книги / Общая электротехника и электроника
..pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
В.Н. Осколков
ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2017
УДК 621.3 + 621.38] (075.8) О-74
Рецензенты:
канд. техн. наук, доцент В.В. Киселев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);
канд. техн. наук, доцент Ю.Н. Ширяев (Пермский радиотехнический колледж им. А.С. Попова)
Осколков, В.Н.
О-74 Общая электротехника и электроника : учеб. пособие / В.Н. Осколков. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. поли-
техн. ун-та, 2017. – 146 с. ISBN 978-5-398-01812-7
Изложены основные понятия и законы цепей постоянного, переменного тока, трехфазных цепей, переходные процессы и магнитные цепи. Приведены конструкции и принцип работы трансформаторов, машин постоянного тока, асинхронных и синхронных машин. Рассмотрены основные электрорадиоэлементы и их вольтамперные характеристики. Описан принцип работы типовых электронных устройств: выпрямителей, инверторов, усилителей, генераторов. Приведены элементы логики и принцип работы цифровых устройств. Даны основы метрологии, рассмотрены конструкции основных измерительных приборов и измерение типовых электрических параметров электротехники. Материал изложен в доступной форме и соответствует требованиям федерального государственного образовательного стандарта.
Предназначено для студентов неэлектротехнических специальностей вузов.
УДК 621.3 + 621.38] (075.8)
ISBN 978-5-398-01812-7 |
© ПНИПУ, 2017 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ........................... |
6 |
ГЛАВА 1. ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ |
|
ПОСТОЯННОГО ТОКА.................................................................................... |
6 |
1.1. Становление электротехники..................................................................... |
6 |
1.2. Основы электронной теории...................................................................... |
7 |
1.3. Элементыэлектрическойцепипостоянноготока...................................... |
10 |
1.4. Закон Ома. Резистивные элементы.......................................................... |
12 |
1.5. Источники электрической энергии постоянного тока.......................... |
14 |
1.6. Источник ЭДС и источник тока............................................................... |
16 |
1.7. Первый и второй законы Кирхгофа......................................................... |
19 |
1.8. Методы анализа цепей постоянного тока............................................... |
21 |
1.8.1. Метод уравнений Кирхгофа ........................................................... |
21 |
1.8.2. Метод контурных токов.................................................................. |
23 |
1.8.3. Метод узловых потенциалов.......................................................... |
24 |
1.8.4. Метод наложения (суперпозиции) ................................................. |
26 |
1.8.5. Метод преобразования схем........................................................... |
27 |
1.8.6. Метод эквивалентного генератора................................................. |
29 |
1.9. Работа и мощность электрического тока. |
|
Энергетический баланс............................................................................. |
32 |
1.10. Условие передачи приемнику максимальной энергии....................... |
33 |
ГЛАВА 2. ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ |
|
СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА....................................................................... |
35 |
2.1. Электротехнические устройства синусоидального тока....................... |
35 |
2.2. Элементы электрической цепи синусоидального тока.......................... |
36 |
2.3. Индуктивный элемент............................................................................... |
37 |
2.4. Емкостной элемент.................................................................................... |
40 |
2.5. Источники электрической энергии синусоидального тока................... |
43 |
2.6. Основные понятия и определения синусоидального тока .................... |
44 |
2.7. Основы комплексного (символического) метода расчета |
|
электрических цепей................................................................................ |
48 |
2.8. Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме..................................... |
53 |
2.9. Эквивалентное преобразование схем последовательного |
|
соединения элементов в параллельное................................................... |
55 |
2.10. Мощность однофазной цепи синусоидального тока .......................... |
56 |
3
2.11. Резонанс в электрических цепях синусоидального тока..................... |
58 |
2.12. Методырасчетасложныхэлектрическихцепей |
|
синусоидальноготокаприустановившихсяпроцессах........................... |
59 |
ГЛАВА 3. ТРЕХФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ................................ |
61 |
3.1. Понятие о трехфазных электрических цепях......................................... |
61 |
3.2. Соединение звездой.................................................................................. |
63 |
3.3. Соединение треугольником...................................................................... |
65 |
3.4. Мощность трехфазной цепи..................................................................... |
67 |
ГЛАВА 4. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ....................................................... |
68 |
4.1. Физика переходных процессов................................................................ |
68 |
4.2. Классический метод расчета переходных процессов............................ |
68 |
4.3. Законы коммутации .................................................................................. |
70 |
4.4. Переходные процессы в цепи постоянного тока с одним |
|
емкостным элементом............................................................................... |
71 |
4.4.1. Зарядка емкостного элемента от источника постоянной |
|
ЭДС через резистивный элемент.................................................... |
71 |
4.4.2. Разрядка емкостного элемента через резистивный элемент ....... |
73 |
ГЛАВА 5. МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ................................................................... |
75 |
5.1. Магнитное поле......................................................................................... |
75 |
5.2. Элементы магнитной цепи....................................................................... |
75 |
5.3. Закон полного тока для магнитной цепи ................................................ |
77 |
5.4. Свойства магнитных материалов............................................................. |
78 |
5.5. Неразветвленная магнитная цепь ............................................................ |
82 |
5.5.1. Расчет магнитного потока при заданной МДС |
|
методом сложения вебер-амперных характеристик............... |
83 |
5.5.2. Расчет магнитного потока при заданной МДС методом |
|
нагрузочной характеристики......................................................... |
86 |
5.6. Неразветвленная магнитная цепь с постоянным магнитом................. |
86 |
5.7. Электромеханическое действие магнитного поля.............................. |
88 |
5.8. Катушка с магнитопроводом в цепи переменного тока. |
|
Понятие об идеализированной катушке с магнитопроводом.............. |
90 |
5.8.1. Процессы намагничивания магнитопровода |
|
идеализированной катушки............................................................ |
92 |
5.8.2. Схемы замещения и векторные диаграммы реальной |
|
катушки с магнитопроводом .......................................................... |
93 |
5.8.3. Мощность потерь в магнитопроводе............................................. |
98 |
4
РАЗДЕЛ2. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕУСТРОЙСТВА |
|
ИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕМАШИНЫ.................................................................... |
101 |
ГЛАВА 6. ТРАНСФОРМАТОРЫ................................................................ |
101 |
ГЛАВА 7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ................................................ |
105 |
7.1. Электрические машины постоянного тока........................................... |
105 |
7.2. Двигатели постоянного тока.................................................................. |
108 |
7.3. Асинхронные машины............................................................................ |
111 |
7.4. Синхронные машины.............................................................................. |
114 |
РАЗДЕЛ3. ОСНОВЫЭЛЕКТРОНИКИ |
|
ИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕИЗМЕРЕНИЯ............................................................... |
116 |
ГЛАВА 8. ИЗДЕЛИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ.................................. |
116 |
8.1. Классификация. История развития........................................................ |
116 |
8.2. Полупроводники...................................................................................... |
117 |
8.3. Электронные элементы........................................................................... |
118 |
8.4. Электронные устройства........................................................................ |
121 |
8.4.1. Аналоговые устройства. Выпрямитель....................................... |
121 |
8.4.2. Инвертор......................................................................................... |
122 |
8.4.3. Стабилизатор напряжения и тока................................................. |
123 |
8.4.4. Классический усилитель............................................................... |
124 |
8.4.5. Операционные усилители............................................................. |
126 |
8.4.6. Генераторы..................................................................................... |
127 |
8.4.7. Импульсные полупроводниковые и цифровые устройства. |
|
Транзистор в режиме ключа......................................................... |
130 |
8.4.8. Импульсные устройства с временно неустойчивым |
|
состоянием. Мультивибратор и одновибратор........................... |
131 |
8.4.9. Логические устройства.................................................................. |
133 |
8.4.10. Триггеры....................................................................................... |
133 |
8.4.11. Логические автоматы без памяти............................................... |
136 |
8.4.12. АЦП и ЦАП.................................................................................. |
137 |
ГЛАВА 9. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ |
|
И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН.................... |
139 |
9.1. Основные понятия метрологии. Метрологические |
|
характеристики средств измерений...................................................... |
139 |
9.2. Аналоговые электроизмерительные приборы: |
|
устройство, принцип действия, области применения......................... |
141 |
9.3. Измерение токов, напряжений, сопротивлений, |
|
мощности и энергии............................................................................... |
143 |
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................... |
145 |
5
РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ
ГЛАВА 1. ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1.1.Становление электротехники
Спроявлениями свойств электрической энергии в виде молний человечество знакомо с незапамятных времен. Систематическое исследование электрических явлений, открытие законов и их практическое приложение начались на рубеже ХVIII–XIX вв. с изучения свойств не изменяющегося во време-
ни (постоянного) тока. Этому способствовали наличие и доступность источников электрической энергии постоянного тока – сначала гальванических элементов (А. Вольта, 1745–1827), позднее аккумуляторов, – а также первые успехи применения электричества для освещения (П.Н. Яблочков, 1847–1894), электролиза и гальванопластики (Б.С. Якоби, 1801–1874).
Экспериментальное исследование свойств постоянного тока позволило выявить и обосновать ряд закономерностей и поня-
тий (А.М. Ампер, 1775–1836; Г.С. Ом, 1787–1854; Ш.О. Кулон, 1736–1806 и др.). Дальнейшие исследования (М. Фарадей, 1791–1867; Э.Х. Ленц, 1804–1865; Д. Генри, 1797–1878; В. Сименс, 1816–1892; Д.П. Джоуль, 1818–1889; В.Э. Вебер, 1804–1891;
Дж.К. Максвелл 1831–1879; Г.Р. Герц, 1857–1894 и др.) показали, что большинство закономерностей, первоначально полученных при анализе цепей постоянного тока, являются фундаментальными законами электротехники.
Электроэнергия оказалась, во-первых, универсальным видом энергии. В нее легко преобразуются другие виды энергии: кинетическая (гидроэлектростанции, ГРЭС), тепловая (теплоэлектростанции), ядерная (атомные электростанции, АЭС), лучевая (фотоэлементы, в частности для питания космических кораблей),
6
химическая (аккумуляторы) и др. В большинстве случаев легко осуществляется обратное преобразование. Во-вторых, электрическая энергия имеет высокий коэффициент полезного действия (КПД) при преобразовании: например, КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет в среднем 25 %, дизеля – 40 %, идеальный цикл Карно, по которому работают ДВС, составляет 80 %, в то время как КПД крупного электродвигателя превышает 90 %. В-третьих, при правильном использовании это экологически чистый и безопасный вид энергии, не загрязняющий атмосферу, по сравнению, например, с бензином на основе нефти. В народном хозяйстве и быту широко применяются различные экологически чистые электротехнические устройства, имеющие широкий спектр функциональных возможностей.
1.2. Основы электронной теории
Электрическим током является направленное движение электронов под действием электрического поля (напряжения). В международной системе измерения СИ электрический ток I измеряется в амперах (A) (обозначения единиц измерения, названных именами ученых, пишутся с заглавной буквы). Для большинства единиц измерения электротехники применяются кратные обозначения, например: кило (кА; 1 кА = 1000 А, или 103 А), мега (1 МА = 106 А), гига (Г), тера (Т), мили (mА), микро (мкА или μА – международное), нано (нА), пико (пА) и т.д.
Электрическое напряжение образуется в результате разности электрических потенциалов. В системе СИ электрическое напряжение обозначается буквами U и Е (последнее обычно применяют для источников энергии). Единица измерения – вольт (B или V – международное).
Электрическим потенциалом является работа, которую нужно совершить, чтобы переместить электрический заряд в данную точку пространства. В системе СИ электрический потенциал обозначается буквой φ и измеряется в вольтах.
7
Электрический заряд Q или q измеряется в кулонах (Кл). Постоянный ток определяется по формуле I = |Q|/t, где t – время равномерного перемещения суммарного заряда Q через поперечное сечение рассматриваемого участка цепи от точки a до
точки b.
Электрическое напряжение равно
U = φa – φb = А/q, |
(1.1) |
где А – совершенная работа при перемещении заряда q. Согласно электронной теории электропроводности валент-
ные электроны в металлах легко отделяются от атомов, последние становятся положительными ионами. Ионы образуют в твердом теле кристаллическую решетку с пространственной периодичностью. Свободные электроны хаотически движутся в пространстве решетки между атомами (тепловое движение), сталкиваясь с ними.
Под действием продольного электрического поля напряженностью Е (рис. 1.1), создаваемого в проводнике длиной l электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную (дрейфовую) скорость и дополнительно перемещаются в одном направлении (вдоль проводника).
Единица измерения напряженности Е– вольт на метр(B/м).
Рис. 1.1. Токи в проводнике
В общем случае постоянный ток в проводящей среде представляет собой упорядоченное движение положительных
8
и отрицательных зарядов под действием электрического поля, например, в электролитах и газах движутся навстречу друг другу заряды с противоположными знаками. Поскольку направления движения зарядов противоположны, то необходимо определиться, направление каких зарядов следует считать направлением тока. Принято считать направлением тока I направление движения положительных зарядов, т.е. то, которое обратно направлению движения электронов в проводнике под действием электрического поля. На рис. 1.1 оно показано стрелкой (хотя это условно).
Напряжением называется скалярная величина, равная линейному интегралу напряженности электрического поля. Разность потенциалов – это напряжение в безвихревом электрическом поле, в котором напряжение не зависит от пути интегрирования (электрическое поле цепи постоянного тока – безвихревое). Она вычисляется вдоль любых участков цепи, не содержащих ЭДС источников.
Постоянное напряжение для участка проводника (см. рис. 1.1) вычисляетсяпоформуле
U = φa − φb |
= b Edl = 1 |
b Fdl = |
A |
, |
(1.2) |
|
|
||||||
|
a |
q |
a |
q |
|
|
где φa и φb – потенциалы однородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях a и b участка проводника; F – сила, которая действовала бы на положительный заряд q в однородном постоянном электрическом поле с напряженностью E, F = qE; А – работа сил электрического поля при перемещении положительного заряда вдоль участка проводника,
А= b Fdl.
a
При расчете цепи действительные направления токов в ее элементах в общем случае заранее неизвестны, поэтому необходимо предварительно выбрать условные положительные направления токов во всех элементах цепи.
9
Положительное направление напряжения на элементе схемы цепи (рис. 1.2) также может быть выбрано произвольно и указывается стрелкой, но для участка цепи, не содержащей источников энергии, рекомендуется выбирать его совпадающим с положительным направлением тока.
Если выводы элемента обозначены (см., например, a и b на рис. 1.2) и стрелка направлена от вывода a к выводу b, то положительное направление означает, что определяется напряжение U = Uab. Аналогичное обозначение можно принять и для тока. Например, обозначение Iab указывает положительное направление тока в элементе цепи или схемы от вывода a к выводу b, совпадающее с положительным направлением тока.
1.3. Элементыэлектрическойцепипостоянноготока
Электрическая цепь постоянного тока в общем виде содержит источник и приемник электрической энергии, коммутационную аппаратуру, соединительные линии (провода) и измерительные приборы.
Висточнике электрической энергии осуществляется пре-
образование в электрическую энергию других видов энергии, например, энергии химических процессов в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловой энергии в термопреобразователях на основе термопар и т.д.
Вприемниках электрической энергии электрическая энер-
гия преобразуется в нужные виды энергии, например, в механическую (двигатели постоянного тока), тепловую (электрические печи), химическую (электролизные ванны).
Коммутационная аппаратура, линии и измерительные приборы служат для передачи электрической энергии от источников, распределения ее между приемниками и контроля режима работы всех электротехнических устройств.
10