Podstawy Elektrotechniki część I

Transkrypt

1 Podstawy Elektrotechniki część I Grzegorz Strzeszewski Zespół Szkół nr 2 W Wyszkowie

2 Wielkości fizyczne i jednostki miary Wielkość fizyczna jest to cecha zjawiska fizycznego lub własność ciała, którą można zmierzyć. Przykłady wielkości fizycznych: napięcie elektryczne U, temperatura ciała T, prędkość poruszającego się ciała v, energia kinetyczna ciała Ek. Każda wielkość fizyczna jest wyrażona za pomocą wielkości liczbowej i jednostki miary. Przykłady: 19 A; 2,65 V; 5,5 kg; 12 Ω.

3 Jednostki układu SI W Polsce obowiązuje Międzynarodowy Układ Jednostek Miar SI (System International). W układzie SI przyjęto siedem jednostek podstawowych i dwie uzupełniające: Wielkość fizyczna Jednostka Skrót długość masa czas prąd elektryczny temperatura światłość Liczność materii kąt płaski kąt bryłowy metr kilogram sekunda amper kelwin kandela mol radian steradian m kg s A K cd mol rad sr

4 Wielokrotnosci jednostek miar Przedrostek Oznaczenie tera giga mega kilo hekto deka decy centy mili mikro nano piko T G M k h da d c m μ n p Mnożnik Grzeorz Strzeszewski Grzeorz Strzeszewski

5 Budowa materii Materia składa się z pierwiastków. Pierwiastki składają się z atomów. Atom każdego pierwiastka zbudowany jest z jądra złożonego z protonów i neutronów oraz elektronów znajdujących się poza jądrem. Elektron jest nośnikiem ujemnego ładunku elektrycznego. Nośnikiem dodatniego ładunku elektrycznego jest proton. Neutron jest cząstką elementarną pozbawioną ładunku elektrycznego. W normalnych warunkach atom jest elektrycznie obojętny, ponieważ ładunek dodatni protonów zgromadzonych w jądrze równy jest ładunkowi ujemnemu elektronów krążących wokół jądra.

6 Właściwości materii Właściwości chemiczne i elektryczne pierwiastków zależą od liczby elektronów przebywających na tak zwanych orbitach walencyjnych. Liczba elektronów walencyjnych decyduje o wartościowości danego pierwiastka. Wartościowość określa z kolei zdolność do wchodzenia w reakcje chemiczne z innymi pierwiastkami. Po dostarczeniu do atomu odpowiedniej ilości energii, elektrony walencyjne mogą oderwać się od atomu. Atom pozbawiony jednego lub większej ilości elektronów nie jest już elektrycznie obojętny, gdyż ma przewagę ładunkow dodatnich. Taki atom nazywany jest jonem dodatnim (kationem). Istnieją atomy z nadwyżką elektronów w porównaniu z liczbą protonów. Takie atomy nazywamy jonami ujemnymi (anionami).

7 Ładunek elektryczny Stwierdzono doświadczalnie, że wszystkie elektrony i protony mają jednakowy ładunek elektryczny, różniący się tylko znakiem. Przyjęto znak ładunku protonu jako dodatni, elektronu jako ujemny. Jednostką ładunku w układzie SI jest kulomb (1 C). Ładunek elektronu ma jest najmniejszą porcją ładunku elektrycznego i jest nazywany ładunkiem elementarnym. Wartość elementarnego ładunku elektronu równa jest: Wszystkie spotykane w przyrodzie ładunki elektryczne są całkowitą krotnością ładunku elementarnego.

8 Prąd elektryczny Prądem elektrycznym nazywamy uporządkowany ruch ładunków elektrycznych, poruszających się pod wpływem pola elektrycznego wytworzonego przez źródło prądu. Jednostką miary prądu elektrycznego w układzie SI jest amper (1 A). Za kierunek prądu elektrycznego umownie przyjęto kierunek przepływu ładunków dodatnich od potencjału wyższego + do niższego. Jeden kulomb jest to ładunek elektryczny przeniesiony w czasie jednej sekundy przez prąd stały w czasie, równy jednemu amperowi.

9 Właściwości elektryczne ciał Ciała spotykane w przyrodzie można podzielić na: Przewodniki; Półprzewodniki; Izolatory. Przewodnikami są metale i elektrolity. Przewodzenie prądu w metalu polega na uporządkowanym ruchu elektronów swobodnych, wywołanym wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Elektrolity to wodne roztwory kwasów, zasad i soli. Przewodzenie prądu w elektrolicie polega na uporządkowanym ruchu jonów dodatnich i ujemnych wywołanym zewnętrznym polem elektrycznym.

10 Półprzewodniki Półprzewodniki są ciałami o własnościach pośrednich między przewodnikami i izolatorami. Najbardziej znane materiały półprzewodnikowe to: krzem, german, selen, oraz związki chemiczne: arsenek galu, indu, antymonu oraz niektóre tlenki metali (tlenek cynku). Półprzewodniki w pewnych warunkach stają się dobrymi przewodnikami (wysoka temperatura, oddziaływanie pola elektrycznego, wprowadzenie do struktury ciała odpowiednich domieszek) a w innych warunkach są izolatorami. Półprzewodniki znajdują coraz szersze zastosowanie we współczesnej elektronice i energoelektronice.

11 Izolatory Izolatory, zwane także dielektrykami nie posiadają elektronów swobodnych. Praktycznie nie przewodzą prądu elektrycznego, gdyż w ich strukturze nie występują elektrony swobodne. Do dielektryków zaliczamy ciała pochodzenia: mineralnego, takie jak: porcelana, mika, szkło; organicznego, do których zaliczamy: papier, bawełnę, tworzywa sztuczne. Izolatorami są również niektóre ciecze: woda destylowana, oleje mineralne. Izolatorem jest także powietrze oraz wszystkie gazy występujące w warunkach normanych.

12 Obwód elektryczny Obwodem elektrycznym nazywamy zamkniętą drogę dla przepływu prądu, utworzoną z połączonych przewodnikami elementów aktywnych i pasywnych. Elementy aktywne (czynne) wymuszają przepływ prądu elektrycznego. Elementami czynnymi mogą być prądnice, ogniwa galwaniczne, fotoogniwa, termoogniwa. Elementy pasywne (bierne) to elementy w których następuje rozpraszanie (dyssypacja) lub magazynowanie (akumulowanie) energii elektrycznej. W rezystorach następuje przemiana energii elektrycznej na energię cieplną. W kondensatorach i cewkach następuje akumulacja energii elektrycznej.

13 Symbole graficzne elementów czynnych a) źródło napięcia stałego; b) źródło prądu stałego o prądzie źródłowym I; c) rzeczywiste źródło napiecia (bateria lub akumulator).

14 Symbole graficzne elementów biernych

15 Schemat obwodu elektrycznego Schemat elektryczny jest odwzorowaniem graficznym obwodu elektrycznego. Przedstawia on sposób połączenia elementów obwodu, za pomocą znormalizowanych symboli graficznych.

16 Obwody proste i złożone Obwód elektryczny prosty zawiera tylko jeden element aktywny (źródło) i jeden pasywny (odbiornik). Obwód złożony zawiera węzły, gałęzie i oczka. Węzłem obwodu elektrycznego nazywamy punkt połączenia co najmniej trzech końcowek elementów obwodu. Gałęzią obwodu elektrycznego nazywamy jeden lub kilka połączonych ze sobą szeregowo elementów łączących sąsiednie węzły. Oczko obwodu elektrycznego to zbiór połączonych ze sobą elementów tworzących zamkniętą drogę dla przepływu prądu, przy czym usunięcie któregokolwiek elementu sprawia, że pozostałe nie tworzą już drogi zamknietej.

17 Przykłady obwodów elektrycznych UR1 I1 R1 + E _ w1 I3 I2 + I Iz _ II UR3 R3 w2 Schemat elektryczny obwodu złożonego. Obwód zawiera dwa węzły w1 i w2, trzy gałęzie (w pierwszej gałęzi mamy źródło napięcia E i rezystor R 1, w drugiej źródło prądu Iz, w trzeciej rezystor R3), oraz trzy oczka (I, II i nieoznaczone III).

18 Natężenie i gęstość prądu Natężeniem prądu elektrycznego (prądem elektrycznym) I nazywamy iloraz ładunku elektrycznego q, przeniesionego przez naładowane cząstki w czasie t, przez dany przekrój poprzeczny przewodnika, do tego czasu: Jednostką natężenia prądu jest amper (1 A). Gęstością prądu elektrycznego J nazywamy iloraz prądu I przepływającego przez powierzchnię s, prostopadłą do kierunku ruchu ładunków, do tej powierzchni: Jednostką gęstości prądu elektrycznego jest

19 Obwody trójfazowe Elektrycznym układem trójfazowym nazywamy układ składający się z trzech obwodów prądu sinusoidalnie zmiennego o jednakowej częstotliwości, których napięcia są przesunięte względem siebie o 120 (1/3 okresu). Poszczególne obwody układu trójfazowego nazywamy fazami i oznaczamy odpowiednio: L1, L2, L3. Punkt wspólny o jednakowym potencjale dla wszystkich faz nazywamy punktem neutralnym i oznaczamy literą N. Do wytwarzania napięć w układzie trójfazowym służą prądnice (generatory) trójfazowe.

20 Napięcia źródłowe Równania wartości chwilowych napięć źródłowych, wytwarzanych w prądnicy trójfazowej, opisujemy następująco: gdzie: wartości chwilowe sił elektromotorycznych (napięć źródłowych), wytwarzanych w fazach L1, L2 i L3, Em wartość maksymalna siły elektromotorycznej (amplituda) w każdej fazie, ω pulsacja napięć źródłowych, t czas.

21 Przebiegi czasowe napięć źródłowych

22 Łączenie źródeł napięć Jeżeli fazy trójfazowego źródła nie są połączone między sobą i tworzą trzy odrębne obwody, to taki układ nazywamy trójfazowym układem nieskojarzonym. Gdy połączymy poszczególne fazy układu trójfazowego, otrzymamy układ skojarzony. Układy trójfazowe można kojarzyć dwoma sposobami: w gwiazdę, w trójkąt. Siecią trójfazową nazywa się linię trójprzewodową lub czteroprzewodową (także pięcioprzewodową) łączącą źródło napięcia z odbiornikiem energii elektrycznej.

23 Połączenie uzwojeń prądnicy w gwiazdę Jeżeli trzy końce uzwojeń prądnicy trójfazowej połączymy razem, a do początków uzwojeń przyłączymy linię trójfazową, to taki układ nazywamy układem skojarzonym w gwiazdę. Punkt wspólny, utworzony przez połączone końce uzwojeń prądnicy nazywa się punktem neutralnym N. Jeżeli z punktu neutralnego N wyprowadzimy dodatkowy przewód, zwany przewodem neutralnym N, to otrzymamy trójfazową linię czteroprzewodową. W celu zapewnienia właściwej ochrony ludzi przed porażeniem elektrycznym, w liniach czteroprzewodowych wprowadza się dodatkowy, piąty przewód, zwany przewodem ochronnym PE.

24 Połączenie w gwiazdę układ trójprzewodowy - napięcia międzyfazowe W układzie trójprzewodowym występuje tylko jeden rodzaj napięć. Są to napięcia międzyfazowe. W sieci elektroenergetyki zawodowej napięcie to równe jest 400 V.

25 Połączenie w gwiazdę układ czteroprzewodowy W takim układzie rozróżnia się dwa rodzaje napięć: napięcia fazowe Uf występujące między przewodem fazowym dowolnej fazy i przewodem (punktem) neutralnym N, napięcia międzyfazowe U występujące między przewodami fazowymi.

26 Wykres wektorowy napięć prądnicy symetrycznej połączonej w gwiazdę

27 Napięcia w sieci czteroprzewodowej W sieci symetrycznej czteroprzewodowej napięcie międzyprzewodowe U jest razy większe od napięcia fazowego W układach tych napięcie fazowe równe jest Uf = 230 V, natomiast napięcie międzyfazowe U = 400 V. Aby zapewnić bezpieczeństwo osób obsługujących urządzenia i maszyny elektryczne, do sieci czteroprzewodowej dodaje się często piąty przewód nazwany przewodem ochronnym PE. Przewód ten powinien mieć barwę żółto-zieloną i nie może być przerywany łącznikami ani zabezpieczany bezpiecznikami aby nie spowodować przerwania jego połączenia z ziemią.

28 Połączenie uzwojeń prądnicy w trójkąt Uzwojenie prądnicy trójfazowej będzie połączone w trójkąt jeśli koniec uzwojenia pierwszej fazy połączymy z początkiem uzwojenia fazy drugiej, koniec fazy drugiej połączymy z początkiem fazy trzeciej a koniec fazy trzeciej z początkiem fazy pierwszej. Do trzech powstałych w ten sposób węzłów przyłączamy przewody liniowe L1, L2, L3.

29 Połączenie odbiornika w gwiazdę w układzie symetrycznym czteroprzewodowym Odbiornik trójfazowy nazywamy symetrycznym, jeśli impedancje w poszczególnych fazach są tego samego rodzaju i są równe co do wartości. Odbiornikami trójfazowymi symetrycznymi są silniki indukcyjne.

30 Odbiornik trójfazowy połączony w gwiazdę W odbiorniku trójfazowym symetrycznym połączonym w gwiazdę, prądy przewodowe I równe są prądom fazowym Przy połączeniu odbiornika trójfazowego, symetrycznego w gwiazdę, napięcie międzyfazowe U jest razy większe od napięcia fazowego Uf.

31 Połączenie odbiornika w trójkąt, w układzie symetrycznym Przy połączeniu odbiornika trójfazowego, symetrycznego w trójkąt, napięcie międzyfazowe U jest równe napięciu fazowemu Uf, a prąd przewodowy I jest większy razy od prądu fazowego If.

32 Moc w obwodach trójfazowych W obwodach trójfazowych prądu przemiennego, podobnie jak w obwodach jednofazowych, wyróżniamy moc czynną P, bierną Q i pozorną S pobieraną przez odbiornik trójfazowy. Powyższe moce określane są dla oddzielnie każdej fazy odbiornika a następnie sumowane. P = PL1+PL2+PL3. W obwodach trójfazowych, symetrycznych moce pobierane przez każdą fazę układu są jednakowe. W tym przypadku: P = 3 PL1 Q = 3 QL1 S = 3 SL1.

33 Moc w symetrycznych obwodach trójfazowych Moc czynna P: Moc bierna Q: Moc pozorna S: Moc czynną mierzymy w watach, bierną w warach, pozorną w woltoamperach.

34 Energia w symetrycznych obwodach trójfazowych Energia elektryczna pobierana przez odbiornik trójfazowy jest iloczynem mocy odbiornika i czasu t, w którym ta moc jest pobierana. W praktycznych zastosowaniach największe znaczenie ma energia czynna, określona jako: oraz energia bierna: Praktyczną jednostką energii czynnej jest kilowatogodzina, energii biernej jest kilowarogodzina.

35 Układy sieci trójfazowych Rozróżniamy następujące typy układów zasilania trójfazowych sieci niskiego napięcia: TN, TT, IT. Pierwsza litera w symbolu sieci oznacza: T - oznacza, że układ sieciowy ma bezpośrednio uziemiony punkt neutralny, I - oznacza, że punkt neutralny układu sieciowego jest izolowany od ziemi albo uziemiony poprzez bardzo dużą impedancję. Druga litera oznacza: N - połączenie zacisku ochronnego PE odbiornika z uziemionym przewodem ochronnym PE lub z przewodem ochronno-neutralny PEN, T połączenie zacisku ochronnego PE odbiornika (urządzenia) z ziemią.

36 Układy sieciowe TN Układy sieciowe typu TN dzielimy dodatkowo na: układy TNC, w których funkcję przewodu ochronnego PE i neutralnego N pełni jeden przewód ochronno-neutralny PEN, układy TNS, w których funkcje przewodu ochronego PE i przewodu neutralnego N pełnią oddzielne przewody, układy TN-C-S, w których pierwsza część pracuje w układzie TNC, a druga w układzie TNS.

37 Schemat sieci typu TNC

38 Schemat sieci typu TNS

39 Schemat sieci typu TN-C-S

40 Schemat sieci typu TT

41 Schemat sieci typu IT

42 Kolory izolacji przewodów W instalacjach elektrycznych, w celu odróżnienia od siebie przewodów, wprowadza się różne barwy izolacji poszczególnych żył przewodów. Przewody ochronne PE i ochronno-neutralne PEN muszą być koloru żółtozielonego. Przewody neutralne N muszą mieć kolor jasnoniebieski. Przewody fazowe L1, L2, i L3 mogą mieć dowolną barwę jednolitą, z wyjątkiem koloru jasnoniebieskiego i żółtozielonego. Obecnie budowane trójfazowe instalacje odbiorcze wykonywane są w układzie sieciowym TNS. Są to instalacje pięcioprzewodowe (trzy przewody fazowe L1, L2, i L3, przewód neutralny N i ochronny PE). Instalacje jednofazowe są trójprzewodowe (przewód fazowy L, neutralny N i ochronny PE).

43 Zasada działania transformatora Transformator jednofazowy składa się z rdzenia wykonanego z blach ferromagnetycznych o dużej przenikalności magnetycznej, oraz dwóch uzwojeń nawiniętych na rdzeń. Uzwojenia te zwane są odpowiednio pierwotnym i wtórnym. Do uzwojenia pierwotnego dołącza się źródło napięcia zmiennego U1. Prąd płynący w uzwojeniu pierwotnym wytwarza w rdzeniu zmienny strumień magnetyczny. Siła elektromotoryczna samoindukcji w uzwojeniu pierwotnym jest równa napięciu jest U1 na końcach tego uzwojenia. Zmienny strumień magnetyczny przenikający uzwojenie wtórne powoduje powstanie siły elektromotorycznej indukcji. Siła elektromotoryczna indukcji wzajemnej w uzwojeniu wtórnym jest równa napięciu U2 na końcach tego uzwojenia.

44 Transformator jednofazowy Uzwojenia są wzajemnie odizolowane od siebie i od rdzenia, wykonane z miedzianego drutu pokrytego emalią i lakierem elektroizolacyjnym.

45 Przekładnia transformatora Przekładnia zwojowa transformatora: Przekładnia napięciowa transformatora:

46 Rodzaje transformatorów jednofazowych Transformatory jednofazowe stosowane są powszechnie w obwodach pomiarowych, sygnalizacyjnych, zabezpieczających, układach zasilania urządzeń radiowo-telewizyjnych, spawalniczych, prostownikowych i innych.

47 Transformator trójfazowy Transformator trójfazowy można traktować jako połączenie trzech transformatorów, mających wspólny rdzeń. Rdzeń transformatora trójfazowego składa się z trzech kolumn połączonych dwoma jarzmami. Na każdej kolumnie nawinięte jest uzwojenie pierwotne i wtórne jednej fazy. Uzwojenia faz łączy się zwykle w gwiazdę lub w trójkąt (rzadziej w zygzak).

48 Układy połączeń transformatorów trójfazowych Uzwojenie transformatora o napięciu wyższym (może to być uzwojenie pierwotne lub wtórne) nazywamy uzwojeniem górnego napięcia. Może ono być połączone w gwiazdę Y lub w trójkąt D. Uzwojenie o napięciu niższym nazywamy uzwojeniem dolnego napięcia. Można je łączyć w gwiazdę y, trójkąt d lub zygzak z. Najczęściej stosuje się cztery układy połączeń: Yy układ ten stosuje się dla transformatorów niedużej mocy przy obciążeniu symetrycznym. Dy układ stosowany dla dużych transformatorów sieciowych, których przewód neutralny może być w pełni obciążony. Yd układ stosowany dla dużych transformatorów przesyłowych w elektrowniach i stacjach elektroenergetycznych. Yz układ stosowany w transformatorach o niewielkich mocach, gdzie występuje niesymetryczne obciążenie faz.

49 Autotransformatory Autotransformator jest transformatorem jednouzwojeniowym. Autotransformatory o zmiennej przekładni stosowane są do płynnej regulacji napięcia. Autotransformatory regulacyjne trójfazowe używane są do rozruchu dużych silników indukcyjnych, klatkowych.

50 Przekładniki Przekładniki są specjalnymi transformatorami pomiarowymi stosowanymi w układach pomiarowych prądu przemiennego. Przekładniki służą do zwiększenia zakresu pomiarowego mierników (amperomierzy, woltomierzy, watomierzy i liczników energii elektrycznej). Przekładniki dzielą się na: prądowe i napięciowe. Przekładniki prądowe umożliwiają pomiar prądów rzędu tysięcy amperów (kiloamperów) a przekładniki napięciowe pomiar napięć rzędu setek tysięcy woltów (setek kilowoltów). Przekładniki oddzielają elektrycznie urządzenia pomiarowe od sieci wysokiego napięcia, dlatego stosuje się je również do zasilania urządzeń automatyki elektroenergetycznej.

51 Przekładniki prądowe Prąd mierzony płynie przez uzwojenie pierwotne przekładnika. Uzwojenie to ma zaciski oznaczone jako P1 i P2. Amperomierz przyłącza się do zacisków uzwojenia wtórnego, oznaczonych jako S1 i S2. Przekładnik prądowy pracuje w stanie bliskim zwarcia, ponieważ jego uzwojenie wtórne obciążone jest niewielką impedancją amperomierza lub cewki prądowej watomierza.

52 Przekładnia przekładnika prądowego Przekładnia prądowa przekładnika prądowego jest to stosunek prądów strony pierwotnej i wtórnej, który jest równy odwrotnemu stosunkowi liczby zwojów obu uzwojeń: Jeżeli na przykład przez przekładnik prądowy o przekładni 100/5 A/A płynie po stronie pierwotnej prąd o natężeniu 100 A, to po stronie wtórnej przez miernik płymie prąd 5 A. Prądowi pierwotnemu 50 A odpowiada prąd wtórny 2,5 A. Przekładniki prądowe nie mogą pracować z przerwą w uzwojeniu wtórnym. Muszą być zawsze obciążone. Ze względów bezpieczeństwa, jeden z zacisków uzwojenia wtórnego oraz obudowa przewodząca powinny być uziemione.

53 Przekładniki napięciowe Przekładniki napięciowe stosowane są w wysokonapięciowych układach pomiarowych. Pracują one w stanie zbliżonym do stanu jałowego transformatora, gdyż ich uzwojenia wtórne obciążone są dużą rezystancją woltomierza lub cewki napięciowej watomierza.

54 Przekładnia przekładnika napięciowego Przekładnia napięciowa przekładnika napięciowego równa jest: Wartość napięcia wtórnego przekładników napięciowych jest znormalizowana i wynosi najczęściej 100 V. Przykładowe przekładnie przekładników napięciowych: 3000 V/100 V, V/100 V. Przekładniki napięciowe zabezpiecza się przed zwarciami, stosując zabezpieczenia nadprądowe zarówno po pierwotnej jak i wtórnej stronie. Zacisk b uzwojenia wtórnego i obudowa przewodząca prąd musi być uziemiona.

55 Rodzaje przekładników

56 Dziękuję za uwagę