Основы электротехники-ликбез

Текущая версия на 06:55, 5 ноября 2025

Силовая электротехника-----автор Книжников ВВ

Любая масса, электро заряд, вращение, волна, время сразу несут в себе энергию и информацию одновременно, так как это одно и тоже по сути многогранной материи в многомерном мире бытия!

Любое вращение(торсион) создаёт чётвёртое измерение с новым силовым полем-----например вращения массы выявляют гироскопический эффект, а вращение электрона(волны) на орбите атома любого металла рождает магнитное поле!

СВОБОДНЫЙ ЭЛЕКТРОН ОТ АТОМА ЭТО ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ "КВАНТ", ТО ЕСТЬ НЕДЕЛИМАЯ ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА ЗАРЯДА!

ЭЛЕКТРОТОК ЭТО КОЛ-ВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА В СЕКУНДУ ----I=dq/dt!

ЭЛЕКТРО ДВИЖУЩАЯ СИЛА (ЭДС) ИЛИ НАПРЯЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭТО РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ КАК УДЕЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ПО ЗАРЯДУ ---U=dW/dq=dFl/dq

В ферромагнетике с постоянным магнитным полем В оси орбит всех атомов под действием заряжающего импульса внешнего мощного электромагнитного потока соленоида ориентируются в одном направлении вдоль магнитных линий в параллельные цепочки "аля парад", суммируя элементарное поле каждого атома(спин) в миллиарды раз-----и при температуре сплава менее точки Кюри происходит устойчивое запоминание ориентации торсиона в кристаллической решётке металла!

Основоположник силовой электротехники английский ученый Фарадей придумавший первый рамочный электродвигатель. Электротехника это подраздел общей физики электромагнетизма или прикладной электродинамики![1]

Принцип действия любого электромотора основан всего на двух фундаментальных уравнениях электродинамики -----

1) закон Ампера описывает момент силы М(Нм) как произведение плотности магнитного потока или индукция B(Тесла=вб/м2), на длину проводника фазы L(м), на диаметр статора d(м), на силу тока I(А=Кулон/с) !

M=(B L d)I=Ki I

На практике, чем сильней магнит---больше боковая площадь статора----больше витков на зубе----больше диаметр железного статора----сильнее ток, тем выше момент силы вращения.

2) закон самоиндукции Фарадея это ЭДС наведенная как произведение полного магнитного потока Ф(Вольт с)=BS=BLd на круговую частоту изменения w=2Пи f (считай кол-во переключений фаз в секунду).

ЭДС=Uинд=dФ/dt=w Ф=2Пи f(B L d)  

При торможении ротора нагрузочным моментом,чем больше ток, тем меньше частота переключений фаз при которой наведенная эдс запирает напряжение питания -----разница или дельта между питанием и наведённой ЭДС деленная на активное электросопротивления обмоток и есть потребляемая сила тока мотором I=(Uвход-Uинд)/Rэд !

Pмех=M w=(B L d I) (Uинд/Ф)=I Uинд-----Рэл=IU ---мощность электромотора прямо пропорциональна напряжению питания и силе потребляемого тока!

то есть в теории любой электромотор можно форсировать по напряжению бесконечно много не превышая максимальный ток ограниченный тепловой мощностью омических потерь сопротивления обмоток Pтеп=RI^2 не более 1--2Вт на 1г массы мотора при интенсивном охлаждении, тогда Iмах=(Pтеп/R)^0.5, но на практике повышая удельную мощность мотора с 3--4 Вт/г до 6--8 Вт/г можно увеличить напряжение питания от номинала всего 1.5--2раза из-за возможности пробоя лаковой изоляции проводов обмоток соседних фаз от перегрева.

моментность Ki=M/I=U/w=1/2Пи f/U=0.16/Кхх----обратно пропорциональна оборотистости Кхх=fхх/Uакку

Электрический заряд является носителем энергии, которую можно преобразовать в механическую мощность движения тела! Все преобразования энергии возможны лишь через гармонический ряд Фурье или возвратно-поступательную функцию вращения----то есть любая трансформация электроэнергии требует наличие переменного тока желательно формы синусоиды . За это отвечают генераторы переменного напряжения -----постоянной частоты для трансформаторов и асинхронных электродвигателей и переменной частоты для синхронных силовых приводов -----например модельные эд. Основоположник передачи электроэнергии на большие расстояния по принципу переменного напряжения сербский ученый Тесла! Закон "Тесла" гласит, что передача электрической мощности Рэл=U^2/R на расстояние для экономии массы проводов по сечению выгодно использовать повышенное напряжение и пониженный ток.

Чем выше частота переключений в фазах эд или частота питающего переменного напряжения, тем выше удельная мощность электро-потребителя по закону насыщения линий гистерезиса магнитного потока в железе статора трансформатора или эд. Для питания синхронных эд через БУМ типа регулятора хода справедливо закономерность--- чем выше напряжение, тем выше частота вращения и больше мощность, которую можно снять с эму при той же силе тока, ограниченной омическими тепловыми потерями на обмотках.

Для оптимизация полной электроцепи типа ---аккумулятор---регулятор хода----электромотор применима эмпирическая зависимость -----корень квадратный из потребляемой электрической мощности на полном газу и есть напряжения акку в вольтах и ток в амперах! Например для ВМГ электро-самолёта Рпотр=340вт, тогда корень получается по напряжению 18.3В и ток 18.3А, то есть достаточно ЛИ-ПО акку на 5 банок и регулятор хода на 20А, провода сечением 2мм2 и разъём силовой на диаметр в 2 мм типа бананов.

На практике оптимальная сила тока протекающая через обмотки электромотора на полном газу при максимальном КПД электродвигателя равна корню квадратному из произведения тока холостого хода на напряжение питания и делённого на электро сопротивление мотора

Iопт=(Рхх/Rэд)^0.5=(Iхх U/Rэд)^0.5=(Iхх Iкз)^0.5 это очень красивая формула!

например----например при омическом сопротивлении обмоток R=0.1Ом ----Iопт=(1а х 11в/0.1ом)^0.5=10.5А

Пиковая сила тока с запасом +20% для регулятора хода воздушной э-ВМГ со свежезаряженным акку на уровне моря--- Iрх=0.05ро (D Kxx)^3 (H Uакку)^2 (n D/H)^0.5, где n-кол-во лопастей пропеллера!

Математика следующая:

1) Ртеп=Ктеп Rэд (I)^2 ----тепловые омические потери в обмотках эд в Ваттах и Ктеп=(1.1--1.5) это тепловой рост электросопротивления меди от нагрева

2) Рпер=U Iхх---- электромагнитные потери на перемагничивание железа статора, Вт

3) Рпотерь=Ртеп+Рпер----общая мощность потерь, Вт

4) Рэл=U I----входная потребляемая электрическая мощность, Вт

5) Рмех=Рэл−Рпотерь----механическая мощность на валу или полезная мощность эд

6) КПДэд=Efficiency=100% Pмех/Pэл---- Коэффициент Полезного Действия эд или эффективность, %

7) Ki=1/Ku=1/(2пи Кхх)----электромеханическая постоянная эд по моменту (моментность электромотора), Нм/А

8) Мвал=Ki I----момент силы на валу в Ньютон на метр

9) Кхх=Ku/6.28=fхх/U ----электромеханическая характеристика эд Гц/В по частоте вращения (оборотистость электромотора)

10) Iопт=(Iхх U/Rэд)^0.5----- сила тока электромотора на максимальном КПД (среднеквадратичное значение) в Ампер

Pмех(Вт)=2Пи M(Нм) f(Гц)=Рэл-(Ртеп+Рпер)=U(В) Iэд(А)-(Ктеп Rобм(Ом)Iэд(А)^2+U(В) Iхх(А))

например для бк-эд массой 100 г с Rэд=0.09Ом и Iхх=1А при Uакку=15В------Kхх=210Гц/15В=14Гц/В или Кv=12600/15В=840 оборотов в минуту на вольт

сила тока под оптимальной загрузкой эд------Iопт=(Iхх U/1.1Rэд)^0.5=(1А х 15В/1.1 х 0.09Ом)^0.5=12.32А

эконом режим-------- Рмех=(15В х 12.32А)-(1.1 х 0.09Ом х 12.32А х 12.32А + 15В х 1А)=185Вт-(15Вт+15Вт)=155Вт, то есть оптимум когда Ртеп=Рпер

КПДэд=155вт/185вт=*=0.84=84%

максимальная мощность эд при пиковой удельной мощности 4Вт/г---Рмах=100г х 4Вт/г=400вт и сила тока Iмах=Рмах/Uакку=400Вт/15В=26.6А

короткий пиковый режим-----Рмех=(15В х 26.6А)-(1.5 х 0.09Ом х 26.6А х 26.6А + 15В х 1А)=400Вт-(95Вт+15Вт)=290Вт и КПДэд=290Вт/400Вт=0.71=71%

режим форсажа по напряжению в 2 раза при Uакку=30В и Iхх=1.5А----Iопт=(30В х 1.5А/1.1х0.9Ом)^0.5=(450)^0.5=21А

Рмех=630Вт-(55Вт+45Вт)=530Вт и КПДэд=84% при удельной мощности потерь 100Вт/100г=1Вт/г

максимальная мощность эд при пиковой удельной мощности 9Вт/г---Рмах=100г х 9Вт/г=900Вт и сила тока Iмах=Рмах/Uакку=900Вт/30В=30А

Рмех=900Вт-(125Вт+45Вт)=730Вт и КПДэд=81% при удельной мощности потерь 170Вт/100г=1.7Вт/г режим гонки при сильном обдуве и хорошем охлаждении эд.

подробно об электродвигателях смотри статью "силовые электроприводы"

общие закономерности расчёта электро-цепей для компонентов а и в

наименование компонента -------------------параллельное соединение-------------последовательное соединение

сопротивление резистора, Ом ------------- Rобщ=(Rа Rв)/(Rа+Rв)---------------Rобщ=Rа+Rв

индуктивность катушки, Генри ------------- Lобщ=(Lа Lв)/(Lа+Lв)----------------Lобщ=Lа+Lв

емкость конденсатора, Фарада--------------Cобщ=Cа+Cв--------------------------Cобщ=(Cа Cв)/(Cа+Cв)

реактивное сопротивление катушки индуктивности, Ом----- Rкат=6.28f L
реактивное сопротивление емкостного конденсатора, Ом----- Rкон=1/6.28f C

частота резонанса контура в Гц=1/с-------fрез=0.16/(LС)^0.5 при условии Rкон=Rкат

Пиковая сила тяги э-ВМГ на стопе для микродронов----Fст=Тст mg=*=(0.03гон--0.06сам--0.09коп)ро n^0.667 D Н (D Kхх Uакку)^2

Теоретическая скорость потока от винта для паркфлаев----Vтеор=0.71 Н Kхх Uакку

Проверочная формула максимальной потребляемой э-мощности для ЛА в полёте-----Рэл=Uакку Iмах=*=Fст Vтеор

Список формул из электромеханики для расчёта потребляемой силы тока от силы тяги в разных режимах полёта ЛА:

1) академическая формула расчёта э-ВМГ----Iтек=Кгаз^0.5 (Iхх + (Fтек h Коб Kхх/КПДвинта Кред))

2) сила тока на стопе на полном газу----Iст =*=(0.62винт--1.0имп) Fст Kхх (D Н)^0.5

3) сила тока в полёте на полном газу для самолёта----Iсам=*=(1.0винт--1.27имп) (Fст mg/АКмах)^0.5 Kхх (D Н)^0.5

4) сила тока в полёте на полном газу у лк-----Iлк=*=(0.62винт--0.78имп) mg (Тст/АКмах)^0.33 Kхх (D Н)^0.5

5) сила тока в полёте на полном газу у гонки-----Iгон=*=1.41 mg (Тст^2/АКмах)^0.33 Kхх Н

6) сила тока в полёте на полном газу у квадроракеты-----Iрак=*=(1.62винт--2имп) mg (Тст^2/АКмах)^0.33 Kхх (D Н)^0.5

7) сила тока в полёте в режиме минимального крейсера-----Iмин=Kхх Н mg/АКмах

8) сила тока в полёте у мультикоптера----Iкоп=mg Кхх (D Н)^0.5 Кгаз^1.5