|
 Электроэнергия давно используется человеком для удовлетворения
своих потребностей, но она невидима, не воспринимается органами чувств,
потому сложна для понимания. С целью упрощения объяснения электрических
процессов их довольно часто сравнивают с гидравлическими характеристиками
движущейся жидкости.
Например, к нам в
квартиру приходит по проводам электрическая энергия от далеко расположенных
генераторов и вода по трубе от создающего давление насоса. Однако,
отключенный выключатель не позволяет светиться лампочкам, а закрытый
водопроводный кран — литься воде из крана. Чтобы совершалась работа надо
включить выключатель и открыть кран.
Направленный поток
свободных электронов по проводам устремится к нити накала лампочки (пойдет
электрический ток), которая станет излучать свет. Вода, вытекающая из
крана, будет стекать в раковину.
Эта аналогия
позволяет также понимать количественные характеристики, ассоциировать силу
тока со скоростью перемещения жидкости, оценивать другие параметры.
Напряжение электросети сравнивают с потенциалом энергии источника
жидкости. К примеру, возрастание гидравлического давления насосом в трубе
создаст большую скорость перемещения жидкости, а увеличение напряжения (или
разности между потенциалами фазы — входящего провода и рабочего нуля —
отходящего) усилит накал лампочки, силу ее излучения.
Сопротивление электрической схемы сопоставляют с силой торможения
гидравлическому потоку. На скорость перемещения потока влияют:
·
вязкость жидкости;
·
засоренность и изменение сечения каналов. (В случае с
водопроводным краном — положение регулирующего вентиля.)
На величину
электрического сопротивления влияет несколько факторов:
·
строение вещества, определяющее наличие свободных электронов в
проводнике и влияющее на удельное сопротивление;
·
площадь поперечного сечения и длина токовода;
·
температура.
Электрическую
мощность тоже сравнивают с энергетическими возможностями потока в
гидравлике и оценивают по выполненной работе в единицу времени. Мощность
электроприбора выражается через потребляемый ток и подведенное напряжение
(для цепей переменного и постоянного тока).
Все эти
характеристики электроэнергии исследованы известными учеными, которые дали
определения току, напряжению, мощности, сопротивлению и описали
математическими методами взаимные связи между ними.
В приведенной таблице
показаны общие соотношения для цепей постоянного и переменного тока, которые
можно применять для анализа работы конкретных схем.
Рассмотрим
несколько примеров их использования.
Пример
№1. Как рассчитать сопротивление и мощность
Допустим, требуется
подобрать токоограничивающий резистор для блока питания схемы освещения. Нам
известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 вольта и ток
потребления «I» в 0,5 ампера, который нельзя превышать. По выражению (9)
закона Ома вычислим сопротивление «R». R=24/0,5=48 Ом.
На первый взгляд
номинал резистора определен. Однако, этого недостаточно. Для надежной работы
семы требуется выполнить расчет мощности по току потребления.
Согласно действию
закона Джоуля — Ленца активная мощность «Р» прямо пропорционально зависит от
тока «I», проходящего через проводник, и приложенного напряжения «U». Эта
взаимосвязь описана формулой (11) в приведенной таблице.
Рассчитываем:
Р=24·0,5=12 Вт.
Это же значение
получим, если воспользуемся формулами (10) или (12).
Проведенный расчет
мощности резистора по току его потребления показывает, что в выбираемой схеме
надо использовать сопротивление величиной 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей
мощности не выдержит приложенных нагрузок, будет греться и со временем
сгорит.
Этим примером
показана зависимость того, как на мощность потребителя влияют ток нагрузки и
напряжение в сети.
Пример
№2. Как рассчитать ток
Для группы розеток, предназначенных
для питания бытовых электроприборов на кухне, необходимо подобрать защитный
автоматический выключатель. Мощности приборов по паспортным данным составляют
2,0, 1,5 и 0,6 кВт.
Решение. В
квартире используется однофазная переменная сеть 220 вольт. Общая мощность
всех приборов, подключенных в работу одновременно, составит 2,0+1,5+0,6=4,1
кВт=4100 Вт.
По формуле (2)
определим общий ток группы потребителей: 4100/220=18,64 А.
Ближайший по номиналу
автоматический выключатель имеет величину срабатывания 20 ампер. Его и
выбираем. Автомат меньшего значения на 16 А будет постоянно отключаться от
перегрузки.
Отличия
параметров электросхем на переменном токе
Однофазные
сети
При анализе
параметров электроприборов следует учитывать особенности их работы в цепях
переменного тока, когда, благодаря влиянию промышленной частоты у
конденсаторов возникают емкостные нагрузки (сдвигают вектор тока на 90
градусов вперед от вектора напряжения), а у обмоток катушек — индуктивные
(ток на 90 градусов отстает от напряжения). В электротехнике их
называют реактивными нагрузками. Они в комплексе создают
реактивные потери мощности «Q», которые не выполняют полезной работы.
На активных нагрузках
отсутствует сдвиг фазы между током и напряжением.
Таким образом, к
активной величине мощности электроприбора в цепях переменного тока
добавляется реактивная составляющая, за счет которой увеличивается общая
мощность, которую принято называть полной и обозначать индексом «S».
Переменный синусоидальный ток в однофазной сети
Электрический ток и
напряжение промышленной частоты меняются во времени по синусоидальному
закону. Соответственно этому происходит изменение мощности. Определять их
параметры в различные мгновенные моменты времени не имеет особого смысла.
Поэтому выбирают суммарные (интегрирующие) значения за определенный временной
промежуток, как правило — период колебания Т.
Знание отличий
параметров цепей для переменного и постоянного тока позволяет правильно
рассчитывать мощность через ток и напряжение в каждом конкретном случае.
Трехфазные
сети
В принципе они
состоят из трех одинаковых однофазных цепей, сдвинутых друг относительно
друга на комплексной плоскости на 120 градусов. Они немного отличаются
нагрузками в каждой фазе, сдвигающими ток от напряжения на угол φ. За счет
этой неравномерности создается ток I0 в нулевом проводе.
Переменный синусоидальный ток в трехфазной сети
Напряжение в этой
системе состоит из напряжений в фазах (220 В) и линейных (380 В).
Мощность прибора
трехфазного тока, подключенного к схеме, складывается из составляющих в
каждой фазе. Ее измеряют с помощью специальных приборов: ваттметров (активная
составляющая) и варметров (реактивная). Рассчитать полную мощность
потребления прибора трехфазного тока можно на основе замеров ваттметра и
варметра с использованием формулы треугольника.
Существует еще
косвенный метод измерения, основанный на использовании вольтметра и
амперметра с последующими вычислениями полученных значений.
Также можно
рассчитать общий ток потребления, зная величину полной мощности S. Для этого
достаточно ее разделить на величину линейного напряжения.
|
