Тема OP05-G4. Электротехника

1. Электрические величины и единицы измерения

Электрический заряд измеряют в кулонах (Кл), силу тока — в амперах (А), напряжение — в вольтах (В), сопротивление — в омах (Ом). Ток возникает при направленном движении носителей заряда. Напряжение характеризует работу электрического поля при перемещении единичного заряда. Для приборов КИПиА важно различать цепи питания, измерения и управления.

Применение в КИПиА. Пример: преобразователь давления с выходом 4–20 мА передаёт информацию величиной тока. Значение тока не тождественно измеряемому давлению: зависимость определяется диапазоном преобразователя и настройкой.

↑ К содержанию

2. Электрическая цепь и её элементы

Цепь образуют источник энергии, проводники, коммутационные аппараты, нагрузка и средства защиты. Замкнутая цепь обеспечивает протекание тока; разомкнутая прерывает его. В принципиальных схемах различают последовательное, параллельное и смешанное соединения.

Применение в КИПиА. Пример: в петле 4–20 мА последовательно соединены источник питания, преобразователь и вход контроллера; допустимая суммарная нагрузка ограничена характеристиками преобразователя.

↑ К содержанию

3. Закон Ома и сопротивление проводников

Для участка цепи с постоянным сопротивлением выполняется I = U/R. Сопротивление однородного проводника зависит от удельного сопротивления материала, длины и площади сечения: R = ρ·l/S. Температура может заметно менять сопротивление, особенно у термопреобразователей сопротивления.

Применение в КИПиА. Пример: для U = 24 В и R = 200 Ом ток равен 0,12 А. Это учебный расчёт; допустимые режимы реального оборудования определяются паспортом.

↑ К содержанию

4. Последовательное и параллельное соединение

При последовательном соединении ток одинаков, сопротивления складываются: RΣ = R1 + R2. При параллельном соединении напряжение на ветвях одинаково, проводимости складываются: 1/RΣ = 1/R1 + 1/R2. Нельзя подключать амперметр непосредственно параллельно источнику: это может вызвать короткое замыкание.

Применение в КИПиА. Для двух последовательно соединённых резисторов 100 Ом и 100 Ом при U = 24 В ток составляет 24/200 = 0,12 А. Для двух параллельных резисторов по 100 Ом эквивалентное сопротивление — 50 Ом.

↑ К содержанию

5. Законы Кирхгофа

Первый закон: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю, то есть сумма входящих токов равна сумме выходящих. Второй закон: алгебраическая сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Эти законы позволяют анализировать разветвлённые цепи и падения напряжений.

Применение в КИПиА. Пример: в узел приходят 12 мА и 8 мА; при отсутствии иных ветвей из узла должно выходить 20 мА.

↑ К содержанию

6. Мощность, энергия и нагрев проводников

Мощность постоянного тока P = UI, для резистора P = I²R = U²/R. Электрическая энергия W = Pt при постоянной мощности. Выделяемое тепло связано с током и сопротивлением: недостаточное сечение, плохой контакт и перегрузка приводят к перегреву.

Применение в КИПиА. Пример: резистор при U = 12 В и I = 0,2 А рассеивает 2,4 Вт. Номинальную мощность компонента выбирают по документации с учётом условий охлаждения.

↑ К содержанию

7. Конденсаторы и электрическое поле

Конденсатор накапливает электрический заряд; ёмкость C = Q/U. Энергия идеального конденсатора W = CU²/2. В цепях постоянного тока зарядка и разрядка через резистор описываются постоянной времени τ = RC. Конденсаторы встречаются в фильтрах питания и помехоподавлении.

Применение в КИПиА. Перед обслуживанием оборудования учитывают остаточный заряд: даже отключённый конденсатор может сохранять опасное напряжение.

↑ К содержанию

8. Катушки индуктивности и магнитное поле

Катушка обладает индуктивностью L и противодействует изменению тока. Энергия идеальной катушки W = LI²/2. При размыкании индуктивной нагрузки возникают перенапряжения; применяют согласованные с проектом цепи подавления перенапряжений.

Применение в КИПиА. Пример: катушка электромагнитного реле управляет контактами, но электрическая цепь катушки и коммутируемая цепь могут быть гальванически разделены.

↑ К содержанию

9. Переменный ток: период, частота и действующее значение

Синусоидальное напряжение описывают u(t) = Um sin(ωt + φ), где ω = 2πf. Период T = 1/f. Для синусоиды действующие значения U = Um/√2 и I = Im/√2. Фазовый сдвиг между током и напряжением влияет на активную мощность.

Применение в КИПиА. Пример: при частоте 50 Гц период равен 20 мс. Эти параметры нельзя путать с амплитудой или мгновенным значением.

↑ К содержанию

10. Сопротивление в цепи переменного тока

Активное сопротивление характеризует преобразование энергии в тепло. Индуктивное сопротивление XL = 2πfL, ёмкостное XC = 1/(2πfC). Для последовательной RLC-цепи полное сопротивление по модулю Z = √(R² + (XL − XC)²).

Применение в КИПиА. В измерительных цепях переменного тока учитывают частоту, фазу и полосу пропускания измерительного прибора.

↑ К содержанию

11. Трансформаторы

Трансформатор передаёт энергию между обмотками посредством переменного магнитного потока и может изменять напряжение. Для идеальной модели U1/U2 = N1/N2, где N — число витков. Реальные трансформаторы имеют потери и ограничения по нагрузке, нагреву и изоляции.

Применение в КИПиА. Трансформаторы применяют в источниках питания, измерительных и разделительных цепях. Разделительный трансформатор не отменяет требований электробезопасности.

↑ К содержанию

12. Трёхфазные цепи и электродвигатели

Трёхфазная система содержит три синусоидальных напряжения, сдвинутых по фазе на 120°. Асинхронный электродвигатель использует вращающееся магнитное поле статора. Важны правильность соединения обмоток, номинальные значения, защитные аппараты и направление вращения.

Применение в КИПиА. В системах автоматизации двигатели приводят насосы, вентиляторы и механизмы. Работы по подключению проводят только подготовленные работники с необходимыми допусками.

↑ К содержанию

13. Полупроводники и выпрямители

Диод проводит ток преимущественно в одном направлении при прямом смещении; мостовой выпрямитель преобразует переменное напряжение в пульсирующее. Транзистор может работать как усилитель или электронный ключ. В реальных схемах учитывают предельные токи, напряжения и тепловой режим.

Применение в КИПиА. Пример: модуль дискретных выходов ПЛК использует электронные ключи, а защитные элементы снижают воздействие помех от индуктивных нагрузок.

↑ К содержанию

Интерактивная лаборатория: Основы электроники и радиотехники — усилители, выпрямители, стабилизаторы и генераторы. После занятия вернитесь сюда кнопкой «Вернуться назад».

14. Измерение электрических величин

Напряжение измеряют вольтметром параллельно объекту, силу тока — амперметром последовательно либо подходящим токовым датчиком. Сопротивление измеряют только по предусмотренной методике при отключённом питании; в цепи могут оставаться заряженные ёмкости. Для токовых петель применяют калибраторы, мультиметры и средства, разрешённые условиями зоны.

Применение в КИПиА. В измерениях КИПиА учитывают внутреннее сопротивление приборов, допустимую нагрузку, класс точности и требования взрывозащиты.

↑ К содержанию

Интерактивная лаборатория: Промышленные сигналы датчиков — измерение и диагностика цепей 4–20 мА. После занятия вернитесь сюда кнопкой «Вернуться назад».

15. Электробезопасность и промышленная практика

Прежде чем работать с электрической цепью, её идентифицируют по актуальной схеме, выполняют предусмотренные организационные и технические мероприятия, исключают непреднамеренную подачу энергии и проверяют отсутствие напряжения надлежащим средством в соответствии с установленным порядком. Нельзя считать электрическую цепь безопасной только по выключенному индикатору.

Применение в КИПиА. На газодобывающих объектах дополнительно учитывают взрывоопасные зоны, искробезопасные цепи, разрешения на работы, требования руководств изготовителя и локальных инструкций.

↑ К содержанию

Нормативные документы и дополнительные материалы

ГОСТ 2.702-2011 «ЕСКД. Правила выполнения электрических схем» — официальная карточка Росстандарта.

ГОСТ Р 50571.16-2019 «Электроустановки низковольтные. Часть 6. Испытания» — официальный источник.

Нормативные документы изучаются в части, применимой к конкретному оборудованию и виду работ. Никакие учебные схемы не заменяют действующую документацию.