ЕЛЕКТРОТЕХНІКА

Тема: Трифазний струм

Учбові питання

1. Переваги багатофазного струму

2. Виробництво трифазного струму

Література: А.М. Гужій, С,К.Мещанінов " Електротехніка та основи електроніки" стр.98 -103

1. Багатофазний струм має такі переваги:

- для передачі потужності потрібні проводи меншого перерізу

- обертове магнітне поле створюється за допомогою нерухомих котушок або обмоток

2. Трифазний струм одержують на електростанціях від синхронних генераторів. На статорі генератора розміщені три однофазних обмотки. початкові виводи обмоток зсунуті один відносно одного на третю частину кола статора. Ротор який обертає турбіна являє собою електромагніт постійного струму. Виводи трьох обмоток статора зєднують двома способами: зірка або трикутник. При зєднанні зіркою кінцеві виводи всіх обмоток зєднують в один вузол ( нейтраль)а до початкових підєднують проводи. Проводи підєднані до обмоток називаються лінійними. При зєднанні зіркою сила струму у обмотці і лінійному проводі однакова.

При зєднанні трикутником кінець першої обмотки зєднують з початком другої, кінець другої обмотки зєднують з початком третьої, кінець третьої обмотки зєднують з початком першої. Зєднання трикутником застосовують в електричних машинах там, де потрібно щоб сила струму в обмотці була меншою сили струму в лінійному проводі. 

Тема: Джерела постійного струму

Постійний струм існує тільки в замкнутій ланцюга і зберігає свій напрямок і основні параметри незмінними в часі. Для його підтримки необхідно наявність постійної напруги. Ця вимога є незмінним для різних джерел постійного струму.

Існує кілька основних видів джерел енергії постійного струму. Кожен з них заснований на використанні різних фізичних принципів і використовується в певних умовах. До них можна віднести наступні види:

• механічні, перетворюють механічну енергію обертання ротора в електричну енергію;
• теплові, у яких в електричну енергію перетворюється теплова енергія;
• хімічні, у яких в електричну енергію перетворюється енергія, що виділяється в результаті хімічного процесу;
• світлові, що перетворюють енергію сонячного світла в електричну енергію.

В основному електроенергія виробляється електростанціями, від яких споживачі отримують не постійний, а змінний струм, який потім перетвориться в постійний. Але у багатьох сферах можна застосовувати тільки теплові, світлові або хімічні джерела постійного електричного струму.

Теплові джерела

У цих джерелах використовується термоелектричний ефект. Електричний струм у замкнутому ланцюзі виникає завдяки різниці температур, що контактують між собою, металів або напівпровідникових структур. В місці контакту при нагріванні виникає електрорушійна сила (термо-ЕРС). Електричний струм заряджених частинок спрямований від нагрітого ділянки в бік холодного. Його величина пропорційна різниці температур. У місці спаю утворюється термопара.

Прилади, які для створення постійного струму використовують тепло, що виділяється при розпаді радіоактивних ізотопних матеріалів, є радіоізотопними термоелектричними генераторами

Світлові джерела

Властивість напівпровідників створювати ЕРС при попаданні потоку світла використовується при створенні світлових джерел постійного струму.

Об'єднання великої кількості кремнієвих структур дозволяє створювати сонячні батареї. Невеликі електростанції, створені на базі таких сонячних панелей, мають на сьогоднішній день ККД не більше 15%.

Хімічні джерела

Отримання позитивних і негативно заряджених частинок у хімічних джерелах постійного струму здійснюється за рахунок хімічних реакцій. За класифікацією хімічних джерел вони діляться на 3 групи:

• гальванічні елементи, які є первинними джерелами ;
• електричні акумуляторні батареї (АКБ), або вторинні ХІТ;

*ХІТ - хімічні джерела струму.

Гальванічні елементи використовують принцип дії, заснований на взаємодії двох металів через середовище електроліту. Вид і характеристики ХІТ залежать від вибраної пари металів і складу електроліту. Два металевих електрода джерела струму за аналогією з приладом односторонньої провідності отримали назву анода («+») і катода («-«).

Матеріалом для виготовлення анода можуть служити свинець, цинк, кадмій та інші. Катод виготовляють з оксиду свинцю, графіту, оксиду марганцю, гідроксиду нікелю. За складом електроліту гальванічні елементи поділяються на 3 види:

• сольові або «сухі»;
• лужні;
• літієві.

В елементах перших двох видів графіто-марганцевий стрижень (катод) вміщено по осі цинкового циліндричного стаканчика (анода). Вільний простір між ними заповнений пастою на основі хлориду амонію (сольові) або гідрооксиду калію (лужні).

В літієвих елементах цинковий анод замінений лужним літієм, що призвело до значного збільшення тривалості роботи. Матеріал катода в них визначає вихідна напруга батареї (1,5-3,7) Ст. Первинні ХІТ є джерелами одноразової дії. Його реагенти, що витрачаються в процесі роботи, не підлягають відновленню.

Акумулятори являють собою пристрої, в яких виробляється перетворення електричної енергії зовнішнього джерела струму в хімічну енергію при заряді і її накопичення. В процесі роботи (розряд) відбувається зворотне перетворення - хімічна енергія служить джерелом постійного електричного струму.

До основних видів акумуляторів відносяться:

• свинцево-кислотні;
• нікель-кадмієві лужні;
• літій-іонні.

Для створення хімічних процесів набір пластин поміщений в розчин електроліту. В АКБ, створених за сучасними технологіями, розчин являє собою не рідина, а гелієвий складу (GEL) або стільникові сепаратори, просочені електролітом і поміщені між свинцевими пластинами (AGM).

Свинцево-кислотні і нікель-кадмієві лужні акумулятори для роботи в якості джерел постійного струму для запуску двигунів автомобілів збирають з набору окремих акумуляторних елементів («банок»). Кожна «банку» забезпечує на своїх клемах напруга 2,1 В. З'єднані послідовно 6 елементів і поміщені в ударостійкий корпус, мають на вихідних клемах акумулятора необхідні для запуску двигуна 12 Ст.

У літій-іонних акумуляторах носіями електричного струму служать іони літію. Вони утворюються на катоді, виготовленому з солі літію. Анод може бути виготовлено з графіту або оксидів кобальту. Напруга постійного струму на виході акумулятора може змінюватись в межах (3,0-4,2) У залежності від використовуваних матеріалів. Ці акумулятори мають низьке значення струму саморозряду і допускають велику кількість циклів заряд/розряд. Завдяки цьому всі сучасні гаджети використовують акумулятори цього виду.

Механічні джерела постійного струму

Пристроями, перетворюючими механічну енергію в електричну, є турбо і гідро генератори. Вони виробляють змінний електричний струм. Для основної частини побутових приладів джерелом постійного струму виступають їх блоки живлення. У них виробляється перетворення змінної напруги генератора в постійну напругу, необхідну для роботи пристроїв. Цю задачу виконують випрямлячі, які повинні забезпечувати необхідну потужність джерела постійного струму для їх навантаження і постійне значення вихідної напруги, не залежне від споживаного струму.

Блоки живлення можуть бути лінійними і імпульсними. Лінійні блоки виконуються за різними схемами, основу яких складають:

• однонапівперіодні випрямлячі;
• двухнапівперіодні випрямлячі.

У випрямлячах використовується властивість напівпровідникових діодів пропускати струм тільки в одному напрямку. Випрямлена таким чином напруга ще не є постійним. Ємності наступних за випрямлячем конденсаторів згладжуючого фільтра при своєму швидкому заряді і повільному розряді підтримують величину позитивного однополярного напруги на визначеному значенні. Його величина визначається трансформатором, які отримують напругу від генератора змінного струму. Для однофазного напруги домашньої мережі 220 В 50 Гц його сталевий сердечник має значні розміри і вага.

Схеми однонапівперіодного випрямляча містять всього один напівпровідниковий діод, що пропускає тільки одну півхвилю синусоїдального змінного вхідного напруги.

Двухнапівперіодні випрямлячі виконуються за мостовою схемою або по схемі з загальною точкою. В останньому випадку вторинна обмотка мережевого трансформатора має висновок від своєї середини. Ці випрямлячі являють собою паралельне включення двох однонапівперіодних випрямлячів. Вони діють на обидві напівхвилі синусоїди змінного вхідного напруги.

Мостова схема випрямляча є найбільш поширеною. З'єднання 4-х діодів в ній нагадує «квадрат». До однієї з діагоналей підключається змінну напругу вторинної обмотки мережевого трансформатора. Навантаження включається в іншу діагональ «квадрата». Їм буде вхідний елемент згладжуючого фільтра.

Регулювання джерела

Для забезпечення постійного значення рівня вихідної напруги, не залежного від споживаного навантаженням струму і коливань вхідної змінної напруги, всі сучасні джерела живлення постійного струму мають ступінь стабілізації і регулювання.

В ній вихідна напруга порівнюється з еталонним (опорним) значенням.

При появі відмінності між ними виробляється керуючий сигнал, який по ланцюгу управління змінює величину вихідної напруги. Значення опорної напруги можна змінювати в широких межах, маючи на виході регульованого джерела живлення постійного струму необхідне для роботи напруга.

Імпульсні джерела

Схеми з використанням вхідних трансформаторів напруги мережі отримали назву лінійних. В імпульсних джерелах живлення проводиться подвійне перетворення - спочатку змінну напругу випрямлячем перетвориться в постійну, потім виробляється змінне імпульсна напруга більш високої частоти, яке у вихідному каскаді знову перетворюється в постійну напругу необхідного значення.

Генератори імпульсів виробляють безперервну імпульсну послідовність з частотою (15-60) кГц. Регулювання вихідної напруги здійснюється за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), при якому рівень сигналу на виході блоку живлення визначається шириною імпульсів, що виробляються генератором і значенням їх шпаруватості. Регульовані джерела живлення постійного струму імпульсного типу все частіше використовуються при створенні апаратури різного призначення.

Тема: Кола постійного струму

Впорядкований рух вільних заряджених часток в провіднику під дією електричного поля називається електричним струмом.

Для виникнення струму необхідне замкнуте електричне коло і джерело електрорушійної сили.

Електричне коло в загальному випадку включає такі елементи:

§ Джерело електричної енергії - генератори, джерела живлення.

§ Приймачі, що перетворюють електроенергію в інші види енергії.

§ Засоби, що з'єднують джерела енергії і приймачі.

Графічне зображення кола називається електричною схемою.

Для кожної електричної схеми існує поняття вузла, вітки і контуру.

Вузол - точка з'єднання трьох або більше елементів кола.

Іноді вводиться поняття умовного вузла, в якому з'єднуються два елементи електричного кола.

Вітка - ділянка кола між двома вузлами.

Контур - замкнутий шлях обходу віток.

Електричні кола можуть бути простими і складними. До простих відносяться кола з одним джерелом живлення (або кількома джерелами в одній вітці); до складних - кола з двома або більше джерелами живлення в різних вітках.

Найпростіше коло складається з джерела енергії з ЕРС Е, приймача електричної енергії або кажуть навантаження з опором R та з'єднувальних проводів. Частина кола, що включає з'єднувальні проводи і навантаження є зовнішнім колом джерела.

Під дією електрорушійної сили Е генератора в замкнутому колі виникає і підтримується направлений рух електричних зарядів - електричний струм І.

Величина струму І визначається кількістю електричних зарядів, що проходять через поперечний перетин провідника за одиницю часу (одну секунду). Якщо величина струму в часі не змінюється, то , де q - кількість електрики (кількість електричних зарядів), що проходить за t секунд.

Одиницею виміру електричного струму є ампер.

В металевих провідниках електричний струм є рух негативних зарядів - електронів. В інших випадках (наприклад, електролітах) електричний струм здійснюється переміщенням і негативних, і позитивних зарядів в протилежних напрямках.

Рух позитивних зарядів в одному напрямку рівноцінний переміщенню від'ємних зарядів в протилежному напрямку.

Для визначеності умовлено за позитивний напрямок струму в провідниках вважати напрямок руху позитивних зарядів.

В джерелі електрорушійної сили на переміщення електричних зарядів витрачається певна енергія.

Відношення роботи А, що здійснюється зовнішніми силами при переносі зарядженої частки всередині джерела до її заряду Q називається електрорушійною силою джерела енергії (ЕРС) -.

Якщо Q = 1 Кл, то Е = А, тобто ЕРС чисельно дорівнює роботі, що здійснюється зовнішніми силами при переносі одиниці заряду на ділянці АВ (див. попередній мал.). ЕРС визначається в вольтах

.

Дією електрорушійної сили джерела забезпечується певна різниця потенціалів на його клемах. Клема з більш високим потенціалом називається позитивною і позначається знаком « + ». Клема з більш низьким потенціалом називається від'ємною і позначається знаком « - ». Іншими словами клема « + » має більше вільних позитивних зарядів або менше від'ємних, а клема « - » має менше позитивних або більше від'ємних зарядів.

У зовнішньому колі струм направлений від клеми « + » до клеми « - », тобто від точки з більш високим потенціалом до точки з більш низьким потенціалом.

В джерелі напрямок струму співпадає з напрямком ЕРС - від клеми « - » до клеми « + ».

Проходження електричного струму в колі пов'язане з втратою енергії. Ця енергія постачається в коло джерелом і перетворюється в колі в інші види енергії.

Елемент кола, в якому здійснюється необоротний процес перетворення електроенергії в теплову називається електричним активним опором.

Напруга на ділянці кола називають ще падінням напруги. Напруга вимірюється як і ЕРС в вольтах - "В".

Тема: Будова і принцип дії реле

Реле - електромагнітний комутаційний прилад для замикання або розмикання електричного кола.

• 
  
• Будова
  • Котушка
  • Контакти
  • Корпус, колодка

Прилад що працює на слабких струмах за допомогою якого вмикають або вимикають електричні кола з більш високим струмом. Електромагніт приводиться в дію слабкими струмами який притягує якір та замикає контакти електричного кола з високими струмами.

Принцип роботи електромагнітного реле

При натисканні на кнопку до котушки починає надходити живлення, котушка притягує феромагнітний стержень який в свою чергу притягує якір та замикає контакти, електричне коло з контактами замикається та живлення надходить до виконавчого механізму, на даному рисунку - це лампочка і вона починає світитись. При розмиканні кнопки, живлення не приходить на котушку і контакти розмикаються. Електричне коло з кнопкою та котушкою називають керуючим (слабкі струми), а електричне коло з лампочкою та контактами - силовим (сильні струми).

Кнопка може знаходитись на пульті управління, реле в електричному щиті, а виконавчий механізм (електричний двигун, лампочка) там де він необхідний. Це робить процес комутації більш безпечнішим та зручним.

Котушка - це найважливіший елемент електромагнітного реле, намотана мідним ізольованим проводом діаметром від 0.02 мм. Котушка піддається дії чисельних несприятливих факторів як нагрів в процесі роботи, імпульсні перешкоди так і зовнішнього середовища як наприклад висока вологість повітря та інші. Конструкція котушки повинна забезпечувати надійну роботу при впливах всіх цих факторів.

Робота реле в електричних схемах супроводжується яскраво вираженим негативним ефектом. Котушки електромагнітних реле при знятті напруги живлення поводяться як індуктивність. В результаті в схемі з'являються сплески перенапруг, що в десятки разів перевищують значення напруги живлення. Це відбувається як на котушці DC, так і AC.Такі імпульсні перешкоди можуть мати негативний вплив на роботу електронних систем.

Для котушок DC найпростішим рішенням є підключення паралельно до клем котушки звичайного випрямного діода (Катодом до «+»). У більшості випадків для цієї мети ідеально підходить діод типу 1N4007 (1А / 1000 В).

З котушками АС для гасіння сплесків перенапруг найчастіше застосовується один з двох варіантів: RC-ланцюг або варістор, має характеристики двонаправленого стабілітрона. Деякі типи реле виробляються з уже вбудованими захисними елементами. Для реле, які встановлюються на колодку, передбачені також спеціальні додаткові модулі типу «М» як для постійного струму (діод), так і для змінного (варістор, RC- ланцюг). Для реле, монтаж яких здійснюється на друковані плати, необхідно передбачити захисні елементи, які будуть запаяні якомога ближче до котушки. Завдяки застосуванню елементів захисту можна бути уверним, що сплеск перенапруг, який генерується при відключенні котушки реле, не зробить негативного впливу на схему управління та інші електричні та електронні компоненти пристрою.

Котушки бувають:

- Каркасними, де намотка здійснюється на каркас. В якості каркаса виступає просякнута лаком бумага, картон або пластмаса.

- Безкаркасні, де намотка здійснюється прямо на сердечник магнітної системи. Безкаркасні котушки використовуються рідко. Зазвичай поверх котушка покривається захисними плівками або лаками і епоксидними компаундами.

Контакти - це другий за важливістю елемент будь-якого реле.

Струмопровідні елементи виготовляються з пружних матеріалів для забезпечення необхідної сили притискання. Контактні накладки виготовляють з матеріалів з високою провідністю та стійкістю до підгоряння це може бути срібло, платина, золото, вольфрам та інші.

Контакти бувають різними але найбільш розповсюджені - це плоскі, конічні та напівкруглі.

Вибір матеріалу контакту залежить від застосування реле. Найбільш часто використовуються наступні матеріали:

• Срібло чисте Ag
• Срібло-нікель AgNi сплав (90% Ag, 10% Ni)
• Срібло-оксид олова AgSnO2
• Срібло-оксид кадмію, AgCdO
• Срібло-нікель + золоте покриття AgNi + Au
• Вольфрам W

Срібло Ag

Чисте срібло (99% Ag) має найвищу електро- і теплопровідність, виняткову в порівнянні з будь-якими відомими металами і має хорошу стійкість до окислення, але в присутності сірки, що міститься в атмосфері на поверхні такого матеріалу формується плівка з сульфіду срібла, що призводить до збільшення контактного опору. Для забезпечення належного електричного контакту з цього матеріалу, комутовані навантаження повинні складати від 100 мА 10 В і вище.

Сплав срібло-нікель (90% Ag, 10% Ni)

Універсальний сучасний матеріал, підходить для роботи з будь-якими видами навантажень постійного (DC) або змінного (AC) струму. Є найбільш підходящим для комутації постійного струму навантаження, при якому характерний процес дифузії матеріалів контактів. Від катода (-) до анода (+), що призводить до швидкого зносу контактів і збільшує зазор між ними.

Срібло-оксид кадмію, AgCdO

Це з'єднання (90% Ag, 10% CdO) має широкий спектр застосування по потужності навантаження в зв'язку з хорошою стійкістю матеріалу до виникаючої при комутації електричній дузі. Його сфера застосування: для резистивних і індуктивних навантажень, таких як двигуни, нагрівальні елементи, лампи розжарювання, соленоїди і ін. від 12 до 380 В і 100 мА до 30 А. Це стандартний матеріал, який використовується найчастіше . Наявність домішок сірки не дає особливого впливу на стан контактів. Останнім часом застосування реле з такими контактами скорочується в зв'язку з токсичністю кадмію.

Срібло-оксид олова AgSnO2

Матеріал має властивості, аналогічні властивостям срібного сплаву AgCdO, однак, більш теплостійкий, а також стійкий до міграції матеріалу від одного контакту до іншого. Контакти AgSnO2 характеризуються рівномірним зносом в процесі експлуатації при підвищеній частоті комутації навантажень. Матеріал добре працює з резистивним навантаженням до 16 А. Не є токсичним порівняно з AgCdO.

Срібло-нікель + золоте покриття AgNi + Au

Золоте покриття, що має товщину 0,2-0,5 мкм, використовується для захисту основного матеріалу від окислення при зберіганні. Захисний шар 02-05 мкм швидко руйнується при введенні реле в експлуатацію. Золото має низьку стійкість до механічного зносу, низьку температуру плавлення. При комутації великих струмів (від 1 А) золоте покриття зникає, і контакти реле залишаються з властивостями «срібло-нікель », придатними для комутації стандартних навантажень.

Вольфрам W

Це самий твердий матеріал з високою стійкістю до впливів електричної дуги. Характеризується дуже низькою чутливістю до міграції. Контактний опір вольфраму є відносно високим, отже, такі контакти придатні тільки для комутації навантажень середньої напруги: від 60 В і 1 А. Звичайна сфера застосування: ємнісні навантаження, електромотори, люмінесцентні лампи і так далі. Реле з вольфрамовими контактами зустрічаються відносно рідко.

Корпус, контактні колодки

Корпус слугує захистом від зовнішнього впливу, а також для захисту людини від струмопровідних частин.

Спочатку корпусом були звичайні рамки потім ящики. З розповсюдженням пластмас корпус почав приймати сучасну форму. Розрізняють відкрите, пилозахищене та герметичне. Відкрите реле використовують вкрай рідко.

Пилозахищене Герметичне

Контактні колодки слугують захистом для виводів реле.

Реле застосовують в транспортних засобах для подачі сигналів повороту.

Тема:Змінний струм
Змінний струм. Змінним називається струм, зміна якого за величиною і напрямком повторюється періодично через рівні проміжки часу.
В перших електротехнічних установках використовували тільки постійний електричний струм. Втім вияснилось, що набагато вигідніше використовувати змінний струм, струм який періодично змінює свій напрям та значення.
Змінний струм простіше виробляти на електростанціях. Генератори змінного струму простіші та дешевші аніж генератори постійного струму.
Передавати струм по проводам вигідніше при високій напрузі. Змінювати напругу змінного струму дуже просто, для цього потрібен трансформатор. З постійним струмом зробити це набагато складніше.
Широкого застосування набули електродвигуни змінного струму які широко використовують в промисловості. Дуже багато технологічних процесів базуються на змінному струмі.
На електростанціях для споживачів виробляється змінний струм, а не постійний.
Освітлювальна електрична мережа, силова електрична мережа живиться змінним струмом.
Для перетворення механічної енергії в електричну, необхідно енергію руху перетворити в електричний струм.
Електричний струм збуджується шляхом електромагнітної індукції.
Явище виникнення електричного струму в провіднику, який пересікає магнітні лінії називається електромагнітною індукцією, а струм що виник, індукційним струмом. Індукційний струм представляє собою теж саме що і упорядкований рух електронів. Назва індукційний струм вказує тільки на причину його виникнення.
Припустимо у нас є рамка з провідного матеріалу. Помістимо її в магнітне поле. Якщо рамку почати обертати, то через неї потече електричний струм. При рівномірному обертанні на кінцях цієї рамки вийде змінний синусоїдальний струм.
Це пов'язано з тим, що в залежності від положення по осі обертання рамку пронизує різне число силових ліній. Відповідно і величина ЕРС наводиться не рівномірно, а згідно з положенням рамки, як і знак цієї величини. Це можна побачити графіку вище. При обертанні рамки в магнітному полі від швидкості обертання залежить як частота змінного струму, так і величина ЕРС на виводах рамки. Щоб досягти певної величини ЕРС при фіксованій частоті - роблять більше витків. Таким чином виходить не рамка, а котушка.
По котушці проходить постійний струм, а отже і магнітне поле також буде постійним. Стальний сердечник придає магнітним лініям бажану форму між полюсами отримуємо приблизно однорідне поле. В цьому полі рівномірно обертається прямокутна рамка. Кінці рамки з'єднані за допомогою контакту що ковзає з вольтметром. Магнітний потік який створюється котушкою є постійним, но та його частина яка з'єднана з рамкою буде неоднакова в різні моменти часу.
Зміна величини магнітного потоку, що пересікає виток, відбувається безперервно, хоча потік, який створюється електромагнітом, залишається незмінним. Відповідно в рамці буде наводитись ЕРС.
Струм (або напруга) змінюється періодично, тобто кожен моментальне значення цих величин повторюється через один і той же проміжок часу, наприклад значення точки а (або b). Сила струму (напруга) пробігає за цей проміжок часу всі можливі значення і повертається до початкового тобто здійснює повне коливання.
Проміжок часу при якому сила струму (або напруга) здійснює повне коливання і приймає початкове значення називається періодом змінного струму. Для європейських країн та більшості інших Т=1/50 с, а так як направлення струму змінюється два рази впродовж кожного періоду, то технічний струм змінює своє направлення 100 разів в секунду.
Максимальне значення яке може мати змінний струм в тому чи іншому напрямку називається амплітудою цієї величини.
За одиницю частоти приймають частоту, яка рівна одному коливанню за секунду. Цю одиницю називають герц (Гц). В честь німецького фізика Генріха Герца.
Таким чином, технічний змінний струм має частоту 50 Гц.
Замість частоти f також вводять величину:
яку називають циклічною або круговою частотою струму (або напруги). Вона представляє собою число повних коливань данної величини за 2п секунд.
Поки що ми маємо справу з одним синусоїдальним змінним струмом (напругою), частота і амплітуда є повними характеристики цих величин, тому що ми можемо вибирати випадково початковий момент відліку час
Моментальні значення змінного струму весь час змінюються то коливаються між нулем і максимальним значенням. Втім ми характеризуємо силу змінного струму як і постійного - ампером.
Що значить вираз сила змінного струму? Можна було б характеризувати силу змінного струму його амплітудою, але це не зручно, адже буде важко зробити прилад який буде вимірювати амплітуду струму. Простіше використовувати щось, що не буде залежати від напрямку струму. Такою властивістю струму є нагрівати провідник по якому він проходить.
Змінний струм який проходить по деякому провіднику з опором R. Впродовж секунди змінний струм виділяє в провіднику деяку кількість теплоти Q. Допустимо що через той же провідник пропустимо постійний струм і підберемо його силу так щоб він виділяв такуж кількість тепла Q. По своїй дії обидва струми рівні тому що сила постійного струму характеризує дію змінного струму, яке позначають через І .
Сила струму що виділяє в провіднику таку ж кількість тепла, як і даний змінний струм називається діючим значенням змінного струму.
Замінивши значення сили постійного струму діючим значенням змінного струму то можна вирахувати кількість теплоти, яка виділяється змінним струмом в провіднику
У випадку синусоїдного струму діюче значення струму дуже просто зв'язано з амплітудою цього струму.
Закон Ома для змінного струму
Закон Ома для постійного струму виглядає так: I=U/R.
Сила струму I, що проходить по деякій ділянці кола, пропорційна напрузі U та обернено пропорційна опору R. Цей закон зберігає силу і для змінного струму. В цьому випадку якщо ми будемо збільшувати напругу між двома точками у 2 ,3, 4 рази то настільки ж буде зростати і струм в колі. У колах змінного струму провідники крім активного опору мають ще й реактивний - індуктивний RL = ωL і ємнісний RC = 1/ωC (ω - частота струму, L - довжина провідника, С - це ємність конденсатора). Між опором постійного струму та опором змінного струму буде різниця тому опір змінного струму ми будемо називати "повним опором" і позначати буквою Z.
Таким чином закон Ома для змінного струму:
Сила змінного струму визначається при заданому значенні не тільки тим опором який має дане коло при постійному струмі, а й наявністю в цьому колі конденсаторів, котушок індуктивності. Тому величини R та Z різні, тобто одне й теж саме коло буде мати різний опір для постійного та змінного струмів.
Наприклад, якщо в коло постійного струму ввімкнути конденсатор то коло буде розімкнуте, струм буде дорівнювати нулю, а отже опір буде безкінечно високим. Включимо тепер конденсатор ємністю 10 мкФ послідовно з амперметром в мережу 220 В і частотою 50 Гц. Амперметр покаже що в колі є протікає змінний струм. А отже повний опір кола змінного струму обумовлено ємністю конденсатора.
Генератор змінного струму
Принцип будови генераторів змінного струму нічим не змінився від приладу що був розглянутий вище.
На круглий стальний циліндр, що називається ротором, намотується обмотка, що складається з декількох послідовно з'єднаних витків. Ротор з'єднаний за допомогою якого-небудь привода, наприклад пасової передачі з двигуном. Двигун обертає ротор між полюсами електромагніту. Обмотки електромагніту живляться від незалежного джерела живлення, наприклад акумуляторів. Кінці роторної обмотки приєднані до обертових кілець, що закріплені на валу ротора.
На нерухомій частині яка зветься статором, закріплені контактні щітки, які ковзають уздовж обертових кілець та підключені до лінії передачі, що з'єднує генератор зі споживачем електроенергії.
В сучасних генераторах обмотка зазвичай розміщується на статорі, магніт на валу ротора. Бо в сучасних генераторах обмотка не обертається то і немає необхідності в ковзаючих контактах для під'єднання навантаження. Це значно спрощує їх експлуатацію. Якщо ж електромагнітне поле створюється не постійним магнітом, а електромагнітом ковзаючі контакти все одно залишаються
Но по ньому протікає струм електромагніту, який зазвичай значно менший ніж струм в обмотці й робота контактів полегшується.

Тема: Електровимірювальні прилади

Електровимірювальні прилади - пристрої, що застосовуваються для вимірювання різноманітних електричних величин. До групи приладів входять також крім власне вимірювальних приладів та інші засоби вимірювань - міри, перетворювачі, комплексні установки.

Характер вимірювання електричних величин електровимірювальними приладами

За характером вимірювання електричних величин поділяються на

• амперметри - для вимірювання сили електричного струму;
• вольтметри - для вимірювання електричної напруги;
• омметри - для вимірювання електричного опору;
• мультиметри (інакше тестери, авометра) - комбіновані прилади
• частотоміри - для вимірювання частоти коливань електричного струму;
• магазини опорів - для відтворення заданих опорів;
• ватметри і варметри - для вимірювання потужності електричного струму;
• електричні лічильники - для вимірювання спожитої електроенергії
• 
  

Призначення електровимірювальних приладів

За призначенням поділяються на

• вимірювальні прилади,
• міри,
• вимірювальні перетворювачі,
• вимірювальні установки та системи,
• допоміжні пристрої;

Спосіб представлення результатів електровимірювальними приладами

За способом представлення результатів вимірювань поділяються на

• показуючі та
• реєструючі (у вигляді графіка на папері або фотоплівці, роздруківці, або в електронному вигляді);

Методи вимірювання електровимірювальних приладів

За методом вимірювання поділяються на

• прилади безпосередньої оцінки
• прилади порівняння;

Спосіб застосування і конструкція електровимірювальних приладів

За способом застосування і за конструкцією поділяються на

• щитові (закріплюються на щиті або панелі),
• переносні і стаціонарні;

Принцип дії електровимірювальних приладів

За принципом дії - поділяються на

• електромеханічні:
• магнітоелектричні;
• електромагнітні;
• електродинамічні;
• електростатичні;
• феродинамічні;
• індукційні;
• магнітодинамічні;
• електронні;
• термоелектричні;
• електрохімічні.
• Тема: Трансформатори

• Трансформатор - статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивно зв'язані обмотки і призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або кількох систем (напруг) змінного струму в одну або декілька інших систем (напруг) змінного струму без зміни частоти системи (напруги) змінного струму[2].

  Трансформатори широко застосовуються в лініях електропередач, в розподільних та побутових пристроях. При високій напрузі й малій силі струму передача електроенергії відбувається з меншими втратами. Тому, зазвичай лінії електропередач є високовольтними. Водночас побутові й промислові машини вимагають великої сили струму й малої напруги, тому перед споживанням електроенергія перетворюється в низьковольтну. Трансформатори знайшли застосування також у різних випрямних, підсилювальних, сигналізаційних та інших пристроях.

  Коефіцієнт корисної дії сучасних трансформаторів, особливо підвищеної потужності, вельми високий і досягає значень 0,95...0,996.

  Історична довідка

  У 1831 році англійським фізиком Майклом Фарадеєм при проведенні ним основоположних досліджень було відкрите явище електромагнітної індукції, що лежить в основі принципу роботи електричного трансформатора.

  Вперше трансформатори, як такі були продемонстровані в 1882 році[3], хоча ще в 1876 році Яблочков П. М. запатентував (патент Франції № 115793 від 30 листопада 1876 року[4]) аналогічний пристрій для створених ним освітлювальних пристроїв - «свічок Яблочкова»[5] [6]. Це був трансформатор з розімкнутим осердям, у вигляді стрижня, на який намотувались обмотки.

  Трансформатор силовий ОСМ1-0,63 380/220-24-12-5; Однофазний Сухий Багатоцільового призначення потужністю 0,63 кВА

  У 1885 р. угорські інженери фірми «Ganz factory» Отто Блаті, Карл Зіперновскі і Мікша Дері винайшли трансформатор із замкнутим магнітопроводом, що зіграло важливу роль у подальшому розвитку конструкцій трансформаторів[7].

  Велику роль для підвищення надійності трансформаторів зіграло застосування масляного охолодження (кінець 1880-х років, Джордж Свінберн). Свінберн розташовував трансформатори у керамічних посудинах, заповнених оливою, що суттєво підвищувало надійність ізоляції обмоток.[8].

  Винахід трансформатора був важливим фактором у так званій війні струмів - конкурентній боротьбі за те, який електричний струм, постійний чи змінний ефективніший для масового користування.

  З винайденням трансформатора виник технічний інтерес до змінного струму. Електротехнік російського походження М. О. Доліво-Добровольський у 1889 р. розробив для німецької фірми «Allgemeine Elektricitäts-Gesellschaft» перший трифазний трансформатор[9]. На електротехнічній виставці у Франкфурті-на-Майні у 1891 р. Доліво-Добровольський демонстрував дослідну високовольтну електропередачу трифазного струму на відстань 175 км. Трифазний генератор мав потужність 230 кВт при напрузі 95 В.

  У 1891 році Нікола Тесла винайшов резонансний трансформатор для генерування високої напруги при високій частоті[10][11][12].

  
  

  Будова й принцип дії

  Підключення трансформатора у схемі

  Найпростіший трансформатор складається з двох обмоток на спільному осерді. Одна з обмоток під'єднана до джерела змінного струму. Ця обмотка називається первинною. Інша обмотка, вторинна, служить джерелом струму для навантаження. Створений струмом у первинній обмотці змінний магнітний потік викликає появу е.р.с. у вторинній обмотці, оскільки обидві обмотки мають спільне осердя. Співвідношення е.р.с. у вторинній обмотці й напруги на первинній залежить від кількості витків у обох обмотках. 

  Таким чином, перетворення напруги й сили струму в трансформаторі визначається кількістю витків у первинній та вторинній обмотках. Напруга пропорційна кількості витків, тоді як сила струму обернено пропорційна їй.

  Втрати енергії

  У реальних трансформаторах енергія передається від первинного кола до вторинного з втратами. Існує низка фізичних причин, що їх зумовлюють.

  Однією з причин втрат є активний опір обмоток. При протіканні струму через трансформатор, він нагрівається і віддає тепло навколишньому середовищу. При збільшенні частоти опір обмоток збільшується через скін-ефект та ефект близькості, які зменшують площу перерізу провідника, через який протікає струм.

  Ще одна причина втрат - перемагнічування осердя внаслідок гістерезису. Ці втрати для конкретної речовини осердя пропорційні частоті й залежать від пікового значення потоку магнітного поля через осердя.

  Інша причина втрат - струми Фуко. Змінне магнітне поле в осерді породжує змінне вихрове електричне поле, яке викликає додаткові вихрові струми, що теж призводять до нагрівання. Для зменшення струмів Фуко осердя виготовляють із тонких сталевих пластинок, оскільки втрати, пов'язані зі струмами Фуко, обернено квадратично залежать від товщини матеріалу. На високих частотах для виготовлення осердь використовують феромагнітні матеріали, які завдяки більшому опору, мають значно менші втрати.

  Частина енергії втрачається на механічні коливання. Феромагнітний матеріал осердя розширюється і стискається у змінному магнітному полі завдяки явищу магнітострикції. Цим пояснюється гудіння трансформатора, що супроводжує його роботу. Додатково, первинна й вторинна обмотка притягаються й відштовхуються у змінному магнітному полі, змушуючи також коливатися і корпус трансформатора.

  Магнітний потік, що виходить за межі осердя, сам по собі не призводить до втрати енергії, але він може призводити до появи вихрових струмів Фуко в металевих деталях корпусу й кріплення, що теж зумовлює невеликі втрати енергії.

  Загалом, великі трансформатори мають коефіцієнт корисної дії до 98%[13]. Трансформатори з надпровідних матеріалів можуть збільшити цей коефіцієнт до 99,85%[14].

  Втрати у трансформаторах залежать від навантаження. Втрати без навантаження зумовлені в основному опором обмоток, тоді як причиною втрат при повному навантаженні зазвичай є гістерезис та вихрові струми. Втрати при відсутності навантаження можуть бути значними, тому навіть, якщо до вторинної обмотки нічого не підключено, трансформатори повинні задовольняти умовам економної роботи. Конструювання трансформаторів із малими втратами вимагає великого осердя, високоякісної електротехнічної сталі, товстіших провідників, що збільшує початкові затрати, але окупається при експлуатації[15].

  Режими роботи трансформатора

  Режим холостого ходу

  Трансформатор може працювати в режимі холостого ходу, коли вторинне коло розімкнене (навантаження відсутнє),

  У режимі холостого ходу для трансформатора з сердечником з магнітом'якого матеріалу струм холостого ходу характеризує величину втрат в осерді (на вихрові струми і на гістерезис) та реактивну потужність перемагнічування магнітопроводу. Потужність втрат можна обчислити, помноживши активну складову струму холостого ходу на напругу, що подається на трансформатор.

  Для трансформатора без феромагнітного осердя втрати на перемагнічування відсутні, і струм холостого ходу визначається опором індуктивності первинної обмотки, який пропорційний до частоти змінного струму та величини індуктивності.

  Режим короткого замикання

  Режим короткого замикання можна отримати в результаті замикання вторинної обмотки накоротко. Це аварійний режим, що може призвести до виходу з ладу трансформатора. При цьому струм у вторинній обмотці може бути у 20...30 разів більшим за номінальний. Тому слід відрізняти режим короткого замикання від досліду короткого замикання. За допомогою останнього можна визначити втрати корисної потужності на нагрівання проводів в колі трансформатора.

  При дослідженні режиму короткого замикання, на первинну обмотку трансформатора подається змінна напруга невеликої величини, виводи вторинної обмотки закорочують. Величину напруги на вході встановлюють такою, щоб струм короткого замикання дорівнював номінальному (розрахунковому) струму трансформатора. У таких умовах величина напруги короткого замикання характеризує втрати в обмотках трансформатора, втрати на омічний опір. Потужність втрат можна обчислити помноживши напругу короткого замикання на струм короткого замикання.

  Даний режим широко використовується у вимірювальних трансформаторах струму.

  Режим навантаження

  Режим роботи трансформатора при якому вторинна обмотка замкнута на опір називається режимом роботи трансформатора під навантаженням. При такому режимі роботи у вторинній обмотці протікатиме струм IS, який створить свій магнітний потік ΦS, який за правилом Ленца має зменшити зміни магнітного потоку в осерді. Це призводить до автоматичного збільшення сили струму в колі первинної обмотки. Збільшення сили струму в колі первинної обмотки відбувається згідно із законом збереження енергії:

  
  

  Це означає, що підвищуючи за допомогою трансформатора напругу у кілька разів, ми в стільки ж разів зменшуємо силу струму (та навпаки). Отже, трансформатор перетворює змінний струм таким чином, що добуток сили струму на напругу приблизно однаковий у первинній і вторинній обмотках.

  Різновиди

  Силовий трансформатор

  
  

  Силовий трансформатор - стаціонарний прилад з двома або більше обмотками, який за допомогою електромагнітної індукції перетворює систему змінної напруги та струму в іншу систему змінної напруги та струму, як правило, різних значень при тій же частоті з метою передачі електроенергії без зміни її потужності при передаванні

  Силовий трансформатор використовується для перетворення параметрів електричної енергії в електричних мережах і устаткуванні, що застосовуються для приймання та споживання електричної енергії[18]. Силовий трансформатор застосовується у складі комплектних трансформаторних підстанцій для пониження напруги при подачі електроенергії населеним пунктам.

  Термін «силовий» вказує на роботу даного виду трансформаторів з великими потужностями. Необхідність застосування силових трансформаторів зумовлена ​​різною величиною робочих напруг ліній електропередач (35...750 кВ), міських електромереж (як правило 6...10 кВ), напруги що подається кінцевим споживачам (0,4 кВ, вони ж 380/220 В) та напруги, необхідної для роботи електромашин і електроприладів (у досить широкому діапазоні від одиниць вольт до сотень кіловольт).

  Силові трансформатори поділяються на сухі, найчастіше використовуються в електромережах і в джерелах живлення різних приладів, і масляні, що працюють при напругах від 6кВ і вище. Масляні трансформатори відрізняються від сухих тим, що як ізоляційне та охолоджувальне середовище застосовується спеціальна трансформаторна олива. Силові масляні трансформатори переважно призначаються для пониження напруги електромереж.

  Автотрансформатор

  Автотрансформатор - трансформатор, дві або більше обмоток якого мають спільну частину[19]. Це є варіант виконання силового трансформатора, в якому первинна і вторинна обмотки сполучені безпосередньо, і мають за рахунок цього не тільки електромагнітний зв'язок, а й електричний. Обмотка автотрансформатора має декілька виводів (як мінімум 3), при підключенні до яких, можна отримувати різні напруги.

  Перевагою автотрансформатора є вищий ККД, оскільки лише частина потужності піддається перетворенню - це особливо суттєво, коли вхідна і вихідна напруги відрізняються незначно. Недоліком є відсутність електричної ізоляції (гальванічної розв'язки) між первинним і вторинним колом. У промислових мережах, де наявність заземлення нульового проводу обов'язкова, цей чинник ролі не грає, зате суттєвою є менша витрата сталі для осердя, міді для обмоток, менша вага і габарити, і в результаті - менша вартість.

  Застосування автотрансформаторів економічно виправдане замість звичайних трансформаторів для сполучення ефективно заземлених мереж з напругою 110 кВ і вище при коефіцієнтах трансформації не більших за 3...4.

  
  

  Узгоджувальний трансформатор

  Узгоджувальний трансформатор (англ. matching transformer) - трансформатор, призначений для вмикання між двома колами з різними імпедансами з метою оптимізації потужності сигналу, що пересилається[1]. Одночасно узгоджувальний трансформатор забезпечує створення гальванічної розв'язки між ділянками схем.

  Узгоджувальні трансформатори за особливостями використання поділяють на вхідні, вихідні та проміжні.

  Вимірювальний трансформатор

  Вимірювальний трансформатор (англ. instrument transformer[20]) - трансформатор, призначений для пересилання інформаційного сигналу вимірювальним приладам, лічильникам, пристроям захисту і (або) керування]. Вимірювальні трансформатори поділяються на трансформатори струму і трансформатори напруги.

  Трансформатор струму - вимірювальний трансформатор, в якому за нормальних умов роботи вторинний струм практично пропорційний первинному і зсув фаз між ними близький до нуля[21].

  Вимірювальний трансформатор струму - трансформатор, який призначений для перетворення струму до значення, зручного для виміру. Первинна обмотка трансформатора струму включається послідовно у коло зі змінним струмом, що вимірюється. А у вторинну включаються вимірювальні прилади. Струм, що протікає по вторинній обмотці трансформатора струму, пропорційний струму, що протікає у його первинній обмотці.

  Трансформатори струму широко використовуються для вимірювання електричного струму й у пристроях релейного захисту електроенергетичних систем, у зв'язку з чим на них накладаються високі вимоги по точності. Трансформатори струму забезпечують безпеку вимірювань, ізолюючи вимірювальні кола від первинного кола з високою напругою, яка часто складає сотні кіловольт.

  Зазвичай, трансформатор струму виготовляється з двома і більше групами вторинних обмоток: одна використовується для підключення пристроїв захисту, інша, точніша - для підключення засобів обліку і вимірювання (наприклад, лічильників електроенергії).

  Трансформатор напруги - вимірювальний трансформатор, у якому за нормальних умов використання вторинна напруга пропорційна первинній напрузі та за умови правильного вмикання зміщена відносно неї за фазою на кут, близький до нуля[21].

  Трансформатор напруги використовується для перетворення високої напруги в низьку в колах релейного захисту та контрольно-вимірювальних приладів і автоматики. Застосування трансформатора напруги дозволяє ізолювати логічні кола захисту і кола вимірювання від кіл високої напруги.

  Імпульсний трансформатор

  Імпульсний трансформатор - трансформатор з феромагнітним осердям, для перетворення імпульсів електричного струму або напруги з тривалістю імпульсу до десятків мікросекунд з мінімальним спотворенням форми імпульсу. Імпульсні трансформатори в радіолокації, імпульсному радіозв'язку, автоматиці і обчислювальній техніці служать для узгодження джерела імпульсів з навантаженням, зміни полярності імпульсів, розділення електричних кіл по постійному і змінному струму, додавання сигналів, запалювання імпульсних ламп тощо.

  Робота імпульсного трансформатора істотно відрізняється під час формування фронту і вершини імпульсу. Для кращої передачі фронту і спаду імпульсу необхідно, щоб міжвиткова ємність обмоток, паразитні ємності монтажу і індуктивність розсіяння імпульсного трансформатора були мінімальними. Зменшення міжвиткових ємностей досягається використанням сердечників малих розмірів, відповідним намотуванням і взаємним розташуванням обмоток, а також зменшенням числа витків (при цьому знижується коефіцієнт трансформації). В імпульсних трансформаторах застосовують сердечники з пермалою, кремнистої трансформаторної сталі, феритів та інших матеріалів з високою магнітною проникністю.

  Резонансний трансформатор

  Резонансний трансформатор - трансформатор, що працює на резонансній частоті коливального контуру утвореного однією або декількома із його обмоток підключенням до електричного конденсатора. У резонансного трансформатора зазвичай вторинна обмотка виконує роль індуктивності у коливальному контурі, утвореному разом з конденсатором. Коли на первинну обмотку подати періодичний струм у вигляді прямокутних чи пилкоподібних імпульсів на резонансній частоті, кожен імпульс струму дає поштовх коливанням індукованого струму у вторинній котушці. У зв'язку з резонансом можуть досягатись великі значення напруги, поки вона не буде обмежена якимось процесом, таким як електричний пробій. Такі пристрої використовуються для створення високої змінної напруги, що не може бути досягнутою на таких електростатичних машинах, як генератор Ван де Граафа чи електрофорна машина.

  Приклади:

  • трансформатор Тесли;
  • котушка Удена;
  • котушка запалювання або індукційна котушка, що використовуються в системі запалювання з бензинового двигуна;
  • вихідний трансформатор рядкової розгортки електронно-променевої трубки кінескопа;
  • трансформатори пристроїв для випробування ізоляції високовольтного устаткування та кабелів на електричний пробій.

  Застосування трансформаторів

  Трифазний розподільний трансформатор.

  Найчастіше трансформатори застосовуються в електромережах та в джерелах живлення різних приладів.

  Застосування в електромережах

  Оскільки втрати на нагрівання дроту пропорційні квадрату струму, що проходить через дріт, при передачі електроенергії на великі відстані вигідно використовувати дуже великі напруги і невеликі струми. З міркувань безпеки та для зменшення маси ізоляції в побуті бажано використовувати менші напруги. Тому для найбільш вигідного транспортування електроенергії в електромережі багаторазово застосовують силові трансформатори: спочатку для підвищення напруги генераторів на електростанціях перед транспортуванням електроенергії, а потім для зниження напруги лінії електропередач до прийнятного для споживачів рівня.

  Оскільки в електричній мережі три фази, для перетворення напруги застосовують трифазні трансформатори, або групу з трьох однофазних трансформаторів, з'єднаних за схемою зірки або трикутника. У трифазного трансформатора сердечник для всіх трьох фаз загальний.

  Незважаючи на високий ККД трансформатора (для трансформаторів великої потужності - понад 99%), в дуже потужних трансформаторах електромереж виділяється велика потужність у вигляді тепла (наприклад, для типової потужності блоку електростанції 1 ГВт на трансформаторі може виділятися потужність до декількох мегават). Тому трансформатори електромереж використовують спеціальну систему охолодження: трансформатор поміщається в бак, заповнений трансформаторним маслом або спеціальною негорючою рідиною. Масло циркулює під дією конвекції або примусово між баком і потужним радіатором. Іноді масло охолоджують водою. «Сухі» трансформатори використовують при відносно малій потужності.

  Застосування в джерелах електроживлення

  Компактний мережевий трансформатор.

  Для живлення різних вузлів електроприладів потрібні найрізноманітніші напруги. Блоки електроживлення у пристроях, які потребують кілька напруг різної величини, містять трансформатори з декількома вторинними обмотками або містять у схемі додаткові трансформатори. Наприклад, в телевізорі за допомогою трансформаторів отримують напруги від 5 вольт (для живлення мiкросхем і транзисторів) до декількох кіловольт (для живлення анода кінескопа через помножувач напруги).

  У схемах живлення сучасних радіотехнічних та електронних пристроїв (наприклад в блоках живлення персональних комп'ютерів) широко застосовуються високочастотні імпульсні трансформатори. В імпульсних блоках живлення змінну напругу мережі спершу випрямляють, а потім за допомогою інвертора перетворюють на високочастотні імпульси. Система управління за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ) дозволяє стабілізувати напругу. Після чого імпульси високої частоти подаються на імпульсний трансформатор, на виході з якого, після випрямлення і фільтрації отримують стабільну постійну напругу.

  У минулому мережевий трансформатор (на 50-60 Гц) був однією з найважчих деталей багатьох приладів. Річ у тому, що лінійні розміри трансформатора визначаються його потужністю, причому виявляється, що лінійний розмір мережевого трансформатора приблизно пропорційний потужності в степені 1/4. Розмір трансформатора можна зменшити, якщо збільшити частоту змінного струму. Тому сучасні імпульсні блоки живлення при однаковій потужності є значно легшими.

  Трансформатори на 50-60 Гц, незважаючи на свої недоліки, продовжують використовувати в схемах живлення, в тих випадках, коли необхідно забезпечити мінімальний рівень високочастотних перешкод, наприклад при високоякісному звуковідтворенні.

  
  

• Тема Електричні машини змінного струму

• 
  

  Електричні машини широко використовують на електростанціях, транспорті, у промисловості, системах електроприводу, будівництві, системах автоматичного регулювання і контролю.

  За призначенням електричні машини поділяють на двигуни і генератори.

  Двигуни - це машини, які перетворюють електричну енергію в механічну.

  Генератори - це машини, які перетворюють механічну енергію в електричну.

  Будь-яка електрична машина може працювати у режимі як двигуна, так і генератора.

  За видом струму електричні машини поділяють - на машини постійного і машини змінного струму.

  За принципом роботи електричні машини змінного струму можуть бути синхронні та асинхронні.

  
  

  Синхронна машина змінного струму - це машина, в якій частота обертання магнітного поля збігається з частотою обертання ротора.

  Асинхронна машина - це машина, в якій частота обертання магнітного поля не збігається з частотою обертання ротора.

  Машини постійного струму поділяють на машини з незалежним, паралельним, послідовним та змішаним збудженням.

  Асинхронні двигуни становлять більш ніж 95% усіх електродвигунів, які використовують у народному господарстві. За конструкцією ротора їх поділяють на двигуни з короткозамкненим ротором і двигуни з фазним ротором.

  Синхронні двигуни поділяють на двигуни з явно вираженими і неявно вираженими полюсами.

  За формою виконання електричні двигуни можуть бути дев'яти груп. Найбільш поширені наступні двигуни:

  на лапах з підшипниковими щитами та горизонтальним валом (

  на лапах з підшипниковими щитами, фланцем на підшипниковому щиті, вертикальним валом 

  без лап з підшипниковими щитами та фланцем на підшипниковому щиті 

  
  

  За рівнем захисту від контакту зі струмопровідними частинами, потрапляння сторонніх тіл, пилу і вологи електричні машини бувають такої модифікації:
  відкриті - електродвигун не захищений від випадкового дотикання до обертових і струмопровідних частин і від потрапляння всередину сторонніх предметів (встановлюють у приміщенні);

  закриті - електродвигун не має сполучення внутрішньої частини і навколишнього середовища (встановлюють у запорошених приміщеннях і на відкритому повітрі);

  захищені - електродвигун має конструкцію для захисту від потрапляння всередину сторонніх предметів (встановлюють у закритому приміщенні);

  водозахишені - електродвигун виконано так, що при обливанні водою вода всередину не потрапляє;

  герметичні - електродвигун виконано так, що виключається можливість сполучення між внутрішнім простором і зовнішнім середовищем при певній різниці тисків ззовні та всередині двигуна;

  вибухозахищені - електродвигуни спеціального використання (призначені для роботи у вибухонебезпечному середовищі) та інші.

  За способом охолодження електричні машини класифікують за такими ознаками:
  з природним охолодженням - це машина, теплота якої передається навколишньому середовищу шляхом конвекції повітря;

  штучним охолодженням - машина, в якій за допомогою спеціальних пристроїв збільшується швидкість руху повітря;

  з вентиляцією - машина з штучним охолодженням повітря або іншого газу.
  За номінальними режимами роботи електричних двигунів виділяють три основні режими: тривалий, короткочасний і повторно-короткочасний (існує вісім номінальних режимів).

  Найбільшого поширення серед електричних двигунів отримав трифазний асинхронний двигун, вперше сконструйований відомим російським електротехніком М. О. Доливо-Добровольським.

  
  

• Тема: Асинхронний двигун змінного струму

• 
  

  Асинхронний двигун простий і надійний і від цього дуже часто використовується на виробництві та в побутовій техніці, від приводу засувок до обертання барабана в пральній машині. 

  Види

  Асинхронні двигуни (АД) діляться на дві основні групи:

  • з короткозамкненим ротором (КЗ);
  • з фазним ротором.

  Якщо опустити нюанси, то відмінність полягає в тому, що у АД з короткозамкненим ротором немає щіток і виражених обмоток, він менш вимогливий в обслуговуванні. Тоді як в асинхронних двигунах з фазним ротором є три обмотки, з'єднані з контактними кільцями, струм з яких знімається щітками. На відміну від попереднього краще піддається регулюванню моменту на валу і простіше реалізується плавний запуск для зниження пускових струмів.

  В іншому двигуни класифікують:

  • за кількістю живлячих фаз - однофазні і двофазні (використовуються в побуті при харчуванні від мережі 220В), і трифазні (набули найбільшого поширення на виробництві та в майстернях).
  • за способом кріплення - фланцеве або на лапах.
  • по режиму роботи - для тривалого, короткочасного або повторно-короткочасного режиму.

  І ряду інших факторів, які впливають вибір конкретного виробу для використання в конкретних умовах.

  Про однофазних електродвигунах можна сказати багато: деякі з них запускаються через конденсатор, а деяким потрібно і пускова і робоча ємність. Є й варіанти з короткозамкненим витком, які працюють без конденсатора і застосовуються, наприклад, в витяжках. 

  За визначенням «асинхронним» називають двигун змінного струму, у якого ротор обертається повільніше ніж магнітне поле статора, тобто несинхронно. Але це визначення не дуже інформативно. Щоб його зрозуміти потрібно розібратися як влаштований цей двигун.

  Асинхронний двигун, як і будь-який інший складається з двох основних частин - ротор і статор. 

  Статором називають нерухому частину будь-якого генератора або електродвигуна.
  Ротором називають обертову частину двигуна, яка і приводить в рух механізми.

  Статор складається з корпусу, торці якого закриваються підшипниковими щитами, в яких встановлені підшипники. Залежно від призначення і потужності двигуна використовують підшипники ковзання або кочення. У корпусі розташований сердечник, на ньому встановлена ​​обмотка. Її називають обмоткою статора.

  Так як струм змінний, щоб знизити втрати через блукаючих струмів (струми Фуко) сердечник статора набирають з тонких сталевих пластин, ізольованих одна від одної окалиною і скріплених лаком. На обмотки статора подають напругу живлення, струм протікає в них називають струмом статора.

  Кількість обмоток залежить від числа живлять фаз і конструкції двигуна. Так у трифазного двигуна мінімум три обмотки, з'єднаних за схемою зірки або трикутника. Їх кількість може бути більше, і воно впливає на швидкість обертання валу, але про це ми поговоримо далі.

  А ось з ротором справи йдуть цікавіше, як уже було сказано він може бути або короткозамкненим, або фазним.

  Короткозамкнений ротор - це набір металевих стрижнів (зазвичай алюмінієвих або мідних), на малюнку вище позначені цифрою 2, впаяних або залитих в сердечник (1) замкнутих між собою кільцями (3). Така конструкція нагадує колесо, в якому бігають одомашнені гризуни, від чого її часто називають «білячою кліткою» або «болючих колесом» і така назва не жаргонне, а цілком літературне. Для зменшення вищих гармонік ЕРС і пульсації магнітного поля, стрижні укладають не вздовж вала, а під певним кутом щодо осі обертання.

  Фазний ротор відрізняється від попереднього тим, що на ньому вже є три обмотки, як на статорі. Початок обмоток підключаються до кілець, зазвичай мідним, вони напресовані на вал двигуна. 

  В обох випадках, один з кінців вала з'єднують з наведеними в рух механізмом, він виконується конічної або циліндричної форми з проточками або без, для установки фланця, шківа і інших механічних приводних деталей.

  На «задній» частини вала закріплюють крильчатку, яка необхідна для обдування і охолодження, поверх крильчатки на корпус надаватися кожух. Таким чином холодне повітря прямує уздовж ребер асинхронного двигуна, якщо ця крильчатка з якоїсь причини не буде обертатися - він перегріється.

  Конструкція першого асинхронного двигуна була розроблена М.О. Доливо-Добровольським і запатентував він її в 1889 р Без особливих змін дожила до теперішнього часу.

  Принцип роботи

  Асинхронні електричні машини часто називають індукційними, це пов'язано з їх принципом дії. Будь-який електродвигун приводиться в обертання в результаті взаємодії магнітних полів ротора і статора, а також завдяки силі Ампера. Магнітне поле, в свою чергу, може існувати або навколо постійного магніту, або навколо провідника, через який протікає струм. Але як працює саме асинхронна машина?

  В асинхронному двигуні на відміну від інших немає як такої обмотки збудження, тоді як у нього з'являється магнітне поле? Відповідь проста: асинхронний електродвигун - це трансформатор

  В результаті протікання трифазного струму в обмотках статора з'являється обертове магнітне поле. Через зсув фаз струм протікає то по одній, то по інший обмотці, відповідно до цього виникає магнітне поле, полюса якого спрямовані згідно з правилом правої руки. І відповідно до зміни струму в тій чи іншій обмотці полюса направляються у відповідну сторону.

  У найпростішому (двох полюсному) випадку обмотки укладені таким чином, що кожна з них зміщена на 120 градусів щодо попередньої, як і кут зсуву фаз напруги в мережі змінного струму.

  Швидкість обертання магнітного поля статора прийнято називати синхронної. Детальніше про те, як воно обертається, і чому ви дізнаєтеся з наступного відеоролика. Відзначимо, що в двофазних (конденсаторних) і однофазних електродвигунах - воно не обертається, а еліптичне або пульсуюче, а обмоток не 3, а 2.

  Якщо розглядати асинхронний електродвигун з короткозамкненим ротором, то магнітне поле статора індукує в його стрижнях ЕРС, так як вони замкнуті, то починає протікати струм. Через що також виникає магнітне поле.

  В результаті взаємодії двох полів і силі Ампера, що діє на ротор, він починає обертатися услід за обертовим магнітним полем статора, але при цьому завжди трохи відстаючи від швидкості обертання МП статора, це відставання називають ковзанням.

  Якщо швидкість обертання магнітного поля називають синхронною, то швидкість обертання ротора вже асинхронною, від чого він і отримав таку назву.

  У АД з фазним ротором справи йдуть так само, за винятком того, що до його кільцям підключають реостат, який після того як двигун вийде на робочий режим виводиться з ланцюга і обмотки замикаються накоротко. 

  Такий підхід дозволяє здійснювати плавний запуск і знижувати пускові струми, за рахунок збільшення активного електричного опору ротора.

  Підведемо підсумки:

  • Струм в обмотках статора породжує магнітне поле.
  • Магнітне поле призводить до виникнення струму в роторі.
  • Струм в роторі до виникнення поля навколо нього.

  Так як поле статора обертається, то через своє поле ротор починає обертатися за ним.

  Ковзання і швидкість обертання

  Частота обертання магнітного поля статора (n1) більше, ніж частота обертання ротора (n2). Різниця між ними називається ковзанням, а позначається латинською буквою S і обчислюється за формулою:

  S = (n1-n2) * 100% / n1

  Ковзання не є недоліком цього електродвигуна, оскільки якби його вал обертався з тією ж частотою, що і магнітне поля статора (синхронно), то в його стержнів не індукувався б струм, і він би просто не став обертатися.

  Тепер про важливіше понятті - частота обертання ротора асинхронного електродвигуна. Вона залежить від 3 величин:

  • частота напруги мережі живлення (f);
  • число пар магнітних полюсів (p);
  • ковзання (S).

  Число пар магнітних полюсів визначає синхронну швидкість обертання поля і залежить від числа обмоток статора. Ковзання залежить від навантаження і конструкції конкретного електродвигуна і лежить в межах 3-10%, тобто асинхронна швидкість зовсім небагато менше синхронної. Ну а частота змінного струму у нас фіксована і дорівнює 50 Гц.

  Тому частоту обертання валу асинхронного двигуна складно регулювати, ви можете впливати лише на частоту живильної мережі, тобто встановивши частотний перетворювач. Можна і знижувати напругу статора, але тоді зменшується потужність на валу, проте такий прийом застосовують при пуску АД з перемиканням обмоток із зірки на трикутник для зменшення пускових струмів.

  Частота обертання поля статора (синхронна швидкість) визначається за формулою:

  n = 60 * f / p

  Так в двигуні з однією парою магнітних полюсів (два полюси) синхронна швидкість дорівнює:

  60 * 50/1 = 3000 об / хв

  Найбільш поширені такі варіанти електродвигунів з:

  • однією парою полюсів (3000 об / хв);
  • двома (1500 об / хв);
  • трьома (1000 об / хв);
  • чотирма (750 об / хв).

  Реальна швидкість обертання ротора буде трохи нижче, на реальному асинхронному двигуні вона вказується на етикетці, наприклад, тут - 2730 об / хв. Незважаючи на це, в народі такий асинхронний двигун будуть називати згідно синхронної швидкості або просто «трёхтисячнік».

  Тоді його ковзання дорівнює:

  3000-2730 * 100% / 3000 = 9%

  Сфера використання

  Асинхронний електродвигун знайшов застосування в усіх сферах діяльності людини. Ті що живляться від однієї фази (від 220) можна зустріти в виконавчих механізмах малої потужності або в побутовій техніці і інструменті, наприклад:

  • в пральній машині типу «крихітка» і інших старих радянських моделей;
  • в бетономішалці;
  • в вентиляторі;
  • в витяжці;
  • і навіть в газонокосарках верхнього цінового сегмента.

  На виробництві в трифазних мережах:

  • автоматичні засувки;
  • вантажопідйомні механізми (крани і лебідки);
  • вентиляція;
  • компресори;
  • насоси;
  • дерево- та металообробні верстати та інше.

  Також АД використовується в електротранспорті, а останнім часом в інтернеті активно рекламують асинхронний двигун з обмоткою типу «Слов'янка» і, так зване, мотор-колесо Дуюнова, про що ви можете дізнатися з відеоролика розробника.

  Область застосування асинхронних двигунів настільки велика, що один тільки список буде довшим ніж ця стаття, тому кожен електрик повинен знати, як він влаштований, для чого потрібен і де застосовується. Підіб'ємо підсумки і перерахуємо плюси і мінуси цих пристроїв.

  плюси:

  • Проста конструкція.
  • Низька вартість.
  • Майже не вимагають обслуговування.

  Головний недолік - складність регулювання обертів, в порівнянні з тими ж двигунами постійного струму або універсальними колекторними машинами. Відповідно і складно організувати плавний пуск великих машин, і частіше це роблять за допомогою дорогого частотного перетворювача.

  
  

• Тема: Синхронні машини

• Синхронна машина має властивість зворотності, тобто може працювати як у режимі генератора, так і у режимі двигуна, а це значить, що конструкції синхронного генератора і синхронного двигуна є однаковими.

  Конструкція синхронної машини. Синхронна машина є машиною змінного струму. Тому вона має дві основні частини: ротор (частина, що обертається) і статор (нерухома частина).

  Конструкція статора синхронної машини принципово не відрізняється від конструкції статора асинхронного двигуна.

  Конструкція ротора синхронної машини суттєво відрізняється від конструкції ротора асинхронного двигуна. Ротор синхронної машини являє собою електромагніт, який живиться постійним струмом. Для цього два кінці обмотки ротора виводяться на контактні кільця, розташовані на валу ротора. Постійний струм до контактних кілець ротора підводиться за допомогою щіток. Існує дві конструкції ротора синхронної машини: явнополюсний ротор та неявнополюсний ротор. 

  Явнополюсний ротор застосовується у тихохідних синхронних машинах (зі швидкістю обертання вала до 1000÷1500 об/хв). У швидкохідних синхронних машинах застосування явнополюсного ротора ускладнене внаслідок наявності великих відцентрових сил. У таких машинах застосовують неявнополюсний ротор, який конструктивно не має полюсів, що виступають.

  Обмотка ротора збуджує постійний магнітний потік, тому називається обмоткою збудження.

  Постійний струм для збудження обмоток ротора подається або від окремого генератора постійного струму, вал якого обертається разом із валом ротора синхронної машини (такий генератор називається збудником), або від окремого випрямляча.

  Однофазні синхронні машини не знайшли широкого застосування, тоді як трифазні синхронні машини застосовуються достатньо широко. Так, на електричних станціях для виробляння електричної енергії застосовуються виключно синхронні генератори, які виробляють трифазний струм частотою 50 Гц.

  Якщо збуджений ротор є нерухомим, то на кожний з полюсів ротора (вони мають велику інерційність) буде діяти обертове поле статора, сила якого спрямована то в одну, то в іншу сторону (залежно від напівперіоду). У зв'язку з цим результуючий за період обертаючий момент буде дорівнювати нулю. Тому ротор синхронного двигуна не може почати обертатися самостійно, що є істотним недоліком синхронного двигуна.

  Якщо збуджений ротор синхронного двигуна розкрутити до швидкості, рівної номінальній, а потім підключити статор у мережу трифазного струму (за відповідного розташування полюсів), то різнойменні полюси ротора і статора будуть притягатися один до одного, у результаті чого ротор почне обертатися із синхронною швидкістю.

  За збільшення навантаження на валу ротор дещо загальмується, проте швидкість обертання його залишиться незмінною - синхронною.

  Синхронні двигуни застосовуються в механізмах, де необхідна постійна швидкість обертання (наприклад, для привода потужних насосів і повітродувок).

  Способи пуску синхронного електродвигуна. Пуск у хід синхронного двигуна шляхом безпосередньо вмикання в мережу не можливий. Пуск синхронного двигуна можливий лише за умови, що попередньо ротор буде розкручений стороннім двигуном до швидкості, близької до синхронної.

  У випадку асинхронного пуску синхронного двигуна синхронний двигун виготовляється з додатковою короткозамкненою обмоткою 2 на зразок "білячого колеса", причому ця обмотка укладається у спеціальні пази, розташовані в полюсних наконечниках ротора. Після вмикання обмотки статора 3 у мережу у двигуні виникає обертове магнітне поле, що викликає в короткозамкненій обмотці 2 ротора струми. Ці струми створюють обертальний пусковий момент, як в асинхронному трифазному двигуні, і ротор починає обертатися. Коли ротор синхронного двигуна почне обертатися зі швидкістю, близькою до синхронної, його обмотку збудження 1 включають на постійний струм, тобто збуджують двигун, і він, як говорять, сам "впадає в синхронізм" - починає обертатися із синхронною швидкістю. При пуску обмотка збудження повинна замикатися на особливий опір 5, щоб уникнути наведення в ній великих ЕРС, небезпечних для ізоляції обмотки.

  Зупинення синхронного двигуна починається зі встановлення струму збудження, що відповідає мінімальному струму статора (cosφ = 1), потім вимикають обмотки статора, а вже після цього розмикають коло збудження. Інший порядок зупинки є не припустимим.

  Робота синхронного двигуна в режимі компенсатора. Синхронний компенсатор - це синхронний двигун, що працює без навантаження і служить для підвищення коефіцієнта потужності cosφ та, відповідно, підвищення ККД електростанцій.

  Синхронний двигун у режимі компенсатора працює в режимі перезбудження ( cosφ < 0) для компенсації індуктивної складової струму, яка виникає при роботі парку асинхронних двигунів.

  У порівнянні з конденсаторними компенсаторами, які також виконують функцію компенсаторів індуктивної складової струму (параграф 3.7), синхронні компенсатори є дешевшими, мають менші габарити та масу. Але конденсатори не споживають активну потужність.

  Крім того, компенсатор виконує функцію стабілізатора напруги в електричній мережі. Якщо напруга в мережі зменшується, то компенсатор споживає реактивний випереджальний струм. Якщо напруга підвищується, то компенсатор споживає реактивний змінний струм.

  Конструктивно синхронний двигун, призначений для роботи в якості компенсатора, має більш легку механічну конструкцію та підвищений переріз обмотки збудження, яка призначена для постійної роботи в режимі перезбудження.

  Переваги та недоліки синхронних машин. Перевагами синхронних машин є: постійна швидкість обертання вала за змін навантаження; незалежність частоти ЕРС від навантаження; високий ККД; високий коефіцієнт потужності; можливість роботи в якості ємності (компенсатора).

  Недоліками синхронних машин є: необхідність використання постійного струму для збудження ротора; складний пуск; відсутність пускового моменту; відсутність можливості регулювання швидкості обертання вала; при перевантаженні синхронність порушується і двигун зупиняється; труднощі при реверсуванні.

  Пожежна небезпека синхронних машин. Пожежа небезпека синхронних електричних машин зумовлена наявністю контактних з'єднань (щітка - контактне кільце). Але за номінального навантаження, на відміну від електричних машин постійного струму, інтенсивність іскріння щіткового вузла є значно меншою.

  Для синхронних електричних машин не є допустимою значна зміна навантаження. При перевантаженні можлива раптова зупинка вала ротора, що може призвести до порушення нормального ходу технологічного процесу, який забезпечується синхронним двигуном.

  Як і для інших видів електричних машин, пожежна небезпека синхронних машин значно збільшується при погіршенні умов охолодження. Особливу небезпеку являє собою воднева система охолодження потужних синхронних генераторів. Водень - горючий газ, що має мінімальну енергію запалювання - лише 0,017 мДж та максимальний тиск вибуху 730 кПа. Спроможний створювати гримучу суміш.

  Також потребують своєчасного технічного обслуговування підшипникові вузли та механічні кріплення.

  
  

• Тема: Електричні апарати

• 
  

  Електри́чний апара́т - електротехнічний пристрій, призначений для зміни, регулювання, вимірювання та контролю електричних і неелектричних показників різних пристроїв, машин, механізмів тощо, а також для їх захисту від надструмів і перенапруг за неприпустимих або аварійних режимів роботи та захисту людей, майна і довкілля під час виробництва, транспортування, перетворення, розподілення та споживання електричної енергії.

  
  

  Основні функції електричних апаратів

  Основними завданнями електричних апаратів, є комутація, керування, контроль, обмеження та захист технічних об'єктів. Кінцевою дією будь-якого електричного апарата, є вмикання або вимикання струму в електричному колі за допомогою комутаційного елементу, яким може бути контакт, що замикається або розмикається, або напівпровідниковий пристрій, що змінює свій опір під дією зовнішнього впливу.

  Електричні апарати використовуються у системах захисту електричних мереж, у пуско-регулювальних пристроях, що застосовуються в різних виробничих процесах (особливо швидкоплинних), транспортних засобах, системах автоматики і телемеханіки, зв'язку тощо. Вимоги, що ставляться до електричних апаратів визначаються областю їх застосування, призначенням, режимами роботи та іншими чинниками.

  Відповідно до призначення електричні апарати поділяються на класи

  • комутаційні апарати - апарати, що здійснюють комутацію електричних кіл для розподілення електричної енергії, за нормальних режимів роботи, коли дія електричного апарату пов'язана зі зміною режимів роботи кола, подаванням і зняттям напруги, або для відімкнення кола в аварійному режимі. До цього класу належать відносно прості неавтоматичні апарати (наприклад, кнопки керування, рубильники, роз'єднувачі, пакетні вимикачі) і складні автоматичні пристрої (наприклад, високовольтні вимикачі). Частота операцій, що здійснюється електричними апаратами цього класу, відносно невелика - від 1 операції на рік до декількох операцій на добу;
  • апарати керування - апарати, що здійснюють керування обладнанням - електричними машинами, технологічними об'єктами і застосовуються під час автоматизації виробничих процесів). Це у першу чергу пускорегулювальні апарати, що служать для запуску, регулювання частоти обертання і зупинки електричних машин, або ж для увімкнення та вимкнення споживачів електроенергії, а також регулювання процесу споживання енергії. До цього класу електричних апаратів відносяться: контактори, контролери, магнітні пускачі, реостати, електричні дроселі та інше. Деякі з них, можуть бути віднесені до комутаційних (наприклад, магнітні пускачі, контролери), але відрізняються від них відносно більшою частотою виконання операцій - до декількох сотень або тисяч операцій на годину;
  • апарати захисту - апарати, що забезпечують захист людей, тварин, майна та довкілля від шкідливої дії електричної енергії. До цього класу електричних апаратів відносяться вимикачі, керовані різницевими струмами;
  • обмежувальні апарати - апарати, що забезпечують обмеження надструмів та перенапруг у мережах і служать для захисту електричних кіл в аварійних режимах роботи від струмів перевантажень, або для обмеження дійсних значень струмів короткого замикання. До цього класу електричних апаратів відносяться електричні реактори, плавкі запобіжники, розрядники тощо;
  • апарати контролю - апарати, що здійснюють дослідження електричних і не електричних параметрів технологічних процесів, та повідомляють про їх стан. До цього класу відносяться реле і давачі. Для реле, характерним є плавна зміна вхідної величини, що викликає стрибкоподібну зміну вихідного електричного сигналу. Використовують для зміни і контролю заданих електричних параметрів і для впливу на кола керування. Вихідний сигнал, зазвичай, робить вплив на систему автоматики. Інформація про зміну параметрів, може надходити від вимірювальних трансформаторів або перетворювачів;
  • регулювальні апарати використовуються в електричних колах для регулювання за заданим законом або підтримання на заданому рівні, значень певних параметрів (наприклад, регулятори, що підтримують незмінними струм або напругу - електричні стабілізатори);
  • вимірювальні апарати призначено для вимірювання великих струмів і напруг, з використанням стандартних вимірювальних приладів. За допомогою цих апаратів, кола первинної комутації ізолюються від кіл приладів вимірювання та захисту. До вимірювальних апаратів відносяться: трансформатори струму, трансформатори напруги, ємнісні подільники напруги тощо. Застосування вимірювальних електричних апаратів, дозволяє забезпечити надійне гальванічне розділення вторинних кіл (вимірювання і захисту) і первинних високовольтних кіл.

  Поділ електричних апаратів на класи згідно їх призначенню, є досить умовним, оскільки багато апаратів мають ознаки, які дозволяють відносити їх до різних груп. Наприклад, вимикачі-роз'єднувачі, комбіновані із запобіжниками, можуть бути віднесені і до комутаційних апаратів, і до апаратів керування, і до апаратів захисту.

  За номінативною напругою

  Достатньо об'єктивною є класифікація електричних апаратів за їх номінативною напругою, яку встановлює виробник, причому номінативна напруга апарата, повинна відповідати значенню номінальної напруги мережі, у якій має працювати апарат з урахуванням визначених виробником умов.

  За цією ознакою апарати поділяють так:

  • апарати низької напруги тобто апарати з номінативною напругою до ~1000 В (змінного струму) або до 1500 В (постійного струму);
  • апарати середньої напруги - від ~1000 В до 35 кВ (верхня межа, у деяких країнах є вищою - до ~52 кВ) або від 1,5 кВ до 5 кВ;
  • апарати високої напруги (вище верхньої межі середніх напруг, причому апарати високої напруги - це переважно апарати змінного струму).

  Апарати низької, середньої та високої напруги, суттєво відрізняються за номенклатурою, конструкцією й умовами роботи, тому, хоча будь-який апарат, може мати декілька номінативів (рейтингів) напруги, усі ці значення для даного апарата ніколи не виходять за межі одного діапазону.

  За типом комутаційного елемента

  Відповідно до типу комутаційного елемента електричні апарати поділяють на такі класи:

  • електромеханічні електричні апарати;
  • напівпровідникові електричні апарати;
  • гібридні електричні апарати.

  Електромеханічні

  Електромеханічні комутаційні апарати  замикають та розмикають електричні кола за допомогою контактів, причому будь-який з цих апаратів може бути визначений відповідно до середовища, де його контакти розмикаються та замикаються, наприклад повітряний, елегазовий, вакуумний тощо.

  Розрізняють електромеханічні апарати з ручним та не ручним (електромагнітні, електропневматичні тощо) керуванням.

  Головними перевагами електромеханічних комутаційних апаратів є можливість забезпечення так званої функції роз'єднання та незначний спад напруги на замкнених контактах при проходженні крізь них робочого струму.

  Головними вадами електромеханічних комутаційних апаратів, є наявність рухомих частин (а відтак - зниження надійності цих апаратів) та виникнення на контактах під час їх розмикання, електричної дуги, яка не тільки призводить до небажаних ефектів - теплового, світлового та звукового, а й суттєво зношує контакти, скорочує ресурс роботи апарата.

  Напівпровідникові

  Напівпровідникові комутаційні апарати (для вмикання струму в електричних колах за допомогою керування провідністю напівпровідника. У напівпровідникових апаратах постійного струму, для комутації електричних кіл зазвичай, застосовують транзистори (найчастіше IGBT) або двоопераційні тиристори, а в апаратах змінного струму - тиристори різних типів та симістори.

  Висока швидкодія напівпровідникових комутаційних апаратів змінного струму, є їх безумовною перевагою. Іншими перевагами цих апаратів, є відсутність будь-яких рухомих частин, а відтак і відсутність проблеми механічної витривалості, та відсутність електричної дуги при комутації електричних кіл, отже і відсутність створюваних дугою ефектів - теплового, світлового та звукового.

  Поряд із зазначеними перевагами, напівпровідникові комутаційні апарати мають й суттєві недоліки:

  • відсутність функції роз'єднання. Функція роз'єднання в напівпровідникових комутаційних апаратах не може бути забезпечена, оскільки напівпровідникові прилади не гарантують відсутності струмів витоку та не витримують імпульсних перенапруг високого рівня;
  • велике падіння напруги на комутаційному елементі. Пряме падіння напруги у напівпровідниковому комутаційному елементі є набагато більшим аніж у контактному елементі і становить 1 ... 3 В. Отже, за струму 100 А та падінні напруги 2 В, потужність втрат енергії у цьому комутаційному елементі становитиме 200 Вт, а коефіцієнт корисної дії зменшиться до 99,09%. Таке збільшення втрат (у 50 разів більших, ніж у контактному елементі) має не тільки економічні наслідки, а й може призвести до неприпустимого нагрівання апарата. Щоб цього не сталося, до конструкції напівпровідникового комутаційного апарата вводять радіатори, вентилятори тощо, а це призводить до збільшення габаритів апарата та його вартості ;
  • великі габарити і вартість;
  • низька перевантажувальна здатність;
  • чутливість до температури середовища;
  • чутливість до перенапруг;
  • схильність до процесу старіння;
  • створення радіоперешкод.

  У напівпровідникових комутаційних апаратах, зокрема у контакторах, не виникає електрична дуга, відтак вони мають суттєві переваги над електромеханічними апаратами при роботі у вибухонебезпечному середовищі.

  Гібридні

  Гібридні комутаційні апарати (англ. hybrid switching device) - це апарати, у головних колах яких, застосовуються як контактні елементи, так і напівпровідникові прилади. У ввімкненому стані, струм головного кола тече переважно через контактні елементи, а за вимикання, струм перетікає у паралельні контактам, гілки головного кола, де розташовані напівпровідникові комутаційні пристрої, які й здійснюють відмикання струму.

  Таким чином, гібридні апарати у певній мірі поєднують переваги електромеханічних та напівпровідникових апаратів - малі втрати енергії у робочому стані, а також високу швидкодію та практичну відсутність електричного зносу контактів.

  
  

• Тема: Електроенергетика України

• 
  

  Електроенергетика України - базова галузь економіки України, є однією з найстарших у країні. Генерація електроенергії ґрунтується на атомній енергетиці, спалюванні вугілля, мазуту, природного газу, біопалива, а також застосуванню відновлювальних джерел енергії вітру, води, сонця.

  2001 року структура споживання електроенергії та палива (135,8 млрд кВт·год): вугілля та продукти його переробки - 64,2 млн т; природний газ - 65,8 млрд куб. м; нафта і газовий конденсат - 16,9 млн т.

  Станом на 2006 рік, технічне становище електроенергетики було незадовільне: необхідна модернізація устаткування та впровадження нових ресурсоощадних технологій, розробка альтернативних джерел електроенергії (сонячні, вітрові, газифікація органічної маси, газифікація відходів, геотермальні електростанції).

  За даними Української асоціації відновлюваної енергетики станом на серпень 2016 року частка електричної енергії, що була вироблена з відновлюваних джерел енергії (вітроелектростанції - 48 % цього обсягу, сонячні електростанції - 31 %, малі гідроелектростанції - 12 % та ТЕС/ТЕЦ на біомасі та на когенераційних установках на біогазі - 9 %) складає близько 1,25 %, що є досить незначним порівняно з країнами ЄС[5].

  джерела електроенергетики України ТЕС,ТЕЦ ГЕС, ГАЕС АЕС

  Найбільші ТЕС розташовані на Донеччині (Вуглегірська, Старобешівська, Миронівська, Курахівська й ін.), на Придніпров'ї (Придніпровська, Криворізька), у Харківській (Зміївська), Київській (Трипільська), Івано-Франківській (Бурштинська), Львівській (Добротвірська) областях, у Запоріжжі, Одесі й інше. Більшість цих електростанцій виробляє й тепло (ТЕЦ).

  В розвитку гідроенергетики особливе значення у ХХ ст. відіграв каскад ГЕС на Дніпрі: Дніпрогес, Каховська, Кременчуцька, Київська, Канівська, Середньодніпровська. Побудовані ГЕС на Дністрі (Дністровська), Росі, у Закарпатській області (Теребле-Ріцька). Частково реалізовано Південнобузький каскад ГЕС.

  В останні десятиріччя ХХ сторіччя швидкими темпами розвивалася атомна енергетика. Працюють Південноукраїнська, Рівненська, Хмельницька, Запорізька АЕС.

  Протягом 2016-2021 років завдяки стимулюючому «зеленому тарифу» активно розвивалася відновлювана енергетика, в результаті чого у 2021 електростанції на ВДЕ виробили 8 % всієї електроенергії України.

  Південні райони країни значно гірше забезпечені електроенергією власного виробництва, ніж Донбас, Придніпров'я, центр країни.

  Понад 50 % електроенергії в Україні виробляють АЕС. ТЕС є основними станціями, що забезпечують електричною енергією в напівпікові та, разом із ГЕС та ГАЕС, у пікові години[7].

  Власні паливні ресурси станом на 2010 рік забезпечувалися лише 67 % потреб України[1], решту імпортували (в т. ч. з Росії, Туркменістану і Азербайджану).

  Виробництво електроенергії в Україні розпочалось 1878 року, поступово воно набуло розмаху і досягло свого піку 1990 року

  За 2011 рік обсяг споживання (нетто) електричної енергії ОЕС України сягнув 150,8 млрд кВт∙г.

  Споживачами електроенергії (дані за 2018 рік]) в розрізі категорій є: промисловість 42,6 %, населення 29,5 %, комунально-побутове господарство 12,7 %, транспорт 5,7 %, інші непромислові 5,6 %, сільське господарство 3,2 %, будівництво 0,8 %.

  
  

  Найбільшими за встановленою потужністю та річним виробітком електроенергії є атомні електростанції:

  • Запорізька - 6000 МВт,
  • Південноукраїнська - 3000 МВт,
  • Рівненська - 2880 МВт,
  • Хмельницька - 2000 МВт.

  Найпотужніша АЕС Європи - Запорізька. На задньому плані - Запорізька ТЕСДністровська ГАЕС - одна з найпотужніших у світіБурштинська ТЕС - 12 енергоблоків. Головний експортер української електрогенерації

  Серед найбільших (понад 1000 МВт) електростанцій також теплові:

  • Криворізька - 2820 МВт, Бурштинська - 2400 МВт, Зміївська - 2175 МВт, Ладижинська - 1800 МВт, Трипільська - 1800 МВт, Старобешівська - 1600 МВт, Курахівська - 1487 МВт, Луганська - 1425 МВт, Зуївська - 1245 МВт, Вуглегірська - 1200 МВт, Запорізька - 1200 МВт;

  та гідравлічні:

  • Дніпровська ГЕС - 1569 МВт.

  Відновлювана енергетика часто дає енергію в чотирьох важливих галузях: виробництво електроенергії, нагрівання / охолодження повітря і води, транспорт і послуги електропостачання в сільській місцевості (поза мережею).

  Поновлювані джерела енергії існують на великих географічних теренах, на відміну від викопного палива, яке зосереджено в обмеженій кількості країн. Швидке впровадження відновлюваних джерел енергії та технологій підвищення енергоефективності, призводить до значної енергетичної безпеки, пом'якшення наслідків зміни клімату та економічних вигод.

  Україна приєдналася до Європейського енергетичного співтовариства та взяла на себе зобов'язання до 2020 року виробляти 11 % електроенергії із відновлюваних джерел енергії й 25 % до 2035 року. Від 2009 року об'єкти відновлюваної енергетики в Україні отримали право на використання зеленого тарифу.

  Передбачалося збільшення частки відновлюваних джерел енергії у загальному балансі встановлених потужностей до рівня близько 20 відсотків до 2020 року, що за базовим сценарієм становить 12,1 ГВт (з урахуванням великих гідроелектростанцій), а обсяг виробництва електроенергії - 25 ТВт•г.

  На виконання Рішення Ради Міністрів Енергетичного співтовариства «Про впровадження Директиви 2009/28/ЕС і внесення змін до Статті 20 Договору про заснування Енергетичного Співтовариства», згідно з яким встановлюються обов'язкова національна мета у сфері відновлюваної енергетики, насамперед для того, щоби надати певні гарантії інвесторам та заохотити до розвитку новітніх технологій та інновацій у цій галузі. Україна взяла на себе зобов'язання до 2020 року досягти рівня 11 % енергії, виробленої з відновлюваних джерел енергії в загальному кінцевому енергоспоживанні країни, що слугуватиме потужним стимулом для подальшого розвитку використання поновлюваних джерел енергії в Україні. Українські плани - збільшити відсоток із 4 % до 25 % до 2035 року.[