Основы_электротехники
.pdf
М.А. АХМАМЕТЬЕВ
ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
НОВОСИБИРСК 2012
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (СИБСТРИН)
М.А. Ахмаметьев
ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Учебное пособие
НОВОСИБИРСК 2012
УДК 621.3 ББК 31.2
А 954
Ахмаметьев М. А.
Основы электротехники : учеб. пособие / М. А. Ахмаметьев ; Новосиб. гос. архитектур.-строит. ун-т (Сибстрин). Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2012. – 148 с.
ISBN 978-5-7795-0586-4
В учебном пособии рассмотрен комплекс вопросов по основам электротехники, необходимых для изучения дисциплины «Электроснабжение с основами электротехники» бакалаврами направлений 270800.62 «Строительство», 230400.62 «Информационные системы и технологии», 221700.62 «Стандартизация и метрология». Даны важнейшие понятия, методы анализа и методики расчета электрических цепей постоянного тока, а также однофазных и трехфазных цепей переменного тока. Рассмотрены устройство, принцип действия, характеристики и области применения однофазных и трехфазных трансформаторов, электродвигателей переменного и постоянного тока, а также полупроводниковых диодов и выпрямительных устройств на их основе.
Печатается по решению издательско-библиотечного совета НГАСУ (Сибстрин)
Рецензенты:
–А.Б. Виноградов, д-р техн. наук, профессор, завкафедрой строительных машин, автоматики и электротехники НГАСУ (Сибстрин);
–П.М. Плетнев, д-р техн. наук, профессор (СГУПС)
ISBN 978-5-7795-0586-4 |
|
Ахмаметьев М.А., 2012 |
|
|
Новосибирский государственный |
|
|
архитектурно-строительный |
|
|
университет (Сибстрин), 2012 |
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
ВВЕДЕНИЕ ........................................................................................... |
6 |
1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА |
|
ЛИНЕЙНЫХ И НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ |
|
ПОСТОЯННОГО ТОКА ............................................................................ |
7 |
1.1. Понятие и классификация электрических цепей......................... |
7 |
1.2. Схемы замещения и режимы работы источников ....................... |
9 |
1.3. Термины ЭЦ и схемы соединения приемников ........................ |
11 |
1.4. Основные законы и понятие баланса мощностей ..................... |
14 |
1.5. Методы расчета электрических цепей ....................................... |
17 |
1.6. Нелинейные электрические цепи................................................ |
21 |
Вопросы для самоконтроля ................................................................ |
22 |
2. АНАЛИЗ И РАСЧЕТ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО |
|
ТОКА ......................................................................................................... |
23 |
2.1. Способы представления синусоидальных величин .................. |
23 |
2.2. Особенности применения форм комплексного СПСВ ............ |
24 |
2.3. Понятия действующего и среднего значений переменного тока |
|
и напряжения............................................................................................. |
26 |
2.4. Понятие векторных диаграмм..................................................... |
27 |
2.5. Однофазные цепи переменного тока с отдельными |
|
идеальными элементами .......................................................................... |
28 |
2.6. Закон Ома в комплексной форме................................................ |
31 |
2.7. Резонанс напряжений в цепи с последовательным соединением |
|
2.8. Понятия мощностей в цепях переменного тока ....................... |
35 |
2.9. Резонанс токов в цепи с параллельным соединением катушки |
|
индуктивности и конденсатора ............................................................... |
36 |
2.10. Методика построения векторных диаграмм ............................ |
39 |
2.11. Условия резонанса токов и способы экономии |
|
электроэнергии.......................................................................................... |
43 |
Вопросы для самоконтроля ................................................................ |
46 |
3. АНАЛИЗ И РАСЧЕТ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО |
|
ТОКА ......................................................................................................... |
47 |
3.1. Трехфазная система ЭДС ............................................................ |
47 |
3.2. Трехфазная электрическая цепь при соединении источника и |
|
приемника звездой.................................................................................... |
49 |
3.3. Векторная диаграмма напряжений трехфазного источника и |
|
методика ее построения ........................................................................... |
52 |
3.4. Векторные диаграммы четырехпроводной цепи при |
|
соединении приемника звездой ............................................................... |
55 |
3
3.5. Векторные диаграммы трехпроводной цепи при соединении |
|
приемника звездой.................................................................................... |
58 |
3.6. Векторные диаграммы трехпроводной цепи при соединении |
|
приемника треугольником ....................................................................... |
63 |
3.7. Методика расчета трехфазной цепи ........................................... |
65 |
Вопросы для самоконтроля ................................................................ |
68 |
4. МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ И ТРАНСФОРМАТОРЫ ......................... |
69 |
4.1. Магнитное поле и его свойства................................................... |
69 |
4.2. Магнитные цепи ........................................................................... |
73 |
4.3. Методика расчета магнитных цепей .......................................... |
74 |
4.4. Определение и классификация трансформаторов.................... |
77 |
4.5. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора |
|
.................................................................................................................... |
78 |
4.6. Режимы работы, параметры и характеристики однофазных |
|
трансформаторов ...................................................................................... |
82 |
4.7. Трехфазные трансформаторы ..................................................... |
85 |
4.8. Условное графическое обозначение трансформаторов ........... |
88 |
4.9. Измерительные трансформаторы ............................................... |
89 |
4.10. Сварочные трансформаторы ..................................................... |
92 |
Вопросы для самоконтроля ................................................................ |
94 |
5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО И |
|
ПОСТОЯННОГО ТОКА .......................................................................... |
95 |
5.1. Классификация и свойства электрических машин.................... |
95 |
5.2. Устройство трехфазных асинхронных двигателей ................... |
97 |
5.3. Принцип действия трехфазного АД ......................................... |
101 |
5.4. Параметры асинхронных двигателей ....................................... |
105 |
5.5. Характеристики асинхронных двигателей............................... |
107 |
5.6. Способы пуска асинхронных двигателей ................................ |
114 |
5.7. Режимы работы асинхронных двигателей ............................... |
115 |
5.8. Схема управления асинхронным двигателем .......................... |
116 |
5.9. Однофазные асинхронные двигатели....................................... |
119 |
5.10. Электродвигатели постоянного тока ...................................... |
120 |
Вопросы для самоконтроля .............................................................. |
124 |
6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЕ |
|
УСТРОЙСТВА........................................................................................ |
125 |
6.1. Понятие полупроводников ........................................................ |
125 |
6.2. Определение и свойства полупроводникового диода............ |
129 |
6.3. Однофазные выпрямители ........................................................ |
133 |
6.4. Трехфазные выпрямители ......................................................... |
138 |
6.5. Пассивные фильтры на L,C-элементах..................................... |
143 |
4
6.6. Параметрический стабилизатор напряжения и вторичный |
|
источник питания ................................................................................... |
144 |
Вопросы для самоконтроля .............................................................. |
146 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................. |
147 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК.............................................. |
148 |
5
ВВЕДЕНИЕ
С 2011 г. Новосибирский государственный архитектурностроительный университет (Сибстрин) переходит на подготовку бакалавров. В связи с этим изменяются дисциплины, преподаваемые студентам. В частности, вместо прежних двух дисциплин «Электротехника и электроника» и «Электроснабжение» для бакалавров будет преподаваться объединенная дисциплина «Электроснабжение с основами электротехники», объем которой примерно в два раза меньше суммарного объема прежних дисциплин. Соответственно примерно в два раза сокращается объем аудиторных занятий. Кроме того, рабочая программа составлена таким образом, что половина всех часов, отведенных на изучение дисциплины, составляют часы самостоятельной студенческой работы.
В указанных условиях резко возрастает потребность в компактном электронном курсе «Основы электротехники», так как без знаний основ электротехники невозможно освоения принципов построения и применения сетей электроснабжения.
Целью настоящего учебного пособия является предоставление в компактной и понятной форме минимума всех необходимых сведений по основам электротехники. Электронный вариант данного учебного пособия будет выставлен на сайте для самостоятельного изучения студентами. В дальнейшем предполагается создать комплекс тестовых вопросов по курсу «Основы электротехники». Кроме того, в системе дистанционного образования НГАСУ (Сибстрин) будут представлены рабочая программа по дисциплине «Электроснабжение с основами электротехники», задания и примеры выполнения индивидуальных заданий, а также методические указания по выполнению лабораторных работ.
Объем учебного пособия не позволяет включить вопросы электроники, хотя, по мнению автора, без них и микропроцессорных устройств нельзя на современном уровне решать задачи защиты и управления сетями электроснабжения.
6
1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЛИНЕЙНЫХ И НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1.1. Понятие и классификация электрических цепей
Электрической цепью называют совокупность источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой с помощью проводов и вспомогательных элементов.
Источником называют преобразователь неэлектрической энергии (химической, тепловой или механической) в электрическую. Примеры источников: аккумуляторы, электрические батареи, генераторы переменного и постоянного тока.
Приемником (нагрузкой, потребителем) называют преоб-
разователь электрической энергии в другой вид энергии, необходимый для достижения производственной цели. Примеры приемников: резистор 
с активным сопротивлением R; конденсатор 
с емкостью С; катушка индуктивности 
с индуктивностью L; лампочка накаливания 
с
сопротивлением Rл и т.д.
Провода изготавливаются из меди или алюминия с целью уменьшения их электрического сопротивления.
Вспомогательные элементы служат для управления режи-
мами работы электрической цепи, защиты ее от перегрузки, а также для измерения напряжений, токов и мощностей электрической цепи. Примеры вспомогательных элементов: электриче-
ский ключ |
; |
предохранитель |
; |
амперметр |
с |
внутренним |
сопротивлением |
RA→0; |
вольтметр |
с внутренним сопротивлением RV →∞ и т.д. Электрические цепи (ЭЦ) подразделяются на следующие
виды:
7
тока |
|
тока |
|
тока |
Рис. 1.1
Линейной называют цепь, в которой ни один параметр не зависит ни от значения, ни от направления тока в цепи. К ним относятся ЭЦ с линейными резисторами, катушками индуктивности и конденсаторами (R, L, C – элементами).
Нелинейной называют цепь, в которой хотя бы один параметр зависит от значения или от направления тока в цепи.
Цепью постоянного тока называют ЭЦ, в которой действуют постоянные или медленно изменяющиеся токи и напряжения.
Цепью переменного тока называют ЭЦ, в которой действуют синусоидальные токи и напряжения.
Цепью импульсного тока называют ЭЦ, в которой действуют токи и напряжения несинусоидальной формы (прямоугольной, треугольной, трапециевидной и других форм).
Простой называют ЭЦ, которая имеет один источник энергии и несколько контуров.
Сложной называют ЭЦ, которая имеет несколько источников энергии, расположенных в разных ветвях цепи.
8
В строительстве чаще всего применяются простые линейные ЭЦ переменного и постоянного тока (на рис. 1.1 выделены жирными линиями). Другие виды ЭЦ находят широкое применение в электронике, телевизионной и компьютерной технике.
1.2. Схемы замещения и режимы работы источников
Предметом анализа электротехники является схема замещения электрической цепи, в которой все реальные элементы цепи (электродвигатели, аккумуляторы, трансформаторы и т.д.) замещаются комбинациями идеализированных элементов (идеальных источников электрической энергии, идеальных резистивных, индуктивных и емкостных элементов с соответствующими параметрами: активным сопротивлением R, индуктивностью L и емкостью C).
В схемах замещения применяются два типа источников электрической энергии: источник напряжения и источник то-
ка. Схемы их замещения приведены на рис. 1.2. Источники напряжения широко применяются в сетях электроснабжения жилых зданий, объектов промышленности и строительства. Источники тока строятся на основе транзисторов и применяются в электронике.
Идеализированный источник напряжения характеризуется неизменной электродвижущей силой (ЭДС) E = const и нулевым внутренним сопротивлением Ri = 0 (рис. 1.2а).
Рис. 1.2. Схемы замещения источников энергии и простой ЭЦ: а – источник напряжения; б – источник тока; в – простая ЭЦ
9