Politechnika Wrocławska Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych. Materiał ilustracyjny do przedmiotu. (Cz. 1)

Transkrypt

1 Prowadzący: Politechnika Wrocławska nstytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Materiał ilustracyjny do przedmiotu ELEKTROTECHNKA (Cz. 1) Dr inż. Piotr Zieliński (-29, A10 p.408, tel ) Wrocław 2003/4

2 Elektrotechnika Opis kursu Przedmiot rozpoczyna się ugruntowaniem podstawowych pojęć i praw elektrotechniki, oraz metod analizy obwodów prądu stałego i przemiennego. W drugiej części przedmiotu omawiane są najważniejsze, z punktu widzenia inżyniera mechanika, praktyczne aplikacje poznanych praw - transformatory, maszyny elektryczne prądu stałego i przemiennego (ze szczególnym uwzględnieniem silników indukcyjnych) oraz zasady bezpiecznego korzystania z energii elektrycznej.

3 Elektrotechnika (Zawartość tematyczna) Podstawowe pojęcia i prawa elektrotechniki Obwody elektryczne prądu stałego metody rozwiązywania. Elektromagnetyzm podstawowe zależności, materiały ferromagnetyczne, obwody magnetyczne. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej, indukcyjność własna, wzajemna. Przemiany energii z udziałem energii elektrycznej i mechanicznej podstawowe prawa i zależności. Prąd przemienny - elementy R,L,C w obwodach prądu sinusoidalnego. Obwody rezonansowe, kompensacja mocy biernej, filtry. Obwody prądu trójfazowego zastosowania, metody analizy. Transformatory budowa, zasada działania i analiza pracy. Rodzaje transformatorów i ich zastosowania, transformatory specjalne. Silniki indukcyjne rodzaje budowy, zasada działania. Rodzaje pracy silników indukcyjnych, charakterystyki robocze, rozruch, hamowanie, regulacja prędkości, zastosowania. Maszyny synchroniczne budowa, zasada działania, zastosowania. Maszyny prądu stałego budowa, zasada działania. Rodzaje pracy silników prądu stałego, charakterystyki robocze, rozruch, hamowanie i regulacja prędkości, zastosowania. Maszyny elektryczne specjalne: silniki wykonawcze, skokowe, liniowe, siłowniki budowa, zastosowania. Przesył i rozdział energii elektrycznej. Zasilanie zakładów przemysłowych i stanowisk pracy. Zabezpieczenia urządzeń elektrycznych, środki ochrony przeciwporażeniowej.

4 Literatura Literatura podstawowa 1. Elektrotechnika, skrypt Pol.Wr. pod redakcją P. Zielińskiego (1990). 2. Elektrotechnika dla nieelektryków. Ćwiczenia laboratoryjne, Zbiór zadań, skrypt Pol.Wr. pod redakcją P. Zielińskiego (2000). 3. Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. Podręczniki akademickie, praca zbiorowa, WNT Literatura uzupełniająca 1. B. Miedziński: Elektrotechnika. Podstawy i instalacje elektryczne, PWN E. Koziej, B. Sochoń: Elektrotechnika i elektronika. PWN 1986.

5 Warunki zaliczenia zaliczenie testów pisemnych, zaliczenie ćwiczeń laboratoryjnych. Prowadzący: Dr inż. Piotr Zieliński (-29, A10 p.408, tel ) Konsultacje: Poniedziałki Czwartki

6 ELEKTROTECHNKA - POJĘCA WSTĘPNE Ładunek elektryczny Napięcie elektryczne Pojemność elektryczna Prąd elektryczny Podstawowe prawa obwodów elektrycznych

7 Ładunek elektryczny (Q) Ładunek elektronu (elementarny ładunek ujemny) -1, C Ładunek protonu (elementarny ładunek dodatni) +1, C Jednostka ładunku - 1Coulomb 1C1A 1s Nośniki ładunku elektrycznego: elektrony swobodne jony dodatnie (atom lub cząsteczka pozbawiona elektronu) jony ujemne (atom lub cząsteczka z dołączonym elektronem) Pole elektrostatyczne -przestrzeń wokół nieruchomego ładunku. W polu elektrostatycznym na wprowadzone tam ładunki działają siły. Siły działające między dwoma ładunkami punktowymi Q 1 i Q 2 odległymi o r [m] można obliczyć na podstawie prawa Coulomba: F Q Q 1 4π ε r 2 2 gdzie ε - przenikalność elektryczna ośrodka ε o -przenikalność elektryczna próżni wynosi A s /V m

8 Napięcie elektryczne Napięcie elektryczne między dwoma punktami U AB - jest to stosunek pracy A, jaką należy włożyć na przesunięcie między tymi punktami ładunku Q, do wartości tego ładunku. A + Q B U AB A Q AB Uwaga! Wartość pracy A AB nie zależy od kształtu drogi jakąładunek jest transportowany między punktami A i B. [ 1V ] [ 1J] [ 1As] [ 1Ws] [ 1As] Jednostką napięcia elektrycznego jest 1V (wolt)

9 Napięcie jako różnica potencjałów Potencjał elektryczny danego punktu (A) V A - jest to stosunek pracy A, jaką należy włożyć na przesunięcie ładunku Q z tego punktu do nieskończoności, do wartości tego ładunku. V A A A Q B A + Q Zatem U AB A A + Q A B V A V B

10 Pojemność elektryczna ( C ) Pojemność kondensatora jest zdefiniowana jako: stosunek ładunku Q, zgromadzonego na jego okładkach pod wpływem przyłożonego napięcia U, do wartości tego napięcia. C def Q U [F] Podstawową jednostką pojemności jest 1F (farad). Praktyczne jednostki pochodne to: 1µF 10-6 F; 1nF 10-9 F; 1pF F Pojemność kondensatora zależy od jego parametrów konstrukcyjnych i jest równa: d S ε C ε d S ε - przenikalność dielektryka między okładkami kondensatora S - powierzchnia okładek d -odległość między okładkami

11 PRĄD ELEKTRYCZNY Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunku elektrycznego. Natężenie prądu elektrycznego - i dq dt A [ ] Natężenie prądu stałego - (niezmiennego w czasie) Q t A [ ] Definicja 1 ampera 1 amper jest natężeniem prądu elektrycznego nie ulegającego żadnym zmianom, który przepływając w dwóch równoległych, prostoliniowych przewodach o nieskończonej długości i znikomo małym przekroju poprzecznym, umieszczonych w próżni w odległości 1m od siebie wytwarza między tymi przewodami siłę równą N na każdy 1metr długości przewodu.

12 Gęstość prądu J natężenie prądu przekrój przewodu S A m 2 Praktyczną jednostką gęstości prądu jest 1A/mm 2

13 Zjawiska towarzyszące przepływowi prądu elektrycznego powstawanie pola magnetycznego, oddziaływania dynamiczne na przewód, z prądem w polu magnetycznym, zjawiska cieplne, wymiana materii (w elektrolitach).

14 OBWÓD ELEKTRYCZNY- PRAWO OHMA Droga zamknięta, wzdłuż której płynie prąd elektryczny, zwana jest obwodem elektrycznym. U źr U odb R odb Prawo Ohma U const R [ Ω] R rezystancja (oporność) l długość S przekrój poprzeczny ρ - rezystywność [Ωm] (oporność właściwa) R l ρ Ω S [ ]

15 Prawo Ohma - cd Konduktancja (przewodność) G 1 [ S] R (simens) Konduktywność (przewodność właściwa) γ 1 1 ρ [ S m ] Rezystancja R l Ω γ S [ ] Zależność rezystancji od temperatury R R ( α ϑ) α 20 - temperaturowy współczynnik rezystancji [1/ o C] ϑ - przyrost temperatury w stosunku do 20 o C

16 Obwody prądu elektrycznego nierozgałęziony rozgałęziony 1 R3 3 U źr U odb R odb R1 E1 R2 2 E2 R4 E3 R5 5 R6 6 4 Elementy obwodów : gałąź - zbiór szeregowo połączonych elementów węzeł - punkt połączenia minimum trzech gałęzi oczko - zbiór połączonych ze sobą gałęzi tworzących obwód zamknięty

17 prawo Kirchhoffa: Algebraiczna suma prądów zbiegających się w węźle równa się zero. 2 n 1 3 k k

18 prawo Kirchhoffa: W obwodzie zamkniętym, algebraiczna suma napięć źródłowych i odbiornikowych jest równa zero. 3R3 3 E1 1 1R1 E2 4 4R4 n k, l 1 ( E k, U l ) 0 2R2 2 E R R R E R 0

19 Obliczanie obwodów elektrycznych Szeregowe łączenie rezystancji R 1 R 2 R R z R1 R2 R3 Równoległe łączenie rezystancji R 1 R 2 R Rz Rz Rz Rz 3 G z G1 + G2 + G3 +

20 Praca i moc prądu elektrycznego da u dq i A t 0 u i dq dt dt Dla stałych wartości napięcia i prądu, wyrażenia na pracę i moc przyjmują postać: A U t [ Ws] da p u i P U [ W ] dt

21 Praca i moc odbiornika E1 R odb U odb R odb Moc odbiornika Praca odbiornika (prawo Joule a) P odb U odb A odb U odb t P 2 R A 2 R t odb odb odb odb

22 Elektromagnetyzm Poruszający się ładunek elektryczny Q generuje pole magnetycznego. +Q v H, B Na ładunek elektryczny poruszający się w polu magnetycznym działa siła. F +Q v B

23 Wielkości charakteryzujące pole magnetyczne w danym punkcie Natężenie pola magnetycznego ( H ) -jego wartość zależy od konfiguracji obwodów elektrycznych i wartości prądów w nich płynących, które generują pole magnetyczne. dl 1r dh r 1 2 4π A m ndukcja magnetyczna ( B ) -jej wartość zależy od wartości natężenia pola H oraz od właściwości ośrodka w danym punkcie (przenikalności magnetycznej µ). Vs B µ H [ 1T] [ 1 ] m 2 dl r A dh A

24 Właściwości magnetyczne ośrodka µ -przenikalność magnetyczna ośrodka µ o -przenikalność próżni (4 π 10-7 V s/a m) µ r µ / µ o - przenikalność względna ośrodka. µ B H 1 Vs Am Rodzaje materiałów magnetycznych diamagnetyki - paramagnetyki - µ r < 1 (cynk, złoto, rtęć) µ r > 1 (platyna, pallad) ferromagnetyki - µ r >>1 (żelazo, nikiel, kobalt). Uwaga! Przenikalność magnetyczna ferromagnetyków jest wielkością nieliniową, i zależy od wartości indukcji magnetycznej w danym punkcie pola. µ ferr f(b)

25 Strumień magnetyczny -jest równy strumieniowi indukcji B przenikającemu daną powierzchnię. B ds Φ ( S ) B S ds S [Ф] 1V s 1Wb (weber) Jeśli pole magn. jest jednorodne (B const) awektor B jest prostopadły do powierzchni S to strumień magnetyczny przenikający tę powierzchnię wynosi: S B Φ B S Stąd, indukcja magnetyczna jest często rozumiana jako powierzchniowa gęstość strumienia B Φ S

26 2 Prawo przepływu 1 dl H S H d l n k 1 k 3 4 Natężenie pola magnetycznego H w odległości r od prostoliniowego przewodu z prądem. + r H 2π r H

27 Oddziaływanie przewodów z prądem B;H F µ πr l 1 F F 2 r Po uwzględnieniu : H 2π B µ r H F B l 1 2

28 Siła działająca na ładunek elektryczny Siła działająca na ładunek poruszający się w polu magnetycznym (siła Lorentza) F +q v F q( v B) B Siła działająca na przewód z prądem w polu magnetycznym B F ( l B) F

29 Reguła lewej dłoni F ( l B) Jeżeli lewą dłoń ustawimy w polu magnetycznym tak, że zwrot prądu w przewodzie pokrywa się ze zwrotem wyprostowanych czterech palców, a zwrot wektora indukcji magnetycznej jest skierowany ku dłoni, to kierunek i zwrot siły jest zgodny z odchylonym w płaszczyźnie dłoni kciukiem.

30 Obwody magnetyczne Pole magnetyczne wewnątrz toroidu Bśr, Hśr lśr µm H H dl H l śr śr śr śr l śr z θ 2π R śr z Rśr θ z [A] Sm gdzie: z liczba zwojów Q siła magnetomotoryczna (przepływ) B µ śr m H śr

31 Prawo Ohma dla obwodu magnetycznego Bśr, Hśr lm µm Φ B śr S m Sm Φ Podstawienie Φ θ µ l m m m S lm µ S m m R m gdzie: daje wyrażenie zwane prawem Ohma dla obwodu magnetycznego φ θ R m R m reluktancja (oporność magnetyczna) [H -1 ]

32 Obwody magnetyczne złożone Φ Φ R mfe z δ µ o Θ z µ Fe R mδ Φ θ R + mfe R m δ