Urządzając nowe mieszkanie lub dom, remontując lub remontując mieszkanie, trzeba mieć do czynienia z elementami przeznaczonymi do przepływu prądu elektrycznego. Ważne jest, aby wiedzieć, czym jest obwód elektryczny, z czego składa się, dlaczego obwód jest potrzebny i jakie obliczenia należy wykonać.
Czym są obwody elektryczne?
Obwód elektryczny to zespół różnych połączonych ze sobą elementów. Jest przeznaczony do przepływu prądu elektrycznego, gdzie występują stany nieustalone. Ruch elektronów wynika z obecności różnicy potencjałów i można go opisać za pomocą terminów takich jak napięcie i prąd.
Obwód wewnętrzny jest zapewniony poprzez podłączenie napięcia jako źródła zasilania. Pozostałe elementy tworzą sieć zewnętrzną. Do przemieszczania ładunków w źródle zasilania pola wymagane jest zastosowanie siły zewnętrznej. Może to być uzwojenie generatora, transformator lub źródło galwaniczne.
Aby taki system działał poprawnie, jego obwód musi być zamknięty, w przeciwnym razie prąd nie popłynie. Jest to warunek skoordynowanej pracy wszystkich urządzeń. Nie każdy obwód może być obwodem elektrycznym. Na przykład linie uziemiające lub ochronne nie są takie, ponieważ normalnie nie przepływa przez nie prąd. Można je nazwać elektrycznymi na zasadzie działania. W sytuacji awaryjnej przepływa przez nie prąd, a obwód zamyka się, wchodząc w ziemię.
W zależności od źródła zasilania napięcie w obwodzie może być stałe lub zmienne. Bateria ogniw zapewnia stałe napięcie, a uzwojenia generatorów lub transformatorów zapewniają napięcie przemienne.
Główne składniki
Wszystkie elementy obwodu uczestniczą w jednym procesie elektromagnetycznym. Są one umownie podzielone na trzy grupy.
- Pierwotne źródła energii elektrycznej i sygnałów mogą przekształcać energię nieelektromagnetyczną w energię elektryczną. Na przykład ogniwo galwaniczne, akumulator, generator elektromechaniczny.
- Typ wtórny, zarówno na wejściu, jak i na wyjściu, ma energię elektryczną. Zmieniają się tylko jego parametry - napięcie i prąd, ich kształt, wielkość i częstotliwość. Przykładem mogą być prostowniki, falowniki, transformatory.
- Aktywni konsumenci energii przekształcają prąd elektryczny w oświetlenie lub ciepło. Są to urządzenia elektrotermiczne, lampy, rezystory, silniki elektryczne.
- Komponenty pomocnicze obejmują urządzenia przełączające, urządzenia pomiarowe, elementy łączące i przewód.
Najprostszy obwód liniowy zawiera ogniwo galwaniczne. Za pomocą przewodów podłącza się do niego żarówkę za pomocą przełącznika. Do pomiaru prądu i napięcia dołączony jest woltomierz i amperomierz.
Klasyfikacja obwodów
Obwody elektryczne są klasyfikowane według rodzaju złożoności: proste (nierozgałęzione) i złożone (rozgałęzione). Istnieje podział na obwody DC i AC oraz sinusoidalne i niesinusoidalne.W zależności od charakteru elementów są one liniowe i nieliniowe. Linie AC mogą być jednofazowe i trójfazowe.
Rozgałęzione i nierozgałęzione
We wszystkich elementach obwodu nierozgałęzionego płynie ten sam prąd. Najprostsza linia rozgałęziona obejmuje trzy odgałęzienia i dwa węzły. Każdy oddział ma swój prąd. Gałąź definiuje się jako odcinek łańcucha, który tworzą połączone szeregowo elementy zawarte między dwoma węzłami. Węzeł to punkt, w którym zbiegają się trzy gałęzie.
Jeżeli na schemacie nałożony jest punkt na przecięciu dwóch linii prostych, to w tym miejscu następuje połączenie elektryczne tych dwóch linii. Jeśli węzeł nie jest zaznaczony, łańcuch nie jest rozgałęziony.
Liniowe i nieliniowe
Obwód elektryczny, w którym konsumenci nie zależą od wartości napięcia i kierunku prądów, a wszystkie elementy są liniowe, nazywa się liniowym. Elementy takiego obwodu obejmują zależne i niezależne źródła prądów i napięć. Liniowo rezystancja elementu nie zależy od prądu, na przykład pieca elektrycznego.
W przypadku elementów nieliniowych pasywne zależne są od wartości kierunku prądów i napięć, posiadają co najmniej jeden element nieliniowy. Na przykład na rezystancję żarówki wpływają skoki napięcia i natężenia.
Oznaczenia elementów na schemacie
Do rysunku dołączone są dodatkowe dokumenty. Ich listę można wskazać w porządku alfabetycznym z cyfrowym sortowaniem na samym rysunku lub na osobnym arkuszu. Klasyfikuje się dziesięć typów obwodów, w elektrotechnice zwykle stosuje się trzy obwody główne.
- Funkcjonalny ma minimalny detal. Główne funkcje węzłów przedstawia prostokąt z oznaczeniami literowymi.
- Schemat ideowy pokazuje szczegółowo konstrukcję zastosowanych elementów, a także ich połączenia i styki. Wymagane parametry można wyświetlić bezpośrednio na diagramie lub w osobnym dokumencie. Jeśli wskazana jest tylko część instalacji, jest to schemat jednoliniowy, gdy wskazane są wszystkie elementy - kompletne.
- W schemacie elektrycznym stosowane są oznaczenia referencyjne elementów, ich lokalizacja, metoda instalacji i kolejność.
Aby odczytać obwody elektryczne, musisz znać konwencjonalne symbole graficzne. Przewody łączące elementy są pokazane liniami. Linia ciągła to ogólne oznaczenie okablowania. Powyżej można wskazać dane dotyczące sposobu układania, materiału, napięcia, prądu. W przypadku schematu jednoliniowego grupa przewodów jest pokazana linią przerywaną. Na początku i na końcu wskaż oznaczenie drutu i miejsce jego połączenia.
Pionowe wycięcia na linii drutu wskazują liczbę drutów. Jeśli jest ich więcej niż trzy, wykonywane jest oznaczenie cyfrowe. Linia przerywana oznacza obwody sterowania, sieć bezpieczeństwa, ewakuacji, oświetlenia awaryjnego.
Przełącznik na schemacie wygląda jak okrąg z linią przechyloną w prawo. Według rodzaju i liczby kresek określane są parametry urządzenia.
Oprócz głównych rysunków istnieją równoważne obwody.
Obwody elektryczne trójfazowe
Wśród obwodów elektrycznych powszechne są zarówno systemy jednofazowe, jak i wielofazowe. Każda część obwodu wielofazowego charakteryzuje się tą samą wartością prądu i nazywana jest fazą. Elektrotechnika rozróżnia dwa pojęcia tego terminu. Pierwszy jest bezpośrednim składnikiem systemu trójfazowego. Druga to wartość, która zmienia się sinusoidalnie.
Obwód trójfazowy to jeden z wielofazowych układów prądu przemiennego, w których działa sinusoidalna siła elektromotoryczna (siła elektromotoryczna) o tej samej częstotliwości, przesunięta w czasie względem siebie o określony kąt fazowy. Tworzą go uzwojenia generatora trójfazowego, trzy odbiorniki mocy i przewody łączące.
Takie obwody służą do zapewnienia wytwarzania energii elektrycznej, jej przesyłania, dystrybucji i mają następujące zalety:
- opłacalność wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej w porównaniu z systemem jednofazowym;
- proste generowanie pola magnetycznego, które jest niezbędne do pracy trójfazowego asynchronicznego silnika elektrycznego;
- ten sam zespół prądotwórczy wytwarza dwa napięcia robocze - sieciowe i fazowe.
System trójfazowy jest korzystny przy przesyłaniu energii elektrycznej na duże odległości. Ponadto zużycie materiałów jest znacznie niższe niż w przypadku jednofazowych. Głównymi odbiorcami są transformatory, asynchroniczne silniki elektryczne, przekształtniki, piece indukcyjne, mocne ciepłownie i elektrownie. Wśród jednofazowych urządzeń małej mocy można wymienić elektronarzędzia, żarówki, sprzęt AGD, zasilacze.
Schemat trójfazowy wyróżnia się znaczną równowagą systemu. Metody łączenia faz otrzymały strukturę „gwiazda” i „trójkąt”. Zwykle fazy wytwarzania maszyn elektrycznych są połączone „gwiazdą”, a fazy odbiorców są połączone „gwiazdą” i „trójkątem”.
Prawa obowiązujące w obwodach elektrycznych
- Prawo Ohma dla prostego odcinka obwodu, które określa zależność między siłą elektromotoryczną, napięciem źródła i prądem płynącym w przewodzie oraz rezystancją samego przewodu.
- Aby znaleźć wszystkie prądy i napięcia, użyj reguł Kirchhoffa, które działają między prądami i napięciami dowolnej części obwodu elektrycznego.
- Prawo Joule'a – Lenza określa ilościowo efekt cieplny prądu elektrycznego.
W obwodach prądu stałego kierunek działania siły elektromotorycznej jest wskazywany od potencjału ujemnego do dodatniego. Kierunek jest rozumiany jako ruch ładunków dodatnich. W tym przypadku strzałka skierowana jest z wyższego potencjału na niższy. Napięcie jest zawsze kierowane w tym samym kierunku co prąd.
W sinusoidalnych obwodach EMF napięcie i prąd są oznaczane za pomocą półokresu prądu, który nie zmienia swojego kierunku. Aby podkreślić różnicę potencjałów, są one oznaczone znakami „+” i „-”.
Jak obliczane są obwody elektryczne?
- metoda oparta na prawie Ohma i regułach Kirchhoffa;
- metoda wyznaczania prądów pętli;
- odbiór przekształceń równoważnych;
- metoda pomiaru rezystancji przewodów ochronnych;
- obliczanie potencjałów węzłowych;
- identyczna metoda generatora i inne.
Podstawą obliczenia prostego obwodu elektrycznego zgodnie z prawem Ohma jest wyznaczenie natężenia prądu w wydzielonym odcinku o znanej rezystancji przewodów i zadanym napięciu.
W zależności od stanu problemu znane są rezystancje rezystorów R1, R2, R3, R4, R5, R6 podłączonych do obwodu (bez uwzględnienia rezystancji amperomierza). Należy obliczyć siłę prądów J1, J2… J6.
Na schemacie znajdują się trzy kolejne sekcje. Co więcej, drugi i trzeci mają konsekwencje. Rezystancje tych sekcji będą oznaczane jako R1, R ', R ”. Wtedy całkowity opór jest równy sumie oporów:
R = R1 + R '+ R "gdzie
R ' - całkowita rezystancja rezystorów połączonych równolegle R2, R3, R4.
R " - całkowita rezystancja rezystorów R5 i R6.
Korzystając z prawa połączenia równoległego, obliczamy opór R 'i R ”.
1 / R '= 1 / R2 + 1 / R3 + 1 / R4
1 / R "= 1 / R5 + 1 / R6
Aby określić natężenie prądu w obwodzie nierozgałęzionym, znając całkowitą rezystancję przy danym napięciu, możesz użyć następującego wzoru:
ja = U / R, następnie I = I1
Aby obliczyć natężenie prądu w poszczególnych gałęziach, należy określić napięcie na odcinkach obwodów szeregowych zgodnie z prawem Ohma:
U1 = IR1; U2 = IR '; U3 = IR”;
Znając napięcie poszczególnych odcinków, możesz obliczyć natężenie prądu na poszczególnych gałęziach:
I2 = U2 / R2; I3 = U2 / R3; I4 = U2 / R4; I5 = U3 / R5; I6 = U3 / R6
Czasami konieczne jest określenie rezystancji sekcji za pomocą znanych parametrów napięcia, natężenia prądu, rezystancji innych sekcji lub wykonanie obliczenia napięcia z dostępnych danych rezystancji i natężenia prądu.
Główna część metod ma na celu uproszczenie obliczeń. Osiąga się to poprzez dostosowanie układów równań lub samego obwodu. Obliczanie obwodów elektrycznych odbywa się na różne sposoby, w zależności od klasy ich złożoności.
