Линейные цепи постоянного тока. Электродвижущая сила источника. Электромагнетизм

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника – область науки и техники, которая занимается изучением электрических и магнитных явлений и их использованием в практических целях.

Электроника – наука об электронных процессах, а также область

техники, связанная с производством и применением электронных устройств.

Технический прогресс во всех областях науки и техники связан с развитием электроэнергетики. Электрификация технологических процессов позволяет создать условия для автоматизации производства, совершенствовать автоматизированные системы управления технологическими процессами. Поэтому изучение электротехнических дисциплин позволяет формировать необходимые знания и умения в области электротехники и электроники. Комплексная подготовка специалистов предполагает формировать умение выбирать и правильно эксплуатировать электротехнические, электронные, электроизмерительные устройства, составлять совместно с инженерами-электриками технические задания на разработку электрических частей автоматизированных установок для управления производственными процессами.

Глава 1. Линейные цепи постоянного тока

Основные понятия

Электрический заряд(q) – физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Единица заряда [q] – Кл (Кулон); 1Кл = 1А·1с.

Сила взаимодействия точечных неподвижных заряженных тел (закон Кулона) определяется по формуле:

, (1.1)

где – диэлектрическая проницаемость среды; – электрическая постоянная.

Электрическое поле – вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов.

Электростатическое поле – поле неподвижных зарядов.

Напряженность электрического поля (Е) – величина, характеризующая свойство электрического поля в каждой его точке. Напряженность поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы поля, действующей на положительный заряд, находящийся в данной точке поля:

(1.2)

Единица напряженности электрического поля – [].

При перемещении заряда силами электрического поля производится работа:

(1.3)

Единица измерения работы – джоуль (Дж).

Электрическое напряжение – величина, определяемая отношением работы, совершенной при перемещении заряда q между двумя точками поля к перемещенному заряду:

(1.4)

Единица измерения напряжения – вольт (В).

Потенциал() – напряжение между какой-либо точкой электрического поля и точкой на поверхности земли. Потенциал любой точки земли принимают равным нулю.

Единица измерения потенциала – вольт (В).

Если приложить электрическое напряжение к концам проводника, то на заряженные частицы будут действовать силы электрического поля, направленные вдоль проводника, и к скоростям их беспорядочного движения прибавится слагающая скорости, совпадающая с направлением сил поля. Через поперечное сечение проводника проходит определенное количество электричества, возникает электрический ток.

Сила тока (I) – мера интенсивности направленного движения заряженных частиц:

(1.5)

Единица измерения силы тока – ампер (А).

Постоянный ток – ток, который в течение некоторого времени остается неизменным по величине и по направлению.

Плотность тока позволяет охарактеризовать проводник с точки зрения способности выдерживать ту или иную нагрузку.

– плотность тока, (1.6)

Электрическая цепь

Основные элементы электрической цепи: · источник электрической энергии (генераторы, в которых механическая энергия… · приемник электрической энергии (электродвигатели, нагревательные приборы и т.д., в которых электрическая энергия…

Электродвижущая сила источника

Электродвижущая сила источника (Е) поддерживает ток в замкнутой цепи. Она численно равна энергии, полученной единицей заряда при перемещении ее от одного зажима источника до другого его зажима под действием внешних сил:

(1.7)

Внешние силы разделяют заряды на положительные и отрицательные и сообщают им потенциальную энергию.

Движение зарядов сопровождается их взаимными столкновениями, что создает внутреннее сопротивление источника (r). За положительное направление э.д.с. принимают направление от отрицательного зажима источника к положительному. В схемах направление э.д.с. указывается стрелкой. Свойства источника электрической энергии определяет внешняя характеристика (ВАХ) – зависимость напряжения между его выводами от тока источника U=f(I).

Закон Ома

(1.8) Электрическое сопротивление (R) – это противодействие направленному движению… Единицей сопротивления является Ом.

Работа и мощность тока

. (1.12) Электрическаямощность () – это скорость, с которой происходит преобразование… . (1.13)

Законы Кирхгофа

Первый закон для токов: алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю

(1.7)

Второй закон для напряжений: алгебраическая сумма всех э.д.с. замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме всех падений напряжений на сопротивлениях того же контура цепи

(1.18)

где – число участков контура.

Электродвижущая сила имеет знак «+», если направление ее совпадает с произвольно выбранным направлением обхода контура, и со знаком «-», если не совпадает.

Падение напряжения IR, берется со знаком «+», если направление тока на данном участке совпадает с направлением обхода контура, и со знаком «-», если не совпадает.

ГЛАВА 2. Электромагнетизм

Магнитная индукция, магнитный поток

Магнитное поле графически изображается в виде линий магнитной индукции. Направление касательной в каждой точке линии должно совпадать с направлением… Магнитная индукция (В) характеризует интенсивность магнитного поля. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле (закон Ампера):

Электромагнитная индукция. Электродвижущая сила, наведенная в проводе

– закон электромагнитной индукции. (2.7) Величина э.д.с. пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Знак «-»… · если , то . Направление э.д.с. будет таким, чтобы ток в замкнутом контуре создал свой магнитный поток,…

Индуктивность. Электродвижущая сила самоиндукции

или , – потокосцепление. Электродвижущая сила катушки пропорциональна скорости изменения… – индуктивность контура или катушки.

ГЛАВА 3. Линейные цепи переменного тока

Период и частота переменного тока

Переменный ток – периодический ток, все значения которого повторяются через одинаковые промежутки времени, называемые периодом (Т), при этом в течении одного полупериода ток имеет одно направление, а в течение следующего – другое, противоположное направление.

Мгновенные значения – значения переменных в какой-нибудь момент времени и обозначаются: i, u, e.

Амплитудные значения (максимальные) – наибольшие значения величин, имеющие место в течение периода и обозначаются: I_m, U_m, E_m.

Цикл переменного тока (напряжения) – совокупность изменений тока (напряжения), происходящих в течение периода.

Частота переменного тока – величина, обратная периоду, т.е. число периодов в секунду:

. (3.1)

Единица измерения частоты – герц (Гц).

Действующее значения тока и напряжения

Действующее значение переменного тока равно значению такого эквивалентного постоянного тока, который, проходя через то же сопротивление, что и переменный ток, выделяет в нем за период переменного тока то же количество тепла:

;

. (3.2)

Действующее значение синусоидального тока меньше максимального значения в раз.

Аналогично для синусоидального напряжения и э.д.с. .

Простейшие электрические цепи переменного тока

При синусоидальном напряжении ; на зажимах цепи ток в ней согласно закону Ома .

ГЛАВА 4. Мощность в цепи переменного тока

4.1. Мощность в цепи с активным сопротивлением.

Мгновенное значение мощности

.

Мгновенная мощность – положительна, т.е. на протяжении периода при любом направлении тока электрическая энергия превращается в тепло.

;

– активная мощность. (4.1)

Активная мощность измеряется в ваттах (Вт).

4.2. Мощность в цепи с индуктивностью

Мгновенное значение мощности

.

Мощность в цепи с индуктивностью изменяется с двойной частотой. При возрастании тока в цепи мощность положительна. Катушка индуктивности потребляет энергию. Энергия накапливается в форме энергии магнитного поля. При убывании тока в цепи мощность отрицательна. Катушка индуктивности является источником электрической энергии. Она возвращает в сеть накопленную энергию магнитного поля.

.

– индуктивная (реактивная) мощность. (4.2)

Единица измерения реактивной мощности – вольт-ампер реактивный (Вар)

4.3. Мощность в цепи с емкостью

Мгновенное значение мощности

.

Мощность в цепи с емкостью изменяется с двойной частотой. При возрастании напряжения в цепи мощность положительна. Конденсатор заряжается. При уменьшении напряжения в сети конденсатор разряжается, мощность отрицательна. На протяжении периода конденсатор дважды заряжается и дважды разряжается, .

– емкостная (реактивная) мощность. (4.3)

4.4. Мощность в цепи, содержащей активное, индуктивное и емкостное сопротивления.

Мгновенное значение мощности при условии :

.

Активная мощность:

,

– активная мощность в цепи переменного тока, (4.4)

где – коэффициент мощности.

– реактивная мощность в цепи переменного тока. (4.5)

Полной мощностью цепи называется произведение действующих значений напряжения и тока:

или . (4.6)

Единица полной мощности – вольт-ампер (ВА).

Коэффициентом мощности называется отношение активной мощности к полной:

. (4.7)

Мероприятия по увеличению коэффициента мощности:

· электрические установки должны работать в номинальном режиме, т.к. при холостом ходе уменьшается от 0,1 до 0,3;

· подключить параллельно двигателям конденсаторы, тогда разность фаз между током и напряжением в линии уменьшится, а увеличится. Конденсаторы становятся источником реактивной энергии для приемника, и линия передачи разгружается от реактивного тока.

– формула расчета емкости конденсаторов. (4.8)

Глава 5. Трехфазные электрические цепи

Получение трехфазного тока

При равенстве амплитуд э.д.с. трехфазная система называется симметричной. Источником э.д.с. в трехфазной системе служит трехфазный синхронный генератор,…

Соединение обмоток генератора звездой

Рис.5.2. Схема соединения обмоток генератора звездой Напряжение между началом и концом фазы (нулевая точка) называется фазным напряжением и обозначается UA, UB, UC или…

Соединение обмоток генератора треугольником

Рис. 5.3. Схема соединения обмоток генератора треугольником При соединении треугольником линейные напряжения равны фазным напряжениям:

Мощность трехфазной цепи

Активная мощность

. (5.4)

Реактивная мощность

. (5.5)

Полная мощность

. (5.6)

При неравномерной нагрузке фаз мощность трехфазной цепи определяется как сумма мощностей отдельных фаз.

Глава 6. Трансформаторы

Трансформатор – это статистический электромагнитный аппарат, преобразующий величины напряжений и токов при неизменной частоте.

Рис 6.1. Однофазный трансформатор

Классификация трансформаторов

По назначению:

· силовые (электроснабжение потребителей);

· измерительные (подключение измерительных приборов);

· специальные (питание потребителей специального назначения: электросварочные, автотрансформаторы).

По числу фаз:

· однофазные;

· трехфазные.

По числу обмоток:

· двухобмоточные;

· трехобмоточные.

По типу сердечника:

· стержневые;

· броневые.

По способу охлаждения:

· с воздушным охлаждением;

· с масляным охлаждением.

Устройство и принцип действия

Начала и концы обмоток трансформаторов обозначаются буквами латинского алфавита. Начала обмоток обозначают А, В, С и а, в, с, а концы – Х,Y, Z и х,… Трансформаторы с малой мощностью выполняют с воздушным охлаждением. Трансформаторы средней и большой мощности выполняют с масляным охлаждением, т.е. сердечник с обмотками помещают в…

Режимы работы трансформатора

· Рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему: , а ток определяется нагрузкой… · Режим холостого хода – режим ненагруженного трансформатора, при котором… · Режим короткого замыкания трансформатора, при котором его вторичная обмотка коротко замкнута () или подключена к…

Внешние характеристики трансформатора

Процентное изменение напряжения трансформатора: . (6.2) · Внешняя характеристика трансформатора – зависимость изменения вторичного напряжения от тока нагрузки , где , при…

Потери мощности в трансформаторе. КПД трансформатора

Мощность потерь в трансформаторе равна сумме мощностей потерь в магнитопроводе (потери в стали) и в проводах обмоток (потери в меди):

, (6.4)

где – коэффициент загрузки трансформатора; – мощность потерь в проводах обмоток при номинальных токах.

КПД трансформатора – отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на входе

или с учетом потерь . (6.5)

Трехфазный трансформатор. Автотрансфоматор.

На щитке трансформатора за обозначением схемы соединений обмоток стоит цифра: Y/Y0-12, Y/-11, Y0/-11. Цифра условно обозначает так называемую группу… Трехфазные трансформаторы применяются на распределительных подстанциях. Автотрансформатором называется трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего…

Измерительные трансформаторы тока и напряжения

Контакты первичной обмотки высшего напряжения (АХ) трансформатора напряжения включают в исследуемую цепь параллельно. Во вторичную цепь (ах) с меньшим числом витков включают вольтметры,…

Глава 7. Электрические машины

Постоянного тока (ЭМПТ)

Машина, превращающая механическую энергию в электрическую, называется генератором. Генераторы применяются в установках для электролиза, для питания… Машина, превращающая электрическую энергию в механическую, называется… Двигатели создают механический вращающий момент на валу, который используется для привода различных механизмов и…

Генератор постоянного тока

При вращении якоря в магнитном поле возбуждения изменяется магнитный поток, пронизывающий витки обмотки якоря, индуцируется э.д.с. , (7.1) где – конструктивная постоянная машины; – частота вращения вала якоря; Ф – магнитный поток, создаваемый обмоткой…

Генератор с независимым возбуждением

Характеристика холостого хода - это зависимость э.д.с. генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения якоря и отключенной… . Снимают при номинальной частоте вращения генератора, и отображает свойства магнитопровода.

Генератор с параллельным возбуждением (шунтовой)

Ток в параллельной обмотке возбуждения при разгрузке генератора не остается неизменным, а растет с ростом напряжения, т.к. . Это вызывает рост… Характеристика холостого хода и регулировочная характеристика аналогичны… 7.1.3. Генератор с последовательным возбуждением (сериесный)

Генератор со смешанным возбуждением (компаундный)

Магнитный поток возбуждения создается двумя обмотками: шунтовой и сериесной, которые включены согласно или встречно.

Внешняя характеристика: при .

Двигатели постоянного тока

При вращении якоря проводники обмотки пересекают магнитное поле полюсов, и по закону электромагнитной индукции в них наводится э.д.с. Согласно правилу правой руки, э.д.с. обмотки якоря двигателя направлена противоположно току, поэтому ее называют…

Двигатель с параллельным возбуждением

– ток, поступающий в двигатель из сети. В момент пуска, когда якорь двигателя еще не вращается, его э.д.с. равна нулю.… .

Двигатель с последовательным возбуждением

. Вращающий момент, где – коэффициент пропорциональности между током возбуждения… Скоростная и механическая характеристики двигателя:

Двигатель со смешанным возбуждением

Магнитный поток равен . – ток, потребляемый двигателем из сети.

Потери мощности и КПД машин постоянного тока

· Механические потери (потери от трения), получаются в подшипниках, при трении вращающихся частей о воздух и трения щеток о коллектор, ~. Потери… · Электрические потери возникают при прохождении тока по обмотке якоря и… .

Асинхронные машины

Принцип работы асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами в обмотке ротора. Он состоит из магнитной цепи, обмоток и механических частей. Неподвижная часть… Обмотка статора трехфазная соединенная звездой или треугольником. Основной элемент обмотки – секция, укладываемая в…

Синхронные машины

, (8.3) где – число пар полюсов. Синхронные машины применяются как генераторы переменного трехфазного тока. Генераторы всех электростанций (тепловых,…

Глава 9. Электрические измерения и приборы

Основные понятия

Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины (ФВ), обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и/или хранящее единицу ФВ, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Классификация средств измерений

· Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Многозначная мера – мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера (миллиметровая линейка, конденсатор переменной емкости, магазин сопротивлений).

· Измерительный преобразователь – СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины x (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигнал y=f(x). Преобразователи по месту, занимаемому в измерительной цепи, делятся на первичные, передающие и промежуточные (преобразователи переменного напряжения в постоянное, делители тока, усилители, компараторы, АЦП, ЦАП и др.)

· Измерительный прибор – СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы делятся на аналоговые (показывающие) и цифровые (регистрирующие).

· Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте (измерительная установка для измерения мощности в трехфазных цепях, для поверки нормальных элементов).

· Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ.

Классификация измерений

· Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (измерение амперметром тока);

· Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (определение );

· Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин;

· Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.

Методы измерений

· Метод непосредственной оценки – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора прямого действия, заранее градуированного в единицах измеряемой ФВ.

Данный метод прост, наиболее распространен, но точность его невысока.

· Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

Электромеханические приборы прямого преобразования

Рис. 9.1. Обобщенная структурная схема электромеханического прибора прямого преобразования: ИЦ – измерительная цепь, в которой происходит преобразование измеряемой… Общие элементы аналоговых электромеханических приборов:

Магнитоэлектрические приборы

Различают магнитоэлектрические приборы с подвижной рамкой и подвижным магнитом. Рассмотрим МЭ прибор с подвижной рамкой. Рис. 9.2. Механизм магнитоэлектрического прибора:

Электромагнитные приборы

Приборы ЭМС изготавливают с плоской или с круглой катушкой. Рассмотрим прибор с плоской катушкой:

Электродинамические приборы

Принцип действия основан на взаимодействии двух проводников с током. Рис. 9.4. Механизм электродинамического прибора:

Электростатические приборы

Механизм прибора – воздушный конденсатор с изменяющейся емкостью за счет изменения площади электродов или расстояния между ними. Рис. 9.5. Механизм электростатического прибора:

Индукционные приборы

Рис. 9.6. Механизм индукционного прибора: 1, 4 – магнитопровода, набраны из тонких листов электротехнической стали, изолированы друг от друга; 2 – червяк,…

Приборы сравнения

Измерительный прибор сравнения – прибор, предназначенный для сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Способы измерения: 1) В равновесном режиме, по показанию прибора при полном уравновешивании воздействия измеряемой величины ее мерой. …

Регистрирующие приборы

Функции: · определить мгновенные значения измеряемой величины. · определить характер изменения во времени ФB.

Цифровые измерительные приборы

Принцип действия ЦИП основан на преобразовании измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результатов в виде числа. 9.13. Структурная схема цифрового измерительного прибора:

Микропроцессорные ЦИП

Рис. 9.15. Структурная схема цифрового микропроцессорного вольтметра: МП – масштабный преобразователь; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; М – микропроцессор; ЦД – цифровой дисплей

Измерительные информационные системы

Классификация ИИС по назначению: · измерительные (сбор измерительной информации); · контролирующие (контроль технологических процессов);

Измерение электрических величин

В цепях постоянного тока () - потенциометрами, цифровыми, МЭС, ЭДС амперметрами, зеркальными гальванометрами, микроамперметрами МЭС. В цепях переменного тока промышленной частоты до 10 мкА – электронными… В цепях переменного тока повышенной и высокой частоты – электронными и цифровыми амперметрами.

Измерение неэлектрических величин

Классификация измерительных преобразователей: по роду измеряемой величины · тепловые (измеряют температуру и другие тепловые параметры);