Лекція 1. Вступ. Основні поняття і співвідношення в електричних колах

План

· Зміст і структура дисципліни.

q Методика організації процесу навчання.

q Роль електротехніки та електроніки у розвитку комплексної автоматизації сучасних технологічних і виробничних процесів та систем керування.

q Розвиток електротехніки як наука.

· Прості кола постійного струму.

q Електричні схеми, елементи схем.

q Закон Ома.

q Напруга на клемах генератора та навантаження.

q Енергетичні співвідношення. Електрична потужність.

Зміст і структура дисципліни.

В умовах виробництва інженери-механіки повинні вміти кваліфіковано використовувати сучасні засоби автоматизації, в яких дедалі більше використовується електротехнічні, електронні та мікропроцесорні пристрої, а також приймати участь в проектуванні і розробці автоматизованих установок на базі мікропроцесорної техніки.

Рішення цих питань потребує від інженера знань принципів дії та особливостей функціонування типових електротехнічних, електронних та мікропроцесорних елементів і пристроїв, що використовуються в даній галузі техніки та виробництва. Крім того, він повинен вміти розібратись, використовуючи інструкції, описи, технічні паспорти, в роботі блоків, пристроїв та установок, що містять електричні, електронні та мікропроцесорні кола, елементи і прилади, з метою їх ефективної та раціональної експлуатації.

Виходячи з цього, метою дисципліни є теоретична і практична підготовка інженерів неелектричної спеціальності – інженерів-механіків в галузі електротехніки, електроніки, електровимірювальної та мікропроцесорної техніки до такого рівня, щоб вони могли вільно вибирати необхідні електротехнічні пристрої, вміти їх правильно експлуатувати і складати разом з інженерами-електриками технічні завдання на розробку електротехнічних частин автоматизованих та автоматичних пристроїв і установок для керування виробничними процесами.

Задачами дисципліни “Основи електротехніки, електроніки та мікропроцесорної техніки” є формування у студентів:

· знань електротехнічних законів, методів аналізу електричних та електронних кіл;

· знань принципів дії, конструкцій, властивостей, галузей використання і потенційних можливостей основних електротехнічних та електронних пристроїв і електровимірювальних приладів;

· знань електротехнічної термінології і символіки;

· знань основ побудови і використання мікропроцесорної техніки;

· вміння експериментальним способом визначити параметри і характеристики типових електротехнічних та електронних елементів та пристроїв;

· вміння використовувати паспортні дані для визначення режимів роботи обладнання;

· вміння виконувати виміри основних електротехнічних величин та деяких неелектричних величин, пов’язаних з профілем інженерної діяльності;

· практичних навичок включення електротехнічних приладів, апаратів і машин, керування ними і контролю за їх ефективною та безпечною роботою.

Чому в наш час найбільш широко використовується в різних галузях виробництва, культури, побуту має електроенергія?

Інтенсивне використання електроенергії обумовлене такими особливостями:

§ Електроенергію порівняно легко отримувати з інших видів енергії (механічної, теплової, атомної).

§ Електроенергію порівняно легко передавати з малими втратами на великі відстані.

§ Електроенергію порівняно легко перетворювати в інші види енергії (механічну, теплову, світлову).

Завдяки цим властивостям енергія, що накопичена в природі (енергія падаючої води, вугілля, торфу, вітру та ін.), порівняно легко розподіляється по самим різним приймачам. Тому її використання в багатьох технологічних процесах витісняє органічне паливо, забезпечує різке скорочення шкідливих викидів, сприяє охороні оточуючого середовища та раціональному використанню природних ресурсів.

Основну частину електроенергії виробляють теплові електростанції, побудовані поблизу природних запасів палива.

Гідроелектростанції перетворюють енергію водяних потоків в електроенергію. До їх числа відносяться також гідроакумулюючі станції, що мають оборотні гідроагрегати. Під час малої завантаженості (в нічні часи, у вихідні дні) агрегати накачують воду у водосховище, використовуючи електроенергію від інших електростанцій, а під час великого завантаження – виробляють електроенергію, знімаючи пікове навантаження і забезпечуючи надійність роботи всієї енергосистеми загалом.

Атомні електростанції будуються в районах, що не мають природних запасів дешевого палива.

В умовах зниження не поновлюваних запасів паливних ресурсів передбачається прискорене зростання атомної енергетики і більш широке використання нетрадиційних джерел енергії. Освоюється сонячна, геотермальна енергія, енергія океанських приливів і хвиль.

Існують хімічні джерела електроенергії. Хімічні джерела енергії поділяються на первинні елементи і акумулятори. В первинних елементах проходить необоротний процес перетворення хімічної енергії в електричну. Після повного розряду активні речовини первинних елементів не поновлюються і далі не використовуються. На відміну від первинних елементів активні речовини акумуляторів можна відновити, пропускаючи через них електричний струм, що за своїм напрямком зворотний струму розряду. Цей процес називається зарядом акумулятора. Отже після розряду акумулятор можна зарядити і він знову служитиме джерелом електричної енергії.

Галузь науки, що займається питаннями виробництва, передачі, розподілу і використання електроенергії, називається електротехнікою.

Народження електротехніки відносять до першої половини ХІХ сторіччя, коли були відкриті основні закономірності електричних явищ. У другій половині сторіччя були розроблені сучасні типи основних електричних машин – генератори, трансформатори та двигуни. Це був також період будівництва перших електричних станцій. Початок ХХ сторіччя знаменує значний зріст централізованого виробництва електричної енергії, перехід до широкого використання електродвигунів в промисловості та зародження електроніки. Наступні десятиріччя характеризуються небаченим розвитком електрифікації. За чверть сторіччя (1929 – 1954) виробництво електроенергії в усьому світі збільшилось у п’ять разів.

Електротехніка, як наука теоретична і прикладна спочатку розвивалась на основі постійного струму, оскільки першими джерелами електричного струму були гальванічні елементи. В цей період (1800 – 1850) були відкриті основні закономірності електричних явищ: закони електричного кола (Ом і Кірхгоф), теплова дія електричного струму і його практичне використання (Ленц, Джоуль, Петров), закони електромагнітної індукції і електромагнітних сил (Фарадей, Максвел, Ленц, Ампер, Якобі), електрохімічна дія струму і т. ін.

В подальшому все більше виявлявся основний недолік системи постійного струму – трудність економної передачі електричної енергії на значні відстані.

Можливість передачі електричної енергії на великі відстані, простота машин та інші переваги забезпечили системі змінного струму широкий розвиток. Однак і тепер, коли змінний струм займає центральне місце в електроенергетиці, багато користувачів користуються електроенергією постійного струму, який є для них або єдиним можливим за технологічних умов родом струму, або родом струму, що забезпечує ряд техніко–економічних переваг.

В електричних колах як постійного, так і змінного струму при будь–яких можливих режимах одночасно проходить неперервний процес утворення електричної енергії і перетворення її в інші види енергії.

Прості кола постійного струму.

Електричні схеми, елементи схем.

Впорядкований рух вільних заряджених часток в провіднику під дією електричного поля називається електричним струмом.

Для виникнення струму необхідне замкнуте електричне коло і джерело електрорушійної сили.

Електричне коло в загальному випадку включає такі елементи:

§ Джерело електричної енергії – генератори, джерела живлення.

§ Приймачі, що перетворюють електроенергію в інші види енергії.

§ Засоби, що з’єднують джерела енергії і приймачі.

Графічне зображення кола називається електричною схемою.

Для кожної електричної схеми існує поняття вузла, вітки і контуру.

Вузол – точка з’єднання трьох або більше елементів кола.

Іноді вводиться поняття умовного вузла, в якому з’єднуються два елементи електричного кола.

Вітка – ділянка кола між двома вузлами.

Контур – замкнутий шлях обходу віток.

Електричні кола можуть бути простими і складними. До простих відносяться кола з одним джерелом живлення (або кількома джерелами в одній вітці); до складних – кола з двома або більше джерелами живлення в різних вітках.

Позначення деяких елементів електричних кіл на схемах:

Найпростіше коло складається з джерела енергії з ЕРС Е, приймача електричної енергії або кажуть навантаження з опором R та з’єднувальних проводів. Частина кола, що включає з’єднувальні проводи і навантаження є зовнішнім колом джерела.

Під дією електрорушійної сили Е генератора в замкнутому колі виникає і підтримується направлений рух електричних зарядів – електричний струм І.

Величина струму І визначається кількістю електричних зарядів, що проходять через поперечний перетин провідника за одиницю часу (одну секунду). Якщо величина струму в часі не змінюється, то , де q – кількість електрики (кількість електричних зарядів), що проходить за t секунд.

Одиницею виміру електричного струму є ампер.

.

Якщо величина струму непостійна і змінюється в часі, залежність має вираз в диференційній формі .

В металевих провідниках електричний струм є рух негативних зарядів – електронів. В інших випадках (наприклад, електролітах) електричний струм здійснюється переміщенням і негативних, і позитивних зарядів в протилежних напрямках.

Рух позитивних зарядів в одному напрямку рівноцінний переміщенню від’ємних зарядів в протилежному напрямку.

Для визначеності умовлено за позитивний напрямок струму в провідниках вважати напрямок руху позитивних зарядів.

В джерелі електрорушійної сили на переміщення електричних зарядів витрачається певна енергія.

Відношення роботи А, що здійснюється зовнішніми силами при переносі зарядженої частки всередині джерела до її заряду Q називається електрорушійною силою джерела енергії (ЕРС) – .

Якщо Q = 1 Кл, то Е = А, тобто ЕРС чисельно дорівнює роботі, що здійснюється зовнішніми силами при переносі одиниці заряду на ділянці АВ (див. попередній мал.). ЕРС визначається в вольтах

.

Дією електрорушійної сили джерела забезпечується певна різниця потенціалів на його клемах. Клема з більш високим потенціалом називається позитивною і позначається знаком «+». Клема з більш низьким потенціалом називається від’ємною і позначається знаком «–». Іншими словами клема «+» має більше вільних позитивних зарядів або менше від’ємних, а клема «–» має менше позитивних або більше від’ємних зарядів.

У зовнішньому колі струм направлений від клеми «+» до клеми «–», тобто від точки з більш високим потенціалом до точки з більш низьким потенціалом.

В джерелі напрямок струму співпадає з напрямком ЕРС – від клеми «–» до клеми «+».

Проходження електричного струму в колі пов’язане з втратою енергії. Ця енергія постачається в коло джерелом і перетворюється в колі в інші види енергії.

Елемент кола, в якому здійснюється необоротний процес перетворення електроенергії в теплову називається електричним активним опором.

Розглянемо ділянку кола 1 – 2.

Проходження струму на ділянці обумовлене різницею потенціалів U = j 1 – j 2 на його кінцях або напругою U на ділянці.

Далі буде використовуватись таке узгодження: додатний (позитивний) напрямок напруги приймається від точки 2 з низьким потенціалом до точки 1 з більш високим потенціалом, тобто протилежно напрямку струму на цій ділянці кола.

Напруга на ділянці кола називають ще падінням напруги. Напруга вимірюється як і ЕРС в вольтах – “В”.

Закон Ома для ділянки кола.

Основні електроенергетичні співвідношення для ділянки кола встановлені законами Ома і Джоуля–Ленца.

Згідно закону Ома, струм І на ділянці кола пропорційний напрузі U на цій ділянці: I = Ug.

Коефіцієнт пропорційності g називається електричною провідністю.

Величина, зворотна провідності R = 1 /g, кількісно визначає значення опору ділянки кола. Опір вимірюється в омах – «Ом», а провідність в сименсах – «Сим» або «1/Ом».

З закону Ома випливають формули: .

Напруга на клемах джерела.

В електричному колі кожний елемент – і джерело, і провід, і приймачі мають певний електричний опір.

Зобразимо схему найпростішого електричного кола з врахуванням опорів всіх його елементів.

Через всі послідовно з’єднані елементи кола протікає один і той же струм І. Величина цього струму прямо пропорційна електрорушійній силі джерела і зворотно пропорційна загальному опору кола

, де

R _дж – опір джерела;

R _п – опір проводів;

R _н – опір навантаження (приймача);

R _зовн = R _п + R _н – загальний опір зовнішнього кола.

Ця формула є виразом закону Ома для замкнутого електричного кола. Її можна записати в іншому вигляді:

E = IR _дж + IR _п + IR _н = IR _дж + IR _зовн.

Частина електрорушійної сили, що витрачається на здолання внутрішнього опору джерела називається падінням (втратою) напруги в джерелі D U _дж = IR _дж.

Друга частина ЕРС витрачається на здолання опору зовнішнього кола і називається напругою на клемах джерела (генератора) U _дж = E – IR _дж = E – D U _дж.

При зменшенні зовнішнього опору R _зовн струм І в колі збільшується, падіння напруги в джерелі збільшується і тому напруга на клемах джерела зменшується.

Залежність U _дж (І) називається зовнішньою характеристикою джерела.

Вигляд зовнішньої характеристики джерела:

Як правило R _дж << R _зовн і, тому допустимо вважати U _дж » Е.

Якщо джерело з’єднане з навантаженням лінією передачі (проводами), то при проходженні струму в ній втрачається частина напруги D U _п = IR _п. Тому напруга U _н на клемах навантаження менша за напругу на клемах джерела на величину D U _п

U _н = U _дж– D U _п = Е – І (R _дж + R _п).

Лінії електропередачі, як правило, виконують мідними алюмінієвими і рідше сталевими проводами.

Опір металевого провідника залежить від його довжини l, площі поперечного перетину S і електропровідних можливостей металу – , де

l – довжина провідника [м];

S – площа поперечного перетину[мм²]

r – питомий опір [ ].

Наприклад: r міді = 0,0175 ;

r алюмінію = 0,029 ;

r сталі = 0,13 – 0,25 .

Величина зворотна питомому опору g = 1/ r – питома провідність [()–1].

Опір металевого провідника залежить також від температури. При підвищені температури опір збільшується. Приблизно ця залежність визначається формулою

R _q2 = R _q1 [1 + a(q₂° – q₁°)], де

R _q1 і R _q2 – опір відповідно при температурах q₁°С і q₂°С;

a – температурний коефіцієнт для інтервалу 0° ¸ 100°.

Наприклад: a _міді = 0,004 град^–1;

a _{алюмінію} = 0,004 град^–1;

a _сталі = 0,006 град^–1.

На практиці площу перетину проводів вибирають так, щоб втрати напруги в них не перевищували 5 – 10% від напруги джерела.

Енергетичні співвідношення. Закон Джоуля–Ленца. Баланс потужностей.

При проходженні електричного струму І по ділянці кола з опором R здійснюється перетворення електричної енергії в теплову. Кількість електричної енергії W, перетвореної в теплову за час t, визначається за законом Джоуля–Ленца: W = I ² Rt.

Потужність Р є кількість енергії, що перетворюється за одиницю часу: P = W/t = I ² R або P = U ² /R.

Замінивши добуток I · R напругою U (згідно закону Ома) отримаємо формулу для визначення потужності Р, що характеризує інтенсивність процесу перетворення електричної енергії в тепло або інші види енергії: P = UI.

Основними одиницями виміру для потужності є ват (Вт), а для електричної енергії – ват–секунда (Вт×сек.) або джоуль (Дж). На практиці частіше використовують більш великі одиниці виміру:

1 Кіловат (КВт) = 1000 ват;

1 Кіловат–година (КВт×год.) = 3,6×10⁶ ват–секунд або джоулів.

Розглянемо баланс потужностей в найпростішому колі. Для цього помножимо всі складові рівняння E = IR _дж + IR _п + IR _н на І Þ EІ = I ² R _дж + I ² R _п + I ² R _н.

Добуток EІ є повна електрична потужність Р, яку має джерело. Частина цієї потужності D Р _дж = I ² ·R _дж втрачається в самому джерелі у вигляді тепла. Різниця Р – D Р _дж є потужність, що віддається джерелом в зовнішнє коло.

В проводах лінії також втрачається у вигляді тепла частина потужності D Р _п = I ²· R _п. Потужність, що залишилась Р _н = I ² ·R _н = U _н· І споживається навантаженням.

Баланс потужностей полягає в рівності значень суми повних електричних потужностей джерел кола і суми потужностей, що споживаються елементами кола.

Втрати потужності в джерелах живлення сучасних енергетичних установок відносно невеликі. Потужні енергетичні генератори мають високий к.к.д., що досягає значення 0,95 і вище.

При передачі споживачам однієї і тієї ж потужності Р _н = U _н· І струм, що протікає по лінії, буде тим менший, чим вища напруга установки. Втрати потужності в лінії пропорційні квадрату величини струму. Отже, підвищення напруги, наприклад, в 10 разів призводить до зниження втрат потужності в лінії передачі в 100 разів. Цим пояснюється використання все більш високих напруг в енергетичних установках.