Основные электротехнические законы. Электрические машины

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Лекция 1

Основные электротехнические законы. Электрические машины.

Закон Ома

Начнем с основного закона в электротехнике — закона Ома, открытого в 1826 году немецким физиком Георгом Омом. Многие о нем слышали и знают, но все таки напомню:

Сила тока участка электрической цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку и обратно пропорциональна его сопротивлению.

где I – сила тока, идущего через участок цепи (измеряется в амперах), U – напряжение на участке цепи (измеряется в вольтах), R – сопротивление участка цепи (измеряется в Омах).

Для лучшего запоминания закона Ома очень удобно пользоваться вот таким треугольником:

Для нахождения нужного значения, закрываем его пальцем и два оставшихся подскажут, как его найти. Если значения расположены на одном уровне, то значит, их необходимо перемножить. Если значения расположены на разном уровне, то тогда необходимо разделить верхний параметр на нижний.

Если увеличить в несколько раз напряжение, действующее в электрической цепи, то ток в этой цепи увеличится во столько же раз. А если увеличить в несколько раз сопротивление цепи, то ток во столько же раз уменьшится. Подобно этому водяной поток в трубе тем больше, чем сильнее давление и чем меньше сопротивление, которое оказывает труба движению воды.

Чтобы выразить закон Ома математически наиболее просто, считают, что сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В проходит ток 1 А, равно 1 Ом.

Ток в амперах можно всегда определить, если разделить напряжение в вольтах на сопротивление в омах. Поэтому закон Ома для участка цепи записывается следующей формулой:

I = U/R.

Любой участок или элемент электрической цепи можно охарактеризовать при помощи трёх характеристик: тока, напряжения и сопротивления.

Приведем пример расчета тока по закону Ома. Пусть требуется определить ток в лампе, имеющей сопротивление 2,5 Ом, если напряжение, приложенное к лампе, составляет 5 В. Разделив 5 В на 2,5 Ом, получим значение тока, равное 2 А. Во втором примере определим ток, который будет протекать под действием напряжения 500 В в цепи, сопротивление которой равно 0,5 МОм. Для этого выразим сопротивление в омах. Разделив 500 В на 500 000 Ом, найдем значение тока в цепи, которое равно 0,001 А или 1 мА.

Часто, зная ток и сопротивление, определяют с помощью закона Ома напряжение. Запишем формулу для определения напряжения

U = IR

Из этой формулы видно, что напряжение на концах данного участка цепи прямо пропорционально току и сопротивлению. Смысл этой зависимости понять нетрудно. Если не изменять сопротивление участка цепи, то увеличить ток можно только путем увеличения напряжения. Значит при постоянном сопротивлении большему току соответствует большее напряжение. Если же надо получить один и тот же ток при различных сопротивлениях, то при большем сопротивлении должно быть соответственно большее напряжение.

Напряжение на участке цепи часто называют падением напряжения.

Закон Ома для полной цепи

Формулировка закона Ома для полной цепи - сила тока прямо пропорциональна сумме ЭДС цепи, и обратно пропорциональна сумме сопротивлений источника и цепи, где E – ЭДС, R- сопротивление цепи, r – внутреннее сопротивление источника.

Здесь могут возникнуть вопросы. Например, что такое ЭДС? Электродвижущая сила - это физическая величина, которая характеризует работу внешних сил в источнике ЭДС. К примеру, в обычной пальчиковой батарейке, ЭДС является химическая реакция, которая заставляет перемещаться заряды от одного полюса к другому. Само слово электродвижущая говорит о том, что эта сила двигает электричество, то есть заряд.

В каждом источнике присутствует внутреннее сопротивление r, оно зависит от параметров самого источника. В цепи также существует сопротивление R, оно зависит от параметров самой цепи.

Формулу закона Ома для полной цепи можно представить в другом виде. А именно: ЭДС источника цепи равна сумме падений напряжения на источнике и на внешней цепи.

Закон Джоуля — Ленца

Закон Джоуля — Ленца (по имени английского физика Дж.П.Джоуля и русского физика Э.Х.Ленца)— это физический закон теплового действия электрического тока. Открыт в 1840 году независимо Джеймсом Джоулем и Эмилием Ленцом.

Закон Джоуля — Ленца гласит:

Количество теплоты, выделяемой в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания.

В виде математической формулы это выражение имеет вид:

Где: Q — количество теплоты, выделяемое током (Дж); I — сила тока, проходящего по проводнику (А); R — это сопротивление, оказываемое проводником (Ом); t — время, затрачиваемое на прохождение тока

Преобразование электрической энергии в тепловую широко используется в электрических печах и различных электронагревательных приборах. Тот же эффект в электрических машинах и аппаратах приводит к непроизвольным затратам энергии (потере энергии и снижении КПД). Тепло, вызывая нагрев этих устройств, ограничивает их нагрузку. При перегрузке повышение температуры может вызвать повреждение изоляции или сокращение срока службы установки.

В виде формулы закон Джоуля-Ленца выражается следующим образом: Q = I²Rt, в которой Q отображает количество выделенной теплоты, I – силу тока, R – сопротивление проводника, t – период времени. Величина "к" представляет собой тепловой эквивалент работы и применяется в тех случаях, когда количество теплоты измеряется в калориях, сила тока – в амперах, сопротивление – в Омах, а время – в секундах. Численное значение величины к составляет 0,24, что соответствует току в 1 ампер, который при сопротивлении проводника в 1 Ом, выделяет в течение 1 секунды количество теплоты, равное 0,24 ккал. Поэтому для расчетов количества выделенной теплоты в калориях применяется формула Q = 0,24 I²Rt.

При использовании системы единиц СИ измерение количества теплоты производится в джоулях, поэтому величина "к", применительно к закону Джоуля-Ленца, будет равна 1, а формула будет выглядеть: Q = I²Rt. В соответствии с законом Ома I = U/R. Если это значение силы тока подставить в основную формулу, она приобретет следующий вид: Q = (U²/R) t.

Основная формула Q = I²Rt очень удобна для использования при расчетах количества теплоты, которое выделяется в случае последовательного соединения. Сила тока во всех проводниках будет одинаковая. При последовательном соединении сразу нескольких проводников, каждый из них выделит столько теплоты, которое будет пропорционально сопротивлению проводника. Если последовательно соединить три одинаковые проволочки из меди, железа и никелина, то максимальное количество теплоты будет выделено последней. Это связано с наибольшим удельным сопротивлением никелина и более сильным нагревом этой проволочки. При параллельном соединении этих же проводников, значение электрического тока в каждом из них будет различным, а напряжение на концах – одинаковым. В этом случае для расчетов больше подойдет формула Q = (U²/R) t. Количество теплоты, выделяемое проводником, будет обратно пропорционально его проводимости. Таким образом, закон Джоуля - Ленца широко используется для расчетов установок электрического освещения, различных отопительных и нагревательных приборов, а также других устройств, связанных с преобразованием электрической энергии в тепловую.

Законы Кирхгофа

ЗАКОНЫ КИРХГОФА (по имени немецкого физика Г.Р.Кирхгофа (1824-1887)) – два основных закона электрических цепей.

Законы Кирхгофа (или правила Кирхгофа) — соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Правила Кирхгофа позволяют рассчитывать любые электрические цепи постоянного и квазистационарного тока. Имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения любых электротехнических задач. Применение правил Кирхгофа к цепи позволяет получить систему линейных уравнений относительно токов, и соответственно, найти значение токов на всех ветвях цепи. Для формулировки законов Кирхгофа, в электрической цепи выделяются узлы — точки соединения трёх и более проводников и контуры — замкнутые пути из проводников. При этом каждый проводник может входить в несколько контуров.

Законы Кирхгофа устанавливают соотношения между токами и напряжениями в электрических цепях. Законы Кирхгофа имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения любых электротехнических задач.

Первый закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в любом узле любой цепи равна нулю .

Или другими словами сумма всех токов, втекающих в узел, равна сумме всех токов, вытекающих из узла.

Первый закон устанавливает связь между суммой токов, направленных к узлу соединения (положительные), и суммой токов, направленных от узла (отрицательные)

Рассмотрим первый закон Кирхгофа на примере:

Здесь I2 и I4 — приходящие токи, а I1 и I3 — вытекающие токи

Тогда по правилу Кирхгофа можно записать: (I1 + I2) — (I3 +I4) = 0 или I2 + I4 = I1+ I3

Второй закон Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений по любому замкнутому контуру цепи равна алгебраической сумме ЭДС, действующих вдоль этого же контура.

Иными словами, при полном обходе контура потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Частным случаем второго правила для цепи, состоящей из одного контура, является закон Ома для этой цепи.

При составлении уравнения напряжений для контура нужно выбрать положительное направление обхода контура. При этом падение напряжения на ветви считают положительным, если направление обхода данной ветви совпадает с ранее выбранным направлением тока ветви, и отрицательным — в противном случае.

Второй закон устанавливает связь между суммой электродвижущих сил и суммой падений напряжений на сопротивлениях замкнутого контура электрической цепи. Токи, совпадающие с произвольно выбранным направлением обхода контура, считаются положительными, а не совпадающие – отрицательными.

Контур тока

Алгебраическая сумма мгновенных значений ЭДС всех источников напряжения в любом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме мгновенных значений падений напряжений на всех сопротивлениях того же контура SUMM(En)=SUMM(InRn). Переставив SUMM(InRn) в левую часть уравнения, получим SUMM(En) – SUMM(InRn) = 0. Алгебраическая сумма мгновенных значений напряжений на всех элементах замкнутого контура электрической цепи равна нулю.

Правила Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.

ЗАКОН ПОЛНОГО ТОКА один из основных законов электромагнитного поля. Устанавливает взаимосвязь между магнитной силой и величиной тока, проходящего через поверхность. Под полным током понимается алгебраическая сумма токов, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром.

Намагничивающая сила вдоль контура равна полному току, проходящему сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. В общем случае напряженность поля на различных участках магнитной линии может иметь разные значения, и тогда намагничивающая сила будет равна сумме намагничивающих сил каждой линии

ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ, закон Фарадея – закон, устанавливающий взаимосвязь между магнитными и электрическими явлениями. ЭДС электромагнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, ограниченную этим контуром. Величина ЭДС поля зависит от скорости изменения магнитного потока.

ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ (по имени английского физика М.Фарадея (1791-1867)) – основные законы электролиза.

Устанавливают взаимосвязь между количеством электричества, проходящего через электропроводящий раствор (электролит), и количеством вещества, выделяющегося на электродах.

При пропускании через электролит постоянного тока I в течение секунды q = It, m = kIt.

Второй закон ФАРАДЕЯ: электрохимические эквиваленты элементов прямо пропорциональны их химическим эквивалентам.

Правило Буравчика (также, правило правой руки) — мнемоническое правило для определения направления вектора угловой скорости, характеризующей скорость вращения тела, а также вектора магнитной индукции B или для определения направления индукционного тока. Определяет направление индукционного тока в проводнике, движущемся в магнитном поле

ПРАВИЛО БУРАВЧИКА — правило, позволяющее определить направление магнитного поля, зависящее от направления электрического тока. При совпадении поступательного движения буравчика с протекающим током направление вращения его рукоятки указывает направление магнитных линий. Или при совпадении направления вращения рукоятки буравчика с направлением тока в контуре поступательное движение буравчика указывает направление магнитных линий, пронизывающих поверхность, ограниченную контуром.

Как работает правило буравчика в электротехнике

Правило буравчика

ПРАВИЛО ЛЕВОЙ РУКИ — правило, позволяющее определить направление электромагнитной силы. Если ладонь левой руки расположена так, что вектор магнитной индукции входит в нее (вытянутые четыре пальца совпадают с направлением тока), то отогнутый под прямым углом большой палец левой руки показывает направление электромагнитной силы.

Правило левой руки

ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ — правило, позволяющее определить направление наведенной эдс электромагнитной индукции. Ладонь правой руки располагают так, чтобы магнитные линии входили в нее. Отогнутый под прямым углом большой палец совмещают с направлением движения проводника. Вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной эдс.

Правило правой руки

I неподвижная часть.

II подвижная часть.

Неподвижная часть электрической машины состоит из:

Станина - выполняет роль корпуса и магнитопровода.

Как корпус станина служит для:

- крепления остальных деталей машины

- для защиты внутренних деталей машины от пыли, грязи и т.д.

- для защиты потребителей (людей) от вращающихся частей машины.

Как магнитопровод станина служит для замыкания по ней основного магнитного потока.

Станина изготавливается литьём из стали высокой прочности и высокой магнитной проницаемости.

2. Главные полюса служат для создания основного магнитного потока (магнитного поля).

Полюс состоит из:

- сердечника (магнитопровода), набранного из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи.

- обмотки главных полюсов (обмотки возбуждения магнитного потока) изготавливаются из медного провода круглого сечения.

- полюсные наконечники имеют вид верхушки синусоиды для того, чтобы магнитная индукция в зазоре между полюсами изменялась бы по синусоидальному закону.

Дополнительные полюса служат для улучшения работы машины большой мощности, устройство аналогично устройству главных полюсов. Количество дополнительных полюсов кратно 2 и равно количеству главных.

Щетки со щеткодержателями выполняют две роли:

а) если электрическая машина работает в режиме генератора, то электрический ток проходит по цепочке: обмотка якоря – коллектор – щетки – нагрузка (потребитель) во внешней цепи.

б) если электрическая машина работает в режиме электродвигателя, то ток проходит по цепочке: внешний источник питания – щетки – коллектор – обмотка якоря

Щетки изготавливаются из графита с добавлением порошка меди для повышения электропроводности и устойчивости к стиранию. Щетки взаимозаменяемы без дополнительного разбора конструкции электрической машины.

5. Боковые крышки машины с подшипниковыми узлами закрывают машину по бокам и служат для крепления вала.

Подвижная часть электрической машины состоит из:

Вал – служит для крепления подвижных деталей машины. Вал изготавливается из стали высокой прочности.

Якорь и якорные обмотки выполняют две роли.

а) если машина работает в режиме генератора, то при вращении якоря в обмотке якоря возникает ЭДС.

б) если машина работает в режиме двигателя, то от внешнего источника питания ток попадает в обмотку якоря, в результате чего якорь начинает вращаться.

Якорь выполняет роль магнитопровода и набирается из отдельных листов электротехнической стали для уменьшения потерь на вихревые токи. В теле якоря сверлят вентиляционные каналы, по которым проходит охлаждающий воздух.

Проводники обмотки якоря закрепляются во внешних пазах якоря. Каждый проводник обмотки якоря припаивается к соответствующей пластине коллектора.

Коллектор является механическим выпрямителем тока, представляет собой жесткую конструкцию из медных пластин. Коллектор закрепляется на валу. Поверхность коллектора тщательно обрабатывается и зашлифовывается для уменьшения потерь на трение щеток по коллектору. Щёточно-коллекторный узел наиболее уязвимый, так как это единственное место соприкосновения подвижной и неподвижной частей машины; поэтому он требует постоянного контроля и ухода.

Вентилятор – крепится на валу и предназначен для воздушного охлаждения машины

Коллектор
Щётки
Сердечник якоря
Сердечник главного полюса
Обмотка возбуждения главного полюса
Станина
Подшипниковый щит
Вентилятор
Обмотка якоря

Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения магнитного потока

Различают генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением. В генераторах независимого возбуждения основной магнитный поток создается либо постоянным магнитом, либо электромагнитом (обмоткой возбуждения), питаемым от источника постоянного тока. Генераторы независимого возбуждения находят применение в схемах автоматики, в двигатель-генераторных агрегатах, когда требуется изменять не только значение, но и полярность напряжения на зажимах, а также в качестве тахогенераторов, предназначенных для дистанционного измерения частоты вращения. Недостатком этих машин является необходимость иметь отдельный источник энергии для питания обмотки возбуждения или постоянные магниты.

В генераторах с самовозбуждением питание обмотки главных полюсов осуществляется напряжением самого генератора. При этом отпадает необходимость в отдельном источнике питания. В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения различают генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Генераторы постоянного тока параллельного возбуждения находят широкое применение в качестве бортовых источников питания, на подвижных объектах: кораблях, самолетах, автомобилях.

Генераторы последовательного возбуждения используют редко.

Генераторы со встречным включением обмоток используют в качестве сварочных генераторов.

Классификация электродвигателей постоянного тока по способу возбуждения магнитного потока

Свойства электродвигателей постоянного тока определяются в основном способом включения обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают электродвигатели: 1) с независимым возбуждением: обмотка возбуждения питается от постороннего источника постоянного тока; 2) с параллельным возбуждением : обмотка возбуждения подключена параллельно обмотке якоря; 3) с последовательным возбуждением : обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря; 4) со смешанным возбуждением : он имеет две обмотки возбуждения, одна подключена параллельно обмотке якоря, а другая – последовательно с ней. Двигатели с последовательным возбуждением применяют во всех тяговых приводах (электровозы, тепловозы, Электропоезда, электрокары), а также в приводах грузоподъемных механизмов

3. Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором

Асинхронный двигатель – простейший из электрических машин, имеет 2 основные части статор и ротор. Статор состоит из чугунной станины, к которой закреплен магнитопровод в виде полого цилиндра, между станиной и сердечником оставлен зазор через который проходит охлаждающий воздух. Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопровод набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. В пазы, вырезанные по внутренней окружности статора укладывают обмотку и закрепляют клиньями. Ротор набирают из тонких листов электротехнической стали, в пазах ротора размещают фазную обмотку. Устройство фазной обмотки ротора аналогично устройству обмотки статора. Концы фазной обмотки ротора соединяют с контактными кольцами и через щетки соединяют с регулировочными или пусковыми реостатами. Контактные кольца из латуни или меди укрепляются на валу двигателя с помощью изолирующих прокладок. Щеткодержатель с угольными или медно-графитовыми щетками крепят на подшипниковом щите.

4. Принцип действия асинхронного двигателя

Основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законах электротехники. При включении двигателя в сеть трехфазного тока в статоре образуется вращающееся магнитное поле, силовые линии которого пересекают стержни или катушки обмотки ротора. Согласно закону электромагнитной индукции, в обмотке ротора создается ЭДС пропорционально частоте пересечения силовых линий и в короткозамкнутом роторе возникают значительные токи. По закону Ампера на проводники с током, находящиеся в магнитном поле, действуют силы, которые по принципу Ленца стремятся устранить причину вызывающую ток. Таким образом ротор раскручивается в направлении вращения поля и вращается с частотой меньшей частоты вращения поля, то есть не синхронно с полем, или асинхронно.

5. Скольжение и частота вращения ротора асинхронного двигателя

Частота вращения магнитного поля статора – n1, а частота вращения ротора- n2, причем n2< n1. частоту вращения магнитного поля относительно ротора, т.е. разность «n1- n2» называют скольжением и обозначают s = (n1- n2)/ n1.

Скольжение зависит от нагрузки двигателя. Скольжение – важнейшая характеристика двигателя, через него выражается ЭДС и ток ротора, вращающий момент, частота вращения ротора. У большинства асинхронных двигателей s равно 2-5%. При неподвижном роторе (n2=0) s=1. Таким скольжением обладает двигатель в момент пуска. Асинхронные машины, как и другие электрические машины обратимы.

6. Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя

Потери энергии в асинхронном двигателе складываются из потерь в обмотках статора и ротора, потерь в магнитопроводе, механических и добавочных потерь. Потери в обмотках Pм (потери в меди) пропорционально квадрату тока и существенно изменяются при изменении нагрузки двигателя.

ŋ= P₁-(P_м+P_c +P_Мех +P_доб) / P₁. Где P_{1 –}мощность, потребляемая двигателем из сети, P_c - потери в стали, P_Мех – механические потери, P_м – потери в меди, P_доб –добавочные потери. При номинальном режиме работы двигателя КПД 0,9 – 0,95%

Важная характеристика коэффициент мощности cosφ. Он показывает, какая часть полной мощности, поступающей из сети, расходуется на покрытие потерь и преобразуется в механическую работу.

7. Синхронный генератор

Ротор синхронных машин вращается синхронно с вращающимся магнитным полем, т.к. частота вращения ротора с магнитным полем одинакова, в обмотке ротора не индуцируются токи. Обмотка ротора получает питание от источника постоянного тока. Устройство статора синхронной машины аналогично устройству статора асинхронной. В пазы статора укладывают трехфазную обмотку, концы которой выводят на клеммовую панель. Ротор изготавливают в виде постоянного магнита. Роторы могут быть явнополюсными и неявнополюсными. Синхронные генераторы с явнополюсными роторами приводятся в действие тихоходными турбинами гидроэлектростанций. Синхронные генераторы с неявнополюсными роторами приводятся в действие паровыми или газовыми турбинами теплоэлектростанций.

Частота индуцированной ЭДС синхронного генератора f = pn/ 60, где p – число пар полюсов, n/60 – число оборотов ротора в секунду.

8. Синхронный двигатель

Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит. Важное достоинство синхронного двигателя постоянство частоты вращения. Достоинства: постоянство частоты вращения независимо от механической нагрузки на валу, меньшее чем у асинхронных двигателей чувствительность к колебаниям напряжения. Недостатки: сложность конструкции, сложность пуска в ход, трудность регулирования частоты вращения.