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 2004/5

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 (tematyka kursu) 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: Środy Piątki

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

7 Ładunek elektryczny (Q) Ładunek elementarny 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)

8 Pole elektrostatyczne 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 Q 1 F F Q 2 r gdzie: ε -przenikalność elektryczna ośrodka ε o - przenikalność elektryczna próżni wynosi A s /V m

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

10 Napięcie jako różnica potencjałów Potencjał elektryczny danego punktu V A - jest to stosunek pracy A, wykonanej przy transporcie ładunku Q z tego punktu do nieskończoności, do wartości tego ładunku. V A def A A Q Q + B A U AB A A + Q A B V A V B

11 Pojemność elektryczna ( C ) Pojemność kondensatora jest to 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 ε - przenikalność dielektryka S - powierzchnia okładek d -odległość między okładkami C ε d S

12 Prąd elektryczny Prąd elektryczny to uporządkowany ruch ładunku elektrycznego. Natężenie prądu elektrycznego - i def 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 1 metr długości przewodu.

13 Gęstość prądu (J) S J J S [J]1A/m 2 Praktyczną jednostką gęstości prądu jest 1A/mm 2 Spotykane wartości gęstości prądu w przewodach instalacji elektrycznych oraz uzwojeniach maszyn i urządzeń elektrycznych wynoszą - w zależności od zastosowanej izolacji, rodzaju pracy i sposobu chłodzenia - od 2 do 20 A/mm 2.

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

15 Obwód elektryczny - Prawo Ohma Droga zamknięta, wzdłuż której płynie prąd elektryczny, zwana jest obwodem elektrycznym. U źr U odb R odb Prawo Ohma const R [ Ω] U R rezystancja (oporność)

16 Rezystancja - Konduktancja R R l ρ Ω S [ ] l Ω γ S [ ] R rezystancja przewodnika l długość S przekrój poprzeczny ρ rezystywność [Ω m] (oporność właściwa) γ konduktywność γ 1 1 ρ [ S m ] Konduktywność (przewodność właściwa) Konduktancja (przewodność) G 1 [ S] (simens) R

17 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 α 20 (1/oC) dla różnych materiałów: aluminium - 0,0041 miedź 0,0039 konstantan 0,00003 (stop Cu,Mn,Ni) Zjawisko zależności rezystancji od temperatury jest wykorzystywane w pomiarach temperatury. Tam, gdzie zjawisko to jest niepożądane, stosuje się materiały o możliwie małym temperaturowym współczynniku rezystancji.

18 Obwody prądu elektrycznego Obwód elektryczny to układ połączonych ze sobą elementów czynnych (źródeł napięcia, źródeł prądu) i elementów pasywnych (odbiorników). nierozgałęziony rozgałęziony 1 R3 3 R1 U źr U R odb odb R2 R5 R6 E1 2 E2 R4 E Elementy obwodów : gałąź - zbiór szeregowo połączonych elementów węzeł - punkt połączenia minimum trzech gałęzi oczko - zbiór połączonych ze sobą gałęzi tworzących obwód zamknięty

19 prawo Kirchhoffa: n k 0 k 1 Algebraiczna suma prądów zbiegających się w węźle równa się zero.

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

21 Obliczanie obwodów elektrycznych Szeregowe łączenie rezystancji R 1 R 2 R 3 R + R + + R z 1 2 R3 Równoległe łączenie rezystancji 1 R z 1 R R R 3 + R 1 R 2 R 3 G z G1 + G2 + G3 +

22 Praca i moc prądu elektrycznego Z definicji napięcia i prądu: da u dq dq i dt Moc Dla stałych wartości napięcia i prądu, wyrażenia na pracę i moc przyjmują postać: Praca A t u i dt [W s ; J] A U t 0 Moc da p u i [W] P U dt

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

24 Elektromagnetyzm Podstawowe zjawiska elektromagnetyzmu: Poruszający się ładunek elektryczny Q generuje pole magnetyczne. +Q v H, B Na ładunek elektryczny poruszający się w polu magnetycznym działa siła. F +Q v B

25 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. dh dl 1 2 4π r r A m ndukcja magnetyczna ( B ) -jej wartość zależy od wartości natężenia pola H oraz od właściwości ośrodka w danym punkcie (przenikalności magnetycznej µ). dl r A dh A B µh Vs [ ; T 2 m ]

26 Właściwości magnetyczne ośrodka µ - przenikalność magnetyczna ośrodka µ B H Vs Am µ r - przenikalność względna ośrodka µ r µ µ 0 gdzie: µ o -przenikalność próżni (4 π 10-7 V s/a m) Rodzaje materiałów magnetycznych diamagnetyki - µ r < 1 (cynk, złoto, rtęć) paramagnetyki - 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 f (B)

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

28 Prawo przepływu 2 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

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

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

31 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.

32 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 Sm Rśr θ B µ śr [A] gdzie: z liczba zwojów Q siła magnetomotoryczna (przepływ) z m H śr

33 Prawo Ohma dla obwodu magnetycznego lm Bśr, Hśr µm Φ B śr S m Sm Φ Φ Podstawiając θ µ l l µ m m m m S S m m R otrzymujemy wyrażenie zwane prawem Ohma dla obwodu magnetycznego w którym: R reluktancja (oporność magnetyczna - R m ) [AV -1 s -1 ] Φ θ R

34 Obwody magnetyczne złożone Obwód magnetyczny ze szczeliną powietrzną Schemat zastępczy Φ Φ Θ z R mfe z δ µ o R mδ µ Fe Φ R Fe θ + R δ