www.curland.lv

АЗЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Электрическим током (обычно обозначается буквой I) в электротехнике называется направленное движение электронов в проводниках (проводах) и внутри электроприборов. Сила тока измеряется в Амперах и обозначается буквой А. Для того чтобы в проводнике потёк ток, необходим: - источник тока – батарейка, преобразователь питания, генератор на электростанции - наличие замкнутой цепи, то есть возможность электронов двигаться от одного полюса питания к другому хотя бы по одному маршруту. Разорвав электрическую цепь, мы остановим движение тока по всей цепи. Электрический ток в проводнике протекает благодаря электрическому полю, создаваемому источником электрического тока. Разность напряжённости электрического поля (потенциалов) на полюсах источника питания как раз и создаёт электрический ток. Это означает, что для возникновения тока в электрическом приборе необходима разность потенциалов между входным и выходным контактом прибора. Эту разность потенциалов называют напряжением. Напряжение измеряют в Вольтах и обозначают буквой В (или латинской буквой V). Движение электронов по проводнику тормозится вследствие столкновения их с атомами или ионами проводника, при воздействии внешних полей и другими причинами. Возникающее противодействие проводника направленному движению электронов называется сопротивлением. Сопротивление измеряется в Омах и обозначается Ом. ЗАКОН ОМА Закон Ома устанавливает связь между напряжением (U), сопротивлением ® и током (I) на участке электрической цепи. Согласно этому закону, I=U/R, то есть, протекающий по участку цепи ток прямо пропорционален напряжению на концах участка цепи, и обратно пропорционален сопротивлению этой цепи. Пример 1. Через лампочку с рабочим напряжением U=12 В и сопротивлением в нагретом состоянии R= 2 Ом протекает ток I=12/2=6A Пример 2. Вычислим напряжение U, которое надо приложить к проводнику с сопротивлением R 120 Ом, чтобы по нему протекал ток I 5 А. По закону Ома, I=U/R. Следовательно, U=I*R. Подставляя в эту формулу значения, получаем: U=210*5=600 В Пример 3. Вычислим, какое сопротивление имеет проводник, если известно, что по нему протекает ток 25 А, когда напряжение на его концах составляет 500 В. По закону Ома, I=U/R. Следовательно, R=U/I. Подставляя в эту формулу значения, получаем: R=500/25=20 Ом. МОЩНОСТЬ, ВЫДЕЛЯЕМАЯ ПРИ ПРОХОЖДЕНИИ ТОКА Для оценки энергетических возможностей выполнения работы в электрических цепях (мощности), которая обозначается латинской буквой Р и измеряется в Ваттах (Вт), используется формула: P=U*I=I2*R=U2/R Пример 1 Какую мощность Р потребляет лампочка, если при напряжении 220 В по ней протекает ток 0,45 А? Подставляя значения в формулу, получим: Р = 220*0,45 = 99 Вт Пример 2 Какой ток потребляет водонагреватель 5 КВт, если его рабочее напряжение 220 В? 5 КВт – это 5000 Вт; из формулы находим, что I=P/U=5000/220=22,73А ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК Всё, о чём говорилось до сих пор, касалось в первую очередь, электрических цепей, в которых на протяжении всего времени, ток протекает только в одном направлении. Вместе с тем, в настоящее время, благодаря ряду преимуществ, наибольшее практическое применение имеет переменный ток. Он представляет собой периодически меняющийся по направлению ток. Через определённый постоянный промежуток времени, называемый периодом, эти изменения тока повторяются. Число этих периодов за 1 секунду называется частотой, которая изменяется в Герцах (Гц). В нашей стране, в основном, используется переменный ток частотой 50 Гц. Это означает, что создаваемый генераторами на электростанциях электродвижущая сила (и связанный с ней ток и напряжение у конечного потребителя), изменяясь по синусоидальному закону, приобретают свои максимальные (амплитудные) значения 50 раз при одном направлении тока и 50 – при другом, и 100 раз проходят через нулевое значение. На кораблях и самолётах применяется переменный ток частотой 400 Гц. Для расчетов цепей переменного тока применяются следующие величины: Im – максимальное (амплитудное) значение переменного тока. Это максимальное значение, которое ток достигает за половину периода. Однако пользоваться этой величиной крайне неудобно. Поэтому, наибольшее применение получила величина Iд – действующее (эффектное) значение переменного тока. Это величина постоянного тока, который за промежуток времени, равный целому числу периодов, выделит на каком – либо активном сопротивлении такое же количество тепла, что и данный переменный ток. Для синусоидальной формы переменного тока, применяемой в наших сетях, максимальное и действующее значение тока связаны между собой соотношением: Iд = 0,707 Im Аналогичные формулы существуют для напряжения. Почти во всех электротехнических расчётах применяются действующие значения тока и напряжения. ВИДЫ НАГРУЗОК ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Для цепей переменного тока, в отличие от постоянного, закон Ома несколько изменяется, так как некоторые виды нагрузок ведут себя при прохождении изменяющегося во времени тока по-разному. Рассмотрим эти типы нагрузок. Активная (резистивная) нагрузка. Для неё закон Ома выполняется в каждый момент времени и аналогичен закону Ома для постоянного тока. Примеры активной нагрузки: электрическая лампочка, нагревательный элемент (ТЭН), электрическая плита. Индуктивная (реактивная) нагрузка преобразует в течение одной половины полупериода энергию электрического тока в магнитное поле, а течении следующей половины преобразует энергию магнитного поля в электрический ток. При этом в индуктивной нагрузке кривая тока отстаёт от кривой напряжения на ту же половину полупериода. Примером для данного вида нагрузок может быть дроссель или катушка индуктивности. Ёмкостная (реактивная) нагрузка преобразует в течение одной половины полупериода энергию электрического тока в электрическое поле, а течении следующей половины преобразует энергию электрического поля в электрический ток. При этом в ёмкостной нагрузке кривая тока опережает кривую напряжения на ту же половину полупериода. Примером данного вида нагрузок может быть конденсатор. Так как в природе не существует ничего идеального, чистые реактивные нагрузки в электротехнике не встречаются. Любая нагрузка имеет КПД ниже 100%, и часть энергии рассеивается в виде тепловых потерь, излучения и т.д. Поэтому в реальной, а не теоретической электротехнике применяется понятие активно-реактивной нагрузки. Активно-индуктивная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной индуктивности. Примером таких нагрузок может быть обмоточный электромагнитный трансформатор, электродвигатель, электромагнитное пускорегулирующее устройство для люминесцентных ламп, катушка зажигания в автомобиле. Для этого вида нагрузок характерен бросок напряжения в момент размыкания электрической цепи. Активно-ёмкостная нагрузка может рассматриваться как последовательное или параллельное соединение активного сопротивления и идеальной ёмкости. Примером таких нагрузок может быть конденсатор, электронные блоки питания галогенных или люминесцентных ламп. Для этих нагрузок характерен бросок тока в момент замыкания электрической цепи, особенно если он произошёл в тот момент, когда напряжение в сети максимально, или близко к максимальному. При протекании тока через активно-реактивную нагрузку часть тока будет протекать через прибор, не производя никакой полезной работы. При этом максимумы и минимумы тока и напряжения будут достигаться в разное время, а кривые изменения по времени тока и напряжения будут не совпадать – оставаясь, при этом, периодическими функциями. Происходит сдвиг тока и напряжения по фазе. Косинус угла между током и напряжением является важной величиной в электротехнике и обозначается cos(?). Физический смысл cos(?) – КПД установки. Этот коэффициент показывает, какая часть тока преобразуется в полезную работу, а какая часть тока течёт в проводниках вхолостую, перегружая проводники. Чем выше cos(?), тем лучше КПД установки. У активных проводников он равен 1, а у идеальных ёмкостных и индуктивных проводников он равен 0. Пример. Какой ток протекает в цепи 1-но фазного двигателя мощностью 1 КВт, имеющего cos(?) =0,45. Напряжение сети 220 В. Используя формулу P = U*I* cos(?), получаем: I = P/(U*cos(?)). Подставляя значения в формулу, производим вычисления: I = 1000/(220*0.45) = 10.1 А. Заметим, что если бы cos(?) был бы равен 1, то ток был бы почти в 2 раза ниже, т.е. составил бы 4,55 А. ОДНОФАЗНЫЕ И ТРЁХФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ В промышленности, где применяются электроприборы большой мощности, для уменьшения сечения подводящих проводов, используются 3-х фазные цепи переменного электрического тока. В быту практически повсеместно применяются однофазные цепи. Однофазная цепь состоит из 2-х проводников: фазного и нейтрального (последний также называют нейтралью, рабочим нулём или нулевым проводником). Название "нейтральный проводник" происходит от того, что он заземлён (т.е. имеет хороший электрический контакт с грунтом), и поэтому не имеет потенциала относительно поверхности земли. Фазный проводник, наоборот, имеет потенциал относительно земли, и поэтому прикосновение к нему смертельно опасно. Трёхфазная сеть состоит из трёх фазных и одного нейтрального проводника (наличие нейтрального проводника в ряде случаев не обязательно). В фазных проводниках напряжение одинаково по амплитуде, но пики сдвинуты на 1/3 периода друг относительно друга. Фазные проводники обозначаются латинскими буквами A, B и C, по порядку чередования фаз. Напряжение между нейтральным проводником называется фазным, а между двумя фазными проводниками – линейным. Фазное и линейное напряжение связано между собой соотношением Uл = 1,73Uф. Если фазное напряжение равно 220 В, то линейное напряжение Uл = 1,7Uф = 220*1,73 = 380 В РАСЧЁТ МОЩНОСТИ ТРЁХФАЗНОГО ПОТРЕБИТЕЛЯ Трёхфазная нагрузка называется равномерной, когда по всем фазным проводникам протекает одинаковый ток. При этом сила тока в нулевом проводнике равна нулю. Примером равномерной (симметричной) нагрузки являются трёхфазные электродвигатели. В этом случае мощность потребителя рассчитывается по формуле P = 3*Uф*I* cos(?) = 1,73Uл*I* cos(?) (1) Когда по фазным проводникам протекают различные по величине токи, нагрузка называется неравномерной или несимметричной. В случае несимметричной нагрузки по нулевому (нейтральному) проводу протекает ток. В данном случае мощность определяется по формуле: Pобщ = Ua*Ia* cos(?1) + Ub*Ib* cos(?2) + Uc*Ic* cos(?3) (2) Пример 1 Какой ток протекает в цепи 3-х фазного электродвигателя мощностью 1,45 КВт и cos(?)=0,76? Напряжение сети Uф/Uлин = 220/380 В Решение: 3-х фазные электродвигатели являются симметричной нагрузкой. Используя формулу (1), после преобразований, получаем: I = P/3*Uф* cos(?) = 1450/3*220*0,76 = 2,9 А Пример 2 Какую мощность потребляет коттедж с трёхфазным вводом, если по фазным проводам протекают токи величиной 4,2, 5,1 и 12 А? Принять cos(?) = 1 Решение: Используя формулу (2), имеем: Робщ = (4,2 + 5,1+12)*220 = 21,3*220 = 4,7 КВт