Основы Электротехнике.Ст-21,22. Решение контрольных вопросов к зимней сессии по дисциплине: Основы Электротехники. Для студентов Тольяттинского Политехнического Колледжа, групп: Ст-21,22.

Основы электротехники

1. Электрическое поле и его основные характеристики

Электрическое поле — один из двух компонентов электромагнитного поля, представляющий собой векторное поле, существующее вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также возникающий при изменении магнитного поля. Электрическое поле может быть обнаружено благодаря его силовому воздействию на заряженные тела

Напряжённость — это основная характеристика электрического поля которая измеряет интенсивность поля. Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы действующей на частицу с положительным зарядом. Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы действующей на частицу с положительным зарядом. Е = F/Q [Н/Кл] или [B/M]

Электрическое напряжение (U) — это работа (А) совершаемая силой поля по перемещению заряженных частиц между двумя точками поля. U = A/q [Дж/Кл] или [В]

Потенциал (φ) — это энергетическая характеристика поля численно равная отношению потенциальной энергии заряженной частицы помещенной в данной точке поля величине её заряда.φ = W/Q [В]

1. Магнитное поле и его характеристики.
   Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения; магнитная составляющая электромагнитного поля.
   Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах.

Магнитная индукция – это отношение силы, действующей на заряд к произведению заряда и скорости. В=Fм/Q*V [Тл].

Магнитный поток – это магнитная индукция, проходящая через все сечение проводника. Ф=B*S [Вб]

1. Электрический конденсатор, ёмкость.

Конденсатор — двухполюсник с определённым или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. Конденсатор является пассивным электронным компонентом.
Электрическая ёмкость — характеристика проводника, мера его способности накапливать электрический заряд. В теории электрических цепей ёмкостью называют взаимную ёмкость между двумя проводниками; параметр ёмкостного элемента электрической схемы, представленного в виде двухполюсника. Такая ёмкость определяется как отношение величины электрического заряда к разности потенциалов между этими проводниками.

1. Электрическая емкость конденсатора. Соединение конденсаторов.
   Ёмкость (взаимная ёмкость) обкладок конденсатора будет равна отношению заряда, накопленного конденсатором, к разности потенциалов между обкладками. Для плоского конденсатора ёмкость равна: C= εo εr*S/d

где S — площадь одной обкладки (подразумевается, что обкладки одинаковы), d — расстояние между обкладками, εr — относительная диэлектрическая проницаемость среды между обкладками.

Параллельное соединение конденсаторов. Обкладки конденсаторов соединяют попарно, т.е. в системе остается два изолированных проводника, которые и представляют собой обкладки нового конденсатора. Общая емкость больше емкости любого из параллельно соединенных конденсаторов

Последовательное соединение конденсаторов. Производят только одно соединение, а две оставшиеся обкладки - одна от конденсатора С1 другая от конденсатора С2 - играют роль обкладок нового конденсатора. Общая емкость меньше емкости любого из последовательно соединенных конденсаторов.

1. Электрическая цепь и ее элементы.
   Электрическая цепь - совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятии об электродвижущей силе, токе и напряжении.

Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя.

1. Эквивалентное сопротивление при последовательном соединение резисторов и при параллельном соединении резисторов.

При последовательном соединении n резисторов с сопротивлением R1, R2, ..Rn, эквивалентное сопротивление равно сумме сопротивлений этих резисторов:
Rэ = R1+R2+...+Rn

При параллельном соединении n резисторов с сопротивлением R1, R2, ..Rn, эквивалентное сопротивление цепи вычисляется из формулы: 1/Rэ = 1/R1 + 1/R2 +..+1/Rn

1. Электрическое сопротивление и проводимость. Закон Ома для уч. цепи и всей цепи

Электрическое сопротивление — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

Закон Ома для участка цепи. Ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.I=U/R

Закон Ома для всей цепи. Величина тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна э. д. с. источника электрической энергии и обратно пропорциональна сопротивлению всей цепи:
I=E/R+r.

1. Переменный ток, его параметры.
   Переменным током называется ток, периодически меняющийся по величине и направлению. Переменный ток характеризуется амплитудой, периодом, частотой и фазой.

Амплитудой называется наибольшее значение, положительное или отрицательное, принимаемое переменным током.
Периодом называется время, в течение которого происходит полное колебание тока в проводнике.

Частота - величина, обратная периоду.

Фаза характеризует состояние переменного тока с течением времени. При t = 0 фаза называется начальной.

1. Электромагнит: принцип работы.
   Переменный ток, протекая по катушке, создает магнитное поле, и сердечник втягивается внутрь катушки. (При пропускании электрического тока через катушку помещенный внутри ее стальной сердечник приобретает свойства естественного магнита).

2. Мощность переменного тока. Ее виды

Мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность — мнимой частью, полная мощность — модулем, а угол фи (сдвиг фаз) — аргументом.

Активная мощность. Среднее за период T значение мгновенной мощности называется активной мощностью.

Реактивная мощность – величина Q, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз фи между ними.

Полная мощность — величина S, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах.

Комплексная мощность.

1. Смешанное соединение резисторов.

Смешанным соединением резисторов называется такое соединение, при котором часть резисторов включается последовательно, а часть — параллельно.

1. Работа и мощность электрического тока.

Работа электрического тока показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику. A=UIt

Мощность электрического тока показывает работу тока, совершенную в единицу времени

и равна отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена.P=A/t; Р=UI.

1. Виды сопротивлений в цепях переменного тока.

Активное сопротивление. В активных сопротивлениях при включении в цепь переменного тока электрическая энергия преобразуется в тепловую.

В реактивных сопротивлениях электрическая энергия, вырабатываемая источниками, не расходуется. При включении реактивного сопротивления в цепь переменного тока возникает лишь обмен энергией между ним и источником электрической энергии.

1. Явление самоиндукции. Явление взаимоиндукции.

Самоиндукция — это явление возникновения ЭДС индукции в проводящем контуре при изменении протекающего через контур тока.

Взаимоиндукция — возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников.

1. Явление электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

1. Электрическая мощность. Первый закон Кирхгофа.

Электри́ческая мо́щность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. В электрических цепях постоянного токаэлектрическая мощность Р равна произведению силы тока I и напряжения U. В цепях переменного токаразличают мгновенную, активную, реактивную и полную электрическую мощность.

Первое правило Кирхгофа гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом направленный к узлу ток принято считать положительным, а направленный от узла — отрицательным: Алгебраическая сумма токов, направленных к узлу равна сумме направленных от узла.

Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Это правило следует из фундаментального закона сохранения заряда.

1. Второй закон Кирхгофа. Применение первого и второго законов Кирхгофа

Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений равно нулю:

для постоянных напряжений 

для переменных напряжений 

Благодаря этим законам производятся расчёты электрических цепей.

1. Явление электромагнитной индукции. Его применение.

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. 

Модуль предназначен для закрепления знаний о применении электромагнитной индукции в различных устройствах и приборах: в вольтметрах, амперметрах, генераторах, электродвигателях, различных электромагнитах, соленоидах и реле. В состав модуля входят практические задания на определение активных и пассивных элементов электрической цепи, на расчет индуктивности катушки, а также на знание основных элементов конструкции генератора.

1. Вихревые токи. Меры, принимаемые для их уменьшения.

Изменяющийся магнитный поток способен индуцировать ЭДС не только в проводах или витках катушек, но и в массивных стальных сердечниках, кожухах и других металлических деталях электротехнических установок. Эти ЭДС являются причиной появлений индуцированных токов, которые действуют в массивных металлических деталях, замыкаясь накоротко в их толще. Такие токи получили название вихревых.

Для уменьшения вредного действия вихревых токов применяют два основных способа.

1. Сердечники электрических машин и аппаратов выполняют из отдельных стальных листов толщиной 0,35—1,0 мм, изолированных один от другого слоем изоляции (лаковой пленкой, окалиной, образующейся при отжиге листов, и пр.). Благодаря этому преграждается путь распространению вихревых токов и уменьшается поперечное сечение каждого отдельного проводника, через которое протекают эти токи, что приводит к уменьшению силы тока.

2. В состав электротехнической стали, из которой изготовляют сердечники электрических машин и аппаратов, вводят 1—5 % кремния, что обеспечивает повышение ее электрического сопротивления. Благодаря этому достигается снижение силы вихревых токов, протекающих по сердечникам электрических машин и аппаратов.

1. Соединение потребителей энергии «звездой». Соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами при соединении в звезду.

Если фазные обмотки генератора или потребителя соединить так, чтобы концы обмоток были соединены в одну общую точку, а начала обмоток присоединены к линейным проводам, то такое соединение называется соединением звездой и обозначается условным знаком Y. 

Напряжение между линейным проводом и нейтралью называется фазным. Напряжение между двумя линейными проводами (UAB, UBC, UCA) называется линейным. Для соединения обмоток звездой, при симметричной нагрузке, справедливо соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:

При соединении звездой линейное напряжение в _{ } раз больше фазного напряжения.

1. Соединение потребителей энергии «треугольником». Соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами

Связанную трехфазную систему можно осуществить и при соединении обмоток генератора и потребителя треугольником. Для этого начала трех фаз соединяются с концами предыдущих фаз. Линейные провода выводятся из точек соединения фаз. Таких точек три, следовательно система трехпроводная. При этом образовывая замкнутый контур. Связанную трехфазную систему можно осуществить и при соединении обмоток генератора и потребителя треугольником. Для этого начала трех фаз соединяются с концами предыдущих фаз. Линейные провода выводятся из точек соединения фаз. Таких точек три, следовательно система трехпроводная. При этом образовывая замкнутый контур.

Соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями

Для соединения обмоток треугольником, при симметричной нагрузке, справедливо соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями:

1. Активное сопротивление в цепях переменного тока.

При включении в цепь переменного тока активного сопротивления R напряжение и источника создает в цепи ток i. Если напряжение и изменяется по синусоидальному закону, то ток i также изменяется синусоидально. Следовательно, при включении в цепь переменного тока активного сопротивления ток и напряжение совпадают по фазе.

1. Цепь переменного тока состоящего из активного и индуктивного сопротивления.

Рассмотрим цепь переменного тока, состоящую из активного сопротивления R и катушки индуктивности L, соединенных последовательно (рис. 1-9, а). Такая цепь имеет существенное значение для выяснения зависимости сдвига фаз между током и напряжением от соотношения значений R и L. Кроме того, все реальные цепи, содержащие индуктивность, имеют и активное сопротивление (сопротивление провода обмотки и подводящих проводов, потери в сердечниках и т. д.). Для такой цепи условие электрического равновесия (по второму закону Кирхгофа) можно записать в следующем виде:

т. е. приложенное напряжение и уравновешивается суммой напряжений на элементах цепи R и L.

1. Цепь переменного тока, состоящая из активного и ёмкостного сопротивления.

Активное сопротивление обусловлено сопротивлением электрических проводов, а емкостное — емкостью, возникающей между отдельными проводами, между проводами и землей или же между отдельными жилами кабеля и между жилами кабеля и его оболочкой.

последовательно включенные активное, индуктивное и емкостное сопротивления

1. Реактивное сопротивление.

Реакти́вное сопротивле́ние — электрическое сопротивление, обусловленное передачей энергии переменным током электрическому или магнитному полю (и обратно).

Реактивное сопротивление определяет мнимую часть полного сопротивления.

Величина реактивного сопротивления может быть выражена через величины индуктивного и ёмкостного сопротивлений:

1. Основные параметры переменного тока.

При подключении к источнику переменного тока с синусоидально изменяющейся ЭДС электрических цепей с линейными сопротивлениями в них будут действовать синусоидально изменяющиеся напряжения и проходить синусоидально изменяющиеся токи. Переменные токи, ЭДС и напряжения характеризуются четырьмя основными параметрами: периодом, частотой, амплитудой и действующим значением.

1. Активное сопротивление.

Активное сопротивление — сопротивление электрической цепи или её участка, обусловленное необратимыми превращениями электрической энергии в другие виды энергии (в тепловую энергию).

1. Назначения трансформаторов, классификация трансформаторов. Устройство однофазного трансформатора.

Трансформаторы — электромагнитные статические преобразователи электрической энергии.

Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока. Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты.

Основная классификация трансформаторов.

• По назначению: измерительные трансформаторы тока, напряжения, защитные, лабораторные, промежуточные.

• По способу установки: наружные, внутренние, шинные, опорные, стационарные, переносные.

• По числу ступеней: одноступенчатные, многоступенчатые (каскадные).

• По номинальному напряжения: низковольтные, высоковольтные.

• По типу изоляции обмоток: c сухой изоляцией, компаундной, бумажно-маслянной.

1. Устройство трансформатора

Устройство трансформатора. Магнитопровод. Трансформаторы в зависимости от конфигурации магнитопровода подразделяют на стержневые, броневые и тороидальные.

В стержневом трансформаторе (рис. 213, а) обмотки 2 охватывают стержни магнитопровода 1; в броневом (рис. 213,б), наоборот, магнитопровод 1 охватывает частично обмотки 2 и как бы

Рис. 213. Устройство стержневого (а), броневого (б) и тороидального (в) трансформаторов

бронирует их; в тороидальном (рис. 213, в) обмотки 2 намотаны на магнитопровод 1 равномерно по всей окружности.

1. Принцип действия однофазного трансформатора. Коэффициент трансформации.

Действие трансформатора заключается в следующем. При прохождении тока в первичной катушке ею создается магнитное поле, силовые линии которого пронизывают не только создавшую их катушку, но частично и вторичную катушку.

 Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции. Это явление возникновения ЭДС в проводнике или контуре под действием магнитного поля.

При включении первичной обмотки в цепь с переменным напряжением по ней начнет протекать переменный ток, который создаст вокруг обмотки переменное магнитное поле. Это поле пронизывает витки первичной обмотки и наводит в ней ЭДС самоиндукции  . Основная часть созданного магнитного потока будет замыкаться по сердечнику, пронизывать витки вторичной обмотки и создавать в ней ЭДС взаимоиндукции  . При подключении нагрузки к вторичной обмотке в ней будет протекать переменный ток.

Действующие значения ЭДС в первичной и вторичной обмотках соответственно будут равны:
Е₁=
Е₂=

Отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации: 

В режиме холостого хода коэффициент трансформации можно определить, как   , т.к. ток во вторичной обмотке отсутствует, следовательно, падения напряжения на обмотке нет, и можно считать, что  .

1. Назначение, классификация машин переменного тока.

Машины переменного тока бывают двух видов. Это синхронные машины и асинхронные. У синхронных машин скорость вращения ротора строго зависит от частоты переменного тока. Можно сказать скорость вращения "синхронна" с частотой тока. Не трудно догадаться, что у асинхронных машин частота вращения в общем случае зависит от нагрузки на валу, а не от частоты питающего тока.
Кроме деления на синхронные и асинхронные электрические машины еще делятся по назначению. Это могут быть генераторы. То есть такая машина, которая преобразует механическую энергию вращения в переменный электрический ток. Машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую называется двигателем. Также существует еще один класс электрических машин. Они преобразуют электрическую энергию, тоже в электрическую, но другой частоты или напряжения.
 Синхронной машиной переменного тока называют такую машину, в которой: основное магнитное поле то есть поле статора создается постоянным током. В частном случае это может быть даже постоянный магнит. А вращение ротора происходит с частотой изменения тока.

1. Основные части электрических машин и их назначение.

Основными частями машины постоянного тока являются: остов (станина), полюсы, якорь, щеточный аппарат и некоторые вспомогательные детали, служащие для конструктивного оформления машины. Электрические машины общего применения обычно имеют цилиндрическую форму и снабжены приливами для установки на фундамент или фланцами для крепления.

Остов. В современных электрических машинах остов отливают из стали. Он составляет часть магнитной системы машины и служит для укрепления полюсов с катушками и выводных зажимов, а также для поддержания боковых щитов, несущих подшипники якоря.

Полюсы. В современных стационарных и тяговых машинах постоянного тока устанавливают главные и добавочные полюсы.

Главные полюсы (рис. 78, а), на которых расположены катушки обмотки возбуждения, служат для создания в машине магнитного потока возбуждения. Часть сердечника главного полюса со стороны, обращенной к якорю, выполнена более широкой и называется полюсным наконечником. Эта часть служит для поддержания катушки, а также для лучшего распределения магнитного потока по поверхности якоря

Катушки полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения или из шинной меди.

Якорь. Машина постоянного тока имеет якорь, состоящий из сердечника, обмотки, коллектора и вала. Сердечник якоря (рис. 82) собран из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм

Обмотку якоря (рис. 83) выполняют из медной изолированной проволоки, в машинах большой мощности — из медных стержней.

Коллектор (рис. 86, а) выполнен из отдельных пластин 2 толщиной до 5—8 мм, изготовленных из твердотянутой меди или кадмиевой

Щетки предназначены для соединения коллектора с внешней цепью. Они представляют собой прямоугольные призмы шириной 4—32 мм

1. Пуск в ход асинхронного двигателя: с короткозамкнутым ротором; с фазным ротором.

1)Прямой пуск асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Наиболее простым способом пуска двигателя с короткозамкнутым ротором является включение обмотки его статора непосредственно в сеть, на номинальное напряжение обмотки статора. Такой пуск называется прямым. При этом пусковой ток двигателя  .

2) Принцип работы асинхронной машины основан на использовании вращающегося магнитного поля. При подключении к сети трехфазной обмотки статора создается вращающееся магнитное поле, угловая скорость которого определяется частотой сети f и числом пар полюсов обмотки p

1. Синхронный двигатель. Пуск в ход.

Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска. Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно (откуда эти двигатели и получили свое название). Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости.

1. Устройство и принцип работы электрического двигателя постоянного тока.

Электродвигатель – это электротехническое  устройство для преобразования электрической энергии в механическую. Сегодня повсеместно применяются электромоторы в промышленности для привода различных станков и механизмов Электродвигатели приводят в движение, подключенные к ней устройства и механизмы. Если к нижней части обмотки якоря подключить электрический ток в одном направлении, а к верхней- в обратном- он начнет вращаться. Согласно правилу левой руки, проводники, уложенные в пазах якоря, будут выталкиваться магнитным полем обмоток корпуса ДПТ или статора. Нижняя часть будет выталкиваться вправо, а верхняя – влево, поэтому якорь начнет вращаться до момента пока части якоря не поменяются местами. Для создания непрерывного вращения необходимо постоянно менять местами полярность обмотки якоря. Чем и занимается коллектор, который при вращении коммутирует обмотки якоря. 

1. Устройство и принцип работы электрического генератора постоянного тока.

Генератор служит источником электрической энергии, которая используется для питания всех потребителей и зарядки аккумуляторной батареи. Простейший генера¬тор постоянного тока состоит из магнита, рам¬ки, коллектора и щеток. Рамка установлена на ва¬лу и приводится во вращательное движение. Концы рам¬ки присоединены к полуцилиндрам, изолированным друг от друга. Это устройство называется коллектором. К полуцилиндрам прижимаются щетки, при этом верхняя щетка обозначена знаком минус (—), нижняя — знаком плюс ( + ). Рамка вращается в магнитном поле, которое создается постоянным магнитом или электромагнитом. По закону электромагнитной индукции при пересечении рамкой магнитного поля в ней создается индуктированая э.д.с. (электродвижущая сила). Если рамку замкнуть через внешнюю цепь, то в цепи появится индуктированный пульсирующий электрический ток, который течет в одном направлении, но изменяется по величине. Просле¬дим, как возникает такой ток и как его можно преобразо¬вать в постоянный электрический ток.

1. Назначение коллектора в генераторе.

работает он по принципу как и все вращающиеся электрические машины. На рамке движущейся в магнитном поле возникает ЭДС. Через коллектор на обмотку ротора подается постоянный ток в якоре ротора возникает постоянное магнитное поле. Статор движется (относительно ротора конечно, так то он не подвижный) Поэтому в одной статора возникает ЭДС положительного знака а в обмотке статора расположенного на противоположной стороне относительно оси вращения ЭДС отрицательного знака. Если к контактам статора приложить сопротивление (нагрузку) то по обмотке статора потечет ток квазипостоянный к стати. Чем больше сегментов на коллекторе ротора тем меньше пульсация тока. 

1. Потеря напряжения в проводнике

провода (соединительные от источника питания к потребителю) неидеальны в плане своего сопротивления (проводимости) . Имеют некоторое сопротивление в омах (хоть и минимальное) . 
Это сопротивление чем меньше- тем лучше, но бывает, провода не медь, а аллюминий, а то и вовсе- железо/сталь, сопротивление увеличивается. . 
Сечение- важный параметр. Сечение больше- сопротивление меньше. 
Ну и длина проводов прямо пропорциональна сопротивлению. Метр и километр проводов имеет разное сопротивление. 
По закону Ома для участка цепи- при прохождения электрического тока через проводник, на нём "падает напряжение", Чем больше ток- тем больше будет "теряться" в проводах напряжение, которое должно было уйти целиком в нагрузку. 
Вот это называется "потери"

1. Назначение коллектора в электродвигателе.

Коллектор (щёточно-коллекторный узел) выполняет одновременно две функции: является датчиком углового положения ротора и переключателем тока со скользящими контактами. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо, из изолированных друг от друга пластин-контактов (ламелей) , расположенных по оси (вдоль оси) ротора. Щёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе и переключения тока в обмотках ротора.

1. Машины переменного тока.

Машины переменного тока бывают двух видов. Это синхронные машины и асинхронные. У синхронных машин скорость вращения ротора строго зависит от частоты переменного тока. Можно сказать скорость вращения "синхронна" с частотой тока. Не трудно догадаться, что у асинхронных машин частота вращения в общем случае зависит от нагрузки на валу, а не от частоты питающего тока.

1. Якорь машины постоянного тока. Назначение, конструкция.

В машинах постоянного тока и в коллекторных моторах переменного тока якорь является вращающейся частью машины (ротором) и представляет собой барабан, собранный с целью уменьшения вредного действия вихревых токов из отдельных железных листов толщиной примерно 0,5 мм, разделенных между собой тонкой бумагой или покрытых лаком для изоляции друг от друга; в продольных пазах на боковой поверхности барабана укладывается обмотка. В большинстве современных машин переменного тока якорь неподвижен (статор) и укрепляется обычно в станине машины.

1. Принцип работы простейшего генератора и электродвигателя.

Электродвигатель преобразует электроэнергию в энергию механического движения. Так же как и электрический генератор электродвигатель состоит обычно из статора и ротора, относясь к вращающимся электрическим машинам Выпускаются однако, двигатели у которых движущаяся часть совершает линейное (обычно прямолинейное движение (линейные двигатели).

Принцип действия любого генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Преобразование механической энергии двигателя (вращательной) в энергию электрического тока поясняет картинка. Если в однородном магнитном поле В равномерно вращается рамка, то в ней возникает, переменная Э.Д.С., частота которой равна частоте вращения рамки. Будем ли мы вращать рамку в магнитном поле, или магнитное поле вокруг рамки, либо магнитное поле внутри рамки, результат будет один - Э.Д.С., изменяющаяся по гармоническому закону.

1. Получение трехфазного переменного тока. Трехфазный генератор. .
   Работающие в настоящее время электростанции производят трёхфазный ток. Главное его преимущество заключается в лёгкости получения вращающегося магнитного поля. Трёхфазной системой переменного тока называется совокупность трёх однофазных токов одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых друг относительно друга по фазе на 1/3 периода (или 120 градусов). На современных генераторах обычно фазные обмотки размещены в неподвижной части генератора – статоре, а магнитное поле создаётся вращающимся с одной скоростью ротором, который представляет собой электромагнит.

1. Устройство электрических машин постоянного тока. Обратимость машин. Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части ( якоря с барабанной обмоткой).

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.

Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.

Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.

Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.

Обратимость электрических машин вызвана одинаковым устройством преобразователей электрической энергии в механическую и механической в электрическую. Таким образом, электрические машины взаимозаменяемы: электродвигатель может использоваться в качестве генератора и наоборот, электродинамическая головка может использоваться в качестве микрофона и наоборот, и т. п.

1. Назначение трансформаторных подстанций. Напряжения, используемые при передаче электроэнергии от электростанции к потребителю.
   Подстанция, в которой стоят повышающие трансформаторы, повышает электрическое напряжение при соответствующем снижении значения силы тока, в то время как понижающая подстанция уменьшает выходное напряжение при пропорциональном увеличении силы тока.
   От электростанции электроэнергия напряжением 110—750 кВ передается по линиям электропередач (ЛЭП) на главные или районные понижающие подстанции, на которых напряжение снижается до 6—35 кВ. От распределительных устройств это напряжение по воздушным или кабельным ЛЭП передается к трансформаторным подстанциям, расположенным в непосредственной близости от потребителей электрической энергии. На подстанции величина напряжения снижается до 380 В, и по воздушным или кабельным линиям электроэнергия поступает непосредственно к потребителю в доме. При этом линии имеют четвертый (нулевой) провод 0, позволяющий получить фазное напряжение 220 В, а также обеспечивать защиту электроустановок.
   Такая схема позволяет передать электроэнергию потребителю с наименьшими потерями. Поэтому на пути от электростанции к потребителям электроэнергия трансформируется с одного напряжения на другое

2. Назначение и устройство защитных заземлений.

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

Назначение защитного заземления — устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Защитное заземление представляет собою электрическую связь между заземляющим устройством и частью прибора для гарантирования электрической безопасности. Данный тип предназначен для непосредственной защиты человека от ударов током при прикосновении, если прибор находится под напряжением.

1. Схемы включения в цепь амперметров, вольтметров и ваттметров

вольтметр - параллельно, потому что напряжение одинаково в параллельно подключеных проводниках
амперметр - последовательно. сила тока в параллельных проводниках суммируется.

катушки ваттметра включаются и последовательно (токовая) и параллельно (катушка напряжения).

1. Сварочные аппараты постоянного и переменного тока.

Основными преимуществами сварки постоянным током являются:

• практически полное отсутствие брызг расплавленного металла;

• высокая степень устойчивости дуги электрического тока в сравнении со сваркой переменным током.

Преимущества сварки переменным током, как правило, имеют большее значение для пользователей. В частности, сварка этим видом электрического тока гарантирует:

• высокое качество шва;

• простоту выполнения работ по сварке;

• сравнительно более низкую стоимость оборудования для сварки переменным током.

1. Трансформаторные подстанции, их назначение и классификация

Трансформаторная подстанция — электроустановка, предназначенная для приема, преобразования (повышения или понижения) напряжения в сети переменного тока и распределения электроэнергии в системах электроснабжения потребителей сельских, поселковых, городских, промышленных объектов. Состоит из силовых трансформаторов, распределительного устройства РУ, устройства автоматического управления и защиты, а также вспомогательных сооружений.

Трансформаторные подстанции классифицируются на повышающие и понижающие. Повышающие трансформаторные подстанции (сооружаемые обычно при электростанциях) преобразовывают напряжение, вырабатываемое генераторами, в более высокое напряжение (одного или нескольких значений), необходимое для передачи электроэнергии по линиям электропередачи (ЛЭП). Понижающие трансформаторные подстанции преобразуют первичное напряжение электрической сети в более низкое вторичное.

Основы электроники

1. Электрический ток в вакууме.

Для существования электрического тока в вакууме нужно искусственно ввести в это пространство свободные электроны (с помощью эмиссионных явлений). Процесс испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией. Фотоэлектронная эмиссия - процесс испускания электронов металлами под воздействием света. Автоэлектронная эмиссия - процесс испускания электронов под воздействием электрического поля.

1. Термоэлектронная эмиссия, её использование.

Процесс испускания электронов нагретыми металлами называется термоэлектронной эмиссией. Интенсивность термоэлектронной эмиссии зависит от площади катода, температуры нагрева металла и свойств вещества. Если кинетическая энергия электронов больше энергии связи, то происходит термоэлектронная эмиссия. Её используют для появления эл.тока в вакууме.

1. Объясните сущность двух видов проводимостей полупроводников: электронную и дырочную.

Электронная. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Дырочная. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

1. P-n переход, его свойства и вольтамперная характеристика

p-n-перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Свойства:

1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси: d=10^-7 м,  Dj = 0.4—0,8 В.

2. Направление внешнего поля (источника) совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый токнеосновных носителей заряда. Такое включение называется обратным.

3. Прямое включение. Существует ток основных носителей заряда. p-n-переход пропускает электрический ток только в одном направлении(свойство односторонней проводимости).

ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА - зависимость тока от приложенного к элементу электрич. цепи напряжения или зависимость падения напряжения на элементе электрич. цепи от протекающего через него тока. Если сопротивление элемента не зависит от тока, то В--а. х.- прямая линия, проходящая через начало координат (Ома закон).

1. Устройство биполярных транзисторов типа p-n-p и n-p-n

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. В зависимости от чередования слоев существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n.

Negative-Positive-Negative. Где negative — это сплав кремния, обладающий избытком отрицательных переносчиков заряда (n-doped), а Positive –Negative-Positive — с избытком положительных (p-doped).

NPN более эффективны и распространены в промышленности.

PNP-транзисторы при обозначении отличаются направлением стрелки. Стрелка всегда указывает от P к N. PNP-транзисторы отличаются «перевёрнутым» поведением: ток не блокируется, когда база заземлена и блокируется, когда через неё идёт ток.

1. Устройство и применение тиристора

Тиристором называют полупроводниковый прибор с тремя (или более) p-n-переходами, вольт-амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используется для коммутаций в электрических цепях.

Тиристоры применяются, как правило, для управления подачей на какой-либо прибор напряжения, осуществляется это следующим образом: скажем, нам дана схема, состоящая из генератора, тиристора и резистора. Для того чтобы отпереть тиристор и подать напряжение на резистор необходимо подать управляющий ток, который как правило имеет форму управляющего импульса. Он должен протекать лишь до тех пор, пока тиристор не переключится в проводящее состояние и механизм внутреннего усиления не сможет поддерживать его в этом состоянии.

1. Полупроводниковые выпрямители: назначение, принцип работы.

Выпрямитель тока – это электровакуумное, механическое или полупроводниковое устройство, используемое для преобразования переменного входного тока в постоянный выходной электрический ток. Большинство современных выпрямителей тока создают так называемые «пульсирующие» напряжение и ток.

Принцип работы. Любой полупроводниковый выпрямительный элемент состоит из двух основных частей: металлического электрода и полупроводниковой пластинки. На поверхности соприкосновения металла с полупроводником на последнем в результате технологической обработки или вследствие свойств применяемых материалов образуется тонкий, так называемый запорный слой. Процесс получения этого слоя технологической обработкой носит название формовки выпрямителя.

1. Электронные лампы: назначение, принцип работы.

Электро́нная ла́мпа, радиола́мпа — электровакуумный прибор (точнее, вакуумный электронный прибор), работающий за счёт управления интенсивностью потока электронов, движущихся в вакууме или разрежённом газе между электродами.

Назначение и принцип

Основной принцип действия лампы прост — все построено на том, что раскаленные предметы могут выбрасывать в пространство свободные электроны.

Анод лампы принимает на себя поток электронов. Происходит электронная бомбардировка анода, от которой он нагревается. Кроме того, анод нагревается от теплового излучения катода. В установившемся режиме количество теплоты, выделяющееся на аноде, равно количеству теплоты, отводимому от анода.

1. Электровакуумные приборы: диод, триод.

трио́д — электронная лампа, позволяющая входным сигналом управлять током в электрической цепи. Имеет три электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), анод и одну управляющую сетку. Изобретён и запатентован в 1906 году американцем Ли де Форестом. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.

Дио́д — электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу — катодом.

1. Природа тока в полупроводниках, собственная и примесная проводимость.

Природа тока в полупроводниках

Особый научный и технический интерес представляют так называемые электронные полупроводники. Как и в металлах, прохождение электрического тока через такие полупроводники не вызывает никаких химических изменений в них; следовательно, мы должны сделать вывод, что и в них свободными носителями заряда являются электроны, а не ионы. Иными словами, проводимость этих полупроводников, как и металлов, является электронной. Однако уже огромное количественное различие между удельными проводимостями указывает на то, что существуют весьма глубокие качественные различия в условиях прохождения электрического тока через металлы и через полупроводники. Ряд других особенностей в электрических свойствах полупроводников также указывает на существенные различия между механизмом проводимости металлов и полупроводников.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.

Примесная проводимость полупроводников — электрическая проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике донорных(отдающие) или акцепторных (принимающие) примесей.
Примесная проводимость, как правило, намного превышает собственную, и поэтому электрические свойства полупроводников определяются типом и количеством введенных в него легирующих примесей. это примесь с большей валентностью.
При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются липшие электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа.

Акцепторная примесь — это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником р-типа.

1. Структурная схема выпрямителя

Рис. 1. Структурная схема выпрямителя

Основными параметрами, характеризующими качество работы выпрямителя, являются:

• средние значения выпрямленного (выходного) напряжения Uср и тока Iср,

• частота пульсаций fп выходного напряжения (тока),

• коэффициент пульсаций р, равный отношению амплитуды напряжения пульсаций к среднему значению выходного напряжения. Вместо коэффициента пульсаций р часто используют коэффициент пульсаций по первой гармонике равный отношению амплитуды первой гармоники выходного напряжения к его среднему значению,

• внешняя характеристика - зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока,

• к. п. д. η = Pполезн / Pпотр = Pполезн / (полезн + Ртр + Рвг + Рф), где Ртр, Рвг, Рф - мощность потреь в трансформаторе, в вентильной группе и сглаживающем фильтре.