Ф.И. Андреев

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Учебное пособие

Екатеринбург 2004

Министерство образования Российской Федерации

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет-УПИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Учебное пособие

по дисциплине «Теоретические основы электротехники»

для студентов заочной формы обучения в сокращенные сроки специальности

140610 - Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций

и учреждений

Екатеринбург 2004

УДК 621.3

Составитель Ф.И.Андреев

Научный редактор: проф., д.т.н. Л.Л. Богатырев

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ: Учебное пособие / Ф.И.Андреев. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2004. 116 с.

Учебное пособие предназначено для студентов заочной формы обучения в сокращенные сроки специальности 140610 - Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений, изучающих дисциплину «Теоретические основы электротехники».

В учебном пособии рассмотрены основные понятия теории электрических цепей; теория и методы расчета линейных электрических цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами в установившихся и переходных режимах при постоянных и гармонических воздействиях, линейные цепи при несинусоидальных периодических воздействиях, трехфазные цепи. Учебное пособие будет также полезно для студентов других форм обучения.

Библиогр.: 8 назв. Рис. 112. Табл. 7.

Ó ГОУ ВПО «Уральский государственный

технический университет-УПИ», 2004

Введение

Дисциплина «Теоретические основы электротехники» (ТОЭ) является важнейшей общепрофессиональной дисциплиной. Курс ТОЭ образует ту базу, на которой строится изложение последующих специальных технических курсов, определяющих теоретический уровень профессиональной подготовки инженеров.

Цель изучения дисциплины. Электротехника - это отрасль науки и техники, в которой теоретически изучаются и используются на практике различные свойства и проявления особого вида материи, называемого электромагнитным полем. Свойства этого вида материи находят применение при решении задач практической деятельности человека в области электроэнергетики и электроники.

Курс ТОЭ как базовый курс должен обеспечить комплексную подготовку будущего специалиста, а именно профессиональную подготовку, развитие творческих способностей, умение формулировать и решать на высоком научном уровне проблемы изучаемой специальности, умение творчески применять и самостоятельно повышать свои знания.

Именно в курсе ТОЭ вводятся основные профессиональные понятия, определения и термины, которые широко используются во всех последующих специальных курсах.

Дисциплина ТОЭ занимает промежуточное положение между общенаучными дисциплинами (математика, физика, информационно-вычислительная техника, техническая механика) и профилирующими учебными дисциплинами и создает теоретический фундамент для их освоения.

В результате изучения ТОЭ студент должен уметь использовать на практике методы расчета простейших электромагнитных цепей, методы анализа линейных и нелинейных электрических и магнитных цепей в установившихся и переходных режимах, методы сведения задач электротехники к типовыми вычислительным процедурам с последующим применением вычислительной техники, методы экспериментального исследования электромагнитных явлений с соблюдением безопасных приемов работы.

Основная задача электротехники - это производство и передача электромагнитной энергии, преобразование ее в другие виды энергии, например в механическую, тепловую или световую; в последнее время с ней связан круг задач с использованием электрических явлений для передачи и обработки информации (телеуправления, телеизмерения), автоматизации различных производственных процессов и многое другое.

Электромагнитные явления и устройства на их основе можно достаточно строго описать методами теории электромагнитного поля. В теории электромагнитного поля оперируют векторными величинами, такими как плотности токов, напряженности электрического и магнитного полей. Эта теория позволяет описать процессы в каждой точке электромагнитного поля с помощью дифференциальных уравнений в частных производных (уравнений Максвелла). Методы теории поля дают возможность рассмотреть в общем виде самые разнообразные явления в любых электрических устройствах. В то же время эти методы весьма сложны, трудоемки и на практике позволяют решить ограниченное число задач.

Для исследования широкого круга устройств можно применять упрощенные методы, так называемые методы теории цепей, основанные на замене реального устройства некоторой упрощенной моделью, процессы в которой описываются скалярными величинами - токами и напряжениями. Отдельные составные части (элементы) устройства при этом заменяют моделями, приближенно отражающими основные (в рамках решаемой задачи) свойства соответствующих элементов.

Разработка инженерных методов исследования процессов в электротехнических устройствах, основанных на замене этих устройств упрощенными моделями, составляет предмет теории цепей, изучаемой в данном пособии (разделы I, II, III). Однако методы теории электрических цепей вследствие принятых допущений и упрощений менее универсальны, чем методы теории поля, в частности, их нельзя применять на достаточно высоких частотах, когда длины волны электромагнитных колебаний становится соизмеримой с размерами исследуемого устройства, а также при исследовании процессов излучения электромагнитных волн; ограничено применение методов теории цепей в технике высоких напряжений, при определении параметров и построении упрощенных моделей различных элементов цепей. В этих случаях для исследования процессов, а также для оценки пределов применяемости результатов, полученных с помощью теории цепей, необходимо использовать методы теории электромагнитного поля.

Задачи изучения дисциплины. В результате изучения ТОЭ студент должен знать основные электромагнитные явления и их математическое описание в свете макроскопической теории электромагнитного поля и в свете теории электрических и магнитных цепей; должен уметь практически пользоваться: методами расчета простейших электромагнитных полей, методами анализа линейных и нелинейных электрических и магнитных цепей в установившихся и переходных режимах, методами сведения задач электротехники к типовым вычислительным процедурам с последующим применением вычислительной техники, методами экспериментального исследования электромагнитных явлений с соблюдением безопасных приемов работы.

Рекомендации по изучению дисциплины. Изучение дисциплины «Теоретические основы электротехники» основывается на знаниях, полученных из курсов «Физика» (разделы «Электростатика», «Постоянный ток», «Теория электромагнитного поля», «Электромагнит-ные явления», «Колебания и волны») и «Математика» (разделы «Математический анализ», «Дифференциальное и интегральное исчисление», «Линейная алгебра», «Теория функций комплексного переменного», «Преобразования Лапласа», «Вычислительная математика»). Эти знания в курсе ТОЭ расширяются и развиваются в направлении разработки методов анализа, расчета и экспериментального исследования явлений и процессов, протекающих в электрических и магнитных цепях, а также при изучении стационарных и переменных электромагнитных полей.

Терминология и буквенные обозначения в учебном пособии соответствуют ГОСТ 19880-74 и ГОСТ 1494-77. Единицы физических величин приведены по СТ СЭВ 1052-78.

При написании учебного пособия были частично использованы методические разработки кафедры «Теоретические основы электротехники» УГТУ-УПИ.