Электрический ток и его частота

Электрическая цепь

Электрической цепью называется, в общем случае, совокупность определённым образом соединённых источников, преобразователей и потребителей электрической энергии. Электрические цепи состоят из ветвей, соединяемых в узлах электрической цепи (рис 1-1). Ветвью цепи называют группу последовательно соединённых источников электрической энергии и её потребителей, по которым протекает один и тот же ток.Если ветвь содержит источник электрической энергии, то её называют активной. Если ветвь содержит только приёмник электрической энергии, то такую ветвь называют пассивной. Узлами электрической цепи называют точки, в которых соединены не менее трёх ветвей.

 

 

Рис 1-1.электрическая схема цепи, содержащей два

Источника ЭДС с внутренним сопротивлением и

, две активные и одну пассивную ветви соединены

в узлах а и b

Реактивная проводимость соответственно делится на

Индуктивную:

, См

 

И ёмкостную:

 

Электрическая энергия и мощность.

Электрическая энергия – это способность электромагнитного поля производить работу, Преобразовываясь в другие виды энергии.

Электроэнергия – наиболее совершенный и универсальный вид, сравнительно легко преобразующийся в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую, химическую и т.д.

Совершение работы связанно с перемещением зарядов через элементы, обладающие сопротивлением. Единица измерения электроэнергии (работы) – джоуль (Дж). Она соответствует работе по перемещению заряда в один кулон между точками цепи с напряжением в один вольт: Дж = В Кл.

Электрическая мощность – это работа по перемещению электрических зарядов в единицу времени.

Единица измерения мощности – ватт (Вт), Вт = Дж/с.

Различают активную и реактивную мощности.

Активная мощность – это мощность, связанная с преобразованием электроэнергии в тепловую или механическую энергию:

В цепях постоянного тока:

, Вт

В цепях переменного синусоидального тока:

, Вт

где U – действующее значение напряжения, ,

I – действующее значение тока,

- Угол сдвига между векторами напряжения и тока, град.

Реактивная мощность в цепях переменного тока в установившихся режимах связана с созданием магнитных полей в элементах цепи и покрытием потерь на так называемые поля рассеивания этих элементов.

Реактивная мощность в цепях переменного тока в установившихся режимах связана с созданием электрических полей в диэлектрических средах элементов цепи.

В цепях постоянного тока в установившихся режимах реактивные мощности равны нулю.

Полная мощность элемента в цепи переменного синусоидального тока определяется как геометрическая сумма активной и реактивной мощностей:

, или S=UI, или , ВА

где - полное сопротивление цепи, Ом.

 

Основные понятия и законы для магнитных цепей

Магнитная индукция для участка цепи:

В=Ф/S

Где Ф - магнитный поток, Вб, S поперечное сечение участка м .

Магнитодвижущая сила цепи (МДС):

, А,

где - число витков катушки,

I – её ток, А.

Магнитное напряжение для участка цепи:

, А,

где Н - напряжение магнитного поля:

, А/м

- магнитное сопротивление участка:

, 1/Гн

l – средняя длина магнитного участка, м.

Магнитная проводимость:

, Гн

Первый закон Кирхгофа для магнитных цепей. Сумма магнитных потоков, сходящихся в узле магнитной цепи, равна нулю:

Второй закон Кирхгофа для магнитной цепи. Сумма МДС магнитного контура равна сумме падения магнитных напряжений:

 

.

Магнитный поток для ферромагнитного участка цепи длинной l, сечением S, магнитной проницаемостью .

Переменный магнитный поток, возбуждаемый в магнитопроводе катушкой с числом витков , к которой приложено напряжение u(t):

;

т.е. закон изменения магнитного потока полностью определяется напряжением на обмотке и не зависит от параметров магнитной цепи.

если постоянная составляющая потока в магнитопроводе отсутствует.

 

Поскольку: , то:

 

Это означает, что уравнение электрических цепей переменного тока, содержащие обмотку магнитопроводом, нелинейны. Следовательно, при синусоидальном напряжении на обмотке её ток оказывается несинусоидальным.

Энергия магнитного поля, сосредоточена в объёме V постоянного магнита:

, Дж.

Магнитные потери связанные с перемагничиванием магнитопроводов в объёме V:

, Вт,

где - потери энергии в единице объёма, Дж/м .

- частота перемагничивания магнитопровода, Гц.

Энергия электромагнитного поля системы контуров или катушек, по которым протекают токи :

, Дж,

где - потокосцепление k –го контура или катушки.

Энергия электромагнитного поля двух контуров или катушек:

, Дж,

где - индуктивности контуров или катушек, Гн,

M – взаимная индуктивность между первым и вторым контуром или катушкой, Гн.

Знак (+) соответствует согласному включению контуров (катушек), знак (-) – встречному.

 

Метод двух узлов

Метод двух узлов используется для цепей, имеющих n ветвей два узла а и b (например, цепь, представленная на рис. 1-1). Узловое напряжение определяется по формуле:

, В,

где - Алгебраическая сумма произведения ЭДС ветвей на проводимости этих ветвей;

- сумма проводимостей всех ветвей, соединяющий узел а и b

Метод наложения

Ток в любой ветви может быть рассчитан как алгебраическая сумма токов, вызываемых в ней от ЭДС каждого источника напряжение в отдельности. При расчёте токов, вызываемых каким либо источником ЭДС, другие источники ЭДС замыкаются накоротко.

Стандартные ряды напряжений

Стандартные ряды напряжений источников электроэнергии определяются ГОСТ-23366-78:

Для переменного тока:

6; 12; 28,5; 42; 62; 115; 120; 208; 230; 400; 690В;

1,2; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,7; 18; 20; 24; 38,5; 121; 242; 347; 525; 787 кВ,

для постоянного тока:

6; 9; 12; 28,5; 48; 62; 115; 230; 640; 690; 1200; 3300; 6600 В.

Стандартный ряд напряжений для приёмников электроэнергии при переменном и постоянном напряжении:

1,2; 2,4; 6; 9; 12; 27; 40; 60; 110; 220; 380; 660 В;

1,14; 3; 6; 10; 20; 35; 110; 220; 330; 500; 750; 1150 кВ.

 

Воздушные ЛЭП

Воздушные ЛЭП 10 (6) кВ находят наиболее широкое применение в сельской местности и в небольших городах. Это объясняется их меньшей стоимостью по сравнению с кабельными линиями, меньшей плотностью постройки и т.д.

В воздушных ЛЭП применяют алюминиевые и сталеалюминевые провода, в последних внутренний стальной провод или стальной трос обеспечивают необходимую механическую прочность проводов. В исключительных случают на основе технико-экономических расчётов для воздушных ЛЭП используются медные провода. Сведения об алюминиевых, сталеалюминевых и медных проводах приведены в главе 4.

Провода подвешиваются на железобетонных или деревянных опорах при помощи подвесных или штыревых изоляторов. Для воздушных ЛЭП используются неизолированные провода. Исключением являются вводы в здания – изолированные провода, протягиваемые от опоры ЛЭП к изоляторам, укреплённым на крюках непосредственно на здании.

Наименьшая допустимая высота расположения нижнего крюка на опоре (от уровня земли) составляет: в ЛЭП напряжением до 1000 В для промежуточных опор от 7 до 7,4 м, для переходных опор – 8,5 м.. В ЛЭП напряжением более 1000 В высота расположения нижнего крюка для промежуточных опор составляет 8,5 м, для угловых (анкерных) опор – 8,35 м

Наименьшие допустимые сечения алюминиевых (А), сталеалюминевых (АС) и стальных (С) проводов воздушных ЛЭП напряжением более 1000 В, выбираем по условиям механической прочности с учётом возможной толщины их обледенения, приведены в таблице 11.2.1.

 

 

Для воздушных ЛЭП напряжением до 1000 В по условиям механической прочности применяются провода, имеющие сечение на менее, мм : - алюминиевые – 16, сталеалюминевые – 10, стальные однопроволочные 4мм.

 

 

На воздушных ЛЭП напряжением до 1000 В устанавливают заземляющие устройства. Расстояние между ними определяется числом грозовых часов в году: до 40 часов – на более 200 м, более 40 часов – не более 100 м. Сопротивление заземляющего устройства – не более 30 Ом.

 

Силовые кабельные ЛЭП

Силовые кабельные ЛЭП применяются для подземной и подводной передачи электроэнергии на высоком и низком напряжениях. Трассу выбирают исходя из условий наименьшего расхода кабеля и обеспечения его наибольшей защищенности от механических повреждений при раскопах, от коррозии, вибрации, перегрева и т.д.

Кабельные ЛЭП прокладываются в траншеях по непроезжей части улиц, под тротуарами, по дворам и т.д. Кабель не должен проходить под существующими и предполагаемыми к постройке зданиями и сооружениями, под проездами, насыщенные подземными коммуникациями.

В местах пересечения с различными трубопроводами (теплопроводы, водопроводы и др.), кабелями связи и иными коммуникациями силовые кабели прокладывают в асбоцементных трубах и железобетонных блоках с соблюдением расстояний между кабелями и другими коммуникациями, установленными ПУЭ. При прохождении кабелей через стены или перекрытия кабели прокладывают в отрезках неметаллических труб.

После прокладки концы кабелей должны быть временно загерметизированы. Соединение и оконцевание кабелей осуществляется при помощи кабельных муфт и воронок. Для оконцевания жил используются кабельные наконечники. Сведения о кабельной продукции приведены в главе 4

 

Выбор предохранителей

Ток плавкой вставки предохранителя в соответствии с выражением:

Ток плавкой вставки предохранителей, используемых для защиты асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:

,

где - пусковой ток двигателя, А,

- коэффициент, зависящий от условий пуска, при средних условиях пуска =2,5.

 

ГЛАВА 16. ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

В главе приведены сведения связанные с поражающим фактором электрического тока на организм человека, использованием защитных средств и устройств в целях безопасной эксплуатации электротехнических установок.

 

16.1. Основные понятия и определения

Электробезопасностью в соответствии с ГОСТ 12.1.009-76 называется система организационных и технических мероприятий и средств, обеспечивающих защиту людей от опасного и вредного воздействия на человека электрического тока, электрической дуги, электромагнитного поля и статического электричества.

Поражение электрическим током может привести прикосновение человека к токоведущим частям электроустановок, находящихся под напряжением. Поражение проявляется в парализующем и разрушительном воздействии тока на внешние и внутренние органы – кожный покров, мышцы, органы дыхания, сердце, нервную систему.

Степень поражения тока зависит от ряда факторов, в том числе от величины сопротивления человеческого тела. Это сопротивление зависит от толщины и состояния кожного покрова, его влажности или сухости, состояния здоровья человека, длительности прохождения тока, вида одежды и обуви и т.д. В зависимости от перечисленных обстоятельств оно изменяется в весьма широких пределах от 500 до 10000 Ом. При расчётах сопротивление принимают равным 1000 Ом при напряжении прикосновения 50 В.

Степень поражения зависит от длительности прохождения тока через организм или участок тела человека. Наибольшим сопротивлением обладает кожа человека. Вместе с тем, протекание тока через неё приводит к её обугливания и последующему резкому снижению общего электрического сопротивления тела и нарастанию тока, вызывающего теплового разрушения внутренних органов.

Человек ощущает ток величиной в 0,005 А. Ток величиной в 0,05 А считается опасным для жизни, а ток в 0,1 А – смертельным. Величина тока, протекающего через организм зависит также от напряжения прикосновения.

Напряжением прикосновения называется величина, соответствующая разности потенциалов между двумя точками в цепи тока, которых одновременно может коснутся человек.

Допустимые величины напряжения и тока в аварийных режимах электроустановок, проходящего через человека, при длительности воздействия тока более 1 с определяются таблицей 16.1:

16.1 Допустимые величины напряжений и токов прикосновения

Вид тока	Частота, Гц	Напряжение, В	Ток, мА
Переменный ток
Переменный ток
Постоянный ток

 

Электроустановки классифицируются по виду принимаемых мер электробезопасности на следующие виды:

1) электроустановки напряжением выше 1000 В в сетях с эффективно заземлённой нейтралью (с большими токами замыкания на землю);

2) электроустановки напряжением выше 1000 В в сетях с изолированной нейтралью (с малыми токами замыкания на землю);

3) электроустановки напряжением до 1000 В с глухо заземлённой нейтралью;

4) электроустановки напряжением до 1000 В с изолированной нейтралью;

 

Глухозаземлённой называется нейтраль трансформатора или генератора, присоединённая к заземляющему устройству непосредственно, либо через малое сопротивление.

Заземляющим устройством называют совокупность эдектричеки надёжно связанных заземлителей и заземляющих проводников.

Заземлитель – это металлический (как правило, стальные) стержни, заглублённые в землю. Число стержней и глубина, на которую их вбивают, зависят от типа грунта и ин7ых факторов т определяются ПУЭ.

Классификация помещения по электробезопасноти.

Помещения, в которых устанавливается электрооборудование, разделяются на следующие виды:

1) сухие (относительная влажность не превышает 60%);

2) влажные (относительная влажность не превышает 75%);

3) особо сырые (относительная влажность близка к 100%);

4) Жаркие (температура постоянно или периодически более 1 суток превышает +35 С);

5) Пыльные (с выделение технологической пыли);

6) С химически активной средой (наличие агрессивных газов, паров, жидкостей, разрушающих изоляцию и токоведущие части электроустановки).

По степени опасности поражения людей электрическим током помещения, в которых имеется электрооборудование, делятся на следующие виды:

1) помещения без повышенной опасности,

2) помещения с повышенной опасностью,

3) особо опасные помещения.

 

Защитные средства

К защитным средствам относятся приборы, аппараты, устройства и инструмент, предназначенный для защиты персонала от поражения электрическим током. Защитные средства, сроки их периодичности испытания и осмотра приведены в таблице 16.3.

 

 

При вводе в эксплуатацию электроустановок напряжением до 1000 В предусматриваются минимальная норма комплектов защитных средств: указатель напряжения – один, изолирующие клещи – одни, диэлектрические перчатки и галоши – по две пары, электромонтерский инструмент с изолирующими ручками – не менее двух комплектов, переносные заземления – не менее двух штук, предупреждающие контакты – не менее двух контактов, диэлектрические коврики – два, временные ограждения – не менее двух комплектов, защитные очки – одна пара, противогаз – один.

 

Основные понятия и классификация электроприводов

 

Электроприводом называется электромеханическое устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращательного, либо поступательного движения и включающее электромеханический преобразователь (двигатель) и устройство управления двигателем.

Одним из вариантов блок-схемы ЭП приведены на рис. 17.1

В общем случае ЭП включает преобразователь П, электромеханический преобразователь (электродвигатель) ЭМП (Д), рабочий механизм РМ, устройство или устройства обратной связи УОС, суммирующий узел СУ. Преобразователь П, устройство обратной связи УОС и суммирующий узел СУ образуют устройство управления. В зависимости от типа ЭП в УУ могут входить и другие элементы управления.

Преобразователь П предназначен для преобразования напряжения сети в напряжение другой частоты и величины, напряжения той же частоты и переменной величины, постоянное напряжение, изменяющееся по величине, и др. Это напряжение подаётся на ЭМП (Д), который, развивая на валу вращающий момент М, непосредственно или через передаточное устройство приводит в движение (вращательное или поступательное) рабочий механизм РМ с моментом сопротивления М .

УОС служит для контроля, измерения и последующего учёта ЭП регулируемой величины (на рис. 17.1 – частоты вращения ).

УС осуществляет функцию суммирования задающего напряжения

И напряжения обратной связи по частоте вращения или иной величине . Результирующее напряжение управления , равное разности между задающим напряжением и напряжением обратной связи, определяет выходные параметры преобразователя и, следовательно, скорость вращения двигателя.

Блок-схема (рис. 17.1) соответствует структуре автоматизированных электроприводов – наиболее массовому типу ЭП. Другие типы ЭП могут иметь структуру большей или меньшей сложности.

 

 

Уравнение движения ЭП

 

Нм

где М – вращающий момент двигателя, Нм; М - приведённый к валу двигателя момент сопротивления РМ, Нм; J – приведённый к валу момент инерции ЭП, Нм ; - угловая частота вращения двигателя, рад/с.

Величина М = называется динамическим или избыточным моментом ЭП. Положительный динамический момент обеспечивает разгон ЭП, отрицательны замедление.

Мощность двигателя

, Вт.

Номинальный момент двигателя можно вычислить по приводимым в паспорте номинальной мощности Р и номинальной скорости вращения n

, Нм

Приведённый к двигателю момент сопротивления

, Нм,

где j и - соответственно передаточное отношение и КПД передачи.

Приведённый к валу двигателя момент инерции ЭП, в котором сочетаются вращательное и поступательное движения (например, ЭП лифта)

 

где Jд – момент инерции ротора двигателя; Jрм - момент рабочего механизма (редуктора и шкива); - частота вращения рабочего механизма, рад/с; G – вес перемещаемого посредством ЭП груза, кг; - линейная скорость перемещения груза м/с; g - ускорение силы тяжести, 9,8 м/с

 

Асинхронный двигатель

Упрощённое уравнение механической характеристики имеет вид

,

где - максимальный или критический момент двигателя, Нм; s – скольжение; - критическое скольжение, соответствующее .

Скольжение определяет меру отставания скорости вращения ротора от синхронной скорости магнитного поля статора

, рад/с.

Критическое скольжение

.

Максимальный момент определяется напряжением

,

где - активные сопротивления статора и приведённое роторной цепи, Ом; - индуктивные сопротивления статора и приведённое роторной цепи, Ом; - фазное напряжение, В.

Для практических расчётов, если неизвестные параметры двигателя, величину можно определить из уравнения механической характеристики, положив , .

Способы регулирования асинхронного двигателя представлены на рис. 17.7

 

Синхронный двигатель (рис. 17.8)

 

Механическая характеристика: M=const.

Угловая характеристика: где - ЭДС, наводимая в статоре, В; - индуктивное сопротивление статора, Ом; - угол нагрузки машины.

 

 

Электрический ток и его частота

Одним из основных понятий электротехники является понятие об электрическом токе.

Электрический ток – это направленное движение электрических зарядов в веществе или в вакууме под воздействием электрического поля.

Ток характеризуется силой, измеряемой в амперах (А). Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течении одной секунды (с) заряда электричества величиной в один кулон (Кл): 1А=1Кл/с.

В общем случае, обозначив ток буквой , а заряд q, получим:

Следует отметить, что существует ряд других определений электрического тока, среди которых особое место занимает до сих пор не вполне осмысленное определение Майкла Фарадея (в современной интерпретации): Электрический ток есть ось сил, в направлении которых действует электромагнитное поле.

По типу носителей электрических зарядов и среды их перемещения различают токи проводимости и токи смещения. Проводимость делят на электрическую и ионную.

Для установившихся режимов различают два вида токов: постоянный и переменный. Постоянным называют ток который может изменятся по величине, но не изменяет своего знака сколь угодно долгое время. Переменным называют ток, который периодически изменяется как по величине так и по знаку. Переменные токи различают на синусоидальные и несинусоидальные. Синусоидальным называют ток, изменяющийся по периодическому закону:

где - амплитудное (наибольшее) значение тока, А,

Скорость изменения переменного тока характеризуется его частотой, определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой и изменяется в Герцах (Гц). Так, частота тока в сети 50 Гц соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота - скорость изменения тока в радианах в секунду и связана с частотой простым соотношением:

установившиеся значения постоянного и переменного токов обозначают прописной буквой I. неустановившееся значения- буквой .

Условно положительным направлением тока считают направление движения положительных зарядов.

1.1.2. Электродвижущая сила, электрического напряжения

При преобразовании других видов энергии в электрическую в преобразователях энергии возникает ЭДС потенциально способная совершить работу по перемещению в электрической цепи электрических зарядов. ЭДС измеряется в вольтах (В) и обозначается латинской буквой Е или е.

Если источник ЭДС подключить к замкнутой цепи, то она окажется под воздействием электромагнитного поля, а на её участках установятся разности электрических потенциалов и напряжения.

Электрическое напряжение – это величина, численно равная работе затраченной на перемещение единицы электрического заряда между двумя произвольными точками электрической цепи. Напряжение как и ЭДС измеряется в вольтах. Установившееся значение обозначают буквой U, а неустановившееся строчной буквой u. По аналогии с током различают постоянное и переменное напряжение. Постоянное напряжение может изменятся по величине при этом не изменяя своего знака.

Переменное напряжение периодически изменяет свою величину и знак. В электротехнике, в основном, имеют дело с синусоидальным напряжением, описываемым уравнением:

где - амплитудное значение напряжения, В.

Специальные преобразователи помогают получать также периодически изменяющиеся напряжения произвольной формы.

Электрическая цепь

Электрической цепью называется, в общем случае, совокупность определённым образом соединённых источников, преобразователей и потребителей электрической энергии. Электрические цепи состоят из ветвей, соединяемых в узлах электрической цепи (рис 1-1). Ветвью цепи называют группу последовательно соединённых источников электрической энергии и её потребителей, по которым протекает один и тот же ток.Если ветвь содержит источник электрической энергии, то её называют активной. Если ветвь содержит только приёмник электрической энергии, то такую ветвь называют пассивной. Узлами электрической цепи называют точки, в которых соединены не менее трёх ветвей.

 

 

Рис 1-1.электрическая схема цепи, содержащей два

Источника ЭДС с внутренним сопротивлением и

, две активные и одну пассивную ветви соединены

в узлах а и b