Введение в основы электротехники

Электротехника представляет собой фундаментальную область знаний, без понимания принципов которой невозможна безопасная и эффективная работа с любым электрооборудованием. Для специалистов, начинающих свой путь, а также для всех, кто стремится грамотно эксплуатировать электрические системы, необходимо усвоить ряд ключевых определений и физических законов. Данный материал призван структурировать эти базовые понятия, предоставив четкое и профессиональное их объяснение.

Профессиональная электролаборатория обеспечивает точную диагностику и испытания электрооборудования любой сложности, опираясь на фундаментальные принципы электротехники.

Природа электрического тока и напряжения

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц (носителей заряда) в проводящей среде под воздействием электрического поля. Количественно ток характеризуется силой, измеряемой в амперах (А), и представляет собой скорость протекания электрического заряда через поперечное сечение проводника. В практике различают два основных вида тока: постоянный и переменный. Постоянный ток характеризуется неизменностью направления и величины с течением времени. Его источниками являются гальванические элементы, аккумуляторы и специальные генераторы. Переменный ток периодически изменяет как свою величину, так и направление. Важнейшим параметром переменного тока является частота, определяющая количество полных циклов таких изменений за одну секунду и измеряемая в герцах (Гц). В Российской Федерации стандартной частотой для систем электроснабжения является 50 Гц. Напряжение является количественной мерой работы, которую совершают силы электрического поля для перемещения единичного заряда между двумя точками цепи. Эта разность потенциалов, измеряемая в вольтах (В), служит причиной, вызывающей и поддерживающей движение зарядов, то есть электрический ток.

Однофазные и трехфазные системы

В современной электроэнергетике наиболее распространены однофазные и трехфазные системы переменного тока. Однофазная система, широко используемая в бытовых сетях, предполагает наличие одного фазного и одного нулевого проводника. Трехфазная система формируется тремя переменными токами одинаковой частоты и амплитуды, но сдвинутыми друг относительно друга на одну треть периода, что соответствует фазовому сдвигу в 120 градусов. Такая система обладает значительными технико-экономическими преимуществами, включая высокую эффективность передачи энергии на большие расстояния, возможность создания вращающегося магнитного поля в электродвигателях и более рациональное распределение нагрузок. В трехфазной цепи различают фазное напряжение (между фазным и нулевым проводником) и линейное напряжение (между двумя фазными проводниками).

Фундаментальный закон Ома

Краеугольным камнем теории цепей является закон Ома для участка цепи. Он устанавливает прямую пропорциональную зависимость между силой тока на рассматриваемом участке и приложенным к нему напряжением, а также обратную пропорциональность сопротивлению этого участка. Математически закон выражается формулой: сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление. Из этой фундаментальной зависимости логически следуют важные выводы. При неизменном сопротивлении увеличение напряжения приводит к пропорциональному росту силы тока. И наоборот, при постоянном напряжении рост сопротивления участка цепи вызывает уменьшение протекающего через него тока. Понимание и умение применять закон Ома абсолютно необходимо для расчета и анализа любых электрических цепей.

Понятие электрической мощности

Электрическая мощность характеризует скорость преобразования или передачи электрической энергии. Она измеряется в ваттах (Вт) и представляет собой работу, совершаемую электрическим полем в единицу времени. В цепях переменного тока различают несколько видов мощности. Активная мощность — это полезная мощность, которая необратимо преобразуется в другие формы энергии: тепловую, световую, механическую. Именно она учитывается электросчетчиками. Реактивная мощность связана с процессами периодического накопления и отдачи энергии магнитными и электрическими полями в таких элементах, как катушки индуктивности и конденсаторы. Она не совершает полезной работы, но необходима для функционирования оборудования и циркулирует между источником и нагрузкой. Полная мощность является геометрической суммой активной и реактивной составляющих и определяет реальную нагрузку, налагаемую на источник питания.

Сопротивление и проводимость материалов

Сопротивление является физическим свойством материала препятствовать прохождению электрического тока. Оно обусловлено взаимодействием движущихся заряженных частиц с атомами и ионами кристаллической решетки проводника. Величина сопротивления измеряется в омах (Ом) и зависит от материала, геометрических размеров проводника и его температуры. Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью. Все вещества по способности проводить электрический ток условно делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Проводники, в первую очередь металлы, имеют высокую концентрацию свободных носителей заряда и малое сопротивление. Диэлектрики, или изоляторы, обладают крайне малым количеством свободных зарядов и поэтому практически не проводят ток, что позволяет использовать их для изоляции токоведущих частей. В электротехнических расчетах используются такие понятия, как активное сопротивление, не зависящее от частоты, а также реактивные сопротивления — индуктивное и емкостное, проявляющиеся в цепях переменного тока. Указанные базовые принципы и законы формируют необходимый теоретический фундамент для последующего углубленного изучения электротехники, проектирования электрических цепей и обеспечения безопасности при проведении электромонтажных работ. Компания ТМ Электро рекомендует всегда руководствоваться этими знаниями в профессиональной деятельности.

Классификация электрических цепей и их элементов

Электрические цепи подразделяются на линейные и нелинейные. Линейными называются цепи, параметры элементов которых, прежде всего сопротивление, индуктивность и емкость, остаются постоянными и не зависят от величины протекающего тока или приложенного напряжения. Это упрощает их расчет и анализ. Нелинейные цепи содержат элементы, чьи параметры изменяются под воздействием тока или напряжения. Примером может служить лампа накаливания, сопротивление нити которой значительно возрастает при нагреве протекающим током. Для анализа нелинейных цепей применяются специальные графические или численные методы. Важнейшими идеализированными элементами схем замещения являются резистор, катушка индуктивности и конденсатор. Резистор моделирует необратимое преобразование электрической энергии в тепло и характеризуется активным сопротивлением. Катушка индуктивности идеализирует свойство цепи накапливать энергию в магнитном поле при протекании тока. Конденсатор отражает способность цепи накапливать энергию в электрическом поле между обкладками. Совокупность этих элементов, соединенных определенным образом, формирует поведение любой реальной электрической цепи.

Законы Кирхгофа как основа анализа цепей

Для расчета сложных разветвленных электрических цепей, содержащих несколько источников энергии и контуров, применяются два фундаментальных закона, сформулированные Густавом Кирхгофом. Первый закон Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда и применим к узлам цепи. Узлом называется точка цепи, в которой сходится не менее трех проводников. Согласно первому закону, алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле электрической цепи, в любой момент времени равна нулю. Это означает, что сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из него. Второй закон Кирхгофа является обобщением закона Ома и применим к любому замкнутому контуру (замкнутому пути) в цепи. Он гласит, что алгебраическая сумма электродвижущих сил (ЭДС) в любом замкнутом контуре равна алгебраической сумме падений напряжений на всех элементах этого контура. При этом необходимо строго соблюдать правила знаков, выбирая положительное направление обхода контура. Законы Кирхгофа позволяют составить систему уравнений, достаточную для определения всех неизвестных токов и напряжений в сколь угодно сложной цепи постоянного или мгновенных значений переменного тока.

Режимы работы электрических цепей

Электрические цепи могут функционировать в нескольких характерных режимах, определяемых соотношением между параметрами источника и нагрузки. Номинальный режим является расчетным и указывается в паспортных данных электрооборудования. В этом режиме элементы цепи работают с параметрами (током, напряжением, мощностью), на которые они рассчитаны для обеспечения длительной и надежной эксплуатации. Режим холостого хода возникает при разрыве цепи нагрузки, когда сопротивление внешней цепи стремится к бесконечности. Ток в цепи при этом равен нулю, а напряжение на выводах источника соответствует его ЭДС. Режим короткого замыкания является аварийным и характеризуется соединением зажимов источника через пренебрежимо малое сопротивление. В этом случае ток в цепи достигает максимально возможного значения, ограничиваемого только внутренним сопротивлением источника, что, как правило, приводит к выходу оборудования из строя без соответствующей защиты. Согласованный режим имеет место при равенстве сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника. В этом случае в нагрузке выделяется максимально возможная для данного источника мощность, хотя КПД передачи энергии составляет лишь 50%. Каждый из этих режимов имеет важное практическое значение при проектировании, испытании и эксплуатации электроустановок.

Электромагнитная индукция и принцип самоиндукции

Явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем, лежит в основе работы подавляющего большинства современных электротехнических устройств. Закон электромагнитной индукции устанавливает, что в замкнутом проводящем контуре возникает электродвижущая сила при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Существует два основных способа индуцирования ЭДС: изменение магнитного поля вокруг неподвижного проводника или перемещение проводника в постоянном магнитном поле. Первый принцип используется в трансформаторах, второй — в электрических генераторах. Частным случаем электромагнитной индукции является явление самоиндукции. Оно заключается в возникновении ЭДС в проводящем контуре при изменении силы тока в самом этом контуре. Индуцированная ЭДС самоиндукции всегда направлена таким образом, чтобы противодействовать причине, ее вызвавшей, то есть изменению тока. Это свойство инерции магнитного поля количественно характеризуется индуктивностью цепи, измеряемой в генри (Гн). Индуктивность является определяющим параметром в переходных процессах, связанных с коммутацией цепей, и широко используется для фильтрации, накопления энергии и создания магнитных полей.

Переходные процессы в цепях

Переходным процессом называется период изменения токов и напряжений в электрической цепи при переходе от одного установившегося режима работы к другому. Причиной возникновения переходных процессов является наличие в цепи элементов, способных запасать энергию, — индуктивностей и емкостей. Энергия магнитного поля катушки и электрического поля конденсатора не может измениться мгновенно, что требует определенного времени для перераспределения токов и напряжений. Переходные процессы возникают при любых коммутациях: включении и выключении источников, замыкании и размыкании ключей, изменении параметров цепи. Анализ этих процессов позволяет определить возможные перенапряжения и сверхтоки, которые могут представлять опасность для изоляции и оборудования. Длительность переходного процесса определяется постоянной времени цепи, зависящей от соотношения параметров индуктивности, емкости и активного сопротивления. Знание закономерностей протекания переходных процессов критически важно для проектирования систем релейной защиты, устройств плавного пуска электродвигателей и разработки импульсной техники.

Основы расчета цепей переменного тока

Расчет цепей синусоидального переменного тока существенно сложнее расчета цепей постоянного тока из-за наличия фазовых сдвигов между током и напряжением на реактивных элементах. Для упрощения анализа применяется символический (комплексный) метод. Синусоидально изменяющиеся величины изображаются в виде вращающихся векторов на комплексной плоскости или записываются в виде комплексных чисел. При этом активное сопротивление остается вещественным числом, индуктивное сопротивление представляется положительной мнимой составляющей, а емкостное — отрицательной. Это позволяет применять для цепей переменного тока все методы расчета, разработанные для цепей постоянного тока, в том числе законы Ома и Кирхгофа, методы контурных токов и узловых потенциалов, но в комплексной форме. Результатом расчета являются комплексные амплитуды или действующие значения токов и напряжений, из которых затем легко определить их реальные синусоидальные функции времени, включая сдвиг фаз. Данный метод является основным инструментом инженерного анализа установившихся режимов работы электроэнергетических систем, силовых и радиотехнических цепей.

Трехфазные цепи: соединение звездой и треугольником

В трехфазных системах обмотки генераторов и приемники электроэнергии могут соединяться двумя основными способами: звездой и треугольником. При соединении звездой концы всех трех фаз объединяются в общую нейтральную точку. К нейтральной точке может подключаться нейтральный провод. При этом к приемникам подводятся фазные напряжения. При соединении треугольником начало каждой последующей фазы соединяется с концом предыдущей, образуя замкнутый контур. Линейные напряжения в этом случае равны соответствующим фазным напряжениям. Выбор схемы соединения определяется номинальными напряжениями источников и приемников, требованиями к симметричности нагрузки, условиями эксплуатации и соображениями безопасности. Например, асинхронные электродвигатели часто позволяют переключать обмотки со звезды на треугольник для организации плавного пуска. При симметричной нагрузке в трехфазной системе, соединенной звездой с нейтральным проводом, ток в нейтральном проводе равен нулю, что позволяет использовать провод меньшего сечения или вообще отказаться от него в четырехпроводных системах. Расчет мощностей, токов и напряжений в трехфазных цепях производится с учетом типа соединения и характера нагрузки.

Принципы защиты электрических цепей

Обеспечение безопасности и надежности работы электроустановок невозможно без применения специальных защитных аппаратов. Основными видами защит являются защита от сверхтоков и защита от утечек тока. Защита от сверхтоков, к которым относятся токи перегрузки и токи короткого замыкания, осуществляется автоматическими выключателями и плавкими предохранителями. Автоматический выключатель отключает цепь при превышении током определенного значения за заданное время, при этом он может быть повторно включен после устранения неисправности. Плавкий предохранитель содержит легкоплавкую вставку, которая разрушается при протекании сверхтока, требуя последующей замены. Защита от утечек тока на землю, представляющих опасность поражения людей электрическим током и возгорания, обеспечивается устройствами защитного отключения. УЗО сравнивает токи в фазном и нулевом проводниках и мгновенно отключает цепь при их неравенстве, свидетельствующем об утечке. Комбинация автоматических выключателей и УЗО, часто объединяемых в дифференциальные автоматы, создает комплексную систему защиты, обеспечивающую как противопожарную безопасность, так и защиту человека от поражения электрическим током. Правильный выбор и согласование характеристик защитных аппаратов является обязательным условием проектирования любой электрической цепи. Компания ТМ Электро подчеркивает, что глубокое понимание перечисленных теоретических основ является залогом профессиональной компетентности специалиста в области электротехники, позволяя не только грамотно выполнять расчеты, но и осознанно подходить к вопросам монтажа, наладки и безопасной эксплуатации сложного электрооборудования.