Литература

1. В.Е. Китаев, Л.С. Шляпникова. «Электротехника с основами промышленной электроники».

2. «Электроника и основы электротехники» под ред. О.П. Глудкина, М. Высшая Школа 1993 г.

Предисловие.

Под электротехникой понимается область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей.

Составной частью электротехники является электроника, охватывающая исследование и разработку полупроводниковых и вакуумных приборов.

По назначению электротехника подразделяется на три основных направления:

энергетическое, технологическое и информационное.

Первое направление связано с получением, распределением и преобразованием электрической энергии.

Второе направление использует электрические и магнитные явления для проведения технологических процессов (сварка, плавка, электролиз, сушка и т.д.).

Третье направление занимается созданием и использованием различных систем управления вычислительной техники и связи.

1. Постоянный ток.

   1. Простейшая цепь постоянного тока с одним источником электрической энергии.

Простейшая электрическая цепь постоянного тока состоит из следующих основных элементов (рис. 1.1):

1. Источник электрической энергии;

2. Электроприёмник, также называемой нагрузкой цепи;

3. Соединительные провода или линии передач.

Р

ис. 1.1. Простейшая электрическая цепь.

В качестве источника электрической энергии применяются устройства, преобразующие механическую, химическую, тепловую, лучистую и другие виды энергии в энергию электрического тока. К их числу относятся: электрические генераторы, аккумуляторные батареи, гальванические элементы и т.д.

В дальнейшем для определенности будем называть все источники электрической энергии генераторами.

В качестве электроприемников применяются устройства, преобразующие электрическую энергию в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую и т.д. К их числу относятся электрические двигатели, электрические печи, лампы накаливания и т.д.

Соединительные провода создают внешнюю цепь генератора. Основной характеристикой генератора является его электродвижущая сила (ЭДС), Е измеряемая в вольтах. На схемах генератор обозначает кружком со стрелкой внутри него, указывающей направление действия ЭДС (см. рис. 1).

Под действием ЭДС генератора в замкнутой цепи возникает и поддерживается направленно движение электрических зарядов – электрический ток. Величина тока, протекающего по проводнику, определяется количеством электрических зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Если режим электрической цепи не измеряется во времени, то

I=

где – q – количество электрических зарядов, в кулонах;

– t – время в секундах.

Единицей измерения величины электрического тока является ампер

1[A]=

Если величина тока изменяется во времени, выражение записывается в дифференциальной форме:

i=

Под действием ЭДС генератора в замкнутой цепи возникает и поддерживается определенная разность потенциалов на его зажимах. Зажим с более высоким потенциалом называют положительным и обозначают знаком «+», а зажим с более низким потенциалом называют отрицательным и обозначают знаком «-». Направление электрического тока внутри генератора совпадает с направлением ЭДС, т.е. от зажима со знаком «минус» к зажиму со знаком «плюс (рис. 1.1.)

Во внешней цепи ток направлен от зажима (+) к зажиму (-), т.е. от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом. Элемент электрической цепи, в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую энергию, называют электрическим сопротивлением или резистором и обозначают через R. Каждый элемент электрической цепи обладает определенным электрическим сопротивлением, измеряемым в омах. Через все последовательно соединенные элементы цепи протекает один и тот же ток. Величина этого тока прямо пропорциональна ЭДС генератора и обратно пропорциональна сумме сопротивлений всех элементов цепи.

I= - закон Ома для всей цепи, (1)

где – R₀ –внутреннее сопротивление генератора, [Oм];

- R_л – сопротивление линий передач, [Ом];

- R – сопротивление нагрузки, [Ом];

- R_внеш = R_л + R – сопротивление внешней цепи, [Ом].

Выражение (1) можно переписать как

E=IR₀ + IR_л + IR (2)

Выражение (2) называется уравнением равновесия напряжений.

Часть ЭДС, которая затрачивается на преодоление внутреннего сопротивления генератора называется падением или потерей напряжения внутри генератора и обозначается через

∆U_г = IR₀ (3)

Остальная часть ЭДС затрачивается на преодоление сопротивления внешней цепи и называется напряжением на зажимах генератора или U_г, (зажимы А, В на рис. 1.1)

U_г= E - ∆ U_г = E – IR₀ (4)

Из выражения (1) следует, что при уменьшении сопротивления внешней цепи ток I увеличивается. Следовательно, возрастает падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора ∆U_г, что при постоянной ЭДС приводит в соответствии с выражением (4) к уменьшению напряжения на зажимах генератора.

Зависимость напряжения на зажимах генератора U_г от величины тока в цепи I называют внешней характеристикой генератора и представляют в виде графика (рис. 1.2).

I

Рис 1.2. Внешняя характеристика генератора.

Внутреннее сопротивление большинства генераторов, как правило, во много раз меньше сопротивления внешней цепи. Чем больше мощность генератора, тем меньше при прочих равных условиях его внутреннее сопротивление. Если R₀ << R_внеш, то можно пренебречь потерей напряжения внутри генератора и принять

U_г = Е

Так как генератор соединен с нагрузкой линией передач, имеющей сопротивление R_л, в ней также теряется часть напряжения. Потери напряжения в линии передач определяются по формуле

∆ U_л = IR_л

В связи с этим напряжение U на зажимах нагрузки (зажимы C, D на рис 1.1.)

U = U_г - ∆ Uл =E - ∆U_г - ∆U_л = Е – I (R₀+R_л)

При дальнейшем рассмотрении электрической цепи будем считать, что сопротивление линий передач пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки, т.е. R_л = 0, ∆U_Л =0 и U=U_г . При этом, внутреннее сопротивление генератора R₀ может учитываться или не учитываться в зависимости от постановки задачи.

Сопротивление металлического проводника зависит от его длины, площади поперечного сечения и электропроводящих свойств металла, из которого выполнен проводник

R = ρ

где – l– длина проводника, м;

- S – площадь поперечного сечения, мм²;

- ρ – удельное сопротивление проводника, Ом мм² /м.

Удельное сопротивление проводника численно равно сопротивлению проводника длинной 1м площадью поперечного сечения 1 мм² при температуре 20⁰С. Приведем значение удельных сопротивлений некоторых материалов:

Медь 0,0175

Алюминий 0,029

Вольфрам 0,056

Латунь 0,07-0,08

Сталь 0,13-0,025

Нихром 1,1

Хромаль 1,3

Фехраль 1,4

При увеличении температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а проводников второго рода (электролита, угля, графита) уменьшается.

Температурный коэффициент сопротивления α определяет относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1^oС. В диапазоне температур 0-100^o С для большинства металлов α ≈ 0,004 1/^oС. Значение сопротивления R₂ при температуре t^o₂ находится из значения его сопротивления R₁ при температуре t^o₁ по выражению

R₂ = R₁ ( 1 + α ( t^o₂ – t^o₁))

Величину, обратную удельному сопротивлению называют удельной электрической проводимостью γ

γ =

Проводниковые материалы подразделяют на две группы. К первой группе относятся материалы с низким удельным сопротивлением. Они применяются для изготовления проводников и токопроводящих участков различных электро- и радиотехнических устройств. Самое низкое удельное сопротивление имеет серебро и золото, однако их применение очень ограничено в связи с высокой стоимостью.

Самыми распространенными проводниковыми материалами являются медь и алюминий. Медь имеет низкое удельное сопротивление ( почти в два раза меньше, чем у алюминия) и хорошие механические свойства. Она используется для изготовления силовых кабелей и шин, обмоточных и монтажных проводов и контактных соединений.

Алюминий уступает меди по своим электрическим и механическим свойствам. Однако он характеризуется низкой стоимостью и гораздо меньшей плотностью, чем медь. Поэтому он является основным материалом для изготовления проводников воздушных ЛЭП.

Ко второй группе относятся материалы с высоким удельным сопротивлением. Манганин (сплав меди, марганца и никеля) имеет очень малый температурный коэффициент и используется для изготовления эталонов, магазинов сопротивлений, шунтов, добавочных резисторов к измерительным приборам.

Фехраль (сплав железа, хрома и алюминия) и константан (сплав меди и никеля) применяются в основном для изготовления резисторов, нихром (сплав никеля и хрома с добавление марганца) – для изготовления элементов нагревательных приборов.

Проводниковые (кабельные) изделия можно подразделить на обмоточные, монтажные и установочные провода, а также кабели. Обмоточные провода применяются для изготовления обмоток электрических машин и приборов. Их выпускают с жилами из меди, алюминия и сплавов с большим удельным сопротивлением (манганин, нихром и т.д.)

Монтажные провода и кабели предназначаются для различного рода соединений в электрических аппаратах, приборах и других электроустройствах. Жилы этих проводов выполняются из меди.

Установочные провода используют для распределения электроэнергии в силовых и осветительных сетях. Их выпускают с медными и алюминиевыми жилами (однопроволочными и многопроволочными).