2417
.pdfЮ.Б. Тихонов, Г.М. Третьяк
ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
Омск • 2012
Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)»
Ю.Б.Тихонов, Г.М.Третьяк
ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
Омск
СибАДИ
2012
УДК 621.311 ББК 31.211
Т 46
Рецензенты:
д-р техн. наук, проф. А.А. Кузнецов (ОмГУПС), канд. техн. наук, проф. В.Г. Шахов (ОмГУПС)
Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебного пособия по электротехнике для студентов 1–3 курсов неэлектротехнических специальностей.
Тихонов Ю.Б.
Т 46 Общая электротехника и электроника: учебное пособие./Ю.Б.Тихонов,
Г.М. Третьяк – Омск: СибАДИ, 2012. – 372 с.
ISBN
В учебном пособии рассмотрены основные теоретические сведения о линейных и нелинейных электрических цепях постоянного и переменного тока, асинхронных, синхронных машинах, машинах постоянного тока, магнитных цепях, трансформаторах, полупроводниковых приборах, логических элементах, приведены примеры расчета, содержатся контрольные вопросы и исходные данные для выполнения расчетно-графических и курсовых работ.
Учебный материал пособия приводится кратко и может служить дополнением к учебному материалу, изложенному в учебниках.
Настоящее учебное пособие предназначено для изучения дисциплины «Общая электротехника и электроника» студентами неэлектротехнических специальностей.
Табл. 17. Ил. 244. Прил. 5. Библиогр.: 5 назв.
ISBN |
© ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2012 |
Оглавление
Введение………………………………………..………………….…………... 8
1.Электрические цепи постоянного тока…………………………............ 9
1.1.Электрическая цепь, ее элементы и параметры……………………... 9
1.2.Способы соединения резисторов в электрических цепях…………... 11
1.2.1.Последовательное соединение резисторов…………………….. 11
1.2.2.Параллельное соединение резисторов………………………...... 11
1.3.Режимы работы источников питания……………………………….... 12
1.4.Баланс мощностей электрической цепи…………………………….... 13
1.5.Потенциалы точек электрической цепи. Потенциальная диаграмма. 14
1.6.Анализ электрических цепей с одним источником питания………... 16
1.6.1. Метод свертывания схемы……………………………………… 16
1.6.2.Метод эквивалентного генератора……………………………... 18
1.6.3.Графический метод расчета…………………………………….. 20
1.7.Примеры расчета электрической цепи с одним источником пита-
ния……………………………………………………………………………… 21
1.7.1.Решение методом свертывания схемы………………………..... 22
1.7.2. Решение методом эквивалентного генератора………………… 23
1.7.3.Решение графическим методом………………………………… 24
1.8.Анализ сложных электрических цепей с несколькими источниками питания……………………………………………………………………........ 25
1.9.Пример расчета сложной электрической цепи методом контурных токов………………............................................................................................. 30
Контрольные вопросы………………………………………………..…….. 30
2. Однофазные электрические цепи переменного тока………………… 35
2.1.Основные понятия о переменном токе……………………………….. 35
2.2.Временные и векторные диаграммы и их взаимосвязь……………... 36
2.3.Элементы и параметры электрических цепей переменного тока…... 37
2.3.1.Цепь переменного тока с активным сопротивлением…………. 38
2.3.2. Цепь переменного тока с индуктивным элементом…………… |
39 |
2.3.3. Цепь переменного тока с емкостным элементом……………… |
41 |
2.4.Анализ неразветвленной цепи переменного тока…….……………... 42
2.5.Резонанс напряжений………………………………………………….. 45
2.6.Пример расчета неразветвленной цепи переменного тока………….. 46
2.7.Анализ разветвленной цепи переменного тока методом проводи-
мостей…………………………………………….............................................. 49
2.8.Резонанс токов…………………………………………….………….... 52
2.9.Пример расчета разветвленной цепи переменного тока…………….. 54
2.10.Пример расчета цепи переменного тока со смешанным соедине-
нием нагрузки………………………………………….……………………… 56
2.10.1.Решение методом проводимостей……………………………. 56
2.10.2.Решение методом комплексных чисел……………………….. 60
Контрольные вопросы …………………………………….……………….. 62
3
3.Трехфазные электрические цепи переменного тока…………………. 68
3.1.Основные понятия трехфазной цепи…………………….………….... 68
3.2.Получение трехфазной системы ЭДС………………………………... 68
3.3. Схема соединения «звездой» в трехфазных цепях..…….…………… 71
3.4.Схема соединения «треугольником» в трехфазных цепях………….. 76
3.5.Мощность в трехфазных цепях……………………………………….. 78
3.5.1. Мощность трехфазной цепи при любом характере нагрузки. |
78 |
3.5.2.Измерение активной мощности в трехфазных цепях…………. 79
3.5.3.Коэффициент мощности и его технико-экономическое значе-
ние. Компенсация реактивной мощности…………………………………… 81
3.6.Примеры расчета трехфазной цепи…………………………………... 86
Контрольные вопросы .……………….……………………………………. 92
4.Нелинейные электрические цепи……………………………………….. 98
4.1.Основные понятия……………………………………………………... 98
4.2.Последовательное соединение нелинейных элементов……………... 99
4.3.Параллельное соединение нелинейных элементов………………….. 101
4.4. Статическое и динамическое сопротивления нелинейного элемента 102
4.5.Цепи с нелинейными двухполюсниками…………………………….. 103
4.6.Нелинейные цепи переменного тока…………………………………. 104
4.7.Цепи с нелинейными трех- и четырехполюсниками………………... 107
4.7.1.Основные понятия о трех- и четырехполюсниках…………...... 107
4.7.2.Уравнения четырехполюсника………………………………...... 108
4.7.3.Расчет режима работы трехполюсника в цепи постоянного
тока……………………………………………………………………………... 111 4.7.4. Расчет режима работы трехполюсника для переменных составляющих напряжений и токов……………………………………………. 112
Контрольные вопросы ………………………………………….………….. 113
5.Магнитные цепи…………………………………………………………... 117
5.1.Магнитное поле и его параметры…………………………………….. 117
5.2.Закон полного тока…………………………………………………….. 119
5.3.Циклическое перемагничивание…………………………………….... 120
5.4.Свойства магнитных цепей……………………………………………. 123
5.5.Пример расчета магнитной цепи…………………………………….... 128
Контрольные вопросы ……………………………………………………... 130
6.Трансформаторы………………………………………………………….. 134
6.1.Принцип действия трансформатора…………………………………. 134
6.2.Работа трансформатора в режиме холостого хода………………….. 135
6.3.Работа трансформатора с нагрузкой…………………………………. 136
6.4.Режим опыта короткого замыкания трансформатора…………......... 137
6.5.Трехфазные трансформаторы………………………………………... 138
6.6.Коэффициент полезного действия трансформатора………………... 139
Контрольные вопросы …………………………………………………….. 139
7.Асинхронные двигатели………………………………………………….. 144
7.1.Основные понятия…………………………………………………….. 144
7.2.Устройство трехфазного асинхронного двигателя…………………. 144
4
7.3.Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя…. 147
7.4.Принцип действия асинхронного двигателя…………………........... 149
7.5.Механические характеристики асинхронного двигателя…………... 150
7.6.Свойство саморегулирования вращающего момента асинхронного двигателя…………………………………......................................................... 155
7.7.Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей…… ... 156
7.8.Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя………. 159
7.9.Коэффициент мощности асинхронного двигателя…………………. 160
7.10.Генераторные и тормозные режимы работы асинхронного двига-
теля…………………………............................................................................... 161
7.10.1.Генераторный режим с отдачей энергии в сеть………………. 161
7.10.2.Режим торможения противовключением……………………... 163
7.11.Пример расчета режима работы трехфазного асинхронного двига-
теля…………………………………………………………………………....... 163 Контрольные вопросы ……………………………….…………………….. 166
8.Трехфазные синхронные машины……………………………………… 172
8.1.Назначение и область применения………………………………….... 172
8.2.Устройство трехфазной синхронной машины……………………….. 172
8.3.Принцип действия синхронной машины…………………………….. 175
8.4.Механическая характеристика синхронного двигателя…………….. 177
8.5.Особенности пуска синхронного двигателя…………………………. 177
8.6.Схема замещения и уравнения электрического состояния синхрон-
ной машины……………………………………………………………………. 178
8.7.Векторные диаграммы синхронного генератора ……………………. 180
8.8.Внешние характеристики синхронного генератора…………………. 180
8.9. Регулировочные характеристики синхронного генератора………… 181
8.10.U-образные характеристики синхронного генератора…………….. 182
8.11.Коэффициент мощности, векторные диаграммы и U-образные характеристики синхронного двигателя……………………………………….. 184
8.12.Угловая характеристика синхронной машины……………………... 187
Контрольные вопросы …………………………………………………….. 189
9.Машины постоянного тока……………………………………………… 192
9.1.Устройство машин постоянного тока……………………………….... 192
9.2.Принцип действия машин постоянного тока в различных режимах работы………………………………………………………………………….. 194
9.2.1.Режим двигателя……………………………………………….... 194
9.2.2.Режим генератора……………………………………………….. 195
9.3.Реакция якоря…………………………………………………………... 195
9.4.Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения.. 196
9.5.Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным воз-
буждением……………………………………………………………………... 196
9.6.Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением………………………………………………… 199
9.7Характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением………………………………………………………………….. 201
5
9.8.Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением…………………………………………… 204
9.9.Характеристики двигателя постоянного тока со смешанным воз-
буждением……………………………………………………………………... 206
9.10.Генераторные и тормозные режимы работы двигателя постоянно-
го тока с параллельным возбуждением……………………………………… 207
9.11.Коэффициент полезного действия двигателя и потери мощности... 211
9.12.Примеры расчета режимов работы двигателей постоянного тока и построения механической характеристики………………………………...... 213
9.12.1.Пример расчета двигателя постоянного тока с параллель-
ным возбуждением……………………………………………………………. 213
9.12.2.Пример расчета двигателя постоянного тока с последова-
тельным возбуждением……………………………………………………….. 216 Контрольные вопросы ……………………………………………………... 217
10.Электроника……………………………………………………………… 222
10.1.Полупроводниковые диоды………………………………………….. 222
10.2.Выпрямители переменного тока…………………………………….. 225
10.2.1.Основные понятия.………………………………………........... 225
10.2.2.Однополупериодный выпрямитель…………………………… 226
10.2.3.Двухполупериодный выпрямитель…………………………..... 227
10.2.4.Сглаживающие фильтры……………………………………...... 229
10.3.Тиристоры…………………………………………………………….. 231
10.4.Управляемые выпрямители………………………………………….. 234
10.5.Регулятор переменного тока………………………………………..... 235
10.6.Биполярные транзисторы…………………………………………….. 237
10.7.Нагрузочный режим работы биполярного транзистора………….... 240
10.8.Полевые транзисторы………………………………………………… 242
10.9.Классификация усилителей………………………………………….. 244
10.10.Усилительные каскады на биполярных транзисторах……………. 245
10.11.Усилительные каскады на полевых транзисторах………………... 248
10.12.Дифференциальный усилитель…………………………………….. 251
10.13.Обратная связь в усилителях……………………………………….. 254
10.14.Интегральные микросхемы и их классификация…………………. 255
10.15.Операционный усилитель…………………………………………... 259
10.16.Генераторы синусоидальных колебаний…………………………... 266
10.17.Генераторы линейно изменяющегося напряжения……………….. 268
10.18.Мультивибраторы на транзисторах………………………………... 270
10.19.Триггеры и триггерные устройства………………………………... 272
10.19.1.Общие сведения………………………………………………. 272
10.19.2.Триггеры на транзисторах…………………………………… 273
10.19.3.Триггеры на интегральных микросхемах…………………... 277
10.19.4.Регистры………………………………………………………. 283
10.19.5.Цифровой счетчик импульсов……………………………….. 285
10.20.Логические элементы……………………………………………….. 286
10.21.Арифметико-логическое устройство. Микропроцессоры………... 293
6
Контрольные вопросы ………………...……………………………............ 296
11.Электрические измерения и приборы………………………………… 308
11.1.Средства измерения…………………………………………………... 308
11.2.Выбор электроизмерительных приборов…………………………… 309
11.3.Включение в цепь амперметра………………………………………. 311
11.4.Включение в цепь вольтметра……………………………………….. 312
11.5.Включение в цепь ваттметра или счетчика энергии……………….. 313
11.6.Погрешности измерений……………………………………………... 314
11.7.Определение погрешностей при однократных измерениях……….. 315
Контрольные вопросы ……………………………………………….…….. 317
12.Вопросы итогового контроля…………………………………………... 320
12.1.Цепи постоянного тока………………………………………………. 320
12.2.Однофазные цепи переменного тока…………………………........... 321
12.3. Трехфазные цепи переменного тока………………………………… 323
12.4.Нелинейные цепи……………………………………………………... 324
12.5.Магнитные цепи……………………………………………………… 325
12.6.Трансформаторы……………………………………………………… 325
12.7.Асинхронные двигатели………………………………………........... 326
12.8.Синхронные машины………………………………………………… 327
12.9.Электрические машины постоянного тока…………………………. 328
12.10.Основы электроники………………………………………………... 329
12.11.Электрические измерения и приборы……………………………... 331
Библиографический список………………………………………………... 332
Приложение 1. Задание на самостоятельную работу по электрическим цепям постоянного тока…………………………………………………….. 332
Приложение 2. Задание на самостоятельную работу «Расчет трехфаз-
ной электрической цепи переменного тока при соединении нагрузки
«звездой»………………………………………………………………………. 343
Приложение 3. Задание на самостоятельную работу «Расчет трехфаз-
ной электрической цепи переменного тока при соединении нагрузки
«треугольником»…………………………………………………………….. 356
Приложение 4. Задание на самостоятельную работу по асинхронным двигателям……………………………………………………………………. 369
Приложение 5. Задание на самостоятельную работу по двигателям постоянного тока…………………………………………………………….. 370
7
ВВЕДЕНИЕ
Электротехника как наука является областью знаний, в которой рассматриваются электрические и магнитные явления и их практическое использование. На базе электротехники начали развиваться электроника, радиотехника, электропривод и другие смежные науки.
Электрическая энергия применяется во всех областях человеческой деятельности. Производственные установки на предприятиях имеют в основном электрический привод, т.е. приводятся в действие электрическими двигателями. Для измерения электрических и неэлектрических величин широко применяются электрические приборы и устройства.
Непрерывно расширяющееся использование различных электротехнических и электронных устройств обусловливает необходимость знания специалистами всех областей науки, техники и производства основных понятий об электрических и электромагнитных явлениях и их практическом применении.
Знание студентами данной дисциплины обеспечит их плодотворную деятельность в будущем как инженеров при современном состоянии энерговооруженности предприятий.
В результате полученных знаний инженер неэлектротехнических специальностей должен уметь квалифицированно эксплуатировать электротехническое и электронное оборудование и электропривод, применяемые в условиях современного производства, знать пути и методы экономии электроэнергии.
Данное пособие предназначено для самостоятельной внеаудиторной работы.
8
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1.1. Электрическая цепь, ее элементы и параметры
Основные электротехнические устройства по своему назначению подразделяются на устройства, генерирующие электрическую энергию, и устройства, использующие электрическую энергию.
В источнике электрической энергии механическая, тепловая, химическая или атомная энергия преобразуется в электрическую энергию. Потребители преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии.
Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для генерирования, передачи, преобразования и использования электрической энергии. Процессы в них могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, электрическом напряжении и электродвижущей силе (ЭДС).
Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, называются элементами электрической цепи.
Часть электрической цепи, содержащая выделенные в ней элементы, называется участком цепи.
Элементы электрической цепи, предназначенные для генерирования электрической энергии, называются источниками питания, а элементы, использующие электрическую энергию, называются приемниками электрической энергии.
Элементы электрической цепи, связывающие между собой источники и приемники энергии, называются звеньями.
Кроме электрических проводов, к звеньям относятся приборы контроля и управления, а также преобразующие устройства (трансформаторы, выпрямители и т.п.).
Узел – это точка электрической цепи, в которой сходятся три или больше проводов.
Ветвь – это часть электрической цепи между двумя соседними узлами. Между двумя соседними узлами может быть несколько ветвей. Они оказываются включенными параллельно друг другу.
Графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов, называется электрической схемой цепи.
Все основные и вспомогательные элементы в схемах электрических цепей имеют условные графические обозначения (рис. 1.1).
9