1.Задачи электротехники как отрасли науки и техники. Значение электрической подготовки бакалавров. История развития, ее роль и значение.

1.Электротехника – отрасль науки и техники, связанная с получением, преобразованием и использованием электрической энергии в практической деятельности человека, охватывающая вопросы применения электромагнитных явлений в различных отраслях промышленности и в быту. Электрификация - широкое внедрение в народное хозяйство электрической энергии, вырабатываемой централизованно на электростанциях, объединённых линиями электропередачи в энергосистемы. Электричество позволяет правильно использовать природные энергетические ресурсы, более эффективно размещать производительные силы, механизировать и автоматизировать производство, увеличивать производительность труда. Начало электрификации относится к концу 19 веке, когда были созданы электрические генераторы для производства электроэнергии и освоена её передача на значительные расстояние. В 1879 в Петербурге построена ТЭС для освещения Литейного моста. Несколькими годами позже в Москве — для освещения Лубянского пассажа. Одна из первых ТЭС общего пользования была построена Т. А. Эдисоном в 1882 в Нью-Йорке. В 1913 Россия занимала 8-е место в мире по выработке электроэнергии. Электростанции принадлежали главным образом иностранному капиталу. Крупнейшее акционерное «Общество электрического освещения 1886» контролировалось немецкой фирмой «Сименс и Гальске», строившей ТЭС в Петербурге, Москве, Баку, Лодзи и других городах. Мощность электростанций в России в 1900 составляла 80 Мвт, а в 1913 — 1141 Мвт; они производили 2 млрд. квт ч электроэнергии.

2.Электрические цепи постоянного тока. Элементы электрической цепи. Источники и потребители электрической энергии.Графическое изображение электрической цепи.Идеальные элементы цепи и их схемы замещения. Линейные и нелинейные элементы.

Электрическая цепь это совокупность взаимосвязанных элементов, компонентов или устройств, предназначенная для прохождения в них электрического тока, процессы в которой могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе (э.д.с.), электрическом токе и электрическом напряжении.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

1) Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

2) Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.

3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения.

Для расчета и анализа реальная электрическая цепь представляется графически в виде расчетной электрической схемы (схемы замещения). В этой схеме реальные элементы цепи изображаются условными обозначениями, причем вспомогательные элементы цепи обычно не изображаются, а если сопротивление соединительных проводов намного меньше сопротивления других элементов цепи, его не учитывают. Источник питания показывается как источник ЭДС E с внутренним сопротивлением r0, реальные потребители электрической энергии постоянного тока заменяются их электрическими параметрами: активными сопротивлениями R1, R2,…,Rn. С помощью сопротивления R учитывают способность реального элемента цепи необратимо преобразовывать электроэнергию в другие виды, например, тепловую или лучистую.

Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные.

Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным, например электропечь.

Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке.

Для удобства анализа и расчета электрических цепей вводят в рассмотрение такие элементы, которые при всех условиях обладают только одним параметром: только сопротивлением, только индуктивностью, только емкостью. Они называются идеальными.

.

3.Идеальные источники ЭДС и тока и их характеристики. Уравнения состояния электрической цепи с реальными источниками ЭДС и тока. Внешняя вольамперная характеристика (ВАХ) источника питания и режимы его работы. Согласованный режим работы источника.

Источник ЭДС характеризуется тем, что электродвижущая сила в нем не зависит от тока. Тогда напряжение на его зажимах будет определяться как

  В идеальном источнике ЭДС, внутреннее сопротивление r_вн =  0, а ЭДС e = const, поэтому напряжение на зажимах не зависит от тока в нагрузке.  Выразив из выражения для напряжения, r_вн получим 

ВАХ реального источника ЭДС

В источнике тока, ток не зависит от напряжения на нагрузке. Ток источника определяется как 

где g_вн это внутренняя проводимость источника тока. В идеальном источнике внутренняя проводимость равна нулю, а J = const. Но в реальном источнике, проводимость хотя и малая, но присутствует, поэтому ток зависит от напряжения на зажимах нагрузки. Как и в случае источника ЭДС, эту зависимость можно представить графически с помощью внешней характеристики источника тока.

Вольт-амперные характеристики идеальных источников напряжения и тока представляются прямыми, параллельными осям i и u

4. Условные положительные направления эдс, токов и напряжений в схемах замещения. Пассивный и активный двухполюсники. Режимы работы двухполюсника.

Направление тока, напряжения и ЭДС определяется совершенно точно в соответствии с тремя положениями физики:

1) за положительное направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц

2) положительное направление ЭДС – направление действия сторонних сил на положительные заряды внутри источника (стрелка на ЭДС)

3) за положительное направление напряжение принимают направление убывания потенциала, то есть от точки с более низким потенциалом.

Двухполюсником называется часть электрической цепи любой сложности и произвольной конфигурации, выделенная относительно двух зажимов (двух полюсов).

Двухполюсник, не содержащий источников энергии или содержащий скомпенсированные источники (суммарное действие которых равно нулю), называется пассивным. Если в схеме двухполюсника имеются нескомпенсированные источники, он называется активным. На схеме двухполюсник обозначают прямоугольником с двумя выводами. Это обозначение можно условно рассматривать как коробку, внутри которой находится электрическая цепь.

Пассивный двухполюсник является потребителем энергии и может быть заменен эквивалентным сопротивлением, величина которого равна входному сопротивлению двухполюсника.

Активный двухполюсник ведет себя как генератор. Находящиеся внутри него нескомпенсированные источники отдают энергию во внешнюю цепь. Можно попытаться подобрать источник энергии с ЭДС Е_Э и внутренним сопротивлением R_Э, который будет эквивалентен двухполюснику, то есть будет создавать во внешней цепи тот же самый ток.

Теорема об активном двухполюснике (эквивалентном генераторе): любой активный двухполюсник может быть заменен эквивалентным генератором, ЭДС которого Е_Э равна напряжению холостого хода двухполюсника, а внутреннее сопротивление R_Э напряжению холостого хода, деленному на ток короткого замыкания.

В зависимости от соотношений между реактивными сопротивлениями x_L и x_C двухполюсник может быть: индуктивными при условии x_L> x_C, емкостным при x_L< x_C и чисто активным при x_L= x_C. Случай, когда x_L= x_C называют режимом резонанса напряжений.

− в индуктивном двухполюснике ток отстает от полного напряжения на угол j_L;

− в емкостном двухполюснике ток опережает полное напряжение на угол j_C;

− в режиме резонанса напряжений в двухполюснике ток и полное напряжение совпадают по фазе j=0. Напряжения участков U_L=U_C и их геометрическая сумма равна нулю, то есть они друг друга компенсируют.

5. Линейные электрические цепи. Виды соединений элементов цепей. Неразветвленные и разветвленные цепи. Определение эквивалентных сопротивлений разветвленных электрических цепей. Метод свертки. Метод проводимостей.

Линейные электрические цепи представляют собой частный случай электрических цепей и характеризуются тем, что вольт-амперные характеристики всех элементов цепи линейны, а состояние самой цепи описывается с помощью линейных алгебраических уравнений с постоянными коэффициентамиТе электромагнитные процессы, которые происходят в электрической цепи, есть не что иное, как реакция этой цепи на внешнее воздействие, под которым понимают приложенное напряжение (как постоянное, так и переменное). Под реакцией цепи подразумеваются токи в ее ветвях и напряжения на элементах, возникающие вследствие внешнего воздействия.

В линейных электрических цепях между внешним воздействием и реакцией цепи существуют линейно-пропорциональные соотношения.

Элементы электрической цепи могут быть соединены несколькими способами, которые называются: 1.     Последовательное соединение. 2.     Параллельное соединение. 3.     Смешанное соединение. При этом объединяться могут активные и реактивные элементы в любой последовательности.

Последовательным называют такое соединение элементов цепи, при котором во всех включенных в цепь элементах возникает один и тот же ток I.

Общее напряжение U всей цепи равно сумме напряжений на отдельных участках:

U=U1+U2+U3 или IRэкв=IR1+IR2+IR3,

откуда следует Rэкв=R1+R2+R3.

,

Недостаток последовательного включения элементов заключается в том, что при выходе из строя хотя бы одного элемента, прекращается работа всех остальных элементов цепи.

В этом случае они присоединены к двум узлам цепи а и b, и на основании первого закона Кирхгофа можно записать, что общий ток I всей цепи равен алгебраической сумме токов отдельных ветвей:

I=I1+I2+I3, т.е. ,

откуда следует, что

Напряжения в электрической цепи с параллельно соединенными сопротивлениями

U=IRэкв=I1R1=I2R2=I3R3.

По параллельно включенной схеме работают в номинальном режиме потребители любой мощности, рассчитанные на одно и то же напряжение.

Электрическая цепь со смешанным соединением элементов

Смешанным называется такое соединение, при котором в цепи имеются группы параллельно и последовательно включенных сопротивлений.

Неразветвленная электрическая цепь характеризуется тем, что на всех ее участках протекает один и тот же ток, а разветвленная содержит одну или несколько узловых точек, при этом на участках цепи протекают разные токи.

Метод свертки-развертки

Суть метода : при последовательном соединении резисторов их сопротивления складываются R=R1+R2, при параллельном - складываются их проводимости Y=Y1+Y2 (Y1=1/R1,Y2=1/R2). Источники э.д.с. с последовательно соединенными резисторами, заменяются на источники тока с параллельно соединенными резисторами согласно формулам:

Iрез.=E/R , Rрез.=R.

Метод проводимости.

Основан на соотношениях из треугольника проводимостей (см. параграф 2.12). Определяем активные и реактивные проводимости ветвей схемы рис. 2.24:

; .

Полная проводимость цепи:

.

где: g = g₁ + g₂ – активная проводимость цепи;

b = b₁ + b₂ – реактивная проводимость цепи.

Ток в неразветвленной части цепи I = U·у. Угол сдвига фаз между напряжением U и током I:

.