Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы электротехники. Курс лекций
.pdf
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Уральский государственный университет путей сообщения
Кафедра «Электрические машины»
А. П. Сухогузов
И. Б. Падерина
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Курс лекций
для обучающихся по специальности
23.05.05 «Системы обеспечения движения поездов»
всех форм обучения
Екатеринбург
УрГУПС
2022
УДК 621.3(72)
С89
Сухогузов, А. П.
С89 Теоретические основы электротехники : курс лекций /
А. П. Сухогузов, И. Б. Падерина. — Екатеринбург : УрГУПС,
2022. — 227, [1] с.
ISBN 978-5-94614-515-2
Курс лекций предназначен для студентов специальности 23.05.05
«Системы обеспечения движения поездов» всех форм обучения. Материал охватывает основные разделы и темы дисциплины с учетом
требований ФГОС, учебных планов и рабочих программ. Может
быть полезен для студентов других специальностей и направлений,
изучающих электротехнику.
УДК 621.3 (72)
Издано по решению
редакционно-издательского совета университета
Авторы: А. П. Сухогузов, профессор кафедры «Электрические
машины», канд. техн. наук, УрГУПС
И. Б. Падерина, старший преподаватель кафедры «Электри-
ческие машины», УрГУПС
Рецензенты: А. А. Косяков, доцент кафедры «Электрические
машины», канд. техн. наук, УрГУПС
А. Н. Штин, доцент кафедры «Электроснабжение транспор-
та», канд. техн. наук, УрГУПС
ISBN 978-5-94614-515-2 © Уральский государственный
университет путей сообщения
(УрГУПС), 2022
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................. 8
Лекция 1. Физические основы электротехники.
Основные понятия и законы электрических цепей
постоянного тока ................................................................................ 9
1.1. Основные понятия и законы электромагнитного поля ......9
1.2. Основные термины и определения линейных
электрических цепей постоянного тока.
Идеализация элементов цепи ............................................ 12
1.3. Законы Кирхгофа и Ома ..................................................... 16
Лекция 2. Основные методы расчета линейных
электрических цепей постоянного тока ............................................ 19
2.1. Метод эквивалентных преобразований ............................. 19
2.2. Метод законов Кирхгофа ................................................... 22
2.3. Метод контурных токов...................................................... 23
2.4. Метод узловых потенциалов (узловых напряжений) ........ 25
2.5. Метод наложения ............................................................... 26
2.6. Метод эквивалентного генератора ..................................... 27
2.7. Обзор других методов расчета ............................................ 28
Лекция 3. Энергетические показатели электрических цепей
постоянного тока. Понятие о потенциальной диаграмме.................. 30
3.1. Работа и мощность в цепи постоянного тока.
Уравнение баланса мощностей .......................................... 30
3.2. Условие передачи приемнику максимальной энергии ..... 32
3.3. Понятие о потенциальной диаграмме ............................... 34
Лекция 4. Нелинейные электрические цепи постоянного тока ......... 37
4.1. Общие сведения о нелинейных элементах
и их характеристиках .......................................................... 37
4.2. Принципы аппроксимации характеристик
нелинейных элементов ....................................................... 39
4.3. Методы расчета нелинейных цепей ................................... 41
3
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Лекция 5. Линейные электрические цепи синусоидального
тока. Основы символического метода. Линейные
электрические цепи с индуктивной связью ....................................... 45
5.1. Параметры синусоидального тока.
Средние и действующие значения ..................................... 45
5.2. Представление синусоидального тока проекциями вращающихся векторов и комплексной
плоскости. Символический метод расчета ........................ 48
5.3. Активные и пассивные элементы цепи
синусоидального тока ......................................................... 51
5.4. Понятие о треугольниках сопротивлений
и проводимостей ................................................................. 58
5.5. Особенности расчета линейных цепей
с индуктивной связью ........................................................ 61
Лекция 6. Энергетические процессы в цепи
синусоидального тока ....................................................................... 71
6.1. Энергетические процессы в элементах цепи
синусоидального тока ......................................................... 71
6.2. Активная, реактивная и полная мощности.
Треугольник мощности. Баланс мощностей ..................... 73
6.3. Коэффициент мощности цепи и пути его улучшения ...... 77
Лекция 7. Резонансные явления в цепи
синусоидального напряжения ........................................................... 79
7.1. Резонанс напряжений. Основные параметры
и свойства резонансного контура ...................................... 79
7.2. Резонанс токов .................................................................... 82
7.3. Частотные характеристики................................................. 84
Лекция 8. Трехфазные цепи ............................................................. 87
8.1. Получение трехфазной ЭДС .............................................. 87
8.2. Трехфазные цепи с соединением «звезда» ......................... 89
8.3. Трехфазные цепи с соединением «треугольник» .............. 93
8.4. Мощности в трехфазной цепи ........................................... 95
4
ОГЛАВЛЕНИЕ
8.5. Аварийные режимы в трехфазных цепях ........................... 96
8.6. Понятие о методе симметричных составляющих ............101
Лекция 9. Несинусоидальные токи и напряжения.
Принципы расчета ...........................................................................107
9.1. Основные положения и соотношения ..............................107
9.2. Методика расчета однофазных цепей
несинусоидального тока ....................................................109
9.3. Особенности расчета трехфазных цепей
несинусоидального тока ....................................................111
Лекция 10. Получение кругового вращающего поля
в трехфазных цепях. Принципы работы асинхронных
и синхронных машин .......................................................................115
10.1. Получение кругового вращающего
магнитного поля в трехфазных машинах ......................115
10.2. Принцип работы и основные
характеристики асинхронных машин ............................118
10.3. Принцип работы и основные характеристики
синхронных машин ........................................................121
Лекция 11. Нелинейные магнитные цепи
с постоянными намагничивающими силами ....................................124
11.1. Основные допущения и законы,
применяемые при расчете нелинейных
магнитных цепей ............................................................124
11.2. Методика расчета неразветвленных
магнитных цепей ............................................................125
11.3. Методика расчета разветвленных
магнитных цепей ............................................................128
Лекция 12. Нелинейные цепи переменного тока:
катушка с ферромагнитным сердечником, трансформатор .............132
12.1. Общие сведения о нелинейной индуктивности ............132
12.2. Уравнение, схема замещения и векторная
диаграмма катушки с ферромагнитным
сердечником....................................................................134
5
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
12.3. Опытное определение параметров схемы
замещения катушки с ферромагнитным
сердечником....................................................................135
12.4. Трансформатор, приведенный
трансформатор и схема замещения ...............................138
Лекция 13. Классический метод расчета переходных
процессов в линейных электрических цепях
с одним накопителем энергии ..........................................................146
13.1. Основные положения и законы коммутации ................146
13.2. Переходные процессы в реальной
катушке индуктивности .................................................151
13.3. Переходные процессы при заряде
и разряде конденсатора ..................................................157
Лекция 14. Классический метод расчета переходных
процессов в линейных электрических цепях
с двумя накопителями энергии ........................................................161
14.1. Характеристическое уравнение цепи и его корни.........161
14.2. Расчет переходного процесса
для апериодического режима .........................................163
14.3. Особенности расчета переходного процесса
для периодического затухающего процесса ..................167
14.4. Случай равных вещественных корней
и решение переходного процесса ..................................169
Лекция 15. Операторный метод расчета
переходных процессов .....................................................................171
15.1. Основные положения и соотношения ...........................171
15.2. Методика расчета переходных процессов
операторным методом ....................................................176
15.3. Переход от изображений к оригиналам ..........................177
Лекция 16. Многополюсники. Пассивные четырехполюсники: основные уравнения и характеристики.
Эквивалентные схемы замещения. Круговая диаграмма
нагруженного четырехполюсника ....................................................188
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
16.1. Определение четырехполюсника и формы
записи уравнений. Вывод уравнений в А-форме ..........188
16.2. Эквивалентные схемы замещения
четырехполюсника .........................................................192
16.3. Вторичные параметры симметричного
четырехполюсника .........................................................193
16.4. Применение круговых диаграмм для расчета
нагруженных четырехполюсников ................................195
Лекция 17. Электрические цепи с распределенными
параметрами (длинные линии) .........................................................198
17.1. Общие сведения о цепях с распределенными
параметрами....................................................................198
17.2. Расчет установившихся режимов работы
линий при синусоидальном источнике питания ..........200
17.3. Длинные линии без искажения .....................................203
17.4. Длинные линии без потерь ............................................205
17.5. Переходные процессы в линиях
с распределенными параметрами ..................................207
Лекция 18. Элементы теории электромагнитного поля ...................210
18.1. Система уравнений электромагнитного поля
в интегральной форме ....................................................210
18.2. Система уравнений электромагнитного поля
в дифференциальной форме (уравнения Максвелла) ...212
18.3. Теорема Умова-Пойнтинга.
Понятие о векторе Пойнтинга .......................................217
18.4. Общая схема движения энергии
в электрической цепи постоянного тока .......................219
18.5. Электростатическое поле, основные
характеристики и свойства .............................................221
18.6. Уравнения Пуассона и Лапласа .....................................224
18.7. Магнитное поле постоянных токов ...............................225
Библиографический список .............................................................227
7
ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Теоретические основы электротехники» является базовой при подготовке специалистов по специальности 23.05.05
«Системы обеспечения движения поездов».
Электромагнитные процессы, происходящие в оборудовании,
создают немало трудностей при анализе нормальных и аварийных
режимов работы устройств электроснабжения.
В лекциях подробно рассмотрены методы расчета электрических
цепей постоянного и переменного тока, энергетические процессы
в элементах устройств электроснабжения. Значительное внимание
уделено переходным процессам, которые постоянно сопровождают
работу оборудования, начиная от момента начала работы коммутирующей аппаратуры и заканчивая грозовыми разрядами на токоприемнике. Подробно проанализированы два основных метода расчета
переходных процессов: классический и операторный.
Известно, что при переходных процессах значительную роль играют реактивные элементы цепи — индуктивности катушек и емкости
конденсаторов, и при определенных условиях они становятся элементами цепи с распределенными параметрами. Все это требует специального анализа работы устройств электроснабжения в установившемся и переходном процессах.
В курсе рассмотрены базовые уравнения электромагнитного поля,
включая их интегральную и дифференциальную форму (уравнение
Максвелла), которые позволят студентам глубже понять происходящие электромагнитные процессы.
Курс лекций может быть полезен также студентам других специальностей.
8
Лекция 1
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
План лекции
1.1. Основные понятия и законы электромагнитного поля.
1.2. Основные термины и определения линейных электрических
цепей постоянного тока. Идеализация элементов цепи.
1.3. Законы Ома и Кирхгофа.
1.1. Основные понятия и законы электромагнитного поля
Курс теоретических основ электротехники основан на базовой
дисциплине «Физика», раздел «Электромагнетизм», подробное изложение раздела ограничен констатацией основных понятий и законов электрофизики.
Электрический заряд q — величина, определяющая интенсивность
электромагнитного взаимодействия заряженных частиц с собственным и внешним электромагнитными полями. Электрический заряд
любых заряженных тел — это целое кратное элементарного электрического заряда q0. Размерность заряда — Кулон (Кл).
Напряженность электрического поля
на, характеризующая электрическое поле и определяющая силу f, действующую на заряженную частицу со стороны электрического поля
f
E
или lim ,
==
q
E
00
— это векторная величи-
E
f
q
где q0 — единичный заряд, стремящийся к нулю.
9
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Явление направленного движения заряженных частиц (электронов, ионов и др.) представляет собой электрический ток. Термины
«электрический ток» и «сила электрического тока» — синонимы.
Единица измерения тока — ампер (А).
Полный электрический ток принято разделять на следующие
виды: ток проводимости, ток переноса и ток смещения.
Ток проводимости (i
) представляет собой упорядоченное дви-
пр
жение электронов в металле или ионов в электролите. Он определяется потоком вектора плотности тока через поперечное сечение
проводника.
Ток переноса (i
) возникает под действием электрического поля
пер
Е в свободном пространстве, которое заполнено зарядами с объемной плотностью.
Ток электрического смещения (iсм) возникает в диэлектрике или
в вакууме (в пустоте) при переменных электрических полях и объясняется ограниченным смещением связанных зарядов.
Принято считать, что токи проводимости преобладают в проводниках, токи смещения — в диэлектриках, а все составляющие могут быть характеризованы для некоторых типов полупроводниковых
устройств. В качестве примера на рис. 1.1 приведена иллюстрация
к понятию полного электрического тока в виде электрической схемы цепи переменного тока.
i
пр
Проводник
Источник
~
энергии
i
см
Конденсатор
Рис. 1.1. Иллюстрация к понятию полного тока
10
Электровакуумный
диод
А
i
пер
К
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]