20.11.2025р.
Тема програми № 8. Електричні машини змінного струму
Тема уроку № 59. Електромагнітні процеси в обмотках синхронних машин
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002.
Опрацювати матеріал:
1. Призначення синхронного двигуна.
2. Будова синхронного двигуна.
3. Ротори сінхронних мащин бувають
Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:
1. Де застосовуються синхронні машини?
2. Електромагнітні процеси в обмотках синхронних машин.
3. Будова синхронного двигуна.
4. Які бувають ротори синхронних машин?
5. Що таке синхронний реактивний двигун?
6. Як запускають синхронний двигун?
7. В чому перевага синхронного двигуна?
Синхронні двигуни широко використовуються в промислових умовах в якості електроприводів, які працюють з постійною швидкістю. Прикладом поширення синхронних двигунів є широко застосовуваний на підприємствах високовольтний компресор (6 - 10 кВ) з двигуном великої потужності.
Принцип дії синхронних машин. Основними частинами синхронної машини є якір і індуктор (обмотка збудження). Якір розташовується на статорі, а на відокремленому від нього повітряним зазором роторі знаходиться індуктор -Якір є ще однією або кілька обмоток змінного струму.
У двигунах струми, що подаються в якір, створюють обертове магнітне поле, яке зчіплюється з полем індуктора, і таким чином відбувається перетворення енергії. Поле якоря впливає на поле індуктора і називається тому також полем реакції якоря. В генераторах поле реакції якоря створюється змінними струмами, індукованими в обмотці якоря від індуктора. Індуктор складається з полюсів - електромагнітів постійного струму] або постійних магнітів (в мікромашин).
Будова синхронного двигуна. В статорі синхронного двигуна розміщена обмотка, яка підключається до мережі трифазного струму і утворює магнітне поле, що обертається. Ротор двигуна побудований із сердечника з обмоткою збудження. Остання через контактні кільця підключається до джерела постійного струму. Струм проходячи через обмотку збудження породжує магнітне поле, яке намагнічує ротор.
Ротори синхронних моторів можуть бути явнополюсними (з явно вираженими полюсами) і неявнополюсними (з неявно вираженими полюсами). На зображені вище а) показаний сердечник 1 явнополюсного ротора з полюсами, що виступають. На полюсах розміщені котушки збудження 2. На зображені б) показаний неявнополюсний ротор, який є феромагнітним циліндром 1. На поверхні ротора в осьовому напрямі фрезерують пази, в які вкладають обмотку збудження 2.
Принцип дії синхронного двигуна
На малюнку зліва магнітне поле статора, який обертається, зобразимо у вигляді магніту 1. Намагнічений ротор покажемо у вигляді магніту 2. Повертаємо магніт 1 на кут α. Північний магнітний полюс першого магніту (1) притягне південний полюс другого магніту (2), а південний полюс першого магніту (1) – північний полюс другого магніту (2). Другий магніт (2) обернеться на такий же кут α. Обертатимемо перший магніт (1). Другий магніт (20 обертатиметься разом з першим магнітом (1), причому частоти обертання обох магнітів будуть однаковими, синхронними, n2=n1.
Синхронний реактивний двигун — це тип синхронного двигуна, на роторі якого відсутня обмотка збудження. В якості матеріалу для ротора синхронного реактивного двигуна використовується феромагнетик з явновираженими полюсами. Магнітне поле статора обертається та намагнічує ротор. Явнополюсний ротор володіє неоднаковими магнітними опорами по поздовжній та поперечній осях полюса. Силові лінії магнітного поля статора вигинаються і прагнуть пройти шляхом з меншим магнітним опором. Завдяки пружним властивостям силових ліній деформація магнітного поля викликає реактивний момент, котрий обертатиме ротор синхронно з полем статора.
Пуск в хід і регулювання частоти обертання синхронного двигуна. У синхронному двигуні відсутній початковий пусковий момент. При підключені обмотки якоря до мережі змінного струму, коли ротор нерухомий, а через обмотку збудження проходить постійний струм, то як результат за один період зміни струму електромагнітний момент двічі мінятиме свій напрям, а це означає, що середній момент за період буде рівний нулю.
Звідси випливає, що для того, аби запустити синхронний двигун потрібно розігнати його ротор з використанням зовнішнього моменту до частоти обертання, близької до синхронної. Тому синхронний двигун пускають в хід як асинхронний, для чого його забезпечують спеціальною короткозамкнутою пусковою обмоткою.
Синхронний двигун може працювати в якості генератора і двигуна.
Принцип дії синхронного двигуна заснований на взаємодії магнітного поля якоря і магнітного поля полюсів індуктора. Зазвичай якір розташований на статорі, а індуктор - на роторі. У потужних двигунах як полюсів використовуються електромагніти (струм на ротор подається через ковзний контакт щітка-кільце), в малопотужних, наприклад, в двигунах жорстких дисків - постійні магніти.
При роботі машини в генераторному режимі ротор під дією прикладеного до валу зовнішнього моменту Мвн зміщується на кут у напрямку обертання. При цьому створюються електромагнітні сили, спрямовані проти обертання, т. Е. Утворюється гальмівний електромагнітний момент М. Таким чином, при зміні значення і напрямки зовнішнього моменту на валу ротора Мвн змінюється лише кут? між осями полів статора і ротора, в той час як в асинхронної машині в цьому випадку змінюється частота обертання ротора. Пуск в хід і регулювання частоти обертання. Синхронний двигун не має початкового пускового моменту. Якщо підключити обмотку якоря до мережі змінного струму, коли ротор нерухомий, а по обмотці збудження проходить постійний струм, то за один період зміни струму електромагнітний момент буде двічі змінювати свій напрямок, т. Е. Середній момент за період буде дорівнює нулю. Отже, для пуску в хід синхронного двигуна необхідно розігнати його ротор за допомогою зовнішнього моменту до частоти обертання, близької до синхронної. Для цієї мети застосовують метод асинхронного пуску. Синхронний двигун пускають в хід як асинхронний, для чого його постачають спеціальної короткозамкненою пусковою обмоткою. У полюсні наконечники ротора синхронного двигуна закладають мідні або латунні стрижні, замкнуті накоротко двома торцевими кільцями. Пускова обмотка виконана подібно білячій клітці асинхронної машини, але займає лише частину окружності ротора. У деяких двигунах спеціальна короткозамкнена обмотка Синхронні двигуни при зміні збудження змінюють косинус фі з ємнісного на індуктивний. Перезбуджені СД на холостому ходу застосовують в якості компенсаторів реактивної потужності. Синхронні двигуни в промисловості зазвичай застосовують при одиничних потужностях понад 300 кВт (повітродувки, водоперекачуючій і нафтоперекачечні насоси), наприклад, типу СТД, при менших потужностях зазвичай застосовується більш простий (і надійний) асинхронний двигун з короткозамкненим ротором. Зазвичай синхронні генератори виконують з якорем, розташованим на статорі, для зручності відведення електричної енергії. Оскільки потужність збудження невелика в порівнянні з потужністю, що знімається з якоря (0,3 ... 2%), підведення постійного струму до обмотки збудження за допомогою двох контактних кілець не викликає особливих труднощів.
Принцип дії синхронного генератора заснований на явищі електромагнітної індукції; при обертанні ротора магнітний потік, створюваний обмоткою збудження, зчіплюється черзі з кожною з фаз обмотки статора, індукуючи в них ЕРС.
У найбільш поширеному випадку застосування трифазного розподіленої обмотки якоря в кожній з фаз, зміщених один відносно одного на 120 градусів, індукується синусоїдальна ЕРС. Поєднуючи фази за стандартними схемами «трикутник» або «зірка», на виході генератора отримують трифазну напругу, що є загальноприйнятим стандартом для магістральних електромереж. Частота індукованої ЕРС [Гц] пов'язана з частотою обертання ротора [Об / хв] співвідношенням:
p, де - Число пар полюсів ротора. Часто синхронні генератори використовують замість колекторних машин для генерації постійного струму, підключаючи їх обмотки якоря до трифазних випрямлячів. Різновиди синхронних машин гідрогенератор - Явнополюсний синхронний генератор, призначений для вироблення електричної енергії в роботі від гідравлічної турбіни (при низьких швидкостях обертання 50-600 об / хв). Турбогенератор - неявнополюсного синхронний генератор, призначений для вироблення електричної енергії в роботі від парової або газової турбіни при високих швидкостях обертання ротора - 6000 (рідко), 3000, 1500 об / хв. синхронний компенсатор - Синхронний двигун, призначений для вироблення реактивної потужності, що працює без навантаження на валу (в режимі холостого ходу); при цьому по обмотці якоря проходить практично тільки реактивний струм. Синхронний компенсатор може працювати в режимі поліпшення коефіцієнта потужності або в режимі стабілізації напруги. Дає ємнісні навантаження. Машина подвійного живлення (зокрема АСМ) - синхронна машина з харчуванням обмоток ротора і статора струмами різної частоти, за рахунок чого створюються несинхронні режими роботи. Ударний генератор - синхронний генератор (як правило, трифазного струму), призначений для короткочасної роботи в режимі короткого замикання (КЗ). також існують безредукторні, крокові, індукторні, гістерезисна, безконтактні синхронні двигуни. У класичній синхронної машині є слабке місце - контактні кільця зі щітками, зношуються швидше інших частин машини через електроерозіі і простого механічного стирання. Крім того, іскріння щіток може стати причиною вибуху. Тому спочатку в авіації, а пізніше і в інших областях (зокрема, на автономних дизель-генераторах) набули поширення безконтактні трьохмашині синхронні генератори. У корпусі такого агрегату розміщені три машини - підзбудника, збудник і генератор, їх ротори обертаються на загальному валу. Підзбудника - синхронний генератор з порушенням від обертових на роторі постійних магнітів, його напруга подається в блок керування генератором, де випрямляється, регулюється і подається в обмотку статора збудника. Поле статора наводить в обмотці збудника ток, випрямляти розміщеним на валу блоком обертових випрямлячів (БВВ) і йде в обмотку збудження генератора. Генератор вже виробляє струм, що йде до споживачів. Така схема забезпечує як відсутність інших механічних частин в двигуні, крім підшипників, так і автономність роботи генератора - весь час, поки генератор обертається, підзбудника дає напругу, яка може бути використано для харчування ланцюгів управління генератором. Переваги, якими володіють синхронні двигуни:
Основна перевага синхронного двигуна - можливість досягнення оптимального режиму при наявності реактивної енергії. Процес оптимізації режиму здійснюється за рахунок автоматичного регулювання струму збудливого двигун. Синхронний двигун може обходитися без споживання реактивної енергії, при цьому, не віддаючи її в мережу, за умови, що коефіцієнт потужності дорівнює одиниці. У подібних умовах синхронний двигун під час роботи навантажує мережу виключно активним струмом. Саме тому обмотка статора у синхронного двигуна розрахована виключно на активний струм (обмотка асинхронного двигуна розрахована як на активний, так і на реактивний струми). Завдяки цьому при однакових значеннях номінальної потужності розміри синхронного двигуна поступаються габаритами асинхронного, а ось К. п. Д. Синхронного двигуна виявляється більшим, в порівнянні з асинхронними. Синхронні двигуни мають меншою чутливістю до можливих коливань напруги мережі, ніж асинхронні. Максимальний момент синхронного двигуна є пропорційним наявного напрузі мережі, а критичний момент асинхронного двигуна тим самим пропорційний напрузі в квадраті. Синхронні двигуни мають високу перевантажувальну здатність. Так само, перевантажувальну здатність синхронного двигуна можна збільшити, якщо підвищити струм збудження - наприклад, якщо різко короткочасно підвищити навантаження на валу двигуна. Швидкість, з якою обертається синхронний двигун, не змінюється, якщо навантаження на валу не перевищує перевантажувальної здатності. Слабким місцем більшості електроприводів з синхронними двигунів, Значно ускладнює експлуатацію та підвищує витрати, багато років був електромашинний збудник. В даний час широке поширення для збудження синхронних двигунів знаходять тиристорні збудники. Вони поставляються в комплектному вигляді.
20.11.2025р.
Тема програми № 8. Електричні машини змінного струму
Тема уроку № 58. Асинхронний розчіплювач фаз.
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002.
Опрацювати матеріал:
1. Призначення розщеплювача фаз.
2. Будова розщеплювача фаз.
3. Пуск фазорозщеплювача.
Д.З. Оформити конспект. Дати
відповіді на питання:
1. Яке призначення та де застосовується асинхронний розщеплювач фаз НБ-455А?
2. Опишіть будову асинхронний розщеплювач фаз НБ-455А.
3. Звідки живиться розщеплювач фаз?
4. Чим відрізняються обмотки розщеплювача фаз?
5. Чим відрізняються підшипники ротора РФ від звичайного асинхронного двигуна?
6. Замалюйте схему пуску фазорозщеплювача НБ-455А.
7. Коли і як можна підключати навантаження до фазорозщеплювача?
Допоміжні електричні машини змінного струму
Розщеплювач фаз (РФ) призначений для живлення напругою 380В 3-х фазних споживачів електричної енергії від однофазного електричного джерела - головного тягового трансформатора.
РФ по конструкції схожий до асинхронного двигуна, але замість трьох однакових обмоток розташованих під кутом 120° має одну моторну обмотку поділену навпіл і по середині під кутом 90° електричних градусів припаяна генераторна обмотка (рис. 1). Живлення моторної обмотки РФ відбувається від спеціальної вторинної обмотки головного тягового трансформатора. Кількість витків обмоток РФ підбирається таким чином, щоб на кінцях обмоток РФ було 399 В без навантаження
Рис. 1. Включення асинхронного двигуна
до однофазного джерела через розщеплювач фаз.
На електровозах змінного струму ВЛ60 та ВЛ80 для перетворення однофазної напруги обмотки власних потреб тягового трансформатора в трифазну систему напруги 380 В використовується асинхронний розщеплювач фаз НБ-455А (рис. 2).
Рис. 2 Фазорозщеплювач НБ-455А:
1 - підшипниковий щит; 2 - задня кришка підшипника; 3 - підшипник; 4 - передня кришка підшипника; 5 - вал; 6 - шпонка; 7- болт; 8 - воронка; 9 - направляючий циліндр; 10 - провід; 11 - бандажне кільце; 12 - котушка статора; 13 - натискна шайба; 14 - станина; 15 - статор; 16 - рим-болт; 17 - канавка для змащування; 18 - кільце; 19 - ротор, 20 - штуцер; 21 - коробка виводів.
Потужність трифазного навантаження в системі розщеплювача фаз з ємністю 2700 мкФ — 270 кВА, частота струму — 50 Гц, номінальна частота обертання ротора — 430 об/хв, вага — 690 кг. Нормальна робота фазорозщеплювача забезпечується при коливанні напруги живильної мережі в діапазоні 280...460 В.
Фазорозщеплювач являє собою асинхронну електричну машину з короткозамкненим ротором (19) із самовентиляцією (рис. 2). Станина (14) розщеплювана фаз чавунна, лита. Підшипникові щити (1) сталеві, зварені. Пакет статора (15) набраний з окремих ізольованих листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм. Пази статора напіввідчинені. Обмотку (12) виконано з прямокутного мідного проводу ПСД. Для підвищення вібростійкості лобові частини котушок прикріплені до ізольованих бандажних кілець (11), що закріплені на станині (14). Ротор (19) короткозамкнутий, залитий алюмінієм. Номінальний зазор між статором і ротором 1 мм. Ротор відбалансований динамічно. На валу (5) встановлені кулькові підшипники (3) — № 76317. Припустиме нагрівання підшипників не більш +80 °С. Для запобігання протікання підшипникових струмів підшипники (3) ізольовані від станини втулкою з формувального міканіту. Конструкція підшипникових вузлів дозволяє додавати
Рис. 3 Схема пуску фазорозщеплювача НБ-455А
змащення без їхнього розбирання. На статорі розташовані дві обмотки — рушійна (С1 — С2) і генераторна (СЗ — С4). Рушійна обмотка підключається до обмотки власних потреб тягового трансформатора. Напруги рушійної і генераторної обмоток створюють трифазну систему напруги на виводах С1, С2, СЗ, від яких живляться допоміжні трифазні асинхронні двигуни.
В електровозів ВЛ60 та ВЛ80К на вільний кінець вала встановлено реле контролю обертів, а у ВЛ80Т та ВЛ80С для управління пуском фазорозщеплювача використовується панель пуску.
Пуск фазорозщеплювача проводиться без навантаження. Асинхронний пуск здійснюється за допомогою пускового резистора, що включається в генераторну фазу.
Рис. 4 Автоматичний розщеплювач фаз РФ-1Д електропоїздів змінного струму: 1 - статор; 2 - станина; 3 - короткозамкнений ротор; 4 - підшипниковий щит; 5 - кришка; 6 - вал
При непрацюючому фазорозщеплювачі пускова схема зібрана і контактор К1 замкнутий (рис. 3). При подачі напруги на рушійну обмотку ротор фазорозщеплювача починає обертатися. По досягненні частоти обертання 1350 об/хв спрацьовує реле оборотів, відключаючи котушку контактора пуску 119 і розмикаючи його контакти. При цьому фазорозщеплювач працює як однофазний асинхронний двигун на холостому ходу. Після розгону ротора фазорозщеплювача можна підключити навантаження. При знятті напруги і зниженні частоти обертання нижче 1100 об/хв автоматично підключається пускова схема. Для зменшення пускових струмів і забезпечення необхідних пускових характеристик підключення навантаження повинне проводитись послідовно. Одночасне включення всіх допоміжних машин, які живляться через фазорозщеплювач, не допускається.
Допоміжні електричні машини електропоїздів змінного струму також живляться трифазним струмом. Для перетворення однофазної напруги в трифазну, напругою -220 В, для живлення мотор-компресора та мотор-насосу під моторними вагонами електропоїздів змінного струму встановлені автоматичні розщеплювані фаз РФ-1Д. Розщеплювач представляє собою асинхронну машину, підключену до обмотки власних потреб тягового трансформатора, яка працює за описаним вище принципом (рис 4). Потужність електричної машини — 18 кВт, частота обертання ротора — 1470 об/хв, вага — 310 кг.
19.11.2025р.
Тема
програми № 8. Електричні машини змінного
струму
Тема
уроку № 57. Пуск в хід трифазних
електродвигунів.
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002.
Опрацювати
матеріал:
1. Способи пуску в хід асинхронних двигунів.
2. Пуск асинхронного двигуна з під'єднанням "зірка", "трикутник".
Д.З. Оформити конспект. Дати відповідь на питання:
1. Які є види пуску асинхронного двигуна?
2. Яким чином створюють прямий пуск
асинхроного двигуна ?
3. Яким чином створюють реостатний пуск
асинхроного двигуна?
4. Як зменшити пусковий струм асинхронного
двигуна?
5. Як регулюються багатошвидкісні двигуни?
Пуск в хід асинхронного двигуна
Для пуску в хід двигуна необхідно, щоб
створюваний ним пусковий момент перевищуючи момент навантаження на валу.
Залежно від потужності джерел живлення і умов пуску використовують різні
способи пуску, які мають на меті: зменшення пускового струму і збільшення
пускового моменту.
Розрізняють такі способи пуску в хід
асинхронних двигунів: пряме включення в ланцюг, пуск при зниженій напрузі,
реостатний пуск, використання двигунів з поліпшеними пусковими властивостями.
Пряме включення в мережу Це найпростіший і найдешевший спосіб пуску. Пряме
включення в мережу допускається, якщо потужність двигуна не перевищує 5% від
потужності трансформатора. Обмеження по потужності пояснюється кидками струму в
момент пуску, що призводить до зниження напруги на затисках вторинних обмоток
трансформатора. Якщо від трансформатора не живиться освітлювальна мережа, то
пряме включення в мережу можна застосовувати для двигунів, потужність яких не
перевищує 25% від потужності трансформатора.
Пуск при зниженій напрузі Цей спосіб
застосовують при пуску в хід потужних двигунів, для яких неприпустимо пряме
включення в мережу. Для зниження підводиться до обмотки статора напруги
використовують дроселі і знижують автотрансформатори. Після пуску в хід на
обмотку статора подається напруга мережі .. Зниження напруги виробляють з метою
зменшення пускового струму, але одночасно. Якщо, згідно з паспортними даними,
двигун повинен включатися в мережу за схемою трикутник, то для зниження
пускового струму на час пуску в хід обмотку статора включають за схемою зірка.
Основні недоліки цього способу пуску: висока вартість пускової апаратури і
неможливість пуску з навантаженням на валу.
Реостатний пуск асинхронних двигунів.
Цей спосіб застосовують при важких умови пуску, тобто при великому навантаженні
на валу. Для реостатного пуску використовують асинхронні двигуни з фазним
ротором, в ланцюг ротора включається пусковий реостат. Реостатний пуск служить
для збільшення пускового моменту. Використання двигунів з поліпшеними пусковими
властивостями Вони мають короткозамкненим обмотку ротора спеціальною
конструкцією.
Розрізняють двигуни з обмоткою ротора у
вигляді подвійної «білячій клітини» і з глибоким пазом У двигуна з подвійною
«білячою кліткою» на роторі закладається дві короткозамкнені обмотки. Обмотка 1
виконує роль пускової, а обмотка 2 є робочою. Для отримання підвищеного
пускового моменту пускова обмотка повинна мати більший активним опором, ніж
робоча обмотка. Тому обмотка 1 виконується з матеріалу з підвищеним питомим
опором (латунь), ніж обмотка 2 (мідь). Перетин провідників, що утворюють
пускову обмотку, менше, ніж у робочої обмотки. За рахунок цього підвищується
активний опір пускової обмотки. В цілому ці двигуни мають жорсткі механічні
характеристики, підвищений пусковий момент і меншу кратність пускового струму,
ніж двигуни з короткозамкненим ротором звичайної конструкцією. Обмотка статора
асинхронного електродвигуна являє собою трифазну (в загальному випадку -
багатофазну) обмотку, провідники якої рівномірно розподілені по окружності
статора і покладені в пазах з кутовим відстанню 120 ° по фазно. Фази обмотки
статора з'єднують за стандартними схемами «трикутник» або «зірка» і підключають
до мережі трифазного струму.
Існує два способи пуску асинхронного
електродвигуна (схема підключення електродвигуна):
1) Прямий пуск (на обмотки статора
подається повне напруга мережі)
2) Пуск при зниженій напрузі (на
обмотки статора подається напруга менше повного напруги). При підключенні
обмоток статора з'єднаних в "зірку" джерела з лінійною напругою 380 В
фазна напруга буде в 
менше,
тобто дорівнює 220 В .. Знаючи опір обмотки статора і прикладена напруга
неважко розрахувати за законом Ома:
При
з'єднанні "зіркою":
Якщо ж обмотки статора з'єднані
"трикутником" та підключені до лінійному напрузі 380 В, то фазна
напруга буде 380 В, отже:
В результаті пуск асинхронного двигуна з
під'єднанням "зірка" з переходом на схему "трикутник"
дозволяє зменшити пусковий струм в 3 рази в порівнянні з пусковим струмом при
прямому пуску. Пуск асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором за схемою
зірка-трикутник знаходить особливо широке поширення в тих випадках, коли
навантаження на валу двигуна змінюється після розгону. Але тут необхідно
пам'ятати, що схема пуску двигуна з перемиканням "зірка-трикутник"
має і свій недолік: зменшення пускового моменту приблизно на 30 відсотків.
Запуск асинхронного електродвигуна є
самим «важким» режимом роботи.
У цей момент всі частини двигуна
витримують перевантаження, які негативно позначаються на терміні служби
двигуна. Щоб зменшити вплив режимів пуску використовують різні підходи.
Найпростіший спосіб полягає в перемиканні обмоток двигуна зі «зірки» в «трикутник».
Номінальна напруга двигуна за схемою «зірка» і за схемою «трикутник»
відрізняються один від одного в 1.73 рази. За досягнення часткового розгону
обмотки двигуна перемикається за схемою «трикутник». За допомогою зовнішніх
резисторів або пускових трансформаторів також можна забезпечити плавний пуск і
розгін електродвигуна, поступово (східчасто) підвищуючи напругу на двигуні.
Використання багатошвидкісних двигунів з перемиканням числа полюсів також
дозволяє забезпечити плавний пуск електродвигуна. Найбільш прогресивний і
щадний метод плавного пуску електродвигуна заснований на електронному зміні
напруги, що подається на обмотки двигуна.
Обмеження пускового струму відповідно
скорочує інтенсивність і нерівномірність нагріву обмоток двигуна. Існує кілька
способів управління частотою обертання шляхом маніпуляцій з частотою, напругою
і формою струму. Самий поширений спосіб для регулювання швидкості обертання
ротора є зміна наступних параметрів:
- Напруги, що
подається на статор,
- Допоміжного
опору ланцюга ротора,
- Числа пар
полюсів,
- Частоти робочого
струму.
Останні два способи дозволяють
змінювати швидкість обертання без значного зниження ККД і втрати потужності,
інші способи регулювання сприяють зниженню ККД пропорційно величині ковзання.
Але і у тих і інших є свої переваги і недоліки. Оскільки найчастіше на
виробництві застосовуються асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором, то
всі подальші обговорення будуть стосуватися саме цього типу електродвигунів.
Для частотного регулювання застосовують в основному напівпровідникові
перетворювачі. Їх принцип дії заснований на особливості роботи асинхронного
двигуна, де частота обертання магнітного поля статора залежить від частоти
напруги мережі живлення. Швидкість обертання поля статора визначається за такою
формулою: n1 = 60f / p, де n1 - частота обертання поля (об/хв), f-частота
мережі живлення (Гц), p-число пар полюсів статора, 60 - коефіцієнт перерахунку
мірності. Для ефективної роботи асинхронного електродвигуна без втрат потрібно
разом з частотою змінювати і подається напруга. Напруга має змінюватися в
залежності від моменту навантаження. Якщо навантаження постійна, то напруга
змінюється пропорційно частоті. У складі силового трифазного імпульсного
інвертора є шість транзисторних перемикачів. Через ці автоматичні ключі
постійна напруга подається на обмотки статора так, що в потрібний момент на
відповідні обмотки надходить то прямий, то зворотний струм із зсувом фаз 120 °.
Таким чином, постійна напруга трансформується в змінне трифазне напругу
потрібної амплітуди і частоти. Необхідні параметри задаються через модуль
управління. Автоматичне регулювання роботи ключів здійснюється за принципом
широтно-імпульсної модуляції. В якості силових перемикачів використовуються
потужні IGBT-транзистори. Вони, в порівнянні з тиристорами, мають високу
частоту перемикання і видають майже синусоїдальний струм з мінімальними
спотвореннями. Не дивлячись на практичність таких пристроїв, їх вартість для
двигунів середньої і високої потужності залишається дуже високою. Регулювання швидкості
обертання асинхронного двигуна методом зміни числа пар полюсів також
відноситься до найбільш поширених методів управління електродвигунів з
короткозамкненим ротором. Такі мотори називаються багатошвидкісними. Є два
способи здійснення цього методу: 1укладиваніе відразу декількох обмоток з
різними числами пар полюсів в загальні пази статора, 2 застосування спеціальної
намотування з можливістю перемикання існуючих обмоток під потрібне число пар
полюсів. У першому випадку щоб укласти в пази додаткові обмотки потрібно
зменшити переріз проводу, а це призводить до зменшення номінальної потужності
електродвигуна. У другому випадку має місце ускладнення комутаційної апаратури,
особливо для трьох і більше швидкостей, а також погіршуються енергетичні
характеристики. Багатошвидкісними електродвигунами оснащуються різні верстати,
вантажні та пасажирські ліфти, вони використовуються для приводів вентиляторів,
насосів і т.д.
19.11.2025р.
Тема
програми № 8. Електричні машини змінного
струму
Тема
уроку № 56. Магнітне поле асинхронного
двигуна
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор. 206-209.
https://youtu.be/ThWkJNHnsQU?si=oq3QZu5uavuDgWJW
Д.З. Дати відповідь на питання:
1. Що таке магнітне поле?
2. Яким чином створюється магнітне поле?
3. На який кут зсунуті котушки трифазного
двигуна?
4. З чого складаються магнітопроводи
статора і ротора?
5. Чому двигун називається асинхронним?
Магнітне поле асинхронного двигуна — це
обертове магнітне поле статора, яке створюється змінним струмом, що проходить
через обмотки статора.
Це поле індукує струми в роторі, які,
взаємодіючи з магнітним полем статора, створюють крутний момент, що обертає
ротор. Швидкість обертання ротора завжди менша за швидкість обертання поля
статора, що називається «ковзанням». Як створюється обертове магнітне
поле Змінний струм: Коли на обмотки статора подається змінна напруга, в
них виникає змінне магнітне поле.
Зсув фаз: Зазвичай використовують
трифазний змінний струм, де струми в обмотках зміщені по фазі на (120)
градусів.
Обертання поля: Через цей зсув фаз
магнітні поля в окремих обмотках наростають і спадають не одночасно. У
результаті створюється єдине сумарне магнітне поле, яке обертається зі сталою
швидкістю, що називається синхронною.
Електромагнітна індукція: Обертове
магнітне поле статора перетинає обмотки ротора (особливо короткозамкнені в
асинхронному двигуні), індукуючи в них електрорушійну силу (ЕРС) і струми.
Крутний момент: Взаємодія між магнітним
полем статора та струмами, що індукуються в роторі, створює електромагнітний
крутний момент, який змушує ротор обертатися.
Ковзання: Ротор завжди намагається
наздогнати поле статора, але ніколи не досягає його швидкості. Ця різниця
швидкостей називається ковзанням, і без нього не виникав би крутний момент,
необхідний для обертання ротора.
Двигун називають асинхронним, тому що
швидкість обертання його ротора не збігається (є "неодночасною") зі
швидкістю обертання магнітного поля статора. Це означає, що ротор завжди
обертається трохи повільніше, ніж поле статора, і ця різниця швидкостей, або «ковзання»,
є необхідною для створення крутного моменту. «Асинхронний»: означає
"неодночасний" або "не збігається у часі". Магнітне поле статора: створюється змінним
струмом і обертається з певною швидкістю. Ротор: під дією цього магнітного поля
також починає обертатися. Однак, щоб в роторі індукувався струм, який
взаємодіятиме з полем статора, його швидкість має бути меншою за швидкість
поля. Якщо б ротор обертався синхронно (однаково) з полем, то різниця
потенціалів та струм у роторі зникли б, і крутний момент припинився б.
Магнітопроводи статора і ротора
складаються з пакетів тонких пластин із електротехнічної сталі, покритих
ізоляційним шаром. Це дозволяє зменшити втрати енергії, що виникають через
вихрові струми, адже ізоляція обмежує їхнє протікання в межах кожного окремого
шару.
Сердечник статора виготовляється з
пакетів ізольованих сталевих пластин, які укладаються у пази, де розміщуються
обмотки статора.
Сердечник ротора також складається з
тонких ламінованих сталевих пластин, які формують цілісну циліндричну
структуру. В обмотках ротора можуть бути розміщені короткозамкнені обмотки,
обмотки збудження або постійні магніти.
Обидва магнітопроводи служать для
спрямування магнітного потоку, що збільшує ефективність роботи двигуна або
генератора.
Ізоляція між пластинами є критично
важливою. Вона перешкоджає протіканню великих вихрових струмів, які б
призводили до значного нагрівання та втрат потужності. Це значно підвищує ККД
пристрою.
14.11.2025р.
Тема програми № 8. Електричні машини змінного струму
Тема уроку № 55. Принцип дії і будова асинхронного двигуна змінного струму Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 202-206.
Опрацювати матеріал:
https://youtu.be/6g1MfD1Cfuw?si=B-QTigOfBAF-nCy0
Електродвигун. Як це працює, або абсолютно правдива історія
Д.З. Оформити зошит. Відповісти на питання:
1. Що називають асинхронним двигуном?
2. Де застосовуються асинхронні двигуни?
3. Який принцип дії асинхронного двигуна?
4. Опишіть будову асинхронного двигуна.
5. Що являється характеристикою асинхронного режиму?
6. Чим відрізняється асинхронні двигуни з короткозамкненим і фазним ротором?
7. Як з’єднуються обмотки двигуна?
Загальні відомості про електричні машини змінного струму
Електричними машинами змінного струму називаються машини, у яких застосовується змінний струм. За допомогою системи змінних струмів, що протікають в обмотках, в електричних машинах змінного струму створюється магнітне поле, що обертається.
За принципом дії електричні машини змінного струму поділяються на такі: асинхронні машини, в яких швидкість обертання ротора відрізняється від швидкості обертання магнітного поля;
синхронні машини, в яких швидкість обертання ротора однакова зі швидкістю обертання магнітного поля.
За призначенням електричні машини змінного струму — це: електричні генератори; електричні двигуни.
На практиці широко застосовуються як синхронні генератори, так і синхронні двигуни, в той час як асинхронні машини використовують в основному як асинхронні двигуни.
Застосування асинхронних двигунів. Асинхронний двигун має такі позитивні якості, як нескладна технологія виготовлення, простота в експлуатації, висока надійність і здатність до перевантаження, відсутність іскріння. Завдяки цим якостям асинхронний двигун знайшов широке застосування у промисловості для приводу станків і механізмів, а також у сільськогосподарських машинах різного призначення.
Однак керування частотою обертання асинхронного двигуна у широкому діапазоні значно складніше, ніж, наприклад, у двигуні постійного струму. Це обмежує застосування асинхронного двигуна у тих випадках, Коли необхідно змінювати частоту обертання в широких межах за заданим законом, наприклад, у різних пристроях автоматики.
Проте слід зазначити, що останнім часом, у зв’язку з бурхливим розвитком силової електроніки, з появою потужних напівпровідникових транзисторів і тиристорів, параметри яких постійно поліпшуються, розширюється застосування асинхронних двигунів з частотним керуванням швидкості обертання.
Асинхронні двигуни поступово витісняють двигуни постійного струму, особливо у тих випадках, де іскріння недопустиме, наприклад у нафтовій, газовій, хімічній промисловості.
Будова і принцип дії асинхронних двигунів
Асинхронний двигун складається з двох основних частин: нерухомого статора і рухомого ротора, які розділені повітряним зазором.
За конструкцією ротора двигуни поділяються на два основні типи: з короткозамкненим та фазним ротором. Обидва типи мають однакову конструкцію статора.
Конструкцію асинхронного двигуна з короткозамкнененим ротором наведено на рис. 1. У корпусі І , виконаному у вигляді сталевої вальцьованої труби або алюмінієвої відливки із зовнішніми ребрами, встановлено магніторовід статора 2, який набирається з листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 — 0,35 мм, ізольованих один від одного лаком. У пази магнітопроводу (рис. 2, а), виконані під час штампування листів, вкладається обмотка статора З, що утворюється з трьох фазних обмоток: C1 — С4 (фаза А), С2 — С5 (фаза В), С3 — С6 (фаза С). Початки C1 С2, С3 і кінці С4,С5, С6 фазних обмоток виведені в клемну коробку 4, закріплену на корпусі. Фазні обмотки статора з’єднуються зіркою або трикутником (рис. 2).
Рис.1. Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором
Рис. 2. Принципова схема асинхронного двигуна з
короткозамкненим ротором-(а); з’єднання зіркою або
трикутником обмотки статора-(б).
Ротор (рис. 1) має магнітопровід 5, набраний з листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 — 0,35 мм з виштампованими в них пазами, в яких розміщено стержні б короткозамкненої обмотки ротора. Стержні на кінцях жорстко з’єднані між собою торцевими кільцями 7. Як правило, обмотка ротора виконується з алюмінію, його заливають у розплавленому стані в пази осердя з одночасною відливкою торцевих кілець з вентиляційними лопатками 8. Магнітопровід ротора з обмоткою кріпиться на валу 9 і встановлюється в підшипниках 10 і 11, розміщених в підшипникових щитах 12 і 13. Для охолодження двигуна використовується вентилятор 14, закритий кожухом 15. Виготовлення обмотки ротора методом заливки дає змогу виконати стержні ротора практично будь-якої потрібної форми для асинхронних двигунів потужністю до кількох сотень кіловат (рис. 3).
Асинхронний двигун з фазним ротором відрізняється від асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором тільки конструкцією самого ротора. Фазний ротор має трифазну обмотку, що виконується аналогічно обмотці, статора з тією самою кількістю полюсів. Обмотку ротора з’єднують за схемою зірки, три кінці якої виводять на три контактних кільця, жорстко закріплених на валу ротора (рис. 4). За допомогою металографітових щіток, які ковзають по контактним кільцям, до ротора приєднується пусковий або пускорегулювальний реостат Rn, тобто в кожну обмотку ротора вмикається додатковий фазний опір.
Трифазні двигуни малої і середньої потужності виготовляють на дві номінальні напруги: 220/127, 380/220, 600/380 В, відношення між якими становить 
. При лінійних напругах, зазначених в чисельниках, фазні обмотки статора з’єднують зіркою, а якщо ці напруги відповідають знаменнику, — трикутником. В обох випадках напруга на фазній обмотці і струми в ній будуть однаковими.
Рис. 3. Короткозамкнений ротор-(а); форма пазів ротора-(б).
Рис. 4. Ротор з фазною обмоткою ротора-(а);
зміна опору фазної обмотки робота за допомогою
регулювального реостата-(б).
Принцип дії асинхронного двигуна ґрунтується на утворенні обертового магнітного поля струмами (як правило, трифазними), зсунутими у часі один відносно одного, що проходять в обмотках статора (рис. 2, а), зміщених одна відносно одної у просторі. Обертаючись у просторі, основне магнітне поле наводить ЕРС у провідниках обмотки статора і ротора. ЕРС, наведена в обмотках статора, спрямована таким чином, що компенсує прикладену напругу мережі і обмежує струм. Під дією ЕРС, наведеної в обмотках ротора, у провідниках цієї обмотки проходить струм. Провідники ротора зі струмом знаходяться в обертовому основному магнітному полі і на них діє сила Ампера. Сумарний момент сил F Ампера всіх провідників приводить ротор у рух, долаючи момент навантаження. В асинхронних двигунах ротор обертається з меншою швидкістю, ніж основне магнітне поле.
Асинхронність руху ротора і поля є принциповою ознакою, притаманною асинхронним двигунам. Довести це можна від супротивного. Припустимо, що ротор обертається синхронно, тобто має однакову швидкість з магнітним полем. Тоді магнітне поле відносно ротора нерухоме, і тому в провідниках ротора не наводиться електрорушійних сил. Струми у провідниках ротора не проходять, оскільки причина їх виникнення — електрорушійна сила. Електромагнітний момент, зумовлений силами Ампера, також дорівнює нулю. Під дією сил тертя і моменту навантаження ротор гальмується, виходить від синхронізму і відстає від магнітного поля. Отже, якщо навіть припустити, що ротор знаходиться у стані синхронізму, то виявляється, що цей стан нестійкий і ротор обов’язково переходить у стійкий стан асинхронізму. Характеристикою асинхронного режиму є ковзання. Ковзанням називають відносну різницю між кутовою швидкістю магнітного поля Ω1 та кутовою швидкістю ротора Ω2 і позначають літерою s:
Якщо обертальний рух ротора і магнітного поля визначається частотою обертання ротора п2 і поля п1, то ковзання « визначають за формулою
Як випливає з двох останніх формул, ковзання — це відносна величина, яку виражають або у частках одиниці, або у відсотках.
13.11.2025р.
Тема програми № 7. Трансформатори, магнітні підсилювачі та дроселі
Тема уроку № 53. Принцип дії, будова і призначення магнітних підсилювачів.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002.
Опрацювати матеріал:
Д.З. Опрацювати матеріал. Відповісти на питання:
1. Що називають магнітним підсилювачем?
2. Який принцип дії магнітного підсилювача.
3. Де застосовуються магнітні підсилювачі?
4. Двохобмоточні трансформатори застосовують…
5. Яке призначення трансформатору ТРПШ-2?
6. Опишіть будову ТРПШ-2?
7. Опишіть призначення та будову трансформатору струму ТПОФ-25?
Магнітним підсилювачем називають електромагнітний апарат, який слугує для плавного регулювання змінного струму, який потрапляє до навантаження, шляхом зміни індуктивного опору Xl котушки з феромагнітним осердям, ввімкненим послідовно з навантаженням.
Принцип дії магнітного підсилювача базується на зміні індуктивності котушки з феромагнітним осердям під час підмагнічування її постійним струмом. За допомогою такого пристрою можливо регулювання великих струмів шляхом відносно малих сигналів.
Магнітні підсилювачі широкого застосування набули на тепловозах для автоматичного регулювання збудження головного генератору а на е.р.с. для регулювання напруги джерела службового струму під час заряджання акумуляторних батарей, в стабілізаторах напруги та інше.
На електрорухомому складі використовується велика кількість допоміжних трансформаторів та дроселів різного призначення. Розподільні трансформатори з декількома обмотками живлять електронні пристрої, схеми автоматики та захисту, датчики струму та іншу апаратуру.
Двохобмоточні трансформатори встановлені в електричних колах реле заземлення, живлення пристроїв, обігрівання компресорів, електричних апаратів та пневматичного обладнання, живлення радіостанції та ін. Всі вони не значно відрізняються конструктивно від більшості трансформаторів.
Для живлення кіл управління електровозів змінного струму застосовується випрямно-стабілізуючий пристрій, що складається із трансформатора, випрямляча і регулятора напруги.
Трансформатор ТРПШ-2 цього пристрою має номінальну потужність 9,2 кВА; номінальний струм первинної обмотки дорівнює 20 А, вторинної — 80 А і обмотки підмагнічування 6,5 А.
Рис. 1 Трансформатор трансформатора ТРПШ-2 - а), схема розташування обмоток - б) та принципова схема - в): 1,3- магнітопроводи підмагнічування; 2 - основний магнітопровід; 4 - шпилька; 5 - обмотка підмагнічування; 6 – первинна обмотка; 7 - вторинна обмотка
Окрім первинної і вторинної обмоток, він має обмотку підмагнічування, за допомогою якої здійснюється стабілізація випрямленої напруги 50 В. Магнітна система ТРПШ складається із трьох магнітопроводів, набраних з листів електротехнічної сталі. Основний, середній магнітопровід (2) (рис. 1) має площу перетину у два рази більшу, ніж два крайніх (1, 3). Первинна обмотка Н1-К1 6 складається із двох котушок, кожна з яких охоплює всі три магнітопроводи. Вторинна обмотка Н2-К2 7 також має дві котушки; вони з’єднані паралельно й охоплюють тільки середній магнітопровід. Кожна котушка посаджена на свій стрижень. Обмотка підмагнічування НЗ-КЗ (5) складається із чотирьох послідовно з’єднаних котушок, які посаджені на стрижні магнітопроводів підмагнічування. Для того щоб виключити появи в обмотці підмагнічування змінної напруги, котушки її включені таким чином, що постійні магнітні потоки в магнітопроводах складаються і наводять у котушках е.р.с., спрямовані зустрічно, тобто взаємно компенсуються.
Первинна напруга коливається в широких межах (від -280 до -460 В) відповідно до коливань напруги в контактній мережі і змін спадання напруги в обмотці тягового трансформатора електровоза.
Стабілізація вторинної напруги здійснюється регулюванням струму в обмотці підмагнічування. При зниженні первинної напруги регулятор напруги забезпечує збільшення струму в обмотці НЗ-КЗ, що приводить до збільшення насичення крайніх магнітопроводів. У результаті збільшується магнітний потік в основному, середньому магнітопроводі і, відповідно, напруга у вторинній обмотці Н2-К2. У випадку збільшення напруги регулятор напруги зменшує струм в обмотці підмагнічування, і напруга в обмотці Н2-К2 знижується. Трансформатор Тр-135 призначений для забезпечення роботи системи, що встановлює необхідну величину кута відкривання тиристорів випрямно-інверсного перетворювача (ВІП) електровозів 2ЕЛ5, 2ЭС5К залежно від форми напруги контактної мережі.
Номінальна потужність трансформатора — 100 ВА. Номінальна напруга первинної обмотки — 1250 В, вторинних обмоток — 220 В, номінальний струм вторинних обмоток — 1,0 А. Маса — 3,9 кг. Трансформатор, (рис. 2) має магнітопровід броньового типу, набраний з ізольованих пластин електротехнічної сталі 3413 товщиною 0,5 мм із розмірами стрижня 35x35 мм. Котушка трансформатора каркасна, із квадратним вікном, має три обмотки — первинну (Н1-К1) і дві вторинних (Н2-К2, НЗ-КЗ). Первинна обмотка намотана проводом ПЭТ-200 діаметром 0,315 мм і має 3 800 витків. Вторинні обмотки намотані тим самим проводом і мають по 665 витків. Котушка трансформатора просочена в епоксидному компаунді.
Рис. 2. Трансформатор ТР-135
Трансформатор струму ТПОФ-25 у комплекті з вимикачем ВОВ-25А-10/400 УХЛ1 призначений для автоматичного відключення електричного живлення електровоза від контактної мережі при коротких замиканнях і перевантаженнях. Він розрахований на номінальний первинний струм 400 А. Номінальна напруга — 25 кВ. Номінальний струм вторинної обмотки — 25 А, маса — 48 кг.
Трансформатор струму складається з порожнього порцелянового ізолятора (6) (рис. 3). струмоведучого стрижня (2), фланців (4, 6), ізоляційних прокладок (5) і котушки (3) із сердечником. Котушка має 16 витків. Кінці котушки виведені на контактотримач, укріплений на фланці (2).
Для згладжування пульсацій випрямленого струму в електричних колах живлення тягових електродвигунів електровозів використовують котушки індуктивності з шихтованими сердечниками, які називаються згладжуючи реактори.
Рис. 3. Струмовий трансформатор ТПОФ-25: 1 - ізолятор, 2 - струмоведучий стрижень; 3 - котушка з сердечником; 4 - фланець верхній; 5 - ізоляційна прокладка; 6 - фланець нижній
13.11.2025р.
Тема програми № 7. Трансформатори, магнітні підсилювачі та дроселі
Тема уроку № 52. Будова дроселів і реакторів, принцип їх дії, види і застосування.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002.
Д.З. Опрацювати матеріал. Відповісти на питання:
1. Що називають реактором?
2. Які бувають реактори?
3. Який принцип роботи реакторів?
4. Що збільшує ефект згладжування?
5. Опишіть будову згладжуючого реактору?
6. Опишіть призначення і будову перехідного реактору?
7. Опишіть призначення і будову індуктивного шунта?
8. Опишіть призначення і будову дроселя?
Реактором називають статичний електромагнітний пристрій, призначений для використання його індуктивності в електричній мережі. На ЕРС змінного та постійного струму та на тепловозах широко застосовують реактори: згладжуючи – для згладжування пульсації випрямленого струму; перехідні – для перемикання виводів трансформатора; розподільні – для рівномірного розподілення струму навантаження між паралельно ввімкненими вентилями; струмообмежуючими – для обмеження струму короткого замикання; перешкодоподавлення – для подавлення радіоперешкод, виникаючих під час роботи електричних машин і апаратів; індуктивні шунти – для розподілення під час перехідних процесів струму між обмотками збудження тягових двигунів та включеним паралельно їм резисторам та інш.
Наявність сердечника збільшує ефект згладжування за рахунок остаточної магнітної індукції, яка підтримує дію цієї е.р.с. Реактори включають послідовно в кола живлення тягових електродвигунів. Ці пристрої мають шихтовані сердечники, мідні обмотки і примусову вентиляцію. Згладжуючи реактори РС20, РС-53 встановлені на електровозах серій ВЛ40, ВЛ60, ВЛ80, 2ЕЛ5, 2ЭС5К. Вони розраховані на номінальний струм 1700 А і мають індуктивність 6 мГн. Вага реактора — 800 кг.
Реактор складається з котушки (2) (рис. 1, а) з магнітопроводом (4), двох гетинаксових боковин (6), кожуха (1), що покращує охолодження реактора, стяжних шпильок (3) і установочних кутків (7).
Рис. 1. Згладжуючи реактори РС-53: 1 - кожух; 2 - обмотка; 3 - стяжна шпилька; 4 - магнітопровід; 5 - шайба; 6 - боковина гетинаксова; 7 - установочний кутик
Обмотка виконується із шини мідної ШММ 4x65, намотаної на ребро із зазором між витками 4 мм. Виткова ізоляція виконана з електроніта, установлюється на 1/3 висоти обмотки для покращення її охолодження. Обмотка разом з магнітопроводом спресовується в осьовому напрямку й піддається вакуумному просоченню лаком ПЭ-933Л з наступною випічкою. Магнітопровід радиально-шихтований з лакованих листів електротехнічної сталі 2212 товщиною 0,5 мм. Циліндрична поверхня та торці магнітопроводу покриті склопластом. Товщина основного шару склопласту 7 мм. Обмотка та магнітопровід з торців затискаються гетинаксовими боковинами і стягаються п’ятьма шпильками з дюралюмінієвого сплаву Д1Т.
Перехідний реактор призначений для обмеження струмів короткого замикання секцій тягового трансформатора при переходах з однієї позиції регулювання на іншу і розподілу напруги при роботі електровоза на перехідних позиціях головного контролера на електровозах серій ВЛ40, ВЛ60, ВЛ80 використовують перехідні реактори ПРА-48. Реактори розраховані на номінальний струм 1270 А, індуктивний опір 0,12 Ом, вагу 450 кг. Охолодження — природне, повітряне.
Перехідний реактор ПРА-48 (рис. 2) являє собою комплект двох реакторів, кожний з яких працює самостійно в одному із плечей вторинної обмотки трансформатора. Кожен окремий реактор складається із чотирьох спіральних котушок (1), намотаних із двох паралельних алюмінієвих шин перерізом 8x60 мм із зазором між шинами 7 мм. Кожна котушка у восьми місцях стягнута бандажами зі склострічки. Комплект із чотирьох котушок просочується лаком ПЭ-933Л. Для зменшення потоків розсіювання в торцевих частинах кожного реактора розташовані пакети екранування (4), шихтовані з електротехнічної сталі 2212 товщиною 0,5 мм. Обидва комплекти котушок установлюються на підставі (3) з гетинаксу товщиною 30 мм і в осьовому напрямку стягнуті вісьма шпильками (2) з дюралюмінієвого сплаву. Для запобігання влучення між витками сторонніх предметів над верхнім комплектом котушок укріплені листи (5) з азбоцементної дошки товщиною 12 мм.
Рис. 2. Перехідний реактор ПР-48: 1 - котушка реактора; 2 - шпилька; 3 - основа; 4 - пакет екранування; 5 - захисний азбоцементний лист
Транспортувати реактор можна тільки за допомогою спеціального пристрою, зачепленого за середину двох боковин верхнього пакета екранування, з охватом їх на довжині 150 мм.
Індуктивний шунт призначений для шунтування обмоток збудження тягового електродвигуна і розподілу струмів між електричним колом живлення двигуна та шунтувальними резисторами на електровозах змінного струму використовують індуктивні шунти, які включають паралельно обмоткам збудження ТЕД, послідовно з резисторами ослаблення поля.
Індуктивний шунт ИШ-95 встановлюється на електровозах змінного струму і розрахований на номінальний струм 520 А. Маса шунта — 110 кг.
Він складається з обмотки (2) (рис. 3) двох боковин (5) з гетинаксу товщиною 30 мм, стягнутих в осьовому напрямку трьома шпильками (4). Котушка шунта збирається на магнітопроводі (1), шихтованому радіально із пластин електротехнічної сталі 2212 товщиною 0,5 мм, ізольованих лаком. Магнітопровід ізольований склопластом. Обмотка котушки виконана з мідної стрічки МГМ 3x45 мм, намотаної на ребро із зазорами між витками 2 мм. Виткова ізоляція — електроліт товщиною 1 мм. Котушка з магнітопроводом просочується лаком ПЭ-933Л вакуумним способом з наступною випічкою.
Рис. 3. Індуктивний шунт ИШ-95: 1 - магнітопровід; 2 - обмотка; 3 - ізоляція магнітопровода (склопластик); 4 - шпилька; 5 - боковина; 6 - гак для транспортування; 7 - установочний кутик; 8 - шпилька; 9 - виткова ізоляція (електроніт)
Дроселі використовують на електровозах для згладжування пульсацій випрямленого струму у колах управління, при живленні електронних пристроїв системи автоматики, зарядки акумуляторних батарей та ін.
Дросель ДС-1 розрахований на напругу 150 В, номінальний струм — 90 А. Він має вагу 64 кг. Дросель складається з магнітопроводу (4) (рис. 4, а) і котушки (2). Магнітопровід дроселя броньового типу шихтується із пластин електротехнічної сталі 2212 товщиною 0,5 мм. У бічних магнітних стрижнях ярма встановлено зазор 5 мм. На центральному стрижні розташована котушка (2), яка закріплена клинами (3). Котушка дроселя складається із циліндричної двошарової обмотки та ізоляційного циліндра (7). Циліндр виготовлений зі склопласту. Обмотка має 90 витків, намотаних на ребро мідною
Рис. 4 Дроселі а) ДС-1, б) ДС-3:
струмоведуча шина; 2 - котушки; 3 - клини; 4 - магнітопровід; 5 - шпильки; 6 - основа; 7 - ізоляційний склопластиковий циліндр шиною розмірами 4,5x10,6 мм. Між шарами та по зовнішній поверхні обмотка ізольована скляною електроізоляційної стрічкою ЛЭС 0,2x35 мм. Котушка просочується лаком ПЭ-933Л. Дросель ДС-3 (рис. 5.4, б) також складається з магнітопроводу (4) та котушки (2). Він розрахований на номінальний струм 60 А, напругу — 150 В і має масу 13,3 кг. Магнітопровід шихтований з лакованих листів електротехнічної сталі Э22 товщиною 0,5 мм, скріплюється чотирма скобами товщиною 2 мм і чотирма шпильками М8. На шпильки намотується бекалітовий папір із промазкою лаком ЛВС. Котушка дроселя намотується із проводу ПСД 3,53x4,7 мм на широке ребро у два паралельних проведення. Міжшарова ізоляція виконана зі стрічки скляної електроізоляційної ЛЭС 0,1x20 мм. Котушка просочується в лаку КП-18 і покривається емаллю ГФ-92. Виводи котушки представляють куточок з мідного твердого дроту ПМТ 3x20 мм, який припаяний до витків обмотки. У внутрішню порожнину котушки вставляється сердечник, який розклинюється клинами.
Дроселі радіоперешкод використовують для зниження рівня радіоперешкод, які створюються при роботі електровоза під контактним проводом. Дроселі радіоперешкод встановлюють на даху електровоза. Дросель Д-51 встановлений на електровозах серій ВЛ40, ВЛ80 і складається з котушки (1) (рис. 5), намотаної з мідної шини розміром 3x20 мм, закріпленої за допомогою планок (2) на ізоляторі (5).
Рис. 5 Дроселі радіоперешкод : Д-51: 1 - котушка; 2 - планка кріплення; 3 - фланець; 4 - шпилька; 5 - ізолятор; 6 - захисний кожух; 7 - сталеві кутки кріплення
10.11.2025р.
Тема програми № 7. Трансформатори, магнітні підсилювачі та дроселі
Тема уроку № 51. Трансформатори з регульованою напругою. Автотрансформатори.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 198-199.
Д.З. Опрацювати матеріал. Відповісти на питання:
1. Які обмотки присутні в трифазному трансформаторі?
2. Як з’єднують обмотки трансформаторів?
3. Чим характеризуються трифазні трансформатори?
4. Що називають автотрансформатором?
5. Як регулювати напругу на вторинній обмотці автотрансформатора?
6. Що називають недоліком автотрансформаторів?
7. Чим характеризується зварювальний трансформатор?
8. Яке призначення вимірювальних трансформаторів?
Трифазні трансформатори. Трифазний трансформатор має тристержневий магнітопровід (рис.1), де розміщені первинні і вторинні обмотки фаз А, В, С. Потужні трифазні трансформатори мають систему охолодження (рис. 2). Первинні і вторинні обмотки фаз можуть з’єднуватися трикутником (А) і зіркою (Y) за такими схемами з’ єднання обмоток вищої (ВВ) і нижчої (НН) напруг: зірка - зірка (Y/Y), трикутник - трикутник (А/А), зірка - трикутник (Y/A), трикутник - зірка (A/Y). Трифазні трансформатори характеризуються групою з’єднань.
Група з'єднання — це число на годинниковому циферблаті, на яке вказує вектор лінійної напруги вторинної обмотки, якщо вектор лінійної напруги первинної обмотки сумістити з числом 12.
Рис.1.
Автотрансформатори
Автотрансформатор складається із замкненого магнітопроводу, на якому розміщена первинна обмотка. Вихідна напруга знімається тільки з частини витків обмотки, тобто вторинна обмотка — це частина первинної обмотки. Між обмотками існує не тільки магнітний, а й електричний зв’язок.
По витках, які є спільними для первинної і вторинної обмоток, йде струм / 12, який є різницею струму у первинній обмотці І г і струму споживача / 2, тобто / 12 = І х - 12- Якщо коефіцієнт трансформації невеликий (1...2), то струм І 12 набагато менший струмів І г та / 2 і витки, спільні для первинної і вторинної обмоток, можна виготовляти з проводу значно меншого діаметра, ніж решти витків, маючи при цьому значну економію матеріалу.
Якщо один з контактів вторинної обмотки зробити ковзним, то за допомогою такого автотрансформатора можна регулювати напругу споживача.
Недоліком автотрансформаторів є те, що вторинне коло в них має електричне з’єднання з первинним.
Зварювальні трансформатори
Вольт-амперна характеристика зварювальної електричної дуги має вигляд, наведений на рис. 3.
Рис. 3. Рис. 4.
Для підтримання стійкого горіння дуги треба, щоб трансформатор мав крутоспадну зовнішню характеристику, яка забезпечується значним індуктивним опором розсіювання вторинної обмотки. Це досягається за допомогою зазору в самому магнітопроводі трансформатора або увімкнення послідовно із вторинною обмоткою котушки індуктивності (дроселя) з регульованим зазором (рис. 4). Змінюючи зазор, можна регулювати спад зовнішньої характеристики, а отже, і струм зварювання.
Вимірювальні трансформатори
Вимірювальні прилади (амперметри, вольтметри, ватметри), які випускає промисловість, призначені переважно для вимірювання напруги до сотень вольт і струмів до одиниць ампер. В електроенергетиці і системах електрозабезпечення необхідно вимірювати напруги до сотень тисяч вольт і струми до десятків кілоампер. Для розширення діапазону вимірювання струмів і напруг призначені вимірювальні трансформатори струму і напруги.
Трансформатор напруги — це трансформатор невеликої потужності, до вторинної обмотки якого вмикається вольтметр з великим опором, і тому можна вважати, що трансформатор напруги працює в режимі холостого ходу.
Трансформатор струму має, у більшості випадків, тороїдальний магнітопровід, на якому розміщена вторинна обмотка. Первинною обмоткою служить шина зі струмом, яка проходить крізь отвір магнітопровода.
До вторинної обмотки трансформатора струму вмикається амперметр з невеликим опором, і тому можна вважати, що трансформатор струму працює в режимі короткого замикання.
10.11.2025р.
Тема програми № 7. Трансформатори, магнітні підсилювачі та дроселі
Тема уроку № 50. Режими та характеристики роботи трансформаторів.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 189-190.
Д.З. Опрацювати матеріал. Відповісти на питання:
1. Які режими роботи присутні в трансформаторі?
2. Як класифікують трансформатори.
3. Опишіть будову трансформатора.
4. Що називають режимом холостого ходу?
5. Яка напруга заборонена для роботи трансформатора?
6. Що називають режимом навантаження трансформатора?
7. Що наводить ЕРС трансформатора?
8. Чим можна підібрати вихідну напругу трансформатора?
9. За допомогою чого в транформатрі передається енергія від мережі до споживача?
Холостим ходом трансформатора називається такий режим роботи трансформатора, за якого до вторинної обмотки споживач не вмикається, коло вторинної обмотки розімкнене і тому струм у вторинній обмотці дорівнює нулю.
У режимі холостого ходу первинна обмотка трансформатора увімкнена до джерела електричної енергії (як правило, до електричної мережі промислової частоти), тому електричне коло первинної обмотки замкнене і витками обмотки проходить змінний струм холостого ходу.
Змінний струм у витках первинної обмотки створює магніторушійну силу, яка у свою чергу збуджує у магнітопроводі трансформатора змінний магнітний потік. Магнітний потік зв’язаний з магніторушійною силою обмотки законом Ома для магнітних кіл.
Змінний магнітний потік у магнітопроводі трансформатора зчеплений як з усіма витками первинної, так і з усіма витками вторинної обмотки і тому, згідно із законом електромагнітної індукції, наводить в обох обмотках змінні електрорушійні сили.
У первинній обмотці трансформатора напруга мережі, прикладена до обмотки, майже повністю компенсується наведеною магнітним полем електрорушійною силою. Таким чином, амплітуда сумарної електрорушійної сили, що діє у колі, становить кілька відсотків від прикладеної напруги.
Саме компенсацією прикладеної напруги пояснюється той факт, що трансформатор придатний для роботи тільки у колах змінного струму.
Трансформатор не можна вмикати під постійну напругу тому, що магнітне поле, створюване постійним струмом, не змінюється за часом і тому не наводить у первинній обмотці електрорушійної сили. У такому разі напруга мережі, не скомпенсована електрорушійною силою, прикладена до обмотки з малим опором, том^ струм в обмотці в десятки і сотні разів перевищує номінальний струм. Внаслідок цього в обмотці виділяється велика кількість теплоти. Температура обмотки протягом кількох секунд швидко підвищується і трансформатор виходить із ладу.
У вторинній обмотці, з витками якої зчеплений магнітний потік, наводиться електрорушійна сила, як і у первинній обмотці. Оскільки в режимі холостого ходу споживач до вторинної обмотки не приєднаний, то електричне коло обмотки залишається незамкненим і струм у вторинній обмотці дорівнює нулю.
Робота трансформатора в режимі навантаження
У режимі навантаження, на відміну від режиму холостого ходу, до вторинної обмотки трансформатора приєднується споживач електричної енергії. Таким чином, електричні кола первинної і вторинної обмоток ви-
являються замкненими і в обох обмотках проходять змінні струми. Змінні струми створюють магніторушійні сили первинної і вторинної обмоток трансформатора. Амплітуди магніторушійних сил первинної і вторинної обмоток майже однакові. Амплітуда магніторушійної сили первинної обмотки всього на кілька відсотків більша амплітуди магніторушійної сили вторинної обмотки.
Магніторушійна сила вторинної обмотки спрямована таким чином, що майже повністю компенсує магніторушійну силу первинної обмотки. Амплітуда сумарної магніторушійної сили, що діє у магнітопроводі, становить кілька відсотків від магніторушійної сили однієї з обмоток. Магнітний потік у магнітопроводі збуджується під дією сумарної магніторушійної сили, тому амплітуда магнітного потоку майже не залежить від струмів у первинній і вторинній обмотках і приблизно дорівнює амплітуді магнітного потоку в режимі холостого ходу.
Незалежність амплітуди магнітного потоку в магнітопроводі трансформатора від струму в навантаженні є важливою характеристикою трансформатора і пояснює багато особливостей його роботи.
Змінний магнітний потік у магнітопроводі трансформатора, як і в режимі холостого ходу, зчеплений з усіма витками первинної і вторинної обмоток, наводить у них електрорушійні сили.
Електрорушійна сила, наведена змінним магнітним потоком у первинній обмотці, майже повністю компенсує, як і в режимі холостого ходу, прикладену до обмотки напругу мережі. Тим самим досягається обмеження амплітуди струму первинної обмотки до значень, які не перевищують номінальних. Отже, первинна обмотка відносно електричної мережі виступає як споживач електричної енергії.
Змінний магнітний потік наводить також електрорушійну силу й у вторинній обмотці. Амплітуда наведеної електрорушійної сили прямо пропорційна кількості витків вторинної обмотки. Відношення амплітуди ЕРС первинної обмотки Elmv до амплутуди ЕРС Е2т вторинної обмотки називається коефіцієнтом трансформації h = Е1т/Е 2т. Коефіцієнт трансформації дорівнює відношенню кількості витків wx первинної обмотки до кількості витків w2 вторинної обмотки:
k = wju)2.
Добираючи необхідну кількість витків, можна за допомогою трансформатора живити споживачі з різною номінальною напругою. У вторинній обмотці, замкненій на споживача електричної енергії, під дією електрорушійної сили проходить змінний струм, амплітуда якого визначається опором споживача, увімкненого до вторинної обмотки. Вторинна обмотка відносно споживача є генератором електричної енергії. Отже, трансформатор передає енергію від мережі до споживача за допомогою магнітного поля.
Тема програми № 7. Трансформатори, магнітні підсилювачі та дроселі
Тема уроку № 49. Принцип дії та будова трансформатора. Види та призначення трансформаторів.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 187-188.
Д.З. Опрацювати матеріал. Відповісти на питання:
1. Яке призначення трансформатора?
2. Як класифікують трансформатори.
3. Опишіть будову трансформатора.
4. Чим відрізняється силовий трансформатор?
5. Яке призначення тягового трансформатора?
6. Опишіть будову тягового трансформатора?
Трансформатори. Загальна характеристика і галузі застосування трансформаторів.
Трансформатором називається статичний (без рухомих частин) електромагнітний пристрій, призначений для перетворення електричної енергії однієї змінної напруги в електричну енергію іншої змінної напруги.
Трансформатори класифікуються за такими основними ознаками:
1. Залежно від мережі живлення: однофазні, багатофазні (у тому числі трифазні); імпульсні.
2. ' За співвідношенням напруг: підвищувальні, знижувальні .
3. За кількістю вторинних обмоток: однообмоткові і багатообмоткові .
4. За призначенням: силові, зварювальні, вимірювальні та інші.
5. За способом охолодження: повітряні (сухі) і масляні.
Основні галузі застосування трансформаторів:
1. Системи енергопостачання. У системах енергопостачання електрична енергія виробляється на великих електростанціях: атомних (АЕС), теплових (ТЕС), гідроелектростанціях (ГЕС). Вироблену електричну енергію необхідно передати на значну відстань і розподілити на великій території, яка в деяких випадках охоплює території декількох країн. Для зменшення втрат електричної енергії за допомогою силового підвищувального трансформатора напругу з виходу генератора підвищують, передають електричну енергію за допомогою ліній електропередач (ЛЕП) на значну відстань. Розподіляють електричну енергію на знижувальних трансформаторних підстанціях різних рівнів, каскадно знижуючи напруги, і підводять напругу за допомогою електричної мережі до кожного споживача.
2. Промислова та побутова електроніка, де трансформатори застосовуються у вторинних джерелах електроенергії, для гальванічного розділення електричних кіл, для узгодження опорів пристроїв, для передачі та перетворення імпульсів.
3. Вимірювання струмів і напруг у потужних енергосистемах за допомогою спеціальних вимірювальних трансформаторів.
Будова і принцип дії трансформаторів
Трансформатор складається з первинної 1 та вторинної 2 обмоток і магнітопроводу 3 (рис. 1).
Рис.1.
Первинна обмотка — це обмотка, ввімкнена до джерела електричної енергії (здебільшого до електричної мережі).
До вторинної обмотки вмикають споживач електричної енергії.
Магнітопровід призначений для магнітного зв’язку первинної та вторинної обмоток. Магнітопровід трансформатора виготовляють з тонких (0,35...0,5 мм) листів електротехнічної сталі для зменшення втрат, зумовлених вихровими струмами.
Магнітопроводи трансформаторів малої потужності, призначених для роботи в діапазоні високих частот, пресують із порошкових матеріалів (магнітодіелектриків та феритів).
Обмотки трансформаторів виготовляють у вигляді циліндричних котушок з мідних або алюмінієвих, ізольованих один від одного, проводів круглого або прямокутного перерізів. Первинну і вторинну обмотки розміщують на одному стержні.
Обмотки нижчої напруги (НН) розміщують ближче до магнітопроводу, а обмотки вищої напруги (ВВ) розміщують зверху. Між обмотками знаходиться ізоляційний циліндр. Силові трансформатори мають, крім того, систему охолодження (рис. 2).
Рис.2.
Тяговий трансформатор ОДЦЄ-5000/25
1 — захисна сітка масляної секції; 2 — масляний трубопровід; 3 — піддон; 4 — масляна секція; 5 — бак; 6 — нижня ярмова балка; 7 — обмотка; 8 — селікогелевий патрон; 9 — повітропровід охолодження масла; 10 — опорна балка; 11-маслолрокачуючий насос; 12 — манометр тиску масла; 13 — опора головного контролера; 14 — виводи мережевої обмотки; 15 — виводи вторинної обмотки; 16 — кришка бака; 17 — розширювальний бачок; 18 — заливочна горловина
29.10.2025р.
Тема програми № 6. Електричні кола змінного струму.
Тема уроку № 45. Трифазна система змінного струму.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 136-139.
Орпацювати матеріал:
https://youtu.be/Pe-H0EN03Yg?si=HPgcAycsgyHIDGZU
Трифазні електричні кола. Основні поняття
Д.З. Опрацювати матеріал. Відповісти на питання:
1. Дати визначення трифазній електричній мережі.
2. З чого складаються трифазні електричні мережі.
3. Чим мережа відрізняється від кола?
4. Якими літерами позначаються фази обмоток?
5. Якими кольорами позначаються фази?
6. Чому фази або генератори вважають семитричними?
7. Як позначаються початки та кінці обмоток?
8. Що означає трипровідна система?
9. Що означає чотирипровідна система?
Трифазні електричні кола синусоїдного струму
Генерування трифазної Системи
У багатоконтурному електричному колі діють декілька джерел живлення, які мають однакову частоту, але зсунуті по фазі один відносно іншого. Джерела називають симетричними, якщо вони мають однакові амплітуди ЕРС (струмів) і кути зсуву фаз. Якщо симетричні також струми та напруги у споживачів, то система в цілому називається симетричним багатофазним електричним колом, системою чи мережею. Багатофазні симетричні шести- чи двадцятифазні системи, у яких ЕРС зсунуті між собою на 60° чи 30°, застосовуються у вторинних джерелах живлення. Двофазні системи, у яких дві синусоїдні ЕРС однієї частоти зсунуті по фазі на 90°, застосовуються в автоматизованому електроприводі для живлення виконавчих мікромашин.
Найбільш поширене застосування знайшла трифазна симетрична система. Така система відносно однофазної має ряд переваг: економія матеріалу проводів лінії електропередачі; ефективність, простота та економічність двигунів і генераторів; можливість споживача електроенергії, використовуючи трансформатори, мати дві різні напруги та ін.
Процес генерації трифазної системи ЕРС розглянемо на спрощеному макеті (рис. 5.34). Постійний магніт, що знаходиться на валу, має два полюси N і S. Вони закінчуються полюсними наконечниками, завдяки яким магнітна індукція магнітного поля між полюсами і циліндром статора має синусоїдне розподілення вздовж периметра статора:
В(а) = Вт sin а, 0 < а < 2л. Нехай а - 0 зліва від вала на горизонталі. В циліндрі статора три пази, в яких розміщено по мідному стержню довжиною І. Початки а, Ь, с та кінці х, у, z стержнів замкнено на лампи розжарювання. Під час обертання магніту за годинниковою стрілкою з кутовою швидкістю ю (рад/с) магнітний потік рухатиметься відносно стержнів зі швидкістю. v = ωt, де r — радіус ротора.
Можна вважати, що потік нерухомий, а рухаються відносно нього проти годинникової стрілки стержні статора. Тоді за законом електромагнітної індукції (5.2) та правилом правої руки для моменту, що зображений на рис. 1, в стержні AX' наводяться ЕРС еА, що напрямлена від X до А, в BY і CZ — навпаки. Умовно підставимо долоню правої руки в повітряний зазор так, щоб лінії магнітної індукції В входили в долоню, великий палець вказував напрямок руху стержня, чотири останніх напрямок ЕРС і струму в колі, що збігається з ЕРС, оскільки навантаження активне. Внаслідок взаємо- перпендикулярності е = Blv = Blωr. Якщо відлічувати час t з моменту, коли кут а = 0, то а= ωt, відповідно В = Bm(sin ωt). Максимальною ЕРС в кожній фазі буде, якщо полюс N проходить під стержнем. Для вибраних позитивних напрямків ЕРС, початкового моменту та напряму обертання, отримаємо:
На рис. 5.35 наведено різні положення ротора при рівномірному русі і відповідно їм систему трьох ЕРС у вигляді графіка миттєвих значень та векторної діаграми комплексних діючих значень цих ЕРС:
Побудуємо векторні діаграми кіл на комплексній площині з вертикальною — дійсною і горизонтальною — уявною осями (рис. 5.36).
У реального генератора замість одного стержня укладається w витків провідника, які називають обмоткою. Ввімкнемо до кожної обмотки трифазного синхронного генератора окремий споживач (рис. 5.37). Матимемо незв’язану трифазну систему, що складається з трьох автономних однофазних кіл, так званих фаз трифазної системи. Терміном «фаза» також називають і автономну частину багатофазного розгалуженого кола. Виводи обмоток генератораА, В, Сі споживача а, Ъ, с називаються початками обмоток, а виводи X, Y, Z генератора і х, у, z споживача — кінцями. Напруги між початками і кінцями споживача Uа, Ub, Uс називають фазними напругами споживача і позначають буквою з одним індексом.
Якщо знехтувати опором з’єднувальних проводів, то фазні напруги генератора і споживача однакові UA=Ua, UB-U_b, Uc-=UC. Оскільки фази незалежні одна від одної, то фазні струми у кожній з них /д, Ід, І£ теж не залежать один від одного. Стрілками показано додатні напрями ЕРС, напруг і струмів. Напруги генератора практично дорівнюють ЕРС: UA= ЕА, UB = Ев, Uc = Ес, оскільки опорами обмоток статора, як правило, можна знехтувати. У незв’язаній трифазній системі генератор і споживач з’єднані шістьма проводами. Така система не має переваг перед однофазною.
Якщо кінці X, Y, Z обмоток генератора (рис. 5.37, а) з’єднати у вузол, то електричний стан не зміниться, оскільки струми у фазах залежать від різниці потенціалів UA, UB, Uc, а не від абсолютного значення потенціалів
Рис. 5.36
Рис. 5.37
точок X , Y, Z. Зробимо такі ж з’єднання у споживачі. Тоді замість шести- провідної матимемо чотирипровідну трифазну систему «зірка — зірка» («У — У»).
Якщо обмотки генератора з’єднати за схемою (рис. 5.37, б): початок А — кінець Z, початок В — кінець X, початок С — кінець У, то таке з’єднання називають «трикутник» «Д». Якщо аналогічно з’ єднані фази споживача, то така система називається «трикутник — трикутник» («Д — Д»). У ній використовується всього три проводи. Можливі також змішані варіанти з’єднань («У — Д», «Д — У»).
27.102025р.
Тема програми № 6. Електричні кола змінного струму
Тема уроку № 44. Поняття про електричну ємність. Конденсатори. Закон Ома.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 112-115.
Орпацювати матеріал:
Конденсатор у колі змінного струму - реактивний ємнісний опір
https://youtu.be/oubZUaxAhTU?si=HyE2llDhziQTyzWq
Д.З. Опрацювати матеріал. В зошиті дати визначення електричній ємності.
Види конденсаторів, правилам їх застосування. Закону Ома для кола змінного струму.
27.10.2020р.
Тема програми № 6. Електричні кола змінного струму
Тема уроку № 43. Отримання змінного струму та його характеристики.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 101-103.
Генератор змінного струму
https://youtu.be/vjTMaHKvxqk?si=LUGSF4onCWQB3e5E
Змінний струм. Генератори змінного струму
https://youtu.be/BwFoEDVNgUA?si=au6jNdS0kE5WByPl&t=14
Д.З. Опрацювати матеріал. Відповісти на питання:
1. Що називають змінним струмом?
2. З чого складається коло змінного струму?
3. Як розрізняють види опорів у змінному струмові?
4. Що називають синусоїдальним змінним струмом?
5. За якою схемою відбувається передавання та розподілу енергії в електричній мережі?
Змінним струмом називаються вимушені коливання в електричному колі, підключеному до генератора. В елементарній фізиці розглядаються тільки синусоїдальні змінні струми. Такі струми повсюди використовуються в силових електричних установках (двигуни, нагрівачі, освітлювачі й ін.). Але в електроніці широко застосовують різноманітні змінні струми інших видів.
У загальному випадку коло змінного струму, крім генератора, включає резистори, конденсатори і котушки індуктивності. Кожний з цих елементів створює певний опір струмові.
Розрізняють три види опорів змінному струмові: активний опір, реактивний ємнісний та реактивний індуктивний опори. Зв'язок між струмом і напругою (ЕРС) генератора залежить від повного опору кола і описується законом Ома для змінного струму.
За певних умов у колах змінного струму спостерігається резонанс – явище, яке має важливі практичні застосування.
Потужність змінного струму залежить не тільки від напруги і сили струму, але й від різниці фаз між коливаннями цих величин.
Для перетворення напруги і сили змінного струму використовують трансформатори
Синусоїдальним називається змінний струм, при якому сила струму і напруги на ділянках кола здійснюють гармонічні коливання.
Синусоїдальний струм створюється генератором змінної напруги (ЕРС), яке залежить від часу за законом:
| u=Umsinωt |
|
де Um – амплітуда напруги генератора, ωt – циклічна частота. На практиці використовують лінійну частоту ν. Наприклад, на пристроях, що використовують промисловий змінний струм, вказують: ν = 50 Гц. (Зауважимо, що зміна напруги з часом може описуватися і законом косинуса).
Генератор змінного струму на електричних схемах
зображують так:
Вимушені електромагнітні коливання – незатухаючі коливання заряду, напруги та сили струму, які спричинені електрорушійною силою, що періодично змінюється:
де е – значення ЕРС у даний момент часу (миттєве значення ЕРС);
Ԑmax – амплітудне значення ЕРС; ω – циклічна частота змінної ЕРС.
Змінний електричний струм – електричний струм, сила якого змінюється за гармонічним законом:
де і – миттєве значення сили струму; 1max – амплітудне значення сили струму; ω – циклічна частота змінного струму, що збігається з частотою змінної ЕРС; φ0 – зсув фаз між коливаннями струму та ЕРС.
Джерело електричної енергії, що створює ЕРС, яка періодично змінюється, називають генератором змінного струму.
Рис. 1. Будова найпростішого генератора змінного струму
Найпростіший індукційний генератор змінного струму (рис. 1) являє собою металеве осердя, в пази якого вкладено обмотку (дротяна рамка 2). Кінці обмотки з’єднані з кільцями 3, до кожного з яких притиснута щітка 4 для відведення напруги до споживача. Осердя з обмоткою обертається в магнітному полі нерухомого постійного магніту 1 або електромагніту. Обертову частину генератора називають ротором, нерухому частину – статором.
Для одержання ЕРС індукції не має значення, що слугуватиме ротором – рамка, яка обертається в магнітному полі нерухомого електромагніту, чи електромагніт, який обертається всередині нерухомої рамки. І в тому, і в іншому випадках магнітний потік, що пронизує рамку, змінюється.
Рис. 2. Схема двополюсного генератора
В сучасних потужних генераторах (рис. 2) ротором є електромагніт 1, що являє собою великий циліндр, у пази якого вкладено обмотку 2. До обмотки ротора через колектор подається напруга від джерела постійного струму. Обмотки статора 4, в яких створюється ЕРС індукції, вкладають у пази нерухомого порожнистого важкого металевого циліндра 3, виготовленого, як і осердя сталі.
Для передачі та використання енергії змінного струму використовують трансформатори, високовольтні та повітряні лінії.
Трансформатор – електромагнітний пристрій, що перетворює змінний струм однієї напруги на змінний струм іншої напруги за незмінної частоти. Він складається зі сталевого замкненого осердя й двох розташованих на ньому обмоток.
У будь-якому режимі роботи відношення діючих значень ЕРС, індукованих у первинній і вторинній обмотках трансформатора, дорівнює відношенню кількості витків у обмотках:
де k – коефіцієнт трансформації.
Якщо k > 1, то трансформатор знижувальний; якщо k < 1 – підвищувальний.
Підвищувальні трансформатори розташовують поблизу генераторів змінного струму, встановлених на електричних станціях, що дозволяє здійснювати передавання електроенергії на далекі відстані за високої напруги (більше 500 кВ), завдяки чому втрати енергії в проводах значно зменшуються.
У місцях споживання електроенергії встановлюють понижувальні трансформатори, в яких висока напруга, що подається від високовольтних ліній електропередач, знижується до порівняно невеликих значень, за яких працюють споживачі електричної енергії (рис. 3).
Рис. 3. Схема передавання та розподілу енергії в електричній мережі
Окрім систем передавання й розподілу електроенергії, трансформатори застосовують у випрямних пристроях, у лабораторіях, для живлення радіоапаратури, приєднання електровимірювальних приладів до кіл високої напруги, електрозварювання тощо.
Тема програми № 5. Хімічні джерела струму.
Тема уроку № 42. Порівняння характеристик
роботи кислотного і лужного акумуляторів. Самостійна робота.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 128 - 132.
Опрацювати матеріал:
1.
Характеристика роботи кислотного акумулятора.
2.
Характеристика роботи лужного акумулятора.
Д.З.
Оформити конспект. Відповісти на питання:
1. Опишіть призначення
лужного та кислотного акумулятора.
2. Порівняйте ККД
лужного та кислотного акумулятора.
3.
Як економити електроенергію
при зарядці батарей.?
4.
Де найчастіше використовуються лужні та
кислотні акумулятори?
5. Запишіть
основні переваги та недоліки лужного та
кислотного акумулятора.
Різниця між лужною та кислотною тяговою
батареєю. Навантажувачі та інші цехові машини, залізничний транспорт,
традиційно проектувалися з можливістю використання тягових лужних акумуляторних
батарей. Все частіше виникало питання про те, який акумулятор краще - лужний
або кислотний ? При відповіді на це питання треба мати на увазі не тільки
енергетичні характеристики і вартість акумуляторів, а й передбачуваний характер
експлуатації навантажувача.
ККД лужного акумулятора становить
0,5-0,6
ККД кислотного акумулятора становить
0,75-0,8
Ресурс роботи нікель-залізних батарей
становить від 500 до 1000 циклів заряд-розряд.
Для сучасних кислотних акумуляторних
батарей цей показник становить до 1500 циклів.
Економія електроенергії при зарядці
батарей. Кислотні акумулятори мають низький внутрішній опір і, отже, більш
високий ККД. Тому для її зарядки потрібно витрачати менше електроенергії.
Вартість електроліту. Вартість лужного електроліту
приблизно в 8-9 разів вище, ніж кислотного. Крім того, лужний електроліт
підлягає повній заміні раз в рік, оскільки він втрачає свої електролітичні
властивості в процесі експлуатації.
Стійкість до аварійних ситуацій. Високий
внутрішній опір лужних акумуляторів робить їх більш стійкими до коротких
замикань.
Вага лужних акумуляторів значно менше
кислотних, що зменшує тару вагона;
Механічна міцність лужних акумуляторів
вище, ніж кислотних завдяки конструкції пластин;
Лужні акумулятори не бояться короткочасних
коротких замикань, глибоких розрядів і тривалих перезарядити, що характерно для
кислотних акумуляторів;
Лужні акумулятори тривалий час можуть
перебувати в розрядженому стані, що неприпустимо для кислотних акумуляторів;
При відключеному стані кислотний
акумулятор втрачає протягом одного місяця близько 20% ємності, лужної
акумулятор такий відсоток ємності втрачає за 9 місяців;
При експлуатації кислотні акумулятори
виділяються шкідливі і небезпечні пари і гази, що відсутній у лужних акумуляторів;
Коефіцієнти корисної дії і віддачі по
ємності у кислотних акумуляторів вище, ніж у лужних;
Термін зберігання лужного акумулятора
42 місяці, кислотного - 12 місяців.
Завдяки своїм
перевагам на залізниці встановлюються
лужні акумуляторні батареї.
22.10.2025р.
Тема програми № 5. Хімічні джерела струму
Тема уроку № 41. Принцип дії і будова лужного акумулятора.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 128 - 132.
Опрацювати матеріал:
1.
Лужні акумулятори їх застосування.
2.
Лужні нікель-залізні
акумулятори ТПНЖ.
3.
Лужні нікель-кадмієві акумулятори НКН-100.
Д.З.
Оформити конспект. Відповісти на питання:
1.
Поясніть призначення лужних акумуляторів.
2.
Опишіть будову лужних нікель-залізних акумуляторів ТПНЖ.
3.
Замалюйте напівблок негативних та позитивних пластин (а), загальний вигляд (б) нікель-залізного,
тепловозного акумулятора ТПНЖ.
4.
Опишіть будову лужних нікель-кадмієвих акумуляторів НКН-100.
5.
Замалюйте напівблок позитивних та негативних пластин (а), загальний вигляд (б)
і нікель-кадмієвий акумулятора НКН-100.
6. Чим
посилюють корпус лужного акумулятора?
7. Яка
мінімальна напруга лужного акумулятора?
8. Чому
дорівнює саморозряд герметичних лужних акумуляторів при розімкнутому ланцюзі.
9.
Які з’єднують між собою лужні акумуляторні батареї?
Лужні акумулятори отримали свою назву по електроліту, який в них працює. У більшості випадків це водний розчин КОН (їдкий калій) або NaOH (їдкий натрій). Цей вид акумуляторів має ряд переваг перед кислотним типом батарей, але не позбавлений і недоліків. У деяких галузях народного господарства застосування лужних акумуляторів більш виправдано.
Будова
лужних акумуляторів. Найпоширенішими видами лужних батарей є нікель-кадмієві і
нікель-металогідрідні (ще їх називають нікель-залізні). У обох типів
акумуляторів в зарядженому стані активна маса позитивного електрода складається
з NiOOH (гідроокис нікелю) з додаванням окису барію і графіту. Графіт
призначений для збільшення електропровідності активної маси. Добавка окису
барію збільшує термін експлуатації лужного акумулятора.
Активна
маса негативних пластин у разі нікель-металогідрідного акумулятора є
порошкоподібною заліза (Fe) і його оксиди. У ній присутній добавки сірчистого
заліза і сірчанокислого нікелю. У разі нікель-кадмієвих батарей активна маса
негативних пластин являє собою суміш порошку кадмію (Cd) і заліза. В якості
електроліту для лужних акумуляторів застосовується водний розчин їдкого калію
(20%). В електроліт додається моногідрат літію в кількості 20-30 грам на літр.
Ця добавка збільшує термін експлуатації акумуляторної батареї.
Широке
застосування лужні акумулятори отримали на шахтах, залізниці, використовують в
тепловозах і пасажирських вагонах, фонарях, тощо. Там застосовуються як нікель-металогідрідні
(Ni-MH), так і нікель-кадмієві акумулятори (Ni-Cd). На
підприємствах випускаються нікель-залізні і нікель-кадмієві батареї, в яких
електроди виконані у вигляді рамок зі сталі, покритої нікелем. У пази цих рамок
запресовані ламелі.
Ламель
є пакет, заповнений активної масою. Ламелі виконані з нікельованої жерсті з
великою кількістю отворів. Це робиться для того, щоб електроліт міг надходити
до активної масі.
У
нікель-кадмієвих акумуляторах (в маркуванні присутній НК) негативна пластина
знаходиться між 2-ма позитивними. Нікель-залізні (в маркуванні НЖ) або нікель-металогідрідні
акумулятори передбачають наявність однієї позитивної пластини між 2-ма
негативними. Щоб не було короткого замикання, між пластинами ставлять
сепаратори. Їх роблять у вигляді поліхлорвінілової сітки або ебонітового
стрижня.
На
рисунку 1. представлено пристрій лужного акумулятора Ni-MH. На схемі можна
бачити напівблоки електродів і акумулятор в зборі.
Рис.1. Напівблок негативних та позитивних пластин
(а), загальний вигляд (б)
нікель-залізного, тепловозного
акумулятора ТПНЖ:
1-вивідний штир, 2-шпильки, 3-позитивні пластини, 4-ламелі, 5-сепаратори, 6-негативні пластини, 7-корпус,
8-гумовий чохол, 9-отвір з пробкою для заливки
електроліту.
На
рисунку 2 пристрій лужного акумулятора Ni-Cd.
Рис. 2. Напівблоки позитивних та негативних пластин
(а)
та загальний вигляд (б)
і нікель-кадмієвий акумулятора НКН-100 для Е.Р.С.:
1-негативні пластини, 2-з’єднувальний місток,
3-вивідний штир, 4-позитивні пластини, 5-отвір з пробкою для заливки
електроліту, 6-кришка, 7-сепаратор, 8-корпус, 9-гумовий чохол.
У
таких різновидах акумуляторних батарей, як ТПНЖК і ТПНЖ використовуються
панцирні позитивні пластини. Ці пластини поміщаються в спеціальні чохли або
панцири. Електроди знаходяться в корпусі з нікельованої жерсті. У корпусу є
приварена кришка з отворами під вивідні штирі. Також передбачено отвір для
заправки електролітом і виведення газів.
Щоб
надати корпусу механічну міцність, стінки робляться гофрованими. Зверху
корпус закритий гумовим чохлом, який забезпечує ізоляцію елементів від ящика,
де встановлена батарея.
Принцип роботи лужних
акумуляторів.
Коли відбувається розряд
батареї, на позитивних пластинах йде реакція гідроксиду нікелю (NiOOH) з іонами
електроліту для лужного акумулятора. В результаті утворюється гідрат закису
нікелю Ni (OH) 2. На негативному електроді кадмій і залізо перетворюються в
гідрат окису кадмію (Cd (OН) 2) і заліза (Fe (ОН) 2). Протікання струму по
зовнішньої і внутрішньої мережі забезпечує різниця потенціалів (приблизно 1,45
вольта) лужного акумулятора. Таким чином, забезпечується робота лужного
акумулятора.
Коли відбувається заряд
лужної АКБ, то під вплив струму активна маса позитивних пластин окислюється.
Гідрат закису нікелю Ni (ОН) 2 переходить в гідроокис нікелю (NiOOH). В
активній масі негативних електродів при заряді йде відновлення з утворенням
кадмію і заліза.
Нижче представлені реакції, що відбуваються в процесі розряду-заряду,
представлені такими рівняннями:
Лужна АКБ Ni-MH:
2Ni (OOH) + 2KOH + Fe ⇒ 2Ni (OH) 2 + 2KOH + Fe
(OH) 2
Лужна АКБ Ni-Cd:
2Ni (OOH) + 2KOH + Cd ⇒ 2Ni (OH) 2 + 2KOH + Cd
(OH) 2
Робота лужного акумулятора така, що номінальне значення розрядного струму
становить 0,2 * С. Величина «С» позначає номінальну ємність акумуляторної
батареї. Максимальний розрядний струм, наприклад, при запуску дизельного
двигуна, становить до 4 * С. Штатний струм заряду лужних АКБ дорівнює 0,25 * С.
Варто відзначити, що речовини, які утворюються під час роботи лужного
акумулятора і протікання електрохімічних реакцій, майже не розчиняються в
електроліті і не реагують один з одним. За рахунок того, що електроліт для
лужного акумулятора з ними не взаємодіє, відсутня його витрата і щільність не
змінюється. В результаті потрібно менший обсяг, ніж в кислотної батареї.
Щоб анод (складається з
губчастого заліза) нікель-залізної батареї працював правильно, його вага
повинна бути більше позитивного. Ці пояснюється більшу кількість негативних
пластин в цьому типі АКБ. Збірний блок в цьому типі лужних батарей по краях має
негативні пластини. Ці пластини мають електричне з'єднання з корпусом. У Ni-Cd
батареях все навпаки. Там активна маса позитивного електрода повинна мати
більший обсяг, ніж негативного. У них блоки мають по краях позитивні пластини,
які мають з'єднання з корпусом.
Напруга лужного акумулятора
при повній зарядці становить приблизно 1,45 вольта. Через істотне внутрішнього
опору цього типу батарей, напруга лужного акумулятора істотного менше номіналу
при розряді і істотно більше при заряді.
Коли до виводів батареї підключається навантаження і починається розряд, то
напруга швидко знижується до 1,3 вольта, а потім повільно зменшується до одного
вольта. При досягненні цієї позначки розряд потрібно зупиняти. Середнє значення
розрахункового напруги при розряді одно 1,25 вольта.
Нижче напруги 1 вольт
розряджати лужний елемент не рекомендується. Це може призводити до втрати
ємності і зменшення терміну експлуатації.
Коли ведеться зарядка, то
напруга лужного акумулятора досить швидко зростає з 1,55 до 1,75 вольта, а
потім досить повільно йде до 1,8 вольта. Заряд герметичного лужного акумулятора
ведуть до того моменту, поки йому не буде передано певну кількість А-ч
відповідно до його паспортними характеристиками. Струм заряду герметичного лужного
акумулятора встановлюється, як 0,25 * С (номінальна ємність). В процесі заряду
батареї передається 150 відсотків ємності. Для додаткової інформації, читайте
статті про зарядці і відновленні Ni-Cd
акумуляторів.
Кислотні та лужні акумулятори
схожі в тому, що при зарядці у обох типів батарей виділяється газ. Однак в разі
герметичних лужних акумуляторів газовиділення не є ознакою закінчення зарядки.
Але тут також рекомендується знижувати струм, якщо виділення газів йде занадто
бурхливо.
Можна сказати, що герметичні
лужні акумулятори краще перезарядити, ніж вони будуть незарядженими. Неповний
заряд для них скорочує термін експлуатації. У той же час зайвий заряд також не
допустимо. В процесі заряду зростає їх температура. При значеннях вище 45
градусів Цельсія починає руйнуватися активна маса електродів. Для додаткової
інформації, читайте про зарядці Ni-MH акумуляторів .
Особливості експлуатації та
термін служби лужних акумуляторів. В принципі, догляд при експлуатації лужних
акумуляторних батарей приблизно такий же, як і в разі кислотних. Потрібно
періодично контролювати рівень електроліту, а також проводити зарядку АКБ.
Герметичні лужні акумулятори необхідно регулярно підзаряджати і тримати в
чистоті.
Герметичні лужні акумулятори
можуть при зберіганні перебувати в напівзарядженому або розрядженому стані
досить тривалий час. Також варто відзначити, що акумулятори лужного типу менш
чутливі до дії негативних температур. Крім того, герметичні лужні акумулятори
здатні працювати при розряді великими струмами (висока перевантажувальна
здатність).
Завдяки тому, що герметичний лужної акумулятор має великий внутрішній опір,
сильний розряд і короткочасні короткі замикання не шкодять цим батареям.
Лужні АКБ стійкі до впливу
вібрації, трясіння, ударів завдяки високій міцності. У порівнянні з
кислотними вони мають велику питому енергію, більший термін експлуатації і
можуть зберігатися довше.
Саморозряд
герметичних лужних акумуляторів при розімкнутому
ланцюзі становить 20 відсотків ємності за 9 місяців. Це небагато, якщо
порівнювати з кислотними АКБ. У останніх такий рівень саморозряду
спостерігається за місяць. Важливо відзначити, що при експлуатації герметичних
лужних акумуляторів немає шкідливого газовиділення і вони досить надійні.
Але батареї лужного типу мають деякі мінуси і незручності при експлуатації.
Напруга при розряді у них приблизно на 40 відсотків нижче, ніж у кислотних. В
результаті для виробництва одного і того ж напруги АКБ потрібно набирати різну
кількість елементів. І в разі герметичного лужного акумулятора кількість таких
елементів буде значно більше. Через високий внутрішнього опору батарей з лужним
електролітом, напруга при інтенсивному розряді знижується значно швидше, ніж у
кислотних.
22.10.2025р.
Тема програми № 5.
Хімічні джерела струму.
Тема уроку № 40. Принцип
дії і будова кислотного акумулятора.
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор.
128 - 132.
Опрацювати
матеріал:
1.
Призначення АКБ.
2.
Будова АКБ.
3.
Електроліт для АКБ.
Д.З.
Оформити конспект. Відповісти на питання:
1.
Опишіть будову АКБ.
2. Яке призначення АКБ?
3. Як готують електроліт для АКБ?
4. Як з'єднують позитивні і негативні пластини?
5. Чим вимірюють густину електроліту?
6. Опишіть правила перевірки стану акумуляторної батареї.
7. Підзарядка акумуляторних батарей вимоги та правила.
До джерел струму належать акумуляторна
батарея і генератор. Акумуляторна батарея забезпечує споживачів електричною
енергією при непрацюючому або працюючому на малій частоті обертання генератора.
При середній і великій частоті обертання колінчастого вала споживачів
забезпечує енергію генератор, який заряджає і акумуляторну батарею.
Кислотні акумуляторні батареї складаються
з кількох однакових за будовою акумуляторів, послідовно з'єднаних між собою і
розташованих в одному корпусі.
Рис. 1. Схема дії
кислотного акумулятора (а – процес
заряджання;
б – процес розряджання і
будова
акумуляторної батареї 6СТ-60ЕМ (в):
1, 3 – відповідно негативно і позитивно
заряджені пластини; 2 – сепаратор; 4 – запобіжні гратки; 5 – баретка; 6 – штир; 7,
13 – штирі відповідно “+” і “–”; 8 – бак; 9 – ущільнювальна мастика;
10 – кришка заливного отвору; 11 – кришка; 12 – місток
Акумуляторна батарея складається з бака, позитивних і негативних пластин, відлитих у вигляді ґраток із свинцю, до якого додають 6...8% сурми для збільшення міцності. Ґратки пластин заповнюють з обох боків активною масою. Активна маса негативних пластин являє собою порошок свинцю, а позитивних – свинцевого сурику і свинцевого глету з домішками, які збільшують пористість виготовлених пластин. Порошок замішується на водному розчині сірчаної кислоти і у вигляді пасти вмащуються в отвори ґраток.
Позитивні і негативні пластини зібрані в
пакети за допомогою з'єднувальних бареток і з вивідними клемами. Пакети
пластин з'єднують у блоки, розташовуючи позитивні пластини між негативними,
тому негативних пластин в блоці на одну більше, ніж позитивних. Між кожною
парою пластин для ізоляції встановлюють перетинки з отворами – сепаратори.
Через ці отвори до пластин вільно поступає електроліт. Блоки пластин
встановлюють в бак.
Всередині загального корпусу бака виконано
перетинки, розділяючи бак на ізольовані одна від одної банки. В банки на ребра
встановлюють блоки пластин. Ребра
утворюють простір між днищем бака і блоком пластин. При експлуатації батарей
цей простір заповнюється активною масою, що випадає з пластин. Завдяки цьому
простору уникають короткого замикання між пластинами. Банки закривають
кришками, які мають отвори для заливання електроліту і контролю його рівня.
Електроліт для акумуляторних батарей
виготовляють з хімічно чистої сірчаної кислоти з питомою вагою 1,83 г/см3
і дистильованої води. Для різних кліматичних і температурних умов, в яких
батарея експлуатується, використовують електроліти різної густини. Готують
електроліт у чистому кислотостійкому пластмасовому, керамічному, ебонітовому,
свинцевому або фаянсовому посуді. Спочатку заливають дистильовану воду, кислоту
додають тонким струменем з одночасним перемішуванням розчину.
Принцип дії акумулятора полягає у перетворенні електричної
енергії на хімічну при заряджанні або хімічної енергії на електричну при
розряджанні. Акумуляторні батареї
виготовляють у вигляді бака, розділеного перегородками на камери. У кожній
камері знаходиться окремий свинцево-кислотний акумулятор, який складається з
позитивних і негативних пластин, сепараторів, з'єднувальних містків з полюсними
штирями і кришки з пробкою. Камера
складеного акумулятора заповнюється електролітом. Під час заряджання і
розряджання свинцевого акумулятора в активній масі й електроліті відбувається
хімічні зміни. Коли акумулятор розряджається, активна маса обох пластин
перетворюється на сірчанокислий водень. Частина сірчаної кислоти витрачається
на утворення сірчанокислого свинцю (сульфат свинцю) і води. Густина електроліту при розряджанні
зменшується. Коли акумулятор розряджається, хімічні реакції відбуваються у зворотному
порядку. Кисень води витрачається на утворення перекису свинцю на позитивній
пластині, а кислотний залишок сірчанокислого свинцю обох пластин і водень води
йдуть на утворення сірчаної кислоти в електроліті. Початковий склад активної
маси пластин відновлюється, а густина електроліту підвищується. При дальшому
зарядженні відбувається тільки розклад води на кисень і водень який супроводжується
сильним газотворенням: це свідчить про кінець заряджання. До основних несправностей
акумуляторної батареї відносяться: розряд і саморозряд, сульфатація, коротке
замикання пластин. Найбільш складною
несправністю є сульфатація, яка полягає в покритті поверхні активного шару
пластин крупними кристалами сірчанокислого свинцю PbSO4 в результаті пониження
рівня електроліту, тривалого зберігання акумулятора без дозаряду, високої
щільності електроліту, експлуатації сильно розрядженої батареї і надмірного
користування стартером. Неглибока
сульфатація пластин може бути знята шляхом тривалого заряду акумулятора малою
силою струму (не більше 0,04 від ємкості акумулятора) при низькій щільності
електроліту (не більше 1,11 г/см3). Коротке
замикання пластин в акумуляторі виникає при випаданні з пластин на дно банок
великої кількості активної маси (шламу). Випадання
активної маси приводить також до пониження ємкості батареї. В процесі
експлуатації виникають тріщини стінок банок, відбувається зниження рівня
електроліту і його щільності
Електроліт. Послідовність
його приготування. Перевірка рівня електроліту Електроліт - це розчин сірчаної
кислоти у дистильованій воді. Він повинен мати певну густину. Новий акумулятор
сухими зарядженими платинами заповнюють електролітом густиною 1,25-1,28. При
виборі густини електроліту необхідно враховувати кліматичні пояси і пори року.
В умовах низьких температур густина електроліту повинна бути більшою, а при
високій - навпаки. Для приготування електроліту використовують чистий
кислотостійкий пластмасовий, керамічний, ебонітовий, свинцевий, фаянсовий
посуд, у який спершу заливають воду, а потім поступово кислоту за безперервного
перемішування скляною паличкою. Правильний
вибір концентрації електроліту не тільки поліпшує електричні характеристики, а
й збільшує термін роботи. Залежно від температурних умов експлуатації
стартерних батарей, оптимальна концентрація сірчаної кислоти різна. Для приготування електроліту застосовують
акумуляторну сірчану кислоту з молекулярною масою 98,08, яку поставляють трьох
сортів: вищого ґатунку, 1-го й 2-го. Із підвищенням сортності знижується
кількість шкідливих домішок. Перевірка рівня електроліту виконується скляною
трубкою діаметром 5-6 мм.
Щоб виміряти рівень
електроліту, треба опустити трубку в наливну горловину кришки до упору в
запобіжну сітку, закрити її зверху великим пальцем, витягнути і вирахувати
висоту стовба електроліту в трубці. Рівень електроліту повинен бути на 10-15 мм
вище запобіжної сітки. Підвищувати рівень треба, тільки додаючи дистильовану
воду. Зимою, щоб запобігти замерзанню води, рекомендується доливати її безпосередньо
перед виїздом або при працюючому двигуні.
Перевірка степені розрядження
акумуляторної батареї за значенням щільності електроліту Вимірювання густоти
електроліту дає можливість визначити ступінь зарядженості акумуляторної
батареї. Густоту електроліту вимірюють спеціальним пристроєм (денсиметром). При
вимірюванні густоти електроліту необхідно також визначити температуру
електроліту батареї. Якщо температура електроліту вище або нижче +15°С,
необхідно привести густоту електроліту до 15°С. Якщо густота електроліту в
окремих акумуляторах відрізняється більше ніж на 0,01г/см3, то її слід
вирівняти, додавши електроліт густотою 1,4г/см3 або дистильовану
воду. Доливати в акумулятор електроліт густотою 1,4г/см3 можливо
тільки в тому випадку, якщо батарея повністю заряджена, внаслідок
"кипіння" електроліту забезпечується швидке та надійне його
перемішування. При вимірюванні густоти електроліту після доливання в нього води
або після пуску двигуна стартером, батарею необхідно деякий час зарядити
невеликим струмом або дати їй постояти 1-2 години для того, щоб густота
електроліту в всіх акумуляторах вирівнялась. Ступінь
зарядженості акумулятора по густоті електроліту можна визначити за такими
даними (густота електроліту, приведена до температури 288°К (+15°С), г/см3).
Ступінь розряду акумуляторної батареї та відповідна їм густота електроліту:
Стан батареї Густота електроліту, г/дм3 Батарея повністю заряджена
1,31 1,29 1,27 1,25 Батарея розряджена на 25% 1,27 1,25 1,23 1,21 Батарея
розряджена на 50% 1,23 1,21 1,19 1,17
Перевірка ступеню заряду
акумуляторної батареї навантажувальною вилкою Перевірка нагрузочною вилкою дає
можливість визначити стан акумуляторної батареї в режимі її розряду, відповідно
пуску гарячого двигуна. Для цього нагрузочна вилка оснащена набором резисторів
та вольтметром. В залежності від ємності батареї включається необхідна величина
нагрузочного резистору гайками 4 і 8. При визначенні ступеня зарядженості
акумуляторної батареї нагрузочною вилкою показання вольтметра під
навантаженням, відповідно ємності батареї, необхідна відповідати даним,
приведеним нижче: Ступінь заряду, % 100 75 50 25 0 Напруга акумулятора, В
1,7-1,8 1,6-1,7 1,5-1,6 1,4-1,5 1,3-1,4 При перевірці нагрузочною вилкою
напруга справного акумулятора повинна бути постійною протягом не менше 5
секунд. Отвір в кришках акумуляторів при перевірці нагрузочною вилкою повинні
бути закриті пробками. Акумулятори, густота електроліту в яких нижче 1,200 г/см3,
не рекомендується перевіряти нагрузочною вилкою.
Перевірка стану акумуляторної
батареї зовнішнім оглядом. Догляд за акумуляторними батареями Перевіряють: -
цілісність корпусу, звільнивши його від упаковки та нахиливши на 45°; - рівень
електроліту, який повинен міститися між мітками min і max у батарей з корпусом
з напівпрозорого пластику. В акумуляторних батарей із непрозорим корпусом
електроліт повинен бути на 20 мм вище верхнього рівня пластин. При експлуатації
АКБ необхідно вести постійний контроль за його станом. Проводити догляд за їх
станом і ТО в перелік робіт що входять до ТО відноситься: - очищення
акумуляторної батареї від пилу і бруду; - очищення вентиляційних отворів в
кришках і пробках; - перевірка і при необхідності підтягнення кріплення АКБ в
гнізді; - перевірка надійності з'єднання клем проводів з вивідними штирями; -
перевірити рівень електроліту у всіх акумуляторах і при необхідності долити
дистильованої води; - перевірити густину електроліту; - перевірити робото
придатність і ступінь зарядженості АКБ, якщо вона несправна то її слід віднести
у майстерню. При експлуатації АКБ з нею слід поводитися дуже обережно, тому що
попадання сірчаної кислоти або електроліту на шкіру людини викликає опіки, тому
при поводженні з кислотою чи електролітом треба бути дуже обережним. При
попаданні електроліту на шкіру її треба ретельно промити рос твором соди після
чого чистою водою, а при опіках звернутися до лікаря. При роботі з акумуляторами
необхідно мати гумові рукавички і окуляри. Поблизу
з акумуляторною батареєю неможна користуватися відкритим вогнем, так як це може
призвести до вибуху. Не допускається установка акумуляторної батареї в кабіні
водія. Закупорка вентиляційних отворів може призвести до руйнування бака так як
гази які виділяються при хімічних реакціях накопичуються під тиском всередині
бака. Нові сухо заряджені батареї можуть зберігатися в будь-якому неопалюваному
приміщенні. При цьому на них не повинні потрапляти прямі сонячні промені.
Батареї у моноблоках із термопластичної пластмаси (поліпропілен і його
сополімери) треба зберігати в приміщеннях із мінімальною освітленістю, оскільки
світло прискорює процеси старіння полімерних матеріалів. Стійкіші до дії світла моноблоки та
кришки з полімерних матеріалів чорного кольору. Одна з найважливіших умов
зберігання сухо заряджених батарей - забезпечення герметичності внутрішніх
порожнин кожного акумулятора. Порушення
герметичності призводить до попадання всередину акумулятора вологого повітря, а
під дією вологи відбувається окислення сухо заряджених пластин, тобто
розрядження акумулятора.
Підзарядка акумуляторних
батарей В теперішній час акумуляторні батареї сухо заряджені, тобто батареї
надходять з заводу в зарядженому стані без електроліту, тому перед
використанням такої батареї необхідно привести в робочий стан, виконавши слідуючи
операції: Розгерметизовати вентиляційні отвори. Залити електроліт відповідної
густини в кожний акумулятор. На протязі 2-3 годин пластини повинні вбирати
електроліт, після чого долити електроліт до потрібного рівня. Підзарядити
акумулятор силою струму 0,1 ємності протягом 5 годин. Якщо цього не достатньо,
то зарядний струм знижують і продовжують зарядку протягом 2-3 годин. Ознакою
кінця зарядки є сильне газовиділення і постійні густина електроліту і величина
напруги. Якщо густина електроліту в кінці заряду не відповідає нормі, її
потрібно довести норми, заливши дистильованої води або електроліт підвищеної густини.
Доливання кислоти - не допускається. Ступінь зарядженості акумулятора можна
визначити за напругою між клемами навантажувальною вилкою і за допомогою
ареометра. Ступінь зарядженості всієї батареї визначається за допомогою
акумуляторного пробника. Ступінь зарядженості батареї можна визначити і по
густині електроліту, яку перевіряють ареометром. Зменшення густини на 0,01г/см3
показує що акумулятор розряджений на 6%. Якщо один акумулятор розряджений
взимку більш ніж на 25%, а взимку - на 50%, то його необхідно підзарядити. Максимально
допустиме зниження густини електроліту для зони помірного клімату: Влітку до
1,19г/см3 ; Взимку до 1,23г/см3 Аерометр виготовлений у вигляді скляної трубки, запаяної з обох
сторін. В нижній частині поміщений грузик, а у верхній розміщена шкала. Чим
вище спливає ареометр, тим більшою буде густина електроліту.
21.10.2025р.
Тема програми № 5. Хімічні джерела струму.
Тема уроку № 39. Електричний струм в
рідинах
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 128 - 132.
https://youtu.be/XMT7HF8pUp0?si=DNDfLOrIJBNl372i
Опрацювати матеріал:
1. Електричний струм у рідинах.
2. Електроліти.
3. Електролітична
дисоціація.
4. Катіони
та аніони.
5.
Електроліз.
Д.З.
Оформити конспект. Відповісти на питання:
1.У
чому полягає явище електролітичної дисоціації?
2.
Чому кристали з йонним зв’язком є електролітами?
3.
Поясніть механізм виникнення струму в електролітах.
4.
Перелічте відмінності у проходженні електричного струму в металах та роз чинах
і розплавах електролітів.
5.
Розкажіть, що таке електроліз і де його застосовують.
6.Яка
одиниця електрохімічного еквіваленту?
7.
Що показує значення електрохімічного еквіваленту певної речовини?
7.
Яке практичне та наукове значення першого закону електролізу Фарадея?
8.
Дайте визначення електричному струму у рідинах.
9. Що відносять до електролітів?
10. Дайте визначення катіонам та аніонам.
Електричний струм у
рідинах — це напрямлений рух позитивних і негативних йонів, які
утворюються внаслідок електролітичної дисоціації (розпаду) молекул солей, кислот
або лугів у розчині чи розплаві. Для цього рідина має бути провідною,
тобто містити вільні йони, а не бути діелектриком, як, наприклад, дистильована
вода.
Основні поняття
- Електроліти: речовини, розчини або розплави яких проводять
електричний струм завдяки руху йонів (наприклад, солі, кислоти, луги).
- Електролітична дисоціація: процес розпаду молекул електроліту на
позитивні йони (катіони) та негативні йони (аніони) у розчині або
розплаві.
- Катіони: позитивно заряджені йони, які рухаються до негативного
електрода (катода).
- Аніони: негативно заряджені йони, які рухаються до позитивного
електрода (анода).
- Електроліз: процес виділення речовин на електродах під час
проходження електричного струму через електроліт.
Процес проходження струму
1. Дисоціація: при
розчиненні електроліту у воді (або іншому полярному розчиннику) його молекули
дисоціюють на позитивні та негативні йони.
2. Напрямлений рух: коли
через розчин пропускають електричний струм, позитивні йони (катіони) рухаються
до негативного електрода (катода), а негативні йони (аніони) — до позитивного
електрода (анода).
3. Електроліз: на
електродах відбуваються хімічні реакції з виділенням речовини. Наприклад,
на катоді відбувається відновлення катіонів, а на аноді — окиснення аніонів.
Важливі аспекти
- Дистильована вода є діелектриком, оскільки в ній відсутні вільні
йони. Якщо додати до неї сіль, кислоту чи луг, вона стає провідною
рідиною.
- Електроліз широко
використовується в промисловості, наприклад, для покриття виробів металами
(гальваностегія), отримання точних копій предметів (гальванопластика) або
для виробництва металів.
До цього часу ми вивчали закономірності
проходження електричного струму в металевих провідниках і знаємо, яке велике
практичне значення має це явище.
Електричний
струм, окрім металів може існувати також у рідинах, газах і, навіть, у вакуумі.
У цих випадках розглядатимемо замкне не коло, в якому є ділянка провідника, що
складається з речовини в рідкому чи газоподібному стані, або зовсім не містить
речовини, тобто є вакуумним проміжком. Провідники, які підводять напругу
(струм) до цієї ділянки називають електродами. Електрод, приєднаний до
позитивного полюса джерела струму, називають анодом, а приєднаний до
негативного полюса — катодом. Під час протікання струму до анода притягуються
вільні електрони й негативні йони (аніони), а до катода — позитивні йони
(катіони). Ви вже добре знаєте, що для існування електричного струму в
речовині, вміщеній в електричне поле, обов’язковою умовою є наявність рухомих,
або вільних, електричних зарядів, тобто таких, які можуть в речовині переміщуватися
під дією електричного поля на відстані, обмежені тільки розмірами зразка.
В металевих провідниках носіями струму
є вільні електрони, а йони металу жорстко зв’язані у вузлах кристалічних ґраток
і можуть здійснювати лише коливальні рухи. У подібному зв’язаному стані
перебувають йони в інших твердих тілах з йонною структурою — йонних кристалах,
прикладом яких є звичайна кухонна сіль (NaCl). Вільних електронів в йонних
кристалах немає, а ті, що віддають атоми металу (Na^), утворюють негативні йони
галогену (СГ), внаслідок чого виникає хімічний зв’язок. Отже, вільних носіїв
електрики в йонних кристалах немає, тому при невисоких температурах вони є
добрими ізоляторами. У цьому неважко переконатися, якщо спробувати утворити
електричне коло, зануривши два провідники, приєднані послідовно з
мікроамперметром до джерела струму, у посудину з кристалами сухої кухонної
солі: ніякого струму не зареєструємо. Якщо ж надати йонам рухливості, перевівши
йонні кристали в рідкий стан шляхом їх нагрівання і розплавлення, то речовина
стане провідником струму. Відомо, що розплави солей та інших сполук проводять
струм. Провідниками струму є також водні та інші розчини солей кислот і лугів.
Дистильована вода, що має молекулярну структуру, є гарним ізолятором, оскільки
в ній немає вільних електричних зарядів, отже, у ній не може виникнути
електричний струм. Речовини, водні розчини або розплави яких проводять електричний
струм, називають електролітами.
Зберемо електричне коло, зображене на рисунку 1, і наллємо в посудину дистильовану воду. Лампа не світитиметься, а амперметр покаже відсутність електричного струму в колі.
Рис. 1. Електричне коло.
Але якщо розчинити у воді яку-небудь
сіль, кристали якої мають йонну структуру, наприклад кухонну сіль (NaCl) або
мідний купорос (CUSO4), то в колі виник не струм, лампа почне світитися.
Спробуємо з’ясувати, в чому тут причина. Молекула води полярна, тобто її можна
уявляти об’єктом видовженої форми, на кінцях якого зосереджені електричні
заряди протилежних знаків. Відтак електричне поле молекул води сприяє розпаду
йонних кристалічних ґраток на вільні йони (рис. 2, а). Руйнуванням кристалічних
ґраток супроводжується також процес плавлення солей, в результаті якого
утворюється рідина, що складається з вільних йонів. Розщеплення електроліту на
йони у водному розчині або в розплаві називають електролітичною дисоціацією.
Типовими електролітами є солі, кислоти й луги, багато органічних сполук. Що ж
відбудеться, якщо в розчині електроліту створити електричне поле (рис. 2, б)?
Рис.2. Електричне поле.
Очевидно, що позитивні йони (катіони)
почнуть рухатися до негативно зарядженого електрода — катода, а негативні йони
(аніони) — до позитивно зарядженого електрода, тобто до анода. У колі виникне
електричний струм, зумовлений напрямленим рухом електричних зарядів обох
знаків. Таким чином, електричний струм у розчинах електролітів — це впорядкований
рух йонів. Якщо струм протікає крізь розчин мідного купоросу, то з часом
виявимо, що на катоді утворився тонкий шар міді. Отже, у розчині під дією
електричного поля до катода переміщаються позитивно заряджені йони Си2+,
які при контакті з катодом приєднують до себе недостатні електрони і
нейтралізуються. Нейтральні атоми, що утворилися, осідають на електроді.
Бачимо, що на відміну від металів струм в електроліті супроводжується
перенесенням речовини. Процес виділення речовини на електродах під час
протікання електричного струму крізь розчини або розплави електролітів називають
електролізом. У 1833-1834 pp. видатний англійський вчений Майкл Фарадей експериментально
встановив кількісні співвідношення, що описують явище електролізу. Перший закон
Фарадея для електролізу дає змогу обчислити масу речовини, яка виділяється на
електроді.
Маса речовини, яка виділяється на
електроді під час електролізу, прямо пропорційна силі струму і часу проходження
струму через електроліт.
М = k * І * t
m — маса виділеної на електроді речовини;
k —коефіцієнт
пропорційності — електрохімічний еквівалент даної речовини (подається у
таблицях);
І — сила струму в
колі;
t — час
проходження електричного струму.
Виходячи із першого закону Фарадея,
можна експериментально визначити значення електрохімічного еквіваленту даної
речовини.
Електрохімічний еквівалент визначається
відношенням маси речовини, яка виділяється на електроді під час електролізу, до
електричного заряду, який пройшов через електроліт. Одиницею електрохімічного
еквіваленту в СІ є один кілограм на кулон
Електроліз широко застосовується в промисловості. За допомогою електролізу (гальваностегії) можна покривати металеві деталі тонким шаром іншого металу. У такий спосіб проводять нікелювання, хромування, золочення й обміднення різних виробів. Пропускаючи електричний струм крізь розплави деяких солей, можна виділяти метали в чистому виді. Так отримують алюміній, рафіновану (над чисту) мідь та інші метали. За допомогою електролізу очищають метали від домішок, наприклад неочищену мідь, добуту товстих листів, які потім вміщують у ванну як аноди. Під час електролізу мідь анода розчиняється, домішки, які містять цінні й рідкісні метали, випадають в осад, а на катоді осідає чиста мідь-
21.10.2025р.
Тема програми № 4. Електричні машини
постійного струму.
Тема уроку № 38. Генератор паралельного
збудження.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 128 - 132.
Опрацювати матеріал:
1.
Генератор послідовного збудження.
2.
Генератор
змішаного збудження.
Д.З.
Оформити конспект. Відповісти на питання:
1.
Опишіть будову генератора з послідовним збудженням.
2.
Чим характеризується генератор з послідовним збудженням.
3.
Який недолік у генераторів послідовного збудження?
4.
Де найчастіше використовуються генератори послідовного збудження?
5. Замалювати
схему генератора з послідовним збудженням.
6.
Опишіть будову генератора зі змішаним збудженням.
7.
Замалюйте схему генератора зі змішаним збудженням.
8. Що
дає вмикання двох обмоток в генераторі зі змішаним збудженням?
9.
Які обмотки в генераторі зі змішаним збудженням називають паралельними, а які
послідовними?
10. Яким чином
можна міняти характеристику генератора зі змішаним збудженням?
Генератор послідовного збудження
Рис. 1. Схеми електричних: машин постійного струму незалежного (а), паралельного (б), послідовного (в) і змішаного (г) збуджень.
В цьому генераторі (див. рис. 6.1) струм збудження дорівнює струму в якорі, тобто струму навантаження Iз = Iя = I, і тому при постійній частоті обертання існують тільки дві незалежні змінні: напруга Ur і струм I, Отже, такий генератор має тільки одну характеристику - зовнішню
. Якщо б у генераторі послідовного збудження не було ні розмагнічуючої дії реакції якоря, котра зменшує потік Ф, ні падіння напруги в якірному колі IяRя, то при збільшенні струму навантаження I магнітний потік змінювався б згідно магнітної характеристики, і напруга в дійсності відповідала б характеристиці холостого ходу (крива 1 нарис, 6.2). В дійсності існує і розмагнічуюча дія реакції якоря, і падіння напруг, котрі зменшують напругу Ur. Тому зовнішня характеристика хоч і схожа на криву 1 на рис. 6.2, але пройде нижче неї, і різниця між ними буде збільшуватися з ростом струму навантаження. Коли сталь насититься і ріст магнітного потоку сповільниться, а реакція якоря і падіння напруги будуть продовжувати рости зі струмом I, напруга може навіть трохи зменшитися: зовнішня характеристика стає повільно спадаючою.
Оскільки напруга UГ дуже змінюється при зміні навантаження, а при холостому ході вона
наближається до нуля, генератори послідовного збудження непридатні для живлення
більшості споживачів електроенергії. Використовують їх лише при електричному
гальмуванні, коли двигуни послідовного збудження, переводять в генераторний
режим.
Генератор змішаного збудження
В цьому генераторі (див. рис. 6.1г) є дві обмотки збудження: основна (паралельна) і допоміжна (послідовна). Узгоджене ввімкнення двох обмоток дозволяє отримувати приблизно постійну напругу генератора при зміні навантаження.
Зовнішня
характеристика генератора (рис. 6.6) може
бути показана у вигляді суми характеристик, створюваних кожною з обмоток
збудження. При ввімкненні тільки одної паралельної обмотки, по котрій проходить
струм збудження Iз, напруга
генератора поступово зменшується з ростом струму навантаження і (крива 1). При
ввімкненні одної послідовної обмотки, по якій протікає струм збудження Iз2 = I , напруга зростає зі збільшенням струму 
(крива 2). Підбираючи
кількість витків послідовної обмотки так, щоб при номінальному навантаженні
створювана нею напруга
Рис.6.6.
Зовнішні характеристики генератора змішаного збудження
Збільшуючи число витків послідовної обмотки, можна отримати характеристику при якій напруга
20.10.2025р.
Тема програми № 4. Електричні машини
постійного струму.
Тема уроку № 37. Генератор паралельного
збудження.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 128 - 132.
Опрацювати матеріал:
1. Генератор паралельного збудження.
2. Характеристики холостого ходу генератору
паралельного збудження.
3. Навантажувальна характеристика
генератору паралельного збудження.
4. Зовнішня характеристика генератору паралельного
збудження.
5. Регулювальна характеристика.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Яким чином знімають характеристики
холостого ходу з генератора паралельного збудження.
2. Який вигляд має навантажувальна
характеристика генератора паралельного збудження.
3. Що показує зовнішня характеристика
генератора паралельного збудження.
4. Яка номінальна зміна напруги у
генератора паралельного збудження, що з цим роблять?
5. Що може стати причиною виникнення колового вогню генератора
паралельного збудження.
Генератор паралельного збудження
Характеристику
холостого ходу цього генератора знімають дослідним шляхом так само, як і генератора
незалежного збудження. Оскільки при холостому ході генератора паралельного
збудження в обмотці збудження і в якорі протікають одинакові струми, тобто Iя = Iз, а Iз звичайно не
перевищує 1-3% номінального струму генератора то падіння напруги в колі якоря і
реакція якоря незначні. Тому характеристика холостого ходу генератора
паралельного збудження практично співпадає з аналогічною характеристикою такого
ж генератора незалежного збудження (крива 1 на рис. 6.2а),
Навантажувальна
характеристика генератора
паралельного збудження має такий же
вигляд, як і генератора незалежного збудження (крива 2 на рис. 6.2а).
Рис.6.2.Характеристики
генератора незалежного збудження
Зовнішня характеристика генератора паралельного збудження (крива 1 на рис. 6.5), що показує залежність напруги на його затискачах від струму навантаження
Розглядання
зовнішньої характеристики (крива 1 на рис. 6.5) показує, що стійка робота
генератора можлива тільки на верхній (а) гілці характеристики. При досягненні
струму в навантаженні, величини, що дорівнює Iкр генератор
переходить у нижню гілку (б) характеристики, де його робота стає нестійкою.
Рис.
6.4.Ілюстрація процесу самозбудження генераторів
паралельного і
змішаного збуджень
Рис. 6.5.
Зовнішні характеристики генераторів параллельного (1)
і незалежного
збудження
Потужність генератора при цьому зменшується і доходить до нуля в режимі короткого замикання. Струм короткого замикання в цьому випадку буде невеликим, що обумовлено малою залишковою ЕРС генератора.
Такий
вигляд характеристики пояснюється тим, що зі збільшенням струму посилюється
розмагнічування генератора реакцією якоря, зменшуються струм збудження і
магнітний потік, машина переходить в ненасичений стан, при якому навіть
невелике зменшення опору навантаження виклика різке зменшення ЕРС машини (див.
рис. 6.4).
Струм
навантаження I = Ur / Rн, тому при I = Iкр, коли напруга генератора зменшується повільніше, ніж спадає опір Rн, проходить
зростання струму навантаження. Після цього, як
подальше зменшення Rн супроводжується зменшенням струму I, так як в цьому випадку напруга UА спадає скоріше, ніж зменшується опір Rн.
Струм короткого замикання Ік не тільки менший Iкр але й
Величезний
струм викличе, значний гальмівний момент і в результаті спотворюючої дії
реакції якоря істотне підвищення міжламельної напруги, яке може стати причиною
виникнення колового вогню.
Номінальна
зміна напруги у генератора паралельного збудження складає 10-30%. Деколи, щоб
зменшити це значення на полюсах встановлюють невелику (2-3 витки) послідовну
обмотку збудження, котра з ростом навантаження збільшує магнітний потік.
20.10.2025р.
Тема програми № 4. Електричні машини
постійного струму.
Тема уроку № 36. Генератор незалежного
збудження.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 128 - 132.
Опрацювати матеріал:
1. Генератор незалежного збудження.
2. Характеристики холостого ходу.
3. Навантажувальна характеристика.
4. Зовнішня характеристика..
5. Регулювальна характеристика.
6. Умови самозбудження генератора.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Що вважають основними характеристиками
генераторів постійного струму.
2. Опишіть характеристику холостого ходу
генератора.
3. Опишіть навантажувальну характеристику
генератора.
4. Опишіть зовнішню характеристику
генератора.
5. Поясніть призначення регулювальної
характеристики генератора.
6. Замалюйте схему
зняття характеристик генератора незалежного збудження.
7. За яких умов створюється
самозбудження генератора
Генератор незалежного збудження. Характеристики
генератора являють собою графічне зображення залежностей між основними
величинами, що визначають його робочі властивості.
Основними
характеристиками генераторів постійного струму є характеристики холостого ходу,
навантажувальна, зовнішня і регулювальна Всі вони представляють собою
різноманітні функціональні залежності при одній загальній умові; частота
обертів генератора n = const.
Характеристика
холостого ходу. Це залежність ЕРС обмотки
якоря при розімкненому зовнішньому колі від струму збудження., тобто при Iя = 0. При холостому ході, коли коло навантаження
розімкнене, напруга на затискачах генератора дорівнює ЕРС, тобто Uo = Eo = СenФо = С1eФо, де С1e = Сen, оскільки n = const. Значить, напруга,
Uo залежить лише від
магнітного потоку Фо, тобто від струму збудження І3.
Тому характеристика 
,
представлена, кривою 1 на рис. 6.2а, аналогічна магнітній характеристиці
нарис. 2.5.
Для знаття характеристик холостого ходу спочатку встановлюють струм збудження таким, щоб
,
до нуля і знову
збільшують до початкового значення. При цьому отримуються спадаюча і зростаюча
гілки характеристики, що виходять з точки. Розходження цих гілок пояснюється
наявністю гістерезису (петля гістерезису) в магнітопроводі машини. При Iз = 0 вольтметр
зафіксує "залишкову" напругу (або ЕРС), що дорівнює 1-3% від Uном, Наявність Eост пояснюється залишковим магнетизмом у сталі полюсів.Для практичних
цілей використовується не та чи інша гілка характеристики, а середам лінія,
проведена між ними. За нею роблять висновок про властивості магнітного кола
машини, ступінь її насичення, деякі техніко-економічні показники, як про це вже
говорилося в п. 2.3.
|
Рис.6.2.Характеристики генератора незалежного
збудження |
Навантажувальна характеристика. Це залежність напруги на виводах якоря генератора від струму збудження при постійному струмі навантаження, тобто
при Iя = const (крива 2 на рис. 6.2а.).
Напруга на затискачах генератора завжди
ЕРС внаслідок падіння напруги в колі якоря і
розмагнічуючої дії реакції якоря, тому характеристика навантаження розміщується
нижче і правіше від характеристики холостого ходу.
Для зняття даної
характеристики генератору надають номінальну частоту обертів, а потім,
поступово виводять регулювальний резистор в колі збудження, підвищують ЕРС до
значення що перевищує номінальну напругу на 10-15%. Після цього вмикають
навантаження і встановлюють номінальний струм в ньому. При номінальних
значеннях струму і напруги записують декілька показів амперметра, в колі
збудження.
Як видно з графіка, характеристика навантаження
подібна до характеристики холостого ходу, тому що остання є окремим випадком
характеристики навантаження, коли струм навантаження дорівнює нулеві.
Знання
характеристик навантаження необхідне для побудови інших характеристик, у тому
числі характеристик гальмівних режимів локомотивів, коли їх двигуни працюють в
режимі, генератора.
Зовнішня характеристика. Це залежність напруги на виводах якоря генератора від струму навантаження
(рис. 6.26) при незмінному струмі збудження. В режимі навантаження, згідно (В.10), Ur = E-1я*Rя, де в даному випадку під Rя, слід розуміти опір всіх обмоток, ввімкнених послідовно в коло якоря, тобто самого якоря, додаткових полюсів і компенсаційної обмотки.
Як бачимо при збільшенні струму навантаження напруга Rя зменшується через дві причини: 1) через падіння напруги у внутрішньому
опорі Rя машини; 2) через зменшення. ЕРС Е в
результаті розмагнічуючої дії реакції якоря. Дійсно, E = cеnФ, але під впливом реакції якоря магнітний потік Ф
зменшується (див. п.4.3).
При знятті даних для побудови зовнішньої характеристики генератор
навантажують до його номінального струму Iном при номінальній напрузі Uном а потім
зменшують навантаження майже до напруги холостого ходу 
(при Iя = 0). Одночасно
визначають зміни напруги (при переході від номінального навантаження до
холостого ходу) у відсотках яке складає 5-15%.
(6.2)Регулювальна характеристика. Це залежність
струму збудження від струму навантаження 
при Ur = const (рис. 6.2в). Вона
показує, яким чином слід регулювати струм збудження, щоб підтримати постійною
напругу генератора при зміні навантаження.
Необхідність збільшення струму збудження дня підтримання постійності
напруги при збільшенні навантаження очевидна: потрібно збільшити магнітний
потік Ф, тобто ЕРС Е, щоб
напруга залишалась завжди рівною номінальній.
Регулювальну
характеристику, як і всі інші, можна зняти, зібравши схему на рис. 6.3. При
струмі якоря Iя = 0, у колі збудження встановлюють такий струм Iз при
якому напруга на виводах генератора дорівнює номінальному. Потім, збільшуючи
навантаження, підвищують струм збудження, зберігаючи напругу незмінною.
Умови
самозбудження генератора. Електричні
машини, обмотки збудження яких (на відміну від незалежного збудження) живляться
струмом якоря самої машини безпосередньо або через перетворювальний пристрій
(СТ РЕВ 169-75) отримали назву машини з самозбудження.
 |
Рис. 6.3 Схема зняття характеристик генератора
незалежного збудження
Рис. 6.4. Ілюстрація процесу самозбудження генераторів
паралельного і змішаного збуджень
Процес самозбудження генераторів паралельного і змішаного збудження здійснюється при розімкненому зовнішньому колі за рахунок залишкового магнетизму в полюсах машини. Завдяки залишковому магнетизму при обертанні якоря генератора в ньому збуджується залишкова ЕРС
Коло якоря в процесі запуску замкнуте на коло збудження, тому під дією залишкової ЕРС виникає струм збудження
Iз = Eзал / Rз
де Rз - опір
обмотки збудження. Цей струм протікаючи по обмотці збудження, посилює магнітний
потік полюсів (при умові узгодженого ввімкнення обмоток якоря і збудження),
який створює відповідну ЕРС в обмотках якоря.
Зі збільшенням ЕРС зростає струм збудження і магнітний потік полюсів до
встановлення номінального струму в колі збудження. Процес збільшення струму
збудження закінчується, коли настає рівновага, падіння напруги на обмотці
збудження і ЕРС на виводах генератора.
Процес самозбудження генератора можна характеризувати залежністю напруги на обмотці збудження від струму збудження
, 
значно менше
опору 
обмотки збудження).В точці а перетину
ліній 1 і 2 процес самозбудження закінчується оскільки падіння напруги Uз = IзRз, на обмотці збудження зрівноважується ЕРС, що виникає
в обмотці якоря, тобто IзRз = Uз = Ео. В цьому випадку
в обмотці збудження встановлюється постійний струм, котрому при 
Процес самозбудження генератора може закінчуватися і при інших положеннях
точки а на кривій 1. Положення цієї точки визначається кутом нахилу а прямої 2 до осі абсцис, який залежить
від опору Rз
обмотки збудження. Чим менший цей опір, тим при більшій
напрузі закінчується процес самозбудження (точка а на кривій 1). З
графіка видно, що згідно закону Ома, опір Rз пропорційний tga.
Якщо збільшувати Rз , то збільшиться кут а, а точка а буде ковзати по характеристиці холостого ходу в напрямі до початку координат. При деякому опорі Rз.крит., що називається критичним, пряма 2 стане дотичною до початкової частини кривої 1 (точка а). При цій умові генератор не збуджується.
20.10.2025р.
Тема
програми № 4. Електричні машини постійного струму.
Тема
уроку № 35. Способи збудження генераторів
постійного струму.
Працюємо
з підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор.
128 - 132.
Опрацювати матеріал:
1. Способи збудження машин постійного струму.
2. Машини незалежного збудження.
3.
Машини
паралельного збудження.
4. Машини
послідовного збудження.
5. Машини
змішаного збудження.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1.
Опишіть машини незалежного збудження, замалюйте схему.
2. Опишіть машини паралельного збудження, замалюйте схему.
3.
Опишіть машини послідовного збудження,
замалюйте схему.
4.
Опишіть машини змішаного збудження,
замалюйте схему.
5.
В яких випадках МРС називають узгодженими, а коли зустрічними.
6.
Яким чином маркують виводи всіх обмоток машин постійного струму.
7.
Як позначаються виводи якщо машина має декілька однойменних обмоток.
Способи збудження машин постійного струму. Робота і властивості
електричних машин постійного струму (як генераторів, так і двигунів) в значній
мірі залежать від способу збудження з них магнітного потоку. Дійсно, магнітній
потік входить множником як у виразі ЕРС. так і у виразі електромагнітного моменту, тому необхідно
знати, як створюється магнітний потік, від яких величин він залежить, як і з
якою метою потрібно змінювати його значення.
Згідно
СТ РЕВ 169-75, за способом збудження машини постійного струму класифікують
таким чином:
а) машини незалежного
збудження, обмотка збудження яких живиться від стороннього джерела електричного
струму (за незалежного збудження, електричні магніти статора приєднуються до
окремого джерела постійного струму. Зазвичай це робиться крізь реостат.
Перевагою такої схеми, є можливість регулювання генерованої електричної потужності
в широких межах. Вадою — потреба мати додаткове джерело живлення).;
б) машини
паралельного збудження, обмотка збудження яких з'єднана паралельно з колом
якоря (за паралельного збудження генератора постійного струму, електромагніти
статора живляться частиною виробленої напруги. Це найбільш поширена схема);
в) машини
послідовного збудження, обмотка збудження
котрих з'єднана послідовно з колом якоря (у разі послідовного збудження коло
електромагнітів вмикається послідовно з навантажувальним колом якоря. Величина
струму, що протікає електромагнітами, істотно залежить від навантаження
генератора. Тож така схема використовується тільки для увімкнення тягових
двигунів постійного струму, які при гальмуванні переходять в режим генерації);
г) машини змішаного збудження, у
яких є дві обмотки збудження, одна з яких з'єднана послідовного з колом якоря
(інша - може бути або незалежною, або, частіше, паралельною, змішана схема
приєднання обмотки збудження — паралельно-послідовна. Для цього на кожному
полюсі електромагніту, повинно бути дві ізольовані обмотки, вмикаються
послідовно та зазвичай, складаються всього з двох–трьох витків. Такі електричні
машини застосовуються в тому разі, коли треба обмежити струм короткого
замикання в навантаженні. Наприклад, у пересувних зварювальних агрегатах).
МРС
обмоток збудження мають один напрям, то таке їх ввімкнення називається узгодженим.
Якщо ж МРС обмоток напрямлені в різні сторони, то ввімкнення називають зустрічним.
Схеми
всіх чотирьох типів машин зображені відповідно нарис. 1. Всі ці електричні
машині мають однакову будову і відрізняються лиш виконанням обмотки збудження
(03). Обмотки незалежного і паралельного збудження виготовляють з великою
кількістю витків, з дроту малого перерізу, а обмотку послідовного збудження з
малим числом витків з дроту великого перерізу.
Існують
також машини невеликої потужності, магнітне поле у яких створюється або тільки
постійними магнітами, або ще і обмотками збудження, що живляться електричним
струмом. Властивості перших подібні до властивостей машин незалежного, а других
змішаного чи незалежного збудження (в залежності від способу під'єднання
обмотки збудження).
Рис. 1. Схеми електричних: машин постійного струму незалежного (а), паралельного (б), послідовного (в) і
змішаного (г) збуджень.
В усіх машинах на збудження
витрачається від 0,5% до 5% номінальної потужності машини. Тут перше значення
відноситься до дуже малих машин, а друге - до машин потужністю близько 1 кВт.
Як видно з рис. 1, значення струму збудження 
, машини незалежного збудження не залежить від
струму якоря і визначається напругою джерела струму. Для регулювання струму послідовно
в коло обмотки збудження машини вмикають резистор. У машини паралельного
збудження, згідно закону Ома,
(6.1)де Rз - опір
обмотки збудження, а Rр -
послідовно з нею ввімкненого регулювального резистора.
В машинах, послідовного збудження Iз = Iя.
Згідно ГОСТ 2582-81, виводи всіх обмоток маркують таким чином:
Я1 і Я2 - початок і кінець обмотки якоря;
С1 і С2 - початок, і кінець послідовної (серієсної)
обмотки збудження;
Ш1 і Ш.2 -
початок і кінець паралельної (шунтової) обмотки збудження;
К1 і К2 - початок і кінець компенсаційної
обмотки;
Н1 і Н2
- початок, і кінець обмотки незалежного збудження;
Д1 і Д2 - початок і кінець обмотки додаткових полюсів.
Можливі випадки, коли машина має декілька однойменних обмоток. У цьому
випадку їж початок і кінець після букв-позначень повинні мати дві цифри - перша
вказує порядковий номер обмотки, а друга - початок (1) або кінець (2).
Наприклад, початок другої паралельної обмотки збудження буде мати маркування Ш21.
16.10.2025р.
Тема
програми № 4. Електричні машини постійного струму.
Тема
уроку № 34. Лабораторна робота №5
«Види електричного гальмування електродвигунів»
Працюємо
з підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор.
128 - 132.
https://youtu.be/_vTw1lgBgg0?si=qSLoC_lS6BxqekzT
Опрацювати
матеріал:
1. Призначення та
будова машин постійного струму.
2. Визначення
генератора та двигуна.
3.
Види електричного гальмування електродвигунів.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Опишіть види гальмування
двигунів постійного струму.
2.
Опишіть переваги та недоліки механічного та електричного гальмування двигунів
постійного струму.
3.
Пояснити, в яких випадках двигун постійного струму незалежного збудження може
перейти в режим рекуперативного гальмування та в режим гальмування противмиканням?
4.
У чому полягає фізична суть режиму динамічного гальмування?
5.
Чому в режимі динамічного гальмування гальмівний момент двигуна зменшується із
зменшенням швидкості?
6.
Чому в режимі противмикання гальмівний момент збільшується із збільшенням
швидкості?
7.
Порівняти переваги і недоліки режимів противмикання і динамічного гальмування.
8.
Чому при збільшенні опору в колі якоря гальмівні моменти зменшуються?
9. Написати рівняння електричної
рівноваги двигуна для відповідних режимів і
Мета роботи
Вивчення
принципів роботи:
зрозуміти фізичні
основи та механізми, що лежать в основі кожного з видів гальмування.
Практична
реалізація:
навчитися будувати
схеми для кожного з типів гальмування та правильно підключати електродвигуни
для їх демонстрації.
Аналіз
результатів:
дослідити вплив
різних режимів гальмування на характеристики двигуна, такі як швидкість, час
зупинки та безпека.
Вибір
методу:
визначити, який
тип гальмування найкраще підходить для конкретних застосувань, враховуючи його
переваги та недоліки.
Основні типи
електричного гальмування
Динамічне
гальмування:
електродвигун
переводиться в режим генератора, а його обмотки навантажуються на резистор, що
призводить до розсіювання енергії та уповільнення.
Рекуперативне
гальмування:
енергія
гальмування повертається назад у мережу живлення. Цей метод є
найефективнішим і використовується в електромобілях та промислових установках.
Гальмування
зворотним струмом (зворотний провід):
двигуну подається
зворотний струм, що створює гальмівний момент і призводить до його
зупинки. Цей метод простий у реалізації, але може призвести до перегріву
двигуна.
Хід виконання
роботи (загальний план)
Теоретична частина: ознайомлення
з теоретичними основами електричного гальмування.
Побудова схем: розробка
електричних схем для гальмування.
Налагодження
обладнання: підключення електродвигуна та компонентів схем.
Експериментальна
частина: проведення експериментів, запис вимірювань (наприклад, часу
гальмування, струму).
Аналіз
результатів: порівняння отриманих результатів, аналіз переваг та недоліків
кожного методу.
Оформлення звіту: підготовка
звіту з висновками відповісти на питання.
Електропривод постійного струму в
гальмівних режимах. Метою роботи є визначення електромеханічних характеристик
електропривода постійного струму в гальмівних режимах. Основні теоретичні
положення Досить часто в сучасних електроприводах необхідно швидко й точно
зупинити механізм або змінити напрямок його руху. Швидкість і точність, з якими
будуть пророблені ці операції, у багатьох випадках визначають продуктивність
механізму, а іноді і якість вироблюваного продукту.
Рисунок 2.1 – Механічні характеристики двигуна постійного струму незалежного збудження при різних режимах роботи
Під час гальмування або зміни напрямку руху
(реверса) електродвигун працює в гальмовому режимі на одній з механічних
характеристик відповідному здійснюваному способу гальмування. Графічне
зображення механічних характеристик двигуна незалежного збудження для різних
режимів роботи представлене на рис. 2.1. Тут, крім ділянки характеристик, що
відповідають рушійному режиму (квадрант I), показані ділянки характеристик у
квадрантах II й IV, що характеризують три можливих способи генераторного
електричного гальмування, а саме:
1) гальмування з віддачею енергії в мережу
(рекуперативне);
2) динамічне гальмування;
3) гальмування противмиканням.
В усіх виконавчих механізмах, де
використовується електричний привід, із уявлень безпеки, зазвичай застосовують
механічний і електричний способи гальмування. Механічне гальмування базується
на терті гальмівних частин об частини приводу, котрі обертаються, а електричне
- на створенні в двигуні гальмівного електромагнітного моменту М протилежного
напряму обертання.
Існують три види електричного
гальмування: рекуперативне, динамічне (реостатне) і протилежним ввімкненням.
Рекуперативне гальмування. Воно є
найбільш економічним, бо засноване на переводі двигуна в генераторний режим з
віддачею енергії в мережу.
Двигуни паралельного або змішаного
збудження можуть автоматично переходити в режим рекуперативного гальмування при
частоті обертання більше no = U / (ceФ) ;
характеристики продовжаться лівіше осі ординат, де обертальний момент є
від'ємним. У цьому випадку ЕРС машини стає більшою напруги мережі і
струм, змінює свій напрям.
Автоматичний перехід двигуна змішаного
збудження в рекуперативний режим і його порівняно "м'які" механічні
характеристики обумовили його застосування з метою електричної тяги на трамваях
і тролейбусах.
Можна перевести машину в рекуперативний
режим і примусово, зменшивши частоту обертання no шляхом
збільшення струму збудження (значить, Ф) або зниження
напруги U, що
підводиться.
Двигун послідовного збудження таким
чином не може перейти в рекуперативний режим: його характеристика не перетинає
осі ординат, а ЕРС Е ніколи не може стати більше від напруги U Справа в тому, що Е=сеп.Ф, а Ф=СфІя (ненасичена
магнітна система) і, згідно, n:I / Iя Тому зі
зростанням частоти обертання зменшується струм якоря, а з ним і магнітний
потік; отже, ЕРС Е не збільшується.
На електричному рухомому складі двигуни
послідовного збудження для переводу в рекуперативний режим, зміною схеми
ввімкнення перетворюють в генератори незалежного збудження.
Динамічне гальмування. Здійснюється
шляхом від'єднання якірної обмотки від мережі і замикання її на гальмівний
резистор (реостат) опором rr. При цьому механічна енергія
обертових мас перетворюється в електричну, котра витрачається на нагрівання
гальмівного резистора і інших елементів кола якоря.
Рис.2.1.1. Схема послаблення збудження (а) і швидкісні характеристики (б) двигуна.
Обмотка збудження двигуна паралельного
збудження залишається ввімкненою в мережу цієї ж полярності, а отже, струм
збудження і магнітний потік залишаються незмінними. Коли якірна обмотка
від'єднана від мережі, то струм, що споживає від мережі двигун, дорівнює
нулеві, але якір двигуна за інерцією продовжує обертатися, внаслідок чого у
ньому виникає ЕРС Е=сеп.Ф. Гальмівний
струм якоря, згідно,
Зміна знаку струму призводить до зміни знаку моменту, який з обертального стає гальмівним:
З цього виразу бачимо, що при постійному магнітному потоці Ф гальмівний момент залежить від частоти обертання п, котра внаслідок гальмування зменшується, і від опору гальмівного резистора rm.
Для підтримання гальмівного моменту
відносно постійним резистор виконують секціонованим. По мірі зменшення частоти
обертання якоря виводять секції гальмівного резистора, зменшуючи його опір і тим
самим підтримують струм і гальмівний момент постійним.
У двигуна послідовного збудження при
динамічному гальмуванні необхідно перемкнути виводи обмотки збудження для того,
щоб напрям струму в ній, а значить і магнітного потоку залишався незмінним.
Гальмування протилежним ввімкненням. Здійснюється
перемиканням виводів якірної обмотки або обмотки збудження, внаслідок чого
змінюється напрямок струму у якорі або магнітного потоку і знак моменту, котрий
з обертального стає гальмівним. Струм якоря після перемикання його обмотки
дорівнює
тобто він не тільки змінює свій знак, але і стрибком дуже збільшується, а з ним росте і гальмівний момент. Такий стрибок струму і гальмівного моменту може вижитися небезпечним для машини, якщо опір rm невеликий.
Гальмування протилежним ввімкненням
забезпечує швидку зупинку двигуна Але при гальмуванні цим способом двигун має
бути своєчасно вимкнений з мережі для уникнення обертання якоря у протилежному
напрямі (реверсу). Цей спосіб гальмування застосовується в
піднімально-транспортних механізмах при спусканні вантажу і інших випадках,
наприклад для попередження аварійних ситуацій, небезпечних для життя людей.
Кожен гальмовий режим є генераторним,
тому що енергія надходить у машину з валу, перетвориться в електричну й або
віддається в мережу, або затрачається на нагрівання елементів якірного кола,
які володіють активним опором, і розсіюється в навколишнє середовище. Динамічне
гальмування відбувається при відключенні якоря двигуна від мережі й замиканні
його на резистор, тому іноді його називають реостатним гальмуванням. Обмотка
збудження при цьому повинна залишатися приєднаної до мережі. Режим динамічного
гальмування також відповідає роботі машини як генератор.
Рисунок 2.2 – Схема включення двигуна
постійного струму незалежного збудження при динамічному гальмуванні При
динамічному гальмуванні, механічна енергія, що надходить із валу, у вигляді
кінетичної енергії, запасеної у двигуні й механізму, перетвориться в
електричну. Однак ця енергія не віддається в мережу, а виділяється у вигляді
теплоти в опорах ланцюга якоря. Внаслідок того, що ЕРС двигуна зберігає при
гальмуванні такий же знак, як й у руховому режимі, а напруга ззовні до якоря не
прикладається, струм якоря визначається по формулі:
(2.1)де R – опір якірного кола.
Гальмовий момент при динамічному
гальмуванні, може бути виражений рівністю:
(2.2)При Ф = const отримаємо:
(2.3)Програма
роботи,
1. Виконати електричний монтаж схеми
експериментальної установки.
2. За даними експериментів побудувати
електромеханічні характеристики двигуна в динамічному режимі гальмування для
трьох значень опору кола якоря. Опис
експериментальної установки
Електрична схема установки (рис. 2.3)
складається з таких елементів: автоматичний вимикач АП2; досліджуваний двигун
МПТ2 з обмоткою збудження Ш1 і Ш2, джерело механічної енергії двигун МПТ1 з
обмотками збудження Ш1 і Ш2, С1 і С2, повзунковий реостат R1 і ступеневі
реостати з перемикачами опорів R2, RЗ, амперметр РА1 електромагнітної системи
на межу вимірювання 5 А.
Порядок виконання роботи
1. Знайти на лабораторному стенді всі
елементи схеми, початкове положення яких таке: вимикач
АП2 вимкнений; повзунок реостата R1 в правому крайньому, відповідно до схеми,
положенні; перемикач R2 в положенні 3, R3 в положенні 1.
2. Змонтувати схему і представити
викладачеві для перевірки.
3. Визначення електромеханічних
характеристик в режимі динамічного гальмування.
Поставити перемикач R3 в положення 5, а
перемикач R2 в положення 1. Ввімкнути АП2. Записати покази стуму якоря і
швидкості двигуна МПТ2 в табл. 2.1.
Рисунок 2.3 – Схема експериментальної установки для дослідження електропривода постійного струму в гальмівних режимах
Таблиця 2.1 – Результати вимірів
електромеханічної характеристики в режимі динамічного гальмування
Перемикаючи R2 в положення 2-8 записувати покази струму з кроком 1А до 6А та покази швидкості при цьому в табл. 2.1. Поставити перемикач R3 почергово в положення 6 і 7 і провести дослід згідно з п. 3.1; 3.2.
16.10.2025р.
Тема
програми № 4. Електричні машини постійного струму.
Тема
уроку № 33. Лабораторна робота №4
«Регулювання швидкості електродвигунів постійного струму»
Працюємо
з підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор.
128 - 132.
https://youtu.be/_vTw1lgBgg0?si=CGydRaPuFv7pdldX
Опрацювати матеріал:
1. Призначення та
будова машин постійного струму.
2. Види регулювань
швидкості двигуна.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Перелічити основні методи регулювання електродвигунів.
2.
Що впливає на швидкість обертання асинхронного двигуна?
3. Опишіть режими
роботи S1 – S4.
4. Поясніть три
способи регулювання швидкості роботи двигуна які можна сформулювати за формулою:
5. Поясніть що називають
- природною електромеханічною характеристикою двигуна.
6. Замалюйте та
складіть схему експериментальної установки для визначення характеристик
електропривода постійного струму.
Метою роботи є
визначення електромеханічних характеристик електропривода постійного струму при
відомих способах регулювання швидкості.
Завданням є аналіз впливу цих параметрів
на роботу двигуна та вибір оптимального режиму для різних умов (наприклад,
тривалого режиму S1 або переривчастого S3).
Основні методи регулювання
Регулювання частотою струму: Зміна
частоти струму живлення впливає на швидкість обертання асинхронного двигуна.
Зміна напруги: Це один із способів
регулювання швидкості двигуна постійного струму. Зменшення напруги зменшує
швидкість обертання.
Регулювання опором: Включення
додаткового опору в коло якоря дозволяє змінювати швидкість обертання двигуна
постійного струму.
Зміна магнітного потоку: Зміна
магнітного потоку також є методом регулювання швидкості двигуна постійного
струму.
Режими роботи
Тривалий режим (S1): Підходить для
стабільного навантаження, де двигун працює безперервно при постійному навантаженні.
Переривчастий режим (S3):
Використовується при частих пусках і зупинках, наприклад, у ліфтах, кранах або
насосах.
Інші режими: Існують інші режими, такі
як короткочасний (S2) та тривало-змінний (S4), які мають специфічні умови
роботи.
Практичне значення
Дозволяє досягти необхідної швидкості
обертання для різних видів робіт.
Дозволяє оптимізувати енергоспоживання,
вибираючи найефективніший режим роботи.
Допомагає подовжити термін служби
двигуна, запобігаючи роботі в умовах, які можуть призвести до його пошкодження.
Основні теоретичні
положення.
Способи регулювання швидкості можуть
бути обґрунтованими за допомогою рівняння електричної рівноваги кола якоря
двигуна:
Uя
= Iя * Rя + Ея , (1.1)
де Uя –
напруга живлення кола якоря, В;
Iя
– струм у колі якоря, А;
Rя
– опір кола якоря, Ом;
Ея – електрорушійна сила обмотки якоря (проти-ЕРС), що визначається за формулою:
Ея = с ×Ф×w я, (1.2)
де с
– конструктивна стала двигуна;
Ф
– магнітний потік обмотки збудження;
wя
– кутова швидкість якоря, рад/сек.
З формул (1.1) і
(1.2) витікає формула залежності швидкості від параметрів електропривода
(1.3) За формулою (1.3) можна сформулювати три способи регулювання швидкості:
1) зміною напруги
якоря;
2) зміною опору
кола якорю;
3) зміною струму
збудження (магнітного потоку).
Одним з головних показників оцінки
способів регулювання є величина жорсткості електромеханічних характеристик, що
забезпечує електропривод як сукупність двигуна і регулювальних пристроїв
відповідно до даного способу регулювання. Природною електромеханічною характеристикою двигуна називають
таку, яку отримують при безпосередньому вмиканні кіл якоря і збудження двигуна
на напругу номінального значення.
А характеристики, отримані одним із
способів регулювання, називають штучними або регулювальними.
Програма роботи
Виконати електричний монтаж схеми
експериментальної установки згідно з рис. 1а. Виконати експерименти з
визначення механічних і електромеханічних характеристик для відповідних
способів регулювання швидкості двигуна. За даними експериментів побудувати три
графіки n=f(Iя):
- на першому – електромеханічні характеристики:
природну і дві штучних при зміні опору у колі якоря;
- на другому –
електромеханічні: природну і дві штучних при зміні напруги якоря; - на третьому – електромеханічні: природну і
дві штучних при зміні опору в колі збудження. На кожній характеристиці вказати
її жорсткість:
(1.4)Опис експериментальної установки.
Електрична схема установки (рис. 1, а,
б) складається з таких елементів: автоматичні вимикачі АП1 і АП2;
поворотні
перемикачі R2, R3, К6 ступенів опорів;
амперметри
РА1 на 10 А електромагнітної системи, вольтметр РV1 на 150 В електромагнітної
системи;
досліджуваний
двигун МПТ1 і навантажувальний генератор МПТ2 з відповідними їм обмотками
збудження – незалежною Ш1 і Ш2 і послідовною стабілізуючою С1 і С2; повзунковий
реостат R1;
регульований
випрямляч УП.
Клеми всіх елементів з відповідними
позначками знаходяться на горизонтальній та вертикальній панелях лабораторного
стенда.
Рисунок 1.1 – Схема експериментальної
установки для визначення характеристик електропривода постійного струму: а –
при зміні опорів кіл якоря і збудження;
б – при зміні напруги якоря Д2
Порядок виконання роботи
1. Монтаж електричної схеми
1.1. Знайти на
лабораторному стенді всі елементи схеми, початкове положення яких таке:
вимикачі АП1 і АП2 вимкнені; повзунок реостата R1 в правому крайньому,
відповідно до схеми, положенні; перемикачі R2 в положенні 1, R6 в положенні 2,
R6 в положенні 1; рукоятку автотрансформатора УП повернути проти годинникової
стрілки до упору.
1.2. Монтаж схеми
виконувати в такій послідовності: монтаж кола якоря МПТ1; монтаж кола збудження
МПТ1; монтаж кіл якоря і збудження МПТ2. Змонтовану схему представити
викладачеві для перевірки.
2. Визначення
природної електромеханічної характеристики двигуна.
2.1. Ввімкнути
вимикач АП2, з метою обмеження пускового струму поступово перевести перемикач
R2 в положення 8, реалізуючи таким чином пуск двигуна в залежності від часу, а
потім записати у таблицю 1.1 значення струму якоря, моменту і швидкості.
2.2. Переміщуючи
повзунок реостата R1 в ліве за схемою положення, встановити на амперметрі РА1
значення струму від 0 до 5 А з кроком 1 А, записуючи відповідні значення
швидкості і струму в табл. 1.1. Після закінчення досліду повзунок реостата R1
повернути в початкове положення.
2.3. Схему
залишити під напругою, тобто вимикач АП2 не вимикати.
3. Визначення електромеханічних
характеристик при зміні опору в колі якоря.
3.1. Перевести
перемикач R2 в положення 5 і записати значення струму якоря і швидкості в табл.
1.2. 3.2. Виконати дослід аналогічно п. 2.3. 3.3. Перевести перемикач R2 в
положення 2, записати значення струму якоря і швидкості. Виконати дослід
аналогічно п. 2.3. 3.4. Після закінчення досліду перемикач R2 перевести в
положення 1, повзунок реостата R1 перевести в початкове положення і вимкнути
вимикач АП2. 4. Визначити механічні та електромеханічні характеристики при
зміні струму збудження. 4.1. Перевести перемикач R6 в положення 2. 4.2.
Виконати дії аналогічні п. п. 2.1., 2.2., 2.3, результати вимірів занести в
табл. 1.3. 4.3. Перевести перемикач R6 в положення 3 і виконати дії
аналогічно п. 4.2. 5. Визначити
електромеханічні характеристики при зміні напруги якоря. 5.1. Вилучити із схеми
перемикач R2 і змонтувати схему кола якоря МПТ1 згідно з рис. 1, б. 5.2. Першим
обов'язково ввімкнути вимикач АП2 і тільки потім увімкнути вимикач АП1.
Перемикач R3 поставити в положення 1. 9
10 5.3. Плавно повертаючи рукоятку регульованого випрямляча УП
встановити на вольтметрі РV1 напругу якоря 50 В. 5.4. Виконати дії аналогічно
п. 2.2. результати вимірів занести в
табл. 1.4. 5.5. Не вимикаючи вимикачів АП1 і АП2, повторити дослід для
напруги 100 В. 5.6. Після закінчення дослідів обов'язково першим вимикати
вимикач АП1 і тільки потім вимкнути АП2.
Таблиця 1.1 – Результати вимірів при
визначені електромеханічної природної характеристики
Таблиця 1.2 – Результати вимірів електромеханічної характеристики при зміні опору в колі якоря
Таблиця 1.3 – Результати вимірів електромеханічної характеристики при зміні струму збудження
Таблиця 1.4 – Результати вимірів електромеханічної характеристики при зміні напруги якоря
15.10.2025р.
Тема програми № 4. Електричні машини постійного струму.
Тема уроку № 32. Принцип
зворотності електричних машин.
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 128 - 132.
Опрацювати матеріал:
1. Призначення та будова машин постійного
струму.
2. Визначення генератора та двигуна.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Опишіть призначення генератора
постійного струму.
2. Опишіть
призначення двигуна постійного струму.
2. Опишіть будову електричної машини
постійного струму.
3. Поясніть правило лівої руки під час
роботи двигуна.
4. Поясніть правило правої руки під час
роботи генератора.
5. На які електричні машини поширюється
принцип зворотності.
Принцип
зворотності електричних машин полягає в тому, що одна й та сама машина
може працювати як у режимі двигуна, так і в режимі генератора. Це означає,
що при подачі електричного струму вона перетворює електричну енергію на
механічну (як двигун), а при механічному обертанні валу — перетворює механічну
енергію на електричну (як генератор). Цей принцип є фундаментальним для
будь-якої електричної машини, як постійного, так і змінного струму.
Електричний двигун працює за правилом
лівої руки (або правилом сили Ампера), яке пояснює, як провідник зі
струмом у магнітному полі створює механічний рух. Генератор працює
за правилом
правої руки (або принципом електромагнітної індукції), де механічний
рух перетворюється на електричний струм.
Як це працює
- Режим двигуна:
Коли через провідник в магнітному полі
проходить струм, на нього діє сила, яка змушує провідник рухатися (обертатися).
Напрямок сили визначається за правилом лівої руки.
На обмотки машини (наприклад, ротора)
подається електричний струм, який взаємодіє з магнітним полем. Ця
взаємодія створює електромагнітну силу, яка обертає вал.
Перетворює
електричну енергію на механічну.
- Режим
генератора:
Коли
провідник (або котушка) рухається в магнітному полі, в ньому індукується
електричний струм. Напрямок цього індукованого струму визначається за
правилом правої руки.
Ротор машини механічно обертається
(наприклад, за допомогою зовнішнього джерела), і його обмотки перетинають
магнітне поле. Це явище електромагнітної індукції генерує в обмотках
електричну напругу та струм.
Перетворює механічну енергію на
електричну.
Ключові моменти
- Універсальність:
Цей принцип
дозволяє використовувати одні й ті самі пристрої для різних завдань, що робить
їх універсальними.
- Типи машин:
Принцип
зворотності поширюється як на машини постійного, так і змінного струму.
- Приклади:
Електродвигуни
постійного струму є класичним прикладом, що може працювати як у режимі двигуна,
так і генератора.
15.10.2025р.
Тема
програми № 4. Електричні машини постійного струму.
Тема
уроку № 31. Лабораторна робота №3
Електродвигуни з різними типами збудження обмоток
Працюємо
з підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор.
128 - 132.
Опрацювати матеріал:
1.
Призначення ЕМПС.
2.
Будова машин постійного струму.
3.
Способи збудження машин постійного струму.
Д.З.
Оформити конспект. Відповісти на питання:
1.
Перелічіть основні елементи конструкції МПС та їх призначення.
2.
Перелічіть активні та конструктивні матеріали, які застосуються в МПС, і
назвіть їхні основні властивості.
3.
Поясніть принцип роботи МПС у генераторному режимі.
4.
Поясніть принцип роботи МПС у двигунному режимі.
5.
Як змінити напрям обертання двигуна постійного струму?
6.
Накресліть клеми коробки виводів (реально розмістивши їх на площині креслення),
виконайте необхідні з'єднання їх одна з одною і покажіть, які клеми необхідно
підключати до мережі.
7.
Нарисуйте електричну схему з'єднань машини.
8.
Які способи збудження можуть мати машини постійного струму?
9.
Як працює контактна пара „щітка – колектор” при роботі МПС в режимах генератора
і двигуна?
1.1. Мета роботи Закріплення
теоретичних знань про загальну будову та принцип дії електричної машини
постійного струму (МПС); вивчення будови, конструкції та призначення окремих її
вузлів і деталей.
1.2. Завдання щодо проведення
лабораторної роботи.
При проведенні лабораторної роботи
виконуються наступні завдання:
-
ознайомлення з робочим місцем;
-
вивчення загальної будови дослідної МПС;
-
виконання ескізу магнітної системи;
-
виконання ескізів якоря та листа осердя якоря;
-
виконання ескізу паза якоря з обмоткою;
-
креслення електричної схеми з’єднань МПС.
У результаті теоретичної підготовки і
проведення лабораторної роботи студент повинен знати:
-
загальну будову та призначення і особливості конструкції окремих вузлів і
деталей МПС;
-
принцип дії МПС в генераторному і двигунному режимах;
-
роботу контактної пари ״електрощітка-колектор״ в режимі випрямляча і в режимі
інвертора.
1.3. Теоретичні положення Із загальної
теоретичної частини (додаток А) відомий принцип дії МПС в режимах роботи
генератором та двигуном. Там також показана конструкція двигуна постійного
струму типу 4ПН225М.
Електричні машини постійного струму
мають широке застосування в народному господарстві переважно як двигуни, а як
генератори рідко – у спеціальних випадках. Їхньою особливістю є простота
керування частотою обертання (в режимі двигуна) і регулювання напруги (в режимі
генератора).
В конструкції МПС виділяються дві
основні частини:
1)
нерухома частина, яка призначена головним чином для створення основного
магнітного потоку збудження: тому цю частину називають індуктором;
2)
обертальна частину, в якій проходить процес перетворення механічної енергії на
електричну (в режимі генератора), або електричної енергії на механічну (в
режимі двигуна), тому цю частину називають якорем.
З функціональної точки зору МПС має:
1)
активну частину, яка створює умови для електромагнітних процесів, необхідних
для реалізації принципу дії машини (станина, осердя полюсів, обмотки полюсів,
осердя якоря, обмотка якоря, колектор, щітки та ін.);
2)
механічну частину, яка служить головним чином для утримання елементів активної
частини, передачі та сприйняття механічних навантажень (вал, підшипникові щити,
знов станина, підшипники, траверса, лапи та ін.). Нерухома і обертальна активні
частини відокремлені одна від одної повітряним проміжком відносно малої
величини.
1.4. Опис експериментальної установки
Конкретним об'єктом вивчення будови МПС є двигун постійного струму типу ПН28,5.
Дослідний зразок цього двигуна зображений на робочому місці двома окремими
частинами – статором і якорем з підшипниковими щитами. Конструктивна схема
двигуна наведена на рис. 1.1.
Рисунок 1.1 – Конструктивна схема
машини постійного струму: 1 – станина; 2 – осердя головного полюса; 3 – котушка
паралельної або незалежної обмотки збудження; 4 – послідовна обмотка збудження;
5, 6– осердя и обмотка додаткового полюса; 7 – якір; 8 – вал; 9 – обмотка
якоря; 10 – осердя якоря; 11 – колектор; 12 – щіткотримач; 13 – траверса; 14 –
підшипниковий щит
Статор складається з циліндричної
станини, осердь головних та додаткових полюсів і розташованих на них котушок
відповідних обмоток, причому осердя закріплені болтами на внутрішньої поверхні
станини.
Якір складається з валу, шихтованого
стального осердя, обмотки і колектора. Осердя кріпіться на валу, обмотка якоря
укладена в пазах осердя, а кожна її секція приєднана до півників
колектора. Вал обертається в підшипниках
кочення, закріплених в підшипникових щитах, які, у свою чергу, кріпляться з
торців станіни. На валу якоря, з
боку, протилежного колектору, закріплений відцентровий вентилятор.
На кільцевій проточці підшипникового
щита з боку колектора закріплена щіткова траверса. На ній розташовані
щіткотримачі з щітками.
Позначення вивідних кінців обмоток МПС
(ГОСТ 26772-85) наведено в табл. 1.1 (окремий випадок маркірування вивідних
клем є на рис.1.1).
Таблиця 1.1. Позначення вивідних кінців
обмоток машин постійного струму
1.5. Порядок виконання роботи.
1.5.1. Ознайомтеся
з дослідним зразком машини постійного струму і впишіть до табл. 1.2 її
паспортні дані із заводської таблички, прикріпленої до станини: тут PN ,UN ,
IaN, nN – номінальні потужність, напруга і струм якоря,
частота обертання. UN, B
Таблиця 1.2 – Паспортні дані дослідної
машини постійного струму
1.5.2. Вивчіть будову окремих вузлів і
деталей дослідного зразка (див. додаток А.2) та опишіть призначення і
конструктивне виконання [1–4,7]: 1) станини; 2) осердя головного полюса; 3) котушки
обмотки збудження; 5) котушки
додаткового полюса; 7) обмотки
якоря; 9) валу; 11) вентилятора; 13) підшипникових вузлів. 4) осердя додаткового
полюса; 6) осердя якоря; 8) колектора; 10) траверси; 12) підшипникових щитів;
1.5.3. Виконайте ескізи якоря та лист
осердя якоря. Обирається ескіз
повздовжнього перерізу якоря, на якому треба зобразити вал, осердя якоря зі
шпонкою та натискними шайбами, стопорне кільце, обмоткотримачі, обмотку якоря,
колектор на металевому корпусі та вентилятор. На ескізі листа осердя якоря
зобразіть пази, отвори осьових вентиляційних каналів, отвір для валу зі шпонковим
пазом та шихтувальним знаком.
1.5.4. Виконайте ескіз паза якоря з
обмоткою, тобто, ескіз поперечного перерізу відкритого паза з паралельними
стінками з кріпленням під клин, де треба показати двошарову обмотку з проводу
прямокутного перерізу, виткову, корпусну та міжшарову ізоляцію.
1.5.5. Виконайте ескіз магнітної
системи. На ескізі поперечного перерізу машини треба виділити окремі ділянки
основного магнітопроводу: осердя головного полюса, повітряний проміжок, зубцевий
шар осердя якоря, спинка якоря і ярмо станини.
На ескізі також нанесіть середні лінії
проходження магнітних потоків машини, створених:
1)
струмом в обмотці збудження головних полюсів;
2)
струмом в обмотці якоря; 3) струмом в обмотці додаткових полюсів.
1.5.6. Нарисуйте електричну схему
з'єднань обмоток машини.
Схему
треба виконати на тлі ескізу поперечного перерізу машини (рис. 1.2). Зобразіть
котушки на всіх головних та додаткових полюсах і позначте початок і кінець
кожної котушки літерами П і К. З'єднайте
між собою котушки головних полюсів таким чином, щоб забезпечити черговість
полярності цих полюсів (N – північний, S – південний). З'єднайте виводи котушок додаткових полюсів і
обмотки якоря через щітки певної полярності. Узгодьте полярності головних і
додаткових полюсів (N або S), завдавшись напрямком обертання якоря у генераторному
G та двигунному M режимах.
Рисунок 1.2 – Електрична схема з'єднань
машини постійного струму 1.6. Оформлення звіту про роботу
1.6.1. Оформіть звіт про виконану роботу
відповідно до вимог, які викладені на стенді в лабораторії кафедри та в додатку
Д даних методичних вказівок.
1.6.2. Наведіть табл.1.2 з номінальними
даними і параметрами дослідного зразка машини постійного струму.
1.6.3. Приведіть ескіз конструкції машини
постійного струму (див. рис.1.1). 1.6.4.
Приведіть ескіз листа осердя якоря та переріз паза якоря з обмоткою. 7 1.6.5. Приведіть ескіз магнітної системи
та нанесіть усі магнітні контури, утворені магнітними потоками від струмів в
обмотках при роботі машини.
1.6.6. Приведіть ескіз електричної
схеми з'єднань обмоток машини (рис. 1.2) і нарисуйте схему збудження дослідного
зразка з варіантів на рис.1.3.
Рисунок 1.3 – Умовні позначення машини постійного струму
при різних способах збудження: а – від
постійних магнітів; б – паралельне збудження; в – незалежне збудження; г –
послідовне збудження; д – змішане збудження; е –
послідовне збудження при наявності компенсаційної обмотки (тяговий двигун)
13.10.2025р.
Тема
програми № 4. Електричні машини постійного струму.
Тема
уроку № 30. Принцип дії та характеристики роботи
електричного двигуна постійного струму»
Працюємо
з підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор. 128
- 132.
https://youtu.be/YPgVrsKGIeM?si=Ks9tzKK8gGOZJz7T
https://youtu.be/fMomgAgoFUA?si=oQDGtwAlp3py14Gr
Опрацювати
матеріал:
1. Будова машин
постійного струму.
2. Типи і
характеристики машин постійного струму.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Опишіть призначення двигуна постійного струму.
2. Опишіть будову двигуна
постійного струму.
3. Що виражають характеристики
двигунів постійного струму?
4. Як розрізняють
машини постійного струму за способом збудження?
5. Замалюйте схеми
збудження машин постійного струму.
2. Будова машин постійного струму. Одна й та сама машина
постійного струму в принципі може працювати і як генератор, і як двигун. (Ця
властивість машини постійного струму, що називається оборотністю, дає змогу не
розглядати окремо будову генератора чи двигуна.) Проте кожну електричну машину
завод випускає з певним призначенням — працювати тільки як генератор або тільки
як двигун. Дуже рідко використовують машини постійного струму, призначені для
роботи як генератором, так і двигуном. Генератори постійного струму
застосовують тоді, коли потрібно мати самостійне джерело струму, наприклад для
живлення деяких видів електромагнітів, електромагнітних муфт, електродвигунів,
електролізних ванн, зварювальних установок тощо. Електродвигуни постійного
струму застосовують тоді, коли потрібно плавно регулювати швидкість, наприклад
у тролейбусах, електровозах, деяких типах підйомних кранів, у пристроях
автоматики. Статор машини постійного струму складається зі станини (рис. 1) і
осердя. Станину виготовляють з маловуглецевої сталі, яка має значну магнітну
проникність. Тому станина є також і магнітопроводом. Одночасно це основна
деталь, що об'єднує інші деталі й складальні одиниці машини в єдине ціле. Так,
до станини із середини прикріплюють болтами полюси, котрі складаються з осердя,
полюсного наконечника і котушки.
Рис. 1. Будова машини постійного
струму: 1 — задній підшипниковий щит; 2 — затискачі; 3 — станина; 4 — головний
полюс; 5 — обмотка головного полюса; 6 — вентилятор; 7 — обмотка якоря; 8 —
осердя якоря; 9 — колектор; 10 — вал; 11 — траверса із щитковим механізмом; 12
— передній підшипниковий щит
Рис. 2. Якір машини постійного струму:
а — якір без обмотки; б — сталевий лист осердя якоря; 1 — натискні шайби; 2 —
зубець; З — паз; 4 — вентиляційний отвір Розрізняють основні й додаткові
полюси. Основні полюси збуджують магнітне поле; тому обмотки їх котушок
називають обмотками збудження. Додаткові полюси встановлюють у машинах
підвищеної потужності (понад 1 кВт) для поліпшення роботи машини; обмотку
додаткових полюсів з'єднують послідовно з обмоткою ротора (якоря). Ротор (якір)
(рис. 2) машини постійного струму складається з осердя й обмотки. Осердя якоря
набирають з тонких листів електротехнічної сталі, ізольованих один від одного
лаковим покриттям, що зменшує втрати на вихрові струми. У пази осердя вкладають
обмотку якоря. В осерді якоря роблять вентиляційні канали. Щоб струм від
обмотки якоря в зовнішнє коло (у генераторі) або із зовнішнього кола до обмотки
якоря (у двигуні) проходив в одному й тому самому напрямі, у машині постійного
струму встановлюють колектор (рис. 3). Набирають його з мідних пластин,
ізольованих одна від одної міканітовими прокладками. Кожну пластину колектора
з'єднують з одним або кількома витками обмотки якоря. Осердя якоря і колектор
закріплюють на одному валу (див. рис. 1). Отже, колектор — це пристрій, який
конструктивно об'єднаний з якорем (ротором) електричної машини і є механічним
перетворювачем частоти. По ізольованих один від одного і приєднаних до витків
обмотки якоря пластинах, що становлять колектор, ковзають струмознімні щітки
(рис. 4). Через ці щітки й колектор обмотка якоря приєднується до зовнішнього
електричного кола. Щітки вставляють в обойми щіткотримача і притискують до
колектора пружинами.
Рис. 4. Щітковий механізм машини
постійного струму: а — траверса; б — щіткотримач; 1 — щітковий палець; 2 —
ізоляція кільця від траверси; З — стопорний болт; 4 — мідний провід; 5 —
натискні пластини; 6 — місце розміщення пружини; 7 — обойма; 8 — щітка Під час
роботи машини щітки ковзають по колектору. Щіткотримачі кріплять до траверси.
3. Типи і характеристики машин постійного струму. Машини
постійного струму розрізняють за способом збудження.
У машинах з незалежним збудженням
обмотка збудження живиться від побічного джерела струму (рис. 5, а).
Якщо обмотка збудження дістає живлення
від затискачів якоря і з'єднана з ними паралельно, таку машину називають
машиною з паралельним збудженням (рис. 5, б).
Таку саму машину, але з послідовним
з'єднанням обмотки збудження із затискачами якоря називають машиною з
послідовним збудженням (рис. 5, в). У
машинах зі змішаним збудженням є дві обмотки збудження, одна з яких з'єднана із
затискачами якоря послідовно, а друга — паралельно (рис. 5, г).
Рис. 5. Схеми машин постійного струму
(пускові й регулювальні реостати не показано): а — з незалежним збудженням; б —
з паралельним збудженням; в — з послідовним збудженням; г — зі змішаним
збудженням.
Характеристики машини постійного струму
показують її робочі якості. Характеристику генератора, яка виражає залежність
між напругою на його затискачах і силою струму в обмотці якоря, називають
зовнішньою характеристикою (рис. 6). З рисунка видно, що залежно від способу
збудження генератора можна дістати як стабільні, так і регульовані напруги.
Характеристики двигунів постійного
струму виражають також залежність обертаючого моменту від сили струму в обмотці
якоря (рис. 7) і частоти обертання від обертаючого моменту (рис. 8). Залежність
частоти обертання від обертаючого моменту називають механічною характеристикою
двигуна. Ці характеристики показують, що залежно від способу живлення обмотки
збудження можна в широких межах регулювати як значення обертового моменту, так
і частоту обертання двигуна постійного струму.
Рис. 6. Зовнішня характеристика
генератора постійного струму: а — з незалежним і паралельним збудженням; б — з
послідовним збудженням; в — зі змішаним збудженням
Рис. 7. Залежність обертаючого моменту
на валу електродвигуна постійного струму від сили струму в обмотці якоря: а — з
незалежним і паралельним збудженням; б — з послідовним збудженням; в — зі змішаним
збудженням
Рис. 8. Механічна характеристика
електродвигуна постійного струму: а — з незалежним і паралельним збудженням; б
— з послідовним збудженням; в — зі змішаним збудженням
13.10.2025р.
Тема програми № 4. Електричні машини
постійного струму.
Тема уроку № 29. Лабораторна робота №2 «Генератори з різними
типами збудження обмоток».
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 128 - 132.
Опрацювати матеріал:
1. ОП. Під час проведення робіт.
2. Генератори з різними типами збудження
обмоток.
3. Складання електричних схем.
4. Вимірювання вихідної напруги, струму
генератора та навантаження за різних умов роботи.
5. Аналіз отриманих результатів.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Яке призначення генератора постійного
струму.
2. Опишіть будову генератора постійного
струму.
3. Складіть електричну схему підключення генераторів
за способом збудження.
4. Проведіть вимірювання вихідної напруги,
струму генератора та навантаження за різних умов роботи.
5. Проаналізувати отримані результати та
зробіть висновок.
Лабораторна робота «Генератори з
різними типами збудження обмоток» дозволяє вивчити та порівняти характеристики
генераторів постійного струму з різними схемами збудження: незалежного,
паралельного, послідовного та змішаного.
Мета роботи – зрозуміти, як тип
збудження впливає на вихідну напругу, струм навантаження та інші параметри
машини, і навчитися визначати ці характеристики на практиці шляхом проведення
експериментів та аналізу отриманих даних.
Обладнання: Лабораторний генератор
постійного струму, джерело живлення, лабораторні вольтметри, лабораторні
амперметри, магазин опорів, реостатів, вимикач., провідники.
Основні завдання лабораторної роботи
• Зібрати
електричні схеми
генераторів з різними типами збудження.
• Провести
вимірювання вихідної напруги, струму генератора та навантаження за різних умов
роботи.
• Побудувати
графіки залежностей
характеристик генератора від струму
збудження або навантаження.
• Проаналізувати
отримані результати
та порівняти характеристики генераторів з
різними типами збудження.
Типи збудження обмоток
• Незалежне
збудження:
Обмотка збудження живиться від зовнішнього
джерела постійного струму. Це дозволяє незалежно регулювати струм збудження та
навантаження, що забезпечує найкращі характеристики керування.
• Паралельне
збудження:
Обмотка збудження приєднана паралельно до
якорю. Це найпоширеніший тип збудження, який забезпечує відносну стабільність
напруги при зміні навантаження.
• Послідовне
збудження:
Обмотка збудження приєднана послідовно до
якорю. Характеризується сильною залежністю напруги від навантаження. При
відсутності навантаження генератор не працюватиме.
• Змішане
збудження:
Має
дві обмотки збудження: послідовну та паралельну. Це дозволяє отримати
характеристики, проміжні між характеристиками послідовного та паралельного
збудження, і використовувати їх для певних специфічних завдань.
Очікувані результати
Після
виконання роботи ви отримаєте чітке розуміння того, як кожен тип збудження
впливає на роботу генератора. Ви зможете самостійно складати схеми, проводити
вимірювання та аналізувати отримані результати, що є важливим для майбутньої
роботи з електродвигунами та генераторами.
Класифікація
генераторів за способом збудження. Для нормальної роботи генератора в ньому
повинно бути створене основне магнітне поле, для чого обмотка збудження
генератора повинна бути підключена до джерела постійної напруги. Властивості
генераторів постійного струму залежать від числа і способу підключення обмоток
збудження або, як говорять, від способу збудження генераторів. Залежно від
способу збудження розрізняють генератори з незалежним збудженням та з
самозбудженням.
Генератори з незалежним збудженням
виконуються з електромагнітним і магнітоелектричним збудженням.
У генераторів з електромагнітним
збудженням обмотка збудження F1–F2, розташована на головних полюсах,
підключається до незалежного джерела живлення (рис1); в цьому випадку обмотка
збудження називається незалежною обмоткою збудження (НОЗ). Струм кола збудження
Із може змінюватися в широких межах за допомогою резистора Rз. Потужність,
споживана обмоткою збудження, невелика й у номінальному режимі складає 1–5%
номінальної потужності, що знімається з якоря генератора. Звичайно, процентне
значення потужності збудження зменшується із зростанням номінальної потужності
машини.
Рисунок 1. Схема генератора з незалежним збудженням
Номінальна напруга обмотки збудження
генератора вибирається рівною або (інколи) меншою номінальної напруги обмотки
якоря А1–А2. Для зменшення іскріння щіток в коло якоря послідовно з обмоткою
якоря вмикається обмотка додаткових полюсів (ОДП) В1–В2.
Магнітоелектричні генератори
збуджуються постійними магнітами, з яких виготовляються полюси машини. З таким
способом збудження виконуються генератори переважно невеликої потужності.
Недоліком генераторів з магнітоелектричним збудженням є трудність регулювання
напруги.
У генераторів із самозбудженням обмотка
збудження отримує живлення від власного якоря. Залежно від способу її вмикання
генератори із самозбудженням підрозділяються на генератори з паралельним,
послідовним і змішаним збудженням.
Схема з’єднання генератора з
паралельним збудженням показана на рис. 2.
Рисунок 2. Схема генератора з паралельним збудженням
Коло обмотки збудження Е1–Е2 вмикають
паралельно якорю, від якого вона і отримує живлення; в цьому випадку обмотку
збудження називають паралельною обмоткою збудження або шунтовою (ШОЗ), яку
розраховують на напругу якоря.
Резистор Rз дає можливість змінювати
струм збудження Із, а отже, і вихідну напругу U. Струм якоря Іа у такого
генератора дорівнює сумі
Ia
= I + Iз ,
де І – струм
навантаження.
Струм збудження відносно малий і для номінального режиму складає 1–5% номінального струму машини.
Рисунок 3. Схема генератора з послідовним збудженням
У генератора з послідовним збудженням
(рис. 3) обмотка збудження з’єднується послідовно з якорем; в цьому випадку
обмотку збудження називають послідовною обмоткою збудження або серієсною (СОЗ).
Її струм збудження дорівнює струму якоря:
І
з = І а = І .
У генераторів із змішаним збудженням
(рис. 4) на полюсах розміщають дві обмотки. Одна з них має велике число витків
і виконана з провідників відносно невеликого перерізу – вмикається паралельно
якорю, а інша обмотка з малим числом провідників великого перерізу – вмикається
послідовно з якорем.
Рисунок
4. Схема генератора із змішаним збудженням
Струм якоря такого генератора
Ia
= I + Iз .
В цих генераторів паралельна і
послідовна обмотки можуть бути увімкнені узгоджено (магніторушійні сили цих
обмоток направлені узгоджено) і зустрічно (їхні магніторушійні сили спрямовані
зустрічно). В залежності від цього розрізняють генератори змішаного узгодженого
вмикання і генератори змішаного зустрічного вмикання.
В основному в генераторах із змішаним
збудженням основна частина магніторушійної сили збудження створюється
паралельною обмоткою.
Генератори із
паралельним, послідовним і змішаним збудженням називають відповідно
генераторами шунтового, серієсного і компаундного збудження.
Номінальна потужність, яка споживається
обмоткою збудження, визначається з виразу
Pз.ном
= U з.ном * І з.ном ,
а вихідна номінальна потужність генератора
–
P2
ном = U ном * І ном .
09.10.2025р.
Тема
програми № 4. Електричні машини постійного струму.
Тема
уроку № 28. Принцип дії та характеристики роботи генератора постійного струму.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор. 128 - 132.
https://youtu.be/zuAB2h_gb1o?si=7EqsZNjqlSyP7mMs
https://youtu.be/UlbS-nZPswA?si=wnI5ZYpx3DZ6bdbY
https://youtu.be/U3NVs9U_CXQ?si=wyADGyT_pfJelYOO
Опрацювати
матеріал:
1. Електричні
машини постійного струму.
2. Генератори
постійного струму.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Опишіть призначення генератора постійного
струму.
2. Опишіть будову
генератора постійного струму.
3. Які сили
виникають в генераторі постійного струму?
4. На чому основна
робота генератора постійного струму?
5. Що утворюється
в кожній обмотці при обертанні якоря?
Електричні машини постійного струму
енергетично зворотні, тобто вони можуть бути як двигунами, так і генераторами.
На сьогодні машини постійного струму широко застосовують як двигуни і меншою
мірою як генератори. Це пояснюється перевагою двигунів постійного струму над
іншими електродвигунами.
Двигуни постійного
струму (ДПС) мають такі переваги:
можливість
плавного регулювання частоти обертання;
кращі пускові
якості: вони можуть розвивати великий пусковий момент при відносно невеликому
струмі.
Завдяки цьому їх широко використовують
як тягові двигуни на електротранспорті (електрокари), а також у промисловому
виробництві. Крім того, ДПС є виконавчими ланками систем автоматичного
регулювання.
Генератори напругою 6–12 В часто
застосовують для зарядки акумуляторних батарей.
Генератори і двигуни постійного струму
мають однакову конструкцію. Нерухома частина машини, статор (рис. 1),
складається з масивного сталевого корпусу, до якого прикріплені полюсні
наконечники 1 з обмоткою збудження 2. Струм, що проходить по обмотці збудження,
створює основне магнітне поле машини.
Якір – рухома частина електричної
машини. Являє собою осердя з окремих листів електротехнічної сталі, що
запресовані на вал 3. В осерді нарізані пази, у які укладена обмотка якоря.
Кінці обмотки виведено в колектор 4. Із зовнішнім ланцюгом обмотка якоря
з’єднується з допомогою колектора і електрографітових щіток 5. Колектор у
зібраному стані насаджують на вал якоря. Обертова обмотка якоря з’єднується із
зовнішнім ланцюгом ковзним контактом між щітками і колектором.
Колектор є електромеханічним
перетворювачем і забезпечує створення постійного за напрямом обертового моменту
(для двигунів) шляхом зміни напрямку струму в провідниках якірної обмотки, що
переміщаються із зони одного полюса в зону іншого.
Рис.
1. Загальний вигляд електричної машини постійного струму
У генераторах колектор забезпечує
випрямлення змінної ЕРС, що індукована обертовою обмоткою якоря.
Недоліком машин постійного струму є
наявність щіток колекторного апарата, що вимагає ретельного догляду та
експлуатації і знижує надійність роботи машини.
Тому останнім часом генератори
постійного струму в стаціонарних установках витісняються напівпровідниковими
перетворювачами, а в транспорті – синхронними генераторами, що працюють спільно
з напівпровідниковими випрямлячами.
Робота електричного генератора
постійного струму заснована на явищі електромагнітної індукції.
Найпростішим генератором є рамка
(виток), що обертається в магнітному
полі (рис. 2).
Рис.
2. Рамка, що обертається в магнітному полі
В електричних генераторах застосовують
не один виток, а кілька десятків. Ці
витки, сполучені відповідним чином, утворюють обмотку якоря генератора. При
обертанні обмотки якоря в магнітному полі генератора в кожному витку обмотки
виникає ЕРС. Якщо до генератора підключений споживач, то в ланцюзі «генератор –
споживач» піде струм.
08.10.2025р.
Тема програми №3. Тема 4. Електричні машини постійного
струму
Тема уроку №27. Процес комутації.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002., 381. Стор. 244-245.52 – 60.
Опрацювати матеріал:
1. Процес комутації.
2. Негативні наслідком комутації.
3. Зменшення негативних наслідків
комутації.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Що називають комутацією?
2. Які щітки називають активними, а які
реактивними (або спосіб встановлення їх)?
3. В чому полягають негативні наслідком
комутації?
4. Які заходи застосовують для зменшення
негативних наслідків комутації?
Комутацією називають процес зміни
напряму струму у секціях обмотки якоря електричної машини постійного струму при
переході їх з однієї паралельної вітки в іншу.
У більш широкому значенні під
комутацією розуміють усі явища і процеси, що виникають у ковзному електричному
контакті між щіткою і пластинами колектора.
Негативним наслідком комутації є
іскріння.
Причини іскріння бувають механічні та
електромагнітні.
До основних механічних причин, що
зумовлюють іскріння внаслідок порушення щільності прилягання щітки до пластини
колектора, належать: відхилення поверхні колектора від циліндричності,
мікронерівності та забруднення робочої поверхні колектора,- наявність виступаючих
пластин та ізоляційних прокладок, невідрегульований натиск щіток і т. ін.
Електромагнітні причини іскріння
розглянемо детальніше. Обмотка якоря поділена а парами щіток (див. попередній
параграф) на 2а паралельних віток. Напрям
струму в двох сусідніх вітках взаємно протилежний. Обертаючись, секція
переходить з однієї вітки в іншу і напрям струму у секції змінюється на
протилежний, тобто від +1 до —І.
Упродовж періоду комутації секція є
замкнутою накоротко і утворює замкнутий контур.
У цьому замкнутому контурі наводяться,
згідно із законом електромагнітної індукції, такі електрорушійні сили:
самоіндукції eL, що
зумовлена зміною струму у контурі з +1 до —І; взаємоіндукції ем,
зумовлена зміною струму з +/ до —І у сусідній секції, оскільки щітка може
одночасно перемикати не одну, а кілька секцій;
комутаційна електрорушійна сила ек,
зумовлена рухом закороченої секції (контуру) у спільному магнітному полі
основних полюсів, додаткових полюсів і обмотки якоря.
За умови відсутності наведених ЕРС,
струм у секції змінюється лінійно від +1 до -1. Така комутація називається
прямолінійною і є ідеальною. У реальних машинах у закороченій секції під дією
електрорушійних сил eL, ем, ек проходять
додаткові струми, які спотворюють лінійний хід комутації і вона стає
сповільненою. Це призводить до того, що під краєм колекторної пластини, яка
відходить з-під щітки, густина струму зростає. Виникають сприятливі умови для
іскріння під краєм щітки, від якого пластини відходять.
Щоб зменшити негативні наслідки
комутації, вживають такі заходи:
1.
Встановлюють додаткові полюси у проміжку між основними полюсами. По обмотках
додаткових полюсів пропускають струм якоря, який збуджує додаткове магнітне
поле такого значення, щоб комутаційна електрорушійна сила ек
компенсувала електрорушійні сили eL та ем у закороченій секції.
2.
Щітки зміщують з лінії симетрії основного магнітного поля (геометрична
п-п
нейтраль) на лінію симетрії сумарного магнітного поля (фізична
нейтраль
т - т , див. рис 9.6).
3.
Використовують спеціальні матеріали, для виготовлення щіток.
08.10.2025р.
Тема програми Тема 4. Електричні машини постійного струму
Тема уроку №26. Фізична сутність реакції якоря.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор.
Опрацювати матеріал:
1. Фізична сутність реакції якоря.
2. Комутаційні процеси.
3. Механічні дефекти.
4. Нерівномірний розподіл напруги на
колекторі.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Що називають фізичною сутністю реакції
якоря?
2. Як комутаційні процеси впливають на
іскріння?
3. Який плив механічних дефектів на
іскріння?
4. Чому сприяє іскріння під щітками?
5. Що сприяє круговому вогню?
Фізична сутність
комутаційного процесу полягає в тому, що в секції обмотки, що піддається
комутації, якоря унаслідок швидкої зміни струму виникають ЕРС самоіндукції та
взаємоіндукції , які утворюють реактивну ЕРС. Ці ЕРС перешкоджають швидкій
зміні струму і тим самим погіршують комутацію, викликаючи в момент сходу щітки
з пластини колектора іскру між краєм щітки, що збігає, і пластиною колектора.
Крім того, на зміну струму у
короткозамкненій секції обмотки якоря впливає перехідний опір між щіткою й
пластиною колектора.
Для зменшення шкідливої дії комутації
треба збільшувати перехідний опір і компенсувати реактивну ЕРС.
Найбільше ефективно компенсація
досягається шляхом встановлення додаткових полюсів.
Крім комутаційних процесів причинами
іскріння на колекторі можуть бути:
а)
механічні дефекти; б) нерівномірний розподіл напруги на колекторі, що може
досягати великих значень, особливо при перемінному навантаженні.
Зазначено, що іскріння на колекторі
може бути викликане також потенційними причинами, причому воно може перерости у
вогонь.
Перекриття потужної електричної дугою
поверхні колектора між щітками протилежної полярності або одним із
щіткотримачів та корпусом називають круговим вогнем.
Круговий вогонь завжди небезпечний,
тому що призводить до серйозних пошкоджень електричної машини. Виникнення
кругового вогню супроводжується сильним світловим та звуковим ефектом, у
великих машинах це схоже на вибух бомби.
Причиною
виникнення кругового вогню є надмірно висока напруга між суміжними колекторними
пластинами, які можуть виявитися замкнутими через «місток», що утворюється
вугільним пилом або більшими осколками щітки.
По
"містку" проходить струм, відбувається його згоряння і виникає
коротка дуга, що рівноцінно замиканню частини машини, що складається з однієї
секції, на малий опір.
Струм дуги, що збільшується, викликає
оплавлення колекторних пластин, а сама дуга, розвиваючись, замикає і сусідні
пластини.
Якщо ж напруга між суміжними
колекторними пластинами не перевищує 33—34 В, то навіть при вигоранні «містка»,
що проводить, круговий вогонь не виникає. Не можна, як часто допускають,
пояснити можливість виникнення кругового вогню підвищеної іонізацією
колекторної камери від сильного іскріння.
Схема дуже швидкоплинного (0,01-0,001
с) процесу переростання одиничного спалаху в круговий вогонь показано на рис.
1, де 1 - первинна дуга, 2 - гази та пари міді, 1 - потужна дуга. Така
швидкоплинність призводить до того, що не вдається створити від нього будь-який
захист. Виникнення кругового вогню на колекторі
Рис.
1. Виникнення кругового вогню на колекторі
Струм у дузі, що виникла через
наявність провідного «містка» між пластинами а і b, швидко збільшується і
простір над колектором іонізується, тобто заповнюється парами розпеченої міді.
Колектор обертається, дуга перекриває
кілька пластин, зростає струм. Подальший розвиток процесу має випадковий
характер. Процес на рис. 1 знято при швидкості 4000 кадрів в секунду.
Очевидно,
що тонша міжламельна ізоляція і чим менші розміри колекторного поділу, тим
менша напруга між колекторними пластинами може бути допущена. Критерієм тут є
значення напруги на одиницю довжини кола колектора тут служить значення напруги
на одиницю довжини кола колектора
emax
= uк max/bк <8-9 В/мм
Іскріння під щітками сприяє виникненню
кругового вогню, тому що при цьому відбувається інтенсивне зношування щітки,
з'являється ймовірність утворення «містків». Але саме собою іскріння з
витягуванням, як вважалося довгий час, дуги з-під щітки не призводить до кругового
вогню.
Так, коли у тягового двигуна на стенді
відключили обмотку додаткових полюсів, що виникло при цьому дуже сильне і
тривале іскріння не призвело до кругового вогню. Однак в іншому випадку на
потужному генераторі, що працює в режимі холостого ходу зі знятими щітками,
круговий вогонь виникав при досить високій напрузі між колекторними пластинами,
коли між останніми осколком щітки створювали "місток" або допоміжним
електродом штучно запалювали коротку дугу.
Отже, для зменшення ймовірності появи
кругових вогнів необхідно встановлювати оптимальну міжламельну напругу та
покращувати стан вузла щітка-колектор.
Важливо містити в чистоті поверхню
колектора, міканітових манжет, систематично чистити канавки між колекторними
пластинами та щіткотримачами, видаляти з поверхні колектора сліди підпалів,
задирки, своєчасно змінювати зношені та сколоті щітки, підтримувати нормальний
тиск натискних пальців. Схильність
тягових двигунів до кругових вогнів підвищується при незадовільній динаміці
щіток, особливо при проходженні колісною парою стиків на коліях. Бажано мати
найбільш еластичний натискний пристрій, що притискає щітки до колектора.
06.10.2025р.
Тема програми Тема 4. Електричні машини постійного струму
Тема уроку №25. Основні типи обмоток якоря.
Поняття про магнітне коло електричної машини.
Працюємо з підручником:
А.М.
Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової
електроніки: Підручник для учнів професійно-технічних навчальних закладів. Київ
«Форум» 2002 – 381с. Стор. 235-241
https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf
Опрацювати
матеріал.
1.
Електричні машини постійного струму.
2.
Конструкція електричних машин постійного струму.
3.
Магнітне поле електричних машин постійного струму.
Д.З.
Оформити конспект. Дати відповіді на питання:
1.
На чому базується робота електричних двигунів постійного струму?
2.
Скільки типів машин постійного струму
існує та які?
3.
Що називається обмоткою збудження?
4.
Які переваги електричних двигунів постійного струму.
5.
Призначення додаткових полюсів.
6.
Чим здійснюється електричний контакт між нерухомою частиною та якорем?
7. Поясніть призначення колектора машин
постійного струму.
8.
З чого складається магнітне поле електричних
машин постійного струму?
9.
Що і як вмикають для зменшення негативного впливу реакції якоря?
10.
Від чого залежить магнітне поле додаткових полюсів?
Електричні машини постійного струму. Електричні
машини постійного струму служать для перетворення механічної енергії в
електричну (електричний генератор) і для перетворення електричної енергії в
механічну (електричний двигун).
Робота
електричних двигунів постійного струму базується на принципі взаємодії
магнітного поля і провідника зі струмом.
Основними
перевагами електричних двигунів постійного струму є можливість поступового
регулювання швидкості обертання валу електричними способами та значний пусковий
момент. Ці переваги зумовлюють галузь виростання електричних двигунів
постійного струму – електропривод, що регулюється (перш за все – електротранспорт).
Сучасні
електричні двигуни постійного струму виготовляються із широким діапазоном
потужностей. Наприклад, двигуни трамваїв мають потужність від 33 до 54,5 кВт,
двигуни електровозів – 320÷450 кВт, кранові двигуни – 3÷100 кВт, а двигуни прокатних станів мають потужність у декілька тисяч кВт.
Генератори
постійного струму, у порівнянні з генераторами змінного струму, застосовуються
обмежено. Перевагою генератора постійного струму є те, що на виході з нього
маємо постійний струм. До середини 50-х років ХХ сторіччя не було надійних і
дешевих напівпровідникових випрямлячів, що й зумовило широке застосування
генераторів постійного струму на той час. Основними недоліками генераторів
постійного струму є незадовільні масово-габаритні показники (великі габарити і
вага), у порівнянні з генераторами змінного струму, та наявність колектора, що
іскрить. Саме ці недоліки й зумовлюють обмеженість застосування генераторів
постійного струму.
Конструкція
електричних машин постійного струму. Існують
два типи машин постійного струму: колекторні і безколекторні (уніполярні). Машини уніполярного типу на сьогодні не виготовляються.
Тому розглядати будемо тільки колекторні машини. Конструктивно електрична
машина постійного струму складається з двох частин (рис. 1): нерухомої і
рухомої (обертової).
Рис. 1 – Конструкція машини постійного
струму:
а – нерухома частина, б – рухома частина
Основою
нерухомої частини (рис. 1,а) є станина, за допомогою якої здійснюється кріплення машини. Станина виготовляється з
чавуну або сталі. До станини кріпляться основні 1 та додаткові 2 полюси, осердя
яких виготовляється з електротехнічної листової сталі з малим магнітним опором.
Обмотка полюсів, по якій проходить постійний електричний струм,
називається обмоткою збудження. Число полюсів завжди кратне двом. Обмотка полюсів вмикається таким чином,
щоб полюси повторювалися по колу (N-S-N-S-…). Додаткові полюси служать для
поліпшення умов комутації. Полюси створюють основний магнітний потік. Вводиться
поняття геометричної нейтралі, яка поділяє простір між полюсами і в якій магнітна індукція дорівнює
нулю.
Рухома (обертова) частина (рис. 1,б) машини постійного
струму називається якір. Якір складається зі сталевого валу 1, на якому знаходиться осердя 2,
виготовлене з листів електротехнічної сталі. В пази осердя закладено обмотку 4.
Обмотка якоря складається з окремих секцій. Кінці секцій приєднуються до пластин колектора 5, які виготовляються з
міді та ізольовані одна від одної (поперечний переріз колектора подано на рис. 2).
Для охолодження електричної машини на вал також насаджений вентилятор 3.
Провідники обмотки секції з’єднуються так, щоб ЕРС у сторонах секції
додавалися. Для цього сторони кожної секції розташовують над полюсами різної
полярності на відстані, яка позначається 
та
називається поясна поділка (дуга кола якоря між осями сусідніх полюсів).
Рис. 2 – Поперечний переріз колектора
Секції
обмотки якоря бувають двох видів: петльові (рис. 3,а) та хвильові (рис.3,б) (на рисунку полюси розташовано під обмоткою).
Рис. 3 – Види секцій обмоток якоря: а –
петльова, б – хвильова
Відстань між
початком та кінцем секції називають першим
частковим кроком (на рис. 3
позначено у1). Відстань між кінцем попередньої секції та початком другої секції
називають другим частковим
кроком (на рис. 5.14 позначено у2). Відстань між точками приєднання
початків сусідніх секцій до колектора називають кроком по колектору (на рис. 3
позначено ук).
При з’єднанні
секцій обмотки якоря другий частковий крок можна зробити як у напрямку, що є
протилежним першому початковому кроку (петльова обмотка), так і у тому ж
напрямку, що і перший початковий крок (хвильова обмотка). Крок по колектору для
петльової обмотки дорівнює ук = у1 – у2, або одному кроку. Крок по колектору для хвильової обмотки дорівнює ук = у1 + у2. Для хвильової обмотки крок по
колектору обирають таким чином, щоб, обходячи один раз навколо якоря, другий
оберт починався з початку секції, що знаходиться зліва від першої.
Петльова
обмотка якоря застосовується в електричних машинах постійного струму великої
потужності, хвильова обмотка – у машинах середньої та малої потужності.
Електричний
контакт між нерухомою частиною та якорем електричної машини здійснюється за
допомогою щіткового вузла. Щітковий вузол складається зі щіток (графітних, мідно-графітних,
бронзо-графітних), щіткової траверси та щіткотримача.
Щітки
безпосередньо контактують із пластинами колектора. За допомогою щіток у
випадку, якщо електрична машина є двигун, на пластини колектора подається
напруга. Якщо електрична машина є генератор, за допомогою щіток з колектора
знімається постійна напруга.
Колектор
призначений для зміни напрямку струму в провідниках обмотки якоря в той
момент, коли провідники проходять геометричну нейтраль. При роботі колектор
іскрить.
Магнітне
поле електричних машин постійного струму. Магнітне поле електричних машин
постійного струму складається з двох частин: основного магнітного поля і
магнітного поля якоря.
Струм
І3, який протікає по обмотці збудження з числом витків w3, створює
магніторушійну силу (МРС) обмотки збудження F3 = I3wa. ,
Під дією магніторушійної сили
створюється магнітний потік Ф0 основного магнітного поля, який
замикається через основні полюси, магнітопровід статора і ротора і двічі
перетинає повітряний зазор. Схему магнітного кола наведено на рисунку 4.
Магнітний потік Ф0 основного поля визначається за законом Ома
для магнітного кола:
Ф0 — 2Fn/(2Rб
+ 2Ru + Rn
де
Rб, Rn, Rc, Rp — магнітний опір відповідно зазору,
основного полюса, магнітопроводів статора і ротора; Fn — магніторушійна
сила обмотки одного полюса, яка зв’язана з МРС збудження залежністю
Fз =2Fn.
Рис. 4. Схему магнітного кола
Щоб зменшити пульсацію, необхідно мати
розподіл індукції основного магнітного поля у зазорі якомога рівномірнішим. Це
досягається вибором форми наконечника основного полюса, внаслідок чого розподіл
індукції основного магнітного поля має вигляд криволінійної трапеції (рис. 5)
Fз
=2Fn.
Магнітне поле якоря збуджують
провідники зі струмом обмотки якоря, розподіл яких вздовж дуги поверхні ротора
рівномірний. Розподіл магнітної індукції поля якоря наведено на рисунку 5.
Рис.5. Розподіл магнітної індукції поля якоря
Розподіл сумарної індукції можна
визначити за методом суперпозиції: алгебраїчно додати ординати кривих індукції В0
основного поля і поля якоря Вя. Вплив
магнітного поля якоря на основне магнітне поле машини називається реакцією
якоря (рис. 6).
Рис.6.
Реакція якоря
Реакція якоря має негативний вплив на
роботу машини постійного струму:
-
спотворюється рівномірний розподіл магнітної індукції вздовж дуги зазору;
-
внаслідок насичення магнітопроводу зменшується основний магнітний потік.
Щоб зменшити негативний вплив реакції
якоря, застосовують компенсаційну обмотку (к.о.), провідники якої розміщені в
наконечниках основних полюсів (рис. 7).
Рис.7. Компенсаційна обмотка
Компенсаційну обмотку вмикають
послідовно з обмоткою якоря, пропускаючи по ній струм якоря. Магнітний потік
якоря і компенсаційної обмотки збуджуються одним і тим самим струмом і спрямовані
один протилежно одному. Таким
чином, здійснюється компенсація (я.к.) негативного впливу реакції якоря. Негативний
вплив реакції якоря зменшують також, застосовуючи додаткові полюси (д.п.).
Обмотку додаткових полюсів (рис. 8) вмикають послідовно з обмоткою якоря, тому
магнітне поле додаткових полюсів залежить від струму якоря.
Рис. 8. Додаткові полюси
Додаткові полюси розміщують так, щоб
магнітні рис. 6 поля якоря і додаткових полюсів були протилежними один одному і
таким чином компенсувався негативний вплив реакції якоря.
06.10.2025р.
Тема програми Тема 4. Електричні машини постійного струму
Тема уроку №24. Поняття про будову
електричної машини.
Працюємо з підручником:
Опрацювати
матеріал.
1.
Електричні машини.
2.
Електричні машини постійного струму.
3.
Двигуни постійного струму та їхнє призначення
Д.З.
Оформити конспект. Дати відповіді на питання:
1.
Яке призначення електричних машин.
2.
Чому електричні машини постійного струму вважаються енергетично зворотні.
3.
Які переваги мають електричні двигуни постійного струму.
4.
Що відносять до недоліків електричних двигунів постійного струму.
5.
Опишіть відмінності електричних двигунів з послідовним збудженням, паралельним
та змішаним.
Електричні машини постійного струму енергетично зворотні, тобто вони можуть бути як двигунами, так і генераторами. На сьогодні машини постійного струму широко застосовують як двигуни і меншою мірою як генератори. Це пояснюється перевагою двигунів постійного струму над іншими електродвигунами.
Двигуни постійного струму (ДПС) мають
такі переваги:
-
можливість плавного регулювання частоти обертання;
-
кращі пускові якості: вони можуть розвивати великий пусковий момент при
відносно невеликому струмі.
Завдяки цьому їх широко використовують
як тягові двигуни на електротранспорті (електрокари), а також у промисловому
виробництві. Крім того,
ДПС
є виконавчими ланками систем автоматичного регулювання.
Генератори напругою 6–12 В часто
застосовують для зарядки акумуляторних батарей.
На підприємствах використовують
промислових роботів (ПР), які дали змогу звільнити людину від важких або ручних
операцій, у тому числі і шкідливих робіт, а отже перейти до комплексної
автоматизації серійного виробництва. Слідкуючі приводи ПР створюють на базі
електродвигунів постійного струму зі збудженням від постійних магнітів. До
переваги цих двигунів слід віднести їхню малу інерційність, високий ККД і
незалежність магнітного потоку збудження від зміни температури навколишнього
середовища.
Загальним недоліком ДПС є складність
їхньої конструкції, що пов’язано із щітко-колекторним механізмом, який здійснює
постійну перекомутацію ланцюгів електричної машини, через що виникає іскріння.
Це знижує надійність машин та обмежує сферу їх застосування.
Істотним недоліком ДПС є необхідність
попереднього перетворення для них електричної енергії змінного струму на електричну
енергію постійного струму.
Електродвигуни постійного струму мають
хороші регулювальні властивості, значну перевантажувальну здатність:
-
вони дають можливість плавно регулювати частоти обертання ротора простими
способами;
-
двигуни постійного струму мають великі пускові моменти за малих пускових
струмів.
Можливість створення електродвигуна
постійного струму продемонстрував М. Фарадей у 1821 р.; у створеному ним
приладі провідник, яким пропускали постійний струм, обертався навколо магніту.
ДПС з електромагнітним збудженням був
створений у Росії академіком Б. С. Якобі в 1834 р., який назвав його магнітною
машиною. У 1838 р. їм був побудований більш потужний електродвигун, який
використовували для приводу гребного гвинта річкового катера. Принцип оборотності
електричних машин був уперше сформульований російським фізиком – академіком Е.
X. Ленцом.
Двигуни постійного струму мають
однакову конструкцію. Нерухома частина
машини, статор (рис. 1), складається з масивного сталевого корпусу, до якого
прикріплені полюсні наконечники 1 з обмоткою збудження 2. Струм, що проходить
по обмотці збудження, створює основне магнітне поле машини.
Якір – рухома частина електричної
машини. Являє собою осердя з окремих листів електротехнічної сталі, що запресовані
на вал 3. В осерді нарізані пази, у які укладена обмотка якоря. Кінці обмотки
виведено в колектор 4. Із зовнішнім ланцюгом обмотка якоря з’єднується з
допомогою колектора і електрографітових щіток 5. Колектор у зібраному стані
насаджують на вал якоря. Обертова обмотка якоря з’єднується із зовнішнім
ланцюгом ковзним контактом між щітками і колектором.
Колектор є електромеханічним
перетворювачем і забезпечує створення постійного за напрямом обертового моменту
(для двигунів) шляхом зміни напрямку струму в провідниках якірної обмотки, що
переміщаються із зони одного полюса в зону іншого.
Рис.
1. Загальний вигляд електричної машини постійного струму
Для обертання обмотки якоря необхідний первинний двигун – дизель, турбіна, колісна пара і т. д. Для створення магнітного поля в генераторі на обмотку збудження подається струм від первинного джерела, наприклад акумулятора.
Принцип роботи електричного двигуна
заснований на виникненні електромагнітної сили, що діє на рамку зі струмом у
магнітному полі (рис. 2).
Рис.
2. Пристрій із рамкою зі струмом у магнітному полі для виникнення
електромагнітної сили
Якщо помістити в магнітне поле не
прямолінійний провідник, а виток (або котушку) зі струмом і розташувати його
вертикально, то, використовуючи правило лівої руки, можна визначити напрямок
електромагнітної сили, що діє на кожну сторону витка. Під дією електромагнітної
сили сторона ab рухається справа наліво, а сторона сd зліва – направо. Пара
електромагнітних сил, що при цьому виникає, приведе до повороту витка, тобто
утворюється обертовий момент.
Виток буде повертатися в магнітному
полі доти, поки він не займе положення, перпендикулярне магнітним силовим
лініям поля. При такому положенні через виток проходитиме найбільший магнітний
потік. Властивість витка і котушки зі струмом повертатися в магнітному полі
широко використовують в електротехніці. Електричні
двигуни та ряд електровимірювальних приладів працюють за цим принципом.
Електричні двигуни випускаються
промисловістю з послідовним збудженням, паралельним та змішаним.
У двигунів з послідовним збудженням
обертовий момент за навантаження зростає більше, ніж у двигунів з паралельним
збудженням, при цьому частота обертання двигуна зменшується. Ця властивість
визначає широке застосування ДПС у міському транспорті.
Однак не можна запускати двигун з
послідовним збудженням без навантаження, оскільки частота обертання двигуна
може перевищити допустиму, а це може призвести до аварії – двигун іде «в рознос».
Двигуни з паралельним збудженням
забезпечують стійку частоту обертання за різного навантаження, і в них є
можливість плавного регулювання цієї частоти обертання. Тому ДПС з паралельним
збудженням застосовуються для електроприводу, що вимагає сталості частоти
обертання за різного навантаження і плавного регулювання.
У
ДПС зі змішаним збудженням на полюсі є дві обмотки збудження, одна з яких
під’єднується послідовно до обмотки якоря, а друга – паралельно. ДПС зі
змішаним збудженням мають найбільший пусковий момент і застосовуються там, де
потрібні значні пускові моменти або можливі короткочасні перевантаження і
великі прискорення – наприклад для пуску компресорів
02.10.2025р.
Тема програми №4. Електричні машини постійного струму
Тема уроку №23. Лабораторна робота №1 «Основні частини електричних машин постійного
струму»
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 65 – 66.
https://youtu.be/uBI-M1M-9F4?si=F1vko91--Qavd4QG
https://youtu.be/tXGKtfaMeGI?si=xZ-mw3O4yxoHf4wz
https://youtu.be/McZstppZrvc?si=8QU0t1tVGGIpoX_m
Опрацювати матеріал:
1. Правило лівої руки.
2. Модель
електричного двигуна.
3. Електричний двигун постійного струму.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Опишіть правило лівої руки.
2. Замалюйте модель електричного двигуна.
3. Що називають ДПС?
4. Опишіть будову ДПС.
5. Опишіть типи ДПС за способом збудження
обмотки.
Перетворення електричної енергії на механічну. Пригадаємо Правило лівої руки використовується у фізиці для визначення напрямку сили Ампера (сили, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі) або сили Лоренца (сили, що діє на рухому заряджену частинку в магнітному полі). Щоб його застосувати, потрібно розташувати ліву руку так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму або руху позитивно зарядженої частинки; тоді великий палець, відігнутий на 90°, покаже напрямок сили.
Як застосувати правило лівої руки:
1. Уявіть
ліву руку
Розташуйте
її так, щоб лінії магнітного поля
(магнітної індукції) входили в долоню.
2. Спрямуйте
чотири витягнуті пальці в напрямку струму
(для сили Ампера) або руху позитивно зарядженої частинки (для сили Лоренца).
3. Великий
палець, відігнутий на 90°, покаже напрямок
сили Ампера або сили Лоренца, що діє на провідник чи частинку.
Важливо:
- Сила Ампера: —
це сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.
- Сила Лоренца: —
це сила, що діє на рухому заряджену частинку в магнітному полі.
- Для негативно заряджених
частинок у правилі лівої руки напрямок руху слід брати протилежним до
напрямку швидкості.
Модель електричного двигуна. До
провідника довжиною l, розміщеного в магнітному полі, прикладено напругу
джерела U, у колі проходить струм I (рис. 2).
Рис.
2. Модель, яка ілюструє перетворення електричної енергії на механічну
На провідник діє електромагнітна сила F
= BlI, напрямок якої визначають за правилом лівої руки. Під дією цієї сили,
якщо F > G, провідник довжиною l почне переміщатися і вантаж почне
підніматися. Отже, електрична енергія джерела перетворюватиметься на механічну
енергію вантажу. Знайдемо кількісне співвідношення, що характеризує цей процес.
Під час руху провідника в магнітному полі в ньому буде індуковано ЕРС E = Blv.
Відповідно до принципу Ленца, напрям цієї ЕРС протилежний напрямку струму і,
отже,
U = E + IRвн ,
(3.7)
де Rвн – опір
провідника довжиною l. Звідси струм у колі:
I = (U – E)/Rвн .
(3.8)
Помноживши
рівняння (3.7) на струм I і беручи до уваги, що E = Blv, отримаємо:
UI = EI + I2Rвн +
BlvI + I2Rвн + Fv + I2Rвн ,
тобто:
Pе = Pмех + Pт ,
(3.9)
де Pе = UI –
електрична потужність;
Pмех = Fv –
механічна потужність;
Pт = I2Rвн –
теплова потужність.
Отже, отримана провідником електрична
енергія джерела перетвориться на механічну і теплову енергію. Ця модель
відтворює найпростіший електричний двигун.
Електричний двигун постійного струму
(ДПС) — це електродвигун, який перетворює електричну енергію постійного
струму на механічну, змушуючи обертатися вал. Його основні частини
включають статор із полюсами та обмотками, якір з обмоткою, колектор і щітки,
що взаємодіють для створення крутного моменту та руху.
Принцип роботи
1. Створення
магнітного поля: Струм, що подається до обмоток
статора, створює магнітне поле.
2. Взаємодія
полів: Магнітне поле статора взаємодіє зі
струмом в обмотці якоря, що призводить до появи крутного моменту.
3. Обертання: Цей
крутний момент змушує ротор (якір) обертатися.
4. Колекторно-щітковий
механізм: Колектор і щітки забезпечують
постійну зміну напрямку струму в обмотках якоря під час його обертання, що
підтримує безперервне обертання.
Основні компоненти
- Статор: Нерухома
частина з магнітними полюсами, що створюють магнітне поле.
- Якір (Ротор): Рухома
частина з обмоткою, яка обертається.
- Колектор: Пристрій
на валу якоря, що перемикає струм у обмотках.
- Щітки: Забезпечують
контакт між нерухомим зовнішнім колом і рухомим колектором, подаючи струм
на якір.
Типи ДПС за
способом збудження обмотки
- Незалежне збудження: Обмотка
збудження живиться від окремого джерела струму.
- Паралельне збудження: Обмотки
збудження та якоря підключені паралельно до одного джерела живлення.
- Послідовне збудження: Обмотки
збудження та якоря з'єднані послідовно.
- Змішане збудження:
Комбінація паралельного та послідовного включення.
02.10.2025р.
Тема програми №3. Електромагнетизм
Тема уроку №22. Явище самоіндукції. Індуктивність провідників і котушок.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 52 – 60.
Опрацювати матеріал:
1. ЕРС, електромагнітна індукція.
2. Самоіндукція.
3. Вихрові струми.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Що називають явищем електромагнітної
індукції?
2. Як називають явище виникнення ЕРС у
провіднику зі струмом під дією власного мінливого магнітного поля?
3. В чому полягає небезпека вихрових
струмів?
4. Які струми називають вихровими?
5. Де використовують теплову дію струмів
Фуко?
Якщо витком, котушкою або будь-яким
замкнутим контуром проходить струм, що
змінюється, то навколо них виникає змінне магнітне поле, що наводить у них ЕРС.
Це явище називають явищем електромагнітної індукції, а струм – індукційним.
Явище
виникнення ЕРС у провіднику зі струмом під дією власного мінливого магнітного
поля – це самоіндукція.
Величину ЕРС самоіндукції визначають за
формулою:
де L – індуктивність, коефіцієнт, який залежить від параметрів контуру, Гн;
di / dt – швидкість зміни струму, А/с.
Самоіндукція виникає в будь-якому дроті
зі змінним струмом. У ланцюзі постійного
струму самоіндукція спостерігається в момент розмикання ланцюга. Тоді в місці
розриву ланцюга може виникнути електрична дуга (рис. 1).
Рис. 1. Приклад виникнення самоіндукції (дуги)
Для гасіння дуги у високовольтних
ланцюгах встановлюють дугогасильні камери.
ЕРС самоіндукції створює опір будь-яким
змінам струму. У тих приладах, де
самоіндукція вельми небажана, намотування котушок виконують біфілярно. Біфілярну котушку (інша назва –
біфілярна обмотка) використовують у сучасній електротехніці як спосіб створення
дротяного резистора з незначним паразитним коефіцієнтом самоіндукції. На рис. 2
зображено плоску індукційну котушку (біфілярну), яку створив Нікола Тесла.
Рис. 2. Плоска індукційна котушка (біфілярна)
Поверхневий ефект. Завдяки ЕРС
самоіндукції заряджені частинки змінного струму виштовхуються на поверхню
провідника, внаслідок чого виникає поверхневий ефект. Тобто струм високої
частоти, на відміну від постійного струму,
тече переважно поверхнею провідника. Це явище можна пояснити у такий
спосіб. Припустимо, що змінний
струм тече у багатожильному кабелі. Тоді кожна жила кабелю буде охоплена своїм
змінним магнітним полем, яке частиною своїх силових ліній охоплюватиме також і
інші жили. На рис. 3 зображено шість периферійних і одну осьову жилу кабелю.
Рис. 3. Поверхневий ефект
ЕРС самоіндукції, що виникає у провіднику, за змінного струму в різних прошарках дроту не є однаковою: у середині дроту вона має найбільшу величину і чинить значний індуктивний опір змінному струму. Поверхневий ефект стає помітним тільки за високих і ультрависоких частот. Цим пояснюється використання для цих струмів не суцільних, а трубчатих провідників і сріблення їхніх поверхонь.
Вихрові струми, або струми Фуко.
Названі на честь французького фізика Леона Фуко (1819–1868), який відкрив явище
нагрівання металічних тіл, які обертаються
в магнітному полі. Ці струми виникають у масивних провідниках у
разі зміни магнітного потоку, який їх пронизує.
Уперше вихрові струми виявив
французький учений Франсуа Араго (1786–1853) в 1824 р. – у мідному диску,
розташованому на осі під магнітною стрілкою, яка оберталася. З огляду на
вихрові струми диск також обертався. Цей факт, названий явищем Араго, пояснив
М. Фарадей із позицій відкритого ним закону електромагнітної індукції: магнітне
поле, яке обертається, індукує в мідному диску струми (вихрові), які
взаємодіють із магнітною стрілкою. Струми Фуко виникають під дією змінного
електромагнітного поля і за своєю фізичною природою нічим не відрізняються від
індукційних струмів, що виникають у лінійних провідниках.
Оскільки
електричний опір провідників малий, то сила струмів Фуко може досягати
великих значень. Згідно з правилом Ленца, вони вибирають у провіднику такий
напрямок, щоб протистояти причині, яка їх викликає. Тому в сильному
магнітному полі провідники, які рухаються, витримують сильне гальмування,
яке пояснюється взаємодією струмів Фуко з магнітним полем.
Теплову
дію струмів Фуко використовують в індукційних печах: у котушку, яка
живиться від високочастотної батареї великої сили, поміщають тіло-провідник, у
якому виникають вихрові струми, які розігрівають його до плавлення. Цей ефект
застосовують також для демпфування рухливих частин гальванометрів, сейсмографів
тощо.
У багатьох випадках струми Фуко є
небажаними, шкідливими. Для боротьби з ними застосовують спеціальні заходи:
наприклад, якорі трансформаторів набирають
із тонких пластин. Поява феритів зробила можливим виготовлення цих провідників
суцільними.
Небезпека
вихрових струмів полягає у: небажаному нагріві осердь; втратах енергії;
розмагнічувальній дії осердь; нерівномірному розподілі магнітного потоку по
перерізу магнітопроводу. Незважаючи на шкідливий вплив вихрових струмів, їхню
теплову дію ефективно використовують.
01.10.2025р.
Тема програми №3. Електромагнетизм
Тема уроку №21. Правило лівої руки. Правило правої руки.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 52 – 60.
https://youtu.be/xrpvgF86lJs?si=gis1-Q7V1QYI5hSB
https://youtu.be/uce3OE6S2cs?si=Jayp-FOVwXhWbICH
Опрацювати матеріал:
1. Магнітна індукція.
2. Магнітна проникність середовища.
3. Напруженість магнітного поля.
4. Напрямок ЕРС електромагнітної індукції.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Що називають електромагнітною індукцією?
2. Якими одиницями характеризується
магнітна індукція?
3. Де використовують явище електромагнітної
індукції?
4. Як визначити напрямок ЕРС
електромагнітної індукції за правилом правої руки?
5. Який струм називають індукційним?
Розглянемо характеристики магнітного поля. Магнітна індукція B – векторна величина, яка характеризує магнітне поле і визначає силу, що діє на рухому заряджену частинку з боку магнітного поля. Ця характеристика є основною характеристикою магнітного поля, оскільки визначає електромагнітну силу, а також ЕРС індукції у провіднику, що переміщується в магнітному полі.
Одиницею магнітної індукції є вебер,
поділений на квадратний метр, або тесла (Тл):
[B] = 1 Вб/1 м2
= 1 Тл.
Абсолютна магнітна проникність
середовища μa – величина, яка є коефіцієнтом, що відображає магнітні
властивості середовища:
μa = μ0μr,
де μ0 – магнітна
стала, яка характеризує магнітні властивості вакууму:
μ0 = 4π 10–7 (Ом ∙
с) м .
Одиниця Ом-секунди
(Ом · с) – генрі (Гн). Отже, [μ0] = Гн/м.
Величину μr називають відносною
магнітною проникністю середовища. Вона показує, у скільки разів індукція поля,
створеного струмом у певному середовищі, більше або менше, ніж у вакуумі, і є
безрозмірною величиною. Для більшості матеріалів проникність μr стала і близька
до одиниці. Для феромагнітних матеріалів μr є функцією струму, що створює магнітне
поле, і досягає великих значень (10–2–105).
Напруженість
магнітного поля Н – векторна величина, яка не залежить від властивостей
середовища і визначається тільки струмами у провідниках, що створюють магнітне
поле.
Напруженість пов’язана з магнітною індукцією
співвідношенням:
[H] = 1 A/1 м; B =
μaH.
Одиниця вимірювання напруженості
магнітного поля – А/м. Н є силовою характеристикою поля, яка враховує вплив
струму і форми провідників. Напруженість магнітного поля і магнітна індукція
величини векторні, їхній напрямок збігається з напрямком дотичної в будь-якій
точці силової магнітної лінії (рис. 1).
Рис.
1. Зображення напрямку напруженості й магнітної індукції
Магнітний потік Ф – потік магнітної
індукції. Напрям вектору магнітної індукції встановлюють за допомогою правила
свердлика. Якщо джерелом магнітного поля є котушка зі струмом, то напрямок поля
визначають за правилом правої руки (рис. 2): якщо долонею правої руки обхопити
котушку так, щоб чотири пальці збігалися з напрямом струму у витках, то
відігнутий великий палець покаже напрямок магнітного поля.
Електромагнітна індукція. Якщо
провідник переміщувати в магнітному полі, то в ньому відбувається поділ зарядів
на позитивні й негативні, тобто виникає початкова різниця потенціалів,
електрорушійна сила – ЕРС.
Величину ЕРС визначають за формулою:
Е
= В · V · l · sin α, В,
де
В – магнітна індукція, Тл; V – швидкість руху провідника або магнітного поля,
м/с; l – активна довжина провідника (довжина тієї частини провідника, яка
потрапила в магнітне поле), м; α – кут між лініями магнітного поля і
провідником.
Явище електромагнітної індукції використовують
у роботі електричних генераторів.
Напрямок ЕРС
електромагнітної індукції визначають за правилом правої руки: якщо долоню
правої руки розташувати так, щоб лінії магнітного поля входили в неї і великий
відігнутий палець указував напрям руху провідника (тобто напрямок його
швидкості), то чотири пальці покажуть напрямок ЕРС (рис. 3).
Якщо витком, котушкою або будь-яким
замкнутим контуром проходить струм, що змінюється, то навколо них виникає
змінне магнітне поле, що наводить у них ЕРС. Це явище називають явищем
електромагнітної індукції, а струм – індукційним.
Рис. 3.
Використання правила правої руки для
визначення напрямку ЕРС
01.10.09.2025р.
Тема програми №3. Електромагнетизм
Тема уроку №20. Феромагнітні, парамагнітні і діамагнітні речовини.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 52 – 80.
https://youtu.be/NTynWvHZnjA?si=miaarLZxDrHJYodU
Опрацювати матеріал:
1. Феромагнітні речовини.
2. Парамагнітні речовини.
3. Діамагнітні речовини.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Опишіть феромагнетики, їх особливості
та що входить до їх складу, наведіть приклади.
2. Опишіть парамагнетики, їх особливості
та що входить до їх складу, наведіть приклади.
3. Опишіть деамагнетики, їх особливості та
що входить до їх складу, наведіть приклади.
4. Що відносять до магнітом'яких магнітних
матеріалів і де вони використовуються?
5. Що відносять до магнітотвердих
магнітних матеріалів і де вони використовуються?
Феромагнетики, парамагнетики та
діамагнетики — це види магнітних речовин, що по-різному взаємодіють із
зовнішнім магнітним полем.
Діамагнетики слабко послаблюють поле,
оскільки створюють власне поле протилежного напрямку.
Парамагнетики незначно посилюють поле,
створюючи власне поле в тому ж напрямку. Феромагнетики, як-от залізо, нікель і
кобальт, значно посилюють поле завдяки доменній структурі і мають магнітну
пам'ять.
Діамагнетики створюють власне магнітне
поле, яке напрямлене проти зовнішнього поля, тому незначно послаблюють його.
Особливості: Виштовхуються з магнітного поля. Приклади: Вода, золото, срібло,
мідь, інертні гази, кварц.
Парамагнетики намагнічуються вздовж
зовнішнього поля і лише дещо підсилюють його. Особливості: Їхня магнітна
сприйнятливість невелика і обернено пропорційна температурі. Приклади: Платина,
кисень, перехідні метали, залізовмісні силікати.
Феромагнетики значно посилюють зовнішнє
магнітне поле та зберігають магнітний стан навіть після припинення дії поля.
Особливості: Мають доменну структуру, де елементарні магнітні моменти атомів
спонтанно паралельні.
Намагнічування феромагнітних матеріалів.
Матеріали, що мають велику магнітну проникність, називають феромагнітними. До
таких належать залізо, нікель, кобальт і їхні сплави. Опинившись у зовнішньому
магнітному полі, ці матеріали значно посилюють його.
Намагніченість феромагнітних тіл без
наявності зовнішнього магнітного поля не проявляється. Якщо феромагнітне тіло
помістити в зовнішнє магнітне поле, то під його впливом відбудуться зміни, в
результаті яких вектори намагніченості окремих ділянок (доменів) мимовільного
намагнічування будуть орієнтовані в напрямку зовнішнього поля. Індукція
результуючого магнітного поля визначатиметься як індукцією зовнішнього поля,
так і магнітною індукцією окремих доменів, тобто результуюче значення індукції
набагато перевищуватиме її початкове значення. Отже, сумарне магнітне поле
значно перевищить зовнішнє поле.
Сукупність пристроїв, що містять
феромагнітні тіла й утворюють замкнене коло, в якому за наявності
магніторушійної сили утворюється магнітний потік і вздовж якої замикаються
лінії магнітної індукції, називають магнітним колом.
Прикладом
таких кіл є осердя трансформаторів, магнітних підсилювачів, електричних машин
тощо. Щоб розрахувати магнітне коло, потрібно визначити НС котушки (або системи
котушок), необхідну для створення заданого магнітного потоку. Часто, навпаки,
за заданою силою, що намагнічує, визначають магнітні потоки. Розрахунок
магнітного кола здійснюється за допомогою законів для магнітних кіл, а саме
закону Ома, першого і другого законів Кірхгофа.
Магнітом’які матеріали. До
магнітом'яких магнітних матеріалів відносяться:
технічно
чисте залізо;
кремениста
електротехнічна сталь;
залізонікелева
сталь (пермалой);
інші
сплави (наприклад альсіфери).
Технічно чисте залізо (зміст карбона не більше 0,04 %) має великі магнітну проникність та індукцію насичення, малі коерцитивну силу та питомий опір (великі втрати на вихрові струми).
Броньоване осердя застосовується для
котушок індуктивності.
Розімкнутий магнітний ланцюг (із
повітряним зазором) зменшує залежність параметрів котушок індуктивності від
частоти та напруженості магнітного поля.
Броньовані осердя мають невелике
зовнішнє поле розсіювання, тому кремениста електромеханічна сталь (зміст
кремнію Si до 4,5%) має велику магнітну проникність (µмакс=10000), питомий опір
р=[0,1+0,12%( Si )]·0,0001 Ом/см, малу коерцитивну силу (Нс=0,57е).
Ферити та вироби з них. Ферит - це
магнітний матеріал, який складається з подвійних окислів заліза Fе, нікелю Ni,
марганцю Мп, цинку Zп, кобальту Со, літію Li, свинцю РЬ та інших матеріалів.
Загальна формула фериту має такий вид:
МОFе2О3
де
М- умовне позначення двовалентного металу.
Вони мають великий питомий опір р=10
Ом-см, тому втрати на вихрові струми малі, а робоча частота велика; часова
стабільність магнітної проникності фериту знаходиться у межах у = (0,5...0,75)%,
відносний температурний коефіцієнт магнітної проникності приймає значення до аіи=
+30-10"6.
Ферити мають значну залежність від температури. Робочу температуру обирають ту, що відвідає значенню //п яке складає 80% від номінального (при 20 °С).
З феритів виготовляються осердя -
магнітом'які, магнітотверді, магнітострикційні, з прямокутною петлею
гістерезису, надвисокочастотного діапазону, головки магнітні, сфери із
монокристала, пристрої пам'яті.
Магнітотверді матеріали. До магнітотвердих матеріалів відносяться:
карбонова
сталь;
вольфрамова
та хромова сталь;
кобальтова
сталь;
оксидно
- барієві магніти;
альні,
альнісі, альніко, магніко.
Отримують їх із заліза Fе, легованого
домішками після термічної обробки. Ці матеріали мають велику коерцитивну силу
Hс, що забезпечує велику максимальну енергію магнітного поля.
Магнітном’які матеріали мають відносно
мале значення Нс і невелику площу циклів гістеризису. Це — чисте залізо,
електротехнічні сталі, сплави заліза і нікелю, деякі хімічні з’єднання заліза.
їх застосовують для виготовлення магнітопроводів електричних машин,
трансформаторів, електровимірювальних приладів та інших електротехнічних
апаратів. Деякі магнітном’які матеріали за відповідної технології обробки дають
можливість, отримати «прямокутну» петлю гістеризису. Матеріали з прямокутною
петлею характеризуються малим значенням Нс і великим значенням Вг, близьким до
В . Вони широко застосовуються в пристроях автоматики та обчислювальної
техніки.
Магнітотверді матеріали – це
феромагнетики, які після намагнічування зберігають високий рівень залишкового
магнетизму і використовуються для створення постійних магнітів. До таких
матеріалів належать неодим, самарій-кобальт, ферит та сплави альніко, а також
сплави рідкісноземельних металів і природні мінерали на основі заліза, нікелю
та кобальту.
До магнітнотвердих матеріалів належать
сплави заліза з алюмінієм, хромом та вольфрамом, які містять різні домішки.
Магнітнотверді матеріали характеризуються відносно великими значеннями Вг і Нс
і застосовуються для виготовлення постійних магнітів.
·
відносний тангенс кута втрат в діапазоні до
0,1 МГц і H=0,1 е;
·
коефіцієнт прямокутності Кп=
0,5...0,8.
Магнітотверді
феритові осердя (магніти).Мають велику магнітну енергію та велику
силу Нс (до 2500е). Петля гістерезису може бути
пологою або крутою.
Магніти з пологою петлею
гістерезису мають малу залежність µ від H і застосовуються для
виготовлення магнітних стрічок систем магнітного запису та відтворення звукових
і відеосигналів, а також в електромеханічних фільтрах.
Магніти з крутою петлею
гістерезису застосовуються для виготовлення постійних магнітів, телефонної
апаратури, побутових мікрохвильових пічок, систем відхилення в телевізорах,
головок стирання відеомагнітофонів, динамічних гучномовців, акустичних
перетворювачів, збудження електричних двигунів постійного струму,
магнітострикційних та електромеханічних фільтрів.
Основними параметрами
магнітів є:
- максимальне значення добутку магнітної індукції та напруженості
магнітного поля (В·Н)макс;
·
залишкова магнітна індукція Вr;
·
коерцитивна сила по індукції Вc;
·
коерцитивна сила по напруженості Нc.
Магніти виготовляються на
основі барію (Ba) і можуть бути анізотропні (БА) і ізотропні
(БІ). Анізотропні ферити зберігають орієнтацію часток феромагн етика і не
бояться вібрацій, ударів, стійкі до впливу зовнішніх магнітних полів.
До позначень магнітотвердих
феритів входять:
·
літера М;
·
число - доданок (B·H)мак с;
літера - матеріал фериту (СА - стронцієвий анізотропний, БА - барієвий
анізотропний, С - стронцієво-барієвий);
- число - коерцитивна сила намагнічування;
·
число - номер за порядком.
Приклад: М28СА250 - 4: ферит (B·H)макс =
28 кДж/м2, стронцієвий анізотропний, з коерцитивною силою 250 кА/м,
з номером за порядком - 4.
Спеціальні
магнітні матеріали. До спеціальних магнітних матеріалів
відносяться: матеріали з прямокутною петлею гістерезису (ППГ),
магнітострикційні матеріали та термомагнітні матеріали.
Матеріали з прямокутною
петлею гістерезису - це матеріали зі специфічною формою петлі гістерезису, яка
близька по формі до прямокутної.
Крім спільних магнітних
характеристик вони характеризуються слідуючими:
коефіцієнт прямокутності - представляє собою
відношення залишкової індукції Вr до
максимальної Bmах:
коефіцієнт переключення Sq - численно
рівний кількості електроенергії, яка проходить через одиницю товщини сердечника
і яка необхідна перемагнічування його із одного стану в інший; інколи
вимірюється по напруженості поля;
малий час перемагнічування;
висока температурна стабільність.
01.10.09.2025р.
Тема програми №3. Електромагнетизм
Тема уроку №19. Магнітне поле провідника
зі струмом. Правило свердлика.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор. 52 – 60.
Опрацювати матеріал:
1. Магнітне поле.
2. Характеристики магнітного поля.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Що називають магнітним полем?
2. Чим характеризується наявність струму у
провіднику?
3. Виконайте зображення магнітного поля.
4. За допомогою чого визначається напрямок
магнітного поля?
5. Як позначається напрямок струму в
провіднику?
Магнітне поле і
його характеристики. Магнітне
поле – це фізичне поле, яке здатне діяти на рухомі електричні заряди і
тіла. Магнітне поле існує всередині будь-якого атома, живі організми створюють
магнітні поля. Магнітне поле Землі захищає нас від потоків сонячної радіації. У
техніці, побуті, у різних пристроях застосовують штучні постійні магніти та
електромагніти. Зв’язок між електричними і магнітними явищами було вперше
встановлено в дослідах датського фізика Ганса Ерстеда, англійського вченого
Джеймса Максвелла й ін. Досліди довели існування магнітного поля навколо
будь-якого провідника зі струмом. На підставі цього було зроблено висновок, що
немає більш характерної ознаки наявності струму у провіднику, ніж існування
навколо нього магнітного поля. Цю властивість електричного струму
використовують в електромагнітах, електромагнітних кранах, реле. Графічно
магнітне поле зображують магнітними силовими лініями, які мають напрямок із
півночі N на південь S і ніколи не перетинаються (рис. 1).
Якщо на невеликій відстані розташовані
однойменні полюси магнітів, то вони відштовхуються, якщо різнойменні –
притягуються. Напрямок магнітного поля навколо провідника зі струмом визначають
за правилом свердлика (рис. 2): якщо поступальний рух свердлика збігається з напрямом
струму в провіднику, то обертальний рух покаже напрямок магнітного поля.
Рис.
2. Правило свердлика
Якщо провідник розташований так, що
можна бачити тільки його поперечний переріз, то напрямок струму можна показати
за допомогою стрілки. Якщо струм у провіднику спрямований від нас, то в
перерізі позначають хрестик, якщо до нас – точку (рис. 3).
Навколо провідника, у якому існує
струм, завжди є магнітне поле, і навпаки, у замкнутому провіднику, що рухається
в магнітному полі, виникає струм. Можна стверджувати, що магнітне поле та
електричний струм – взаємо пов’язані явища.
29.09.2025р.
Тема
програми № Тема 2. Електричне коло і
його закони.
Тема уроку
Лабораторна робота №10 «Поняття про розрахунки проводів»
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій,
A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової
електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор.
Обладнання: Лабораторне джерело струму, джерело живлення, лабораторні вольтметри, лабораторні амперметри, магазин опорів, вимикач, провідники.
Опрацювати матеріал:
1. Правила вибору проводів.
2. Правила прокладання проводів.
3. Види проводів та їх переріз.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Яке значення має переріз
провідників?
2. Причини аварій в електромережах.
3. Як визначити діаметр
провідника?
4. Як правильно
зробити розрахунок для однофазної мережі?
5. Як позначається мідний провід?
6. Знайдіть струм який буде
споживати мікрохвильовка.
7. Вирахуйте необхідний переріз
провіднику для одночасного підключення електричного чайнику, електром’ясорубки
та кухонного комбайну.
Виконання
роботи
Перетин або площа поперечного зрізу –
це чи не найважливіший критерій для вибору проводів.
Від нього залежить величина струму, що може безпечно протікати впродовж певного
часу.
·
Занадто тонкий дріт буде нагріватися, що
призведе до плавлення ізоляції. У результаті може статися коротке замикання, що
призведе до загоряння чи інших проблем. Аварії в електромережі найчастіше
стають причиною пожеж у житлових будинках;
·
Занадто товстий – буде дорожче коштувати, а з
довжиною будуть рости неефективні витрати. Наприклад, у середньому в
однокімнатній квартирі на 40м² загальна довжина електропроводки складає
150–200м.
Як правильно зробити розрахунок для
однофазної мережі?
У цьому випадку допоможе класична
математична формула S = π (d/2)2, де d - діаметр перетину. Знаючи π можна
вивести простіший варіант формули:
S = 3,14 × d²/4=
0,785d2 ≈ 0,8d2.
Діаметр легко виміряти з допомогою
звичайного штангенциркуля. Знаючи його, можна порахувати площу перерізу.
У побуті переважно використовується
мідний дріт, оскільки в порівнянні з алюмінієвим він має низку технічних
переваг:
·
Зручний та простий у монтажі;
·
Не так швидко окислюється;
·
Витримує 40–50 вигинів, тоді як алюміній лише
10–12;
·
Має триваліший термін служби;
·
Кращі технічні характеристики. Щоби пропустити
електрику з однаковими параметрами, потрібен товстіший алюмінієвий провідник,
ніж мідний. Прокладати електропроводку зручніше тонким кабелем, крім того, він
буде менш помітний, що важливо для естетики.
Єдиним недоліком міді є вартість, що в
3–4 рази вища за алюміній. Це нівелює всі переваги під час прокладання
кілометрових магістральних ліній, оскільки в такий спосіб можна заощадити сотні
тисяч гривень. Тому для повітряних ліній використовується переважно алюмінієвий
СІП від 16мм².
Найпопулярніші в побуті «мідні»
номінали: 0,75мм², 1мм², 1,5мм², 2,5мм², 4мм². Для позначення типорозміру в США
використовується система AWG (з англ. American Wire Gauge – американська
товщина проводів). Деякі виробники вказують відразу європейський і американський
варіант.
|
Європейська метрична система, мм² |
Американський розмір (AWG) |
|
0,25 |
23/24 |
|
0,5 |
21/22 |
|
0,75 |
19/20 |
|
1 |
18 |
|
1,5 |
16/17 |
|
2,5 |
14/15 |
|
4 |
12/13 |
Що потрібно
знати для правильного вибору?
1. Товщина має бути
достатньою для пікового навантаження, допускається невелике нагрівання кабелю,
але не вище 60°C. Це найважливіший чинник, адже нагрівання жил понад допустиму
температуру може спровокувати аварію в електромережі;
2. Товщина повинна
бути достатньою для механічної міцності. Наприклад, для навісного монтажу деякі
марки проводів посилюються сталевим тросом. Це збільшує міцність та стійкість
до вітрових навантажень.
Вибирати можна за силою струму або
потужністю. Знаючи один із цих параметрів, нескладно
розрахувати інший, для цього можна скористатися таблицею ПУЕ (Правила
улаштування електроустановок).
Таблиця
навантаження проводів і кабелів.
|
Перетин, мм2 |
Відкрито прокладений |
|||||
|
Мідь |
Алюміній |
|||||
|
Iₙ, А |
кВт |
Iₙ, А |
кВт |
|||
|
220В |
380В |
220В |
380В |
|||
|
0,5 |
11 |
2,4 |
- |
- |
- |
- |
|
0,75 |
15 |
3,3 |
- |
- |
- |
- |
|
1 |
17 |
3,7 |
11 |
- |
- |
- |
|
1,5 |
23 |
5 |
15 |
- |
- |
- |
|
2,5 |
30 |
6,6 |
19 |
24 |
5,3 |
15,5 |
|
4 |
41 |
9 |
26 |
32 |
7 |
20,7 |
|
6 |
50 |
11 |
32 |
39 |
8,6 |
25,2 |
|
10 |
80 |
17,6 |
52 |
60 |
13 |
38,8 |
|
16 |
100 |
22 |
65 |
75 |
16,5 |
48,5 |
|
25 |
140 |
30,8 |
90 |
105 |
23,1 |
58,1 |
|
35 |
170 |
37 |
110 |
130 |
28,6 |
71 |
|
Перетин, мм2 |
Прокладений у трубі |
|||||
|
Мідь |
Алюміній |
|||||
|
Iₙ, А |
кВт |
Iₙ, А |
кВт |
|||
|
220В |
380В |
220В |
380В |
|||
|
0,5 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
0,75 |
- |
- |
- |
- |
- |
- |
|
1 |
14 |
3 |
9 |
- |
- |
- |
|
1,5 |
15 |
3,3 |
9,7 |
- |
- |
- |
|
2,5 |
21 |
4,6 |
13,6 |
16 |
3,5 |
10,3 |
|
4 |
27 |
5,9 |
17,4 |
21 |
4,6 |
13,6 |
|
6 |
34 |
7,5 |
22 |
26 |
5,7 |
16,8 |
|
10 |
50 |
11 |
32,3 |
28 |
8,3 |
24,5 |
|
16 |
80 |
17,6 |
51,7 |
55 |
12,1 |
35,5 |
|
25 |
100 |
22 |
64,6 |
65 |
14,3 |
42 |
|
35 |
135 |
29,7 |
87,2 |
75 |
16,5 |
48,5 |
Це середні дані за ідеальних умов,
деякі виробники надають власні рекомендації щодо використання різних
типорозмірів із власного асортименту.
Якщо побутова розетка витримує
до 16А, до неї необхідно підводити провід на 1,5мм², але для захисту краще
поставити автомат на 16А або нижче.
Можна помітити, що в таблиці для
прихованої прокладки допустимий показник Iₙ менший, ніж для відкритої. Це
пов’язано з тим, що в стіні або трубі погана тепловіддача й нагрівання
відбувається швидше, відповідно ймовірність плавлення ізоляції вища. Чим
щільніше прокладені кабелі в каналі, тим менше навантаження вони витримають.
Між паралельно прокладеними кабелями
слід зберігати відстань рівну 5 діаметрам найбільшого з них.
Iₙ залежить від сукупної потужності
споживачів. Кожен включений у розетку електроприлад споживає тільки необхідні
йому вати електрики. Чим більше споживачів та чим вони потужніші, тим більше
навантаження буде в мережі.
Для однієї фази силу струму можна
розрахувати за формулою I = P/U, де P – сумарна потужність споживачів (виражена
у Вт), а U – напруга (В).
Розглянемо на прикладі електропроводки
для одиночної розетки на кухні, у яку точно ніколи не будуть підключатися двійники
чи трійники. Імовірний набір електротехніки:
Отже, найбільше навантаження дає
електрочайник – 1,5 кВт. В однофазної мережі напруга – 220 В, робимо прості
обчислення:
1500 Вт / 220 В =
6,8 А.
Для цього випадку
оптимально підійде ППВ на 1,5мм² з уже згаданою 16-амперною розеткою.
|
Прилад |
P, кВт |
|
Кухонний комбайн |
0,7 |
|
Електрочайник |
1,5 |
|
Електром’ясорубка |
1 |
|
Мікрохвильовка |
1,4 |
|
Тостер |
1 |
За технікою безпеки в житловому
приміщенні дозволено прокладати лише мідну проводку.
А тепер змоделюємо
іншу ситуацію, коли є кілька розеток, і всі прилади можуть вмикатись одночасно
(наприклад, готується вечеря для великої компанії). У такому випадку навантаження
в мережі може зростати до:
0,7 кВт + 1,5 + 1 +
1,4 + 1 = 5,6 кВт.
За формулою можемо
порахувати силу струму:
5600 Вт / 220 В =
25,5 А.
Для прокладання від
щитка кабелю на 1,5мм² буде замало, у такому випадку рекомендований перетин
4мм².
|
P, кВт |
Iₙ, А |
Перетин, мм2 |
Номінал
автоматичного вимикача, А |
|
1 |
4,5 |
1 |
4-6 |
|
2 |
9,1 |
1,5 |
10 |
|
3 |
13,6 |
2,5 |
16 |
|
4 |
18,2 |
2,5 |
20 |
|
5 |
22,7 |
4 |
25 |
|
6 |
27,3 |
4 |
32 |
|
7 |
31,8 |
4 |
32 |
|
8 |
36,4 |
6 |
40 |
|
9 |
40,9 |
6 |
50 |
|
10 |
45,5 |
10 |
50 |
Дані в таблиці
актуальні тільки для електромережі з такими характеристиками:
·
одна фаза з напругою 220В;
·
Температурний режим +30°C;
·
Використовуються трьохжильна проводка (з робочим
заземленням);
·
Прокладання в закритому коробі.
У таблиці представлені розрахунки за
стерильних умов, коли перетин не усічений, а провідник із чистої міді без
домішок. На практиці іноді трапляються дешеві китайські аналоги із гіршими
характеристиками, тому якщо не впевнені в надійності, краще перестрахуйтеся
та оберіть кабель із перетином на номінал вище або встановіть автомат на
номінал нижче.
Крім того, на
мережеві характеристики впливають умови експлуатації:
·
Ймовірність підключення потужного устаткування з
великими пусковими струмами;
·
Великий діапазон робочих температур, наприклад,
під час прокладання на вулиці проводка може нагріватися від сонця;
·
Експлуатація в умовах підвищеної пожежної
небезпеки.
Якщо можливий
будь-який із вищенаведених варіантів, краще вибрати більший діаметр і поставити
відповідний автомат, але це вже суто індивідуальне рішення.
Спрощений розрахунок за «дідівським
методом».
Багато електриків
на практиці користуються простим правилом: Iₙ (в амперах) ділять на 10 і
отримують оптимальну площу перетину (у кв. міліметрах), а потім результат
округлюють у більшу сторону.
Розглянемо на прикладі мережевого
струму 22А, за «дідівським методом» площа перетину має бути 22А/10 = 2,2(мм²).
Найближчий номінал вгору – 2,5мм², відповідно його й беремо. Отриманий
результат більш-менш відповідає табличним даним.
Правило ділення на 10 діє тільки для
мереж до 40А. Для потужніших ліній, наприклад, на вводі в щиток може бути
40–80А рекомендується зробити більший запас, у такому разі ампери слід ділити
на 8.
Це правило діє й навпаки – щоби
розрахувати максимальний струм, потрібно перетин помножити на 10.
Алюміній гірше проводить
електроенергію, ніж мідь. Для мереж 0–40А потрібен провід на 20 % товщий, а для
40–80А – на 30 %. З огляду на це, для алюмінієвого кабелю ампери
потрібно ділити на 6.
Розраховуємо проводку для трифазної
електромережі.
Для трифазної мережі актуальна така
формула: I=P/(U*cosφ), де P - потужність, U - напруга (380В), cosφ
- коефіцієнт потужності, за замовчуванням він дорівнює √3 ≈ 1,7.
Розрахуємо провідник на прикладі
трифазної електроплити. Середня модель має 4 конфорки на 1–1,5 кВт кожна, а це
значить, що максимально електроплита буде споживати – 6кВт. Iₙ дорівнюватиме:
6 кВт / (380 В ×
1,7) = 9,3 А
Згідно з ПУЕ, для підключення
знадобиться 5-провідниковий ППВ або ВВГ на 1мм². Для більшої надійності можна
купити ВВГ 5×1,5.. Якщо робити алюмінієву проводку, то зійде й АВВГ 4×2,5,
але в приміщенні дозволена лише мідна проводка.
Під час розрахунків потужності
додавайте запас 15–20 %. Це страховка на випадок зносу або підключення
додаткових пристроїв.
29.09.2025р.
Тема програми №
Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку Лабораторна робота №9 «Послідовне,
паралельне та змішане з'єднання користувачів струму»
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк
Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор.
https://youtu.be/Tk1c4NiJtPM?si=h7DQzNotHHvgqzGy
Всеукраїнська школа онлайн: Дослідження електричного
кола з послідовним з'єднанням провідників. Частина 1
https://youtu.be/z03dWhvmgp0?si=kXjgrbuYoMN3IePq
Всеукраїнська школа онлайн: Дослідження електричного
кола з паралельним з'єднанням провідників. Частина 2
Обладнання: Лабораторне джерело струму, джерело
живлення, лабораторні вольтметри, лабораторні амперметри, магазин опорів,
реостатів, вимикач., провідники.
Опрацювати матеріал:
1. Опрацювати закони Ома
2. Опрацювати закони Кірхгофа.
3. Опрацювати методику еквівалентних перетворень
електричних кіл.
4. Ознайомитись із схемами електричних кіл
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на питання:
1. Опишіть закон Ома.
2. Опишіть закон Кірхгофа.
3. Опишіть види з’єднання провідників.
4. Замалюйте та складіть схему послідовного з’єднання резисторів,
виконайте вимірювання заповніть таблицю.
5. Замалюйте та складіть схему паралельного з’єднання резисторів,
виконайте вимірювання заповніть таблицю.
6. Замалюйте та складіть схему змішаного з’єднання резисторів,
виконайте вимірювання заповніть таблицю.
7. Результати аналізуємо та оформлюємо висновок.
Виконання роботи
1. Записати в табл. 1 технічну характеристику
вимірювальних приладів.
Таблиця 1
Технічна характеристика вимірювальних приладів
і обладнання
|
Назва приладу |
Тип |
Кількість |
Технічні дані |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Скласти електричне коло з
послідовно з’єднаними резисторами відповідно до схеми.
3. Встановити напругу
живлення кола. Виміряти струм у колі і спад напруги на кожному
резисторі. Результати вимірювань занести в табл. 2.
Таблиця 2
Результати вимірювань і розрахунків
|
Виміряно |
Розраховано |
||||||||||||||
|
I, A |
U, В |
U1, B |
U2, B |
U3, B |
U4, B |
R1, OМ |
R2, OМ |
R3, OМ |
R4, OМ |
R, OМ |
P1, ВТ |
P2, ВТ |
P3, ВТ |
P4, ВТ |
P, ВТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. Розрахувати опори і потужності резисторів, повний
опір кола і повну потужність. Результати занести в табл. 2.
5. Скласти електричне коло з паралельно з’єднаними резисторами відповідно до схеми.
6. Встановити напругу
живлення кола . Виміряти струми в резисторах і напругу кола. Результати вимірювань занести в
табл. 3.
Таблиця 3
Результати вимірювань і розрахунків
|
Розраховано |
|||||||||||||||
|
U, В |
I, A |
I1, A |
I2 A |
I3, А |
I4, A |
R1, OМ |
R2, OМ |
R3, OМ |
R4, OМ |
R, OМ |
P1, ВТ |
P2, ВТ |
P3, ВТ |
P4, ВТ |
P, ВТ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
7. Розрахувати опори і потужності резисторів, повний
опір кола і повну потужність. Результати
занести в табл. 3.
8. Скласти електричне коло з змішаним
з’єднанням резисторів відповідно до схеми.
9. Встановити напругу живлення кола . Виміряти струми і спад напруги на кожному резисторі. Результати вимірювань занести в табл. 4.
Таблиця 4
Результати вимірювань і розрахунків
|
Дані вимірювань |
Результати обчислень |
|||||||||||||||
|
I, A |
I1, A |
I2 A |
I3, А |
I4, A |
U1, В |
U2, В |
U3, В |
U4, В |
Uзаг, В |
R1, OМ |
R2, OМ |
R3, OМ |
R4, OМ |
Rсер, OМ |
Rроз, OМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Оформити висновок _(підтвердження законів Ома і Кірхгофа, обчислення еквівалентного опору)
25.09.2025р.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 15. Лабораторна робота №8 «Послідовне та
паралельне з'єднання користувачів струму»
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк
Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор.
https://youtu.be/SeiTsON2xfs?si=S9pzs-qRXZW6iB5l
Фізика Онлайн: Дослідження електричного
кола з паралельним з'єднанням провідників.
https://youtu.be/phcy5WfUxJ8?si=X-fM-bTWxjHZrenJ
Фізика Онлайн: Дослідження електричного
кола з послідовним з'єднанням провідників
https://youtu.be/Tk1c4NiJtPM?si=h7DQzNotHHvgqzGy
Всеукраїнська школа онлайн: Дослідження
електричного кола з послідовним з'єднанням провідників. Частина 1
https://youtu.be/z03dWhvmgp0?si=kXjgrbuYoMN3IePq
Всеукраїнська школа онлайн: Дослідження
електричного кола з паралельним з'єднанням провідників. Частина 2
Обладнання: Лабораторний вольтметр,
лабораторний амперметр, магазин опорів, вимикач, лабораторне джерело струму.
Опрацювати матеріал:
1. Способи з’єднання провідників.
2. Визначення послідовного з’єднання
провідників.
3. Визначення паралельного з’єднання
провідників.
4. Інструктаж з охорони праці.
5. Правила проведення експериментів.
6. Висновок.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Опишіть види з’єднання провідників.
2. Опишіть та замалюйте схему послідовного
з’єднання провідників.
3. Опишіть та замалюйте схему паралельного
з’єднання провідників.
4. Складаємо електричне коло, виконуємо
вимірювання, результати підставляємо до формул.
5. Результати аналізуємо та оформлюємо висновок.
Способи з’єднання
провідників
У процесі розрахунку електричних кіл
доводиться стикатися з різними схемами з’єднань провідників. З’єднання, за
якого по всіх ділянках проходить один і той самий струм, називають послідовним.
Будь-який замкнутий шлях, який проходить кількома ділянками, – це контур
електричного кола. Ділянку кола, уздовж якого проходить один і той самий струм,
називають гілкою, а місце з’єднання трьох і більше гілок – вузлом.
Послідовне і паралельне з’єднання
провідників. Провідники в електричному колі з’єднують послідовно або
паралельно. За послідовного з’єднання провідників (рис. 1) сила струму у всіх
провідниках однакова: I1 = I2 = I.
За законом Ома, напруги U1 і
U2 на провідниках рівні U1 = IR1, U2
= IR2.
Рис.
1. Схема послідовного з’єднання провідників
Загальна напруга U на обох провідниках
дорівнює сумі напруги U1 і U2:
U = U1
+ U2 = I(R1 + R2) = IR, де R – електричний
опір всього кола. Звідси випливає: R = R1 + R2. За
послідовного з’єднання повний опір кола дорівнює сумі опорів окремих
провідників.
Цей результат правильний для будь-якої
кількості послідовно з’єднаних провідників.
Паралельне з’єднання. За паралельного
з’єднання (рис. 2) напруга U1 і U2 на обох провідниках
однакова: U1 = U2 = U.
Рис.
2. Схема паралельного з’єднання провідників
Сума струмів I1 + I2,
що проходять по обох провідниках, дорівнює струму
в нерозгалуженому колі: І = I1
+ I2. Цей результат пов’язаний із тим, що в точках розгалуження
струмів (вузли A і B) у колі постійного струму не можуть накопи-чуватися заряди. Наприклад, до вузла A
за час t приходить заряд I ∙ t, а виходить із вузла за той самий час заряд I1
∙ t + I2 ∙ t. Отже, I = I1 + I2.
Записуючи на підставі закону Ома:
де R – електричний опір всього кола, отримаємо:
За паралельного з’єднання провідників величина, обернена загальному опору кола, дорівнює сумі величин, обернених опорам паралельно включених провідників. Цей результат є правильним для будь-якої кількості паралельно з’єднаних провідників.
Формули для послідовного і паралельного
з’єднання провідників дають змогу в багатьох випадках розраховувати опір
складного кола, що складається з багатьох резисторів.
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор.
Кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом, прямо пропорційна силі струму, напрузі й часу проходження струму через провідник.
Сила струму (I): Якщо зробити струм у 2 рази сильнішим, тепла виділиться у 4 рази більше (бо це залежить від квадрата сили струму: I²).
Опір (R): Чим більше опір провідника, тим більше тепла виділиться при однаковій силі струму.
Час (t): Чим довше проходить струм, тим більше тепла накопичується.
24.09.2025р.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 13. Лабораторна робота №6 «Закон Ома для
повного кола»
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор.
https://youtu.be/MoOxVHxRt_M?si=5oyfD9FIC9mbl1pc
https://youtu.be/mWDaTHEZS48?si=aa3A-mQh56ZrLcSG
Обладнання:
Лабораторний вольтметр, лабораторний амперметр, магазин опорів, вимикач,
лабораторне джерело струму.
Опрацювати
матеріал:
1. Закон Ома для ділянки кола.
2. Закон Ома для повного
кола
3. Інструктаж з
охорони праці.
3. Правила
проведення експериментів.
4. Висновок.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Складаємо електричне
коло, виконуємо вимірювання, результати заносимо до формул.
2. Повторюємо
експеримент змінивши резистор, користуючись формулою знаходимо ЕРС.
3. Далі креслимо
та складаємо схему, дотримуючись плану заповнюємо таблицю перевіряючи показники
та оформлюємо висновок відносно напруги та ЕРС.
4. Чим відрізняється
закон Ома для ділянки та для повного кола.
Пригадаємо Закон Ома для ділянки кола
із довжиною l і площею поперечного перерізу S (рис. 1).
Рис. 1.
Ділянка електричного кола у вигляді металевого провідника
Нехай провідник
перебуває в однорідному електричному полі з напруженістю
E = U / l. Під
дією цього поля вільні електрони провідника здійснюють прискорений рух у
напрямку, протилежному вектору E. Рух електронів відбувається доти, доки вони
не зіткнуться з іонами кристалічної решітки провідника. При цьому швидкість
електронів падає до нуля, після чого процес прискорення електронів повторюється
знову. Оскільки рух електронів рівноприскорений, то їхня середня швидкість
становить:
vсер =
vmax / 2, (2.7)
де vmax
– максимальна швидкість електронів перед зіткненням з іонами.
Очевидно, що
швидкість vmax прямо пропорційна напруженості поля E;
отже, і середня
швидкість пропорційна E. Однак струм і щільність струму визначаються швидкістю
руху електронів провідника.
Тому:
J = γE. (2.8)
Цей вираз є
диференційною формулою закону Ома. Він зв’язує щільність струму в кожній точці
всередині провідника з напруженістю електричного поля в тій самій точці.
Коефіцієнт
пропорційності γ називають питомою електричною провідністю. Він залежить від
матеріалу провідника і за заданої температури є сталою величиною.
Перетворимо вираз
(2.8). Оскільки J = I / S, = U / I, а γ = 1/ρ (ρ – питомий опір), то I / S =
(1/ρ)(U / I), звідки:
I = U ρl / S .
Увівши поняття
опору провідника через співвідношення ρl/S = R (R – опір провідника), остаточно
отримаємо:
I = U/R. Цей вираз
є законом Ома для ділянки кола: сила струму на ділянці кола прямо пропорційна
напрузі, що додається до цієї ділянки.
Наведені
міркування є слушними за умови, що γ, а отже, і R – сталі величини, тобто для
лінійного кола, яке характеризується залежністю I = (1/R)U, струм лінійно
залежить від напруги. Звідси випливає важливий висновок: закон Ома є правильним
для лінійних кіл (R = const). Розглянемо повне коло (рис. 2).
Рис. 2.
Схема, що пояснює закон Ома для всього кола
Згідно із законом
Ома для ділянки кола U = IR, Uвн = IRвн. Тоді відповідно
до E = U + Uвн = IR + IRвн. Отже: I = E / (R +
Rвн). Вираз є законом Ома для всього кола. Сила струму в колі прямо пропорційна
ЕРС джерела.
Із виразу E = U +
Uвн випливає, що U = E – IRвн, тобто за наявності струму в колі напруга на
затискачах навантаження R менша, ніж ЕРС джерела (E) на значення падіння
напруги на його внутрішньому опорі (IRвн).
Теоретичні відомості:
За
законом Ома в повному колі ЕРС дорівнює сумі всіх спадів напруги на внутрішній
і зовнішній ділянках кола ε = Uзовн. + Uвн. Якщо
врахувати закон Ома для ділянки кола, то Uзовн. = I · Rзовн.,
а Uвн., = I · r, де r — внутрішній опір джерела струму.
Отже, ε = IRзовн. + Іr.
У цьому рівнянні два невідомих, а тому
для їх знаходження за правилами алгебри, потрібно щонайменше два рівняння, в
які входять ці невідомі.
Для отримання таких двох рівнянь
проведемо дослідження експериментального кола за двома етапами.
1) Складемо електричне коло, в яке
входять джерела струму, амперметр, вимикач і магазин опорів, у якому відомі
значення всіх опорів, що до нього входять. Оберемо деяке середнє значення опору
R1 і замкнемо коло. Стрілка амперметра покаже деяке значення
сили струму I1. Тоді ε = I1R1 + I1r.
2) Повторимо дослід, замінивши резистор
у магазині опорів на деяке значення R2. Для цього випадку ε = I2R2 +
I2r.
1. Накреслимо послідовне коло з джерела
струму, амперметра, магазина опорів і вимикача.
2. За накресленою схемою складемо
електричне коло.
3. У магазині опорів увімкнемо резистор
опором 2 Ом.
4. Замкнемо коло і знімемо показання
амперметра І1.
5. Увімкнемо резистор в магазині опорів
на 5 Ом.
6. Замкнемо коло і знімемо покази
амперметра І2.
7. Результати вимірювань занесемо до
таблиці.
8. Знайдемо значення ЕРС і внутрішній
опір джерела.
9. За розімкнутого кола виміряємо
напругу U на клемах джерела.
|
№ з/п |
Сила струму, А |
Опір зовнішнього кола, Ом |
Внутрішній опір, Ом |
ЕРС1 джерела, В |
ЕРС2 джерела, В |
Напруга на клемах джерела, В |
|
1 |
1,2 |
2 |
1,0 |
3,6 |
3,6 |
3,6 |
|
2 |
0,6 |
5 |
1,0 |
3,6 |
3,6 |
3,6 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Висновок: Напруга U на клемах джерела при розімкненому ключі дорівнює ЕРС джерела струму.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 12. Лабораторна
робота №5 «Закон Ома для ділянки кола»
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l.
Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум»
2002. Стор.
https://youtu.be/W7XFO4fAx7A?si=9uRPPGkn3bPx-R-L
https://youtu.be/mWDaTHEZS48?si=aa3A-mQh56ZrLcSG
Опрацювати матеріал:
1. Закон Ома
для ділянки кола.
2. Інструктаж з охорони праці.
3. Правила проведення експериментів.
4. Висновок.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Експеримент 1. Складіть схему,
виконайте вимірювання, результати занесіть в таблицю.
2. Проаналізуйте експеримент №1 і його результати.
Сформулюйте висновок.
3. Експеримент 2. Складіть електричне коло,
виконайте вимірювання, результати занесіть в таблицю.
4. Проаналізуйте експеримент №2 і його результати.
Сформулюйте висновок.
Обладнання: джерело
струму, 2 резистори, амперметр, вольтметр, ключ, з'єднувальні проводи.
Хід
роботи
Підготовка
до експерименту
Накресліть схему електричного кола, що складається з джерела струму, двох
резисторів і ключа, з’єднаних послідовно.
Експеримент 1.
Дослід 1. Порівняння сили
струму в різних ділянках кола, яке містить послідовне з’єднання провідників.
1. Складіть електричне коло за накресленою вами
схемою.
2. Виміряйте силу струму, увімкнувши амперметр
спочатку між джерелом струму і першим резистором (I1), потім між ключем і
другим резистором (I2), а
потім між ключем і джерелом струму (I).
Накресліть схеми відповідних електричних кіл.
3.
Результати вимірювань занесіть до табл. 1 і зробіть висновок.
Таблиця
1
Дослід 2. Порівняння загальної напруги на ділянці кола, яка складається з послідовно з’єднаних резисторів, і суми напруг на окремих резисторах.
1. У колі, складеному для проведення досліду 1,
виміряйте напругу спочатку на першому резисторі (U1), потім на другому
резисторі (U2), а потім на
обох резисторах (U). Накресліть схеми
відповідних електричних кіл.
2.
Результати вимірювань занесіть до табл. 2. Закінчіть заповнення таблиці та
зробіть висновок.
Таблиця
2
Опрацювання
результатів експерименту
1. Використовуючи результати дослідів 1 і 2,
обчисліть опір першого резистора (R1), другого резистора (R2) та опір ділянки кола, яка
містить обидва резистори (R).
2. Результати обчислень занесіть до табл. 3.
Закінчіть заповнення таблиці, зробіть висновок.
Таблиця 3
Аналіз першої частини експерименту та його результатів.
Проаналізуйте експеримент і його результати.
Сформулюйте висновок, у якому зазначте:
1) які співвідношення для послідовно
з’єднаних провідників ви перевіряли та які результати одержали;
2) які чинники могли вплинути на
точність отриманих вами результатів.
3. Накресліть схему електричного кола, що містить дві паралельно з’єднані лампи, які через ключ з’єднані з джерелом струму.
Експеримент 2.
1.Перейдіть за покликанням https://phet.colorado.edu/sims/html/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab/latest/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab_uk.html?authuser=0
Дослід 3. Порівняння сили
струму на різних ділянках кола, що містить паралельне з’єднання провідників.
1.Складіть електричне коло за схемою.
2. Приєднавши амперметр до відповідної ділянки кола, виміряйте силу струму І1,
який тече в лампі 1, силу струму І2, який тече в лампі 2 і
силу струму I, який проходить у нерозгалуженій частині кола,
3.Накресліть схеми відповідних електричних кіл.
Схеми електричних кіл.
4. Результати вимірювань занесіть до таблиці1. Зробіть висновок.
Дослід 4. Порівняння напруги на різних ділянках кола, що містить паралельне з’єднання провідників.
1.Виміряйте напругу U на лампах.
2. Результати
вимірювань занесіть до табл. 2. Зробіть висновок.
Опрацювання результатів експерименту.
Використовуючи дані з дослідів 1 і 2,
обчисліть опори на кожній з лампочок та загальний опір усієї ділянки кола. Для
обчислення використайте закон Ома. Загальний опір перевірте додатково, за
формулою розрахунку опору для двох паралельно з’єднаних опорів. Результати обчислень занесіть до
табл.3. Зробіть
висновок.
ВИСНОВОК. В ході лабораторної роботи ми дослідним шляхом
перевірили ……. і визначили що для послідовного
та паралельного з’єднаних провідників
сила струму
на ділянці кола ……
напруга на
ділянці кола………
величина,
обернена до опору ділянки кола ……
23.09.2025р.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема
уроку № 11. Лабораторна робота №4 «Послідовне і
паралельне включення джерел струму».
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор.
https://youtu.be/tkjBjSskHHY?si=D86T83DnLOFXK8V9
Опрацювати
матеріал:
1. Джерела струму.
2. Послідовне
з'єднання джерел
струму.
3. Паралельне з'єднання джерел струму.
4. Послідовно-паралельне
з'єднання джерел струму.
5. Правила безпеки.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Які джерела
струму ви знаєте?
2. Що відбувається
при послідовному з'єднання АКБ.
3. Що відбувається
при паралельному з'єднання АКБ.
4. Чому дорівнює струм
при різних підключеннях?
5. Чому дорівнює напруга при різних
підключеннях?
6. Накресліть схему для послідовного,
паралельного та змішаного підключення джерел струму.
7. Зберіть схеми, виконайте вимірювання,
результати запишіть.
8. Проаналізуйте результати вимірювань,
зробіть висновок.
Обладнання: джерела струму, перетинки,
амперметр, вольтметр, ключ, з'єднувальні проводи.
При послідовному з'єднанні джерел струму їхня загальна
напруга дорівнює сумі напруг окремих джерел, а струм однаковий для всіх
джерел. При паралельному з'єднанні напруга залишається однаковою для всіх
джерел, а загальний струм кола дорівнює сумі струмів, що протікають через кожне
джерело. Послідовне з'єднання збільшує загальну напругу, тоді як
паралельне — загальну потужність і силу струму.
Послідовне з'єднання
- Призначення: Збільшити загальну напругу кола.
- Характеристики:
- Напруга: Сумується. Якщо у вас є N джерел по V напруги кожне,
загальна напруга буде N * V.
- Струм: Однаковий
у кожному джерелі.
- Приклад: З'єднання трьох батарейок по 1.5В послідовно дасть загальну
напругу 4.5В.
- Правила безпеки: Напруга на кожному джерелі має бути однаковою, а також необхідно
дотримуватися правильної полярності підключення (плюс до мінуса).
Паралельне з'єднання
- Призначення:
Збільшити загальну силу струму або потужність.
- Характеристики:
- Напруга: Однакова для всіх
джерел.
- Струм: Сумується. Загальний
струм є сумою струмів через кожне джерело.
- Приклад: Якщо вам потрібно
більше струму, а не напруги, ви можете з'єднати джерела паралельно.
- Важливі моменти:
- Напруга джерел має бути
однаковою.
- Кожне джерело повинно бути
здатне витримувати необхідний струм.
Схеми з'єднання акумуляторних батарей
АКБ.
Прийняті
позначення:
· V – напруга, В
· C – ємність,
А/год
Ємність акумулятора - це той проміжок
часу акумулятор АКБ зможе забезпечувати живлення підключеного до нього
навантаження. Ємність акумулятора вимірюють в ампер-годинах, а для невеликих
акумуляторів – в міліампер-годин.
1.
Послідовне з'єднання АКБ.
Для послідовного з'єднання
акумуляторів, до "плюса" електричної схеми підключають позитивну
клему першого акумулятора АКБ, використовуючи перемичку. До його негативній
клемі підключають позитивну клему другого акумулятора АКБ і т. д. Негативну
клему останнього акумулятора підключають до "мінуса" електричної схеми
(див. рис. 1).
Рис. 1 Електрична схема послідовного з'єднання акумуляторів.
Рис. 2 Послідовно з'єднані акумулятори.
Рис. 3 Послідовно з'єднані акумулятори подвійний перемичкою.
Отримана при послідовному з'єднанні
акумуляторна батарея має ту ж ємність, що і у одиночного акумулятора, а напруга
такий акумуляторної батареї дорівнює сумі напруг входять до неї акумуляторів. Тобто
якщо акумулятори мають однакові напруги, то напруга батареї дорівнює напрузі
одного акумулятора, помноженому на кількість акумуляторів в акумуляторній
батареї (див. рис. 4).
Еквівалентний внутрішній опір
послідовно з'єднаних акумуляторів дорівнює сумі їх внутрішніх опорів.
Рис. 4. Послідовне з'єднання 4-х акумуляторних батарей.
У розглянутому прикладі (рис. 4) чотири
акумуляторні батареї V=12,=100 А/ч при послідовному з'єднанні дають:
· загальна напруга
VΣ = 48 В
· загальна ємність
CΣ = 100 А/ч.
2.
Паралельне з'єднання АКБ.
При паралельному з'єднанні, акумулятори
з'єднують так, щоб позитивні клеми всіх акумуляторів були підключені до однієї
точці електричної схеми ("плюса"), а негативні клеми всіх
акумуляторів були підключені до іншої точки схеми ("мінуса") (див.
рис. 5).
Рис. 5 Електрична схема паралельного з'єднання
Рис. 6 Паралельно сполучені акумулятори.
Отримана при паралельному з'єднанні
акумуляторна батарея АКБ має те ж напруга, що і у одиночного акумулятора, а
ємність такої акумуляторної батареї дорівнює сумі ємностей входять до неї
акумуляторів. Тобто якщо акумулятори мають однакові ємності, то ємність
акумуляторної батареї дорівнює ємності одного акумулятора, помноженої на
кількість акумуляторів у батареї.
У прикладі (рис. 6) дві акумуляторні
батареї V=12,=100 А/ч при паралельному з'єднанні дають:
• загальна напруга
VΣ = 12 В
• загальна ємність
CΣ = 200 А/год
3.
Послідовно-паралельне з'єднання АКБ.
Дуже часто
виникають ситуації, коли необхідно збільшувати і ємність і напруга. В такому
випадку використовують послідовно-паралельні з'єднання АКБ.
Рис. 7 Приклад послідовно-паралельного з'єднання АКБ
У розглянутому прикладі (рис. 7) вісім
акумуляторних батарей V=12,=100 А/год за чотири АКБ з'єднані послідовно в
Ланцюг А і Ланцюг , а Ланцюг А і Ланцюг В з'єднані паралельно, відповідно при
такій схемі:
· загальна напруга
VΣ = 48 В
· загальна ємність
CΣ = 200 А/год.
22.09.2025р.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 10. Лабораторна робота №3 «Види з’єднань елементів кола. Закони Кірхгофа».
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002..
Опрацювати матеріал:
1. Вузол електричного кола
2. Вітка електричного кола.
3. Замкнений контур електричного кола.
4. Перший закон Кірхгофа.
5. Другий закон Кірхгофа.
6. Поняття про розрахунок складних кіл
7. Обговорення проблемної ситуації.
8. Переконання за допомогою дослідів у правильності законів Кірхгофа.
9. Проведення обрахунків дослідних даних.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на питання:
1. Яке значення мають Закони Кірхгофа?
2. Скільки видів з’єднань тягових двигунів в електровозі?
3. Де застосовують послідовно-паралельне перемикання тягових двигунів?
4. Дати відповіді на міні-тест.
5. Дати визначення першому закону Кірхгофа.
6. Дати визначення другому закону Кірхгофа.
7. Перевіримо справедливість законів Кірхгофа дослідним шляхом.
Тема сьогоднішнього уроку «Закони Кірхгофа». Закон Ома встановлює залежність між силою струму, напругою і опором для простого електричного кола, яке являє собою один замкнений контур. На практиці зустрічаються більш складні (розгалужені) електричні кола, в яких є декілька замкнених контурів і декілька вузлів до яких підходять струми, що проходять по окремих вітках. Значення струмів і напруг для таких кіл можна знаходити застосовуючи закони Кірхгофа.
Німецький вчений Густав Кірхгоф мав досягнення не лише у фізиці, а й у хімії, теоретичній механіці, термодинаміці. В електротехніці використовується закономірність, яку він встановив для електричного кола, із двох співвідношень.
Закони Кірхгофа (також їх називають правилами) описують розподіл струмів у вузлах і падіння напруги на елементах контуру. Закони Кірхгофа мають особливе значення в електротехніці через свою універсальність, адже придатні для вирішення будь-яких електротехнічних завдань. Вони встановлюють співвідношення між струмами і напругами в розгалужених електричних колах.
Електричні кола сучасних електровозів постійного і змінного струмів містять багато електричних машин, апаратів і приладів. Спрацьовування будь-якого апарата силового кола електровоза завжди призводить той або інший вплив на тягові двигуни–здійснюється їхній пуск, регулюється частота обертання, змінюється напрямок обертання (реверсування), виконується перемикання в режим електричного гальмування тощо. Отже, треба насамперед знати, як влаштовані і як працюють тягові двигуни і їх види з’єднань.
В електровозі передбачені три з’єднання тягових електродвигунів: послідовне, послідовно-паралельне і паралельне . В тяговому режимі можлива робота на всіх з’єднаннях з вимкненими ушкодженими двигунами.
Наприклад, на чотиривісних електровозах може бути використано послідовне з’єднання тягових двигунів (рис.1а); при цьому напруга, що підводиться до двигуна, в 4 рази менша напруги U на контактній мережі і двигун має деяку мінімальну частоту обертання. При з’єднанні двигунів в дві паралельні групи (рис.1 б), в кожну з яких під’єднано по два послідовно з’єднаних двигуни, напруга, яка підводиться до кожного двигуна, буде в 2 рази менша напруги U в контактній мережі і частота його обертання більша в 2 рази більша за мінімальну частоту обертання при послідовному з’єднанні тягових двигунів.
Послідовно-паралельне перемикання тягових двигунів застосовують також на тепловозах.
Створення проблемної ситуації.
Вивчаючи тему сьогоднішнього уроку, отримавши відповідні знання,
вам пропонується застосувати І і ІІ закони Кірхгофа на прикладі послідовного і паралельно-послідовного з’єднання двигунів чотиривісного електровоза постійного струму. При ввімкнені електродвигунів постійного струму на електрорухомому складі послідовно і в дві паралельні групи їх можна розглядати, як деякі джерела ЕРС. Знаючи, що при послідовному з'єднанні до затискачів кожного двигуна прикладається по 500В, при послідовно-паралельному по 1000В. струм підводиться не менше 750 А. (рис. 1).
рис. 1. Схеми з’єднання тягових електродвигунів чотиривісного
електровоза постійного струму.
Записати рівняння знаходження електрорушійної сили джерела енергії і рівняння сили струму в колі.
а) при послідовному з'єднанні:
При послідовному з’єднанні тягових двигунів
А. застосовуючи І закон Кірхгофа
б) при послідовно-паралельному в електричному колі є дві вітки, на яких приєднані тягові двигуни.
Застосовуючи ІІ закон Кірхгофа
, вибравши додатній напрям обходу контура за годинниковою стрілкою отримаємо:
Пройти міні-тест за основними питаннями попередніх тем:
1. Сила струму на зовнішній ділянці всього кола прямо пропорційно залежить від:
а) напруги; в) опору;
б) заряду; г) електрорушійної сили.
2. Сила струму на ділянці кола оберненопропорційно залежить від ...
а) напруги; в) опору;
б) заряду; г) електрорушійної сили.
3. Яка з формул є законом Ома для ділянки кола:
а) U =I / R; в) I =E / R + r;
б) I =U / R; г) E = IR + Ir = I(R + r).
4. Енергія або робота в одиницю часу це —
а) потужність; в) струм;
б) період; г) швидкість.
5. Опір – величина, яка характеризує властивість ділянки електричного кола, протидіяти проходженню електричного струму і не залежить від:
а) довжини проводу;
б) поперечного перерізу проводу;
в) матеріалу провідника;
г) ізоляції провідника.
6.Напруга визначається за формулою:
а) U = A·q; в) U =q/A;
б)U = A/q; г) U = F/q.
Для електричного кола, що складається з послідовно з'єднаних джерела та приймача енергії, співвідношення між силою струму, ЕРС та опором усього кола або між силою струму, напругою та опором на якійсь ділянці кола визначається законом Ома. Проте на практиці використовуються переважно такі кола, в яких струм від певного пункту може проходити різними шляхами і в яких, отже, є точки, де сходяться кілька провідників. Ці точки називаються вузлами (вузловими точками), а ділянки кола, що з'єднують два сусідні вузли,—відгалуженнями кола.
Наведемо основні складові електричних кіл.
Електричним колом називають замкнутий контур, який складається з джерела струму, споживачів енергії та з'єднувальних проводів, через які проходить електричний струм.
Вузол - точка з’єднання декількох, але не менше трьох віток складного кола.
Вітка –ділянка кола, яка немає відгалужень, через всі елементи якої протікає один і той же струм.
Замкнений контур - сукупність віток, по яких , починаючи з будь-якого з вузлів, можна здійснювати замкнений обхід у вибраному напрямі.
рис.2
Розглянемо схему на рис.2 і визначимо вузли, вітки, замкнені контури.
Точки А, Б, В, Г – вузлові точки.
Вітки – АД, ЕА, БВ, ВГ, АГ, АБ, АВ, БЕ, ДГ.
1-й контур – БЕАДГВБ;
2-й контур – БАВБ;
3-й контур – АГВА;
4-й контур – БАГВБ;
5-й контур – АДГА;
6-й контур – ЕАВБЕ;
7-й контур – ДГВАД;
8-й контур – ЕАБЕ;
9-й контур – АГВБЕА;
10-й контур – БАДГВБ.
Перший закон Кірхгофа
Перший закон Кірхгофа випливає із закону збереження заряду. Він встановлює залежність між струмами для вузлів електричного кола до яких підходить декілька віток.
Сума сил струмів, що підходять до вузла (вузлової точки) електричного кола, дорівнює сумі сил струмів, що відходять від цього вузла, або алгебраїчна сума сил струмів у вузловій точці електричного кола дорівнює нулеві.
Струми, що підходять до вузла, вважаються додатними, а ті що відходять від вузда – від’ємними.
рис. 3.
Припустимо, що у вузлі А сходяться 5 провідників з різними напрямками струму, то в лівій частині рівності буде сума сил струмів, що підходять до вузла, а в правій – сума сил струмів, що відходять від нього.
-І1 + І2+ (- І3) + І4 + (- І5) = 0;
І2+ І4 = І1 + І3+ І5.
Якщо перший описує розподіл струмів у вітках, другий закон Кірхгофа звучить так: «Сума падінь напруг у контурі дорівнює сумі всіх ЕРС». Простими словами формулювання звучить так: «У всякому замкненому електричному колі алгебраїчна сума всіх ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі спадів напруг на опорах ,приєднаних послідовно в це коло».
E1+E2+E3+…+En=I1R1+I2R2+I3R3+…+InRn;ΣЕ = ΣIR
Якщо в електричне коло ввімкнено два джерела енергії, ЕРС яких вбігаються
за напрямком, тобто ввімкнені згідно(рис. 4, а), то ЕРС усього кола дорівнює сумі ЕРС цих джерел: Е= Е1 + Е2.
Якщо ж у коло ввімкнено два джерела, ЕРС яких мають протилежні
напрямки, тобто ввімкнені зустрічно(рис. 4, б), то загальна ЕРС кола дорівнює різниці між ЕРС цих джерел: Е = Е1 —Е2
а) згідне; б) зустрічне.
У разі послідовного ввімкнення в електричне коло кількох джерел енергії з
різними напрямками ЕРС загальна ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС усіх джерел. Додаючи, ЕРС одного напрямку беруть зі знаком плюс, а ЕРС протилежного напрямку — зі знаком мінус.
рис.5. Замкнене електричне коло
Різними напрямками ЕРС загальна ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС усіх джерел. Додаючи, ЕРС одного напрямку беруть зі знаком плюс, а ЕРС протилежного напрямку — зі знаком мінус.
Замкнене коло є частиною складного кола (рис. 5, де замкнене коло Позначено літерами а, б, в, г). Оскільки з точок а, б, в, г відходять відгалуження, то сили струмівІ1 I2, I3, I4, відрізняючись значеннями, можуть мати різні напрямки. Для такого кола, згідно з другим законом Кірхгофа, можна записати:
Е1 —Е2 —E3 = І1 (R01 + R1) + I2 (R02 + R2) +I3 (R03 + R3) +I4R4,
де R01, R02, R03, — внутрішні опори джерел енергії;
R1, R2, R3, R4 – опори приймачів енергії.
В окремому випадку, за відсутності відгалужень і послідовного з’єднання провідників. Загальний опір дорівнює сумі всіх опорів.
Якщо зовнішнє коло джерела енергії з внутрішнім опором R0 складається, наприклад, із трьох послідовно з'єднаних резисторів з опорами відповідно R1,
R2, R3. То на основі другого закону Кірхгофа можна записати:
Е = І (Rо+ R1 + R2 + R3). Якби було кілька джерел струму, то ліва частина цього рівняння являла б собою алгебраїчну суму ЕРС цих джерел.
За паралельного з'єднання двох чи більше джерел енергії сили струмів, що проходять у них, у загальному випадку неоднакові.
Якщо два паралельно з'єднані джерела енергії (рис. 6), які мають ЕРС Е1 та Е2 і внутрішні опори R1 та R2, замкнути на якийсь зовнішній опір R, то сили струмів у зовнішньому колі I і в джерелах I1 таI2 можна визначити з таких виразів I=I1+I2; I=U/R; I1=(E-U)/R1; I2=(E2-U)/R2. Звідси сила струму зовнішньому колі I=(E1R2+E2R1)/(R1R2+RR1+RR2). Сили струмів, що протікають через перше і друге джерела енергії: I1 = (Е1 —IR)/R1; I2 = (E-IR)/R2.
рис.6. Паралельне з’єднання джерел енергії
Для визначення сили струму у всіх відгалуженнях кола треба знати опір відгалужень, а також значення і напрямок усіх ЕРС.
Перед складанням рівнянь за законами Кірхгофа треба довільно прийняти напрямки струмів у відгалуженнях і показати їх на схемі стрілками. Якщо дійсний напрямок струму в будь-якому відгалуженні протилежний вибраному, то після розв'язання рівнянь цей струм буде зі знаком мінус. Кількість потрібних рівнянь дорівнює кількості невідомих струмів, причому кількість рівнянь, що складаються за першим законом Кірхгофа, має бути на одиницю менша від кількості вузлів у колі; решта рівнянь складаються за другим законом Кірхгофа, причому слід вибрати найбільш прості контури і так, щоб у кожному з них було б хоч одне відгалуження, яке не входило в раніше складені рівняння.
- Проведення експериментів, обробка результатів (лабораторія електротехніки – групова форма роботи).
- Інструктаж з охорони праці під час роботи з приладами (проводиться перед початком роботи в лабораторії).
Дослід №1.Паралельне з’єднання приймачів електроенергії і перевірка першого закону Кірхгофа.
Схема №1.
Дослідити: перший закон Кірхгофа
Виміряти:
1. загальний струм в колі;
2. струми на окремих ділянках кола;
3. напругу мережі;
4. перевірити перший закон Кірхгофа.
Обчислити: провідність ділянок.
Обчислення: Провівши експеримент , отримали: Ізаг=0,22 А; Uзаг=10В;
Вимірюючи силу струму на кожному резисторі окремо, маємо:
1. на резисторі R2: І2=0.14 А, а І3,4,5=І3+І4+І5= 0,08 А тоді за першим законом Кірхгофа маємо : Ізаг=І2+ І3+І4+І5=0,14+0,08=0,22 А;
2. на резисторі R3; І3=0,08 А, а І2,4,5= І2+І4+І5= 0,14 А тоді за першим законом Кірхгофа маємо : Ізаг=І2+ І3+І4+І5=0,08+0,14=0,22 А;
3. на резисторі R4; І4=0,04 А, а І2,3,5= І2+І3+І5= 0,18 А; тоді за першим законом Кірхгофа маємо : Ізаг=І2+ І3+І4+І5=0,04+0,18=0,22 А;
4. на резисторі R5; І5=0,04 А, а І2,3,4= І2+І3+І4= 0,18 А; тоді за першим законом Кірхгофа маємо : Ізаг=І2+ І3+І4+І5=0,04+0,18=0,22 А.
Перевіримо перший закон Кірхгофа:
I = I2 + I3 + I4 + I5 = 0,14 + 0,08 + 0,08 + 0,04 + 0,04 = 0,3 А ;
Uзаг=U2=U3=U4=U5=10B.
Знайдемо опори кожної ділянки :
Знайдемо провідності кожної ділянки:
Отже I=U(g1+g2+g3+g4)=10∙ ( 0,014 + 0,008 + 0,004 + 0,004) = 0,3 А.
Враховуючи похибки вимірювань в чотирьох випадках, 0,02·4 = 0,08 А, тому
0,3 – 0,08 = 0,22 А.
Зробити висновки: Провівши вимірювання в колі постійного струму з паралельним з’єднанням з показів електровимірювальних приладів було видно, що напруга в усьому колі однакова і на кожній ділянці також, а сила струму в колі дорівнює сумі сил струмів на кожній окремій ділянці кола. Дослідним шляхом перевірили вірність першого закону Кірхгофа.
Дослід №2. Послідовне з’єднання приймачів електроенергії і перевірка другого закону Кірхгофа.
Схема №2
Дослідити: другий закон Кірхгофа
Виміряти:
1. загальний струм в колі;
2. за допомогою вольтметра спад напруг на кожній ділянці послідовного кола;
3. напругу мережі;
4. перевірити другий закон Кірхгофа.
Обчислити:
1. опір кожної ділянки;
2. загальну напругу за законом Кірхгофа.
Обчислення: Провівши експеримент , отримали:
Iзаг= 39mA=39∙10-3А = 0,039 А; Uзаг= 30B;
Вимірюючи напругу на кожному резисторі окремо, маємо:
U2=7,9B; U3=7,5B; U4=7,9B; U5=7,5B, тоді
Знайдемо опори кожної ділянки :
Uзаг=U2+U3+U4+U5=7,2+7,7+7,8+7,3=30B;
Ізаг=І2=І3=І4=І5=39∙10-3А.
Зробити висновки: При проведенні досліду №2 покази електровимірювальних приладів довели, що в колі постійного електричного струму з послідовним з’єднанням опорів сила струму однакова у всьому колі і на кожній його ділянці, а сума всіх спадів напруг на кожній ділянці кола дорівнює загальній ЕРС в колі. Дослідним шляхом перевірили вірність другого закону Кірхгофа. Роботу записати.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 9. Режими роботи електричного кола.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 32.
Опрацювати матеріал:
1. Електричне коло.
2. Джерела електричної енергії.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на питання:
1. Що називають електричним колом?
2. Які джерела електричної енергії застосовують на залізниці.
3. Що відноситься до передавальних елементів?
4. В яких режимах може працювати електричне коло?
5. Чим визначається режим електричного кола?
6. Опишіть режими електричного кола.
Електричним колом називають сукупність приладів, призначених для отримання, передавання, перетворення і використання електричної енергії.
Важливу роль у відкритті законів і явищ електротехніки та створенні на їхній базі таких приладів відіграли видатні вчені Андре-Марі Ампер, Джеймс Прескотт Джоуль, Андерс Цельсій, Джеймс Ватт. Іменами цих вчених названо одиниці вимірювання електричних і фізичних параметрів.
Джерелами електричної енергії є електричні генератори, у яких механічна енергія перетворюється на електричну, а також первинні елементи й акумулятори, у яких відбувається перетворення хімічної, теплової, світлової та інших видів енергії на електричну.
До споживачів електричної енергії належать електродвигуни, різноманітні нагрівальні, світлові прилади тощо. Усі споживачі електричної енергії мають певні параметри, які визначають властивості елементів споживати енергію з електричного кола і перетворювати її на інші види енергії (незворотні процеси), а також створювати власні електричні або магнітні поля, у яких енергія може накопичуватися і за певних умов повертатися в електричне коло.
Елементи електричного кола постійного струму мають тільки один параметр – опір.
Передавальні елементи кола пов’язують джерела і приймачі. Окрім електричних дротів, до цієї ланки можуть входити апарати для увімкнення і вимкнення кола, прилади для вимірювання електричних параметрів (амперметри, вольтметри), пристрої захисту (запобіжники), перетворювальні пристрої (трансформатори) тощо.
Будь-яке електричне коло характеризується струмом, електрорушійною силою і напругою.
Електричне коло може працювати в таких чотирьох основних режимах: номінальному, холостого ходу (або неробочому ходу), короткого замикання та узгодженому.
Режим визначається співвідношенням опору навантаження (зовнішньої ділянки кола) та внутрішнього опору джерела живлення.
Опис кожного режиму:
1. Номінальний режим
· Це стандартний, робочий режим, в якому коло повинно працювати в нормальних умовах.
· Співвідношення опорів навантаження та джерела живлення є таким, що забезпечує нормальну роботу пристроїв.
2. Режим холостого ходу (або неробочий хід)
· Виникає, коли коло розімкнене (немає навантаження), тобто опір навантаження дорівнює нескінченності.
· Струм у колі в цьому режимі практично дорівнює нулю, а напруга на клемах джерела дорівнює його електрорушійній силі (ЕРС).
3. Режим короткого замикання (КЗ)
· Виникає, коли опір навантаження наближається до нуля.
· Це небезпечний режим, оскільки призводить до протікання значного струму, що може призвести до пошкодження джерела живлення та проводів.
4. Узгоджений режим
· Це режим, за якого потужність, що віддається джерелом в навантаження, є максимальною.
· Досягається тоді, коли опір навантаження дорівнює внутрішньому опору джерела живлення.
Рис.1 – Схема електричного кола з джерелом, та навантаженням,
з’єднаних двопровідною лінією
Виділяють 4 основні режими роботи електричного кола: номінальний, неробочий хід (НХ), короткого замкнення (КЗ) та узгоджений.
Номінальний – це режим, в якому усі елементи електричного кола за нормальними умовами навколишнього середовища можуть виконувати своє функціональне призначення досить тривалий час (час визначається технічним паспортом) із заданою надійністю. Режим характеризують номінальні: напруга Uном, струм Iном, потужність Pном і ККД ᶯ
ном, які вказані у паспорті або на щитку пристрою. Відповідно до номінальної напруги розраховується ізоляція струмопровідних частин пристроїв, а по номінальному струму – переріз провідників і умови їх максимального нагріву. В цьому режимі струм за законом Ома для повного кола визначається як:I напруга на приймачі, (1.20)
(1.21)потужність, яка споживається приймачем,
(1.22)потужність, яка виробляється джерелом
(1.23) Коефіцієнт корисної дії (ККД), що
характеризує ефективність передачі енергії від джерела до приймача, дорівнює .
(1.24)
Неробочий хід – це режим, в якому
електричне коло розірване і струм відсутній I = 0. Приймач відключений
вимикачем К.
U1=U2=Е
(1.25)
Коротке замикання – це режим, в якому опір приймача наближається до нуля, або провідником замкнуті його полюси, а також коли замкнуті провідники лінії або полюси джерела. Режим характеризується тим, що напруга приймача U2 = 0, а струм Iкз >> Iном.
(1.26)Максимальний
струм КЗ буде при замиканні затисків генератора:
(1.27) Так як опір проводів Rл та внутрішній
опір джерела Rвн мають малі значення, то величина струму КЗ багатократно
перевищує номінальний струм. Причинами КЗ можуть бути пошкодження ізоляції і
безпосереднє зіткнення струмопровідних частин або дротів електричного кола, які
знаходяться під різними потенціалами, порушення правил техніки безпеки та
експлуатації. Режим КЗ, як правило, є аварійним, тому, що струм КЗ багатократно
перевищує номінальний, і через термічну та електродинамічну дію він викликає
пошкодження ізоляції, механічне та термічне пошкодження елементів електричного
кола.
Узгодженим називають режим, в якому
потужність, яку віддає джерело у зовнішнє коло, є максимальною, якщо змінною
величиною є опір приймача. Режим є можливим при певних значеннях опору приймача
Rн.
Скориставшись
виразом (1.22), знайдемо максимум потужності, яка споживається приймачем.
За допомогою виразу
, отримуємо умову узгодженого режиму
(1.28)
При цьому ККД ᶯ=0,5,
а струм Iу=0,5Iкз>>Iном. Узгоджений режим використовують у малопотужних
пристроях радіо і автоматики.
17.09.2025р.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 8. ЕРС і напруга джерела живлення. Закон Ома для повного
кола..
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор. 16, 17.
https://youtu.be/MoOxVHxRt_M?si=5oyfD9FIC9mbl1pc
Опрацювати
матеріал:
1. Електрорушійна
сила.
2. Сторонні сили.
3. Схема
найпростішого електричного кола.
4. Вольтметр.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Які сили називають
електрорушійними?
2. Дайте
визначення стороннім силам.
3. Як поділяють сторонні
сили?
4. Чому дорівнює ЕРС?
5. Як себе ведуть різнойменні заряди
(позитивний і негативний) та однойменні.
6. Чим вимірюють напругу в електриці?
7. Як під’єднують вольтметр?
8. Що називають напругою?
Електрорушійна сила і напруга. Для
протікання електричним колом струму необхідно, щоб у колі були елементи, які
переміщують електричні заряди, збільшуючи їхню енергію. Сили, які виконують цю
функцію, називаються сторонніми силами. За своєю природою сторонні сили можуть
бути різноманітні: хімічні, як у електричних батареях і акумуляторах,
термоелектричні, як у термопарах, чи зумовлені явищем електромагнітної
індукції, як у генераторах електричного струму. Кожне джерело живлення
характеризується своєю електрорушійною силою й внутрішнім опором.
У результаті розділення всередині
джерела позитивних і негативних зарядів джерело набуває запасу потенціальної
енергії, яка витрачається на використання роботи з переміщення зарядів по
всьому колу. Ту частину замкненого кола, в якій заряди рухаються під дією
електростатичної різниці потенціалів називають зовнішньою, а ту, в якій носії
заряду рухаються під дією сторонніх сил - внутрішньою. Полюси джерела струму розділяють
внутрішню і зовнішню ділянки кола.
Сторонні сили забезпечують розділення
різнойменно заряджених частинок в джерелі (у внутрішньому колі) та підтримують
певну різницю потенціалів на полюсах, тим самим зумовлюючи рух зарядів у
зовнішньому колі. Отже робота сторонніх сил дорівнює сумі робіт, що виконуються
по переміщенню заряду на внутрішній і зовнішній ділянці кола. Аст=Авн+Азовн. Розглянемо
найпростіше електричне коло (рис. 1) із джерелом електричної енергії Е і
споживачем R.
Рис.
1. Схема найпростішого електричного кола
Припустимо, що в джерелі перетворюється
будь-який вид енергії на електричну. Це відбувається унаслідок дії так званих
сторонніх (неелектричних) сил, які виробляють усередині джерела поділ зарядів.
Якщо коло виявляється замкнутим через споживача, то розділені заряди під дією
електричного поля, що виникло, намагаються об’єднатися. Унаслідок руху зарядів
у ланцюзі виникає струм і в споживачі витрачається енергія, запасена джерелом.
Для кількісної оцінки зазначених енергетичних перетворень у джерелі слугує
величина, яку називають електрорушійною силою (ЕРС).
ЕРС дорівнює роботі, яку здійснюють
сторонні сили при переміщенні одиничного позитивного заряду всередині джерела
або саме джерело, проводячи одиничний позитивний заряд замкнутим ланцюгом.
Одиницею ЕРС є вольт (В). ЕРС дорівнює
1 В, якщо при переміщенні заряду в 1 Кл замкнутим ланцюгом відбувається робота
в 1 Дж:
[E]
= 1 Дж/1 Кл = 1 В. (2.5)
Переміщення зарядів ділянкою кола
супроводжується витратою енергії. Як було зазначено в підрозділі 1.3, напруга
(U) – це величина, що дорівнює роботі, яку здійснює джерело, проводячи
одиничний позитивний заряд у конкретній ділянці кола. Оскільки коло складається
із зовнішньої і внутрішньої ділянок, розрізняють поняття напруги на зовнішній
Uзов і внутрішній Uвн ділянках.
Відповідно, ЕРС джерела дорівнює сумі
напруг на зовнішній і внутрішній ділянках кола:
E
= Uзов + Uвн. (2.6)
Ця формула виражає закон збереження
енергії для електричного кола. Напругу вимірюють вольтметром, один із типів
якого зображено на рис. 2.3.
Виміряти напругу на різних ділянках
кола можна тільки у разі замкнутого ланцюга. ЕРС вимірюють між затискачами
джерела за розімкнутого кола.
Рис. 2.Зовнішній вигляд одного із типів вольтметра
17.09.2025р.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 7. Закон Ома для ділянки кола. Теплова дія струму.
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор. 16, 17.
https://youtu.be/ZS6HbHT5i-c?si=HZf4U9eyh-MA2ANR
Опрацювати
матеріал:
1. Закон Ома.
2. Електричне коло.
3. Графічне
позначення електричних схем.
4. Теплова дія
постійного струму.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Дайте
визначення закону Ома.
2. З чого
складається електричне коло?
3. Дайте
визначення та замалюйте структурну схему.
4. Дайте
визначення та замалюйте монтажну схему.
5. Дайте
визначення та замалюйте принципову електричну схему.
6. Яке явище називають
— низькотемпературна надпровідність?
7. В чому
виражають кількість теплоти і роботу?
8. Що називають електричною
потужністю Р?
9. Що необхідно
враховувати при використанні алюмінієвих та мідних проводів.
Закон Ома: сила струму прямо пропорційна різниці потенціалів (напрузі ) на кінцях ділянки електричного кола.
Електричним колом названо сукупність
пристроїв, які утворюють шлях для електричного струму. Коло має елементи:
•
вузол — місце з’єднання більше двох провідників;
• вітка —
нерозгалужена частина кола між двома вузлами;
• контур —
будь-який замкнений шлях уздовж віток;
• двополюсник —
частина кола з двома виводами (полюсами, клемами).
Коло складається з провідників (пристроїв,
що передають електроенергію), джерел електроенергії (перетворювачів
неелектричної енергії в електричну) та споживачів (перетворювачів
електричної енергії в неелектричну). Графічно кола зображуються:
1. Структурними
схемами — спрощене креслення, що має основні функціональні групи та зв’язки
між ними, наприклад джерело — споживач — лінія електропередачі.
2. Монтажними схемами,
на яких елементи розміщено територіально (рис. 3.3, а).
3. Принциповими
електричними схемами, де наведено всі елементи і зв’язки (без зазначення їх
територіального розміщення) за допомогою умовних позначень (рис. 3.3, б).
4. Схемами
заміщення або розрахунковими схемами (рис. 3.3, в), де
реальні пристрої замінено ідеальними елементами.
Електричне коло (рис. 3.3) має основні
(акумулятор, лампа) і до поміжні (вимикач, амперметр, вольтметр)
елементи. Основні елементи електричного кола є на всіх видах схем. Допоміжні
елементи, як правило, на схемі заміщення відсутні. Так на схемі (рис. 3.3, в)
замість акумулятора маємо схему заміщення на реальне джерело напруги Uab,
яке складається з ідеального джерела Е і внутрішнього опору RBH,
а замість лампи — електричний опір RB навантаження. Струм в нерозга-
луженому колі — однаковий. Обходячи від плюса джерела до мінуса, маємо
Uаb +
І • Rвн, що дорівнює Е:
Е
- Uаb
+ 1 • Rвн = І • Rвн
+ І • Rвн = І
(Rн + Rвн ) •
(3.16)
Вираз (3.16) називають законом Ома для замкненого кола: сила струму І, що проходить у замкненому колі, дорівнює відношенню ЕРС кола до його повного опору R = RB + RBH; коли RH прямує до нескінченності, струм прямує до нуля, напруга Uab до Е (режим холостого ходу джерела); коли RH прямує до нуля, струм І — до відношення Е до RBH (струм короткого замикання).
(3.17)
Рис. 2.9.б Електричний
струм: б —упорядкований рух вільних електронів у твердому провіднику з
середньою швидкістю vcр.
Позасистемна одиниця кількості теплоти
— калорія: кількість теплоти, необхідна для нагрівання 1 г води на 1 °С. Одна
калорія становить 4,19 Дж. Тоді
Е. X. Ленц і незалежно від нього Д.
Джоуль експериментально довели, що кількість теплоти WT, що виділяється у
провіднику довжиною І і опором R, залежить від струму І в ньому і часу t:
Згідно з перетвореннями в (3.18),
теплова енергія дорівнює I Rt або Ult, або qU, де q —
заряд, що проходить за час t через переріз провідника, або (U2/R)
• t, або добуток сили Кулона на шлях І, що відповідає механічному
еквіваленту роботи.
Кількість теплоти
в калоріях
WT
(кал) = 0,24WT (Дж).
Швидкість перетворення електричної
енергії в теплову, тобто питому в часі енергію чи роботу, називають електричною
потужністю Р.
З (3.18) отримаємо, що
де
v — середня швидкість напрямленого руху зарядів (3.7).
де
К0 — коефіцієнт тепловіддачі, S0 — поверхня
охолодження провідника, 0 — різниця температур:
.Таблиця 3.3
Граничні
значення сили струму для мідних проводів (ізольованих/голих)
на
відкритому повітрі
Алюмінієві проводи
для того ж струму слід брати перерізом у півтора раза більшим, оскільки, згідно
з таблицею 3.1, питомий опір р алюмінію в 1,5 раза більший, ніж для міді-: Якщо
цього не врахувати, то при тому ж струмі І та перерізі S, згідно із законом
Джоуля — Ленца, в алюмінієвому проводі виділиться теплоти в 1,5 раза більше,
ніж у мідному. Відповідно зросте температура, що неприпустимо. Допустиме лише
короткочасне перевантаження, коли теплова інерція проводів не дасть змоги їм
істотно перегрітися.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 6. Електричний струм в металевих провідниках та його параметри.
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 21 - 25.
1. Електричний струм провідності.
2. Електричний струм перенесення.
3. Електричний струм зміщення.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на питання:
1. Дайте визначення електричному струму.
2. Що називають електричним струмом провідності.
3. Що називають електричним струмом перенесення.
4. Що називають електричним струмом заміщення.
5. Який напрямок струму вважають позитивним?
6. Як під’єднуються амперметри?
7. Чому дорівнює сила струму в 1 А?
Електричний струм
Явище спрямованого руху носіїв заряду, що супроводжується магнітним полем, називають повним електричним струмом.
Повний електричний струм поділяють на такі основні види: струм провідності, струм перенесення і струм зміщення.
Електричний струм провідності – це явище спрямованого руху вільних носіїв електричного заряду в речовині або вакуумі.
Електричним струмом перенесення називають явище перенесення електричних зарядів зарядженими частинками або тілами, що рухаються у вільному просторі. Основним видом є рух у вакуумі елементарних частинок, що мають заряд (рух вільних електронів в електронних лампах), рух вільних іонів в газорозрядних приладах.
Для кількісної оцінки електричного струму введено поняття сила струму, що дорівнює кількості електрики, яка проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу:
I = Δq / Δt. (2.1)
[I] = 1 Кл/1 с = 1 А. (2.2)
Струм, що незмінний у часі за значенням і напрямком, називають постійним:
I = q / t. (2.3)
J = I / S. (2.4)
Струм вимірюють амперметром, загальний вигляд одного із типів якого зображено на рис. 2.1. Амперметр потрібно вмикати послідовно, щоб через нього пройшов повний струм ланцюга.
Амперметр, який вимірює тисячні частки ампера, називають міліамперметром, мільйонні частки ампера – мікроамперметром.
Рис. 2.1. Загальний вигляд амперметра
16.09.2025р.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 5. Електричне поле та його характеристики.
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор. 8 - 20.
Опрацювати матеріал:
1. Електричне поле.
2. Властивості
електричного поля.
3. Нерухомі
точкові заряджені тіла.
4. Напруженість
електричного поля.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Дайте
визначення електричному полю.
2. Опишіть природу
електричного поля.
3. Дайте
характеристики електричного поля.
4. Чим характеризується
електричного поля?
5. Як себе ведуть різнойменні заряди
(позитивний і негативний) та однойменні.
Електричне поле (англ. Electric field)
— одна зі складових електромагнітного поля, що існує навколо тіл або частинок,
що мають електричний заряд, а також у вільному вигляді при зміні магнітного
поля (наприклад, в електромагнітних хвилях). Електричне поле може
спостерігатися завдяки силовому впливу на заряджені тіла.
Кількісними характеристиками
електричного поля є вектор напруженості електричного поля E {\displaystyle
\mathbf {E} }, який визначається як сила, що діє на одиничний заряд, та вектор
електричної індукції D {\displaystyle \mathbf {D} }.
У випадку, коли електричне поле не
змінюється з часом, його називають електростатичним полем. Розділ фізики, який
вивчає розподіл статичного електричного поля в просторі, називається
електростатикою.
Властивості
електричного поля. Природа. Електричне поле є особливим станом матерії,
відмінним від «класичної» матерії, що складається з матеріальних частинок. Як і
інші поля, електричне поле є неперервним, тобто,
існує у кожній точці простору і плавно змінюється. Воно не складається з атомів
чи будь-яких інших частинок. Відповідно, поле має нескінченну кількість ступенів
вільності.
Якщо джерело електричного поля рухається,
це породжує зміни у полі, що розповсюджуються у ньому зі швидкістю
світла.
Електричне
поле, разом з магнітним полем, складає електромагнітне поле. Проте
варто пам'ятати, що відокремити ці частини неможливо — одне й те саме поле
може сприйматися як електричне (якщо спостерігач нерухомий відносно заряду),
так і як магнітне (якщо він рухається).
Характеристики.
Електричне поле є векторним, тобто, у кожній точці простору йому можна
поставити у відповідність вектор, що називається напруженістю поля (позначається
як E), довжина
якого пропорційна силі, з якою поле діє на заряджені тіла, а напрямок —
збігається з напрямом руху пробного позитивного заряду.
У випадку, якщо електричне поле статичне, або змінюється з часом дуже
повільно, його можна задати через одну скалярну функцію, потенціал (позначається
як 
, де R — вектор, що
поєднує точки.
Джерела Електричне поле створюється
зарядженими тілами, зокрема зарядженими елементарними частинками. Таке поле
є потенціальним. Його напруженість визначається законом
Кулона. Силові лінії потенціального електричного поля
починаються і закінчуються на зарядах або виходять на нескінченність.
За законом електромагнітної
індукції електричне поле створюється також змінним магнітним полем. Таке
електричне поле — вихрове. Силові лінії
вихрового електричного поля замкнені. Зокрема, вихрове електричне поле є
складовою електромагнітної хвилі. При переміщені
заряду по замкненій кривій у такому полі, виконана робота не рівна нулю.
Аналогічно, змінне електричне поле породжує
магнітне поле.
Електричне поле підкоряється принципу
суперпозиції — величина поля, що створена кількома джерелами
може бути розрахована як векторна сума полів у кожній точці. Візуалізація поля
Всі точки, що мають однаковий потенціал,
разом утворюють еквіпотенціальну поверхню. Набір
еквіпотенціальних поверхонь дозволяє показати на малюнку конфігурацію поля.
Іншим
зручним способом зобразити електричне поле є силові лінії. Силовими
лініями називають такі лінії, дотична до яких у
кожній точці збігається з вектором напруженості поля. У випадку електричних
полів зарядів, силові лінії завжди починаються на позитивному заряді, і
закінчуються на негативному. У випадку вихрових електричних полів, породжених
магнітним полем, силові лінії замкнені. Силові лінії поля не можуть
перетинатись. На відміну від еквіпотенціальних поверхонь, силові лінії можуть
бути побудовані і для полів, що не можуть бути виражені через потенціал (вихрових).
16.09.2025р.
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 4. Електричні заряди та їх взаємодія. Закон
Кулона.
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор. 16, 17.
https://youtu.be/zuAB2h_gb1o?si=7EqsZNjqlSyP7mMs
Опрацювати
матеріал:
1. Електростатичні
сили.
2. Формула кулона.
3. Нерухомі
точкові заряджені тіла.
4. Напруженість
електричного поля.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Які сили
виникають між двома наелектризованими тілами?
2. Від чого
залежить сила взаємодії між зарядами?
3. Який процес
називають іонізацією, або
фотоелектричним ефектом?
4. Що називають напруженістю
електричного поля?
5. З чим
порівнюють абсолютну діелектричну проникність середовища εа.
Закон Кулона Між двома
наелектризованими тілами виникають сили механічної взаємодії, під впливом яких
різнойменні заряди (позитивний і негативний) притягуються, а однойменні (обидва
позитивні або обидва негативні) – відштовхуються. Сили взаємодії між зарядами
називають електростатичними.
Дослідним шляхом французький фізик
Шарль Оґюстен Кулон встановив, що сила взаємодії F пропорційна величині
взаємодійних зарядів q1 і q2 і обернено пропорційна квадрату
відстані r між ними (рис. 1).
Рис. 1. Взаємодія електричних
зарядів:
а – різнойменно
заряджених; б – однойменно заряджених
Напрямок дії цієї сили збігається з
напрямком прямої, що проходить через обидва заряди.
Пізніші дослідження показали, що сила
взаємодії між зарядами залежить також від електричних властивостей середовища,
у якому перебувають заряди. Якщо розміри заряджених тіл дуже малі порівняно з
відстанню r між ними, то мова йде про точкові заряди q1 і q2.
Формула Кулона в цьому випадку матиме такий вигляд:
F = K q1
· q2 ε , аr2
де F – сила
взаємодії між електричними зарядами, Н (ньютон);
К – коефіцієнт, що
залежить від прийнятої системи одиниць вимірювання;
у СІ множник К =
1/4π;
q – величина
заряду, Кл (1 Кл = 6,3 зарядів електрона);
εа –
абсолютна діелектрична проникність середовища, тобто величина, що характеризує
середовище між зарядами.
Для вакууму абсолютна діелектрична
проникність має мінімальне значення, її позначають ε0.
Зазвичай абсолютну діелектричну
проникність середовища εа порівнюють з абсолютною проникністю
вакууму ε0. Відношення εа до ε0 позначають
буквою ε і називають відносною діелектричною проникністю:
ε = εa
/ ε0, а εa = εε0.
Відносна діелектрична проникність ε –
це безрозмірна величина; εа – відносна діелектрична проникність середовища, яка
показує, у скільки разів сила взаємодії у певному середовищі менша, ніж у
вакуумі (величина безрозмірна); ε0 ≈ 8,86 ∙ 10–12 Ф/м – електрична
стала.
У системі СІ формула Кулона має такий
вигляд:
F = q1
· q2 (H). 4πr2εε0
Наведемо значення відносної
діелектричної проникності для деяких матеріалів, які застосовують в
електротехніці: бензин – 2,3; повітря – 1,0006; гас – 2; парафін – 2...2,4;
гума – 2,6...3,5; вода дистильована – 81.
Приклад 1.1.
Визначити силу взаємодії між двома зарядами, що перебувають у вакуумі на
відстані один від одного 5 см. Величина зарядів дорівнює
2 ∙ 10–8 Кл і 3 ∙
10–5 Кл.
Розв’язання.
F = q1
· q2 = 2 ∙ 10–8 ∙ 3 ∙ 10–5 4π ∙ 9 ∙ 109
4πr2εε
= 2,16H. 0 4π ∙ 0,052 ∙ 1
Ті самі заряди,
розташовані на тій самій відстані у гасі, взаємодіятимуть із силою
F = q1
· q2 = 2 ∙ 10–8 ∙ 3 ∙ 10–5 4π ∙ 9 ∙ 109
4πr2εε
= 1,08H. 0 4π ∙ 0,052 ∙ 2
Тобто сила F
зменшилася у два рази.
Електрично заряджене тіло нерозривно
пов’язане з довколишнім електричним полем, через яке і здійснюється взаємодія
електрично заряджених тіл. Електричне поле є силовим і векторним. Для виявлення
і вивчення електричного поля використовують пробні нерухомі точкові заряджені
тіла із уже малим позитивним зарядом q. Лінійні розміри точкових заряджених тіл
дуже малі порівняно з відстанню до точок, у яких розглядають їхнє електричне
поле. Через малі лінійні розміри і значення заряду пробного тіла досліджуване
електричне поле можна вважати майже неспотвореним.
Введемо силову
характеристику поля – напруженість (Е):
E = F/q.
Напруженість електричного поля в певній
точці визначається силою, яка діє на поміщене в цю точку пробне тіло, що має
одиничний позитивний заряд.
Одиниця
напруженості – [E] = Н/Кл (ньютон на кулон).
Дія поля
відокремленого точкового зарядженого тіла на основі закону Кулона:
E = q/(4πεrε0r2).
(1.1)
Тема програми № Тема 2. Електричне коло і його закони.
Тема уроку № 3. Фізична природа електрики.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 16,17.
1. Електростатичні сили.
2. Формула кулона.
3. Нерухомі точкові заряджені тіла.
4. Напруженість електричного поля.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на питання:
1. Які сили виникають між двома наелектризованими тілами?
2. Від чого залежить сила взаємодії між зарядами?
3. Який процес називають іонізацією, або фотоелектричним ефектом?
4. Що називають напруженістю електричного поля?
5. Як себе ведуть різнойменні заряди (позитивний і негативний) та однойменні.
Закон Кулона Між двома наелектризованими тілами виникають сили механічної взаємодії, під впливом яких різнойменні заряди (позитивний і негативний) притягуються, а однойменні (обидва позитивні або обидва негативні) – відштовхуються. Сили взаємодії між зарядами називають електростатичними.
Дослідним шляхом французький фізик Шарль Оґюстен Кулон встановив, що сила взаємодії F пропорційна величині взаємодійних зарядів q1 і q2 і обернено пропорційна квадрату відстані r між ними (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Взаємодія електричних зарядів:
Напрямок дії цієї сили збігається з напрямком прямої, що проходить через обидва заряди.
Пізніші дослідження показали, що сила взаємодії між зарядами залежить також від електричних властивостей середовища, у якому перебувають заряди. Якщо розміри заряджених тіл дуже малі порівняно з відстанню r між ними, то мова йде про точкові заряди q1 і q2. Формула Кулона в цьому випадку матиме такий вигляд:
F = K q1 · q2 ε , аr2
де F – сила взаємодії між електричними зарядами, Н (ньютон);
К – коефіцієнт, що залежить від прийнятої системи одиниць вимірювання;
у СІ множник К = 1/4π;
q – величина заряду, Кл (1 Кл = 6,3 зарядів електрона);
εа – абсолютна діелектрична проникність середовища, тобто величина, що характеризує середовище між зарядами.
Для вакууму абсолютна діелектрична проникність має мінімальне значення, її позначають ε0.
Зазвичай абсолютну діелектричну проникність середовища εа порівнюють з абсолютною проникністю вакууму ε0. Відношення εа до ε0 позначають буквою ε і називають відносною діелектричною проникністю:
ε = εa / ε0, а εa = εε0.
Відносна діелектрична проникність ε – це безрозмірна величина; εа – відносна діелектрична проникність середовища, яка показує, у скільки разів сила взаємодії у певному середовищі менша, ніж у вакуумі (величина безрозмірна); ε0 ≈ 8,86 ∙ 10–12 Ф/м – електрична стала.
У системі СІ формула Кулона має такий вигляд:
F = q1 · q2 (H). 4πr2εε0
Наведемо значення відносної діелектричної проникності для деяких матеріалів, які застосовують в електротехніці: бензин – 2,3; повітря – 1,0006; гас – 2; парафін – 2...2,4; гума – 2,6...3,5; вода дистильована – 81.
Приклад 1.1. Визначити силу взаємодії між двома зарядами, що перебувають у вакуумі на відстані один від одного 5 см. Величина зарядів дорівнює
2 ∙ 10–8 Кл і 3 ∙ 10–5 Кл.
Розв’язання.
F = q1 · q2 = 2 ∙ 10–8 ∙ 3 ∙ 10–5 4π ∙ 9 ∙ 109
4πr2εε = 2,16H. 0 4π ∙ 0,052 ∙ 1
Ті самі заряди, розташовані на тій самій відстані у гасі, взаємодіятимуть із силою
F = q1 · q2 = 2 ∙ 10–8 ∙ 3 ∙ 10–5 4π ∙ 9 ∙ 109
4πr2εε = 1,08H. 0 4π ∙ 0,052 ∙ 2
Тобто сила F зменшилася у два рази.
Електрично заряджене тіло нерозривно пов’язане з довколишнім електричним полем, через яке і здійснюється взаємодія електрично заряджених тіл. Електричне поле є силовим і векторним. Для виявлення і вивчення електричного поля використовують пробні нерухомі точкові заряджені тіла із уже малим позитивним зарядом q. Лінійні розміри точкових заряджених тіл дуже малі порівняно з відстанню до точок, у яких розглядають їхнє електричне поле. Через малі лінійні розміри і значення заряду пробного тіла досліджуване електричне поле можна вважати майже неспотвореним.
Введемо силову характеристику поля – напруженість (Е):
E = F/q.
Напруженість електричного поля в певній точці визначається силою, яка діє на поміщене в цю точку пробне тіло, що має одиничний позитивний заряд.
Одиниця напруженості – [E] = Н/Кл (ньютон на кулон).
Дія поля відокремленого точкового зарядженого тіла на основі закону Кулона:
E = q/(4πεrε0r2). (1.1)
16.09.2025р.
Тема програми № 1. Вступ
Тема уроку № 3. Фізична природа
електрики.
Працюємо з підручником:
А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з
основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 5, 6.
Опрацювати матеріал:
1. Фізична природа електрики.
2. Ключові аспекти фізичної природи електрики.
3. Основні аспекти фізичної природи електрики.
4. Властивості електроенергії.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на питання:
1. Що означає слово «електрика»?
2. В зошит перенести зображення електричного поля.
3. Який процес називають іонізацією,
або фотоелектричним ефектом?
4. Як розглядають фізичну
природу електрики?
5. Опишіть основні властивості електроенергії.
Еле́ктрика
(від грец. ήλεκτρον — бурштин; раніше також громови́на) — розділ фізики, що
вивчає електричні явища: взаємодію між зарядженими тілами, явища поляризації та
проходження електричного струму. Блискавка — одне з електричних явищ.
Електрика — явище природи, пов'язане з існуванням,
рухом і взаємодією електричних зарядів.
Фізична
природа електрики полягає в існуванні та русі електричних зарядів, які можуть
бути представлені у вигляді частинок (електронів, йонів) або хвильових явищ
(електромагнітного поля). Це явище проявляється в електричному струмі
(напрямленому русі зарядів), електричному полі та електромагнітній взаємодії.
Теорію, яка пояснює електричні
властивості тіл наявністю у них електронів і їх рухом, називають електронною
теорією. Як відомо, всі речовини, як прості, так і складні, складаються з
молекул, а молекули – з атомів. Будова атома є дуже складною, але спрощено його
можна представити у вигляді ядра, оточеного оболонкою. На рис. 1 зображено так
звану планетарну модель атома.
Рис. 1. Планетарна модель атома
Модель назвали саме так, оскільки
всередині атома є позитивно заряджене ядро, схоже на Сонце в Сонячній системі.
Навколо ядра, немов планети, обертаються електрони. Сонячна система влаштована
таким чином, що планети притягуються до Сонця за допомогою гравітаційних сил,
однак вони не падають на поверхню Сонця унаслідок наявної швидкості, яка тримає
їх на своїй орбіті. Те саме відбувається і з електронами: кулонівські сили
притягують електрони до ядра, але через обертання вони не падають на поверхню ядра.
Дуже важливою інформацією щодо будови
атома є те, що майже вся маса атома зосереджена в ядрі. Наприклад, у атома
водню є лише один електрон, маса якого у півтори тисячі разів менша, ніж маса
ядра.
Кількість
електронів у нейтральному атомі дорівнює кількості протонів ядра атома.
Кількість електронів в атомах різних речовин є неоднаковою. Наприклад, в атомі
водню, найлегшого і найпростішого елемента за будовою, навколо ядра обертається
тільки один електрон (рис. 2), а в атомі міді – 29 електронів.
Рис. 2. Схема будови атома водню
Ядро і електрони мають енергію. Ядро
має позитивну енергію, електрони – негативну. Якщо величина енергії ядра й
електронів в атомі є однаковою, то такий атом є нейтральним.
Однак якщо атом втрачає один або кілька
електронів, то позитивна енергія переважає і атом перетворюється на позитивний
іон. Якщо атом приймає один або кілька електронів, він перетворюється на
негативний іон. Процес перетворення атомів на іони, який відкрив відомий
російський фізик А. Р. Столєтов, називають іонізацією, або фотоелектричним
ефектом. Це явище використовують у фотоелементах.
Кількість електрики, що міститься у
зарядженому тілі, – це заряд. Величину заряду позначають у системі СІ – Q, q,
одиниця вимірювання – Кл (Кулон). Заряд електрона дорівнює е = 16 · 10–20 Кл.
Якщо дротом пройшло 6,29 · 1018 е, то вважають, що кількість електрики
становила 1 Кл.
Навколо будь-якого зарядженого тіла
існує електричне поле. Було помічено, що наелектризовані тіла притягуються одне
до одного або відштовхуються одне від одного. Наприклад, якщо два тіла зарядити
від скляної палички, натертої шкірою, то тіла відштовхуватимуться. Те саме
станеться, якщо обидва тіла зарядити від ебонітової палички, натертої сукном.
Якщо ж одне тіло зарядити від скляної палички, а інше тіло – від ебонітової, то
обидва тіла притягатимуться одне до одного. Зрештою вдалося встановити, що в
результаті електризації різних тіл виникають два види електрики, які умовно
назвали позитивним і негативним. Тіла, заряджені однойменною електрикою, взаємно
відштовхуються; заряджені різнойменною електрикою – притягуються.
Великий внесок у дослідження
електричних явищ зробив М. В. Ломоносов (1711–1765).
Побачити електричне поле неможливо, але
про його наявність свідчить механічна дія, яку відчувають нерухомі заряджені
тіла, що вносяться до цього поля. На рисунках електричне поле зображують
електричними силовими лініями, які починаються на позитивному заряді й
закінчуються на негативному (рис. 3).
Рис.
3. Зображення електричного поля
Ті електрони, які розташовані на
крайніх орбітах в атомі, пов’язані з ядром слабше, ніж електрони, що
обертаються на близьких до ядра орбітах. Під дією сусідніх атомів або внаслідок
інших причин можна змусити крайні електрони покинути свої орбіти.
Атоми всіх металів мають ці нестійкі
зовнішні електрони, які легко залишають свої орбіти. Саме тому метали мають
добру електропровідність.
Електрони, які втратили зв’язок з
атомами і переміщаються в просторі між ними, називають вільними. Атоми низки
речовин міцно утримують електрони близько до ядра і не дають їм вільно виходити
з атомів. Такі речовини погано проводять електрику, їх називають діелектриками.
У звичайному стані вільні електрони
перебувають у безладному русі. Якщо під дією різних причин змусити вільні
електрони переміщатися в одному напрямку, то такий упорядкований рух вільних
електронів у металевих провідниках є електричним струмом.
Нагріваючи метал до високої
температури, ми змушуємо хаотично рухливі атоми металу рухатися ще швидше.
Електрони, які раніше утримувалися на орбітах атомів, тепер випускаються
нагрітим металом у навколишній простір.
Це явище називають термоелектронним
ефектом і використовують у радіолампах, випрямлячах та інших електричних
пристроях.
Нейтральна молекула газу може бути іонізована
під дією високої температури, рентгенівських і ультрафіолетових променів,
радіоактивного випромінювання, високої напруги, а також унаслідок удару
нейтральної молекули швидким електроном, що пролітає (іонізація поштовхом).
Носіями позитивних зарядів у ядрі атома
є протони. До складу ядра кожного атома входять також частинки, що не мають
заряду, але їхня маса дорівнює масі протона. Ці частинки назвали нейтронами
(тобто електрично нейтральними).
Це спрощена картина будови речовини.
Насправді атоми влаштовані складніше і містять, крім зазначених трьох основних
елементарних, ще інші види найпростіших частинок.
Ключові
аспекти фізичної природи електрики:
Електричні
заряди: Електрика пов'язана з існуванням електричних зарядів –
властивості матерії, що визначає, як тіла взаємодіють з електричним полем.
Носії
заряду: Рух заряджених частинок створює електричний струм. Носіями
струму можуть бути:
Електрони:
У металах, де вони є вільними частинками, що рухаються під дією
електричного поля.
Йони:
У рідинах (електролітах) та іонізованих газах, де позитивні й негативні йони
рухаються в протилежних напрямках.
Дірки:
У напівпровідниках, які також є вільними носіями заряду, хоча й відмінними від
електронів.
Електричне
поле: Заряди створюють електричне поле навколо себе, яке може діяти
силою на інші заряди, що знаходяться в ньому.
Електромагнітна
природа: Електрика має хвильову природу, проявляючись як
електромагнітне поле, яке є основою багатьох технологій.
Властивості
матеріалів: Здатність матеріалів проводити електричний струм залежить
від наявності в них вільних заряджених частинок.
Провідники:
Матеріали з високою провідністю (наприклад, метали), де багато вільних
електронів.
Ізолятори:
Матеріали з дуже низькою провідністю, де практично немає вільних заряджених
частинок.
Отже, електрика є фундаментальним явищем, яке описує
поведінку електричних зарядів і полів, і має як корпускулярну (частинки), так і
хвильову природу.
Фізична природа електрики може розглядатися в двох
аспектах:
·
корпускулярному
(молекулярному), тобто у вигляді потоку електронів;
·
у хвильовому,
тобто у вигляді електромагнітного поля, яке має різні прояви в
електроенергетиці.
При молекулярному аспекті за одиницю енергії приймають 1
МеВ, при хвильовому - 1 кВт·год. Їх співвідношення таке:
1 МеВ = 4,42 ·
10-20 1 кВт·год.
Співвідношення цих
величин підкреслює, що енергетичні завдання повинні розглядатися не в
молекулярному, а в хвильовому аспекті.
Передача електроенергії теж
розглядається в хвильовому аспекті. Лінія електропередач не транспортує
електрику, як канали транспортують воду. Вона є хвилеводом, який змушує енергію
слідувати визначеним шляхом. Такий хвилевід є найбільш простим засобом передачі
енергії при хвилях малої довжини.
Властивості електроенергії
Ту величезну роль, яку відіграє
електроенергія в нашому житті, зумовлюють такі її властивості:
·
легкість передачі на великі відстані в
порівнянні з іншими видами енергії;
·
можливість перетворень в інші види енергій
з високим ККД незалежно від її кількості. Тому немає необхідності в її
зберіганні;
·
електроенергія проявляється у вигляді
потоку, який подрібнити на частини легше, ніж інші енергетичні потоки (вугілля,
нафтопродукти);
·
споживання електроенергії може плавно
змінюватися від нуля до максимуму в залежності від ходу самого процесу
виробництва або навантаження робочого механізму;
·
можливість значної концентрації потужності
при виробництві електроенергії;
·
потік електроенергії можна уявити
безперервним або періодичним у вигляді синусоїди. Таке уявлення найзручніше для
інформаційних потоків. Тому ЛЕП часто використовуються і для передачі
інформації;
·
електроенергія є найбільш чистим видом
енергії і найменше забруднює навколишнє середовище;
·
орієнтація на використання трифазного
струму надала використанню електроенергії однорідність.
Тема програми № 1. Вступ
Тема уроку № 2. Електрифікація залізничного
транспорту.
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки.
Київ «Форум» 2002. Стор. 5, 6.
Опрацювати
матеріал:
1. Використання
електроенергії.
2. Розвиток
електроніки.
3. Розробки в
області інтегральної електроніки.
4. Електрифікація залізничного
транспорту.
Д.З. Оформити
конспект. Відповісти на питання:
1. Яким чином на
сучасному етапі розвитку промисловості рішають питання використання
електроенергії та екологічні проблеми пов’язані з нею?
2. Яке місце
електроніки в світі та в чому її переваги?
3. Які можливості
надає мікроелектроніка?
4. Яка основна
мета електрифікації залізниці?
5. Опишіть та
наведіть приклади оновлення та осучаснення залізниці.
Основні напрями
розвитку електроенергетики та електричної промисловості
На сучасному етапі розвитку промисловості виникли важливі питання раціонального використання та якості електроенергії, а також екологічні проблеми, пов’язані з енергетикою. Аналізуючи наслідки бурхливого зростання кількості виробленої електроенергії, вчені дійшли висновку про необхідність раціональнішого використання електроенергії, підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) генераторів і споживачів. Розгорнулися дослідження з використання нетрадиційних джерел енергії.
Розроблені і впроваджуються сонячні батареї для живлення автономних
споживачів невеликої потужності. У місцевостях, де дмуть сильні вітри,
використовуються вітроелектростанції. Споруджуються комплекси, що повністю
забезпечують свої потреби в енергії нетрадиційними джерелами. Розробляються і впроваджуються
високоефективні системи дистанційного керування, контролю і сигналізації.
Електроенергією користуються важка і легка промисловість, транспорт,
нафтопереробна промисловість, побутова техніка, наука і культура. У різних
галузях народного господарства ми спостерігаємо використання електрики як сильнострумової,
так і слабкострумової. Останню відносять до електроніки.
Електроніка більше ніж енергетика
увійшла в життя: реалізуються найскладніші та найдосконаліші системи й апарати:
від електронного годинника до всесвітньої інформаційної комп’ютерної мережі
Internet; від простого електронного регулятора до штучного інтелекту; від
найпростішого радіоприймача до найскладніших електронних систем спостереження
за підводним, наземним, повітряним та космічним простором; від електронного
мікрозонду в медицині для дослідження органів людини до міжпланетних ракетних
зондів для дослідження інших планет.
Електроніка
зародилася на початку 20 століття після створення основ електродинаміки
(1856—1873), дослідження властивостей термоелектронної емісії (1882—1901),
фотоелектронної емісії (1887—1905), рентгенівських променів (1895—1897),
відкриття електрона (Дж. Дж. Томсон, 1897), створення електронної теорії
(1892—1909).
Розвиток
електроніки почався з винаходу лампового діода (Дж. А. Флемінг,
1904), триелектродної лампи — тріод-пентода (Л. де Форест, 1906);
використання тріод-пентода для генерування електричних коливань (німецький
інженер А. Мейснер, 1913); розробки потужних генераторних ламп з водяним
охолоджуванням (М. О. Бонч-Бруєвич, 1919—1925) для радіопередавачів,
використовуваних в системах далекого радіозв'язку і радіомовлення.
Використання
кристалічних напівпровідників як детекторів для радіоприймальних пристроїв
(1900—1905), створення купроксних і селенових випрямлячів струму і
фотоелементів (1920—1926), винахід крістадіна (О. В. Лосєв, 1922),
винахід транзистора (В. Шоклі, В. Браттейн, Дж. Бардін, 1948)
визначили становлення і розвиток напівпровідникової електроніки.
Розробка планарної
технології напівпровідникових структур (кінець 50 — початок 60-х рр.)
і методів інтеграції багатьох елементарних приладів (транзисторів, діодів,
конденсаторів, резисторів) на одній монокристалічній напівпровідниковій
пластині привело до створення нового напряму в електроніці — мікроелектроніки (див.
також Інтегральна електроніка).
Основні
розробки в області інтегральної електроніки направлені на створення
інтегральних схем — мікромініатюрних електронних пристроїв (підсилювачів,
перетворювачів, процесорів ЕОМ (електронна обчислювальна
машина), електронних пристроїв пам'яті тощо), що складаються з сотень
і тисяч електронних приладів, що розміщуються на одному напівпровідниковому
кристалі площею в декілька мм². Мікроелектроніка відкрила нові можливості для
вирішення таких проблем, як автоматизація управління технологічними
процесами, переробка інформації, вдосконалення обчислювальної техніки і ін., що
висуваються розвитком сучасного суспільного виробництва. Створення квантових
генераторів (М. Г. Басов, О. М. Прохоров і
незалежно від них Ч. Таунс, 1955) — приладів квантової
електроніки — визначило якісно нові можливості електроніки, зв'язані з
використанням джерел потужного когерентного випромінювання оптичного діапазону
(лазерів) і побудовою надточних квантових стандартів частоти.
15.09.2025р.
Тема програми № 1. Вступ
Тема уроку № 1. Предмет та основні поняття електротехніки.
Працюємо з
підручником:
А.М. Гуржій, A.M.
Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ
«Форум» 2002. Стор. 3, 4.
Опрацювати матеріал:
1. Електротехніка як наука.
2. Історія розвитку електротехніки.
3. Основи електробезпеки.
Д.З. Оформити конспект. Відповісти на
питання:
1. Що називають електротехнікою?
2. В якому році був введений у науку
термін «електричний»?
3. Що називають електробезпекою?
4. Що називають електротравмою, електротравматизмом?
5. Додайте питання до теми електробезпека.
Електротехніка — наука про технічне
використання електричних явищ
Усі об’єкти
матеріального світу побудовано з молекул, а молекули — з атомів, що складаються
з елементарних частинок. Ці частинки характеризуються масою спокою, часом
життя, електричним зарядом, магнітним моментом тощо. Частинки пов’язані з
атомом речовини або можуть бути вільні.
Виходячи з корпускулярної теорії
побудови речовини, вважається, що кожна частинка зосереджена в обмеженій
області простору речовини, а між частинками — вакуум.
В електротехніці розглядають частинки,
які мають електричний заряд і магнітний момент. Це протони та електрони. Протон
має позитивний заряд, електрон — негативний. За модулем ці елементарні заряди
однакові і дорівнюють 1,602-Ю-19 кулона. Маси протона і електрона різні:
відповідно 1,67Ю_27 кг та 9,1-Ю-31 кг. Окрім сил всесвітнього тяжіння, на
заряджені частинки діють набагато більші електричні сили. Взаємодіють частинки
через свої поля. Поля розташовуються у просторі безперервно і діють на великі
відстані.
У кожному атомі будь-якої речовини
кількість додатних і від’ємних зарядів однакова, тому тіло має загальний нейтральний
заряд. Під дією зовнішніх сил тіло та його частинки, наприклад вільні
електрони, можуть рухатись у просторі. Швидкість їх руху залежить від зовнішніх
сил, які на них діють. Швидкість електричного чи електромагнітного поля
залежить тільки від середовища. Так, у вакуумі вона дорівнює швидкості світла.
Зміна стану частинок тіла спричинює зміну стану поля і навпаки. Тобто між
частинками і полем є взаємозв’язок. Під впливом зовнішніх сил виникають
різноманітні електричні явища.
Електротехніка — наука про практичне
використання явищ, що зумовлені електричними зарядами та їх рухом у просторі.
Електротехніка розглядає тіла з великою кількістю елементарних зарядів. З
достатньою точністю можна розраховувати їхню спільну дію за інтегрованими
показниками, не враховуючи їхньої- природної дискретності.
Важко навіть уявити собі сучасний і
майбутній світ без електротехніки як галузі науки і техніки. В умовах сучасної
науково-технічної революції електротехніка як наука дає можливість успішно
розв’язувати складні проблеми високоефективного перетворення різних видів
первинної енергії (механічної, теплової, ядерної, сонячної та ін.) в
електричну, оптимального використання електроенергії в технологічних процесах
щодо цілеспрямованого перетворення речовин. Без електротехніки не існували б
сучасні інформаційні системи від цехових (автоматизовані системи керування
технологічними процесами) до світової мережі Інтернет (Internet).
Усе це стало можливим завдяки
відкриттям та винаходам багатьох вчених, винахідників, інженерів. Наведемо
деякі з них:
1600 р. —
англієць Гільберт ввів у науку термін «електричний», як сукупність явищ,
пов’язаних з наявністю і дією електричних зарядів;
1753 р. — М.
Ломоносов запропонував теорію атмосферної електрики;
1785 р. —
француз Ш. Кулон встановив закон взаємодії електричних зарядів (ще раніше, у
70-х рр. 18 ст., цей закон відкрив англійський учений Г. Кавендіш, проте його
праці було надруковано лише у 1879 р.).
1800 р. —
італієць А. Вольт винайшов гальванічний елемент;
1802 р. — В.
Петров сконструював електричну дугу та зазначив галузі її використання.
1820 р. —
фізик з Данії X: Ерстед пояснив дію електричного струму на магнітну стрілку, а
француз А. Ампер — встановив закон взаємодії електричних струмів;
1827 р. —
німецький фізик Г. Ом виявив співвідношення між струмом, напругою та опором
електричного кола (закон Ома);
1831 р. —
англійський фізик М. Фарадей відкрив явище електромагнітної індукції, Е. Ленц —
найважливіші положення електромагнітної індукції та теплової дії струму;
1834 р. — Б.
Якобі винайшов двигун постійного струму, 1838 р. — гальванопластику, 1840 р. —
створив теорію електромашин, 1850 р. — лі- теродрукуючий телеграф;
1847 р. —
німецький фізик Г. Кірхгоф встановив закони розподілу електричних величин у
розгалужених колах постійного струму;
1871 р. — О.
Столетов запропонував методику експериментального дослідження феромагнітних
матеріалів;
1872 р. — О.
Лодигін сконструював лампу розжарювання;
1873 р. — Д.
Максвелл створив теорію електромагнітного поля;
1877 р. — В.
Чиколєв винайшов дугову лампу з диференційним регулятором;
1879 р. — Т.
Едісон сконструював лампу з вугільною ниткою;
1880 р. — Д.
Лачинов довів можливість передачі електроенергії на великій відстані;
1881 р. — М.
Бенардос запропонував дугове електрозварювання з вугільним електродом;
1882 р. — В.
Чиколєв створив електропривід швейної машини;
1890 р. — М.
Слав’янов запровадив зварювання з металевим електродом;
1891 р. — М.
Доліво-Добровольський створив трифазну систему і вперше в світі передав
електроенергію трифазним струмом на віддаль;
1893 р. —
американський інженер Ч. Штейнметц запропонував для розрахунку електричних кіл
метод комплексних величин.
1895 р. — О.
Попов винайшов і створив перший в світі радіоприймач і радіотелеграф.
За багаторічними статистичними даними
електротравми в загальному виробничому травматизмі складають близько 1%, а в
смертельному — 15% і більше. При чисельності населення України менше 1% від
світової, електротравм загальносвітової. кількість перевищує смертельних 6% відсотків.
Електробезпека - система
організаційних і технічних заходів і засобів, що забезпечують захист людей від
шкідливої і небезпечної дії електричного струму, електричної дуги, електричного
поля і статичної електрики.
Електротравма — травма, спричинена
дією на організм людини електричного струму і (або) електричної дуги.
Електротравматизм — явище,
що характеризується сукупністю електротравм.
Основні нормативні документи:
-
Правила
устройства электроустановок
-
НПАОП
40.1-1.32-01 Правила будови електроустановок. Електрообладнання спеціальних
установок
- Правила технической эксплуатации электрических
станций и сетей
-
Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів
-
НПАОП
40.1-1.01-97 Правила безпечної експлуатації електроустановок
-
НПАОП
0.00-1.29-97 Правила захисту від статичної електрики
-
Правила
випробування та використання засобів індивідуального захисту
-
ГОСТ
12.1.019-79 Электробезопасность. Общие требования и номенклатура видов защиты.
-
ГОСТ
12.1.030-81 Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление.
Особливості електротравматизму та електричного струму
як чинника небезпеки:
-
людина не в змозі дистанційно, без спеціальних приладів, визначити наявність
напруги, а тому дія струму, зазвичай, є раптовою і захисна реакція організму
проявляється тільки після попадання під напругу
-
струм, що протікає через тіло людини, діє на тканини і органи не тільки в
місцях контакту зі струмовідними частинами і на шляху протікання, але
рефлекторно, як надзвичайно сильний подразник, впливає на весь організм, що
може призвести до порушення функціонування життєво важливих систем організму –
нервової, дихання, серцево-судинної тощо
- електротравми можливі без дотику людини до
струмовідних частин внаслідок утворення електричної дуги при пробої повітряного
проміжку між струмовідними частинами або між струмовідними частинами і людиною чи землею
-
розслідування, обліку і аналізу, , в основному, доступні тяжкі електротравми та
електротравми із смертельними наслідками, що негативно впливає на профілактику
електротравм
Причини електротравм:
-
технічні
-
організаційно-технічні
-
організаційні
-
організаційно-соціальні
До технічних причин
• недосконалість конструкції електроустановки
і засобів захисту;
•
допущені недоліки при виготовленні, монтажу і ремонті електроустановки;
•
можуть бути несправності електроустановок і захисних засобів, що виникають в
процесі експлуатації установок;
•
невідповідність будови електроустановок і захисних засобів умовам їх
застосування;
• використання електро- захисних засобів з
простроченою датою чергових випробувань.
До організаційно-технічних причин
•
невиконання вимог чинних нормативів щодо контролю параметрів та опосвідчення
технічного стану електроустановок;
• помилки в знятті напруги з електроустановок
при виконанні в них робіт без перевірки відсутності напруги на
електроустановці, на якій працюють люди;
•
відсутність огороджень або невідповідність їх конструкції і розміщення вимогам
чинних нормативів та відсутність необхідних плакатів і попереджувальних та
заборонних написів;
• помилки в накладанні і знятті переносних
заземлень або їх відсутність.
До основних організаційних причин
електротравм
•
відсутність (не призначення наказом) на підприємстві особи, відповідальної за
електрогосподарство або невідповідність кваліфікації цієї особи чинним вимогам;
• недостатня укомплектованість електротехнічної працівниками відповідної
кваліфікації;
•
відсутність на підприємстві посадових інструкцій для електротехнічного
персоналу та інструкцій з безпечного обслуговування та експлуатації
електроустановок; служби
•
недостатня підготовленість персоналу з питань електробезпеки, і несвоєчасна
перевірка знань, невідповідність групи з електробезпеки персоналу характеру
робіт, що виконуються;
• недотримання вимог щодо безпечного виконання
робіт в електроустановках за нарядами-допусками, розпорядженнями та в порядку
поточної експлуатації;
• неефективний нагляд, відомчий і громадський
контроль за дотриманням вимог безпеки при виконанні робіт в електроустановках
та їх експлуатації.
До
основних організаційно-соціальних причин
•
змушене виконання не за спеціальністю електронебезпечних робіт;
•
негативне відношення до виконуваної роботи обумовлене чинниками; соціальними
• залучення працівників до понадурочних робіт;
•
порушення виробничої дисципліни;
•
залучення до роботи осіб віком до 18 років.
Види електротравм
Виділяють
три види електротравм: місцеві, загальні і змішані.
Загальні
електричні травми або електричні удари — це порушення діяльності життєво
важливих органів чи всього організму людини як наслідок збурення живих тканин
організму електричним струмом, яке супроводжується мимовільним судомним скороченням
м'язів.
Загальні
електричні травми або електричні удари:
І – судомні скорочення м’язів без втрати
свідомості
ІІ
- судомні скорочення м’язів з втратою свідомості без порушення дихання і
кровообігу
ІІІ
– втрата свідомості з чи дихання, або серцевої порушенням серцевої діяльності
діяльності і дихання разом
IV
– клінічна смерть, тобто відсутність дихання і кровообігу ектротравм
відносяться: електричні опіки, електричні знаки, металізація шкіри,
електроофтальмія і механічні ушкодження, пов'язані з дією електричного струму
чи електричної дуги.
На
місцеві електротравми припадає близько 20% електротравм.
Безпосередні
причини ураження електричним струмом
•
дотик до неізольованих струмовідних частин електроустановок, які знаходяться
під напругою, або до ізольованих при фактично пошкодженій ізоляції
•
дотик до неструмовідних частин електроустановок
•
дія напруги кроку або до електрично зв'язаних з ними металоконструкцій, які опинилися під напругою
•
ураження через електричну дугу
•
інші причини —55%; —23%; —2,5%; —1,2%; —менше 20%.
Дія електричного
струму на організм
людини
•термічна
•біологічна
•електролітична
(хімічна)
•
Термічна дія струму полягає в нагріванні тканин, випаровуванні вологи тощо, що
викликає опіки, обвуглювання тканин та їх розриви парою.
•
Електролітична дія струму проявляється в розкладі органічної речовини (її
електролізі), в тому числі і крові, що приводить до зміни їх фізико-хімічних і
біохімічних властивостей.
•
Біологічна дія струму проявляється у подразненні і збуренні живих тканин
організму, в тому числі і на клітинному рівні. Збурення, спричинене
подразнюючою дією струму, може проявлятися у вигляді мимовільного
непередбачуваного скорочення м'язів.
Крім відзначеного, протікання струму
через організм негативно впливає на поле біопотенціалів в організмі. Зовнішній
струм, взаємодіючи з біострумами, може порушити нормальний характер дії
біострумів на тканини і органи людини, подавити біоструми і, тим самим,
викликати специфічні розлади в організмі Чинники,
що впливають на тяжкість ураження електричним струмом
Основні
чинники електричного характеру
-
величина
струму через людину
-
величина
напруги
-
електричний
опір тіла людини
-
частота
і рід струму
Немає коментарів:
Дописати коментар