метпособие. Методическое пособие.. Материалы для подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию оборудования
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
1 Частное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «Саранский Дом Науки и Техники» Методические материалы для подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию оборудования Печатается по материалам книг Вантеева Анатолия Ивановича: [1. Вантеев А.И. Моя профессия ДЭМ ПС. СПб, издательство ДЕАН, 2016]; [2. Вантеев А.И., Назарычев А.Н. Краткая памятка по электробезопасности для электротехнического персонала. СПб, издательство ДЕАН, 2017]; [3. Вантеев А.И. Вопросы безопасной организации работ на воздушных линиях электропередачи. М. Библиотечка электротехника – Приложение к журналу «Энергетик». 2014]. Для грамотного обслуживания электрооборудования необходимо понимание происходящих в нем процессов г. Саранск, 2017 г. Глава 1. Введение в специальность 2 1.3. Некоторые сведения по электротехнике, электромашинам, электроизмерениям и др. для оперативного и оперативно-ремонтного персонала В данном подразделе кратко раскрыты вопросы, вызывающие наибольшую сложность для кандидатов в ДЭМ-ы ПС (самой распространенной части оперативного персонала в электроэнергетике) при подготовке на должность. Материал поможет глубже понять физику процессов, происходящих в электрооборудовании станций и сетей (без понимания происходящих в электрооборудовании процессов грамотное его обслуживание невозможно). Материал может быть полезен также и для вышестоящего оперативного персонала: дежурных диспетчеров РЭС, сетевых предприятий, центров управления сетями. Кроме того, данный материал может быть использован для профессиональной подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию электрооборудования, для повышения их квалификации, а также для студентов ВУЗ-ов и колледжей. Изучение данного подраздела потребует от читателя определенных усилий. Данный подраздел рассчитан для изучения его читателями самой различной степени подготовленности. Вообще же электротехника – это очень стройная, логически построенная наука, применяющая практически весь имеющийся в настоящее время математический аппарат. Но для прочтения хотя бы части данного подраздела читателями, впервые приступающими к изучению электротехники, достаточно знания и применения четырех арифметических действий, а также возведения в степень (не более, чем во вторую – в квадрат) и извлечения корня (не более, чем квадратного). Рассмотрим несколько вопросов, на первый взгляд, не относящихся к переключениям в электроустановках, но вызывающих немало трудностей при подготовке оперативного персонала: 3 – понятие о векторных и топографических диаграммах; – символический метод в электротехнике; – понятие о реактивной энергии и реактивной мощности; – понятие о компенсации реактивной мощности; – основные соотношения в трехфазных цепях; – анализ причин, по которым во всем мире принято электроснабжение трехфазным переменным током частотой 50 (60) Гц; – понятие об устойчивости (статической и динамической) совместной работы генераторов переменного тока при работе на общую сеть; – понятие о симметричных составляющих несимметричной трехфазной системы; – понятие о высших гармонических составляющих. Рассмотренные вопросы помогут глубже понять материал следующих разделов подготовки на должность, в частности, материала по УРЗА, по трансформаторам. Кроме того, в первой части этого подраздела будут рассмотрены начальные понятия электротехники, принципы работы электродвигателей, основы электроизмерений, простые схемы электроавтоматики, начальные сведения об электронных компонентах (диодах, тиристорах, транзисторах). Начальные понятия электротехники Данный подраздел рассчитан на широкий круг читателей самой различной степени подготовленности. Надеюсь, что даже подготовленный читатель найдет здесь для себя что – то новое, интересное, полезное. Известно, что одноименно заряженные частицы отталкиваются, а разноименно заряженные – притягиваются и, к тому же, все они (частицы) находятся в непрерывном движении. Это давно известное и неотъемлемое свойство природы. Если заряды приведены в упорядоченное (в отличие от хаотического) движение, то такое движение электрических зарядов 4 называется электрическим током. Так как имеются два вида электрических зарядов: положительные и отрицательные, то и электрический ток может быть образован или упорядоченным движением отрицательных зарядов – электронов, или упорядоченным движением положительных зарядов. Для создания упорядоченного движения заряженных частиц необходимо наличие их в свободном состоянии. Хотя все частицы и находятся в непрерывном движении, но многие из них движутся в пределах ограниченной части пространства – в пределах своего атома. Для создания тока необходимо наличие в веществе частиц, не связанных жестко с каким – либо определенным атомом, а могущих перемещаться в пределах объема вещества. Итак, электрический ток – это направленное движение электрических зарядов. Направлениями, то есть путями, по которым движутся электрические заряды, являются проводники. Известно, что мельчайшей единицей отрицательных зарядов является электрон. В металлах носителями зарядов являются свободные электроны. Несмотря на то, что они являются отрицательными частицами, принято за положительное направление тока считать движение положительных частиц,то есть противоположное движению электронов. На это не нужно обращать внимание, так принято, и все к этому привыкли, аналогично тому, как все привыкли к направлению движения часовых стрелок. Мы будем рассматривать электрический ток, в основном, в металлах, где существуют свободные электрические заряды – электроны, способные перемещаться по всему объему вещества. Такие электроны называются свободными электронами. И наоборот, металлы, являющиеся проводниками электрического тока, отличаются от других веществ именно наличием свободных электронов. Основное свойство проводников – проводить электрический ток под действием электрического поля. Другой класс веществ – это такие, которые не имеют свободных электронов, они являются непроводящими, или по другому диэлектриками – изоляторами. 5 Итак, все материалы с точки зрения способности проводить электрический ток (по проводящим свойствам) делятся на проводники и диэлектрики (изоляторы). Есть еще промежуточный класс веществ, называемый полупроводниками. Эти вещества так называют не потому, что они не очень хорошие проводники и не очень хорошие изоляторы. Дело в том, что они в некоторых условиях проявляют свойства ближе к свойствам проводящих материалов, а в других условиях – ближе к свойствам диэлектриков. Причем, различие условий, при которых довольно резко меняются проводящие свойства, не очень велико, скажем, достаточен температурный диапазон от десятков до сотни градусов по Цельсию, освещенность, не очень значительные механические деформации. Вообще же, все применяемые в электротехнике материалы можно разделить на следующие группы: проводниковые материалы, изоляционные материалы, магнитные и конструкционные. Вернемся к проводниковым материалам. Их основное назначение – служить проводниками электрического тока. Они могут быть твердыми (в основном, металлы и сплавы), жидкими (ртуть, расплавы и растворы солей) и газообразными (пары ртути и др.). Для оценки проводящих свойств, например, металлов и сплавов, необходимо изготовить из исследуемых материалов образцы одинаковых геометрических размеров и измерить сопротивление этих образцов. В качестве стандартного образца принят отрезок проволоки длиной 1 м сечением 1 мм 2 . Здесь мы подошли к понятию сопротивления. Дело в том, что все проводники сопротивляются прохождению по ним электрического тока. Вне сомнений, что «всякому действию есть противодействие» и, следовательно, «всякому движению есть сопротивление» (Исаак Ньютон). Электрическое сопротивление это величина, характеризующая противодействие, которое оказывает проводник движущимся по нему электрическим зарядам (в частности, электронам). Образно это можно представить как движение людей по коридору, в котором расположены различные препятствия (скажем, стоят другие люди, 6 да не просто стоят, а совершают хаотические поперечные и продольные передвижения). Выше было сказано, что в проводниках может быть создано упорядоченное движение электрических зарядов – электрический ток. Но заряды сами по себе двигаться не будут. Для движения свободных зарядов в проводнике к нему нужно приложить разность потенциалов, которую можно представить как подобие давления, проталкивающего электроны. Чтобы поддерживать непрерывное протекание тока в замкнутой цепи, необходим источник электродвижущей силы, который должен вырабатывать электрическую энергию, используя для этого энергию какого – либо другого вида. Итак, для того, чтобы организовать движение электрических зарядов, необходимо приложить к ним какую – то силу. Эта сила называется электродвижущей. Если в замкнутой электрической цепи проходит электрический ток, то эта сила (электродвижущая сила – ЭДС) совершает работу на поддержание тока в цепи. Работа совершается внутри источника ЭДС за счет затраты энергии какого – либо вида: в электрогенераторе за счет механической работы двигателя, приводящего во вращение генератор; в электрохимических источниках – за счет электрохимических процессов, происходящих в аккумуляторе или гальваническом элементе, в термоэлементах – за счет тепловой энергии; в фотоэлементах – за счет световой энергии (общее название – за счет энергии сторонних сил). Источник электрической энергии создает и поддерживает разность потенциалов на своих зажимах, чтобы поддерживать ток во внешней цепи. Но и внутри источника ток тоже идет, ведь цепь – то замкнута! В любом сечении цепи, в том числе и внутри источника ток имеет в каждый конкретный момент времени имеет одну и ту же величину. Единица измерения электрического сопротивления – Ом. Сопротивление вышеупомянутого стандартного по размерам образца называется удельным сопротивлением материала, в формулах обозначается буквой греческого алфавита ρ (читается как «ро»). Для примера приведем значения удельных 7 сопротивлений некоторых проводниковых материалов: – серебро: ρ = 0,015 Ом×мм 2 / м; – медь: ρ = 0,017 Ом×мм 2 / м; – алюминий: ρ = 0,027 Ом×мм 2 / м; – железо: ρ = 0,097 Ом×мм 2 / м; – олово: ρ = 0,113 Ом×мм 2 / м; – свинец: ρ = 0,190 Ом×мм 2 / м; – специальный сплав с высоким удельным сопротивлением для термоэлектрических нагревателей (ТЭН-ов) нихром: ρ = 1,1 Ом×мм 2 / м. Размерность удельного сопротивления: [ρ] = Ом×мм 2 / м. Дело в том, что когда идет вычисление сопротивления материала с конкретными размерами, отличными от размеров стандартного образца, то в формуле: R = ρL / S, где S – сечение проводника в мм 2 , размерность сопротивления получается в Ом: Ом × мм 2 × м [R] = −−−−−−−−−−−− = Ом, как и должно быть. м × мм 2 Как видно из приведенных примеров, наилучшими проводящими свойствами обладают благородные металлы. В электротехнике применяются в качестве проводников медь и алюминий. И ρ и, соответственно, R проводников зависят от температуры. Форма зависимости следующая: R t = R[1 + α × (t − 20)], где: R t − сопротивление при температуре t; R − сопротивление, измеренное при нормальных климатических условиях (при t = 20 °С); α − (буква «альфа» греческого алфавита) температурный коэффициент сопротивления (ТКС), измеряется в 1 / °С; t − температура, при которой необходимо определить R t При увеличении температуры сопротивление проводников 8 увеличивается. У полупроводников зависимость R от t, во первых, значительно сильнее, чем у проводников и, во вторых, она обратная – при увеличении t у них происходит уменьшение, а не увеличение R. Объясняется это другим типом организации движения зарядов в полупроводниках. Если говорить о сопротивлении вольфрамовой нити лампочки накаливания, то в раскаленном состоянии ее нить имеет сопротивление в 12 … 15 раз больше, чем в холодном. Отсюда по закону Ома нить при включении испытывает токовый удар, и лампочки накаливания, в основном, перегорают в момент включения. Далее рассмотрим вопрос о том, почему электрические заряды движутся по проводникам, преодолевая их сопротивление. Двигаться их заставляет так называемая электродвижущая сила (ЭДС), в формулах обозначается буквой Е, единицей измерения является Вольт (В). ЭДС организована не электрическими условиями, а так называемыми сторонними силами. На рисунке 1.1 показано, что ЭДС противоположна электростатическим силам и «гонит» заряды к плюсовому, (верхнему по рисунку) выводу источника электроэнергии. Снаружи источника – во внешней по отношению к источнику части цепи заряды движутся за счет сил электрического поля, создаваемого источником. Внутри же источника движение зарядов идет от минусового вывода к плюсовому. Вот на это, противоположное естественному, движение (движение против сил электрического поля, которое внутри источника тоже существует, как и во внешней цепи) и расходуется энергия сторонних сил. По другому можно сказать, что сторонние силы поддерживают разность потенциалов – напряжение на зажимах источника. 9 Рисунок 1.1 – Силы электростатические и электродвижущая а) Источник, внутри него действует ЭДС, преодолевающая силы электрического поля и поддерживающая разность потенциалов на зажимах источника, ЭДС действует только внутри источника; б) Направления действия электростатических сил – они и внутри источника и вне его направлены от плюса к минусу. Необходимо отметить, что и сами источники электрической энергии тоже сопротивляются прохождению по ним тока, это проявляется в наличии у них внутреннего сопротивления R ВН . Напряжение (U) на зажимах нагруженного источника всегда несколько меньше его ЭДС (E). Эти две величины выравниваются только на холостом ходу источника. И ЭДС и напряжение на зажимах источника измеряются в одних и тех же единицах измерения – Вольтах. Различие у них в том, что ЭДС действует внутри источника (хотя и применяется выражение «в цепи действует ЭДС») и направлена от минуса к плюсу, а напряжение действует во внешней по отношению к источнику цепи и направлено от плюса к минусу (рисунок 1.1). Чем больше сопротивление в цепи, тем большая ЭДС требуется в источнике для «проталкивания» зарядов по цепи, то есть для создания в ней тока. Ток измеряется в единицах, которые называются амперами (А). Один А равен прохождению через поперечное сечение проводника 1,6×10 19 электронов в R E а) б) 10 секунду. Конечно, такие астрономические количества электронов никто не подсчитывает, и физический смысл единицы измерения 1 А определяется другим, гораздо более простым способом. Между сопротивлением участка цепи, током через него и напряжением на его зажимах существует соотношение, называемое законом Ома. Этот закон совместно с двумя законами Кирхгофа – являются теми «тремя китами», на которых стоит вся электротехника. По закону Ома ток через участок цепи пропорционален напряжению на его зажимах и обратно пропорционален сопротивлению участка. Три формы записи закона Ома для участка цепи: I = U / R; U = I × R; R = U / I. Закон Ома может быть записан и для всей цепи, здесь уже необходимо учитывать внутреннее сопротивление источника: I = E / (R + R ВН ). В любой электрической цепи можно обозначить ветви и узлы. Узлом называется точка соединения трех и более ветвей (рисунок 1.2). Ветвь – это последовательное соединение проводов и элементов. Точки 4 и 5 схемы нельзя считать разными узлами, так как между ними провод 4 – 5 не является ветвью (в нем нет элементов), и эти точки могут быть соединены в один узел. То же можно сказать и о точках 3 и 6 схемы. При начертании электрических схем в большинстве случаев считается, что сопротивлением соединительных проводов можно пренебречь, так как оно зачастую несоизмеримо меньше сопротивлений элементов (резисторов и других элементов в ветвях цепей). 11 Рисунок 1.2 – Узлы и ветви электрических цепей Если в цепи есть несколько резисторов, то они всегда соединены между собой каким – либо способом. Рассмотрим последовательное, параллельное, смешанное и мостовое соединения двух и более резисторов (рисунок 1.3). 1 2 3 4 1 5 6 R1 R 2 R 1 R 3 R 4 R 5 R 6 Е 12 Рисунок 1.3 – Соединения резисторов а) Последовательное; б) Параллельное; в) Смешанное; г) Мостовое. Для каждого из этих случаев можно определить сопротивление, эквивалентное группе резисторов, то есть группа резисторов может быть заменена в схеме одним – эквивалентным: R Э . Можно определить R Э и для R 1 R 2 R Э = (R 1 × R 2 ) / (R 1 + R 2 ) б) R 1 R 2 в) R 3 R Э = (R 1 × R 2 ) / (R 1 + R 2 ) + R 3 г) R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 Для мостовой схемы наибольший интерес представляет случай равновесия моста. Условием равновесия моста является равенство: R 1 × R 4 = R 2 × R 3 При равновесии ток через R 5 = 0. Диагональ питания Знак эквивалентности R Э = R 1 + R 2 R 1 R 2 а) 13 мостового соединения (рисунок 1.3г)), но это гораздо сложнее, чем для последовательного, параллельного или смешанного соединений и выходит за рамки нашего материала. Для мостового соединения наибольший интерес представляет случай, когда в ветви с R 5 ток отсутствует. В этом случае мост называют уравновешенным. Условием равновесия моста является равенство произведений сопротивлений противоположных плеч: R 1 × R 4 = R 2 × R 3 Ветви в сторонах моста называют плечами моста, а диагонали моста – диагональю питания и диагональю измерения (ветвь с R 5 ). Первый закон Кирхгофа относится к узлам, он гласит: сумма токов, притекающих к узлу, равна сумме токов, утекающих от него. Или, по другому: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю. Второй закон – относится к контурам цепи. Его трактовка: в любом контуре алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений. Поясним сказанное на примере по рисунку 1.4. R1 R5 R4 E1 R2 R3 E3 E5 R6 I1 I2 I3 I4 I5 I6 a b c d |