государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Беловский политехнический техникум»
реклама
ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Беловский политехнический техникум» Терещенко Е.В. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ Белово 2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Терещенко Е.В. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ для специальности 270802 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений» Белово 2015 Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 2 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Содержание Введение 4 Тема 1.1 Электрическое и магнитное поле 7 Тема 1.2 Электрические цепи постоянного тока 13 Тема 1.3 Однофазная электрическая цепь 19 Тема 1.4 Трехфазные электрические цепи 27 Тема 2.1 Трансформаторы 29 Тема 2.2 Электрические машины переменного тока 33 Тема 2.3 Электрические машины постоянного тока 36 Тема 3.1 Основы электропривода 42 Тема 3.2 Аппаратура защиты и управления 47 Тема 4.1 Электрооборудование сварочных установок 51 Тема 4.2 Электрифицированные ручные машины 55 иэлектроинструмент Тема 5.1 Источники, передача и распределение электрической энергии 60 Тема 5.2 Электрические сети и освещение строительной площадки 66 Тема 5.3 Расчет электроэнергии. Энергосберегающие технологии 76 Тема 6.1 Физические основы электроники 81 Тема 6.2 Полупроводниковые приборы 85 Литература Разработчик Терещенко Е.В. 92 Стр. 3 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 ВВЕДЕНИЕ Электротехника и электроника – это одна из базовых, фундаментальных основ в процессе профессиональной подготовки будущего техника. Курс лекций дисциплины «Основы электротехники» соответствует содержанию ФГОС специальности 270802 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений». Учебная дисциплина «основы электротехники» является дисциплиной общепрофессионального цикла в структуре основной программы по специальности. Цель изучения дисциплины – формирование знаний студентов о физических процессах, происходящих в электрических и электронных цепях постоянного и переменного тока и законов, которым подчинены эти процессы; методов расчета электрических и электронных цепей; устройства электроизмерительных приборов и методики электрических измерений; устройства и принцип действия электрических машин постоянного и переменного тока. Дисциплина «Основы электротехники» является основополагающей для изучения профессиональных модулей: ПМ 01 «Участие в проектировании зданий и сооружений» Тематический план дисциплины включает 6 разделов: Раздел 1.Основы электротехники; Раздел 2. Электрические машины; Раздел 3 Основы электропривода; Раздел 4 Электрическое оборудование строительных площадок; Раздел 5 Электроснабжение строительной площадки; Раздел 6 Основы электроники СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ «Основы электротехники» Вид учебной работы Количество часов Максимальная учебная нагрузка (всего) 87 Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 4 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Обязательная аудиторная учебная нагрузка (всего) 58 в том числе: практические работы 2 лабораторные работы 14 контрольные работы 4 Самостоятельная работа обучающегося (всего) 29 в том числе: систематическая проработка конспектов занятий, учебной и 14 специальной литературы (по вопросам к параграфам, главам) индивидуальное проектное задание 4 тематика внеаудиторной самостоятельной работы 11 Итоговая аттестация в форме экзамена На самостоятельное изучение определенных тем дисциплины студентами отводится 33% учебного времени. Назначение самостоятельной работы – является создание условий для высокой активности, самостоятельности и ответственности обучающихся в аудитории и вне ее при выполнении всех видов самостоятельной учебной деятельности. По окончании изучения дисциплины у студентов должны сформироваться следующие общие и профессиональные компетенции: OK 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес. ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество. ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 5 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития. ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности. ОК 6. Работать в коллективе и в команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями. ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), за результат выполнения заданий. ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации. ОК 9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности. ОК 10. Исполнять воинскую обязанность, в том числе с применением полученных профессиональных знаний (для юношей). ПК 2.1. Организовывать и выполнять подготовительные работы на строительной площадке. ПК 2.2. Организовывать и выполнять строительно-монтажные, ремонтные и работы по реконструкции строительных объектов. ПК 4.3. Выполнять мероприятия по технической эксплуатации конструкций и инженерного оборудования зданий. В результате освоения дисциплины обучающийся должен уметь: -читать электрические схемы, - вести оперативный учет работы энергетических установок; В результате освоения дисциплины обучающийся должен знать: - основы электротехники и электроники, - устройство и принцип действия электрических машин и трансформаторов, Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 6 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 - аппаратуры управления электроустановками Учебная дисциплина общепрофессионального «Основы цикла в электротехники» структуре является основной дисциплиной профессиональной образовательной программы по специальности. Цель изучения дисциплины - формирование знаний студентов о способах получения, передачи и применении электрической и других видов энергии, об электрификации строительно-монтажных работ, об особенностях электроснабжения строительных площадок, а также о компонентах электронной техники, применяемых на оборудовании строительных площадок. Данное учебное пособие отличается не столь подробным изложением теоретического материала, как специальные учебники, но затрагивает множество электротехнических аспектов, которые необходимо изложить в едином стиле, при единой терминологии и в едином физическом освещении явлений и принципов действия электроустановок строительных процессов. Рассмотрение многих вопросов базируется на первичных знаниях курса физики, полученных в процессе изучения законов преобразования энергии, принципов работы электрических цепей постоянного тока и трехфазных цепей переменного тока промышленной частоты. Электрическая энергия, ее особенности и область применения Электрическая энергия — это энергия движущихся по проводникам свободных электронов. Она универсальна и удобна к применению в силу многих причин. 1. В электрическую энергию легко преобразуются любые виды энергии (тепловая, атомная, механическая, химическая, лучистая, энергия водного потока), и, наоборот, электрическая энергия легко может быть преобразована в любой другой вид энергии. 2. Электроэнергию можно передавать практически на любое расстояние. 3. Ее можно легко дробить на любые части (мощность электроприборов может быть от долей ватта до тысяч киловатт). 4. Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 7 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 и эффективно автоматизировать. 5. Управление процессами, в которых используется электроэнергия, обычно очень простое (нажатие кнопки, выключателями и т. п.). 6. Использование электрической энергии способствует созданию комфортных условий труда. Единственным недостатком электроэнергии является отсутствие "склада готовой продукции". Запасать электроэнергию и сохранять эти запасы в течение больших сроков человечество еще не научилось. Запасы электроэнергии в аккумуляторах, гальванических элементах и конденсаторах достаточны лишь для работы сравнительно маломощных установок, причем сроки хранения этих запасов ограничены. Поэтому электроэнергия должна быть произведена тогда и в таком количестве, когда и в каком количестве ее требует потребитель. Роль электротехнической подготовки техника в освоении новой техники и прогрессивных строительных технологий Научно-технический прогресс происходит при все более широком использовании электрической энергии во всех отраслях народного хозяйства. Поэтому электротехническая подготовка должна предусматривать достаточно подробное изучение вопросов теории и практики использования различных электроустановок. Применение электрической энергии позволило повысить производительность труда во всех областях деятельности человека, автоматизировать и внедрить целый ряд технологических процессов в строительстве, основанных на новых принципах, ускоряющих, облегчающих и удешевляющих строительно-монтажные работы, а также создать комфортные условия в производственных и жилых помещениях. Электротехника, электротехнология и электроснабжение — область человеческих знаний и практики, которые быстро развиваются. Поэтому специалисту необходимо постоянно пополнять свои знания в области электротехнологий и использовать их в своей практической деятельности. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 8 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Раздел 1 Электротехники Лекция 1 Тема 1.1 Электрическое и магнитное поле План: 1 Электрическое поле и его характеристики 1.1 Закон Кулона 1.2 Напряженность электрического поля 1.3 Потенциал и электрическое напряжение 2 Проводники и диэлектрики в электрическом поле 2.1 Проводники в электрическом поле 2.2 Электрическое поле в однородном диэлектрике 2.3 Основные электрические свойства диэлектриков 3 Электрическая емкость 4 Электрические конденсаторы 5 Основные свойства, характеристики и законы магнитного поля 5.1 Закон Ампера 5.2 Магнитная индукция 5.3 Магнитный поток и потокосцепление Представление об электрическом поле сложилось в результате изучения электрических явлений — притяжения и отталкивания наэлектризованных тел, электростатической индукции и др. Большие заслуги в этом принадлежат родоначальнику русской науки М.В. Ломоносову, который вместе с Г.В. Рихманом проводил количественные исследования атмосферного электричества. 1 Электрическое поле и его характеристики Электрическое поле обнаруживается в пространстве, окружающем заряженные частицы и тела, с которыми это поле связано. Главным свойством электрического поля является силовое действие на электрически заряженную частицу, причем сила воздействия пропорциональна Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 9 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 заряду частицы и не зависит от ее скорости. Электрическое поле неподвижных заряженных тел при отсутствии в них электрических токов называется электростатическим. 1.1 Закон Кулона В результате опытов французский физик Кулон в 1785 г. установил закон, выражающий силу взаимодействия двух наэлектризованных тел (рис. 1.1). Сила взаимодействия двух точечных заряженных тел прямо пропорциональна произведению зарядов этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: F Q1 Q2 4 0 r 2 (1.1) где F — электрическая сила, Н; Q1,Q2 — электрические заряды, Кл; r — расстояние между заряженными телами, м; ε0 = 8,85·10-12 Ф/м — электрическая постоянная, величина, которая определяется выбором системы единиц. Рисунок 1.1 – Взаимодействие двух положительно заряженных частиц Формула и последующие выражения, относящиеся к электрическому полю в вакууме, справедливы, если средой является воздух. Электрическое поле создается заряженными частицами и телами и вместе с тем действует на заряженные частицы и тела с некоторой силой. Учитывая это, отметим два важных обстоятельства: каждое из двух взаимодействующих тел (с зарядами (Q1 и Q2) создает свое электрическое поле, а в окружающем их пространстве одно поле накладывается на другое и образуется общее электрическое поле (в данном случае действует принцип наложения полей); силовое взаимодействие двух заряженных тел следует рассматривать как результат действия на каждое из них общего электрического поля, созданного этими телами. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 10 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 1.2 Напряженность электрического поля Важные для практики свойства и характеристики электрического поля зависят от формы заряженного тела, величины, знака и распределения его заряда, от взаимного расположения заряженных тел (если поле создается группой тел), от свойств среды, окружающей заряженные тела, и других факторов. Поэтому электрические поля, созданные при различных условиях, отличаются одно от другого по форме, а также по количественным и качественным показателям. Для того чтобы сопоставлять электрические поля, оценивать возможности их использования и вести соответствующие расчеты, установлены и применяются силовые и энергетические характеристики электрического поля. Силовой характеристикой электрического поля является напряженность электрического поля. Напряженность электрического поля — векторная величина, численно равная отношению силы, действующей на положительно заряженную частицу, к ее заряду. Рисунок 1.2 – Силовые линии электрического поля Для наглядного изображения электрического поля проводят линии напряженности (силовые линии). В каждой точке такой линии направление вектора напряженности электрического поля совпадает с касательной к этой линии (рисунок 1.2. а-г) Электрическое поле называют однородным (или равномерным), если во всех его точках напряженность поля одинакова по величине и направлению. Равномерное поле имеется между двумя параллельными заряженными Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 11 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 пластинами, линейные размеры которых значительно больше расстояния между ними (рисунок 1.5, а), а у краев пластин поле неравномерно. 1.3 Потенциал и электрическое напряжение Потенциал произвольной точки поля численно равен работе, совершаемой силами электрического поля при перемещении положительного заряда из этой точки в какую-либо точку на поверхности земли. Потенциал любой точки земли принимают равным нулю. Электрическое напряжение численно равно работе, совершаемой силами электрического поля при перемещении положительного заряда из одной точки поля в другую, т.е. напряжение между точками равно разности потенциалов. 2 Проводники и диэлектрики в электрическом поле 2.1 Проводники в электрическом поле Под действием внешнего электрического поля с напряженностью Е1 в металлическом теле (рисунок 1.3) свободные электроны перемещаются к одной поверхности, которая получает отрицательный заряд, противоположная поверхность заряжается положительно (явление электростатической индукции). В результате разделения зарядов в проводнике создается внутреннее электрическое поле с напряженностью Е2, направленное противоположно внешнему. Движение свободных электронов в проводнике в данном случае кратковременно, пока напряженности внешнего и внутреннего полей не уравняются. При равенстве Е1 = Е2 результирующая напряженность электрического поля равна нулю. Напряжение между двумя любыми точками проводника также равно нулю, т. е. его потенциал во всех точках один и тот же. Следовательно, при наличии в проводнике свободных носителей заряда электростатическое поле в нем существовать не может. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 12 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 1.3 – Проводник во внешнем электрическом поле 2.2 Электрическое поле в однородном диэлектрике По сравнению с проводниками количество свободных заряженных частиц в единице объема диэлектрика очень мало. Поэтому при наличии внешнего электрического поля направленным движением свободных заряженных частиц можно пренебречь и считать, что в диэлектрике преобладают явления электростатические. Рисунок 1.4 – Диэлектрик во внешнем магнитном поле: а – электрический диполь, б – диэлектрик Различают диэлектрики с полярными и неполярными молекулами. Полярные молекулы в электрическом отношении можно рассматривать как электрический диполь (рисунок 1.4, а, б). Электрический диполь — это совокупность двух частиц с электрическими зарядами, равными по величине и противоположными по знаку, расстояние между которыми очень мало по сравнению с расстоянием от них до точек наблюдения. Во внешнем электрическом поле полярная молекула (диполь) испытывает действие пары сил, которая поворачивает ее так, что электрический момент оказывается направленным так же, как и напряженность поля (на рисунок 1.4, б, в показан диэлектрик в равномерном электрическом поле между двумя заряженными Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 13 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 металлическими пластинами). В неполярных молекулах диэлектрика под действием внешнего электрического поля заряженные частицы смещаются вдоль направления вектора напряженности Е, в результате чего молекулы приобретают свойство диполей. Это явление ограниченного смещения заряженных частиц в молекуле или изменения ориентации дипольных молекул в диэлектрике под действием электрического напряжения называется поляризацией диэлектрика. В результате поляризации диэлектрика поляризованные молекулы располагаются вдоль линий напряженности внешнего электрического поля (напряженность Е0). При этом внутри диэлектрика в любом объеме, не меньшем объема молекулы, сохраняется равенство обоих зарядов того и другого знака, так что диэлектрик остается нейтральным. Однако по поверхностям диэлектрика, прилегающим к металлическим пластинам, распределены частицы, обладающие зарядом одного знака: отрицательным на границе с положительной пластиной и положительным на границе с пластиной (рисунок 1.4, в). На обеих поверхностях заряд распределен равномерно с одинаковой плотностью. Таким образом, на границе между металлической пластиной и диэлектриком распределены два вида заряженных частиц: свободные частицы металлической пластины с общим зарядом Q0, которые создают внешнее электрическое поле (напряженность E0), и связанные частицы диэлектрика с общим зарядом Qn противоположного знака, создающие внутреннее поле (напряженность Еп). Величина εа характеризующая свойства диэлектрика, получила название абсолютной диэлектрической проницаемости. Величину диэлектрической проницаемости для различных диэлектриков можно найти в соответствующих справочниках. 2.3 Основные электрические свойства диэлектриков Любое, даже самое простое электрическое устройство нельзя построить без диэлектрических материалов. Большинство их применяют для электрической изоляции, т. е. для отделения друг от друга и от земли электропроводных частей, Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 14 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 имеющих между собой разность электрических потенциалов. Между электропроводными участками с разными электрическими потенциалами имеется электрическое поле, следовательно, диэлектрические материалы находятся под действием этого поля или, как говорят, «несут электрическую нагрузку». Электрическую нагрузку изоляции оценивают величиной напряженности электрического поля в ней. Чем больше напряженность поля, тем больше силы, действующие на заряженные частицы молекул (рисунок 1.4, б). Этим силам противодействуют внутримолекулярные силы сцепления частиц, от величины которых зависят электроизоляционные свойства диэлектриков. Если напряженность электрического поля превысит некоторую критическую величину, то диэлектрик теряет электроизоляционные свойства. Это явление называют пробоем диэлектрика, а величину напряжения, при котором оно происходит,— пробивным напряжением. Величина напряженности электрического поля, соответствующая пробивному напряжению, называется электрической прочностью диэлектрика. Явление электрического пробоя связано с электронными процессами в диэлектрике, которые возникают под действием сильного электрического поля и приводят к значительному местному увеличению электропроводности к моменту пробоя. 3 Электрическая емкость Проводники, обладающие электрическим зарядом, являются источниками электрического поля. Способность проводника накапливать электрический заряд зависит от формы и размеров его поверхности, расстояния между проводниками (если поле создается группой проводников), от свойств среды, в которую проводники помещены. Для выражения этой зависимости введено понятие электрической емкости. Электрическая емкость проводника и между проводниками. Электрическая емкость проводника — величина, характеризующая способность проводника Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 15 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 накапливать электрический заряд, численно равная отношению заряда проводника к его потенциалу: C Q (1.2) где С— электрическая емкость, Ф (фарад). В системе заряженных проводников на заряд и потенциал каждого из них влияют форма, расположение и величины зарядов других проводников. В этом случае применяют понятие емкости между проводниками. Наибольшее значение для практики имеют системы из двух проводников, имеющих равные по величине, но противоположные по знаку заряды. Примерами таких систем являются два провода воздушной линии электросети, две жилы электрического кабеля, жила кабеля и его броня. Электрическая емкость между двумя проводниками — величина, равная отношению электрического заряда Q одного проводника к разности потенциалов φ между этими проводниками: С Q U (1.3) 4 Электрические конденсаторы Элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрической емкости, называется электрическим конденсатором. Электрические конденсаторы входят в схемы колебательных контуров, усилителей напряжения и мощности, электрических фильтров и других элементов и узлов радиотехнической и электронной аппаратуры. В электрических сетях переменного тока конденсаторы применяют для компенсации реактивной мощности. Электрический конденсатор имеет два проводника (их иногда называют обкладками), которые разделены диэлектриком, по форме проводников различают конденсаторы плоские (рисунок 1.5, а), цилиндрические (рисунок 1.5, б). Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 16 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 1.5 Диэлектрики, применяемые для изготовления конденсаторов, в большинстве случаев имеют постоянную величину диэлектрической проницаемости, независимую от напряженности электрического поля. Поэтому конденсаторы имеют постоянную величину емкости. В зависимости от назначения, рабочих характеристик (величин емкости, напряжения, частоты) промышленность выпускает конденсаторы, отличающиеся по конструкции и материалам: бумажные, электролитические и др. В бумажном конденсаторе проводники — две длинные ленты алюминиевой фольги — изолированы лентами парафинированной бумаги (рисунок 1.6). Одной из обкладок электролитического конденсатора также служит алюминиевая фольга 2, другая обкладка из бумаги или ткани 1, пропитанной электролитом. Изоляцией является тонкий слой окиси на поверхности обкладки из алюминиевой фольги. Электролитические конденсаторы работают при неизменной полярности обкладок (в цепях постоянного тока). Рисунок 1.6 – Конденсатор Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 17 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 5 Основные свойства, характеристики и законы магнитного поля К понятию о магнитном поле наука пришла в результате длительного наблюдения и изучения магнитных явлений, таких, как притяжение и отталкивание намагниченных тел (постоянных магнитов) или проводов с токами, действие проводника с током на магнитную стрелку, электромагнитная индукция. Изучением магнитных явлений и возможностей их практического использования занимались многие отечественные и зарубежные ученые. В их числе русские академики Э.Х. Ленд (1804—1865), Б.С. Якоби (1801 — 1874), французский физик и математик Ампер (1775— 1836) и др. Магнитное поле обнаруживается в пространстве, окружающем движущиеся заряженные частицы, с которыми это поле связано. В проводнике и пространстве вокруг него магнитное поле обусловлено этим током, а внутри и вокруг намагниченного тела — внутриатомным и внутримолекулярным движением заряженных частиц (например, вращением электронов вокруг своих осей и вокруг ядра атома). Главным свойством магнитного поля является силовое действие на движущуюся электрически заряженную частицу, причем сила воздействия пропорциональна заряду частицы и ее скорости. Закон Ампера В 1820 г. Ампер установил закон, выражающий силу взаимодействия электрических токов. Величина, численно равная произведению тока проводимости I вдоль линейного проводника и бесконечно малого отрезка этого проводника называется элементом тока. Сила взаимодействия двух элементов тока прямо пропорциональна произведению этих элементов тока и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 18 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 5.1 Магнитная индукция Важные для практики свойства и характеристики магнитного поля зависят от формы проводника, значения и направления тока в нем, от взаимного расположения проводников (если поле создается группой проводников), от свойств среды и т. д. Поэтому магнитные поля, созданные при различных условиях, отличаются одно от другого по форме и количественным показателям. Для того чтобы сопоставлять магнитные поля, оценивать возможности их использования и вести соответствующие расчеты, установлены и применяются их силовые и энергетические характеристики. Рисунок 1. 7 Магнитная индукция — векторная величина, численно равна отношению силы, действующей на участок провода, по которому проходит ток, к произведению тока и длины участка провода, причем провод должен быть расположен перпендикулярно направлению поля. Наглядное изображение магнитного поля выполняют с помощью линий магнитной индукции (силовых линий). В каждой точке такой линии направление вектора магнитной индукции совпадает с касательной к этой линии (рисунок 1.7, а, в). 5.2 Магнитный поток и потокосцепление На рисунке (1.7, в) перпендикулярно оси катушки расположена плоскость s (след ее показан пунктирной линией). В данном случае линии магнитной индукции равномерного поля пронизывают эту плоскость под прямым углом (между Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 19 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 направлением линий магнитной индукции и нормалью к поверхности s угол α = 0). В качестве характеристики магнитного поля катушки, кроме величины магнитной индукции, определяют поток магнитной индукции (магнитный поток Ф Bs , (1.4) где Ф — магнитный поток, Вб (вебер). Если линии магнитной индукции пронизывают поверхность при α # 0, то магнитный поток определяют по формуле Ф В s cos (1.5) Рисунок (1.7, в) дает наглядное представление о том, что линии магнитной индукции окружены витками катушки и замыкаются, охватывая витки. Говорят, что магнитный поток сцеплен с витками катушки, а для расчетов введена величина потокосцепления. Сумма магнитных потоков, сцепленных с отдельными витками катушки, называется потокосцеплением. Ф (1.6) ω- число витков катушки. Лекция 2 Тема 1.2 Электрические цепи постоянного тока План: 1 Постоянный ток 2 Закон Ома 3 Электрическая цепь 3.1 Источник электрической энергии 3.2 Приемники электрической энергии 4 Основы расчета цепей постоянного тока 4.1 Режимы электрических цепей 4.2 Схемы электрических цепей Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 20 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 4.3 Законы Кирхгофа 4.4 Виды соединений проводников (сопротивлений) 5 Измерительные приборы постоянного тока 5.1 Магнитоэлектрический измерительный механизм 5.2 Измерение тока и напряжения 1 Постоянный электрический ток Постоянным электрическим током называют направленное упорядоченное движение элементарных (материальных) частиц, несущих электрические заряды. При этом в металлах (металлических проводниках), а также в вакууме движутся отрицательно заряженные частицы — электроны, а в жидкостях (растворах солей и кислот) — как отрицательно, так и положительно заряженные материальные частицы — ионы, перемещающиеся в противоположных направлениях (навстречу друг другу). В разреженных газах электрический ток может осуществляться движением как электронов, так и ионов. Электрический ток, не изменяющийся во времени, называется постоянным, а ток, изменяющийся с течением времени, — переменным. За направление постоянного тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Отсюда следует, что в металлических проводниках, а также в вакууме и в газах направление тока принимается противоположным направлению движения электронов. На рисунке 1.8 показаны графики постоянного тока (гр. 1,2) и переменного тока (кривая 3). На графике переменного тока по оси ординат откладываются мгновенные значения тока I. На кривой 3 показан мгновенный ток i1 в момент времени t1. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 21 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 1.8 - График тока: 1- постоянный ток, не изменяющийся по величине и направлению; 2- постоянный ток, изменяющийся по величине, но постоянный по направлению; 3- переменный ток, изменяющийся по величине и по направлению. 2 Закон Ома Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна сопротивлению участка. I U , R (1.5) где I — сила тока, А; U — напряжение, В; R — сопротивление, Ом. Зная две величины из трех, входящих в формулу (1.5), можно определить третью: U I R; R U . I (1.6) (1.7) 3 Электрическая цепь Электрическая цепь — это совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока. Электромагнитные процессы в электрических цепях можно описать с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. Простейшая цепь постоянного электрического тока состоит из основных элементов: Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 22 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 - источника электроэнергии; - электроприемника (потребителя энергии); - проводов. В электрические цепи кроме основных входят вспомогательные элементы, предназначенные для управления, регулирования, контроля, защиты. 3.1 Источник электрической энергии Электрическую энергию получают путем преобразования других видов энергии посредством соответствующих преобразователей, которые принято называть источниками электрической энергии. В настоящее время основным видом таких устройств являются электромеханические генераторы — электрические машины для преобразования механической энергии в электрическую. В цепях постоянного тока в качестве источников электрической энергии применяются: электромеханические генераторы, электрохимические источники (гальванические элементы, аккумуляторы, топливные элементы), термоэлектрогенераторы (устройства прямого преобразования тепловой энергии в электрическую), фотоэлектрогенераторы (преобразователи лучистой энергии в электрическую). При преобразовании любого вида энергии в электрическую в источнике происходит разделение положительного и отрицательного зарядов и образуется электродвижущая сила (ЭДС). Величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрический ток, называется электродвижущей силой. Электрическая энергия, получаемая в источнике в единицу времени (за одну секунду), называется мощностью источника: PИ E I (1.8) здесь РИ — мощность источника, Вт (ватт). Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 23 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 3.2 Приемники электрической энергии Наиболее многочисленными и разнообразными элементами электрических цепей являются приемники электрической энергии (электроприемники). Они служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии: механическую (электродвигатели электромагниты), тепловую переменного (электрические и постоянного тока, тяговые промышленные печи, бытовые нагревательные приборы, сварочные аппараты), световую (лампы электрического освещения, прожекторы), химическую (аккумуляторы в процессе зарядки, электролитические ванны и др.). Энергия электроприемника: WП U I t I 2 R t (1.9) Скорость преобразования электрической энергии в электроприемнике в другой вид энергии называется мощностью электроприемника. Численно она выражается величиной энергии, преобразуемой в электроприемнике за одну секунду: PП WП U I I2 R t (1.10) где РП — мощность электроприемника, Вт. Рисунок 1.9 - Схема цепи постоянного тока: 1 — источник тока; 2 — вольтметр; 3 — амперметр; 4— электрическая лампа; 5 — выключатель 4 Основы расчета цепей постоянного тока При расчете электрической цепи определяют токи, напряжения, мощности и Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 24 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 другие величины, характеризующие работу ее элементов. Результаты расчета дают возможность оценить условия работы и выбрать соответствующие этим условиям источники, приемники, провода, вспомогательное электрооборудование, приборы. 4.1 Режимы электрических цепей Источники и приемники электрической энергии, а также вспомогательные аппараты и приборы характеризуются номинальными величинами, в числе которых могут быть напряжение Uном, ток Iном, мощность Рном и др. Для проводов и кабелей кроме номинального напряжения указывают допустимые токи Iдоп. Номинальные величины указаны в паспорте устройства, в каталоге. На эти величины заводыизготовители рассчитывают устройства для нормальной работы. 1 Режим, при котором действительные токи, напряжения, мощности и другие величины соответствуют номинальным характеристикам элементов электрической цепи, называется номинальным. 2 Режимы электрической цепи по различным причинам могут все же отличаться от номинального. Если действительные характеристики режима отличаются от номинальных значений, но отклонения находятся в допустимых пределах, такой режим называют рабочим. 3Режим электрической цепи или отдельных ее элементов при котором ток в них равен нулю, называется режимом холостого хода. 4 Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами, в связи с чем напряжение на этом участке равно нулю, называется режимом короткого замыкания. 4.2 Схемы электрических цепей При разработке, монтаже и эксплуатации электрических устройств и установок необходимы электрические схемы. Схема электрической цепи — это графическое изображение, содержащее условные обозначения элементов электрической цепи и показывающее соединения между ними. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 25 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Для расчета электрических цепей составляют также схемы замещения (расчетные). Принципиальная схема определяет полный состав элементов и связей между ними. Она, как правило, дает детальное представление о принципах работы электрического изделия, установки. Схема соединений (монтажная) показывает соединения составных частей изделия, установки, определяет провода, жгуты, кабели, которыми эти соединения осуществляются, а также места их присоединения и ввода. По принципиальной схеме изучают принципы работы изделий, установок; по схемам соединения осуществляют монтаж и присоединения их составных частей, те и другие схемы используют при наладке, регулировке, контроле, ремонте и эксплуатации изделий, установок. Схема замещения электрической цепи отображает свойства этой цепи при определенных условиях и применяется при расчетах. На схеме замещения изображают все элементы, влиянием которых на результаты расчета пренебречь нельзя, и указывают электрические соединения между ними, соответствующие принципиальной схеме. Условные обозначения для электрических схем установлены стандартами системы ЕСКД. Элемент цепи, в котором электрическая энергия преобразуется в теплоту, в схеме замещения характеризуется величиной его сопротивления. Такие элементы называются пассивными. К ним относятся и соединительные провода, если их сопротивлением нельзя пренебречь. Элементы сопровождается электрических цепей, возникновением в которых электродвижущей преобразование силы энергии (аккумуляторы, электрические машины), называют активными. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 26 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 1.10 – Схема электрической цепи: а - принципиальная схем, б - схема замещения. Рисунок 1.11 – Схема сложной электрической цепи На рисунке 1.11 изображена схема замещения сложной электрической цепи. Рассматривая схемы различных электрических цепей, можно выделить в них характерные участки: ветвь — участок электрической цепи, вдоль которого ток один и тот же; узел — место соединения ветвей электрической цепи; контур — замкнутый путь по нескольким ветвям электрической цепи. На схемах стрелками отмечают положительные направления ЭДС, напряжений, токов. 4.3 Законы Кирхгофа Для расчета электрических цепей наряду с законом Ома применяются два закона Кирхгофа. Первый закон Кирхгофа является следствием принципа непрерывности тока (сохранения заряда), применяется к узлам электрических цепей. В ветвях электрической цепи, соединенных в одном электрическом узле, сумма токов, направленных к узл (In), равна сумме токов, направленных от узла (Ik): Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 27 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» n k 1 1 ОП.03 In Ik . (1.11) По первому закону Кирхгофа, для каждого узла электрической цепи можно составить уравнение токов (узловое уравнение), например для узла б в схеме рисунке 1.11 I 2 I1 I 3 Второй закон Кирхгофа является следствием закона сохранения энергии, применяется к контурам электрических цепей. В ветвях, образующих контур электрической цепи, алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжения в пассивных элементах: n k 1 1 E n I k Rk . (1.12) При этом положительными считают ЭДС и токи, направление которых совпадает с направлением обхода контура. По второму закону Кирхгофа, для каждого контура электрической цепи можно составить уравнение напряжений (контурное уравнение). Например, для контура а — 5— 3 — б — 1 — 4— а в схеме рисунке 1.11: E1 E3 I1 R1 I 3 R3 I 3 R4 I1 R5 I1 r1 . (1.13) Оно составлено в таком порядке: выбраны (произвольно) направления токов в ветвях и направление обхода контура; в левую часть уравнения записана алгебраическая сумма ЭДС, встречающихся при обходе контура, в правую — алгебраическая сумма падений напряжения в пассивных элементах контура. 4.4 Виды соединений проводников (сопротивлений) Основные типы соединения сопротивлений — последовательное и параллельное. Последовательное соединение. Последовательным называется такое соединение, при котором конец первого проводника (сопротивления) соединен с началом второго, а конец второго — с началом третьего и т.д. (рис. 1.12, а). Параллельное соединение. При параллельном соединении все начала проводников (сопротивлений) соединены вместе и также соединены их концы (рис. 1.12, б). Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 28 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» Последовательное соединение ОП.03 сопротивлений увеличивает общее сопротивление электрической цепи, а параллельное — уменьшает его. Общее суммарное сопротивление последовательно включенных сопротивлений равно их сумме (рис. 1.12, а): R13 R1 R2 R3 (1.4) Для определения общего суммарного сопротивления параллельно включенных сопротивлений (рис. 1.12, б) необходимо сложить не сопротивления, а их проводимости (т.е. величины, обратные сопротивлениям): R13 При параллельном R1 R2 R3 . R1 R2 R2 R3 R1 R3 включении нескольких (1.15) одинаковых по величине сопротивлений их суммарное значение равно сопротивлению одного, деленному на их количество. Рисунок 1.12 - Последовательное (а) и параллельное (б) соединения сопротивлений 5 Измерительные приборы постоянного тока В повседневной практике для технических измерений постоянных токов и напряжений применяют чаще всего стрелочные приборы магнитоэлектрической системы. 5.1 Магнитоэлектрический измерительный механизм Работа магнитоэлектрического измерительного механизма основана на взаимодействии постоянного магнитного поля и электрического тока. Одна из конструктивных схем показана на рисунке 1.13. В магнитную цепь прибора входят: сильный постоянный магнит 1, ярмо 2, Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 29 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 полюсные наконечники 3, сердечник 4. В воздушных зазорах между полюсными наконечниками и сердечником создается равномерное радиальное магнитное поле. Этого достигают путем соответствующего оформления и тщательной обработки полюсных наконечников. Вокруг оси 6 и сердечника в пределах угла 90° может поворачиваться катушка 5, т. е. обмотка из медного изолированного провода на легком алюминиевом каркасе в виде рамки. Рисунок 1.13 – Магнитоэлектрический измерительный механизм Если в катушке имеется ток Iк, то на каждый ее проводник длиной l со стороны магнитного поля действует электромагнитная сила и относительно оси рамки создается вращающий момент М вр kвр I k . Противодействующий момент M пр k пр создается пружинами. Приборы магнитоэлектрической системы имеют высокую чувствительность, малое собственное потребление энергии, малую зависимость показаний от внешних магнитных полей. Вместе с тем направление вращающего момента зависит от направления тока в катушке, а это значит, что магнитоэлектрические приборы можно использовать только в цепях постоянного тока. 5.2 Измерение тока и напряжения Схемы включения амперметра и вольтметра (рисунок 1.9 и 1.10) Показание амперметра определяется током в его измерительном механизме. Поэтому для измерения тока в каком-либо участке электрической цепи, приемнике или генераторе амперметр надо включить так, чтобы измеряемый ток проходил Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 30 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» через него. Следовательно, амперметр ОП.03 включается последовательно с приемником, генератором или участком цепи. Включение амперметра не должно изменить режим работы цепи, следовательно, сопротивление его должно быть малым по сравнению с сопротивлением приемника или участка цепи. Показание вольтметра определяется напряжением на его зажимах. Поэтому для измерения напряжения на зажимах приемника или генератора необходимо его зажимы соединить с зажимами вольтметра, т. е. присоединить вольтметр параллельно потребителю или генератору. Сопротивление вольтметра должно быть большим по сравнению с сопротивлением приемника энергии (генератора), параллельно которому он включается с тем, чтобы его включение не влияло на измеряемое напряжение (на режим работы цепи). Лекция 3 Тема 1.3 Однофазная электрическая цепь План: 1 Переменный ток, его параметры 2 Векторные диаграммы 3 Основы расчета электрических цепей переменного тока 3.1 Цепь переменного тока с активным сопротивлением 3.2 Цепь переменного тока с индуктивным сопротивлением 3.3 Цепь переменного тока с последовательными активным и индуктивным сопротивлениями 3.4 Цепь переменного тока с емкостью 3.5 Мощность переменного тока 4 Измерительные приборы переменного тока 4.1 Электромагнитный измерительный механизм 4.2 Измерение тока и напряжения 4.3 Измерение мощности Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 31 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Переменный ток, его параметры Переменным называют электрический ток, периодически (т.е. через равные промежутки времени) меняющий свое направление и непрерывно изменяющийся по величине. Мгновенные значения переменного тока (а также переменной ЭДС и напряжения) через равные промежутки времени повторяются. Переменный ток имеет самое широкое применение в современной электротехнике. Практически вся электрификация во всем мире осуществляется на переменном токе Электроэнергия переменного тока просто и экономно может быть преобразована из энергии более низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот. Это свойство переменного тока имеет огромное значение для передачи электроэнергии по проводам на большие расстояния. Величины, которые полностью характеризуют переменный ток, т.е. дают полное представление о нем, называются параметрами переменного тока. Мгновенным значением называется значение переменного тока в любой момент времени. Мгновенные значения силы тока обозначаются буквой i, напряжения — буквой u, ЭДС — буквой е. i I m sin( t I ), (1.16) u U m sin( t U ), (1.17) e E m sin( t E ). (1.18) Амплитудным значением или просто амплитудой называется наибольшее значение переменного тока, которого он достигает в процессе изменений. Амплитудные значения силы тока, напряжения и ЭДС обозначаются соответственно Im, Um, Еm. Действующий ток I – среднее квадратичное значение электрического тока за период. Значение силы тока (напряжения, ЭДС), в 2 раз меньше амплитудного значения: I Разработчик Терещенко Е.В. Im 2 0,707 I m (1.19) Стр. 32 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Действующие значения переменного тока, напряжения и ЭДС обозначаются соответственно I, U, Е. Величина действующего значения переменного тока равна такой величине постоянного тока, который, проходя через одно и то же сопротивление в течение одного и того же времени, что и рассматриваемый нами переменный ток, выделяет одинаковое с ним количество тепла. Периодом Т называется время, за которое происходит полное изменение переменного тока (рис. 1.3). Циклической частотой f называется число периодов в 1 секунду. Частота, равная одному периоду за 1 с, называется герцем f 1 . T (1.20) Фаза — аргумент синусоидального тока, отсчитываемый от точки перехода тока через нуль к положительному значению. Фаза (фазовый угол) в любой момент времени определяет стадию изменения синусоидального тока. Начальная фаза φ — значение фазы синусоидального тока в начальный момент времени. Начальная фаза соответствует моменту времени t = 0. О синусоидальных величинах, имеющих разные по значению начальные фазы, говорят, что они сдвинуты по фазе. Рисунок 1.14 – График синусоидального тока Сдвиг фаз у — алгебраическая величина, определяемая разностью начальных фаз двух синусоидальных функцию. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 33 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» Угловая ОП.03 частота ω — скорость изменения фазы тока. Из определения угловой частоты следует, что ее можно выразить производной от фазы по времени 2 f 2 . T (1.21) 2 Векторные диаграммы Графически переменный ток можно изобразить, используя прямоугольную систему координат (рисунок 1.14), или с помощью векторов (векторная диаграмма). Развернутая диаграмма наглядно показывает, как изменяется переменный ток с течением времени. Векторная диаграмма позволяет рассматривать физические процессы, происходящие в цепях переменного тока, и с достаточной точностью производить графическое решение задач. Вектор — это отрезок прямой, имеющий определенную длину и определенное направление. Длина вектора соответствует действующему значению переменного тока. Положение вектора определяется фазой. Фаза равна нулю, если вектор расположен горизонтально и направлен вправо. 3 Основы расчета электрических цепей переменного тока 3.1 Цепь переменного тока с активным сопротивлением Сопротивления в цепях переменного тока бывают активными и реактивными. Активные сопротивления расходуют энергию, на активных сопротивлениях вся электрическая энергия преобразуется в другой вид энергии. Реактивные сопротивления не расходуют энергию, в них есть электрические преобразования.. Реактивными сопротивлениями, включенными в цепь переменного тока, являются сопротивления Сопротивление катушки катушки индуктивности называется индуктивным L и конденсатора сопротивлением С. (ХL), сопротивление конденсатора — емкостным (ХC). На рисунке 1.15 показана цепь переменного тока с активным сопротивлением и векторная диаграмма, из которой видно, что ток и напряжение совпадают по фазе. Они изменяются по одному и тому же закону, следовательно, можно записать: Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 34 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» i I m sin t , (1.21) u R U m R sin t. (1.22) 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 1.15 - Цепь переменного тока с активным сопротивлением: а- схема цепи, б – векторная диаграмма Действующее значение силы тока в цепи с активным сопротивлением определим по закону Ома: I UR R (1.23) где UR — действующее значение напряжения на сопротивлении; R — значение активного сопротивления. Мощность, расходуемая в цепи на активном сопротивлении, равна: P UR I I 2 R (1.24) Эту мощность называют активной, единицы измерения ватт – Вт. 3.2 Цепь переменного тока с индуктивным сопротивлением Если катушку индуктивности, активное сопротивление которой равно нулю, подключить к источнику переменного тока (рисунок 1.16), то в катушке потечет синусоидально изменяющийся переменный ток. Согласно правилу Ленца индуцированная в катушке ЭДС противодействует изменениям силы тока. Это значит, что при увеличении силы тока в катушке ЭДС самоиндукции стремится создать ток, направленный навстречу вызывавшему ее току, а при уменьшении силы тока она, наоборот, стремится создать ток, совпадающий по направлению с ним. На рис. 1.16 показана цепь переменного тока с индуктивным сопротивлением и векторная диаграмма, из которой видно, что ЭДС самоиндукции отстает по фазе от Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 35 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 тока на 90°. Рисунок 1.16 - Цепь переменного тока с индуктивным сопротивлением: а – схема цепи; б – векторная диаграмма. i I m sin t , (1.25) u L U mL sin( t 90 0 ). (1.26) Индуктивное сопротивление ХL: X L L 2 f , (1.27) где L –индуктивность катушки. Энергия в катушке индуктивности не расходуется. В первую четверть периода она запасается в ее магнитном поле, а во вторую — отдается источнику тока. Произведение напряжения UL на величину силы тока I в цепи называется реактивной мощностью. QL U L I I 2 X L . (1.28) Единицы измерения реактивной мощности – вар. В рассмотренной цепи активная мощность равна нулю, так как энергия в ней не расходуется, сдвиг по фазе между векторами тока I и напряжением UL равен 90 °. 3.3 Цепь переменного тока с последовательными активным и индуктивным сопротивлениями Теперь рассмотрим цепь с реальной катушкой, которую можно представить как цепь с последовательно включенными индуктивностью L и активным сопротивлением R (рисунке 1.17). Если в цепи с последовательными активным и индуктивным сопротивлениями протекает переменный синусоидальный ток, то Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 36 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 напряжение на индуктивности, как было установлено ранее, опережает ток на 90°, а напряжение на активном сопротивлении совпадает с ним по фазе. Так как напряжения UL и UR, по фазе не совпадают, то напряжение, приложенное ко всей цепи, равно их геометрической сумме. Сложив векторы UL и UR, находим величину вектора U, который сдвинут по фазе относительно вектора тока I на угол φ< 90°, опережая его. Таким образом, в цепи переменного тока с последовательно соединенным активным сопротивлением и катушкой индуктивности ток отстает по фазе от напряжения. Рисунок 1.17 - Цепь переменного тока с последовательными активным и индуктивным сопротивлениями: а – схема цепи; б – векторная диаграмма. Построив векторную диаграмму, рассмотрим треугольник со сторонами UL, UR ,U Этот треугольник называется треугольником напряжений. Так как он прямоугольный, то U U R2 U L2 . (1.29) Из треугольника напряжений можно получить подобный ему треугольник сопротивлений со сторонами R, ХL и Z, разделив каждую сторону треугольника напряжений на ток. Из этого треугольника полное сопротивление цепи равно: Z R 2 X L2 . (1.30) Так как сдвиг по фазе между током и напряжением меньше 90°, то энергия в такой цепи расходуется лишь на активном сопротивлении R. 3.4 Цепь переменного тока с емкостью Если к источнику переменного тока подключить конденсатор, то в цепи Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 37 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 появится ток. Способность конденсатора пропускать переменный ток объясняется тем, что под действием переменного синусоидального напряжения конденсатор периодически заряжается и разряжается, вследствие чего происходит перемещение электрических зарядов в проводниках, соединяющих конденсатор с источником тока. Соотношение фаз тока и напряжения представлено на рисунке 1.18. В цепи с емкостью ток опережает по фазе напряжение на 90°. Закон Ома для цепи переменного тока с емкостью определяет действующее значение силы тока: I UC , XC (1.31) где Хс - емкостное сопротивление, измеряется в Омах (Ом). Емкостное сопротивление обратно пропорционально частоте тока в цепи и емкости конденсатора. XC 1 , 2 f C (1.32) где С – емкость конденсатора. Рисунок 1.18 - Цепь переменного тока с емкостью: а – схема цепи; б – векторная диаграмма. 3.5 Мощность переменного тока Для цепей переменного тока различают активную, полную и реактивную мощности. Активная мощность представляет собой действительную мощность переменного тока, аналогичную мощности, развиваемой постоянным током. Она производит полезную Разработчик Терещенко Е.В. работу; может быть Стр. 38 из 92 преобразована Версия 1 с помощью 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 электродвигателей в механическую мощность, механическую энергию; измеряется в ваттах (Вт) и определяется по формуле: P I U cos . (1.33) Полной мощностью называют максимально возможную величину активной мощности, развиваемую переменным током при заданных значениях напряжения и силы тока и при наиболее благоприятных условиях, а именно, когда cos 0 . Полная мощность обозначается латинской буквой S и измеряется в вольт-амперах (ВА). Из определения полной мощности следует выражение: S U I (1.34) Соотношение между активной и полной мощностями: P S cos , (1.35) P . cos (1.36) S Полной мощностью (кВА) принято измерять мощность генераторов переменного тока, машин, производящих электроэнергию, и трансформаторов, аппаратов, предназначенных для преобразования электрической энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения. Полная мощность этих машин определяется произведением номинальных (нормальных) величин их напряжения и силы тока (т. е. величин этих параметров, на которые рассчитаны машины). А активная их мощность зависит от коэффициента мощности, при котором они работают - cos . В свою очередь этот коэффициент мощности зависит от соотношения величин активного и реактивного сопротивления, включенных в цепь, иными словами, от характера электроприемников, питаемых данным генератором или трансформатором. Реактивная мощность. В цепях переменного тока не весь ток создает полезную, активную мощность, а только некоторая его часть, которая называется активной составляющей тока. Проекция составляющая вектора тока, тока а Разработчик Терещенко Е.В. на проекция горизонтальное вектора тока Стр. 39 из 92 направление – активная перпендикулярна Версия 1 вектору 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» напряжения, равная I sin , ОП.03 называется реактивной составляющей переменного тока. Реактивная составляющая тока не участвует в создании активной мощности. Произведение действующего в цепи напряжения на реактивную составляющую тока носит название реактивной мощности и обозначается латинской буквой Q. Реактивная мощность измеряется в единицах, называемых «вар». Из приведенного определения реактивной мощности вытекает соотношение Q U I sin , (1.37) где Q — реактивная мощность, вар; U — напряжение, В; I— сила тока, А. Реактивная мощность, так же как и реактивная составляющая тока, характеризует собой ту энергию, которая идет на создание магнитного поля индуктивности или электрического поля конденсатора. Эта энергия в процессе протекания переменного тока в цепях со сдвигом фаз совершает непрерывные колебания между источником энергии и ее потребителем. Активная, реактивная и полная мощности переменного тока связаны между собой соотношением: S 2 P2 Q2 . (1.38) Это соотношение можно представить как «треугольника мощностей» (рисунок 1.19). Два катета этого треугольника представляют собой в том или ином масштабе активную и реактивную мощности (соответственно в Вт и вар), а гипотенуза — полную мощность (в ВА). Угол φ численно равен углу сдвига фаз тока и напряжения в цепи. Значение косинуса этого угла называют коэффициентом мощности. Рисунок 1.19 – Треугольник мощностей. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 40 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 4 Измерительные приборы переменного тока 4.1 Электромагнитный измерительный механизм Подвижный ферромагнитный сердечник в магнитном поле перемещается в такое положение, при котором магнитный поток в электромагнитном устройстве будет наибольшим. Это лежит в основе действия электромагнитного измерительного механизма, одна из конструктивных схем которого показана на рисунок 1.20. Рисунок 1.20 – Электромагнитный измерительный механизм Ток Iк в неподвижной катушке 1 создает магнитное поле, под действием которого подвижный сердечник 4 в форме лепестка из магнитно-мягкого ферромагнетика, укрепленный эксцентрично на оси 5, втягивается в узкую щель внутрь катушки. Ось поворачивается и поворачивает укрепленную на ней стрелку. Вращающий момент в данном случае пропорционален квадрату тока в катушке M вр k вр I к2 , а противодействующий момент пружины 6 М пр k пр . Направление вращающего момента в приборах электромагнитной системы не зависит от направления тока, так как при любом знаке тока момент положительный. Отсюда следует, что электромагнитные приборы можно изготовлять для измерения в цепях постоянного и переменного тока. При переменном токе на точность электромагнитных приборов отрицательно влияют потери от гистерезиса и вихревых токов в сердечниках. К недостаткам электромагнитной системы надо отнести также значительное влияние внешних магнитных полей на показания приборов, относительно большое собственное потребление энергии, неравномерность шкалы. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 41 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Несмотря на отмеченные недостатки, электромагнитные приборы — простые по устройству, дешевые, устойчивы к перегрузкам, широко применяются, особенно в качестве технических щитовых приборов в цепях переменного тока. 4.2 Измерение тока и напряжения Схемы включения амперметра и вольтметра (рисунок 1.15 – 1.18) Показание амперметра определяется током в его измерительном механизме. Следовательно, амперметр включается последовательно с приемником, генератором или участком цепи. Показание вольтметра определяется напряжением на его зажимах. Поэтому для измерения напряжения на зажимах приемника или генератора необходимо его зажимы соединить с зажимами вольтметра, т. е. присоединить вольтметр параллельно потребителю или генератору. 4.3 Измерение мощности Для измерения мощности в электрических цепях можно использовать принцип действия электродинамических измерительных механизмов. В практике обычно применяют электродинамические ваттметры. Электродинамический измерительный механизм Основу принципа работы электродинамического механизма составляет взаимодействие проводов с токами. Конструктивно этот принцип реализуется в форме взаимодействия двух катушек: неподвижной 1 с током I1 и подвижной 2 с током I2 (рисунок 1.21). Как и в магнитоэлектрическом механизме, подвижная катушка получает питание через две спиральные пружины 3, которые вместе с тем создают противодействующий момент Мпр. Вращающий момент, который приводит в движение подвижную катушку: М в р k в р I1 I 2 . (1.39) Электродинамический механизм пригоден для измерений в цепях постоянного и переменного токов, так как при одновременном изменении направления тока в обеих катушках направление вращающего момента сохраняется. Преимуществом электродинамических приборов является и относительно высокая точность. По Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 42 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 сравнению с приборами других систем их считают наиболее точными при измерениях в цепях переменного тока. Рисунок 1.21 – Электродинамический измерительный механизм Собственное магнитное поле электродинамического механизма слабое, поэтому для защиты от влияния внешних магнитных полей применяют двойные экраны из ферромагнитного материала с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллоя). Недостатками являются также большое собственное потребление энергии, повышенная чувствительность к электрическим и механическим перегрузкам, относительная сложность и высокая стоимость. Часть недостатков можно устранить, если внутри обеих катушек поместить ферромагнитные сердечники. Такой измерительный механизм называют ферродинамическим. Конструктивно он похож на магнитоэлектрический механизм, но вместо постоянного магнита имеется электромагнит — неподвижная катушка с ферромагнитным сердечником, в котором создается сильное магнитное поле. Это позволяет уменьшить собственное потребление энергии и отказаться от магнитных экранов. Однако вместо устраненных недостатков появляются другие, например, существенно понижается точность прибора, так как дополнительные погрешности вносит магнитопровод (об этом сказано при рассмотрении электромагнитного механизма). Измерение мощности Зависимость вращающего момента от токов в катушках позволяет использовать электродинамический механизм для измерения мощности, т. е. в качестве ваттметра (рисунок 1.22). С этой целью неподвижную катушку 1 включают последовательно с элементом цепи, мощность которого надо измерить Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 43 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 (так же как амперметр); подвижную катушку 2 включают параллельно этому же элементу (так же как вольтметр). При этом два зажима ваттметра, отмеченные звездочкой (по одному от каждой обмотки), включают в цепь со стороны источника питания (сети). Рисунок 1.22 – Схема включения ваттметра При такой схеме включения измерительного механизма в цепи постоянного тока вращающий момент: М вр k вр I U Rв , (1.40) где Rв – сопротивление параллельной цепи прибора. Отсюда видно, что вращающий момент электродинамического прибора пропорционален мощности цепи постоянного тока. При такой же схеме включения электродинамического механизма в цепь переменного тока вращающий момент пропорционален активной мощности М вр k вр U I cos k вр P . (1.41) Равенство Мвр = Мпр позволяет получить зависимость угла поворота стрелки прибора от величины измеряемой мощности SM P , (1.42) где Sм — чувствительность ваттметра по мощности, дел/Вт. Лекция 4 Тема 1.4 Трехфазные электрические цепи План: 1 Понятие о трехфазном токе и его получении 2 Соединение обмоток генератора и фаз приемника звездой Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 44 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 3 Соединение обмоток генератора и фаз приемника треугольником 1 Понятие о трехфазном токе и его получении Трехфазной системой называется совокупность трех однофазных цепей, в которых действуют три ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе одна относительно другой на 120°. Такая система получила наиболее широкое распространение, ибо она позволяет при передаче одной и той же мощности получить экономию металла в проводах, уменьшить потери энергии и создать простые и удобные в эксплуатации трехфазные двигатели переменного тока. На рисунке 1.23 показана система, состоящая из трех отдельных генераторов (рис. 1.10, б), и упрощенная схема генератора трехфазного тока (рисунок 1.23, а). Трехфазный генератор имеет три обмотки, в которых индуктируются три ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. Каждая обмотка называется фазой, а напряжение на фазе — фазным напряжением (UФ). Нагрузка подключается к обмоткам генератора линейными проводами и нулевым проводом, который в некоторых случаях может отсутствовать. Рис. 1.23 - Схема генератора и развернутая диаграмма трехфазного тока: а — упрощенная схема генератора трехфазного тока; б — схема, состоящая из трех генераторов; в — диаграмма напряжения генератора Напряжение между линейными проводами называется линейным напряжением (Uл). Ток в фазе нагрузки называется фазным током, а ток в линейном проводе — линейным током. Обмотки генератора и нагрузка могут включаться в «звезду» или в «треугольник». Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 45 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 2 Соединение обмоток генератора и фаз приемника звездой На рис. 1.24 показано соединение в «звезду»: начало обмоток генератора соединяют в одну точку. К оставшимся концам обмоток подключают линейные провода, а к общей точке — нулевой провод. Если нагрузка равномерная, то нулевой провод не нужен, ибо он обеспечивает независимость работы фаз при неравномерной нагрузке, когда по нему текут уравнительные токи. Рис. 1.24 - Схема соединения обмоток генератора и потребителей в «звезду» Линейное напряжение при соединении в «звезду» в 3 раз больше фазного, линейные и фазные токи одинаковы: U Л 3 UФ (1.43) I Л IФ (1.44) 3 Соединение обмоток генератора и фаз приемника треугольником Чтобы соединить обмотки генератора в «треугольник», необходимо конец первой обмотки соединить с началом второй; конец второй — с началом третьей; конец третьей — с началом первой. Линейные провода подключают к точкам соединения фаз (рисунок 1.25). Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 46 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 1.25 - Схема соединения обмоток генератора и потребителей в «треугольник» При соединении в «треугольник» линейные и фазные напряжения равны, а линейный ток в 3 раз больше фазного: U Л UФ (1.45) I Л 3 IФ (1.46) Мощность трехфазной системы складывается из мощностей каждой фазы. Чтобы найти общую мощность, надо определить мощность в каждой фазе и все три мощности сложить. Так поступают при любых нагрузках. Раздел 2 Электрические машины Лекция 5 План: 1 Устройство трансформатора 1.1 Магнитопроводы 1.2 Обмотки 1.3 Охлаждение трансформаторов 2 Принцип действия трансформатора 3 Режимы работы однофазного трансформатора 4 Понятие о трехфазных трансформаторах Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 47 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Тема 2.1 Трансформаторы В состав многих электрических устройств и установок переменного тока входит трансформатор — статический электромагнитный аппарат для изменения величины электрического напряжения. Трансформаторы распределении применяют электрической в электрических энергии; в сетях при нагревательных, передаче и сварочных, выпрямительных электроустановках; в радиоаппаратуре, устройствах автоматики, связи; в электроизмерительной технике и т. д. В большинстве типов трансформаторов обмотки размещены на ферромагнитном сердечнике, который служит для концентрации магнитного поля и усиления магнитной связи между обмотками. Трансформаторы различают по числу фаз (однофазные, трехфазные), числу обмоток (двухобмоточные, многообмоточные), способу охлаждения (масляные, сухие). Основную, наиболее многочисленную, группу составляют силовые трансформаторы, предназначенные для повышения или понижения напряжения в электрических сетях и в электрических устройствах различного назначения. 1 Устройство трансформатора 1.1 Магнитопроводы Магнитопроводы трансформаторов собирают из листов электрической стали толщиной 0,5 или 0,35 мм. Перед сборкой листы с обеих сторон изолируют лаком. Магнитопровод состоит из стержней и ярма (рисунок 2.1). На стержнях располагают обмотки, а ярмо соединяет стержни и делает магнитопровод замкнутым. Соединение стержней с ярмом выполняют чаще всего внахлестку, а иногда встык. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 48 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 2.1 – Устройство трансформатора Формы сечения стержней и ярма различны в зависимости от мощности трансформатора. По конструкции магнитопровода и расположению обмоток различают трансформаторы двух типов: стержневой (рисунок 2.1, а) и броневой (рисунок 2.1, б), из которых первый применяют значительно чаще. 1.2 Обмотки Конструкция обмоток, их изоляция, способы крепления на стержнях зависят от мощности и напряжения трансформатора. Обмотки должны иметь достаточно высокую механическую прочность, хорошую электрическую изоляцию, обеспечивать хорошее охлаждение; быть простыми и удобными в изготовлении и недорогими; иметь малые потери энергии. Для изготовления обмоток трансформаторов применяют медные провода круглого или прямоугольного сечения, изолированные хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. В каждом трансформаторе различают обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН). Практическое значение такого деления состоит в том , что более высокое напряжение требует более надежной электрической изоляции обмотки, ее входных зажимов. Поэтому дальше от магнитопровода располагают обмотку ВН. По взаимному расположению различают обмотки концентрические и дисковые чередующиеся (рисунок 2.2, а, б), из которых наиболее распространены первые. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 49 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» Концентрические обмотки имеют ОП.03 форму цилиндра. В конструктивном отношении они различаются тем, что могут быть однослойные, двухслойные из прямоугольного провода, многослойные из круглого провода, многослойные катушечные и др. При небольших мощностях трансформатора и низких напряжениях цилиндрические обмотки надевают непосредственно на стержень магнитопровода (прессующие стержень деревянные клинья и планки одновременно выполняют роль изоляции). В других случаях обмотку укладывают на цилиндре из электрокартона или намоточной бумаги, пропитанной бакелитовым лаком. Рисунок 2.2 – Обмотки трансформатора Дисковые чередующиеся обмотки выполняют в форме дисков (витки намотаны в одной плоскости). На стержне магнитопровода отдельные катушки (диски) НН чередуются с катушками ВН (рисунок 2.2, б). 1.3 Охлаждение трансформаторов Потери энергии в сердечнике и обмотках трансформатора являются причиной выделения теплоты, одна часть которой нагревает трансформатор, а другая передается в окружающую среду. Теплоотдача увеличивается с ростом нагрева и при некоторой температуре устанавливается тепловое равновесие: вся выделенная в трансформаторе теплота рассеивается в окружающей среде. Теплоотдача трансформаторов малой мощности во многих случаях достаточна для того, чтобы температура не превышала допустимую, и тогда их выполняют «сухими», т. е. с естественным воздушным охлаждением. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 50 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 2.3 – Трехфазный трансформатор Большинство же трансформаторов (из них все сетевые и некоторые специальные) имеют масляное охлаждение, для чего магнитопровод и обмотки помещены в баке с трансформаторным маслом (рисунок 2.3), которое усиливает электрическую изоляцию обмоток от магнитопровода и одновременно служит для их охлаждения. При нагревании масло расширяется, поэтому предусматривают резервный объем. Трансформаторы мощностью более 50 кВА и при напряжении выше 6 кВ снабжают расширителем 2, который представляет собой сосуд цилиндрической формы, установленный на крышке бака и сообщающийся с ним и атмосферой. 2 Принцип действия трансформатора В основе работы трансформаторов находится явление электромагнитной индукции. Принципиальную схему, а затем режим рассмотрим на примере силового двухобмоточного однофазного трансформатора. Схема устройства однофазного двухобмоточного трансформатора и его электрическая схема показаны на рисунке 2.4, а, б. На схеме представлены только основные части: ферромагнитный сердечник (магнитопровод), две обмотки на сердечнике. Одну обмотку включают в сеть с переменным напряжением. Эту обмотку и относящиеся к ней величины — число витков N1 напряжение u1, и ток i1 — называют первичными. К другой обмотке, которую называют вторичной (N2, u2, i2), присоединяют приемник электроэнергии Zн. Намагничивающая сила первичной обмотки, создает в магнитопроводе Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 51 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 переменный магнитный поток Ф, который сцеплен с обеими обмотками и в них индуцирует ЭДС: е1; е2 . Рисунок 2.4 Вторичное напряжение может быть меньше или больше первичного в зависимости от отношения чисел витков обмоток. Отношение первичного напряжения ко вторичному при холостом ходе трансформатора называется коэффициентом трансформации. Передача энергии в самом трансформаторе происходит посредством магнитного потока, связывающего первичную и вторичную обмотки. 3 Режимы работы однофазного трансформатора При анализе работы трансформатора рассматривают такие режимы: холостой ход, рабочий, короткое замыкание. Рисунок 2.5 Во время нормальной эксплуатации трансформатор находится под нагрузкой (исключая периоды профилактических осмотров и ремонтов), причем техникоэкономические показатели рабочего режима будут наилучшими, если трансформатор работает длительно при номинальных напряжениях и с нагрузкой, близкой к номинальной. В отношении испытательных режимов холостого хода и короткого замыкания надо отметить, что их рассмотрение не только помогает лучРазработчик Терещенко Е.В. Стр. 52 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 ше понять рабочие процессы и условия эксплуатации, но и позволяет опытным или расчетным путем определить ряд важных характеристик трансформатора. Режим холостого хода. В режиме холостого хода трансформатора (рисунок 2.5) первичная обмотка включена в сеть на номинальное напряжение, а вторичная обмотка разомкнута выключателем В2. Измерив напряжения на обмотках, можно найти коэффициент трансформации К U 1xx . U 1xx (2.1) Ваттметр, включенный в цепь первичной обмотки, показывает активную мощность трансформатора при холостом ходе Рх, т. е. мощность потерь в магнитопроводе при номинальном напряжении, Рх= Рм. Потери в магнитопроводе возникают от перемагничивания и вихревых токов, но те и другие зависят от величины магнитного потока. Рабочий режим. В рабочем режиме (рисунок 2.5) выключатели В1 и В2 замкнуты, первичная обмотка трансформатора включена в сеть под напряжение (обычно U1 = Uном), а в цепи вторичной обмотки — нагрузка Zн. В обеих обмотках имеются токи близкие к номинальным. Изменение напряжения на выходе трансформатора при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной (ΔU%): U % Режим короткого U 2 ном U 2 100 U 2 ном замыкания. В (2.2) режиме короткого замыкания трансформатора первичная обмотка включена под некоторое напряжение U1, а вторичная обмотка замкнута на себя (U2 = 0). В этом режиме (рисунок 2.5) выключатель В2 замкнут, а движок нагрузочного элемента находится в крайнем левом положении (Zн = 0). Короткое замыкание может случиться во время эксплуатации трансформатора, тогда первичное напряжение равно номинальному или близко к нему. В этом случае в обеих обмотках токи резко увеличиваются в 10 — 20 раз и более против номинальных, Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 53 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 потому что сопротивления обмоток невелики. Такой режим очень опасен для трансформатора, так как возможны чрезмерное повышение температуры обмоток и большие механические усилия между токоведущими элементами. При проведении опыта короткого замыкания определяют мощность потерь короткого замыкания Р к, т. е. мощность потерь в обмотках. Коэффициент полезного действия трансформатора. Потери энергии в трансформаторе в целом относительно невелики. В зависимости от мощности трансформатора КПД имеет величину от η = 0,96 до 0,995. P2 P2 Pэ Р м (2.3) Величина КПД трансформатора зависит от его нагрузки. Кроме того, она тем больше, чем выше коэффициент мощности потребителя cos 2 . Наибольший КПД трансформатор имеет при нагрузке, которая составляет 50 — 70 % номинальной, что соответствует средней эксплуатационной нагрузке трансформатора. 4 Понятие о трехфазных трансформаторах Схема устройства трехфазного трансформатора показана на рисунке 2.6. На каждом из трех стержней сердечника расположены две обмотки (ВН и НН) одной фазы. Вопросы, рассмотренные в двух предыдущих параграфах, относятся как к однофазному, так и трехфазному трансформаторам (применительно к одной фазе). Дополнительно отметим, что обмотки трехфазных трансформаторов соединяют звездой или треугольником. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 54 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 2.6 - Схема устройства трехфазного трансформатора Лекция 6 План: 1 Назначение машин переменного тока, их классификация 2 Конструкция асинхронных электродвигателей 3 Вращающееся магнитное поле 4 Однофазные двигатели Тема 2.2 Электрические машины переменного тока 1 Назначение машин переменного тока, их классификация Физическую основу работы электрических машин всех типов составляют электромагнитные явления: силовое действие магнитного поля и электромагнитная индукция Для преобразования электрогенераторы, а механической электрической энергии энергии в электрическую в служат механическую — электродвигатели. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 55 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 В настоящее время наибольшее применение находят электрические машины переменного тока синхронные и асинхронные. Машины обоих типов могут работать в режимах генератора и двигателя, но в практике наиболее широко применяются синхронные генераторы и асинхронные двигатели. Асинхронная машина — это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т. е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля. Она была изобретена М. О. Доливо-Добровольским в 1888 г. Причины исключительно широкого распространения асинхронного двигателя (а вместе с ним и трехфазной системы) — его простота и .дешевизна. Можно сказать, что в основном асинхронная машина состоит из трех неподвижных катушек (точнее, обмоток), размещенных на общем сердечнике, и помещенной между ними четвертой, вращающейся катушки. В машине отсутствуют какие-либо легко повреждающиеся или быстро изнашивающиеся электрические части (например, коллектор). Асинхронные машины малой мощности часто выполняются однофазными для устройств, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике. Общий недостаток асинхронных машин — это относительная сложность и неэкономичность регулирования их режимов работы. 2 Конструкция асинхронных электродвигателей Асинхронные двигатели бывают трехфазные, двухфазные и однофазные и состоят из двух основных частей: статора и ротора. Статор — неподвижная часть двигателя (рисунок 2.7, а). С внутренней его стороны сделаны пазы, в которые укладываются фазные обмотки. У трехфазного асинхронного двигателя три обмотки. Они выполнены одинаково и размещаются под углом 120°. По обмоткам протекает трехфазный ток, который создает магнитное поле, вращающееся с частотой n 60 f 60 p (2.4) где n — частота вращения, мин-1; f — частота переменного тока, Гц; р — число пар Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 56 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 полюсов. Рисунок 2.7 - Устройство асинхронного двигателя: а — статор; б— короткозамкнутая обмотка ротора (беличья клетка); в — ротор в собранном виде; 1 — клеммный щиток; 2 — станина; 3 — обмотка; 4 — сердечник; 5 — лапа Рис. 2.8. Асинхронный двигатель с фазным ротором: а — общий вид; б — ротор двигателя с контактными кольцами Ротор — вращающаяся часть двигателя. Он может быть короткозамкнутым и фазным. В двигателях с короткозамкнутым ротором обмотка выполнена в виде медных или литых алюминиевых стержней, замкнутых по торцам между собой (рисунок 2.7, б, в). В двигателях с фазным ротором последний имеет фазные обмотки (рисунок 2.8, б). Они выполняются по типу обмоток статора и имеют такое же число фаз. Обмотки соединяются в «звезду», т. е. концы их соединены в одну точку, а начала Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 57 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 подсоединяются к медным кольцам, закрепленным на валу. У таких двигателей есть приспособление, дающее возможность либо включать роторную обмотку последовательно с реостатом во время пуска, либо замыкать ее накоротко во время работы. Для уменьшения потерь на вихревые токи статоры и роторы асинхронных двигателей набираются из отдельных, изолированных друг от друга, листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. 3 Вращающееся магнитное поле Если подключить статорные обмотки двигателя к сети трехфазного переменного тока, то внутри статора возникает вращающееся магнитное поле. Это поле пересекает одновременно обмотки статора и ротора. В статорных обмотках индуктируются противо-электродвижушие силы, определяющие величину сил токов обмотки. В роторных обмотках индуктируется ЭДС, под действием которой в обмотках протекают токи, которые, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора, создают вращающий момент, в результате которого ротор начинает вращаться в сторону вращения поля статора. Если предположить, что ротор вращается с такой же скоростью, с какой вращается магнитное поле, то токи в обмотках ротора исчезнут. Исчезновение токов приведет к тому, что ротор начнет вращаться медленнее, чем поле статора. При этом поле статора начнет пересекать обмотки ротора и на него вновь будет воздействовать вращающий момент. Следовательно, ротор при своем вращении всегда должен иметь частоту вращения меньшую, чем частота вращения поля статора. Отсюда двигатель получил название асинхронного (неодновременного). Разница между частотой вращения поля статора n и частотой вращения ротора n1, характеризуется величиной s, называемой скольжением: s n n1 n (2.5) Для асинхронного двигателя скольжение изменяется от единицы до величины, Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 58 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 близкой к нулю. Во время пуска двигателя, когда ротор еще неподвижен (s = 1), частота пересечения обмоток ротора вращающимся магнитным полем наибольшая. В обмотках ротора индуктируются наибольшие ЭДС, которые вызывают большую сила тока. Токи обмоток ротора создают свое вращающееся магнитное поле, направленное навстречу вращающемуся магнитному полю статора, и уменьшают его. В результате уменьшается противоэлектродвижущая сила, а токи в обмотках статора растут. Пусковой ток превышает номинальный в 4—7 раз. Частота вращения ротора двигателей с короткозамкнутым ротором регулируется либо переключением числа пар полюсов, либо изменением величины подводимого напряжения. Частота вращения ротора двигателя с фазным ротором регулируется реостатом, включенным в обмотки ротора. Изменяя сопротивление реостата, изменяют силу тока в роторе, при этом изменяется поле ротора, соответственно изменяется сила взаимодействия полей ротора и статора. Таким образом, изменяется величина скольжения. Для изменения направления вращения асинхронных двигателей (ре- версирования) необходимо изменить чередование фаз питающего напряжения (поменять местами любые две фазы). 4 Однофазные двигатели Широко применяются однофазные асинхронные двигатели (рисунок 2.9). Они отличаются от трехфазных тем, что на статоре имеются две обмотки, сдвинутые в пространстве на угол 90°. Рисунок 2.9 - Схема пуска однофазного асинхронного двигателя Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 59 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 По обмоткам протекают токи со сдвигом по фазе, равным 90 °. Такая система сдвига токов в пространстве и по фазе создает вращающееся магнитное поле. Ротор однофазных двигателей короткозамкнутый. Иногда в качестве однофазного используют трехфазный асинхронный двигатель, у которого в цепь одной из обмоток включен конденсатор. Рисунок 2.10 - Схемы включения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть при соединении обмоток: а — в «звезду»; б — в «треугольник» Тема 2.3 Электрические машины постоянного тока Лекция 7 План: 1 Назначение машин постоянного тока, их классификация 2 Устройство машины постоянного тока 3 Принцип работы генератора постоянного тока 4 Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения 1 Назначение машин постоянного тока, их классификация По назначению электрические машины постоянного тока делятся на генераторы и двигатели. Генераторы постоянного тока применяют в тех областях техники, в которых для технологических целей требуется постоянный ток: электролиз, электрическая сварка, а также для питания двигателей постоянного тока. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 60 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Двигатели постоянного тока применяют для подъемных устройств, в электрической тяге, для приведения в действие прокатных станов, гребных винтов судов и в других видах регулируемого электропривода. На строительстве постоянный ток применяют для электропривода мощных экскаваторов, получающих питание от двигателя-генератора, преобразующего энергию переменного тока в энергию постоянного тока, а также для зарядки аккумуляторов и в редких случаях для электрической сварки. 2 Устройство машины постоянного тока Основными частями машины постоянного тока (рисунок 2.11) являются: неподвижная часть — статор, вращающийся ротор-якорь и два подшипниковых щита. Статор состоит из станины, сердечников полюсов- электромагнитов, выполненных из тонких листов стали, изолированных друг от друга лаковой пленкой или тонкими листами бумаги. На сердечники надеты катушки из изолированной медной проволоки, являющиеся обмоткой возбуждения машины. Рисунок 2.11 - Устройство машины постоянного тока: 1 — коллектор; 2 — щетки; 3 — сердечник якоря; 4 — сердечник главного полюса; 5— полюсная катушка; 6 — статор; 7— подшипниковый щит; 8 - вентилятор; 9 – обмотка якоря Ротор машины, называемый в машинах постоянного тока якорем, представляет собой цилиндрическое тело, собранное из тонких листов стали, так же как сердечники электромагнитов. В якоре машины устраивают пазы для размещения обмотки, концы которой прикрепляют к пластинам коллектора, изолированным Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 61 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 друг от друга и вала якоря непроводящим материалом — миканитом. На внешнюю поверхность коллектора накладывают щетки, которые при помощи траверсы прикреплены к неподвижной части машины. При вращении якоря вращается также и коллектор, а щетки скользят по его поверхности, оставаясь неподвижными. Вал якоря вращается в подшипниках, закрепленных в подшипниковых щитах. 3 Принцип работы генератора постоянного тока Принципиальная схема генератора постоянного тока показана на рисунке 2.12, а. Здесь электромагнит NS является статором, рамка АВСD - якорем, а два полукольца К1 и К2 - коллектором. Щетки обозначаются буквами Щ1 и Щ2. В основу действия генератора положен закон электромагнитной индукции. При вращении рамки АВСD в магнитном поле электромагнита в ней будет индуцироваться переменная ЭДС. Действительно, когда проводник АВ проходит около северного полюса статора, то в нем индуцируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки от А к В. При прохождении проводника АВ около южного полюса статора в нем индуцируется ЭДС в направлении от В к А. Во внешней цепи в первом и во втором случаях ток будет проходить от щетки Щ1 к щетке Щ2. Следовательно, при вращении рамки через нагрузочное сопротивление внешней цепи проходит ток, постоянный по направлению, но меняющийся по значению, т. е. пульсирующий ток (рисунок 2.12, б). Для сглаживания пульсаций в генераторах постоянного тока якорь имеет обмотку из ряда одинаковых многовитковых секций (рамок), а коллектор состоит из большого числа пластинок. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 62 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 2.12 - Модель генератора постоянного тока: а - схема устройства; б - график тока 4 Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения Рабочие свойства машин постоянного тока зависят в значительной мере от способа соединения обмотки возбуждения с якорем машины. По способу питания обмотки возбуждения машины постоянного тока подразделяются: на машины с параллельным возбуждением (шунтовые), машины с последовательным возбуждением (сериесные) и машины со смешанным возбуждением (компаундные) (рисунок 2.13). Машины с параллельным и смешанным возбуждением применяют в качестве как генераторов, так и двигателей, с последовательным возбуждением — только в качестве двигателей. Рис. 2.13 - Возбуждение машин постоянного тока: а — параллельное (шунтовое); б — последовательное (сериесное); в — смешанное (компаундное); R — нагрузка В машинах с параллельным возбуждением обмотка возбуждения присоединяется параллельно обмотке якоря (рисунок 2.13, а), в машинах с Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 63 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 последовательным возбуждением — последовательно с обмоткой якоря (рисунок 2.13, б). В машинах со смешанным возбуждением обмотка возбуждения имеет две части: одну, соединенную параллельно, а другую — последовательно с обмоткой якоря (рисунок 2.13, в). Обмотки возбуждения, присоединяемые параллельно, выполняют из проводов небольшого сечения; обмотки же, присоединяемые последовательно, из проводов большого сечения. Лекция 8 План: 1 Генераторы и двигатели постоянного тока 1.1 Типы генераторов постоянного тока 1.2 Двигатели постоянного тока 2 Изучение схем управления и основных характеристик генератора постоянного тока с параллельным возбуждением 2.1 Возбуждение генератора 2.2 Характеристики генератора 1 Генераторы и двигатели постоянного тока 1.1 Типы генераторов постоянного тока Генераторы разделяются на несколько типов, отличающихся друг от друга по своим эксплуатационным свойствам, зависящим в основном от способа питания их обмоток возбуждения. Генератором с независимым возбуждением (рисунок 2.14, а) называется такой, у которого ток Iв в обмотку возбуждения поступает от постороннего, независимого источника энергии. Эти генераторы применяются в автоматических устройствах и там, где напряжение на зажимах якоря малое (6—8 В) пли высокое (свыше 500В). Все остальные машины, показанные на рисунке 2.14, называются генераторами с самовозвозбуждением. Их обмотки возбуждения питаются от их собственных якорей. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 64 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Генератором с параллельным возбуждением или шунтовым (рисунок 2.14, б) называется такой, обмотка возбуждения которого присоединяется к зажимам якоря Я параллельно внешней цепи r. Удобство этого генератора в том, что он не требует дополнительного источника энергии для питания обмотки возбуждения, и поэтому он очень распространен. Генератор с последовательным возбуждением или сериесным (рисунок 2.14, в) имеет обмотку возбуждения, соединенную последовательно с внешней цепью. Он применяется только как машина специального назначения. Генератор смешанного возбуждения (рисунок 2.14, г) имеет две обмотки возбуждения, последовательную (сериесную С) и параллельную (шунтовую Ш). Он обладает улучшенными свойствами генератора параллельного возбуждения, но по стоимости дороже его. Эксплуатационные свойства электрических машин характеризуются характеристиками. Они представляют зависимость между двумя величинами, при всех остальных, сохраняющих постоянные значения. Например, зависимость напряжения генератора U от тока нагрузки I при постоянных скорости вращения n и токе возбуждения Iв, т. е. U f (I ) , при n = соnst и Iв = const. Номинальными значениями называются обозначенные на щитке машины или в ее паспорте величины, при которых обеспечена нормальная эксплуатация машины в условиях определенной окружающей обстановки. Эти величины отмечают индексом «н», например: мощность Рн, напряжение Uн, ток Iн, скорость вращения nн и т. д. Рисунок 2.14 - Схемы соединения обмоток возбуждения с якорем: а – независимое; б – параллельное; в - последовательное; г — смешанное Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 65 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 1.2 Двигатели постоянного тока Величина вращающегося момента двигателя постоянного тока (М) выражается следующим соотношением: M k Ф I я (2.6) где k — постоянная двигателя, зависящая от его конструкции; Ф — магнитный поток, Вб; Iя — сила тока якоря, А. Скорость двигателя подчиняется уравнению n U I я Rя k ф (2.7) где R я — сопротивление обмотки якоря, Ом. Двигатель параллельного возбуждения, схема включения которого приведена на рисунке 2.15, а, присоединяется к сети так, чтобы обмотка возбуждения всегда находилась под полным напряжением сети. Поэтому магнитный поток двигателя остается постоянным, не зависящим от нагрузки, а сила тока в обмотке якоря возрастает пропорционально нагрузке. Из формулы (2.6) видно, что вращающий момент двигателя также возрастает пропорционально нагрузке. Скорость вращения уменьшается по формуле (2.7) незначительно. Рисунок 2.15 - Схемы включения электродвигателей с параллельным (а) и последовательным (б) возбуждениями Регулирование скорости вращения, как показывает формула (2.7), достигается изменением напряжения, подводимого к двигателю; введением сопротивления в цепь якоря или изменением магнитного потока. Введение сопротивления в цепь Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 66 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 якоря вызывает уменьшение скорости двигателя; регулирование скорости происходит при постоянном моменте. Этот способ применяется для подъемников, лебедок, поршневых компрессоров, насосов и т. д. Однако он связан со значительными потерями, обусловленными нагревом добавочного сопротивления, через которое протекает весь ток якоря. Наибольшее распространение имеет регулирование частоты вращения двигателя изменением магнитного потока. Это достигается реостатом, включенным в обмотку возбуждения. При уменьшении силы тока возбуждения уменьшается магнитный поток, а следовательно, увеличивается частота вращения двигателя. В этом случае регулирование происходит при постоянной мощности. Включение реостата в цепь обмотки возбуждения не вызывает значительных потерь энергии благодаря небольшому значению силы тока возбуждения. В двигателе параллельного возбуждения обмотка возбуждения имеет большое сопротивление и, следовательно, сила тока в этой обмотке и в реостате невелика. Электродвигатель с последовательным возбуждением включают в сеть по схеме, изображенной на рис. 2.15, б. Своими характеристиками двигатели последовательного возбуждения значительно отличаются от двигателей параллельного возбуждения. Вследствие того, что через обмотку возбуждения двигателя, последовательно соединенную с обмоткой якоря, проходит весь его ток, одновременно с увеличением нагрузки двигателя резко возрастает величина магнитного потока его полюсов. Также резко падает число его оборотов, которое изменяется обратно пропорционально магнитному потоку. В связи с этим такие двигатели, во-первых, развивают большой вращающийся момент при малых оборотах (в частности, при пуске в ход) и, во-вторых, обладают большой перегрузочной способностью. Вместе с тем, с уменьшением нагрузки на валу частота вращения двигателя быстро возрастает и при малых нагрузках (меньше 1/4 нормальной) он приобретает скорость, опасную для его целостности. Вхолостую, т. е. без нагрузки, сериесные электродвигатели вообще нельзя пускать — они идут, как принято говорить, на «разнос». Это является отрицательным свойством Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 67 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 сериесного электродвигателя. По своим характеристикам эти электродвигатели больше всего подходят для привода подъемно-транспортных устройств. Их широко применяют в электрической тяге (трамваи, троллейбусы, электрические железные дороги). В строительной практике двигатели последовательного возбуждения применяют на некоторых типах мощных экскаваторов с питанием от двигатель-генераторов и на электрических погрузчиках с питанием от аккумуляторов. Регулирование скорости двигателей последовательного возбуждения принципиально не отличается от двигателей с параллельным возбуждением, только значение силы тока в обмотке возбуждения или якоря изменяется не реостатом, а их шунтированием — отводом части тока от этих обмоток. Для изменения (реверсирование) направления необходимо вращения изменить двигателей постоянного полярность магнитного тока поля или направление силы тока в обмотке якоря. Эту операцию выполняют переключением соответствующих обмоток — якоря или возбуждения. 2 Изучение схем управления и основных характеристик генератора постоянного тока с параллельным возбуждением 2.1 Возбуждение генератора В генераторах с параллельным возбуждением обмотка возбуждения имеет большое число витков и подключается параллельно обмотке якоря. Питание обмотки возбуждения постоянным током осуществляется от самого генератора. Рисунок 2.16 - Схема генератора постоянного тока с параллельным возбуждением Сила тока якоря в генераторах этого типа равна сумме токов во внешней цепи Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 68 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Iн и в цепи возбуждения Iв: Iя = = Iн + Iв. (2.8) Ток в цепи возбуждения составляет 2-5% тока якоря. Возбуждение генератора основано на явлении остаточного магнетизма в полюсах статора. Остаточный магнетизм полюсов статора дает магнитный поток, составляющий 3—8% номинального магнитного потока машины. При вращении якоря в магнитном поле за счет остаточного магнетизма в обмотке якоря возбуждается ЭДС индукции, которая создает ток в обмотке возбуждения. Ток, созданный ЭДС остаточного магнетизма, проходя по обмотке возбуждения, усиливает магнитное поле статора. Усиление магнитного поля статора приводит к увеличению ЭДС якоря, а ЭДС якоря в свою очередь вызывает увеличение тока в обмотке возбуждения и доводит статор до полного магнитного насыщения. Возбуждение генератора до номинальной ЭДС осуществляется в режиме холостого хода. 2.2 Характеристики генератора Качество генератора определяется его характеристиками, выражающими зависимость между основными электрическими величинами (током нагрузки Iн, напряжением на полюсах машины Uн, током возбуждения Iв). Характеристика холостого хода (рисунок 2.17, о) представляет собой графическое выражение зависимости ЭДС генератора от силы тока возбуждения: Е = f(Iв) при выключенной внешней цепи (Iн = 0). При отсутствии тока в обмотках возбуждения (Iв = 0) ЭДС генератора обусловлена магнитным полем остаточного магнетизма статора, что соответствует отрезку ОЕо. Увеличение тока в обмотках возбуждения вызывает увеличение магнитного потока статора, что влечет за собой рост ЭДС генератора (участок аb). Дальнейшее увеличение тока в обмотках статора приводит к магнитному насыщению и замедлению роста ЭДС генератора, что соответствует на графике участку bс. При магнитном насыщении увеличение тока в обмотках статора не дает заметного роста ЭДС генератора. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 69 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Генератор всегда должен работать в области магнитного насыщения, тогда небольшое колебание тока в цепи возбуждения не приводит к резкому изменению ЭДС генератора. Внешняя характеристика генератора (рисунок 2.17, б) представляет собой графическое выражение зависимости напряжения на полюсах генератора от тока нагрузки U = f(Iн) при постоянном сопротивлении цепи возбуждения (rв=const). В генераторах с параллельным возбуждением сопротивления нагрузки rн и обмотки возбуждения rв соединяются параллельно и представляют собой сопротивление внешней цепи генератора: r= rв rн /( rв + rн ). При увеличении нагрузки (уменьшении сопротивления rн) r уменьшается, а сила тока в якоре Iя увеличивается: Iя = Е/( r + rя), так как Е и rя можно считать постоянными Рисунок 2.17 - Характеристики генератора с параллельным возбуждением: а - холостого хода; б — внешняя; в — регулировочная (генератор работает в области магнитного насыщения). Увеличение тока в якоре приводит к увеличению падения напряжения на якоре (rя/ Iя). Из равенства Е = rIя + rяIя = U + rяIя видно, что первое слагаемое (напряжение на зажимах генератора) уменьшается, что соответствует участку аb (рисунок 2.17, б). Дальнейшее увеличение нагрузки ведет к значительному уменьшению напряжения на зажимах генератора, а значит, и к значительному уменьшению силы тока в обмотке возбуждения Iв (магнитного потока) генератора. Генератор выходит из области магнитного насыщения статора и ЭДС генератора уменьшается. Если падение напряжения генератора U и уменьшение сопротивления нагрузки rн происходят в одинаковой степени, то ток в цепи не будет изменяться: Iн = U / rн , Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 70 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 что соответствует участку bс (рисунок 2.17, б). Последующее уменьшение сопротивления нагрузки (rн) ведет к резкому уменьшению напряжения на зажимах генератора, а следовательно, и к уменьшению тока в цепи. Это объясняется тем, что генератор выходит из области магнитного насыщения и изменение ЭДС приходится на прямолинейный участок характеристики холостого хода. При коротком замыкании, когда rн = 0, напряжение на полюсах генератора окажется равным нулю. Магнитный поток в этом случае будет обусловлен только остаточным магнетизмом, и в якоре возникает ЭДС остаточного магнетизма, которая и создает ток короткого замыкания во внешней цепи. Поэтому генераторы с параллельным возбуждением не боятся короткого замыкания. При коротком замыкании они как бы сами выключаются из аварийного режима. Регулировочная характеристика генератора (рисунок 2.17, в) представляет графическое выражение зависимости тока возбуждения от тока нагрузки Iв =f(Iн) при сохранении постоянного напряжения на полюсах генератора (U=const). Из участка аb внешней характеристики генератора (рисунок 2.17, б) видно, что при увеличении нагрузки и росте нагрузочного тока напряжение на полюсах генератора надает. Для сохранения постоянного напряжения необходимо увеличить ЭДС генератора при прежней частоте вращения якоря. Это .можно осуществить путем увеличения тока в цепи возбуждения. Следовательно, для сохранения постоянного напряжения на полюсах машины при увеличении нагрузочного тока необходимо увеличить ток в цепи возбуждения. Раздел 3 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Тема 3.1 Основы электропривода Лекция 9 План: 1 Понятие об электроприводе 2 Виды электроприводов 3 Режимы работы электроприводов Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 71 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 4 Нагревание и охлаждение электродвигателей 1 Понятие об электроприводе Электроприводом называют электромеханическое устройство, предназначенное для приведения в движение рабочих органов машины или исполнительного механизма. Для выполнения своей основной функции - приведения в движение исполнительных органов рабочих машин и механизмов и управления этим движением - ЭП включает в себя совокупность взаимосвязанных и взаимодействующих друг с другом электротехнических, электромеханических и механических элементов и устройств. Такая электромеханическая система и получила название электрического привода. Общая структурная схема ЭП приведена на рисунке 3.1, где утолщенными линиями показаны силовые каналы энергии, а тонкими линиями - маломощные (информационные) цепи. Основным элементом любого электропривода 6 служит электрический двигатель 1, который вырабатывает механическую энергию (МЭ) за счет потребляемой электрической энергии, т. е. является электромеханическим преобразователем энергии. В некоторых режимах работы ЭП электродвигатель осуществляет и обратное преобразование энергии, получая механическую энергию от исполнительного органа рабочей машины. От электродвигателя механическая энергия через передаточное устройство 9 (механическое, гидравлическое, электромагнитное) подается на исполнительный орган 7 рабочей машины 8, за счет чего тот совершает требуемое механическое движение. Функция передаточного устройства заключается в согласовании параметров движения электродвигателя и исполнительного органа. Прогрессивным направлением развития ЭП является использование непосредственного соединения электродвигателя с исполнительным органом, что позволяет повысить техникоэкономические показатели работы комплекса «электропривод - рабочая машина». Электрическая энергия поступает в ЭП от источника электроэнергии 3. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 72 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 3.1 - Структурная схема электропривода Для получения электроэнергии с требуемыми для электродвигателя параметрами и управления потоком этой энергии между двигателем и источником электроэнергии включается силовой преобразователь 2. Функции управления и автоматизации в ЭП осуществляются маломощным блоком управления 4. Этот блок вырабатывает сигнал управления Uу с помощью входного сигнала Uз , задающего характер движения исполнительного органа, и ряда дополнительных технологического сигналов, процесса дающих рабочей информацию машины, о реализации характере движения исполнительного органа, работе отдельных узлов ЭП, возникновении аварийных ситуаций и др. Преобразователь 2 вместе с блоком управления 4 образуют систему управления электроприводом 5. 2 Виды электроприводов По структуре схемы передачи энергии от электросети к рабочим органам машин различают три основных типа электропривода: групповой, одиночный, многодвигательный. Групповой (трансмиссионный) электропривод — электропривод, в котором одним электродвигателем приводится в действие несколько рабочих машин, В современном производстве групповой электропривод имеет ограниченное применение, что объясняется его недостатками: громоздкостью передающих устройств, невозможностью автоматизации, сложностью управления каждой из рабочих машин, входящих в групповой электропривод, одновременное прекращение работы всей группы рабочих машин при повреждениях в Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 73 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 электрической части привода и др. Рисунок 3.2 - Структурная схема группового электропривода Одиночный электропривод — электропривод, в котором каждая рабочая машина приводится отдельным двигателем. В настоящее время одиночный электропривод — основной вид электропривода для большинства рабочих машин: конвейера (транспортера), насоса, компрессора, подъемный кран и др. При применении одиночного привода можно выбрать для рабочей машины электродвигатель, соответствующий требованиям различных производственных процессов. Рисунок 3.2 - Структурная схема одиночного электропривода Многодвигательный электропривод — электропривод, в котором отдельные элементы рабочей машины имеют самостоятельный электропривод. Этот вид электропривода используют в сложных механических устройствах (прокатные станы, крупные станки и т. п.). Многодвигательный привод позволяет упростить механическую часть рабочей машины, исключив из нее части элементов, предназначенные для передачи движения. Примером многодвигательного привода может служить экскаватор ЭКГ-4, имеющий четыре электродвигателя: первый — Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 74 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 для подъема груза, второй — для напора на грунт, третий — для поворота и четвертый — для передвижения. Многодвигательный привод позволяет выбрать электродвигатель для каждого рабочего органа машины с необходимыми механическими характеристиками. Рисунок 3.3 - Структурная схема многодвигательного электропривода По роду защиты выпускают электродвигатели следующих типов: - открытые, у которых все вращающиеся и токоведущие части не имеют специальных защитных приспособлений; для общего применения открытые электродвигатели не изготовляются; - защищенные электродвигатели, у которых все вращающиеся и токоведущие части предохранены от случайных прикосновений, от попадания внутрь посторонних предметов, капель воды, падающих отвесно, или брызг. Этот вид машин не защищен от пыли и вредных газов. Электродвигатели, имеющие защиту от капель, называются каплезащищенными, а от брызг — брызгозащищенными. Защищенные электродвигатели нельзя устанавливать в пожароопасных, взрывоопасных помещениях и в помещениях с едкими парами и газами; - закрытые электродвигатели, у которых имеются отверстия лишь для ввода проводов и для болтов, скрепляющих детали машины. Закрытые машины подразделяются на обычные, обдуваемые, продуваемые (с закрытой вентиляцией) и герметические. В обдуваемых электродвигателях охлаждающий воздух засасывается вентилятором и прогоняется через корпус машины. У машин с закрытой вентиляцией охлаждающий воздух подводится через трубы. Закрытые Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 75 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 электродвигатели могут быть установлены на открытом воздухе вне зданий, в пыльных и пожароопасных помещениях; - электродвигатели взрывозащищенные выпускаются в нескольких исполнениях: взрывонепроницаемые В1А, В2Б, ВЗГ и повышенной надежности Н1А, предназначенные для работы во взрывоопасных помещениях соответствующих классов. 3 Режимы работы электроприводов По условиям нагрева электродвигателей различают три основных режима их работы: длительный; кратковременный; повторно-кратковременный. Рисунок 3.4 - Режимы работы двигателей: 1 - продолжительный, 2 - кратковременный, 3 - повторнократковременный Продолжительным (длительным) режимом работы называют режим (рисунок 3.4 -1), при котором все части электродвигателя за время работы достигают установившейся температуры. В начале нагрева электродвигателя (после включения его в работу) лишь часть тепла, выделяющегося в нем за счет потерь электроэнергии, отдается в окружающую среду. Остальная часть аккумулируется (запасается) внутри электродвигателя и вызывает повышение его температуры, с ростом которой увеличивается отдача тепла в окружающую среду. Увеличение температуры прекращается, когда все выделяющееся в двигателе тепло отдается окружающей среде. Примером длительного электродвигателей режима центробежных работы насосов, может служить вентиляторов, режим работы компрессоров и транспортеров. Кратковременным режимом работы называют режим (рисунок 3.4 – 2), при Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 76 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 котором длительность рабочего периода недостаточна для того, чтобы температура электродвигателя достигла установившегося значения. Последующая затем остановка (пауза) электродвигателя настолько продолжительна, что он успевает охладиться до температуры окружающей среды. Для кратковременного режима работы установлены следующие стандартные длительности рабочего периода: 15, 30, 60 и 90 мин. На щитках электродвигателя, предназначенного для работы в таком режиме, указывается, на какую стандартную длительность рабочего периода данная машина рассчитана. В кратковременном режиме работает, например, электродвигатель механизма подъема стрелы одноковшового экскаватора. Повторно-кратковременным режимом работы называют режим (рисунок 3.4 -3), при котором за время рабочего периода электродвигатель не успевает достигнуть установившейся температуры, а за время последующей паузы не успевает охладиться кратковременный до температуры режим окружающей характеризуется среды. величиной Повторно- относительной продолжительности включения (ПВ), под которой понимается отношение времени работы к общей продолжительности всего цикла, включающего кроме времени работы также и паузу: ПВ= tp t p to 100% , (3.1) где tp — продолжительность рабочего периода; t0 — продолжительность паузы. Установлены стандартные значения относительной ПВ: 15, 25, 40 и 60%, причем ПВ, равная 25%, принимается за номинальную. Продолжительность одного цикла не должна превышать 10 мин. Если продолжительность цикла превышает 10 мин, то режим работы электродвигателя считается длительным. Повторно-кратковременный режим работы весьма распространен для электропривода строительных машин, в таком режиме работают одноковшовые экскаваторы, различные краны, подъемники и другие машины. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 77 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 4 Нагревание и охлаждение электродвигателей Теряемая в электродвигателе энергия идет на нагрев его частей. С момента пуска электродвигателя температура нагрева его постепенно повышается и достигает установившегося состояния, когда количество тепла, выделяемое электродвигателем в единицу времени, в тот же промежуток времени отдается в окружающую среду. Допустимая нагрузка электродвигателей определяется нагревом его обмоток, нормы нагрева которых зависят от рода изоляции. Изоляционные материалы, применяемые в электромашиностроении, разделяются по теплостойкости на следующие классы изоляции: Класс 0 — непропитанные волокнистые материалы из целлюлозы и шелка. Класс А — пропитанные волокнистые материалы из целлюлозы и шелка. Класс В — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые с органическими связующими и пропитывающими составами. Класс Е — синтетические органические пленки. Класс Р — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с синтетическими связующими и пропитывающими составами. Класс Н — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связующими и пропитывающими составами. Класс С — слюда, керамические материалы, стекло, кварц, применяемые без связующих составов. Наибольшая допустимая температура нагрева (°С) для изоляции класса А — 105; класса В — 130; класса Р — 155; класса Н — 180; класса С — более 180. Понижение температуры у электродвигателей с вентиляцией при холостой работе происходит интенсивнее, чем при полной остановке, так как для охлаждения внутренних частей при их вращении создаются более благоприятные условия. По роду защиты выпускают электродвигатели следующих типов: открытые, у которых все вращающиеся и токоведущие части не имеют специальных защитных приспособлений; для общего применения открытые Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 78 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 электродвигатели не изготовляются; защищенные электродвигатели, у которых все вращающиеся и токоведущие части предохранены от случайных прикосновений, от попадания внутрь посторонних предметов, капель воды, падающих отвесно, или брызг. Этот вид машин не защищен от пыли и вредных газов. Электродвигатели, имеющие защиту от капель, называются каплезащищенными, а от брызг — брызгозащищенными. Защищенные электродвигатели нельзя устанавливать в пожароопасных, взрывоопасных помещениях и в помещениях с едкими парами и газами; закрытые электродвигатели, у которых имеются отверстия лишь для ввода проводов и для болтов, скрепляющих детали машины. Закрытые машины подразделяются на обычные, обдуваемые, продуваемые (с закрытой вентиляцией) и герметические. В обдуваемых электродвигателях охлаждающий воздух засасывается вентилятором и прогоняется через корпус машины. У машин с закрытой вентиляцией охлаждающий воздух подводится через трубы. Закрытые электродвигатели могут быть установлены на открытом воздухе вне зданий, в пыльных и пожароопасных помещениях; электродвигатели взрывозащищенные. Выпускаются в нескольких исполнениях: взрывонепроницаемые В1А, В2Б, ВЗГ и повышенной надежности Н1А, предназначенные для работы во взрывоопасных помещениях соответствующих классов. Лекция 10 План: 1 Общие сведения 2 Тепловая защита электроустановок 3 Автоматические воздушные выключатели 4 Контакторы 5 Реле Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 79 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 6 Магнитные пускатели Тема 3.2 Аппаратура управления и защиты 1 Общие сведения Для управления электротехническими устройствами необходимо большое число различных аппаратов. В зависимости от назначения их можно разделить на две основные группы: коммутационные аппараты (высоковольтные выключатели, разъединители, контакторы и др.) и защитные аппараты (автоматические воздушные выключатели, плавкие предохранители, различные реле и разрядники для защиты от перенапряжений). Для надежной работы электрических аппаратов весьма важны условия осуществления контактов. Последние могут быть жесткими (неразъемными), например, присоединения к выводам машины или аппарата, скользящими — между неподвижными и подвижными токоведущими частями, коммутационными — в отключающих аппаратах. Последние работают в наиболее тяжелых условиях, особенно если они должны отключать токи коротких замыканий. Отключение электрической цепи обычно не может быть мгновенным. При разрыве цепи тока неизбежно возникновение большей или меньшей ЭДС самоиндукции; под действием этой ЭДС совместно с напряжением сети промежуток между расходящимися контактами пробивается и возникает электрическая дуга. Высокая температура последней может вызвать быстрое разрушение или сваривание контактов. Особенно опасно действие дуги в аппаратах высокого напряжения при отключениях токов короткого замыкания. 2 Тепловая защита электроустановок Провода электрических линий и электротехнические устройства должны быть защищены от превышения температуры при коротких замыканиях и длительных перегрузках. Коротким замыканием принято называть всякое не нормальное соединение через элементы с малым сопротивлением между проводами или другими Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 80 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 токоведущими частями цепи. Причиной короткого замыкания может быть случайное соединение неизолированных токоведущих частей между собой (например, соединение двух проводов воздушной линии) или повреждение изоляции вследствие старения, износа, пробоя и т. п. При коротком замыкании резко увеличивается ток, тепловое действие которого может вызвать разрушение изоляции и пожар. Вместе с тем часто возникают опасные электродинамические силы взаимодействия между проводами и сильное уменьшение напряжения в сети. Следствием последнего являются снижение частоты вращения и даже остановка электродвигателей и т. д. Простейшим способом отключения аварийных участков является использование теплового действия токов короткого замыкания в приборах защиты: предохранителе с плавкой вставкой. В предохранителе отключающим элементом служит плавкая вставка — часть предохранителя, плавящаяся при увеличении тока в защищаемой цепи свыше определенного значения. По существу это короткий участок защищаемой цепи, относительно легко разрушаемый тепловым действием тока. Чтобы получить такую сниженную термическую стойкость, нужно увеличить сопротивление вставки, для чего ее изготовляют из материала с высоким удельным сопротивлением (например, сплава олова и свинца) или из хорошо проводящего металла (например, серебра, меди), но с малой площадью поперечного сечения. Плавление вставки не должно сопровождаться возникновением дуги в предохранителе вдоль размыкаемого участка. Следовательно, длина плавкой вставки должна быть выбрана с учетом напряжения питания. По этой причине на предохранителях кроме номинального тока, т. е. наибольшего тока, который он может выдержать сколь угодно долгое время, не разрушаясь, указывается также и номинальное напряжение. Номинальные токи предохранителей следует выбирать наименьшими по расчетным токам нагрузки соответствующих участков сети. При этом вставка не должна плавиться при кратковременных перегрузках — пусковых токах электродвигателей и т. п. Для защиты электротехнических установок от длительных перегрузок Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 81 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» используются тепловые реле на ОП.03 основе биметаллических элементов, представляющих собой две механически скрепленные пластины из металлов с различными температурными коэффициентами расширения. На рисунке 3.5 показана принципиальная схема устройства теплового реле. Нагреватель 2, включенный в защищаемую цепь, своим теплом воздействует на биметаллический элемент 1. При перегрузке в защищаемой цепи обе пластины биметаллического элемента, нагреваясь, удлиняются. Но одна из них удлиняется больше, вследствие чего биметаллическая пластина изгибается вверх и выходит из зацепления с защелкой 3. Последняя под действием пружины 4 поворачивается вокруг оси 5 по направлению движения часовой стрелки и посредством тяги 6 размыкает контакты 7, отключая перегруженную сеть. Рисунок 3.5 – Схема теплового реле Однако тепловое реле из-за значительной тепловой инерции не обеспечивает защиту от токов короткого замыкания. Поэтому дополнительно к тепловому реле необходим предохранитель с плавкой вставкой. 3 Автоматические воздушные выключатели Предохранители с плавкой вставкой хорошо защищают электродвигатели и прочие промышленные электроустановки от токов короткого замыкания и недостаточно надежно от длительных перегрузок. Поэтому в цепях электротехнических установок большой мощности кроме предохранителей с плавкой вставкой устанавливается автоматическая защита. Простейшими устройствами для автоматической защиты от повреждений при нарушении номинального рабочего режима в установках с рабочим напряжением до 1 кВ являются автоматические воздушные выключатели, часто называемые Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 82 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 просто «автоматами». Эти аппараты могут защищать установку не только при перегрузке. Они производят отключение цепей автоматически при нарушении нормальных рабочих условий, причем в зависимости от типа автоматического выключателя это отключение производится, если определенная электрическая величина переходит установленное предельное значение (максимальные и минимальные выключатели).. Кроме того, существует большое число автоматических выключателей специального назначения. Наиболее распространенным автоматическим воздушным выключателем является выключатель максимального тока (рисунок 3.6). Если ток в защищаемой цепи достигает предельного значения, катушка К втягивает стальной сердечник С и защелка 3 освобождает пружину П: последняя разрывает контакты А цепи. Конструктивные оформления этих Автоматические выключатели выключателей максимального тока весьма разнообразны. применяются и в осветительных сетях жилых помещений вместо предохранителей с плавкой вставкой. Обратное включение выключателя производится вручную. Точность настройки выключателя на определенный предельный ток несравненно выше, чем при защите предохранителями с плавкими вставками, и в этом заключается одно из важнейших его преимуществ. Рисунок 3.6 – Принципиальная схема автоматического выключателя Чтобы избежать отключения установки при кратковременном увеличении тока, не опасном для установки (например, пускового тока двигателя), выключатели иногда имеют устройство выдержки времени (приспособление, которое обеспечивает определенный промежуток времени между воздействием тока на Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 83 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 выключатель и моментом отключения цепи 4 Контакторы Контакторы предназначены для частых включений и отключений, позволяющие включать электрическую цепь до 1500 раз в час. Они применяются в цепях постоянного и переменного тока с напряжением до 1000 А. Контакторы не защищают от коротких замыканий и перегрузок и поэтому должны работать совместно с плавкими предохранителями или другими устройствами защиты. На рисунке 3.7 показана схема работы трехполюсного контактора переменного тока. Эти контакторы изготовляются с числом полюсов от 1 до 5, на токи 20—600 А. Время их срабатывания, в зависимости от величины контактора, лежит в продолах 0,05—0,1 сек. На изолированной оси квадратного сечения 1, подшипники которой для простоты не показаны, установлены подвижные рабочие контакты 2, якорь электромагнита 3 и траверса 4, для так называемых блок-контактов (блокировочных контактов). На изолированной плите укреплены неподвижные рабочие контакты 6, блок-контакты 5 и ярмо 7 с обмоткой возбуждения электромагнита 8. В положении, представленном на рисунке 3.7, рабочие контакты разомкнуты и тока в главной цепи Л1, Л2, Л3 нет. Если в катушке 8 появится ток, то якорь 3 будет притянут к ярму 7, ось 1 повернется, рабочие контакты 2 и 6 и верхние блокконтакты 5 замкнутся, а нижние блок-контакты 5 разомкнутся. По этому признаку рабочие контакты и верхние блок-контакты называются замыкающими, а нижние — размыкающими. В цепи управления показаны две кнопки, включающая «пуск» П и отключающая «стоп» СТ. Конгакты кнопок при помощи пружин удерживаются в положениях, показанных на рисунке 3.7, т. е. соответственно в разомкнутом и замкнутом. Кнопки ставятся в месте, удобном для управления, независимо от расположения контактора и двигателя. Пуск производится следующим образом. При замыкании кнопки П, ток идет от провода Л1, через кнопки П и СТ в обмотку электромагнита 8 и к проводу Л3. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 84 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Якорь притягивается и поворачивает ось 1, при этом одновременно замыкаются рабочие контакты 2 и 6 и верхние блок-контакты 5; последние шунтируют кнопку П и позволяют отпустить ее. Рисунок 3.7 – Схема трехполюсного контактора Для выключения двигателя достаточно разомкнуть цепь управления, нажав кнопку СТ, и контакты отпадут под влиянием собственного веса устройства. 5 Реле Реле называется такой элемент в цепи управления, который при достижении определенного значения управляемой величины (например, тока) срабатывает мгновенно (скачком). Такими аппаратами в рабочих цепях являются автоматы и контакторы, но реле ставятся в цепях управления быть выполнены во много раз где токи малы, и реле могут более чувствительными, чем автоматы и контакторы. Реле предназначаются для защиты и управления, работают на переменном токе или постоянном, срабатывают мгновенно или с выдержкой времени и называются в этом случае реле времени. По системе исполнения они делятся на электромагнитные, индукционные, электродинамические, тепло-кые, электронные, механические и др. Электромагнитное реле переменного тока показано на рисунке 3.8. На сердечнике 1 из листовой электротехнической стали помещена обмотка 2, обтекаемая током управляемой цепи. В положении, показанном на рисунке, якорь 3, удерживается силой пружины 4 и собственным весом. Когда ток I Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 85 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 3.8 – Схема электромагнитного реле достигает величины I1, якорь притягивается к сердечнику и замыкает контакты 5 цепи управления. В замкнутом состоянии он удерживается до тех пор, пока ток I не уменьшится до величины I1; якорь отпадает и контакты 5 размыкаются. На раздвоенном конце сердечника электромагнита надето кольцо 6 для устранения вибраций реле. 6 Магнитные пускатели Магнитными пускателями асинхронных называются устройства, служащие для пуска короткозамкнутых двигателей, включаемых при полном напряже- нии сети. Они защищают двигатели при перегрузке и понижении напряжения. Для защиты от коротких замыканий ставятся предохранители. Магнитный пускатель состоит из трехполюсного контактора, токовых, т. е. защищающих двигатель от перегрузки током тепловых реле и блокировочных контактов, встроенных в общий ящик. Кнопки управления ставятся отдельно, обычно у производственной машины. Если требуется изменять направление вращения двигателя, то магнитный пускатель должен содержать два контактора: для хода «вперед» и «назад». Раздел 4 Электрическое оборудование строительных площадок Лекция 11 План: 1 Виды электрической сварки 2 Основные требования к источникам питания сварочной дуги Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 86 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 3 Сварочные преобразователи постоянного тока 4 Сварочные аппараты переменного тока 5 Электробезопасность сварочных работ Тема 4.1 Электрооборудование сварочных установок 1 Виды электрической сварки Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения материалов путем местного нагрева свариваемых кромок деталей до пластического или расплавленного состояния. Современная сварочная техника располагает большим разнообразием способов сварки. Наибольшее распространение получила электрическая дуговая сварка, при которой местный нагрев свариваемых кромок осуществляется теплом электрической дуги. Электродуговая сварка, при которой расплавление металла свариваемых кромок деталей и электрода (или присадочного металла) производится за счет тепла, выделяемого электрической дугой, выполняется вручную, полуавтоматически и автоматически. Ручная дуговая сварка может производиться двумя способами: способом Бенардоса и способом Славянова. Сварка способом Бенардоса Свариваемые кромки изделия приводят в соприкосновение. Между неплавящимся электродом (угольным, графитовым или вольфрамовым) и изделием возбуждают электрическую дугу. Кромки изделия и вводимый в зону дуги присадочный материал нагревают до плавления и получают ванночку расплавленного металла. После затвердевания ванночки образуется сварной шов. Данный способ используется, как правило, при сварке цветных металлов или их сплавов, а также при наплавке твердых сплавов. Сварку способом Славянова выполняют с помощью плавящегося электрода. Электрическая дуга возбуждается между металлическим (плавящимся) электродом и свариваемыми кромками изделия. Получается общая ванна расплавленного Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 87 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 металла, которая, охлаждаясь, образует сварной шов. Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом осуществляется путем механизации основных движений, выполняемых сварщиком, — подачи электрода вдоль его оси в зону дуги и перемещения его вдоль свариваемого шва. При полуавтоматической сварке механизирована подача электрода вдоль его оси в зону дуги, а перемещение электрода вдоль свариваемого шва производит сварщик вручную. При автоматической сварке механизированы все операции, необходимые для процесса сварки. Расплавленный металл защищен от воздействия кислорода и азота воздуха специальным гранулированным флюсом. Высокая производительность и хорошее качество швов обеспечили широкое применение автоматической и полуавтоматической сварки под флюсом. Электрическая контактная сварка производится при помощи тепла, выделяемого током при прохождении через свариваемые кромки изделия. При этом в месте соприкосновения кромок выделяется наибольшее количество тепла, разогревающее их до сварочного состояния. Завершается сварка последующим сдавливанием свариваемых кромок. 2 Основные требования к источникам питания сварочной дуги Электродуговая сварка начинается с короткого замыкания сварочной цепи — контакта между электродом и деталью. При этом происходит выделение теплоты и быстрое разогревание места контакта. Эта начальная стадия требует повышенного напряжения сварочного тока. В процессе сварки при переходе капель электродного металла в сварочную ванну происходят очень частые короткие замыкания сварочной цепи. Вместе с этим изменяется длина сварочной дуги. При каждом коротком замыкании напряжение тока падает до нулевого значения. Для последующего восстановления дуги необходимо напряжение порядка 25...30 В. Такое напряжение должно быть обеспечено за время не более 0,05 с, чтобы поддержать горение дуги в период между короткими замыканиями. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 88 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 При коротких замыканиях сварочной цепи развиваются большие токи (токи короткого замыкания), которые могут вызвать перегрев в проводке и обмотках источника тока. Эти условия процесса сварки в основном и определили требования, предъявляемые к источникам питания сварочной дуги. Для обеспечения устойчивого процесса сварки источники питания дуги должны удовлетворять следующим требованиям: 1. Напряжение холостого хода должно быть достаточным для легкого возбуждения дуги и в то же время не должно превышать нормы техники безопасности. Для однопостовых сварочных генераторов напряжение холостого хода не должно быть более 80 В, а для многопостовых — не более 60 В. Для сварочных трансформаторов установлено наибольшее допустимое напряжение 70 В при сварочной силе тока более 200 А и напряжение 100 В при сварочной силе тока менее 100 А. 2. Напряжение горения дуги (рабочее напряжение) должно быстро устанавливаться и изменяться в зависимости от длины дуги, обеспечивая устойчивое горение сварочной дуги. С увеличением длины дуги напряжение должно быстро возрастать, а с уменьшением — быстро падать. Время восстановления рабочего напряжения от 0 до 30 В после каждого короткого замыкания (при капельном переносе металла от электрода к свариваемой детали) должно быть менее 0,05 с. 3. Значение силы тока короткого замыкания не должно превышать сварочное значение силы тока более чем на 40...50%. При этом источник тока должен выдерживать продолжительные короткие замыкания сварочной цепи. Это условие необходимо для предохранения обмоток источника тока от перегрева и повреждения. 4. Мощность источника тока должна быть достаточной для выполнения сварочных работ. Кроме того, необходимы устройства, позволяющие регулировать значение сварочной силы тока в требуемых пределах. Сварочное оборудование должно Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 89 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 отвечать требованиям ГОСТов. 3 Сварочные преобразователи постоянного тока Сварочные преобразователи постоянного тока подразделяют на следующие группы: По количеству питаемых постов — однопостовые, предназначенные для питания одной сварочной дуги; многопостовые, питающие одновременно несколько сварочных дуг. По способу установки — стационарные, устанавливаемые неподвижно на фундаментах; передвижные, монтируемые на тележках. По роду двигателей, приводящих генератор во вращение, — машины с электрическим приводом; машины с двигателем внутреннего сгорания (бензиновым или дизельным). По способу выполнения — однокорпусные, в которых генератор и двигатель вмонтированы в единый корпус; раздельные, в которых генератор и двигатель установлены на единой раме, а привод осуществляется через специальную соединительную муфту. Наибольшее распространение в строительстве получили одно-постовые генераторы с расщепленными полюсами, работающие по принципу использования магнитного потока якоря для получения падающей внешней характеристики. На рисунке 4.1 показана схема сварочного генератора такого типа. Генератор имеет четыре основных и два дополнительных полюса. При этом одноименные основные полюсы расположены рядом, составляя как бы один раздвоенный полюс. Обмотки возбуждения имеют две секции: нерегулируемую 2 и регулируемую 1. Нерегулируемая обмотка расположена на всех четырех основных полюсах, а регулируемая помещена только на поперечных полюсах генератора. В цепь регулируемой обмотки возбуждения включен реостат 3. На дополнительных полюсах расположена сериесная обмотка 4. По нейтральной линии симметрии между разноименными полюсами на коллекторе генератора расположены Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 90 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 основные щетки а и б, к которым подключается сварочная цепь. Дополнительная щетка служит для питания обмоток возбуждения. Грубое регулирование производится смещением щеточной траверсы, на которой расположены все три щетки генератора. Если сдвигать щетки по направлению вращения якоря, то размагничивающее действие потока якоря увеличивается и величина Рисунок 4.1. Схема генератора с расщепленными обмотками: 1,2— соответственно регулируемая и нерегулируемая обмотки возбуждения; 3 — реостат; 4 — сериесная обмотка; а, б, с — щетки сварочной силы тока уменьшается. При обратном сдвиге размагничивающее действие уменьшается и сварочная сила тока увеличивается. Более плавное и точное регулирование силы тока производят реостатом, включенным в цепь обмотки возбуждения. Увеличивая или уменьшая реостатом силу тока возбуждения в обмотке поперечных полюсов, изменяют магнитный поток, тем самым изменяются напряжение тока генератора и величина сварочного тока. Кроме генераторов с размагничивающим действием реакции якоря применяют сварочные ограничение генераторы, величины размагничивающим у которых силы действием тока падающая короткого внешняя характеристика замыкания последовательной обмотки и обеспечивается возбуждения, включенной в сварочную цепь. Принципиальная схема такого генератора представлена на рисунке 4.2. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 91 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 4.2. Сварочный генератор с размагничивающим действием реакции якоря: 1 — обмотка возбуждения; 2 — размагничивающая обмотка; а, б, с — щетки Генератор имеет две обмотки: обмотку возбуждения 1 и размагничивающую обмотку 2. Обмотка возбуждения питается либо от основной и дополнительной щеток (а и с), либо от специального источника тока с постоянным напряжением. Поэтому магнитный поток, создаваемый этой обмоткой, постоянный и не зависит от нагрузки генератора. Размагничивающая обмотка включена последовательно с обмоткой якоря так, что при горении дуги сварочный ток, проходя через обмотку, создает магнитный поток Фп, направленный против потока Фв. В последнее время большое применение в сварочном производстве получили выпрямительные сварочные установки. Они преобразуют переменный ток в постоянный при помощи селеновых, германиевых или кремниевых выпрямителей. Выпрямительные установки имеют более высокий КПД. Кроме того, следует отметить такие важные преимущества их, как отсутствие вращающихся частей, малую массу, небольшие габариты и дешевизна. Важным преимуществом являются также их высокие динамические свойства вследствие меньшей электромагнитной инерции. Сила тока и напряжение при изменении режима работы сварочной цепи изменяются практически мгновенно. Используемая трехфазная мостовая система выпрямления обеспечивает меньшую пульсацию выпрямленного тока и более равномерную нагрузку фаз силовой сети переменного тока. 4 Сварочные аппараты переменного тока Применяемые на заводах и на строительно-монтажных площадках сварочные аппараты переменного тока подразделяют на четыре основные группы: Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 92 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 1. С отдельным дросселем типа СТЭ. 2. Со встроенным дросселем типа СТН и ТСД. 3. С подвижным магнитным шунтом типа СТАН. 4. С увеличенным магнитным рассеянием и подвижной обмоткой типа ТС и ТСК. Эти группы отличаются по конструкции и по электрической схеме. Сварочные аппараты состоят из понижающего трансформатора и специального устройства. Трансформатор обеспечивает питание дуги переменным током напряжением 60...70 В, а специальное устройство служит для создания падающей внешней характеристики и регулирования величины сварочного тока. 5 Электробезопасность сварочных работ При исправном состоянии оборудования и правильном выполнении сварочных работ возможность поражения током исключается. Однако в практике поражения электрическим током происходят вследствие неисправности сварочного оборудования или сети заземления, неправильного подключения сварочного оборудования к сети, неправильного ведения сварочных работ. В этих случаях поражение от электрического тока происходит при прикосновении к токонесущим частям электропроводки и сварочной аппаратуры. Величина силы тока, проходящей через организм человека, зависит от его электрического сопротивления. Это сопротивление определяется не только условиями труда, но и состоянием здоровья человека. Опасность поражения сварщика и подсобных рабочих током особенно велика при сварке крупногабаритных резервуаров, во время работы внутри емкостей лежа или полулежа на металлических частях свариваемого изделия или при выполнении наружных работ в сырую погоду, в сырых помещениях, котлованах, колодцах и др. Поэтому сварочные работы должны выполняться при соблюдении основных условий безопасности труда. Корпус сварочного агрегата или трансформатора должен быть заземлен. Заземление осуществляется, как правило, с помощью медного провода, один конец которого закрепляется к корпусу сварочного Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 93 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 генератора или трансформатора к специальному болту с надписью «земля», а второй конец присоединяется к заземляющей шине. Заземление передвижных сварочных аппаратов и генераторов производится до их включения в силовую сеть, а снятие заземления — только после отключения от силовой сети. При наружных работах сварочные агрегаты и трансформаторы должны находиться под навесом, в палатке или в будке для предохранения от дождя и снега. При невозможности соблюдения таких условий сварочные работы во время дождя или снегопада не производят, а сварочную аппаратуру укрывают от воздействия влаги. Для подключения сварочных аппаратов к сети должны использоваться настенные ящики с рубильниками, предохранителями и зажимами. Длина проводов сетевого напряжения не должна превышать 10 м. При необходимости нарастить провод применяют соединительную муфту с прочной изоляционной массой или провод с электроизолирующей оболочкой. Провод подвешивается на высоте 2,5...3,5 м. Спуски следует заключать в металлические трубы. Вводы и выводы должны иметь втулки или воронки, предохраняющие провода от перегибов, а изоляцию от порчи. Все сварочные провода должны иметь исправную изоляцию и соответствовать применяемым токам. Например, для сварочной цепи при сварочной силе тока 100 А необходимо применять провода марки ПР или ПРГ сечением не менее 10 мм2, при силе тока до 300 А сечение должно быть не менее 50 мм2, а при силе тока 600 А — 100 мм2. Применение оголенных проводов и проводов с ветхой и растрепанной изоляцией запрещается. При работах внутри резервуара или при сварке сложной металлической наблюдателя, который конструкции должен к сварщику обеспечить назначают безопасность дежурного работ и при необходимости оказать первую помощь. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 94 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Тема 4.2 Электрифицированные ручные инструменты Лекция 13 План: 1 Виды электрифицированных машин 2 Классы изоляции 3 Конструкции электроинструментов 4 Эксплуатация, ремонт и испытание ручных электрических машин Тема 4.3 Электрифицированные ручные машины и электроинструмент 1 Виды электрифицированных машин В строительном производстве применяются разнообразные механизмы и ручные машины, оснащенные электроприводом. Одной и той же машиной при применении различных стандартных или специальных рабочих инструментов либо специализированных насадок можно выполнять различные технологические операции и обрабатывать различные материалы, поэтому электрические машины сгруппированы по основному (паспортному) назначению, соответствующему названию машины: сверлильные машины; шлифовальные машины; машины для распиловки древесины; гайковерты и шуруповерты; машины ударного действия; вибраторы. Ручные электрические машины приводятся в движение электродвигателем или электромагнитом, составляющими с машиной единое целое. В качестве двигателей применяются: асинхронные трехфазные электрические машины с короткозамкнутым ротором, нормальной и повышенной частотой тока; асинхронные однофазные электрические машины с короткозамкнутым ротором, Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 95 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 нормальной и повышенной частотой тока; обращенные (т.е. вращается статор, а ротор закреплен неподвижно) асинхронные трехфазные электрические машины с короткозамкнутым ротором, нормальной и повышенной частотой тока; универсальные коллекторные электрические машины; электрические машины возвратно-поступательного движения (электромагнитные). В средствах малой механизации, как правило, использованы электродвигатели, специально изготовленные для них на напряжение 36 или 220 В. В передвижных машинах используют также двигатели общего назначения на напряжение 380/220 В. 2 Классы изоляции Ручные машины выпускают трех классов исполнения по напряжению и изоляции: I класс — на номинальное напряжение 220 В, у которых хотя бы одна металлическая деталь, доступная для прикосновения, отделена от частей, находящихся под напряжением только рабочей изоляцией; II класс — на номинальное напряжение 220 В, у которых все металлические детали, доступные для прикосновения, отделены от частей, находящихся под напряжением, двойной или усиленной изоляцией; III класс — на номинальное напряжение 36 В. Машины I класса опасны в отношении поражения оператора электрическим током. При работе их необходимо надежно заземлять, использовать резиновые коврики и диэлектрические перчатки, но даже при этом в строительных условиях их не везде разрешается эксплуатировать. Полная электробезопасность работы с машинами I класса может быть обеспечена только при подключении их к сети через защитно-отключающее устройство, которое гарантирует отключение машины от сети в случае утечки тока и короткого замыкания обмоток двигателя. Время срабатывания защиты не более 0,05 с. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 96 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Машины II класса (с двойной изоляцией) — наиболее прогрессивны, так как они могут питаться от осветительной сети, их не нужно заземлять, и при этом обеспечивается полная электробезопасность работы при соблюдении правил эксплуатации. Двойная изоляция машин осуществляется двумя основными способами: статор (индуктор с катушками) двигателя, щеточный механизм, выключатель и все токопроводящие (соединительные) провода размещены в корпусе и рукоятке из изоляционного материала (высокопрочная пластмасса), а вал ротора (якоря) имеет электроизоляционную втулку, изолирующую его от ротора (якоря) и коллектора (рис. 4.5); статор (индуктор с катушками) двигателя, щеточный механизм и все токопроводящие (соединительные) провода размещены в пластмассовом или алюминиевом корпусе, который монтируют в корпусе из пластмассы. К корпусу крепится рукоятка, в которой установлен электровыключатель и закреплен токопроводящий кабель (как вариант пластмассовая втулка может быть помещена между статором и наружным металлическим корпусом). Вал двигателя не имеет промежуточной изоляционной втулки, вместо втулки второй изоляцией служит ведомая шестерня из электроизоляционного материала (пластмасса, текстолит). Шестерня может иметь только ступицу из электроизоляционного материала, а венец — стальной. Машины II класса (с двойной изоляцией) на корпусе или на заводском щитке имеют специальный знак (рисунок 4.5). Машины III класса в работе безопасны и должны получать питание от автономных источников тока или от сети через трансформаторы или преобразователи частоты тока, если в машине встроен двигатель повышенной частоты тока. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 97 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 3 Конструкции электроинструментов Рисунок 4.5 - Электрическая сверлильная машина: 1 — шпиндель; 2 — металлический корпус редуктора; 3 — редуктор; 4 — изоляционная шестерня; 5 — вал; 6 — промежуточный пластмассовый щит; 7 — пластмассовый вентилятор; 8 — якорь; 9 — пластмассовый наружный корпус; 10 — колпачок щеткодержателя; 11 — выключатель; 12 — токопроводящий кабель; 13 — защитная гибкая трубка; 14 — условное обозначение на корпусе машин с двойной изоляцией Существуют различные конструкции сверлилок, электропил, электрорубанков, электрошлифовальных машин, электромагнитныхперфораторов и иных электрифицированных ручных инструментов, но силовое электрооборудование их всегда строится на основе только вращательных электродвигателей, либо на базе только возвратно-поступательных двигательных устройств, либо представляет собой комбинированный электромеханизм с вращающимся ударным элементом возвратно-поступательного действия. Примером ручного электроинструмента, который применяется в качестве электробура и электромолотка, служит электромагнитный перфоратор, например типа ИЭ-4709 Б (рисунок 4.6). Этот перфоратор подключается гибким переносным проводом к сети напряжением 220 В и частотой 50 Гц, потребляемая сила тока в номинальном режиме 3,2 А, мощность потребления энергии 650 Вт. Электрическая энергия сети по проводу 7 (рисунок 4.6, а) через кнопочный выключатель с самовозвратом 5 подается к электромагнитному двигателю (ЭМД) возвратно-поступательного действия 4 и вращательному коллекторному электродвигателю, размещенному со своим редуктором в корпусе 9. Вращение и Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 98 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 возвратно-поступательное движение передаются через буксу 3 на съемный рабочий орган 1. Направление бурения устанавливается основной ручкой 6, а защита электромеханизма перфоратора от его побочных продуктов бурения выполняется резиновым фартуком 2. Замена электрощеток коллекторного узла двигателя производится через отверстие 8. Перфоратор ИЭ-4709 Б имеет массу 9 кг при габаритных размерах 355 х 95 х 195 мм. Рисунок 4.6 - Электромагнитный перфоратор (а) и его принципиальная схема (б): 1 — рабочий орган; 2 — резиновый фартук; 3 — букса; 4 — двигатель; 5— выключатель с самовозвратом; б— ручка; 7— провод; 8— отверстие; 9 — корпус после нажатия кнопки (А51 подается импульсное напряжение сети через диоды УО1 и УО2. При этом разнополярные полупериоды переменного тока в катушках L1 и L2 создают встречные магнитные поля, которые приводят к возвратнопоступательному движению бойка ЭМД. Одновременно переменное синусоидальное напряжение сети создает вращение ротора коллекторного двигателя М, которое передается через специальное передаточное устройство ударному механизму ЭМД. Конденсатор С служит фильтром для подавления электромагнитных радиопомех, создаваемых работой щеточно-коллекторного узла двигателя М. Вибраторы Вибраторами называют простейшие вибрационные машины, предназначенные для возбуждения механических колебаний. Они представляют собой машины, преобразующие механическую, электрическую или химическую Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 99 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 энергию в механические колебания и передающие их материалам или устройствам. Колебания характеризуют амплитудой А, т.е. наибольшим отклонением от среднего положения, измеряемым в миллиметрах, и частотой n, т.е. числом периодов колебаний в единицу времени, измеряемым числом колебаний в 1 с. Эффективное уплотнение бетонной смеси вибрированием достигается лишь при определенных значениях амплитуды и частоты, при которых возникают ускорения, снижающие силы внутреннего трения между частицами смеси настолько, что они начинают перемещаться относительно друг друга под действием силы тяжести. Обычно применяют вибраторы с частотой колебаний n = 25...250 с-1 и амплитудой колебаний 0,1...3 мм (большие значения амплитуды для меньших значений частоты). Классификация. По роду привода вибраторы подразделяют на электромеханические, электромагнитные, пневматические, гидравлические и моторные, приводимые в действие двигателями внутреннего сгорания. Наибольшее распространение получили электромеханические инерционные вибраторы с вращающимися неуравновешенными грузами, закрепленными на валу ротора электродвигателя или на отдельном валу, получающем вращение от электродвигателя через муфту или клиноременную передачу. Поверхностные и наружные вибраторы. Наиболее широко применяют электромеханические вибраторы центробежного типа, у которых инерционный элемент в виде дебаланса или бегунка совершает вращательное движение и передает возникающую при этом центробежную вынуждающую силу на подшипники вала дебаланса или опору бегунка. Электромеханический дебалансный вибратор ИВ-70 (рисунке 4.7) состоит из корпуса, электродвигателя и дебалансного вибровозбудителя. В алюминиевом корпусе 1 с подшипниковыми щитами 4 расположен трехфазный асинхронный электродвигатель, к обмоткам статора 3 которого ток поступает через клеммную коробку 2, а ротор 5 укреплен на валу 6. Вал опирается на подшипники 7, а на консольных частях вала укреплены дебалансы 8, закрытые крышками 9. Крышки Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 100 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 стянуты шпильками 10 и плотно примыкают к корпусу, в нижней части которого находятся установочные лапы с отверстиями под болты крепления вибратора к корытообразному основанию, опалубке или другим элементам конструкции, через которую колебания передаются частицам бетонной смеси. Рисунок 4.7 - Электромеханический дебалансный одновальный вибратор ИВ-70 с круговыми колебаниями: а — общий вид; 6 — схема регулирования сдвоенного дебаланса; 1 — корпус; 2 — клеммная коробка; 3 — обмотка статора; 4 — щиты; 5 — ротор; 6 — вал; 7 — подшипник; 8— дебалансы; 9 — крышки; 10 — шпильки; 11 — установочные лапы При поверхностном уплотнении бетонной смеси основание вибратора передает эффективные колебания на глубину до 20 см. Поверхностный вибратор, установленный на рейке, может служить для разравнивания и поверхностного уплотнения бетонной смеси на большой площади. Вибратор, отсоединенный от рейки и основания, может быть использован в качестве наружного вибратора для сообщения колебаний опалубке, желобу, стенке бункера. Он имеет два сдвоенных дебаланса, которые представляют собой стальные цилиндрические детали, эксцентрично укрепленные на валу. Так как центр массы дебаланса смещен относительно оси вала, то при вращении вала и дебалансов возникает центробежная сила инерции, которая и сообщает вибратору вынужденные колебания. Частота колебаний равняется частоте вращения дебалансов, а амРазработчик Терещенко Е.В. Стр. 101 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 плитуда колебаний зависит от массы колеблющихся частей и статического момента массы дебалансов, под которой подразумевают произведение массы дебалансов на эксцентриситет массы, т.е. на расстояние от оси вращения до центра массы дебалансов. Так как наружный дебаланс в каждой паре имеет четыре шпоночных паза, его можно установить под разными углами по отношению к внутреннему, изменяя общий эксцентриситет массы сдвоенного дебаланса. Когда оси дебалансов совпадают, эксцентриситет массы наибольший, а при увеличении угла эксцентриситет массы уменьшается, так как общий центр массы для раздвинутых дебалансов, лежит посередине линии, соединяющей центры массы каждого дебаланса, и отстоит от оси вращения на меньшем расстоянии, ибо катет прямоугольного треугольника меньше гипотенузы. Соответственно уменьшаются статический момент массы дебалансов и вызываемая ими вынуждающая сила. Вибратор ИВ-70 при частоте 2800 мин-1 и соответствующей установке наружных дебалансов генерирует вынуждающую силу, равную 2;2,5;3,15 и 4 кН. Питание электродвигателя осуществляется от сети переменного трехфазного тока напряжением 220/380 В и частотой 50 Гц. Мощность электродвигателя 0,4 кВт, масса вибратора 20 кг. При непосредственном обслуживании вибратора, например при поверхностном уплотнении бетонной смеси, напряжение 220/380 В представляет большую опасность для обслуживающего персонала. В этом случае используют аналогичный по устройству вибратор ИВ-68, развивающий при частоте 1400 мин-1 вынуждающую силу в 5 кН и имеющий электродвигатель, который питается током напряжением 36 В от понижающего трансформатора. Наружные вибраторы прикрепляют к опалубке, течкам, бункерам. Их электродвигатели питаются током непосредственно от сети напряжением 220/380 В и не требуют понижающих трансформаторов, что особенно удобно при использовании большого числа вибраторов. Внутренние (глубинные) вибраторы применяют для уплотнения бетонной смеси при изготовлении крупных сборных строительных элементов, насыщенных Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 102 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 арматурой, а также при сооружении монолитных железобетонных конструкций. Их работа весьма эффективна, так как корпус вибратора воздействует непосредственно на бетонную смесь. Внутренние вибраторы изготавливают с встроенным электродвигателем, который вращает дебалансный вал в корпусе, и с вынесенным электродвигателем, передающим вращение виброэлементу гибким валом. 4 Эксплуатация, ремонт и испытание ручных электрических машин Правила техники безопасности эксплуатации электрических машин, а также ремонт и испытание после ремонта общие для всех видов машин и оборудования с электрическим приводом. Однако есть дополнительные требования, предъявляемые к ручным электрическим машинам, в особенности к машинам с двойной изоляцией (II класса): ручные машины (вне рабочего времени) должны храниться в сухих отапливаемых помещениях; должен быть организован учет рабочего времени; при выдаче машины в работу ее необходимо осмотреть, проверить на холостом ходу четкость работы выключателя, а также исправность (сопротивление) изоляции мегомметром на 500 В при включенном выключателе; запрещается выдавать в работу машину, а также необходимо прекратить работу в случаях обнаружения трещин на корпусных деталях и рукоятке; повреждения крышек щеткодержателя, нечеткой работы выключателя; повреждения штепсельного соединения, кабеля или его защитной трубки; кругового огня на коллекторе; дыма или запаха, характерного для горящей изоляции; запрещается работать в помещениях взрывоопасных или с химически активной средой, разрушающей изоляцию, а также на открытых площадках во время выпадения осадков (дождь, снег); оператор должен соблюдать предельно допустимую продолжительность Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 103 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 работы и не допускать перегрузок, сверх указанных в паспорте, а также не подвергать машину ударам. Следует иметь в виду, что при увеличении нагрузки (усилении подачи) сверх паспортной на машину с асинхронным двигателем, имеющим «жесткую» характеристику, он будет опрокидываться (останавливаться), что вызовет в конечном счете преждевременное сгорание обмотки. Коллекторный двигатель имеет «мягкую» характеристику, поэтому он будет снижать обороты. При этом увеличивается потребляемая мощность, в результате двигатель будет перегреваться сверх допустимой нормы, а производительность снизится, так как обороты шпинделя не будут оптимальными; необходимо следить за температурой корпуса двигателя, которая не должна превышать 60 0С (практически, если ладонь руки не выдерживает прикосновения к корпусу двигателя, то он перегрелся сверх нормы); ежедневно после окончания работы машины нужно очищать от загрязнений, а при необходимости подтягивать крепежные детали. При эксплуатации ручных машин с двойной изоляцией необходимо помнить, что: заземлять их нельзя; применения индивидуальных средств защиты (резиновые коврики, диэлектрические перчатки) не требуется; разрешается производить работы в помещениях и на открытых площадках с земляным, бетонным, асфальтовыми, металлическими, деревянными и другими полами, а также на металлоконструкциях, в котлах, трубах и т.п.; машины можно использовать при температуре от — 35 0С до + 35 0С и относительной влажности до 90% при температуре +20 0С; через каждые 50 ч работы рекомендуется очищать коллектор и щеточный механизм от скопившейся угольной пыли; продувать машину очищенным сжатым воздухом под давлением до 0,15 мПа; необходимо периодически проводить контроль машин. Контроль ручных машин с двойной изоляцией необходимо проводить через каждые 100 ч работы, но Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 104 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 не реже одного раза в три месяца. Контроль необходим также при каждой смене щеток. При контроле машину с двойной изоляцией разбирают и при этом: - удаляют скопившуюся токопроводящую пыль; проверяют мегомметром рабочую и дополнительную изоляцию (сопротивление каждой из них должно быть не менее 2 МОм); токопроводящую пыль удаляют сжатым воздухом при давлении до 0,15 мПа и протирают изоляционные поверхности технической салфеткой, смоченной в бензине; - осматривают корпусные детали, токоподводящий кабель и штепсельное соединение; - после сборки машины проводят испытание электрической прочности изоляции машины при включенном выключателе напряжением 2500 В, частоты 50 Гц в течение 1 мин на высоковольтной установке, например прибором УПУ-1М (электроды при испытании прикладывают к одному из контактов штепсельной вилки и к металлическим деталям машины, доступным для прикосновения во время работы); - если при контроле машины будут обнаружены какие-либо дефекты, то она должна быть сдана в ремонт. Ремонт машин проводится только в специализированной мастерской подготовленным для этого персоналом. После проведения ремонта каждую машину подвергают испытаниям в лабораторных условиях. Раздел 5 Электроснабжение строительной площадки Лекция 14 План: 1 Источники электрической энергии 2 Передача и распределение электрической энергии 3 Трансформаторные подстанции 4 Схемы электроснабжения строительства Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 105 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Тема 5.1 Источники, передача и распределение электрической энергии 1 Источники электрической энергии Электрическая энергия универсальна: она удобна для дальних передач, легко распределяется по отдельным потребителям и с помощью сравнительно несложных устройств преобразуется в другие виды энергии. Эти задачи решает энергетическая система, в которой осуществляются преобразование энергии топлива или падающей воды в электрическую энергию, трансформация токов и напряжений, распределение и передача электрической энергии потребителям. Источниками электрической энергии служат тепловые (ТЭС), гидравлические (ГЭС) и атомные (АЭС) электростанции, имеющие общий режим производства энергии. Линии электропередачи, трансформаторные и распределительные устройства обеспечивают совместную работу электростанций и распределение энергии между потребителями. В начальный период строительства в удаленных районах применяют в качестве временных источников электроснабжения собственные электростанции, как правило, передвижные (рисунок 5.1). Рисунок 5.1 - Передвижная дизельная электростанция с синхронным генератором: 1 — возбудитель постоянного тока; 2 — генератор; 3 — дизельный двигатель 2 Передача и распределение электрической энергии Передача и распределение электроэнергии строится по ступенчатому принципу (рисунок 5.2). Для уменьшения потерь в линиях электропередач (ЛЭП) напряжение Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 106 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» повышают при помощи повышающих ОП.03 (ГПП-1) и понижающих (ГПП-2) трансформаторов, устанавливаемых на электрических подстанциях. Рисунок 5.2 – Общая схема электроснабжения От крупных подстанций электроэнергия подается непосредственно к объектам, на которых на трансформаторных подстанциях (ТП) производится окончательное понижение напряжения. Распределение электроэнергии в электрических сетях производится, как правило, трехфазным переменным током частотой 50 Гц. 3 Трансформаторные подстанции Трансформаторные подстанции служат для приема электроэнергии, преобразования напряжения и распределения электрической энергии на объекте. По назначению различают следующие виды трансформаторных подстанций: главные (повышающие и понижающие) подстанции, предназначенные для повышения напряжения линии электропередач при больших расстояниях. Понижающие или повышающие подстанции (главные понизительные подстанции — ГПП) служат пунктами приема электроэнергии от энергосистем и преобразования ее напряжения для дальнейшего распределения по крупным объектам. Высокое напряжение таких подстанций обычно может быть 1150...30 кВ, низкое — 35 ...6 кВ (чаще всего 10 кВ); Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 107 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 5.3 - Мачтовая открытая подстанция (а) и схема ТП с одним трансформатором (б): 1 — трансформатор; 2 — контакт замыкающий; 3 — предохранитель; 4 — распределительный шкаф; 5 — разрядник распределительные, или просто трансформаторные подстанции (ТП), в которых электроэнергия, поступающая от ГПП, трансформируется с высшего напряжения 35 ...6 кВ на низшее 660/380 или 380/220 В, на которое и рассчитано большинство потребителей. На строительстве, однако, имеют место и мощные потребители электроэнергии по 6 и 10 кВ (землесосные снаряды, шагающие экскаваторы, компрессоры). Оборудование ТП состоит из трансформаторов, аппаратов коммутации и защиты, устройств управления, контроля и учета электроэнергии. Схема ТП типа строительной комплектной трансформаторной подстанции с одним трансформатором показана на рис. 5.3. С высокой стороны трансформатор присоединен к линии через замыкающий контакт и высоковольтный предохранитель (вместо них может быть установлен выключатель нагрузки или масляный выключатель). Защита от перенапряжения осуществляется разрядником. Обмотки трансформатора соединены в «звезду», со стороны низшего напряжения нейтраль глухо заземлена. По конструктивному выполнению различают открытые, закрытые, передвижные подстанции. К открытым, оборудование которых устанавливается на открытом воздухе, Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 108 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 относятся мачтовые подстанции с трансформаторами, установленными на деревянных или железобетонных опорах. На рисунке 5.3 изображена подстанция с одним трансформатором, присоединенным к ЛЭП. Трансформатор и аппаратура высшего напряжения расположены на П-образной мачте на высоте 4м, а распределительное устройство (распределительный щит) 380/220 В — внизу в шкафу. Для установки трансформаторов полной мощности 160...400 кВ-А применяют Аобразные и П-образные опоры. Открытые подстанции могут быть выполнены также с установкой трансформатора на помосте, а распределительного щита — в металлическом шкафу на уровне земли. На таких ТП предусматриваются ограждение и наружное освещение. Закрытые ТП (рисунок 5.4) располагаются в помещениях . В условиях строительства такими зданиями могут быть производственные объекты или специальные сооружения. К закрытым трансформаторным подстанциям относятся также комплектные подстанции КТП или СКТП (строительные комплектные трансформаторные подстанции). Электрооборудование КТП размещается в металлическом корпусе. Ввод 6... 10 кВ может быть кабельным или воздушным. Рисунок 5.4 - Закрытая трансформаторная подстанция: 1 — трансформатор; 2 — контакт замыкающий; 3 — предохранитель Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 109 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 5.5 - Передвижная комплектная трансформаторная подстанция Передвижные подстанции (рисунок 5.5), которые также могут быть комплектными, монтируются на авто- или железнодорожной платформе. Технические характеристики силовых трансформаторов. Основным конструктивным типом силового трансформатора напряжением до 10 кВ является трехфазный трансформатор с естественным масляным охлаждением. Используются и сухие силовые трансформаторы (т. е. с воздушным охлаждением). Они безопасны в отношении пожара и поэтому ими комплектуются ТП в зданиях с повышенными требованиями пожарной безопасности. Для работы в условиях повышенной влажности сухие трансформаторы непригодны, поэтому в условиях строительной площадки их не применяют. 4 Схемы электроснабжения строительства Схему электроснабжения строительной площадки или предприятия строительной индустрии выбирают в соответствии с классификацией приемников электроэнергии по требуемой ПУЭ степени бесперебойности электроснабжения, учитывая потребляемую мощность, размещение потребителей на территории строительной площадки или предприятия, расположение источников электрической энергии и срок обеспечения. Объекты — электроприемники I категории — характеризуются по ПУЭ как электроприемники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, повреждение оборудования, массовый брак Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 110 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение особо важных элементов городскою хозяйства. К ним относятся: артезианские скважины, иодозаборы, насосные станции водоснабжения, замораживающие, иглофильтровальные установки; насосные станции водоотлива и водопонижения (польдерная система осушения), цементационные работы, шахтные пассажирские подъемники, электропрогрев бетона, тепловые пункты в сетях теплоснабжения, котельные водозабора, вентиляция и водоотлив в тоннелях; подземные и тоннельные работы; перекачка фекальных стоков и т. д. Они должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания, и перерыв их электроснабжения может быть допущен лишь на время автоматического ввода резервного питания. При небольшой мощности электроприемников I категории в качестве второго источника питания могут использоваться передвижные электростанции, аккумуляторные батареи, двигатели внутреннего сгорания, а также перемычки на низшем напряжении от ближайшего пункта, имеющего независимое питание с автоматическим включением резерва (АВР). Объекты — электроприемники II категории — характеризуются по ПУЭ как электроприемники, перерыв в электроснабжении которых связан с массовым недоотпуском продукции, простоем рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушением нормальной деятельности значительного количества городских жителей. К ним относятся объекты промышленности строительных материалов: заводы железобетонных изделий — главные корпуса железобетонных изделий, шлакоблоков, ячеистого бетона, транспортные галереи, приемные устройства, бетоносмесительный цех, известегасильное отделение; кирпичночерепичные заводы — сушильный цех, прессовый цех, отделение подтопков, котельная; заводы гипса и металлоконструкций, а также сухой штукатурки, гипсоблоков; строительные площадки заводы — компрессорные воздушные установки; канатные дороги, бетонное хозяйство, нефтебазы, ремонтномеханические заводы, тракторные хозяйства, земснаряды, гидромеханизация и станции перекачки к ним; гидромониторы; охлаждение бетона, котельные для Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 111 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 бетонных хозяйств, крупные автобазы. Для приемников II категории допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной бригады. Допускается питание электроприемников II категории по одной воздушной линии 6 кВ или 10 кВ и выше. При питании электроприемников по кабелям допускается питание одной линией, но расщепленной не менее чем на два кабеля, присоединенных через самостоятельные линии. При наличии централизованного резерва допускается питание одним трансформатором. К объектам — электроприемникам III категории — относятся все остальные электроприемники, не подходящие под определение I и II категории, а именно: общезаводские подсобные цеха, вспомогательные объекты и установки промышленности строительных материалов, базы электромонтажа, арматурные мастерские, бетоно- и растворосмесители, плотничные и опалубочные мастерские, лесоцехи, участковые механические мастерские с холодной обработкой металла и т. д. Для них допускаются перерывы электроснабжения на время, необходимое для ремонта или замены поврежденного элемента схемы электроснабжения, но не более одних суток. Схемы электрических сетей до 1000 В Схема силовой сети определяется технологическим процессом электроснабжения, взаимным производства, категорией расположением ТП или надежности ввода питания и электроприемников, их единичной установленной мощностью и размещением. Схема должна быть проста, безопасна и удобна в эксплуатации, экономична, должна удовлетворять характеристике окружающей среды, обеспечивать применение индустриальных методов монтажа. Схемы сетей могут быть радиальными, магистральными и смешанными — с односторонним или двусторонним питанием. При радиальной схеме (рисунок 5.6) энергия от отдельного узла питания (ТП) поступает к одному достаточно мощному потребителю или к группе электроприемников. Радиальные схемы выполняют одноступенчатыми, когда Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 112 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 приемники питаются непосредственно от ТП, и двухступенчатыми, когда они подключаются к промежуточному распределительному пункту (РП). Радиальные схемы применяют для питания сосредоточенных нагрузок большой мощности, при неравномерном размещении приемников, а также для питания приемников во взрывоопасных, пожароопасных и пыльных помещениях. Выполняются радиальные схемы кабелями или проводами в трубах или коробах (лотках). Рисунок 5.6 - Радиальная схема питания: 1 — распределительный щит; 2— силовой распределительный пункт (РП); 3 — электроприемник; 4 — щит освещения; 5 — кабельная линия Достоинства радиальных схем заключаются в высокой надежности (авария на одной линии не влияет на работу приемников, получающих питание по другой линии) и удобстве автоматизации. Недостатками радиальных схем являются: малая значительного расхода проводникового материала; экономичность из-за необходимость в дополнительных площадях для размещения силовых РП; ограниченная гибкость сети при перемещениях технологических механизмов, связанных с изменением технологического процесса. При магистральных схемах приемники подключаются к любой точке линии (магистрали). Магистрали могут присоединяться к распределительным щитам подстанции или к силовым РП. Магистральные схемы с распределительными шинопроводами (рисунок 5.7) применяются при питании приемников одной технологической линии или при равномерно распределенных по площади цеха приемниках. Схемы выполняются с применением шинопроводов, кабелей и Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 113 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 проводов. Достоинствами магистральных схем являются: упрощение щитов подстанции; высокая гибкость сети, дающая возможность перемещать технологическое оборудование без переделки сети; использование унифицированных элементов, позволяющих вести монтаж индустриальными методами. Магистральная схема менее надежна, чем радиальная, так как при исчезновении напряжения на магистрали все подключенные к ней потребители теряют питание. Для повышения надежности питания электроприемников по магистральным схемам применяется двустороннее питание магистральной линии (рисунок 5.8). Рисунок 5.7 - Магистральная схема с распределительным шинопроводом: I — комплектная трансформаторная подстанция (КТП); 2 — распределительный шинопровод; 3 — нагрузка Рисунок 5.8 – Схема с двухсторонним питанием магистрали Тема 5.2 Электрические сети и освещение строительной площадки Лекция 15 План: 1 Классификация электрических сетей 2 Провода и кабели, инвентарные электротехнические устройства 3 Инвентарные электротехнические устройства Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 114 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 4 Устройство электрических сетей на строительных площадках 4.1 Воздушные линии 4.2 Электропроводки 5 Виды освещения и единицы измерения 6 Источники света и осветительная арматура 6.1 Источники света 6.2 Осветительная арматура 7 Устройство электрического освещения на строительных площадках 8 Схемы сетей электрического освещения 1 Классификация электрических сетей Электрические сети служат для передачи и распределения электрической энергии. Они подразделяются на воздушные линии, кабельные линии и электропроводки. Воздушные линии прокладываются на открытом воздухе и состоят из голых (неизолированных) проводов, подвешенных на изоляторах по опорам (по одиночным столбам или по конструкциям более сложной формы). Кабельные линии прокладываются преимущественно под землей, в траншеях, каналах, коллекторах и состоят из одного или нескольких, совместно проложенных, кабелей. Электропроводки прокладывают внутри зданий и сооружений или по их наружным стенам. Они выполняются изолированными проводами различных марок и кабелями с резиновой изоляцией, рассчитанными на напряжение до 1000 В. На строительных площадках для питания электроэнергией строительных механизмов и электроосветительных установок сооружаются в основном временные электрические сети, состоящие преимущественно из воздушных линий, как более дешевых и легко выполнимых. Внутри строящихся зданий выполняются временные Разработчик Терещенко Е.В. электропроводки. Кабельные Стр. 115 из 92 подземные Версия 1 линии 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 применяют только в отдельных случаях, когда по тем или иным причинам использование воздушных линий на данном участке строительства невозможно. Электрические сети на строительных площадках имеют специфические особенности, связанные с питанием электроэнергией передвижных строительных машин и механизмов. При изменении типа этих машин, их расположения и количества меняется и местоположение центров электрической нагрузки на территории строительства. Отсюда и вытекает основная особенность сетей на строительных площадках: они должны быть мобильны (подвижны), способны быстро следовать за изменениями электрической нагрузки. В связи с этим на строительстве играют большую роль переносные участки электросетей, выполняемые преимущественно шланговыми кабелями, и так называемые инвентарные электротехнические устройства разного рода, легко перемещаемые с места на место. К таким устройствам относятся: - передвижные трансформаторные подстанции; - передвижные и переносные распределительные шкафы; - подключательные пункты; - осветительные вышки; - пусковые ящики для электродвигателей. Переносные участки электросетей и инвентарные устройства в сочетании с временными воздушными линиями обеспечивают подачу электроэнергии в различные точки строительной площадки в короткие сроки и с минимальными затратами. Все электрические сети сооружаются в соответствии с требованиями Правил устройства электроустановок (ПУЭ). К временным электросетям предъявляются те же требования, что и к постоянным. Строгое соблюдение этих требований при сооружении временных электросетей является необходимым условием обеспечения электробезопасности работающих на строительной площадке. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 116 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 2 Провода и кабели, инвентарные электротехнические устройства Основным материалом для токоведущих жил проводов и кабелей в настоящее время является алюминий. Для изготовления голых проводов применяется также сталь. Медь, хотя и обладает большей электропроводностью, чем алюминий, применяется в весьма ограниченных случаях (например, когда необходима особая гибкость провода). В качестве изоляционных материалов для изготовления изолированных проводов и кабелей применяют главным образом резину, кабельную бумагу, пропитанную специальными составами, и синтетические материалы — пластмассы, такие как полихлорвинил, полиэтилен, поливинилхлорид и др. Пластмассовая изоляция обладает рядом положительных свойств и поэтому с каждым годом находит все большее применение в производстве кабельной продукции. Токоведущие жилы проводов и кабелей изготовляют преимущественно многопроволочными, т. е. свитыми из нескольких проволок для придания проводу гибкости. Голые провода. Для воздушных линий на строительных площадках применяют голые алюминиевые и стальные провода. Применение голых медных проводов при строительстве новых воздушных линий в настоящее время запрещено. Голые алюминиевые провода (марки А) выпускаются многопроволочными сечением от 16 до 400 мм2. В условиях строительных площадок они применяются обычно сечением не свыше 150 мм2. Стальные голые провода изготовляются как многопроволочными (марки ПС и ПМС), так и однопроволочными (марка ПСО). Многопроволочные провода выпускаются сечением от 25 до 95 мм2, а однопроволочные нормируются по диаметру 3; 3,5; 4 и 5 мм. Особый тип голых проводов представляют сталеалюминиевые провода, состоящие из стального троса, на который навиты алюминиевые проволоки. Стальной трос служит для увеличения прочности провода. Сталеалюминиевые Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 117 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» провода в условиях строительных ОП.03 площадок применяются мало (они предназначены для сооружения линий электропередачи напряжением 35 кВ и выше). Силовые кабели. Кабелем называют одножильный или чаще многожильный изолированный провод специальной конструкции в герметической оболочке. Кабели, предназначенные для передачи электроэнергии, носят название силовых. Силовые кабели в настоящее время выпускаются главным образом с алюминиевыми жилами (одно-, двух-, трех- и четырех-жильные), с изоляцией из бумаги, пропитанной маслоканифольным составом, а также с пластмассовой изоляцией. Отличительной особенностью кабелей является наличие герметической (алюминиевой, свинцовой или пластмассовой) оболочки, предназначенной для предохранения от проникновения внутрь кабеля сырости. В связи с этим при прокладке силовых кабелей применяют особые методы соединения их при помощи специальных соединительных муфт. Свободные концы подвергаются особой разделке с герметическим оконцеванием. Рисунок 5.9 - Кабель силовой с бумажной пропитанной изоляцией, бронированный: а — общий вид трехжильного кабеля; б — поперечный разрез четырехжильного кабеля; 1 — токоведущие жилы; 2, 3 — соответсвенно фазовая и поясная изоляции из пропитанной кабельной бумаги; 4— оболочка алюминиевая или свинцовая; 5 — стальная ленточная броня; 6— слой кабельной пряжи Кабели, предназначаемые для прокладки непосредственно в земле, в траншеях, защищены от механических воздействий (поверх герметической оболочки) броней из стальных лент, покрытой сверху слоем кабельной пряжи, пропитанной битумом. Представление о конструкции кабелей с бумажной пропитанной изоляцией дает Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 118 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 рисунок 5.9 Четвертая жила кабеля (рисунок 5.9, б) служит нулевым проводом и делается меньшего сечения (около половины сечения фазных жил). Кабели на напряжение 6 и 10 кВ отличаются от кабелей на напряжение до 1 кВ усиленной изоляцией токоведущих жил. Кабели с пропитанной бумажной изоляцией имеют ряд недостатков: их нельзя сильно изгибать, так как при резких изгибах портится изоляция жил (радиус изгиба должен быть равен не менее 15 наружным диаметрам кабеля); нельзя прокладывать при низких температурах без предварительного прогрева (из-за хрупкости оболочки), нельзя прокладывать на большую высоту по вертикали, так как в этих условиях при нагревании кабеля током из него начинает вытекать пропиточный состав и изоляция кабеля теряет свои свойства. Указанных недостатков не имеют силовые кабели с пластмассовой изоляцией. Такие кабели с изоляцией из полиэтилена или поливинилхлорида в поливинилхлоридной оболочке бронированные и небронированные с каждым годом получают все большее применение. К достоинствам кабелей с пластмассовой изоляцией помимо устранения указанных выше недостатков, присущих кабелям в бумажной пропитанной изоляции, следует отнести также отсутствие металлических (алюминиевых или свинцовых) оболочек, что снижает массу кабелей и расход цветного металла на их изготовление. Установочные провода и кабели. Провода с резиновой и пластмассовой изоляцией (установочные) и кабели с резиновой изоляцией служат для выполнения электропроводок. Выпускают их, как правило, на напряжение до 500 В с алюминиевыми жилами; с медными жилами изготовляют только особо гибкие провода. Шланговые кабели и провода. Для присоединения подвижных электроприемников предназначены шланговые кабели и провода. Их применяют на строительных площадках: для питания электропривода передвижных строительных машин и механизмов — кранов, экскаваторов, компрессоров; для питания Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 119 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 сварочных трансформаторов, электроинструмента и т.д. Выпускаются они только с медными жилами, сплетенными из тонких проволочек (для большей гибкости). Для защиты от механических воздействий и от проникновения сырости к токоведущим жилам шланговые кабели и провода в дополнение к резиновой изоляции жил имеют толстую (5...8 мм толщиной) резиновую оболочку. Особенность их — наличие дополнительной, так называемой заземляющей, жилы, предназначенной для заземления корпусов строительных механизмов с электроприводом. Для питания строительных машин с высоковольтным электроприводом промышленностью выпускаются шланговые кабели на напряжения 3 и 6 кВ Рисунок 5.10 - Шланговый кабель марки КРПТ: 1 — заземляющая жила; 2 — резиновая оболочка; 3 — прорезиненная ткань; 4 — изоляция жил; 5— медная токоведущая жила; 6— вулканизационная резина; 7— обмотка тканевой лентой 3 Инвентарные электротехнические устройства Применение инвентарных (передвижных и переносных) электротехнических устройств упорядочивает электрохозяйство строительной площадки, повышает надежность работы и обеспечивает большую безопасность работающих на стройке. Устройства эти весьма разнообразны. Помимо описанных выше комплектных передвижных подстанций КТП, на передовых стройках широко применяют также инвентарные распределительные шкафы для подсоединения отдельных линий (рисунок 5.11), подключательные пункты для строительных механизмов и электроинструмента (рисунок 5.12), силовые ящики, оборудованные описанными выше блоками предохранитель—выключатель, стойки и вышки для светильников и прожекторов и ряд других устройств. При строительстве многоэтажных производственных корпусов, а также жилых и общественных зданий весьма целесообразно применение инвентарных стояков из металлиРазработчик Терещенко Е.В. Стр. 120 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» Рисунок 5.11 - Инвентарный ОП.03 распределительный шкаф с блоками предохранитель—выключатель Рисунок 5.12 - Инвентарные подключательные пункты: а — для питания башенного крана; б — для питания ручного инструмента; в - силовой ящик с блоком предохранитель Металлических или жестких гофрированных бумажных труб с заложенными в них проводами и поэтажными коробками «отбора мощности». Такие стояки устанавливаются в лестничных клетках строящегося здания. Наличие их позволяет правильно, удобно и безопасно организовать временное электроснабжение строящегося здания. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 121 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 4 Устройство электрических сетей на строительных площадках Для питания силовых и осветительных электроустановок, работающих при напряжении до 1 кВ, на строительных площадках в соответствии с рекомендациями СНиПа применяют четырехпроводные сети напряжением 380/220 В. В четырехпроводных сетях нулевая точка трансформатора (или генератора) обязательно заземляется. Для питания ТП желательно применять сети напряжением 10 кВ, так как при повышении напряжения условия электроснабжения улучшаются, а сети получаются легче (требуются меньшие сечения проводов). Только в том случае, когда на площадке работают строительные машины (например, мощные экскаваторы) с высоковольтным электроприводом, приходится применять для электросетей строительной площадки напряжение 6 кВ. 4.1 Воздушные линии Опоры воздушных линий рекомендуется применять либо деревянные с железобетонными пасынками (приставками), либо железобетонные (рисунок 5.12). Применение железобетонных пасынков, заменяющих нижнюю, наиболее подверженную гниению, часть опоры, увеличивает сроки службы деревянных опор. Изоляторы к опорам крепятся: к стойкам опор — на крюках, а к траверсам (поперечным брусьям) — на штырях. Для привязки проводов к изоляторам используют тонкую наволоку из того же материала, что и провод. Работы по установке опор ВЛ в настоящее время выполняют, как правило, механизированным способом. Соединение проводов ВЛ выполняется с помощью трубчатых овальных обжимных соединителей; эти соединители обжимаются специальным инструментом. Для линий 380/220 В допускается также соединение проводов скруткой с последующей пропайкой. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 122 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 5.13 - Опоры воздушных линий: а — деревянная с железобетонным пасынком (приставкой), до 1 кВ; б — железобетонная, 0,4 кВ; в — железобетонная, 6...10 кВ При строительстве воздушных линий должны соблюдаться установленные габариты — расстояния от наинизшей точки проводов до земли. Эти габариты таковы: для ВЛ напряжением 380/220 В в населенных местностях, на заводских территориях и строительных площадках — не менее 6 м, а в ненаселенных местах — не менее 5 м; для ВЛ напряжением 6... 10 кВ эти расстояния соответственно увеличиваются до 7 и 6 м. Рисунок 5.14 - Изоляторы и крюки: а — изолятор типа ТФ для ВЛ до 1 кВ; б — то же, типа ШО (для ответвлений); в —типа ШСдля ВЛ 6...10 кВ; г, д — крюки; е — штырь Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 123 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 4.2 Электропроводки Постоянные электропроводки выполняют как открыто, так и скрыто — в трубах, в каналах, в пустотах строительных конструкций, под слоем штукатурки и т.п. Временные электропроводки в строящихся зданиях, а также в производственных помещениях строительной площадки выполняются открыто, т. е. по поверхности строительных конструкций, по фермам и т.п. Провода прокладываются на изоляторах или, в сухих помещениях, на роликах. Наружные электропроводки (проводки по стенам зданий и сооружений, по строительным лесам) и перекидки между близко расположенными зданиями выполняются только на изоляторах При выполнении временных электропроводок (изолированными проводами) на строительных площадках должны соблюдаться следующие расстояния по высоте: не менее 2,5 м — над рабочими местами; Зм — над проходами и 5 м — над проездами. На высоте менее 2,5 м от земли, пола или настила провода должны быть защищены от механических повреждений (заключены в короба, трубы и т.п.). Наружные электропроводки по стенам зданий прокладывают на высоте не менее 2,75 м от уровня земли; вводы воздушных линий в здания должны отстоять от земли также не менее, чем на 2,75 м. Устройство такого ввода приведено на рис. 5.15. При этом проходы через стены и перекрытия установочных проводов выполняются в изоляционных трубках, которые оконцовываются изолирующими фарфоровыми и пластмассовыми втулками или, в сырых местах, воронками. Кабели типа ВРГ и НРГ прокладывают открыто, непосредственно по стенам и перегородкам с креплением скобками. Высота их прокладки над полом не нормирована. Переносные участки электросетей, выполняемые шланговыми проводами и кабелями, используются обычно в сочетании с воздушными линиями и теми или иными инвентарными напряжением 380/220 Разработчик Терещенко Е.В. устройствами. В подводит Воздушная четырехпроводная электроэнергию Стр. 124 из 92 к Версия 1 линия инвентарному 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 распределительному шкафу или подключательному пункту, а далее уже с помощью переносных участков сети энергия подводится к передвижным строительным машинам, сварочным установкам и т. п. Рисунок 5.15 - Устройство ввода в здание от ВЛ напряжением до 1 кВ 5 Виды освещения и единицы измерения Достаточность освещения и его качество оцениваются показателями, для определения которых служат световые величины и единицы их измерения. В Международной системе единиц (СИ) основной световой величиной является сила света (обозначается латинской буквой У); единица ее измерения — кандела (сокращенно — кд). Вторая, не менее важная, световая величина — световой поток (обозначается латинской буквой Р); единица его измерения — люмен (сокращенно — лм). Достаточность освещения на той или иной плоскости или в той или иной точке определяется величиной освещенности (обозначается латинской буквой Е); единица измерения освещенности — люкс (лк). Для выполнения точных работ в механических мастерских по нормам требуется освещенность в 100... 150 лк, а для чтения — порядка 75 лк. Строительными нормами и правилами (СНиП) установлены минимальные величины освещенности, необходимые для тех или иных производственных, служебных и бытовых помещений. На их основе разработаны нормы электрического освещения строительных и монтажных работ. Освещение может быть общим, местным и комбинированным. При этом общее освещение подразделяется на равномерное и локализованное. При общем равномерном освещении освещается все помещение или наружная Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 125 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» площадка, светильники ОП.03 устанавливаются равномерно. При общем локализованном освещении на отдельных участках помещения или наружной территории создается большая освещенность. На таких участках устанавливаются дополнительные светильники или они размещаются более часто. При местном освещении освещаются только рабочие поверхности. При комбинированном — применяются и общее и местное освещение. В условиях строительства применяется как общее (равномерное и локализованное), так и комбинированное освещение мест работы (последнее в ремонтных заводах, мастерских и других подобных помещениях). Кроме обычного, рабочего, освещения, устраивается аварийное освещение, обеспечивающее минимальную освещенность. Для аварийного освещения устраивается отдельное питание. 6 Источники света и осветительная арматура 6.1 Источники света В качестве источников света на строительстве и в промышленности применяют лампы накаливания и газоразрядные лампы, которые, в свою очередь, подразделяются на ртутные лампы низкого давления — люминесцентные и ртутные лампы высокого давления — лампы ДРЛ. В лампах накаливания световая энергия получается за счет нагревания тонкой вольфрамовой нити проходящим по ней электрическим током. Нить помещена в стеклянную колбу, заполненную инертным газом; имеются также конструкции ламп накаливания, у которых нить помещена в вакууме — из колбы откачен воздух. Раскаленная (при температуре порядка 3000°С) нить ярко светится. Колба лампы укреплена на металлическом резьбовом цоколе, с помощью которого лампа ввертывается в патрон, служащий для ее подсоединения к проводам электросети. При понижении напряжения против номинального световой поток и светоотдача ламп накаливания резко снижаются. Повышение напряжения сверх 105% номинального значительно уменьшает срок службы лампы. Нормальный срок службы лампы – 1000ч. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 126 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Действие газоразрядных ламп основано на электрическом разряде в среде разреженного газа. Рисунок 5.16 Газоразрядные лампы: а — люминесцентная; б — ртутная; 1 — трубка; 2 — цоколь; 3 — баллон лампы; 4 — горелка из кварцевого стекла Люминесцентная лампа (рисунок 5.16, а) представляет собой длинную (порядка 450... 1500 мм) стеклянную трубку с двумя цоколями на концах, заполненную разреженным газом — аргоном и небольшим количеством паров ртути. На внутреннюю поверхность трубки нанесен слой специального состава — люминофора. В цоколи лампы впаяны вольфрамовые электроды. При включении лампы в электрическую сеть между ее электродами в парах ртути в трубке возникает газовый разряд и невидимое ультрафиолетовое излучение, под воздействием которого люминофор начинает светиться — дает яркий видимый свет. Люминесцентные лампы включаются в сеть с помощью специальных пускорегулирующих устройств (ПРУ). Люминесцентные лампы выпускают мощностью в 15, 20, 30, 40 и 80 Вт, пяти типов по цветности (окраске) излучаемого света: ЛДЦ — дневного света, предназначенные для правильной светопередачи; ЛД — дневного света; ЛХБ — холодного белого света; ЛТБ — теплого белого света и ЛБ — белого света. По светоотдаче на 1 Вт мощности все люминесцентные лампы значительно (в 2,5... 4 раза) превосходят лампы накаливания. Наибольшей светоотдачей обладают лампы белого света Разработчик Терещенко Е.В. (ЛБ), они рекомендуются Стр. 127 из 92 для освещения Версия 1 всех 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 производственных помещений, кроме тех, в которых требуется правильное различение цветовых оттенков. Срок службы люминесцентных ламп 3000ч. Ртутная лампа высокого давления типа ДРЛ по внешнему виду похожа на крупную лампу накаливания. Ее устройство показано на рисунке 5.16,б. В отличие от люминесцентной лампы в лампе ДРЛ электрический разряд в ртутных парах происходит не во всей колбе, а в маленькой трубке («горелке») из кварцевого стекла, прозрачного для ультрафиолетовых лучей. Под влиянием ультрафиолетового излучения горелки специальный люминофор, нанесенный на внутреннюю поверхность колбы, дает яркий, слегка зеленоватый свет (близкий к белому). Лампы ДРЛ имеют резьбовой цоколь и ввинчиваются в те же патроны, что и лампы накаливания. Однако в сеть они включаются так же, как и люминесцентные, по особой схеме с помощью специальных пускорегулирующих аппаратов (ПРА), содержащих дроссель, конденсаторы, разрядник и др. Выпускают лампы ДРЛ мощностью 250, 500, 750 и 1000 Вт. Они являются высокоэкономичными источниками света. 6.2 Осветительная арматура Правильно организованное освещение, прежде всего, должно создавать достаточную освещенность для того, чтобы глаз человека мог легко, не утомляясь, различать все детали, необходимые при данной работе. Кроме того, освещение должно быть по возможности равномерным, без резких теней; источник света не должен быть виден непосредственно глазом (для того чтобы не было слепящего действия). Для создания необходимых условий освещения, удовлетворяющих указанным требованиям, служит осветительная арматура. Осветительная арматура вместе с помещенной в нее лампой называется светильником. Основные типы светильников, применяемых в условиях строительства с лампами накаливания, люминесцентными и ДРЛ, представлены на рис. 10.2—10,5. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 128 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 5.17 - Светильники с лампами накаливания: а — «Универсаль»; б — промышленный уплотненный (ПУ); в — кольцевой типа ПМ-1; г — «Люцетта»; д — рудничный нормальный (РН-100); е — наружного освещения типа С11О Рисунок 5.18 - Светильники с люминесцентными лампами: а — типа ОДР и ОДОР с двумя лампами по 40 или 80 Вт; б — типа ШЛД с двумя лампами по 40 или 80 Вт Рисунок 5.19 - Светильники для ртутных ламп типа ДРЛ: а — подвесного типа; б, в — консольного типа Рисунок 5.20 - Прожекторы заливающего света: Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 129 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 а — типа ПЗС-45 с лампой 1000 Вт; б — типа ПЗС-35 с лампой 500 Вт Светильники служат для освещения предметов, расположенных на относительно небольших расстояниях. В качестве осветительных приборов дальнего действия применяют прожекторы различных типов. Для освещения строительных площадок служат прожекторы заливающего света, работающие с обычными лампами накаливания мощностью от 200 до 1000 Вт (рисунок 5.20). Благодаря специальному отражателю параболической формы прожекторы дают узкий, направленный вдоль оптической оси, большой силы свет. 7 Устройство электрического освещения на строительных площадках Наружное освещение территории строительных площадок осуществляется преимущественно прожекторами заливающего света. Прожекторы (главным образом, типа ПЗС-35) устанавливают группами по 3- 4 и более на мачтах, высота которых зависит от силы света и мощности прожекторов: чем больше сила света прожектора тем выше он должен быть установлен. Целесообразно применять инвентарные переносные прожекторные мачты. Одна из конструкций таких мачт представлена на рисунке 5.21. Расстояние между прожекторными мачтами выбирается обычно от 80... 100 до 200...250 м (меньшие цифры относятся к прожекторам меньшей мощности). Для дополнительного освещения рабочих зон применяются инвентарные переносные стойки с прожекторами малой мощности (с лампами 200 Вт) или со светильниками. На рисунке 5.22 представлены такие инвентарные стойки. Кроме того, на экскаваторах и других крупных строительных машинах также обычно устанавливаются прожекторы малой мощности, дополнительно освещающие зону работы. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 130 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 5.21 - Инвентарная телескопическая прожекторная мачта типа ТПМ-6: а — вид сбоку; б — вид спереди; / — распределительный щиток; 2 — прожекторы; 3 — металлоконструкция; 4 — ручная лебедка Рисунок 5.22 - Инвентарные стойки со светильниками: а — стойка телескопическая типа ИПСК-2 с двумя светильниками для освещения работ по кирпичной кладке; б — стойка типа ПТС-2 с одним светильником для местного освещения рабочих зон Освещение дорог, не попадающих в зону, освещенную прожекторами осуществляется светильниками с арматурой наружного освещения СПО или «Универсаль» с лампами мощностью 200 - 300 Вт. Светильники подвешивают на кронштейнах к опорам (столбам) питающей их воздушной линии на высоте около 6 м от земли и на расстоянии 25... 35 м один от другого. Для этой же цели, а также и для освещения отдельных площадок территории строительства с успехом могут применяться светильники с более экономичными ртутными лампами типа ДРЛ. Общее освещение производственных предприятий строительства осуществляется или лампами накаливания, или люминесцентными лампами при Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 131 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 помощи светильников. Для сухих производственных помещений применяют светильники «Универсаль», кольцевые ПМ-1 с лампами накаливания или светильники типов ОД и ОДР с люминесцентными лампами. Сырые и пыльные помещения освещают уплотненными светильниками типа ПУ пли РН с лампами накаливания; могут применяться также светильники «Универсаль». Светильники подвешивают обычно на высоте 2,5... 3,5 м над рабочими поверхностями, расстояние между ними принимают примерно равным удвоенной высоте подвеса. Местное освещение рабочих мест в мастерских выполняется при помощи выпускаемых для этих целей светильников АМО-60 и другими с лампами накаливания. Для временного освещения строящихся зданий используют те же перечисленные выше светильники с лампами накаливания. В дополнение к общему освещению применяют, как правило, местное освещение рабочих зон, для чего используют инвентарные переносные стойки и подвесные устройства со светильниками. По требованиям техники безопасности временное освещение зданий рекомендуется устраивать на пониженном напряжении (36 В), получаемом от понижающих трансформаторов. Если же временное освещение имеет напряжение 220 и 127 В, светильники, согласно правилам, должны быть подвешены на высоте не менее 2,5 м от пола или настила; при этом должно быть обращено особое внимание на состояние изоляции проводов временной проводки, целостность изолирующей оболочки патронов и т. п. 8 Схемы сетей электрического освещения Система рабочего освещения создает нормальное освещение всего помещения и рабочих поверхностей. В такую систему входят светильники общего и местного освещения. Аварийное освещение обеспечивает освещенность для продолжения работы или останова технологического процесса и для эвакуации людей при отключении рабочего освещения. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 132 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 5.23 - Схема питания электроосвещения от двух ТП: 1 — распределительный щит; 2 — линии, отходящие к силовым РП; 3, 4 — групповые щитки соответственно рабочего и аварийного освещения; 5, 6 — групповая сеть соответственно рабочего и аварийного освещения; 7 — питающие линии освещения Участки сети от источника питания до групповых щитков освещения называются питающими, а от групповых щитков до светильников — групповыми. Питающие сети выполняются трех- и четырехпроводными по магистральной или радиально-магистральной схеме. Групповые линии в зависимости от протяженности и нагрузки могут быть двух-, трех- и четырехпроводными. Питание сетей рабочего и аварийного освещения может осуществляться вместе с силовой сетью от одного трансформатора. При наличии в цехе нескольких однотрансформаторных подстанций или одной двухтрансформаторной подстанции сети рабочего и аварийного освещения должны питаться от разных трансформаторов. Групповые линии одного помещения должны получать питание так, чтобы при погасании части ламп одних групп оставшиеся в работе группы обеспечивали минимальную освещенность до ликвидации аварии. Пример схемы питания осветительной сети приведен на рисунке 5.23. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 133 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Тема 5.3 Расчет электроэнергии. Энергосберегающие технологии Лекция 16 План: 1 Расчет электрических нагрузок 2 Определение типа и мощности силового трансформатора 3 Электропрогрев бетона 4 Электропрогрев грунта 5 Техника безопасности при электропрогреве Расчет электрических нагрузок Основой рационального решения комплекса технико-экономических вопросов электроснабжения является правильное определение ожидаемых электрических нагрузок. От этого зависят капитальные затраты в схеме электроснабжения, расход цветного металла, потери электроэнергии и эксплутационные расходы. Электрическая мощность, потребляемая электроприемником (электрическая нагрузка), меняется по часам суток и зависит от времени года: ночью она, как правило, значительно меньше, чем днем; в первую смену — несколько выше, чем во вторую; в зимние дни — в утренние часы и вечером — к нагрузке добавляется еще нагрузка от электрического освещения. Исходными данными для расчета электрических нагрузок являются установленная мощность электроприемников и характер изменения нагрузки. Под установленной мощностью (Ру) групп потребителей понимают суммарную паспортную мощность всех электроприемников. Например, установленная мощность башенного крана равна сумме номинальных мощностей всех его электродвигателей. В результате расчета определяется максимальная (расчетная) нагрузка, которая служит основой для выбора сечения токоведущих частей, потерь мощности и напряжения в сетях, выбора мощности трансформаторов и компенсирующих устройств. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 134 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Для каждой группы электроприемников существует некоторое определенное соотношение между величинами расчетной (Рр) и установленной мощности. Это соотношение называется коэффициентом спроса: КС Рр (5.1) РУ Зная установленную мощность и коэффициент спроса данной группы потребителей, можно определить расчетную мощность: РР РУ К С (5.2) К расчетной силовой нагрузке необходимо прибавить мощность на освещение. 2 Определение типа и мощности силового трансформатора Выбор типа, мощности ТП, ее расположение обуславливается величиной, характером электрических нагрузок и их пространственным расположением. Расчет ведется в такой последовательности: - определяется местоположение ТП с учетом положения опасных зон, расположения подъездных путей и дорог. Трансформаторные подстанции желательно располагать ближе к мощным потребителям; - при определении мощности трансформатора необходимо одновременно решать вопрос о компенсации реактивной мощности. При компенсации на стороне 0,4 кВ получается расчетная мощность трансформатора: ST PP2 (Q P QЭ ) 2 В , (5.3) где Рр — расчетная активная мощность нагрузки, кВт; Qp — расчетная реактивная мощность нагрузки, квар; Qэ — реактивная мощность энергосистемы (как правило, (Qэ = 0,33 Рр); В — коэффициент загрузки трансформатора (для однотрансформаторной подстанции В = 0,95...1,0). Из справочных данных выбирают ближайший трансформатор равной или большей мощности. 3 Электропрогрев бетона Существует несколько методов электротермообработки бетона. Электродный: сквозной — электроды помещаются вертикально в толщу Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 135 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 бетона. Применяется для сборных и монолитных фундаментов, стен, блоков; периферийный — электроды закрепляются в опалубке в специальных щитах или термоактивном слое опилок, смоченных раствором хлористого натрия. Применяется для одностороннего прогрева конструкций толщиной более 20 см или двустороннего — до 20 см. Индукционный — изделие помещается в переменное магнитное поле, образованное электрической обмоткой, и нагревается вихревыми токами. Применяется при прогреве сборных и монолитных конструкций: колонн, балок, рам, стволов, труб и т.д. Инфракрасный прогрев высокотемпературными нагревателями с помощью ламп накаливания, трубчатых, проволочных и других нагревателей. Применяется для прогрева монолитных конструкций сложной конфигурации и при сушке изделий. Косвенный прогрев низкотемпературными нагревателями с помощью трубчатых, плоских, струнных и других нагревателей, вмонтированных в опалубку или маты. Применяется для всех видов изделий. Инфракрасный прогрев в камерах с излучательными поверхностями. Применяется при изготовлении плит и панелей. Электропрогрев бетонной смеси вне формы, при котором смесь в горячем состоянии укладывается в форму. Применяется для возведения монолитных конструкций и при изготовлении изделий в заводских условиях. Прогрев электродным способом может производиться только переменным током, так как постоянный ток вызывает необратимые химические реакции, изменяющие структуру бетона. Сопротивление бетона зависит от его удельного сопротивления, поверхности соприкосновения с бетоном и расстояния между электродами. Электропроводность бетона, зависящая от содержания в нем влаги, по мере твердения бетона уменьшается. Для поддержания расчетного тепловыделения в бетон вводятся различные примеси — СаСl, NaCl, ускоряющие твердение и уменьшающие сопротивление бетона. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 136 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» Применяемые при прогреве электроды ОП.03 подразделяются на пластинчатые, полосовые, стержневые и струнные (рисунок 5.24). Для первых двух видов применяется кровельная сталь, для других — прутки диаметром 5... 12 мм. Пластинчатые электроды имеют вид пластин, целиком или частично закрывающих противоположные закрепляются плоскости вдоль оси по толщине длинномерных изделия. Струнные конструкций. электроды Расстояния между электродами берутся в соответствии с рисунком 5.24. Особенно важным является электропрогрев в зимнее время. Замерзание бетона в процессе твердения снижает его прочность, причем тем больше, чем раньше он был заморожен. По достижении бетоном 50...60% прочности замораживание не влияет на конечную прочность бетона. Исходя из этого выбирают режим прогрева. Рисунок 5.24 - Электродный метод электропрогрева бетона: а — при помощи стержневых электродов; б— струнных; в — пластинчатых; 1 — бетон; 2 — электроды; 3 —-арматура; 4— опалубка; 5— крюки; 6 — выводы электродов для присоединения к питающей сети; 7 — провод Длительный режим применяется для массивных конструкций, ускоренный режим — для облегченных конструкций, промежуточный режим — для остальных конструкций. Кроме того, возможен ступенчатый режим с несколькими изотермическими ступенями (применяется для монолитных и сборных предварительно нагруженных конструкций), режим «изотермический пригрев и остывание», при котором прогрев осуществляется по методу электроразогрева вне формы (приРазработчик Терещенко Е.В. Стр. 137 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» меняется для монолитных постоянным напряжением импульсный режим с конструкций), тока пригрева попеременным ОП.03 саморегулирующийся (для массивных отключением тока. режим с конструкций), Максимальная температура процесса ограничивается предельно допустимой для определенной марки бетона (обычно 40...80°С). Электропрогрев бетона производится при помощи специальных трехфазных трансформаторов с масляным охлаждением с изменением напряжения ступенями. Наряду с трехфазными могут быть использованы однофазные, в том числе сварочные, трансформаторы, подключаемые трехфазными группами. Сварочные трансформаторы рассчитаны на повторно-кратковременный режим, и их непрерывная нагрузка при прогреве должна составлять 60...70% номинальной. Электропроводку от понизительных трансформаторов до места электропрогрева выполняют только изолированными проводами с креплением на деревянных опорах, на изоляторах или специальных переносных опорах в виде козел. Во избежание потерь в линиях трансформаторы должны располагаться как можно ближе к электродам в месте прогрева бетона. Контакты соединительных проводов с электродами и с другими проводами обеспечиваются с помощью болтов или съемных зажимов. Измерение температуры бетона при электропрогреве производят термометрами в скважинах, заранее заготовленных, не менее трех в каждом конструктивном элементе. В первые 5...6 ч температуру измеряют через каждый час, в последующие 18 ч — через 2 ч и в остальное время — 2 раза в смену. Для электропрогрева бетона, кирпичной кладки, оштукатуренных поверхностей используются внешние источники тепла. Электропрогрев изделий с использованием внешних источников тепла, в отличие от электродного прогрева, происходит за счет тепла, которое выделяется вне конструкции и передается бетону через промежуточные материалы (опилки, воду, воздух, пар, металлические стенки) или же за счет лучеиспускания. Так как внешний электропрогрев ниже электродного, он применяется только для изделий Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 138 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 сложной конфигурации. Прогрев бетона электрическими печами сопротивления. В электрических печах сопротивления, применяемых для косвенного прогрева бетона, нагревательным элементом служит нихромовая или фехралевая проволока. Простейшая отражательная печь, предназначенная для электропрогрева бетонных и железобетонных изделий небольшой толщины, представляет собой деревянный желоб параболической формы из шпунтованных досок толщиной 40 мм. Для прямого электропрогрева используют инвентарные электрощиты. Электрощит представляет собой раму из уголков, внутри которой на стальном листе толщиной 1 мм по слою тонкой изоляции уложена нагревательная стальная или нихромовая проволока. Сверху проволока изолирована листовым асбестом и слоем минеральной ваты толщиной 20...30 мм, защищенным листом кровельного железа. При прогреве несколько таких щитов включаются последовательно. Температура бетона регулируется включением в цепь разного числа электрощитов. Для прогрева железобетонных труб и колец используют цилиндрические печи с нагревательной спиралью, намотанной на кусок асбоцементной трубы. Электропрогрев при помощи термоактивного слоя. Прогреваемую конструкцию покрывают слоем опилок, смоченных для повышения электропроводности слабым раствором соли (3...5 %). В опилки закладывают электроды из круглой или полосовой стали, включаемые в сеть. При включении тока опилки нагреваются и тепло передается конструкции. Для увеличения электропроводности опилок их после засыпки слегка прессуют. Температура опилок поддерживается на уровне 80...90°С. Необходимая мощность в период подъема температуры 7...8 кВт на 1 м 3 бетона, а расход электроэнергии на прогрев такого же объема бетона достигает 120... 160 кВт·ч. Прогрев при помощи термоформ с нагревательными элементами. При электропрогреве сборных железобетонных изделий применяют панели из токопроводящей резины. Электропроводность такой резины создается за счет большого содержания в ней сажи. Нагревательные панели имеют средний Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 139 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 токопроводящий слой толщиной 2 мм, в который заделаны электроды из латунной сетки или полосы, и два наружных слоя из обычной резины толщиной 0,5 мм. Важным преимуществом этого способа является герметизация изделия в процессе его прогрева, исключающая испарение влаги из бетона. Электропропаривание. Паровая среда в пропарочной камере создается с помощью электрических нагревательных элементов-спиралей или электродов, установленных в нижней части камеры. Мощность нагревательных устройств определяется из расчета 7...8 кВт на 1 м3 прогреваемых изделий. К нагревателям подается сетевое напряжение. Для ускорения нагрева изделия рекомендуется применять вместо воды 0,5%-ный раствор поваренной соли. Способ электропропаривания железобетонных изделий применяется для изделий сложной конфигурации. Электропрогрев инфракрасными лучами. При инфракрасном прогреве, в отличие от других способов внешнего обогрева бетона, обеспечивается непосредственная передача тепловой энергии от источника излучения к нагреваемому изделию. В качестве источников инфракрасного излучения используются лампы накаливания типа ЗН мощностью 300 и 500 Вт при напряжении 127 и 220 В. Применяются также обычные лампы накаливания мощностью 200...500 Вт. Мощность, необходимая для электропрогрева бетона, являющаяся одним из основных факторов, определяющих выбор электрооборудования и расчет питающей сети, зависит от модуля поверхности прогреваемой конструкции, температуры прогрева, температуры наружного воздуха, начальной температуры бетона, конструкции опалубки, эффективности утепления и особенно от скорости разогрева бетона. В качестве источников питания для электропрогрева применяют, как правило, трансформаторы. Выпускается комплектная трансформаторная подстанция наружной установки КТП-ОБ-63У1, предназначенная для электропрогрева грунта и бетона. В КТП установлен трансформатор ТМОБ-63 номинальной мощностью 63 Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 140 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 кВА. 4 Электропрогрев грунта Электропрогрев грунтов применяют в тех районах, в которых имеется свободная электрическая мощность (например, вблизи мощных гидростанций). Существует несколько способов электропрогрева грунтов, из которых наиболее удобным, дешевым и безопасным является электродный способ с непосредственным подключением установок электропрогрева к существующим электросетям напряжением до 380 В. Электродный способ заключается в том, что через грунт пропускается электрический ток напряжением 220 или 380 В. Электропроводность грунта зависит от степени его влажности, состояния и температуры, наличия в грунте растворов солей, кислот, от строения грунта и т.п. Сложность строения грунта и происходящие в нем физические явления и изменения, связанные с тепловыми процессами, значительно влияют на его электрическое сопротивление. Поверхность прогреваемого участка грунта засыпается на 15...25 см слоем опилок, смоченных водным раствором соли (поваренной, хлористого кальция) или соляной кислоты, имеющими назначение первоначально проводить ток и утеплять грунт; даже при напряжении 380 А ток практически не проходит через мерзлый грунт. При электропрогреве грунта горизонтальными электродами (рисунок 5.25, а) тепло передается грунту главным образом от нагревающегося слоя опилок, а участие самого грунта в цепи тока относительно небольшое. Только незначительный верхний слой грунта, прилегающий к электродам, включается в электроцепь и является сопротивлением, в котором выделяется тепло. Горизонтальные электроды применяются при отогреве грунта на небольшую (до 0,5...0,7 м) глубину, а также в тех случаях, когда вертикальные электроды неприменимы вследствие малой электропроводности грунта или невозможности забивки их в грунт, смешанный, например, с щебнем. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 141 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Рисунок 5.25 - Электропрогрев грунта: а — горизонтальными электродами: 1 — электроды; 2 — опилки, смоченные раствором соли; 3 — подводка электроэнергии; 4 — верхнее утепление (толь, маты и т.п.); 5 — грунт; б — вертикальными электродами: 1 — подвод электроэнергии; 2 — опилки с утеплителем; 3 — грунт; 4 — электроды Отогрев вертикальными электродами (рисунок 9.25, б) более эффективен и применяется при глубине мерзлого грунта более 0,7 м, а также при малом контакте между горизонтальными электродами и грунтом. В твердые грунты (глинистые и песчаные с влажностью более 15...20%) электроды забиваются на глубину 20...25 см, а затем осаживаются по мере оттаивания грунта. При оттаивании на глубину 1,5 м рекомендуется иметь два комплекта электродов — коротких и длинных. По мере оттаивания грунта короткие электроды заменяются длинными. Отогрев грунта на глубину 2 м и более следует производить ступенями с периодическим удалением оттаявших слоев (при выключенном токе). При вертикальных электродах грунт засыпается опилками, которые сначала служат побудителем к прогреву верхнего слоя грунта. По мере оттаивания слои грунта включаются в цепь, после чего опилки только уменьшают теплопотери оттаиваемого грунта. Вместо опилок побудителем могут служить бороздки, пробитые зубилом между всеми электродами на глубину 6 см и залитые раствором соли. При покрытии поверхности отогреваемого грунта слоем сухих опилок, как показывает практика, устройство бороздок дает очень хорошие результаты. В целях экономии электроэнергии и максимального использования мощности средняя положительная температура прогреваемого грунта не должна превышать 2...5 0С, в отдельных точках — 15...20 0С; прогрев следует вести участками с Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 142 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 перерывами в питании их током. Требуемая мощность и расход энергии при температуре грунта 15 0С в среднем на каждый кубический метр составляют 3,5 кВт при расходе электроэнергии 30 кВт·ч. За последние годы разработан и внедрен в производство в северных районах страны отогрев грунта электроэнергией напряжением до 10 кВ. По сравнению с напряжением 380 В применение для электропрогрева мерзлого грунта электродов с напряжением 10 кВ позволяет ускорить производство работ и сокращает их стоимость. Потребное количество электродов уменьшается, а расстояние между ними увеличивается. Сокращается объем подготовительных работ по погружению электродов в грунт. Основное количество тепла выделяется около электродов, остальная часть грунта прогревается до отрицательной температуры, близкой к 0°С за счет тепловой энергии, аккумулированной около электродов. Грунт прогревается снизу вверх, за счет этого уменьшаются потери тепла в атмосферу. Прогрев мерзлого грунта до температуры — 1,5... — 0,5 °С создает весьма благоприятные условия для его разработки землеройными механизмами, так как при полном оттаивании грунт примерзает к ковшу экскаватора или отвалу бульдозера. Кроме того, увлажненный грунт, удаленный в отвал, смерзается, что вызывает дополнительные затраты при его погрузке в транспортные средства или при обратной его засыпке. 5 Техника безопасности при электропрогреве Техника безопасности при электропрогреве при напряжении до 10 кВ мерзлого грунта заключается в полном исключении попадания людей и животных в зону опасных шаговых напряжений. Многократными измерениями установлены величины шаговых напряжений в грунтах при рабочем напряжении на электродах 10 кВ; безопасное шаговое напряжение 40 В наблюдалось, как правило, на расстоянии 9... 10 м от электродов, участвующих в прогреве грунта. Напряжения измерялись между вертикальными контрольными электродами, заглубленными в грунт на 1,5 м Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 143 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 и на 5...7 м. Ограждение опасной зоны электропрогрева предусматривает расположение на расстоянии 15 м от крайних рабочих электродов многоярусного мягкого веревочного барьера, укрепленного на инвентарных деревянных опорах. Концы веревок крепятся к рычагам конечных выключателей, устанавливаемых на опорах. Конечные выключатели срабатывают при натяжении любой из горизонтальных веревочных преград, что вызывает отключение напряжения подводимого к установке электропрогрева грунта. Раздел 6 Основы электроники Тема 6.1 Физические основы электроники Лекция 18 План: 1 Электропроводность полупроводников 1 Электропроводность полупроводников Полупроводниками называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлом и диэлектриками. Для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge и кремний Si, а также арсенид галлия GaAs. Атомы в кристаллической решетке связаны за счет обменных сил, возникающих при попарном объединении валентных электронов соседних атомов, при этом каждый из атомов остается электрически нейтральным. Такая связь называется ковалентной. Полупроводник, в узлах кристаллической решетки которого находятся только атомы самого полупроводника, называется собственным. При повышении температуры возникает колебание решетки, ковалентные связи между атомами могут разрываться, что приводит к образованию поры носителей заряда – свободного электрона и незаполненной связи – дырки. Процесс Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 144 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 образования электронно-дырочных пар называется генерацией носителей заряда. Незаполненная электроном связь быстро заполняется одним из валентных электроном соседнего атома, на месте которого образуется дырка. Электроны и дырки совершают хаотическое движение в течение некоторого времени, после чего свободный электрон возвращается на место разорванной валентной связи, при этом исчезает пара свободных носителей заряда. Процесс этот называется рекомбинацией. В полупроводниковых приборах используются примесные полупроводники, у которых число носителей заряда существенно увеличивается. При введении в кремний атома элемента V группы Периодической таблицы элементов Д.И. Менделеева (например, мышьяк As, сурьма Sb, фосфор Р) четыре его валентных электрона вступают в связь с четырьмя соседними электронами кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов. Девятый электрон слабо связан с ядром пятивалентного элемента, он отрывается и становится свободным. Дырки при этом не образуются. Примесные полупроводники Примесный атом становится ионом с положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной, а полупроводники электронными или n - типа электропроводности. В таких полупроводниках электроны свободны, а дырки связаны. Если в кремний введен атом трехвалентного элемента (например, бор В, алюминий Аℓ, индий In), то все три валентных электрона вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния. Для устойчивости оболочки не хватает одного. Им является один из валентных электронов, отбираемый от соседнего атома, у которого образуется незаполненная связь – дырка. Примесь такого типа называется акцепторной, а полупроводники – дырочными или р- типа электропроводности. Дырки в них свободны, а электроны связаны. Носители зарядов, преобладающими в данном полупроводнике называются основными. В полупроводниках n – типа основные носители заряда – электроны, а не основные Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 145 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 –дырки. В полупроводниках р - типа основные носители заряда дырки, а не основные – электроны. Электронно-дырочный переход Электронно – дырочным переходом называется обедненный свободными носителями зарядов слой полупроводника, разделенный на электронную и дырочную области. Рассмотрим свойства равновесного полупроводника при отсутствии внешнего напряжения (рис.1). Предположим, что кристалл разделен на две области: левая область р – дырочная, а правая область n- электронная. Дырки под действием сил теплового движения из области р переходят в область n, где они уже будут не основными носителями, а электроны из области n переходят в области р, где тоже будут не основными носителями. Из-за ухода через переход на его правой границе создается пространственный заряд отрицательный, а с левой стороны образуется положительный пространственный заряд из-за ухода электронов. Образование пространственных зарядов в р-n переходе приводит к появлению контактной разности потенциалов. За счет контактной разности потенциалов создается электрическое полн. Оно препятствует диффузии дырок и электронов через переход и стремится вернуть дырки и электроны в свои области. Поэтому в центральной части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей зарядов и поэтому с большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим, т. е. препятствующим прохождению тока. Внутреннее поле подхватывает не основные носители каждой области и переносит их в соседнюю, образуя дрейфовый ток. В состоянии равновесия дрейфовый и диффузионный токи равны и противоположны. Общий ток равен нулю. В зависимости от концентрации основных носителей заряда переходы подразделяются на симметричные и в областях р-n несимметричные. У симметричного р- n перехода концентрация основных носителей зарядов в обоих областях одинаковая, а у несимметричного концентрация основных носителей зарядов в одной из областей выше, чем в другой. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 146 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 По площади р-n переходы делятся на: плоскостные - у которых линейные размеры, определяющие площадь перехода, значительно превышает его толщину; и точечные – у которых эти размеры меньше толщины перехода. Наибольшее применение получили несимметричные плоскостные р-n переходы. Если к пластине полупроводника с р-n переходом подключить источник Рис.6.1. Прямое (2) и обратное включение (3) p-n перехода постоянного тока напряжением U плюсом к р- области, а минусом к n – области (рис.6.1, 2), в полупроводнике возникает электрическое поле Епр, направленное навстречу полю пространственных зарядов Ек и результирующее поле Ер в р-n переходе будет меньше поля Ек, понизится потенциальный барьер, ток диффузии увеличится. Такое включении р-n перехода называется прямым включением, а внешнее напряжение такой полярности прямым напряжением Uпр. Так как диффузионный ток стал больше дрейфового тока, то через переход, а следовательно, и через пластину начнет проходит прямой ток Iпр. Если прямое напряжение плавно увеличивать, ток Iпр будет расти, сопротивление запирающего слоя уменьшается. Этот процесс называется инжекцией. Если к р-n переходу приложить напряжение обратной полярности (рис.6.1, 3), то в полупроводнике возникнет электрическое поле Еобр, совпадающее по направление с полем Ек, и результирующее поле Ер станет больше поля Ек. Потенциальный барьер увеличится, сопротивление запирающего слоя увеличивается. Такое включение р-n перехода называется обратным включением, Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 147 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» а внешнее напряжение обратным напряжением ОП.03 Uобр. Ток, обусловленный преимущественно не основными носителями зарядов, называется обратным током Iобр Основное свойство р-n перехода – односторонняя проводимость, т.е. зависимость его сопротивления от полярности приложенного напряжения. При прямом включении перехода его сопротивление мало, а при обратном велико, таким образом р-n переход обладает односторонней проводимостью. Основные показатели, характеризующие р-n переход : Uк – контактная разность потенциалов барьера (высота потенциального барьера); d – ширина р-n перехода , которая зависит от концентрации примеси в полупроводнике. Прямое включение р-n перехода уменьшает высоту и ширину потенциального барьера, обратное включение наоборот увеличивает высоту и ширину потенциального барьера. Вольт- амперная характеристика р-n перехода (ВАХ) Рис. 6.2. Вольт-амперные характеристики: выпрямительного диода (б) и стабилитрона (в) ВАХ – это зависимость тока, протекающего через р-n переход, от приложенного напряжения: Iр-n = f (Uр-n). Iпр = f (Uпр) - ВАХ прямо включенного р-n перехода Iобр = f (Uобр) – ВАХ обратно включенного р-n перехода Iпр>>Iобр Uобр>> Uпр Переход обладает свойством односторонней проводимости. Ток через р-n переход при его прямом включении (р +, n- ) значительно больше по величине , чем обратном (р -, n+). Прямые токи для различных переходов могут иметь Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 148 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 величину от единиц мА до единиц А. Обратные токи имеют порядок величин от единиц до сотен мкА. Большой прямой ток приводит к выделению на р-n переходе большой тепловой энергии, поэтому прямые напряжения обычно небольшие, порядка 0,2 – 1,5 В. Обратные напряжения могут быть значительно выше – 5- 100 В и более Прямая ветвь ВАХ имеет два участка: начальный нелинейный ОА и линейный АБ. Из характеристики видно, что с ↑Uпр ↑Iпр. При больших обратных напряжениях возникает резкое увеличение обратного тока электрическим пробоем р-n перехода, этот – это явление называют процесс обратимый. При уменьшении обратного напряжения до величины, меньшей критической, обратный ток резко уменьшается (участок ВГ). При значительном увеличении обратного напряжения происходит нарушение равновесия между выделяемым в р-n переходе и отводимым от него теплом, что приводит к возникновению теплового пробоя, этот процесс необратим и связан с разрушением структуры полупроводника Рисунок 6.3 - Кристаллическая решетка полупроводников: а – парноэлектронная связь атомов, б – ее схематическое изображение, в – связи в кристаллической решетке германия Рисунок 6.4 - Схема связи примесей с германием: а - пятивалентной (донорной), б — трехвалентной (акцепторной) Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 149 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Тема 6.2 Полупроводниковые приборы Лекция 19 План: 1 Полупроводниковые диоды 2 Транзисторы 1 Полупроводниковые диоды Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (n-типа), а другой — с дырочной (р-типа, рисунок 6.6, а). Вследствие большой концентрации электронов в полупроводнике n-типа будет происходить диффузия их из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок из второго полупроводника р-типа в первый n-типа. В тонком положительный пограничном слое заряд, а в полупроводника пограничном слое n-типа полуводника возникает р-типа — отрицательный заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью Еп, которая препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим р-n -переходом. Рисунок 6.6 - Полупроводниковый вентиль и его схема включения: а — общий вид, 6 — схема включения в обратном направлении, в — схема включения в прямом направлении Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 150 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электродом полупроводника n-типа, а отрицательный зажим с электродом полупроводника р-типа, получим внешнее электрическое поле Ев, направленное согласно с полем р-n-перехода Еп, усиливающее его (рисунок 6.6, б). Такое поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой и через диод пройдет малый обратный ток Iобр, обусловленный не основными носителями заряда. Обратный ток диода в значительной мере зависит от температуры, увеличиваясь с ее повышением. При изменении полярности источника питания (рисунок 6.6, в) внешнее электрическое поле Ев, окажется направленным встречно полю р-n -перехода Еп и под действием этого поля электроны и дырки начнут двигаться навстречу друг другу и число основных носителей заряда в переходном слое возрастет, уменьшая потенциальный барьер и сопротивление переходного слоя. Таким образом, в цепи устанавливается прямой ток Iпр, который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении источника питания. На рисунке 6.7 показана вольт-амперная характеристика германиевого диода и его условное обозначение. Для большей наглядности прямая ветвь (правая часть графика) и обратная ветвь (левая часть графика) характеристики изображены в различных масштабах. Характеристика показывает, что при небольшом прямом напряжении Uпр=1В на зажимах диода в его цепи проходит относительно большой ток, а при значительных обратных па-пряжениях Uобр ток Iобр ничтожно мал. Рисунок 6.7 - Вольт-амперная характерстика германиевого диода и его условное обозначение Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 151 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» Таким образом, полупроводниковый ОП.03 диод обладает односторонней проводимостью, т. е. является электрическим вентилем. Промышленность производит электрические вентили германневые, кремниевые, селеновые п медпозакисные. Германиевые и кремниевые вентили изготовляют двух типов: точечные и плоскостные. У точечного германиевого диода (рисунок 6.8, а) помещен кристалл германия 5 с электронной проводимостью, в который острием входит контактный пружинящий вывод анода 3. Под контактным острием в результате специальной термической обработки создается область с дырочной проводимостью. В плоскостном германиевом диоде (рисунок 6.8, б) на пластину германия 5 с электронной проводимостью накладывается таблетка из индия, которая в процессе изготовления диода нагревается до 500 0С п плавится так, что ее атомы диффундируют в германий, образуя область с дырочной проводимостью. Рисунок 6.8 - Конструкция германиевого диода: а – точечного, б – плоскостного; 1—изолятор, 2 — корпус,3 — вывод анода, 4 — припой, 5 — кристалл, 6 — кристаллодержатель, 7 — внешние выводы На границе двух областей (с электронной и дырочной проводимостью) появляется запирающий р-n-переход. Как в точечном, так и в плоскостном диоде германий 5 припоем 4 укреплен на кристаллодержателе 6, к которому приварен вывод катода (нижний) 7. Вывод анода 3 также припоем 4 укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхней части диода. Металлический корпус 2 сварен кристаллодержателем 6 и стеклянным изолятором /. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 152 из 92 Версия 1 05.01.2015 с ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» Кремниевые диоды отличаются от ОП.03 германиевых не только материалом полупроводника, но и некоторыми преимуществами, а именно: более высокой предельной температурой, много меньшим обратным током, более высоким пробивным напряжением. Однако сопротивление кремниевого вентиля в прямом направлении значительно больше, чем германиевого. 2 Транзисторы Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния или германия, состоящую из трех областей. Дне крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — противоположной проводимостью. Транзисторы, у которых крайние области обладают электронной проводимостью, а средняя—дырочной проводимостью, называются транзисторами n-р-n-типа (рисунок 6.9 а); транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а средняя электронной проводимостями — транзисторами n-р-n-типа (рисунок 6.9, б). Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны. Эмиттер является областью, испускающей носители зарядов электронов в транзисторе n-р-n-типа и дырок в транзисторе р-n-р -типа , коллектор - область, собирающая носители зарядов, база — средняя область, основание. В условиях работы транзистора к левому р-n-переходу прикладывается напряжение эмиттер — база Uэ в прямом направлении, а к правому р-n-переходу — напряжение база — коллектор Uк — в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области эмиттера), преодолевая рn-переход, переходит в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, приближаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное внешним источником Uк.. Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 153 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 Рисунок 6.9 - Структура и графическое обозначение транзисторов: а — n-р-n-типа, б — р-n-р –типа Рисунок 6.10 - Схема включения транзистора р-n-р –типа В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов противоположной полярности, образующими ток базы Iб. Таким образом, ток коллектора I К I Э I Б , —окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение I К - называется коэффициентом усиления по току. I Э Возможны три схемы включения транзисторов: с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором. Название схемы показывает, какой электрод транзистора является общим для входной и выходной цепей. Схемы включения транзисторов отличаются своими свойствами, но принцип усиления колебаний остается одинаковым. Устройство плоскостного германиевого транзистора р-n-р- типа показано на Рисунок 6.11. Базой является пластина 3 из кристаллического германия с электронной проводимостью. С двух сторон в пластину вплавлены индиевые электроды, служащие эмиттером 6 и коллектором 8. При плавлении индия между каждым из этих электродов и германиевой пластиной — базой образуются области Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 154 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ 04/03 КЛ 08-3.3. ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» ОП.03 с дырочной проводимостью и создаются эмиттерный 7 и коллекторный 2 р-nпереходы. Коллектор 8 крепится на кристаллодержателе 1, от которого наружу проходит вывод коллектора 9. Выводы от эмиттера 5 и базы 4 изолированы от корпуса стеклянными проходными изоляторами. Транзистор помещается в металлический корпус. Рисунок 6.11 - Устройства плоскостного германиевого транзистора р-n-р- типа: 1 — кристаллодержатель, 2 — коллекторный переход, 3 — база, 4 — вывод базы. 5 — вывод эмиттера, 6 — эмиттер, 7 — эмиттерный переход, 8 — коллектор, 9 — вывод коллектора Транзисторы по сравнению с электронными лампами имеют следующие преимущества: большую механическую прочность и долговечность, постоянную готовность к работе, малые габариты и массу, низкое напряжение питания и высокий кпд; кроме того, отсутствует цепь накала и, следовательно, упрощена схема и нет потребления мощности для разогрева катода. К недостаткам транзисторов относится зависимость режима работы его от температуры окружающей среды, небольшая выходная мощность, чувствительность к перегрузкам, разброс параметров, вследствие которого отдельные транзисторы одного типа значительно отличаются друг от друга по своим параметрам, большое различие между входными и выходными сопротивлениями. Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 155 из 92 Версия 1 05.01.2015 ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ ГОУ СПО «Беловский политехнический техникум» 04/03 КЛ 08-3.3. ОП.03 Литература 1. Петленко, Б. И. Электротехника и электроника [Текст] : учебник для студ. учреждений сред.проф. образования / Б.И. Петленко. Ю.М. Иньков, А.В. Крашенинников и др.; под ред Б.И. Петленко. – М М: Издательский центр «Академия», 2009.- 320с. 2. Зайцев, В. Е. Электротехника. Электроснабжение, электротехнология и электрооборудование строительных площадок [Текст]: Учебное пособие / В. Е. Зайцев, Т. А. Нестерова. - М.: Мастерство, 2011. - 208 с. Интернет-ресурсы: 1. dvoika.net [Электронный ресурс] / http://dvoika.net/ - Учебные пособия для студентов университетов и абитуриентов - лекции, курсовые, задачи, чертежи, лабораторные работы. 2. home.tula.net/tgpu/resources/Elektrotehnika/index.htm [Электронный ресурс] / http://home.tula.net/tgpu/resources/Elektrotehnika/index.htm - Краткий курс лекций. Воропаев Е.Г. Электротехника 3. news.elteh.ru [Электронный ресурс]/ http://news.elteh.ru/ - Информационносправочное издание. Новости электротехники Разработчик Терещенко Е.В. Стр. 156 из 92 Версия 1 05.01.2015
