Электрические аппараты

Устройство бытовой электропроводки

Стандартная схема электрической проводки содержит следующие элементы:

• многотарифный электросчетчик;
• выключатель-автомат с номинальным значением тока 25 А;
• механизм отключения, предохраняющий от короткого замыкания и перегрузок сети;
• дифференциальный автоматический выключатель с порогом срабатывания 30 мА (ток утечки), он защищает розетки;
• шкаф для монтажа с шинами (ноль и заземление) и дощечками для установки выключателей;
• несколько автоматов для освещения с номинальным значением тока 10 А;
• кабели с коробками распределения, направляющиеся к розеткам и приборам, освещающим помещения.

Часто владельцы квартир интересуются, фаза это плюс или минус, и в чем разница между нолем и землей. Поскольку электрическая фаза обладает переменным потенциалом, то показатель оного в проводе фазы становится то положительным, то отрицательным. Посему утверждать, что фаза это минус (либо плюс), будет некорректно – эти понятия лежат в разных плоскостях.

Теперь о том, чем нуль отличается от земли. Отличие в том, что через нулевой провод проходит ток и размыкается автоматами (к примеру, вводным). Для заземления в многоквартирном доме нужно подсоединиться к расположенной в стояке жиле, предназначенной специально для этого. Любое другое место, в том числе и щитковый корпус, применять для заземления строго запрещено – это грозит серьезными проблемами для здоровья жильцов.

Параметры

В характеристике переменного тока различают параметры основные и дополнительные.

• частота;
• период;
• амплитуда;
• действующее значение.

Дополнительные:

• угловая частота;
• фаза;
• мгновенное значение.

Рассмотрим их подробно.

Частота

Буквенное обозначение — f, единица измерения — герц (Гц). Обозначает число полных циклов колебаний тока за секунду.

Частота переменного тока на выходе простейшего генератора определяется частотой вращения его ротора. В системе электроснабжения России и других стран бывшего СССР, используется ток частотой 50 Гц.

Кривые изменения синусоидального переменного тока при различной частоте

В ряде случаев частоту путем преобразования тока повышают. К примеру, в инверторных сварочных аппаратах и импульсных блоках питания — до 20 – 80 кГц. При такой частоте значительно уменьшаются габариты трансформатора и потери в нем. В некоторых устройствах частоту доводят до нескольких МГц.

Период

Обозначение — «Т», единица измерения — секунда. Период — продолжительность полного цикла колебаний тока. С частотой данный параметр связан следующей зависимостью:

Т = 1 / f.

Соответственно, в электросети период тока составляет 1 / 50 = 0,02 с = 20 мс.

Амплитуда

Максимальное значение силы тока или ЭДС, соответствует вершине полуволны. Обозначается, соответственно, Imи Um. За период, указанные величины достигают амплитудных значений дважды — с положительным и отрицательным знаком.

Действующее значение

Это постоянный ток, эквивалентный данному переменному по производимой работе. Постоянно меняющийся переменный ток неудобно использовать в расчетах, потому его заменяют действующим значением. Обозначается литерами I и U.

Для синусоидальных тока и ЭДС определяется по формуле:

I = 2^(-1/2) * Im = (1/1,414) * Im = 0,707 Im;

U = 2^(-1/2) * Um = 0.707 Um;

Напряжение 220 В бытовой электросети — это действующее значение. Амплитуда составляет 311 В. Аналогично, если говорят, что нагрузка потребляет ток в 5А, подразумевают действующее значение. Амплитуда тока составляет 7,07 А.

Угловая частота

Обозначает скорость изменения угла α в формуле расчета ЭДС. Соответствует угловой частоте вращения ротора. Поскольку за один период угол а меняется на 2π при стандартной частоте f = 50 Гц, угловая частота составит: ω = 2π * 50 = 100 π.

Фаза — характер изменения угла α относительно точки отсчета времени. Токи и ЭДС могут совпадать по фазе или иметь сдвиг. Последний измеряется в радианах, градусах или долях периода. При сдвиге по фазе на π (1/2 периода) говорят, что величины находятся в противофазе.

Сдвиг фаз переменного тока и напряжения

Где применяются преобразователи частоты однофазный вход-выход 1 ф. 220 В

Асинхронные двигатели (АД) чаще применяются в быту, нежели в промышленности, в частности в системе однополюсных канальных вентиляторов и водяных насосов. Не секрет, что возникают затруднения, связанные с регулировкой скорости вращения АД. В чем и состоит задача однополюсных преобразователей частоты вход-выход 220-220.

Неравномерность крутящего момента может привести к аномальному шуму и вибрации в агрегате. Для регулировки скорости трехфазных электродвигателей применяются однополюсные частотники 220/380 В(вход/выход), иногда со специальным контроллером, служащим для управления устройством.

Такие виды преобразователей предназначаются для работы в технологическом (насосы и вентиляторы, транспортирующие механизмы, экструдеры, миксеры и т.п.) и энергосберегающем оборудовании (станции управления насосами, системы климата и кондиционирования и т.п.). Модели выпускаются с возможностью крепления на ДИН-рейку. Имеют широкий на выходе. Умный пульт управления обеспечивает комфортные условия рабочей обстановки.

Дабы избежать осложнений, с которыми часто встречаются в процессе эксплуатации 3-х полюсных электродвигателей в однофазных сетях, следует придерживаться правил:

1. мощность двигателя, применяемого в качестве ЧП, выбирается большей, чем мощность подсоединяемого к нему электропривода;
2. на практике преобразователи мощностью 4 кВт способны решать все существующие хозяйственные проблемы в частном доме. Можно ориентироваться на нагрузку 2-3 кВт, что приемлемо для энергосети;
3. рабочий ток преобразователя в обычном режиме должен быть больше, чем указанно его значение в паспорте данного типа электродвигателей (иначе ЧП просто сгорит);
4. осуществляется в строгой последовательности: первым запускается ЧП, затем 3-х полюсные потребители. Выключается оборудование в обратной последовательности.

Устройство и принцип работы однофазного двухобмоточного трансформатора

Назначение, области применения и классификация трансформаторов

Трансформаторы.

Трансформатором называется электромагнитное устройство, служащее для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения без изменения частоты.

Потребность трансформирования, т.е. повышения и понижения переменного напряжения вызвана необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Чем выше величина передаваемого напряжения, тем, при равной мощности генератора, меньше ток. Следовательно, для передачи энергии потребуются провода меньшего сечения, что приводит к экономии цветных металлов, к уменьшению веса и стоимости линий электропередач (ЛЭП). Кроме того, с уменьшением тока уменьшаются потери мощности в линиях передач ∆P=I2Rл.

По применению трансформаторы можно разделить на следующие типы:

1. Силовые трансформаторы, используемые в сетях передачи и распределения электроэнергии.

2. Автотрансформаторы, имеющие плавную регулировку выходного напряжения и используемые для его изменения (регулирования).

3. Измерительные трансформаторы, применяемые в качестве элементов измерительных устройств.

4. Трансформаторы специального назначения (печные, сварочные, пиковые, изолирующие и т.д.)

Применяемые в настоящее время изоляционные материалы позволяют увеличить напряжения в ЛЭП до 1250кВ.

Трансформатор состоит из ферромагнитного (стального) сердечника (ФМС) и двух обмоток: первичной с числом витков W1, к которой подводится напряжение источника U1, и вторичной – с числом витков W2,на зажимах которой возникает напряжение U2.Сердечник трансформатора собирается из отдельных листов электротехнической стали (толщиной 0,3-0,5 мм), изолированных друг от друга для уменьшения потерь на вихревые токи.

В основу работы трансформатора положен принцип взаимоиндукции. При включении первичной обмотки W1 на переменное напряжение U1 в ней появится ток I0.Этот ток, протекая по виткам W1, вызовет появление магнитного потока первичной обмотки, который состоит из основного или, по-другому, рабочего потока Ф, замыкающегося по сердечнику и потока рассеяния Фδ1, замыкающегося по воздуху (рис. 4.3.). Электрическая энергия передается из первичной обмотки во вторичную с помощью рабочего потока.

Переменный синусоидальный рабочий магнитный поток Ф на основании закона электромагнитной индукции наводит в первичной обмотке ЭДС самоиндукции E1, а во вторичной обмотке — ЭДС взаимоиндукции Е2, которая создает на зажимах вторичной обмотки напряжение U2.

Если ко вторичной обмотке трансформатора присоединить нагрузку Zн(рис. 4.4.), то в ней появится ток I2, который, протекая по виткам W2, вызовет появление магнитного потока во вторичной обмотке. Этот поток состоит из потока Ф2, замыкающегося по сердечнику и потока рассеяния Фδ2, замыкающегося по воздуху.

Вторичный поток Ф2 по правилу Ленца всегда направлен навстречу потоку первичной обмотки и стремится его уменьшить. Уменьшение потока Ф повлечет за собой уменьшение ЭДС Е1. В результате увеличится разность между напряжением U1 и ЭДС Е1, что приведет увеличению токапеовичной обмоткиI0 до тока I1, что компенсирует поток Ф2 (рис.4.4). Таким образом, суммарный рабочий магнитный поток Ф1 — Ф2останется неизменным и приблизительно равным первоначальному потоку Ф, сцепленному с обеими обмотками трансформатора.

Переменные магнитные потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток Фδ1 и Фδ2 сцеплены с одной из обмоток и наводят в них соответствующие ЭДС рассеяния Еδ1 и Еδ2.

Расщепитель — фаза

Расщепители фаз имеют конструкцию, подобную обычному асинхронному двигателю с коротко-замкпутым ротором. Для эффективного ослабления обратного поля беличья клетка ротора выполняется из меди и имеет минимальное активное сопротивление. Чтобы снизить падения напряжения в обмотках статора и уменьшить таким путем несимметрию трехфазных напряжении при изменении нагрузки и напряжения питающей сети, двигательная и генераторная обмотки должны иметь малое реактивное сопротивление. Для этого их выполняют с небольшим числом витков и уменьшенными потоками рассеяния. Это обеспечивают рациональным выбором конфигурации пазов и увеличением воздушного зазора между ротором и статором.
 

Расщепители фаз обеспечивают создание симметричных трехфазных напряжений практически только при номинальном напряжении сети однофазного тока и полной нагрузке.
 

Расщепители фаз имеют конструкцию, подобную обычному асинхронному двигателю с короткозамкнутым ротором. Для эффективного ослабления обратного поля беличья клетка ротора выполняется из меди и имеет минимальное активное сопротивление. Чтобы снизить реактивные падения напряжения в обмотках статора и уменьшить таким путем несимметрию трехфазных напряжений при изменении нагрузки и напряжения питающей сети, двигательная и генераторная обмотки должны иметь малое реактивное сопротивление. Для этого их выполняют с небольшим числом витков и уменьшенными потоками рассеяния.
 

Расщепители фаз — преобразователи однофазного тока в трехфазный — питают асинхронные двигатели трехфазного тока, служащие для привода вспомогательных устройств, в моторных вагонах электропоездов и в электровозах переменного тока.
 

Расщепитель фаз, кроме генераторной нагрузки ( питание асинхронных двигателей), может нести и некоторую механическую нагрузку, например приводить во вращение вентилятор или вспомогательный генератор.
 

Расщепитель фаз при питании его напряжением номинальной величины должен допускать длительную работу всех подключенных к нему асинхронных двигателей трехфазного тока вспомогательных машин при работе вместе с ними на полную свою мощность той машины, которая механически соединена с валом расщепителя. Режим такой работы и является номинальным режимом работы асинхронного расщепителя фаз.
 

Расщепители фазы могут давать не только сдвиг на 90, но и любой другой. Характерной для всех рассмотренных фазорасщепителей является зависимость фазового сдвига от частоты. В ряде случаев это недопустимо. Обеспечить независимость фазового сдвига от частоты в определенном диапазоне могут фазосдвигающие устройства следящего типа.
 

Расщепители фаз ( фазорасщепители) и машинные преобразователи обеспечивают питание трехфазных асинхронных двигателей.
 

Расщепители фаз электропоездов ЭР9П питаются однофазным переменным током напряжением 220 в, а электродвигатели компрессоров, насосов, вентиляторов — трехфазным переменным током такого же напряжения.
 

Расщепители фаз электровозов ВЛ60К включены параллельно, и в случае повреждения одного из них все двигатели вспомогательных машин могут питаться от исправного расщепителя фаз.
 

Расщепитель фаз НБ-455А ( ФР-690) предназначен для преобразования однофазного напряжения обмотки тягового трансформатора в трехфазную систему 380 В.
 

Расщепитель фаз американских электровозов построен по схеме фиг. Скотта, которая на зажимах А, В и С дает трехфазную систему напряжений; большие затруднения вызывает несимметрия напряжений.
 

Статор расщепителя фаз имеет две основные обмотки: первичную однофазную и вторичную трехфазную. Первичная обмотка расположена в специальных пазах 1 статора ( фиг.
 

Главные отличия

Общим фактором является количество проводов и напряжение. На этом отличия и заканчиваются. Однофазное подключение характеризуется подведением к дому или квартире двух/трех проводов (фаза, ноль, заземление). Обычно сечение проводников составляет 4-6 мм2. А в доме используют проводку 1,5-2,5 мм2.

При этом оно ограничено по максимальной мощности потребления, которая не должна превышать десяти кВт. Могут возникнуть трудности с подключением потребителей, рассчитанных на трехфазное напряжение. При подключении потребуются дополнительные устройства, а также нужно быть готовым, что произойдет потеря мощности.

Обычно к многоквартирному дому подводится три фазы, а в каждую квартиру приходит только одна фаза. При этом стараются распределять нагрузку пропорционально, исключая перекос фаз. Так же учитывают то, что напряжение 220В является менее опасным чем 380В, с точки зрения техники безопасности.

Если потребитель планирует подключение к электрической сети с выделенной мощностью более десяти кВт — необходимо использовать трехфазное напряжение.

Отличие в этом случае заключается в подведении к дому или коттеджу кабеля с четырьмя/пяти жилами. В чем состоит отличие от двухпроводного подключения. В этом случае потребитель получает две величины напряжения: линейное будет равно 380 В, а фазное — 220 В.

Замер производят следующим образом. Фазное напряжение меряют между нулевым проводником и каждой фазой попеременно, линейное замеряют между фазами.

На рисунке снизу показано, как измерить фазное и линейное напряжение.

Следует учитывать, что в коттеджах, где установленная мощность превышает десять киловатт, но отсутствует трехфазная нагрузка, активная мощность должна распределяться между фазами равномерно.

В этом состоит разница при однофазном подключении, распределять мощности нет необходимости.

На нижеприведенном рисунке представлена схема подсоединения однофазной равномерно распределенной по трём фазам нагрузки и формула зависимости линейного напряжения от фазного.

При этом не требуется использовать коммутационное оборудование (автоматы, пускатели) на большие токи. Чаще трехфазная сеть применяется для промышленных предприятий, магазинов, офисных помещений.

Почему мощное оборудование бывает зачастую трехфазным

Основным фактором использовать трехфазное подсоединение к мощной нагрузке, является передача большой мощности при меньшем сечении кабеля, относительно однофазного. Это существенно удешевляет электрические сети и коммутационные аппараты.

Такое подведение электричества используется для промпредприятий, мастерских, фермерских хозяйств. То есть для организаций, где основными потребителями являются трехфазные электроустановки.

Это могут быть электродвигатели, мощные сушильные агрегаты, стационарное сварочное оборудование, металлообрабатывающие и деревообрабатывающие станки и т.п.

Преимущества и недостатки

Каждая из сетей однофазная и трехфазная система тока имеет свои достоинства, но не лишена и недостатков.

Рассмотрим основные достоинства для линии 220В:

1. Они несложные. В схеме может разобраться человек, имеющий минимальные знания в электротехнике.
2. Для подключения достаточно два провода (если не используется заземление). Это существенно упрощает сети.
3. Относительно невысокое опасное напряжение.

Основным недостатком является высокие токи при потреблении большой мощности, поэтому для мощных приборов (7-10 и больше киловатт) однофазное подключение практически не используется. Теперь рассмотрим, чем отличается 3-фазная сеть от 1-фазной.

Для сетей напряжением 380 В:

• Подключаемая мощность ограничена только сечением проводников и выделенной электросетями мощностью.
• Можно использовать для обеспечения электроэнергией любых объектов.
• Имеется возможность «выбора» фазы с лучшими параметрами, для питания важных однофазных потребителя, для этого используются реле-переключатели фаз.

К недостаткам относятся:

• Дорогостоящие кабели и коммутационное оборудование.
• Опасное напряжение.

В каких сферах используется

Эфирная лампа Е1ф 220В широко используется в различных сферах деятельности. Вот некоторые из них:

Это только несколько примеров использования Э1ф 220В. Ее применение может быть обширным и зависит от конкретных потребностей и требований в каждой сфере деятельности.

Как определить ноль и фазу собственными силами.

Для определения нуля и фазы тока существуют специальные отвертки-тестеры.

Она работает по принципу прохождения тока низкого напряжения через тело человека, использующего ее. Отвертка состоит из следующих частей:

• Наконечник для подключения к фазовому потенциалу розетки;
• Резистор, снижающий амплитуду электротока до безопасных пределов;
• Светодиод, загорающийся при наличии потенциала фазы тока в цепи;
• Плоский контакт для создания цепи сквозь тело оператора.

Принцип работы с отверткой-тестером показан на картинке ниже.

Кроме тестовых отверток, существуют и другие способы определить, к какому контакту розетки подключена фаза тока, а к какому – ноль. Некоторые электрики предпочитают пользоваться более точным тестером, используя его в режиме вольтметра.

Показания стрелки вольтметра означают:

1. Наличие напряжения 220 В между фазой и нулем
2. Отсутствие напряжения между землей и нулем
3. Отсутствие напряжения между фазой и нулем

Вообще-то, в последнем случае стрелка должна показывать 220 В, но в данном конкретном случае центральный контакт розетки не подключен к потенциалу земли.

Законы электрических цепей

Закон Ома

Пусть имеется однородный участок цепи — им может служить кусок металла постоянного сечения, все точки которого имеют одинаковую температуру, и пусть на концах этого проводника поддерживается неизменная разность потенциалов U. Тогда, согласно закону Ома, в однородном участке цепи сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах участка:

U = IR, I = U/R, R = U/I

Существуют участки цепи, в которых зависимость силы тока от разности потенциалов на их концах нелинейна. В этом случае рассматривают среднее значение сопротивления:

Переходя к пределу при условии, что Di-> 0, получаем динамическое сопротивление:

Первый закон Кирхгофа — закон баланса токов в узле

Реальные электрические цепи включают в себя комбинации последовательно и параллельно соединенных нагрузок и генераторов. В рассчитывать разности потенциалов на всех участках цепи и силы токов в них, а также электродвижущие силы источников тока, входящих в данную цепь, можно с помощью закона Ома и закона сохранения заряда. Однако для упрощения расчетов Г. Кирхгофом были предложены два простых правила, нашедших широкое применение в электротехнике.

Первое из них относится к узлам разветвления цепи, в которых сходятся и из которых расходятся токи. Токи, подходящие к узлу, условились считать положительными, а токи, исходящие из узла — отрицательными. В этом случае в каждой точке разветвления проводов алгебраическая сумма всех сил токов равна нулю (первое правило Кирхгофа):

Электрический заряд в узле не накапливается.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС источников питания в любом контуре равна алгебраической сумме падений напряжения на элементах этого контура:

Второе закон, по существу, является следствием закона Ома для неоднородного участка цепи.

Закон Джоуля — Ленца

Количество теплоты, выделяемое проводником с током I на сопротивлении R, прямопропорционально произведению квадрата силы тока, на сопротивление и на время прохождения тока:

Режим холостого хода трансформатора (ХХ)

В этом режиме сопротивление нагрузки равно бесконечности, в результате чего
можно не учитывать вторичную обмотку и трансформатор работает как обычная катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником.
Кроме того, в режиме холостого хода трансформатора определяют его коэффициент трансформации. Схема замещения трасформатора
в режиме холостого хода приведена на рисунке 3.

На эквивалентных схемах трансформатора, приведенных на рисунке 2, показаны:

r1 — активное сопротивление первичной обмотки;
LS1 — индуктивность, отображающая поток рассеяния трансформатора;
r — сопротивление активных потерь в магнитопроводе;
L — основная индуктивность первичной обмотки;
Iμ – ток, создающий основной магнитный поток (ток намагничивания);
Ia – ток активных потерь в сердечнике;
I10 = Ia + Iμ — ток холостого хода трансформатора.

Индуктивность первичной обмотки, которая вместе с потерями в сердечнике влияет на к.п.д. трансформатора, можно рассчитать
по следующей формуле:

где W1 — количество витков первичной обмотки;
    Rm — магнитное сопротивление сердечника;
    μa — магнитная проницаемость сердечника;
    S — площадь сечения сердечника.

Параллельная эквивалентная схема трансформатора более удобна по сравнению с последовательной для построения векторной
диаграммы напряжений и токов для реальной катушки индуктивности. Эта диаграмма приведена на рисунке 3.

Здесь δ — угол потерь в магнитопроводе
       X₁ — сопротивление индуктивности рассеяния L_S1.

Обратите внимание, что в этом режиме работы трансформатора вектор ЭДС индуцированный в обмотке W2
(напряжение во вторичной обмотке) совпадает по фазе с eL, а напряжение U1, подаваемое
на первичную обмотку трансформатора, является суммой э.д.с. на индуктивности первичной обмотки и падения напряжения на
сопротивлениях индуктивности рассеивания и активного сопротивления первичной обмотки:

Это выражение можно записать немного иначе:

При правильном проектировании трансформатора потери на омическом сопротивлении первичной обмотки малы, поскольку ток холостого
хода много меньше номинального. Тогда угол сдвига фаз между током и напряжением (I₁₀ и U₁)
определяется потерями в магнитопроводе. Это позволяет из опыта холостого хода и найти угол потерь δ и рассчитать
потери в сердечнике.

Трансформатор является обращаемым устройством (первичную и вторичную обмотки можно поменять местами!), поэтому для
каждой из обмоток записываем основную формулу трансформаторной ЭДС.

Разделив уравнение (3) на (4), получим выражение для коэффициента трансформации:

Подведем итоги Режим работы трансформатора на холостом ходе позволяет определить:

Коэффициент трансформации