Введение

Дисциплина «Электротехника и электроника» является одной из основных общетехнических дисциплин, необходимых для успешного освоения своей будущей профессии студентами, подготавливаемыми по неэлектротехнических направлениям.

При эксплуатации современного высокотехнологичного оборудования обслуживающему персоналу необходимо обеспечить высокую производительность машин и механизмов, надежное и безаварийное управление технологическими процессами. Для этого необходимы глубокие знания законов электромагнитных явлений, основных методов анализа электрических цепей и цепей электроники и умение применять их в новых технологиях, технологических процессах и электрооборудовании.

Глубокое изучение электротехнических дисциплин достигается выполнением практических заданий и решением задач по составлению схем замещения электроустановок, расчету электрических цепей в эксплуатационных и аварийных режимах работы, анализу режимов работы электроустановок, электрических машин и устройств электроники, используемых для управления технологическими процессами.

Поэтому наряду с изучением теоретических разделов дисциплины «Электротехника и электроника» студенты должны получить навыки расчетов токов, напряжений и мощностей в линейных и нелинейных цепях постоянного и переменного токов, при гармонических несинусоидальных воздействиях, работающих в установившихся и переходных режимах. Также необходимы навыки расчетов основных характеристик наиболее распространенных электромагнитных и электромеханических устройств, таких как трансформаторы, электродвигатели постоянного и переменного тока, работающих в нормальных и аварийных режимах.

При решении задач выполняются требования по разработке принципиальных схем электроустановок и их схем замещения, построению потенциальных и векторных диаграмм.

В пособии даны методические пояснения и приводятся примеры решения типовых задач по основным разделам дисциплины «Электротехника и электроника».

Материал учебного пособия может быть использован студентами очной формы обучения при выполнении расчетно-графических работ, а также при их подготовке к практическим занятиям, зачету или экзамену по дисциплине «Электротехника и электроника».

1. Линейные электрические цепи постоянного тока Элементы электрической цепи

Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные.

Элементы электрической цепи, не являющиеся источниками электрической энергии, называют пассивными.

Идеальным элементом, полностью рассеивающим электрическую мощность, является резистор. В соответствии с законом Джоуля-Ленца резистор преобразует электрическую энергию в тепловую. Зависимость напряжения от тока в таком элементе определяется законом Ома: U_R(I)=R I.

К активным элементам относятся источники электрической энергии. Деление источников электрической энергии на источники ЭДС и тока – условное.

Источник ЭДС характеризуется неизменным значением ЭДС E и внутренним сопротивлением R_ВН. Внутреннее сопротивление R_ВН такого источника электрической энергии существенно меньше сопротивления нагрузки R_Н (R_ВН«R_Н), и в режиме идеализированного источника ЭДС им можно пренебречь (R_ВН=0).

Источник тока характеризуется неизменной величиной тока J и внутренней проводимостью G_ВН. Внутреннее сопротивление R_ВН такого источника электрической энергии много больше сопротивления нагрузки R_Н. При G_ВН=0 источник тока называют идеализированным, у которого R_ВН→∞.

Зависимость напряжения между положительным и отрицательным выводами источника от его тока называют внешней характеристикой источника электрической энергии.

Внешняя характеристика реального источника электрической энергии математически описывается уравнением:

,

где R_ВН – внутреннее сопротивление источника.

Этому уравнению соответствует схема замещения источника электрической энергии, состоящая из последовательно соединенных идеальных элементов: источника ЭДС и резистивного элемента с сопротивлением R_ВН. На рис. 1.1 принципиальная схема источника ЭДС обведена штриховой линией.

Рис. 1.1

При делении всех членов уравнения, описывающего внешнюю характеристику реального источника электрической энергии, на R_ВН, получают уравнение, которому соответствует принципиальная схема источника тока, представленная на рис. 1.2 участком, ограниченным штриховой линией:

,

где ; ; .

.

Рис. 1.2

На рис. 1.3 представлена обобщенная вольт-амперная характеристика источника электрической энергии, на которой:

участку AB соответствует его работа в режиме активного приемника (потребления электрической энергии), когда направление тока совпадает с направлением напряжения и противоположно направлению ЭДС;

участку BC - его работа в генераторном режиме (отдачи электрической энергии), когда направление тока совпадает с направлением ЭДС и противоположно направлению напряжения;

участку CD - работа в режиме приемника, при котором направления тока, напряжения и ЭДС совпадают.

Рис. 1.3

1.1. Изобразите схему замещения цепи электроустановки (рис. 1.4).

Рис. 1.4

1.2. К источнику электроэнергии подключен приемник с сопротивлением R = 12 Ом. Внешняя характеристика источника приведена на рис. 1.5. Изобразите схему замещения цепи. Определите внутреннее сопротивление источника R_ВН и напряжение на зажимах источника при включенном приемнике.

Рис. 1.5