Міністерство освіти і науки України Рівненський коледж економіки та бізнесу
ОПОРНІ КОНСПЕКТИ З ПРЕДМЕТУ „ОСНОВИ ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ” (з окремих тем, що винесені на самостійне опрацювання)
Підготував викладач фізики РКЕБ Білецький В. В. „Затверджено” на засіданні циклової комісії природознавчих та фізико-математичних дисциплін . Протокол № 1 від 28 . 08. 08 р Голова ц / к Білецький В. В.
Рівне 2008
Тема 1: Електричне коло постійного струму САМОСТІЙНА РОБОТА № 1 Тема : Перетворення електричної енергії на теплову. Електронагрівальні прилади. Втрати напруги в дротах. Мета: Сформувати поняття перетворення електричної енергії на теплову. Вивчити будову та принцип дії електронагрівальних приладів.
Електричний струм, проходячи по провідниках, нагріває їх. Теплову дію електричного струму незалежно один від одного вивчали російський фізик Е. Х. Ленц і англійський вчений Р. Джоуль. Вони експериментально встановили, що кількість теплоти, яка виділяється в провіднику при проходженні по ньому струму., пропорціональна квадратові сили струму, опорові ділянки кола й часові проходження струму. Математично ця залежність, яку називають звичайно законом Джоуля-Ленца, виражається формулою Q = I2Rt Потужністю називається робота, яка виконується (або споживається) за одну секунду. P=A/t Оскільки джоуль є малою одиницею, то роботу виражають в більших одиницях – ват-годинах (1 Вт год. = 3600 Дж.). На нагріванні провідників електричним струмом ґрунтується влаштування електричного освітлення, будова електронагрівальних приладів, електричних печей, багатьох типів вимірювальної, медичної апаратури тощо. Принцип будови нагрівальних приладів наступний. З сплаву, який має великий питомий опір (ніхром, фехраль тощо), виготовляється нагрівний елемент у вигляді спіралі, стрічки або циліндра, здатний витримати високу температуру. Спіраль або стрічка нагрівного елемента укладається на теплостійку основу , виготовлену з ізолятора (фарфору, кераміки, азбесту, слюди або міканіту). Кінці спіралі або стрічки приєднуються до клем, виведених назовні приладу або до провідників, з’єднаних з штепсельною вилкою. Для одержання високих температур, широко застосовуються електричні печі. Нагрівні елементи в електропечах виготовляються з тугоплавких металів (платини, молібдену тощо). У платинових печах можна одержати температуру до 13000 С, а в молібденових – до 25000 С. Теплота, що виділяється у дротині при проходженні струму, передається через її бічну поверхню і кінці навколишньому середовищу. Кількість теплоти, яка передається середовищу через теплопередачу, тим більша, чим більшою є різниця температур дротини й навколишнього середовища і чим краще передає теплоту це середовище. Таким чином, температура дротини при даній силі струму є тим вищою, чим краща її теплова ізоляція. Тому намагаються якомога краще ізолювати нагрівний
елемент з усіх боків, особливо там, де має бути використана висока температура нагрівного елемента. Чим менший діаметр дротини, тим більшим є опір кожного її метра довжини і тому більше виділяється теплоти на кожній одиниці довжини дротини. Однак чим тонша дротина, тим менша її бічна поверхня і тим менша тепловіддача. Тому температура дротини при даній силі струму тим вища, чим менший її діаметр. Щоб нагрівний елемент не руйнувався надто швидко його робоча температура не повинна перевищувати певної величини, яка залежить від матеріалу дротини. Це означає, що для дротини з даного матеріалу і даної товщини існує певна гранична сила струму, вище якої дротина починає швидко руйнуватися. Див таблицю.
Допустима сила струму, Площа Допустима сила струму, Площа поперечного А, для проводів поперечного А, для провідників перерізу перерізу провідників, провідників, 2 Мідних Алюмінієвих Мідних Алюмінієвих мм мм2 0,5
11
-
6
50
36
1
17
-
10
80
55
2,5
30
24
25
140
105
4
41
32
50
215
165
А тому провідник вибирають такого перерізу, щоб допустима сила струму його дорівнювала заданій чи розрахунковій силі струму або була б більшою від неї. Струм, протікаючи по провідниках, крім нагрівання їх, створює спад напруги, оскільки провідники мають опір. Якщо відстань між джерелом енергії та споживачем станови l , то довжина двох провідників, що з’єднують джерело енергії зі споживачем. Дорівнює 2 l. Будь-який приймач енергії дуже чутливий до змін напруги, тобто до відхилень її від номінального значення. Наприклад, яскравість лампи розжарення прямо пропорційна приблизно четвертому ступеню напруги, тобто зі зниженням напруги на 5% світловий потік лампи розжарення зменшується на
18,5%, а з підвищенням напруги на 5% понад номінальне значення термін служби її скорочується вдвічі. Коливання напруги для освітлювального навантаження не повинні перевищувати -2.5 ...+5%, а для силового +/-5, інколи +/-10% її номінального значення. Для захисту апаратів, машин та приладів від надміру великої сили струму встановлюють запобіжні пристрої (запобіжники, реле, автомати). Вони автоматично розривають коло, по якому надходить струм, як тільки сила струму перевищить норму.
Перевір себе. 1. Який принцип будови нагрівальних приладів? 2. Що використовують для кращого зберігання теплоти в електронагрівальних приладах? 3. Як залежить від параметрів дроту температура нагрівання провідника? 4. В яких межах повинна змінюватись напруга для нагрівальних приладів? 5. Що використовують для захисту апаратів, машин від надміру великої сили струму? Розв’яжи 1. Скільки часу будуть нагріватися 2 л води від 200 С до кипіння в електрочайнику потужністю 600 Вт, якщо його ККД рівне 80 0/0 ? 2. В електрочайнику за 8 хв. нагрівається 2,5 л води від 20 0С до кипіння. Визначити опір спіралі чайника, якщо напруга в мережі 220 В, а ККД чайника 85 0/0. Тема рефератів: 1. Сучасні нагрівальні прилади та їх застосування в технологічних процесах. 2.
Історична епоха створення перших електричних нагрівальних приладів.
3.
Життєдіяльність та наукові досягнення Е. Х. Ленца та Р. Джоуля.
Література В.Є. Китаєв. Електротехніка пр.12 С.У. Гончаренко. Елементарна електротехніка. Пар.29.
Тема 1: Електричне коло постійного струму САМОСТІЙНА РОБОТА № 2 Тема : Закони Кіргофа та їх застосування( 2 год) Мета: Сформувати вміння та навички використовувати закони Кіргофа до розв’язку практичних задач.
У загальному випадку на практиці часто доводиться розраховувати складні розгалужені електричні кола, які містять вузли. Вузлом А у розгалуженому колі називають точку, в якій збігаються не менш як три провідники. Звичайно, значні труднощі становлять задачі, пов’язані з визначенням сили струмів у всіх ділянках розгалуженого кола, якщо задано значення опорів і ЕРС. Безпосередньо застосувати закон Ома дуже важко, і найчастіше це призводить до помилок під час розрахунку. Труднощі під час розв’язування таких задач спрощуються, якщо застосувати правила Кірхгофа (1824 – 1887 рр.), видатного німецького фізика. Наслідком закону збереження заряду, за яким у жодній точці провідника не повинні нагромаджуватись або зникати заряди (це стосується вузлів), є перше правило Кірхгофа: Алгебраїчна сума струмів, які збігаються у вузлі, дорівнює нулю ∑I=0 I1 + I2 + I3 + I1 / + I2 / + I3 / = 0, Це правило можна сформулювати й так : Кількість зарядів, які приходять у дану точку провідника за деякий час, дорівнює кількості зарядів, які виходять з даної точки за той самий час. Струми, які підходять до вузла, вважають додатними, а струми, які відходять від нього, - від’ємними. Узагальненням закону Ома є друге правило Кірхгофа, воно стосується будь-якого замкненого контуру розгалуженого електричного кола: У будь-якому замкненому контурі розгалуженого кола, алгебраїчна сума ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі добутків струмів на опори відповідних ділянок цього контуру: E1+ E2 + E3+ … + …En = I1 R1 + I2 R2+ I3 R3 … +… In Rn Використовуючи правила Кірхгофа, розгалужене коло постійного струму треба розраховувати в такій послідовності: 1. Довільно вибрати напрям обходу контуру (за рухом стрілки годинника або проти). 2. Довільно вибрати і позначити на схемі стрілками напрям струмів на всіх ділянках кола, причому в межах однієї ділянки (ділянка – це частина кола між сусідніми вузлами) струм повинен мати тільки одне значення і один напрям. 3. Довільні замкнені контури виділяють так, щоб кожний новій контур мав хоча б одну ділянку кола, яка не входить до раніше розглянутих контурів.
4. Якщо вибраний напрям обходу контуру збігається з напрямом струму In , то добуток In Rn будe із знаком плюс, і навпаки. 5. Перед En ставлять знак плюс, якщо при обході контуру доводиться йти всередині джерела від негативного полюса до позитивного(тобто якщо на шляху обходу контуру потенціал зростає), в противному разі ЕРС записують із знаком мінус. Правила Кірхгофа дають можливість визначити силу і напрям струму в будь-якій частині розгалуженого кола, якщо відомі опори його ділянок і ввімкнені в них ЕРС. Перевір себе. 1. Сформулюйте перше правило Кірхгофа? 2. Друге правило Кірхгофа. 3 . Як необхідно розраховувати розгалужено коло постійного струму, використовуючи правила Кірхгофа? Розв’яжи 1. Знайти загальний опір ділянки кола, якщо R1= 2 Ом, R2=R3=R4= 15 Ом, R5= 3 Ом, R6= 90 Ом. Врахувати, що R2 - R4 - з′єднання паралельне, а решта послідовне з′єднання. 2. Різниця потенціалів на клемах розімкнутого джерела струму 4 В. Визначити внутрішній опір джерела струму, якщо при опорі зовнішньої ділянки кола 4 Ом, сила струму рівна 0,8 А. 3. ЕРС джерела струму рівна 220 В, внутрішній опір 1,5 Ом. Який потрібно взяти опір зовнішньої ділянки кола, щоб сила струму була рівною 4 А? 4. По провіднику опором 20 Ом за 5 хв. пройшла кількість електроенергії 300 Кл. Визначити роботу струму за цей час.
Тема рефератів: 1.
Практичне застосування законів Кірхгофа при складанні електричних кіл.
2.
Життєдіяльність та наукові досягнення Кірхгофа.
Література В.Є. Китаєв. Електротехніка пр.8 С.У. Гончаренко. Елементарна електротехніка. Пар.25.
Тема 2: Електромагнетизм. САМОСТІЙНА РОБОТА № 3 Тема : Феромагнітні матеріали, їх властивості і застосування. Явище самоіндукції( 2 год) Мета: Сформувати поняття феромагнітних матеріалів. Ознайомити з явищем самоіндукції, індуктивності магнітного поля та ролі вихрових струмів. 1. Феромагнітні матеріали, їх властивості і застосування. 2. Самоіндукція, індуктивність, вихрові струми та їх значення 1. У залежності від магнітних властивостей всі речовини поділяються на діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики. Хоча феромагнітних тіл у природі не так вже й багато, але саме вони мають найбільше практичне значення , тому що лише в них магнітні властивості яскраво виражені. Магнітний стан феромагнетика зручно характеризується величиною, яка називається намагніченням і позначається буквою Im. Якщо довгий однорідний стержень помістити всередину соленоїда, то магнітна індукція всередині нього дорівнюватиме B = µB0 де В0 - магнітна індукція поля, яке намагнічує стержень. Різниця між В і В0 може служити мірою намагнічення матеріалу, тобто Im = B – B0 = ( µ – 1 ) B0 Для намагнічування феромагнітної речовини стержень із цієї речовини вносять у котушку, при пропусканні струму по якій стержень намагнічується. Для повного розмагнічення стержня треба створити всередині котушки поле зворотного напрямку, що легко здійснити, змінивши напрям струму в котушці. Крива яка характеризує стан намагнічення і розмагнічення називається петлею гістерезисну ( див мал). Форма петлі є дуже важливою магнітною характеристикою матеріалу. Феромагнетик з великою площею петлі гістерезисну називається твердим ( у магнітному відношенні). Тому ці матеріали ( до них належать сталь і багато сплавів) використовують для виготовлення постійних магнітів. Феромагнетики з маленькою площею петлі гістерезисну називаються м’якими у магнітному відношенні матеріалами. До таких речовин відносяться: залізо, пермалой ( сплав заліза з нікелем) тощо. М’які матеріали застосовують для виготовлення сердечників трансформаторів, генераторів, електродвигунів тощо...
Порівняно недавно створено матеріали, які мають дуже малу площу петлі гістерезисну. Вони являють собою суміш окисів різних металів, наприклад, нікелю і цинку, марганцю й магнію і т. д., і називаються феритами. Втрати енергії на перемагнічування у феритах дуже малі. Ферити застосовуються при спорудженні електронно - обчислюваних машин та в багатьох інших галузях техніки. 2.
Якщо масивний провідник опір якого малий рухається в магнітному полі, то в ньому виникають котокозамкнені індуковані струми. Ці струми, сила яких може досягати великих значень, вихрові. Відкрив і дослідив ці струми французький фізики Фуко ( струми Фуко). Напрям вихрових струмів, як і всяких індукованих струмів, визначають за правилом Ленца, тобто їх напрям такий, що створюване ними магнітне поле протидіє руху провідника. Гальмівну дію вихрових струмів використовують для гасіння коливань стрілок в електровимірювальних приладах.
Перевір себе. 1.
Які матеріали відносять до феромагнетиків?
2.
Де знайшли своє примінення феромагнетики?
3.
Який фізичний зміст явища самоіндукції?
4.
Де в техніці використовують вихрові струми?
Розв’яжи 1. Визначити індуктивність котушки, якщо в ній при проходженні струму 2 А енергія магнітного поля була рівна 1 Дж ? 2. Визначити ЕРС самоіндукції, яка виникає в обмотці електромагніта індуктивністю 0, 5 Гн при рівномірній зміні в ній сили струму на 6 А за кожні 3с. 3. По котушці проходить струм 10 А. Яку індуктивність повинна мати котушка, щоб енергія її магнітного поля дорівнювала 6 Дж? Відносна магнітна проникливість цинку складає 0,9999, алюмінію - 1, 000023, кременистого заліза 400 - 10 000. До яких класів магнетиків Література В.Є. Китаєв. Електротехніка пр.8 С.У. Гончаренко. Елементарна електротехніка. Пар.39 – 42.
Тема 3. Лінійні кола однофазного змінного струму. САМОСТІЙНЕ ЗАНЯТТЯ №4 Тема: Коло змінного струму з послідовним і паралельним з’єднанням різних опорів. Мета: Сформувати поняття змінного струму. Навчити розрізняти послідовне та паралельне з’єднання провідників у колі змінного струму та знаходити необхідні величини. При складанні електричних кіл та обчислення основних характеристик змінного струму слід враховувати опори.
Дай відповідь: 1. Які опори розрізняють у колі змінного струму? 2. Як визначається повний опір у колі змінного струму? 3. Як називаються опори, які утворюються конденсатором і котушкою індуктивності? Розв’яжи 1. Котушка індуктивністю 20 мГн включена в мережу змінного струму з частотою 50 Гц. Визначить індуктивний опір котушки. 2. При якій частоті змінного струму наступить резонанс напруги у колі, що складається з послідовно з’єднаних котушки індуктивності 0,5 Гн і конденсатора ємністю 200 мкФ? Література 1. В. Є. Китаєв. Електротехніка.-К. :Будівельник, 1994.-240 с. Р. 4. 2. В. А. Вартабедян. Електротехніка.-К.:Вища школа, 1979.- 318 с. Р. 1.
Тема 3. Лінійні кола однофазного змінного струму. САМОСТІЙНЕ ЗАНЯТТЯ №5 Тема: Резонанс напруги і струму (2 год.) Мета: Сформувати поняття резонансу напруги та струму. Навчити розв’язувати задачі.
Якщо у електричному колі змінного струму при послідовному з’єднанні активних і реактивних опорів маємо ХL = ХС , відповідно UL=UC , то таке явище називають резонансом напруг. При резонансі напруг у колі буде найбільший струм, бо загальний опір зменшується і дорівнює активному опору R=Z. Якщо у електричному колі змінного струму при паралельному зєднанні опорів IL = IC , то таке явище називають резонансом струмів. У колі при резонансі струмів відбувається коливальний процес, при якому струм підтримується без зовнішнього джерела. Збільшується загальний опір, а струм у колі стає найменшим. Дай відповідь 1. Пояснити фізичний зміст резонансу напруги. 2. Пояснити фізичний зміст резонансу струмів. Розв’яжи 1. У коло змінного стрму з напругою 120 В послідовно ввімкнено котушку з активним опором 12 Ом і індуктивністю 31, 8 мГн і конденсатором ємністю С. Визначити ємність конденсатора С, при якій відбудеться резонанс напруг, а також струм у колі та витрачену у колі потужність, якщо частота мережі 50 Гц. ( С=318 мкФ, І = 10 А, Р = 1200 Вт). Література: В. А. Вартабедян. Електротехніка. Розділ 1.
Тема 4: Трифазний змінний струм. САМОСТІЙНА РОБОТА № 6 Тема : З’єднання трифазної системи трикутником, застосування, основні співвідношення, векторні діаграми. Мета: Сформувати поняття трифазного змінного струму та розглянути принцип дії трифазної системи трикутником.
Трифазною системою змінного струму (або просто трифазною системою) називається електричне коло або мережа змінного струму, в якій діють три ЕРС однакової частоти, але взаємно зміщенні за фазою на одну третину періоду. Окремі кола, з яких складається трифазна система, називають фазами. Якщо ЕРС у всіх трьох фазах мають однакову амплітуду і зміщенні за фазою на однаковий кут, то така трифазна система називається симетричною. Вперше передачу трифазного струму здійснив у 1891 р. Російський учений М. О. Доліво-Добровольський. У трифазному генераторі електрорушійні сили трьох незалежних однофазних кіл однакові за амплітудою і зміщенні за фазою на третину періоду. До кожної пари затискачів обмотки статора можна приєднати проводи, що підводять струм до навантаження, й одержати незв’язну трифазну систему. Проте всі три фази вигідніші об’єднати в одну загальну трифазну систему. Для цього обмотки генератора з’єднують між собою зіркою або трикутником. Якщо обмотки генератора з’єднані трикутником, то початок однієї фази з’єднується з кінцем другої. Отже, три фази генератора утворюють замкнутий контур, у якому діє ЕРС, що дорівнює геометричній сумі ЕРС, індукований у фазах генератора. Оскільки ЕРС у фазах генератора однакові і зсунуті на третину періоду за фазою, то їхня геометрична сума дорівнює нулеві, отже, у замкнутому контурі трифазної системи, з’єднаної трикутником, за відсутності зовнішнього навантаження струму не буде. У разі з’єднання трикутником лінійні проводи приєднуються до точок з’єднання початку однієї фази і до кінця іншої. Напруга між лінійними проводами дорівнює напрузі між початком і кінцем однієї фази. Отже, в разі з’єднання обмоток генератора трикутником лінійна напруга дорівнює фазній: Uл = Uф.
За рівномірного навантаження у фазах обмоток генератора проходять струми однакової сили: IAB = IBC = ICA. Ці сили струмів зсунуті відносно фазних напруг на однакові кути ϕ. З векторної діаграми легко вивести співвідношення між силами лінійних і фазних струмів, коли обмотки генератора з’єднані трикутником. З трикутника можна записати: І л/2=І ϕ cos 30o = I ϕ √3/2, звідки Iл = √3lϕ= 1.73lϕ, тобто у разі з’єднання обмоток генератора трикутником, сила лінійного струму в √3, разів більша від сили фазного струму (за рівномірного навантаження).
Дай відповідь 1. Який струм називається трьохфазним? 2. З якою метою був запроваджений трьохфазний змінний струм? 3. У чому полягає з’єднання трикутником і які його основні параметри? 4. У якій залежності знаходяться лінійна і фазна сила струму та напруга? Розв’яжи 1. У трифазне коло з лінійною напругою 380 В увімкнено споживач, з’єднаний трикутником. Активний опір кожної фази його 8 Ом, індуктивний 6 Ом. Визначити лінійний струм і активну потужність споживача. Література:
В. А. Вартабедян. Електротехніка. & 2.3.
Тема 5 : Електричні вимірювання. САМОСТІЙНА РОБОТА № 7 Тема:
Схеми ввімкнення вимірювальних приладів. Вимірювання неелектричних величин електротехнічними методами. Мета: Сформувати поняття вимірювання неелектричних величин електротехнічними методами.
Великого поширення набули методи електричних вимірювань неелектричних величин, наприклад рівня рідин, тиску, температури, геометричних розмірів тіл, якості обробки поверхонь, інтенсивності радіоактивного випромінювання тощо. Принцип такого вимірювання полягає в перетворенні неелектричної величини в залежну від них електричну величину, що вимірюють приладом, шкалу якого градуюють у значеннях неелектричної величини. Елемент вимірювального пристрою, яким виконують цю функцію, називають перетворювачем, або датчиком. Датчики ділять на дві основні групи:: параметричні й генераторні. Параметричні датчики із зміною неелектричних величин змінюють електричний параметр, опір, індуктивність, ємність. У генераторних датчиках зміна неелектричної величини викликає електрорушійну силу, яка вимірюється електричним приладом. Розглянемо деякі схеми вимірювання неелектричних величин:
Мал. 1 Контроль рівня бензину в баці реостатним датчиком
Мал.. 2. Контроль товщини стрічки
При малому рівні бензину поплавок 7 перебуває в нижньому положенні. Котушку 2 вимірювального приладу ввімкнено паралельно реостату 4 у
вказаному положенні закорочено через повзунок 5 на металевий корпус К. Тому струм з акумулятора піде тільки через послідовно ввімкнену котушку 1. Осердя 3, притягуючись до котушки 1, ставить стрілку в нульове положення. Піднімаючись із збільшення рівня поплавок через важіль 6 вмикає опір реостата 4, струм в обмотці 1 зменшиться, а в обмотці 2 збільшиться, що примусить осердя 3 відхилитися праворуч разом із стрілкою і вказати на відповідний рівень бензину. Будова вимірювального приладу за контролем товщини стрічки ґрунтується на зміні індуктивного опору, а значить і величині струму у колі котушки, що фіксується приладом 8.
Мал.3. Контроль променів іонізаційним
Мал.4.Контроль якості обробки поверхні профілометром ( індукційним датчиком)
На мал. 3 показано принцип контролю β- і γ - випромінювання з допомогою іонізаційного датчика, поширеного в сучасних дозиметрах. β – частинки і γ-промені, проходячи крізь іонізаційну камеру, іонізують газ, змінюють його електропровідність, що призводить до зміни струму в колі. Прикладом використання генераторного датчика може бути профілометр ( див мал. 4). Нерівність контрольованої поверхні переміщує голку 1 з алмазним кінцем, яка через стержень 2 рухає котушку 4. У витках котушки індукується ЕРС, що пропорційна амплітуді кривої профілю і швидкості переміщення голки на поверхні. Дай відповідь 1. На чому ґрунтуються вимірювання неелектричних величин електричними засобами вимірювання? 2. У чому полягають особливості вимірювань датчиком контролю за рівнем палива, індуктивним датчиком, іонізаційним датчиком та приладом за контролем якості обробки. 3. Навести приклади використання подібних приладів. Література В.А. Вартабедян. Електротехніка $ 3.11.
Тема 6: Електричні машини САМОСТІЙНА РОБОТА № 8 Тема : Електричні машини постійного струму. Мета: Сформувати поняття електричних машин постійного струму. Розглянути будову і принцип їхньої дії. 1. Електричні машини постійного струму, основні відомості. 2. Генератори постійного струму, принцип роботи і застосування. 3. Двигуни постійного струму, принцип роботи, застосування, основні характеристики і регулювання. 1. До електричних машин постійного струму відносять машини, які створюють даний струм та такі, робота яких ґрунтується на застосуваннях постійного струму. Електричні машини, які створюють постійний струм називаються генераторами, а електричні машини, які працюють за рахунок струму називаються двигунами. 2. Основними частинами генератора є станина 1, осердя полюсів 8, обмотка полюсів 7, якір 5, колектор 2, підшипникові щити 3 і 9, траверса 4 з щіткотримачами та щітками. На валу якоря закріплено вентилятор 6 . Станина 1 – литий або зварений циліндр, виготовлений з чавуну або сталі з високою магнітною провідністю.
Принцип дії генератора постійного струму ґрунтується на законах електромагнітної індукції та електромагнітних сил. У провіднику, що рухається в магнітному полі генератора, постійний струм виникнути не може. Постійна е. р. с. і струм можуть створюватись тільки випрямленням змінної е. р. с., що виникає в обмотці генератора змінного струму. У кожній машині постійного струму спостерігається взаємодія між струмом якоря і магнітним полем, створеним струмом збудження. Внаслідок на кожний провід якоря діятиме електромагнітна сила F = B l I N. Механічна потужність, яка перетворюється в електричну буде виражатись формулою P = E I. Для створення магнітного потоку в полюсах машини їх обмотка збудження має живитися постійним струмом. Струм збудження машини постійного струму
може подаватись або від стороннього джерела електричної енергії ( акумулятора, випрямляча чи іншого генератора) 3. Електричні машини постійного струму є оборотними, тобто можуть працювати як генераторами, так і двигунами. Принцип дії електродвигунів ґрунтується на взаємодії магнітного поля статора Ф із струмом якоря І. Електромагнітний момент, який виникає при цьому, приводить якір в обертальний рух. Наявність колектора в двигунах постійного струму забезпечує зміну напряму струму в обмотках якоря при переході полюсів через геометричну нейтраль. Завдяки цьому обертальний момент залишається сталим за напрямом і величиною. Якщо підвести до якоря двигуна постійну напругу, то виникає обертальний електромагнітний момент М, напрям якого визначається за правилом лівої руки. Під впливом цього моменту якір двигуна почне обертатися в напрямі моменту з певним числом обертів п.
Електричні схеми двигунів постійного струму з незалежним та паралельним збудженнями. Дай відповідь 5. Який струм називається трьохфазним? 6. З якою метою був запроваджений трьохфазний змінний струм? 7. У чому полягає з’єднання трикутником і які його основні параметри? 8. У якій залежності знаходяться лінійна і фазна сила струму та напруга? Розв’яжи 1. Генератор з паралельним збудженням має такі дані: З = 10 кВт, 220 В, п = 1000 об/хв., опір кола якоря разом з опором додаткових полюсі дорівнює 0, 4 Ом. Механічні витрати з втратами в сталі становлять 4 % номінальної потужності генератора. Визначити номінальний струм генератора, стуми в якорі та в обмотці збудження. Література В.А. Вартабедян. Електротехніка Р 8 -9. С.У. Гончаренко. Елементарна електротехніка. Пар.53 -58.
Тема 7: Електропривід технологічного обладнання. САМОСТІЙНА РОБОТА № 9 Тема
:
Апаратура захисту електродвигунів і теплових апаратів. Принципові схеми управління технологічним обладнанням ( 2 год.) Мета: Сформувати поняття захисту електродвигунів і теплових апаратів. Розглянути принципові схеми управління технологічним обладнанням.
Галузь науки і техніки, яка охоплює методи та засоби контролю і керування технічними процесами виробництва без участі або з частковою участю людини, називають автоматикою. Вказані функції виконуються пристроями автоматики. Автоматичне керування – це сукупність операцій, які виконують автоматичні пристрої для вмикання, вимикання, реверсування машинизнаряддя. Для прикладу розглянемо автоматичне регулювання роботи генератора постійного струму, а також автоматичне керування ним та захист від перевантаження. Такий комплекс автоматичних операцій виконує реле – регулятор, який встановлюють на всіх автомобілях, тракторах та інших машинах. Реле-регулятор складається з трьох приладів: регулятора напруги РН, обмежувача струму ОС і реле зворотного струму РЗС.
Схема автоматичного регулятора, керування і захисту генератора за допомогою реле – регулятора.
Регулятор напруги РН призначено для підтримування напруги генератора на заданій величині незалежно від навантаження і числа обертів. Електромагніт регулятора має обмотку 9, ввімкнену паралельно щіткам генератора. Контакти 7 (вольфрамові) утримуються в замкненому положенні пружиною 10. Момент розмикання контактів визначається величиною струму, що проходить по обмотці електромагніту, і в свою чергу залежить від напруги генератора. Зміна режиму роботи регулятора напруги автоматично виконується магнітним шунтом 8. Цю пластину виготовлено з сплаву заліза з нікелем, вона втрачає магнітну проникливість при нагріванні понад 65 гр. С і поновлює її при зниженні температури. Зміна струму в послідовній обмотці сприяє розмагнічуванню осердя і пружина реле розмикає контакти 4. З цього моменту до всіх споживачів енергія надходить від акумуляторної батареї. При збільшенні обертів якоря генератора напруга на його затискачах зросте і , коли вона буде більша за напругу батареї, через обмотку 1 і 2 реле зворотного струму піде достатній струм, щоб електромагніт притяг якір і замкнули контакти 4. Далі цикл повторюється.
Дай відповідь 1.Сформулюй основне призначення автоматичного керування виробництвом? 2. З яких основних частин складається реле-регулятор та їх призначення. 3. На яких фізичних властивостях ґрунтується робота автоматики виробництва?
Література В.Є. Китаєв. Електротехніка пр.10 В. А. Вартабедян. Електротехніка. Р.11.
Тема 8 : Основи електроніки САМОСТІЙНА РОБОТА № 10 Тема : Загальні відомості про електронні прилади і їх застосування. Мета: Сформувати поняття про електронні прилади. Розглянути їх будову, принцип дії та умови експлуатації. 1. Загальні відомості про електронні прилади і їх застосування. 2. Газорозрядні прилади, основні види і застосування. 3. Напівпровідникові елементи, їх основні види і застосування в напівпровідникових приладах Радіоелектроніка займає проміжне місце між фундаментальними ( радіофізикою, фізикою твердого тіла, оптикою) та технічними ( електротехнікою, автоматикою, технічною кібернетикою) науками. У радіоелектронних приладах широко використовуються різні системи автоматичного керування ( автоматичне регулювання підсилювання, підстроювання частоти генератора тощо), зміни режиму їхньої роботи залежно від зміни параметрів сигналів, цифрові способи селекції та оброблення сигналів. З іншого боку, радіоелектронні пристрої є складовою частиною багатьох верстатів, приладів, систем вимірювань і контролю, систем керування, технологічних ліній тощо. З розвитком радіоелектроніки від неї відокремились такі нові напрямки науки і техніки, як квантова електроніка, оптоелектроніка, мікроелектроніка, магніто електроніка, хемотроніка. У радіотехніці широке примінення знайшли такі радіоелектронні прилади: • Електровакуумні прилади: діоди – використовуються для керування електричним струмом, тріоди – для підсилення сигналів.
• Напівпровідникові
інтегральні
мікросхеми:
аналогові
інтегральні
мікросхеми застосовуються для перетворення електричних сигналів, цифрові – для перетворення і оброблення дискретних сигналів. • Електронно-променеві прилади: осцилографічні, або вимірювальні; індикаторні, які застосовують в радіолокації та радіонавігації; кінескопи, які використовуються в телебаченні та ЕОМ; запам’ятовувальні трубки, які застосовуються для запису і зберігання інформації;
• Підсилювачі електронних сигналів: резонансні підсилювачі – для виділення і та підсилення радіочастотних сигналів; підсилювачі потужності – для забезпечення потрібною потужності сигналу; підсилювачі постійного струму й операційні підсилювачі. • Перетворювачі електричних сигналів. • Генератори електричних коливань перетворюють енергію джерела живлення на енергію змінного струму, частота якого визначається параметрами коливальної системи: автогенератори; генератори релаксаційних коливань; тригери – пристрій, що має два стійких стани рівноваги і здатний стрибком переходити з одного стану стійкої рівноваги і в інший під дією зовнішнього сигналу запуску. • Радіо і телеприймачі, що служать для отримання електромагнітних сигналів і перетворення їх в звукові і видимі зображення. • Радіолокаційні системи використовуються для визначення місцеположення у просторі, напрямок і швидкість руху різноманітних об’єктів за допомогою електромагнітних сигналів. Дай відповідь 1. Що вивчає радіоелектроніка? 2. Що розуміємо під електронними приладами, особливості використання? 3. Напівпровідникові прилади та особливості їх використання? Література В.М.Сисоєв. Основи радіоелектроніки. С.У. Гончаренко. Елементарна електротехніка.
їх
Тема 8: Основи електроніки САМОСТІЙНА РОБОТА № 11 Тема : Загальні відомості про мікроелектроніку Мета: Сформувати поняття про мікроелектроніку. Розглянути електронні прилади технологічного плану та умови їх експлуатації. 1. Загальні відомості про мікроелектроніку. 2. Основні відомості про компоненти інтегральних схем. 3. Особливості електронних приладів на базі інтегральних схем, їх переваги і застосування. Мікроелектроніка є однією із віток радіоелектроніки і почала розвиватись внаслідок створення електронних функціональних вузлів. У 70-х роках 20 століття винайшли мікросхеми, що містять тисячі мікроскопічних транзисторів на шматочку матеріалу, розміром меншим за поштову марку. Це дало змогу вмістити в крихітному просторі найскладніші схеми і створити нові електронні пристрої , які стали більш функціональні, надійні, компактні і економні. У будь-якому електронному приладі діє електричне коло із кількох з’єднаних один з одним елементів, розміщених на платі. Кожне коло виконує своє завдання. До напівпровідникових елементів належать: транзистори, резистори, діоди і конденсатори. Транзистори посилюють струм, можуть також вмикати і вимикати його. Діоди пропускають струм тільки в одному напрямі. Існують також світло діоди, вони рідко виходять з ладу, тому їх використовують замість лампочок. Величина струму в колі регулюється резистором: що більший опір резистора, менший струм у колі. Конденсатори здатні накопичувати електричних заряд і вивільняти його в потрібний момент. Найпоширеніше практичне використання з сучасних напрямків функціональної електроніки мають магнето-, кріо- , хемо-, акусто -, оптобіоелектроніка тощо. Магнітоелетроніка використовує фізичні властивості тонких магнітних плівок. На таких магнітних плівках можна будувати не тільки елементи пам’яті, а й логічні елементи, магнітні підсилювачі тощо. Кріоелектроніка використовує фізичні явища в напівпровідниках при температурі нижче 20 К. Відомо, що провідність будь-яких металів із зниженням температури зростає. Цю властивість використовують для побудови кріотронів – надпровідниковий дріт. Діелектрична електроніка використовує для побудови елементів функціональної електроніки специфічні явища, що виникають у тонких плівках. Це явище дало змогу створити новий клас мікроелектронних приладів, які стали основою побудови діелектричної електроніки. Хемотроніка, на відміну від усіх розглянутих видів функціональної мікроелектроніки, використовує фізичні явища, що відбуваються не в твердому тілі, а в рідинах з іонною провідністю. Акустоелектроніка – це напрям функціональної мікроелектроніки, фізичною основою якої є використання п’єзоелектричного ефекту та явищ
взаємодії електричних полів з хвилями акустичних напруг у п’єзоелектричному напівпровідниковому матеріалі. Оптоелектроніка ґрунтується на електронно-оптичному принципі передавання, оброблення, зберігання і виведення інформації. Носієм її є електрично нейтральний фотон. Оптоелектроніка охоплює інфрачервону, видиму й ультрафіолетову частини діапазону електромагнітних коливань когерентного та некогерентного випромінювання. Отже , поняття „оптоелектроніка” поширюється також на лазерну техніку, волоконну оптику. Голографію, електронну світлову індикацію, фактично охоплюючи перетворення інформації з електричної форми ( електричні заряди) на оптичну ( фотони) і навпаки. Залежно від технології виготовлення інтегральні мікросхеми бувають напівпровідникові, плівкові та гібридні. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми – це єдиний кристал напівпровідника, локальні зони якого виконують функції активних ( транзисторних) і пасивних елементів. Між цими зонами є електричні зєднання та ізоляційні площадки. Напівпровідникові інтегральні мікросхеми мають досить високий рівень інтеграції ( понад 104 елементів в 1 см3) і забезпечують найвищу надійність радіоелектронних пристроїв. Плівкові інтегральні мікросхеми виконують у вигляді різноманітних за товщиною, складом і конфігурацією плівок, нанесених на поверхню діелектричної підкладки. Гібридні інтегральні мікросхеми – це поєднання плівкових пасивних елементів ( резисторів, конденсаторів) і дискретних напівпровідникових. Аналогові інтегральні мікросхеми застосовують для перетворення електричних сигналів, що змінюються за законами неперервних функцій. Цифрові інтегральні мікросхеми використовують для перетворення й оброблення дискретних електричних сигналів. В основу їх побудови покладено технічну реалізацію операцій математичної логіки – диз’юнкції, кон’юнкції та інверсії. Інтегральні мікросхеми розробляють та виготовляють, як правило серіями. Кожна серія – це сукупність різних за функціональним призначенням мікросхем, побудованих за єдиною конструктивно-технологічною основою. Умовне кодове позначення мікросхем складається з чотирьох елементів: Перший елемент – літера К-пластмасовий корпус, М-керамічний, а Б – без корпусне виконання. Другий елемент вказує серію мікросхем і складається з трьох або чотирьох цифр. Третій елемент – дві літери вказують на функціональні ознаки мікросхеми. Четвертий елемент складається з цифр. Що вказує на порядковий номер розробки. Дай відповідь 1. Що вивчає мікроелектроніка і які розділи охоплює? 2. Види мікросхем та їх практичне використання. Література В.М.Сисоєв. Основи радіоелектроніки.
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
ЛІТЕРАТУРА В. А. Вартабедян. Електротехніка.-К.: Вища школа, 1979.- 320 с. С. У. Гончаренко, С. Є. Коршак. Елементарна електротехніка. - К.: Техніка, 1974.- 256 с. В. Є. Китаєв. Електротехніка з основами промислової електроніки. - К.: Будівельник, 1994. – 240 с. М. В. Титаренко. Електротехніка.-Ж.: ЖІТІ, 1999. – 230 с. В. Т. Поляков. Посвящение в радиоелектротику.- М.: Радио и свіязь, 1988. – 352 с. Сисоєв В. М. Основи радіоелектроніки. - К.: Вища школа, 2004. – 279 с. В. Е. Родзевич. Общая електротехніка. – К.: Вища школа, 1993. – 176 с.
ПЕРЕЛІК ОСНОВНИХ ПИТАНЬ З ПРЕДМЕТУ „ОСНОВИ ЕЛЕКТРОТЕХНІКИ” 1. Зміст дисципліни ,, Основи електротехніки”. 2. Роль і місце електротехніки в сучасній техніці і технології. 3. Електрична енергія, її передача і розподіл. Розвиток електроенергетики. Значення електроніки. 4. Електричне коло, його основні елементи, умовні позначення відповідно до ЄСКД. Параметри електричного кола: сила стуму, напруга, електричний опір та ін., одиниці виміру. 5. Закон Ома і його застосування. 6. Послідовне, паралельне і змішане з’єднання споживачів електричного струму, основні розрахунки. 7. Перетворення електричної енергії на теплову, електронагрівальні прилади. Витрати напруги в дротах . 8. Закони Кірхгофа та їх застосування . 9. Магнітне поле і його характеристики. Взаємодія провідника зі струмом і магнітного поля. Електромагнітна сила. 10. Електромагнітна індукція, її ритм і практичне застосування. Перетворення механічної енергії в електричну. 11. Перетворення механічної енергії в електричну, їх властивості. Перетворення електричної енергії в механічну, їх властивості. 12. Самоіндукція, індуктивність, вихрові струми та їх значення. 13. Змінний струм, його одержання й основні параметри. Поняття про векторну діаграму. 14. Кола змінного струму з активним, реактивним, індуктивним опором, ємністю. 15. Коло змінного струму з послідовним і паралельним з’єднанням різних опорів. Резонанс напруги і струму. 16. Практичне застосування ланцюгів змінного струму. 17. Загальні відомості про трифазний змінний струм, вироблення, основні параметри і співвідношення. 18. З’єднання трифазної системи зіркою, основні співвідношення, векторні діаграми. 19. З’єднання трифазної системи трикутником, основні співвідношення, векторні діаграми. 20. Класифікація вимірювальних приладів, їх загальна характеристика. 21. Будова і принцип дії магнітоелектричного й електромагнітного вимірювальних механізмів, їх застосування. 22. Схеми ввімкнення вимірювальних приладів. Вимірювання неелектричних величин електротехнічними методами. 23. Загальна характеристика електричних машин. 24. Призначення , будова і принцип дії однофазного трансформатора, його основні характеристики і режими роботи. Особливості трифазних трансформаторів.
25. Асинхронні електродвигуни змінного струму. Основні види, будова, принцип роботи, основні характеристики, застосування. 26. Електричні машини постійного струму, основні відомості. Генератори постійного струму, принцип роботи і застосування. 27. Двигуни постійного струму, принцип роботи, застосування, основні характеристики і регулювання . 28. Загальні відомості про електропривод технологічного обладнання. Основні види апаратури ручного керування електроприводом. 29. Апаратура напівавтоматичного і автоматичного керування, будова, принцип роботи, основні схеми включень. 30. Апаратура захисту електродвигунів і теплових апаратів. Принципові схеми управління технологічним обладнанням. 31. Загальні відомості про електронні прилади і їх застосування. Газорозрядні прилади, основні види і застосування. 32. Напівпровідникові елементи, їх основні види і застосування в напівпровідникових приладах. 33. Загальні відомості про мікроелектроніку. Особливості електронних приладів на базі інтегральних схем, їх переваги і застосування.