Основы электротехники

Бизнес и финансы

БанкиБогатство и благосостояниеКоррупция(Преступность)МаркетингМенеджментИнвестицииЦенные бумагиУправлениеОткрытые акционерные обществаПроектыДокументыЦенные бумаги — контрольЦенные бумаги — оценкиОблигацииДолгиВалютаНедвижимость(Аренда)ПрофессииРаботаТорговляУслугиФинансыСтрахованиеБюджетФинансовые услугиКредитыКомпанииГосударственные предприятияЭкономикаМакроэкономикаМикроэкономикаНалогиАудитМеталлургияНефтьСельское хозяйствоЭнергетикаАрхитектураИнтерьерПолы и перекрытияПроцесс строительстваСтроительные материалыТеплоизоляцияЭкстерьерОрганизация и управление производством

Альтернативные определения электромеханики

Академик А. Г. Иосифьян дал общее определение электромеханики: «Электромеханика — наука о движении и взаимодействии вещественных инерциальных макроскопических и микроскопических тел, связанных с электрическими и магнитными полями». Учитывая то, что для приведения покоящегося тела в движение требуется действие силы, определение, данное Иосифьяном А. Г., может быть приведено к следующей форме: «Электромеханика — обобщенное учение о силах, действующих в электромагнитном поле и о проблемах, связанных с проявлением этих сил».

В зарубежных источниках встречается следующее определение: «Электромеханика — технология, рассматривающая вопросы, связанные с электромеханическими компонентами, устройствами, оборудованием, системами или процессами», где под электромеханическими компонентами подразумеваются электрические машины.

Электричество в природе

Молния ночью в Денвере

Ярким проявлением электричества в природе служат молнии, электрическая природа которых была установлена в XVIII веке. Молнии издавна вызывали лесные пожары. По одной из версий, именно молнии привели к первоначальному синтезу аминокислот и появлению жизни на земле (Эксперимент Миллера — Юри и Теория Опарина — Холдейна).
Атмосфера Земли представляет собой гигантский конденсатор, нижняя обкладка которого (земная поверхность) заряжена отрицательно, а верхняя обкладка (верхние слои атмосферы до высоты 50 км) положительно. Разность потенциалов между поверхностью Земли и верхними слоями атмосферы составляет 400 кВ, вблизи поверхности Земли существует постоянное электрическое поле напряжённостью 100 В/м. Отрицательный заряд земной поверхности поддерживается молниями Весьма сомнительное утверждение[источник не указан 214 дней].

Для процессов в нервной системе человека и животных решающее значение имеет зависимость пропускной способности клеточной мембраны для ионов натрия от потенциала внутриклеточной среды. После повышения напряжения на клеточной мембране натриевый канал открывается на время порядка 0,1 — 1,0 мс., что приводит к скачкообразному росту напряжения, затем разность потенциалов на мембране снова возвращается к своему первоначальному значению. Описанный процесс кратко называется нервным импульсом. В нервной системе животных и человека информацию от одной клетки к другой передают нервные импульсы возбуждения длительностью около 1 мс. Нервное волокно представляет собой цилиндр, наполненный электролитом. Сигнал возбуждения передаётся без уменьшения амплитуды вследствие эффекта кратковременного увеличения проницаемости мембраны для ионов натрия.

Многие рыбы используют электричество для защиты и поиска добычи под водой. Южноамериканский электрический угорь способен генерировать электрические разряды напряжением до 500 вольт. Мощность разрядов электрического ската может достигать 0,5 кВт. Акулы, миноги, некоторые сомообразные используют электричество для поиска добычи. Электрический орган рыб работает с частотой несколько сотен герц и создаёт напряжение в несколько вольт. Электрическое поле улавливается электрорецепторами. Находящиеся в воде предметы искажают электрическое поле. По этим искажениям рыбы легко ориентируются в мутной воде.

Меры безопасности

Когда проходят практические занятия по изучению электротехники, необходимо позаботиться о безопасности учащихся. Ведь несоблюдение некоторых правил может привести к травмам и даже смертельным исходам. Основы работы с приборами, питающимися от сети:

  • ознакомление с инструкцией;
  • проверка изоляции проводников;
  • диагностика электросети.

Перед работой студенты обязательно должны прочесть инструкцию к каждому прибору. Без выполнения этого правила нельзя подключать устройства к сети

Особое внимание уделяют разделу, в котором описываются вопросы безопасности. Затем контролируют изоляцию проводников

Обычно все провода покрываются специальными материалами, которые не пропускают электричество, — диэлектриками или изоляторами. Если это покрытие повреждено, то его необходимо восстановить, в противном случае возможно возникновение травм.

https://youtube.com/watch?v=b94M9B52MBE

Работу по восстановлению изоляции нужно проводить в специальном защитном костюме, который не проводит ток — резиновые перчатки и диэлектрические ботинки. Для выполнения третьего правила — проверки функционирования электрических сетей — используют только специальные инструменты. Не прикасаются к источникам голыми руками и металлическими предметами. Причинами травм и смертельных случаев электриков обычно становится невыполнение этих правил. Каждый день перед работой специалисты перечитывают инструкцию и ставят свою подпись, соглашаясь с тем, что они ознакомлены с правилами и готовы их выполнять.

1.5. Режимы работы электрических цепей

В зависимости от нагрузки различают следующие режимы работы: номинальный, режим холостого хода, короткого замыкания, согласованный режим.
При номинальном режиме электротехнические устройства работают в условиях, указанных в паспортных данных завода-изготовителя. В нормальных условиях величины тока, напряжения, мощности не превышают указанных значений.Режим холостого хода возникает при обрыве цепи или отключении сопротивления нагрузки. Режим холостого хода является аварийным для источников тока.Режим короткого замыкания получается при сопротивлении нагрузки, равном нулю. Ток короткого замыкания в несколько раз превышает номинальный ток. Режим короткого замыкания является аварийным для источников напряжения.Согласованный режим — это режим передачи от источника к сопротивлению нагрузки наибольшей мощности. Согласованный режим наступает тогда, когда сопротивление нагрузки становится равным внутреннему сопротивлению источника. При этом в нагрузке выделяется максимальная мощность.

Закон Ома

Данный закон относится к основным положениям и понятиям электротехники. Он наиболее точно отражает зависимость между такими величинами, как сила тока, напряжение, сопротивление и мощность. Определения этих величин уже были рассмотрены, теперь нужно установить степень их взаимодействия и влияния друг на друга.

Для того чтобы вычислить ту или иную величину, необходимо воспользоваться следующими формулами:

  1. Сила тока: I = U/R (ампер).
  2. Напряжение: U = I x R (вольт).
  3. Сопротивление: R = U/I (ом).

Зависимость этих величин, для лучшего понимания сути процессов, часто сравнивается с гидравлическими характеристиками. Например, внизу бака, наполненного водой, устанавливается клапан с примыкающей к нему трубой. При открытии клапана вода начинает течь, поскольку существует разница между высоким давлением в начале трубы и низким – на ее конце. Точно такая же ситуация возникает на концах проводника в виде разности потенциалов – напряжения, под действием которого электроны двигаются по проводнику. Таким образом, по аналогии, напряжение представляет собой своеобразное электрическое давление.

Силу тока можно сравнить с расходом воды, то есть ее количеством, протекающим через сечение трубы за установленный период времени. При уменьшении диаметра трубы уменьшится и поток воды в связи с увеличением сопротивления. Этот ограниченный поток можно сравнить с электрическим сопротивлением проводника, удерживающим поток электронов в определенных рамках. Взаимодействие тока, напряжения и сопротивления аналогично гидравлическим характеристикам: с изменением одного параметра, происходит изменение всех остальных.

Требования и профессиональные навыки

Руководитель энергетического предприятия имеет в своём распоряжении штат из инженеров, электриков среднего звена и рядовых работников, окончивших ПТУ. Назначения на должности инженеров энергетиков, электротехников и рядового состава производятся приказом руководства по представлению Главного энергетика предприятия.

Требования к специалистам входят в положения должностных инструкций. Они градуированы в зависимости от квалификации и наличия профессиональных навыков. Требования включают в себя:

  • умение работать с документацией, необходимой для выполнения своих обязанностей;
  • разработка планов по развитию энергетического потенциала предприятия;
  • бесперебойное обеспечение электроэнергией;
  • знание технических характеристик, устройства энергетических сетей и электроустановок;
  • умение ремонтировать элементы энергетического комплекса;
  • применение новейших методик регулировочных и пусконаладочных работ, производимых в различном электрооборудовании;
  • внедрение передового опыта по совершенствованию энергетического хозяйства.

Основные уравнения

1.Основное уравнение электрической машины — уравнение, связывающее между собой величины диаметра ротора и длины ротора с мощностью двигателя и числом оборотов в минуту:

D2⋅l⋅n1P=5,5⋅103cos⁡φ⋅k1⋅ασ⋅Bm⋅A,{\displaystyle {\frac {D^{2}\cdot l\cdot n_{1}}{P}}={\frac {5,5\cdot 10^{3}}{\cos \varphi \cdot k_{1}\cdot \alpha _{\sigma }\cdot B_{m}\cdot A}},}

где D{\displaystyle D} — диаметр ротора, l{\displaystyle l} — длина ротора, n1{\displaystyle n_{1}} — синхронная скорость вращения ротора в об/мин (равная скорости вращения первой гармоники МДС обмотки статора), P{\displaystyle P} — мощность электрической машины в кВт, cos⁡φ{\displaystyle \cos \varphi } — коэффициент мощности, k1{\displaystyle k_{1}} — обмоточный коэффициент, учитывающий влияние распределения обмотки в пазах и влияние укорочения шага обмотки, Bm{\displaystyle B_{m}} — амплитуда нормальной составляющей магнитной индукции в зазоре машины, A{\displaystyle A} — «линейная нагрузка», равная числу амперпроводников, приходящихся на 1 погонный сантиметр длины окружности статора.
Правая часть основного уравнения для данного (известного) типа машины изменяются в сравнительно узких пределах и называется «машинной постоянной» или постоянной Арнольда

CA=D2⋅l⋅n1P.{\displaystyle C_{A}={\frac {D^{2}\cdot l\cdot n_{1}}{P}}.}

2.Уравнения равновесия напряжений обмоток электрической машины — уравнения, составленные для цепей обмоток на основании второго закона Кирхгофа

Для асинхронной машины с короткозамкнутым ротором уравнения равновесия напряжений имеют вид:
U˙s=Rs⋅I˙s+j⋅xσs⋅I˙s−E˙s{\displaystyle {\dot {U}}_{s}=R_{s}\cdot {\dot {I}}_{s}+j\cdot x_{\sigma s}\cdot {\dot {I}}_{s}-{\dot {E}}_{s}}
=Rr⋅I˙r+j⋅s⋅xσr⋅I˙r−s⋅E˙r,{\displaystyle 0=R_{r}\cdot {\dot {I}}_{r}+j\cdot s\cdot x_{\sigma r}\cdot {\dot {I}}_{r}-s\cdot {\dot {E}}_{r},}
где U˙s{\displaystyle {\dot {U}}_{s}} — фазное напряжение статора, I˙s{\displaystyle {\dot {I}}_{s}} и I˙r{\displaystyle {\dot {I}}_{r}} — фазные токи статора и ротора, Rs{\displaystyle R_{s}} и Rr{\displaystyle R_{r}} — активные сопротивления обмоток статора и ротора, xσs{\displaystyle x_{\sigma s}} и xσr{\displaystyle x_{\sigma r}} — индуктивные сопротивления рассеяния статора и ротора, E˙s{\displaystyle {\dot {E}}_{s}} и E˙r{\displaystyle {\dot {E}}_{r}} — ЭДС, индуктированные в обмотках статора и ротора результирующим магнитным потоком полей статора и ротора.

3.Уравнение электромагнитного момента

Уравнение электромагнитного момента асинхронной машины имеет вид:
Me=ms⋅p⋅Us2ωs⋅Rr′s(Rs+Rrs)2+(ωs⋅Lk)2,{\displaystyle \mathrm {M} _{e}={\frac {m_{s}\cdot p\cdot U_{s}^{2}}{\omega _{s}}}\cdot {\frac {R_{r}’/s}{(R_{s}+R_{r}/s)^{2}+(\omega _{s}\cdot L_{k})^{2}}},}

где ms{\displaystyle m_{s}} — число фаз обмотки статора, p{\displaystyle p} — число пар полюсов, Us{\displaystyle U_{s}} — действующее значение напряжения статора, ωs{\displaystyle \omega _{s}} — частота тока статора, Rr′{\displaystyle R_{r}’} — активное сопротивление ротора, приведённое к статору, Rs{\displaystyle R_{s}} — активное сопротивление фазной обмотки статора, Lk{\displaystyle L_{k}} — индуктивное сопротивление короткого замыкания, приблизительно равное сумме индуктивности рассеяния статора и приведённой к статору индуктивности рассеяния ротора Lk≈Lsσ+L′rσ{\displaystyle L_{k}\approx Ls\sigma +L’r\sigma }.

Уравнение электромагнитного момента синхронной машины :
Me=ms⋅Us⋅Eωs⋅xd⋅sin⁡Θ+ms⋅Us22⋅ωs⋅(1xq−1xd),{\displaystyle \mathrm {M} _{e}={\frac {m_{s}\cdot U_{s}\cdot E}{\omega _{s}\cdot x_{d}}}\cdot \sin \Theta +{\frac {m_{s}\cdot U_{s}^{2}}{2\cdot \omega _{s}}}\cdot \left({\frac {1}{x_{q}}}-{\frac {1}{x_{d}}}\right),}

где E{\displaystyle E} — ЭДС, индуктируемая в обмотке статора потоком ротора, Θ{\displaystyle \Theta } — угол нагрузки (угол сдвига фаз между ЭДС и напряжением статора), xd,xq{\displaystyle x_{d},x_{q}} — продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления обмотки статора.

История

Одним из первых, чьё внимание привлекло электричество, был греческий философ Фалес Милетский, который в VII веке до н. э. обнаружил, что потёртый о шерсть янтарь (др.-греч

ἤλεκτρον: электрон) приобретает свойства притягивать лёгкие предметы. Однако, долгое время знание об электричестве не шло дальше этого представления. В 1600 году Уильям Гилберт ввёл в обращение сам термин электричество («янтарность»), а в 1663 году магдебургский бургомистр Отто фон Герике создал электростатическую машину в виде насаженного на металлический стержень серного шара, которая позволила наблюдать не только эффект притягивания, но и эффект отталкивания. В 1729 году англичанин Стивен Грей провёл опыты по передаче электричества на расстояние, обнаружив, что не все материалы одинаково передают электричество. В 1733 году француз Шарль Дюфе установил существование двух типов электричества стеклянного и смоляного, которые выявлялись при трении стекла о шёлк и смолы о шерсть. В 1745 г. голландец Питер ван Мушенбрук создаёт первый электрический конденсатор — Лейденскую банку. Примерно в эти же годы работы по изучению атмосферного электричества вели и русские учёные — Г. В. Рихман и М. В. Ломоносов.

Первую теорию электричества создаёт американец Бенджамин Франклин, который рассматривает электричество как «нематериальную жидкость», флюид («Опыты и наблюдения с электричеством», 1747 год). Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда, изобретает молниеотвод и с его помощью доказывает электрическую природу молний. Изучение электричества переходит в категорию точной науки после открытия в 1785 году закона Кулона.

Майкл Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле

Далее, в 1791 году, итальянец Гальвани публикует «Трактат о силах электричества при мышечном движении», в котором описывает наличие электрического тока в мышцах животных. Другой итальянец Вольта в 1800 году изобретает первый источник постоянного тока — гальванический элемент, представляющий собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. В 1802 году Василий Петров обнаружил вольтову дугу.

В 1820 году датский физик Эрстед на опыте обнаружил электромагнитное взаимодействие. Замыкая и размыкая цепь с током, он увидел колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. Французский физик Ампер в 1821 году установил, что связь электричества и магнетизма наблюдается только в случае электрического тока и отсутствует в случае статического электричества. Работы Джоуля, Ленца, Ома расширяют понимание электричества. Гаусс формулирует основную теорему теории электростатического поля ().

Опираясь на исследования Эрстеда и Ампера, Фарадей открывает явление электромагнитной индукции в 1831 году и создаёт на его основе первый в мире генератор электроэнергии, вдвигая в катушку намагниченный сердечник и фиксируя возникновение тока в витках катушки. Фарадей открывает электромагнитную индукцию () и законы электролиза (), вводит понятие электрического и магнитного полей. Анализ явления электролиза привёл Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какие-либо электрические жидкости, а атомы — частицы материи. «Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами», — утверждает он. Фарадеевские исследования электролиза сыграли принципиальную роль в становлении электронной теории. Фарадей создал и первый в мире электродвигатель — проволочка с током, вращающаяся вокруг магнита. Венцом исследований электромагнетизма явилась разработка английским физиком Д. К. Максвеллом теории электромагнитных явлений. Он вывел уравнения, связывающие воедино электрические и магнитные характеристики поля в 1873 году.

В 1880 году Пьер Кюри открывает пьезоэлектричество. В том же году Д. А. Лачинов показал условия передачи электроэнергии на большие расстояния. Герц экспериментально регистрирует электромагнитные волны (1888 год).

В 1897 году Джозеф Томсон открывает материальный носитель электричества — электрон, место которого в структуре атома указал впоследствии Эрнест Резерфорд.

В XX веке была создана теория Квантовой электродинамики. В 1967 году был сделан очередной шаг на пути изучения электричества. С. Вайнберг, А. Салам и Ш. Глэшоу создали объединённую теорию электрослабых взаимодействий.

Ученые, внесшие вклад в развитие электротехники

Помимо выше перечисленных, Россия может похвастаться и другими учеными, которые внесли не меньший вклад в развитие и становление электротехники не только на родине, но и далеко за ее пределами.

Михаил Матвеевич Боресков был одним из основателей Военно-электротехнической школы в Петербурге, при этом практически все его работы имели военное направление.

Валентин Петрович Вологдин – один из сподвижников Попова, который для удобства использования переносных радио, предложил использовать специально разработанную динамо-машину.

Анатолий Павлович Еперин – заслуженный энергетик, который применял свои знания для развития и наращивания мощностей электростанций по всей СССР. Несколько изобретений ученого до сих пор применяются по всему миру для добычи и оптимальной передачи энергии на расстояния.

1.2Резистивные элементы

Врезистивных элементах (резисторах) электрическая энергия необратимо преобразуется в другие виды энергии. Примеры резистивных элементов – лампы накаливания (электрическая энергия необратимо преобразуется в световую и тепловую энергии), нагревательные элементы (электрическая энергия необратимо преобразуется в тепловую), электродвигатели (электрическая энергия необратимо преобразуется в механическую и тепловую энергии) и др.

Основной характеристикой резистивного элемента является его вольт-амперная характеристика (ВАХ).

U = f (I ) ,

(1.1)

где U – напряжение, В;

I – сила тока, А.

Если эта зависимость линейная, то резистивный элемент называется линейным и выражение (1.1) имеет вид, известный как закон Ома:

U = RI ,

(1.2)

где R – сопротивление резистора, Ом.

Однако во многих случаях ВАХ резисторов является нелинейной. Для многих резисторов (нагревательные спирали, реостаты и др.) нелинейность ВАХ объясняется тем, что эти элементы – металлические проводники и электрический ток в них – есть ток проводимости (направленное движение – “дрейф” свободных электронов).

Дрейфу электронов препятствуют (оказывают сопротивление) колеблющиеся атомы, амплитуда колебаний которых определяется темпера-

турой проводника (температура – мера кинетической энергии атомов).

При протекании тока, свободные электроны сталкиваются с атомами и еще более раскачивают их. Следовательно, температура проводника возрастает, отчего увеличивается и его сопротивление R. Таким образом, сопротивление R зависит от тока R = f ( I ) и ВАХ нелинейна (рисунок 1.1).

При изменении температуры в небольших пределах сопротивление проводника выражается формулой

R = R1+α(T −T),

(1.3)

Конкретный пример рабочей должности

Электромонтёр по ремонту и обслуживанию электрооборудования – профессия, вошедшая в ТОП-50 самых востребованных специальностей России по оценке Минтруда. Рабочая должность электромонтёра относится к особо опасной категории, связанной с риском получения электротравмы. Профессия требует владения определёнными знаниями в деле электротехники. Электрик должен знать методы защиты от поражения электрическим током, способы оказания первой помощи людям, получившим электротравмы.

Электромонтёр за работой

Каждые 5 лет представители данной профессии обязаны проходить техническую переподготовку. Это связано в основном с обновлением электрооборудования и коммуникаций. Согласно Единому тарифно-квалификационному справочнику, электромонтёрам по ремонту и обслуживанию электрооборудования и коммуникаций присваивают со 2-го по 8-ой разряды. Чем выше разряд, тем больше зарплата работника и квалифицированнее его труд.

Подробное изложение должностных инструкций для специалистов электриков можно найти в интернете. Там же можно узнать об учебных заведениях России для получения среднего и высшего образования в области электроэнергетики и электротехники.

1.1. Основные пояснения и термины


Электротехника

это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребления электрической энергии.


Электроника

это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях получения, преобразования, передачи и потребления информации.

Каждая наука имеет свою терминологию. Запомним термины, понятия электротехники и электроники.


Электрическая цепь

это совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи, преобразования и использования электрического тока
.

Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы.

Источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы).


Электродвижущая сила

электрическая разность потенциалов, создаваемая источником электрической энергии (электрохимическим элементом, механическим генератором, термоэлементом, фотоэлементом и пр.).

Приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электрические механизмы и т.д.).

Проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и т.д.).

Направленное движение электрических зарядов называют электрическим током. Электрический ток может возникать в замкнутой электрической цепи. Электрический ток, направление и величина которого неизменны, называют постоянным током и обозначают прописной буквой I.

Электрический ток, величина и направление которого не остаются постоянными, называется переменным током. Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают строчной буквой i.

Для работы электрической цепи необходимо наличие источников энергии. В любом источнике за счет сторонних сил неэлектрического происхождения создается электродвижущая сила. На зажимах источника возникает разность потенциалов или напряжение, под воздействием которого во внешней, присоединенной к источнику части цепи, возникает электрический ток.
Различают активные и пассивные цепи, участки и элементы цепей. Активными называют электрические цепи, содержащие источники энергии, пассивными — электрические цепи, не содержащие источников энергии.


Линейная электрическая цепь

это такая цепь, в которой ни один параметр цепи не зависит от величины или направления тока, или напряжения.


Нелинейная электрическая цепь

это такая электрическая цепь, которая содержит хотя бы один нелинейный элемент. Параметры нелинейных элементов зависят от величины или направления тока, или напряжения.


Электрическая схема

это графическое изображение электрической цепи, включающее в себя условные обозначения устройств и показывающее соединение этих устройств. На рис. 1.1 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии, электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.

Рис. 1.1

Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения.


Схема замещения

это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.

На рисунке 1.2 показана схема замещения.

Рис. 1.2

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий