Zagadnienia egzaminacyjne z Elektrotechniki i elektroniki.
Podstawowe prawa, zależności, reguły.
a)dla prądu stałego
- prawo Oma: I= U/R
- prawo Kirchhoffa: w węźle obwodu elektrycznego suma natężeń wpływających do węzła = sumie natężeń prądów wypływających z węzła.
- 2 prawo Kirchhoffa: w dowolnym oczku obwodu elektrycznego suma algebraiczna sem jest równa sumie algebraicznej spadków napięć na rezystancjach tego oczka. i
b) w polu elektrycznym
- prawo Coulomba: siła F z jaką każdy z dwóch ładunków Q i Q2 działa ich wspólne pole elektryczne, jest proporcjonalna do iloczynu tych ładunków i odwrotnie proporcjonalna do właściwości środowiska w którym znajdują się ładunki F= Q1 * Q2/ (4pi * epsilon* r kwadrat), gdzie epsilon- przenikalność elektryczna środowiska.
c)- w polu magnetycznym
- prawo Biotai Savarta: w dowolnym punkcie A przestrzeni indukcję pola magnetycznego dB pochodzącą od elementu di przewodnika, przez który przepływa prąd o natężeniu I DB = mi*dl* sina/(4 pi* kwadrat)
- prawo przepływu: wzdłuż drogi zamkniętej, suma iloczynu natężenia pola magnetycznego przez długość docinka wzdłuż którego natężenie nie ulega zmianie równa się sumie przepływu prądów obojętnych przez tę drogę zamkniętą.
d) prąd zmienny:
- I prawo Kirchhoffa dla wartości chwilowych: suma algebraiczna wartości chwilowych prądu w dowolnym węźle jest równa zeru.
- I prawo Kirchhoffa dla wartości skutecznych zespolonych: suma geometryczna wartości skutecznych zespolonych prądów w węźle jest równa zeru.
- II prawo Kirchoffa dla wartości chwilowych: w dowolnym oczku obwodu prądu sinusoidalnego suma algebraiczna wartości chwilowych sem jest równa sumie wartości chwilowych napięć we wszystkich elementach RLC.
- II prawo Kirchoffa dla wartości skutecznych zespolonych: w dowolnym oczku obwodu prądu sinusoidalnego suma geometryczna wartości skutecznych zespolonych sem jest równa sumie geometrycznej wartości skutecznej zespolonej napięć na wszystkich elementach RLC.
Reguła lewej dłoni określa kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej działającej na umieszczony w równomiernym polu magnetycznym. Jeżeli wyprostowana lewa dłoń ułożymy tak że linie pola magnetycznego będą w nią wchodziły a wyprostowane cztery palce ułożone wzdłuż przewodu wskazują zwrot prądu płynącego w przewodniku, to kciuk ustawiony prostopadle w stosunku do wyprostowanych czterech palców wskaże kierunek i zwrot siły elektrodynamicznej działającej na przewód.
Reguła prawej dłoni służy do wyznaczania kierunku i zwrotu SEM indukowanej w przewodniku poruszającym się w polu magnetycznym. Jeżeli wyprostowaną prawą dłoń ułożymy tak ze linie pola magnetycznego będą w nią wchodziły, a kciuk ustawiony będzie wskazywał kierunek ruchu przewodu, to cztery palce ułożenie wzdłuż przewodu wskażą zwrot siły elektromotorycznej indukowanej.
Rozwiązywanie obwodów prądu stałego i zmiennego.
Rezonans napięć i prądów.
Poprawa współczynnika mocy.
Obwody elektryczne trójfazowe prądu sinusoidalnego, moc układów trójfazowych.
Mierniki magnetoelektryczne.
Do działania tych mierników wykorzystuje się siły działające na przewód, w którym płynie prąd, umieszczony w polu magnetycznym. Miernik składa się z nieruchomego magnesu trwałego znajdującego się między nadbiegunnikami. W szczelinach miedzy nimi umieszczone są dwa boki cewki, do której przymocowana jest wskazówka. Prąd do ruchomej cewki doprowadzany jest przez 2 sprężynki wytwarzające moment zwalniający. W celu mierzenia prądu zmiennego buduje się mierniki z prostownikiem prądu.
Mierniki elektromagnetyczne.
Wyróżniamy jedno i dwurdzeniowe. W jednordzeniowym blaszka z materiału ferromagnetycznego połączona z osią miernika wciągana jest do wnętrza cewki, jeżeli płynie przez nią prąd, co powoduje odchylenie wskazówki. Prąd płynący w cewce pod wpływem pola mag. magnesuje obie jednoimienne blaszki, które się odpychają, w celu zwiększenia zakresu amperomierzy elektromagnetycznych stosuje się przekładniki prądowe.
Pomiary rezystancji metodą techniczną i mostkową.
Metoda techniczna polega na włączeniu rezystancji do źródła napięcia stałego i pomiarze prądu za pomocą amperomierza i napięcia na zaciskach za pomocą watomierza. Są dwa sposoby włączania mierników: układ z poprawie mierzonym prądem ( dla rezystancji większych od 1 ohma), i układ z poprawnie mierzonym napięciem (dla rezy. mniejszych od 1 ohma)
Metoda mostkowa: jest metodą dokładnego pomiaru rezystancji, polega na budowaniu mostka whestone'a który znajduje się w równowadze, gdy w gałęzi przekątnej prąd nie płynie. Do tego stanu doprowadzić można zmieniając jedną z rezystancji rezystora nastawnego R1 = R2 x R3/R4
Pomiary mocy i energii w układach trójfazowych.
Do pomiaru mocy czynnej w trójfazowym układzie czteroprzewodowym używa się 3 watomierzy włączonych między poszczególne przewody fazowe a przewód naturalny. Moc czynna= sumie mocy poszczególnych faz. w przypadku układu trójfazowego symetrycznego wystarczy jeden watomierz, gdyż moce każdej fazy są jednakowe. Aby uzyskać wartość mocy czynnej mnożymy wskazanie watomierza x3. w przypadku trójprzewodowego moc czynną mierzy się 2 watomierzami. Moc obu watomierzy należy dodać. Energia w układach trójfazowych mierzy się licznikami trój systemowymi. Każdą fazę mierzymy osobno.
Zasada działania transformatora jednofazowego.
Straty mocy w transformatorze.
Straty mocy czynnej związane z przenoszeniem energii elektrycznej przez transformator można w przybliżeniu ograniczyć do strat mocy w rdzeniu ∆ Pfe oraz strat mocy w uzwojeniach ∆ Pcu. Sinusoidalnie zmienny strumień magnetyczny płynący w rdzeniu powoduje dwukrotne w ciągu okresu przemagnesowanie materiału ferromagnetycznego rdzenia, z z tym związane są straty histerezowe ∆ Ph, które są proporcjonalne do częstotliwości i w przybliżeniu proporcjonalne do kwadratu amplitudy indukcji magnetycznej. Występują też straty mocy związane z indukowaniem się i przepływem prądów wirowych. Całkowite straty w transformatorze są = ∆ Pfe= ∆ Pn+ ∆ Pw. Straty mocy w uzwojeniach transformatora związane są z przepływem prądu I1 przez uzwojenie pierwotne mające rezystancję R 1, i prądu I2 przez uzwojenie wtórne mające mające rezystancję R2 wg. prawa Joule'a- Lenza straty te są = ∆ Pcu=I1 kwadrat x R1 + I2 kwadrat x R2.
Sprawnością transformatora nazywa się stosunek mocy czynnej P2 oddanej przez transformator do mocy czynnej P1pobranej. Moc pobrana jest większa od mocy czynnej o sumę strat ∆P czyli P1=P2+ ∆P. zatem sprawność trans. = ή= P2/(P2+∆P)
Podstawowe stany pracy transformatora, schemat zastępczy w stanie opciążenia.
Budowa transformatora trójfazowego.
Praca równoległa transformatorów.
Przy zasilaniu odbiorców przemysłowych charakteryzujących się dużą zmiennością obciążenia, do transformowania energii zamiast jednego transformatora stosuje się dwa lub więcej transformatory mniejsze które współpracują równolegle. W warunkach zmiennego obciążenia układ taki stwarza możliwości zmniejszania strat energii związanej z jej transformacją. Aby współpraca była optymalna transformatory pracujące równolegle muszą mieć jednakowe grupy połączeń, jednakowe napięcia zwarcia, przykładnie przy jednakowych napięciach znamieniowych, oraz moce znamieniowe o zbliżonej wartości.
Budowa transformatorów energetycznych.
Autotransformatory.
Wynikiem zastosowania w transformatorze dwóch oddzielnych uzwojeń - pierwotnego i wtórnego - jest elektrycznie odizolowane od siebie obwodów - pierwotnego i wtórnego. Jeśli takie odizolowanie nie jest wymagane, można zbudować transformator mający jedno uzwojenie, którego część jest wspólna dla obwodów pierwotnego i wtórnego. Taki transformator nazywamy autotransformatorem. W części wspólnej uzwojenia autotransformatora przy obciążeniu płynie prąd o wartości i1-i2 natomiast w autotransformatorze służącym do obniżenia napięcia, napięcie wtórne ma wartość U2 = Ul x (Z2/Z1+Z2).
Przekładniki napięciowe i prądowe.
Przy pomiarach wielkości elektrycznych w obwodach prądu przemiennego, w których występuje wysokie napięcie lub duży prąd, względy bezpieczeństwa wymagają aby miernik był odizolowany od obwodu w którym występuje wysokie napięcie, powszechnie stosuje się transformatory małej mocy, zwane przekładnikami.
Przekładniki umożliwiają pomiar napięcia, prądu mocy i energii elektrycznej przy zastosowaniu przyrządów o niewielkich zakresach pomiarowych i nieskomplikowanej budowie a wiec takich.
W zależności od przeznaczenia:
Prądowe - do pomiarów prądu. Są to jednofazowe transformatory małej mocy, przez których uzwojenie pierwotne przepływa mierzony prąd. Do zacisków uzwojenia wtórnego jest włączony amperomierz, bądź w przypadku pomiaru mocy lub energii - cewka prądowa watomierza lub licznika - wobec małej impedancji włączonych do zacisków uzwojenia wtórnego uzwojeń normalnym stanem pracy przełącznika prądowego jest stan zwarcia uzwojenia wtórnego. W czasie pracy przepływ uzwojenia pierwotnego jest = prawie przepływowi uzwojenia wtórnego.
Napięciowe - do pomiaru napięcia. Są to transformatory małej mocy zasilane po stronie pierwotnej wysokim napięciem, którego wartość jest mierzona. Uzwojenie wtórne przekładników napięciowych zasila woltomierz, bądź w przypadku pomiaru mocy lub energii - cewkę napięciową woltomierza lub licznika. Ze względu na duża impedancję tych obciążeń przekładniki napięciowe pracują w stanie zbliżonym do jałowego.
Zasada działania silnika indukcyjnego.
W trójfazowych silnikach indukcyjnych uzwojenie stojana zasilane z sieci prądu przemiennego wytwarza synchroniczne pole wirujące które przecinając pręty wirnika uzwojenia powoduje przepływ prądu, a przez to powstawanie momentu obrotowego. Wirnik nie może osiągnąć synchronicznej prędkości dlatego wprowadza się pojęcie poślizgu. Pod wpływem siły elektromotorycznej w uzwojeniu wirnika popłynie prąd. Przez zmianę rezystancji można osiągnąć zmianę wartości sem. Ze wzrostem sem. rośnie też poślizg czyli dodatkowe oporniki w obwodzie uzwojenia wirnika zmniejszają prędkość obrotową.
Analiza pracy silnika indukcyjnego.
Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego.
Momot elektromagnetyczny M= Pem/(omega w). W stanie równowagi przy ustalonej prędkości obrotowej moment elektromagnetyczny silnika = momentowi hamującemu M= Mh. Charakterystyka: w ćwiartce I znajduje się zakres pracy silnikowej, w II hamowanie przeciwprądem w IV zakres pracy prądnicowej - hamowanie odzyskowe.
Metody rozruch silnika indukcyjnego.
Rozruch silników przeprowadza się najłatwiej przez bezpośrednie załączenie do sieci. Zależy to od czynników takich jak: stan sieci, moc silnika która może dochodzić do kilkunastu a nawet kilkuset kW. Jeżeli siec nie jest sztywna to znaczy wykazuje duży spadek napięcia przy większym obciążeniu to stosuje się przełączniki typu gwiazda - trójkąt, które zmniejszają wartość prądu rozruchowego 3 - krotnie ale i momentu także 3 - krotnie. Możliwe są także inne układy obniżające prąd rozruchowy: autotransformatory, dławiki.
Silniki pierścieniowe dzięki tzw. Rozrusznikom, umożliwiają łatwy i prawie płynny rozruch.
Regulacja prędkości obrotowej silnika indukcyjnego.
Wzór na prędkość obrotową silnika indukcyjnego: n= 60f/p(1- s) [Obr/min]. Największe możliwości zmiany w sposób płynny prędkości wirowania silnika uzyskuje się przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego silnik. Zmiana ta zmienia wartość prędkości obrotowej pola magnetycznego wirującego. Regulacja prędkości obrotowej silnika przez zmianę par biegunów jest możliwa tylko przy zastosowaniu silników indukcyjnych o specjalnej budowie zwanych silnikami wielobiegunowymi. Wada tego sposobu jest skokowa regulacja prędkości, a przy małej liczbie par biegunów także duża zmiana prędkości obrotowej. Regulację prędkości obrotowej przez zmianę poślizgu można uzyskać na drodze zmiany wartości napięcia zasilającego silnik lub przez włączenie w obwód wirnika silnika indukcyjnego pierścieniowego specjalnej rezystancji.
Hamowanie silnika indukcyjnego.