1. Электрическая цепь, её основные элементы и условные обозначения. Классификация электрических цепей
 Скачать 0.84 Mb.
|
|
Контрольные вопросы 1. Электрическая цепь, её основные элементы и условные обозначения. Классификация электрических цепей. Электрическая цепь – совокупность устройств (элементов), предназначенных для направленного движения электрических зарядов (электрического тока) и связанных с ним электромагнитных процессов. Все элементы электрических цепей можно разделить на активные и пассивные. Активные элементы цепи – это те элементы, которые индуцируют ЭДС. К ним относятся источники тока, аккумуляторы, электродвигатели. Пассивные элементы – соединительные провода и электроприемники.  2. Закон Ома для участка цепи и для полной цепи. Cила тока I на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению U на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению R.  Сила тока в полной цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника.  3. Включение амперметра, вольтметра и ваттметра в электрическую цепь. Амперметр включается в электрическую цепь последовательно с тем элементом цепи, силу тока в котором необходимо измерить. Вольтметр подключается параллельно участку цепи, на котором будет измеряться напряжение; соблюдать полярность: + вольтметра на + источника,а "минус" вольтметра - на "минус" источника. Ваттметры и счетчики, как имеющие две обмотки (токовую и напряжения), включают последовательно – параллельно. 4. Преобразование электрической энергии в другие виды энергии. Расчет мощности и энергии электрической цепи. Преобразование электрической энергии в другие виды энергии, в основном используемые в производстве и быту, осуществляется электротехническими устройствами, принцип действия которых основан на способности электрического тока при прохождении через резистивные и реактивные элементы, через воздух и газы при определенных условиях, преобразовываться в тепловую, световую, звуковую и другие виды энергии, а также в электромагнитную энергию (создавать магнитное и электрическое поля). Энергия источника определяется выражением: Wист=Eq=EIt= (U0+U)It; Энергия источника (полезная), которая расходуется на потребителе: W=UIt; Энергия источника (потери), которая расходуется на внутреннем сопротивлении источника: W=U0It; Преобразование электрической энергии в другие виды энергий происходит с определенной скоростью. Эта скорость определяет электрическую мощность элементов электрической цепи:  5. Соединение резисторов: последовательно, параллельно и смешанное. Расчет эквивалентного сопротивления. При последовательном соединении нескольких резисторов конец первого резистора соединяют с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. При таком соединении по всем элементам последовательной цепи проходит один и тот же ток I. При параллельном соединении нескольких приемников они включаются между двумя точками электрической цепи, образуя параллельные ветви. При параллельном соединении ко всем резисторам приложено одинаковое напряжение U. Смешанным соединением называется такое соединение, при котором часть резисторов включается последовательно, а часть — параллельно. Эквивалентное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений последовательно включенных резисторов: R экв = R 1 + R 2 + R 3. Эквивалентным называется такое сопротивление, которое будучи включенным вместо данных резисторов, не изменяет режима работы электрической цепи. 6. Первый и второй законы Кирхгофа. Расчет сложных электрических цепей различными методами. Первое правило Кирхгофа (правило токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в каждом узле любой цепи, равна нулю. Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма напряжений на резистивных элементах замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС, входящих в этот контур. Метод непосредственного применения законов Кирхгофа Метод заключается в составлении системы уравнений с применением первого и второго законов Кирхгофа для заданной электрической цени, решение которой позволяет определить токи всех ветвей цепию. Метод контурных токов По этому методу в каждом независимом контуре схемы вместо действительных токов в ветвях вводят условный контурный ток. Действительный ток в любой ветви, принадлежащей только одному контуру, численно равен контурному току. Действительный ток в любой ветви, принадлежащей нескольким контурам равен алгебраической сумме контурных токов, проходящих через эту ветвь. Метод узловых потенциалов Потенциал любой точки электрической цепи определяется напряжением между данной точкой и точкой цепи с потенциалом равным нулю. 7. Магнитное поле электрического тока. Индукция магнитного поля как его силовая характеристика. Способы изменения магнитной индукции. Магнитный поток, потокосцепление. Магни́тное по́ле — поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля. Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная отношению модуля силы, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине. Магнитный поток может изменяться при изменении: 1) магнитной индукции; 2) площади контура; 3) угла, т.е. ориентации контура в магнитном поле. При изменении магнитного потока через замкнутый контур в этом контуре возникает индукционный ток. Протекание тока возможно в том случае, если на свободные заряды действуют сторонние силы. Следовательно, при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в этом контуре возникают сторонние силы, характеризуемые ЭДС, называемой ЭДС индукции. Потокосцепле́ние (полный магнитный поток) — физическая величина, представляющая собой суммарный магнитный поток, сцепляющийся со всеми витками катушки индуктивности. 8. Явление электромагнитной индукции. Правило Ленца как закон сохранения энергии в применении к электромагнитным явлениям. Электромагнитная индукция – это явление возникновения тока в замкнутом проводнике при прохождении через него магнитного потока, изменяющегося со временем. Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии: если магнитное поле через контур увеличивается, то ток в контуре направлен так, что его магнитное поле направлено против внешнего, а если внешнее магнитное поле через контур уменьшается, то ток направлен так, что его магнитное поле поддерживает это убывающее магнитное поле. 9. Преобразование механической энергии в электрическую и наоборот электрической энергии в механическую. Принцип действия генератора и электродвигателя. Преобразование электрической энергии в механическую. При пропускании электрического тока одного направления через прямолинейный проводник, расположенный в однородном магнитном поле, возникает электромагнитная сила, под действием которой проводник перемещается в магнитном поле с линейной скоростью V. Направление движения проводника совпадает с направлением действия электромагнитной силы и определяется по правилу левой руки. Во время движения проводника в нем индуктируется э д. с, направленная встречно напряжению U источника электроэнергии. Часть этого напряжения затрачивается на внутреннем сопротивлении проводника R. Таким образом, электрическая мощность в проводнике, преобразуется в механическую и частично расходуется на тепловые потери проводника Именно на этом принципе основана работа электродвигателей. Принцип действия электродвигателя заключается в возвратно-поступательном движении ротора, которое возможно из-за электромагнитного поля, создаваемого статором с незамкнутой системой магнитопроводов. В самой конструкции при работе генерируется движущееся магнитное поле, которое воздействует на обмотку якоря с коллекторно-щеточным устройством. Возникающее поле смещает ротор только в линейном направлении, без придания ему вращения. Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле. 10. Явление самоиндукции и взаимоиндукции и его применение. ЭДС самоиндукции. Меры борьбы с вредными последствиями явлений самоиндукции. Экранирование. Взаимоиндукция (взаимная индукция) — возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. Взаимоиндукция — частный случай более общего явления — электромагнитной индукции. Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре [1] при изменении протекающего через контур тока. Для подавления ЭДС самоиндукции и предотвращения выхода из строя оборудования необходимо принимать специальные меры. Для подавления пиков напряжения на катушке во время выключения, необходимо параллельно катушке включить в схему диод (для постоянного напряжения) или варистор (для переменного напряжения). ЭДС самоиндукции будет ограничиваться этими элементами, тем самым они будут обеспечивать защиту схемы. Экранирование магнитного поля – это совокупность способов снижения напряженности постоянного или переменного поля в определенной области пространства. Магнитное поле, в отличие от электрического, полностью ослабить нельзя. 11. Переменный ток, определение. Принцип получения синусоидальной ЭДС. Переменный ток – это периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника. Переменный ток – это электрический ток, который изменяется с течением времени по гармоническому закону. Синусоидальную ЭДС получают с помощью явления электромагнитной индукции. Рамку помещают в магнитное поле и равномерно вращают вокруг своей оси. Рамка пересекает магнитные линии и на ее концах наводится ЭДС электромагнитной индукции, которая изменяется по закону ω - у гол на который рамка поворачивается за 1с, называется угловой скоростью или угловой частотой. [ω]=с -1 (рад/с), где f - циклическая частота, Гц. 12. Основные параметры синусоидального напряжения: амплитуда, период, частота, фаза. Период — время, в течение которого система, совершающая колебания, проходит через все промежуточные состояния и нале снова возвращается к исходному. Частота f является величиной обратной периоду, и численно равна количеству периодов изменения тока или ЭДС за 1 секунду. Фаза — состояние, стадия периодическою процесса. Более определенный смысл имеет понятие фаза в случае синусоидальных колебаний. В данном случае под термином «фаза» понимают стадию развития процесса, и в данном случае, применительно к переменным токам и напряжениям синусоидальной формы, фазой называют состояние переменного тока в определенный момент времени. Амплитуда — наибольшее значение величины, совершающей гармонические колебания (например, максимальное значение силы тока в переменном токе, отклонение колеблющегося маятника от положения равновесия), наибольшее отклонение колеблющейся величины от некоторого значения, условно принятого за начальное нулевое. 13. Элементы цепи переменного тока: резистивный, индуктивный и ёмкостные элементы. Резистивный элемент (активное сопротивление) - это элемент в котором происходит превращение электрической энергии в полезную работу или тепловую энергию. Емкостной элемент – это идеальный конденсатор, представляющий собой две проводящие пластины площадью S, разделенные слоем диэлектрика толщиной d. Идеальным считается конденсатор, у которого проводимость слоя диэлектрика равна нулю (отсутствует ток утечки) и диэлектрическая проницаемость ε является постоянной величиной. Индуктивность L –это такой элемент электрической цепи, который состоит из витков провода и при протекании тока создает магнитное поле, это магнитное поле противодействует изменениям тока. При протекании постоянного тока индуктивность ведет себя как проволока и не считается сопротивлением. Сопротивлением она является только для переменного тока, чем больше частота переменного тока, тем больше сопротивление индуктивности. 14. Неразветвленная цепь переменного тока с резистивными, индуктивными и емкостными элементами. Полное сопротивление цепи. Электрическая цепь с активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью представляет собой общий случай последовательного соединения активных и реактивных сопротивлений и является последовательным колебательным контуром. Полное сопротивление цепи обозначается Z и представляет собой сумму всей нагрузки активного, индуктивного и емкостного сопротивления. 15. Законы Ома и Кирхгофа для расчета неразветвленной цепи переменного тока. Активная, реактивная и полная мощности цепи переменного тока. Закон Ома для переменного тока формулируется следующим образом: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи. Первое правило Кирхгофа: Алгебраическая сумма комплексных токов в узле электрической цепи равна нулю. Второе правило Кирхгофа: Алгебраическая сумма комплексных значений э.д.с. в любом контуре электрической цепи равна алгебраической сумме комплексных значений падений напряжений на всех приемниках этого контура: Активная мощность - среднее значение мгновенной мощности за период. Мощность цепи имеющей только активные сопротивления (нагрузку) называется активной мощностью. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную-только ту которая не вернется в источник). Активная мощность характеризует необратимый (безвозвратный) расход энергии тока. Реактивная мощность определяет периодический обмен электрической энергией между источником и электроприемником с двойной частотой по отношению к частоте переменного тока без преобразования ее в другой вид энергии и может рассматриваться как характеристика скорости обмена электроэнергией между источником и магнитным полем электроприемника. Полная мощность – это произведение напряжения и тока при игнорировании фазового угла между ними. Вся мощность в сети переменного тока (рассеиваемая и поглощаемая/возвращаемая) является полной. Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью. 16. Резонанс тока и напряжения, его применение. Резонанс напряжений приводит к возрастанию напряжения на реактивных элементах в Q раз, а резонансный ток будет ограничен ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Явление резонанса напряжений используют в электрических фильтрах разного рода, например если необходимо устранить из передаваемого сигнала составляющую тока определенной частоты, то параллельно приемнику ставят цепочку из соединенных последовательно конденсатора и катушки индуктивности, чтобы ток резонансной частоты этой LC-цепочки замкнулся бы через нее, и не попал к бы приемнику. Резонанс токов приводит к возрастанию тока через реактивные элементы в Q раз, а резонансная ЭДС будет ограничена ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, на резонансной частоте сопротивление параллельного колебательного контура максимально. Аналогично резонансу напряжений, резонанс токов применяется в различных фильтрах. Но включенный в цепь, параллельный контур действует наоборот, чем в случае с последовательным: установленный параллельно нагрузке, параллельный колебательный контур позволит току резонансной частоты контура пройти в нагрузку, поскольку сопротивление самого контура на собственной резонансной частоте максимально. 17. Элементы трехфазной системы. Получение тока и напряжения в трехфазной системе. Трехфазная цепь состоит из трех основных элементов: трехфазного генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую с трехфазной системой ЭДС; линии передачи со всем необходимым оборудованием; приемников (потребителей), которые могут быть как трехфазными (например, трехфазные асинхронные двигатели), так и однофазными (например, лампы накаливания). Электрическую энергию трехфазного тока получают в синхронных трехфазных генераторах. Три обмотки 2 статора 1 смещены между собой в пространстве на угол 120°. 18. Соединение обмоток трехфазного генератора «звездой» и «треугольником». Электрические схемы. Основные расчётные уравнения. Соединение «звезда» подразумевает собой, что все концы трех обмоток соединяются в один узел, часто называемый нулевой точкой. Отсюда выходит и понятие — нулевая точка. Начало каждой обмотки соединяются непосредственна с фазами питающей сети. Соответственно начало каждой обмотки соединяется с одной из фаз А, В, С. Между любыми двумя началами обмоток прилаживается фазное напряжение питающей сети. Соединение обмоток в треугольник заключается в соединении конца каждой обмотки с началом следующей. Конец первой обмотки, соединяется с началом второй. Конец второй — с начало третей. Конец третей обмотки создает электрический контур, поскольку замыкает электрическую цепь. При таком соединении к каждой обмотки прилаживается линейное напряжение   19. Принцип действия, устройство однофазного трансформатора. Основные параметры трансформатора. Однофазный трансформатор работает на определённом законе, ввиду которого идущее в витке переменное электромагнитное поле наводит электродвижущую силу в расположенном рядом проводнике. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I1, который создает в сердечнике (магнитопроводе) переменный магнитный поток. Замыкаясь в сердечнике, этот поток сцепляется с первичной и вторичной обмотками и индуцирует в них ЭДС, пропорциональные числу витков W.  20. Режимы работы трансформатора. Внешняя характеристика. При холостом ходе устройство работает без нагрузки и потребляет минимум мощности, рассеиваемой только в первичной обмотке. Ток в ней также минимален и составляет обычно не более 3-10% от значения, наблюдаемого при подключенной нагрузке. Во втором случае в витках вторичной обмотки начинает течь ток, величина которого обратно пропорциональна количеству витков в катушке.  21. Классификация электрических машин постоянного и переменного тока, их устройство и назначение. Электрические машины переменного тока. В свою очередь электрические машины переменного тока делят на: Трансформаторы – наиболее широко применимы в сетях электроснабжения для преобразования напряжений (повышение и понижение). Асинхронные электродвигатели – самые распространенные в мире благодаря своей относительной простоте и низкой стоимости. Простота конструкции и высокая надежность позволяет применять их не только в промышленных электроустановках (станки, краны, подъемные машины), но и в бытовых (компрессора холодильников, вентиляторы, пылесосы). Синхронные электродвигатели – наиболее часто применяемы в качестве генераторов электрического тока на электрических станциях. Также применимы в качестве генераторов повышенной частоты в различных источниках питания (например, на кораблях, тепловозах, самолетах). Электрические машины постоянного тока В связи с большим распространением машин постоянного тока также были распространены и генераторы постоянного тока. Они использовались в качестве источников постоянного напряжения для зарядки аккумуляторных батарей, на транспорте, а также в промышленности. Ввиду развития полупроводниковой техники генераторы постоянного тока постепенно вытесняются из работы и активно заменяются на генераторы переменного тока работающих в паре с полупроводниковым преобразователем. Также применяются электродвигатели постоянного тока и в системах автоматического управления АСУ в качестве усилителей электромашинных, тахогенераторов и исполнительных электродвигателей. 22. Рабочие характеристики электрических машин. Зависимость основных параметров электрических машин от режима работы. Для электрических генераторов основными характеристиками являются: - внешняя характеристика — зависимость напряжения на обмотке якоря электромашинного генератора от тока нагрузки в заданных условиях при номинальной частоте вращения и неизменных внешних сопротивлениях в цепях обмоток возбуждения; - характеристика холостого хода — зависимость электродвижущей силы обмотки якоря вращающегося электромашинного генератора от тока возбуждения при разомкнутой обмотке якоря и при заданной частоте вращения; - регулировочная характеристика — зависимость тока в обмотке независимого возбуждения или тока в обмотке параллельного возбуждения от тока нагрузки при неизменном напряжении на выводах обмотки якоря и номинальной частоте вращения ротора электромашинного генератора; - рабочие характеристики — зависимости генерируемой мощности, тока в обмотке якоря, напряжения на выводах обмотки якоря, коэффициента полезного действия и коэффициента мощности электромашинного генератора от полезной мощности на валу при неизменных частоте вращения и токе возбуждения. Для электрических двигателей основными характеристиками являются: - механическая характеристика — зависимость вращающего момента от частоты вращения ротора вращающегося электродвигателя при неизменных напряжении, частоте тока питающей сети и внешних сопротивлениях в цепях обмоток двигателя; - рабочие характеристики — зависимость частоты вращения ротора Электрические машины, полезного момента на валу М, тока статора Электрические машины коэффициента мощности Электрические машины и КПД Электрические машины от полезной мощности двигателя Р2. 23. Классификация электроприводов. Функциональные схемы. Режимы работы электроприводов. Электроприводом (ЭП) называется электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств и предназначенная для приведения в движение рабочих органов машин и управления этим движением. Существует большое разнообразие эл.приводов. Их классификация обычно производится по виду движения и степени управляемости эл.привода, роду электрического и механического передаточных устройств, способу передачи механической энергии исполнительным органам и ряду других признаков. - По виду движения различаются электроприводы вращательного и поступательного однонаправленного и реверсивного движения, а также электроприводы возвратно-поступательного движения. Эти движения могут иметь как непрерывный, так и дискретный характер; - По принципам регулирования скорости и положения; - По роду механического передаточного устройства различают редукторный электропривод, содержащий один из видов механического передаточного устройства, и безредукторный, в котором электродвигатель непосредственно соединен с исполнительным органом; - По роду электрического преобразовательного устройства; - По способу передачи механической энергии исполнительному органу электроприводы делятся на индивидуальный, взаимосвязанный и групповой. Для электропривода принято различать три основных режима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный. |