Теоретические основы электротехники

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Общее определение четырехполюсников (вопрос 24)

Четырёхполюсник — это обобщённое понятие электрической цепи, рассматриваемой по отношению к четырём её зажимам.

Трансформатор, линию передачи энергии, мостовую схему и т.п. можно рассматривать  как четырёхполюсники.

Принято изображать четырёхполюсник в виде прямоугольника с выходящими из него концами (полюсами) тп и pq (рисунок 3.1,а). Если четырёхполюсник содержит источники электрической энергии, то в прямоугольнике ставят букву А (активный); если буква А отсутствует, то это значит, что четырёхполюсник пассивный.

В общем, практически мало распространённом случае, рабочими парами зажимов четырёхполюсника могут быть три пары зажимов. Применительно  к рисунку 3.1,а — это, например, пары тп, рт и pq. В этом случае режим работы четырёхполюсника определялся бы тремя независимыми уравнениями, в которые входили бы три независимых напряжения (что следует из второго закона Кирхгофа) между упомянутыми парами зажимов и тремя независимыми токами (что следует из первого закона Кирхгофа). На практике четырёхполюсник обычно работает в режиме, когда одна пара зажимов, например тп, является входной, а другая пара, например p, q — выходной. Четырёхполюсник, у которого рабочими являются две пары зажимов, называют проходным. В данной главе рассматривается теория проходного четырёхполюсника. (Термин «проходной» далее упоминаться не будет).

 

Рисунок 3.1 – Изображение четырёхполюсников: а) – эскизное; б) – с двумя парами зажимов; в) – пример «проходного» четырёхполюсника

 

Входной ток обозначают  I₂, входное напряжение U₂; ток и напряжение на выходе  –  I₂ и U₂.

Четырёхполюсник является передаточным звеном между источником питания и нагрузкой. К входным зажимам тп, как правило, присоединяют источник питания, к выходным зажимам pq — нагрузку.

Предполагается, что нагрузка четырёхполюсника и напряжение на входе при работе четырёхполюсника в качестве связующего звена могут изменяться, но схема внутренних соединений четырёхполюсника и сопротивления в ней остаются неизменными.

Четырёхполюсник характеризуется двумя напряжениями U₁ и U₂ и двумя токами I₁ и I₂. Любые две величины из четырёх можно определить через остальные. Так как число сочетаний из четырёх по два равно шести, то возможны шесть форм записи уравнений пассивного четырёхполюсника [3].

Пример записи уравнения  четырехполюсника в А-форме

 

U₁=AU₂+BI₂; 

I₁=CU₂+DI₂  .                                                                           (3.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4  Основные правила техники безопасности при работе с электрооборудованием (вопрос 34)

Безопасность эксплуатации электрооборудования обеспечивается самой конструкцией его (ограждения, блокировки, сигнализация, заземление и т. д.), а также мероприятиями организационного и технического характера, выполняемыми человеком в процессе обслуживания электрооборудования (приемы безопасной работы, различные защитные средства и т. д).

Изучение устройства электрооборудования  и правил его эксплуатации должно быть основой подготовк. При осмотре  и обслуживании электрооборудования  следует проверить, нет ли неисправностей, создающих опасность поражения человека электрическим током.

Места, где возможно прикосновение  к токоведущим частям, должны быть ограждены и снабжены плакатами  «Не трогать! Жизнеопасно!».

Защитные ограждения токоведущих  частей электрооборудования должны соответствовать своему назначению и иметь достаточную механическую прочность. Все соединения выводных концов электрических машин и подключения кабелей должны быть постоянно ограждены специальными кожухами, исключающими возможность   прикосновения к токоведущим частям.

Металлические части электрооборудования, которые не находятся под напряжением, но могут оказаться под ним при повреждении изоляции, должны быть надежно заземлены. Особое внимание необходимо обращать на состояние заземления электрооборудования, установленного на амортизаторах.

Для облегчения обслуживания и возможности  быстрого и безошибочного ориентирования, кабели и провода электрических  трасс должны иметь четкую маркировку. Освещение щитов, пультов и контрольно-измерительных  приборов должно быть равномерным и  не вызывать слепящего действия.

При осмотрах и обслуживании электрооборудования  запрещается:

Загромождать проходы вблизи электрооборудования, включать электрооборудование при неисправностях, а также при его R_изол ниже допустимых норм, использовать контрольные лампы в цепях с напряжением выше 220 В, производить измерения токоизмерительными клещами на шинах распределительных устройств, использовать электрооборудование с превышением мощности и времени перегрузки, указанных в формулярах и инструкциях, подавать питание для переносного электрооборудования от контактных соединений и частей электрооборудования, не предназначенных для этих целей (ножей рубильников, губок предохранителей и т. п.), подвешивать, а также держать переносные светильники и инструмент за провод, применять автотрансформаторы и сопротивления для понижения напряжения при питании переносного электрооборудования, пользоваться неисправным инструментом и приспособлениями, заменять приборы (амперметры и т. п.), требующие разрыва первичной цепи без снятия напряжения, самостоятельно изменять заводские электрические схемы и установки регулировочных устройств.

Все работы по осмотру и ремонту  электрооборудования в обычных  условиях должны проводиться при  снятом напряжении. Работы под напряжением  допускаются только в аварийных случаях с обязательным соблюдением мероприятий, обеспечивающих безопасность их выполнения.

Электрический ток, воздействующий на человека, вызывает раздражение чувствительных окончаний нервов (рецепторов). Сигналы  о раздражении током, передаваемые в центральную нервную систему, вызывают в ней соответствующую реакцию. Динамическое соотношение раздражающего действия тока и реакции организма на него определяет конечный результат воздействия.

Электрический ток, воздействуя на человека, вызывает реакции не только в месте проникновения тока, но и в любой точке тела, лежащей на его пути. В этом кроется причина опасности поражения электрическим током при больших путях его прохождения по организму человека.

Величина тока, при которой человек  начинает ощущать его воздействие, называется пороговым ощутимым током. Ветчина его составляет:

при переменном токе с частотой 50 Гц в пределах 0,6—1,5 мА;

при постоянном токе в пределах 5—7 мА.

Пороговый ощутимый ток не является опасным, но при длительном воздействии на человека оказывает вредное влияние на его организм.

Смертельным пределом тока (постоянного  и переменного) считается 100 мА. Однако смертельный исход из-за рефлекторного характера воздействия может вызвать и меньшая величина тока. При определенном состоянии организма неожиданность раздражения, вызываемая неопасным током, и возникающее при этом в сознании пострадавшего представление о большой опасности может явиться причиной для развития бурных процессов в нервной системе и привести к тяжёлому поражению и даже смертельному исходу.

Безопасным током принято считать  ток 50 мкА при 50 Гц и 10 мкА при постоянном токе.

Электрический ток, воздействуя на человека, приводит в основном к  электрической травме или к электрическому удару.

Электрические травмы. Характерные виды электрических травм электрические ожоги, электрические знаки, металлизация кожи, механические повреждения и наружное воспаление оболочек глаз.

Электрический удар не что иное, как  возбуждение живых тканей человека, вызванное протекающим через  него электрическим током и сопровождающееся непроизвольными судорожными сокращениями мышц. Степень воздействия на организм этих явлений может быть различной: от шокового состояния до смертельного исхода [8].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 Резонанс напряжений в последовательной электрической цепи R,L,C (вопрос 11)

Резонанс напряжений возможен в неразветвлённом участке цепи, схема замещения которого содержит индуктивный L, ёмкостный С и резистивный R элементы, т. е. в последовательном колебательном контуре (рисунок 5.1).

По закону Ома комплексное  значение тока в контуре

                 (5.1)

где и – соответственно, комплексное и полное сопротивления контура.

,            (5.2)

– угол сдвига фаз между  напряжением и током, т.е. аргумент комплексного сопротивления.

,             (5.3)

– действующее значение тока.

 

Рисунок 5.1 – Последовательное соединение индуктивности, резистора, ёмкости

Рисунок 5.2 – Векторная диаграмма напряжений

 

Режим работы неразветвлённого участка цепи, содержащей индуктивный, ёмкостный и резистивный элементы последовательного контура, при котором её ток и напряжение совпадают по фазе, т.е.

,                                                                                                  (5.4)                    

называется резонансом напряжений.

Это название отражает равенство действующих  значений напряжений на емкостном и индуктивном элементах при противоположных фазах, что видно из векторной диаграммы на рисунке 5.2, на которой начальная фаза тока выбрана равной нулю.

Угловая частота, при которой наблюдается резонанс напряжений, определяется равенством

, (5.5)      

т.е.

                                 

и называется резонансной.

При резонансе напряжений ток в  цепи достигает наибольшего значения , а напряжения на емкостном и индуктивном элементах

,       (5.6)

могут (и во много раз) превысить напряжение питания, если 

.        (5.7)

Величина  имеет размерность сопротивления и называется характеристическим сопротивлением колебательного  контура. Отношение напряжения на индуктивном или емкостном элементе при резонансе к напряжению  на выводах контура, равное отношению характеристического сопротивления к сопротивлению резистивного элемента, определяет резонансные свойства колебательного контура и называется добротностью контура

      (5.8)

Если при резонансе увеличить  в одинаковое число раз n индуктивное и емкостное сопротивление, т.е. выбрать

; и ,      (5.9)

то ток в цепи не изменится, а  напряжения на индуктивном и емкостном элементах увеличатся в раз (рисунок 5.2) ; и . Следовательно, в принципе, можно безгранично увеличивать напряжения на индуктивном и емкостном элементах при том же токе  .

Физическая причина возникновения  повышенных напряжений — это колебания  значительной энергии, запасаемой попеременно в электрическом поле емкостного и в магнитном поле индуктивного элементов.

При резонансе напряжений малые  количества энергии, поступающей от источника и компенсирующей потери энергии в активном сопротивлении, достаточны для поддержания незатухающих колебаний в системе относительно больших количеств энергии магнитного и электрического полей. Покажем, что при резонансе в любой момент времени суммарная энергия электрического и магнитного полей остаётся постоянной

.       (5.10)

Между напряжением на емкостном  элементе и током сдвиг фаз равен четверти периода, поэтому если , то . Подставив эти выражения в предыдущее уравнение, получим

     (5.11)

Амплитуда тока _., а при резонансе т.е.

 

 

Следовательно

               (5.12)

В аппаратуре связи, автоматики и т. д. большое практическое значение имеют зависимости токов и напряжений от частоты для цепей, в которых возможен резонанс. Эти зависимости называются резонансными кривыми.

Выражение (5.11) показывает, что ток в цепи зависит от угловой частоты и достигает наибольшего значения при резонансе, т.е. при и   (рисунок 2.26).

Полное сопротивление идеального последовательного контура ( = 0) при резонансе равно нулю (короткое замыкание для источника питания).

Наибольшие значения напряжений на индуктивном и емкостном элементах получаются при угловых частотах, несколько отличающихся от резонансной. Так, напряжение на емкостном элементе

                         (5.13)

Наибольшему значению соответствует угловая частота , при которой значение подкоренного выражения в последней фopмуле минимально. Следовательно, для определения угловой частоты   нужно приравнять нулю первую производную от подкоренного выражения по

,    (5.14)

откуда 

   

Аналогично можно найти, что  наибольшее значение напряжение на индуктивном  элементе получается при угловой частоте