рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Электрические цепи постоянного тока

Электрические цепи постоянного тока - Конспект Лекций, раздел Электротехника, Электротехника с основами электроники   § 2.1. Электропроводность.   Под Эл...

 

§ 2.1. Электропроводность.

 

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

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

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

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

[1А=1Кл/1с].

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

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

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

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

 

 

§ 2.2. Электрическая цепь и ее элементы.

 

Рис.2-1. Схема электрической цепи.

 

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

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

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

3. проводник, который классифицируют:

по виду материала (алюминий, медь);

по числу токоведущих жил (одножильный, многожильный).

В любой цепи имеет место следующие ее виды:

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

2. внешняя цепь – соединительные провода с потребителем.

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

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

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

 

 

§ 2.3. Сопротивление, проводимость.

 

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

[1 Ом],

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

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

,

где γ – удельная проводимость.

Единицей электрической проводимости является Сименс (См):

[g]=1/1Ом=1См.

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

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

 

 

§ 2.4. Закон Ома.

 

Для участка цепи:

.

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

Для полной цепи:

.

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

 

 

§ 2.5. Работа и мощность электрического тока.

 

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

,

здесь, так как , то .

Из определения напряжения на потребитель следует, что

часть энергии теряется внутри источника в тепловую

,

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

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

[1Вт=1Дж/1с=1В*1А].

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

 

 

§ 2.6. Допустимая нагрузка провода.

 

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

.

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

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

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

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

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

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

Порядок расчета:

1. определят расчетный ток потребителя, используя выражение:

;

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

Таблица 1

Сечение токопро- водящей жилы, мм2 Токовые нагрузки, А
Провода, проложен- ные открыто Провода, проложенные в одной трубе
Два одно- жильных Три одно- жильных Четыре одножиль- ных Один двух- жильный Один трехжиль- ный
0,5 0,75 1,0 1,5 2,5 11/- 15/- 17/- 23/- 30/24 41/32 50/39 80/55 100/80 140/105   - - 16/- 19/- 27/20 38/28 46/36 70/50 85/60 115/85 - - 15/- 17/- 25/19 35/28 42/32 60/47 80/60 100/80 - - 14/- 16/- 25/19 30/23 40/30 50/39 75/55 90/70   - - 15/- 18/- 25/- 32/- 40/- 55/- 80/- 100/- - - 14/- 15/- 21/- 27/- 34/- 50/- 70/- 85/-

 

3. выбранное сечение провода проверяем на потерю напряжения:

, ,

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

,

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

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

 

 


§ 2.7. Соединение сопротивлений.

 

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

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

Последовательное соединение.

 

Рис.2-2.

 

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

Законы соединений.

Ток в цепи определяется по закону Ома

,

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

.

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

 

Рис.2-3.

 

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

,

где ; ; .

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

,

где ; ; .

Параллельное соединение сопротивлений.

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

 

Закон Кирхгофа.

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

.

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

.

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

.

 

Рис.2-4.

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

Законы соединений.

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

Для узла 1 по первому закону Кирхгофа

,

а для узла 2:

.

Для данной схемы справедливо

,

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

,

где ; ; .

 

§ 2.8. Потери напряжения в проводах.

 

Рис.2-5.

 

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

Сопротивление проводника

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

или ,

где - удельная проводимость.

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

1. к потери мощности

;

2. к потери энергии

.

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

Качественная оценка линии также определяется КПД линии

,

здесь P1 – мощность генератора.

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

 

§ 2.9. Два режима работы источника питания.

 

На автомобиле два источника.

 

Рис.2-6.

 

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

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

Второй закон Кирхгофа

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

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

,

отсюда ток в цепи (от генератора к аккумулятору) равен

,

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

 

 

§ 2.10. Расчет сложной электрической цепи.

 

 

Рис.2-7.

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

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

Для точки разветвления С имеем

.

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

.

Для контура abde по второму закону Кирхгофа имеем

.

Запишем в систему

.

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

Пути снижения потери напряжения в линиях электропередач.

1. Т.к., потеря напряжения в линии

,

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

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

3. Правильно выбирать сечение провода.

 

Контрольные вопросы:

1. Что называется электрическим током?

2. Как рассчитать силу тока? Единицы измерения силы тока.

3. Что понимают под электрической цепью?

4. Что такое ЭДС?

5. От чего зависит электрическое сопротивление проводника? Единицы измерения электрического сопротивления.

6. Закон Ома для участка цепи.

7. Закон Ом для полной цепи.

8. Как рассчитать работу и мощность электрического тока? Единицы измерения работы и мощности электрического тока.

9. Закон Джоуля-Ленца.

10. Виды соединений сопротивлений.

11. Законы Кирхгофа.

12. Как рассчитать потери напряжения в проводах?

13. Режимы работы источников питания.

14. Что называется сложной электрической цепью?

15. Как производится расчет сложной электрической цепи?

 

 


ГЛАВА 3

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Электротехника с основами электроники

Опорный конспект лекций.. Для учащихся машиностроительного отделения по специальности.. Металлорежущие станки и инструменты..

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Электрические цепи постоянного тока

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

БРЕСТ 2008
Содержание: 1. Введение.....................................................................................................  

Электрическое поле
  § 1.1. Электрическое поле и его характеристика.   Большое количество электрических зарядов (электронов, протонов), содержащихся в любом теле, определяет его с

Электромагнетизм
  § 3.1. Преобразование механической энергии в электрическую.   Рис.3-1. Схема простейшего ге

Однофазные электрические цепи переменного тока
  § 4.1. Переменный ток, получение, параметры.   Переменным называется периодический ток, значения которого повторяются через определенные промежутки вре

Трехфазные электрические цепи
  § 5.1. Общие сведения.   Три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутые по фазе на 120°, образуют трехфазную симметрическую систему. Аналоги

Электрические измерения
  § 6.1. Назначение, классификация, определение. Виды погрешностей, класс точности.   Измерением называют нахождение значения физической величины опытным

Трансформаторы
  Трансформатор предназначен для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Увеличение напряжения осуществляется с помощью повышающих транс

Электрические машины постоянного тока
§ 8.1. Назначение машин постоянного тока Электрическими машинами называются устройства для преобразования механической энергии в электрическую или электрической в механическую. В первом сл

Машины переменного тока
  С точки зрения веса, габарита, стоимости (у них они ниже примерно на 40-70%) эти машины значительно лучше, чем машины постоянного тока. Кроме того, удобство в обслуживании, эксплуат

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги