Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
Волгодонский инженерно-технический институт – филиал НИЯУ МИФИ
КУРС ЛЕКЦИЙ
по дисциплине «Электротехника и электроника»
Волгодонск, 2012 г.
Введение
Начало изучения электромагнитных явлений следует отнести к XVIII веку, когда впервые была сформулирована унитарная теория электричества, введены понятия двух видов электричества (+ и - ), открыт закон взаимодействия зарядов (Б. Франклин, Ш. Дюфе, Ш. Кулон, А. Вольт). Открытие фундаментальных законов электромагнетизма пришлось на XIX век (А. Ампер, Г. Ом, Х. Эрстед, М. Фарадей, Э. Х. Ленц, Д. Генри, Д. Джоуль, Г. Кирхгоф, Д. Максвелл, Г. Герц и др.) и привело к созданию разнообразных электротехнических устройств, так или иначе используемых в практических условиях.
Электрические источники света (П. Яблочков), электрическая дуга (В. Петров), первые электродвигатели и электрогенераторы (З. Грамм, Г. Феррари, Н. Тесла) и затем трехфазные генераторы и двигатели (М. Доливо-Добровольский) достаточно быстро получили практическое применение и уже к концу XIX века появились первые электростанции и электрические системы, предназначенные для передачи электроэнергии на расстоянии.
Столь быстрое развитие электротехники объясняется тем, что ее средствами относительно просто и экономично получают электромагнитную энергию, передают к потребителям, где она преобразуется в другие виды - преимущественно в механическую, тепловую и лучистую. Использование электромагнитной энергии способствовало техническому прогрессу и позволило значительно улучшить комфортность жизни людей.
Потребление электромагнитной энергии постоянно возрастает как в производственной, так и в социально-бытовой сферах. Вводят в действие все новые и новые электростанции, на которых получают электроэнергию из других видов. Наиболее распространенными являются гидроэлектростанции, тепловые и атомные электростанции.
В Волгодонске - Цимлянская ГЭС - 209МВт, ТЭЦ - 470 МВт, АЭС (два блока - 2000 МВт). Потребление энергии в нашем городе составляет чуть больше 100 МВт, остальное по линиям электропередач передается в районные и региональные электрические системы. Передача электроэнергии осуществляется на напряжении 110, 220, 500 кВ. В географической близости от потребителей, на трансформаторных подстанциях напряжение снижается каскадно до 10 - 0,4 кВ и подается непосредственно к электроприемникам.
Большое значение электротехники в строительстве определяется применением механизмов и машин с электрическим приводом (подъемные краны, лебедки и т.д) и использованием электротехнологий(сварка и др.). Любые строительные объекты должны иметь систему электроснабжения, питающую электроэнергией осветительные и силовые электроустановки.
Следует отметить существенное удобство электрической энергии при автоматизации производственных процессов, благодаря точности и быстродействию электрических методов контроля и управления защиты.
Цель нашего курса - обеспечить такую подготовку инженеров-строителей, при которой они будут располагать системой знаний, умений и навыков в актуальных для них областях электротехники.
Линейные цепи постоянного тока
Основные понятия теории электричества
Первоначальным понятием электричества является заряд. Мельчайшими носителями электричества являются элементарные частицы, которые могут иметь два разноименных заряда («+» - протон, «-» - электрон), некоторые частицы электрически нейтральны (нейтрон).
Главными носителями зарядов в металлах являются свободные электроны и ионы кристаллической решетки. Концентрация их ~ 1028 в м3, это объясняет их хорошую электрическую проводимость.
Материалы, у которых имеется много легкоподвижных носителей зарядов, называют проводниками. Материалы, не имеющие электронов проводимости, называют диэлектриками. Промежуточный широкий класс веществ составляют полупроводники.
Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц.
Направлением тока условились считать направление движения положительных частиц (рис. 1.1).
Рис. 1.1
В проводнике возникает постоянный ток, если заряды могут совершать постоянную циркуляцию. Для возникновения тока необходима электрическая цепь - замкнутый путь для тока, состоящий из проводников и различных электротехнических устройств.
Непременно в электрической цепи должен быть источник и потребитель электроэнергии. В источнике какой-либо сторонний вид энергии (химический, механический и т. д.) преобразуется в электрическую. В потребителях происходит процесс преобразования электрической энергии преимущественно в лучистую, тепловую или механическую. По проводам энергия передается от источника к потребителю.
В электрическую цепь могут быть включены также измерительные приборы, преобразователи, регуляторы, коммутационные, защитные устройства и т. д.
Источниками электроэнергии являются турбо и гидрогенераторы электростанции, аккумуляторы, батарейки и т. д. Приемники - это электрические лампы, электродвигатели, термоустановки.
Одной из важнейших категорий электротехники является сила тока I, равная величине заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени:
(1.1)
где - заряд, проходящий через сечение проводника за время .
Сила тока - скалярная величина. Единицей измерения служит Ампер (А). Один Ампер - это такой электрический ток, при котором за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд 1 Кл или 6*1018 электронов. Прибор для измерения тока называется амперметром.
Сила тока:
- в лампочках до 1 А;
- в утюге до 8 А;
- в подъемном кране ~ до 100 А;
- в обмотках турбогенератора АЭС до 15000 А;
- опасно для жизни 0,05 А.
Если за любые два равных промежутка времени через сечение проводника проходит одно и то же количество электричества, то электрический ток является постоянным. Заряженные частицы движутся поступательно по всему контуру электрической цепи.
Направленное движение зарядов в проводнике происходит под действием электрических сил. Причиной возникновения тока в проводнике является электрическое поле. Электрическое поле - это особый вид материи, порождаемый зарядами и действующий с силой на заряды.
Характеристиками электрического поля являются напряженность и напряжение. Силовая характеристика - напряженность - векторная величина, равная отношению силы, действующей на заряд, к величине этого заряда:
(1.2)
Измеряется в или В∙м.
Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд со стороны поля.
Энергетическая характеристика двух точек поля или электрической цепи - напряжение - скалярная величина, равная отношению энергии, затраченной на перемещение положительного заряда между двумя точками цепи, к величине этого заряда:
(1.3)
Единица измерения напряжения - Вольт (В).
Если при перемещении единичного заряда из одной точки в другую затрачивается энергия в 1 Дж, то напряжение между двумя точками - 1В.
Напряжение:
- гальванического элемента / батарейки - 1,5 В;
- автомобильного аккумулятора - 12 В;
- квартирных осветительных сетей - 220 В;
- городских кабельных сетей - 6-10 кВ;
- высоковольтных линий электропередачи 110-1150 кВ.
В замкнутой цепи положительные заряды движутся от точек с более высоким потенциалом к точкам с более низким потенциалом. Но внутри источника они должны двигаться к точке с более высоким потенциалом, то есть против сил электрического поля. Это перемещение зарядов внутри источника происходит за счет не электрических, а сторонних сил. При этом затрачивается сторонняя энергия.
Работу сторонних сил по перемещению единичного заряда внутри источника называют электродвижущей силой (ЭДС). Измеряется ЭДС в Вольтах (В). Как правило, источники энергии имеют внутреннее сопротивление, тогда напряжение на его зажимах (рис. 1.2.):
Зависимость напряжения на зажимах источника от тока нагрузки называют внешней характеристикой источника (рис. 1.3, прямая 1). Источники, внутреннее падение напряжения которых мало, т.е. R₀ →0, ∆U→0 называют источником напряжения (рис. 1.3, прямая 2).
Рис. 1.2 Рис. 1.3
Работа и мощность электрического тока.
Электрические цепи однофазного синусоидального тока
Векторные диаграммы
Переменный ток характеризуется двумя величинами - амплитудой и фазой .
Для математического описания переменного тока широко используется два метода: представление синусоизменяющихся величин вектором на плоскости или, для момента времени t=0, комплексными числами. Удобно строить векторные диаграммы. Вектор на плоскости имеет длину, равную максимальному или действующему значению тока, а угол наклона и горизонтальной оси - начальной фазе (рис.2.15).
Рис.2.15
Комплексное число
(2.13)
имеет действительную и мнимую составляющие, а также модуль: , (рис.2.16)
Рис.2.16
Применение векторных диаграмм позволяет упростить расчеты цепей синусоидального тока и получить наглядную картину количественных и фазовых соотношений электрических величин для данного режима.
Трансформаторы
Изменение напряжения на зажимах трансформатора при изменении нагрузки. Внешняя характеристика трансформатора
При изменении комплексного сопротивления нагрузки и неизменном входном напряжении изменяются токи в обмотках
При помощи геометрических построений на векторной диаграмме можно построить вектор
На рис. 5.7 показана зависимость ∆U=f(cosφ2).
Рис. 5.7 Рис. 5.8
Как видно из рис. 5.7 наибольшее значение ∆U достигает при условии . В этом случае падение напряжения совпадает по фазе с напряжением U1.
Внешняя характеристика трансформатора - это зависимость вторичного напряжения от тока нагрузки при и
при - коэффициент загрузки .
Внешнюю характеристику трансформатора можно описать выражением
На рис. 5.8 показана внешняя характеристика при активной и активно индуктивной нагрузке.
Асинхронные машины
Электромагнитный момент.
Механическая мощность на валу связана с вращающим электромагнитным моментом соотношением.
- угловая скорость ротора. Электромагнитная мощность Рэм связана с моментом соотношений
ɷ0 - угловая скорость магнитного поля
Связь между ɷ1и ɷ2 определяется скольжением s.
или ɷ2=ɷ0(1-s)
,где р число пар полюсов (см.рис.6.2.)
Синхронные машины.
Назначение синхронных машин.
Синхронные машины имеют постоянную частоту вращения, пропорциональную частоте сети переменного тока, в которую включена данная машина. Используются синхронные машины как генераторы переменного тока на электростанциях, как двигатель, если нужен двигатель, работающий на переменной частоте, как синхронные компенсаторы -машины, предназначенные для улучшения (компенсации) коэффициента мощности электрических установок. Все типы синхронных машин имеют практически одинаковое строение, и лишь незначительные отличия друг от друга.