МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНБАССКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ 

СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

         Кафедра ПТСДМО иААХ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине:

 

 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Краматорск-2015

СОДЕРЖАНИЕ

                     Лекция №1                                                                                                                

Введение. 

Лекция №2

Электрические цепи однофазного переменного тока.

                     Лекция №3                                                                                                             

 Электрические цепи однофазного переменного тока (продолжение).

Лекция №4

 

Электрические цепи переменного трехфазного тока.

Лекция №5

 

Электрические цепи переменного трехфазного тока (продолжение).

 Лекция №6

 

Трансформаторы.

Лекция №7

 

Электрические машины.

Лекция №8

 

Электрические машины (продолжение)

Лекция №9

 

Электроснабжение строительных площадок.

  

Приложение

 

Электроизмерительные приборы и электрические измерения.

Литература

 

 

 

 

ЛЕКЦИЯ № 1 

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Электротехника принадлежат к числу основных дисциплин, изучаемых студентами инженерных специальностей. Главная цель изучения дисциплины - ознакомить будущих инженеров-строителей с элементами физических основ электротехники, закрепить  эти сведения при выполнении лабораторных работ и практических занятий, а также привить будущему инженеру-строителю теоретические и практические навыки, необходимые для правильной эксплуатации современного электрооборудования.  Электротехника является областью науки и техники, которая занимается изучением электрических и магнитных явлений и их использованием в практических целях.

 Трудно найти область современного производства, отрасль народного хозяйства где бы не использовалась электрическая энергия.

Электротехника является теоретической базой для автоматики, электропривода, электроники, технологического оборудования, сварки.

 Огромное значение электрической энергии объясняется рядом её преимуществ перед другими видами энергии :

1).Сравнительно просто получается из других видов энергии;

2).Относительно просто передается на значительные расстояния с небольшими потерями;

3).В местах потребления сравнительно легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, лучистую );

4).Легко распределяется между различными  потребителями;

5).Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать.

 При изучении электротехники мы будем пользоваться Международной системой единиц СИ. В этой системе основные электрические величины измеряются в следующих единицах измерения:

 

Величина	Единица измерения
Сила тока	А
Напряжение, Э.д.с.	В
Сопротивление	Ом
Проводимость	См
Активная мощность	Вт
Энергия	Дж
Индуктивность	Гн
Емкость	Ф
Фаза	рад
Частота	Гц
Круговая частота	рад/с

 

 Очень часто в электротехнике применяют кратные и дольные значения основных величин.

 

Множитель	Приставка	Обозначение
1012	тера	Т
109	гига	Г
106	мега	М
103	кило	к
102	гекто	г
101	дека	да
10-1	деци	д
10-2	санти	с
10-3	милли	м
Множитель	Приставка	Обозначение
10-6	микро	мк
10-9	нано	н
10-12	пико	п

 

 

 ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ

 

 Процессы, происходящие в электротехнических устройствах, как правило очень сложны, они связаны с созданием электромагнитных полей или изменением величин, характеризующих эти поля. Для их описания требуется привлечение векторных электрических и магнитных величин, характеризующих электромагнитные поля: напряженности электрического поля Е, напряженности магнитного поля Н, вектора магнитной индукции В, вектора плотности электрического тока j и других. Однако во многих случаях основные характеристики электротехнических устройств могут быть получены и описаны с помощью, известных из курса физики, скалярных интегральных величин: силы тока, электродвижущей силы, напряжения, сопротивления и другие величин. При таком описании совокупность электротехнических устройств рассматривают как электрическую цепь, состоящую из источников и приемников электрической энергии, характеризуемых э.д.с. , силой тока I, напряжением U, электрическим сопротивлением R.

 Источники и приемники электрической энергии, являющиеся основными элементами электрической цепи, соединяют проводами для обеспечения замкнутого пути для электрического тока.

 Для включения и отключения электротехнических устройств применяют коммутационную аппаратуру ( выключатели, рубильники, тумблеры ).

 Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включаться электрические приборы для измерения силы тока, напряжения и мощности.

 Таким образом электрической цепью называют совокупность устройств, предназначенных для генерирования, передачи, преобразования и использования электрической энергии, процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, напряжении и э.д.с..

 Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, называют элементами электрической цепи. 

 Часть электрической цепи, содержащую выделенные в ней элементы, называют участком цепи.

 Элементы цепи, предназначенные для генерирования электрической энергии, называют источником питания, а элементы использующие, электрическую энергию - приемниками электрической энергии.

 В источниках в электрическую энергию преобразуются иные виды энергии: механическая в машинных генераторах, химическая в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловая в термоэлементах, лучистая в фотоэлементах и так далее.

 В приемниках, наоборот, электрическая энергия преобразуется в иные виды энергии: в механическую в электродвигателях, в химическую в аккумуляторах, в тепловую в различных нагревательных приборах и печах, в лучистою в осветительных приборах и так далее.

 

 ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СХЕМАМИ СОЕДИНЕНИЙ

 

 При изучении процессов в электрических цепях их изображают графически при помощи схем соединения отдельных элементов.

 Чаще всего пользуются тремя видами схем: монтажными, принципиальными, замещения.

 На монтажных схемах изображают рисунок элементов цепи и соединительные провода. В большинстве случаев монтажными схемами пользуются при изготовлении монтаже и ремонте электрических цепей и устройств.

 На принципиальных схемах показывают условные графические изображения элементов и схему их соединения. Ими пользуются при изучении, монтаже и ремонте электрических цепей и устройств.

 Схема замещения - это  расчетная модель электрической цепи. На ней реальные элементы замещаются расчетными моделями и из схем исключаются все вспомогательные элементы не влияющие на результаты расчета. Так гальванический элемент представляется в виде источника э.д.с. с последовательно включенным внутренним сопротивлением.

 При расчете электрических цепей источники питания заменяют эквивалентными идеальными источниками, которые, в свою очередь подразделяют на идеальные источники э.д.с. и идеальные источники тока.

 Идеальным источником э.д.с. (напряжения) называется источник внутреннее сопротивление которого равно нулю, а э.д.с. постоянна и равна э.д.с. реального источника, причем эта э.д.с. не зависит от тока нагрузки, проходящего через источник Е = U = const. На электрических схемах источники э.д.с. изображают в виде кружка со стрелочкой внутри, стрелка указывает положительное направление э.д.с., то есть направление возрастания потенциала внутри источника.

 Идеальным источником тока называется источник с внутренним сопротивлением, равным бесконечности, и током, не зависящим от сопротивления нагрузки цепи, то есть током, значение которого не зависит от значения напряжения и равно току короткого замыкания источника питания. На электрических схемах источники тока изображаются в виде кружочка со стрелочкой с двойным наконечником внутри. Стрелка указывает положительное направление тока.

 Вольтметр и амперметр из схем замещения исключаются, если они принимаются “идеальными” (если нет дополнительных указаний, то сопротивление вольтметра считается бесконечно большим, а амперметра равным нулю).

 При описании электрических цепей используют следующие понятия:

Ветвь электрической цепи - это участок, элементы которого соединены последовательно. Ток во всех элементах один и тот же.

Узел электрической цепи - это точка соединения трех и более ветвей.

Контур - это любой путь вдоль ветвей электрической цепи, начинающийся и заканчивающийся в одной и той же точке.

Двухполюсник - это часть электрической цепи с двумя выделенными выводами.

Четырехполюсник - часть электрической цепи с двумя парами выводов.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ И ВЕЛИЧИНЫ ИХ ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ.

 

В источнике электрической энергии в результате действия сил неэлектромагнитной природы - химических, механических, тепловых, атомных, называемых сторонними силами, создается электрическое поле, которое характеризуется напряженностью электрического поля.

 Напряженность электрического поля Е - векторная величина, определяющая силу, с которой поле действует на зараженные частицы.

 Она численно равна отношению силы, действующей на заряженную частицу, к величине ее заряда, и направлена также, как и сила, действующая на положительно заряженную частицу.

 Под действием сил стороннего поля положительные и отрицательные заряды внутри источника разделяются.

 На электроде источника, обозначенного знаком “ + ” , накапливается избыток положительных зарядов, на электроде, обозначаемом знаком “ - ” - избыток отрицательных зарядов. Заряды внутри источника создают свое поле, которое при отключении источника уравновешивает стороннее поле. При подключении к выводам источника внешней части электрической цепи в ней также создается электрическое поле, направленное от положительного электрода источника к отрицательному. Под действием сил этого поля носители отрицательных зарядов - электроны перемещаются вдоль внешней части цепи от отрицательного электрода к положительному, нейтрализуя недостаток отрицательных зарядов на положительном электроде. В цепи наступает динамическое равновесие: в источнике непрерывно происходит разделение зарядов, а через внешнюю часть цепи - их соединение.

 Физические процессы в электрической цепи описываются следующими величинами :

1. Cила тока. Электрический ток - это явление направленного движения свободных носителей электрического заряда. Такими носителями заряда в металлах являются электроны, в плазме и электролитах -  ионы.

Электрический ток количественно описывается величиной, которая называется силой тока.

 Значение электрического тока сквозь некоторую поверхность в данный момент времени равно пределу отношения электрического заряда q, переносимого заряженными частицами сквозь эту поверхность в течение промежутка времени, к длительности этого промежутка, когда последний стремится к нулю, то есть 

I = lim  q/t = dq/dt

Под постоянным током понимают электрический ток не изменяющийся со временем. Переменным называют ток, изменение которого по величине и направлению повторяется периодически через равные промежутки времени.

В случае постоянного тока, когда в течение каждого одинакового промежутка времени переносится одинаковый заряд, сила тока определяется:

I = q/t ,

q - заряд переносимый за время t.

 Сила тока измеряется в Амперах :  [ I ] = А.

 Условно за направление тока во внешней цепи принято направление, обратное направлению движения носителей заряда - электронов, то есть от положительно заряженного электрода к отрицательно заряженному, а внутри источника от отрицательного к положительному.

 Если направление тока неизвестно, то для каждой ветви выбирают произвольно и указывают на схемах стрелкой так называемое положительное направление. Если в результате расчета для тока получается отрицательное значение, то это означает, что действительное направление тока обратно указанному стрелкой.

 Ток возникает под влиянием электрического поля, которое, действуя на электроны, приводит их в движение. Электрическое поле обладает свойством распространяться вдоль провода с огромной скоростью, близкой к скорости света, то есть 300.000 км/с. Поэтому такое же большое значение имеет скорость распространения тока в проводе. Когда на одном конце провода под действием электрического поля возникнет ток, то почти мгновенно на другом конце провода также пойдет ток. Но электроны,  которые пришли в движение у начала провода, очень не скоро достигнут его конца. Скорость перемещения электронов в проводнике весьма мала и измеряется лишь долями миллиметра в секунду.

 Ток в проводнике напоминает движение воды в длинной трубе, наполненной водой, к одному концу которой присоединен насос. Если накачивать насосом воду в трубу, то давление весьма быстро передается вдоль трубы от одних частиц воды к другим и из открытого конца трубы потечет вода. Однако вода, добавленная насосом, двигается гораздо медленнее, чем передается давление, и дойдет до конца трубы через значительный промежуток времени.

2.Электродвижущая сила. Характеризует способность стороннего поля вызывать электрический ток. Численно равна работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда во всей замкнутой цепи. Измеряется она в Вольтах : [] = В. 

3.Напряжение. Часть э.д.с., которая расходуется на преодоление сопротивления внешней части цепи, называется падением напряжения или просто напряжением во внешней цепи. Часть э.д.с., которая расходуется на преодоление сопротивления источника тока, называется падением напряжения внутри источника тока.  За положительное направление напряжения принято направление, совпадающее с выбранным положительным направлением тока. Напряжение, как и э.д.с. измеряется в Вольтах : [U] = В.

4.Электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление проводника объясняется соударениями электронов проводимости с атомами проводника. При этих соударениях часть энергии электронов переходит к атомам проводника. Вследствие этого интенсивность колебаний атомов возрастает. Повышение температуры  проводника указывает на усиление колебаний атомов.

 Электрическим сопротивлением называется величина, характеризующая противодействие атомов проводника движению электронов, то есть электрическому току. Сопротивление внешнего участка цепи равно отношению постоянного напряжения на участке к току в нем:

R = U/I.

 Элемент электрической цепи, предназначенный для ограничения тока в цепи, параметром которого является его электрическое сопротивление, называется резистором. 

 Сопротивление измеряется в  [R] = Ом.

Величину обратную сопротивлению называют проводимостью:

 

G = 1/R  ( [G] =  1/ Ом = См ).

 

 

ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

 

Закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участках цепи. Закон Ома для участка цепи не содержащий э.д.с. формулируется так :

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению провода :

 

I = U / R.

 

Напряжение на пассивном участке цепи U и равное ему произведение IR часто называют еще падением напряжения.

 Рассмотрим простейшую электрическую цепь, содержащую источник э.д.с.

 

 

 

Напряжение между выводами нагруженного источника меньше э.д.с. Разность между э.д.с. и напряжением U представляет собой энергию, которая преобразуется в тепло при перемещении единичного заряда в источнике питания и называется внутренним падением напряжения U₀ ; следовательно

 - U = U₀  ,  = U + U₀.

 

Отсюда получаем закон Ома для всей электрической цепи :

 

              = IR + Ir = I ( R + r )       I =  / ( U + U₀ ).

 

Закон Джоуля-Ленца. При прохождении тока в проводнике с сопротивлением  R происходит столкновение электрически заряженных частиц с ионами вещества. При этом кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам, что и приводит к нагреванию. Скорость преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью :

 

P = UI,

имея в виду, что U = IR  , получаем     

               

 P = I²R = U²/R.

 

Количество электрической энергии переходящей в тепловую за время  t,

 

W = Pt = I²Rt,

 

и при этом выделяется количество теплоты :

Q = W = I²Rt.

 

Эта формула и выражает закон Джоуля - Ленца, который формулируется следующим образом : Количество тепла, выделенное током в проводнике, пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Законы Кирхгофа - являются основными законами, определяющими режим работы электрической цепи.

Первый закон Кирхгофа - применяется к узлам электрической цепи и формулируется так:

Алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю, то есть

 

N

I 0,

k k1

N - число ветвей. Токи, направленные от узла записываются со знаком плюс, а направленные к узлу со знаком минус.

 Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрической цепи. Он формулируется следующим образом :

Во всяком замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма э.д.с. равна алгебраической сумме падений напряжений в отдельных сопротивлениях этого контура :

 

                                                                                                      N                      M

 U k k k1 k1

 

U_k - напряжение на k - ом сопротивлении, _k - k - я э.д.с. входящая в контур, M - число э.д.с. в контуре, N - число сопротивлений в контуре. При составлении уравнений по этому закону со знаком “ + ” записываются те э.д.с., направления которых совпадают с произвольно выбранным направлением обхода контура. Со знаком “ - ” записываются э.д.с., направленные противоположно обходу контура. Падения напряжения IR записываются со знаком “+”, если направление обхода совпадает с направлением с направлением тока в сопротивлении. В противном случае падения напряжения записываются со знаком “ - ”.

 

 

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

 

Электрическая цепь в зависимости от значения сопротивления нагрузки R может работать в различных характерных режимах : номинальном, согласованном, холостого хода и короткого замыкания. 

Рассмотрим эти режимы работы для цепи рассмотренной выше.

 Номинальный режим - это расчетный режим, при котором элементы цепи (источники, приемники, линия электропередач) работают в условиях, соответствующих проектным данным и параметрам.

 Изоляция источника, линии электропередачи, приемников расчитана на определенное напряжение, называемое номинальным. Превышение этого напряжения приводит к пробою изоляции, увеличению токов в цепи и другим аварийным последствиям. 

 Тепловой режим источников или приемников энергии расчитан на выделение в них определенного количества тепла, то есть на определенную мощность, а последняя зависит от квадрата тока RI², rI².

 Расчетный по тепловому режиму ток называется номинальным. 

 Номинальное значение мощности для источника электрической энергии - это наибольшая мощность, которую источник при нормальных условиях работы может отдать во внешнюю цепь без опасности пробоя изоляции и превышения допустимой температуры нагрева.

 Для приемников электрической энергии типа двигателей - это мощность, которую могут развивать на валу при нормальных условиях работы. Для остальных приемников электрической энергии (нагревательные и осветительные приборы) - это их мощность при номинальном режиме.

Номинальные значения напряжений, токов и мощностей указывают в паспортах изделий.                                Согласованный режим работы - это режим в котором работает электрическая цепь (источник и приемник), когда сопротивление нагрузки R равна внутреннему сопротивлению источника r. Этот режим характеризуется передачей от данного источника к приемнику максимально возможной мощности. Однако в согласованном режиме к.п.д.  = 0,5 - низкий и для мощных цепей работа в согласованном режиме экономически невыгодна. Согласованный режим применяется, главным образом, в маломощных цепях, если к.п.д. не имеет существенного значения, а требуется получить в приемнике возможно большую мощность.

 Режим холостого хода и короткого замыкания. Эти режимы являются предельными режимами работы электрической цепи.

 В режиме холостого хода внешняя цепь разомкнута и ток равен нулю. Так как ток равен нулю. то падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника так же равно нулю (rI=0) и напряжение на выводах источника равно э.д.с. ( = U). Из этих соотношений вытекает метод измерения э.д.с. источника: при разомкнутой внешней цепи вольтметром, сопротивление которого можно считать бесконечно большим, измеряют напряжение на его выводах.

 В режиме короткого замыкания выводы источника соединены между собой, например сопротивление нагрузки замкнуто проводником с нулевым сопротивлением. Напряжение на приемнике при этом равно нулю. Сопротивление всей цепи равно внутреннему сопротивлению источника, и ток короткого замыкания в цепи равен :

 

I_к.з. = / r.

 

Он достигает максимально возможного значения для данного источника и может вызывать перегрев источника и даже его повреждение. Для защиты источников электрической энергии и питающих цепей от токов короткого замыкания в маломощных цепях устанавливают плавкие предохранители, в более мощных цепях - отключающие автоматические выключатели, а высоковольтных цепях - специальные высоковольтные выключатели.

 

ЛЕКЦИЯ № 2 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ  ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ОДНОФАЗНОГО ТОКА

 

 Переменный ток широко применяется в различных областях электротехники. Электрическая энергия почти во всех случаях производится, распределяется и потребляется в виде энергии переменного тока.  Широкое применение переменного тока в различных областях техники объясняется легкостью его получения и преобразования, а также простотой устройства генераторов и двигателей переменного тока, надежностью их работы и удобством эксплуатации. 

 Генерирование переменного электрического тока практически легче осуществляется в машинах с вращающимися проводниками.

 Переменный ток, меняет свое значение и направление определенное число раз в секунду. При переменном токе электроны движутся вдоль провода сначала в одном направлении, затем на мгновение останавливаются, далее движутся в обратную сторону, опять останавливаются и снова повторяют движение вперед и назад. То есть электроны совершают в проводе колебания. Вследствие своей малой скорости движения (V_эл = 10^-4 м/с  =  0,1 мм/с )  электроны  при таких колебаниях успевают сделать лишь небольшие перемещения вдоль провода.

 Наиболее часто встречается, так называемый синусоидальный переменный ток. Изменение электрических величин (силы тока, напряжения, э.д.с.) со временем показывает плавная кривая линия, называемая синусоидой.

 Электрические цепи, в которых значения и направления э.д.с., напряжения и тока периодически изменяются со временем по синусоидальному закону, называются цепями синусоидального тока. Иногда их называют просто цепями переменного тока.

 Для переменного тока была выбрана синусоидальная форма, так как она обеспечивает более экономичные производство, передачу, распределение и использование электрической энергии.

 Кроме того именно синусоидальная форма электрических величин остается неизменной во всех участках сколь угодно сложной электрической цепи, то есть индуктивные и емкостные элементы входящие в состав электрических цепей не изменяют синусоидальной формы.

 В большинстве стран выбрана частота переменного тока 50 Гц (США и Канада - 60 Гц). Эта частота является наиболее оптимальной, поскольку переменные токи низкой частоты 25 - 40 Гц вызывают заметное для глаза мигание электрических ламп накаливания, а повышение частоты приводит к росту э.д.с. самоиндукции и дополнительным потерям при передаче электроэнергии.

 Рассмотрим процесс возникновения синусоидальной э.д.с. Простейшим генератором синусоидальной э.д.с. может служить прямоугольная рамка, равномерно вращающаяся в однородном магнитном поле с угловой скоростью  .  Пронизывающий катушку (рамку) магнитный поток во время вращения рамки  abcd индуцирует в ней на основании закона электромагнитной индукции э.д.с. е.

 

  

 Нагрузку подключают к генератору с помощью щеток, прижимающихся к двум контактным кольцам, которые соединены с катушкой (рамкой).

 Значение наведенной в рамке э.д.с. в каждый момент времени пропорционально магнитной индукции В, размеру активной части рамки  l = ab + cd  , скорости пересечения магнитных линий  V_H :

 

e = BlV_H.

 

Причем скорость V_H зависит от ориентации рамки : 

 

V_H = V sin ,

 

где V - линейная скорость движения рамки,   - угол описывающий положение рамки (ориентацию относительно вектора магнитной индукции).

 

В случае равномерного вращения рамки угол поворота зависит от времени следующим образом :

 = t.

Следовательно, э.д.с. индуцируемая в равномерно вращающейся рамке определяется : e = BlVsint.

Сомножители, стоящие перед sin t представляют собой максимальное значение наведенной э.д.с. : e_m = BlV.

Тогда e = e_msin t.

Если в начальный момент времени рамка распологалась не по нормали к силовым линиям, а под углом _e  то    = t + _e и e = e_msin (t+ _e ).

 

 

Электрические цепи переменного тока по сравнению с цепями постоянного тока имеют ряд особенностей. Эти особенности определяются во-первых, тем, что в состав цепей переменного тока входят новые элементы: трансформаторы, конденсаторы, катушки индуктивности, во-вторых тем, что переменные токи и напряжения в этих элементах порождают переменные электрические и магнитные поля, которые в свою очередь приводят к возникновению явления самоиндукции, взаимной индукции и токов смещения.

 Все это оказывает существенное влияние на протекающие электрической цепи процессы. Анализ процессов в цепях усложняется.

 В резисторах в цепях постоянного тока электрическая энергия преобразуется в тепловую. В цепях переменного тока помимо преобразования электрической энергии в тепловую происходит накапливание энергии в магнитном и электрическом полях, то есть кроме параметра сопротивления R, цепь характеризуется еще и параметрами индуктивности и емкости L, C. 

 Для цепи переменного синусоидального тока большое значение имеет частота f. От частоты зависит влияние емкостей и индуктивностей на процессы в цепи.

 Особенности цепей синусоидального тока обуславливают ряд новых, специфических для этих цепей явлений : сдвиг фаз, явление резонанса, появление реактивных мощностей.

 При расчете режимов цепи синусоидального тока максимально используются понятия, формулы и методы расчета цепей постоянного тока.

 В цепях переменного тока направление э.д.с., токов и напряжений изменяются два раза за период. Однако при расчете цепи синусоидального тока необходимо составлять уравнения по законам Кирхгофа, а они требуют задания определенных направлений э.д.с., токов и напряжений. Поєтому положительные направления токов, как и для цепи постоянного тока, выбирают произвольно.   Законы Кирхгофа, расмотренные ранее для цепей постоянного тока, справедливы и для мгновенных значений синусоидальных токов, напряжений и э.д.с.

 Первый закон Кирхгофа :

Алгебраическая сумма мгновенных значений токов в узле равна нулю :

 

N

i_k  0,

k1

где N - число ветвей, соединенных в узле.  Второй закон Кирхгофа :

Алгебраическая сумма напряжений на резистивных, индуктивных и емкостных элементах контура в данный момент времени равна алгебраической сумме э.д.с. в том же контуре в тот же момент времени.

 

 При составлении уравнений контур обходят в одном произвольно выбранном направлении, алгебраически суммируя напряжения и э.д.с. Если положительное направление напряжения и э.д.с. совпадает с направлением обхода, то это напряжение или э.д.с. записываются со знаком “ + ”  плюс, если не совпадает, то со знаком  “ - ”.

 Закон Ома для мгновенных значений напряжения и тока справедлив только для резистивных элементов ( I = U/R ).

 

 ПАРАМЕТРЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. 

 

 Для количественной характеристики переменного тока служат служат следующие параметры. Мгновенные значения тока, напряжений и э.д.с. - это их значения в любой момент времени:

 

 i = i_msin (t+ _i ),  u = u_msin (t+ _u ),

 

e = e_msin (t+ _e ).

 

Амплитудные значения тока, напряжения и э.д.с.  i_m ,u_m ,e_m  - максимальные значения мгновенных значений.

Период Т - промежуток времени, в течение которого ток совершает полное колебание и принимает прежнее по величине мгновенное значение. Период измеряется в секундах.

Угловая частота   - характеризует скорость вращения катушки генератора в магнитном поле.

Измеряется в рад/с. Связана с периодом следующей формулой :

 = 2/Т.

Циклическая частота (частота) f - величина, обратная периоду и характеризующая число полных колебаний тока за 1с. Частота измеряется  [Гц] = 1/с и определяется : f = 1/Т.

Частота и угловая частота связаны между собой следующим образом :

 = 2f.

Фаза. Аргументы периодических функций называют фазой. Фазы характеризуют значения соответствующих величин в заданный момент времени. Значение фазы в начальный момент времени называется начальной фазой. Начальная фаза определяет значение соответствующей величины в начальный момент времени.

Действующие значения I, U, E. Пользоваться  амплитудными значениями тока и напряжения не всегда удобно. Например, очевидно, что переменный ток с амплитудой 10 А имеет меньшую мощность, чем постоянный ток 10 А. Значение постоянного тока все время равно 10 А, а переменный ток достигает 10 А только в моменты, соответствующие амплитудному значению. В другие моменты ток меньше 10 А и даже доходит до нуля. 

 За основу для измерения постоянного тока положено сопоставление его среднего теплового действия с тепловым действием постоянного тока. Определенное посредством такого сравнения значение силы тока называется действующим значением.

 Действующим значением переменного тока называется такой постоянный ток, при котором выделяется в резистивном элементе с активным сопротивлением R за период то же количество энергии, что и при действии переменного тока.

 Энергия, которая выделяется в резистивном элементе при переменном токе :

                                                                                                  T                    T

W  i ²Rdt  i _m² sin ² tRdt.

                                                                                                   0                     0

При постоянном токе выделяется энергия :

W  I ²RT .

Приравнивая правые части получим действующее значение тока :

T

                                                                           1       2          2             1/ 2         im

I  (_T i_m sin tdt)  0,707i_m.

0

Таким образом, действующее значение тока меньше амплитудного в  2 раз. Аналогично определяются действующие значения э.д.с. и напряжения.

 Когда говорят о значении напряжения, э.д.с. и тока в цепях переменного тока, то имеют в виду их действующие значения. Шкалы измерительных приборов переменного тока проградуированы в действующих значениях. Например, если прибор показывает 10 А, то это значит, что амплитуда тока : i_m = 2I = 1,41  10 = 14,1 A,

 Напряжение в сети 220 В означает, что действующее напряжение в осветительной сети составляет 220 В. Амплитудное значение напряжения в осветительной сети равно 311 В. Амплитудное значение напряжения нужно принимать во внимание, например при выборе изоляции.

 

МЕТОД ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ. 

 

 Электрическое состояние цепей переменного тока, так же как и цепей постоянного тока, описывается уравнениями Кирхгофа. Однако при анализе цепей переменного  синусоидального тока математический аппарат становится очень громоздким, так как все уравнения содержат электрические величины, изменяющиеся по гармоническому закону.

Для упрощения анализа и расчета цепей переменного тока в электротехнике используют метод векторных диаграмм.

В электротехнике векторами изображаются изменяющиеся гармонически э.д.с., напряжения и токи, но в отличие от векторов, которыми изображались силы и скорости в механике, эти вектора вращаются с постоянной угловой скоростью и не означают направления действия.

Допустим, что радиус-вектор ОА, представляющий собой в определенном масштабе амплитудное значение э.д.с. e_m вращается с постоянной угловой частотой   = 2f против часовой стрелки.  Проекция  ОА  на OY будет равна 

Oa = OA sin .

Выразив ОА через амплитудное значение э.д.с.  e_m  и угол   через  t , получим выражение мгновенного значения э.д.с. изменяющейся синусоидально : e = e_m sin t.

График мгновенных значений э.д.с. изображен в правой части  рисунка. 

 

 

 

За начало отчета выбран момент времени, когда радиус-вектор совпадает с горизонтальной осью ( ось Х ). Если в начальный момент времени t = 0, ОА совпадает с линией, расположенной под углом  к оси Х, то проекция ОА, а следовательно, и э.д.с. будут соответственно равны :

Oa = OA sin (t + ),  e = e_m sin (t + _е).

Аналогично можно представить в виде векторов, вращающихся против часовой стрелки с постоянной угловой частотой  , напряжение и ток.

Совокупность           нескольких    вращающихся           векторов,       в          начальный    момент             времени, соответствующих уравнениям электрической цепи, называется векторной диаграммой.

Обычно векторные диаграммы строят не для амплитудных значений, а для действующих значений. При построении векторных диаграмм обычно один из векторов распологают на плоскости произвольно, остальные же вектора - под соответствующими углами к исходному. При этом в подавляющем большинстве случаев можно обойтись без нанесения осей координат.

 Векторные диаграммы позволяют, не прибегая к вычислениям, исследовать характер изменений той или иной величины, определяющей режим работы электрической цепи.

 

 АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА.

 

 В общем случае электрическая цепь переменного тока может содержать резистивные, индуктивные и емкостные элементы, параметрами которых являются сопротивление, индуктивность и емкость.  Анализ и расчет таких цепей значительно сложней, чем цепей постоянного тока. Прежде чем разбирать общий случай цепи содержащей все выше перечисленные элементы рассмотрим частные случаи.

1.Электрическая цепь с активным сопротивлением.

 Рассмотрим электрическую цепь, содержащую только резистивный элемент с активным сопротивлением. Под активным сопротивлением понимают сопротивление проводников переменному току. Активные сопротивления непрерывно потребляют энергию. 

Сопротивление резистора в цепи переменного тока может отличаться от сопротивления того же резистора в цепи постоянного тока. Это различие обусловлено поверхностным эффектом, при котором ток вытесняется к поверхности проводника, и зависит от частоты. С увеличением частоты сопротивление растет. Однако при относительно небольших частотах, например 50 Гц, его увеличением можно пренебречь.

 Рассмотрим цепь состоящую из источника э.д.с. 

e = e_m sin t.

и резистора сопротивлением R :

 

Если r << R, то ток в цепи зависит главным образом от э.д.с. и сопротивления нагрузки - источник в этом случае называют источником э.д.с. или напряжения, так как на его выводах   e= u. 

Поэтому в цепи переменного тока действует напряжение : u = u_m sin t.

Мгновенное значение силы тока в цепи с активным сопротивлением определяется законом Ома:  i = u / R = u_m sin t /R = i_m sin t.

Отсюда следует закон Ома для амплитудных значений : i_m  = u_m  / R,

а разделив левую и правую части равенства на  2, получим закон Ома для действующих значений :

I = U / R.

Сопоставляя выражения для мгновенных и действующих значений тока и напряжения, можно прийти к выводу, что токи и напряжения в цепи с активным сопротивлением совпадают по фазе.  Векторная диаграмма для цепи с активным сопротивлением имеет вид :

 

 Мгновенная мощность цепи равна произведению мгновенных значений тока и напряжения. Мощность определяет скорость расхода энергии, и следовательно, для цепей переменного тока является величиной переменной. Мгновенная мощность по определению равна :

P =ui= u_m i_m sin² t = (u_m / 2) ( i_m / 2)(1 - cos 2t) = UI - UIcos2t.

Мгновенная мощность, оставаясь все время положительной колеблется около уровня  UI. 

В цепи с активным сопротивлением энергия все время поступает от источника к приемнику и необратимо преобразуется в нем в теплоту и рассеивается в окружающей среде.

 Для определения расхода энергии за длительное время целесообразно пользоваться средним значением мощности. Для вывода выражения средней мощности найдем сначала расход энергии в цепи за полупериод :

                                     T / 2               T / 2                                                    T / 2                 T / 2

T

W   Pdt   (UI UI cos2t)dt   UI dt  UI cos2tdt  UI

2

                                        0                    0                                                        0                     ₀

Разделив полученное выражние на Т / 2, получим среднюю скорость расхода

энергии:



P  UI .

Электрическая энергия, которая преобразуется на активном сопротивлении в тепловую называется активной мощностью.

 Активная мощность измеряется ваттметром. 2.Электрическая цепь с индуктивным элементом.

Огромное влияние на процессы протекающие в цепях имеет явление  электромагнитной индукции.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что изменение магнитного поля вокруг проводника, связанное с пересечением проводника магнитными силовыми линиями, вызывает появление э.д.с. в этом проводнике.

При этом безразлично, будет ли изменяться магнитное поле относительно проводника или проводник будет перемещаться в магнитном поле.

При изменении тока в проводнике изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока индуцирует в проводнике э.д.с., действие которой по правилу Ленца направлено на поддержание предшествующего состояния поля (Правило Ленца: Индуцируемая э.д.с. стремится противодействовать причине, ее вызывающей). Такое явление называется самоиндукцией. Явление самоиндукции в проводниках характеризуется индуктивностью L. Индуктивность это размерный коэффициент пропорциональности между скоростью изменения тока во времени и индуцируемой при этом э.д.с.

 e = - L(di / dt)

Знак минус в формуле отражает правило Ленца. Индуктивность измеряется в Генри.

 Значение индуктивности L зависит от конструкции элементов цепи. Так для катушки с числом витков N, магнитопроводом длины l, площади S и магнитной проницаемостью :

L =  ₀N²S / l

Индуктивностью обладают также одиночный прямой провод, двухпроводная линия, коаксиальный кабель.

Обмотки электрических машин, трансформаторов, реле, катушки индуктивности обладают значительной индуктивностью.

Переменный ток встречает в проводниках не только омическое сопротивление. Непрерывное противодействие э.д.с., препятствующее изменению переменного тока, создает в цепи дополнительное сопротивление. Это дополнительное сопротивление называют индуктивным сопротивлением. Таким образом, катушки и разные обмотки, поскольку в них есть индуктивность, оказывают большее сопротивление переменному току, чем постоянному.

Параметрами катушек индуктивности являются активное сопротивление и индуктивность.

 Рассмотрим вначале катушку, активное сопротивление которой настолько мало, что им можно пренебречь. Применим к рассматриваемому замкнутому контуру второй закон Кирхгофа.

 

 В случае цепей переменного тока второй закон Кирхгофа формулируется для мгновенных значений следующим образом: 

Алгебраическая сумма напряжений на всех элементах контура в данный момент времени равна алгебраической сумме э.д.с. в том же контуре, в тот же момент времени.

 При составлении уравнений контур обходят в одном произвольно выбранном направлении, алгебраически суммируя напряжения и э.д.с. 

Если положительное направление напряжения и э.д.с. совпадает с направлением обхода контура, то это напряжение или э.д.с. записываются со знаком “ + “, если не совпадают, то со знаком " - ".

 Под действием синусоидального напряжения в цепи с катушкой протекает синусоидальный ток :

i  = i_m sin t.

В результате вокруг этой катушки возникает переменное магнитное поле и в катушке наводится э.д.с.

самоиндукции. e + e_L = 0.

При исследовании цепей с э.д.с. самоиндукции условились положительное направление э.д.с. самоиндукции брать совпадающим, с положительным направлением тока, который наводит эту э.д.с. Но э.д.с. источника равна его внешнему напряжению (у источника э.д.с. внутреннее сопротивление r   0 и э.д.с. не зависит от тока нагрузки проходящего через источник e = u = const): e = u,

а  э.д.с. самоиндукции и ток связаны уравнением : e_L = - L di/dt.

Если ток со временем увеличивается, то  di/dt > 0  и  e_L < 0, то есть ток самоиндукции направлен навстречу току, обусловленному внешним источником, и тормозит его возростание. Если ток со временем падает, то di/dt < 0 и  e_L > 0, то есть индукционный ток имеет тоже направление как и убывающий ток в контуре, и замедляет его убывание. Таким образом, контур, обладая индуктивностью, приобретает электрическую инертность, заключающуюся в том, что любое изменение тока тормозится тем сильнее, чем больше индуктивность.

 Второй закон Кирхгофа для рассматриваемой электрической цепи :  u = -e_L.

Напряжение источника целиком идет на уравновешивание  e_L. u = L di/dt = i_m L cos t = u_m sin ( t + /2 ),

где u_m = i_m L.

Сопоставляя мгновенные значения тока и напряжения приходим к выводу, что ток  в цепи с индуктивным элементом отстает по фазе от напряжения на /2.

Векторная диаграмма цепи с индуктивным элементом имеет вид :

 

 

 

Выведем закон Ома для этой цепи. Из    u_m = i_m L   следует, что    i_m=u_m/L. Введем обозначение: 

 

Х_L = L.

 

Эта величина называется реактивным индуктивным сопротивлением, или просто индуктивным сопротивлением. 

Закон Ома для мгновенных значений:

im=um / ХL

 

Закон Ома для действующих значений : 

 

I = U / Х_L.

 

С увеличением частоты тока индуктивное сопротивление увеличивается. Физически это объясняется тем, что возрастает скорость изменения тока, а следовательно, и э.д.с. самоиндукции.

 Иногда необходимо увеличить сопротивление в цепи переменного тока, в этом случае в цепь включают катушку со стальным сердечником, называемую дросселем. Большая самоиндукция мешает увеличению тока и поддерживает его в моменты спада. Дроссели применяются: в электросварке, в различных выпрямителях, в радиотехнических устройствах. Для защиты электрических сетей от токов короткого замыкания устанавливают реакторы - большие катушки из толстого медного провода. Для обычного перменного тока они представляют очень небольшое сопротивление. При мгновенном увеличении тока короткого замыкания в реакторе индуктируется большая э.д.с. самоиндукции. Она противодействует этому увеличению и ограничивает ток короткого замыкания до безопасной величины, чем защищает ценное оборудование - генераторы, трансформаторы, электродвигатели - от разрушения.

 Обычно катушки и обмотки имеют значительное индуктивное сопротивление. Когда нужно, чтобы катушка в цепи переменного тока не имела индуктивного сопротивления, а только активное, то провод на катушку накладывают так: весь провод складывают вдвое и тогда наматывают на катушку. Обмотка выполненная таким образом, называется бифилярной, или двухвитковой.

 Осутствие индуктивности в таких катушках обьясняется тем, что магнитные поля, создающиеся противоположно направленными токами в двух половинах обмотки, взаимно компенсируются. Поэтому катушка в целом не создает магнитного потока и в ее витках не индуктируется э.д.с.    Как и для цепи с активным элементом, мгновенное значение мощности определяется произведением мгновенных значений напряжений и тока :

 

p =ui = u_m i_m sin t sin ( t + /2 ) = (u_m / 2)( i_m / 2) sin t cos t) = UI sin 2t.

 

Среднее значение мощности:

 

                                                                                                   1 T

P   uidt  0.

T ₀

 

Физически это объясняется преобразованием энергии источника в энергию магнитного поля катушки и возвращением накопленной энергии источнику. В среденем катушка не потребляет энергии, и следовательно, активная мощность P = 0. 

 Для количественной характеристики интенсивности обмена энергией между источником и индуктивными элементами служит величина называемая реактивной  мощностью:

 

Q = UI.

 

Измеряется реактивная мощность в единицах, которые называются вольт-ампер реактивный или сокращенно  вар.

 Реактивными называются сопротивления, которые в среднем не потребляют энергию.

 

3.Электрическая цепь с емкостным элементом.

Если в цепь постоянного тока подключить конденсатор, то тока в цепи не будет, так как она разрывается диэлектриком,  находящимся  между пластинами конденсатора.

При включении конденсатора в цепь переменного тока обнаружим, что ток проходит по цепи, несмотря на ее разрыв диэлектриком в конденсаторе.

 

 

Чтобы понять, почему переменный ток проходит по цепи, рассмотрим работу установки; изображенную на рисунке:

 

Поршень П двигается в цилиндре вправо и влево. В сосуде С имеется упругая перепонка М, которая делит цепь на две части. При перемещении поршня влево вода, опускаясь по трубе  Т₁, начнет давить на перепонку М, которая, выгнувшись, займет положение М₁; в трубе Т₂ вода в этот момент будет подниматься вверх.

Непрерывное перемещение поршня создает непрерывное движение жидкости в цепи. Перепонка периодически выгибается то вправо, то влево, создавая давление на воду.

Источник переменного тока выполняет работу, подобную поршню, а конденсатор в цепи переменного тока можно сравнить с упругой перепонкой. Напряжение электрической цепи похоже на давление поршня на воду, а перемещение воды имеет сходство с током в электрической цепи. Напряжение источника периодически меняет свой знак. Поэтому за первый полупериод одна обкладка конденсатора заряжается положительно, а другая - отрицательно.

В начале следующего полупериода меняется знак напряжения источника, и конденсатор перезаряжается.

При каждой перезарядке конденсатора по цепи то в одном, то в другом направлении будет проходить ток. Этот ток не проходит сквозь диэлектрик конденсатора, так же, как вода не проходит сквозь перепонку М. Когда ток перезарядки конденсатора проходит через лампу, то он накаляет ее нить. Такой ток называют емкостным током. Таким образом, переменный ток по цепи с конденсатором проходит.

 Проанализируем процессы в цепи емкостным элементом.  Зададимся напряжением на зажимах источника  

u = u_m sin t, 

 

тогда ток в цепи также будет изменяться по синусоидальному закону. Ток определяется по формуле : i = dq/dt.

 

Электрический заряд на обкладках конденсатора связан с напряжением на конденсаторе и его емкостью формулой : q = Cu.

Следовательно :

i = dq/dt = Cdu/dt = u_m С cos t = u_m С sin ( t + /2 ).

Таким образом, ток в цепи с емкостью опережает по фазе напряжение на угол /2. 

 

 

 Векторная диаграмма напряжения и тока для цепи с емкостным элементом имеет вид :

 

Физически это объясняется тем, что напряжение на конденсаторе возникает за счет разделения зарядов на его обкладках в результате протекания тока. Следовательно, напряжение появляется только после возникновения тока.

 Получим закон Ома для цепи с емкостным элементом. В формуле : i = u_m С sin ( t + /2 ) 

введем обозначение           

Х_c = 1 / С,

где Х_c - емкостное сопротивление.  

Закон Ома для амплитудных и действующих значений имеет вид :

i_m = u_m / Х_c,          I = U / X_c.

Емкостное сопротивление уменьшается с ростом частоты. Это объясняется. тем что при большой частоте через поперечное сечение диэлектрика в единицу времени протекает больший заряд при том же напряжении, что эквивалентно уменьшению сопротивления в цепи.

 Рассмотрим энергетические характеристики в цепи с емкостью. Пусть начальная фаза тока в цепи равна нулю, тогда  i = i_m sin  t . 

 

Поскольку напряжение на емкости отстает от тока на угол  /2 , то

 

u =  u_m sin ( t - /2 ) = - u_m сos t.

 

Мгновенная мощность вычисляется по формуле :

 

p = ui = - u_m i_m sin t сos t  = - UI sin 2t.

 

Графики напряжения, тока и мгновенной мощности показаны ниже на рисунке. В цепи с емкостью, так же как в цепи с индуктивностью, происходит переход энергии от источника к нагрузке, и наоборот. В данном случае энергия источника преобразуется в энергию электрического поля конденсатора и наоборот. Средняя активная мощность в цепи с емкостью также равна нулю. 

 Для количественной характеристики интенсивности обмена энергией между источником и конденсатором служит реактивная мощность:

Q = UI.

 

 

ЛЕКЦИЯ № 3 

 

4.Электрическая цепь с активным и индуктивным элементами.

 Цепь состоит из элементов, свойства которых нам уже известны. Проанализируем работу данной цепи.

 

Пусть ток в цепи изменяется по закону : i = i_m sint . 

 

Тогда напряжение на активном сопротивлении определяется формулой :

 

u_R = u_Rm sint,

 

так как на этом участке ток и напряжение совпадают по фазе. Напряжение на катушке:

 

u_L =  u_Lm sin ( t + /2 ),

 

поскольку на катушке индуктивности напряжение опережает ток по фазе на угол равный /2.

 Построим векторную диаграмму для рассматриваемой цепи. Сначала откладываем вектор тока, затем вектор напряжения на активном сопротивлении, совпадающий по фазе с вектором тока. Вектор напряжения на индуктивном элементе, опережающий вектор тока на угол  /2, приставим к концу вектора напряжения на активном сопротивлении.

 

Векторы U_R , U_L , U  образуют прямоугольный треугольник. Выведем закон Ома для этой цепи. На основании теоремы Пифагора, для прямоугольного треугольника напряжений имеем :

U = ( UR2 + UL2  )1/2.

 

Но U_R = IR, а U_L = IX_L, следовательно 

 

U = ( I2R2 + I2XL2 )1/2 =I( R2 + XL2  )1/2,

 

откуда следует закон Ома для этой цепи

I = U / ( R²  + X_L² )^1/2.

 

Введем обозначение ( R²  + X_L² )^1/2 = Z, где Z - полное сопротивление цепи. Тогда закон Ома приймет вид :

I = U / Z.

 

Так как полное сопротивление цепи Z определяется по теореме Пифагора, то ему соответствует треугольник сопротивлений :

 

Поскольку при последовательном соединении напряжения на участках прямо пропорциональны сопротивлениям, то треугольник сопротивлений подобен треугольнику напряжений.

 Сдвиг фаз между током и напряжением определяется из треугольника сопротивлений :

 

tg  = X_L / R , cos  = R / Z.

 

Для последовательной цепи условимся отсчитывать угол  от вектора тока. Поскольку вектор полного падения напряжения сдвинут по фазе относительно вектора тока на угол  против часовой стрелки, то этот угол имеет положительное значение.

 Суммарное мгновенное напряжение в цепи определяется формулой:

 

u =  u_m sin ( t +  ),

 

Средняя или активная мощность для данной цепи характеризует расход энергии на активном сопротивлении и, следовательно

P = U_R I.

Из векторной диаграммы видно, что  

 

U_R = U cos . 

Тогда

 

P   = UI cos .

 

Реактивная мощность характеризует интенсивность обмена энергией между катушкой индуктивности и источником электрической энергии:

 

Q  = U_L I 

 

Из векторной диаграммы видно, что  

U_L = U sin . 

Тогда

Q = UI sin .

 

Понятие полной мощности применяется для оценки предельной мощности электрических машин. Полной мощностью переменного тока является мощность, которая поступает от источника к потребителю и определяется по формуле:

S = UI.

 

 Часть этой мощности в потребителе превращается в полезную - активную мощность, вследствие чего имеем механическое движение, тепло, свет и так далее.

 Другая часть полной мощности, которая не идет на полезное действие потребителей, а только возбуждает в них магнитные поля.

 Соотношение между величинами полной, активной и реактивной мощностей такое же, как и между полным, активным и реактивным напряжениями. Если все стороны треугольника напряжений умножить на силу тока I, то получим новый треугольник - треугольник мощностей, гипотенуза котрого равна полной мощности, горизонтальный катет - активной мощности, а вертикальный катет - реактивной мощности:

 

 

 

Соотношение между этими мощностями можно получить из треугольника:

 

S = ( P² + Q² )^1/2.

 

Измеряется полная мощность в вольт-амперах ( ВА).               Мгновенная мощность выражается соотношением:

 p = ui =  u_m i_m sin (t+) sin t  = u_m i_m (sin t cos  + sin  cost)sin t = 

u_m i_m (sin² t cos  + sin  sin tcost) = u_m i_m [ cos (1 - cos 2t )/2 +  sin (sin 2t )/2 ]= (u_m i_m /2) [cos  - (cos 2tcos  - sin 2t sin )] = UIcos - UIcos(2t + ).

 Таким образом, мгновенная мощность складывается в этом случае из UIcos - постоянной составляющей, и синусоидальной составляющей двойной частоты. Энергетический процесс в цепи содержащей L  и  R , складывается из двух рассмотренных энергетических процессов: во-первых, энергия   безвозвратно передается из источника в активное сопротивление, где она превращается в другие формы энергии; во-вторых, энергия колеблется между источником и магнитным полем приемника. Чем меньше cos, тем большую роль играют эти бесполезные колебания энергии.

 

5.Электрическая цепь с активным и емкостным элементами.  Методика изучения R-C  цепи аналогична изучению R-L цепи.

 

Задаемся током  i  = i_m sin t. Тогда напряжение на активном сопротивлении :

 

 u_R = u_Rm sint.

 

Напряжение на конденсаторе отстает по фазе от тока на угол /2 :

 

u_C =   u_Cm sin (t - /2).

 

Построим векторную диаграмму для этой цепи :

 

Из векторной диаграммы следует, что

U = ( UR2 + UС2  )1/2.

 

 

Но U_R = IR, а U_С = IX_С, следовательно

 

 

U = ( I2R2 + I2XС2 )1/2 =I( R2 + XС2  )1/2,

 

откуда 

I = U / ( R²  + X_С² )^1/2.

 

Введем обозначение ( R²  + X_С² )^1/2 = Z, где Z - полное сопротивление цепи. Закон Ома для этой цепи :

I = U / Z.

 

 Треугольник сопротивлений для этой цепи имеет вид:

 

Расположение его сторон соответствует расположению сторон треугольника напряжений на векторной диаграмме. Сдвиг фаз в этом случае отрицателен, так как напряжение отстает по фазе от тока : tg  = - X_С / R , cos  = R / Z.

 

В энергетическом отношении эта цепь не отличается от цепи с резистивным и индуктивным элементами  p = ui = UI cos  - UI cos (2t +  ).

 

Средняя мощность определяется постоянной состовляющей мгновенной мощности:

 

P   = UI cos .

 

Реактивная мощность характеризует интенсивность обмена энергией между конденсатором и источником электрической энергии:

Q  = U_С I sin .

 

Так как  < 0, то реактивная мощность Q < 0. Физически это означает, что когда емкость отдает энергию, индуктивность ее потребляет, если они находятся в одной цепи.  Треугольник мощности для рассматриваемой цепи имеет вид:

 

 

 

Соотношение между этими мощностями можно получить из треугольника:

 

S = ( P² + Q² )^1/2.

6.Электрическая цепь с активным, индуктивным и емкостными элементами.

 Электрическая цепь с последовательным соединением активных, индуктивных и емкостных элементов называется последовательным колебательным контуром.

 

Ток в цепи: 

i  = i_m sin t.

Напряжение на активном сопротивлении :

u_R = u_Rm sin  t. Напряжение на катушке индуктивности :

u_L =  u_Lm sin ( t + /2 ). Напряжение на конденсаторе :

u_C =   u_Cm sin ( t - /2 ).

Построим векторную диаграмму при условии, что X_L < X_C, то есть U_L=IX_L  < U_C=IX_C.

 

Вектор результирующего напряжения U замыкает многоугольник векторов U_R, U_L, U_C. Вектор (U_L + U_C) определяет напряжение на индуктивности и емкости. Как видно из диаграммы, это напряжение может быть меньше напряжения на индуктивности и емкости. Это объясняется процессом обмена энергией между индуктивностью и емкостью.

 Получим закон Ома для рассматриваемой цепи. Модуль вектора (U_L + U_C) рассчитывается как разность действующих значений (U_L - U_C)  , из векторной диаграммы следует, что 

 

U = ( UR2 + ( UL - UC )2  )1/2.

 

Но U_R = IR, а U_С = IX_С  и  U_L = IX_L, следовательно

 

U = I ( R² + ( X_L - X_C )² )^1/2 ,

 

откуда

I = U / ( R²  + X_С² )^1/2.

 

Введем обозначение ( R²  + ( X_L - X_С )² )^1/2 = Z, где Z - полное сопротивление цепи. Закон Ома для этой цепи :

I = U / Z.

 

Разность между индуктивным и емкостным сопротивлением  (X_L - X_С)  называют реактивным сопротивлением цепи.

 Треугольник сопротивлений для этой цепи имеет вид:

 

При X_L > X_С  реактивное сопротивление положительно и сопротивление носит активно-индуктивный характер. При X_L < X_С  реактивное сопротивление отрицательно и сопротивление цепи носит активноемкостной характер. Знак сдвига фаз между током и напряжением получим автоматически, так как реактивное сопротивление - величина алгебраическая : tg  =  X / R .

Таким образом, при X_L  X_С преобладает или индуктивное или емкостное сопротивление, то есть с энергетической точки зрения цепь с R, L и C сводится к цепи с R, L или  R, C.

Мгновенная мощность :

p = ui = UI cos  - UI cos (2t +  ).

Знак  определяется из tg  =  X / R. Активная, реактивная и полная мощность такой цепи определяется равенствами :

P = UI cos ,  Q = U I sin ,   S = UI = ( P² + Q² )^1/2.  Треугольник мощности для этой цепи имеет вид:

 

 

Коэффициент мощности.

 На современных промышленных предприятиях большинство потребителей электрической энергии переменного тока представляют собой активно-индуктивную нагрузкув виде асинхронных электродвигателей, силовых трансформаторов, сварочных трансформаторов, преобразователей и так далее. В такой нагрузке в результате протекания переменного тока индуктируются э.д.с. самоиндукции, обуславливающие сдвиг по фазе между током и напряжением. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а cos  уменьшается при малой нагрузке. Например, если cos  двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75 - 0,8, то при малой нагрузке он уменьшается до

0,2 - 0,4.

 Если мощность потребляемая всеми приемниками в данных цепях, является вполне определенной, то при неизменном напряжении на зажимах приемника их ток:

I = P / (Ucos)

 С уменьшением cos ток нагрузки электростанций и подстанций будет увеличиваться при одной и той же отдаваемой мощности. 

Вместе с тем электрические генераторы, трансформаторы и линии электропередач расчитываются на определенное напряжение и ток. Увеличение тока потребителя при снижении cos не должно превышать определенных пределов, так как питающие их генераторы расчитываются на определенную номинальную мощность S_ном = U_ном I_ном, вследствие чего они не должны оказаться перегруженными. Для того чтобы ток генератора не превышал номинального значения при снижении cos потребителя, необходимо снижать его активную мощность. Таким образом, понижение cos потребителей вызывает неполное использование мощности синхронных генераторов, трансформаторов и линий электропередач. Они бесполезно загружаются засчет индуктивного реактивного тока

cos, характеризующий использование установленной мощности, часто называют коэффициентом мощности. 

Коэффициентом мощности называют отношение активной мощности к полной : cos  = P/S

Коэффициент мощности показывает, какая часть электрической энергии необратимо преобразуется в другие виды энергии и, в частности, используется на выполнение полезной работы. Нормальным считается cos   0,85 - 0,9. При низком коэффициенте мощности на предприятия, потребляющие электроэнергию, накладывается штраф, при высоком - предприятия премируются.

Для улучшения коэффициента мощности проводится ряд мероприятий:

1.заменяются двигатели переменного тока, нагруженные относительно мало, двигателями меньшей мощности;

2.включаются параллельно приемникам конденсаторы.

 

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРИЕМНИКОВ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

 

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из двух приемников, подключенных параллельно к зажимам источника синусоидального напряжения u =   u_m sin t.

 

 

В первом приемнике последовательно соединены элементы  R₁  и  L, во втором соответственно  R₂ и С.

Оба приемника находятся под действием одного общего напряжения.

Электрические цепи такого вида называют параллельными колебательными контурами.

 Выражения для мгновенных значений токов в первой и второй ветвях рассматриваемой цепи имеют соответственно индуктивный и емкостной характер:

 

i₁ = i_1m sin (t- ₁);  i₂ = i_2m sin (t + ₂);

 

 Действующее значение тока и угол сдвига фаз между током и напряжением  определяется из следующих выражений:

 

для первой ветви

 

I₁ = U / ( R₁² + X_L² )^1/2 ;  cos ₁ = R₁ / (R₁² + X_L² )^1/2;

 

для второй ветви

I₂ = U / ( R₂² + X_C² )^1/2 ;  cos ₂ = R₂ / (R₂² + X_C² )^1/2;

 

 Зная токи в ветвях, нельзя определить значение тока в неразветвленной части цепи простым сложением токов i₁  и  i₂  , так как при этом необходимо учитывать их фазовые углы ₁   и   ₂. Поэтому ток в неразветвленной части цепи определяют как геометрическую сумму токов в ветвях. Построим соответствующую векторную диаграмму. При построении векторной диаграммы токов принято за начальный вектор принять вектор напряжения. Векторы токов в ветвях направлены с учетом их сдвига по фазе по отношению к вектору напряжения. Векторная диаграмма имеет вид:

 

Из этой векторной диаграммы определяют величину тока в неразветвленной части цепи и угол сдвига фаз между током и напряжением в неразветвленной части цепи.

 Метод векторных диаграмм, как всякий графический метод, не дает возможности получить высокую точность. Эти же величины можно определить и аналитически. Для этого вводят понятия активной и реактивной составляющих тока для ветви при последовательном соединении активных и реактивных элементов. Активная составляющая тока совпадает по фазе с приложенным напряжением. Реактивная составляющая тока сдвинута относительно приложенного напряжения на на угол   /2: 

 

 Активная состовляющая тока в неразветвленной части цепи равна сумме активных состовляющих токов в каждой ветви :

I_a = I_1a + I_2а.

 

 Где   I_1a = I₁cos ₁,  I_2a = I₂cos ₂.

Реактивная составляющая тока в пер вой ветви отстает по фазе от напряжения на  /2 , а реактивная составляющая тока второй ветви опережает напряжение на /2. Таким образом, реактивная составляющая тока в неразветвленной части цепи равна разности реактивных токов в первой и второй ветвях, то есть

 

I_р = I_1р -  I_2р.

 

Где  I_1р = I₁sin ₁,  I_2a = I₂sin ₂.

 

 Выражение полного тока в неразветвленной части цепи имеет вид

 

I = ( I_a² + I_р² )^1/2.

 

Угол сдвига фаз, как следует из векторной диаграммы, определяется соотношением :

 

tg  = I_р / I_a

 

В общем случае, когда параллельно соединяют  n  электроприемников :

 

                                                                                      N                                     N                         N

Ia IRn,Ip ILn ICn .

                                                                                     n1                                 n1                    n1

 

РЕЗОНАНСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ЦЕПЯХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

 

 В электротехнике под резонансным режимом работы цепей переменного тока понимают режим, при котором сопротивление цепи является чисто активным. По отношению к источнику питания элементы цепи ведут себя в резонансном режиме как активное сопротивление, поэтому ток и напряжение в неразветвленной части цепи совпадают по фазе.

 Реактивная мощность цепи при этом равна нулю.

 Возможны два основных случая резонанса: при последовательном соединении реактивных элементов контура с источником возможен резонанс напряжений, а при параллельном соединении - резонанс токов.

Резонанс напряжений. Резонансом напряжений называют явление в цепи с последовательным  соединением элементов, когда ток в цепи совпадает по фазе с напряжением источника.

 Найдем условия резонанса напряжений. Для того чтобы ток в цепи совпадал по фазе с напряжением, реактивное сопротивление должно равняться нулю, так как

 

tg  = X / R = ( X_L - X_C ) / R.

 

Таким образом, условием резонанса напряжений является равенство реактивного сопротивления цепи нулю, или

X_L = X_C.

 

Но     X_L =  L, а  X_C = 1 / С, где  - частота источника питания. В результате можно записать :

 

L = 1 / С.

 

Решая это урвнение относительно  находим :

 

 = 1 / (LC)^1/2 = ₀.

 

При резонансе напряжений частота источника равна собственной частоте колебаний контура.  Резонансу напряжений соответствует векторная диаграмма :

 

 На основании этой диаграммы и закона Ома для этой цепи сформулируем признаки резонанса напряжений.

1.Полное сопротивление цепи минимально и чисто активное.

2.Ток в цепи совпадает по фазе с напряжением источника и достигает максимального значения.

3.Напряжение на катушке индуктивности равно напряжению на конденсаторе и каждое в отдельности может во много раз превышать напряжение на зажимах всей цепи ( в 10 раз ). Поэтому резонанс при последовательном соединении элементов называют резонансом напряжений.

 Режим резонанса напряжений может быть получен изменением частоты напряжения источника при неизменных параметрах элементов колебательного контура или изменением параметров элементов колебательного контура.

 В электроэнергетических устройствах в большинстве случаев резонанс напряжений - явление нежелательное, связанное с неожиданным возникновением перенапряжений, то есть напряжений в несколько раз превышающих рабочее напряжение установки, причем плавкие предохранители не защищают от возникновения этих перенапряжений.

Резонанс токов.  В электрической цепи при параллельном соединении двух ветвей, когда в одной ветви включены элементы  R₁ и  L, а в другой R₂ и  C, может устанавливаться режим резонанса токов, при котором ток в неразветвленной части цепи будет совпадать по фазе с напряжением.  Резонансная частота определяется выражением:

 

₀ = ( 1 / LC )^1/2((L/C - R₁²)/(L/C - R₂²))^1/2.

 

Отсюда следует, что состояние резонанса токов в цепи можно получить изменением частоты источника или изменением параметров цепи L, C, R₁, R₂. Векторная диаграмма соответствующая резонансу токов имеет вид :

 

 

 

При резонансе токов реактивный ток замыкается в кольце, образуемом индуктивностью и емкостью, а провода, соединяющие колебательный контур с источником энергии, и самый источник полностью разгружается от реактивного тока.

 В режиме резонанса токов рассматриваемая цепь ведет себя по отношению к источнику питания так, как будто она состоит только из элементов с активной проводимостью. В действительности же в параллельных ветвях с реактивными элементами могут протекать токи, даже превышающие полный ток, протекающий в источнике питания. Но эти токи всегда противоположны по фазе друг другу. Это означает, что через каждую четверть периода происходит обмен энергиями между магнитным полем катушки индуктивности и электрическим полем конденсатора, который поддерживается напряжением источника питания.

 При резонансе токов токи в ветвях могут превосходить ток в неразветвленной части цепи не только при резонансе, но и с приближением к нему. Поэтому резонанс при параллельном соединении элементов называют резонансом токов.

 Резонанс токов в отличие от резонанса напряжений - явление, безопасное для электрических установок. Большие токи в ветвях при резонансе токов возникают лишь в том случае, если созданы большие реактивные проводимости ветвей - установлены большие батареи конденсаторов, мощные реактивные катушки.

 

 

 

ЛЕКЦИЯ № 4 

 

ТРЕХФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ.

 

 

ТРЕХФАЗНАЯ СИСТЕМА Э.Д.С.

 

 Трехфазные электрические цепи представляют собой частный случай многофазных цепей.

 Многофазной системой электрических цепей называют совокупность нескольких электрических цепей переменного тока одной частоты, э.д.с. которых имеют разные начальные фазы и создаются общим источником энергии.

 Обычно применяют симметричные многофазные системы, у которых амплитудные значения э.д.с. одинаковы, а фазы сдвинуты друг относительно друга на один и тот же угол  2/m, где m - число фаз.

 В электроэнергетике наибольшее практическое значение имеют трехфазные системы.

 Трехфазной цепью называется совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют синусоидальные э.д.с. одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на угол 2/3.

 Преимущественное применение трехфазных систем обьясняется тем, что при передаче и распределении электроэнергии трехфазные системы, особенно при симметричной нагрузке, имеют экономические преимущества по сравнению с другими системами:

1).основные потребители - трехфазные асинхронные и синхронные двигатели имеют больший к.п.д., чем другие двигатели; асинхронные двигатели имеют очень простую конструкцию и надежны в эксплуатации;

2).в трехфазной системе сравнительно просто создается вращающееся магнитное поле, которое используется в двигателях переменного тока;

3).трехфазная четырехпроводная система дает возможность иметь два эксплуатационных напряжения; 4). при одинаковых напряжениях, мощностях потребителей и прочих равных условиях питание трехфазным переменным током позволяет получить значительную экономию материала проводов по сравнению с темя однофазными линиями; передача электрической энергии при помощи трехфазного пременного тока по сравнению с однофазным переменным током при равных потерях в линии требует на 25% меньше металла для проводов, что при крупных масштабах современной электрофикации представляет серьезное экономическое преимущество;

5). трехфазный генератор дешевле, легче и экономичнее. чем три однофазных генератора такой же

общей мощности; то же относится к трехфазным двигателям и трансформаторам; Отдельные цепи трехфазной системы сокращенно называют фазами.

 Совокупность токов, напряжений и э.д.с., действующих в фазах трехфазной цепи, называется трехфазной системой токов, напряжений и э.д.с..

 Простейший трехфазный генератор устроен аналогично однофазному. Отличается он от однофазного тем, что на якоре расположены три одинаковые обмотки, начала и концы которых обозначаются соответственно А, В, С и X, Y, Z.

Оси обмоток сдвинуты в пространстве одна относительно другой на равные углы 120⁰. Эти обмотки вращаются в однородном магнитном поле постоянного магнита с постоянной угловой скоростью .

 В момент времени t = 0 обмотка АХ расположена горизонтально и в ней индуктируется э.д.с.: е_А  = е_msin t.

 

Точно такая же э.д.с. будет индуктироваться и в обмотке BY, когда она повернется на угол 120⁰ и займет положение обмотки АХ. Следовательно, при t = 0 

 

е_в = e_msin (t - 2/3).

 

Рассуждая аналогичным образом, можно найти э.д.с. в обмотке CZ 

 

e_c = e_msin(t - 4/3).

 

 

 

 

Такая система трех э.д.с. называется симметричной. Наоборот, при неравенстве амплитуд, э.д.с. или неравенстве углов сдвига между ними система э.д.с. будет несимметричной.  Векторная диаграмма трехфазной системы э.д.с. имеет следующий вид :

 

 

 

 

 

Если к каждой из обмоток AX, BY и CZ подсоединить нагрузку с помощью щеток и контактных колец, то в образовавшихся цепях появится ток.

 

 

СВЯЗЫВАНИЕ ЦЕПЕЙ.

 

 Источники и приемники энергии многофазных цепей выполняются, как правило, связанными; в них фазные цепи связаны между собой электрически. Если имеется несколько групп несвязанных приемников, эти группы получают питание от связанных источников энергии.

 Преимуществом связанных систем в ряде случаев является уменьшение числа проводов линии электропередачи. Если для питания несвязанных трехфазных систем необходимо иметь шесть проводов - на каждую фазу по два провода, то при связывании системы число проводов может быть уменьшено до трех. Для всех наиболее распространенных систем основными способами связывания являются соединение звездой и треугольником. Надо подчеркнуть, что основные преимущества трехфазная система имеет благодаря электрической связи между тремя фазами, соединенными звездой или треугольником.

 

 

 

 

 При соединении фаз источника звездой концы фаз X, Y, Z обьединяются в общую точку N, называемую нейтральной, а начала фаз А, В, С с помощью проводов соединены с приемником тремя проводами, которые называются линейными. Такую трехфазную систему называют трехпроводной.

 

 

 При соединении фаз источника треугольником необходимо подключить конец каждой фазы к началу следующей, то есть конец первой фазы Х - с началом второй фазы В, конец второй фазы Y - с началом третьей фазы С, и конец третьей фазы Z - с началом первой фазы А. Начала фаз А, В, С с помощью проводов соединяют с приемниками.

 

 Соединение отдельных фаз трехфазных приемников звездой или треугольником осуществляют таким же образом, как и соединение звездой или треугольником источников. При соединении источника, например, звездой приемники могут быть соединены различным способом, то есть одни - звездой, а другие - треугольником и так далее. Если нагрузка несимметричная, то есть сопротивления фаз приемника не равны между собой, то при соединении источника и приемников звездой необходимо применять помимо трех линейных проводов четвертый, нейтральный провод, соединяющий нейтральные точки источника и приемника.

 

 

СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ ФАЗ ИСТОЧНИКА ТРЕХФАЗНОГО ТОКА И СООТНОШЕНИЯ МЕЖДУ ЕГО ЛИНЕЙНЫМИ И ФАЗНЫМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ.

 

 Соединение звездой :

 

 

 

Напряжение между началом и концом фазы источника называют фазным.

 Обозначают его: u_A, u_B, u_C или u_ф. Например при соединении звездой фазными являются напряжения между началами фаз и нейтральной точкой источника N.

 Фазными токами называются токи, проходящие через каждую фазу источника или приемника.  Напряжения между началами фаз источника А, В, С  или между линейными проводами называются линейными напряжениями.

 Обозначают их: u_AB, u_BC, u_CA или u_л.

 Токи в линейных проводах называют линейными токами.

 При соединении обмоток генератора звездой обмотки и соответствующие линейные провода соединены последовательно, поэтому при соединении звездой фазные токи равны линейным:

I_Ф = I_Л.

 

 При анализе трехфазных цепей важно знать условные положительные направления э.д.с., напряжений и токов, так как от их выбора зависят знаки в уравнениях составляемых по законам Кирхгофа, а также направления векторов на векторных диаграммах.

 За условное положительное направление э.д.с. в каждой фазе источника принимают направление от ее конца к началу, а за условное положительное направление напряжения в каждой фазе источника принимают направление от начала фазы к ее концу. 

 Направление фазных токов совпадает с направлением э.д.с. в каждой фазе источника.

 За условные положительные направления линейных напряжений принимают направление от начала одной фазы к началу другой, в частности напряжение u_AB направлено от А к В и так далее.

 Линейные токи, проходящие через линейные провода, всегда направлены от источника к приемнику.

 Фазные напряжения и токи приемников направлены в одну и ту же сторону.

 Для нахождения связи между фазными и линейными напряжениями, при соединении источников звездой воспользуемся вторым законом Кирхгофа. 

 Алгебраическая сумма напряжений на элементах контура в данный момент времени равна алгебраической сумме э.д.с. в том же контуре в тот же момент времени.  Рассмотрим контур ABYXA: 

 

При составлении уравнений контур обходят в одном произвольно выбранном направлении, алгебраически суммируя э.д.с. и напряжения. Будем обходить контур по часовой стрелке:

 

е_А - е_В = u_АВ.

 

Внутреннее сопротивление обмоток генераторов гораздо меньше сопротивления нагрузки, поэтому обычно пренебрегают внутренним сопротивлением фаз источников и считают фазные э.д.с. равными фазным напряжениям (e_А   u_А , e_В  u_В): u_А - u_В = u_АВ.

 

Аналогично определяются и другие линейные напряжения: u_ВС = u_В - u_С ,      u_СА = u_С - u_А .

 

Таким образом, мгновенные значения линейных напряжений равны алгебраической сумме мгновенных значений соответствующих фазных напряжений.

 Так как фазные напряжения изменяются по синусоидальному закону, то и линейные напряжения так же будут изменяться по синусоидальному закону.

 Действующие значения линейных напряжений можно определить из векторных диаграмм. Векторная диаграмма фазных напряжений представляет собой трехлучевую звезду в которой вектора фазных напряжений сдинуты друг относительно друга на 120⁰. Векторные диаграммы рисуют для действующих значений.

 

Первая из векторных диаграмм называется полярной, а вторая называется топографической.  Рассмотрим треугольник построенный на векторах напряжений U_B, U_C и U_BC :

 

 

 

Из этого треугольника следует, что 

 

                                                   U_BC / 2 = U_B cos 30⁰  или  U_Л / 2 = U_Ф cos 30⁰ = U_Ф        3 /2

 

                                                                                               U_Л =     3 U_Ф.

 

Мы видим, что линейное напряжение в    3 раз больше фазного и опережает его на 30⁰. 

 Звезда векторов линейных напряжений повернута относительно звезды векторов фазных напряжений на 30⁰ против часовой стрелки.

 Полученное соотношение для связи фазного и линейного напряжений справедливо только при симметричной системе фазных напряжений.

 Уравнение для связи фазного и линейного напряжений можно получить и аналитически из формулы связывающей мгновенные значения напряжений:

 

u_А - u_В = u_АВ.

 

u_AB = u_m[ sin t  - sin ( t - 2/3 )] = u_m[ sin t  + cos ( t - /6 )] =

 

                           =u_m(sin t+costcos /6+sin tsin /6)=u_m(sint+ 3 /2cost+1/2sin t) =

 

                              =u_m( 3/2  sin t  +   3 /2  cos  t ) =    3 u_m( 3 /2  sin t  + 1/2  cos  t )= 

 

                                                                                     =   3 u_m sin ( t + /6 ).

 

Из последней формулы видно, что линейное напряжение опережает фазное на 30⁰, а его действующее значение в 3 превышает фазное.

 При таком способе соединения обмоток генератора фазные токи равны линейным.

 Соединение обмоток генератора звездой можно выполнять с нулевым проводом или без него.

 Достоинством четырехпроводного соединения звездой является возможность получения системы двух напряжений: фазных - при включении каждого из приемников между нейтральным проводом и любым из линейных проводов и линейных напряжений - при соединении каждого из приемников к двум линейным проводам.

 

ГОСТом установлены следующие величины напряжения в сетях переменного трехфазного тока до 1000 В:

 линейные - 220 В, 380 В, 660 В;  фазные     - 127 В, 220 В, 380 В.

 

                         

Соединение обмоток генератора треугольником выглядит следующим образом:

 

 

При соединении треугольником линейное напряжение равно фазному:

 

U_Ф = U_Л.

 

 При соединении треугольником три фазы генератора образуют замкнутый контур с малым сопротивлением. Такое соединение допустимо, только в том случае, если сумма э.д.с. действующих в этом контуре будет равна нулю, а это возможно только в случае абсолютно одинаковых обмоток.   В противном случае в контуре, даже при отсутствии нагрузки возникнет значительный ток способный вызвать перегрев генератора и снижение его к.п.д. 

 В случае симметричных обмоток суммарная э.д.с. в контуре равна нулю.  В этом можно убедиться сложив вектора фазных э.д.с.:

 

 

 

   

 

На практике обмотки трехфазных генераторов всегда соединяют звездой. 

 Связано это с тем, что при отклонении э.д.с. источника от синусоидальной формы из-за наличия высших гармоник сумма мгновенных значений э.д.с. не будет равна нулю.

 Кроме того соединение обмоток генератора звездой позволяет выполнять изоляцию обмоток на фазное напряжение, которое меньше линейного в 3 раз (при напряжениях в десятки кВ это очень существенно).

 

 

ЛЕКЦИЯ № 5

 

СПОСОБЫ СОЕДИНЕНИЯ ФАЗ ПРИЕМНИКОВ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА.

 

 Соединение отдельных фаз трехфазных приемников выполняют точно также как и соединение фаз источников: звездой  и  треугольником:

 

 

 Нагрузка в цепях трехфазного тока классифицируется следующим образом :

1.     неоднородная и неравномерная, если сопротивления фаз нагрузки различны по характеру и

значению (  Z_a  Z_b  Z_c;  _a  _b  _c );

2.     равномерной, если сопротивления фаз равны по модулю, но отличаются по характеру 

( Z_a = Z_b = Z_c;  _a  _b  _c );

3.     однородной, если сопротивления фаз нагрузки одинаковые по характеру, но отличаются по

значению (  Z_a  Z_b  Z_c;  _a = _b = _c );

4.     симметричной, если сопротивления фаз нагрузки одинаковые по характеру и по значению 

( Z_a = Z_b = Z_c;  _a = _b = _c ).

 Основной задачей расчета электрических цепей является определение токов в ветвях цепи при заданном напряжении на зажимах приемника. После этого определяются при необходимости и напряжения на отдельных ветвях. При таких расчетах обычно не рассматриваются характеристики источника. Для расчета должна быть задана система напряжений источника энергии, схема цепи, значения и тип сопротивлений ветвей.

 

Трехфазные цепи при соединении приемников звездой.

 Рассмотрим трехфазную цепь при соединении обмоток генератора и фаз приемника звездой с нулевым проводом:

 

На этой схеме N - это нейтральная точка генератора, n - нейтральная точка приемника. Нейтральные точки соединены нейтральным проводом, имеющим некоторое сопротивление Z_N. Площадь поперечного сечения нулевого провода обычно берут равной половине площади поперечного сечения линейных проводов.При соединении звездой фазы генератора соединены последовательно с фазами приемника, поэтому линейные токи одновременно являются и фазными как в фазах генератора, так и в фазах нагрузки. За условно положительные направления линейных токов выбирают направление от источника к нагрузке, а за условно положительное направление тока в нейтральном проводе выбирается направление от нагрузки к источнику. В обмотках генератора индуцируется симметричная система э.д.с.. Пренебрегая потерями напряжения в обмотках генератора, можно считать, что системы фазных (U_A, U_B, U_C) и линейных (U_AB, U_BC, U_CA) напряжений генератора симметричны и неизменны. Сопротивления линейных проводов приймем равными нулю. Тогда система линейных напряжений приемника (U_ab, U_bc, U_ca) будет совпадать с системой линейных напряжений генератора. Нарисуем совмещенную векторную диаграмму для системы генератор-нагрузка. При построении векторных диаграмм напряжений удобно принимать потенциалы нейтральных точек равными нулю и исходя из нее строить вектора фазных напряжений. Линейные напряжения   приемника   равны  линейным  напряжениям  генератора : U_AB = U_ab,  U_BC = U_bc, U_CA =  U_ca, а потенциалы точек А и а, В и b, С и с соответственно равны друг другу.

 

При конечном сопротивлении нулевого провода напряжение между нейтральными точками генератора и приемника, называемое смещением нейтрали, будет отлично от нуля: U_N. Вектор смещения нейтрали направлен из нейтральной точки генератора к нейтральной точке приемника. Фазные напряжения приемника будут определяться напряжением между нейтралью приемника и точками a, b и с. Смещение нейтрали можно найти используя законы Кирхгофа. Рассматриваемая электрическая цепь состоит из трех параллельных ветвей с источниками э.д.с. и одной параллельной ветви с пассивным элементом (нейтральный провод). Запишем для контуров, содержащих источники э.д.с. уравнения в соответствии со вторым законом Кирхгофа:

e_A = Z_ai_A + Z_Ni_N   или e_A =i_A/Y_a  + u_N, 

где Y_a = 1/Z_a- проводимость ветви a;

e_B = Z_bi_B + Z_Ni_N   или e_B =i_B/Y_b  + u_N, 

где Y_b = 1/Z_b- проводимость ветви b;

 

e_C = Z_ci_C + Z_Ni_N   или e_C =i_C/Y_c  + u_N, 

где Y_c = 1/Z_c- проводимость ветви c. 

 Запишем так же полученные уравнения в векторной форме:

E_A =I_A/Y_a  + U_N, E_B =I_B/Y_b  + U_N, E_C =I_C/Y_c  + U_N

По первому закону Кирхгофа для узла n имеем:

 

I_N  = I_A + I_B + I_C.

С другой стороны:

I_N = Y_NU_N.

Подставляя в уравнение для узла все токи получаем:

U_N = (Y_aE_A + Y_bE_B + Y_cE_C)/( Y_N + Y_a + Y_b + Y_c)

и поскольку мы считаем E_А   U_А , E_В  U_В ,E_C  U_C окончательно получаем для смещения нейтрали выражение:

U_N = (Y_aU_A + Y_bU_B + Y_cU_C)/( Y_N + Y_a + Y_b + Y_c)

 Фазные напряжения приемника  - это напряжения между нейтралью приемника и соответствующими линейными проводами или на векторной диаграмме им будут соответствовать вектора направленные из точки n в точки a, b, c. Построенные таким образом вектора фазных напряжений приемника удовлетворяют уравнениям:

 

U_A = U_a  + U_N, U_B = U_b  + U_N, U_C = U_c  + U_N.

 Нейтральная точка приемника на векторной диаграмме в зависимости от проводимостей фаз и нейтрального провода может находиться в любом месте внутри треугольника линейных напряжений и даже вне его, что приводит к искажению звезды фазных напряжений приемника и изменению их значений.

 

Соединения звездой  при симметричной нагрузке.

 При симметричной нагрузке  Z_a = Z_b = Z_c;  _a = _b = _c , поэтому токи в фазах приемника равны по величине и сдвинуты по фазе на один и тот же угол относительно соответствующих напряжений. Векторная диаграмма напряжений и токов для симметричной нагрузки имеет вид:

 

 Ток в каждой фазе может быть определен по закону Ома для цепей переменного тока.

 

I_a = U_a/Z_a;  I_b = U_b/Z_b;  I_c = U_c/Z_c;

 

cos _a = R_a/Z_a;  cos _b = R_b/Z_b;  cos _c = R_c/Z_c.

 

При симметричной нагрузке достаточно выполнить расчет для одной фазы.

 Найдем для такой цепи напряжение между нейтральными точками. Так как для симметричной нагрузки  Y_a = Y_b = Y_c, то смещение нейтрали определяется:

 

U_N = Y_а(U_A + U_B + U_C)/( Y_N + 3Y_a ),

 

но при симметричной системе напряжений

 

U_A + U_B + U_C = 0.

 

Поэтому при симметричной нагрузке нейтральные точки генератора и приемника совпадают и напряжение между ними равно нулю. Отсюда следует, что при симметричной нагрузке ток в нулевом проводе будет равен нулю. К такому же выводу можно прийти рассмотрев векторную диаграмму токов из которой так же следует равенство нулю тока в нулевом проводе

 

I_N  = I_a + I_b + I_с = 0

 

 

 

 Таким образом, если нагрузка равномерная, то необходимость в нейтральном проводе отпадает. Трехфазная цепь без нейтрального провода является трехпроводной.

 

Соединения звездой  при несимметричной нагрузке.

 При  несимметричной нагрузке сопротивления приемников не одинаковы. Для несимметричных нагрузок применяют только четырехпроводные цепи, так как между нейтральными точками появляется напряжение и напряжения на фазах нагрузки становятся различными. При этом нарушается соотношение между фазными и линейными напряжениями U_Л = 3 U_Ф, причем на одних фазах нагрузки напряжение становиться большим, а на других - меньшим.

 Наличие нейтрального провода в цепи с несимметричной нагрузкой позволяет выравнивать напряжение на фазах приемника и поддерживать их неизменными, равными фазным напряжениям источника U_Л/ 3, то есть нейтральный провод обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника. Иначе говоря, при наличии нейтрального провода, когда Z_N=0, даже при несимметричной нагрузке фазные напряжения приемника равны друг другу и соблюдается соотношение между фазными и линейными напряжениями U_Л = 3 U_Ф.

 Если нагрузка несимметричная и нейтральный провод имеет конечное сопротивление Z_N0, то токи в фазах приемника и нулевом проводе будут определяться выражениями:

 

I_A = U_a/Z_a = (U_A - U_N)Y_a

 

I_B = U_b/Z_b = (U_B - U_N)Y_b

 

I_C = U_c/Z_c = (U_C - U_N)Y_c

 

I_N = U_N/Z_N = U_NY_N = I_A + I_B + I_C.

 

Рассмотрим аврийные ситуации в трехпроводной системе.

 

1.Обрыв одной из фаз нагрузки. В исходном состоянии нагрузка симметричная (для простоты считаем ее активной), система фазных токов симметрична, нейтрали совпадают и система фазных напряжений приемника также симметрична. Рассмотрим случай обрыва линейного провода А.

 

 

 

В этом случае Y_a =  0, Y_b = Y_c = Y₀ , смещение нейтрали определяется:

 

U_N = Y₀( U_B + U_C)/2Y₀ = - U_A/2

 

поскольку U_A + U_B + U_C = 0.

 

 Этому случаю соответствует такая векторная диаграмма:

 

При этом фазное напряжение U_A увеличивается в 1,5 раза, а U_B и U_C уменьшаются в 2/ 3 , так как они становятся равными половине линейного напряжения.

 Ток в фазе А равен нулю, а токи в фазах В и С уменьшаются в 2/ 3 раза из-за уменьшения напряжений U_B и U_C. Так как нагрузка активная, то токи будут совпадать по фазе с фазными напряжениями.

 

2. Короткое замыкание одной из фаз приемника.     Например    Z_a  = 0 => Y_a = . 

 

Напряжение смещения нейтрали:

 

U_N = (U_A + U_BY_b/Y_a + U_CY_c/Y_a)/( 1 + Y_b/Y_a + Y_c/Y_a) = U_A.

 

Следовательно, нейтральная точка приемника переместится в точку а - напряжение в фазе а будет равно нулю, а фазы нагрузки b и с будут находиться под линейными напряжениями. Этому случаю соответствует такая векторная диаграмма:

 

находится из уравнения:

I_a = - ( I_b + I_с).

Как видно из векторной диаграммы ток i_a в 3 раз больше токов I_b и  I_c и в 3 раза больше тока в исходном режиме.

 

Трехфазные цепи при соединении приемников треугольником.

 

 При соединении приемников электрической энергии треугольником отдельные фазы приемника присоединяются к линейным проводам, идущим от генератора:

 

При этом каждая фаза приемника непосредственно включается на линейное напряжение, которое в то же время будет и фазным:

U_a = U_ab;   U_b = U_bc;   U_c = U_ca;

Для определения связи между линейными и фазными токами воспользуемся I законом Кирхгофа. Применим его к узлам: a, b, c. 

 За положительное направление фазных токов выбирается направление от начала фазы к ее концу. С учетом того что фазы нагрузки у нас соединены последовательно положительными направлениями будут:  a  b,  b  c, c  a.

 За положительные направления линейных токов принимают направление от генератора к приемнику.  Тогда получим

для узла а           I_a + I_ca = I_ab    I_a = I_ab - I_ca для узла b           I_b + I_ab = I_bc   I_b = I_bc - I_ab для узла с           I_c + I_bc = I_ca   I_c = I_ca - I_bc

 Этим уравнениям соответствует векторная диаграмма:

 

 Если нагрузка фаз симметричная ( Z_a = Z_b = Z_c;  _a = _b = _c ), то действующие значения фазных токов равны между собой и токи сдвинуты по фазам на одинаковые углы от соответствующих напряжений.  Рассмотрим треугольник, образованный векторами  I_a, I_ab, -I_ca:

Из  этого треугольника следует, что  

При симметричной нагрузке:

I_a  = I_b = I_c   = I_Л,   I_ab  = I_bc = I_ac   = I_Ф

            Действующие значения линейных токов больше, чем фазные в     3 .

 Из векторной диаграммы видно, линейные токи отстают от фазных на 30⁰.

Рассмотрим аврийные ситуации при соединении приемников треугольником.

 

1.Обрыв одной из фаз нагрузки.

При обрыве фазы са   фазный ток I_ca = 0. Другие фазные токи не изменяются. Линейный провод оказывается включенным последовательно с фазой  ab  , поэтому линейный ток I_a = I_ab. По этой же причине I_c = -I_bc . Таким образом, I_a и I_c по значению становятся равными фазным токам.

 

Линейный ток I_b определяется так же как и в исходном режиме I_b = I_bc - I_ab , и поэтому остается неизменным. Этому случаю соответствует векторная диаграмма:

 

 

2.Обрыв линейного провода.

При обрыве провода а (перегорание предохранителя) трехфазная цепь преобразуется в однофазную цепь:

 

 

Фазы приемника образуют две параллельные ветви, к которым подводится напряжение U_bc. Ток в ветви Z_bc остается неизменным, так как по-прежнему определяется тем же напряжением U_bc. Ток в ветвях Z_ab и Z_ca , включенных последовательно, совпадает по фазе с током I_bc , так как тоже определяется напряжением U_bc. По значению он в два раза меньше тока I_bc , так как Z_ab = Z_ca = Z_bc.  Линейный ток I_b = I_bc + I_ab совпадает по фазе с током I_bc , а по значению в 1,5 раза  больше тока I_bc. Ток I_c равен по значению I_b , а по фазе ему противоположен. Векторная диаграмма токов такой однофазной цепи изображена на рисунке:

 

 

МОЩНОСТЬ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ.

 

 Активная мощность трехфазного тока равна сумме мощностей всех трех фаз, а именно

P   = P_a + P_b + P_c = U_aI_a cos _a + U_bI_b cos _b + U_cI_c cos _c 

При симметричной нагрузке

P = 3P_ф  = 3U_фI_ф cos .

 Реактивная мощность трехфазной цепи

Q  = Q_a + Q_b + Q_c = U_aI_a sin _a + U_bI_b sin _b + U_cI_c sin _c 

При симметричной нагрузке

Q = 3Q_ф  = 3U_фI_ф sin .

 Полная мощность

S = ( P² + Q²)^1/2.

Полная мощность при симметричной нагрузке

S = 3U_фI_ф.

 Обычно в качестве паспортных данных для трехфазных приемников приняты линейные напряжения и токи. Поэтому мощности трехфазных приемников целесообразно выражать через линейные напряжения и токи. При таких обозначениях индекс “л” у линейного напряжения и тока не указывают.  Так как при соединении симметричной нагрузки треугольником U_ф=U_л=U и I_ф=I_л/ 3 =I/ 3 , а при соединении симметричной нагрузки звездой U_ф=U_л/ 3 =U/ 3 и I_ф=I_л=I, то независимо от схемы соединения фаз приемника произведение U_фI_ф=UI/ 3 оказывается одинаковым. Таким образом, независимо от схемы соединения симметричной нагрузки имеет место следующие выражения для мощностей 

                                                        P =     3 UI cos ,    Q =    3 UI sin ,     S =    3 UI.

 Если известны активная мощность, линейные напряжения и ток при симметричной нагрузке, то коэффициент мощности определяется по формуле:

                                                                                          cos  = P/(   3 UI)

ЛЕКЦИЯ № 6 

 

ТРАНСФОРМАТОРЫ

 

 Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами с напряжением до 35 кВ. Для непосредственного безопасного использования потребителями это напряжение очень велико (220В, 380В, 660В) а для экономичной передачи на большие расстояния, поскольку обычно приемники электрической энергии расположены на некотором расстоянии от электростанций, очень низкое (1150 кВ). При заданной передаваемой мощности линией электропередачи, чем выше напряжение, тем меньше будет значение тока и тем меньше получается требуемое сечение проводов линии электропередачи. Поэтому в месте производства электрической энергии - на электрических станциях - выгодно повышать напряжение до сотен тысяч Вольт и выше, а затем передавать энергию по проводам потребителям.

 Изменение напряжения до необходимых значений осуществляется с помощью трансформаторов.

 Трансформатором называется статическое электротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

 Электрическая энергия при передаче от электростанции до потребителей преобразуется с помощью тансформаторов около 5 - 7 раз.

 В цепях переменного тока использование трансформаторов позволяет изменять напряжения, ток и число фаз.

 Трансформаторы относятся к высоконадежным электротехническим устройствам, поскольку они не имеют движущихся частей и скользящих контактных соединений. 

 По назначению трансформаторы делятся на силовые и специального назначения. Силовые трансформаторы служат для передачи и распределения электрической энергии, а также для питания различных электротехнических устройств. К трансформаторам специального назначения относятся измерительные, сварочные трансформаторы, для прогрева бетона, для перносных светильников, питания электроинструментов и другие.

 По числу фаз  трансформаторы делятся на однофазные и трехфазные.

 

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ.

 

 Трансформатор состоит из стального магнитопровода, на который намотаны обмотки :

 

 

Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии, называется первичной обмоткой, а обмотка к которой подключается нагрузка называется вторичной. 

Если через трансформатор необходимо осуществить питание двух и более нагрузок с разным напряжением, то выполняется соответствующее число вторичных обмоток. Такие трансформаторы называются многообмоточными.

 Существуют тансформаторы состоящие из одной обмотки. Такие трансформаторы называются автотрансформаторами. В случае повышающего авторансформатора э.д.с. подводится к части обмотки, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки. В понижающем автотрансформаторе напряжение сети подается на всю обмотку, а вторичная э.д.с. снимается с части обмотки. Автотрансформаторы позволяют регулировать напряжение в широких пределах. 

 Магнитопровод трансформаторов изготавливают из стальных листов толщиной 0,35 - 0,5 мм. Стальные пластины сердечника трансформатора изолируют друг от друга бумажной, лаковой изоляцией или окалиной, что позволяет уменьшить потери мощности в магнитопроводе за счет того, что вихревые токи замыкаются в плоскости поперечного сечения отдельной пластины. Чем меньше толщина листа, тем меньше сечение проводника, по которому протекает вихревой ток, и тем болше его сопротивление. В результате вихревой ток и потери мощности на нагрев магнитпровода уменьшаются.  Обмотки трансформаторов обычно выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения. Для лучшей магнитной связи между обмотками их стремятся расположить как можно ближе друг к другу. Обычно их распологают на одном стержне. Обмотки изолируют как от стержня магнитопровода, так и друг от друга. В качестве изоляции применяют электротехнический картон, специальную бумагу или ткань, пропитанную лаком.

 По расположению обмоток относительно друг от друга различают концентрические, изготовленные в виде цилиндров, и чередующиеся, 

когда  обмотки расположены друг за другом. В случае концентрической намотки обмоток первой наматывается обмотка низшего напряжения, а поверх нее размещается обмотка высшего напряжения.  По способу охлаждения трансформаторы делятся на сухие и маслянные. Сухие трансформаторы имеют естественное воздушное охлаждение, которое может быть ипользовано только для трансформаторов малой мощности. При увеличении мощности увеличивается нагрев обмоток. Чтобы обеспечить допустимую для изоляции температуру нагрева, применяют более интенсивные способы отвода тепла. Для этого магнитопровод с обмотками помещают в специальный бак, заполненный трансформаторным маслом. Масло является одновременно и охлаждающей и изолирующей средой. Интенсивность охлаждения обеспечивается как за счет большей по сравнению с воздухом теплопроводности масла, так и за счет того, что поверхность бака по сравнению с поверхностью тансформатора значительно больше. Этот способ охлаждения называется естественным маслянным охлаждением. В трансформаторах большой мощности применяют систему принудительного масляного охлаждения при котором масло специальными насосами прокачивается через специальные теплообменники, которые в свою очередь охлаждаются водой или воздухом.

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРОВ.

 

 Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции.  

 При подсоединении первичной обмотки трансформатора к источнику переменного напряжения с э.д.с. ₁ в ней возникает переменный ток, создающий в магнитном сердечнике переменный магнитный поток, который практически полностью локализован в железном сердечнике и, следовательно почти целиком пронизывает витки вторичной обмотки. Применение магнитопровода с большой магнитной проводимостью способствует увеличению магнитного потока и усилению электромагнитной связи между обмотками. Замыкаясь магнитный поток оказывается сцепленным как с первичной, так и вторичной обмотками.

 Изменение этого магнитного потока вызывает во вторичной обмотке появление э.д.с. взаимной индукции, а в первичной э.д.с. самоиндукции.

 Ток в первичной обмотке определяется по второму закону Кирхгофа :

е₁  + е_i1  = i₁R₁ ==>  е₁  - d(N₁ Ф) / dt = i₁R₁,

где R₁ - активное сопротивление первичной обмотки. Из-за малости R₁ падение напряжения I₁R₁ мало по сравнению с каждой из двух э.д.с. Поэтому

e₁   N₁ dФ/dt.

Во вторичной обмотке возникает э.д.с. взаимной индукции : e₂  = -N₂ dФ/dt.

Сравнивая две последние формулы мы можем найти э.д.с., возникающую во вторичной обмотке :

e₂  = -N₂ e₁/ N₁,

где знак  «минус», что э.д.с. в первичной и вторичной обмотках отличаются по фазе на 180⁰.

 Отношение вторичной э.д.с. к первичной называется коэффициентом трансформации трансформатора

:

k = e₂/e₁ = N₂/N₁

 

При незначительном активном сопротивлении источника. э.д.с. примерно равна напряжению в цепи. Э.д.с. вторичной обмотки при разомкнутой вторичной обмотке (то есть при отсутствии в ней тока и падения напряжения) равна напряжению на концах обмотки. Тогда

 

k = e₂/e₁ =u₂ /u₁ = N₂/N₁

 Коэффициент трансформации может быть определен на основании измерений напряжения на входе и выходе ненагруженного трансформатора.

 Коэффициент трансформации может быть как больше, так и меньше единицы.

 Если необходимо повысить напряжение источника питания, то число витков вторичной обмотки делают больше числа витков первичной обмотки. Такой трансформатор называется повышающим. Если напряжение надо понизить, то необходимо, чтобы число витков в первичной обмотке было больше, чем во вторичной обмотке. В этом случае трансформатор будет понижающим.

 Учитывая высокий к.п.д. трансформаторов, можно считать, что мощность потребляемая из сети примерно равна мощности отдаваемой нагрузке :

 

S1   S2 ===>   i1 u1   i2 u2 .

Отсюда следует _:  i1/i2 = u2 /u1.

Мы видим, что во сколько раз увеличивается напряжение во столько же раз уменьшается ток.

 По обмотке высшего напряжения проходит меньший ток, поэтому ее делают из провода соответственно меньшего сечения, но она имеет меньшее большее число витков. Обмотка низшего напряжения - с большим током - имеет большее сечение провода, но меньшее число витков. По сечению провода легко отличить обмотку высшего напряжения от обмотки низшего напряжения трансформатора.

 Если ко вторичной обмотке трансформатора подключены потребители, через которые замыкается цепь этой обмотки, то по ней проходит ток i_{2 ,}  направленный (по закону Ленца) противоположно току в первичной обмотке i₁ . 

 Эти токи создают в сердечнике трансформатора два противоположно направленных магнитных потока Ф₁ и Ф₂, которые вместе образуют общий магнитный поток

Ф = Ф₁ - Ф₂

  Этот общий поток и индуктирует э.д.с. в обмотках трансформатора. Поскольку Е₁ = U₁, а напряжение U₁, которое подводится от источника, обычно не изменяется, то и Е₁ почти всегда неизменна. Э.д.с. Е₁ индуктируется магнитным потоком Ф, который также вследствие этого должен быть постоянной величиной.

 Таким образом, величина общего потока в сердечнике трансформатора всегда постоянна. 

При холостом ходе трансформатора, когда i₂ = 0, магнитный поток Ф₂ также равен нулю. Общий поток Ф трансформатора равен потоку Ф₁.

Если же цепь вторичной обмотки замкнуть на потребитель, то возникший ток i₂ вторичной обмотки создаст, поток Ф₂, противоположный потоку Ф₁. Поток Ф₂ будет размагничивать сердечник трансформатора.

Так как общий поток  Ф = Ф₁ - Ф₂ не изменяется, то размагничивающее действие потока Ф₁ должно быть уравновешено увеличенным намагничивающим потоком Ф₁. Таким образом, всякое увеличение тока i₂ и его потока Ф₂ способствует увеличению потока Ф₁, до такой величины, чтобы разность этих потоков Ф₁ - Ф₂ была равна общему неизменному потоку трансформатора Ф.

Поскольку увеличение потока Ф₁ возможно только вследствие увеличения тока i₁, который создает этот поток, то всякое увеличение или уменьшение нагрузки (тока i₂) во вторичной обмотке трансформатора вызывает соответствующее увеличение или уменьшение тока i₁, в первичной обмотке трансформатора. Иногда это явление называют «саморегулированием» трансформатора. Оно основано на законе сохранения и преобразования энергии.

 РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

 

1.Номинальный режим, режим при номинальных значениях тока и напряжения первичной обмотки трансформатора.

2.Рабочий режим (основной режим), при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему, а ток определяется нагрузкой трансформатора.

3.Режим холостого хода - это режим ненагруженного трансформатора при котором цепь вторичной обмотки разомкнута или подключена к приемнику с очень большим сопротивлением, например, к вольтметру.

4.Режим короткого замыкания трансформатора, режим при котором его вторичная обмотка закорочена или подключена к приемнику с очень маленьким сопротивлением нагрузки, например к амперметру. Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как токи в первичной и вторичной обмотках возростают в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривается защита, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

 Режимы короткого замыкания и холостого хода возникают при аварийных ситуациях или специально создаются при испытании трансформаторов.

 

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ

 

 При работе трансформаторов возникают потери в ферромагнитном сердечнике при перемагничивании (потери в стали Р_ст) и электрические потери в обмотках (потери в меди Р_эл). Поэтому активная мощность потребляемая трансформатором из сети отличается от активной мощности отдаваемой трансформатором нагрузке.

 Отношение активной мощности отдаваемой трансформатором приемнику к активной мощности подведенной к трансформатору из сети называется его коэффициентом полезного действия.

 = Р₂ / Р₁ = Р₂ / (Р₂ + Р_ст + Р_эл).

К.П.Д. трансформаторов зависит так же от загруженности трансформатора и от характера нагрузки, то есть коэфициента мощности приемника.

Загрузка трансформатора в рабочем режиме оценивается коэффициентом

 = Р₂ /S_нcos  = I₂ / I_2н

где Р₂ - полезная мощность трансформатора; S_н - номинальная полная мощность; cos  - коэффициент мощности нагрузки; I₂ - ток во вторичной обмотке; I_2н - номинальный ток вторичной обмотки.

 Активная мощность отдаваемая трансформатором приемнику при любом характере нагрузки и произвольной загруженности определяется выражением:

P₂ = I₂U₂cos ₂ =  I₂U₂cos ₂ =  S_н cos ₂

 Потери в стали не зависят от нагрузки и загруженности трансформатора и равны потерям холостого хода. Потери в меди пропорциональны квадрату тока и определяются мощностью потребляемой трансформатором при опыте короткого замыкания. ( Р_к ). При произвольной нагрузке трансформатора потери в меди расчитываются с учетом загруженности трансформатора:

P_эл =  ² Р_к .

Поэтому в общем случае для произвольной нагрузки К.П.Д. трансформатора определяется:

 = S_н cos ₂ / (S_н cos ₂ + Р_ст + ² Р_к).

Потери в стали не зависят от нагрузки. Потери в меди увеличиваются одновременно с увеличением тока нагрузки. При небольших нагрузках преобладают индуктивные потери в стали, cos  трансформатора небольшой и работа его неэкономична. Следовательно, нужно стремиться к наиболее полной нагрузке трансформатора, так как при этом потери в меди хотя и увеличиваются, но по отношению ко всей мощности они будут составлять меньшую их часть. Поэтому при увеличении нагрузки к.п.д. трансформатора увеличивается.

К.П.Д. у мощных трансформаторов достигает 95 - 99 %, а у трансформаторов малой и средней мощности 70 - 90 %.

 

ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ.

 

 В линиях электропередач используются в основном трехфазные силовые трансформаторы. Иногда в цепях трехфазного тока используют три однофазных трансформатора. Однако применение трехфазных трансформаторов предпочтительнее, так как они меньше по размерам, чем три однофазных трансформатора и дешевле.

 Трехфазный трансформатор состоит из магнитопровода, имеющего три стержня и обмоток. На каждом стержне размещаются две обмотки одной фазы.

 

 Обмотки высшего и низшего напряжения каждой из фаз трансформатора размещают на стержне концентрически одна поверх другой. Обычно ближе к стержню распологают обмотку низшего напряжения. Обмотки изолированы друг от друга и от стержня. Обмотки наматываются в одну сторону, каждая из которых имеет условно начало и конец. 

Принято начала фаз обмоток высшего напряжения обозначать А,В,С, а их концы X, Y, Z. Начала фаз обмоток низшего напряжения обозначают а, b, c, а их концы x, y, z.

 Применяют главным образом три способа соединения обмоток трехфазного трансформатора: звездазвезда,  звезда-треугольник,  треугольник-звезда.

Соединение звездой обозначают :

            Соединение треугольником обозначают :                 

1). соединение первичных и вторичных обмоток  звездой () :

) :

) :

 Символ способа соединения обмоток высшего напряжения принято писать первым, между символами ставят наклонную черту.

 Иногда применяют соединение обмоток звездой с выведенной нулевой точкой.

 Трехфазные трансформаторы характеризуют двумя коэффициентами трансформации: фазным и линейным.

 Фазный коэффициент трансформации равен отношению числа витков фазы обмотки низшего напряжения к числу витков фазы обмотки высшего напряжения или отношению фазных напряжений этих обмоток при холостом ходе:

 

k_ф = N₂/N1 = U_ф2/U_ф1.

 Линейный коэффициент трансформации равен отношению линейных напряжений обмотки низшего напряжения к линейному напряжению обмотки высшего напряжения при холостом ходе: k_л =  U_л2/U_л1.

                        При соединении обмоток по схеме  :            k_л = U_л2/U_л1 =                          3 U_ф1 = k_ф.

            При соединении обмоток по схеме                 :               k_л = U_л2/U_л1 = U                = k /    3 .

            При соединении обмоток по схеме                         :                k_л = U_л2/U_л1 =  =

Таким образом, при одном и том же числе витков обмоток трансформатора можно в  3  раз увеличить или уменьшить его коэффициент трансформации, выбирая соответствующую схему соединения обмоток. 

 

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

 

1.Понижающие трансформаторы для переносных электроламп и работы электроинструментов.  По правилам техники безопасности для переносных светильников в условиях строительства допускается напряжение 36 В, а в местах особо опасных в отношении поражения электрическим током (туннели, шахты, металлические резервуары) не более 12 В.

 Для питания таких светильников выпускаются специальные переносные трансформаторы, однофазные, малых размеров с вторичным напряжением 36 В и 12 В, с мощностью 50 - 250 ВА. Первичная их обмотка включается в сеть напряжением 220 В или 380В.

 Электроинструменты рекомендуется по соображениям техники безопасности применять на напряжение 36 В.

 При необходимых мерах предосторожности (работа в резиновых перчатках) допускаются также инструменты работающие на напряжении 127 В и 220 В.

 Для питания электроинструментов промышленностью выпускаются переносные трехфазные понижающие трансформаторы, включаемые в сеть 380 В, мощностью 0,5 - 2,5кВА. Они понижают напряжение до 36В, 133 В и 230 В.

2.Трансформаторы для электропрогрева бетона.

 При бетонных и железобетонных работах в зимнее время, как правило, применяют электропрогрев - нагревание бетона переменным электрическим током. Для этого прогреваемая бетонная конструкция включается в цепь тока как сопротивление и внутри самого бетона электрическая энергия преобразуется в тепловую. Цель электропрогрева - ускорить затвердевание бетона, получить требуемую его прочность в короткие сроки и предотвратить его замерзание. По мере затвердевания свежеуложенного бетона его электросопротивление увеличивается. Всвязи с этим, для того чтобы поддерживать необходимую величину тока в цепи электропрогрева, приходится постепенно повышать напряжение. Обычно в начальной стадии прогрев ведут при напряжении 50 В - 60 В, а к концу его увеличивают до 100 В.

 Для электропрогрева выпускаются специальные понижающие трансформаторы небольшой мощности ( до 100 кВА ). Эти трансформаторы включаются в сеть 380 В и на выводах вторичной обмотки могут обеспечить несколько ступеней понижения напряжения. Изменяют вторичное пониженное напряжение специальным переключателем, расположенном на крышке трансформатора, а также перестановкой планок на выводах вторичной обмотки. Изменение положения переключателя изменяет колическтво включенных витков первичной обмотки, меняя тем самым соотношение витков вторичной и первичной обмоток и соответственно коэффициент трансформации. Перестановка планок изменяет схему соединения фаз вторичной обмотки с треугольника на звезду, что дает увеличение линейного напряжения в 1,73 раза. 

 Например в трехфазном трансформаторе с маслянным охлаждением и мощностью 50 кВА существует  такой ряд напряжений: 19 В, 60 В, 71В, 103 В, 121 В.

 Промышленность выпускает также для электропрогрева бетона передвижные установки мощностью 60 кВА, состоящие из трех однофазных трансформаторов с маслянным охлаждением и распределительного щита. Включают их в сеть 380 В. При различных соединениях обмоток трех трансформаторов установка может давать понижение напряжения до 51 В, 88 В, 102 В, 176 В.

 

3.Сварочные тансформаторы.

 Как правило такие трансформаторы выполняются однофазными с воздушным охлаждением. Со стороны высшего напряжения могут быть включены в сеть 380 В или 220 В, а на низкой стороне они дают напряжение 60 В - 65 В. Такое напряжение на зажимах вторичной обмотки устанавливается при холостом ходе. В процессе сварки это напряжение колеблется от максимального значения, до значений близких к нулю. Сварочные трансформаторы выдерживают короткое замыкание возникающее в случае прикосновения электрода к сварочному шву. Вторичная обмотка трансформатора расчитана на длительное протекание тока короткого замыкания. Сварочные трансформаторы при заданной мощности должны создавать большие токи в нагрузке, причем резкое изменение сопротивления нагрузки не должно существенно сказываться на значении сварочного тока.

 Относительно невысокое напряжение при больших токах обеспечивают не только эффективное тепловыделение в сварочном контакте, но и безопасность сварщика, работающего обычно с металлоконструкциями обладающими высокой электропроводностью.

 Для устойчивого горения дуги в сварочную цепь необходимо включение индуктивного сопротивления. Благодаря этому ограничивается ток короткого замыкания. В связи с этим сварочные трансформаторы выпускаются или в комплекте с отдельной дроссельной катушкой - регулятором. или с регулятором встроенным в корпус трансформатора. Регулятор включается последовательно с вторичной обмоткой трансформатора. Регулятор представляет собой индуктивную катушку со стальным сердечником (дроссель). Сердечник - магнитопровод дросселя имеет воздушный зазор, ширина которого может изменяться путем передвижения подвижной части сердечника при вращении рукоятки регулятора. Изменение воздушного зазора меняет индйктивное сопротивление дросселя и тем самым регулирует - увеличивает или уменьшает сварочный ток. Такие трансформаторы имеют обычно мощность примерно равную 30 кВА при сварочном токе до 500 А.

 Имеются конструкции сварочных трансформаторов с регулятором (регулируемым дросселем), встроенном в корпус трансформатора.

 Своеобразной конструкцией обладают сварочные трансформаторы с подвижными обмотками. Первичная их обмотка, расположенная на одном стержне со вторичной, может премещаться относительно нее. Регулирование сварочного тока в этих трансформаторах осуществляется изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. При удалении обмоток одной от другой увеличивается их индуктивное сопротивление и соответственно сокращается сварочный ток. Отдельного регулятора (дросселя) не требуется.

 Иногда в сварочные трансформаторы встраивают конденсаторы, обеспечивающие повышение коэффициента мощности при его работе.

 

4.Измерительные трансформаторы. 

В цепь высокого напряжения электроизмерительные приборы включать непосредственно нельзя, так как прикасаться к ним опасно. Нельзя также непосредственно измерять большие токи; в этом случае токопроводящие части приборов были бы очень громоздкими. Пользуясь специальными измерительными трансформаторами, можно применять для измерения высоких напряжений и больших токов обычные приборы низкого напряжения и малого тока.

По правилам безопасности, необходимо обязательно заземлить низковольтную обмотку измерительных трансформаторов, так как при повреждении изоляции между обмотками низкого и высокого напряжения приборы будут находиться под опасным для человека высоким напряжением.

Измерительные трансформаторы напряжения. Измерительные трансформаторы напряжения - обычные понижающие трансформаторы. От силовых они отличаются только небольшой мощностью (30 -  500 ВА), вполне достаточной для питания обмоток вольтметров, а также обмоток напряжения счетчиков, ваттметров и других приборов. Напряжение вторичных обмоток, всех измерительных трансформаторов напряжения равно 100 В. Коэффициент трансформации этих трансформаторов записывают так: 6000/100, 10000/100 и так далее.

Чтобы определить первичное напряжение, показания вольтметра, включенного во вторичную цепь трансформатора, нужно умножить, на коэффициент трансформации. Часто на шкале вольтметра обозначают сразу высокое - первичное - напряжение с учетом коэффициента трансформации. На шкале таких вольтметров имеется соответствующая надпись: «С тр. напр. 10000/100 В».

Измерительные трансформаторы тока. Первичную обмотку трансформатора тока, состоящую из одного или нескольких витков толстого изолированного провода, включают в цепь, ток которой необходимо измерить. К зажимам вторичной обмотки, имеющей большое число витков тонкого провода, включают амперметр или токовые обмотки счетчика, ваттметра и других приборов. Номинальный ток вторичных обмоток всех трансформаторов тока 5 А.                      Как и в трансформаторе напряжения, коэффициент трансформации трансформатора тока обозначают дробью, числитель которой показывает первичный (большой) ток, а знаменатель - вторичный ток  5 А, Например: 50/5; 300/5 и так далее.

Чтобы амперметр, включенной, во вторичную обмотку трансформатора тока, показывал измеряемый первичный ток, на шкале  отмечают сразу первичный ток с учетом его коэффициента трансформации.

Амперметр с такой градуировкой имеет специальную надпись на шкале: «С тр. тока 100/5 А».         

Если вторичную обмотку трансформатора тока, имеющего большое число витков, разомкнуть, то на ее выводах возникнет большое напряжение, опасное и для приборов, и для людей, которые случайно могут коснуться концов этой обмотки. Поэтому вторичная обмотка всех трансформаторов тока должна быть или включена на приборы, или закорочена.

ЛЕКЦИЯ № 7 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

 

 К         электрическим            машинам        относятся        электромашинные      генераторы,             электродвигатели       и преобразователи.

  Электрические машины, действие которых основано на электромагнитных явлениях и которые служат для преобразования механической энергии в электрическую называются электромашинными генераторами.

 Электрические машины, действие которых основано на электромагнитных явлениях и которые служат для преобразования электрической энергии в механическую называются электродвигателями.

 Преобразователями называются электрические машины служащие для преобразования электрической энергии одних параметров в другие. Преобразовываться могут род тока, частота, напряжение число фаз.

 Электрические машины обладают свойством обратимости, то есть могут работать генераторами если их вращать каким-либо двигателем и могут использоваться как электродвигатели, если к ним подводить электроэнергию.

 Электрические машины подразделяются на машины переменного и постоянного тока.

 Электрические машины переменного тока в свою очередь подразделяются на синхронные, асинхронные и коллекторные.

 Из машин переменного тока наибольшее распространение получили трехфазные асинхронные двигатели и синхронные генераторы переменного трехфазного тока.

 Электрические машины постоянного тока представляют собой сочетание машин переменного тока с механическим выпрямителем (коллектором), который преобразует переменный ток в постоянный. Электрические машины постоянного тока также имеют ограниченное применение вследствие их более высокой стоимости и сложности техобслуживания по сравнению с машинами переменного тока.

 

 

АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

 

 Работа асинхронного двигателя основана на явлении, названном «диск Араго—Ленца». Это явление заключается в следующем: если перед полюсами постоянного магнита поместить медный диск (1), свободно сидящий на оси (2), и начать вращать магнит вокруг его оси с помощью рукоятки (3), то медный диск будет вращаться в том же направлении. 

 

 

 

 

Это объясняется тем, что при вращении магнита его магнитное поле пронизывает диск и индуцирует в нем вихревые токи. В результате взаимодействия вихревых токов с магнитным полем магнита возникает сила, приводящая диск во вращение. На основании закона Ленца направление всякого индуцированного тока таково, что оно противодействует причине, его вызвавшей. Поэтому вихревые токи стремятся задержать вращение магнита, но не имея возможности сделать это, приводят диск во вращение таким образом, что он следует за магнитом. При этом частота вращения диска всегда меньше частоты вращения магнита. Если бы их частоты почему-либо стали одинаковыми, то магнитное поле не перемещалось бы относительно диска и, следовательно, в нем не возникали бы вихревые токи, то есть не было бы силы, под воздействием которой диск вращается.

 В асинхронных двигателях постоянное магнитное поле заменено вращающимся магнитным полем, создаваемым трехфазной системой переменного тока.

 Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на явлении вращающегося магнитного поля.

 Вращающимся называется магнитное поле, вектор магнитной индукции которого вращается с постоянной угловой скоростью. При этом модуль вектора магнитной индукции остается постоянным.  Опытным путем было установлено, что если три катушки из провода расположить в пространстве под углом 120⁰ друг к другу и пропустить по ним переменный трехфазный ток, то в пространстве между катушками магнитное поле будет вращаться с угловой скоростью, зависящей от частоты переменного трехфазного тока.

 Рассмотрим три одинаковые катушки из провода, расположенные таким образом, чтобы их оси пересекались под углом 120⁰. На рисунке каждую катушку схематически будем изображать в виде одного витка. Катушки будем изображать в поперечном разрезе.

 

Начала катушек присоединены к трем линейным проводам и обозначены буквами A,B,C. Концы катушек обозначены X, Y, Z и соединены в одной точке, то есть катушки соединены звездой.

 Графики токов проходящих по катушкам имеют представлены на рисунке. Мгновенные значения токов положительного направления расположены выше оси времени, а отрицательные то есть противоположного, ниже оси времени.

 Проанализируем направление суммарного магнитного поля катушек в несколько последовательных моментов времени.

 На рисунке при положительном направлении тока на начале катушки стоит  “ + “, а на конце катушки стоит “ . “. При отрицательном направлении тока в катушке обозначения обратные: на начале катушки стоит “ .”, а на конце “ + “.

 

 

 Направление силовых линий суммарного магнитного поля катушек определяется по правилу буравчика.

 Выберем три последовательных момента времени:

1  => A = 0, B < 0, C > 0; 2 => C = 0, A > 0, B < 0; 3 => B = 0, A > 0, c < 0.

 В момент времени 1 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:

 

 

 

 В момент времени 2 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:

 

 

В момент времени 3 распределение токов и направление суммарного магнитного поля имеет следующий вид:

 

 

 

Сравнивая эти рисунки мы видим, что магнитное поле в пространстве между катушками повернулось против часовой стрелки на 120⁰. Аналогично рассмотрев направления токов в катушках в другие моменты времени можно увидеть, магнитное поле поворачивается на 360⁰.

 Из этих рисунков видно, что у результирующего поля имеется два полюса.

 Вращающееся магнитное поле создаваемое тремя катушками называется двухполюсным.

Частота его вращения равна частоте трехфазного тока, который образует это поле. При частоте тока 50 Гц двухполюсное поле вращается с частотой 50 об/с или 3000 об/мин.

 Вращающееся магнитное поле может быть двух-, четырех-, шести- и так далее полюсным. Это достигается увеличением числа катушек в каждой фазе. Катушки в каждой фазе включаются последовательно. При шести катушках (по две в каждой фазе) получается четырехполюсное магнитное поле. Частота вращения будет в этом случае 1500 об/мин.  Чачтота вращения магнитного поля определяется:

 

n = 60f/p,

 

где n - частота вращения в об/мин; f - частота трехфазного переменного тока; p - число пар полюсов.  Частота вращения многополюсного магнитного поля относительно обмоток статора, называется синхронной частотой.

 

УСТРОЙСТВО АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

 

 Асинхронный электродвигатель состоит из неподвижной (статора) и вращающейся (ротора - 3) частей, а также подшипников (4)  и щитка для подвода электрической энергии (5).

 Основными деталями статора являются корпус (1) и сердечник с обмоткой (2). Корпус отливают из алюминия (для маломощных двигателей) или из чугуна. Сердечник статора представляет собой полый цилииндр, набранный из стальных пластин, имеющих вид кольца и изолированных друг от друга лаком. Они образуют неподвижную часть магнитопровода. Пластины стягиваются болтами. Выполнение магнитопровода из отдельных пластин уменьшает потери мощности в стали, вызываемые вихревыми токами.

 Стальной сердечник магнитопровода статора закрепляется в стальном или алюминиевом корпусе, охватывающим его со всех сторон. С торцов сердечник магнитпровода закрывается крышками в которых имеются места для подшипников.

 

 

 

При штамповке стальных пластин на внутренней их стороне делают выступы различной формы. В результате при сборке на внутренней поверхности цилиндра статора получаются пазы, направленные вдоль образующей цилиндра.

 В пазы закладывают обмотку статора, которая у трехфазных асинхронных двигателей состоит из трех фазных обмоток, смещенных по окружности цилиндра друг относительно друга на 120⁰.

 Начала и концы фазных обмоток выводят внаружу и присоединяются к зажимам специального щитка.  Выводы обмоток маркируются следующим образом:

 

 

С1	С2	С3
С6	С4	С5

 

Эти обозначения расшифровываются следующим образом:

 

Фаза	Начало обмотки	Конец обмотки
А	С1	С4
B	С2	С5
С	С3	С6

 

Такое расположение выводов обмоток позволяет легко соединять с помощью специальных пластин обмотки статора звездой или треугольником.

 

 

 

Пересоединение обмотки статора позволяет использовать один и тот же двигатель при двух напряжениях. Например, если двигатель расчитан на работу при соединении обмоток статора звездой при 380 В, то он может развивать ту же мощность при тех же оборотах при напряжении 220 В при соединении обмоток статора треугольником.

 Внутри статора помещается вращающаяся часть электродвигателя - ротор.

 Ротор асинхронного двигателя также набирают из стальных штампованных листов в форме дисков. Насаженные на вал они образуют ротор имеющий форму цилиндра. По окружности диска выштамповывают отверстия, образующие при сборке ротора пазы в которые закладывают обмотку ротора.

 По конструктивному исполнению обмотки ротора асинхронные двигатели подразделяют на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.

 Короткозамкнутая обмотка ротора образуется медными или латунными неизолированными стержнями, помещенными в пазы ротора. По торцам стержни соединяют медными короткозамыкающими кольцами. Такая короткозамкнутая обмотка отдельно от ротора имеет вид клетки, называемой «беличьим колесом».

 

 

 

 

Обмотку фазного ротора выполняют из изолированных проводников. В пазы ротора укладывают три фазные обмотки сдвинутые в пространстве на 120⁰. Обмотка ротора получается такой же как  и обмотка статора.

 Фазные обмотки ротора соединяют звездой, при этом их начала соединяют с контактными кольцами, насаженными на вал и изолированными как от вала, таки друг от друга. Контактные кольца вращаются вместе с валом. По ним скользят неподвижные графитовые щетки. Такое устройство  позволяет обмотки замкнуть накоротко или подключить к обмоткам ротора пусковые трехфазные реостаты, которые позволяют снизитьвеличину пускового тока.

 На схемах асинхронные двигатели изображают такими стандартными обозначениями:

 

с короткозамкнутым ротором	с фазным ротором

 

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

 

 При включении двигателя в сеть трехфазного переменного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или обмотки ротора.  При этом согласно закону электромагнитной индукции в обмотке ротора индуктируется э.д.с., пропорциональная скорости пересечения силовых линий.

 Под действием индуктированной э.д.с. в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи.

 В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем возникает сила, действующая на проводники ротора (закон Ампера), направление которой определяется по правилу левой руки (если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входил вектор магнитной индукции, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на ток).

Эта сила создает момент силы, вызывающий вращение ротора в направлении вращения магнитного поля статора. Этот момент силы также называется вращающим моментом.

 Частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

 По этой причине эти электродвигатели называются асинхронными.

 Ротор не может вращаться синхронно с магнитным полем, так как при совпадении частот не будет относительного движения магнитного поля и ротора, вследствие чего ротор не будет пересекаться полем, в нем не будет наводится ток и, следовательно исчезнет вращающий момент.

 Разность частот вращения поля статора и ротора отнесенная к частоте вращения магнитного поля статора называется скольжением. Скольжение показывает на сколько частота вращения ротора отстает от вращающегося магнитного поля. s = 100%(n₁ - n₂)/n₁

где n₁- частота вращения магнитного поля; n₂ - частота вращения ротора. В начальный момент включения электродвигателя частота вращения ротора n₂ = 0 и s = 1. 

 У выпускаемых промышленностью электродвигателей при полной нагрузке скольжение колеблется от 2% до 12%.

 

ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ.

 

 Для определения пригодности электродвигателя для работы в качестве привода различных механизмов необходимо знать вращающий момент этого двигателя и характер его изменения.

 Вращающий момент электродвигателя возникает в результате взаимодействия токов протекающих по обмотке ротора с вращающимся магнитным полем статора.

 Вращающий момент асинхронного электродвигателя определяется следующей формулой:

 

M = kФI_ротcos _рот

где M - вращающий момент (Нм); Ф - вращающийся магнитный поток (Вб); I_рот - ток в обмотке ротора; k - константа, зависящая от конструкции электродвигателя; cos _рот - косинус угла сдвига фаз между током и э.д.с. в обмотке ротора.

 Таким образом, вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален величине вращающегося магнитного потока, пронизывающего ротор, и активной составляющей тока ротора. Магнитный поток двигателя величиной постоянной для данного двигателя. Переменной величиной является ток ротора, зависящий в свою очередь от скольжения. Вращающий момент асинхронного двигателя приближенно может быть выражен формулой:

 

M = 2M_кр/(s/s_кр + s_кр/s),

 

где s - скольжение электродвигателя; M_кр -максимальный момент электродвигателя, называемый критическим; s_кр - критическое скольжение электродвигателя, соответствующее критическому моменту.

 Эта формула следует из анализа схемы замещения асинхронного электродвигателя.

 Критическое скольжение можно определить по приближенной формуле:

 

sкр = Rрот/(xст + xрот),

 

где R_рот - активное сопротивление обмотки ротора; x_ст  и  x_рот - реактивные сопротивления обмоток статора и ротора.

 Зависимость вращающего момента от скольжения имеет вид:

 

 

 Кривую можно условно разделить на два участка: ОА и АВ. Участок ОА соответствует устойчивым режимам работы асинхронного двигателя: с увеличением момента нагрузки скорость вращения двигателя замедляется, скольжение увеличивается, и как видно из графика, возростает вращающий момент.

 Новое положение равновесия достигается. когда вращающий момент становится равным тормозному.

 При этом двигатель устойчиво вращается с уменьшенной скоростью.

 Участок АВ соответствует неустойчивым режимам работы двигателя.

 С увеличением момента нагрузки скольжение увеличивается, вращающий момент уменьшается, скольжение возростает еще больше.

 Двигатель останавливается и начинает быстро нагреваться, так как при s = 1 его пусковой ток в 6 - 7 раз превышает номинальное значение.

 Максимальный момент двигателя (М_кр)   называется опрокидывающим.

 Двигатель может работать только на устойчивой части характеристики.

 Для практических целей вращающий момент электродвигателя определяют исходя из его мощности и скорости вращения.

 Для этого служит следующее соотношение:

M = 9550P/n  (Нм)

где P - мощность двигателя в кВт; n - скорость вращения в об/мин.

 

МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

 Зависимость скорости вращения двигателя от момента на валу при постоянных напряжении питания и частоте сети называют механической характеристикой.

 Механическая характеристика асинхронного двигателя имеет вид:

 

 

 Механическая характеристика снимается экспериментально или

 На этом графике можно отметить максимальный критический момент; пусковой момент (при пуске двигателя, то есть при n₂ = 0); номинальный момент, соответствующий номинальному режиму.  Номинальные технические параметры расчитываются из условия допустимой температуры нагрева двигателя и электрической прочности, ограничиваемых стойкостью изоляции проводников обмоток.  строится на основании графика  M(s).

 С увеличением момента нагрузки скорость вращения двигателя уменьшается незначительно. Если момент нагрузки превысит максимальный, то скорость вращения двигателя лавинообразно уменьшиться до нуля.

 Скорость вращения асинхронного двигателя зависит от напряжения питания. Вращающий момент пропорционален квадрату напряжения питания. Поэтому даже небольшие колебания напряжения питания приводят к заметному изменению вращающего момента и скорости вращения двигателя.  При увеличении вращательного момента от нуля до максимального значения скорость двигателя уменьшается незначительно.

 Такая механическая характеристика называется жесткой.

 При перегрузке свыше мсаксимального момента двигатель работает в области неустойчивого режима и может остановиться, если тормозящий момент превышает вращающий момент создаваемый двигателем.

 Механическая характеристика, относящаяся к нормальным рабочим условиям работы двигателя, называется естественной механической характеристикой.

 

ЛЕКЦИЯ № 8 

 

ПУСК АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

 

Двигатель с короткозамкнутым ротором. Для двигателей с короткозамкнутым ротором обычно применяют прямое включение в сеть обмотки статора с помощью соответствующей коммутационной аппаратуры. Кратковременный толчок пускового тока (I_п = 4  7 I_н  ) безопасен для двигателя, но может явиться причиной чрезмерно большого падения напряжения в сети при недостаточной мощности источника энергии (обычно трансформатора). В этих случаях ограничивают пусковой ток пуском двигателя при пониженном напряжении.

Напряжение в период пуска двигателя понижают:

1).используя в период пуска соединение обмотки статора звездой с последующим переключением ее на треугольник;

2).включая в цепь обмотки статора на период пуски добавочные активные или реактивные сопротивления {реакторы); 

3).подключая двигатель к сети через понижающий автотрансформатор.

Общий недостаток всех способов - значительное уменьшение пускового и максимального моментов двигателя, пропорциональных квадрату приложенного напряжения.

В тех случаях, когда требуются большие значения пускового момента. Применяется ротор с двойной клеткой, причем разных клеток могут чередоваться. Короткозамыкающие кольца в случае литых двойных клеток выполняются общими для обеих клеток. В ряде случаев обмотка двухклеточного двигателя выполняется из латуни или специальной бронзы, благодаря чему обеспечивается относительно большее ее активное сопротивление. Эта обмотка выполняет функции пусковой в асинхронном двигателе. Другая обмотка ротора - внутренняя - изготавливается изготавливается из меди с минимальным активным сопротивлением. Она выполняет функции основной рабочей обмотки двигателя. Обе обмотки могут иметь круглые пазы, однако внутренняя обмотка в ряде случаев выполняется прямоугольной или овальной формы. Короткозамыкающие торцевые кольца для обеих обмоток обычно изготавливаются из меди.

Двигатель с фазным ротором. Хорошими пусковыми характеристиками обладает двигатель с фазным ротором. Для снижения пускового тока обмотки ротора при пуске замыкают на активное сопротивление  пускового реостата. 

 

При этом уменьшается ток ротора, а следовательно, и ток статора. В то же время активная составляющая тока ротора возрастает, увеличивая пусковой момент. В пусковом реостате обычно имеется несколько ступеней, которые последовательно выводятся во время пуска вплоть до замыкания обмотки ротора накоротко. Длительная работа с добавочным сопротивлением в цепи ротора неэкономична.

 

РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ.

 

 Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей производят несколькими способами.  Скорость вращения асинхронного двигателя расчитывается по формуле:

 

n = 60f(1 - s)/p  (об/мин)

 

s - скольжение в долях единицы.

 Из этой формулы видно, что скорость можно регулировать изменением: 

- частоты переменного тока; - числа пар полюсов; - скольжения.

 Регулирование скорости изменением величины скольжения асинхронного электродвигателя ввозможно двумя способами:

1). введением в цепь ротора дополнительного сопротивления, что возможно для двигателя с фазным ротором.

2). изменением реактивных сопротивлений, включаемых в обмотку статора.

 Регулирование скорости вращения двигателя с фазным ротором введением в его цепь дополнительного сопротивления позволяет уменьшить его скорость не более, чем на 40 - 50% номинальной скорости.  При таком регулировании с увеличением сопротивления реостата увеличивается величина скольжения, то есть уменьшается скорость вращения двигателя.

 В этом случае схема регулирования сходна со схемой пуска асинхронного двигателя с фазным ротором с той разницей, что регулировочный реостат должен быть расчитан на длительную нагрузку током.  Регулирование скорости вращения с помощью добавочного сопротивления в цепи ротора приводит к неустойчивой работе электродвигателя на малых оборотах, так как при этом приходится включать большие сопротивления, что приводит к значительным колебаниям скорости при небольших изменениях момента сопротивления нагрузки.

 Этот способ неэкономичен, так как увеличивает потери в роторной цепи.

 Такой способ регулирования скорости вращения асинхронных электродвигателей применяют в тех случаях, когда работа двигателя с пониженной скоростью непродолжительна и когда не требуется большой точности регулировки (например подьемно-транспротные механизмы).

 Регулирование скорости двигателе при помощи дросселей состоит в том, что в цепь статора электродвигателя включают реактивные сопротивления с переменной индуктивностью.

 Изменение индуктивности реактивных сопротивлений (дросселей) осуществляется пропусканием постоянного тока различной величины через обмотку управления дросселями.

 Изменяемое индуктивное сопротивление в цепи статора позволяет получить на зажимах электродвигателя различное напряжение, чем достигается изменение скольжения, то есть скорости вращения ротора.

 Достоинством этого способа является плавное регулирования скорости вращения электродвигателя. К недостаткам относится следующее: значительное уменьшение максимального вращающего момента, а так же уменьшение коэффициента мощности.

 Регулирование скорости вращения за счет изменения числа пар полюсов осуществляется переключением обмоток статора и является ступенчатым.

 Для этих целей применяют специально выпускаемые многоскоростные двигатели ( на 2, 3 и 4 скорости).

 

 

 

 Двухскоростные двигатели имеют 6, трехскоростные  - 9 и четырехскоростные - 12 выводов к переключателю полюсов.

 Регулирование скорости вращения двигателей изменением частоты тока требует применения специального источника переменного тока с изменяемой частотой. Такие источники питания представляют собой тиристорные преобразователи частоты с регулируемой частотой.

 При эксплуатации двигателей нередко возникает необходимость их торможения. Торможение двигателя может быть механическим и электрическим.

 При механическом торможении электромагнит или пружины воздействуют через тормозные колодки на шкив, закрепленный на валу двигателя.

 При электрическом торможении используют режим противовключения, когда у работающего двигателя переключением двух фаз (реверсирование) меняется направление вращения поля или режим динамического торможения, когда после отключения двигателя от сети в обмотку статора кратковременно подается постоянный ток.

 

 

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

 

Однофазные асинхронные электродвигатели. Особенностью однофазного двигателя является отсутствие начального, или пускового, момента, то есть при включении такого двигателя в сеть ротор его будет оставаться неподвижным. Если же под действием какой-либо внешней силы вывести ротор из состояния покоя, то двигатель будет развивать вращающий момент. Отсутствие. начального вращающего момента является существенным недостатком однофазных асинхронных двигателей, поэтому их всегда снабжают пусковыми устройствами.

В однофазных асинхронных двигателях мощностью до 1-2 кВт имеется две обмотки  рабочая  и пусковая, сдвинутые на 90⁰.  Обе обмотки питаются от сети однофазного тока. Для создания вращающегося магнитного поля через пусковую обмотку должен проходить ток со сдвигом по фазе на 90° по отношению к току  рабочей обмотки. Это достигается включением в цепь пусковой обмотки фазосдвигающего элемента: активного сопротивления или емкости.

После запуска двигателя пусковая обмотка отключается. Движение поддерживается пульсирующим полем рабочей обмотки.

 

 

 

 

 В качестве однофазного асинхронного двигателя может быть использован трехфазный двигатель с отсоединенной одной из фаз статора. Мощность, развиваемая таким электродвигателем при однофазном включении состовляет 50 - 60 % номинальной мощности двигателя при трехфазной схеме включения.

 

Конденсаторные двигатели. В конденсаторном двигателе во время работы включены обе обмотки. Необходимый сдвиг по фазе между токами создается включением последовательно одной из них рабочей емкости С_раб, причем при пуске желательно иметь несколько большую емкость, что достигается включением С_п. После разгона и снижения тока пусковую емкость отключают, что позволяет улучшить условия работы двигателя в номинальном режиме. Мощности конденсаторных двигателей невелики (до 1,5 кВт).

 

 

 

Асинхронные двигатели небольшой мощности (до 600 Вт) применяют в автоматических устройствах и электробытовых приборах. Обычно используют однофазные микродвигатели. Для этих двигателей характерны повышенное (по сравнению с обычными двигателями) сопротивление обмотки ротора и соответственно работа с повышенным скольжением.

В устройствах автоматики используют асинхронные исполнительные двигатели и асинхронные тахогенераторы.

 

Исполнительные двигатели.  Исполнительные двигатели служат для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение вала. Частота вращения таких двигателей должна плавно изменяться под воздействием сигнала управления. Исполнительные двигатели не допускают самохода (при снятии сигнала управления ротор останавливается), имеют линейные механические и регулировочные характеристики, высокое быстродействие, бесшумны.

 

Асинхронные тахогенераторы.  Асинхронные тахогенераторы преобразуют механическое вращение в электрический сигнал. Их применяют для измерения частоты вращения, выработки ускоряющих и замедляющих сигналов, выполнения операций дифференцирования и интегрирования в схемах счетнорешающих устройств.

 

Линейные асинхронные двигатели.  Линейные асинхронные двигатели применяют в тех случаях, когда требуется линейное перемещение подвижной части исполнительного устройства. Их принцип действия основан на способности многофазной системы токов создавать «бегущее» магнитное поле. Такое поле создается токами трехфазной обмотки, уложенной в прямолинейный статор. Параллельно статору располагают подвижную часть двигателя - магнитопровод, в пазы которого заложены алюминиевые или медные стержни короткозамкнутой обмотки. Взаимодействие бегущего магнитного поля с токами, наводимыми в этой обмотке, создает электромагнитные силы, увлекающие подвижную часть двигателя за собой.

Подвижной частью такого двигателя может быть электропроводящая жидкость (жидкие металлы, электролиты), которая заполняет канал между двумя статорами с трехфазной обмоткой. Такие устройства называются магнитогидродинамическими насосами.

Использование линейных двигателей позволяет исключить в механических устройствах кинематические звенья для преобразования вршцагельного движении в поступательное.

 

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Синхронные машины, используют в качестве генераторов и двигателей. Все генераторы переменного тока - это синхронные машины. Синхронные двигатели применяют реже асинхронных и только в тех случаях, когда при заданной мощности и режиме работы они оказываются экономичнее, чем асинхронные.,

Синхронные машины, так же как и асинхронные, состоят из статора и ротора.. В пазах статора подобно тому, как это сделано у асинхронного двигателя, уложена трехфазная силовая обмотка. На роторе  размещена обмотка возбуждения . Она соединена через кольца  и щетки  с источником постоянного тока. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3 - 3 % от номинальной мощности синхронной машины.

Постоянный магнитный поток, создаваемый током ротора, замыкается через сталь ротора, воздушные зазоры и сердечник статора. Если ротор вращается, то создается вращающееся магнитное поле. Пересекая проводники фазных обмоток статора, это поле наводит в них переменную э.д.с...

Частота вращения ротора поддерживается постоянной, поэтому изменение э.д.с. во времени определяется только распределением магнитной индукции вдоль окружности ротора. Это распределение носит синусоидальный характер, поэтому и в фазных обмотках статора индуцируются синусоидальные э.д.с., сдвинутые по фазе одна относительно другой на одну треть периода (120⁰ ). Если на роторе р пар полюсов, то за один его оборот p раз изменяется э.д.с. и частота этого изменения:

 

 f = pn/60. 

 

Для получения частоты 50 Гц двухполюсный генератор (р=1) должен делать 3000об/мин.

При подключении обмотки статора к трехфазной нагрузке проходящий по ней ток создает вращающее магнитное поле с частотой вращения, равной частоте вращения ротора.

Суммарное магнитное поле вращается с той же частотой, с какой вращается ротор. Поэтому машина называется синхронной.

Обмотка возбуждения генератора через кольца и щетки получает питание либо от генератора постоянного тока (возбудителя), связанного с ротором синхронного генератора, либо от выпрямителей, подключаемых к сети. Для мощных синхронных генераторов применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. В этой системе в качестве возбудителя используют специальный синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе машины, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. При этом в цепи обмотки генератора отсутствуют скользящие контакты, что повышает надежность системы.

Устройство синхронных двигателей аналогично устройству трехфазного синхронного генератора. Трехфазную статорную обмотку подключают к сети трехфазного переменного тока, а в обмотку возбуждения подают постоянный ток.

Частота вращения ротора синхронного двигателя равна частоте вращения магнитного поля, то есть не зависит от нагрузки, то есть двигатель имеет абсолютно жесткую механическую характеристику.

Для разгона синхронного двигателя применяют асинхронный пуск. Для этого на роторе имеется специальная короткозамкнутая пусковая обмотка: медные или латунные стержни, заложенные в полюсные наконечники и замкнутые накоротко торцевыми кольцами. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, в обмотку возбуждения подается постоянный ток и ротор начинает вращаться с синхронной частотой.

Достоинством синхронных двигателей помимо абсолютно жесткой механической характеристики является их способность работать с cos  = 1 и даже с опережающим током, то есть генерировать реактивную мощность. Для этого увеличивают возбуждение двигателей.

Применение синхронных двигателей позволяет повысить cos  в системе и тем самым снизить потери при передаче электроэнергии.

Для повышения cos в системе применяют также синхронные компенсаторы - перевозбужденные синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие вхолостую.

Основным недостатком синхронных двигателей является потребление от источника как переменного. Так и постоянного тока.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

 Схема машины постоянного тока, показанная ниже на рисунке, поясняет принцип работы генератора и двигателя постоянного тока. 

 

 

 

 На схеме показан один виток обмотки якоря и простейший коллектор в виде двух изолированных полуколец. При положении переключателя П в позиции 1 и вращении якоря в последнем наводится э.д.с., направление которой определяется по правилу правой руки. В цепи нагрузки R будет протекать ток, совпадающий по направлению с э.д.с.. При такой схеме машина работает в режиме генератора. При положении переключателя П в позиции 2 (первичный двигатель отключен) в якоре будет протекать ток, направление которого противоположно ранее рассмотренному. Взаимодействие тока якоря и магнитного поля вызовет появление вращающего момента. Якорь при этом будет вращаться в том же направлении, как и ранее, однако машина перейдет в режим работы электродвигателя. В обмотке якоря электродвигателя также наводится э.д.с., которая имеет направление, противоположное направлению тока якоря, и поэтому называется протпивоэлектродвижущей силой. При работе машины в качестве электродвигателя противо-э.д.с имеет меньшее значение, чем напряжение на зажимах, а при работе в качестве генератора, наоборот, э.д.с. машины выше, чем напряжение на ее зажимах, на величину падения напряжения в обмотке якоря.

 Коллектор генератора служит для выпрямления напряжения и тока, протекающего во внешней цепи. При одном витке якоря и двух коллекторных полукольцах выпрямленный ток представляет собой пульсирующий ток одного направления:

 

 

 

 Для получения практически постоянного по величине тока необходимо увеличение числа секций обмотки якоря и соответственно числа коллекторных пластин.

 Щетки в машинах постоянного тока располагают таким образом, чтобы они замыкали секции якоря, активные стороны которых в данный момент проходят нейтральную плоскость магнитного поля, то есть когда  э.д.с. равна нулю.

 Положение физической нейтральной плоскости магнитного поля зависит от нагрузки машины (при холостом ходе оно совпадает сположением геометрической нейтрали). В нагруженной машине взаимодействие тока якоря с магнитным полем полюсов искажает последнее (реакция якоря), что вызывает смещение физической нейтрали относительно геометрической. Поэтому во избежание замыканий секции якоря, где э.д.с. отлична отнуля, щетки смещают в генераторах по направлению вращения, а в двигателях - против направления. Ослабления реакции якоря также достигают, применяя дополнительные полюса. Их располагают между главными полюсами по геометрической нейтрали и включают таким образом, чтобы скомпенсировать влияние реакции якоря на магнитное поле полюсов.

 Основные части машин постоянного тока - стальной цилиндрический корпус (6) (статор), на внутренней поверхности которого крепятся стальные сердечники электромагнитов (полюсы - 4, 5), а на боковых - подшипниковые щиты (1). Подвижная часть машины - якорь (3) - состоит из стального вала, на котором жестко закреплены сердечник, набранный из листовой электротехнической стали, и коллектор (7) в виде цилиндрического переключателя, собранного из медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга слюдой (миканитом). По ламелям скользят неподвижные щетки (2).

 Обмотка якоря состоит из секций изолированного провода, уложенных в пазы сердечника якоря и присоединенных к пластинам коллектора. Станина статора, его полюсы и сердечник якоря образуют магнитную цепь машины, одним из участков которой является воздушный зазормежду поверхностями сердечника якоря и полюсами статора. На сердечниках электромагнитов расположены обмотки возбуждения. Для правильного распределения магнитного потока по окружности якоря на концах сердечников укреплены стальные наконечники, охватывающие его.

 

 

             

 В зависимости от способа соединения цепи возбуждения с цепью якоря машины постоянного тока подразделяются на машины с параллельным (шунтовым), последовательным (сериесным) и смешанным (компаундным) возбуждением. В некоторых случаях применяют независимое возбуждениеот отдельного источника.

 

 

 

             

 Машины постоянного тока с параллельным и смешанным возбуждением используют как генераторы и электродвигатейи, а машиныс последовательным — только как электродвигатели.

 Генераторы, в которых обмоткавозбуждения получает питание от якоря, называют генераторамис самовозбуждением. В обмотке такого генератора э.д.с. наводится за счет некоторого остаточного магнетизма полюсов. Регулирование э.д.с. генератора, как правило, производится изменением токавозбуждения с помощью реостата, включенного в цепь обмотки возбуждения. Основные номинальные параметры генератора: полезная мощность, напряжение на зажимах, ток нагрузки и частота вращения указывают в заводском паспорте.

 По конструкции электродвигатели в основном не отличаются от генераторов. При пуске электродвигателя необходимо ограничить пусковой ток, так как при неподвижном якоре противо-э.д.с. равна нулю. Это достигается последовательным включением реостата в цепь якоря. По мере выведения ступеней реостата двигатель набирает обороты, достигая номинальных. Для регулирования скорости электродвигателя с параллельнымвозбуждением служит шунтовой реостат, с помощью которого изменяется ток возбуждения, зависящий от напряжения сети, а не от нагрузки, следовательно, от нее не зависит и магнитный поток. 

 

 

 

В двигателе с последовательным возбуждением через обмотку возбуждения протекает ток якоря, следовательно, магнитный поток возрастает вместе с нагрузкой.

 Отсюда следует, что с ростом нагрузки  у двигателя с параллельным возбуждением частота вращения меняется незначительно, а с послеловательным сильно.

Электродвигатели с последовательным возбуждением при малыхоборотах, в частности при пуске, развивают болышой вращающий момент, поэтому они широко применяются для привода механизмов, требующих большого первоначального момента (краны, электро-транспорт и т. д.). Недостатком этих двигателей является резкое повышение частоты вращения при уменьшении нагрузки. При снижении нагрузки до 25 % от номинальной число оборотов возрастает до опасных пределов, и двигатель может пойти «вразнос». Поэтому такие машины нельзя подключать к сети без нагрузки.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Привод - система, для преобразования одного вида энергии в механическую энергию рабочего механизма.

В настоящее время в качестве двигателя для привода производственных механизмов используют в основном электродвигатели из-за их надежности, высокого кпд и простоты управления.

Привод, осуществленный с помощью электродвигателя, называют электрическим (электроприводом).

В зависимости от числа механизмов, приводимых одним двигателем, или от числа двигателей в одном механизме приводы бывают групповыми, однодвигательными и многодвигательными.

Независимо от условий работы и вида рабочих механизмов электродвигатели для привода выбирают согласно общим правилам. Эти правила таковы. Должно соблюдаться:

-  полное соответствие между механическими свойствами двигателя и требованиями производственного механизма;

-  мощность двигателя в процессе работы должна использоваться максимально;

-  параметры двигателя (напряжение, частота) должны соответствовать параметрам сети;

-  конструктивное исполнение двигателя должно соответствовать условиям окружающей среды 

   (влажность, пожароопасность, взрывоопасность и др.);

-  двигатель должен быть удобен и безопасен для обслуживающего персонала.

Правильный выбор электродвигателя обеспечивает стабильную и экономичную работу механизма.

Если не выдвигаются специальные требования к регулированию частоты вращения, значению пускового момента или пускового тока, то при выборе двигателя необходимо отдавать предпочтение асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором. Они просты по устройству. легко управляемы и надежны в эксплуатации.

Мощность электродвигателей определяется нагрузкой производственных механизмов и режимом их работы. В зависимости от характера и продолжительности рабочего цикла установлены три основные режима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Если во время рабочего цикла мощность остается постоянной, то режим называют режимом постоянной нагрузки, а если она изменяется - режимом переменной нагрузки. 

Управление электроприводом состоит в пуске, останове, изменении направления вращения и регулировании частоты вращения электрических двигателей. Важным условием обеспечения правильной и непрерывной работы электроприводов является выбор схемы управления. Используют несколько способов управления. 

Ручное управление осуществляется с непосредственным участием человека, путем использования неавтоматических коммутационных аппаратов (прерывателей, контроллеров и др.).

Автоматическое управление осуществляется с использованием аппаратов автоматического действия (реле, контакторов и др.). Автоматическое управление облегчает труд людей, повышает производительность труда, позволяет управлять механизмами дистанционно.

Среди аппаратов дистанционного управления электроприводами чаще всего используют электромагнитные контакторы и пускатели.

Пускатели представляют собой сочетание электромагнитного контактора с биметаллическим термическим реле, смонтированными к общей коробке и укомплектованными кнопками управления «Пуск» и «Стоп».

Управлять электроприводами можно и бесконтактными аппаратами. Они состоят из магнитных (трансформаторов, дросселей, усилителей), полупроводниковых (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) и вспомогательных (резисторов, конденсаторов и др.) элементов. В таких аппаратах нет быстро изнашивающихся механических деталей, они обладают большим быстродействием, но стабильность их работы зависит от температуры.

Цепи с бесконтактными аппаратами сложнее и дороже. Требуется более дорогая и сложная аппаратура настройки и выявления повреждений. Их используют преимущественно в регулируемых приводах при большой частого включений и в приводах, работающих во взрывоопасной среде.

 

ЛЕКЦИЯ № 9 

 

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛОЩАДОК

 

ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

 

Электроэнергетика является одной из важнейших отраслей народного хозяйства. Ее задачей является производство, передача  и распределение  электроэнергии  между потребителями, то есть их  электроснабжение. Эти процессы осуществляются одновременно, в электроэнергетике нет «склада готовой продукции». Это обусловливает условия работы всех участков системы электроснабжения: электроэнергия должна быть произведена и передана потребителю только в тот момент и в таком количестве, когда и в каком количестве она ему нужна. Поэтому персонал, обслуживающий электростанции и передающие устройства, должен постоянно обеспечивать условия, позволяющие увеличивать или уменьшать мощность передачи.

 Производство электрической энергии осуществляется на электрических станциях,  на которых устанавливаются трехфазные синхронные генераторы. Эти генераторы вырабатывают  электрическую энергию частотой тока 50 Гц, напряжением 3  35 кВ. Тип электростанции  зависит от вида первичной энергии, преобразуемой в электрическую.

Тепловые электростанции (ТЭС) - это электростанции, на которых за счет сжигания топлива (каменного угля, торфа, мазута, нефти, природного газа) происходит преобразование химической энергии в электрическую. Первичным двигателем, вращающим генератор, является паровая или газовая турбина. Если часть пара турбины идет на тепловые процессы (отопление зданий и другие технологические процессы), то электростанция называется теплофикационной (теплоэлектроцентраль (ТЭЦ)). Если отбор пара не производится, то электростанция называется конденсационной (КЭС).  На гидравлических электростанциях или гидроэлектростанциях (ГЭС) используют энергию водного потока. Сооружаемые на реках плотины обеспечивают перепад воды (разность между верхним и нижним бьефом) от нескольких десятков метров на paвнинных реках до сотен метров на горных.

На атомных электростанциях (АЭС) в электрическую энергию превращается энергия деления атомного ядра. В качестве расщепляющегося материала на АЭС обычно используют уран ²³⁵U. По количеству получаемой электроэнергии 1 кг урана ²³⁵U эквивалентен 2900 т угля. 

Среди других типов электростанций можно назвать дизельные, ветроэлектростанции, гелиоэлетростанции. Дизельные электростанции, на которых генератор приводится во вращение дизельным двигателем, являются мобильными, их используют в труднодоступных районах, а также в качестве резервных источников питания на других типах электростанций. На ветроэлектростанциях используют энергию ветра, они не имеют большого значения, так как основным их недостатком является отсутствие возможности управлять энергией ветра. На солнечных (гелио-) электростанциях используют энергию Солнца, их можно применять в районах с жарким климатом при наличии большого числа солнечных дней в году. 

Основная доля электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, преимуществом которых является меньшая стоимость сооружения и меньший срок строительства. Но себестоимость выработки электроэнергии на ТЭС в несколько раз выше, чем на ГЭС. Это объясняется тем, что на ТЭС велика доля топливной составляющей себестоимости выработки, то есть стоимости источника энергии. На ГЭС составляющая источника энергии отсутствует, так как после постройки плотины подъем воды осуществляется без дополнительных затрат. 

 

СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛОЩАДОК

 

При выборе схем электроснабжения необходимо учитывать: положение потребителей как взаимное, так и относительно трансформаторной подстанции или электростанции; величины нагрузок потребителей; категории надежности электроснабжения потребителей; возможности расширения сетей без существенного переустройства; экономичность сооружения сети и удобство эксплуатации. Выбранная схема электроснабжения должна быть обоснована технико-экономическими расчетами, учитывающими как единовременные затраты на ее сооружение, так и эксплуатационные расходы. В строительной практике применяются следующие схемы распределения электроэнергии:

магистральная схема, - при которой несколько потребителей энергии питаются по одной общей линии (магистрали). Магистральные линии обычно используются для присоединения неособенно мощных потребителей, не требующих повышенной надежности электроснабжения. 

 радиальная схема, - при которой каждый потребитель или сосредоточенная группа потребителей питается отдельно         линией            от        электростанции,         трансформаторной     подстанции     (ТП) или распределительного пункта (РП). Радиальные сети просты в сооружении и эксплуатации, однако они требуют большого количества высоковольтной аппаратуры и значительных расходов на сооружение линий и распределительных устройств.

 

 

 

комбинированная схема - когда одни ТП питают по магистральной, а другие - по радиальной схеме. Чаще всего применяют комбинированную схему питания.

 

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ И ПРОВОДКИ

 

Воздушные и подземные кабельные сети. Электрические сети разделяют на внешние и внутренние. Внешние сети предназначены для подведения электрической энергии от станции или подстанции к потребителям. Внутренние сети распределяют электрическую энергию между электроприемниками, находящимися в производственных помещениях.

Распределение электроэнергии на строительных площадках осуществляется с помощью постоянных и временных электрических сетей. Постоянные сети служат для электроснабжения производственных предприятий, обслуживающих стройки, и временные - для питания электродвигателей механизмов и осветительных устройств строительных площадок.

При организации временного электроснабжения следует стремиться к максимальному

использованию постоянных электрических устройств (подстанций, кабельных линий и др.), предусмотренных проектом строящегося объекта.

По величине напряжения электрические сети подразделяются на сети напряжением до 1000 В и сети напряжением выше 1000 В. Силовые и осветительные сети на строительных площадках обычно осуществляются при напряжении 380/220 В (380 В - для электродвигателей и 220 В для осветительных электроприемников). Питающие и распределительные сети высокого напряжения строительных площадок выполняются на напряжение 6,10 и 35 кВ.

Особенности электрификации строительных площадок выдвигают ряд специфических требований к электрическим сетям. Важное значение имеют вопросы экономии проводниковых материалов и снижение первоначальных затрат. Основными мероприятиями по удешевлению сетей являются применение повышенных напряжений, широкое использование алюминиевых и стальных проводов, а также упрощенной конструкции опор.

Все электрические сети сооружаются в соответствии с требованиями Правил устройства электроустановок (ПУЭ). К временным электросетям предъявляются те же требования, что и к постоянным. 

Электрические сети бывают воздушные и кабельные. Воздушные сети получили широкое распространение вследствие их меньшей стоимости по сравнению с кабельными, простоты обнаружения мест повреждения и удобства ремонта. Недостатками воздушных сетей являются возможность повреждения их в результате внешних воздействий ветра, гололеда, ударов молнии, а также опасности поражения током людей и животных при повреждениях линий в населенных местах.

При выборе трассы воздушной электрической линии следует стремиться к тому, чтобы она была по возможности кратчайшей. Для воздушных линий напряжением до 1000 В применяют железобетонные, деревянные с железобетонными пасынками и деревянные опоры. 

Воздушные линии характеризуются основными конструктивными размерами и габаритами. Габариты линий регламентируются ПУЭ и зависят от величины напряжения линии и характера местности, по которой проходит трасса. Там же устанавливают габариты пересечений и сближений воздушных линий между собой и с линиями связи, с выступающими частями зданий.

Эти габариты таковы: для ВЛ напряжением З80/220 В  в населенных местностях, на заводских территориях и строительных площадках - не менее 6 м, а в ненаселенных местах - не менее 5 м; для ВЛ напряжением 6 -10 кВ эти расстояния соответственно увеличиваются до 7 и 6 м.

Для воздушных линий напряжением до 1000 В применяются одно- и многопроволочные провода, причем по условиям механической прочности алюминиевые провода должны быть сечением не менее

16 мм², сталеалюминиевые и биметаллические не менее 10 мм², стальные многопроволочные  - 25 мм², стальные однопроволочные - 4 мм (диаметр).

Прохождение воздушных линий над зданиями и сооружениями, за исключением несгораемых зданий и сооружений промышленных предприятий, запрещается.

Расстояние по горизонтали от крайних проводов линии, при наибольших их отклонениях, до ближайших выступающих частей зданий и сооружений должно быть не менее 3 м - для линий напряжением до 20 кВ.

Кабельные сети отличаются высокой надежностью электроснабжения, они не загромождают улиц городов и территории предприятий опорами и проводами электрических сетей. Вопросы прокладки кабельной линии решаются на основе технико-экономических расчетов с учетом развития сети, ответственности и назначения линии, характера трассы, способа прокладки, конструкций кабелей и т.п. Трассу кабельной линии выбирают с учетом наименьшего расхода кабеля и обеспечения его сохранности от механических повреждений, коррозии, вибрации, перегрева и т. п. Кабель нельзя прокладывать под существующими или предполагаемыми к постройке зданиями. Прокладка подземной кабельной сети более дорогая и трудоемкая, нежели воздушной сети, ввиду чего она сравнительно редко применяется на строительных площадках. По действующим правилам кабели прокладывают в земле (в траншеях), в коллекторах, в блоках и трубах. В строительной практике преимущественно прокладывают кабели в траншеях Трудоемкие земляные работы при прокладке подземных кабелей (рытье траншей, их засыпка и др.) производится, как правило, механизированным способом с использованием траншейных экскаваторов, бульдозеров и других строительных машин. Для питания передвижных механизмов используются гибкие кабели в герметичной оболочке из полихлорвинила или нейтрита (светостойкой резины) с жилами в резиновой изоляции. Шланговые шнуры переносные используются для питания электроинструментов, сварочных трансформаторов и переносных светильников.

Для питания электроприводов строительных механизмов используются шланговые кабели переносные особо гибкие , тяжелые, в маслобензиностойкой изоляции. 

 Для питания строительных машин с высоковольтным электроприводом промышленность выпускает шланговые кабели на напряжение 6 кВ, морозостойкие, трехжильные с дополнительной заземляющей жилой. 

Внутренние электропроводки. Электрические сети внутри зданий предназначены для питания электроэнергией силовых электроприемников и ламп электрического освещения. Выбор способа выполнения электрической сети внутри здания определяется, кроме соображений чисто технических (схема) и экономических (капиталовложения и эксплуатационные расходы), также условиями окружающей среды. Наиболее характерными показателями условий окружающей среды, влияющими на выбор марки проводов, являются: влажность, температура, наличие пыли (особенно горючей), едких паров и газов, возможность образования взрывоопасных смесей.

Проводка внутри зданий может быть выполнена открытой - по поверхности стен, потолков, ферм или скрытой в стенах, перекрытиях, в полу. Открытые проводки применяются в основном в производственных помещениях, а скрытые - общественных зданиях и жилых домах. Для прокладки внутри зданий применяют изолированные провода или небронированные кабели. Изоляция проводов и кабелей должна соответствовать номинальному напряжению сети.

В жарких помещениях, а также в местах с температурой 400 С и выше следует применять провода и кабели с теплостойкой изоляцией или нагрузки на провода с обычной изоляцией должны быть соответственно снижены.

Открытая проводка изолированных и голых проводов применяется для магистралей в производственных помещениях и прокладывается на значительной высоте в помещениях с нормальной средой.

Проводка в стальных тонкостенных и водогазопроводных, а также в пластмассовых винипластовых трубах применяется в тех случаях, когда необходима защита проводов от механических повреждений. Применение пластмассовых труб во взрыво- и пожароопасных помещениях не разрешается.

Силовые сети, прокладываемые в трубах, выполняются как открыто по стенам, перекрытиям, в каналах и т. д., так и скрыто в подготовке пола.

Как правило, для электрических сетей следует применять провода и кабели с алюминиевыми жилами, за исключением сетей освещения взрывоопасных помещений сцен зрелищных предприятий и других помещений, для которых, согласно ПУЭ, требуется применение проводов и кабелей с медными жилами.

Сети электрического освещения прокладываются открыто по конструкциям цехов промышленных предприятий и, как правило, скрыто в стенах, перекрытиях и других конструкциях жилых и гражданских зданий и многоэтажных производственных зданий некоторых отраслей промышленности.

Наибольшее распространение в массовом жилищном и гражданском строительстве получили скрытые проводки, выполняемые специальными плоскими проводами с полихлорвиниловой изоляцией . Эти провода прокладываются без труб в слое подготовки пола, под штукатуркой стен и потолков, в щелях и пустотах строительных конструкций. Недостатки такой проводки заключаются в возможности повреждения в процессе строительства и невозможности ее замены при эксплуатации. Новые более качественные и индустриальные проводки прокладываются в каналах строительных конструкций, образуемых при изготовлении железобетонных, гипсобетонных и других панелей на заводах. Такая проводка легко заменяется.

Другим индустриальным видом прокладки, который разрешен в тех случаях, когда создание каналов в строительных конструкциях невозможно по технологическим причинам, является глухая закладка проводов в толщу железобетонных, гипсобетонных и других конструкций в процессе их изготовления на заводах стройиндустрии. Провода смежных панелей соединяются в специальных коробках. Инвентарные электротехнические устройства, такие, как передвижные трансформаторные подстанции, распределительные шкафы для подсоединения отдельных линий, подключательные пункты для присоединения строительных механизмов и электроинструмента, стойки и вышки для светильников и прожекторов, повышают надежность и удобство подключения электроприемников на строительных площадках или при сооружении многоэтажных зданий. Они повышают безопасность обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

 

ВЫБОР СЕЧЕНИЯ ПРОВОДОВ ПО ДОПУСТИМОМУ НАГРЕВУ И

ДОПУСТИМОЙ ПОТЕРЕ НАПРЯЖЕНИЯ

 

Расчет электрических сетей для электроснабжения строительной площадки, в том числе и временных, производится проектными организациями, разрабатывающими проект организации строительства. Вместе с тем работникам стройки - строителям и монтажникам в ряде случаев приходится на месте решать вопрос о выборе сечения проводов той или иной временной линии, не предусмотренной проектом, но необходимой для подачи электроэнергии к какому-либо строительному механизму или к временной осветительной установке.

 Правильный выбор сечения проводов и кабелей имеет весьма существенное значение. Сечение проводов с одной стороны должно быть выбрано достаточным для того, чтобы потеря напряжения при передаче необходимой мощности не превосходила допустимых пределов и чтобы провод не перегревался под действием проходящего по нему тока; с другой стороны сечение проводов должно быть выбрано экономно с наименьшим расходом цветного металла. Перегрев проводов током быстро приводит к выходу их из строя и перерыву в электроснабжении. Повышенная потеря напряжения и связанное с ней понижение напряжения у электроприемников ухудшает их работу: вращающий момент электродвигателей и световой поток электрических ламп резко уменьшается. Так, например, понижение

напряжения против номинального на 10%  уменьшает вращающий момент асинхронных двигателей на 19%, а световой поток ламп накаливания на 30%. В результате строительные механизмы не могут нормально работать, освещенность рабочих мест падает, производительность труда рабочих снижается.

Выбор сечения проводов производят по следующим двум факторам: 

а) по допустимому нагреву проводов током (иными словами по их  пропускной способности);  

б) по допустимой величине потери напряжения. Из двух величин сечения, определенных подвум у казанным факторам, выбирают большее с округлением его до ближайшего стандартного сечения, При этом для воздушных линий решающим фактором оказывается, как правило, допустимая потеря напряжения, а для переносных шланговых кабельных линий, электропроводок и подземных кабельных линий небольшой протяженности определяющим признаком является их пропускная способность (по допустимому нагреву).

Поэтому выбор сечения рекомендуется вести в таком порядке: для проводов воздушных линий определять сечение по допустимой потере напряжения и потом проверять по допустимому нагреву; для установочных, изолированных проводов, шланговых и других кабелей - сначала определять сечение по допустимому нагреву и затем проверять на допустимую потерю напряжения.

По пропускной способности или допустимый нагрев проводов определяется по специальным справочным таблицам. 

Величина расчетного тока для линии, питающей отдельный трехфазный электродвигатель, например подвод электроэнергии к той или иной строительной машине с однодвигательным приводом, определяется по формуле:

I_р = (1000Р_нk_з) / (1,73U_н_дcos)

 

где I_р - расчетный ток в А; Р_н - номинальная мощность электродвигателя в кВт; k_з - коэффициент загрузки двигателя, принимаемый равным 0,8 - 0,9; U_н - номинальное напряжение двигателя (380 В); _д - к.п.д. двигателя (принимается равным 0,85 - 0,92, для крановых двигателей - 0,8 - 0,85); cos - коэффициент мощности двигателя (принимается равным 0,8 - 0,9, для крановых двигателей - 0,7 -

0,75).

Потерей напряжения в трехфазовой линии называют арифметическую разницу между линейными напряжениями в начале и в конце линии.

Норма допустимой потери напряжения при передаче электроэнергии Правилами не установлена. Установлены лишь допустимые отклонения напряжения от номинального у различных электроприемников. Так, на зажимах электродвигателей эти отклонения от номинального напряжения, как правило, должны быть не более +5%, снижение напряжения у наиболее удаленных ламп освещения промышленных предприятий и общественных зданий, а также прожекторных установок должно быть не более 2,5% номинального напряжения, а у наиболее удаленных ламп светильников наружном освещения и освещения жилых зданий не более 5%.

Напряжения холостого хода источников питания (силовых трансформаторов и генераторов) установлены более высокими, чем напряжения приемников энергии. Так, в сетях 380/220 в у трансформаторов (или генераторов), питающих эти сети, напряжение холостого хода составляет 400/230 В. Учитывая это обстоятельство и указанные выше нормы возможного понижения напряжения у потребителей энергии, допустимую потерю напряжения от источника питания до - электроприемника в сетях 380/220 В обычно принимают в размере 5,5 - 6,5%. При этом, если питание к строительному механизму подается шланговым кабелем, присоединенным к воздушной линии, то допустимую потерю напряжения обычно принимают: для воздушной линии в размере 5 - 5,5%, а для шлангового кабеля - 0,5 - 1,5% (в зависимости от его длины) с тем, чтобы суммарная потеря напряжения не превышала указанных выше пределов.

Потеря напряжения в трехфазовой линии определяется формулой:

 

U=1,73I1(г₀ соs + х₀ sin )

 

где U - потеря напряжения, В; I - ток в линии,А; l -длина линии, км; г₀ и х₀  - активное и индуктивное сопротивление одного провода, Ом/км; cos - коэффициент мощности электрической нагрузки; sin   - тригонометрическая функция по величине, соответствующая значению коэффициента мощности cos . Таким образом, потеря напряжения зависит как от активного, таки от индуктивного сопротивления проводов линии.

Индуктивное сопротивление проводника не зависит от его материала (за исключением стали) и определяется главным образом его формой, в данном случае взаимным расположением проводов линии: чем меньше расстояние между проводами различных фаз, тем меньше их индуктивное сопротивление. Отсюда следует, что индуктивное сопротивление ВЛ составляет значительную величину, вполне сопоставимую с активным сопротивлением, и поэтому его необходимо учитывать. В кабельных же линиях и в электропроводках с малыми расстояниями между фазными жилами и проводами индуктивное сопротивление мало - много меньше активного сопротивления - и поэтому в расчете кабельных линий (шланговых и других) небольшой длины и электропроводок величиной х₀ можно пренебречь, что значительно упрощает приведенную выше формулу

 

ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПРИМЕНЯЕМЫХ НА СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛОЩАДКАХ

 

Трансформаторные подстанции (ТП) служат для преобразования и распределения электроэнергии. Оборудование ТП состоит из одного или нескольких силовых трансформаторов, распределительных устройств первичного и вторичного напряжения и устройств управления, защиты и сигнализации. Наиболее простыми и несложными в эксплуатации являются потребительские ТП с одним трансформатором. Трансформатор присоединен к линии через высоковольтный разъединитель (РВ) и высоковольтные плавкие предохранители. Разъединитель РВ предназначен для отключения ТП от сети высокого напряжения при, ремонте трансформатора, а плавкие высоковольтные предохранители - для автоматического отсоединения трансформаторной подстанции (ТП) от сети при повреждениях на  ТП или в трансформаторе. Плавкие предохранители в цепи вторичного напряжения служат для защиты трансформатора от значительных перегрузок, а также от коротких замыкании на стороне низкого напряжения.

Высоковольтный разъединитель предназначен только для отключения трансформатора после снятия с него нагрузки рубильником. 

Защита тупиковой ТП от атмосферных перенапряжений осуществляется трубчатыми разрядниками, устанавливаемыми на ближайшей к подстанции опоре воздушной линии. При присоединении подстанции к кабельной линии установка разрядников не требуется. 

В зависимости от конструктивного выполнения ТП подразделяют на закрытые, электрооборудование которых устанавливается в зданиях, и открытые с электрооборудованием, устанавливаемым на открытом воздухе. Те и другие типы ТП можно выполнять с монтажом оборудования на месте установки или в виде комплектного устройства (КТП), которое изготовляют на заводе и доставляют на место установки в собранном виде. По принципу обслуживания ТП могут быть сетевые или абонентские. В первом случае ТП обслуживает персонал энергосистемы, во втором случае - персонал потребителя.

По местоположению на территории строительства различают: отдельно стоящие ТП, внутрицеховые ТП, присоединенные к зданию цеха или встроенные в него ТП и КТП. Применение КТП на строительных площадках дает большую экономию времени по вводу в действие временных сетей электроснабжения; позволяет устанавливать подстанции в непосредственной близости к центрам нагрузки - работающим строительным механизмам и при необходимости перемещать их на новое место.

При выборе числа и мощности трансформаторов для отдельных ТП необходимо, чтобы были обеспечены: надежность питания в зависимости от категории потребителя; наименьшие капитальные затраты; минимальные потери электроэнергии в процессе эксплуатации.

 

КАТЕГОРИИ ПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

 

Каждая система электроснабжения должна бесперебойно подавать электрическую энергию предприятию в необходимом количестве и надлежащего качества, отличаться высокой надежностью и экономичностью по первоначальным и эксплуатационным затратам, простотой, удобством и безопасностью обслуживания.

Приемники электрической энергии, использующие электрическую энергию для технологических процессов, разделяют по напряжению на две группы: до 1000 В и выше 1000 В, а по степени обеспечения надежности электроснабжения их относят к одной из трех категорий. К 1-й категории принадлежат ответственные приемники, для которых не допустим перерыв в подаче электрической энергии, за исключением времени автоматического ввода резервного питания, обеспечиваемого двумя, а иногда и тремя независимыми источниками электрической энергии. Ко 2-й категории относят приемники, для которых перерыв в электроснабжении связан с ремонтом или заменой поврежденного элемента, что приводит к серьезным растройствам технологического процесса,  а к 3-åé категории - остальные приемники, которые не подходят под определение 2-й категорий и допускают перерыв в электроснабжении для необходимого ремонта не более одних суток.

 

КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

 

Электрическая энергия, производимая на электростанциях, должна иметь строго определенные параметры. О качестве электроэнергии судят в основном по уровню напряжения и частоты электрического тока. Только при питании с номинальными напряжением и частотой потребители электроэнергии работают в оптимальном режиме. Для получения электрической энергии с номинальными параметрами на электростанциях и распределительных устройствах вводят автоматическое регулирование напряжения и частоты.

 Стандарты допускают следующие отклонения этих величин:

1.Отклонение частоты от номинального значения в нормальном режиме работы допускается в пределах  0,1 Гц. Допускается временная работа энергосистемы с отклонением частоты в пределах  0,2 Гц.

2.На зажимах приборов рабочего освещения, установленных в производственных помещениях и общественных зданиях, где требуется значительное зрительное напряжение, а также в прожекторных установках наружного освещения допускаются отклонения напряжения в пределах от -2,5 до +5% номинального.

3.На зажимах электродвигателей и аппаратов для их пуска и управления допускаются отклонения напряжения в пределах от - 5 до + 10% номинального.

4.На зажимах остальных приемников электроэнергии допускаются отклонения напряжения в пределах  5% номинального.

Классификация приемников на категории по бесперебойности снабжения электрической энергией является основанием для выбора соответствующей схемы электроснабжения.

Большинство предприятий noлучают электрическую энергию от районных понизительных трансформаторных подстанций  (ТП) энергосистем с напряжением 6, 35, 110 или 220 кВ.  

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОСВЕЩЕНИЕ НА СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛОЩАДКАХ

 

Общие сведения. Правильная организация электрического освещения на строительной площадке имеет существенное значение для успешного выполнения строительно-монтажньтх работ, особенно в осеннезимний период при сокращении светлого времени суток. Недостаточная освещенность рабочего места снижает производительность труда, ухудшает качество работы и, кроме того, во многих случаях является причиной травматизма. Поэтому каждому инженерно-техническому работнику на стройке необходимо знать, как целесообразнее устроить хорошее электрическое освещение в условиях строительства.

Освещение может быть общим, местным и комбинированным. При этом общее освещение подразделяется на равномерное и локализованное.

При общем равномерном освещении освещается все помещение или наружная площадка в целом (без выделения рабочих поверхностей); светильники устанавливаются равномерно, на равных расстояниях один от другого. При общем локализованном освещении на отдельных участках помещения или наружной территории создается большая освещенность. На таких участках устанавливаются дополнительные светильники или они размещаются более часто. При местном освещении освещаются только рабочие поверхности. При комбинированном - применяются и общее и местное освещение. В условиях строительства применяется как общее (равномерное и локализованное), так и комбинированное освещение мест работы.

Кроме обычного, рабочего, освещения, на тех участках строительства, где людей в темноте грозит для них опасностью, устраивается аварийное освещение, обеспечивающее минимальную освещенность в случае аварийного погасания основного освещения. Для аварийного освещения устраивается отдельное надежное питание.

Источники света. В качестве источников света на строительстве и в промышленности применяют лампы накаливания и газоразрядные лампы, которые в свою очередь подразделяются на ртутные лампы низкого давления -  люминесцентные и ртутные лампы высокого давления. Из этих типов источников света лампы накаливания являются наименее экономичными - обладают наименьшей светоотдачей и поэтому постепенно вытесняются более экономичными газоразрядными лампами. В лампах накаливания световая энергия получается за счет нагревания тонкой вольфрамовой нити проходящим по ней электрическим током. Нить помещена в стеклянную колбу, заполненную инертным газом. Раскаленная (при температуре порядка 3000° С) нить ярко светится. Колба лампы укреплена на металлическом резьбовом цоколе, с помощью которого лампа ввертывается в патрон, служащий для ее подсоединения к проводам электросети. Лампы накаливания выпускают на напряжения 220 и 127 В, а также на малые напряжения - 36 и 12 В. На стройках, как правило, применяют лампы на 220 В. Их выпускают мощностью от 15 до 1500 Вт. Светоотдача таких ламп возрастает с увеличением мощности. Лампы на напряжение 127 В несколько экономичнее, примерно на 10  15%. Лампы накаливания для напряжений 36 и 12 В выпускают мощностью от 11 до 100 Вт.

Действие газоразрядных ламп основано на электрическом разряде, в среде разреженного газа. Люминесцентная лампа представляет собой длинную (длиной порядка 450 - 1500 мм) стеклянную трубку с двумя цоколями на концах, заполненную разреженным газом - аргоном - и небольшим количеством паров ртути. На внутреннюю поверхность трубки нанесен слой специального состава - люминофора. В цоколи лампы впаяны вольфрамовые электроды. При включении лампы в электрическую сеть между ее электродами в парах ртути в трубке возникает газовый разряд и невидимое ультрафиолетовое излучение, под воздействием которого люминофор начинает светиться - дает яркий видимый свет. Люминесцентные лампы включаются в сеть с помощью специальных пускорегулирующих устройств. Гlараллельно с лампой включается особый пускатель (стартер), обеспечивающий зажигание лампы. Люминесцентные лампы выпускают мощностью в 15, 20, 30, 40 и 80

Вт. 

Ртутная лампа высокого давления по внешнему виду похожа на крупную лампу накаливания. В отличие от люминесцентной лампы в ней электрический разряд в ртутных парах происходит не во всей колбе, а в маленькой трубке («горелке») из кварцевого стекла, прозрачного для ультрафиолетовых лучей. Под влиянием ультрафиолетового излучения горелки специальный люминофор, нанесенный на внутреннюю поверхность колбы, дает яркий, слегка зеленоватый свет (близкий к белому). Лампы в сеть они включаются, так же как и люминесцентные, по особой схеме с помощью специальных пускорегулирующих аппаратов, содержащих дроссель, конденсаторы, разрядник и др. Выпускают лампы мощностью, значительно большей, чем люминесцентные - 250, 500, 750 и 1000 Вт. 

Осветительная арматура Правильно организованное освещение прежде всего должно создавать достаточную освещенность для того, чтобы глаз человека мог легко, не утомляясь, различать все детали, необходимые при данной работе. Кроме того, освещение должно быть по-возможности равномерным, без резких теней; источник света не должен быть непосредственно виден глазом (для того чтобы не было слепящего действия).

Для создания необходимых условий освещения, удовлетворяющих указанным требованиям, служит осветительная арматура. Осветительная арматура вместе с помещенной в нее лампой называется светильником.

Светильники служат для освещения предметов, расположенных на относительно небольших расстояниях. В качестве осветительных приборов дальнего действия применяют прожекторы  различных типов.

Для освещения строительных площадок служат прожекторы заливающего света, работающие с обычными лампами накаливания мощностью от 200 до 1000 Вт. Благодаря специальному отражателю параболической формы прожекторы дают узкий, направленный вдоль оптической оси прибора световой поток о очень большой силой света. 

Устройство электрического освещения на строительных площадках Наружное освещение территории строительных площадок осуществляется преимущественно прожекторами заливающего света. Прожекторы устанавливают группами по 3 - 4 и более на мачтах, высота которых зависит от силы света и мощности прожекторов. Чем больше сила света прожектора, тем выше он должен быть установлен (для ограничения слепящего действия). При этом оптическая ось прожектора устанавливается почти горизонтально: под углом  8⁰  15⁰   вниз по горизонтали.

Практически принимается следующая минимальная высота установки прожекторов над уровнем земли: с лампой 1000 Вт - 21 м,  с лампой 500 Вт - 13 м. Целесообразно применять инвентарные переносные прожекторные мачты. Расстояние между прожекторными мачтами выбирается обычно от 80 - 100 до 200 - 250 м (меньшие цифры относятся к прожекторам меньшей мощности).

Для дополнительного освещения рабочих зон применяются инвентарные переносные стойки с прожекторами малой мощности (с лампами 200 Вт) или со светильниками. Кроме того, на экскаваторах и других крупных строительных машинах также обычно устанавливаются прожекторы малой мощности, дополнительно освещающие зону работы.

Освещение дорог, не попадающих в зону, освещенную прожекторами, осуществляется светильниками с арматурой наружного с лампами мощностью 200 - 300 Вт. Светильники подвешивают на кронштейнах к опорам  (столбам) питающей их воздушной линии на высоте около 6 м от земли и на расстоянии 25 - 35 м один от другого. Для этой же цели, а также и для освещения отдельных площадок территории строительства с успехом могут применяться светильники с более экономичными ртутными лампами. Общее освещение производственных предприятий строительства осуществляется или лампами накаливания, или люминесцентными при помощи светильников.

Для сухих производственных помещений применяют светильники с лампами накаливания или светильники с люминесцентными лампами. Сырые и пыльные помещения освещают уплотненными светильниками с лампами накаливания. Светильники подвешивают обычно на высоте 2,5 - 3,5 м над рабочими поверхностями, расстояние между ними принимают примерно равным удвоенной высоте подвеса. Местное освещение рабочих мест в мастерских выполняется при помощи светильников с лампами накаливания.

для временного освещения строящихся зданий используют те же перечисленные выше светильники с лампами накаливания. В дополнение к общему освещению применяют, как правило, местное освещение рабочих зон, для чего используют инвентарные переносные стойки и подвесные устройства со светильниками. По требованиям техники безопасности временное освещение зданий рекомендуется устраивать на пониженном напряжении (36 В), получаемом от понижающих трансформаторов. Если же временное освещение имеет напряжение 220 и 127 В, светильники, согласно правилам, должны быть подвешены на высоте не менее 2,5 м от пола или настила; при этом должно быть обращено особое внимание на состояние изоляции проводов временной проводки, целость изолирующей оболочки патронов и т. п.

 

ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ НА СТРОИТЕЛЬНЫХ ПЛОЩАДКАХ

 

Условия работы электроустановок на строительных площадках - под открытым небом, сырость, атмосферные осадки, передвижные механизмы с электроприводом, временные электросети - создают повышенную опасность поражения людей электрическим током. Одним из наиболее важных мероприятий, значительно повышающих электробезопасность работающих на стройках, является правильное устройство защитного заземления.

Причиной поражения людей электрическим током может быть не только прикосновение к токоведущим частям. При повреждении изоляции корпусы электродвигателей или пусковой аппаратуры и - самое главное - связанные с ними металлические части строительных машин и механизмов оказываются под напряжением. Прикоснувшись к ним, человек при отсутствии защитных мер поражается электрическим током. Такие случаи особенно опасны тем, что рабочие, обслуживающие машины, не ожидая опасности, постоянно соприкасаются с ее металлическими частями. Защитой от поражения током при переходе напряжения на конструктивные металлические части служит защитное заземление.

Заземлением какой-либо части электроустановки называют преднамеренное электрическое соединение ее с землей при помощи провода (заземляющего проводника), присоединенного к металлическому заземлителю, имеющему непосредственное соприкосновение с землей. Заземлитель и заземляющие проводники носят название заземляющего устройства.

Заземлению подлежат металлические части строительных машин и механизмов с электроприводом, корпуса электроинструментов, корпуса электрооборудования и пускорегулирующих аппаратов, конструкции, каркасы и кожухи электротехнических устройств и другие металлические части, которые могут оказаться под напряжением в результате повреждения изоляции.

Защитное заземление выполняется различно в зависимости от напряжения и системы электроснабжающей сети.

Сети напряжением до 1000 В (сети 380/220 В) на строительных площадках сооружаются по четырехпроводной системе - звезда с нулем. В таких сетях согласно Гlравилам в обязательном порядке заземляется нейтраль (нулевая точка) силовых трансформаторов (система с глухозаземленной нейтралью). Для этого у каждого ТП устраивают заземляющий контур, к которому подсоединяют вывод нулевой точки трансформатора, а следовательно, в нулевой провод сети. Сопротивление заземляющего устройства ТП согласно Правилам должно быть не более 4 Ом (для трансформаторов мощностью до 100 кВА эта норма повышается до 10 Ом).

Нулевой провод воздушных линий повторно заземляют через каждые 250 м, а также на концах линий и ответвлений, в том числе обязательно в зоне работы строительных механизмов - башенных кранов, экскаваторов и т. д. 

В сетях с глухозаземленной нейтралью защитное заземление выполняют присоединением заземляемых частей установки к заземленному нулевому проводу электросети. Действие такого заземления (ранее оно называлось занулением) состоит в том, что в случае повреждения изоляции и появления напряжения на корпусе оборудования создается короткое замыкание в одной из фаз трансформатора через нулевой провод, в результате чего поврежденная часть установки автоматически отключается, так как под действием тока короткого замыкания немедленно перегорает плавкая вставка предохранителя или отключается автомат. Выполнять защитное заземление в сетях с глухозаэемленной нейтралью при помощи местного заземляющего устройства, не присоединенного к нулевому проводу  запрещается, так как оно не обеспечивает безопасность людей.

Заземление корпусов строительных машин осуществляется с помощью заземляющей жилы шлангового кабеля, питающего электропривод машины. Один конец заземляющей жилы присоединяется к заземляющему болту на корпусе (или металлоконструкциях) машины, а другой конеu - к заземляющему болту на корпусе пускового ящика или подключательного пункта, через который подается питание к машине. Корпус пускового ящика присоединяется к нулевому проводу сети.

Некоторые особенности имеет заземление башенных кранов. Помимо заземления металлической конструкции и корпусов электрооборудования крана, которое производят посредством четвертой жилы шлангового кабеля, обязательно заземляют подкрановые рельсовые пути. При этом перемычки между всеми стыками рельсов, а также между двумя нитками рельсов выполняются сваркой; рельсы присоединяются (отдельными проводниками) к повторному заземлению нулевого провода и к заземляющему болту подключательного пункта крана.

При устройстве заземляющих контуров впервую очередь рекомендуется использовать

так называемые естественные заземлители, а именно: проложенныё в земле водопроводные трубы, не имеющие изоляции, металлические конструкции зданий и сооружении, имеющие надежное соединение с землей, и др. При их отсутствии выполняется искусственное заземляющее устройство.

В качестве искуственных заземлителей применяют вертикально забитые в землю отрезки угловой стали сечением 50 х 50 мм, длиной 2 - 2,5 м или стальные стержни из

круглой стали диаметром 12 - 14 мм, длиной до 4 - 5 м (прутковые заземлители). Стержни ввертывают в грунт при помощи имеющегося для этого специального приспособления. Отдельные заземлители связывают между собой в общий заземляющий контур стальными полосами сечением 40 х 4 мм; соединение выполняют на сварке. Заземляющие проводники присоединяют к заземляющему контуру (к стальной полосе) также сваркой, а к корпусам аппаратов и машин - болтами. Необходимое количество заземлителей в контуре определяется расчетом. Чем меньше должно быть электрическое сопротивление заземляющего устройства, тем больше требуется заземлителей. При этом большое значение имеет характер грунта, в котором выполняется заземление. Более благоприятные грунты глинистые, наименее благоприятные - песчаные и скалистые. 

При устройстве заземлений и во время эксплуатации электрооборудования требуется проведение ряда измерений (проверка соответствия заземляющего устройства нормам). Для этой цели служат специальные приборы - измерители эаземлений.

В сетях до 1000 В с глухозаземленной нейтралью необходимо периодически проверять надежность защитного действия заземления (зануления) оборудования; для этой вели проводят измерения сопротивления петли фаза - нуль (то есть суммарного сопротивления одного из фазных проводов и нулевого провода до самого отдаленного электроприемника), результаты измерения сопоставляют с имеющимися нормативными данными.

Такие измерения выполняют специалисты электрики в соответствии с имеющимися инструктивными указаниями.

 

 

ЗАЩИТА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИИ ОТ ДЕЙСТВИЯ МОЛНИИ

 

Линейная молния в виде электрического разряда между заряженными облаками и землей длительностью от десятых долей до нескольких секунд, сопровождаемого обычно громом, возникает при напряжении порядка нескольких десятков миллионов Вольт и сопровождается внезапным появлением ярко светящегося зигзагообразного канала белого, светло-голубогоили ярко-розового цвета с разветвлениями, раскаленного в основной своей части  - главном канале - до температуры свыше 25000°С. диаметр канала молнии бывает от нескольких сантиметров до нескольких дециметров, длина его - от нескольких сотен метров до нескольких десятков километров, а кратковременный ток измеряется десятками или сотнями тысяч ампер.

Прямой удар линейной молнии в здания и сооружения, возвышающиеся над уровнем земли, сопровождается соответстующими механическими, тепловыми и электромагнитными явлениями, вызывающими значительные разрушения, пожары, поражение близ находящихся людей, животных и птиц, в особенности в тех случаях, если удары молнии приходятся в объекты с малой электропроводностью. Для защиты этих объектов от прямых ударов молнии применяют различные устройства молниезащиты, которые ориентируют на себя разряд молнии и образуют пространство, защищенное от ее поражения, называемое зоной защиты.

Устройство молниезащиты, или молниеотвод, состоит из onopы, молииеприемника, токоотвода и заземлителя.

Опоры отдельно стоящих молннеотводов выполняют из железобетона, стали и дерева, а, кроме того, в соответствующих случаях в качестве опор используют сами здания и сооружения.

Молниеприемник изготовляют в виде стального или иного металлического вертикального стержня различного профиля сечением не менее 100 мм² и длиной не менее 200мм и располагают его на высоте, обеспечивающей необходимую зону защиты более низких объектов. Молниеприемник нужно предохранить от коррозии оцинкованием, лужением или покраской. При зданиях и сооружениях, отличающихся значительной протяженностью, применяют несколько стержневых молниеприемников, которые соединяют между собой. 

Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода высотой  150 м, установленного на защищаемом сооружении или вблизи его на железобетонной, металлической или деревянной опоре, представляет собой круговой конус с вершиной, находящейся на высоте h₀ < h, в основании которого находится круг радиусом г₀. Горизонтальное сечение зоны защиты на высоте h_x  представляет собой круг радиусом г_x.

 

 

Габариты зоны защиты определяют по следующим формулам:

 

h₀ = 0,92h; r₀ = 1,5h; r_x = 1,5 ( h - h_x / 0,92 ).

 

Прямой удар молнии в линии электропередачи вызывает перенапряжениия, междуфазные перекрытия, разрушение изоляторов и опор. Это вынуждает подвешивать над проводами линий электропередачи напряжением 110 кВ и выше с железобетонными и металлическими опорами стальные многопроволочные оцинкованные молниезащитные тросы сечением не менее 35 мм², которые на воздушных линиях с напряжением 35 кВ применяют только на подходах к подстанциям длиной 1...2 км, а иногда вместо них используют отдельностоящие стержневые молниеотводы, располагаемые в шахматном порядке по обе стороны трассы.

Железобетонные и металлические опоры, а также молниезащитные тросы должны быть заземлены. На воздушных линиях с напряжением 6 и 10 кВ для ограничения перенапряжений, представляющих опасность для изоляции электрооборудования и самих линий, вместо молниезащитных тросов применяют трубчатые разрядники, которые крепят на опорах вдоль трассы и включают через внешний регулируемый искровой промежуток между проводом и землей.

Открытые подстанции на напряжение 20 кВ и выше защищают стержневыми молниеотводами с установкой молниеприемников, как правило, на конструкциях подстанций, а иногда прибегают к отдельно стоящим стержневым молниеотводам. Здания закрытых подстанций защищают заземлением железобетоннных несущих конструкций кровли или ее металлического покрытия, а если такое решение неприемлимо, то используют стержневые молниеприемннки, устанавливаемые на крыше здания.

Прямой удар молнии сопровождается вторичными явлениями, обусловленными электростатической и электромагнитной индукцией. Так, в проводящих телах не исключена возможность наведения высоких потенциалов относительно земли с возникновением искрообразования в том или ином месте, для борьбы с которым необходимо заземлять крыши, металлические конструкции и прочее проводящее ток оборудование. Кроме того, магнитное поле молнии может в различных разомкнутых витках, концы которых находятся в непосредственной близости, навести такую э.д.с., которая приведет к искрообразованию, достаточному для взрыва производственной пыли, если она имеет опасную концентрацию. В замкнутых контурах под действием наведенных э.д.с. возникающие токи могут вызвать в местах плохого контакта сильный нагрев, что опасно в особенности в пожаро- и взрывоопасных помещениях.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ № 1

 

 

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

 

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ.

 

 Для оценки работы различных электротехнических устройств и состояния электрооборудования используются различные электроизмерительные приборы. Объектами электрических измерения являются являются все электрические и магнитные величины : сила тока, напряжение, мощность, электрическая энергия, электрическое сопротивление и другие. Для измерения каждой величины используются соответствующие электроизмерительные приборы.

 Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называются аналоговыми. Измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представлены в цифровой форме, называются цифровыми.

 В аналоговых приборах электрическая энергия преобразуется в механическую, под действием которой подвижная часть прибора поворачивается на некоторый угол. Аналоговые электроизмерительные приборы являются электромеханическими. Они состоят из двух основных частей: измерительного механизма и измерительной цепи. Назначение измерительного механизма - преобразование подводимой к нему электрической энергии в механическую энергию перемещения подвижной части и связанного с ней указателя. Следовательно, измерительный механизм должен содержать подвижную часть, перемещающуюся под действием вращающего момента, возникающего в механизме и не подвижную часть. Измерительная цепь преобразует измеряемую электрическую величину в пропорциональную ей величину, непосредственно воздействующую на измерительный механизм. Так, например, в вольтметре измерительная цепь состоит из добавочного сопротивления и катушки измерительного механизма. Благодаря постоянству сопротивления этой измерительной цепи через измерительный механизм вольтметра проходит ток, пропорциональный измеряемому напряжению.  Принцип действия измерительных приборов независимо от их назначения заключается в следующем: электрический ток проходя через прибор вызывает появление вращающего момента и подвижная часть прибора поворачивается на определенный угол. При этом стрелочный указатель перемещаясь по неподвижной шкале, связанной с неподвижной частью прибора, покажет значение измеряемой величины. Когда прибор отключается, вращательный момент исчезает и возвратные пружины возвращают подвижную часть в исходное положение. В состав аналоговых приборов обязательно входят успокоители.

 Измерительные приборы различают: по назначению, роду измеряемого тока, принципу действия, классу точности, положению корпуса, по климатическим условиям в которых можно применять приборы.

 По назначению приборы делятся: амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры, счетчики, частотомеры, фазометры и другие.

 Измерительные приборы можно применять в цепях переменного и постоянного тока. Существуют приборы предназначенные для измерения в цепях как переменного, так и постоянного тока.

 Для определения измеряемой величины измерительные приборы снабжаются отсчетным устройством, состоящим из шкалы и указательной стрелки. По своему характеру шкалы приборов бывают равномерными, у которых расстояние между двумя смежными отметками равны по всей шкале, и неравномерными, имеющими разные расстояния между отметками одинаковых величин в разных частях шкалы.

 По конструкции шкалы подразделяются на обыкновенные у которых деления нанесены на гладкую белую поверхность, и зеркальные, имеющие дугообразный вырез ниже делений. С внутренней стороны против выреза укреплено зеркало. Такие шкалы применяются у приборов высокого класса точности, снабженных ножевидной стрелкой. Отсчет измеряемой величины производится в таком положении глаза, при котором ножевидная часть стрелки закрывает свое изображение в зеркале. Благодаря этому устраняется погрешность, вызываемая неправильным положением глаза наблюдателя. Лабораторные приборы также имеют ножевидную стрелку, а зеркальной шкалы у них может и не быть. Технические и учебные приборы имеют копьеподобную стрелку и обычную шкалу.

 Ценой деления шкалы прибора называется количество электрических единиц, приходящихся на одно деление шкалы. Цену деления прибора можно определить, поделив наибольшую измеряемую им величину на количество делений шкалы. Например, если шкала амперметра расчитанного на 5А, поделена на 100 делений, то цена деления равна:

С = I/n = 5/100 = 0,05 А/дел

 Промышленность выпускает пять групп измерительных приборов в зависимости от условий эксплуатации. Эти пять групп различаются по диапазону рабочих температур и относительной влажности.

А : + 10 С - + 35 С, относительная влажность - 80 % - закрытые. сухие отапливаемые помещения;

Б :  - 30 С -  + 40 С, относительная влажность - 90 % - закрытые не отапливаемые помещения;

В₁ : - 40 С -  + 50 С, относительная влажность - 95 %; В₂  : - 50 С - + 60 С, относительная влажность - 95 %;

В₃  : - 50 С - + 80 С, относительная влажность - 98 %.

В₁, В₂, В₃ - в полевых, морских условиях и передвижных установках.

 Принадлежность прибора к одной из эксплуатационных групп отмечается на шкале прибора. Приборы группы А отметки на шкале не имеют.

 Приборы предназначенные для измерений в цепях переменного тока показывают действующие значения.

В зависимости от физического явления, используемого для целей измерения, измерительные приборы классифицируют по системам: электромагнитная, магнитоэлектрическая, электродинамическая, ферродинамическая, электростатическая, индукционная, термоэлектрическая, вибрационная.  Приборы магнитоэлектрической системы. Приборы этой системы используются для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. Принцип действия основан на силовом взаимодействии постоянного магнитного поля и проводника с током. Существуют два основных типа приборов магнитоэлектрической системы : приборы с подвижной катушкой и приборы с подвижным магнитом. Приборы с подвижной катушкой применяются значительно чаще, чем приборы с подвижным магнитом. В приборах этой системы вращающий момент пропорционален силе тока протекающего через измерительную цепь.

Достоинства:  равномерность шкалы, высокая точность, высокая чувствительность, малое потребление энергии ( 10^-4 - 10^-6 Вт ), низкая чувствительность на внешние магнитные поля, быстрое успокоение подвижной части.

Недостатки: только для цепей постоянного тока, сложны в изготовлении и высокая стоимость,  высокая чувствительность к перегрузкам.

 Приборы электромагнитной системы. Приборы этой системы используются для измерения силы тока и напряжения в цепях как переменного, так и постоянного тока. Принцип действия основан на силовом взаимодействии магнитного поля неподвижной катушки и сердечника из магнитного материала. Вращающий момент приборов этой системы зависит квадратично от силы тока, протекающего через измерительную цепь прибора.

Достоинства: очень просты  в изготовлении, предназначены для цепей переменного и постоянного тока, надежны в эксплуатации, способны выдерживать кратковременные перегрузки.

Недостатки: неравномерность шкалы, низкая точность (класс точности 1; 1,5; 2,5), относительно большое потребление энергии (2 - 8 Вт), малая чувствительность, незащищенность от внешних полей.  Приборы электродинамической системы. Приборы этой системы используются для измерений силы тока, напряжений, мощности в цепях переменного и постоянного тока. Принцип действия основан на силовом взаимодействии магнитных полей, создаваемых подвижной и неподвижной катушками. Вращающий момент приборов этой системы зависит от произведения силы токов притекающих через обе катушки прибора.

Достоинства :   возможность измерения в цепях переменного и постоянного тока, высокая точность, равномерность шкалы.

Недостатки:  большое потребление энергии, чувствительность на внешние магнитные поля, боятся перегрузок, чувствительны к механическим воздействиям, высокая стоимость.

Приборы ферродинамической системы. Приборы этой системы являются разновидностью приборов электродинамической системы. Для увеличения вращающего момента и уменьшения влияния внешних магнитных полей внутрь подвижной катушки таких приборов иногда вставляют стальной сердечник, а неподвижную катушку наматывают на стальной магнитопровод. Однако показания начинают зависеть от частоты, поэтому класс точности, как правило, не высокий (1,5; 2,5 ).

 Приборы электростатической системы. Принцип действия основан на взаимодействии между двумя электрически заряженными металлическими телами, разделенными диэлектриком. При подключении прибора к источнику постоянного напряжения неподвижные пластины заряжаются одноименным зарядом, а подвижная - зарядом противоположного знака. Между пластинами возникает электрическое поле. Под действием сил этого поля подвижная пластина, притягиваясь к неподвижным, поворачивается на оси и входит в зазор между неподвижными пластинами.

Достоинства :  равномерная шкала, применяются в цепях переменного и постоянного тока, нечувствительны к внешним магнитным полям, малое энергопотребление.

Недостатки :  чувствительны к внешним электрическим полям, низкая точность ( 1,5 и ниже ).

 Приборы индукционной системы. Приборы этой системы используются только  для цепей переменного тока. Они построены на принципе использования электромагнитной индукции. Вращающий момент в подвижной части - диске создается двумя переменными магнитными потоками, взаимодействующими с вихревыми токами, индуктированными этими же магнитными потоками в подвижной части прибора. Если одну индукционную катушку включить в цепь тока ( последовательно с нагрузкой ), а другую катушку - в цепь напряжения (то есть параллельно нагрузке ), то частота вращения диска будет пропорциональна мощности потребляемой в нагрузке. Число оборотов диска, пропорциональное энергии потребляемой нагрузкой за некоторое время, фиксируется счетным механизмом. Индукционные приборы используются в качестве счетчиков электрической энергии в цепях переменного тока.

 Каждый электроизмерительный прибор рассчитан на определенные условия, в которых им можно пользоваться: на определенный ток (переменный или постоянный), установку, класс точности и так далее. Поэтому на  шкале каждого электроизмерительного прибора имеются соответствующие  условные обозначения.

 

Условное обозначение	Значение условного обозначения
	Прибор постоянного тока
	Прибор переменного тока
	Прибор переменного и постоянного тока
	Прибор трехфазного тока
	Прибор магнитоэлектрической системы
	Прибор электромагнитной системы
	Прибор электродинамической системы
Условное обозначение	Значение условного обозначения
	Прибор ферродинамической системы
	Прибор индукционной системы
	Прибор вибрационной системы
	Прибор электростатической системы
	Рабочее положение шкалы вертикальное
	Рабочее положение шкалы горизонтальное
	Рабочее положение шкалы, под углом 450 к горизонту
	Измерительная цепь изолирована от корпуса и испытана напряжением 3 кВ
	Защита от внешних магнитных полей 3 мТл
	Защита от внешних электрических  полей  10 кВ/м
400 Гц	Номинальное значение частоты
	Класс точности прибора
А	Амперметр
V	Вольтметр
W	Ваттметр
Wh	Электрические счетчики
Hz	Частотомеры
cos 	Фазометры
, М	Омметры и мегомметры

 

Кроме этих обозначений на шкалах приборов иногда ставят в начале и в конце шкалы, а иногда только в начале или только в конце точки. Эти точки означают следующее, что если значение измеряемой величины находится между точками или между точкой (если точка одна) и большей части шкалы, то точность данного измерения соответствует классу точности указанному на шкале электроизмерительного прибора. 

Перед каждым измерением необходимо внимательно рассмотреть обозначения на шкале прибора, определить, пригоден ли он для данного измерения, правильно установить его и только после этого производить измерение.

 

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

 

 Результат измерения, полученный с помощью любого измерительного прибора, всегда отличается от действительного значения измеряемой величины.

 Разность между показанием прибора и действительным значением, взятая по модулю называется абсолютной погрешностью прибора. 

А = А_изм - А_д 

Обычно в качестве действительного значения здесь берут среднеарифметическое значение измеряемой величины. Для данного прибора считается, что его абсолютная погрешность постоянна и не изменяется с изменением измеряемой величины. Эта погрешность представляет собой сумму погрешностей от влияния различных факторов: неправильной градуировки шкалы прибора, внешней температуры, самонагрева, частоты переменного тока и так далее.

 Для оценки погрешности измерения используется понятие относительной погрешности. Относительная погрешность определяется отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, умноженное на 100%: 

 = А/ А_изм 100%

Из определения относительной погрешности видно, что относительная погрешность в начале шкалы больше, чем в конце. Считается, что измерения желательно проводить в последней трети шкалы, в этом случае относительная погрешность будет наименьшей.

 Оценить качество прибора по значению абсолютной и относительной погрешности невозможно. Поэтому было введено понятие приведенной погрешности: отношение абсолютной погрешности к максимальному показанию прибора умноженное на 100 %. 

 = А/ А_макс 100%

Величина приведенной погрешности определяет класс точности прибора.  По степени точности измерительные приборы делятся на 8 классов :

 

0,05;  0,1 - контрольные приборы;

0,2;  0,5 - лабораторные приборы; 1;  1,5;  2,5 - технические приборы; 4 - учебные приборы.

 

Для измерения силы тока собирают электрическую цепь:

 

Напряжение измеряют при помощи следующей электрической цепи:

 

Активную мощность измеряют ваттметрами. Ваттметр включается в цепь следующим образом:

 

Для расширения пределов измерения амперметров применяются шунты, а по напряжению - добавочные резисторы. Шунт представляет собой резистор сопротивление которого значительно меньше сопротивления катушки прибора. Шунт включают последовательно в измеряемую цепь. Параллельно шунту присоединяют измерительный прибор. 

 

Сопротивление шунта рассчитывают по формуле: 

 

R_ш=R_пр/( n - 1 ), 

 

где n - шунтирующий множитель, показывающий во сколько раз расширяется предел измерения прибора по току.

 Для измерения напряжений, превышающих напряжение, на которое рассчитан измерительный прибор, последовательно с ним включают добавочный резистор. 

 

Величину добавочного резистора определяют по формуле: 

 

R_д=R_пр(m-1), 

 

m - множитель добавочного резистора, показывает во сколько раз увеличивается предел измерения прибора по напряжению.

 При измерении переменных токов шунты не применяют. Это объясняется тем, что распределение токов между шунтом и амперметром определяется не только их активным сопротивлением, но и реактивным сопротивлением прибора, которое зависит от частоты. Поэтому для расширения пределов измерения амперметров в цепях переменного тока используют измерительные трансформаторы тока.

 

ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

 

Опасность поражения электрическим током. Тело человека является хорошим проводником электрического тока. Электрический ток проходя, через тело человека, в зависимости от его величины, может вызывать ряд специфических, как обратимых так и необратимых явлений.

 В зависимости от многих причин воздействие электрического тока может проявиться от легкого, едва ощутимого покалывания до  полного прекращения жизнедеятельности. Опасность воздействия электрического тока зависит от величины тока, проходящего через тело человека, длительности его воздействия, пути прохождения, рода и частоты тока, состояния кожного покрова.

 Различают три предельных значения тока, протекающего по пути рука - рука: ощутимый, неотпускающий и фибриляционный.

 Ощутимый ток: 0,6 - 1,5 мА вызывает легкое покалывание. Он не является опасным.

 Неотпускающий ток: 10 - 15 мА вызывает непереносимую боль, при этом судорожное сокращение мышц приводит к тому, что пострадавший не может разжать руку, в которой находится проводник с током.

 Фибриляционный ток: 100 мА и более, проникает  глубоко в грудь, раздражает мышцы сердца. Через 1 - 2 с начинаются частые сокращения волокон сердечной мышцы (фибрилл), прекращается движение крови в сосудах, наступает смерть.

 Ток более 5 А (как переменный, так и постоянный) приводит к немедленной остановке сердца. До сих пор имелся ввиду переменный ток промышленной частоты (50 Гц). При повышении частоты, начиная с 1000 Гц, опасность электрического тока снижается и при 400кГц полностью исчезает (кроме ожегов). Это обьсняется поверхностным эффектом : ток высокой частоты проходит по нечувствительной поверхности кожи.

 При напряжениях 250 - 300 В постоянный ток в 4 - 5 раз безопаснее переменного. При более высоких напряжениях постоянный ток оказывается опаснее переменного.

 

Электрическое сопротивление тела человека.  Тело человека, являясь проводником электрического тока, обладает вместе с тем электрическим сопротивлением, однако значение этого сопротивления различно у разных людей. Так, при сухой и чистой неповрежденной коже сопротивление тела человека колеблется от 3 - 100 кОм, причем основную часть сопротивления создает кожа человека, тогда как ткани тела имеют сопротивление 300 - 500 Ом. На сопротивление кожи сильно влияет ее состояние :

наличие царапин, ссадин, загрязнение, увлажнение.

 

Основные причины поражения электрическим током.  Поражение электрическим током происходит при замыкании электрической цепи через тело человека. Наиболее часты случаи поражений токов в тех  случаях, когда человек касается двух или одного провода, имея при этом контакт с землей. В первом случае прикосновение называется двухфазным, во втором - однофазным.   При двухфазном прикосновении человек попадает под линейное напряжение, поэтому через него протекает ток I = U/R = 380 В/1000 Ом = 0,38 А = 380 мА. Ток в этом случае является смертельно опасным, хотя человек может быть хорошо изолирован от земли.

 В случае однофазного прикосновения в сети с заземленным нулевым проводом через тело человека пройдет ток I = U/R = 220 В/1000 Ом = 0,22 А = 220 мА. Такой ток тоже смертельно опасен. Если человек в этом случае хорошо изолирован от земли, то ток очень сильно снижается и становится не опасным. Отсюда вытекает важность применения непроводящей обуви и изолирующего пола.

 

Защитное заземление.  Защитное заземление - это преднамеренное соединение с землей корпусов электрических машин и приборов, которые могут оказаться под напряжением. Принцип действия защитного заземления заключается в том, что если пробивается изоляция между фазой и корпусом прибора, то прикоснувшийся к прибору человек оказывается “зашунтированным” ничтожно малым сопротивлением защитного заземления и ток протекающий через человека, не представляет опасности.

ЛИТЕРАТУРА

1.Электротехника. Под ред. А.Я.Шихина. М.”Высшая школа”, 1991, 336с.

2.Электротехника. И.И.Иванов, В.С.Равдоник. М.”Высшая школа”, 1984, 376с.

3.Общая электротехника. Под ред. А.Т.Блажкина. Л.”Энергоатомиздат”, 1986, 592с.

4.Электротехника, электроника и импульсная техника. А.Т.Морозов.М.”Высшая школа”, 1987, 448с.

5.Електротехніка. Курс лекцій для студентів будівельних спеціальностей. М.Д.Самсоненко, М.І.Носанов, С.М.Самсоненко, Макіївка, 1997, 246с.

6.Справочник по электротехнике. А.А.Иванов. К.”Вища школа”, 1984, 304с.

7.Основы электротехники. А.С.Касаткин. М.”Энергия”, 1966, 712с.

8.Електротехніка. В.Є.Китаєв. Київ, “Будівельник”, 1994, 238с.

9. Электротехника. Касаткин А.С., Немцов М.В. -М: Энергоатомиздат, 1983, 480 с.

10.Электротехника, Под редакцией Герасимова В.Г. М: Высшая школа, 1985, 480 с.

11.Электроснабжение строительно-монтажных работ. Глушков Г.Н. М: Стройиздат, 1982, 232с.

12.Методические указания к лабораторным работам по курсу “Электротехника”, Макеевка, МакИСИ, 1984, 56 с.

13.Методические указания и задания к выполнению контрольных работ по курсу “Электротехника”,

Макеевка, МакИСИ, 1991, 52 с.

14. Электротехника. Волынский Б.А. и др. М., Энергоатомиздат, 1987, 525с.

15.Правила устройства электроустановок. М.:  Энергоатоиздат, 1985, 640с.

16.Основы электроснабжения промышленных предприятий. Ермилов А.А. М.: Энергоатомиздат., 1983, 208с.

17.Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. Промышленные электрические

сети. под ред. А.А.Федорова и Г.В.Сербиновского. М.: Энергия, 1980, 576с.

18. Энергоснабжение городов. Таги-заде Ф.Г. М.: Стройиздат, 1980, 280с.

19.Основы электроснабжения промышленных предприятий. Федоров А.А., КаменеваВ.В. М.:

Энергоатомиздат, 1984, 472с.

20.Электротехника и электрооборудование.Н.Н.Лебедев,С.С.Леви, М.:Высшая школа, 1970,304с.

21.Электрооборудование строительных машин и энергоснабжение строительных площадок. Д.С.Чукаев, М.Д.Федуркина, М.: Стройиздат, 1981,224с.