Оренбург245041

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

УДК 658.26:621311 (075.8) ББК 31.291я73

У74

Рецензент Бравичев С.Н., заведующий кафедрой «Электротехника»

Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук доцент.

Усенков Н.И.

У74 «Электротехника и электроника»: Учебное пособие. – Оренбург:

Всемирный технологический университет, Оренбургский филиал, 2008. – 90 с.

Изложены основные положения теории электрических цепей основ промышленной электроники и электрических измерений. Дано описание устройства и рабочих свойств трансформаторов, электрических машин постоянного и переменного тока.

Учебное пособие предназначено для изучения курса «Электротехника и электроника» студентами очно-заочной формы обучения факультета техники и технологий ВТУ, осуществляющих подготовку бакалавров по неэлектрическим направлениям и инженеров по неэлектрическим специальностям (направление «Защита окружающей среды»).

ББК 31.291я73

Усенков Н.И., 2008 ГОУ ВТУ, 2008

2

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

Содержание

1 Основные понятия и определения

1.1Общие сведения

1.2Резистивные элементы

1.3Индуктивный и емкостный элементы

1.4Источники постоянного напряжения

2 Электрические цепи постоянного тока

2.1Общие сведения

2.2Законы Кирхгофа

2.3Распределение потенциала вдоль электрической цепи

2.4Последовательное и параллельное соединения резистивных элементов

2.5Соединение резисторов треугольником и звездой

2.6Электрическая энергия и мощность

2.7Номинальные величины источников и приемников. Режимы работы электрических цепей

3 Линейные однофазные электрические цепи синусоидального тока

3.1Основные величины, характеризующие синусоидальные ток, напряжение и ЭДС

3.2Элементы электрических цепей синусоидального тока

3.3Расчет неразветвленной электрической цепи синусоидального тока

3.4Мощность в линейных цепях синусоидального тока

4 Трехфазные линейные электрические цепи синусоидального тока

4.1Трехфазный источник электрической энергии

4.2Анализ электрических цепей при соединении трехфазного источника и приемника по схеме «звезда» с нулевым проводом

4.3Соединение приемника по схеме «треугольник»

4.4Мощность трехфазной цепи

6 Электрические измерения и приборы

6.1Системы электрических измерительных приборов

6.2Основные характеристики электрических измерительных приборов

3

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

6.3 Измерение тока, напряжения и мощности

7 Электрические трансформаторы

7.1Общие сведения

7.2Принцип действия электрического трансформатора

7.3Работа электрического трансформатора в режиме холостого хода

7.4Опыт короткого замыкания

7.5Мощность потерь в трансформаторе

7.6 Автотрансформаторы

8 Электрические машины

8.1Общие сведения

8.2Вращающееся магнитное поле

8.3Асинхронные машины

8.4Синхронные машины

8.5Машины постоянного тока

9 Основы промышленной электроники

9.1Общие сведения

9.2Полупроводниковые диоды

9.3Выпрямители на полупроводниковых диодах

9.4Транзисторы

Рекомендуемая литература

4

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

1 Основные понятия и определения

1.1 Общие сведения

Электротехника – наука о практическом применении электрических

имагнитных явлений.

Впромышленности и в быту применяется разнообразное электрооборудование: двигатели, нагревательные и осветительные приборы

ит.д.

Электрическая энергия используется в средствах связи, в телевидении и радио, в ЭВМ, в системах водоснабжения, отопления, канализации и иных бытовых и технологических устройствах.

Механизация и автоматизация технологических процессов во многом зависит от уровня электрификации этих процессов.

Поэтому инженеры должны иметь понятие об основных процессах в электротехнических устройствах и знать их характеристики, чтобы квалифицированно применять на производстве электрические средства.

При работе любого электротехнического устройства через него проходит электрический ток, необходимым условием существования которого является наличие замкнутого контура – электрической цепи (ЭЦ).

Основными элементами ЭЦ являются источники и приемники электрической энергии (ЭЭ). Кроме этих элементов, ЭЦ содержит измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, провода.

Висточниках ЭЭ различные виды энергии преобразуются в электрическую.

Так, в генераторах электростанций в ЭЭ преобразуется энергия механическая, в гальванических элементах и аккумуляторах – химическая, в солнечных батареях – световая и т.д.

Вприемниках происходит обратный процесс – ЭЭ источников преобразуется в тепловую (нагревательные элементы), световую (электрические лампы), механическую (двигатели), химическую (электролизные ванны) и т.д.

Для теоретического анализа какой-либо ЭЦ ее изображают схемой –

графическим изображением ЭЦ с помощью условных обозначений.

Вкачестве примера простейшей ЭЦ рассмотрим ЭЦ карманного фонарика, в которой источником ЭЭ служит гальванический элемент (батарейка), а приемником ЭЭ – электрическая лампочка. Схема этой цепи изображена на рисунке 1, на которой стрелками указаны направление тока I (направление движения положительно заряженных частиц) и направления напряжений U на клеммах источника ЭЭ, и U 0 на его внутреннем

сопротивлении R0 (от плюса – к минусу). Направление ЭДС так же указывается стрелкой, только в направлении от минуса к плюсу.

5

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

I

E +

R0 U0

Рисунок 1 – Схема электрической цепи карманного фонарика

Приемники ЭЭ по характеру физических процессов, протекающих в них, делятся на три основных вида: резистивные, индуктивные и емкостные.

1.2 Резистивные элементы

В идеальных резистивных элементах (резисторах) вся ЭЭ необратимо преобразуется в другие виды энергии. Примеры резистивных элементов, близких к идеальным: лампы накаливания (ЭЭ необратимо преобразуется в световую и тепловую энергии), нагревательные элементы (ЭЭ необратимо преобразуется в тепловую), электродвигатели (ЭЭ необратимо преобразуется в механическую и тепловую энергии) и др.

Основной характеристикой резистивного элемента является его

вольтамперная характеристика (ВАХ).

где U – напряжение на выводах резистивного элемента, В; I – сила тока в нем, А.

Если эта зависимость линейная, то резистивный элемент называется линейным и выражение (1.1) имеет вид, известный как закон Ома:

где R – постоянная величина, называемая сопротивлением резистора, Ом.

Однако во многих случаях ВАХ резисторов является нелинейной. Для многих резисторов (нагревательные спирали, реостаты и др.) нелинейность ВАХ объясняется тем, что эти элементы – металлические проводники и электрический ток в них – есть ток проводимости (направленное движение - “дрейф” свободных электронов).

Дрейфу электронов препятствуют (оказывают сопротивление) колеблющиеся атомы, амплитуда колебаний которых определяется температурой проводника (температура – мера кинетической энергии атомов!).

При протекании тока, свободные электроны сталкиваются с атомами и еще более раскачивают их. Следовательно, температура проводника

6

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

возрастает, отчего увеличивается и его сопротивление R. Таким образом, сопротивление R зависит от тока R f (I ) и ВАХ нелинейна (рисунок1.2,

кривая а).

При изменении температуры в небольших пределах сопротивление

где R0, R – сопротивления проводников при температуре Т0, Т; Т0 – начальная температура проводника; Т – конечная температура проводника;

температурный коэффициент сопротивления.

U

а

б

U=f2 (I)

U=f1 (I) U=f3 (I) в

I

Рисунок 1.2 – Общий вид ВАХ металлического (а), полупроводникового (б),

иконстантанового (в) резистивных элементов

Убольшинства чистых металлов >0, что означает, что с повышением температуры сопротивление металлов увеличивается.

(таблица 1.1).

7

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

Таблица 1.1 – Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления некоторых материалов

В таблице 1.2 приведены условные графические обозначения резистивных элементов.

Таблица 1.2 – Условные обозначения резисторов

Для характеристики проводящих свойств различных материалов существует понятие объемного удельного электрического сопротивления.

Объемное удельное электрическое сопротивление V данного материала

равно сопротивлению между гранями куба с ребром 1 м в соответствии с формулой

где S – площадь поперечного сечения проводника, м2; l – длина проводника, м.

8

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

1.3 Индуктивный и емкостный элементы

Эти элементы имеют принципиальное отличие от резистивных элементов в том, что в них не происходит необратимого преобразования ЭЭ в другие виды энергии.

Поэтому, когда сопоставляют элементы по своему характеру, то резистивные элементы называют активными, а индуктивный и емкостный элементы реактивными.

Классическим примером индуктивного элемента является катушка, намотанная проводом на магнитопровод (сердечник). Примерами емкостного элемента являются конденсаторы плоские, цилиндрические, сферические и т.д.

Напряжение uL на идеальном индуктивном элементе связано с током iL в этом элементе формулой

где L – индуктивность элемента, Гн.

Для идеального емкостного элемента ток iC и напряжение uC выражаются идентичной формулой

где С – емкость элемента, Ф.

Из (1.5) и (1.6) следуют выводы:

-при постоянном токе ( iL =const) напряжение uL =0, вследствие чего и сопротивление индуктивного элемента на постоянном токе равно нулю;

-при постоянном напряжении ( uC = const ) ток iC =0, вследствие чего

сопротивление емкостного элемента на постоянном токе равно бесконечности.

Таким образом, идеальный индуктивный элемент пропускает постоянный ток без сопротивления, а идеальный емкостный элемент не пропускает постоянный ток.

Конденсаторы можно рассматривать как идеальные емкостные элементы. Однако катушки индуктивности часто имеют значительное резистивное сопротивление, и поэтому не могут рассматриваться в качестве идеальных индуктивных элементов.

Условное обозначение в схемах ЭЦ:

9

Усенков Н.И.. Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника»

1.4 Источники постоянного напряжения

Источник постоянного напряжения (ИПН) характеризуется следующими основными параметрами:

–электродвижущей силой (ЭДС) Е;

–внутренним сопротивлением R0 ;

–напряжением U на зажимах (полюсах) источника.

Схема ИПН с подключенным к нему приемником R изображена на рисунке 1.3,а.

Основной характеристикой ИПН является его ВАХ (внешняя характеристика) – зависимость напряжения U на его зажимах от тока I источника (прямая 1 на рисунке 1.3,б).

объясняется увеличением падения напряжения на внутреннем сопротивлении R0 источника (слагаемое R0 I в (1.7)).

Прямая 2 соответствует ВАХ идеального ИПН, у которого R0 =0.

Анализ (1.7) позволяет сделать выводы:

– при токе источника I =0 (холостой ход источника) напряжение источника равно его ЭДС: U E I 0 ;

–ЭДС источника – это его напряжение в режиме холостого хода;

–по известной ВАХ источника (рисунок 1.3,б) можно определить его внутреннее сопротивление по формуле:

–ЭДС источника (рисунок 1.3,а) можно измерить в режиме холостого хода вольтметром pV1 с относительно большим внутренним сопротивлением

где UV – напряжение на вольтметре.

10