1.1 Основы физики

1.1.1. Строение вещества

 

     Все вещества в основном состоят из протонов,нейтронов и электронов. Имеется еще множество других «строительных блоков», но они нестабильны.

     Все эти частицы характеризуются четырьмя свойствами: электрическим зарядом, массой покоя,механическим моментом (спином) и магнитным моментом.

     Количество протонов в ядре атома равно атомному номеру этого атома. Сумма числа протонов и числа нейтронов примерно равна атомной массе.

     Эту  информацию можно получить из таблицы Менделеева. Электронная оболочка содержит столько же электронов, сколько протонов содержит ядро атома. Это означает, что атом электрически нейтрален.

      Датский физик Нильс Бор еще в 1913г. Разработал теорию (она находит все новые подтверждения и сегодня), в которой он, в частности, доказал, что атомы могут существовать только в так называемых стационарных состояниях с определенной энергией. Когда атом переходит из одного энергетического состояния в другое, испускается квант излучения,фотон.

      Эти различные переходы проявляют себя в виде световых излучений с различными длинами волн. В спектографе они появляются в виде линий атомного спектра.

     Электронная оболочка определяет химические свойства элемента. Приведем несколько простых примеров. В электронной оболочке атома водорода (вверху) — один электрон. Атом гелия ( в середине) содержит в электронной оболочке два электрона. В атоме лития (внизу) третий электрон находится во второй электронной оболочке.

1.1.2. Молекулы и различные агрегатные состояния вещества

     Атомы, удерживаемые вместе химическими связями, называются молекулами. Они так малы, что, например, 1 мм³ воздуха при атмосферном давлении содержит примерно 2,55х1016  молекул.

     Все вещества могу, в принципе, существовать в разных состояниях: твердом, жидком, газообразном и в состоянии плазмы. В твердом состоянии молекулы сильными связями плотно упакованы в кристаллическую решетку. При всех температурах выше абсолютного нуля происходит некоторое движение молекул. В твердом состоянии это проявляется в виде колебаний молекул около положения равновесия, которые тем быстрее, чем выше становится температура.

      Когда вещество в твердом состоянии нагревается так сильно, что жесткая структура ( кристаллическая решетка) не может сдерживать движение молекул, молекулы освобождаются, вещество плавится и превращается в жидкость. Если жидкость нагревать еще больше, то связи между молекулами разрываются и жидкость переходит в газообразное состояние, что сопровождается расширением с другими окружающими газами. Когда молекулы газа охлаждаются, их скорость уменьшается, и они вновь начинают сцепляются друг с другом. Происходит конденсация. Если же продолжать нагревать молекулы газа, она распадаются на отдельные частицы и образуют плазму, состоящую из электронов и атомных ядер.

      Кристалл соли имеет кубическую структуру. Типичным примером является всем известная поваренная соль (NaCl).Линиями показаны связи между атомами натрия (красные) и хлора (белые).

1.3.png


Когда вещество отдает или получает тепловую энергию, его агрегатное состояние изменяется. Здесь показано, как это проявляется для обычной воды.

 

       


1.2. Физические единицы измерения

1.2.1. Давление

     Сила, с которой на квадратный сантиметр площади действует столб воздуха. Поднимающийся от уровня моря и доходящий до верхнего края атмосферы, составляет примерно 10,13 Н. Поэтому абсолютное атмосферное давление на уровне моря приблизительно равно 10,13х104Н на квадратный метр и называется 1 Па (паскаль) Паскаль — единица измерения давления в системе СИ. Расчет основных величин показывает, что 1 бар = 1х105 Па. Чем выше вы находитесь над уровнем моря, тем ниже атмосферное давление, и наоборот.

1.4.png

Большинство манометров регистрируют разность между давлением в сосуде и местным атмосферным давлением. Поэтому, чтобы определить абсолютное давление, нужно прибавить значение местного атмосферного давления.








1.2.2. Температура

      Температуру газа, в отличие от давления, четко определить значительно труднее. Температура — показатель величины кинетической энергии молекул. Они движутся тем быстрее, чем выше температура, и всякое движение прекращается при абсолютном нуле. На этом основана шкала Кельвина. В остальных отношениях она градуирована точно так же, как и шкала Цельсия. Соотношения между температурами:

1.5.png

 

 

 

1.5.1.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

1.2.3. Теплоемкость

      Удельная теплоемкость вещества представляет собой количество теплоты, необходимой для повышения температуры 1 кг этого вещества на 1К. Соответственно, размерность теплоемкости будет Дж/ (кг х К). Следовательно, размерность мольной теплоемкости будет Дж/ (моль х К). Обычно используются следующие обозначения:

1.5.2.png

 

 

 

 

 

   

      Теплоемкость при постоянном давлении всегда больше, чем теплоемкость при постоянном объеме. Теплоемкость вещества не является постоянной величиной и обычно возрастает с повышением температуры.

      Для практического применения чаще всего может использоваться среднее значение. Для жидкостей и твердых веществ это ср ~ cv ~ c. Тогда можность, потребляемая на нагрев массового расходы с t1 до t2 составит:

1.5.3.png

 

 

 

 

   

      Объяснением того, почему ср превышает сv, является работа по расширению, которую газ должен выполнить при постоянном давлении.Отношение  ср к  сv, называемое k, является функцией от количества атомов в молекуле:

1.5.4.png

 

 

     

1.2.4. Работа

       Механическую работу можно определить как произведение силы на растояние, на протяжении которого на тело действует сила.

      Точно так же и для теплоты: работа представляет собой энергию, которая передается от одного тела к другому. Разница заключается в том, что вместо силы действует температура.

      Примером может послужить сжатие газа в цилиндре за счет перемещения поршня. Сжатие происходит под действием силы, движущей поршень. В то же время энергия передается от поршня к находящемуся в цилиндре газу. Эта энергия преобразуется в работу в термодинамическом смысле. Сумма подводимой и передаваемой энергии всегда постоянна. Работа может дать разные результаты, например, изменение потенциальной энергии, кинетической энергии или тепловой энергии.

     Механическая работа, связанная с изменениями объема газа или газовой смеси, является одним из важнейших процессов в термодинамике. Единицей работы в системе СИ является джоуль. 1 Дж = 1 Нхм = 1 Втхс.


1.2.5. Мощность

     Мощность представляет собой работу, выполняемую за еденицу времени. Единицей мощности в системе СИ является ватт. 1Вт = 1Дж/с.

     Наример,мощность,подводимая к приводному валу компрессора расходуется на теплоту, излучаемую системой и теплоту, затрачиваемую на увеличение потенциальной энергии газа.

 

1.2.6. Объемный расход

     Единицей измерения объемного расхода служит м3/с. Однако, когда говорят об объемном расходе, часто используют литры в секунду (л/с), как, например, в случае с компрессорами. Этот объемный расход называется производительностью компрессора и выражается либо в виде нормальных литров в секунду (Nл/с), либо в виде расхода газа со свободным выпуском (л/с).

     При использовании единицы измерения «нормальный литр в секунду» (Nл/с) расход воздуха пересчитывается и приводится к «нормальному состоянию»,т.е. 1,013 бар и 00С.Эта единица используется преимущественно в том случае,когда вы хотите определить массовый расход.

     Если вы имеете дело с расходом воздуха со свободным выпуском, то такой расход пересчитывается для стандартных условий впуска ( давление впуска и температура впуска). Соответственно, вы определяете, сколько литров воздуха перекачивается, если бы он мог снова расширится до состояния внешней среды.

     Соотношение между двумя объемными расходами ( обратите внимание, что в приведенной ниже формуле не учитывается влажность):

1.5.5.png

1.3. Термодинамика

1.3.1. Основные законы

     Первый закон термодинамики представляет собой закон природы, который не может быть доказан и принимается безоговорочно. Он гласит, что энергия не может быть создана и не может быть уничтожена. Отсюда следует, что внутренняя энергия изолированной системы остается неизменной (закон сохранения энергии). Второй закон термодинамики гласит, что теплота никогда не может самопроизвольно перетекать от более холодного тела к более нагретому. Это значит, что энергия преобразуется в работу только в том случае, когда она переходит с более высокого на более низкий уровень температуры. Поэтому, например, в тепловой машине преобразование количества теплоты в механическую работу может происходить только в том случае,если часть этого количества теплоты выводится без пробразовани в работу.

1.3.2. Газовые законы

     Закон Бойля-Мариотта гласит, что при постоянной температуре произведение давления на объем является постоянной величиной. Он описывается следующим уравнением:

1.png

 

 

 

     Это значит, что если при сжатии объем уменьшается вдвое, то давление также повышается вдвое.

   

     Закон Гей-Люссака гласит, что объем газа изменяется прямо пропорционально изменению температуру. Он описывается следующим уравнением:

2.png

 

 

 

 

 

     Общий газовый закон объединяет закон Менделеева-Клайперона описывает взаимные влияния давления,объема и температуры. Изменение одной из этих переменных воздействует, по меньшей мере, на одну из двух остальных переменных. Это можно записать так:

321.png

 

 

 

 

 

 

     

Постоянная R называется индивидуальной газовой постоянной и относится только к характеристикам определенного газа. Если газ массой m занимает объем V, соотношение можно записать в таком виде:

123.png

 

 

 

 

 

 


1.3.3. Теплопередача

     Разность температур в пределах одного тела или между разными телами обязательно приводит к такому переносу теплоты, при котором устанавливается тепловое равновесие. Теплопередача может происходить тремя разными способами: путем теплопроводности, конвекции и излучения. Часто теплопередача происходит одновременно всеми тремя способами.

    Теплопроводность наблюдается в твердых телах или в тонких слоях жидкости или газа. Движущиеся молекулы передают свою кинетическую энергию соседним молекулам.

    Конвекция может быть свободной, когда происходит естественное движение в среде или принудительной, вызванной, например, вентилятором или насосом. Принудительная конвекция дает значительно больший теплообмен.

   Все тела с температурой выше 0 К испускают тепловое излучение. Когда тепловые лучи попадают на тело, часть энергии поглощается телом и преобразуется в теплоту. Те лучи, что не поглощаются телом, проходят сквозь его или отражаются. Только абсолютно черное тело теоретически может поглощать всю излучаемую энергию.

   На практике теплопередача является суммой теплопередач, происходящих вследствие теплопроводности, конвекции и излучения. В общем случае применяется следующее соотношение:

01.png

 

 

 

 

 

 

   Теплопередача часто происходит между двумя телами, разделенными стенкой. Общий коэффициент теплопередачи зависит от коэффициента теплопередачи на соответствующих сторонах стенки и коэффициента теплопроводности стенки. Для чистой плоской стенки применяется следующее соотношение:

5.png

 

 

 

 

 

 

    Количество переданной теплоты, например в теплообменнике, является в каждой точке функцией разности температур и общего коэффициента теплопередачи. Для всей поверхности теплообмена применимо следующее соотношение:

6.png

 

 

 

 

 

 

    Логарифмическая средняя разность температур определяется как соотношение между разностями температур на двух сторонах теплообменника в соответствии со следующим выражением:

7.png

 

 

 

 

 

 

8.png

1.3.4. Изменения состояния

      Вы можете проследить изменения состояния газа при переходе от одной до другой точки на графике р/V. В действительности были бы нужны три оси для переменных р, V и Т. При изменении состояния вы перемещаетесь вдоль кривой на поверхности, которая при этом образуется в пространстве.

      Однако обычно вы рассматриваете проекцию кривой на одну из трех плоскостей, чаще всего на плоскость р/V. В основном различают между собой пять изменений состояния: изохорный процесс ( при постоянном объеме), изобарный процесс ( при постоянном давлении), изотермический процесс ( при постоянной температуре), изоэнтропический или адиабатический процесс ( без теплообмена с окружающей средой) и политропический процесс ( когда теплообмен с окружающей средой описывается простыми математическими функциями).


1.3.4.1. Изохорный процесс

9.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Нагрев газа в закрытом резервуаре является примером изохорного процесса. Для определения количества подводимой теплоты используется следующее соотношение:

10.png

 

 

 

 

 


1.3.4.2. Изобарный процесс

11.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Примером изобарного процесса является нагрев газа в цилиндре, когда к поршню приложено постоянное усилие. Для определения количества подводимой теплоты используется следующее соотношение:

12.png

 

 

 

 

 

 

 1.3.4.3. Изотермический процесс

      Если газ в цилиндре сжимается изотермически, нужно постепенно отводить количество теплоты, равное работе приложенной силы.

13.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Это практически невозможно, так как такой медленный процесс трудно реализовать.

    Для определения количества отводимой теплоты используется следующие соотношения:

14.png

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.4.4. Изоэнтропический процесс

     Примером изоэнтропического процесса является сжатие газа в полностью изолированном цилиндре без теплообмена с окружающей средой. Или если газ расширяется в сопле так быстро, что теплообмен с окружающей средой не успевает произойти. Этот процесс описывается следующим выражением:

15.png

 

 

 

 

 

 

16.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.4.5. Политропический процесс

     Изотермический процесс идет при полном теплообмене с окружающей средой, а изоэнтропический процесс происходит совсем без теплообмена. В действительности любой процесс является чем-то промежуточным между этими предельными случаями, а такой общий процесс называется политропическим.

    Этот процесс описывается следующим выражением:

17.png

 

 

 

 

 

 


1.3.5. Поток газа через сопло

    Поток газа через сопло зависит от отношения давлений на соответствующих сторонах сопла. Если давление после сопла снижается, расход увеличивается, однако только до тех пор, пока давление газа перед соплом не станет приблизительно в два раза выше. Дальнейшее уменьшение давления после отверстия не вызывает увеличения расхода.

    Это — критическое отношение давлений, и оно зависит от изоэнтропической экспоненты газа (æ). Критическое отношение давлений имеет место, когда скорость потока равна скорости звука в самом узком сечении сопла.

    Расход становится сверхкритическим, если давление становится еще ниже, ниже критического значения. Поток газа через сопло описывается следующим выражением:

18.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


1.3.6. Поток, протекающий по трубе

     Число Рейнольдса представляет собой безразмерный коэффициент, характеризующий соотношение инерционных сил и сил вязкости в текущей среде. Он определяется следующим образом:

19.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    В принципе существует два типа потоков в трубе. При Re<2000 в среде преобладают силы вязкости, и поток становится ламинарным. Это значит, что различные слои среды движутся относительно друг друга в строгом порядке. Распределение скоростей в слоях ламинарного потока имеет параболическую форму. При Re≥4000 в текучей среде преобладают  инерционные силы, и поток становится турбулентным. В поперечном сечении потока частицы движутся случайным образом. Распределение скоростей в турбулентном потоке становится размытым.

    В критической области между 2000≤Re≤4000 состояние потока неопределенное — либо ламинарное, либо турбулентное, либо смешанное. Состояние потока определяется различными факторами, например шероховатостью стенок трубы, скоростью потока и т.д.

   Для того чтобы о трубе начал протекать поток, требуется определенная разность давлений или перепад давлений, необходимый для преодоления трения в трубе и соединениях. Величина перепада давлений зависит от диаметра трубы, ее длины и формы, а так же от шероховатости поверхности и числа Рейнольдса.

1.3.7. Дросселирование

     Когда идеальный газ протекает через дроссель, то при неизменности давлений перед дросселем и после него температура остается постоянной. Однако на дросселе возникает  перепад давлений из-за преобразования внутренней энергии в кинетическую энергию, и поэтому температура падает. В реальных газах такое изменение температуры становится продолжительным, даже если запас энергии гаха остается постоянным. Это явление называется эффектом Джоуля-Томсона. Изменение температуры равняется изменению давления на дросселе, умноженному на коэффициент Джоуля-Томсона.

     Если текучая среда имеет достаточно низкую температуру ( для воздуха ≤+329ºС), на дросселе наблюдается падение температуры, но если текучая среда нагрета больше, то происходит рост температуры. Это явление используется в технике, например в холодильных установках и при разделении газов.

20.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.4. Воздух

1.4.1. Общие сведения

     Воздух — газовая смесь, не имеющая цвета, запаха и вкуса, состоящая, помимо кислорода и азота, из многих газов, но большую часть составляют кислород и азот. В большинстве случаев при проведении расчетов воздух можно рассматривать как идеальную газовую смесь, причем начиная от уровня моря и до высоты 25 км его состав остается практически неизменным.

21.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

     Воздух всегда в той или иной степени загрязнен твердыми частицами, пылью, песком,копотью, кристаллами соли. Степень загрязнения в густонаселенных областях выше, а на окраинах и на больших высотах-ниже.

     Воздух это не химическое вещество, а механическая смесь веществ. Поэтому его несложно разделить на составляющие элементы, к примеру охлаждением.

1.4.2. Влажный воздух

     Воздух можно рассматривать как смесь сухого воздуха и водяного пара. Воздух, содержащий водяной пар, называется влажным воздухом, при этом процент влажности изменяется в широком диапазон. Предельными случаями являются сухой воздух и воздух, насыщенный влагой. Давление водяного пара, который может содержать воздух, будет расти с ростом температуры.

     Обычно воздух не содержит столько водяного пара, чтобы можно было достигнуть его максимального давления. Относительное давление пара ( известное также как относительная влажность) — отношение фактического парциального давления пара к давлению насыщения при той же температуре.

     Точкой росы называется температура, при которой воздух насыщается водяным паром. Затем, с понижением температуры, происходит конденсация воды. Атмосферной точкой росы называется температура, при которой водяной пар, находящийся под атмосферным давлением, начинает конденсироваться. Точкой росы под давлением называется аналогичная температура при повышенном давлении. В расчетах применяются следующие формулы:

22.png

1.5. Типы компрессоров

1.5.1. Два основных принципа

     Существует два основных принципа сжатия воздуха ( или газа): объемный принцип и динамическое сжатие. Объемными компрессорами являются, например, поршневые компрессоры и ротационные компрессоры различных типов. Эти компрессоры нашли самое широкое применение в большинстве стран.

     Например, в поршневых компрессорах воздух всасывается в камеру сжатия, впускное отверстие которое закрывается. Затем объем камеры уменьшается и воздух сжимается. После того как давление достигает того же уровня, что и  давление в выпускном коллекторе, открывается клапан и воздух выпускается при постоянном давлении и продолжающемся уменьшении объема камеры.

     При динамическом сжатии воздух всасывается в быстро вращающееся рабочее колесо компрессора и разгоняется до большой скорости. Затем он выпускается чрез диффузор, где его кинетическая энергия преобразуется в статическое давление. Существуют динамические компрессоры с осевым и радиальным потоком, которые отличаются исключительно высокой производительностью.

1.5.2. Объемные компрессоры

23.png    Велосипедный насос — простейший вид объемного компрессора. Воздух всасывается в цилиндр и сжимается за счет перемещения поршня. Принцип работы поршневого компрессора тот же самый. Перемещение поршня вперед и назад осуществляется под воздействием шатуна и вращающегося коленчатого вала. Если для сжатия используется только одна сторона поршня, то компрессор называется компрессором одинарного действия. Если используются как верхняя, так и нижняя стороны поршня, компрессор называется компрессором двойного действия. Разность между давлением на впускной стороне и давлением на выпускной стороне служит показателем работы компрессора.

     Степень повышения давления — это соотношение между абсолютными значениями давления на впускной и выпускной стороне. Соответственно для машины, которая всасывает воздух при атмосферном давлении и сжимает его до избыточного давления 7 бар, эта величина составляет: (7+1)/1=8.

 

 

 

 

 

 

 

 

24.png

25.png26.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

















1.5.3. Диаграмма сжатия для объемных компрессоров

     На рис. 1:15 показана теоретическая диаграмма,а на рис. 1:16 — реальна диаграмма для поршневого компрессора. Рабочий объем — объем цилиндра, который поршень проходит на стадии всасывания. Объем мертвого пространства — пространство, которое по законам механики должно оставаться в цилиндре, пока поршень находится в верхней мертвой точке, а также пространство, необходимое для клапанов и т. д.

     Разность между рабочим объемом и объемом всасывания возникает из-за расширения остающегося в объеме мертвого пространства воздуха, что происходит перед всасыванием. Разница между схематичным графиком и графиком с нанесенными реальными значениями параметра p/V объясняется особенностями конструкции компрессора, например поршневого. Клапаны никогда герметично не закрываются: обязательно происходит небольшая утечка между поршнем и стенкой цилиндра. Кроме того, клапаны не могут открываться и закрываться без задержки, что приводит к падению давления при протекании газа по клапанам. По конструктивным причинам при поступлении в цилиндр газ нагревается.

27.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

     Эти формулы показывают, что для изоэнтропического сжатия требуется затратить больше работы чем для изотермического сжатия. В действительности значение требуемой работы находится между этими предельными случаями (1,3≤æ≤1,4).

1.5.4. Динамические компрессоры

28.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Динамический компрессор — машина с непрерывным потоком, в которой при протекании газа происходит рост давления газа. Вращающиеся лопатки приводят к ускорению газа до высокой скорости, после чего скорость газа при расширении преобразуется в давление и соответственно уменьшается. В зависимости от основного направления потока компрессоры могут быть радиальными или осевыми.

     В отличие от объемных компрессоров в динамических компрессорах даже небольшое изменение рабочего давления приводит к большому изменению производительности. (см. рис.1:19).

     Каждая скорость характеризуется верхним и нижним пределами производительности. При верхнем пределе скорость потока газа достигает скорости звука. При достижении нижнего предела противодавление превышает создаваемое компрессором давление, что означает обратный поток газа в компрессоре. Это в свою очередь вызывает пульсацию,шум и риск механической поломки компрессора.

1.5.5. Несколько ступеней сжатия

     Теоретически газ может сжиматься в ходе изоэнтропического и изотермического процессов. Такое сжатие можно рассматривать в качестве части обратимого процесса. Если бы сжатый газ нужно было использовать немедленно при его конечной температуре, изоэнтропический процесс имел бы определенные преимущества. На сомом деле газ редко используется непосредственно перед использованием. Поэтому чаще используется изотермический процесс — ведь он требует меньше работы.

     Попытки реализовать этот процесс предпринимались на практике: воздух охлаждался в процессе сжатия. Результаты можно показать на примере компрессора с эффективным рабочим давлением 7 бар, что теоретически при изоэнтропическом сжатии по сравнению с из о термическим сжатием требует мощности больше на 37%.

     Практическим способом, позволяющим уменьшить нагревание газа, является разделение сжатия на несколько ступеней. После каждой ступени газ сначала охлаждается, а затем снова сжимается. Это позволяет увеличить кпд, так как давление на первой ступени уменьшается. Потребляемая мощность уменьшается до минимума,если все ступени характеризуются одной и той же степенью повышения давления.

     Чем больше ступеней, на которое разделяется сжатие, тем больше весь процесс в целом приближается к изотермическому сжатию. Однако в реальности о экономическим причинам существует предельное количество ступеней, которые можно использовать в установке.

29.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

1.5.6. Объемный компрессор или центробежный?

     Если построить кривую производительности динамического компрессора и аналогическую кривую для объемного компрессора, то мы увидим, что они значительно отличаются друг от друга. Динамический компрессор — машина с изменяющейся производительностью и постоянным давлением. Объемный компрессор — машина с постоянной производительностью и изменяющимся давлением.

     С другой стороны, для объемного компрессора, в отличие от значительно более высокоскоростных динамических компрессоров, характерны более высокие показатели давления даже при низкой скорости. Динамические компрессоры желательно использовать тогда, когда требуется более высокая производительность.

30.png

1.6. Электричество

 1.6.1. Терминология и основные определения

      Переменный ток, используемый в том числе для питания осветительных приборов и электродвигателей, в процессе синусоидальных колебаний периодически изменяет свою силу и направление. Сила тока возрастает  от нуля до максимального значения, затем падает до нуля, изменяет направление, возрастает до максимального значения в противоположном направлении и снова становится равной нулю. Так ток совершает периодические колебания. Период Т — время в секундах, за которое ток проходит все значения. Частота показывает количество полных циклов, совершенных за секунду.

31.png

 

 

   

       Говоря о токе или напряжении, обычно имеют в виду среднеквадратичное значение. Для синусоидального тока величина среднеквадратичного значения тока и соответственно напряжения будет равна:

32.png

 

 

 

       Напряжение ниже 50 В называется сверхнизким. Напряжение ниже 1000 В называется низким. Напряжение свыше 1000 В называется высоким. Стандартными напряжениями переменного тока с частотой 50 Гц являются напряжения 230/300 В и 400/690 В.

3345.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  

1.6.2. Закон Ома для переменного тока

     Протекающий по обмотке переменный ток создает магнитный поток. Этот магнитный поток точно так же, как и ток, изменяет свою силу и направление. При изменении магнитного потока по закону индукции в обмотке создается ЭДС ( электродвижущая сила). Направление ЭДС противоположно полярности подаваемого напряжения. Это явление называется самоиндукцией.

     Самоиндукция в цепи переменного тока частично проявляется в сдвиге по фаз между током и напряжением  и частично — в падении индуктивного напряжения. Сопротивление цепи переменного или измеренного сопротивления этой же цепи постоянному току.

     Сдвиг по фазе между током и напряжением обозначается углом φ. Индуктивное сопротивление ( реактивное) обозначается Х, активное сопротивление — R, кажущееся сопротивление цепи или проводника — Z.

     Полное сопротивление ( импеданс) вычисляется по формуле:

34.png

 

 

 

 

   

      Закон Ома для цепи переменного тока:

35.png

 

 

 

 

   


36.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

1.6.3. Трехфазная система

     Трехфазный переменный ток вырабатывается генератором с тремя отдельными обмотками. Все значения синусоидального напряжения сдвинуты по фазе относительно друг друга на 1200.

     Трехфазная сеть обеспечивает подключение различных устройств. Однофазное устройство можно подключить между фазой и нулем. Трехфазные устройства можно подключать двумя способами: звездой (Y) и треугольником (Δ). При подключении звездой на выводы устройства подается фазовое напряжение. При подключении треугольником на выводы устройства подается линейное напряжение.

37.png










1.6.4. Мощность

     Активная мощность Р представляет собой полезную мощность, которую можно использовать для выполнения работы. Реактивная мощность Q - «бесполезная» мощность, которую нельзя использовать для выполнения работы. Кажущаяся мощность S — мощность, которую нужно потреблять из сети для получения необходимой активной, реактивной и кажущейся мощностью обычно наглядно изображают как треугольник мощностей.

38.png

 

 

 

 

 

 

 

 

   

39.png

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


40.png










1.6.5. Электродвигатель

     Наиболее распространенными двигателями являются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Двигатели этого типа используются во всех отраслях промышленности. Бесшумные и надежные электродвигатели — часть большинства систем, в том числе компрессоров. Любой электродвигатель состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора. Статор формирует вращающееся магнитное поле, а ротор преобразует энергию этого поля в механическое движение.

     Статор подключается к питающей трехфазной сети. Ток в обмотках статора создает вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток в роторе, создавая тем самым в роторе магнитное поле. При взаимодействии магнитных полей статора и ротора возникает вращающий момент, который заставляет ротор вращаться.

1.6.5.1. Скорость вращения

     Если бы вал двигателя вращался с той же скоростью, что и магнитное поле, индуцируемый в роторе ток равнялся бы нулю. Однако это невозможно, например из-за потерь в подшипниках, кроме того, скорость вращения ротора на 1-5% ниже синхронной скорости магнитного поля (это явление называется проскальзыванием). Синхронная скорость вычисляется по формуле:

41.png

 

 

 

 

   

1.6.5.2. Коэффициент полезного действия

     Преобразование энергии в электродвигателе не обходится без потерь. Кроме всего прочего к этим потерям относятся потери на активное сопротивление, на вентиляцию, намагничивание и трение. Формула, применяемая для расчета кпд:

42.png

 

 

 

 

   

1.6.5.3. Класс изоляции

     В соответствии со стандартом IEC 85 (Международной электротехнической комиссии) все изоляционные материалы для обмоток электродвигателя подразделяются на классы изоляции. Каждый класс обозначается буквой, характеризующей верхний предел температуры в зоне использования изоляции. При превышении этого предела на 100С, продолжительность срока службы изоляции становится вдвое короче.

43.png

 

 

 

 

 


1.6.5.4. Классы защиты

     В соответствии со стандартом IEC 34-45 классы защиты указывают степень защиты электродвигателя от прикосновения и попадания воды. Класс защиты обозначается буквами IP и двумя цифрами. Первая — показывает степень защиты при прикосновении от попадания твердых предметов. Вторая цифра показывает степень защиты от воды. Например,IP23 означает что: (2) — устройство защищено от попадания твердых предметов размером более 12мм; (3)- устройство защищено от брызг воды, направленных под углом до 600 к вертикали. IP54 означает: (5) — защита от пыли; (4) — защита от воды, разбрызгиваемой в любом направлении. IP55 означает: (5) — защита от пыли; (5) — защита от струи воды, направляемой под низким давлением в любом направлении.

1.6.5.5. Способы охлаждения

     Согласно стандарту IEC 34-45, указывается способ охлажддения двигателя. Он обозначается буквами IC и двумя цифрами. Например, IC 01 означает: свободная циркуляция, собственная вентиляция; IC 41 означает: система охлаждения с водяной рубашкой, собственная вентиляция.

1.6.5.6. Способ монтажа

     Способ монтажа указывает, согласно стандарту IEC 34-7, способ установки двигателя. Для этого используются буквы IM и четыре цифры. Например, IM 1001 означает: два подшипника, вал со свободным концом, корпус статора без опор, большой фланец с гладкими отверстиями для крпления.

1.6.5.7. Подключение звездой (Y) и треугольником (Δ)

     Трехфазный электродвигатель можно подключать двумя способами: звездой (Y) или треугольником (Δ). Фазные обмотки в трехфазном двигателе обозначаются буквами U,V и W (U1-U2,V1-V2,W1-W2). При подключении звездой (Y) концы фазных обмоток соединены вместе и образуют нулевую точку. Схема подключения обмоток выглядит как звезда (Y).

     На обмотки подается фазовое напряжение ( фазовое напряжение = линейное напряжение / √3, например, 400В= 690/√3). Ток Ih, текущий к нулевой точке, равен фазовому току, и соответственно по обмоткам течет фазовый ток If=Ih.

     При подключении треугольником (Δ) начало каждой обмотки соединяется с концом другой обмотки. Соединенные таким образом обмотки образуют треугольник. На обмотки подается линейное напряжение. Протекающий через двигатель ток Ih представляет собой линейный ток, который разветвляется по обмоткам; по обмоткам течет фазовый ток Ih/√3 = If. Один и тот же электродвигатель можно подключать звездой к сети напряжением 690В или треугольником к  сети напряжением 400В.

44.png45.png

     В обоих случаях на обмотки будет подаваться напряжение 400В. Ток, протекающий через двигатель, при подключении звездой на 690В будет меньше, чем при подключении треугольником на 400 В. Отношение токов будет равняться √3.

     На табличке двигателя указано,например,690/400 В. Это означает, что подключение звездой предназначено для большего напряжения, а подключение треугольником — для меньшего. На плате может также указываться ток. Меньшее значение соответствует подключению обмоток двигателя звездой, а большее — подключению треугольником.

46.png47.png

 

 

 

 

 

48.png































1.6.5.8. Крутящий момент

     Крутящий момент электродвигателя является выражением способности ротора вращаться. У каждого двигателя есть свой максимальный крутящий момент. Если нагрузка превышает этот момент, у ротора не хватит мощности для вращения. С нормальной нагрузкой двигатель работает с моментом, который значительно меньше максимального. Однако в период пуска нагрузка значительно выше. Обычно характеристика двигателя представляется в виде кривой крутящего момента.