10.47M

Categories: physics

physics

electronics

Электротехника. Часть 1. Физические основы электричества

1.

Электротехника
(часть 1)
Физические основы
электричества
Тренинговый центр (Июнь 2018)
Презентация №300_1
*Изобретательность для жизни

Основные сведения о строении вещества.
Физические основы электричества.
Рис.1 Схематическое изображение атома меди, гелия и кислорода
Restricted © Siemens AG 2017
Page 2
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

3.

«Планетарная» модель Н. Бора
Датский физик Нильс Бор в 1913 году предложил
модель атома, в которой электроны-частицы
вращаются вокруг ядра атома примерно так же, как
планеты
обращаются
вокруг
Солнца.
Бор
предположил, что электроны в атоме могут
устойчиво существовать только на орбитах,
удаленных от ядра на строго определенные
расстояния. Эти орбиты он назвал стационарными.
Вне стационарных орбит электрон существовать не
может. Почему это так, Бор в то время объяснить не
мог. Но он показал, что такая модель позволяет
объяснить многие экспериментальные факты .
Электронные орбиты в модели Бора обозначаются
целыми числами 1, 2, 3, … n, начиная от ближайшей
к ядру. В дальнейшем мы будем называть такие
орбиты уровнями. Для описания электронного
строения атома водорода достаточно одних только
уровней.
Рис. 2. "Планетарная" модель Бора.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 3
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

4.

Строение сложных атомов
В сложных атомах, как выяснилось,
уровни
состоят
из
близких
по
энергии подуровней. Например, 2-й
уровень состоит из двух подуровней (2s и
2p). Третий уровень состоит из 3-х
подуровней (3s, 3p и 3d), как показано на
рис.3. Четвертый уровень (он не
поместился на рисунке) состоит из
подуровней 4s, 4p, 4d, 4f.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 4
Июнь 2018
Рис. 3. Модель Бора для атомов более сложных, чем атом
водорода. Рисунок сделан не в масштабе - на самом деле
подуровни одного уровня находятся гораздо ближе друг к
другу.
IШиряев А В, Гулин С А

5.

Условия строения атомов
В электронной оболочке любого атома ровно столько электронов, сколько протонов в его ядре, поэтому атом в целом
электронейтрален. Электроны в атоме заселяют ближайшие к ядру уровни и подуровни, потому что в этом случае их
энергия меньше, чем если бы они заселяли более удаленные уровни. На каждом уровне и подуровне может
помещаться только определенное количество электронов.
Подуровни, в свою очередь, состоят из одинаковых по энергии орбиталей . Образно говоря, если электронное
облако атома сравнить с городом или улицей, где "живут" все электроны данного атома, то уровень можно
сравнить с домом, подуровень - с квартирой, а орбиталь - с комнатой для электронов. Все орбитали какого-нибудь
подуровня имеют одинаковую энергию. На s-подуровне всего одна "комната"-орбиталь. На p-подуровне 3
орбитали, на d-подуровне 5, а на f-подуровне - целых 7 орбиталей. В каждой "комнате"-орбитали могут "жить"
один или два электрона. Запрещение электронам находиться более чем по двое на одной орбитали
называют запретом Паули - по имени ученого, который выяснил эту важную особенность строения атома.
Каждый электрон в атоме имеет свой "адрес", который записывается набором четырех чисел, называемых
"квантовыми". Главное квантовое число n в "адресе" электрона указывает номер уровня, на котором этот
электрон существует.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 5
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

6.

Волновая модель электронной оболочки атома.
В 20-е годы прошлого века на смену модели Бора пришла волновая модель электронной оболочки атома, которую
предложил австрийский физик Э. Шредингер. К этому времени было экспериментально установлено, что электрон
имеет свойства не только частицы, но и волны.
Общее у волновой модели Шредингера и планетарной
модели Бора в том, что электроны в атоме существуют
на определенных уровнях, подуровнях и орбиталях. В
остальном эти модели не похожи друг на друга. В
волновой модели орбиталь - это пространство около
ядра, в котором можно обнаружить заселивший ее
электрон с вероятностью 95%. За пределами этого
пространства вероятность встретить такой электрон
меньше 5%. Полученные с помощью математического
расчета такие "области вероятности" нахождения в
электронном облаке s- и p-электронов показаны на Рис. 4. Примерно такую форму в волновой модели атома
рис.4.
имеют "области вероятности" существования электронов: sи p-орбитали (d-орбитали имеют более сложную форму).
Restricted © Siemens AG 2017
Page 6
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

7.

Закономерности Периодической таблицы
Заглянем в Периодическую таблицу. Помимо глубокой фундаментальной связи между элементами, она отражает
ряд полезных для изучения закономерностей. Рассмотрим важнейшие из них (рис. 5).
Рис.5. Закономерности Периодической таблицы, связанные с электроотрицательностью, металлическими и
окислительно-восстановительными свойствами элементов.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 7
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

8.

Некторые закономерности, связанные со свойствами
элементов
Закономерности, связанные с металлическими и неметаллическими свойствами элементов.
1. При перемещении вдоль периода СПРАВА НАЛЕВО металлические свойства элементов УСИЛИВАЮТСЯ. В
обратном направлении возрастают неметаллические.
Это объясняется тем, что правее находятся элементы, электронные оболочки которых ближе к октету. Элементы
в правой части периода менее склонны отдавать свои электроны для образования металлической связи и вообще
в химических реакциях.
Например, углерод - более выраженный неметалл, чем его сосед по периоду бор, а азот обладает еще более
яркими неметаллическими свойствами, чем углерод.
Слева направо в периоде также увеличивается и заряд ядра. Следовательно, увеличивается притяжение к ядру
валентных электронов и затрудняется их отдача.
Наоборот, s-элементы в левой части таблицы имеют мало электронов на внешней оболочке и меньший заряд
ядра, что способствует образованию именно металлической связи. За понятным исключением водорода и гелия
(их оболочки близки к завершению или завершены!), все s-элементы являются металлами; p-элементы могут
быть как металлами, так и неметаллами, в зависимости от того - в левой или правой части таблицы они
находятся.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 8
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

9.

Некоторые элементы в связи с тем, что они могут проявлять лишь слабые металлические свойства, относят к
полуметаллам.
Что такое полуметаллы? Если выбрать из Периодической таблицы p-элементы и записать их в отдельный "блок"
(это сделано в “длинной” форме таблицы), то обнаружится закономерность, показанная на рис. 4-7. Левая нижняя
часть блока содержит типичные металлы, правая верхняя - типичные неметаллы. Элементы, занимающие места на
границе между металлами и неметаллами, иногда называют полуметаллами.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 9
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

10.

Таблица Д.И. Менделеева
Restricted © Siemens AG 2017
Page 10
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

11.

Основные сведения о строении вещества.
Физические основы электричества.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 11
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

12.

Ионизация материалов
Еще в древности было замечено, что янтарь, потертый о кусок шерсти, мог притягивать к себе лёгкие предметы.
Долгое время считали что это свойство присуще только янтарю. Отсюда и название электричества – янтарь в
переводе на древнегреческий означает электрон.
Если каким-либо химическим или физическим способом, часть электронов из атома удалить, то атом станет
положительно заряженным ионом, а если электронов «добавить», то отрицательным ионом. Такой процесс
превращения нейтральных атомов в заряженные ионы называется ионизацией. Тело, в котором накопилось
избыточное количество электронов или образовался их недостаток, также становится заряженным
(соответственно отрицательно или положительно) и приобретает электрические свойства.
Чтобы получить заряд из нейтрального атома нужно подействовать какой-то силой и оторвать электроны, или
присоединить чужие электроны к нейтральному атому. В результате при отрыве (например, при трении)
получается положительно заряженный атом, который называется положительный ион, а при присоединении –
отрицательный ион.
Ионизация – это процесс образования зарядов из нейтрального атома.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 12
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

13.

Основные сведения о строении вещества.
Физические основы электричества.
Рис.6. Взаимодействие одноимённых и разноимённых заряженных частиц.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 13
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

14.

15.

Диэлектрическая проницаемость
Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды
ԑа=ԑо·εr,
где ԑо – электрическая постоянная, равная диэлектрической проницаемости вакуума (8,86 х 10-12 Ф/м);
εr – относительная
диэлектрическая проницаемость – величина, показывающая, во сколько раз в данной среде электрические заряды
.
взаимодействуют между собой слабее, чем в вакууме, и часто называется просто диэлектрической проницаемостью.
Значения диэлектрической проницаемости некоторых материалов приведены в таблице.
Изолирующие материалы
(диэлектрики)
Диэлектрическая
проницаемость ε
Электрическая
прочность, кВ/см
Воздух
1
30
Кабельная бумага
2,3 - 3,5
60 - 90
Трансформаторное масло
2,0 - 2,5
50 - 180
Мрамор
8,3
20 - 30
Парафин
2,0 - 2,2
150 - 500
Резина
3,5
100 - 150
Слюда
6,0 - 7,5
1200 - 2000
Стекло
5,5 - 10,0
100 - 400
Фарфор
3,0 - 7,5
60 - 100
Эбонит
2,0 - 3,5
80 - 100
Restricted © Siemens AG 2017
Page 15
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

16.

17.

18.

19.

20.

Схема действия электрического поля на внесённый в него
электрический заряд
Рис. 8
Restricted © Siemens AG 2017
Page 20
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

21.

22.

Электрическое сопротивление
При движении свободных электронов, то есть при протекании электрического тока по металлическому проводнику, некоторые
свободные электроны при своем движении сталкиваются с ядрами атомов и отдают им часть своей энергии. При этом проводник
греется, а движению свободных электронов, т.е. току оказывается сопротивление. В этом и заключается физическая сущность
электрического сопротивления проводника.
Сопротивление – это препятствие прохождению электрического тока.
Обозначается R , измеряется в Омах [Ом] .
Под сопротивлением 1 Ом понимают сопротивление проводника, к концам которого приложено напряжение 1 Вольт и по нему
проходит ток 1 Ампер.
1В
1 Ом = ---1А
Сопротивление проводника зависит:
От материала проводника. Характеризуется удельным сопротивлением ρ (ро). Удельное сопротивление - это
сопротивление проводника длиной 1 метр, площадью сечения 1 мм2 при t =20ºс. Указывается в справочниках , измеряется Ом ×
мм2/м
Restricted © Siemens AG 2017
Page 22
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

23.

24.

25.

Тормозной резистор
В случае, если контактная сеть во время рекуперативного торможения неспособна принимать тормозные токи,
тормозной резистор с помощью импульсного регулятора,
расположенного в контейнере тягового преобразователя
подключается к конденсаторам промежуточного контура. В
этом случае рекуперативное торможение заменяется реостатным. Тормозной регулятор служит так же защитой от
динамических перенапряжений на конденсаторах промежуточного контура. На электропоезде ЭС1 установлено 4 тормозных резистора типа DT51324, которые располагаются
попарно на крыше электропоезда. Каждый блок тормозного
реостата состоит из девяти никель-хром элементов, соединенных последовательно. Тормозной резистор с системой
воздушного охлаждения (естественное охлаждение) отводит отдаваемую тяговыми двигателями энергию торможения путем преобразования её в тепло.
Схема соединения элементов
тормозного реостата поезда ЭС1
Контроль температуры при достижении максимальной
температуры вызывает отключение тормозного резисторa.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 25
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

26.

27.

28.

Проверка активной части тормозного резистора
1
2
3
Точка соприкосновения
Искривленный элемент
Перегрев
Restricted © Siemens AG 2017
Page 28
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

29.

30.

Датчик температуры АБ
1
2
3
4
5
6
7
8
Сенсорный датчик
температуры – это
терморезистор с
отрицательным
температурным
коэффициентом
10 кОм в рукавной
оболочке.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 30
Июнь 2018
Жесткое соединение с отверстием
12 35 Х3 Е78 СU
Сенсорный датчик температуры
Подкладная шайба
Подкладная шайба
Гайка HFR M6
Болт НМ6
Кабельная клемма/кабельная стяжка
Вывод подключения/штекер
Температура, ºС Сопротивление, кОм
5
22,05
10
17,96
15
14,69
20
12,09
25
10,00
30
8,31
35
9,64
IШиряев А В, Гулин С А

31.

Двойной температурный датчик Pt100
У температурных датчиков компании EPHY-MESS для
железнодорожного транспорта обычно применяются
простые или двойные измерительные сопротивления
Pt100. Датчик устанавливается в защитную оболочку
диаметром от 5 до 12 мм. Экранированный соединительный трубопровод может выводиться в 2-х, 3-х или
4-х проводной линии. Вывод кабеля возможен под
любым углом. В зависимости от применения в качестве
Разновидности температурных
дополнительной защиты кабелей используются пластидатчиков Pt100 фирмы EPHY-MESS
ковые / металлические гофрированные или резиновые
с прямой головкой
оболочки.
Высокая точность датчиков Pt100 позволяет использовать их без дополнительной калибровки
измерительного оборудования в диапазоне температур от -40ºC до +250ºC. Сигналы температурных датчиков (по два измеренных значения с каждой буксы) собираются и предварительно обрабатываются в устройствах Sibas MVB-Compact Pt100. Они включают в себя функции: преобразование и оцифровывание сигнала температуры в двоичное значение; распознавание разрыва кабеля
или его короткого замыкания; привязка к многофункциональной поездной шине MVB. Далее
полученные значения передаются в центральный блок управления (ЦБУ), который сравнивает
полученные температуры с заданными предельными значениями и, при необходимости, выдает
машинисту сообщение через дисплей пульта машиниста (интерфейс «человек-машина»).
Restricted © Siemens AG 2017
Page 31
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

32.

Номинальная статическая характеристика
термосопротивления датчика температуры Pt100
Датчик температуры выполнен на основе платинового терморезистора типа «Pt100 Ом / 0 ºС /
Класс В» по DIN EN 60751 с положительным температурным коэффициентом сопротивления
(PTC). Зависимость сопротивления измерительного элемента от температуры называется номинальной статической характеристикой термосопротивления (НСХ). Стандартная НСХ датчика
Pt100 в диапазоне температур от –200ºС до +800ºС показана на рисунке. Для температуры в
пределах от –50ºС до +100ºС она может быть аппроксимирована линейной функцией (линейный
коэффициент ± 0,39 Ом/1ºC) с погрешностью менее 0,3ºC.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 32
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

33.

Электрический ток
Электрический ток – это направленное и упорядоченное движение заряженных частиц (в металлах электронов, а в жидкостях и газах - положительных и отрицательных ионов) под действием сил электрического
поля, т.е. между точками с разными потенциалами. Ток обозначается буквой I (постоянный) или i (непостоянный)
и измеряется в амперах (А).
За направление электрического тока в металлах принимается направление, противоположное движению
свободных электронов.
Электрическое поле (ток) распространяется мгновенно, со скоростью 300000 км/сек (скорость света), хотя
сами свободные электроны двигаются со скоростью от нескольких мм до нескольких см в секунду.
Виды токов: Постоянный – с течением времени не меняется ни по величине, ни по направлению.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 33
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

34.

35.

36.

Конденсатор – накопитель электрической энергии
Рис.9.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 36
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

37.

Конденсатор – накопитель электрической энергии
Электрическая емкость- величина, определяющая заряд, который нужно сообщить телу, чтобы
вызвать повышение его потенциала на 1 В.
Емкость показывает, какое количество зарядов может накопить тот или иной конденсатор при
увеличении напряжения на его обкладках на один вольт.
Емкость не зависит от приложенного от напряжения, а зависит от площади обкладки, расстояния
между обкладками и диэлектрической проницаемости среды между ними.
С
Restricted © Siemens AG 2017
Page 37
Июнь 2018
а S
d
(1.15)
- ёмкость плоского конденсатора
IШиряев А В, Гулин С А

38.

39.

40.

41.

Упрощённая схема одной тяговой секции электропоезда ЭС1
Restricted © Siemens AG 2017
Page 41
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

42.

Преобразователь собственных нужд (ПСН)
Задача преобразователя собственных нужд (ПСН) – преобразовывать постоянный ток напряжением 3 000 В, поступающий
из промежуточного тягового контура в напряжение трёхфазного
переменного тока 380 В для питания электрических потребителей.
Преобразователь собственных
нужд (ПСН) со встроенным зарядным устройством аккумуляторных батарей (ЗУ) расположен
в подвагонном пространстве вагонов C и E.
Restricted © Siemens AG 2017
Page 42
Июнь 2018
Принципиальная электрическая схема ПСН и ЗУ
IШиряев А В, Гулин С А

43.

Зарядное устройство аккумуляторных батарей (ЗУ АБ)
Принципиальная схема зарядного устройства
Restricted © Siemens AG 2017
Page 43
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А

44.

Защитное заземление тягового преобразователя
ЭС1
заземление корпуса
заземление корпуса
отрицательный разъем
промежуточного контура
XN2 отрицательный разъем
промежуточного контура
XP1 положительный разъем
промежуточного контура
XP2 положительный разъем
промежуточного контура
XP AUX положительный разъем
промежуточного контура
XE1
XE2
XN1
Положение заземляющих шаровых
наконечников для тягового преобразователя
Restricted © Siemens AG 2017
Page 44
Июнь 2018
IШиряев А В, Гулин С А