Основы электротехники

Теоретические основы электротехники (или попросту ТОЭ) – это особая область технических знаний, посвящённая изучению и обоснованию электромагнитных явлений. Помимо этого, данный курс содержит в себе основные положения электростатики и электродинамики, описывающие взаимодействие заряженных частиц и их движение в магнитных полях.

А.Вольт

Занимается электротехника и вопросами конструирования специальной аппаратуры, работающей в соответствии с её основными принципами. Последние представлены в виде самостоятельного раздела – «Основы электромонтажа».

Основные понятия

В курсе электротехники также рассматриваются основные понятия, характеризующие происходящие в проводниках процессы (протекающие по ним токи и действующие ЭДС). Рассмотрим их более подробно.

Под током понимается упорядоченное движение свободных носителей заряда (электронов) в замкнутой электрической цепи под действием приложенной к ней разности потенциалов.

На основе использования этих двух физических величин, поведение которых описывается законом Ома и правилами Кирхгофа, и построена вся архитектура современной электротехники.

При рассмотрении токовой составляющей необходимо обратить внимание на то, что различают две её категории: постоянная и переменная. Достаточно много материала посвящается вопросам преобразования одной из этих форм в другую и наоборот.

Круг вопросов, которые рассматриваются в большинстве курсов по электротехнике, сводится к следующим разделам:

• Постоянный ток (Закон Ома и правила Кирхгофа);
• Электромагнетизм;
• Переменный ток (однофазный и трёхфазный);
• Трансформаторные системы;
• Электрические машины переменного и постоянного тока.

Рассмотрим каждый из перечисленных в этом перечне разделов более подробно.

Постоянный ток

Основные понятия электротехники обычно увязываются с постоянным током, что объясняется особенностями изучения материала, начинающегося с электростатики. Лишь после введения понятий одиночных зарядов и создаваемых ими полей, которые описываются условными силовыми линиями, возможен переход к движению заряженных частиц.

Распределение силовых линий задаётся эквипотенциальными поверхностями с равными потенциалами, а скорость перемещения заряда определяется через напряжённость поля в каждой его точке. В результате этого возможен переход к ещё одному важнейшему понятию – электрическому напряжению, представляемому как разность потенциалов на различных удалениях от их источника.

За единицу постоянного тока принимается количество зарядов в кулонах, перемещаемых через определённое сечение в единицу времени (I =Q/t).

В качестве единицы напряжения взята специальная величина, для обозначения которой использована фамилия итальянского естествоиспытателя А.Вольта, открывшего электрический эффект и нашедшего способ аккумуляции энергии этого типа.

Электромагнетизм

Действие электрического тока проявляется не только в непосредственно совершаемой им работе в активных или пассивных нагрузках. Он также является причиной образования тонких структур, называемых электромагнитными полями. Этот эффект носит название электромагнетизма, а суть его состоит в следующем:

• Вокруг любого проводника с током появляется магнитное поле с замкнутыми силовыми линиями, величина которого пропорциональна амплитуде токового сигнала;
• Вектор действия созданного током полевого образования определяется направлением его течения в данном проводнике;
• При размещении поблизости двух проводов с одинаково направленными потоками заряженных частиц они будут отталкиваться (этот эффект обнаружен Ампером, по имени которого была названа единица тока);
• При различных направлениях тока в двух проводах они начнут притягиваться;
• Доказано, что явления отталкивания и притяжения проводов являются результатом взаимодействиями магнитных полей, создаваемых протекающим в каждом из них током;
• Аналогичное действие на проводник оказывает постоянный магнит.

Рамка в магнитном поле

При вращении такой рамки в постоянном магнитном поле в ней будет наводиться ЭДС, под воздействием которой появится ток, меняющий не только своё мгновенное значение, но и направление (то есть он будет переменным).

Переменный ток

Что это такое

Переменный ток, согласно основам электротехники, вводится как процесс, при котором его направление и величина изменяют со временем своё значение. Особое распространение получило его представление в виде синусоидально меняющегося процесса, задаваемого такими характеристиками, как частота и мгновенное значение (или амплитуда).

Дополнительная информация. Такое представление переменного тока объясняется тем, что впервые он был получен с помощью генераторов, в которых для наведения переменной ЭДС использовался эффект вращения рамки в магнитном поле.

Привычный для пользователя однофазный ток, действующий в обычной розетке, – это лишь частный случай более общей системы питания, представленной трёхфазным напряжением. Последнее поступает с генератора электростанции и передаётся затем по проводам к местной подстанции, где осуществляется его трансформация и распределение по отдельным фазам.

Трёхфазный ток

Каждая из трёх фаз, по возможности, равномерно нагружается конечными потребителями – отдельными нагрузками, имеющимися в любой квартире (это справедливо для случая жилых домов).

Единицы измерения

Переменный ток, как синусоидальный процесс, по своим характеристикам существенно отличается от постоянного аналога, так как имеет несколько контролируемых параметров. Это:

• Величина эффективного или действующего напряжения, определяющего совершаемую переменным током работу (измеряется в вольтах);
• Амплитуда (размах), характеризующая максимальные его значения;
• Частота колебаний напряжения, имеющая в России значение 50 Гц (в некоторых странах эта величина равна 60 Гц);
• Сдвиг фаз между действующими токами и напряжениями, определяемый видом нагрузки в цепи данного потребителя.

В индуктивной нагрузке (электродвигатели, дроссели и т. п.) ток отстаёт по фазе от напряжения, что проявляется как её реактивность или возможность перекачивать энергию от источника к потребителю и обратно.

Из-за реактивности нагрузок, которые в большей мере проявляются на производстве (трёхфазные электродвигатели, ёмкостные потребители и многое другое) энергетикам пришлось ввести коэффициент мощности.

Кроме того, для переменного тока вводится характеристика, свидетельствующая о качестве синусоидальной формы напряжения или тока, называемая коэффициентом гармоник.

Трансформаторы

Основные положения электротехники распространяют своё действие и на переменные электромагнитные поля, создаваемые движущимся зарядом. Наглядным подтверждением этого эффекта является трансформатор, состоящий из двух электрически несвязанных между собой обмоток. Однако связь между ними всё-таки имеется.

Она появляется из-за перекрытия э/м полей каждой из трансформаторных катушек и эффекта индукции (наведения ЭДС в витках обмотки под воздействием переменного тока).

Трансформатор

Для усиления связи между отдельными катушками электротехнические трансформаторы наматываются на каркасах, которые заполняются особыми ферромагнитными сердечниками. Благодаря использованию ферромагнетиков, удаётся повысить коэффициент полезного действия преобразующего устройства, вычисляемого как соотношение входной и выходной мощностей переменного тока.

Электрические машины (электродвигатели и генераторы)

Электродвигатели

Для определения понятия электрической машины (асинхронного и синхронного двигателя или генератора) достаточно вспомнить о том, что при размещении витка проводника в постоянном магнитном поле на него действует вращающий момент.

Если такая катушка содержит большое количество витков, особым образом намотанных на подвижно закреплённом валу, то после её размещения в поле постоянного магнита она начнёт вращаться. Рассмотренный эффект, являющийся прямым следствием закона э/м индукции, лежит в основе работы электродвигателей.

В промышленных образцах электродвигателей в неподвижной обмотке (статоре) действует переменное поле, определённым образом воздействующее на вращающийся ротор. Эта часть асинхронного двигателя, как правило, изготавливается в виде литой стальной заготовки, в которой наводится соответствующее поле (по принципу э/м индукции).

Электродвигатель (принцип работы)

За счёт взаимодействия этих двух полей (статора и ротора), осуществляемого в так называемом «скользящем» режиме, и создаётся вращающий момент. Поскольку поле ротора всегда немного отстаёт от статорного, между ними всегда имеется небольшое рассогласование (они работают асинхронно). С учётом этого эффекта двигателям и было присвоено название «асинхронные».

Электрогенераторы

Для получения трёхфазного напряжения используются специальные генераторы, при работе которых наблюдается эффект, противоположный рассмотренному ранее случаю для двигателей. Для генерации трёхфазного сигнала потребуется особым образом подготовленная обмотка (якорь), в которой рабочие чередующиеся катушки трёх фаз смещены одна относительно другой на 120 градусов.

Внутри якоря имеется закреплённый в подшипниковых опорах индуктор, получающий вращающий импульс от турбины ГЭС, например, или от ветряного привода. К индуктору посредством скользящих щёток подводится вспомогательное напряжение, которое при его вращении индуцирует соответствующие ЭДС во всех трёх обмотках якоря.

Электрогенератор (принцип работы)

Напомним, что снимаемые с якоря рабочие напряжения генератора имеют вид трёх синусоидальных сигналов, сдвинутых относительно друг друга на 120 градусов. В электротехнике эти составляющие конечного сигнала получили название фаз, обозначаемых как А, В и С.

Машины постоянного тока

Работу машин постоянного тока рассмотрим на примере генератора, принцип действия которого с соответствующей поправкой может быть перенесён и на двигатели. Известно, что при вращении рамки с обмоткой в поле постоянного магнита в ней наводится переменная ЭДС, изменяющаяся по синусоидальному закону. Эта ЭДС затем снимается с подвижной рамки посредством плотно прижатых к её коллектору щёток и подаётся на нагрузку.

Но если цельный кольцевой коллектор разделить на две равные половинки (полукольца) и подключить между ними нагрузку, ток в ней будет течь всё время в одном и том же направлении. Этот опыт представлен на приведённой ниже иллюстрации.

Генератор постоянного тока

В заключение обзора темы о теоретических основах электротехники отметим, что для более детального их изучения потребуется знакомство со специальной технической литературой. В рамках этой статьи были рассмотрены лишь основные вопросы, касающиеся изучения базовых электротехнических понятий и их применения на практике.

Видео