Основные понятия и законы электрических цепей. Вопрос-ответ.

4for1

Вопрос 1. Определите понятие «электрическая цепь», «электрическая схема», «узел», «ветвь», «источники тока», «источник ЭДС».
Ответ. Электрическая цепь — это совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. Устройствами, образующими электрическую цепь, являются источники электромагнитной энергии — генераторы, потребители электромагнитной энергии — приемники и системы передачи энергии.
Электрическая схема — это графическое изображение электрической цепи. Схема показывает последовательность соединения двухполюсников, составляющих электрическую цепь.
Ветвь — это весь участок электрической цепи, вдоль которого ток имеет одно и то же значение. Узел — это место соединения трех и более ветвей. Узел электрической цепи на схеме отмечается жирной точкой.
Источник тока — это генератор, создающий ток, не зависимый от сопротивления нагрузки.
Источник напряжения (ЭДС) — это генератор с внутренним сопротивлением равным нулю.

Вопрос 2. Что понимается под ВАХ?
Ответ. График, изображающий зависимость напряжения на двухполюснике от тока через двухполюсник, называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) этого двухполюсника.
Рисунок ВАХ пассивных двухполюсников
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики.
Кривая а представляет собой ВАХ такого двухполюсника, сопротивление которого не зависит ни от тока через двухполюсник, ни от напряжения на нем, его ВАХ будет представлять собой прямую линию, проходящую через нуль, такие двухполюсники называются линейными.
Кривая б представляет собой ВАХ такого двухполюсника, сопротивление которого возрастает с увеличением тока. Примером такого двухполюсника может служить лампочка накаливания с вольфрамовой нитью. Удельное сопротивление вольфрама растет с увеличением температуры, и, следовательно, с ростом тока через нить накаливания.
Кривая в изображает ВАХ газоразрядного прибора. Согласно этой ВАХ сопротивление прибора с увеличением тока должно падать.
Характеристики б, е, и г принадлежат сопротивлениям, не подчиняющимся закону Ома.
Лампа накаливания и газоразрядный прибор являются нелинейными сопротивлениями.

Вопрос 3. Нарисуйте ВАХ реального источника, источника ЭДС, источника тока, линейного сопротивления.
Ответ.
Рисунок ВАХ реального источника, источника ЭДС, источника тока, линейного сопротивления
Рис. 2. ВАХ: а — реального источника ЭДС; б — идеального источника ЭДС; в — идеального источника тока; г — линейного сопротивления.

Вопрос 4. Сформулируйте закон Ома для участка цепи с ЭДС, первый и второй законы Кирхгофа. Запишите в буквенном виде, сколько уравнений следует составлять по первому и второму законам Кирхгофа?
Ответ. Закон Ома: при неизменном сопротивлении проводника напряжение на нем пропорционально току в проводнике. Математическое выражение этого закона Ома имеет вид: I=U/R;~ U=I*R.
Первый закон Кирхгофа. Первый закон определяет баланс токов в узлах электрической цепи: алгебраическая сумма токов в ветвях, связанных общим узлом электрической цепи, равна нулю; или сумма токов, уходящих от узла электрической цепи, равна сумме токов, приходящих к этому узлу.
Уходящие токи будем считать положительными, приходящие — отрицательными.
Математическое выражение первого закона Кирхгофа имеет вид:
i_1+i_2+i_3+...+i_n=0 или sum{k=1}{n}{i_k}=0,
где k — номера ветвей, связанных данным узлом.
Второй закон Кирхгофа. Второй закон Кирхгофа устанавливает баланс напряжений в контурах электрической цепи: во всяком контуре электрической цепи алгебраическая сумма напряжений на
отдельных элементах контура равна нулю. Математическое выражение закона или второе уравнение Кирхгофа имеет вид:
u_1+u_2+u_3+...+u_n=0 или sum{k=1}{n}{u_k}=0,
где k — индексы всех активных и пассивных элементов контура, включая и внутренние сопротивления генераторов;
u_k — напряжения на этих элементах.
Второе уравнение Кирхгофа можно записать так: sum{k=1}{n}{u_k}=sum{n=1}{m}{e_n}, где n — число пассивных элементов; m — число источников напряжений.
Читается это уравнение так: во всяком контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения равна алгеб­раической сумме э.д.с., действующих в этом контуре.
Формулы и примеры решения задач по ТОЭ здесь.

Вопрос 5. В чем отличие напряжения от падения напряжения?
Ответ. Напряжение (для генератора) — это разность потенциалов между зажимами работающего генератора.
Падение напряжения (в генераторе) — это разность между э.д.с. и напряжением на его зажимах, создаваемая током в сопротивлениях токоведущих элементов самого генератора.
Напряжение (в линии) — это разность потенциалов между проводами.
Падение напряжения (в линии) — это разность потенциалов вдоль проводов, возникающая при токе в линии благодаря сопротивлению самих проводов линии.
Напряжение и падение напряжения (на приемнике) — это одна и та же разность потенциалов между его зажимами.

Вопрос 6. Какие вам известны проявления магнитного поля?
Ответ. Энергия магнитного поля накапливается в индуктивности.

Вопрос 7. Дайте определение L.
Ответ. Коэффициент пропорциональности, равный L=psi/i называется статической индуктивностью катушки. Потокосцепление катушки: psi=w*Phi — произведение числа витков катушки на значение магнитного потока.
Динамическая индуктивность катушки определяется по формуле: LД={d{psi}}/{dl}. Если катушка линейная, то динамическая индуктивность катушки не отличается от ее статической индуктивности и называется просто — индуктивность.

Вопрос 8. Какие вам известны проявления электрического поля?
Ответ. Энергия электрического поля накапливается в емкости.

Вопрос 9. Дайте определение С.
Ответ. Емкость (С) между двумя проводниками — это абсолютное значение отношения электрического заряда одного проводника к разности потенциалов между проводниками при условии, что эти проводники имеют равные по величине, но противоположные по знаку заряды. Единицей емкости является фарада (Ф).
Емкость — это идеальный конденсатор, не обладающий ни индуктивностью, ни сопротивлением.

Вопрос 10. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.
Ответ. Закон Джоуля—Ленца: работа, совершаемая током i в сопротивлении r за время t, определяется выражением: W=i^2*r*t или W=u*i*t, где u — напряжение на сопротивлении r, равное u=i*r.

Источник: Никольский О.К., Куликова Л.В., Семичевский П.И., Германенко В.С. Теоретические основы электротехники: В 2-х т. Учебное пособие для вузов.


Устройство и принцип действия трансформатора. Проверка знаний

4for1

Вопрос 1. Из чего состоит трансформатор?
Ответ. Простейший трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода и двух обмоток в виде цилиндрических катушек.
Одна из обмоток подключается к источнику переменного синусоидального тока с напряжением u1 и называется первичной обмоткой. К другой обмотке подключается нагрузка трансформатора. Эта обмотка называется вторичной
обмоткой.

Вопрос 2. Как осуществляется передача энергии из одной обмотки в другую?
Ответ. Передача энергии из одной обмотки в другую осуществляется путём электромагнитной индукции. Переменный синусоидальный ток i1, протекающий по первичной обмотке трансформатора, возбуждает в магнитопроводе переменный магнитный поток Фс, который пронизывает витки обеих обмоток и наводит в них ЭДС
e_1=-w_1({d{Phi}_c}/{dt}) и e_2=-w_2({d{Phi}_c}/{dt})
с амплитудами пропорциональными числам витков w1 и w2. При подключении ко вторичной обмотке нагрузки в ней под действием ЭДС e2 возникает переменный синусоидальный ток i2 и устанавливается некоторое напряжение u2.
Электрическая связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора отсутствует и энергия во вторичную обмотку передаётся посредством магнитного поля, возбуждаемого в сердечнике.

Вопрос 3. Чем является вторичная обмотка трансформатора по отношению к нагрузке?
Ответ. По отношению к нагрузке вторичная обмотка трансформатора является источником электрической энергии с ЭДС e2. Пренебрегая потерями в обмотках трансформатора можно считать, что напряжение питающей сети U1 ≈ E1, а напряжение в нагрузке U2 ≈ E2.

Вопрос 4. Что такое коэффициент трансформации?
Ответ. Так как ЭДС обмоток пропорциональны числам витков, то соотношение напряжений питания трансформатора и нагрузки также определяется соотношением чисел витков обмоток, т.е.
U1/U2 ≈ E1/E2 ≈ w1/w2 = k.
Величина k называется коэффициентом трансформации.

Вопрос 5. Какой трансформатор называется понижающим?
Ответ. Если число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной w2 < w1, то k > 1 и напряжение в нагрузке будет меньше напряжения на входе трансформатора. Такой трансформатор называется понижающим.

Вопрос 6. Какой трансформатор называется повышающим?
Ответ. Если число витков вторичной обмотки больше числа витков первичной w2 > w1, то k < 1 и напряжение в нагрузке будет больше напряжения на входе трансформатора. Такой трансформатор называется повышающим.

Вопрос 7. Какая обмотка трансформатора называется обмоткой высшего напряжения (ВН)?
Ответ. Обмотка, подключаемая к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН). Вторая обмотка называется обмоткой низшего напряжения (НН).

Вопрос 8. Какие трансформаторы называются «сухими»?
Ответ. Трансформаторы, в которых отвод тепла производится потоком воздуха, называются «сухими» трансформаторами.

Вопрос 9. Какие трансформаторы называются «масляными»?
Ответ. В тех случаях, когда воздушным потоком невозможно отвести тепловую энергию так, чтобы обеспечить ограничение
температуры изоляции обмоток на допустимом уровне, для охлаждения используют жидкую среду, погружая трансформатор в бак со специальным трансформаторным маслом, которое одновременно выполняет роль хладоагента и электрической изоляции. Такие трансформаторы называются «масляными».

Вопрос 10. Как трансформаторы обозначают на электрических схемах?
Ответ.
Условные обозначения трансформаторов
На рисунке показаны условные обозначения однофазных двухобмоточных (1, 2, 3) и многообмоточных (7, 8) трансформаторов, а также трёхфазных трансформаторов (12, 13, 14, 15, 16). Здесь же показаны обозначения однофазных (4, 5) и трёхфазных (9, 10) автотрансформаторов и измерительных трансформаторов напряжения (6) и тока (11).

Вопрос 11. Чем определяются условия работы и свойства трансформатора?
Ответ. Условия работы и свойства трансформатора определяются системой параметров, называемых номинальными, т.е. значениями величин, соответствующих расчётному режиму работы трансформатора. Они указываются в справочных данных и на табличке, прикрепляемой к изделию.

    Номинальными параметрами трансформатора являются:
  • первичное линейное напряжение U1N, в В или кВ;
  • вторичное линейное напряжение U2N, измеряемое при отключённой нагрузке и номинальном первичном напряжении, в В или кВ;
  • токи первичной и вторичной обмоток I1N и I2N, в А или кА;
  • полная мощность SN, равная для однофазных и трёхфазных трансформаторов соответственно S_N=U_{1N}I_{1N},~S_N=sqrt{3}U_{1N}I_{1N}, в В⋅А или кВ⋅А.

Вопрос 12. Как влияет рабочая частота трансформатора на его массу и габариты?
Ответ. Повышение рабочей частоты трансформатора позволяет при прочих равных условиях существенно уменьшить массу и габариты изделия. Действительно, напряжение первичной обмотки примерно равно ЭДС, наводимой в ней магнитным потоком в сердечнике Φc, а полная мощность, например, однофазного трансформатора равна
S_N=U_{1N}I_{1N}{approx}E_{1N}I_{1N}={2pi}/{sqrt{2}}w_1f{Phi}_{cm}I_{1N}={2pi}/{sqrt{2}}{w_1}f{S_c}B_{cm}{S_i}{j_N}=C*fS_c*B_{cm}{S_i}{j_N}=const,
где B_{cm} и {j_N} – заданные номинальные значения индукции в сердечнике и плотности тока в обмотке, а Sc ∼ l2 и Si – поперечное сечение сердечника и суммарное сечение w1 витков обмотки. Следовательно, увеличение частоты питания f позволяет пропорционально уменьшить сечение сердечника при той же мощности трансформатора, т.е. уменьшить в квадрате его линейные размеры l.

Вопрос 13. Для чего служит магнитопровод трансформатора?
Ответ. Магнитопровод трансформатора служит для увеличения взаимной индукции обмоток и в общем случае не является необходимым элементом конструкции. При работе на высоких частотах, когда потери в ферромагнетике становятся недопустимо большими, а также при необходимости получения линейных характеристик, применяются трансформаторы без сердечника, т.н. воздушные трансформаторы. Однако в подавляющем большинстве случаев магнитопровод является одним из трёх основных элементов трансформатора. По конструкции магнитопроводы трансформаторов подразделяются на стрежневые и броневые.

Вопрос 14. Каким условиям должна удовлетворять конструкция обмоток трансформатора?
Ответ. Конструкция обмоток трансформаторов должна удовлетворять условиям высокой электрической и механической прочности, а также термостойкости.
Кроме того, технология их изготовления должна быть по возможности простой, а потери в обмотках минимальными.

Вопрос 15. Из чего изготавливаются обмотки трансформатора?
Ответ. Обмотки изготавливаются из медного или алюминиевого провода. Плотность тока в медных обмотках масляных трансформаторов находится в пределах 2…4,5 А/мм2, а в сухих трансформаторах 1,2…3,0 А/мм2. Верхние пределы относятся к более мощным трансформаторам. В алюминиевых обмотках плотность тока на 40…45% меньше. Провода обмоток могут быть круглого сечения площадью 0,02…10 мм2 или прямоугольного сечения площадью 6…60 мм2. Во многих случаях катушки обмоток наматываются из нескольких параллельных проводников. Обмоточные провода покрыты эмалевой и хлопчатобумажной или шёлковой изоляцией. В сухих трансформаторах применяются провода с термостойкой изоляцией из стекловолокна.

Вопрос 16. Как подразделяются обмотки трансформатора по способу расположения на стержнях?
Ответ. По способу расположения на стержнях обмотки подразделяются на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки выполняются в виде цилиндров, геометрические оси которых совпадают с осью стержней. Ближе к стержню обычно располагается обмотка низшего напряжения, т.к. это позволяет уменьшить изоляционный промежуток между обмоткой и стержнем. В чередующихся обмотках катушки ВН и НН поочерёдно располагают вдоль стрежня по высоте. Такая конструкция позволяет увеличить электромагнитную связь между обмотками, но значительно усложняет изоляцию и технологию изготовления обмоток, поэтому в силовых трансформаторах чередующиеся обмотки не используются.

Вопрос 17. Как выполняется изоляция обмоток трансформатора?
Ответ. Одним важнейших элементов конструкции обмоток трансформатора является изоляция.
Различают главную и продольную изоляцию.
Главной называется изоляция обмотки от стержня, бака и других обмоток. Её выполняют в виде изоляционных промежутков, электроизоляционных каркасов и шайб. При малых мощностях и низких напряжениях функцию главной изоляции выполняет каркас из пластика или электрокартона, на который наматываются обмотки, а также несколько слоёв лакоткани или картона, изолирующих одну обмотку от другой.
Продольной называется изоляция между различными точками одной обмотки, т.е. между витками, слоями и катушками. Межвитковая изоляция обеспечивается собственной изоляцией обмоточного провода. Для междуслойной изоляции используются несколько слоёв кабельной бумаги, а междукатушечная изоляция осуществляется либо изоляционными промежутками, либо каркасом или изоляционными шайбами.
Конструкция изоляции усложняется по мере роста напряжения обмотки ВН и у трансформаторов, работающих при напряжениях 200…500 кВ, стоимость изоляции достигает 25% стоимости трансформатора.

Литература: Усольцев Александр Анатольевич. Электрические машины. Учебное пособие. 2013 г.


Синхронные машины. Проверка знаний

4for1

Вопрос 1. Чем отличаются синхронные машины от асинхронных?
Ответ. Синхронные машины отличаются от асинхронных только конструкцией ротора. Из названия следует, что эти машины работают с постоянной синхронной частотой вращения независимо от нагрузки.

Вопрос 2. В качестве чего используются синхронные машины?
Ответ. Синхронные машины используются в основном в качестве генераторов электрической энергии. Практически вся энергия, используемая в хозяйственной деятельности человека, вырабатывается синхронными генераторами. Единичная мощность синхронных генераторов достигает полутора тысяч мегаватт.
Синхронные двигатели применяются главным образом в приводах большой мощности. Они используются там, где требуется строго постоянная скорость вращения. Как правило, это мощные приводы в металлургической и горнодобывающей промышленности, приводы насосов и компрессоров магистральных нефте- и газопроводов. Однако в последнее время в связи с развитием
силовой электроники синхронные двигатели часто используются также в регулируемых приводах малой и средней мощности.

Вопрос 3. Назовите важное свойство синхронных машин.
Ответ. Очень важным свойством синхронных машин является их способность работать при токе, опережающем по фазе напряжение, т.е. генерировать реактивную мощность, компенсируя её потребление другими машинами и установками, питающимися от той же сети.

Литература: Усольцев Александр Анатольевич. Электрические машины. Учебное пособие. 2013 г.


Асинхронные машины. Проверка знаний

4for1

Вопрос 1. В качестве чего используются асинхронные машины?
Ответ. Асинхронные машины используются в основном в качестве двигателей и в этом классе машин составляют около 90% суммарной мощности. Они потребляют более 50% вырабатываемой электрической энергии.

Вопрос 2. Каков диапазон мощностей асинхронных двигателей?
Ответ. Диапазон мощностей асинхронных двигателей начинается от долей ватта и заканчивается уникальными машинами мощностью в десятки мегаватт.

Вопрос 3. Чем объясняется столь широкое распространение асинхронных двигателей?
Ответ. Столь широкое распространение асинхронных двигателей объясняется их надёжностью, низкой стоимостью и минимальными эксплуатационными расходами.

Вопрос 4. Каков КПД асинхронных двигателей?
Ответ. Асинхронные двигатели имеют высокий КПД, составляющий у машин мощностью выше одного киловатта 0,8…0,95, но снижающийся в микродвигателях до 0,2…0,5.

Вопрос 5. Что можно отнести к недостаткам асинхронных двигателей?
Ответ. К недостаткам асинхронных двигателей следует отнести потребление из сети реактивного тока, необходимого для формирования магнитного поля машины, что снижает её коэффициент мощности, а также относительную сложность регулирования частоты вращения.

Вопрос 6. От чего осуществляется питание асинхронных двигателей?
Питание асинхронных двигателей осуществляется от однофазных, двухфазных и трёхфазных источников, однако наиболее распространёнными являются трёхфазные асинхронные двигатели, конструкция которых была разработана М.О. Доливо-Добровольским в 1889 году и с тех пор не претерпела существенных изменений.

Литература: Усольцев Александр Анатольевич. Электрические машины. Учебное пособие. 2013 г.


Трансформаторы. Проверка знаний

4for1

Вопрос 1. Какое устройство называется трансформатором?
Ответ. Трансформатором называется электромагнитное статическое устройство, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии в цепях переменного тока.

Вопрос 2. Что можно сделать при помощи трансформатора?
Ответ. С помощью трансформаторов можно изменить число фаз, величину напряжения, тока, начальной фазы и частоты, т.е. любого из параметров, определяющих напряжение или ток в цепи.

Вопрос 3. На какую мощность изготавливают трансформаторы?
Ответ. Трансформаторы изготавливаются на мощности от долей милливатта до сотен мегаватт.

Вопрос 4. Какой вес имеют трансформаторы?
Ответ. Трансформаторы имеют вес от долей грамма до нескольких сотен тонн.

Вопрос 5. При помощи каких устройств преобразовывается, вырабатываемая промышленным способом, электрическая энергия?
Ответ. Вся электрическая энергия, вырабатываемая промышленным способом, проходит несколько стадий преобразования напряжения с помощью трансформаторов.

Вопрос 6. Какие функции выполняют трансформаторы, кроме преобразования величины напряжения или тока?
Кроме преобразования величины напряжения или тока, трансформаторы выполняют очень важные функции согласования сопротивлений источника и нагрузки для обеспечения максимума мощности, передаваемой от одного элемента электронного устройства другому.
Отсутствие электрической связи между обмотками трансформатора позволяет использовать его для гальванического разделения («развязки») электрических цепей.

Литература: Усольцев Александр Анатольевич. Электрические машины. Учебное пособие. 2013 г.