Технические 15.09.2020

Основы электротехники и электромеханики: начальный курс для чайников

13 мин.

Общие вопросы электротехники

Электротехника – область науки и техники, использующей электрическое и магнитное явления для практических целей.

Электрический ток
История развития этой науки занимает два столетия. Она началась после изобретения первого электрохимического источника электрической энергии в 1799 г. Именно тогда началось изучение свойств электрического тока, были установлены основные законы электрических цепей, электрические и магнитные явления стали использоваться для практических целей, были разработаны первые конструкции электрических машин и приборов. Жизнь современного человека, без использования электрической энергии, немыслима.

Все возрастающая потребность в использовании электрической энергии привело к проблеме ее централизованного производства, передачи на дальние расстояния, распределения и экономичного использования. Решение проблемы привело к разработке и созданию трехфазных электрических цепей. Огромная заслуга в создании элементов таких цепей принадлежит выдающемуся русскому ученому М.О. Доливо-Добровольскому. Он создал трехфазный асинхронный двигатель, трансформатор, разработал четырехпроводную и трехпроводную цепи (1891г.).

Сегодня электрическая энергия используется в технике связи, автоматике, измерительной технике, навигации. Она применяется для выполнения механической работы, нагрева, освещения, используется в технологических процессах (электролиз), в медицине, биологии, астрономии, геологии и др. Столь обширное проникновение электротехники в жизнь человека привело к необходимости включить ее в состав общетехнических дисциплин при подготовке специалистов всех технических специальностей.   При этом перед студентами стоит главная задача – ознакомиться и усвоить физическую сущность электрических и магнитных явлений. Это позволит понять принципы работы электромагнитных устройств, правильно их эксплуатировать.

Основные понятия

Основные положения электротехники и базовые используемые термины – первое, с чем происходит краткое знакомство при изучении ТОЭ.

Постоянный ток

Так называется ток, не меняющий вектора движения на каком-либо временном отрезке и направленный строго от положительного полюса к отрицательному. Постоянный электроток отличается способностью к аккумуляции – на ней базируется принцип действия аккумуляторных источников питания. Кроме того, такой ток может получаться в батарейках посредством химической реакции. Аккумуляторы и гальванические батарейки обеспечивают работу большого числа портативных приборов. На схемах данный вид тока показывают, обозначая плюсовой и минусовой полюса. Если какой-то электроприбор рассчитан на эксплуатацию только при постоянном токе, на корпус ставят соответствующую маркировку в виде одиночной черты или пары параллельных горизонтальных линий.

Электромагнетизм

Это явление входит в число основных понятий электротехники. Оно является продуктом взаимодействия магнитного эффекта и электротока. Первым его зафиксировал Х. Эрстед при приближении компаса к кабелю, по которому проходил ток: стрелка устройства в это время сместилась, что иллюстрировало присутствие магнитного поля поблизости от кабеля.

Электромагнитами называются материалы, в которых магнитные свойства обнаруживаются только при пропускании тока по намотке. Чтобы сила магнитного поля возросла, намотку делают состоящей из большого числа витков. Металлическая основа с магнитными свойствами, которую обматывают, называется сердечником. Вектор линий поля определяется направлением течения электротока в проводе обмотки. Если у магнита присущие ему свойства обнаруживаются константно, а не только при наличии тока и обмотки, его называют постоянным. Часто он имеет кольцевую или подковообразную форму.

Переменный ток

Это один из первых терминов, с которым знакомятся изучающие теорию электричества. Одновременно с этим узнают о его отличиях от постоянного тока.

Этот вид тока характеризуется тем, что циклически меняет свои величину и направление (в отличие от постоянного, у которого эти параметры неизменны на любом временном отрезке). При этом характер изменений можно отразить на графике в виде синусоиды. Когда лампа подключается в электросеть с таким током, минус и плюс на ее контактах будут периодически меняться места.

Применение такого тока дает возможность передачи электрической энергии на очень большие расстояния. Поскольку генераторы создают огромное напряжение, которое опасно подавать в жилые помещения, ток от них направляется в подстанции, где трансформируется.

К сведению. Из этого тока можно получать постоянный с помощью выпрямляющего устройства – диодного моста. Он распрямляет синусоидальную кривую, что заставляет электроны двигаться в одном векторе, не меняя его с течением времени.

Трансформаторы

Это приборы, преобразующие переменный электроток с заданными параметрами в ток с иным показателем напряжения, но идентичной исходному частотой. Их действие основано на принципе взаимоиндукции. Устройство является статичным, не снабжено подвижными элементами, потому не является машиной, но учащиеся знакомятся с его действием одновременно с принципами работы электрических машин. В прибор вмонтированы две катушки с неодинаковым количеством витков (это сделано для обеспечения разницы напряжений). По магнитному полю электроэнергия передается между катушками.

Электрические цепи постоянного и переменного тока

Чтобы в электрической цепи протекал переменный ток, цепь должна быть присоединена к источнику переменной ЭДС. Она выступает здесь в роли периодической вынуждающей силы, и ток в цепи совершает вынужденные колебания, разумеется, с частотой вынуждающей силы. Если ЭДС в источнике изменяется со временем по закону   и источник включен в цепь с активным сопротивлением R, то и ток в цепи изменяется по косинусоидальному закону.

Косинусоидальный закон
и источник включен в цепь с активным сопротивлением R, то и ток в цепи изменяется по к синусоидальному закону:

Цепь с активным сопротивлением

Здесь εm и Im — амплитуды (максимальные значения) ЭДС и силы тока.

Но свойства функции косинуса таковы, что в среднем за период колебаний сила тока равна нулю. Это, однако, не значит, что такой ток бесполезен и ни в чем себя не проявляет. Потому что хотя в среднем сила тока и равна нулю, не равен нулю квадрат силы тока. А мощность тока определяется именно квадратом силы тока. В любой момент времени мощность переменного тока в цепи с активным сопротивлением выражается равенством:

Мощность переменного тока
Среднее значение квадрата косинуса за период равно не нулю, а 1/2, так что среднее значение мощности

Среднее значение мощности
Величина  Действующее значение силы тока
называется действующим значением силы тока.

В нашем случае мощность можно также выразить через напряжение на сопротивлении:

Мощность

Где: Действующее значение напряжение
  – Действующее значение напряжения

В этом состоит одно из отрицательных свойств переменного тока.

Есть и другие отрицательные следствия.

Явление электромагнитной индукции приводит, например, к тому, что переменный ток в проводах распределяется не равномерно по всему сечению, а главным образом вблизи поверхности. (Это явление называется скин- эффектом).   Благодаря тому, что используется не все сечения проводов, их сопротивление реально возрастает. Далее, переменный ток, как и ток постоянный, окружен магнитным полем, но полем переменным. А такое поле, согласно закону электромагнитной индукции, вызывает в соседних проводах и в других проводящих материалах электрические токи, что приводит к бесполезной потере энергии.

Все эти недостатки полностью отсутствуют у постоянного тока. Почему же все-таки переменный ток практически безраздельно господствует в технике и в быту?

Прежде всего, сам принцип действия электрических генераторов таков, что в них возникает именно переменная ЭДС. Но не в этом главное. С помощью нехитрого устройства можно тот же генератор сделать источником и постоянного тока. Главная причина «популярности» переменного тока связана с тем, что электрическую энергию приходится передавать из мест, где она производится (электростанции), к местам ее потребления и часто на большие расстояния. При этом часть передаваемой энергии неизбежно теряется в виде тепла в проводах, по которым она передается в линиях электропередачи (ЛЭП). Чтобы эти потери были не слишком высокими, нужно, оказывается, использовать для передачи высокое напряжение.

Но на клеммах генераторов электростанций напряжение значительно меньше — всего несколько тысяч вольт. Значит, в начале линии электропередачи это напряжение нужно повысить, а перед распределением энергии среди потребителей — понизить так, чтобы, потребитель получил ее при напряжении 220 вольт. Такое повышение и понижение напряжения оказывается возможным только для переменного тока. Делается это с помощью устройств, действующих на основе явления электромагнитной индукции, — трансформаторов. Существование трансформаторов — пожалуй, единственная причина повсеместного применения переменного тока в технике.

Однако те недостатки переменного тока, которые были изложены выше, заставляют думать о том, нельзя ли все-таки для передачи электрической энергии использовать постоянный ток, конечно, тоже высокого напряжения? Это сделать непросто. Действительно, сначала нужно переменное напряжение, после его повышения, преобразовать в постоянное (для этого служат выпрямители), а затем на другом

конце ЛЭП — превратить переданное постоянное напряжение в переменное (это можно сделать с помощью устройств, называемых инверторами), чтобы напряжение можно было понизить до значения, нужного потребителю. Одна такая ЛЭП постоянного тока на напряжении 400 кВ уже работает.

Схемы соединения трехфазных цепей

Под трехфазной симметричной системой ЭДС понимают совокупность трех синусоидальных ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе на 1200. 

Соединение трехфазных цепей

Соединение трехфазных цепей
Трехфазную  систему э.д.с. получают при помощи трехфазного генератора, в пазах статора которого размещены три электрически изолированные друг от друга обмотки – фазные обмотки генератора.  Плоскости обмоток смещены в пространстве на 120°. При вращении ротора генератора в обмотках наводятся синусоидальные э.д.с. одинаковые по амплитуде,  но сдвинутые по фазе на 120°.

Чтобы отличить три э.д.с. трехфазного генератора друг от друга, их обозначают соответствующим образом. Если одну э.д.с. обозначить  , а  опережающая на 120° –

На электрической схеме  трехфазный генератор изображают в виде трех обмоток, расположенных друг к другу под углом  120°.

При соединении “звездой” одноименные зажимы (например, концы) трех обмоток объединяются в один узел, который называют нулевой точкой генератора и обозначают буквой 0. Начала обмоток  генератора обозначают буквами А, В, С

Соединение звездой

При соединении обмоток генератора “треугольником” конец первой обмотки генератора соединяется с началом второй, конец второй – с началом третьей, конец третьей – с началом первой.

Соединение треугольником

Геометрическая сумма э.д.с. в треугольнике равна нулю. Поэтому, если в зажимам А, В, С не присоединена нагрузка, то по обмоткам генератора не будет протекать ток. Совокупность трехфазной системы ЭДС и трехфазной нагрузки (или нагрузок и соединительных проводов) называют трехфазной цепью. 

Что такое электроэнергетика

Электроэнергетика – наука, занимающаяся выработкой, передачей и потреблением электрического тока. Сюда же относятся разработка и внедрение энергетического оборудования, организация систем линий электропередач и всех сопутствующих приборов и устройств.

Энергетики проектируют и обслуживают передающие электроэнергию системы сетей. Специалисты занимаются разработкой энергетических систем, управляемых с помощью спутниковой связи. Это позволит обеспечивать доставку электричества потребителю без внезапных отключений и скачков напряжения.

Меры безопасности

Когда проходят практические занятия по изучению электротехники, необходимо позаботиться о безопасности учащихся. Ведь несоблюдение некоторых правил может привести к травмам и даже смертельным исходам. Основы работы с приборами, питающимися от сети:

  • ознакомление с инструкцией;
  • проверка изоляции проводников;
  • диагностика электросети.

Вам это будет интересно  Как сделать простой регулятор напряжения своими руками

Обучение основ электротехнике
Перед работой студенты обязательно должны прочесть инструкцию к каждому прибору. Без выполнения этого правила нельзя подключать устройства к сети. Особое внимание уделяют разделу, в котором описываются вопросы безопасности. Затем контролируют изоляцию проводников. Обычно все провода покрываются специальными материалами, которые не пропускают электричество, — диэлектриками или изоляторами. Если это покрытие повреждено, то его необходимо восстановить, в противном случае возможно возникновение травм.

Работу по восстановлению изоляции нужно проводить в специальном защитном костюме, который не проводит ток — резиновые перчатки и диэлектрические ботинки. Для выполнения третьего правила — проверки функционирования электрических сетей — используют только специальные инструменты. Не прикасаются к источникам голыми руками и металлическими предметами. Причинами травм и смертельных случаев электриков обычно становится невыполнение этих правил. Каждый день перед работой специалисты перечитывают инструкцию и ставят свою подпись, соглашаясь с тем, что они ознакомлены с правилами и готовы их выполнять.

Для того чтобы получить хоть какое-то представление об электричестве и приборах, которые с его помощью работаю, нужно изучить науку электротехники или ознакомиться с её основами. Особое внимание уделяют технике безопасности, так как нужно избежать травм во время работы.

Электротехник

Электрические техники отвечают за поддержание, тестирование, разработку, ремонт и проектирование электропроводки и оборудования.

Электрооборудование разработало коммуникационное оборудование, навигационные устройства, медицинские контрольные машины и другие инновационные технологии. Повседневные машины, используемые во всем мире, от компьютеров до сотовых телефонов, зависят от работы инженеров-технологов и техников по всему миру.

В зависимости от типа знаний и положения электротехнического специалиста его работа может отличаться. Большинство из них хорошо разбираются в основных электрических знаниях, например, при работе с автоматическими выключателями и электропроводкой. Техники, которые работают в области исследований и разработок, обычно проводят эксперименты, тестируют новые конструкции и собирают технологические данные. Другие могут специализироваться исключительно на компьютерных программах, таких как Computer Aided Design (CAD)

Техники, которые работают в производственном бизнесе, могут разрабатывать или выпускать новые продукты. Другие могут работать в сфере контроля качества. Их рабочие места включают в себя обработку и проверку различных продуктов, сбор данных и обеспечение соответствия продукции требованиям стандартов безопасности, качества и охраны окружающей среды. Техники в аэрокосмической области могут работать над технологией полета и развитием, что требует тестирования оборудования, а также сбора и интерпретации соответствующих данных.

Математика, техника, наука и другие области обучения ежедневно применяются электриками. Эти подмастерья полагаются на новейшие исследования и технологии для выполнения своих обязанностей. Они могут решать проблемы для различных отраслей промышленности, включая строительство, экологическую инженерию, техническое обслуживание, вооруженные силы, образование, производство, автомобилестроение, гражданское строительство, продажи или инспекцию. Многие из них также работают самостоятельно.

Иногда электрика можно спутать с электронным специалистом. Несмотря на сходство, они отличаются друг от друга. Его или ее работа охватывает более широкий круг обязанностей, включая перечисленные выше. Напротив, работник, который исключительно ремонтирует электрооборудование и электронные устройства, известен как электронный техник.

Перспективы работы электротехники могут варьироваться в зависимости от местоположения и экономических условий. Некоторые специальности необходимы больше, чем другие, в зависимости от местных потребностей бизнеса и сообщества. Для оптимального трудоустройства рекомендуется получить среднее образование, например, степень кандидата или выше. Такие степени можно получить в инженерных технологиях или в других соответствующих областях. Зарплаты меняются, хотя позиция считается довольно прибыльной карьерой.

Требования и профессиональные навыки

Руководитель энергетического предприятия имеет в своём распоряжении штат из инженеров, электриков среднего звена и рядовых работников, окончивших ПТУ. Назначения на должности инженеров энергетиков, электротехников и рядового состава производятся приказом руководства по представлению Главного энергетика предприятия.

Требования к специалистам входят в положения должностных инструкций. Они градуированы в зависимости от квалификации и наличия профессиональных навыков. Требования включают в себя:

  • умение работать с документацией, необходимой для выполнения своих обязанностей;
  • разработка планов по развитию энергетического потенциала предприятия;
  • бесперебойное обеспечение электроэнергией;
  • знание технических характеристик, устройства энергетических сетей и электроустановок;
  • умение ремонтировать элементы энергетического комплекса;
  • применение новейших методик регулировочных и пусконаладочных работ, производимых в различном электрооборудовании;
  • внедрение передового опыта по совершенствованию энергетического хозяйства.

Кому подойдут данные профессии

Определение молодёжи в профессии энергетика требует от неё конкретных способностей и умения выполнения работ, связанных с риском поражения электрическим током, отсутствием боязни высоты (для монтажников ЛЭП и электроустановок). В основном это привлекает лиц мужского пола.

Что касается инженерного персонала, то обучаются этой профессии, как юноши, так и девушки. Ремонтные и монтажные бригады зачастую работают в отдалении от своих жилищ. Частичные неудобства компенсируются командировочными выплатами и высокой зарплатой.

Дополнительная информация. Министерство энергетики и электрификации стремится создать привлекательный образ профессии энергетика, как инженерно-технического персонала, так и рядовых работников, занятых в энергетической отрасли. Это связано с достойной заработной платой, социальным обеспечением и доступным жильём.

Конкретный пример рабочей должности

Электромонтёр по ремонту и обслуживанию электрооборудования – профессия, вошедшая в ТОП-50 самых востребованных специальностей России по оценке Минтруда. Рабочая должность электромонтёра относится к особо опасной категории, связанной с риском получения электротравмы. Профессия требует владения определёнными знаниями в деле электротехники. Электрик должен знать методы защиты от поражения электрическим током, способы оказания первой помощи людям, получившим электротравмы.

Каждые 5 лет представители данной профессии обязаны проходить техническую переподготовку. Это связано в основном с обновлением электрооборудования и коммуникаций. Согласно Единому тарифно-квалификационному справочнику, электромонтёрам по ремонту и обслуживанию электрооборудования и коммуникаций присваивают со 2-го по 8-ой разряды. Чем выше разряд, тем больше зарплата работника и квалифицированнее его труд.

Подробное изложение должностных инструкций для специалистов электриков можно найти в интернете. Там же можно узнать об учебных заведениях России для получения среднего и высшего образования в области электроэнергетики и электротехники.

Источники

  • https://fireman.club/presentations/obshhie-voprosy-elektrotexniki/
  • https://amperof.ru/teoriya/osnovy-elektrotexniki.html
  • https://amperof.ru/teoriya/elektroenergetika-i-elektrotexnika.html
  • https://rusenergetics.ru/praktika/elektronika-kak-osnova-fiziki
  • http://stab-techno.ru/chto-delaet-elektrotehnik/
[свернуть]
Оцените статью
Понравилась статья?
Комментарии (0)
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Комментарии закрыты.