Конспект лекций по курсу «Электротехника и электроника»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»

Лектор -  Заселяев Игорь Алексеевич

Лекция №1

Основные понятия, определения и законы электротехники

Электрическая цепь – совокупность элементов, через которые замыкается электрический ток. Любую электрическую. цепь можно представить в виде источника, потребителя и линии, соединяющей источник и потребитель электрического тока.

      

Основные законы

 Закон Ома:  I=U/R, т.е. ток (I), протекающий по участку цепи, будет равен напряжению на этом участке (U), деленному на сопротивление участка (R).

 Закон можно записать и как U=I×R. Найденную из этого равенства величину U называют падением напряжения на участке цепи с сопротивлением R, через который протекает ток I.

                                 

           Закон Джоуля-Ленца:        W =I×U×t, т.е. работа или энергия электрического тока (W) может быть найдена из произведения величин тока напряжения и времени (t). С учетом закона Ома можно записать W = I2×R×t.

По определению мощность это работа в единицу времени. Тогда мощность электрического тока P=U×I.

Закон Фарадея-Ленца:   E=BLVsin α , т.е. электродвижущая сила –ЭДС (Е), возникающая в проводнике длиной L, движущемся в магнитном поле с индукцией В, со скоростью V, под углом к направлению силовых линий магнитного поля  - α, находится по указанной зависимости.

Сопротивление проводника (провода ) определяется как:

 –удельное сопротивление материала проводника;

 -длина проводника;

S –площадь поперечного сечения проводника.

Законы Кирхгофа

Законы применимы для анализа цепей и расчетов элементов и параметров цепей. 

1-й закон: сумма токов, подходящих к узлу равна сумме токов, отходящих от него.

.

2-й закон: в любом рассматриваемом контуре алгебраическая сумма ЭДС равняется сумме падений напряжения в этом контуре.

                                                                         

    E   E-E2 = IR + IR1 + I2R2;

E-E2+E3 = IR + IR1 +I3R3.

Основные понятия

Вольтамперная характеристика (ВАХ) – это графическая зависимость изменения тока, протекающего через какой-либо элемент, от напряжения на нем. Большинство элементов, в т.ч. проводников, являются линейными элементами, характеризующимися ВАХ в виде прямой наклонной линии. Однако существуют и нелинейные элементы, у которых ВАХ представлена криволинейной зависимостью.

Как правило, это такие элементы, у которых сопротивление может меняться под воздействием каких-то внешних факторов, например: температура, давление, лучевое воздействие и др. На схемах нелинейные элементы показывают сопротивлением, перечеркнутым «клюшечкой».

Для расчета цепей, содержащих нелинейные элементы, необходимо знать их вольт-амперные характеристики.

Расчет основывается на графическом анализе этих элементов.

 

Параллельное соединение:

  

При параллельном соединение общая                  ВАХ -3 получается по общему                                                                                                 суммированию кривых 1 и 2 по току (по ординате).    

Иллюстрация расчета параллельно соединенных нелинейных элементов

Последовательное соединение:

                                                       Общее суммирование - по напряжению (по абсциссе).

                                           0              u1           u2          uав  u3            u

Иллюстрация расчета последовательно соединенных нелинейных элементов.

Условие передачи максимальной мощности от источника к потребителю

 Рассмотрим простейшую электрическую сеть, состоящую из источника – Е, имеющего внутреннее сопротивление Rо, потребителя (нагрузки) – Rн и соединяющей их линии  с сопротивлением Rл.

 Согласно второму закону Кирхгофа можем записать

   Е= I(Rо+Rл+Rн) ; или Е = IRо+IRл+U, где U= IRн – напряжение на потребителе (нагрузке).

  Отсюда U = E - I(Rо+Rл).

  Мощность электрического тока (P = UI) на потребителе запишется как Р = E I – I2(Rо+Rл).

 Представим последнюю зависимость в виде графика (перевернутая парабола) зависимости мощности от тока в цепи.

                                                               

Анализируя графическую зависимость можно утверждать, что нулевая мощность на потребителе (нагрузке) будет при нулевом токе в цепи и при токе короткого замыкания - (I к.з.), когда сопротивление нагрузки равно нулю, следовательно, равно нулю и напряжение.

Из графика видно, что  Pmax  или максимальная мощность, отдаваемая от источника к потребителю будет при токе в цепи I = IК.З./2.

Ток в цепи можно выразить из первой формулы как

                                                       I = E/Rо+Rл+Rн.  (*)

Ток короткого замыкания, возникающий при сопротивлении нагрузки равном нулю, следовательно, рассчитается как

                                                                                 Iк.з. = E/Rо+Rл.

Отсюда на можно записать, что I = IК.З./2 или условие, при котором будет передаваться максимальная мощность от источника к потребителю можно записать :

    I = ½ Iк.з. = E/(Rо+Rл+ Rо+Rл).

Сравнивая эту формулу с формулой (*) можно сделать вывод, что условие, при котором будет передаваться максимальная мощность от источника к потребителю запишется как

    Rн = Rо+Rл,

т.е. сопротивление нагрузки должно равняться сумме сопротивлений Rо – внутреннего сопротивления источника и Rл – сопротивления линии, соединяющей источник с потребителем (нагрузкой).

ЛЕКЦИЯ 2

Переменный электрический ток

Основные достоинства: его просто преобразовать и генерировать (производить).

Недостатки: в цепях питания потребителей таким током могут происходить перегрузки, вызванные реактивной мощностью потребителей (когда в цепи питания присутствуют индуктивности или емкости); переменный ток приводит к образованию переменных электромагнитных полей, воздействующих на работу различной радиоаппаратуры и др.

Генератор переменного тока

может быть представлен как вращающийся (с постоянной угловой скоростью) магнит,

магнитные поля которого воздействуют на обмотку. В обмотке  при этом будет генерироваться ЭДС и электрический ток (в случае замыкания цепи), изменяющиеся по синусоидальному закону.                                                                

                    

              

       I = Imax×sin(ω×t).

Основной характеристикой переменного тока принимается не амплитудное (максимальное) его значение, а действующее.

Действующее значение переменного тока – значение переменного тока, которое по своему действию (по нагреву проводника) эквивалентно действию постоянного тока с тем же значением. Т.е. постоянный ток со значением Iд нагреет проводник так же, как переменный с амплитудным значением Iмаx.

С помощью интегрального исчисления можно показать, что величина действующего значения тока (напряжения) переменного тока связана с максимальным или амплитудным значением как:

.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

«Гостируемым» или стандартизируемым является действующее значение переменного тока. Например, 220 В в «розеточной» сети это действующее напряжение переменного тока, а не максимальное, максимальное будет 220×1,41=~311 В.

Явление сдвига фаз в цепи переменного тока

При включении в цепь переменного тока реактивных элементов, которыми считаются емкости и индуктивности, в них возникают явления сдвига фаз между током и напряжением.

Для понимания физики этого явления можно представить прямоугольный импульс постоянного тока, подающегося  на  конденсатор. Физически получается, что    

                                                                      в момент подключения к конденсатору ток

                                                                      мгновенно протечет через него, а напряжение появится с

задержкой по времени, после того, как на обкладках     конденсатора накопятся заряды.

В цепи переменного тока на конденсаторе этот процесс будет происходить непрерывно. В результате часть энергии переменного тока будет расходоваться на постоянную перезарядку конденсатора.

В индуктивностях напряжение остается равным напряжению подведенного источника, а ток будет постоянно отставать, частично затрачиваясь на образование переменных магнитных полей вокруг катушки индуктивности.

           В расчетах эл. цепей переменного тока (проводов) необходимо учитывать то, как они перегружаются так называемые реактивной мощностью, затрачиваемой на: перезарядку конденсаторов или на образование магнитных полей вокруг катушек индуктивности.

В электротехнике, таким образом, различают мощности электрического тока:

- полную S=IU;

- полезную (активную) – P (см. эпюры, когда I и U действуют совместно). Физически полезная или активная мощность может быть определена как необратимая мощность, расходуемая (преобразованная) в другие виды энергии (как правило, в тепловую или механическую);

- реактивную, расходующуюся на образование переменных электростатических полей – в конденсаторе, или электромагнитных – в индуктивности.

                (полная мощность);

                (активная мощность) P=IUcosφ;    

            (реактивная мощность) P = IU sin φ.

φ  -угол сдвига фаз между током и напряжением в реактивном элементе.

Принято измерять: - полную мощность, в  вольт-амперах [B*A];

                                - активную мощность, в ваттах  [Вт];

                                - реактивную мощность, в варах [вар].

Векторные диаграммы

 Синусоидально изменяющуюся величину можно представить как развертку по времени вращающегося против часовой стрелки, с постоянной угловой скоростью - (ω), вектора с определенным значением этой величины. Векторной диаграммой называется совокупность двух и более векторов, представляющих синусоидально изменяющиеся величины, в момент времени t = 0.

                                                                                                              Векторная диаграмма

                                                                                                               напряжений и токов.

                                                                                                                 Для синусоидальных напряжения

                                                                                                                  

                                                                                                                  и тока

                                                                                                                  

                                                                                                                   угол сдвига фаз

                                                                                                                   

                                                                                                                 

Тогда равенство u и i можно представить в другом виде:

Векторные диаграммы часто бывают, удобны для расчета и  анализа цепей переменного тока.

                                 

             Трехфазный электрический ток

Система трехфазного тока была предложена в 1891 году российским электротехником М.О.Доливо-Добровольским.

Автором  был изобретен асинхронный электродвигатель и продемонстрирована,  система передачи электрической энергии по трем проводам.

 В генераторе трехфазного тока электрическая энергия генерируется в трех одинаковых обмотках, разнесенных по окружности на угол 120 градусов. Чтобы сэкономить на проводах линии передачи электроэнергии от генератора к потребителю, в генераторе обмотки было предложено соединить по схеме «Звезда».

.

                                                                                     

Схема замещения трехфазной системы, соединенной "звездой"

Согласно первому закону Кирхгофа  можно записать IO = IА+ IВ + IС. 

При равенстве ЭДС в фазных обмотках генератора и при равенстве сопротивлений нагрузки (т.е. при равенстве значений токов IА,IВ,IС) в представленной на рисунке системе, с помощью векторных диаграмм можно показать, что результирующий ток  IO в центральном проводнике будет равен нулю. Таким образом получается, что в симметричных системах (когда сопротивления нагрузок одинаковы), центральный провод может отсутствовать и линия для передачи системы трехфазного тока может состоять только из трех проводов.

Принято низковольтные сети (сети<1000В), выполнять 4-х проводными с глухо-заземленной нейтралью.

Напряжение между фазными проводами в линии принято называть линейным напряжением, а напряжение, измеренное между фазным проводом (фазой) и центральным – фазным напряжением.

Соотношение между линейным и фазным напряжением

С помощью векторной диаграммы, показывающей систему трехфазного тока, легко установить, что соотношение между фазным и линейным  напряжениями будет: Uл = 2Uф cos 60о = √3 Uф.

      

                                       

Для низковольтных сетей (с напряжением менее 1000В) основным стандартным линейным (между фазными проводами) напряжением принимается напряжение 380 В, при этом фазное напряжение (между фазным проводом и центральным) будет составлять 220 В.

Низковольтные сети являются потребительскими сетями разного назначения, не обязательно питающими трехфазные двигатели. В таких сетях для питания различных потребителей могут быть использованы разные фазы по отдельности. В результате нагрузка разных фаз окажется неодинаковой. Кроме того, с целью техники безопасности, ПУЭ (правилами устройства электроустановок) устанавливается, что низковольтные трехфазные электрические сети должны устраиваться четырехпроводными, с глухозаземленной нейтралью. Для этого схема понижающего трансформатора (понижающей подстанции) обычно выглядит следующим образом.

Т.е. центральный, называемый при этом «нулевым», провод на вторичной обмотке трехфазного трансформатора подключается к заземляющему устройству и подводится к потребителям наряду с фазными проводами.

Мощность трехфазного тока

 Мощность трехфазного тока можно подсчитать как утроенную мощность отдельной фазной обмотки. Проведя несложные преобразования, можно получить следующие формулы:

                                                                                                                                                                     

Электромагнитные устройства

Трансформаторы – устройство, служащее для преобразования переменного тока и напряжения одной величины в переменный ток другой величины той же частоты. Обычно трансформаторы используются для понижения или повышения напряжения переменного тока, передавая определенную мощность. Трансформатор состоит из магнитопровода и, как минимум, двух обмоток: первичной и вторичной. Первичная обмотка с числом витков ω1 будет создавать определенный переменный магнитный поток в магнитопроводе. Этот поток, пересекая витки вторичной обмотки (ω2), будет генерировать в ней ЭДС определенной величины, зависящей от интенсивности магнитного потока и числа витков вторичной обмотки.

                                                                                                         К-коэффициент трансформации.

                                                                                                                

К-коэффициент трансформации показывает во сколько раз повышается или понижается напряжение на вторичной обмотке относительно первичной. Бывают понижающие и повышающие трансформаторы (зависит от соотношения числа витков обмоток).

Силовые трансформаторы трехфазной эл. сети обычно имеют магнитопровод с разветвленной  системой. В конструкции таких трансформаторов обычно предусматривается система охлаждения трансформаторным маслом, циркулирующим по трубам.

                                                                                                          Компоновочная схема

                                                                               

                                                                                   

                                                                                                       (Масленый бак для охлаждения.)  

Магнитные пускатели

Предназначены для коммутации (включения - выключения) трехфазных потребителей большой мощности путем нажатия кнопки. При этом возможно дистанционное включение (коммутация). Как правило, магнитные пускатели содержат в себе элементы тепловой защиты потребителя или сети потребителя. Нажатием кнопки в магнитном пускателе запитывается электромагнит, который, втягивая сердечник, приводит к соприкосновению основные контактные пары трехфазной сети. Магнитные пускатели выполняются обычно в виде компактной пластмассовой коробки, имеющей клеммы для подключения проводов.

Электромагнитные реле

Это устройства, предназначенные для большого числа коммутации в различных цепях одновременно, при срабатывании одного электромагнита. Применяются в различных электротехнических установках. Контакты в реле бывают нормально замкнутые и нормально разомкнутые. На схемах нормально замкнутые контакты  изображают:

         Нормально разомкнутые:

Электродвигатели

Электродвигатель это устройство, преобразующее электроэнергию в непрерывную механическую работу - вращательное движение. (Бывают и линейные электродвигатели).

Основные характеристики двигателей

Мощность (Р), обычно указывается активная мощность - Р(кВт);

nоб - число оборотов двигателя

nс – синхронная частота вращения двигателя (частота вращения магнитного поля в статоре связана с частотой переменного тока(50Гц)).

nр - фактическая частота вращения ротора двигателя. Бывает, как правило, меньше синхронной частоты.

ПВ – продолжительность включения. Бывают устройства, в которых отдельные двигатели работают не постоянно, а короткое время, включаясь и выключаясь несколько раз в течение часа работы машины (например, механизм передвижения башенного крана). Для этих целей целесообразно использовать более дешевый электродвигатель, спроектированный на определенную небольшую продолжительность непрерывной работы (15%, 25%, 40% и т.д).

                                         ПВ =(tр/tц) *100%;               tр – время работы; tц – время цикла.

Качественной характеристикой двигателя, описывающей особенности работы двигателя, является «механическая характеристика». Она указывает, как работает двигатель под нагрузкой. Механическая характеристика может быть представлена графиком зависимости частоты вращения ротора электродвигателя от механической нагрузки – крутящего момента от нагрузки на валу двигателя.  

     

                  

                                                                    nвр. – частота вращения.

n вр.  

       Мкр.нагр. –крутящий момент нагрузки.

На графике показаны: - абсолютно жесткая (а.ж.) характеристика (когда обороты двигателя под нагрузкой не меняются);

- жесткая (ж.) (когда обороты двигателя под нагрузкой уменьшаются линейно);

- мягкая (м.) (когда обороты двигателя под нагрузкой существенно уменьшаются по нелинейному закону).

Электродвигатели по конструкции бывают следующих видов:

- трехфазные асинхронные и синхронные;

- двигатели постоянного тока.

Трехфазные электродвигатели

Электродвигатель состоит из невращающейся части – статора и вращающейся – ротора.

Асинхронные двигатели бывают:    – с короткозамкнутым ротором;

                                                        - с фазным ротором;

Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым роторам отличаются простотой, надежностью (в них отсутствуют трущиеся контактные пары).

Недостатки: большие пусковые токи (в момент включения скачок тока будет больше в 5-7 раз, чем установившейся ток), крутящие моменты. Проектируются на одну частоту вращения, в них не регулируется скорость вращения.

                                                                                                                                    Схема и временная

                                                                                                                                     диаграмма фазных

                                                                                                                                    токов статора

                                                                                                                                    асинхронного двигателя

Конструктивно ротор таких двигателей состоит из медных стержней, размещенных по окружности, с торцов соединенных (замкнутых друг с другом) электропроводящими кольцами. По виду такой ротор напоминает беличью клетку.

Бывают конструкции и с наклонным расположением стержней относительно образующей цилиндра.

                                  

   

                                  

Двигатель работает следующим образом:  система трехфазного тока, подводимая к обмоткам статора, создает в нем вращающееся магнитное поле. Это магнитное поле, перемещаясь,  будет индуцировать в стержнях ротора электрический ток. Этот ток будет вызывать вокруг стержней свое магнитное поле. Оно будет взаимодействовать с магнитным полем в статоре, и будет заставлять ротор следовать за ним, т. е. вращаться. Магнитное поле в стержнях будет «догонять» магнитное поле в статоре.

В таких двигателях синхронности не достигается, в нем присутствует отставание скорости вращения ротора от скорости вращения поля в статоре. Скорость магнитного поля в статоре при этом движение определяется частотой переменного тока f=50Гц=3000об/мин. Такая частота в статоре возникает при наличии системы трех обмоток в статоре.

Асинхронные двигатели характеризуются синхронной частотой статора – nс. Чтобы выпускать двигатели с другой синхронной частотой они должны конструироваться с большим числом обмоток в статоре, кратных трем.

Таким образом промышленность выпускает асинхронные двигатели с nс: 600,1000,1500, 3000 об/мин.

Отставание частоты вращения ротора (np) в асинхронном двигателе от синхронной частоты вращения магнитного поля в статоре (nс) оценивается  параметром S –скольжением.

S = (nс – nр) *100%/nс;                   S -скольжение, составляет величину от 1,5 до 7% и зависит от нагрузки на валу двигателя .

Трехфазные асинхронные двигатели с фазным роторам. Эти двигатели характеризуются меньшими пусковыми моментами и токами, чем двигатели с короткозамкнутым ротором. У них есть возможность некоторого плавного регулирование скорости вращения. Они применяются в механизмах, в которых опасна динамика (рывки) в момент включения.

По устройству двигатель с фазным роторам и принципу действия аналогичен двигателю с коротко замкнутым. Отличие: ротор конструируется не в виде «беличьей клетки», он содержит в себе систему трех обмоток, которые замыкаются через систему контактных парне накоротко, а через  переменные сопротивления (потенциометры).

Синхронные двигатели

Достоинство: отличаются жесткой механической характеристикой, т.е. под нагрузкой мало изменяют частоту двигателя. Теоретически, в таких двигателях отсутствует скольжение, свойственное асинхронным двигателям. Могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Могут генерировать в сеть электроэнергию, т.е. или работать с «отрицательным cosφ».

Недостатки: требуются 2 вида тока – переменный и постоянный. Такие двигатели обычно выпускаются большой мощности и имеют большие габариты.

В роторе, как правило, выполняется обмотка, подключаемая к                                                                 источнику постоянного тока. При работе такого двигателя ротор следует за магнитным полем в статоре, т.е. синхронно вращается с магнитным полем статора.

Технически, мгновенно разогнать ротор при включении синхронного двигателя трудно из-за инерции ротора. В таких двигателях для их запуска обычно выполняют некоторые коммутации. Обмотку в роторе, в момент включения двигателя, замыкают на несколько секунд накоротко, делая двигатель по существу асинхронным. Как только ротор раскручивается, обмотка ротора переключается на источник постоянного тока, ротор становится как бы постоянным магнитом, который вращается, увлекаемый магнитным полем в статоре.   

     

 

 

Схема и механическая характеристика синхронного электродвигателя

Двигатели постоянного тока

Такие двигатели хороши тем, что у них можно регулировать частоту вращения ротора в широком диапазоне частот. Из-за этого они широко используются в ручных машинах. Развивают крутящий момент, начиная с первого оборота, в отличие от других двигателей, которые работают, например, начиная с оборотов холостого хода (у двигателей внутреннего сгорания), составляющих значения несколько сотен оборотов в минуту.

             

                                                                                                                                      

                       

                                 

                                                                                                  nхоб      nn          n

                                                  

                                                                    

                               

По устройству д.п.т. упрощенно можно представить в виде рамки (обмотки), к которой через коллектор (разрезное кольцо) и щетки подводится постоянный  электрический ток. Рамка находится в магнитном поле между двумя полюсами постоянного магнита. Ток, протекая по рамке, вызовет в ней электрическое поле, рамка притянется постоянным магнитом и повернется на 180 градусов. При этом сменится полярность на коллекторе. Рамка окажется в аналогичном первоначальному положении. Так будет происходить непрерывное вращение рамки.

Коллекторы обычно делаются из многих составных частей и соответствующего им числа рамок (обмоток) для плавности вращения.

Электроснабжение объектов строительства

Электроснабжение – совокупность мероприятий по обеспечению электропотребителей электрической энергией.  

Электроэнергетическая система – может быть представлена как совокупность электростанций (генерирующих электроэнергию), понизительных и повысительных подстанций, линий электропередач, распределительных пунктов и других устройств, работающих в согласованном общем режиме.

 Электрической сетью называют совокупность трансформаторных подстанций линий передач, распределительных пунктов, работающих на определенной территории.

Потребители электрической энергии.

По степени надежности электроснабжения, потребители принято классифицировать на 3 категории:

  1.  Такие потребители, перерывы  электроснабжения которых могут привести к человеческим жертвам или очень большим материальным потерям. Основные требования электроснабжения таких потребителей следующие: они должны снабжаться от двух независимых взаимно резервирующих источников. Должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого источника (местной электростанции, генератора, аккумуляторов и т.п.). В случае выхода из строя одного из них переход на резервирующий источник питания должен происходить в автоматическом режиме. По времени – за несколько секунд. К таким потребителям относятся: различные врачебные учреждения – операционные, реанимационные, родильные дома; крупные культурные объекты (от 500 человек и выше); жилые дома с этажностью выше 16 этажей, при этом квартиры не будет относиться к первой категории, а будут относиться: лифт, пожарное освещение и вентиляция.
  2.  Объекты, перерыв электроснабжения которых приводит к материальным потерям на отпускаемую продукцию, к нарушению нормальной деятельности большого числа людей. ЭТО:  предприятия, крупные учебные заведения и другие объекты. Общие требования: электроснабжение таких объектов должно обеспечиваться от двух независимых взаимно резервирующих источников. Переключение с вышедшего из строя на другой должно производиться в течение не более одного часа.
  3.  все прочие потребители, не перечисленных к 1 и 2 категориям. ЭТО: небольшие жилые объекты, объекты сельской местности. Для таких объектов перерыв электроснабжения не должен превышать одних суток.

Структурная схема системы электроснабжения

В мощных генераторах электростанций, электроэнергия генерируется с напряжением до 27кВ. Для передачи на значительные расстояния с целью уменьшение потерь напряжений устраивают повысительные станции, повышающие напряжение и соответственно уменьшающие величину передаваемого тока в линиях электропередач. Стандартными напряжениями линий электропередач протяженностью в сотни километров являются: 110,220,330,500 и более киловольт. Для передачи электроэнергии на небольшие расстояния, – десятки километров, используются стандартные напряжения 35, 10 и 6 кВ.

Низковольтными принято считать сети с напряжением ниже 1 кВ (1000 В). Низковольтные сети трехфазной системы устраивают четырехпроводными с глухозаземленной нейтралью. Такие напряжения можно передавать без существенных потерь на длину до 0,5км.

Источники электроснабжения

Источники электроснабжения для большинства объектов должна служить общая сеть электроснабжения (единая). При начале строительства какого-либо объекта или комплекса в первую очередь решается вопрос электроснабжения, и первой часто строится трансформаторная подстанция.

Источники электроснабжения могут быть и индивидуальные автономные генераторы. Они бывают мощностью от нескольких до десятков кВт. Можно использовать и передвижные железнодорожные электростанции мощностью более 5000кВт. Экономически выгоднее электроэнергия бывает от общей сети электроснабжения, чем от собственных подстанций и генераторов. Используя автономные генераторы, на производство 1 кВт-час электроэнергии обычно затрачивается около 0,4 кг бензина или дизтоплива. Отсюда оценивается стоимость 1 кВт-час электроэнергии.

Схемы электроснабжения

Из схем электроснабжения различают:

- радиальную схему, когда от одного источника (подстанции) по индивидуальным сетям, идущим в общем по радиусам от источника к разным потребителям, запитываются потребители;

 - магистральную, когда от одного источника (подстанции) по одной общей сети запитыватся ряд потребителей;

-кольцевую, когда от одного источника (подстанции) потребители запитываются с двух концов одной линии.

Радиальная схема снабжения (более надежная, но наиболее затратная по длине проводов, соответственно опор и т. д.).

Кольцевая (более надежная, чем магистральная, более экономичная, чем радиальная). Магистральная – наиболее дешевая, но менее надежная.

                           

                              Трансформаторные подстанции

        

Используются для понижения высоковольтных напряжений в низковольтные. Наиболее распространенными подстанциями являются подстанции, понижающие напряжение с 6 или 10 кВ до 0,4 кВ (400 В). Напряжение (линейное) на вторичной обмотке трансформатора подстанции обычно 400 В, а не стандартное 380 В устанавливается для того, чтобы с учетом падения напряжения, к потребителю

поступало требуемое 380 В.

Структурная схема:

                                            

                                    

Газоразрядник

 РВ – высоковольтный расцепитель (должен выключаться при снятой нагрузке).

            -  Плавкий защитный предохранитель

                            

НР – низковольтный расцепитель.

    

                                        

        СЧ - Счетчик

                    По исполнению бывают: открытые и закрытые (в помещениях).

                    По комплектации: сборные и комплектные (КТП – 160 – 10/0,4)

                    БТП – блочные трансформаторные подстанции (кольцевой бетонный фундамент, все в готовом виде).

Воздушные линии электропередач

Они являются более дешевыми, технологичными и удобными в ремонте, по сравнению с кабельными.

Недостатки: портят архитектуру городов, подвержены атмосферным и другим воздействиям.

Разделяются на высоковольтные ЛЭП и низковольтные.

Высоковольтные: бывают одноцепные (тянутся три провода) и двухцепные (тянутся шесть проводов), сверху тянется провод молниезащиты.

Молниезащита.                                                                              

Заземление.

                                                                                                  

Опоры:

  •  промежуточные – для поддержания проводов, от которых опоры воспринимают только вертикальную нагрузку.
  •  Анкерные - для поддержания проводов, от которых опоры воспринимают вертикальную и горизонтальную нагрузку. Горизонтальная нагрузка на верхнюю часть опоры может возникнуть, когда к опоре с разных сторон подходит не одинаковое количество проводов или тяжение проводов с разных сторон будет неодинаковым, на поворотах трассы, перед устройством больших пролетов, например, при пересечении трассой воздушной линии водного препятствия и т. д.

                                                                                 

                                                                

Опоры могут маркироваться буквами и цифрами.

Низковольтные:  Ан – низковольтная анкерная;

                             Пн – низковольтная промежуточная;

                             УАн – угловые низковольтные анкерные;     

                             ОАн – ответвительные.

В ЛЭП 110кВ – провода подвешиваются на стеклянных или фарфоровых изоляторах –  обычно 6…8 изоляторов;

            220кВ – 10-12 изоляторов;

            330кВ – 15-20 изоляторов.

Провода высоковольтных линий в местах соединения с изоляторами должны иметь виброгасители (ветер со скоростью 10м/с может создавать значительные колебания в проводе с частотой 100Гц, приводящие к накоплению в проводе усталостных трещин). Устанавливают и демпфирующие петли, защищающие провода от вибрации в местах их крепления к изоляторам и опорам.

При больших пролетах между опорами и ветром может возникнуть пляска проводов и замыкание.

Расстояние между опорами низковольтных линий со стандартной высотой опор не должно превышать 50м. ( L = 25…50м.). Провисание проводов должно быть таким, чтобы расстояние провода в нижней точке до земли было не менее 6 м, до дороги – не менее 7м.

Опоры выпускаются в основном бетонные. Опоры при напряжениях <10кВ выполняются прямоугольного сечения из вибробетона. Для напряжений 35кВ и выше – трубчатыми, из центрифугированного бетона.

Кабельные линии электропередач

Кабелем принято считать несколько изолированных проводов - жил, которые скручены                                                вместе и находящиеся под общей защитной оболочкой.

Достоинства: не портят архитектуру городов (т.к. прокладывается в земле), не подвержены атмосферными многим другим воздействиям.

Недостатки: более дорогие, чем воздушные линии (замерзание, грунтовые воды), менее надежные и менее технологичные в ремонте и в обнаружении повреждений.

Бывают высоковольтные и низковольтные.

Высоковольтные – с напряжением сотни кВ приходиться делать маслонаполненными и устаивать маслоподкачивающие станции. Маслонаполненные, для того, чтобы внутри кабеля отсутствовал ионизированный воздух, через который может происходить пробой высокого напряжения между жилами.                                                                                                                                        

 

Сечения силового, контрольного и шланговогокабеля.

                                                                                           а) 4 – рабочие жилы; 5 – нулевая жила;

                                                                                             3 – изоляция; 2 – оболочка кабеля;

                                                                                             1 – защитный покров.

                                                                                           б) 1 – оболочка; 2 – поясная жила;  

                                                                                               3 – токопроводящие жилы; 4 – изоляция жил.

                                                                                           в) 1 – шланговая оболочка; 2 - изолирущая

                                                                                               резина; 3 – токопроводящие рабочие жилы;

                                                                                               4 – заземляющая жила.

К элементам кабельной линии относятся: кабели, соединительные муфты и конструкции, по которым они проложены: трубы или коллекторы подземные.

Коллекторы – подземное сооружение, где объединены все сети и электрические кабели.

Муфты – для соединения концов кабелей, обычно в свинцовой оболочке.

Основное требование прокладки кабеля 6-10кВ

Траншея – жила на подстилающий слой из песка.                                    

                                                      Глубина от земли до кабеля 70см. Сверху – защита (обычно                                                                                   кирпичами). Можно укладывать кабели в асбестоцементные                                                                                 и полиэтиленовые трубы (под дорогами только в них).

При прокладке двух кабелей.

При прокладке кабеля под дорогами он должен быть уложен бестраншейным способом в асбестоцементных или полиэтиленовых трубах, чтобы в случае повреждения кабель можно было вытащить в приямок возле дороги, не нарушая ее.

Выбор сечения проводов

Провода выбирают на основе трех основных расчетов:

  1.  расчет проводов на нагрев;
  2.  по падениям напряжения;
  3.  по механической прочности.

Расчет проводов на нагрев:

Расчет на нагрев преследует цель подбора сечения проводов, при котором не происходит нагрев проводов выше допустимого (для пластмассовой изоляции допустимый предел t = 70 оС, с резиновой изоляцией – 55 оС).

Расчет на нагрев различных элементов обычно проводится на основании уравнения теплового баланса, т.е. энергию, нагревающую элемент приравнивают энергии, отдаваемой элементом в окружающую среду. Для электрических проводов энергия, разогревающая провод, может быть подсчитана по формуле  Джоуля-Ленца. Энергия, отдаваемая в окружающую среду, - по известной формуле теплоотдачи.  

 

 ,                                         

где                                       - коэффициент теплоотдачи поверхности;    

                                           F – площадь поверхности;

                                           T – температура.                      

 

Площадь поперечного сечения проводов может рассчитываться на основе приведенного уравнения.

Однако, для упрощения расчетов принята более простая, табличная форма подбора сечений проводов по величине допустимого тока и известных (задаваемых) параметрах: материал провода, вид прокладки проводов, окружающая среда жил провода (изоляция или воздух), влияние соседних жил проводов.

Допустимый ток (Iд) обычно рассчитывается по предварительно выбранному предохранителю, защищающему цепь с выбираемыми проводами от короткого замыкания.

Iд = Iп*1,25. Здесь Iп – ток выбранного стандартного плавкого предохранителя; 1,25 – коэффициент, обеспечивающий перегорание в первую очередь предохранителя, а не проводов.

Расчет проводов по падениям напряжения:

Расчет по падениям напряжения преследует цель подбора сечений проводов, отвечающих нормам качества электроэнергии, подаваемой к потребителям.

Рассмотрим магистраль питания потребителей (условно показаны как лампочки на схемах). На каждом участке магистрали, характеризующимися длинами: L1, L2, L3, L4, протекают токи, соответственно I1, I2, I3, I4 (в зависимости от мощности каждого конкретного потребителя).

Cумма падений напряжений на всех участках магистрали может быть подсчитана по формуле:

                                                                                      

                           

Расчет проводов по механической прочности:

Провода по механической прочности могут быть рассчитаны по формулам сопромата или теории упругости.

На практике расчет по механической прочности обычно сводится к сравнению выбранных сечений проводов с минимально допустимыми сечениями в каждом конкретном случае материала и способа прокладки провода. Минимально допустимые сечения  проводов для  разных конкретных случаев при этом сводятся в таблицы.

На основании расчета установлено, что провода, прокладываемые внутри помещений должны отвечать требованиям механической прочности: алюминиевые - сечения не ниже 2,5 кв.мм., медные – не ниже 1,5 кв.мм. Для проводов воздушных линий обычно устанавливается, чтобы алюминиевые провода были сечением не ниже16 кв.мм, медные – не ниже 6 кв.мм.

Качество электроэнергии. Пути ее рационального использования.

Электроэнергия должна отвечать требованиям по качеству:

  •  отклонение от номинального напряжения (предельное отклонение не должно превышать - 2,5% от номинала в меньшую сторону, в большую + 5%).                                                                                                                 

                              

                                                                         Осветительные приборы

- 2,5%             ≤    Uн ≤                     + 5%       -------              газоразрядные лампы

- 5%                 ≤   Uн ≤                      + 10%     -------              не осветительные приборы

  •  по частоте тока       f =50 Гц ± 0,2Гц
  •  показатель отклонения от синусоидальности не более 5%  (сравнение осциллограмм).

Пути: выбирая мощности электродвигателей машин, не следует их принимать с большим запасом по мощности, чем это определенно загрузкой машин (производительностью). Например, электродвигатель мощностью 5кВт характеризуется  cosφ ≈ 0,8 ; электродвигатель же мощностью                                                                                                                                                           10кВт характеризуется cosφ ≈ 0,6. Таким образом, выбрав двигатель с запасом по мощности (10 кВт вместо требуемых 5 кВт) сеть электропитания будет перегружена по мощности (ненужной реактивной мощностью) и соответственно по току в 1,33 раза.                                                                                                                                                    Другими путями рационально использование электроэнергии можно считать применение компенсирующих конденсаторных батарей.

                                                                  Конденсаторы компенсируют сдвиг фаз, создаваемых         

                                                            индуктивностями.

 Еще один путь – подключение параллельно

                                                                  асинхронным двигателям синхронных.

 

Определение потребной мощности стройплощадки

При больших размерах стройплощадки и большом количестве потребителей подбирают трансформаторные подстанции из расчета, что максимальное расстояние ТП до наиболее удаленного потребителя не должно превышать 700м.

                                                   

            В качестве рекомендации можно принять, что

                                                 на 1 га площади мощность потребителей не должна превышать 20кВт.

                                    

Потребная мощность стройплощадки (трансформаторной подстанции) на стадии проекта может быть подсчитана по формуле           

Т. е. суммированием мощностей используемых на площадке электродвигателей, сварочных трансформаторов, ламп освещения и технологических потребителей с учетом одновременности их работы коэффициентами, соответственно К1,К2,К3,К4,К5. Значения коэффициентов может составлять 0,4…0,9. При этом меньшие значения коэффициентов будут при большом количестве одноименных потребителей.

         

Электробезопасность

Основные понятия

Смертельным током для человека  считается ток величиной 0,1А. Опасным током для человека  является 0,05А (может убить, а может нет). Сопротивление человека в зависимости от состояния кожи человека и его внутреннего, в т.ч и эмоционального состояния обычно находится в пределах 400Ом  … 10000Ом. Отсюда можно подсчитать смертельные и опасные напряжения мощных источников тока ( U=IR).

Помещения, в которых работают люди, принято классифицировать на три категории в отношении опасности поражения их электрическим током:

  1.  помещение без повышенной опасности;
  2.  помещение с повышенной опасностью;
  3.  особо опасные помещения.

Помещение без повышенной опасности:

  •  в них нет неизолированных проводов или корпусов электроустановок;
    •  неэлектропроводящие полы;
    •  влажность воздуха не более 60%; сухое, отапливаемое помещение;
    •  работа вентиляции, отсутствие загазованности, запыленности и др..

Помещение с повышенной опасностью:

  •  наличие неизолированных корпусов машин и возможность одновременного прикосновения человека к ним и конструкциям, имеющим соединение с землей;
  •  электропроводящие полы (металлические, земляные, железобетонные, кирпичные и т. д.);
  •  влажность выше 75% или наличие токопроводящей пыли;
  •  высокая температура (больше 35 оС)помещения;

Особо опасные помещения:

Признаки помещения с повышенной опасностью, + особая влажность, близко к 100% ( внутренние поверхности помещения покрыты влагой), t=35 градусов и выше, наличие паров кислот или щелочей в воздухе и др.

Безопасность людей от поражения электрическим током должна обеспечиваться путем:

  •  применением надлежащей, в отдельных случаях двойной изоляции;
  •  применение ограждений токоведущих частей и электроаппаратов, закрытий, доступа и др.
  •  применение надежного и быстродействующего автоматического отключения частей электрооборудования, случайно оказавшихся под напряжением (установка устройств защитного отключения УЗО-Д - электронные датчики, которые устанавливаются непосредственно к корпусу прибора);
  •  заземление –  подключение к заземляющему устройству корпусов и элементов электроустановок, которые из-за нарушения изоляции могут оказаться под напряжением;

  •  

 зануление – подключение к нулевому проводу

(глухозаземленной нейтрали);

  •  применение пониженного напряжения – не более 42 В для переменного тока и 110 В постоянного;
  •  средства личной безопасности;
  •  предупредительные знаки и другое.

Электротехнологии в строительстве

Наиболее применимыми в строительной индустрии можно считать следующие электротехнологии: электросварка; электрообогрев бетона; электрооттаивание грунта, замерзших труб; электроосмос.

Электросварка – может выполняться постоянным или переменным током. Сварка  постоянным током позволяет обеспечивать лучшее качество шва. Недостатки – требуется специальные выпрямители постоянного тока. При сварке образуется постоянные магнитные поля, т.к. большие сварочные токи, у проводов, подводящих ток к электроду, и они воздействуют на электрическую дугу – это называется магнитным дутьем.

Чаще используется сварка переменным током.

Для выполнения сварочных работ необходимо подобрать сварочный ток и электрод. Диаметр электрода выбирается обычно по толщине сварочного материала из условия их примерной соизмеримости. Выбрав диаметр электрода (dэ), подбирают сварочный ток по примерному соотношению Iсв= (30…50)dэ.   Определившись с током, можно выбрать сварочный трансформатор (часто они позволяют регулировать сварочный  током путем регулирования зазора в магнитопроводе).

Напряжение на вторичной обмотке сварочного  трансформатора в режиме холостого хода составляет около 80 В, в рабочем режиме - 50..60 В.

Переносные сварочные трансформаторы выпускаются на сварочные токи больше на 600А, а бытовые – до 100А.

Электообогрев бетона – технология применяется обычно при ведении железобетонных работ в зимнее время. Чтобы не заморозить свежий бетон, его искусственно обогревают пока он не наберет 50%  своей прочности. Возможен электрообогрев: электродным способом, инфракрасным излучением и индукционным способом. Наиболее распространенный – электродный способ обогрева. В свежеуложенный бетон устанавливаются электроды (арматура Ø 10 мм) – через смесь пропускают электрический ток. Ток нагревает бетон и не дает ему замерзнуть.                                                                                                     Методики подбора количества электродов, расстояния между ними и др. – в справочниках. Ориентировочно, на обогрев1 м3 бетона расходуется 100 кВт-час электроэнергии. Допускается   

только переменный ток. Температура нагрева не должна превышать 70..80 оС.

Инфракрасный – менее эффективный,  т.к. более энергозатратный.

                                                

                                                            

Электроиндукционный обогрев – устройство типа СВЧ – печки.

Электрообогрев грунта

                 

          Проводится обычно с помощью электродов, забиваемых в грунт. При этом, т.к. мерзлый грунт неэлектропроводен, вначале сверху укладывают слой опилок, пролитых раствором поваренной соли.

Возможно оттаивание та и с помощью ТЭНов  (трубчатых электронагревателей), погруженных в просверленные в грунте отверстия.                     

                               Трубчатые электронагреватели.                        

                                                                                                                                                              

электроды.

                                                                                                             

                               электроды.

Слой опилок, пропитанный

      соленой водой.        Оттаивание трубопровода

Электроосмос

Технологии, улучшающие водоотдачу грунта или другой среды при пропускании через него постоянного электрического тока.

                                                                       Увеличивается водоотдача (до 20раз), если    присоединить

                                                                                                       стержень к «+», а ЛИУ (легкую иглофильтровую установку) к «-».

Электроосвещение

Установлено, что свет представляет собой электромагнитное излучение с длиной волны 0,4…1 мкм.

Энергия в виде фотонов света выделяется из атомов при переходе электронов с большей орбиты на меньшую. Этому в некоторых материалах может способствовать их нагрев до температур 2500 оС и выше. Источником света может быть электрическая дуга, возникающая  в газовой среде. Некоторые материалы могут излучать свет под воздействием внешнего, относительно небольшого, электрического поля (в светодиодах, лазерах и др.).  

Световой поток – часть лучистой энергии, исходящей из объекта, воспринимаемый человеческим глазом. Измеряется в люменах [лм].

Освещенность – световой поток, приходящийся на единицу площади поверхности. Измеряется в  люксах [лк].

Светоотдача – это характеристика использования электрической энергии в источнике света для получения света (светового излучения),  [лм/Вт]. Эта характеристика показывает на сколько эффективно в световом источнике используется электрическая энергия.

Пульсация светового потока (глубина пульсации светового потока) – характеристика, показывающая на сколько изменяется световой поток, излучаемый источником, при питании его переменным током. Из графика изменения светового потока можно определить параметр – глубину пульсаций.

                                                Глубина пульсаций 50%.

При частоте переменного тока 50 Гц частота пульсаций светового потока для большинства источников света (ламп накаливания) составляет 100 Гц.

Источники света могут характеризоваться и параметром – температурой света. Так, при

температуре источника света 3000 – 4000 градусов источник светится с желтоватым оттенком. Солнце принимается за источник белого света. Температура на поверхности Солнца составляет около   5600 оС. При больших температурах свет будет иметь оттенок синего или даже фиолетового света.

В качестве источников света в настоящее время в основном используются лампы накаливания и

газоразрядные лампы.

Лампы накаливания отличается своей простотой, небольшой глубиной пульсации света.  

                                            Недостаток: небольшая светоотдача 15 – 20 [лм/Вт],

                                            на световое излучение в лампе накаливании уходит 5 – 10%,

                                            а остальное уходит на тепловое излучение (инфракрасное).

                                            Температура спирали обычно равна 3000 градусов.

                                            

Более совершенными из ламп накаливания являются галогенные лампы. Для повышения эффективности в колбу таких ламп добавляют химические элементы - галогены – йод и его соединения; иногда газ ксенон или другой. Добавление этих веществ приводит к тому, что спираль можно нагревать до больших температур по тому, что в таких лампах ионы перегретого металла (вольфрама), отрываясь от спирали не осаждаются на внутренних стенках стеклянной колбы, а вступают в реакцию с галогенами и обратно притягиваются спиралью. У галогенных ламп светоотдача до 30 лм/Вт.

Газоразрядные лампы     

Источник света – электрический разряд или электрическая дуга, возникающая в определенной газовой среде. Достоинство: светоотдача в 4 – 5 раз больше, чем у ламп накаливания (70 – 100 лм/Вт).                   Недостаток: большая глубина пульсаций света (до 75%); во многих лампах (ртутных) спектральный состав излучения значительно смещен в зону ультрафиолета.

По конструкции газоразрядные лампы условно различают: лампы низкого давления;

                                                                                                    лампы высокого давления.

Лампы низкого давления - люминесцентные лампы (требуют выносных пуско-регулирующих устройств).

Так, схему подключения люминесцентной лампы можно представить:

      стартер

                                                                                                                             

        L

Электрический стартер содержит термоконтакты, которые замкнуты в холодном (не включенном)

состоянии лампы. При подключении к сети в момент включения цепь будет короткое время замкнута. За это время успеют нагреться спирали с торцов лампы  и индуктивность – накопить магнитное поле. Через доли секунды стартер из-за нагрева биметаллических контактов разомкнет цепь (верхнюю). Индуктивность при внезапном отключении создаст импульс высокого напряжения от «спадающего» магнитного поля. Этот импульс при разогретых электродах лампы обеспечит пробой электрической дуги в ртутных парах внутри лампы. Цепь замкнется через лампу, которая будет излучать свет. Электрическая дуга протекает через пары ртути, создает большое количество ультрафиолета. Поэтому внутренние стены лампы покрывают люминофором.

К газоразрядным лампам высокого давления относятся:

ДРЛ – дуговые ртутные лампы.

ДНаТ – натриевые

                                                  Давление в них несколько превышает атмосферное.                                                                                                                                                                                      

                                                  Горелка разогревается больше 1300 градусов.

Наружная колба покрывается люминофором, когда в горелке  содержатся пары ртути.

 

Натриевые лампы отличаются вытянутой наружной колбой.

                                   Натриевые светят оранжевым светом. В горелке используются не пары ртути, а

                                   соединения натрия.  

Освещенность                   

      

Ф – световой поток определенной мощности;

К1 – коэффициент использования светильника (осветительного прибора);

К2 – коэффициент учитывающий уменьшение светового потока лампы с течением времени (старение лампы);

S – площадь поверхности освещения.

Осветительными приборами обычно является конструкции, содержащие отражатели света и элементы, фокусирующие и направляющие световой поток.

По конструкции светильники бывают:

Венчающего типа                            Подвесного типа                                Консольного типа

       

                                                          

                                                                 

 

  

Лекции переводили в «электронный» вид:

Смирнова М.В.

Петушкова Е.Е.

Барсукова Т.И. (гр.4381)

 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ПО КУРСУ " ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА"

Электрическая цепь. Основные законы электрической цепи.

Нелинейные цепи; особенности расчета.

Условие передачи максимальной мощности от источника к потребителю.

Переменный однофазный ток. Действующее значение переменного тока. Сдвиг фаз. Векторные диаграммы.

Мощности переменного тока: полная, активная, реактивная. Единицы измерения мощности.

3-х фазный электрический ток. Генератор 3-х фазного тока. Схемы соединения обмоток генератора. Фазное и линейное напряжения.

Соотношение между фазным и линейным напряжениями. Мощность 3-х фазного тока.

Магнитные цепи. Электромагнитные устройства: трансформаторы, магнитные пускатели, электромагнитные реле.

Электропривод. Основные определения и характеристики.

Асинхронные двигатели 3-х фазного тока.

Синхронные двигатели 3-х фазного тока.

Электродвигатели постоянного тока.

Основы электроники. Элементная база. Основные электронные устройства.

Основные определения и понятия: электроснабжение, электрическая сеть, энергетическая система.

Классификация электроприемников по категориям надежности электроснабжения.

Структурная схема электроэнергетической системы.

Источники электроснабжения. Их показатели.

Схемы электроснабжения. Их характеристика.

Трансформаторные подстанции. Классификация. Схемы подключения.

Воздушные линии эл. передачи.

Кабельные линии эл. передачи.

Определение потребной мощности стройплощадки.

Выбор сечения проводов.

Качество электроэнергии и пути ее рационального использования.

Электробезопасность.

Электротехнологии в строительстве: электросварка, электротермическая обработка бетона.

Электротехнологии в строительстве: электрооттаивание грунта, электроосмос.

Электроосвещение.

← Предыдущая
Страница 1
Следующая →

Основные понятия, определения и законы электротехники. Переменный электрический ток. Магнитные пускатели. Электродвигатели. Схема и временная диаграмма фазных токов статора асинхронного двигателя. Заземление.

У нас самая большая информационная база в рунете, поэтому Вы всегда можете найти походите запросы

Искать ещё по теме...

Похожие материалы:

Сохранить?

Пропустить...

Введите код

Ok