Определения силы тока, напряжения и мощности
Nbsp; Министерство сельского хозяйства РФ ФГБОУ ВО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья» Механико-технологический институт Кафедра «Энергообеспечения сельского хозяйства»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Для выполнения курсовых работ
по дисциплине
«Теоретические основы электротехники»
Тема «Расчет электрических и магнитных цепей»
Для студентов очной формы обучения
направление 35.03.06 «Агроинженерия»
профиль «Электооборудование и электротехнологии в АПК»
Тюмень 2017
Введение
Дисциплина «Теоретические основы электротехники» в соответствии с учебным планом подготовки бакалавров по направлению 35.03.06 «Агроинженерия» профиль «Электрооборудование и электротехнологии в АПК» изучается в течение третьего и четвертого семестров. По окончании третьего семестра проводится зачет, в четвертом семестре студенты защищают курсовую работу и сдают экзамен.
Курсовая работа состоит из шести задач, которые решаются последовательно по мере изучения теоретического материала; таким образом, выполнение курсовой работы начинается в первые месяцы изучения дисциплины.
Задачи курсовой работы:
-расчет цепи постоянного тока, содержащей два узла;
-расчет цепи постоянного тока, содержащей четыре узла, методом контурных токов;
-расчет параметров тороидального магнитопровода;
|
|
|
-анализ пассивной ветви синусоидального переменного тока с резонансом напряжений;
-расчет трехфазной четырехпроводной цепи переменного синусоидального тока с несимметричным характером нагрузки;
-анализ измерений параметров пассивного двухполюсника в цепи переменного синусоидального тока по показаниям осциллографа.
В каждой задаче предусмотрено 100 вариантов. Свой вариант студент определяет по последним двум цифрам номера зачетной книжки или студенческого билета. Исходные данные по вариантам приведены в таблицах вместе с условиями задач.
В настоящих методических указаниях даны задания и требования к оформлению расчетно-пояснительной записки курсовой работы.
Теоретическая часть
В теоретической части рассмотрены основные понятия, формулы и законы электрических и магнитных цепей.
Топология электрических схем замещения
Электрическая цепь – это совокупность генерирующих, приемных ивспомогательных устройств, соединенных между собой электрическимипроводами.
В теории электрических цепей (ТЭЦ) оперируют не реальными электрическими цепями, а их схемами замещения.
Электрическая схема замещения – это графическое изображениеэлектрической цепи идеализированными элементами, которые учитываютявления, происходящие в реальной цепи.
|
|
|
Генерирующие устройства преобразуют различные виды энергии (механическую, химическую, тепловую, световую) в электрическую.
Роль источника энергии заключается в поддержании разности потенциалов. Для этого нужны силы неэлектрического происхождения (сторонниесилы), совершающие работу против сил электрического поля.
В ТЭЦ различают два вида идеализированных источников энергии:идеальный источник ЭДС (рис. 1) и идеальный источник тока(рис. 2).
Рисунок 1 – Идеализированный источник ЭДС
У идеального источника ЭДС сопротивление бесконечно мало. Вследствие этого напряжение на зажимах источника при изменении нагрузки неменяется, меняется ток. Стрелка источника показывает направление увеличения потенциала.
У идеального источника тока (рис. 2) сопротивление бесконечновелико. Поэтому при изменении нагрузки ток источника тока не меняется,меняется напряжение на его зажимах. Величины внутренних сопротивленийучтены в условных обозначениях: закоротка в кружке идеального источникаЭДС и разрыв – у идеального источника тока.
Рисунок 2 – Идеализированный источник тока
|
|
|
Идеальных устройств в реальной жизни нет. Реальный источник ЭДСобладает небольшим сопротивлением (рис. 3). Реальный источник токаобладает большим, но конечным сопротивлением (рис. 4).
Рисунок 3 – Реальный источник ЭДС
Рисунок 4 – Реальный источник тока
Приемные устройства образуют внешнюю часть схемы.
Различают три идеализированных приемных элемента.
Резистивный элемент, или идеальный резистор (рис. 5) учитываетпреобразование электрической энергии в другие виды энергии. Обладает сопротивлением R , которое измеряют в омах (Ом).
Рисунок 5 – Резистивный элемент
Сопротивление такого элемента определяется по выражении:
R=ρ·l/S,
где ρ – удельное электрическое сопротивления материала, из которого выполнен проводник, Ом·м/мм2;
l – длина проводника ,м;
S – площадь поперечного сечения проводника ,мм2 (S=π·D2/4 для проводника круглого сечения, где D – диаметр проводника, мм).
Рисунок 6 – Проводник электрического тока – резистивный элемент
Индуктивный элемент, или идеальная индуктивная катушка(рис. 7) учитывает энергию магнитного поля катушки, а также ЭДС самоиндукции. Обладает индуктивностью L , которую измеряют в генри (Гн).
Рисунок 7 – Индуктивный элемент
|
|
|
Индуктивность соленоида (длинной, тонкой катушки) определяется по выражению:
L=µ0·µ·N2·S/l,
где µ0=1,257·10-7 Гн/м– магнитная постоянная;
N – число витков;
S – площадь поперечного сечения катушки, м2;
l – длина катушки, м.
Рисунок 8 - Соленоид
Емкостный элемент, или идеальный конденсатор (рис. 9) учитывает энергию электрического поля конденсатора, а также токи смещения.Обладает емкостью С, измеряемой в фарадах (Ф).
Рисунок 9 – Емкостный элемент
Емкость электрическая плоского конденсатора определяется по выражению:
С=ε·d/S,
где ε – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками конденсатора, Ф/м;
d – расстояние между обкладками конденсатора, м;
S – площадь одной обкладки конденсатора, м2.
Рисунок 10 – Плоский конденсатор
В общем виде элементы схем замещения можно классифицировать, используя схему, представленную на рисунке 11.
Рисунок 11 – Классификация элементов схем замещения
В реальных электрических цепях есть реальные резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы. В схемы замещения реальных деталей входятвсе три идеальных элемента, но количественно значения их параметров существенно различны.
Рассмотрим схему замещения реальнойиндуктивной катушки, которую содержатбольшинство электротехнических устройств.Индуктивная катушка греется, что учитываетрезистивный элемент (рис. 12), в ней наводится ЭДС (индуктивный элемент). Емкостный элемент учитывает энергиюэлектрических полей между витками.
Рисунок 12 – Схема замещения реальной катушки индуктивности
Элементы электрических цепей различным образом соединяют междусобой, образуя геометрические элементы схем замещения (ветвь, узел, контур).
Ветвь – часть электрической схемы, состоящая из одного или нескольких последовательно соединенных источников и приемников энергии,ток в которых один и тот же.
Можно сформулировать короче. Ветвь – участок схемы с одним током.Ветви могут быть активными, содержащими источники энергии, и пассивными, состоящими из одних приемников.
Узел – это точка в схеме, где сходятся не менее трех ветвей. Тогдаветвь – участок схемы от одного узла до другого узла.
Контур – любой замкнутый по ветвям схемы путь. Схема можетбыть одноконтурной (рис. 13) и многоконтурный (рис. 14).
Рисунок 13 – Одноконтурная схема
Рисунок 14 – Многоконтурная схема
Подумайте, сколько узлов, активных и пассивных ветвей, а также контуров в схеме рис. 14.
Определения силы тока, напряжения и мощности
Сила тока, напряжение и мощность, которые уже рассматривались в курсе физики, являются интегральными величинами электромагнитного поля.
Электрический ток – это явление направленного движения заряженных частиц.
Количественную меру этого движения в ГОСТе определяют как силутока. Но в электротехнических дисциплинах принято говорить просто: ток.
Величину тока определяют как скорость изменения заряда во времени:
где q– заряд.
Так как током называют и явление, и его количественную меру, у многих складывается впечатление, что ток – величина векторная. Стрелкой насхеме обозначают направление движения положительно заряженных частиц.
Если величину тока определить упрощенно, то это – количество зарядов через поперечное сечение проводника в единицу времени. Очевидно, чтоэто величина скалярная.
В результате расчетов ток может получиться с разными знаками. Токположительный, если его выбранное направление совпадает с направлениемдвижения положительных зарядов.
Ток измеряют в амперах (А). Французский академик Андре Мари Ампер ввел понятие электрического тока.
Человек начинает ощущать ток в своем теле при его величине 0,005 А. Ток 0,05 А опасен для жизни. Ток в люминесцентной лампе 0,15 А, в лампенакаливания – 0,2–1 А, в холодильнике – 0,5–0,8 А, в бытовых нагревательных приборах – 2–8 А, в электродвигателе трамвайного вагона – от 100 А ивыше, в индукторе печи для плавления алюминия – 18000 А.
Напряжение – количество энергии, затраченной на перемещение единичного заряда из одной точки электромагнитного поля в другую:
где W – энергия.
Потенциал – количество энергии, затраченной на перемещение единичного заряда из бесконечности в какую-либо точку электромагнитногополя. Отсюда напряжение – это разность потенциалов.
Эта величина тоже скалярная. Может быть положительной и отрицательной. Напряжение положительно, еслипотенциал точки 1, из которого направлена стрелка u12(см. рис. 15), выше потенциала точки 2. Индексация показывает направление ко второму индексу.
Рисунок 15
Единица измерения напряжения – вольт (В). Названа вчесть итальянца Алесандро Вольта, создателя первого источника электрической энергии – «Вольтова столба». Онпервым ввел понятие напряжения.
Мощность – это скорость изменения энергии во времени:
Умножим и разделим на dt
Следовательно, мощность – это произведение напряжения на ток. Единица измерения мощности в общем случае – В А (Вольт-Ампер).
Источник электрической энергии (источник питания) – это преобразователь неэлектрической энергии в электрическую.
Механическая энергия преобразуется в электрическую в электромеханических генераторах постоянного и переменного тока; химическая – в гальванических элементах и аккумуляторах; световая – в фотоэлементах; тепловая в термопарах.
Идеальные источники электрической энергии делятся на:
-идеальный источник тока;
-идеальный источник ЭДС.
Идеальный источник тока характеризуется бесконечно большим сопротивлением и неизменным значением силы тока.
Идеальный источник ЭДС характеризуется бесконечно малым сопротивлением и неизменным значением напряжения.
Источниками электрической энергии по отношению к потребителям являются также трансформаторы и выпрямители. Первые применяются в сетях переменного тока для изменения величины напряжения при передаче и распределении электроэнергии; вторые – для получения постоянного тока из переменного.
В реальных условиях существование идеальных источников невозможно, поэтому в схемах замещения используют понятие источника напряжения (рис. 1) или источника тока (рис. 2).
Рисунок 1 – Реальный источник ЭДС
Рисунок 2 – Реальный источник тока
Источник электрической энергии характеризуется следующими величинами:
- электродвижущей силой (ЭДС) Е, которая измеряется в вольтах (В) и характеризует способность источника создавать ток во внешней цепи;
- внутренним сопротивлением r0, (Ом);
- напряжением на зажимах U, величина которого в реальном источникезависит от величины тока I, отдаваемого им в цепь и определяется выражением
U = Е – I·r0
- развиваемой мощностью Рист.;
Рист. = Е·I
- отдаваемой приемникам электрической цепи мощностью Рпр.;
Рпр. = U·I
- коэффициентом полезного действия η;
η=Рпр./Рист. = U·I/ Е·I = U/Е
При выполнение расчетов параметров электрических схем, в некоторых случаях, имеется необходимость взаимной замены источников электрической энергии. При замене источника ЭДС на источник тока и обратно внутренне сопротивление источника остается неизменным, при этом взаимосвязь между ЭДС и током источника описывается следующим выражением:
Е=I·r0,
где Е – ЭДС реального источника ЭДС, В;
I – ток короткого замыкания реального источника тока, А;
r0 – внутренне сопротивление реального источника ЭДС или тока, Ом.
Закон Ома для участка цепи
В настоящее время под законом Ома понимают все соотношения, связывающие между собой напряжение и ток.
В курсе ТОЭ рассматривается три закона Ома:
-Закон Ома для участка цепи;
-Закон Ома для полной цепи;
-Закон Ома для активной ветви.
Закон Ома для участка цепи показывает взаимосвязь между силой тока I, протекающей через участок цепи, и напряжениемU, приложенному к этому участку. В общем виде закон Ома для участка цепи описывается выражением:
I=U/R=U·G,
где R – сопротивление участка цепи, Ом;
G=1/R=R-1 – проводимость участка цепи, См.
Схема, к которой применяется закон Ома для участка цепи, представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Участок цепи
Закон Ома для полной цепи показывает взаимосвязь между силой тока I, протекающей через контур полной цепи, ЭДС источника Е, внутренним сопротивлением источника ЭДС r и сопротивлением нагрузки R. В общем виде закон Ома для полной цепи описывается выражением:
I=E/(r+R),
где E – ЭДС источника, В;
r – внутреннее сопротивление источника ЭДС, Ом;
R – сопротивление нагрузки, Ом.
Схема, к которой применяется закон Ома для полной цепи, представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Полная цепь
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 664; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!