Elektrotehnika (0)

Sissejuhatus
Teaduse ja tehnika haru, mis tegeleb elektrienergia tootmise, muundamise, jaotamise ja tarbimise küsimustega, nim elektrotehnikaks
Elektrotehnika on teadus elektriliste nähtuste tehnilisest rakendamisest. Tänapäeva elektrotehnika hõlmab elektrienergia tootmise küsimusi, tema jaotamist ja peamiselt muundamist teisteks energia liikideks. Sai võimalikuks elektrikeevitus, elektrolüüs, kõrgete temperatuuride saamine, karastamine kõrgsagedusvooluga, telefoni- ja raadioside.
Rahvamajandusharu, mille ülesandeks on elektrienergia tootmise tagamine, nim energeetikaks.
Elektrienergiat on lihtne muundada meh või keem energiaks, soojuseks või valguseks ja suunata kaugel asuvatele tarbijatele
Tänapäeva soojus - ja elektrijaama kasutegur on 55-60%. Võrreldes soojuselektrijaamadega on hüdroelektrijaamade kasutegur kõrgem – 78-80%. Nende teenindamiseks vajatakse vähem töötajaid, tootmine on lihtsam ning pole kütuse- ja veokulu .
Tänapäeval ehitatakse soojus- ja elektrijaamu veel arvukalt, kuna lisaks elektrile saadakse sealt ka auru soojusvõrkudesse.
Eesti suurimad elektrijaamad : Balti SEJ 1390 MW
Eesti SEJ 1610 MW
Ahtme SEJ 20 MW (kaevandamine otse maa alt)
K-Järve SEJ 39MW ja IRU SEJ 190MW
Elektritarbijad varustatakse energiaga elektrivõrkudest, kuhu on ühendatud enamasti mitu jaama nende erineva koormatuse ühtlustamiseks vastavas piirkonnas. Energiasüsteem koosneb elektrijaamadest, ülekandeliinidest, alajaamadest ja soojusvõrkudest, mis on ühtsete talitustingimustega. Elektrisüsteem on energiasüsteemi osa, mis koosneb ainult elektriseadmetest : elektrijaamadest, ülekandeliinidest, alajaamadest ja tarbijast.
Elektrienergiat tootvaid , muundavaid, jaotavaid või tarbivaid seadmeid nim elektriseadmeteks. Elektriseadmed jaotatakse :
1. Valgustusseadmed tehisvalguse s.o. inimsilmaga nähtava, aga samuti ultravioletse ja infrapunase elektromagnetkiirguse tekitamiseks.
2. Jõuseadmed masinate, tööpinkide jm valmistoodangu saamiseks, kasutatavate seadmete käitamiseks.
3. Elektrivõrgud energia ülekandmiseks ja jaotamiseks jaamadest tarbijatele.
Paiknevuse alusel jaotatakse kinnisteks ja lahtisteks seadmeteks (siseruumides / väljas).
Asukoha järgi paikseteks ja teisaldavateks.
Seadmeid, milles elektrienergia muundub meh, soojus- või mõneks muuks energia liigiks , nim elektritarbijaks
Valmistajatehas toodab lindil nimirežiimil töötavaid voolutarbijaid. Tarbija nimipinge ja võrgupinge peavad olema võrdsed.
NIMIPINGED
Väikepinge (ELV) – vahelduvpinge puhul 50V, alalispinge puhul 120V. Eristatakse katseväikepinget ( SELV ) ja talitlusväikepinget (PELV)
Madalpinge (LV) – pingepiirkond, mille korral pinge võib olla väikepingest suurem, kuid ei ületa normaaltalitlusel vahelduvpinge puhul 1000V ja alalispinge puhul 1500V
Kõrgepinge (HV) – pingepiirkond, kus pinge on normaaltalitlusel vahelduvpinge puhul suurem kui 1000V ja alalispinge puhul suurem kui 1500V
Aine ehitus
Kõike, mida igapäevaelus tajume, nim mateeriaks.
Molekul on aine väikseim osake, millel on selle aine keemilised omadused.
Molekulid koosnevad aatomitest, keemilistes reaktsioonides aatomid ei lagune. Molekulid on omavahel seotud vastastikuse külgetõmbejõu mõjul.
Olenevalt omavahelise külgetõmbejõu suurusest ja molekulide liikumise kiirusest, seega vastavalt nende füüs omadustele, jagatakse ained :
1. Kõvadeks ehk tahked ( metall , puit)
2. Vedelateks (vedelikud)
3. Gaasilisteks (aur, õhk)
Neid lihtsamaid aineid nim keemilisteks elementideks. Väiksemaid osi, milleks võib jagada keemilisi elemente, säilitades tema omadused, nim aatomiteks.
Prootonite arv = neutronite arv (neutraalses aatomis).
Neutronite arv on massiarvu ja järjekorranumbri vahe.
Elektronkate jaguneb elektronkihtideks.
Aatom kujutab endast väga väikest planeetide süsteemi (1cm pikkusele joonele mahub ritta umbes 10 astmel 8 elektroni). Elektronid liiguvad ümber tuuma 2000 km/s.
Aatomite ioniseerimine
Tuumalaeng on +13. Normaalselt on tuumalaeng tasakaalus elektronide laenguga ja aatomis on elektriline tasakaal – aatom on neutraalne . Aatomit, mis on ära andnud elektroni ja omandanud positiivse laengu, nim positiivseks iooniks.
Elektriteooria kohaselt kaotab keha positiivsel laadimisel osa elektrone, negatiivselt laetav keha aga saab elektrone juurde.
Üksikult võttes toimuvad mõlemat liiki laengud mittelaetud kehadesse ühteviisi – tõmbuvad kergelt laenguta esemeid enda külge.
Tõmbuvad / tõukuvad mehaanilise jõuga, mille suuruse määrab laengute suurus ja vahekaugus . Meh jõud on seda tugevam, mida suuremad on nende kehade laengud ja mida väiksem on nende vahekaugus.
Elektronide hulk = laeng = tähis Q. Ühik kulon . Keha omab laengu 1C, kui mahutab endas 6,25 * 10 astmel 18 elektroni laengu. 1C on elektrihulk, mis läbib juhi ristlõiget 1 sek jooksul, kui voolutugevus on 1 amper ehk 1C = 1 ampersekund.
Elektriväli
Elektriväljaks nim elektrilaengut kandva keha ümbrust, kus ilmnevad elektrilised jõud, mis avaldub mehaalinise jõuna teistele laetud osakestele. Elektriväli ei koosne aineosakestest. Inimene ei tunneta elektrivälja. Elektrivälja olemasolu saaab kindlaks teha laetud kehaga.
Jõujooned on mõeldavad jooned elektriväljas, mida mööda püüab liikuda sellesse välja asetatud keha. Jõujoonte suunaks (jõudude mõjumise suunas) elektriväljas loetakse leppeliselt suunda, mida mööda liiguks elektrivälja asetatud positiivse laenguga keha. Seega väljuvad jõujooned positiivselt ning suubuvad negatiivsele kehale. Kahe lähestikku asetatud samanimelise laenguga kehalt väljuvad jõujooned püüavad teineteist “tõugata“ ja muutuda omavahel paralleelseteks.
Kahe paralleelse plaadi vahel on elektrivälja jõujooned suuruselt ja suunalt ühesugused ja sellist elektrivälja nim ühtlaseks ehk homogeenseks elektriväljaks.
Potentsiaal
Potentsiaaliks antud punktis nim suurust, mis iseloomustab elektrivälja jõudude tööd positiivse laengu edasi viimisel ühest punktist teise. Potentsiaali tähistatakse fii tähega.
Kahe punkti vahel, millel on ühesugune potentsiaal laeng liikuda ei saa. Potentsiaaliks nimetatakse elektrilaengute erineva intensiivsusega kuhjumisi.
Elektrilaengu liikumiseks on vajalik potentsiaalide vahe. Potentsiaalide vahet nim pingeks. Pinget tähistatakse tähega U. U= fii1 – fii2
Vooluring
Vooluring on suletud vooluahel, milles saab tekkida vool. Vooluahelas saab olla mitu vooluringi. Kestva voolu saamiseks vooluahelas asetatakse vooluahelsasse vooluallikas , mille ülesandeks on hoida oma klemmidel pidevalt potentsiaalide vahe ehk pinge.
Seega asub vooluallika sees jõud, mis tekitab pidevalt potentsiaalide vahe. Vooluallikas tekitab ja hoiab vooluringi ühendatud juhtides elektrivälja.
Tarviti on suvaline seade, mis töötab elektrivooluga. Tarvitis muundub elektrienergia mingiks teiseks energialiigiks. Mootoris mehaanilises, küttekehas soojusenergiaks, lambis soojus- ja valgusenergiaks, telefonis elektromagnetiliseks ja/või helienergiaks.
Juhtmed on vajalikud vooluringi osade ühendamiseks. Lüliti on seade vooluringi sulgemiseks ja avamiseks.
Vooluringi osade omavahelisest ühendusest ülevaate saamiseks kasutatakse vooluringi kujutamist joonisena, mille nimeks on elektriskeem. Vooluringi osade kujutamiseks skeemil kasutatakse tingmärke.
Elektriskeemiks nim seadme või selle osa graafilist kujutamist tingmärkide abil.
Elektriskeemid aitavad seadme koostisosi ja osadevahelisi ühendusviise piltlikult ette kujutada. Kui tehniline joonis on tehnika keel, siis elektriskeem on elektrotehnika keel.
Elektriseadme koostise ja põhiosade vastastikuse seose piltlikuks näitamiseks koostatakse elektriseadme struktuurskeem . Struktuurskeem on lihtne joonis, millel on kujutatud elektriseadme tähtsamad osad ja nendevahelised seosed.
Trafoalajaam -> jaotuskilp -> sektsioon -> korrus -> korter
Struktuuriskeemidel kujutatakse elektriseadme osi kastikestena või tingmärkide abil.
Põhimõtteskeemidel näidatakse, kuidas seadmete elemendid on omavahel elektriliselt ühendatud. Samuti elektriseadme kõikide elementide vastasmõj ja elektrilist seost, nende elementide vastastikust asendit märkimata. Tavalisel põhimõtteskeemil on seadme kõik elemendid (kotaktid, mähised jm.) kujutatud seadme juures olevatena ja pingestamata olekus.
SKEEMI PILT
Vooluringi võib vaadelda koosnevana kahest osast : sisemine osa ehk siseahel, milleks on toiteallikas , ülejäänud elemendid (tarvitid, ühendusjuhtmed, lülitid, mõõteriistad jne) moodustavad välisahela.
Elektrivoolu mõõtja on ampermeeter . Ampermeeter ühendatakse vooluringi alati jadamisi (järjestikku). Kuivõrd kõiki jadamisi ühendatud vooluringi osi, sealhulgas ka toiteallikas, läbib sama tugevusega vool, siis pole oluline, kas ampermeeter asub skeemis enne või peale tarvitit. Lühikeste juhtmete ja ampermeetri takistus on tarvitite takistusega võrreldes enamasti tühiselt väike, ning loetakse nulliks.
Ühendades ampermeetri paralleelselt tarbijaga põleb ampermeeter silmapilkselt läbi, kuna ta takistus on väga väike. Suure voolutugevusega ampermeetrid tekitavad lühise.
Šunt on väikese takistusega manganiinjuht. Šundid võivad olla monteeritud ampermeetri sisse ning sellisel juhul on ampermeetril olemas mõõtepiirkonna ümberlüliti. Kui šunt on ampermeetriga eraldi, tuleb see ühendada ampermeetri klemmidega rööbiti. Ampermeetri mõõtepiirkonna laiendamiseks saab kasutada ka sildavat takistit . Sildava takisti arvutus
n – laiendustegur, Imax – maksimaalselt mõõdetav vool, Ip – ampermeetri mõõtepiirkond, ra – ampermeetri taktistus , rS – sildava takisti takistus
Vahelduvvooluahelas kasutatkse mõõtepiirkonna laiendamiseks voolutrafot. Voolutrafo kordaja arvutus
, kus n – voolutrafo kordaja, Imax – maksimaalselt mõõdetav vool, Ip – ampermeetri mõõtepiirkond, N – ampermeetri skaala jaotiste arv
Ampertangid – erikujuline mõõteriist, mille abil saab mõõta voolutugevust juhtmes teda katkestamata-
Ampermeeter omab skaalal tähise : A, kA, mA, µA. Skeemi tähiseks A
Voltmeeter ühendatakse rööbiti nende punktidega, mille vahelsit pinget soovitakse mõõta. Voltmeetri takistus on väga suur ning enamasti pole vaja arvestada seda nõrka voolu, mis teda tegelikult läbib.
Elektromootorjõud
Elektrivoolu tekitamiseks on vaja vooluallikat ehk täpsemini öeldes elektrienergia allikat. Kui allika klemmidele ühendada tarviti, läbib teda elektrivool , mis teeb kasulikku tööd. Laengute ümberpaiknemine allika sees on võimalik ainult kõrvaljõudude abil.
Elektromootorjõud (emj, uuema nimetusega allikapinge ) on põhjus, mis tekitab ja säilitab elektrivoolu suletud vooluringis. Ühikuks volt ehk V
Elektromootorjõud on 1 volt, kui laengu 1C ümberpaigutamiseks allikas kulub tööd 1J.
Kilovolt 1kV = 1000V
Millivolt 1mV = 0,001V
Mikrovolt 1µ = 0,000001V (kümme -6ndas)
Allikapinge (elektromootorjõud) võrdkub vooluringi pinge ja sisepingelangu summaga E= U + U0
Elektromootorjõud võrdub pingega ainult juhul kui toiteallikas ei ole voolu (elektrikud ütlevad: ta on koormamata ehk tühijooksus)
Elektrivool, st elektronide kindlasuunaline liikumine võib tekkida ainult pinge (emj) olemasolul . Pinge võib aga esineda ilma vooluta.
Ühendusjuhtmete kaudu ülekantud pinge tekitab alles siis voolu, kui läbi tarbija (näiteks elektrihõõglambi) saab toimida pidev elektronide liikumine.
Elektrivool
Elektrivooluks nim elektrilaengute suunatud liikumist. Sõltuvalt võimetest elektrit juhtida liigitatakse ained elektrijuhtideks, pooljuhtideks ja isolaatoriteks.
Mida kergemini on aine aatomites elektronid tuumaga seotud, seda enam on vabu elektrone ja aine on hea elektrivoolu juht.
Need ained, mis ei oma vabu elektrone, on elektriisoleermaterjalid – nad juhivad elektrivoolu väga halvasti.
Elektrijuhtidena kasutatakse enamasti vaske ja alumiiniumit. Kõige parem elektrijuht on hõbe. Tähelepanu tuleb pöörata alumiiniumi ja vase õigele kokkuühendamisele. Vastasel korral pulbrista niiskuse mõjul tekkiv elektrokeemiline reaktsioon alumiiniumi. Vask- ja alumiiniumjuhtmete kokkuühendamisel tuleb nende vahele panna tsingitud vm seib.
Metallis moodustab elektrivoolu elektronide suunatud likumine, elektrolüüdis aga ioonide suunatud liikumine. Selleks, et tekiks elektrivool, peab olema jõud, mis paneb elektrilaengud kindlas suunas liikuma. Kestva elektrivoolu tekkimiseks on vajalik vooluring, kus need laengud saaks kestvalt liikuda ja liikumapanevaks jõuks pingeallikas (nim ka toiteallikaks). Kui voolu suurus ega suund küllalt pika ajavahemiku kestel ei muutu, siis nim seda alalisvooluks.
Elektrivoolu mõõduks on voolutugevus ehk lihtsalt vool, tähiseks I, ühikuks amper A.
Voolutugevus on võrdne ajaühikus (ühes sekundis) juhi ristlõiget läbiva laengu suurusega I = q / t
Tänapäeval amper on üks rahvusvahelise mõõtühikusüsteemi SI põhiühik.
Taskulambi voolutugevus on veerand amprit. Auto käivitamisel on voolutugevus käivitis enamasti vahemikus 100-200A
Voolu suunaks loetakse kokkuleppeliselt suunda plussklemmilt miinusklemmile ehk elektronide liikumisele vastupidist suunda.
See nn. Voolu tehniline suund on kasutusel ka praegu, sest paljud juhised (vasaku ja parema käe reegel jt) on formuleeritud just niisugusest voolu suunast lähtudes.
Voolutihedus
Juhtme soojenemistingimustest lähtuvalt on oluliseks suuruseks voolutihedus.
Voolutiheduseks δ nim voolutugevuse I ja juhi ristlõike pindala S suhet
Voolutiheduse ühik on A/m2. Mugavuse pärast kasutatakse praktikas enamasti ühikut A/mm2. Tavaliselt kasutatakse lühiajaliselt töötavates mähistes voolutihedust (4...5) A/mm2, kestvalt töötavates elektrimasinates, trafodes ja mähistes (1,5...3) A/mm2, mõõtetehnikas