Цепи постоянного и однофазного переменного тока

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭКОНОМИКИ

 И ТОРГОВЛЕ ИМЕНИ МИХАИЛА ТУГАН - БАРАНОВСКОГО

 

ИНСТИТУТ ПИЩЕВЫХ ПРОИЗВОДСТВ

 

Кафедра общеинженерных|инженер-металлург| дисциплин

 

 

С.А. Соколов, А.Д. Гладкая, А.В. Шульга

 

 

Электротехника, электрооборудование и микропроцессорная техника

 

ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ

 

для студентов специальности

„Оборудование перерабатывающих и пищевых производств”

всех форм|формы| обучения|обучения,учения|

 

 

 

                                                   Утверждено на заседании кафедры

                                              общеинженерных|инженер-металлург| дисциплин ДОННУЕТ

                                                     Протокол № 14 от 8. 12. 2008

 

Донецк 2008

 

 

Содержание

1. Цепи постоянного и однофазного переменного тока..................................2

2. Трехфазные цепи...........................................................................................6

3. Магнитное поле в магнитных цепях............................................................9

4. Катушка с магнитопроводом в цепи переменного тока............................11

5. Электроизмерительные приборы и электрические измерения.................15

6. Трансформаторы............................................................................................19

7. Электрические машины постоянного тока.................................................23

8. Асинхронные машины..................................................................................28

9. Синхронные машины....................................................................................32

10. Элементная база электронной и микропроцессорной техники..............34

11. Выпрямители...............................................................................................38

12. Усилители.....................................................................................................40

13. Логические и цифровые устройства..........................................................42

14. Общая характеристика микропроцессора.................................................44

15. Многофункциональность микропроцессорных систем...........................51

16. Использование микропроцессорной техники...........................................54

17. Литература...................................................................................................59

 

 

 

Опорный конспект для студентов-заочников целиком отвечает программе курса. Состоит из таких основных разделов: электрические и магнитные круги; электроизмерительные приборы и электрические измерения; трансформаторы и электрические машины; электроника и микропроцессорная техника.

 

ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО И ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

Знакомство с электротехникой как наукой о практическом применении электрических и магнитных явлений природы и законов, которые их описывают, стало насущной необходимостью для любого технического специалиста в связи с широким использованием электрической энергии в разнообразнейший направлениях.

Название конспекта имеет три составляющих, которые отображают три основных направления электротехнической области на современном этапе.

Электрические цепи – это совокупность устройств, предназначенных для генерации, передачи и преобразование электрической энергии в другие виды энергии.

Режим работы любой электрической цепи можно определить через понятие напряжения или электродвижущей силы, тока и мощности. Электрический ток І определяет количество электрических зарядов q, что проходит за одну секунду через произвольное сечение цепи, І = q/t. Единица измерения тока – ампер, 1 А = Кл / с. Электрическим напряжением U на приемнике в цепи постоянного тока называем количество тепла Q_R, что выделяется при прохождении по нему заряда в один Кулон, U = Q_R / q. Единица измерения напряжения – вольт, 1 В = Дж / Кл. Мощность приемника Р равняется количеству тепла, которое выделяется им за единицу времени (то есть величине электрической энергии, превращенной в тепловую за единицу времени) Р_R = Q_R / t = U_Rq / t = U_RІ [ B∙A ]. Единицей мощности в цепи постоянного тока и активной мощности в цепи переменного тока является Вт.

В цепях переменного тока величину напряжений и токов оценивают по их амплитудным, действующим и средним значениям. Для синусоидальных напряжений и токов соотношение средних и действующих значений с амплитудным значением определяется по формулам:

.

Свойства пассивных элементов характеризуют параметры R (омическое сопротивление), L (индуктивность), С (емкость). Параметр R характеризует способность элемента электрического поля превращать электрическую энергию в тепловую. Параметр L характеризует способность элемента электрического поля создавать магнитное поле при протекании в нем электрического тока. Параметр С характеризует способность элемента электрического поля создавать электрическое поле и накапливать заряды.

Идеальным источником ЭДС (напряжения) есть источник ЭДС без внутреннего сопротивления (R_B = 0) с одним параметром – Е. Напряжение U на выводах такого идеального источника равняется ЭДС E и не зависит от тока нагрузки I. Источник питания с бесконечно большим внутренним сопротивлением называют идеальным источником тока с одним параметром J = І_K, где І_K – ток короткого замыкания. Ток такого источника не зависит от сопротивления нагрузки.

Идеальными называют элементы электрических цепей, которые имеют только один параметр R, L, С, E, или J = І_K. Реальные элементы электрических цепей можно идеализировать и представить их с некоторым приближением лишь одним параметром. Если нельзя пренебречь ни одним параметром реального элемента, на замещения схемах электрических цепей его заменяют набором последовательно или параллельно соединенных идеальных элементов, которые в сумме имеют свойства реального элемента.

Потеря напряжения на идеальном элементе с параметром L возникает только при протекании по нем переменного тока . Ток через идеальный элемент с параметром С протекает только при подаче на него переменного напряжения .                  

Если сопротивление нагрузки в цепи постоянного тока равняется эквивалентному сопротивлению источника и линии передачи, – мощность в нагрузке имеет максимальное значение, а КПД передачи электроэнергии равняется 50%.

Анализ электрического поля постоянного тока методом эквивалентных преобразований состоит в замене участков цепи, которые состоят из нескольких резистивных элементов, одним эквивалентным резистивным элементом таким образом, что токи и напряжения других участков цепи, не задетым преобразованием, остаются неизменными. Это уменьшает количество элементов цепи и упрощает выполнение его анализа. Эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равняется сумме сопротивлений этих резисторов. Эквивалентная проводимость параллельно соединенных ветвей равняется сумме их проводимостей.

При анализе электрических цепей с несколькими источниками питания обычно используют методы: наложение, непосредственного применения законов Кирхгофа, контурных токов, напряжения между двумя узлами и эквивалентного генератора.

Для использования законов Кирхгофа при анализе цепей синусоидального переменного тока необходимо выполнять операции суммирования (вычисления) токов и напряжений с учетом их взаимных фазовых сдвигов. Поэтому напряжения и токи в таких цепях изображают обычно в виде векторов, модули которых равняются амплитудным или действующим значениям соответствующих напряжений и токов, а поворот на определенный угол ψ против часовой стрелки или на угол − ψ по часовой стрелки относительно оси абсцисс учитывает их начальную фазу.

Расположение изображенных векторов синусоидальных токов и напряжений на комплексной плоскости дает возможность представлять изображенные векторы в виде комплексных чисел, представленных в алгебраической, тригонометрической или показательной форме:

    Модули векторов U и І равняются амплитудным или действующим значениям напряжений и токов соответственно.

Соотношение между напряжением и током в цепях синусоидального переменного тока для их мгновенных, действующих и комплексных значений имеют вид:

для резисторного элемента −

для индуктивного элемента −

для емкостного элемента −

Среднее значение мощности в резисторном элементе P=U_RІ называют его активной мощностью. Она определяет интенсивность преобразования элементом электрической энергии в тепловую. 

Среднее значение мощности в индуктивном и емкостном элементах равняется нулю. Индуктивный элемент потребляет энергию из сети и накапливает ее в создаваемом им магнитном поле, если ток в нем возрастает, и отдает энергию в сеть при уменьшении тока. Емкостный элемент потребляет энергию из сети, если напряжение на нем возрастает, и накапливает ее в создаваемом электрическом поле, и отдает энергию в сеть при уменьшении напряжения. Энергетическое состояние индуктивного элемента определяют его реактивной мощностью Q_L, которое равняется амплитуде колебаний мгновенной мощности в элементе, Q_L=U_LІ. Аналогично для емкостного элемента реактивная мощность Q_C = −U_CI.

Закон Ома для действующих и комплексных значений напряжений и токов цепи переменного тока с последовательным соединением элементов R, L, C:

Здесь Z − полное сопротивление поля с последовательным соединением элементов, а − его комплексное значение. Полная, активная и реактивная мощности такого поля равняются:

Если Х_L=Х_C, в цепи с последовательным соединением элементов наблюдается режим резонанса напряжений. Ток цепи в таком режиме максимальный, поскольку сопротивление принимает минимальное значение. 

Закон Ома для действующих и комплексных значений напряжений и токов цепи переменного тока с параллельным соединением двух ветвей, одна из которых имеет активно-индуктивное, а другая − активно-емкостное сопротивление:  

Здесь Y − полная эквивалентная проводимость двух параллельных веток, а − ее комплексное значение; g_L и g_C − активные составные, а b_L и b_C  − реактивные составные проводимостей ветвей. Активная составная проводимости любой ветви, которая имеет в своем составе сопротивления R и Х равняется g=R/Z ², а реактивная составляющая − b=X/Z ². Если b_L=b_C, в цепи с параллельным соединением двух ветвей с активно-индуктивным и активно-емкостным сопротивлением наблюдается режим резонанса токов. Ток І в цепи приобретает минимального значения, так как эквивалентная проводимость цепи становится минимальной.

Все методы анализа цепей постоянного тока пригодны для анализа цепей переменного синусоидального тока, если вместо соответствующей действующих значений параметров Е, U, І, R элементов электрических цепей постоянного тока использовать комплексные значения,  в цепях переменного тока.

Коэффициентом мощности в цепи переменного тока называют соотношения его активной и полной мощностей . Если реактивная мощность отсутствует, то  и реактивная составная тока равняется нулю. Реактивная мощность в электрических сетях обусловлена наличием потребителей, которые создают магнитные поля, поэтому она имеет индуктивный характер. Для уменьшения реактивной составляющей тока в линии электропередачи возле потребителей индуктивной реактивной мощности устанавливают устройства, которые создают емкостную реактивную мощность, так что суммарная реактивная мощность обеспечивает .

Элементы электрических цепей, параметры которых R, L, С зависят от тока и приложенного к ним напряжения, называют нелинейными. Для расчета цепей постоянного тока с нелинейными элементами используют графоаналитический метод расчета или аналитический. В последнем случае вольтамперную характеристику нелинейного элемента заменяют отрезками прямых и рассматривают в границах каждого такого отрезка элемент как линейный с дифференциальным сопротивлением .

ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ

 

Объединение в одну цепь трех электрических цепей синусоидального тока с независимыми ЭДС одинаковой частоты и с одинаковыми амплитудами широко применяют в электротехнике. Объединяемые цепи синусоидального тока называют фазами, а целую объединенную систем − трехфазной системой.

При создании систем электроснабжения преимущество переменного тока над постоянным состояло в наличии технической возможности передачи электрической энергии с помощью трансформаторов на большое расстояние с малыми потерями. А среди возможных систем переменного тока трехфазные системы победили двухфазные и однофазные прежде всего по коммерческой причине: стоимость проводов линии передач в трехфазной системы оказалась значительно ниже. Кроме того, трехфазные двигатели и генераторы по своим технико-экономическим характеристикам более совершенны, чем двухфазные или однофазные. Поэтому сейчас наиболее массовым двигателем в промышленности являются трехфазные асинхронные двигатели, которые требуют именно трехфазного питания.

Источником энергии в трехфазных системах есть трехфазный генератор, который состоит из недвижимого статора и подвижного ротора, изготовленных из ферромагнитных материалов. На поверхность ротора (в пазы) уложены проводники обмотки возбуждение, по которым пропускают постоянный ток. При наличии тока в обмотке возбуждения ротор представляет собою электромагнит с полюсами N и S.

В пазах статора заключен три одинаковых обмотки, сдвинутых между собою в пространстве на 120˚. При вращении ротора с угловой скоростью ω ₀ фазные обмотки генератора пересекаются переменным магнитным потоком и, в, соответствии с законом электромагнитной индукции, в них возникают ЕДС одинаковой амплитуды, сдвинутые между собою по фазе на 120˚, то есть на треть периода.

Фазы (фазные обмотки) трехфазных источников питания и фазы приемников электрической энергии соединяют звездой или треугольником. При соединении фаз источника звездой концы фаз X, Y, Z соединяют в одну нейтральную точку N, а начала фаз A, В, С подсоединяют к линейным проводам, которые соединяют источник с выводами a, b, с фаз приемника. Свободные выводы приемника также соединяют в одну точку n, которую называют нейтральной точкой приемника. Если нейтральные точки источника N и приемника n соединены между собою нейтральным проводом, получается четырех проводная система со схемой соединений звезда/звезда. При отсутствии нейтрального провода система будет трехпроводной.

При соединении фаз источника или приемника треугольником следует соединить конец каждой фазы с началом следующей, то есть соединить три фазы последовательно и к началу каждой фазы а, b, с подключить линейные провода.                    

Напряжения на фазах источника и приемника называют фазными, а напряжения между линиями передач − линейными напряжениями. Соответственно токи, которые текут в фазах источника и приемника называют фазными, а токи, которые текут в проводах, которые соединяют источник или приемник с линией электропередачи − линейными токами. При соединении треугольником фазные напряжения равняются линейным. При соединении звездой токи в линиях равняются токам фазным.

Источник называют симметричным, если все его фазные напряжения имеют одинаковые действующие значения  и сдвинутые между собою по фазе на 120˚. Симметричный трехфазный приемник имеет одинаковые комплексные сопротивления всех фаз. Действующее значение линейного напряжения U симметричного источника или приемника, соединенного звездой, больше фазного напряжения U_Ф в   раз. Действующее значение линейных токов симметричных источников или приемников, соединенных по схеме треугольника, больше фазных в  раза.

Если трехфазная цепь симметричная, то при соединении фаз приемника и генератора звездой с нейтральным проводом ток в нейтральном проводе равняется нулю. Поэтому для симметричного приемника нейтральный провод не нужен. Если же несимметричный приемник соединен звездой, то отсутствие нулевого провода приводит к искажению симметрии фазных напряжений приемника. Для обеспечения симметрии фазных напряжений такого приемника обязательно наличие нейтрального провода. При наличии нейтрального провода фазные напряжения приемника равняются фазным напряжениям источника и, независимо от несимметрии приемника, остаются симметричными. Ток в нейтральном проводе теперь не равен нулю.

Симметрию фазных напряжений приемника можно обеспечить включением его в трехфазную сеть треугольником, но при этом номинальные напряжения фаз приемника должны равняться линейным напряжениям трехфазной системы.

Для симметричного трехфазного приемника полная, активная и реактивная мощность равняются:

Независимо от схемы соединения фаз симметричного приемника его мощности через линейные токи и напряжения выражают формулами:

Для не симметричного трехфазного приемника активная, реактивная и полная мощность равняются: 

Мощности трехфазного приемника можно определить с помощью электроизмерительных приборов − ваттметра, амперметра и вольтметра.

Ваттметр − прибор, предназначенный для измерения активной мощности. Он имеет две обмотки − токовую, которая включается последовательно с нагрузкой, и обмотку напряжения, которая включается параллельно с нагрузкой, в которой измеряется мощность. Начала обмоток соединяют между собою и подключают к источнику питания, а противоположные выводы обмоток подключают к приемнику. Показания ваттметра равняются . Здесь φ − угол сдвига фаз между напряжением на обмотке напряжения и током в токовой обмотке ваттметра. Амперметр − прибор для измерения силы тока. Обмотка идеального амперметра имеет сопротивление, близкое к нулю. Вольтметр − прибор для измерения величины напряжения. Сопротивление обмотки идеального вольтметра приближается к бесконечности.

Один и тот же приемник можно подключать к сети по схеме звезды или треугольника. При переключении приемника со схемы соединений звездой на схему соединений треугольником линейный ток увеличивается в три раза, а фазный − в  раза. Активная мощность трехфазного приемника независимо от схемы соединения фаз равняется . В следствие переключения схемы соединений со звезды на треугольник линейные токи увеличиваются в три раза и потребляемая приемником мощность также возрастает в три раза.

С целью обеспечения безопасности людей металлические части электрооборудования, которые в обычных условиях не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним в следствие повреждения изоляции, выполняют их защитное заземление. Для соединения металлического корпуса электроустановки с землей создают заземлители в виде стальных закопанных в землю вертикально труб, угловой стали, металлических стержней и т.п. Обычно сопротивление заземлителя Ом.

Для срочного выключения из сети поврежденной электроустановки используют защитное зануление. Его выполняют путем присоединения металлических корпусов электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции, к многократного заземленного нейтрального провода электрической сети. При замыкании на корпус электроустановки какой-либо фазы сети создается короткое замыкание этой фазы источника, возникает большой ток, который значительно превышает ток срабатывания защитного автомата или ток перегорания защитного предохранителя. Поврежденная фаза выключается из электрической цепи, что и исключает опасность для жизни человека, которая может дотронуться корпуса.