Виды напряжений: СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ | Энциклопедия Кругосвет

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ | Энциклопедия Кругосвет

Содержание статьи

• НАПРЯЖЕНИЕ И ДЕФОРМАЦИЯ
• Виды напряжений.
• Деформация.
• ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ
• Запас прочности.
• Коэффициент запаса.
• РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ
• Тонкостенный цилиндр.
• Заклепочное соединение.
• НЕРАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ
• БАЛКИ.
• Формула изгиба.
• Прогиб балки.
• Статически неопределимые балки.
• НАПРЯЖЕНИЕ ПРИ КРУЧЕНИИ.
• СЛОЖНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ.
• КОЛОННЫ.
• СЛОЖНЫЕ НАПРЯЖЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ
• Соотношения между напряжениями.
• БОЛЕЕ СЛОЖНЫЕ ЗАДАЧИ

СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ, раздел механики твердого тела, изучающий напряжения и деформации, которые обусловлены силами, действующими на твердые тела – элементы конструкции. Эту дисциплину можно характеризовать и как науку о методах расчета элементов конструкции на прочность, жесткость и устойчивость.

Напряжение, создаваемое в твердом теле внешними нагрузками, есть мера (с размерностью силы на единицу площади) интенсивности внутренних сил, действующих со стороны одной, мысленно отсекаемой, части тела на другую, оставшуюся (метод сечений). Внешние нагрузки вызывают деформацию тела, т.е. изменение его размеров и формы. В сопротивлении материалов исследуются соотношения между нагрузками, напряжениями и деформациями, причем исследования ведутся, с одной стороны, путем математического вывода формул, связывающих нагрузки с вызываемыми ими напряжениями и деформациями, а с другой – путем экспериментального определения характеристик материалов, применяемых в строениях и машинах. См. также МЕТАЛЛОВ МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА; МЕТАЛЛОВ ИСПЫТАНИЯ. По найденным формулам с учетом результатов испытания материалов рассчитываются размеры элементов строений и машин, обеспечивающие сопротивление заданным нагрузкам. Сопротивление материалов не относится к точным наукам, так как многие его формулы выводятся на основе предположений о поведении материалов, которые не всегда точно выполняются. Тем не менее, пользуясь ими, грамотный инженер может создавать надежные и экономичные конструкции.

С сопротивлением материалов тесно связана математическая теория упругости, в которой тоже рассматриваются напряжения и деформации. Она позволяет решать те задачи, которые с трудом поддаются решению обычными методами сопротивления материалов. Однако между сопротивлением материалов и теорией упругости нет четкой границы. Хотя почти все задачи о распределении напряжений решены методами математического анализа, при сложных условиях эти решения требуют трудоемких выкладок. И тогда на помощь приходят экспериментальные методы анализа напряжений.

НАПРЯЖЕНИЕ И ДЕФОРМАЦИЯ

Виды напряжений.

Самое важное понятие в сопротивлении материалов – это понятие напряжения как силы, действующей на малую площадку и отнесенной к площади этой площадки. Напряжения бывают трех видов: растяжения, сжатия и сдвига.

Если на металлическом стержне подвешен груз, как показано на рис. 1,а, то такой стержень называется растянутым или работающим на растяжение. Напряжение S, создаваемое силой P в растянутом стержне с площадью поперечного сечения, равной A, дается выражением S = P/A. Если вес груза равен 50 000 Н, то растягивающая сила тоже равна 50 000 Н. Далее, если ширина стержня равна 0,05 м, а толщина – 0,02 м, так что площадь поперечного сечения составляет 0,001 м², то растягивающее напряжение равно 50 000/0,001 = 50 000 000 Н/м² = 50 МПа. Растянутый стержень длиннее, чем до приложения растягивающих сил.

Рассмотрим короткий цилиндр (рис. 1,б), на верхний торец которого положен груз. При этом во всех поперечных сечениях цилиндра действуют напряжения сжатия. Если напряжение равномерно распределено по всему сечению, то справедлива формула S = P/A. Сжатый цилиндр короче, чем в отсутствие деформаций.

Напряжение сдвига возникает, например, в болте (рис. 2,а), на котором верхним концом держится растянутый стержень AB с грузом 50 000 Н (рис. 1,а). Болт удерживает стержень, действуя с силой 50 000 Н, направленной вверх, на ту часть стержня, которая расположена непосредственно над отверстием в стержне, а стержень в свою очередь давит на среднюю часть болта с силой 50 000 Н. Силы, действующие на болт, приложены так, как показано на рис. 2,б. Если бы болт был сделан из материала с низким пределом прочности на сдвиг, например из свинца, то он был бы срезан по двум вертикальным плоскостям (рис. 2,в). Если же болт стальной и достаточно большого диаметра, то он не срежется, но в двух его вертикальных поперечных сечениях будут существовать напряжения сдвига. Если напряжения сдвига равномерно распределены, то они даются формулой S = P/A. Полная сила сдвига, действующая в каждом из поперечных сечений, равна 25 000 Н, и если диаметр болта равен 0,02 м (площадь поперечного сечения равна приблизительно 0,0003 м²), то напряжение сдвига S_s будет составлять 25 000 Н/0,0003 м², т. е. немногим более 80 МПа.

Напряжения растяжения и сжатия направлены по нормали (т.е. вдоль перпендикуляра) к площадке, в которой они действуют, а напряжение сдвига – параллельно площадке. Поэтому напряжения растяжения и сжатия называются нормальными, а напряжения сдвига – касательными.

Деформация.

Деформацией называется изменение размера тела под действием приложенных к нему нагрузок. Деформация, отнесенная к полному размеру, называется относительной. Если изменение каждого малого элемента длины тела одинаково, то относительная деформация называется равномерной. Относительную деформацию часто обозначают символом d, а полную – символом D. Если относительная деформация постоянна по всей длине L, то d = D/L. Например, если длина стального стержня до приложения растягивающей нагрузки равна 2,00 м, а после нагружения – 2,0015 м, то полная деформация D равна 0,0015 м, а относительная – d = 0,0015/2,00 = 0,00075 (м/м).

Почти для всех материалов, применяемых в строениях и машинах, относительная деформация пропорциональна напряжению, пока оно не превысит т. н. предела пропорциональности. Это очень важное соотношение называется законом Гука. Оно было экспериментально установлено и сформулировано в 1678 английским изобретателем и часовых дел мастером Р.Гуком. Данное соотношение между напряжением и деформацией для любого материала выражается формулой S = Ed, где E – постоянный множитель, характеризующий материал. Этот множитель называют модулем Юнга по имени Т.Юнга, который ввел его в 1802, или же модулем упругости. Из обычных конструкционных материалов наибольший модуль упругости у стали; он равен примерно 200 000 МПа. В стальном стержне относительная деформация, равная 0,00075, из приводившегося ранее примера вызывается напряжением S = Ed = 200 000 ґ 0,00075 = 150 МПа, что меньше предела пропорциональности конструкционной стали. Если бы стержень был из алюминия с модулем упругости около 70 000 МПа, то, чтобы вызвать ту же самую деформацию 0,00075, достаточно было бы напряжения немногим более 50 МПа. Из сказанного ясно, что упругие деформации в строениях и машинах очень малы. Даже при сравнительно большом напряжении 150 МПа из приведенного выше примера относительная деформация стального стержня не превышает одной тысячной. Столь большая жесткость стали – ее ценное качество.

Чтобы наглядно представить деформацию сдвига, рассмотрим, например, прямоугольную призму ABCD (рис. 3). Ее нижний конец жестко заделан в твердое основание. Если на верхнюю часть призмы действует горизонтальная внешняя сила F, она вызывает деформацию сдвига, показанную штриховыми линиями. Смещение D есть полная деформация на длине (высоте) L. Относительная деформация сдвига d равна D/L. Для деформации сдвига тоже выполняется закон Гука при условии, что напряжение не превышает предела пропорциональности для сдвига. Следовательно, S_s = E_sd, где E_s – модуль сдвига. Для любого материала величина E_s меньше E. Для стали она составляет около 2/5 E, т.е. приблизительно 80 000 МПа. Важный случай деформации сдвига – деформация в валах, на которые действуют внешние скручивающие моменты.

Выше речь шла об упругих деформациях, которые вызываются напряжениями, не превышающими предела пропорциональности. Если же напряжение выходит за предел пропорциональности, то деформация начинает расти быстрее, чем напряжение. Закон Гука перестает быть справедливым. В случае конструкционной стали в области, лежащей чуть выше предела пропорциональности, небольшое увеличение напряжения приводит к увеличению деформации во много раз по сравнению с деформацией, соответствующей пределу пропорциональности. Напряжение, при котором начинается столь быстрый рост деформации, называется пределом текучести. Материал, в котором разрушению предшествует большая неупругая деформация, называется пластичным.

ДОПУСКАЕМЫЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Допускаемое (допустимое) напряжение – это значение напряжения, которое считается предельно приемлемым при вычислении размеров поперечного сечения элемента, рассчитываемого на заданную нагрузку. Можно говорить о допускаемых напряжениях растяжения, сжатия и сдвига. Допускаемые напряжения либо предписываются компетентной инстанцией (скажем, отделом мостов управления железной дороги), либо выбираются конструктором, хорошо знающим свойства материала и условия его применения. Допускаемым напряжением ограничивается максимальное рабочее напряжение конструкции.

При проектировании конструкций ставится цель создать конструкцию, которая, будучи надежной, в то же время была бы предельно легкой и экономной. Надежность обеспечивается тем, что каждому элементу придают такие размеры, при которых максимальное рабочее напряжение в нем будет в определенной степени меньше напряжения, вызывающего потерю прочности этим элементом. Потеря прочности не обязательно означает разрушение. Машина или строительная конструкция считается отказавшей, когда она не может удовлетворительно выполнять свою функцию. Деталь из пластичного материала, как правило, теряет прочность, когда напряжение в ней достигает предела текучести, так как при этом из-за слишком большой деформации детали машина или конструкция перестает соответствовать своему назначению. Если же деталь выполнена из хрупкого материала, то она почти не деформируется, и потеря ею прочности совпадает с ее разрушением.

Запас прочности.

Разность напряжения, при котором материал теряет прочность, и допускаемого напряжения есть тот «запас прочности», который необходимо предусматривать, учитывая возможность случайной перегрузки, неточностей расчета, связанных с упрощающими предположениями и неопределенными условиями, наличия не обнаруженных (или не обнаружимых) дефектов материала и последующего снижения прочности из-за коррозии металла, гниения дерева и пр.

Коэффициент запаса.

Коэффициент запаса прочности какого-либо элемента конструкции равен отношению предельной нагрузки, вызывающей потерю прочности элемента, к нагрузке, создающей допускаемое напряжение. При этом под потерей прочности понимается не только разрушение элемента, но и появление в нем остаточных деформаций. Поэтому для элемента конструкции, выполненного из пластичного материала, предельным напряжением является предел текучести. В большинстве случаев рабочие напряжения в элементах конструкции пропорциональны нагрузкам, а поэтому коэффициент запаса определяется как отношение предела прочности к допускаемому напряжению (коэффициент запаса по пределу прочности). Так, если предел прочности конструкционной стали равен 540 МПа, а допускаемое напряжение – 180 МПа, то коэффициент запаса равен 3.

РАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ

В сопротивлении материалов большое внимание уделяется выводу соотношений между заданными нагрузками, размерами и формой элемента конструкции, несущего эти нагрузки или сопротивляющегося им, и напряжениями, возникающими в определенных сечениях элемента конструкции. Как правило, цель расчетов состоит в том, чтобы найти необходимые размеры элемента, при которых максимальное рабочее напряжение в нем не будет превышать допускаемого.

В элементарном курсе сопротивления материалов рассматривается ряд типичных случаев равномерного распределения напряжений: растянутые стержни, короткие сжатые стержни, тонкостенные цилиндры, работающие под давлением внутренней среды (котлы и резервуары), заклепочные и сварные соединения, температурные напряжения и такие статически неопределимые системы, как растянутые стержни из нескольких разных материалов.

Если напряжение одинаково во всех точках поперечного сечения, то S = P/A. Конструктор находит необходимую площадь поперечного сечения, поделив заданную нагрузку на допускаемое напряжение. Но нужно уметь отличать случаи, в которых напряжение действительно распределено равномерно, от других, сходных случаев, в которых этого нет. Необходимо также (как в задаче о заклепочных соединениях, в которых существуют напряжения и растяжения, и сжатия, и сдвига) находить плоскости, в которых действуют напряжения разного вида, и определять максимальные местные напряжения.

Тонкостенный цилиндр.

Такой резервуар выходит из строя (разрывается), когда напряжение растяжения в его оболочке становится равным пределу прочности материала. Формулу, связывающую толщину стенки t, внутренний диаметр резервуара D, напряжение S и внутреннее давление R, можно вывести, рассмотрев условия равновесия кольца, вырезанного из его оболочки двумя поперечными плоскостями, разделенными расстоянием L (рис. 4,а). Внутреннее давление действует на внутреннюю поверхность полукольца с направленной вверх силой, равной произведению RDL, а напряжения в двух горизонтальных концевых сечениях полукольца создают две направленные вниз силы, каждая из которых равна tLS. Приравнивая, получаем

RDL = 2tLS, откуда S = RD/2t.

Заклепочное соединение.

На рис. 4,б представлено двухзаклепочное соединение двух полос внахлестку. Такое соединение может выйти из строя из-за перерезывания обеих заклепок, разрыва одной из полос в том месте, где она ослаблена отверстием под заклепку, или из-за слишком больших напряжений смятия по площади соприкосновения заклепки с полосой. Напряжение смятия в заклепочном соединении вычисляется как нагрузка на одну заклепку, деленная на диаметр заклепки и на толщину полосы. Допускаемой для такого соединения принимается наименьшая из нагрузок, соответствующих допускаемым напряжениям трех указанных видов.

Вообще говоря, напряжение, действующее в поперечном сечении растянутого или короткого сжатого стержня, можно с полным основанием считать равномерно распределенным, если равные и противоположно направленные нагрузки приложены так, что равнодействующая каждой из них проходит через центр тяжести рассматриваемого поперечного сечения. Но нужно иметь в виду, что ряд задач (и к ним относится задача о напряжениях смятия в заклепочном соединении) решается в предположении о равномерном распределении напряжения, хотя это заведомо не соответствует действительности. Допустимость такого подхода проверяется опытным путем.

НЕРАВНОМЕРНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ

Многие элементы строений и детали машин нагружаются так, что напряжения во всех их поперечных сечениях распределены неравномерно. Чтобы вывести формулы для расчета напряжений в таких условиях, мысленно разрезают элемент плоскостью, которая дает нужное поперечное сечение, на две части и рассматривают условия равновесия одной из них. На эту часть действуют одна или несколько заданных внешних сил, а также силы, эквивалентные напряжениям в данном поперечном сечении. Действующие напряжения должны удовлетворять условиям равновесия и соответствовать деформациям. Эти два требования составляют основу для решения задачи. Второе из них подразумевает справедливость закона Гука. Типичными элементами с неравномерным распределением напряжений являются нагруженные балки, валы под действием скручивающих сил, растянутые или сжатые стержни с дополнительным изгибом и колонны.

БАЛКИ.

Балка – это длинный стержень с опорами и нагрузками, работающий в основном на изгиб. Поперечное сечение балки обычно одинаково по всей ее длине. Силы, с которыми опоры действуют на балку, называются реакциями опор. Наиболее распространены два вида балок: консольная (рис. 5,а) и балка с двумя опорами, называемая простой (рис. 5,б). Под действием нагрузок балка прогибается. При этом «волокна» на ее верхней стороне сокращаются, а на нижней – удлиняются. Очевидно, что где-то между верхней и нижней сторонами балки имеется тонкий слой, длина которого не изменяется. Он называется нейтральным слоем. Изменение длины волокна, расположенного между верхней (или нижней) стороной балки и ее нейтральным слоем, пропорционально расстоянию до нейтрального слоя. Если справедлив закон Гука, то напряжения тоже пропорциональны этому расстоянию.

Формула изгиба.

На основе указанного распределения напряжений, дополненного условиями статики, выведена т.н. формула изгиба, в которой напряжение выражается через нагрузки и размеры балки. Она обычно представляется в виде S = Mc/I, где S – максимальное напряжение в рассматриваемом поперечном сечении, c – расстояние от нейтрального слоя до наиболее напряженного волокна, M – изгибающий момент, равный сумме моментов всех сил, действующих по одну сторону от этого сечения, а I – момент инерции поперечного сечения (определенная функция формы и размеров последнего). Характер изменения нормальных напряжений в поперечном сечении балки показан на рис. 6.

В поперечных сечениях балок действуют также касательные напряжения. Их вызывает равнодействующая всех вертикальных сил, приложенных по одну сторону поперечного сечения горизонтальной балки. Сумма всех внешних сил и реакций, действующих на одну из двух частей балки, называется сдвигом в сечении балки и обычно обозначается через V. Касательные напряжения неравномерно распределены по сечению: они равны нулю на верхнем и нижнем краях сечения и почти всегда максимальны в нейтральном слое.

Прогиб балки.

Часто требуется рассчитать прогиб балки, вызванный действием нагрузки, т.е. вертикальное смещение точки, лежащей в нейтральном слое. Это очень важная задача, поскольку прогиб и кривизну балки нужно знать при решении задач, относящихся к широкому кругу т.н. статически неопределимых систем.

Еще в 1757 Л.Эйлер вывел формулу для кривизны изогнутой балки. В этой формуле кривизна балки выражается через переменный изгибающий момент. Чтобы найти ординату упругой кривой (прогиб), необходимо брать двойной интеграл. В 1868 О.Мор (Германия) предложил метод, основанный на эпюрах изгибающих моментов. Этот графоаналитический метод имеет огромное преимущество перед прежними методами, так как позволяет свести все математические вычисления к сравнительно простым арифметическим выкладкам. Он дает возможность вычислять прогиб и наклон в любой точке балки при любой нагрузке.

Статически неопределимые балки.

Многие балки, используемые в строениях и машинах, имеют более двух опор или только две опоры, но с заделкой одного из концов, исключающей возможность поворота. Такие балки называются статически неопределимыми, поскольку уравнений статики недостаточно для определения реакций в опорах и моментов в заделке. Чаще всего рассматриваются подобные балки трех типов: с одним заделанным (защемленным) концом и одной опорой, с заделанными обоими концами и неразрезные балки, имеющие более двух опор (рис. 7).

Первое решение задачи о неразрезных балках было опубликовано французским инженером Б. Клапейроном в 1857. Он доказал т.н. теорему о трех моментах. Уравнение трех моментов представляет собой соотношение между изгибающими моментами в трех последовательных опорах одной неразрезной балки. Например, в случае неразрезной балки с равномерной нагрузкой на каждом пролете это уравнение имеет вид

M_AL₁ + 2M_B (L₁ + L₂) + M_CL₂ = – (W₁L₁³)/4 – (W₂L₂³)/4.

Здесь M_A, M_B и M_C – изгибающие моменты в трех опорах, L₁ и L₂ – длины левого и правого пролетов, W₁ – нагрузка на левый пролет, а W₂ – нагрузка на правый пролет. Нужно написать такое уравнение для каждой пары смежных пролетов, а затем решить полученную систему уравнений. Если число пролетов равно n, то число уравнений будет равно n – 1.

В 1930 Х.Кросс опубликовал свой метод расчета широкого круга статически неопределимых рам и неразрезных балок. Его «метод распределения моментов» позволяет обходиться без решения систем уравнений, сводя все вычисления к сложению и вычитанию чисел.

НАПРЯЖЕНИЕ ПРИ КРУЧЕНИИ.

Если к концам вала приложены равные, но противоположно направленные внешние скручивающие моменты, то во всех его поперечных сечениях существуют только касательные напряжения, т.е. напряженное состояние в точках скручиваемого стержня представляет собой чистый сдвиг. В круговом поперечном сечении вала деформации сдвига и касательные напряжения равны нулю в центре и максимальны на краю; в промежуточных точках они пропорциональны расстоянию от центра тяжести сечения. Обычная формула для максимального касательного напряжения при кручении такова: S = Tc/J, где T – скручивающий момент на одном конце, c – радиус вала и J – полярный момент сечения. Для круга J = pr⁴/2. Эта формула применима только в случае кругового поперечного сечения. Формулы для валов с поперечным сечением другой формы выводятся путем решения соответствующих задач методами математической теории упругости с привлечением в некоторых случаях методов экспериментального анализа.

СЛОЖНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ.

Нередко приходится рассчитывать балки, на которые в дополнение к поперечным нагрузкам действуют продольные силы растяжения или сжатия, приложенные к концам. В таких случаях напряжение в любой точке поперечного сечения равно алгебраической сумме нормального напряжения, создаваемого продольной нагрузкой, и изгибного напряжения, создаваемого поперечными нагрузками. Общая формула для напряжения в случае совместного действия изгиба и растяжения-сжатия такова: S = ± (P/A) ± (Mc/I), где знак «плюс» относится к растягивающему напряжению.

КОЛОННЫ.

Каркасы зданий и фермы мостов состоят в основном из растянутых стержней, балок и колонн. Колонны – это длинные сжатые стержни, примером которых в каркасах зданий могут служить вертикальные стержни, несущие межэтажные перекрытия.

Если длина сжатого стержня более чем в 10–15 раз превышает его толщину, то под действием критических нагрузок, приложенных к его концам, он, потеряв устойчивость, изогнется, даже если нагрузки номинально приложены по его оси (продольный изгиб). Вследствие такого изгиба нагрузка оказывается внецентренной. Если эксцентриситет в среднем поперечном сечении колонны равен D, то максимальное сжимающее напряжение в колонне будет равно (P/A) + (PDc/I). Отсюда видно, что допускаемая нагрузка для колонны должна быть меньше, чем для короткого сжатого стержня.

Формулу для устойчивости гибких колонн вывел в 1757 Л.Эйлер. Максимальная нагрузка P, которую может нести гибкая колонна высотой L, равна mEA /(L/r)², где m – постоянный множитель, зависящий от конструкции основания, A – площадь поперечного сечения колонны, а r – наименьший радиус инерции поперечного сечения. Отношение L/r называется гибкостью (при продольном изгибе). Как нетрудно видеть, допускаемая нагрузка быстро убывает с увеличением гибкости колонны. В случае колонн с малой гибкостью формула Эйлера непригодна, и конструкторы вынуждены пользоваться эмпирическими формулами.

В строениях часто встречаются внецентренно нагруженные колонны. В результате точного теоретического анализа таких колонн были получены «формулы секанса». Но расчеты по этим формулам весьма трудоемки, а потому часто приходится прибегать к эмпирическим методам, дающим хорошие результаты.

СЛОЖНЫЕ НАПРЯЖЕННЫЕ СОСТОЯНИЯ

Напряжение в какой-либо точке той или иной плоскости нагруженного тела, вычисленное по обычным формулам, не обязательно будет наибольшим в этой точке. Поэтому важное значение имеет вопрос о соотношениях между напряжениями в разных плоскостях, проходящих через одну точку. Такие соотношения являются предметом раздела механики, посвященного сложным напряженным состояниям.

Соотношения между напряжениями.

Напряженное состояние в некоторой точке любого нагруженного тела можно полностью охарактеризовать, представив напряжения, действующие на грани элементарного куба в этой точке. Часто встречаются случаи, к которым относятся и рассмотренные выше, двухосного (плоского) напряженного состояния с напряжениями, равными нулю, на двух противоположных гранях куба. Напряжения, существующие в точке тела, неодинаковы в плоскостях с разным наклоном. Исходя из основных положений статики, можно сделать ряд важных выводов о соотношении между напряжениями в разных плоскостях. Приведем три из них:

1. Если в некоторой точке заданной плоскости имеется касательное напряжение, то точно такое же напряжение имеется в проходящей через эту точку плоскости, перпендикулярной заданной.

2. Существует плоскость, в которой нормальное напряжение больше, чем в любой другой.

3. В плоскости, перпендикулярной этой плоскости, нормальное напряжение меньше, чем в какой-либо другой.

Максимальное и минимальное нормальные напряжения, о которых говорится в п. 2 и 3, называются главными напряжениями, а соответствующие плоскости – главными плоскостями.

Необходимость в анализе главных напряжений на основе указанных соотношений не всегда возникает, так как простые формулы, которыми обычно пользуются инженеры, в большинстве случаев дают именно максимальные напряжения. Но в некоторых случаях, например при расчете вала, сопротивляющегося одновременно скручивающему и изгибающему моментам, нельзя обойтись без соотношений для сложного напряженного состояния.

БОЛЕЕ СЛОЖНЫЕ ЗАДАЧИ

В задачах, о которых говорилось выше, рассматривались напряжения либо равномерно распределенные, либо линейно меняющиеся с удалением от нейтральной оси, где напряжение равно нулю. Однако во многих случаях закон изменения напряжения более сложен.

В качестве примера задач с нелинейным распределением напряжений можно привести искривленные балки, толстостенные сосуды, работающие под высоким внутренним или наружным давлением, валы некругового поперечного сечения и нагруженные тела с резкими изменениями поперечного сечения (канавками, буртиками и т. д.). Для таких задач рассчитываются коэффициенты концентрации напряжений.

Кроме того, выше речь шла только о статических нагрузках, постепенно прилагаемых и снимаемых. Переменные же и периодически меняющиеся нагрузки, многократно повторенные, могут приводить к потере прочности, даже если они не превышают статического предела прочности рассматриваемого материала. Такие отказы называются усталостными, а проблема их предотвращения приобрела важное значение в наш век машин и механизмов, работающих на необычайно высоких скоростях. См. также СТАТИКА; ПРОЧНОСТНОЙ РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИЙ; КОНСТРУКЦИОННЫЕ И СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ.

15.Напряжения. Виды напряжения, виды деформации. Правила знаков. Примеры расчета плоского напряженного состояния.

Напряжением называется интенсивность действия внутренних сил в точке тела, то есть, напряжение — это внутреннее усилие, приходящееся на единицу площади. По своей природе напряжение — это поверхностная нагрузка, возникающая на внутренних поверхностях соприкасания частей тела.

 Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием приложенных сил.

Напряжением называется отношение действующего усилия к площади поперечного сечения тела или образца σ = P/F.     В зависимости от направления действия силы нормальные напряжения подразделяют на растягивающие и сжимающие. Различают временные и остаточные напряжения.     Временные напряжения возникают под действием внешней нагрузки и исчезают после ее снятия, остаточные — остаются в теле после прекращения действия нагрузки.

Если после прекращения действия внешних сил изменения формы, структуры и свойств тела полностью устраняются, то такая деформация называется упругой.

При возрастании напряжений выше предела упругости деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации, оставшаяся часть называется пластической деформацией.

Норм напряжение:

Составляющая напряжений, направленных по нормали к площадке ее действия.

Касат напряжение:

Составляющая напряжений, лежащих в плоскости сечения.

Правила знаков:

Нормальные напряжения σ принимаются положительными (т.е. σ>0), если они растягивают выделенный элемент бруса.

Касательные напряжения τ принимаются положительными (т.е. τ>0), если они стремятся повернуть рассматриваемый элемент бруса по ходу часовой стрелки.

При растяжении-сжатии

Внутренняя продольная сила N, которая стремится растянуть рассматриваемую частьбруса, считается положительной. Сжимающая продольная сила имеет отрицательный знак.

При кручении

Внутренний скручивающий момент T считается положительным, если он стремится повернуть рассматриваемую часть бруса против хода часовой стрелки, при взгляде на него со стороны внешней нормали.

При изгибе

Внутренняя поперечная сила Q считается положительной, в случае, когда она стремится повернуть рассматриваемую часть бруса по ходу часовой стрелки.

Внутренний изгибающий момент M положителен, когда он стремится сжать верхние волокна бруса.

Деформация при растяжении-сжатии Δ

l считается положительной, если длина стержняпри этом увеличивается.

При плоском поперечном изгибе

Вертикальное перемещение сечения бруса принимается положительным, если оно направлено вверх от начального положения.

Правило знаков при составлении уравнений статики

— для проекций сил на оси системы координат

Проекции внешних сил на оси системы координат принимаются положительными, если их направление совпадает с положительным направлением соответствующей оси.

— для моментов

Сосредоточенные моменты и моменты сил в уравнениях статики записываются с положительным знаком, если они стремятся повернуть рассматриваемую систему против хода часовой стрелки.

Правило знаков при составлении уравнений статики для неподвижных систем

При составлении уравнений равновесия статичных (неподвижных) систем (например, приопределении опорных реакций), последние два правила упрощаются до вида:

Проекции сил и моменты, имеющие одинаковое направление принимаются положительными, а соответственно проекции сил и моменты обратного направления – отрицательными.

ПЛОСКОЕ НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ

Если все векторы напряжений параллельны одной и той же плоскости, напряженное состояние называется плоским (рис. 1). Иначе: напряженное состояние является плоским, если одно из трех главных напряжений равно нулю.

Рисунок 1.

Плоское напряженное состояние реализуется в пластине, нагруженной по ее контуру силами, равнодействующие которых расположены в ее срединной плоскости (срединная плоскость — плоскость, делящая пополам толщину пластины).

Направления напряжений на рис. 1 приняты за положительные. Угол α положителен, если он откладывается от оси х к оси у. На площадке с нормалью n:

(1)

при .

Нормальное напряжение σ_n положительно, если оно растягивающее. Положительное напряжение показано на рис. 1. Правило знаков дляпо формуле (1) то же самое, что для напряженийпо формуле (1).

Данное здесь правило знаков относится к наклонным площадкам. В статье «Объёмное напряженное состояние» сформулировано правило знаков для компонентов напряжений в точке, т. е. для напряжений на площадках, перпендикулярных осям координат. Это правило знаков принято в теории упругости.

Главные напряжения на площадках, перпендикулярных плоскости напряжений:

(2)

(Поскольку здесь рассматриваются только два главных напряжения, они обозначены через σ₁ и σ₂, хотя может оказаться, что σ₂<0, т. е. σ₂ не будет средним из трех главных напряжений). Угол α₁ составляемый нормалью к первой главной площадке с осью х, находится из равенства:

(3)

Наибольшее  и  наименьшее  касательные напряжения

(4)

Эти напряжения действуют на площадках, расположенных под углом 45° к первой и второй главным площадкам.

Если главные напряжения σ₁ и σ₂ имеют одинаковый знак, то наибольшее касательное напряжение действует на площадке, расположенной под углом 45° к плоскости напряжений (плоскости ху). В этом случае:

В стенке балки (здесь имеется в виду обычная балка, а не балка-стенка)  при ее изгибе силами реализуется частный случай плоского напряженного состояния. В стенках балки одно из нормальных напряжений σ_y равно нулю. В этом случае напряжения получатся по формулам (1), (2) и (4), если в этих формулах положить σ_y=0. Положение первой главной площадки определяется формулой (3).

РАСТЯЖЕНИЕ ПО ДВУМ НАПРАВЛЕНИЯМ (рис 2):

Рисунок 2.

При σ₁>0 и σ₂<0 

При σ₁>0 и σ₂>0 

При σ

1<0 и σ₂<0 

ЧИСТЫЙ СДВИГ (рис. 3)

Ток и напряжение. Виды и правила.

Работа и характеристики

Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.

Условно напряжение обозначается буквой

«U». Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.

Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х10¹⁸ электронов.

Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока:

• Постоянное напряжение. Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
• Переменное напряжение. Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:
  — амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;
  — мгновенное напряжение, которое выражается в определенный момент времени;
  — действующее напряжение, определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
  — средневыпрямленное напряжение, определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.

При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением, а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением. Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.

Электрический ток

Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Условно считается, что ток в электрической цепи течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.

Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.

Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, батареях, солнечных элементах и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться осциллографом. На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.

Ток и напряжение подчиняются правилам:

• Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
• В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
• Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I. Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.

Характеристика электрического тока

Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.

По такому принципу действуют все защиты и выключатели в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.

В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, кабелей, проводов и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:

• Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
• Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
• Полупроводниках, вследствие движения носителей заряда.

Условия возникновения электрического тока:

• Нагревание проводников (не сверхпроводников).
• Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
• Химическая реакция с выделением новых веществ.
• Воздействие магнитного поля на проводник.

Формы сигнала тока:

• Прямая линия.
• Переменная синусоида гармоники.
• Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
• Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.

Виды работы электрического тока:

• Световое излучение, создающееся приборами освещения.
• Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
• Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
• Создание электромагнитного излучения.

Отрицательные явления, вызываемые электрическим током:

• Перегрев контактов и токоведущих частей.
• Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
• Электромагнитные излучения во внешнюю среду.

Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.

Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:

• Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
• Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.

Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.

Электрический ток в металлах

Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.

При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.

Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.

Похожие темы:

• Фаза и ноль. Работа и измерения. Особенности
• Закон Ома. Для цепей и тока. Формулы и применение
• Ток короткого замыкания. Виды и работа. Применение и особенности
• Мощность электрического тока. Виды и работа. Особенности
• Пусковой ток. Типы и работа. Применение и особенности
• Качество электроэнергии. Показатели и характеристики. Факторы

Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Подключение высоковольтного кабеля

Напряжение — это то, что заставляет двигаться электрические заряды. Это «толчок», который заставляет заряды двигаться в проводе или другом электрическом проводнике. Его можно представить как силу, толкающую заряды, но это не сила. Напряжение может вызывать движение зарядов, а поскольку движущиеся заряды представляют собой ток, напряжение может вызывать ток.

Разность электрических потенциалов — это истинный научный термин, но обычно его называют напряжением. Неофициально напряжение или разность электрических потенциалов иногда называют «разницей потенциалов». Напряжение также называют, в определенных обстоятельствах, электродвижущей силой (ЭДС).

Напряжение — это разность электрических потенциалов, разность электрических потенциалов между двумя точками. Единицей измерения разности электрических потенциалов, или напряжения, является вольт. Вольт назван в честь Алессандро Вольта. Один вольт равен одному джоулю на кулон. Символ единицы вольт пишется с заглавной буквы V, как в (9V). Согласно правилам Международной системы единиц, обозначение единицы с названием, производным от имени собственного человека, является прописным.

Обратите внимание, что вольт и вольт это две разные вещи. Вольт — это единица измерения чего-либо. Мы измеряем и электрический потенциал, и напряжение, а единицей измерения обоих является вольт. Символ единицы вольт записывается буквой V (9 вольт или 9 вольт). Когда в формуле используется напряжение, его можно набрать курсивом, например, V=9V{\displaystyle V=9\,{\text{V}}}, или написать курсивом. Если есть только один буквенный символ, можно использовать строчную букву v, например, напряжение = ток × сопротивление {\ displaystyle {\ text {voltage}} = {\ text {current}} \ times {\ text { сопротивление}}} или v=ir{\displaystyle {\text{v}}={\text{ir}}}. Инженеры-электрики используют символ e {\ displaystyle e} для обозначения напряжения, например, e = ir {\ displaystyle e = ir}, чтобы сделать разницу между напряжением и вольтами очень четкой.

Технически напряжение представляет собой разность электрических потенциалов между двумя точками и всегда измеряется между двумя точками. например между положительным и отрицательным концами батареи, между проводом и землей или между проводом или точкой цепи и точкой в ​​другой части цепи. В повседневном использовании с домашним электричеством в США напряжение чаще всего составляет 120 В. Это напряжение измеряется от электрического провода до земли.

Обратите внимание, что должны быть оба напряжения и ток для передачи мощности (энергии). Например, на проводе может быть высокое напряжение, но пока он не подключен, ничего не произойдет. Птицы могут садиться на высоковольтные линии, такие как 12 кВ и 16 кВ, не умирая, потому что ток не протекает через птицу.

Существует два типа напряжения: напряжение постоянного тока и напряжение переменного тока. Напряжение постоянного тока (напряжение постоянного тока) всегда имеет одну и ту же полярность (положительную или отрицательную), например, в батарее. Напряжение переменного тока (напряжение переменного тока) чередуется между положительным и отрицательным. Например, напряжение в настенной розетке меняет полярность 60 раз в секунду (в Америке) или 50 раз в секунду (Великобритания и Европа). Постоянный ток обычно используется для электроники, а переменный ток — для двигателей.

Содержание

• 1 Определение
• 2 Напряжение заземления
• 3 Измерительные инструменты
• 4 Разность потенциалов

Напряжение — это изменение электрического потенциала между двумя точками
или изменение электрической потенциальной энергии на кулон между двумя точками.

V = Δ(EPE/q)=(EPE/q)2−(EPE/q)1{\displaystyle V=\Delta(EPE/q)=(EPE/q)_{2}-(EPE /q)_{1}}

Где В = Напряжение, EPE = Потенциальная электрическая энергия, q = заряд, ∆ = разница в.

Напряжение всегда измеряется между двумя точками, одна из которых часто называется «землей» или точкой нулевого напряжения (0 В). В большинстве электрических установок переменного тока имеется заземление. Соединение с реальной землей осуществляется через водопроводную трубу, заземляющий стержень, закопанный или вбитый в землю, или удобный металлический проводник (не газовую трубу), закопанный под землю. Это подключение осуществляется в месте ввода электросети в здание, на каждом столбе, где есть трансформатор на улице (часто на электрическом столбе), и в других местах системы. Вся планета Земля используется в качестве точки отсчета для измерения напряжения. В здании это заземление подводится к каждому электроприбору по двум проводам. Одним из них является «заземляющий проводник» (зеленый или оголенный провод), который используется в качестве защитного заземления для соединения металлических частей оборудования с землей. Другой используется в качестве одного из электрических проводников в цепях системы и называется «нейтральным проводником». Этот провод, находящийся под потенциалом земли, замыкает все цепи, проводя ток от любого электрооборудования обратно к точке ввода системы в здания, а затем к трансформатору, обычно находящемуся на улице. Во многих местах за пределами зданий становится ненужным иметь провод для замыкания цепей и передачи тока от зданий к генераторам. Обратный путь, несущий весь ток назад, — это сама земля.

В цепях постоянного тока отрицательный конец генератора или батареи часто называют «землей» или точкой нулевого напряжения (0 В), даже если соединение с землей может быть, а может и не быть. На одной и той же печатной плате (PCB) может быть несколько заземлений, например, с чувствительными аналоговыми цепями, эта часть схемы может использовать «аналоговое заземление», а цифровая часть — «цифровое заземление».

В электрооборудовании точкой 0 В может быть металлическое шасси, называемое заземлением шасси, или соединение с реальным заземлением, называемое заземлением, каждый из которых имеет свой собственный символ, используемый на чертежах электрических схем (схемных чертежах).

Некоторыми инструментами для измерения напряжения являются вольтметр и осциллограф.

Вольтметр измеряет напряжение между двумя точками и может работать в режиме постоянного или переменного тока. Вольтметр может измерять, например, постоянное напряжение батареи (обычно 1,5 В или 9 В) или переменное напряжение от сетевой розетки на стене (обычно 120 В).

Для более сложных сигналов можно использовать осциллограф для измерения постоянного и/или переменного напряжения, например, для измерения напряжения на динамике.

Напряжение или разность потенциалов от точки а до точки b — это количество энергии в джоулях (в результате действия электрического поля), необходимое для перемещения 1 кулона положительного заряда из точки а в точку b. При отрицательном напряжении между точками а и b требуется 1 кулон энергии для перемещения отрицательного заряда из точки а в точку b. Если вокруг заряженного объекта имеется однородное электрическое поле, отрицательно заряженные объекты будут притягиваться к более высоким напряжениям, а положительно заряженные объекты будут притягиваться к более низким напряжениям. Разность потенциалов/напряжение между двумя точками не зависит от пути, по которому нужно добраться из точки а в точку б. Таким образом, напряжение от a до b + напряжение от b до c всегда будет равно напряжению от a до c.

Типы электрических сетей и напряжения

• Центр поддержки
• Замечания по применению
• Типы электрических сетей и напряжения

На этой странице описаны различные типы коммунальных электросетей и напряжения питания. Перечисленные ниже номинальные напряжения питания системы могут варьироваться в пределах ±10 % и более. Модели счетчиков WattNode ^® доступны в семи различных версиях, которые охватывают весь диапазон типов электрических сетей и напряжений. Новый широкодиапазонный Modbus WattNode охватывает 100–600 В переменного тока, схему «звезда» и «треугольник», однофазные и трехфазные сети с одной моделью. Счетчики и трансформаторы тока предназначены для использования в системах с частотой 50 или 60 Гц.

Классификация электрических служб

Системы распределения электроэнергии переменного тока можно классифицировать по следующим свойствам:

• Частота: 50 Гц или 60 Гц
• Количество фаз: одна или три фазы
• Количество проводов: 2, 3 или 4 (не считая защитного заземления)
• Нейтральный присутствует:
  • Звезда соединенные системы имеют нейтраль
  • Системы, подключенные к треугольнику , обычно не имеют нейтрали
• Классы напряжения: (ANSI C84. 1-2016)
  • Низкое напряжение: 1000 вольт или менее
  • Среднее напряжение: более 1000 вольт и менее 100 кВ
  • Высокое напряжение: более 100 кВ и равное или менее 230 кВ
  • Сверхвысокое напряжение : более 230 кВ, но менее 1000 кВ
  • Сверхвысокое напряжение : равное или более 1000 кВ

 

Напряжение фаза-нейтраль	Междуфазное напряжение по схеме «звезда» или «треугольник»
120	208
120 1	240
230	400
240	415
277	480
347	600

• Линейные напряжения в трехфазных системах обычно в 1,732 раза больше фазных напряжений:
• В симметричной трехфазной электрической системе фазные напряжения должны быть равными, если нагрузка сбалансирована.
• Примечание: 120 ¹ Относится к трехфазной четырехпроводной схеме треугольника.

 

Общие электрические сети и нагрузки

• На следующих рисунках символы катушек представляют собой вторичную обмотку трансформатора коммунального обслуживания или другого понижающего трансформатора. Правила электротехнического кодекса в большинстве юрисдикций требуют, чтобы нейтральный проводник был соединен (подключен) с заземляющим заземлением на вводе электрических служб.

 

Однофазная Трехпроводная

Также известная как система Эдисона, двухфазная или с отводом от середины нейтрали. Это самая распространенная услуга по месту жительства в Северной Америке. Линия 1 к нейтрали и Линия 2 к нейтрали используются для питания 120-вольтового освещения и штекерных нагрузок. Линия 1–линия 2 используется для питания однофазных нагрузок 240 В, таких как водонагреватель, электрическая плита или кондиционер.

Трехфазная, четырехпроводная, звездообразная

Наиболее распространенной системой электроснабжения коммерческих зданий в Северной Америке является сеть 120/208 В, которая используется для питания 120-вольтовых штепсельных нагрузок, освещения и небольших систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. На более крупных объектах напряжение составляет 277/480 вольт и используется для питания однофазного освещения 277 вольт и более крупных нагрузок HVAC. В западной Канаде распространено 347/600 В.

Трехфазный, трехпроводной, треугольник

Используется в основном на промышленных объектах для подачи питания на трехфазные нагрузки двигателя, а также в системах распределения электроэнергии. Типичными являются номинальные рабочие напряжения 240, 400, 480, 600 и выше.

Загрузить: Типы электрических сетей и напряжение (AN-129) (PDF, 3 страницы)

Необычные электрические сети

Три фазы, четыре провода, треугольник

Также известна как система с высоким или диким треугольником. Используется на старых производственных предприятиях с в основном трехфазными двигателями и некоторыми однофазными осветительными и штепсельными нагрузками на 120 вольт. Подобно трехфазному трехпроводному треугольнику, описанному выше, но с центральным отводом на одной из обмоток трансформатора для создания нейтрали для однофазных нагрузок 120 вольт. Двигатели подключаются к фазам A, B и C, а однофазные нагрузки подключаются либо к фазе A, либо к C и к нейтрали. Фаза B, высокая или дикая ветвь, не используется, так как напряжение на нейтраль составляет 208 вольт.

Трехфазный, двухпроводной, с заземлением в углу, треугольник

Используется для снижения затрат на электропроводку за счет использования служебного кабеля только с двумя изолированными проводниками, а не с тремя изолированными проводниками, которые используются в традиционном трехфазном служебном входе.

International Electrical Distribution Systems

Описание	Л–Н Вакуумный	Л–Л вакуум	стран	Модели WattNode (звезда или треугольник–напряжение)
1-фазный, 2-проводной 120 В с нейтралью	120	–	США	3Y-208
1-фазный, 2-проводной 230 В с нейтралью	230	–	ЕС, Другие	3Y-400
1-фазный, 2-проводной 208 В (без нейтрали)	–	208	США	3D-240
1-фазный, 2-проводной 240 В (без нейтрали)	–	240	США	3D-240
1-фазный, 3-проводной 120/240 В	120	240	США	3Y-208
3-фазный, 3-проводной, 208 В, треугольник (без нейтрали)	–	208	США	3D-240
3-фазный, 3-проводной, 230 В, треугольник (без нейтрали)	–	230	Норвегия	3D-240
3-фазный, 3-проводной, 400 В, треугольник (без нейтрали)	–	400	ЕС, Другие	3D-400
3-фазный, 3-проводной, 480 В, треугольник (без нейтрали)	–	480	США	3D-480
3-фазный, 3-проводной, 600 В, треугольник (без нейтрали)	–	600	США, Канада	нет 1
3 фазы, 4 провода 208Y/120 В	120	208	США	3Y-208, 3D-240
3 фазы, 4 провода 400Y/230 В	230	400	ЕС, Другие	3Y-400, 3D-400
3 фазы, 4 провода 415Y/240 В	240	415	Австралия	3Y-400, 3D-400
3 фазы, 4 провода 480Y/277 В	277	480	США	3Y-480, 3D-480
3 фазы, 4 провода 600Y/347 В	347	600	США, Канада	3Y-600
3-фазный 4-проводной треугольник 120/208/240 Свободная фаза	120, 208	240	США	3D-240
3-фазный 4-проводной, треугольник, 240/415/480, дикая фаза	240, 415	480	США	3D-480
3-фазный треугольник с заземлением на угол 208/240	–	240	США	3D-240
3-фазный треугольник с заземлением на угол 415/480	–	480	США	3D-480

• ¹ Используя трансформаторы напряжения (PT), счетчики WattNode могут измерять услуги дельта 600 вольт, а также услуги среднего и высокого напряжения.

Вопросы

• 3Y-600 и 3D-600 появляются в США или только в Канаде?
  • Да, сети 600 вольт по схеме «звезда» и «треугольник» используются в обеих странах, но в США они менее распространены.
• Какие услуги используются в Канаде?
  • В основном 208Y/120 вольт и 600Y/347 вольт, соединенных звездой, а иногда и треугольником 600 вольт.

 

См. также

• Цепи треугольника с заземлением на угол
• Четырехпроводные схемы треугольника
• Использование трансформаторов напряжения
• Двухфазное электроснабжение

Разница между классами высокого, среднего и низкого напряжения

Напряжения, разделенные на классы 

Высокое, среднее и низкое напряжение — это термины, которые мы чаще всего слышим, когда говорим о классификации напряжения. С международной точки зрения эти классификации и диапазоны меняются в зависимости от того, где вы живете. В Соединенных Штатах Национальный электротехнический кодекс (NEC) и Национальная ассоциация производителей электрооборудования (NEMA) имеют руководящие принципы и стандарты, охватывающие все классификации напряжения. Американский национальный институт стандартов (ANSI) наблюдает за созданием, обнародованием и использованием тысяч руководств и стандартов, влияющих на бизнес. Каждая отрасль соответствует применимым нормам.

И код ANSI, и код NEC являются приобретаемыми публикациями. Электротехнический портал (EEP) предоставляет разбивку стандартов ANSI C84.1-1989. Этот документ делит напряжения на пять классификаций. Эти классификации можно объединить в следующие категории:

• Высокое (HV), сверхвысокое (EHV) и сверхвысокое напряжение (UHV) — от 115 000 до 1 100 000 В переменного тока
• Среднее напряжение (МВ) — от 2 400 до 69 000 В переменного тока
• Низкое напряжение (НН) — от 240 до 600 В переменного тока

Компания Generac выпустила информационный документ под названием «Обзор производства электроэнергии на месте среднего напряжения». Технический документ сравнивает NEC со стандартами ANSI. Он содержит следующие стандарты напряжения NEC:

• Высокое распределение — от 1000 до 4160 вольт
• Средние распределительные сети — от 50 до 1000 вольт
• Низкое распределение — от 0 до 49 вольт

Приведенные выше списки иллюстрируют классификацию изменений уровня напряжения в зависимости от органа управления. Generac заявляет, что генераторы с напряжением менее 600 вольт относятся к среднему напряжению, а генераторы с напряжением более 600 вольт считаются высоковольтными. Генераторы, вырабатывающие 4160 вольт, распространены во многих отраслях промышленности для больших двигателей, требующих высокого напряжения. Резервный генератор подает напряжение в отдельную сеть.

Стандартные напряжения генераторов: 4160 В переменного тока, 480 В переменного тока, 12 470 В переменного тока и 13 800 В переменного тока. Более высокие напряжения от генератора понижаются с помощью трансформаторов. Приведенный ниже контент предоставляет информацию по каждой категории информации.

ПРИМЕЧАНИЕ:
Содержимое этого документа предназначено только для информационных целей. Всегда консультируйтесь с сертифицированным специалистом при проектировании и работе с электрическим оборудованием. Никогда не работайте с цепями под напряжением и не выполняйте обязанности, для которых вы не квалифицированы.

Высокое, сверхвысокое и сверхвысокое напряжение

Высокие и сверхвысокие напряжения связаны с передачей питания от электростанции. Причиной передачи мощности на высоких и сверхвысоких уровнях напряжения является повышение эффективности. Меньший ток, сопровождающий передачу высокого напряжения, позволяет использовать более тонкие и легкие кабели. Это снижает затраты на строительство башни и линии электропередач. Диапазон высоких напряжений составляет от 115 000 до 230 000 В переменного тока, а диапазон сверхвысоких напряжений — от 345 000 до 765 000 В переменного тока.

Соединенные Штаты передают до 500 000 вольт по сети высокого напряжения. Для высокого напряжения требуются специальные коммутационные и распределительные панели. Комнаты управления имеют резервные возможности переключения. Ими можно управлять дистанционно или разместить в руководстве по обслуживанию и тестированию отдельных систем подачи. Подстанции обеспечивают пониженное напряжение, распределенное по локализованным участкам. Сверхвысокие напряжения — это напряжения от 765 000 до 1 100 000 В переменного тока. В Китае используется передача с самым высоким напряжением 800 000 В переменного тока. Сегодня они разрабатывают систему на 1 100 000 В переменного тока с использованием кабелей, рассчитанных на 1 200 000 В переменного тока.

Среднее напряжение и промышленность

Крупные промышленные комплексы и фабрики, которым требуется значительное количество энергии, часто используют средние напряжения питания. Электрический вариационный анализ показывает, что напряжение обратно пропорционально силе тока. Это означает, что при увеличении напряжения сила тока уменьшается для завершения операции.

Двигатели и электрооборудование, предназначенные для работы с более высоким напряжением, потребляют меньше электроэнергии и более экономичны в эксплуатации. Большинство первичных подстанций не получают более 35 000 В переменного тока от энергоснабжения. Первичная подстанция может подавать пониженную мощность на вторичную подстанцию ​​(подстанции) или в отдельное здание.

Вторичная подстанция распределяет мощность, полученную от первичной подстанции. Вторичные подстанции могут иметь понижающие трансформаторы для дальнейшего понижения мощности для распределения на панель управления для распределения по всему объекту. Подстанции обычно расположены в районах, которые могут обслуживать одно или несколько зданий на территории.

Алюминиевая компания Америки (ALCOA) Warrick Operations является примером крупной отрасли, потребляющей огромное количество энергии. Они расположены в Южной Индиане и могут похвастаться автономной электростанцией. Они вырабатывают электроэнергию за счет использования угольной электростанции, расположенной на реке Огайо. Они перерабатывают алюминиевые слитки в рулонные алюминиевые листы, которые используются на заводах, которым требуются алюминиевые банки. Слитки плавятся в больших электрических плавильных печах, а затем обрабатываются с помощью ряда операций, чтобы получить заготовку нужной толщины.

Любому заводу, использующему питание среднего напряжения для подстанции, требуется аварийный или резервный источник питания. Нередко можно увидеть генераторы, которые обеспечивают 13 800 В переменного тока. Блок питания идеально подходит для подстанций малого и среднего напряжения и вторичных подстанций. При должной поддержке генератора комплекс может продолжать работу при отключении электроэнергии. Предлагается в различных стилях дизайна, включая стационарные, звукопоглощающие корпуса и переносные устройства. Переносные устройства заключены в звукопоглощающие кожухи на прицепе, который тянет полуприцеп.

Низковольтное питание и средства управления

Низкое напряжение имеет несколько значений в электрическом/электронном мире. Общее практическое правило заключается в том, что все, что ниже 600 вольт, считается низким напряжением. Заводы, использующие автоматизацию, могут использовать несколько напряжений. Разделение использования электроэнергии на питание и управление помогает понять использование. Каждое подразделение выполняет критически важную для работы на заводе миссию. Оба должны работать на производство.

Поставка
Заводы, которым требуется питание среднего или высокого напряжения от электроэнергетики, могут иметь выделенную подстанцию. Эти подстанции снижают уровень напряжения и распределяют его по зданиям на всей территории.

Однако не все заводы требуют высокого или среднего напряжения. Некоторым требуется низкое напряжение 240, 480 или 600 В переменного тока от коммунальных служб. В этом случае мощность направляется непосредственно в распределительную систему завода.

Органы управления
Система или машина, использующая низкое напряжение для работы оборудования с более высоким напряжением, являются основой системы управления. Программируемый логический контроллер (ПЛК) является обычным явлением в этих системах. ПЛК получает входные данные от датчиков через входную часть ввода/вывода. Выходы рассчитываются и отправляются через секцию вывода ввода/вывода. И входы, и выходы имеют напряжение 12 или 12 В постоянного тока в зависимости от конструкции системы.

Выход может быть направлен на реле с катушкой постоянного тока и контактами переменного тока. Когда реле получает сигнал постоянного тока, его контакты замыкаются. Это подает питание на оборудование или компонент до тех пор, пока сигнал запуска не будет удален вводом/выводом.

Все фабрики требуют энергии. Когда отключается электроэнергия, промышленность останавливается без резервного генератора надлежащего размера.