансформаторе.

1.На нагрев обмоток зависит от нагрузки на трансформатор, чем больше нагрузка, больше потери. Это происходит за счет активных токов. Для понижения  применяются обмотки из медного провода.

2.Потери в железе на вихревые токи и гистерезис возникают в проводниках находящихся в переменном магнитном поле (токи Фуко) и в самом сердечнике, где  вихревые токи замыкаются, нагревают сердечник и приводят к потерям. Для уменьшения их сердечник набирают из отдельных изолированных пластин. Эти потери постоянны и не зависят от нагрузки.

Коэффициент полезного  действия  трансформатора  равен :

для трансформаторов  малой  мощности  КПД= 92-93%

для трансформаторов большой мощности КПД=98-99%

                                       Режимы работы трансформатора .

1.Режим холостого хода  - вторичная обмотка работает без нагрузки (разомкнута) магнитный поток в сердечнике создает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, которая уравновешивает большую часть приложенного напряжения. На холостом ходу потери мощности происходят в результате потерь в стали сердечника.

2.Если включить нагрузку на вторичную обмотку, там появляется ток возбуждающий в том же сердечнике свой магнитный поток Ф2 , который противоположен потоку Ф1 . В результате суммарный магнитный поток уменьшится и приведет к уменьшению ЭДС в первичной обмотке, при этом ток увеличится до тех пор, пока не прекратится размагничивающее действие тока нагрузки. После этого общий магнитный поток станет равным примерно Ф0 - (магнитный поток холостого хода). Таким образом магнитный поток в трансформаторе остается практически постоянный в любом режиме, это свойство называется саморегулированием , т.е. автоматически регулируется значение первичного тока I1 , при изменении тока нагрузки  I2.

3.Режим  короткого замыкания  возникает при замыкании вторичной обмотки . Все потери  при этом происходят в медных проводах  обмоток.

                                   Трансформаторы.

Применяются в цепях трехфазного переменного тока. Фактически это три однофазных трансформатора, которые могут соединяться  «звездой» или треугольником. Все трансформаторы расположены на одном сердечнике.

Обычно обмотки высокого напряжения соединяются «звездой»  ,

- при этом проще изоляция

- фазное напряжение меньше линейного

- меньше витков в обмотках.

Обмотки низкого напряжения соединяются «треугольником»

- нечувствительны к неравномерности нагрузки

- не требуется нулевой провод

Рисунок 13

                                               Автотрансформатор.    

Предназначен для плавного регулирования   напряжения однофазного тока. Состоит  из одной обмотки и скользящего контакта. Первичное напряжение подключается ко всей обмотке, роль вторичной обмотки играет часть обмотки, число витков её меняется при перемещении скользящего контакта, в результате меняется напряжение

на выходе .

                                        Автотрансформатор..

Применяются в цепях переменного тока с высоким напряжением и большой силой тока. С их помощью можно обычными маломощными приборами замерять высокие напряжения и токи.

В целях безопасности обслуживающего персонала один зажим вторичной обмотки и стальной кожух трансформатора напряжения обязательно заземляют для того, чтобы при пробое изоляции между обмотками провод с высоким потенциалом оказался замкнутым на землю. Конструктивно трансформаторы напряжения очень похожи на маломощные силовые трансформаторы.

Трансформатор напряжения  включаются в цепь параллельно, первичная обмотка имеет много витков, вторичная меньше. Трансформатор понижающий, коэффициент трансформации  К =50, 100, 150 ,200, 250, 300 и т.д. при  замерах необходимо его учитывать, т.е. полученное по прибору показание нужно умножить на коэффициент. Замеряется напряжение вольтметром.

Трансформатор  тока  включается в цепь последовательно, первичная обмотка

имеет мало витков  и очень толстый провод. На вторичной обмотке большое

напряжение и малая сила тока. При замерах показания также умножаются на коэффициент трансформации. Замеряется сила тока амперметром.

Рисунок 16

Расчет однофазного трансформатора.

Дано:  

- мощность  трансформатора       Р

- напряжение первичной обмотки      U1

-напряжение вторичной обмотки       U2

Определить  параметры  трансформатора :

1.Определим площадь сечения магнитопровода           S

2.Определим число витков обмоток  приходящихся на 1 Вольт          n

3.Определим число витков первичной и вторичной обмоток          n1,  n 2

4.Определим силу тока в обеих обмотках        I1 ,  I2

5.Определим диаметр проводов обеих обмоток        d1 ,  d2

6.Определим коэффициент трансформации         К.

                            Вопросы для повторения

1. Объясните устройство и принцип действия трансформатора.
2. Перечислите потери в трансформаторе и объясните их физическую природу.
3. Почему сердечник трансформатора собирают из тонких листов трансформаторной   стали, изолированных друг от друга?
4. Что называется коэффициентом трансформации?
5. Какой режим работы трансформатора называется холостым ходом?
6. Почему при любом изменении нагрузки трансформатора магнитный поток в его сердечнике остается практически неизменным?
7. Какие методы измерения к.п.д. трансформатора вызнаете?
8. Каково устройство трехфазного трансформатора?
9. Как соединяются между собой обмотки трехфазных трансформаторов?

10. Объясните устройство автотрансформатора.
11. Как включают трансформатор тока, и в каком режиме он работает?
12. Как включают трансформатор напряжения, и в каком режиме он работает?

                                                             ТЕМА № 7

Рассматриваемые вопросы

1. Асинхронные электрические машины.
2. Скольжение

Асинхронные электрические машины.

Классификация машин переменного тока.

 Электрические машины делятся на две большие категории: генераторы, которые служат для преобразования механической энергии в электрическую, и двигатели, которые преобразуют электрическую энергию в механическую. Машины переменного тока в свою очередь делятся на асинхронные и синхронные.

 Статор асинхронной машины создает вращающееся магнитное поле, а ротор вращается с меньшей скоростью, т.е. асинхронно. Увеличение нагрузки двигателя вызывает уменьшение скорости вращения ротора. Асинхронная машина была изобретена М. О. Доливо-Добровольским еще в 1888 г., но до настоящего времени сохранила свои основные черты.

 В синхронной машине скорость вращения ротора совпадает со скоростью вращения магнитного поля статора и не зависит от нагрузки двигателя. Все электрические машины обратимы, т.е. могут служить как двигателями, так и генераторами. Асинхронные машины используются главным образом как двигатели, а синхронные - и как двигатели, и как генераторы. Практически все генераторы переменного тока - синхронные.

Устройство и принцип работы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель, изобретенный в 1888 г., благодаря простоте своей конструкции и в настоящее время распространен настолько широко, что является основой электропривода.

Принцип работы асинхронных двигателей основан на опыте Араго. Если под горизонтально подвешенным на нити диском из проводящего немагнитного материала (например, из меди) поместить вращающийся подковообразный магнит, то диск начнет вращаться в ту же сторону, что и магнит.

Это явление объясняется следующим образом. Вращающееся магнитное поле, создаваемое магнитом, индуцирует в диске замкнутые вихревые токи. Эти вихревые токи, в соответствии с законом Ампера, взаимодействуют с вращающимся магнитным полем, благодаря чему создается вращающий момент. Диск начинает вращаться в ту же сторону, что и поле, причем по мере увеличения скорости диска скорость диска относительно поля уменьшается, что приводит к уменьшению величины индукционных токов в диске и вращающего момента. Диск начинает приостанавливаться, и скорость диска относительно поля увеличивается, что приводит к повышению величины индукционных токов в диске и вращающего момента. В конце концов установится равновесие, при котором диск будет вращаться с некоторой постоянной скоростью, которая меньше скорости вращения магнитного поля, т.е. вращение диска будет асинхронным.

  Вот это явление асинхронного вращения диски из проводящего немагнитного материала во вращающемся магнитном поле и положено в основу устройства асинхронных двигателей.

  Причиной исключительно широкого распространения асинхронного двигателя являются простота его конструкции и невысокая стоимость.

  Основные части асинхронного двигателя изображены на . Двигатель состоит из статора  с рабочими обмотками, ротора  с лопастями вентилятора  и двух щитов с подшипниками для вала ротора и вентиляционными отверстиями. Сердечник статора представляет собой цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, которые для уменьшения потерь от вихревых токов изолированы друг от друга слоями лака. На его внутренней цилиндрической поверхности имеются пазы, расположенные параллельно оси двигателя. В эти пазы укладывается обмотка, к которой подводится трехфазное напряжение.

В простейшем случае обмотка статора состоит из трех секций, сдвинутых в пространстве друг относительно друга на 120°. В этом случае создается двухполюсное вращающееся магнитное поле. Для создания четырех полюсного вращающегося магнитного поля необходимо число секций обмотки увеличить до 6 и т. д. Начала и концы обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя выводятся на щиток корпуса. Ротор асинхронного двигателя представляет собой стальной цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали , с пазами, в которые уложена обмотка в виде «беличьего колеса» Здесь каждая пара диаметрально противоположных стержней с соединительными кольцами представляет собой рамку, т.е. короткозамкнутый виток. Поэтому такой ротор называется короткозамкнутым.

Рисунок 17

Таким образом, если способное вращаться вокруг оси «беличье колесо» поместить во вращающееся магнитное поле, то по закону электромагнитной индукции в его стержнях возникнут ЭДС и в короткозамкнутых витках возникнут токи. Эти токи, взаимодействуя согласно закону Ампера с вращающимся магнитным полем, создадут вращающий момент и приведут «беличье колесо» в асинхронное вращение в ту же сторону, что и поле. Для увеличения вращающего момента короткозамкнутый ротор помещен внутри стального сердечника.

                               Скорость вращения магнитного поля.

                                              Скольжение.          

Скорость вращения магнитного поля равна частоте переменного тока. Частота переменного тока  f = 50 Гц , т.е.  50 оборотов в секунду или 3000 оборотов в минуту.

Внутри статора существует равномерно вращающееся магнитное поле. Если поменять местами любые две фазы, то поменяется суммарный  вектор магнитной индукции и произойдет- реверсирование, т.е поменяется направление вращения магнитного поля.

Скорость вращения магнитного поля n1, обратно пропорциональна числу пар полюсов

Р.                                                    

                                                                 n1 = 60* f / P  

 При Р = 1,      n1 = 3000об. /мин.

 При Р = 2,      n1 = 1500об. /мин.              

 При Р = 3,      n1 = 1000об. /мин.        

Ротор асинхронного двигателя вращается медленнее  магнитного поля статора, т.к. только   в этом случае в обмотке ротора индуцируется ЭДС и тогда на ротор будет действовать вращающий момент.

(n1 – n2 )  - это скорость скольжения,  степень отставания вращения ротора от статора.

                                                  S= (n1 – n2 )*100% / n1 

Это скольжение,  при номинальной нагрузке оно равно (3-7)%.

При увеличении нагрузки скольжение увеличивается, т.е. обороты ротора n2  уменьшаются, а сила тока в обмотках статора увеличивается, обмотки перегреваются и могут выйти из строя. Если ротор полностью остановится n2  = 0, возникает режим короткого замыкания, ток увеличивается в 100 раз, обмотка моментально перегорает.

                              Асинхронный двигатель с фазным ротором.

Недостатком асинхронного двигателя с коротко замкнутым ротором является большой пусковой ток, который в 5-7 раз больше номинального,   Iп  = (5-7) * Iн .

Двигатели с фазным ротором при тех же пусковых моментах имеют пусковые токи

Iп  = (1,5-2) * Iн.

Конструкция двигателя: статор такой же, ротор имеет трёхфазную обмотку соединенную звездой, концы ротора соединяются с тремя контактными  кольцами изолированными друг от друга. Обмотки статора включаются непосредственно в трёхфазную сеть. Обмотки ротора через щетки замыкаются на трехфазный реостат, который изменяет активное сопротивление ротора в момент пуска.

Эта система применяется :

1.Для пуска двигателя, при этом сохраняется пусковой момент при малых пусковых токах.

2.Для регулировки оборотов ротора.

После разгона ротора при включении пусковой реостат отключается и обмотки закорачиваются , специальным центробежным автоматическим  замыкателем. Иногда щётки отводятся уменьшая торможение.

       Рисунок 18                                      

Рабочие характеристики асинхронных двигателей.

Р – мощность потребляемая двигателем, измеряется в кВт ( киловат ) , чем больше мощность, тем больше размер двигателя, т.к. большая масса железа и толщина провода обмоток.

I – потребляемый ток, измеряется в А ( ампер) , чем больше нагрузка на двигатель, тем больше ток в обмотках. В зависимости от номинального тока, подбирается диаметр провода обмоток.

 - коэффициент мощности он показывает эффективность работы двигателя, равен 0,92-0,97.

n2 – cкорость вращения ротора двигателя измеряется об./мин. Чем больше скорость, тем меньше размер двигателя, т.к. меньше число полюсов статора.

Мп – пусковой вращающий момент.

Этими характеристикам и определяются  основные эксплуатационные свойства  двигателей.

При малых нагрузках и на холостом ходу ( без нагрузки ) потребляемый ток равен

                                       Iхх  = (0,2-0,7) * Iн

При увеличении нагрузки ток увеличивается сначала в роторе, затем в статоре, уменьшаются обороты ротора , обмотки статора греются.

                                 Пуск и реверсирование.

При пуске увеличиваются пусковые токи, напряжение в сети падает и нарушается работа других электрических приборов. Поэтому для уменьшения пусковых токов используют ряд способов :

1.Пуск двигателя с фазным ротором ( см. раньше )

2.Пуск двигателя с коротко замкнутым ротором производится с применением следующих пусковых устройств :

а) с применением трёхфазного индуктивного сопротивления, при включении для уменьшения пусковых токов на время понижается напряжение. При таком пуске пусковой момент уменьшается в квадрате, ток в 2 раза.  

                    Рисунок 19

  б) с применением автотрансформатора, пусковой ток уменьшается в 2 раза, пусковой момент тоже в 2 раза    

Рисунок 20

в) с применением переключения соединения обмоток статора. При пуске обмотка включается на «звезду», после набора оборотов двигателем переключается на «треугольник», при этом фазное напряжение меньше в 1,71 раза, пусковой фазный  ток тоже в 1,71 раза, а пусковой линейный в 3 раза.

                                             Рисунок 21                       

Общим недостатком всех способов  является малый пусковой момент , поэтому применяется при небольших пусковых нагрузках.

                                        Однофазный асинхронный двигатель.     

Однофазный асинхронный двигатель имеет малую мощность и применяется в бытовой технике ( кофемолка, пылесос и т.д. ).

Конструкция : статор имеет одну или две обмотки, ротор всегда коротко замкнутый.При включении в сеть пусковой момент  равен нулю, Мп = 0 . Поэтому применяются различные пусковые устройства :

1.Однофазный двигатель с пусковой обмоткой.

РО – рабочая обмотка,

ПО -  пусковая обмотка   

Пусковая и рабочая обмотки  смещены относительно друг друга на 90о, при этом пусковая обмотка включается только при пуске (стиральная машина)  

Рисунок 22

2.Конденсаторные двигатели работают благодаря включению в цепь конденсаторов. Обмотки смещены также на 90о , ток в пусковой обмотке отличается по фазе от тока в рабочей на  , что обеспечивает разгон ротора.  

           Рисунок 23                                   

3.Конденсаторы соединены параллельно, один пусковой, другой рабочий. При пуске включаются оба, затем пусковой отключается. Эта схема имеет лучшие пусковые и рабочие характеристики.

4.Однофазные двигатели с расщепленными полюсами применяются для очень маломощных двигателей.  Полюс разрезан и на одну его часть одето медное кольцо играющее роль пусковой обмотки.

                                      Рисунок 23

5.Включение трёхфазного двигателя в однофазную сеть с применением пускового и рабочего конденсаторов. При таком включении  мощность двигателя уменьшается на 40-50 %. Конденсаторы включаются параллельно друг другу и параллельно одной из обмоток двигателя. При пуске включены оба конденсатора, после набора оборотов пусковой  автоматически выключается. Для определения их параметров применяются формулы :

Рабочий конденсатор             СР = 66*РН   ( мФ )  - микрофарады;

мощность   РН – обязательно в киловаттах

Пусковой  конденсатор            СП = (2-3) * СР

Рабочий конденсатор должен быть напряжением  600В.

Пусковой конденсатор должен быть напряжением 400В.  

                                        Вопросы для повторения

1. Как устроен трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором?
2. Каков принцип работы трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?
3. Объясните создание вращающегося магнитного поля трехфазной обмоткой машины переменного тока.
4. От чего зависит скорость вращения пх вращающегося магнитного поля?
5. Что такое скольжение асинхронного двигателя?
6. Как производится реверсирование асинхронного двигателя?
7. Как устроен трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором?

8.Как производится пуск трехфазных асинхронных двигателей с фазным и      короткозамкнутым ротором?

 9. Как устроен однофазный асинхронный двигатель?

 10. Каков принцип работы однофазного асинхронного двигателя?

 11.Опишите способы пуска однофазных асинхронных двигателей.

   12. Нарисуйте схемы включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть.

                                                 ТЕМА № 8

Рассматриваемые вопросы

1. Пуск и остановка синхронных двигателей
2.   Регулировочная характеристика синхронных генераторов
3. Пуск и остановка синхронных двигателей
4. Остановка .

                   Синхронные электрические машины переменного тока.

                       Устройство и принцип действия синхронного генератора.

Синхронные электрические машины имеют одинаковую частоту вращения , магнитного поля статора и  ротора.

Синхронные машины обратимы, хотя имеют некоторые различия в конструкциях.

Конструкция синхронных машин. 

Состоит  из статора с тремя обмотками, как у асинхронных машин. Ротор, это система вращающихся электромагнитов, которые питаются постоянным током  через контактные кольца и щетки. Ток для них берется или от внешнего источника (аккумулятор ) или  со своих же обмоток статора, переменный ток преобразуется в постоянный и запитывает обмотки ротора ( генератор автомобиля ).

 Рисунок 25

Принцип действия.  

В обмотках статора под действием вращающегося магнитного поля ротора  наводится     ЭДС, которая подается во внешнюю цепь (на потребитель, в режиме двигателя - наоборот).  

Силовая обмотка генератора надежно изолирована от корпуса. Обмотки ротора питаются от маломощного генератора постоянного тока установленного на общем валу с синхронным генератором, он является посторонним источником возбуждения.

Роторы бывают :

1.Явнополюсными

2.Неявнополюсными.

Скорость вращения ротора зависит от числа пар полюсов (так же, как и у асинхронного двигателя) .

Вырабатываемый  ЭДС на генераторе имеет напряжение , которое зависит от скорости вращения ротора - n , силы  магнитного потока возбуждения – Ф и постоянного коэффициента в зависимости от конструкции генератора – С.

                                        Е = С*n*Ф;     В (Вольт )  

Регулировочный реостат изменяет ток в цепи обмотки возбуждения ОВ, при этом изменяется величина магнитного потока Ф и устанавливается точная амплитуда ЭДС.

Синусоидальная форма ЭДС зависит от распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором.

                     Регулировочная характеристика синхронных генераторов.

Это зависимость тока возбуждения от тока нагрузки  при постоянном напряжении U, оборотах n и коэффициенте мощности  т.е. выбирается ток возбуждения так, чтобы на зажимах генератора напряжение было постоянным при изменении нагрузки.

Пуск генератора .

1.Включить генератор

2.Дать номинальные обороты на холостом ходу

3.Током возбуждения добиться номинального напряжения

4.Постепенно увеличивая ток нагрузки добиваться постоянного напряжения путём регулировки тока возбуждения.

                           Пуск и остановка синхронных двигателей.

Достоинства : строго постоянная скорость вращения независимо от нагрузки

Недостатки :  необходимость применения автоматических устройств для пуска и остановки двигателя.

                                        Пуск  двигателя.

Пусковой момент у него равен  нулю, поэтому прямое включение в сеть ничего не даст. Применяется асинхронный пуск, специальная конструкция ротора  в полюсных наконечниках укладываются металлические стержни соединенные с боков кольцами. Получается дополнительная ( пусковая )обмотка , подобная беличьему колесу асинхронного двигателя. При пуске обмотка возбуждения закорачивается через активное сопротивление превышающее сопротивление обмотки возбуждения в 10-15 раз, а обмотка статора включается в сеть. Ротор разгоняется как у асинхронных двигателей примерно на 95 %. Обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока, двигатель входит в синхронизм, а дополнительная обмотка автоматически отключается ( т.к. ЭДС в них равна нулю при синхронном вращении ).

                                          Остановка .

1.Уменьшаем ток возбуждения до минимального тока обмотки статора

2.Отключаем статор

3.Размыкаем цепь возбуждения.

При нарушении порядка увеличивается ток в обмотках статора и напряжение в обмотках  возбуждения, что может привести их к выходу из строя.

                   Вопросы для повторения

 1. Как устроен трехфазный синхронный генератор?

 2. Каков принцип работы трехфазного синхронного генератора?

 3. Какие конструкции роторов используются в трехфазных синхронных генераторах?

 4. Как осуществляется самовозбуждение трехфазного синхронного генератора?

 5. Как зависит напряжение на зажимах синхронного генератора от нагрузки?

6. Что такое реакция якоря?
7. Перечислите и изобразите характеристики трехфазного синхронного генератора.

8.Опишите работу синхронной машины в режиме двигателя.

9.Как осуществляется асинхронный пуск и остановка синхронного двигателя.               

                                                   ТЕМА № 9 

  Рассматриваемые вопросы

1. Общие сведения .

                      Электрические машины постоянного тока.

                                          Общие сведения .

Достоинства:

1.Допускают плавное регулирование скорости в больших пределах

2.Большой пусковой момент (стартеры, трамваи, эл. поезда и т.д.)

             Устройство и принцип действия генератора постоянного тока.

Принцип действия основан на вращении рамки в магнитном поле. При вращении в ней индуцируется ЭДС, которая изменяется по синусоиде, т.е. за один оборот меняет знак дважды. Чтобы ток имел одно направление (постоянное) применяется коллектор в виде двух полуколец соединенных с концами рамки, которые через щетки соединяются с внешней цепью. Рамка поворачивается на 180о  и ЭДС начнет менять знак, полукольца коллектора поменяются местами, поэтому ток остается постоянным, хотя и пульсирующим.

Устройство генератора.        

На внутренней стороне корпуса расположены полюса         с обмотками возбуждения и дополнительные полюса с обмотками для компенсации         ЭДС самоиндукции и реакции якоря. В основном электромагниты питаются от самого генератора. Внутри якоря расположен цилиндр из пластин электротехнической стали изолированных друг от друга.

В продольных пазах расположены обмотки для сглаживания пульсаций. Выводы секций обмоток соединяются с пластинами коллектора, причем конец и начало следующей мотки наобходится на одной пластине. Пластины изолированы друг от друга и от корпуса.

По коллектору скользят угольные щетки. Машины многополюсные, причем количество изменений значений и знака ЭДС в каждой секции обмотки якоря за один оборот равен количеству полюсов. Число пар щёток равно числу пар полюсов и щетки одинаковой полярности соединяются вместе. Машины постоянного тока обратимы.

Генераторы п.т. – ток снимается со щеток, вращение происходит от внешнего двигателя, который преодолевает сопротивление магнитного поля  преобразования механической энергии в электрическую.        

Двигатели п.т. – цепь якоря и цепь возбуждения присоединяются к источнику тока, создается вращающий момент и якорь начинает вращаться.

                   ЭДС и вращающий момент генератора постоянного тока.        ,

ЭДС генератора постоянного тока определяется по формуле :

                         Е = С*n*Ф;      В (Вольт )        

n  - обороты якоря

Ф - магнитный поток

С -  постоянная генератора, зависящая от параметров машины        .

Для поддержания постоянного напряжения генератора можно :

1.Изменять скорость вращения якоря генератора

2.Магнитный поток в обмотках возбуждения путем изменения тока в них

3.И то и другое вместе

Мощность генератора  определяется по формуле :

                                 Р = Е*I Я ;   Вт (Ватт )  

Вращающий момент :        

                                 М = С*Ф* I Я  ;      Н*м         ( Ньютон *метр )

                       Способы возбуждения генератора постоянного тока.        

Все характеристики машин постоянного тока будут зависеть от способа возбуждения . Мощность потребляемого цепью возбуждения не велика, всего несколько процентов от мощности машины.

Возбуждением генератора называется создание главного магнитного потока , благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС.        

Способы возбуждения :

1.Генератор с независимым возбуждением.        

  Обмотка возбуждения подключена к постороннему источнику тока (аккумулятору), через регулировочный реостат R.

При увеличении  тока нагрузки напряжение на зажимах генератора уменьшается, из-за падения напряжения  на обмотках якоря, и в результате действия реакции якоря, которая уменьшает магнитный поток машины. Для поддержания постоянного напряжения изменяем ток возбуждения регулировкой реостата.

2. Генератор с последовательным  возбуждением.

                                                                                                Рисунок 27                                                                                                                                 

 Вопросы для повторения

 1. Изложите принцип работы генератора постоянного тока.

 2. Опишите устройство промышленного генератора постоянного тока.

 3. От чего зависит ЭДС и вращающий момент генератора постоянного тока?

4. Перечислите способы возбуждения генераторов постоянного тока и нарисуйте соответствующие схемы их включения.

 5. Что такое обратимость машин постоянного тока?

6. Опишите принцип работы и устройство двигателя постоянного тока.

        7. Что нужно сделать для того, чтобы поменять направление вращения двигателя постоянного тока?

8. От чего зависит скорость вращения двигателя постоянного тока и как ее можно регулировать?  

9 . Перечислите способы возбуждения двигателей постоянного тока и нарисуйте соответствующие схемы их включения.

                                                 ТЕМА № 10 

  Рассматриваемые вопросы

1. Основы электроники.

                                           Основы электроники.

                 Основные  схемы выпрямления  переменного тока.

Для работы современных  электронных  приборов (телевизор, компьютер, магнитофон и т.д.) необходим постоянный ток низкого напряжения до 15 Вольт. Т.к.  в подводящей сети напряжение переменного тока 220 Вольт, то необходимо его преобразовать для работы электронных приборов. Для этого применяются различные электрические приборы, которые называются блок питания . Они преобразуют переменный ток 220 Вольт в постоянный ток низкого напряжения.  Любой блок питания состоит из нескольких частей:

1.Понижающий трансформатор для уменьшения переменного напряжения 220 Вольт до низкого  переменного напряжения до 15 Вольт.

2.Выпрямительный блок на основе полупроводниковых диодов. После выпрямительного блока получаем пульсирующий  ток, который можно применять только для примитивных электронных приборов. Для сложных электронных приборов (телевизор, компьютер и т.д.) необходимо дальнейшее преобразование тока.

                                                 Схемы выпрямителей.

- схема однополупериодного выпрямителя

- схема двухполупериодного выпрямителя

Рисунок 29

- мостовая схема

R

Рисунок 28

3.Сглаживающий фильтр предназначен для устранения пульсации тока. Основными элементами фильтра являются электрическая емкость С  и катушка индуктивности (дроссель) L. После фильтра получаем постоянный ток.

4.Стабилизатор напряжения  служит для поддержания постоянного напряжения на его выходе, при изменениях напряжения на входе. Основным элементом его является полупроводниковый диод  - стабилитрон.   

                 Вход  Выход

Стабилизаторы бывают наружные и встроенные. 

- наружные изготавливаются отдельно от основного электронного прибора, бывают автоматического и ручного действия. Автоматические  устанавливают выходное напряжение самостоятельно, а ручные  регулируются с помощью человека. Этими стабилизаторами  можно  регулировать  напряжение  с  отклонениями  больше   нормы, т.е. ± 7% .

- встроенные расположены внутри электронных приборов, регулируют колебания напряжения в пределах нормы, т.е.  ± 7% . Кроме того, они имеют элементы защиты от перегрузок тока.

      В некоторых случаях  в блок питания входят усилители на транзисторах и генераторы синусоидальных колебаний.

- усилители  это электронные цепи, которые используют для увеличения амплитуды электронного сигнала. Основным его элементом является транзистор. Бывают усилители напряжения U, усилители тока  I, усилители частоты тока f , усилители мощности  P. Схемы усилителей собираются на транзисторах, причем соединения транзисторов может быть нескольких типов :

   1. С   общей базой, входной и выходной сигнал снимается с базы транзистора.

   2. С общим эмиттером. Входной и выходной сигнал снимается с эмиттера транзистора.

   3. С общим коллектором, входной и выходной сигнал снимается с коллектора транзистора.

                                           Структурная схема усилителя.

Любая схема состоит из четырех частей :

1. В.У. - входное устройство, например микрофон

2. У.У. – устройство усиления, это усилительный каскад на транзисторах

3. Н – нагрузка, например динамик

4. Б.П. – блок питания, преобразует параметры тока из розетки в параметры необходимые для работы электрической схемы усилителя.

Усилители делятся :

1.Усилители частоты

2.Усилители напряжения

3.Усилители тока

4.Усилители мощности

Отношение величины выходного сигнала к входному называется коэффициентом усиления.      К f  = f вых. / f вх. ;      КU = Uвых /  Uвх ;   KI  = Iвых. / Iвх ;      КР =  Рвых. / Рвх.   

                                      Схемы усилителей .

Рисунок 30

5) Генераторы синусоидальных колебаний.

Генератор это электрическая цепь, которая преобразует периодический сигнал переменного тока на входе, в другую необходимую форму сигнала.

Генератор электрических колебаний преобразует энергию источника постоянного тока в энергию колебаний.

Основным элементом генератора является колебательный контур LC. Усилитель увеличивает амплитуду выходного сигнала колебательного контура. Цепь обратной связи  подаёт необходимое количество энергии в колебательный контур, для поддержания колебаний. Таким образом генератор это схема с обратной связью, которая использует постоянный ток для получения колебаний переменного тока. Частота полученного сигнала от нескольких Гц до миллионов. Выходное напряжение может быть разной формы :

1.Синусоидальным

2.Прямоугольным

3.Пилообразным

Когда колебательный контур возбуждается внешним источником постоянного тока в нем возникают колебания. Они затухающие, т.к. активное сопрротивление колебательного контура поглощает энергию тока. Для поддержания колебаний поглощенную энергию тока восполняют с помощью обратной положительной связи. Это подача в колебательный контур части выходного сигнала для поддержания колебаний. Сигнал обратной связи должен совпадать по фазе с сигналом в колебательном контуре.

Блок схема состоит из трех частей :

1.Колебательная цепь – это частотозадающая цепь генератора обычно LC- колебательный контур.

2.Усилитель – увеличивает амплитуду выходного сигнала.

3.Обратная связь – подает необходимое количество энергии в колебательный контур для поддержания колебаний.

Таким образом схема использует постоянный ток для получения колебаний переменного тока.

Генераторы синусоидальных колебаний .

Они генерируют напряжение синусоидальной формы. Существует три основных типа генераторов:

1.LC генераторы

2.Кварцевые генераторы

3.RC  генераторы

К LC генераторам относятся генератор Хартли, генератор Колпитца.

К кварцевым  генераторам  относятся генераторы преобразующие механическую энергию в электрическую. Когда прикладываем давление к кристаллу кварца он начинает деформироваться  и генерирует переменные электричесмкие импульсы и наоборот. Т.е. приложив переменное напряжение, кристалл начинает растягиваться и сжиматься создавая механические колебания, частота которых соответствует частоте переменного напряжения. Если частота тока совпадает с частотой собственных колебаний кристалла его колебания ярко выражены

Рисунок 31

(резонанс).  Если отличается кристалл колеблется слабо. Собственная частота механических колебаний не зависит от температуры. Верхний предел резонанса кристалла кварца 25МГц.Для большей частоты использую генератор Батлера.

RС генераторы  это генераторы с фазосдвигающей цепью, т.е. это обычный усилитель с фазосдвигающей RC цепью обратной связи. Обратная связь сдвигает фазу сигнала на 1800 . Для улучшения стабильности уменьшают величину фазового сдвига на каждой RC цепочке. Однако при этом происходит потеря мощности, для её компенсации транзистор должен обладать большим коэффициентом усиления.

Генераторы колебаний специальной формы.

1.Прямоугольной формы, к ним относятся блокинг генераторы.

2.Пилообразной формы, к ним относятся RC генераторы.

3.Треугольной формы, к ним относятся RC генераторы.

4.Комбинированные генераторы, к ним относятся мультивибраторы.    

                                                Схемы  генераторов.

                                                              Вопросы для  повторения.

1. Нарисуйте схему однополупериодного выпрямителя и объясните его работу.
2. Каковы недостатки однополупериодного выпрямителя?
3. Нарисуйте схему двухполупериодного выпрямителя и объясните его работу.
4. Каковы недостатки двухполупериодного выпрямителя?
5. Нарисуйте мостовую схему выпрямителя и объясните ее работу.
6. Нарисуйте схему трехфазного выпрямителя с нейтральной точкой и объясните ее работу.

7. Нарисуйте мостовую схему трехфазного выпрямителя и объясните ее работу.
8. Каково назначение сглаживающего фильтра?
9. Объясните принцип работы сглаживающего фильтра.

10. Нарисуйте схемы наиболее распространенных сглаживающих фильтров.
11. Для чего служит стабилизатор напряжения?
12. Каковы два основных типа стабилизаторов напряжения?

13. Нарисуйте схему простого стабилизатора напряжения на стабилитроне и  объясните, как она работает.
14. Нарисуйте схему последовательного стабилизатора и объясните ее работу.
15. Нарисуйте схему параллельного стабилизатора и объясните ее работу.
16. Нарисуйте схемы трех основных конфигураций транзисторных усилительных цепей.

17. Нарисуйте схему транзисторного усилителя с общим эмиттером, использующего один источник питания.
18. Как компенсируются изменения температуры в транзисторном усилителе?
19. Перечислите классы усилителей с указанием особенностей их работы.
20. Каковы основные способы соединения транзисторных усилителей?
21. Какой метод соединения используется при усилении низкочастотных сигналов и сигналов постоянного тока?
22. Что такое генератор?
23. Нарисуйте блок-схему генератора.

24. Перечислите три типа генераторов синусоидальных колебаний.
25. В каких случаях используют кварцевые генераторы?
26. Нарисуйте схему блокинг-генератора. Какой формы колебания он может генерировать?
27. Перечислите несколько логических элементов цифровых цепей и укажите, какие функции они выполняют.
28. Что такое таблица истинности?
29. Что такое триггер?
30. Какие типы триггеров вы знаете?
31. Что такое триггер с синхронизирующим входом?

                                                     ТЕМА № 11 

Рассматриваемые вопросы

1. Электрические станции.
2. Энергетические системы.

                   Производство и распределение электрической энергии.

                                                  Электрические станции.

Электрической станцией называется предприятие предназначенное для выработки электрической энергии. Электрическая энергия на электростанциях вырабатывается генераторами, приводимыми во вращение каким либо первичным двигателем. В зависимости от вида энергии преобразуемой в электрическую, электростанции можно разделить на следующие основные категории :

- гидравлические

- тепловые

- атомные

- МГД (магнитогидродинамические)

- ветровые

- солнечные

- геотермальные ( используют тепловую энергию горячих подземных источников )

- приливные (используют энергию  приливов и отливов океанов)

  Тепловые электростанции в качестве первичных двигателей могут иметь паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины. Электростанции, на которых в качестве первичных двигателей используют паровые турбины, в свою очередь, подразделяются на конденсационные и теплофикационные.

 На конденсационных паротурбинных станциях отработанный пар охлаждается и конденсируется в специальных конденсаторах с проточной водой, а затем поступает в общий водоем. КПД таких станций  достигает 30-35%.

  На теплофикационных станциях, или тепло электроцентралях (ТЭЦ), не весь нагретый пар проходит через турбину. Некоторая доля пара используется для нужд теплоснабжения (отопление, обеспечение потребителей горячей водой). Таким образом, от ТЭЦ потребители получают не только электроэнергию, но и тепло. Коэффициент полезного действия ТЭЦ с учетом теплоты и электрической энергии, отдаваемой потребителям, достигает 60-70%. ТЭЦ дает возможность ликвидировать экономически неэффективные мелкие отопительные и промышленные котельные установки.

  Станции с паротурбинными двигателями обычно строят вблизи природных залежей дешевого твердого топлива (торф, бурый уголь, сланцы и т. п.). Теплоэлектроцентрали строят вблизи городов, так как передача тепла на расстояние связана с большими потерями. Двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизели) применяют для привода генераторов лишь на передвижных электростанциях.

  Коэффициент полезного действия тепловых станций сравнительно низок, так как при их работе для получения электроэнергии необходимо трехкратное превращение энергии: энергия топлива при сжигании превращается во внутреннюю энергию водяного пара в котле (в теплоту), затем энергия пара в паровой турбине превращается в механическую энергию и только потом механическая энергия турбины превращается в электрическую энергию в генераторе; каждое превращение энергии сопровождается неизбежными потерями.

Гидравлические электростанции, или ГЭС, в качестве первичных двигателей используют гидравлические турбины, приводимые во вращение за счет энергии падающей воды. Гидравлические электростанции в зависимости от особенностей сооружений подразделяются на приплотинные и деривационные. На приплотинных и русловых гидростанциях плотина и гидрогенераторы находятся в одном месте. Плотиной перегораживается все русло реки, и уровень воды поднимается. На мелких реках с малым уклоном русла плотина создает водохранилище, из которого по деривационному каналу вода подается в напорный бассейн, а из него по крутопадающим трубам поступает в гидротурбины. Мощность гидроэлектростанции зависит от высоты напора воды и от количества воды, проходящей через турбины. Если гидроэлектростанция имеет большое водохранилище, то имеется возможность многолетнего или сезонного регулирования производства электроэнергии. При малых водохранилищах возможно лишь суточное регулирование выработки электроэнергии. Так, в часы малой нагрузки вода накапливается в водохранилище, а затем расходуется в течение нескольких часов максимальной нагрузки станции.

 Коэффициент полезного действия гидроэлектростанций достигает 80-90%. Производство электроэнергии на них гораздо проще и дешевле, чем на тепловых станциях, так как отпадает необходимость в приобретении и подвозе топлива, а также значительно сокращаются расходы на содержание обслуживающего персонала. Правда, первоначальные затраты на сооружение гидроэлектростанций значительно выше, чем затраты на сооружение тепловых станций такой же мощности.

Атомные электростанции используют энергию, выделяющуюся при распаде атомных ядер, для получения электрической энергии. Как известно, при  делении ядер урана 235U выделяется большое количество энергии в виде теплоты, которая и преобразуется затем в электрическую. Таким образом, атомная электростанция - это тепловая станция, но от обычной тепловой станции она отличается видом «топлива» и значительной сложностью управления работой.

 На атомной электростанции цепная реакция происходит в атомном котле (реакторе). Атомным горючим служат стержни из урана 235U, покрытые защитным слоем алюминия. Стержни вставляют в алюминиевые трубки, а затем в специальные гнезда в графитных блоках. Графит является замедлителем быстрых нейтронов. Скорость цепной реакции регулируется введением в те же блоки стержней из материала, хорошо поглощающего нейтроны. В результате цепной реакции в реакторе выделяется теплота, забираемая жидким теплоносителем (водой или жидким натрием), нагнетаемым в промежуток между алюминиевой трубкой и урановым стержнем. Применение жидкого металла значительно выгоднее, так как его легче нагреть до высокой температуры, чем воду, а от температуры нагревателя зависит к.п.д. установки. Теплоноситель становится радиоактивным, его нельзя направлять в турбину, поэтому теплоноситель сначала отдает свое тепло в теплообменнике для получения перегретого пара, а последний используется в паровом котле для получения водяного пара. Водяной пар уже не радиоактивен, он направляется в паровую турбину, в которой теплота превращается в механическую, а затем в генераторе в электрическую энергию. Коэффициент полезного действия такой станции составляет 25-30%.

       В процессе цепной реакции количество урана в стержнях уменьшается, но накапливаются плутоний и продукты деления ядер урана. Через определенное время эти стержни удаляют из реактора и перерабатывают на химическом заводе, где разделяют оставшийся уран, плутоний и продукты деления. Плутоний можно снова использовать как ядерное горючее, так как при облучении его медленными нейтронами выделяются большое количество энергии и нейтроны, а продукты распада урана используются в промышленности и в медицине.

    Ветроэлектростанции в качестве первичных двигателей используют так называемое ветровое колесо с лопастями, приводимое во вращение энергией ветра. Это вращение через шестерни передается генератору. К.п.д. таких станций очень низок из-за невозможности сколько-нибудь полно использовать энергию ветра.

     Солнечные электростанции преобразуют энергию излучения Солнца в электрическую энергию. В качестве преобразователей лучистой энергии в электрическую используются полупроводниковые солнечные элементы (см. разд. 11.7). К.п.д. солнечных элементов очень низок - порядка нескольких процентов. Но это не очень важно, поскольку солнечную энергию мы получаем даром. Промышленного значения солнечные электростанции не имеют, но размещение на крыше частного дома достаточного количества солнечных батарей может обеспечить заметную часть необходимой семье электроэнергии.

      Геотермальные электростанции преобразуют энергию горячих подземных вод, имеющихся в местах интенсивной вулканической деятельности, в электрическую энергию. Такие электростанции уже несколько десятилетий эксплуатируются на Камчатке

                                       Энергетические системы.

              Распределение электроэнергии между потребителями

В течение суток, а также в течение года потребление электроэнергии не одинаково. Возможности выработки электроэнергии некоторыми типами электростанций (например, ГЭС) также изменяются в течение этих же периодов времени. Однако эти изменения не совпадают по времени, и не всякая электростанция может быстро изменить режим своей работы. Например, если гидроэлектростанция может быть пущена в работу в течение 5-15 минут, то тепловой электростанции потребуется для этого 1-2 часа. Еще сложнее с теплофикационной станцией (ТЭЦ), так как изменение отдаваемой электрической мощности повлечет за собой соответствующее изменение и теплоты, что недопустимо. Поэтому всегда стремятся объединить несколько электростанций, работающих в разных условиях и использующих разные виды природной энергии, в одну общую систему -энергетическую систему, внутри которой легко осуществляется перераспределение нагрузки.

 Так, сначала загружают ТЭЦ, затем - ГЭС, причем ГЭС загружают так, чтобы полнее использовалась энергия суточного водного потока. Остаток нагрузки предназначается для тепловых станций.

 Благодаря объединению многих электростанций в единую энергосистему удается значительно снизить себестоимость электроэнергии, повысить ее качество (постоянство напряжения и частоты) и надежность в бесперебойном снабжении потребителя. При этом генераторы отдельных станций оказываются в наиболее благоприятных условиях.

Например, значительные колебания нагрузки в отдельных районах не перегружают           генераторов станций, находящихся в этих районах и объединенных в энергосистему, так как необходимая энергия потребляется из мощной энергосистемы. Особенно большой эффект получается при объединении разнотипных электростанций. В этом случае полезная выработка электроэнергии может быть повышена на 30-80%.

В мощных энергосистемах снижается максимум нагрузки из-за неодновременности максимумов на отдельных станциях; значительно снижается резервная мощность; создается возможность легкого пуска мощных электродвигателей; значительно сокращаются расходы на содержание обслуживающего персонала благодаря автоматизации по управлению работой станций. Таким образом, объединение электростанций в энергосистему дает исключительно большие технические и экономические выгоды.

Одно из преимуществ электрической энергии перед другими видами энергии заключается в том, что передачу ее можно осуществлять с малыми потерями на большие расстояния. Однако потери неизбежны, так как провода обладают сопротивлением и ток, проходя по проводам линии, нагревает их.

Чтобы передача электрической энергии была экономически выгодной, необходимо потери на нагревание проводов сделать возможно малыми. Это достигается тем, что передача электроэнергии на большие расстояния ведется при высоком напряжении. Дело в том, что при повышении напряжения ту же самую энергию можно передавать при меньшей силе тока, что приводит к уменьшению нагревания проводов, а следовательно, к уменьшению потерь энергии. На практике при передаче электроэнергии пользуются напряжениями 110, 220, 330, 500, 750, 1150 и 1500 кВ. Чем длиннее линия электропередачи, тем более высокое напряжение в ней используется.

Генераторы переменного тока на электростанциях дают напряжение порядка нескольких киловольт. Перестройка генераторов на более высокое напряжение затруднительна - в этом случае потребовалось бы особо высокое качество изоляции всех частей генератора, находящихся под током. Поэтому при передаче электроэнергии на большие расстояния приходится повышать напряжение при помощи трансформаторов, устанавливаемых на повышающих подстанциях.

Это высокое напряжение передается по линиям электропередачи (ЛЭП) к месту потребления. Но потребителю не нужно высокое напряжение. Его понижают на понижающих подстанциях.

Понижающие подстанции подразделяются на районные, главные понижающие и местные подстанции. Районные принимают электроэнергию непосредственно от высоковольтных ЛЭП, понижают напряжение и передают ее на главные понижающие подстанции, где напряжение понижается до 6, 10 или 35 кВ. С главных подстанций электроэнергия передается на местные, где напряжение понижается до 380/220 В и распределяется на промышленные предприятия и жилые дома.

При современном уровне развития электротехники невозможно ограничиться применением только одного рода тока - постоянного или переменного, поскольку и тот и другой имеют свойственные только ему достоинства и недостатки как в производстве, так и в передаче и использовании. В частности, главные достоинства переменного тока трехфазной системы состоят в том, что трехфазные генераторы просты по конструкции и дешевы в производстве. Их можно строить на мощности до 300 МВА с к.п.д. до 99%. Напряжение переменного тока легко преобразуется с помощью трансформаторов. Исключительно прост, дешев и надежен в работе асинхронный трехфазный двигатель.

К недостаткам переменного тока относится низкая пропускная способность линий электропередачи и особенно кабельных линий из-за наличия емкости между проводами и проводами и землей. В связи с необходимостью объединения мощных станций и систем, расположенных на значительных расстояниях друг от друга, выяснилось, что синхронная работа станций и систем становится при этом неустойчивой и даже невозможной. Дело в том, что синхронная работа соединенных между собой систем возможна лишь при условии, что мощность в линии электропередачи не превышает определенного предела, называемого пределом устойчивости. При повышении напряжения предел устойчивости повышается, но он сильно понижается при увеличении длины линии. Однако при повышении напряжения быстро растет стоимость оборудования концевых подстанций и стоимость самой линии, в которой для ослабления коронного разряда (т.е. стекания электричества с проводов высокого напряжения через воздух) необходимо значительное увеличение диаметра проводов. Устойчивая передача электроэнергии переменным током практически возможна на расстояниях до 450-500 км при напряжении 400-500 кВ.

Постоянный ток неэкономичен в производстве и использовании. Генераторы постоянного тока из-за наличия скользящих контактов в цепи нагрузки сложны по конструкции и в эксплуатации. Они могут быть построены на мощности лишь до 20 МВт при к.п.д. до 94%. Кроме того, не существует простых способов преобразования постоянного напря- жения и нет дешевых и простых по конструкции и эксплуатации двигателей постоянного тока. Однако постоянный ток имеет такие качества, которые делают его в некоторых случаях незаменимым. Сюда относится отсутствие реактивной мощности в цепях постоянного тока, отсутствие необходимости синхронизации параллельно работающих генераторов и, следовательно, отсутствие предела устойчивости и дальности передачи, возможность значительного повышения напряжения (свыше миллиона вольт).

Поэтому наиболее перспективным способом передачи электроэнергии на дальние расстояния является использование постоянного тока.

Сущность современной дальней передачи электрической энергии постоянным током состоит в следующем. Электростанция вырабатывает переменный ток по трехфазной системе, напряжение которого повышается до нужного значения, затем с помощью мощных выпрямителей выпрямляется и постоянный ток передается по линии высокого напряжения. На приемном конце линии электропередачи постоянный ток с помощью инверторных установок снова преобразуется в переменный трехфазный и затем уже электроэнергия распределяется между потребителями.

Применение постоянного тока для передачи электроэнергии на большие расстояния открывает новые возможности для электроэнергетики, главными из которых являются следующие:

• электропередача может иметь любую длину и мощность, так как отпадает проблема электрической устойчивости;
• пропускная способность воздушных и кабельных линий значительно повышается, а их протяженность ничем не ограничивается;
• упрощается возможность объединения электростанций в энергетическую систему, так как отпадает необходимость их синхронизации;
• легко регулируется значение передаваемой мощности и ее направление с помощью управляемых выпрямителей;
• развитие системы передачи электроэнергии  постоянным током не требует перестройки оборудования действующих электростанций и систем. Передача электроэнергии постоянным током имеет и недостатки:
• сложность конструкций концевых подстанций, увеличение потерь энергии, повышение их стоимости и сложность эксплуатации;
• невозможность простого ответвления от линии электропередачи в промежуточных пунктах.

Передача электроэнергии постоянным током экономически оправдывает себя только при передаче больших мощностей на большие расстояния. Так, например, мощность 750 МВт выгоднее передавать постоянным током, начиная с расстояний в 650 км, а мощность в 1500 МВт - начиная с 500 км.

                                                           ТЕМА № 12

Рассматриваемые вопросы

1. Элементы техники безопасности
2. Заземление электроустановок

                                             Элементы техники безопасности.

                                       Действие электрического тока на организм

Прохождение электрического тока через тело человека, являющееся хорошим проводником, может представлять серьезную опасность и даже быть причиной смерти. Воздействие электрического тока на человека может быть различным: от легкого судорожного сокращения мышц до прекращения работы сердца и зависит от многих причин. На характер воздействия тока на человека влияют сопротивление тела и значение приложенного к нему напряжения. Различают три предельных значения тока (при его протекании по пути рука-рука): ощутимый, не отпускающий и фибрилляционный.

Ощутимый ток (0,6-1,5 мА) вызывает слабый зуд и легкое покалывание. Ощутимый ток не опасен для жизни, однако при длительном воздействии отрицательно сказывается на здоровье человека.

Ток в 3-5 мА вызывает уже раздражение всей кисти руки. При токе 8-10 мА боль резко усиливается и охватывает всю руку, непроизвольно сокращаются мышцы рук и предплечья.

Не отпускающий ток (10-15 мА) вызывает сильную боль, при этом судороги настолько усиливаются, что пострадавший не может разжать руку, в которой находится токоведущая часть.

Ток в 25-50 мА действует не только на мышцы рук, но и на мышцы туловища, при этом происходит сужение кровеносных сосудов и повышение артериального давления, а пострадавший теряет сознание. Длительное воздействие такого тока может привести к прекращению дыхания и даже к смерти.

Фибрилляционный ток (100 мА и более), протекая по тому же пути, проникает глубоко в грудь, раздражая мышцы сердца. Такой ток очень опасен: через 1-2 с после начала его действия начинаются частые сокращения волокон сердечной мьппцы (фибрилл), прекращается движение крови в сосудах и наступает смерть. Ток более 5 А (как переменный, так и постоянный) приводит к немедленной остановке сердца, минуя состояние фибриллизации.

До сих пор речь шла о переменном токе промышленной частоты (50 Гц). При повышении частоты (начиная с 1 000-2 000 Гц) опасность электрического тока заметно снижается и при частотах 450-500 кГц полностью исчезает (кроме ожогов). Это объясняется поверхностным эффектом: ток высокой частоты проходит по нечувствительной поверхности кожи.

Постоянный ток примерно в 4-5 раз безопаснее переменного при напряжениях до 250-300 В. При более высоких напряжениях постоянный ток оказывается опасней переменного.

У разных людей сопротивление тела различно. Так, при сухой, чистой и неповрежденной коже сопротивление тела человека колеблется от 3000 до 100 000 Ом и более, причем основную часть сопротивления создает кожа человека, тогда как ткани тела обладают довольно малым сопротивлением (300-500 Ом). На сопротивление кожи сильно влияет ее состояние: наличие царапин и ссадин. Увлажнение кожи водой или потом, а также загрязнение сильно снижают ее сопротивление. На сопротивление кожи сильно влияют площадь контактов и особенно место на теле человека. Очень малым сопротивлением обладает кожа лица, шеей, рук выше локтя, тыльной стороны кистей рук, подмышечные впадины человека. Сопротивление кожи ладоней и подошв из-за ее загрубелости и мозолистости значительно выше. При повышении напряжения сопротивление кожи уменьшается: так, например, при напряжениях 50-200 В наступает электрический пробой нечувствительного поверхностного слоя кожи, рогового слоя.

14.2. Основные причины поражения электрическим током

Поражение электрическим током происходит при замыкании электрической цепи через тело человека. Двухфазным прикосновением называют тот случай, когда человек касается двух проводов, а однофазным - когда человек касается одного провода, имея при этом контакт с землей.

При двухфазном прикосновении на тело человека подается линейное напряжение U л и через него протекает большой ток. Если считать, что среднее сопротивление тела человека R = 3000 Ом, то идущий через него ток равен:

           I = U Ф  / R = 380 В/3000 Ом = 127 мА   

ток смертельно опасен.

При однофазном прикосновении в сети с заземленным нулевым проводом образуется последовательная цепь из сопротивлений тела человека, обуви, пола и заземления нулевого провода источника тока. К этой цепи приложено не линейное, а фазное напряжение. В этом случае все зависит от сопротивления обуви и пола, поскольку сопротивление заземления нулевого провода обычно очень мало. Если человек в сырой или в подбитой гвоздями обуви стоит на сырой земле или на проводящем полу, то сопротивления обуви и пола пренебрежимо малы по сравнению с сопротивлением человека и протекающий через тело ток будет равен:

           I = U Ф  / R = 220 В/3000 Ом = 73 мА   

Такой ток также смертельно опасен.

Однако если человек обут в резиновую обувь и стоит на сухом деревянном полу, то, считая сопротивление обуви 50 000 Ом и сопротивление пола 100 000 Ом, протекающий через него ток будет равен:

         I = 220В/153000 Ом = 0,0014А=1,4мА

Такой ток не опасен для человека. Мы видим насколько важно в целях безопасности использование резиновой обуви и особенно непроводящего пола.

При однофазном прикосновении к сети без нулевого провода (или с незаземленным нулевым проводом) цепь замыкается через тело человека и несовершенную изоляцию проводов сети. Если изоляция исправна, то она имеет очень большое сопротивление, и такое прикосновение не должно быть опасным. В сетях высокого (1 000 В и более) напряжения емкость между фазами и землей может создать большой емкостной ток, опасный для человека.

                                    Заземление электроустановок

Заземление электроустановок бывает двух типов: защитное заземление и заземление на нейтраль (зануление).

Защитное заземление - это специальное соединение с землей корпусов электрических машин и приборов, которые могут оказаться под напряжением. Защитное заземление делается для снижения напряжения между землей и корпусом машины, попавшим под напряжение, до безопасного значения. В случае пробоя изоляции между фазой и корпусом машины прикоснувшийся к машине человек оказывается зашунтированным ничтожно малым сопротивлением защитного заземления, при этом ток, проходящий через человека, не представляет опасности. Защитное заземление состоит из зазем-лителя и заземляющих проводников. В качестве заземлителя обычно используют стальные трубы диаметром 30-50 мм или уголок размером от 40x40 до 60x60 мм длиной 2,5-3 м. Заземлитель забивают в землю, а верхние концы сваривают стальной полосой или прутком сечением не менее 50 мм2. В качестве заземлителей часто используют проложенные в земле водопроводные трубы, металлические конструкции и др. В качестве заземляющих проводников (т.е. проводников, соединяющих заземлитель с заземляемыми проборами) обычно используют стальные или медные шины, которые либо приваривают к корпусам машин, либо соединяют с ними болтами. Защитному заземлению подлежат металлические корпуса электрических машин, трансформаторов, каркасы щитов, пультов и шкафов, стальные трубы электропроводок, а также ручной электроинструмент.

Зануление - это соединение корпусов электрических машин и приборов, которые могут оказаться  под напряжением не с землей, а с заземленным левым проводом. Это приводит к тому, что замыкание любой из фаз на корпус прибора или машины превращается в короткое замыкание этой фазы с  нулевым проводом. В результате большой ток   короткого замыкания вызывает срабатывание защиты и поврежденная установка отключается. Схема зануления состоит из проводника заземления нейтрали источника тока, нулевого защитного проводника и повторного заземления нулевого защитного проводника. Различают нулевой рабочий проводник  и нулевой защитный проводник. Нулевой рабочий  проводник является нулевым проводом для питания электроустановок и имеет равноценную с другими проводами сети изоляцию и достаточное сечение для длительного рабочего тока. Нулевой защитный проводник служит для создания кратковременного тока короткого замыкания для срабатывания защиты и быстрого отключения поврежденной  установки от питающей сети. Его сопротивление должно быть не больше половины сопротивлений  фазного провода. В качестве нулевого защитного провода могут быть использованы стальные трубы электропроводок, а также нулевые рабочие провода  которые не должны иметь предохранителей и выключателей.

Для защиты персонала от поражения электрическим током применяют различные защитные средства: диэлектрические (резиновые) перчатки, слесарно-монтажный инструмент с изолированными ручками, диэлектрические (резиновые) боты и  коврики и др. В качестве предупредительных средств.

     применяют плакаты: «Осторожно! Высокое напряжение», «Не включать! Работают люди».

     Для предупреждения несчастных случаев от поражения электрическим током необходим постоянный контроль за состоянием изоляции электрических установок. Состояние изоляции проверяют в новых установках, в установках после ремонта и модернизации, а также после длительного перерыва в работе. Профилактический контроль изоляции проводят не реже 1 раза в 3 года. Сопротивление изоляции проводов измеряют мегомметрами на номинальное напряжение 1 000 В на участках между смежными предохранителями (при снятых плавких вставках и при выключенных токоприемниках) между каждым проводом и землей и между каждыми двумя проводами. Сопротивление изоляции силовых и осветительных электропроводок должно быть не меньше 0,5 МОм.

                      Оказание  первой  помощи  пораженному  электрическим  током

Современная медицина располагает многочисленными средствами оказания помощи пораженным электрическим током, но всем, кто работает с электрическими установками, необходимо знать, как быстро оказать пострадавшему первую доврачебную помощь.

Прежде всего надо освободить пострадавшего от действия тока, так как даже находящийся в сознании пострадавший из-за непроизвольного сокращения мышц, возможно, не сможет, например, разжать руку с зажатым в ней проводом. Необходимо отключить установку рубильником, снятием или вывертыванием предохранителей. Если такой возможности нет, необходимо перерубить отдельно каждый провод или накоротко замкнуть и заземлить провода электроустановки.

Если нельзя быстро отключить электроустановку, то пострадавшего необходимо отделить от токоведущих частей. При этом оказывающий помощь должен соблюдать необходимые меры предосторожности, чтобы самому не оказаться под напряжением. Если одежда пострадавшего сухая, то отделить его от токоведущих частей можно за одежду, действуя при этом одной рукой и держа вторую руку за спиной или в кармане (иначе руки могут одновременно прикоснуться к двум точкам с разными потенциалами). Если одежда пострадавшего влажная, то на него следует накинуть резиновый коврик или сухую ткань, а затем освободить от действия тока. В таких случаях оказывающий помощь должен использовать резиновую обувь, диэлектрические перчатки, изолирующие подставки или сухие доски.

Меры первой доврачебной помощи пострадавшему зависят от его состояния. Если пострадавший находится в сознании, но был в обмороке или продолжительное время находился под действием тока, то до прибытия врача его следует удобно уложить, расстегнуть одежду и обеспечить полный покой. Если невозможно быстро вызвать врача, пострадавшего необходимо срочно доставить в лечебное учреждение.

Если пострадавший находится в бессознательном состоянии, но его дыхание и пульс устойчивы, то в ожидании врача его следует удобно уложить, расстегнуть одежду и пояс и обеспечить приток свежего воздуха. Следует попытаться привести его в сознание, давая нюхать нашатырный спирт и обрызгивая лицо холодной водой (не изо рта).Если пострадавший не проявляет признаков жизни (отсутствуют дыхание и сердцебиение, зрачки расширены и не реагируют на свет), то в ожидании врача надо немедленно приступить к искусственному дыханию и массажу сердца. В этом случае пострадавшего надо положить на горизонтальную поверхность, расстегнуть одежду, запрокинуть голову, при необходимости с помощью платка или марли освободить полость рта от слизи и крови, а затем через марлю или носовой платок провести искусственное дыхание способом «изо рта в рот». Оказывающий помощь при этом с силой вдыхает воздух в рот пострадавшего, а затем дает ему возможность пассивного выхода. При каждом вдувании грудная клетка пострадавшего должна расширяться. Одновременно с искусственным дыханием целесообразно проводить массаж сердца. Для этого оказывающий помощь накладывает обе руки на область, расположенную на два пальца выше мягкого конца грудины, и быстрым толчком руками нажимает на грудину так, чтобы ее конец сместился вниз на 3-4 см, повторяя толчки через 1 секунду и чередуя искусственное дыхание с надавливанием на грудную клетку (после двух глубоких вдуваний в рот - 15 надавливаний на грудную клетку с частотой 1 раз в секунду). Искусственное дыхание и массаж сердца пострадавшему надо проводить до возвращения ему сознания, признаками которого являются восстановление регулярного пульса, сужение зрачков с реакцией на свет и попытка пошевелить конечностями. Этот процесс может быть длительным, но не надо терять надежду вернуть пострадавшему жизнь.

                                                ЛИТЕРАТУРА

Электротехника. Под ред. А.Я. Шихина.- М.: Высш. шк., 1989.

Гусев Н.И. Электротехника и основы промышленной электроники.- Минск: Вышэйш. шк., 1975.

Kumaee B.E. Электротехника с основами промышленной электроники.- М.: Высш. шк., 1973.

Кузнецов М.И. Основы электротехники.- М.: Высш. шк., 1970.

                                                         ГАПОУ  СО  СПО  

        «Энгельсский  государственный  профссионально – педагогический  колледж»

         ЭЛЕКТРОННЫЙ  КРАТКИЙ  КУРС  ЛЕКЦИЙ  ПО  «ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ»

                                                     Для специальностей :

051001 Профессиональное обучение (Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта)

190631 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта

                                                                  Энгельс, 2014 г.