Metody rozwiązywania obwodów

1) transformacji – przekształcenie obwodu do prostszej postaci, a nastepnie wykorzystujac prawo Ohma i prawa Kirchhoffa , oblicza sierozpływ prądu, kolejno we wszystkich posrednich postaciach obwodu, a wkoncu postaci pierwotnej

2) prądów oczkowych – zakłada się zwroty prądów oczkowych w oczkach, nastepnie zgodnie z II prawem Kirchhoffa, układa się równania dla poszczególnych oczek, uwzględniając spadki napięć. W ten sposób uzyskuje się uklad równań liniowych w których niewiadomymi sa prady oczkowe.

PRAWO OHMA – natężenie prądu stałego I plynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia U wystepujacego między końcami przewodnika, a odwrotnie proporcjonalna do jego rezystancji: I=U/R

PRAWA KIRCHHOFFA:

1) W każdym węźle obwodu elektrycznego suma natężeń prądów wpływających do węzła równa się sumie natężeń wypyływających z węzła.

2) w dowolnym oczku obwodu elektrycznego suma algebraiczna SEM (napięć źródlowych) jest równa sumie algebraicznej spadków napięć na rezystancjach tego oczka

Wartości rezystancji gałęzi równoważnej gwiazdy:

REZONANS NAPIĘĆ

Nazwa rezonans napięć wiąże się z tym, że występujące w obwodzie pradu sinusoidalnego, złożonego z elementów L,R,C, napięcia na cewce i kondensatorze są równe, lecz maja przeciwne zwroty: U_l+U_C=0. Dobroć obwodu rezonansowego szeregowego określa ile razy napięcie na cewce obwodu jest większe od napięcia na rezystorze.

REZONANS PRĄDÓW

W obwodzie będącym równoległym połaczeniem elementów L, R, C może wystapić rezonans pradów, czyli: I_l+I_c=0. A Ponieważ prad pobierany ze źródla dla węzłów obwodu: I=I_r +I_l+I_c, więc I = I_R. Prądy I_l oraz I _C przy rezonansie maja tę samą wartość ale przeciwny zwrot. Dobroć obwodu rezonansowego równoleglego określa ile razy przy rezonansie prąd płynący przez cewkę jest większy od wartości prądu płynacego przez rezystor.

POPRAWA WSPÓŁCZYNNIKA MOCY

Sposoby naturalne: właściwy dobór mocy silników asynchronicznych, uwzględniajacy zapotrzebowana moc, wyłączanie silników, spawarek, transformatorów itp. urządzeń, jeśli pracuja na biegu jałowym.

Sztuczne sposoby: kompensacja mocy biernej indukcyjnej przez równoległe włączenie do odbiorników o charakterze indukcyjnym urzadzenia pobierajacego moc bierną pojemnościową (kondensator lub kompensator synchroniczny).

OBWODY ELEKTRYCZNE TRÓJFAZOWE PRĄDU SINOSOIDALNIE ZMIENNEGO

Obwód trójfazowy zawiera 3 sprzężone źródła napięcia sinusoidalnego mające tę samą częstotliwość, których przebiegi czasowe są przesuniete względem siebie w fazie o kąt 120*. Napięcie trójfazowe wytwarza się w pradnicach trójfazowych. Stały strumień magnetyczny wytwarzany przez magneśnicę wiruje ze stalą predkością katową wskutek działania pochodzącego z zewnątrz momentu obrotowego. Magneśnica jest zasilana poprzez szczotki i pierścienie na wale pradnicy, z małej niezależnej wzbudnicy. W złobkach stojana sa umieszczone 3 uzwojeni, przesuniete wzgl siebie w fazie o 120*.

MOC UKŁADÓW TRÓJFAZOWYCH

Moc czynna wytwarzana przez trójfazowe źródlo napięcia lub pobierana przez odbiornik trójfazowy jest równa sumie mocy czynnych poszczególnych faz. Moc czynna układów trójfazowych symetrycznych jest równa iloczynowi napięcia międzyfazowego, prądu przewodowego i cos kąta przesuniecia fazowego między napięciem fazowym a pradem fazowym mnożonym przez

PÓŁPRZEWODNIKI NIESAMOISTNE

Wprowadzenie do monokryształu Ge lub Si niewielkiej domieszki pierwiastka z 5 grupy prowadzi do powstania półprzewodnika typu n. Jeden z 5 e^- walencyjnych pierwiastka jest słabo zwiazany z atomem i po dostarczeniu niewielkiej energii staje się on e^- swobodnym mogacym się poruszac między atomami kryształu.

Wprowadzenie do monokryształu Ge lub Si domieszki pierwiastka z 3 grupy prowadzi do powstania półprzewodnika typu p. Domieszka powoduje że jedno z wiązań jest niekompletne. Brak e^- w atomie domieszki jest przyczyna powstania dziury, która jest nośnikiem ład elektrycznego.

ZŁĄCZE TYPU P-N

Jeżeli w monokrysztale półprzewodnika zostana wytworzone dwa sasiadujące ze soba obszary o różnym typie przewodnictwa (p i n) to taki układ nazywa się złączem typu p-n.

Może być ono wykorzystane jako dioda. Przewodzi ono prąd mający zwrot od p do n. Dioda półprzewodnikowa ma właściwość jednokierunkowego przewodzenia prądu i po włączeniu jej do obwodu zasilanego napięciem przemiennym działa jak prostownik. Przy przepływie prądu w kierunku przewodzenia opór diody jest niewielki i występuje na niej niewielki spadek napięcia (ok. 1V). Przy zwiększaniu napięcia w kier. zaporowym prąd przewodzony przez diodę jest niewielki, bo dioda ma wtedy b duzą rezystancję. Przy dalszym wzroście napięcia nastepuje przebicie diody.

UKŁADY PROSTOWNICZE I FILTRY

Prostowniki są przekształtnikami prądu przemiennego na prad stały lub prąd o zbliżonym przebiegu czasowym do pradu stałego. Mogą one być wykonane z elementów prostowniczych niesterowanych (np. diody prostownicze) lub sterowanych (tyrysory, tranzystory).

Niektóre odbiorniki wymagają zasilania napięciem ającym tak małe tetnienia, że nie zapewnia tego zastosowanie prostownika. Wtedy miedzy prostownik a odbiornik włącza się filtr. Rozróżnia się filtry z wejściem indukcyjnym i pojemnosciowym:

-indukcyjny- składa się z elementów L i C. Dzialanie indukcyjności L polega na magazynowaniu energii w polu magnetyczny, gdy nateżenie płynacego przez nią pradu przekracza wartość średnią i oddawaniu energii w okresie gdy natężenie spada poniżej średniej. Cewka magazynuje energie gdy napięcie zmienne osiąga wartość szczytową i oddaje ją gdy napięcie na filtrze spada poniżej napiecia na odbiorniku.

-pojemnościowy – energia elektryczna magazynowana jest w polu elektrycznym kondensatora i jest dostarczana do odbiornika w okresie gdy napiecie zasilajace filtr jest nizsze od napiecia na zaciskach kondensatora.

MIERNIKI ELEKTROMAGNETYCZNE

Jednordzeniowy- rdzen z materiału ferromagnetycznego w postaci blaszki przytwierdzonej do osi jest wciagany do wnetrza cewki, jeżeli płynie przez nia prąd. Powoduje to odchylenie organu ruchomego.

Dwurdzeniowy- wewnatrz cewki cylindrycznej znajduja się 2 blaszki z materiału ferromagnetycznego – nieruchoma i ruchoma, połączone z osia, na której osadzona jest wskazówka. Pod wpływem pola magnetycznego wytworzonego przez prad plynacy w cewce obie blaszki magnesują się jednoimiennie i odpychają z silą zalezna od pola magnetycznego cewki.

MIERNIKI MAGNOELEKTRYCZNE

Do działania tej grupy mierników wykorzystuje się siłe dzialajaca na umieszczony w polu magnetycznym przewód, w którym płynie prad. Cześć mechaniczna stanowi magnes trwały, między którego nabiegunnikami umieszcony jest walec wykonany z materiału ferromagnetycznego miekkiego. Kształt nabiegunników i usytuowanie walca sa takie, ze dwie szczeliny powietrzne między nimi maja jednakową szerokośc co zapewnia stała wartość B w obu szczelinach. W szczelinach umieszczone sa 2 boki cewki osadzonej na osi, do której przymocowana jest wskazówka. Moment zwracajacy wytwarzaja 2 spiralne sprężynki, które umozliwiają także doprowadzenie pradu do nieruchomej cewki. Jeżeli przez uzwojenie cewki płynie prad I to na każdy bok cewki znajdujacy się w szczelinie między nabiegunnikiem a walcem z mat. ferromagnetycznego działa siła F=zBIl.

-Amperomierze – cewki mierników magnoelektrycznych wykonane są z cienkiego drutu umozliwiajacego przepływ małego pradu. Można nim mierzyc bezposrednio prad o wartości nie przekraczajacej wartości dopuszczalnej pradu dla uzwojenia jego cewki.

-Woltomierze – jeżeli szeregowo z ustrojem miernika zostanie włączony opornik szeregowy R_d to prad plynacy przez ustrój R = U/(R_a+R_d)

-Omomierze – wykorzystując ustrój magnetoelektryczny można zbudować miernik do pomiaru oporu. W takim omomierzu szeregowo z ustrojem włączone jest źródło stałego napięcia, rezystor dodatkowy i rezystancja mierzona.

POMIAR REZYSTANCJI

Metoda techniczna – polega na włączeniu oporu do źródła napięcia stałego oraz na pomiarze prądu płynącego przez tę rezystancje za pomocą amperomierza i napiecia na jej zaciskach za pomoca woltomierza. Wyróżnia się układ z poprawnie mierzonym prądem (do pomiaru dużych oporów) i układ z poprawnie mierzonym napieciem (do pomiaru małych oporów).

Metody mostkowe (Mostek Wheatestone’a) Rezystor którego rezystancja jest mierzona i 3 rezystory wzorcowe (w tym jeden nastawny – dekadowy) tworzy czworobok o bokach ABCD. Przekątną BD jest gałąź zawierająca galwanometr i rezystor R. W przekatnej AC włączona jest bateria akumulatorów jako źródło zasilające. Mostek znajduje się w równowadze jeśli przez galąź BD prad nie płynie.

POMIARY MOCY I ENERGII W UKŁADACH TRÓJFAZOWYCH.

-czteroprzewodowy – do pomiaru mocy czynnej uzywa się 3 watomierzy włączonych miedzy poszczególne przewody fazowe a przewód neutralny. Każdy z nich mierzy moc jednej fazy. oc czynna pobierana przez odbiorniki ówna się sumie mocy poszczególnych faz.

-symetryczny – właczony jest jeden watomierz bo moce czynne poszczególnych faz sa jednakowe. Moc wyznacza się mnożąc wskazania watomierzy przez 3.

-trójprzewodowy – włączone sa 2 watomierze. Moce wskazane przez watomierze dodaje się.

Energie w ukladach trójfazowych mierzy się licznikami trójsystemowymi, w których kazda z faz wytwarza we wspólnej tarczy jeden moment napedowy, tak, że na tarcze oddziałuje suma momentów pochodzacych od poszczególnych faz.

ZASADA DZIAŁANIA TRANSFORMAT. JEDNOFAZOWEGO

Trasf. jednofazowy dwuuzwojeniowy – na rdzeniu wykonanym z mat. ferromagnetycznego, stanowiącym zamknietą droge dla strumienia magnetycznego, nawinięte sa dwa uzwojenia odizolowane od siebie i od rdzenia.. Uzwojenie pierwotne – majace z1 zwojów dołączone jest do źródła napięcia sinusoidalnego u1. Uzwojenie wtórne ma z2 zwojów. Prąd sinusoidalny płynący w uzwojeniu pierwotnym wywołuje w rdzeniu transformatora sinusoidalny strumień magnetyczny. W uzwojeniach zmiany strumienia magnetycznego sprzegajacego oba uzwojenia indukuja SEM.

STRATY MOCY W TRANSFORMATORZE

Straty mocy czynnej zwiazane z przenoszeniem energii elektrycznej przez transformator można w przybliżeniu ograniczyc do strat mocy w rdzeniu i w uzwojeniach.

Sinusoidalnie zmienny strumień magnetyczny płynący w rdzeniu powoduje cykliczne przemagnesowywanie materiału ferromagnetycznego rdzenia. Zwiazane sa z tym straty histerezowe, które sa proporcjonalne do okresu i w przybliżeniu proporcjonalne do kwadratu amplitudy magnetycznej.

Wystepują w rdzeiu także straty mocy zwiazane z indukowaniem się i przepływem prądów wirowych. Celem ograniczenia tych strat rdzenie transformatorów wykonuje się z cienkich blach pokrytych lakierem elektroizolacyjnym lub przedzielonych cienka warstwą izolacji elektrycznej.

Straty mocy w uzwojeniach zwiazane sa z przeplywem prądu I1 przez uzwojenie pierwtne, majace opór R1, i pradu I2 przez uzwojenie wtorne majace opór R2.

PODSTAWOWE STANY PRACY TRANSFORMATORA.

- stan jałowy – stan w którym uzwojenie pierwotne polączone jest ze źródlem napiecia sinusoidalnego, a uzwojenie wtorne jest otwarte. Prąd płynacy przez uzwojenie pierwotne nazywa się jalowym. Do wytworzenia w rdzeniu sinusoidalnie zmiennego strumienia magnetycznego potrzebny jest prad magnesujący.

- stan obciazenia- jeżeli do zacisków uzwojenia wtórnego zostanie włączony odbiornik o impedancji Z _odb to pod wpływem SEM E₂ w obwodzie tym plynie prad I₂

E2=R2I2+jX2I2+U2

- stan zwarcia – jest stanem w którym wtorne zaciski transformatora sa zwarte a uzwojeniepierwotne jest zasilane napieciem. Rezystancje R1 i R2 oraz reaktancje rozproszeniowe X1 i X2 sa tak małe, że po zasileniu uzwojenia pierwotnego napieciem znamionowym w uzwojeniach płynęłyby bardzo duze prady. W wyniku zamiane energii elektrycznej w cieplo nastapiłoby przegraznie izolacji i zniszczenie transformatora.

BUDOWA TRANSFORMATORA TRÓJFAZOWEGO

Rdzeń transformatora trojfazowego składa się z 3 kolumn połaczonych na obu koncach jarzmami. Uzwojenia pierwotne i wtórne poszczególnych faz umieszczone są na kolumnach rdzenia. Jeżeli uzwojenia pierwotne zostana przyłączone do symetrycznej trójfazowej sieci, to w uzwojeniach tych popłyną prady, które wytworza w kolumnach rdzenia strumienie magnetyczne proporcjonalne do wartości pradów. Uzwojenia transformatora trójfazowego mogą być łączone w gwiazdę, w trójkąt lub w zygzak – tylko uzwojenie dolneo napięcia.

CEL I WARUNKI PRACY RÓWNOLEGŁEJ TRANSFORMATORÓW

W warunkach zmiennego obciążenia układ taki stwarza mozliwość zmiejszenia strat energii zwiazanej z jej transformacją. Układ transformatorów pracujących równolegle zwieksza pewność zasilania energią elektryczną; gdy jeden z nich uszkodzi się, drugi może nadal zasilać sieć rozdielczą.

Warunki:

1. Jednakowe Jednakowe grupy połączeń – wynika to z koniecznej zgodności w fazie SEM odpowiadających sobie faz transformatorów przeznaczonych do pracy równoległej

2. Jednakowe przekładnie – wynika to z koniecznej równości SEM indukowanych w uzwojeniach dolnego napiecia

3. Jednakowe napięcia zwarcia – wynika to z faktu, ze transformatory współpracujace równolegle obciazaja się odwrotnie proporcjonalnie do ich napieć zwarcia, tzn. transformator majacy mniejsze napiecie zwarcia przyjmuje na siebie wieksze obciażenie.

4. Stosunek mocy znamionowych współpracujacych równolegle transformatorow nie może być wiekszy od 3 – związane jest to z sumowaniem się prądów oddawanych przez transformatory. Moce znamionowe transformatorów musza się różnić stosunkowo nieznacznie.

BUDOWA TRANSFORMATORÓW ENERGETYCZNYCH

Zazwyczaj transformatory energetyczne są chłodzone mineralnym olejem izolacyjnym (t. olejowe) lub powietrzem (t. suche).

W t. energetycznym uzwojenia są umieszczone na kolumnach rdzenia, których przekrój zblizony jest do koła. Uzwojenia mogą być wykonywane jako krążkowe lub walcowe. Przy walcowych bliżej rdzenia umieszcza się uzwojenie dolnego napięcia. Przy krażkowym, krążki cewek bedące cześciami uzwojen dolnego i górnego napiecia są ułozone na przemian i przedzielone przegrodami z materialu elektroizolacyjnego.

W t. olejowych rdzeń z uzwojeniami umieszcza się w stalowej kadzi zamykanej od góry pokrywą. Transformator zawieszony jest w oleju na uchwytach przymocowanych do pokrywy. W pokrywie zamontowane są izolatory przepustowe gornego i dolnego napięcia. Nad kadzią znajduje się mały zbiornik wyrównawczy oleju połączony rurką z pokrywa kadzi (konserwator oleju). Jego zadaniem jest kompensacja zmian objetości oleju na skutek zmian temp. przy jednoczesnym ograniczeniu powierzchni zetknięcia oleju z powietrzem atmosferycznym. Zmniejsza to wchłanianie wody zawartej w powietrzu przez olej i poóźnia starzenie oleju.

AUTOTRANSFORMATORY

To transformatory, w których jest tylko jedno uzwojenie spełniajace jednocześnie role pierwotnego i wtórnego. Może posiadać przekładnię stałą lub zmienną. Uzywany jest w elektroenergetyce gdy zachodzi potrzeba transformacji napięcia z niewielka przekladnią. Moc własna autotransformatora różni się od jego mocy przechodzniej i dla niewielkich wartości przekladni autotransformator charakteryzuje się wpółczynnikiem stosunku mocy do wielkości urzadzenia lepszym niż ma to miejsce dla transformatora.

PRZEKŁADNIKI NAPIECIOWE I PRADOWE

Napieciowe – sa transformatorami małej mocy zasilanymi po stronie pierwotnej wysokim napieciem, którego wartość jest mierzona. Uzwojenie wtórne przekładników napieciowych zasila woltomierz bądź w przypadku pomiaru mocy lub energii – cewka napieciowa watomierza lub licznika. Ze względu na duzą impedancję tych obciążeń przekładniki napieciowe pracują w stanie zbliżonym do jałowego.

Prądowy – urządzenie pozwalające na pomiar duzych nateżeń pradu miernikami o mniejszych zakresach pomiarowych. Do uzwojenia wtórnego jest włączony amperomierz, bądź w przypadku pomiatu mocy lub energii – cewka pradowa watomierza lub liznika. Wobec małej impedancji uzwojeń wlączonych do zacisków uzwojenia wtornego normalnym stanem pracy przekładnika pradowego jest stan zwarcia uzwojenia wtórnego.

ZASADA DZIAŁANIA SILNIKA INDUKCYJNEGO

Uproszczony model – złozony ze stojana, w którym układ cewek zasilany z sieci trójfazowej wytwarza pole magnetyczne wirujace, wirnika, którym jest przymocowana do ułozyskowanej osi ruchomej cewka mająca uzwojenie zwarte. Gdy pole magnetyczne wirujące z prędkością kątową ω_p zbliza się z prędkościa liniowa v_p do początkowo nieruchomej ramki, wskutek zmiany tego pola magnetycznego w pretach ramki równoległych do soi obrotu, indukuja się SEM. Pole „przecina” prety ramki z prędkością v_p , więc wartość chwilowa SEM indukowanej na pręcie ramki równoległym do osi obrotu równa się e = BlV. Ponieważ prety wirnika znajdują się w polu magnetycznym, płynacy przez nie prąd elektryczny powoduje, że na każdy z pretów działa SEM:

F = Bil.

METODY ROZRUCHU SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

Silniki klatkowe:

-bezposrednie włączenie do sieci

- łączenie uzwojenia stojana z siecią poprzez dodatkowe rezystory lub dławiki

- za pomocą autotransformatora (lub transformatora) regulacyjnego

Silniki pierscieniowe:

- zmniejszanie pradu rozruchu poprzez rozrusznik – układ 3 kilkustopniowych rezystorów polaczonych w gwiazdę, zamontowanych we wspólnej obudowie.

ZMIANA PREDKOŚCI OBROTOWEJ SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

Zmiana prędkości obrotowej silnika może nastąpić w wyniku zmiany:

- czestotliwosci napiecia zsilającego silnik

- liczby par biegunów

- poslizgu silnika

Najwieksze mozliwości zmiany w sposób płynny prędkości obrotowej uzyskuje się przez mianę częstotliwosci napiecia zasilającego silnik. Zmiana ta powoduje zmiane wartosci predkości obrotowej pola magnetycznego wirujacego. Wdy: wysoki koszt zakupu przetwornika zasilającego silnik.

Regulacja przez zmiane liczby par biegunów jest możliwa tylko z zastosowaniem silników indukcyjnych o specjalnej budowie (silniki wielobiegowe). Wady: skokowa regulacja prędkosci, a przy małej liczbie par biegunów także duza zmiana predkosci obrotowej. Zalety: brak strat energii, sztywnośc otrzymanej charakterystyki, prostota urzadzenia nastawiającego predkość i jego niski koszt.

Regulacja przez zmiane poslizgu – można ja uazyskać zmieniajac wartość napięcia zasilającego silnik lub właczajac w obwód wirnika silnika indukcyjnego pierścieniowego specjalną rezystancje. Wady: powstawanie stat energii w obwodzie wirnika, do regulacji prędkości nie można uzywać rozrusznika.

HAMOWANIE SILNIKÓW INDUKCYJNYCH

- naturalne – odłączenie silnika od źródla zasilania

- mechaniczne – zastosowanie hamulcow ciernych

- elektryczne silnikiem – silnik elektryczny, pracujac jako hamulec, wytwarza moment obrotowy mający przeciwny zwrot do zwrotu wirowania wirnika w czasie naturalnej pracy silnika.

* hamowanie przeciwpradem – silnik wyłacza się z sieci po czym przełącza się na przeciwny kierunek wirowania i ponownie włącza do siecie. Zalety: łatwość realizacji, duza skuteczność. Wady: przepływ bardzo duzych pradów w uzwojeniach, straty mocy i energii

*hamowanie prądnicowe – zachodzi gdy wirnik silnika ma prędkość obrotową wiekszą od prędkości synchronicznej, gdy np. za pomoca silnika opuszczamy cieżar.

-hamowanie pradem stałym – polega na odłączeniu uzwojenia stojana silnika od sieci prądu przemiennego i polączniu dwóch zacisków tego uzwojenia ze źródłem napiecia stałego.

WIADOMOŚCI OGOLNE O SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM.

System elektroenergetyczny – zespół urządzeń do wytwarzania, przesylania i rozdzielania energii elektrycznej. Jego zadaniem jest zapewnienie odbiorcom ciagłej dostawy energii elektrycznej. W jego skład wchodza elektrownie oraz sieci elektroenergetyczne (zespoły urządzeń do przesyłania i rozdzielania energii).

Sieć elektroenergetyczna sklada się z linii służących do przesyłania energii oraz ze stacji elektroenergetycznych. W stacjach nastepuje rozdział i przeetwarzanie energii elektrycznej (stacje transfromatorowe i rozdzielcze). W elektrowniach odbywa się przetwarzanie energii dostarczanej przez wystepujace w przyrodzie źródla energii na energię elektryczną. Linie elektroenergetyczne są elementami sieci łaczącymi pozostałe lementy systemu, takie jak elektrownie, stacje, miedzy sobą i z odbiorcami energii elektrycznej.