Электротехника и электроника
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.А. Иваницкий, М.Е. Тюленёв
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА и ЭЛЕКТРОНИКА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2012
УДК 621.3 И19
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент С.Е. Колобов (Пермская государственная сельскохозяйственная академия);
канд. техн. наук, профессор М.Л. Сапунков (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Иваницкий, В.А.
И19 Электротехника и электроника : учеб. пособие / В.А. Иваницкий, М.Е. Тюленёв. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2012. – 228 с.
ISBN 978-5-398-00801-2
Учебное пособие «Электротехника и электроника» включает разделы «Электрические цепи», «Электрические машины», «Основы промышленной электроники».
В разделе «Электрические цепи» рассматриваются цепи постоянного и переменного тока и наиболее простые и часто используемые методы их анализа. Раздел «Электрические машины» включает описание конструкций, основных параметров, характеристик и особенностей работы трансформаторов, асинхронных двигателей и машин постоянного тока. В разделе «Основы промышленной электроники» представлены современные полупроводниковые приборы и устройства, их использующие. Существенное место занимают устройства микропроцессорной техники (цифровой электроники), широко применяемые при автоматизации различных процессов.
Предназначено для студентов неэлектротехнических специальностей всех форм обучения.
УДК 621.3
ISBN 978-5-398-00801-2 |
© ПНИПУ, 2012 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ.................................................................................................. |
7 |
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ.......................................................................... |
8 |
1.1. Электрическая цепь и ее элементы..................................................... |
8 |
1.2. Классификация электрических цепей............................................... |
10 |
1.3. Режимы работы электрических цепей постоянного тока .............. |
11 |
1.4. Основные законы электротехники.................................................... |
12 |
1.5. Методы расчета электрических цепей постоянного тока............... |
13 |
1.5.1. Метод эквивалентного сопротивления.................................... |
14 |
1.5.2. Метод непосредственного использования |
|
законов Кирхгофа...................................................................... |
14 |
1.5.3. Метод узлового напряжения..................................................... |
16 |
1.5.4. Метод суперпозиции................................................................. |
17 |
1.6. Цепи переменного тока...................................................................... |
23 |
1.6.1. Основные параметры синусоидальной функции.................... |
23 |
1.6.2. Получение синусоидальной ЭДС в промышленности........... |
24 |
1.6.3. Действующее и среднее значения переменного тока ............ |
25 |
1.6.4. Изображение синусоидальной функции векторами............... |
26 |
1.6.5. Идеализированные цепи переменного тока............................ |
27 |
1.6.6. Цепь с последовательным соединением R, L, C ..................... |
30 |
1.6.7. Треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей.... |
31 |
1.6.8. Резонансв последовательной цепи (резонанснапряжений) .... |
32 |
1.6.9. Цепь с параллельным соединением ветвей. |
|
Графоаналитический метод расчета........................................ |
34 |
1.6.10. Общиесведенияопроводимостяхвцепяхпеременноготока... |
35 |
1.6.11. Резонанс в параллельной цепи (резонанс токов) ................. |
36 |
1.6.12. Коэффициент мощности. Пути его повышения ................... |
37 |
1.6.13. Символический метод расчета цепей переменного тока..... |
38 |
1.7. Трехфазные цепи........................................................................................... |
46 |
1.7.1. Получение трехфазной симметричной системы ЭДС |
|
в промышленности.................................................................... |
47 |
1.7.2. Трехфазная цепь, соединенная звездой................................... |
48 |
1.7.3. Трехфазная цепь, соединенная треугольником...................... |
51 |
1.7.4. Мощность в трехфазной цепи .................................................. |
53 |
1.7.5. Измерение активной мощности в трёхфазных цепях ............ |
54 |
3
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ......................................................... |
59 |
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.............................................................. |
60 |
3.1. Трансформаторы................................................................................. |
60 |
3.1.1. Классификация трансформаторов.......................................... |
60 |
3.1.2. Принцип действия трансформатора....................................... |
61 |
3.1.3. ЭДС и коэффициент трансформации..................................... |
63 |
3.1.4. Уравнение электрического равновесия |
|
для первичной и вторичной обмоток.................................... |
63 |
3.1.5. Магнитный поток в трансформаторе..................................... |
64 |
3.1.6. Уравнение намагничивающих сил (НС) |
|
в трансформаторе.................................................................... |
64 |
3.1.7. Приведённый трансформатор................................................. |
65 |
3.1.8. Схема замещения трансформатора......................................... |
66 |
3.1.9. Уравнение электрического равновесия и векторная |
|
диаграмма упрощённой схемы замещения .......................... |
67 |
3.1.10. Потери напряжения на обмотках трансформатора............. |
67 |
3.1.11. Внешняя характеристика трансформатора U2 = f (I2) ........ |
68 |
3.1.12. Потери мощности и КПД трансформатора.......................... |
68 |
3.1.13. Опыты холостого хода и короткого замыкания |
|
в трансформаторе.................................................................. |
69 |
3.1.14. Краткие сведения о трёхфазном трансформаторе, |
|
автотрансформаторе и сварочном трансформаторе .......... |
71 |
3.2. Асинхронный двигатель..................................................................... |
76 |
3.2.1. Конструкция и принцип действия АД ................................... |
78 |
3.2.2. Ток и схема замещения обмотки ротора (одной фазы) ....... |
81 |
3.2.3. Уравнение намагничивающих сил (НС) в АД ...................... |
82 |
3.2.4. Эквивалентная схема замещения АД (одной фазы) ............ |
82 |
3.2.5. Потери мощности и КПД АД.................................................. |
83 |
3.2.6. Момент, развиваемый АД....................................................... |
84 |
3.2.7. Связь потерь в обмотке ротора со скольжением................... |
85 |
3.2.8. Механическая характеристика АД (n = f (М)) ...................... |
85 |
3.2.9. Способы пуска АД................................................................... |
88 |
3.2.10. Двигатели с улучшенными пусковыми |
|
характеристиками.................................................................. |
91 |
3.2.11. Способы регулирования скорости АД................................. |
93 |
3.2.12. Тормозные режимы работы АД............................................ |
95 |
3.2.13. Энергетические характеристики АД.................................... |
96 |
3.2.14. Однофазный АД..................................................................... |
97 |
4
3.3. Машины постоянного тока (МПТ) ................................................. |
101 |
3.3.1. Конструкция МПТ.................................................................. |
102 |
3.3.2. Назначение щеточно-коллекторного узла........................... |
102 |
3.3.3. ЭДС и момент якоря.............................................................. |
104 |
3.3.4. Реакция якоря ......................................................................... |
106 |
3.3.5. Понятие коммутации ............................................................. |
107 |
3.3.6. Генераторы постоянного тока............................................... |
108 |
3.3.7. Двигатели постоянного тока................................................. |
111 |
3.4. Выбор двигателя ............................................................................... |
122 |
3.4.1. Выбор мощности двигателя................................................... |
122 |
3.4.2. Выбор мощности двигателя для продолжительного |
|
режима работы........................................................................ |
123 |
4. ОСНОВЫ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ......................... |
126 |
4.1. Полупроводниковые приборы......................................................... |
127 |
4.1.1. Физические основы полупроводников................................. |
127 |
4.1.2. Диоды. ..................................................................................... |
134 |
4.1.3. Транзисторы............................................................................ |
141 |
4.1.4. Тиристоры............................................................................... |
152 |
4.1.5. Оптрон..................................................................................... |
156 |
4.1.6. Интегральные микросхемы (ИМС) ..................................... |
156 |
4.2. Устройства промышленной электроники....................................... |
160 |
4.2.1. Усилители ............................................................................... |
160 |
4.2.2. Компаратор............................................................................. |
187 |
4.2.3. Генератор прямоугольных колебаний (мультивибратор). |
|
Схема и принцип действия. ................................................... |
189 |
5. ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ......................... |
194 |
5.1. Логические функции и логические схемы ..................................... |
194 |
5.2. Триггеры ............................................................................................ |
200 |
5.2.1. Триггер R-S-типа.................................................................... |
201 |
5.2.2. D-триггер................................................................................. |
203 |
5.2.3. Т-триггер. ................................................................................ |
203 |
5.2.4. J-k-триггер............................................................................... |
203 |
5.3. Регистры............................................................................................. |
205 |
5.4. Счётчики............................................................................................ |
208 |
5.4.1. Трёхразрядный двоичный счётчик на сложение ................ |
208 |
5.4.2. Трёхразрядный двоичный счётчик на вычитание .............. |
209 |
5.4.3. Десятичные счётчики............................................................. |
209 |
5
5.5. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) .................................. |
212 |
5.6. Аналогоцифровой преобразователь (АЦП) ................................... |
214 |
5.7. Комбинационные устройства .......................................................... |
217 |
5.7.1. Дешифратор............................................................................ |
217 |
5.7.2. Мультиплексор....................................................................... |
218 |
5.7.3. Сумматор................................................................................. |
218 |
5.7.4. Цифровая схема сравнения (цифровой компаратор) ......... |
220 |
5.8. Арифметическо-логическое устройство (АЛУ) ............................ |
223 |
5.9. Микропроцессор ............................................................................... |
223 |
5.10. МикроЭВМ...................................................................................... |
225 |
5.11. Общие сведения о контроллерах................................................... |
226 |
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................... |
227 |
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
Развитие любой отрасли промышленности немыслимо без использования электрической энергии, электрических машин и аппаратов, поэтому студенты всех технических специальностей изучают предмет «Электротехника и электроника». Хотя и по электротехнике и по электронике существует достаточно учебников, но использование их студентами затруднено обилием разделов, не входящих в программы с ограниченным числом часов. По этой причине издание пособия, ориентированного на существующие программы изучения предмета для студентов неэлектротехнических специальностей является актуальным. В предлагаемом пособии учтен опыт многолетнего преподавания электротехники и электроники наразличных факультетах ППИ, ПГТУ, ПНИПУ.
Пособие базируется на двух ранее изданных пособиях: В.А. Иваницкий, М.Е. Тюленёв «Электротехника» и В.А. Иваницкий «Электроника и микропроцессорная техника ». Авторы постарались учесть и исправить недочеты, обнаруженные в предыдущих изданиях. Кроме этого, в пособие включены тесты по каждому разделу. Наличие электронного варианта пособия расширяет сферу его применения. Пособие задумано и реализовано как краткий конспект, в котором громоздкие доказательства и пояснения опущены, поэтому при самостоятельном изучении предмета данное пособие следует использовать в сочетании с рекомендуемой литературой. Практика показала, что раздел «Электроника» усваивается студентами труднее остального материала, поэтому он изложен более подробно. Авторы выражают благодарность студентам П.А. Журавлёву и Е.И. Красноперову за участие в оформлении электронного варианта.
Пособие предназначено для студентов неэлектротехнических специальностей всех форм обучения.
7
1.ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
1.1.ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Электрической цепью называется совокупность источников электрической энергии и приемников, соединенных токопроводящими телами или средами.
Источник – это устройство, преобразующее неэлектрическую энергию в электрическую.
Электрическими параметрами источника являются ЭДС Е, В и внутреннее сопротивление Ri, Ом.
Эквивалентная схема замещения источника напряжения –
это схема, заменяющая реальный источник электрической энергии при анализе электрической цепи (рис. 1.1).
Используя закон Ома, имеем
I = |
|
E |
; I Ri |
+ I Rn |
= E ; U = I · Rn; ∆ U+ U= E U = E − ∆ U , |
|
Ri |
+ Rn |
|||||
|
|
|
|
где ∆ U – падение напряжения на Ri .
Рис. 1.1. Электрическая цепь с источником напряжения
8
Пусть Rn >> Ri (условие идеального источника напряжения), тогда величиной I · Ri пренебрегаем и U ≈ E .
Приемник электрической энергии преобразует электрическую энергию в неэлектрическую. Электрическим параметром приемника является его сопротивление R.
Способы соединения приемников
1. Последовательное соединение (рис. 1.2) – соединение, при котором по элементам протекает один и тот же ток.
а |
б |
Рис. 1.2. Пример схемы электрической цепи с последовательным соединением элементов (а) и эквивалентная схема (б)
2. Параллельное соединение (рис. 1.3) – соединение, при котором все элементы находятся под одним и тем же напряжением.
Рис. 1.3. Пример схемы электрической цепи с параллельным соединением элементов (а) и эквивалентная схема (б)
9
3. Смешанное соединение (рис. 1.4) – соединение, содержащее участки споследовательным ипараллельным соединениями.
Рис. 1.4. Примерсхемысосмешанным соединением элементов(а) исхемы, получающиесяприупрощении (б–г)
Последовательно упрощая схему, сводим её к одному Rэкв:
R |
|
= R |
|
+ R |
|
; |
1 |
= |
1 |
+ |
1 |
; R |
|
= R |
+ R |
|
. |
3 4 |
3 |
4 |
|
|
|
экв |
2 3 4 |
||||||||||
|
|
|
|
R2 3 4 |
|
R2 |
R3 4 |
1 |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1.2.КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
1.По роду тока: постоянного тока, переменного тока, синусоидальные, несинусоидальные.
2.По числу фаз: однофазные, трехфазные.
3.По характеру элементов: линейные (в них все элементы линейные), нелинейные (содержат хотя бы один нелинейный элемент).
Линейные элементы отличаются от нелинейных вольт-ам- перными характеристиками (ВАХ) I = f (U ). Примеры ВАХ
приведены на рис. 1.5.
4. На электрические цепи с сосредоточенными и с распределенными параметрами (например, ЛЭП).
10