Литература

1. В.Е. Китаев, Л.С. Шляпникова. «Электротехника с основами промышленной электроники».

2. «Электротехника и основы электроники» под ред. О.П. Глудкина, М. Высшая Школа 1993 г.

Предисловие.

Под электротехникой понимается область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей.

Составной частью электротехники является электроника, охватывающая исследование и разработку полупроводниковых и вакуумных приборов.

По назначению электротехника подразделяется на три основных направления: энергетическое, технологическое и информационное.

Первое направление связано с получением, распределением и преобразованием электрической энергии.

Второе направление использует электрические и магнитные явления для проведения технологических процессов (сварка, плавка, электролиз, сушка и т.д.).

Третье направление занимается созданием и использованием различных систем управления, вычислительной техники и связи.

1. Постоянный ток.

   0. 1.1 Простейшая цепь постоянного тока

   1. Простейшая электрическая цепь постоянного тока состоит из следующих основных элементов (рис. 1.1):

1. Источник электрической энергии;

2. Электроприёмник;

3. Соединительные провода или линии передач.

Р

ис. 1.1. Простейшая электрическая цепь.

В качестве источника электрической энергии применяются устройства, преобразующие механическую, химическую, тепловую, лучистую и другие виды энергии в энергию электрического тока. К их числу относятся: электрические генераторы, аккумуляторные батареи, гальванические элементы и т.д.

В дальнейшем для определенности будем называть все источники электрической энергии генераторами.

В качестве электроприемников применяются устройства, преобразующие электрическую энергию в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую и т.д. К их числу относятся электрические двигатели, электрические печи, лампы накаливания и т.д. Совокупность электроприемников называется нагрузкой цепи.

Нагрузка и соединительные провода создают внешнюю цепь генератора. Характеристиками генератора являются его электродвижущая сила (ЭДС) Е и внутреннее сопротивление R₀. ЭДС генератора является величиной постоянной и измеряется как величина напряжения холостого хода на зажимах генератора U_хх при разомкнутой внешней цепи, когда ток в цепи отсутствует, т.е. Е = U_хх. На электрических схемах генератор обозначается кружком со стрелкой внутри него, указывающей направление действия ЭДС (см. рис. 1.1).

Под действием ЭДС генератора на его зажимах А и В возникает и поддерживается определенная разность потенциалов, и по замкнутой цепи начинает протекать электрический ток, представляющий собой направленное движение электрических зарядов.

Зажим с более высоким потенциалом называют положительным и обозначают знаком «+», а зажим с более низким потенциалом называют отрицательным и обозначают знаком «-».

Направление электрического тока внутри генератора совпадает с направлением ЭДС, т.е. от зажима со знаком «минус» к зажиму со знаком «плюс (рис. 1.1.) Во внешней цепи ток направлен от зажима (+) к зажиму (-), т.е. от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом.

Величина тока, протекающего по проводнику, определяется количеством электрических зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени, т.е.

I=

где – q – количество электрических зарядов, в кулонах;

– t – время в секундах.

Единицей измерения величины электрического тока является ампер

1[A]=

Элемент электрической цепи, в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую энергию, называют электрическим сопротивлением или резистором и обозначают через R. Каждый элемент электрической цепи обладает определенным электрическим сопротивлением, измеряемым в омах. Через все последовательно соединенные элементы цепи протекает один и тот же ток. Величина этого тока прямо пропорциональна ЭДС генератора и обратно пропорциональна сумме сопротивлений всех элементов цепи.

I= - закон Ома для всей цепи, (1.1)

где R₀ –внутреннее сопротивление генератора, [Oм];

R_л – сопротивление линий передач, [Ом];

R – сопротивление нагрузки, [Ом];

R_внеш = R_л + R – сопротивление внешней цепи, [Ом].

Выражение (1.1) можно переписать как

E=IR₀ + IR_л + IR (1.2)

Выражение (1. 2) называется уравнением равновесия напряжений.

Часть ЭДС, которая затрачивается на преодоление внутреннего сопротивления генератора, называется падением или потерей напряжения внутри генератора и обозначается через

∆U_г = IR₀ (1.3)

Остальная часть ЭДС затрачивается на преодоление сопротивления внешней цепи и называется напряжением на зажимах генератора U_г, (зажимы А, В на рис. 1.1)

U_г= E - ∆ U_г = E – IR₀ (1.4)

Из выражения (1.1) следует, что при уменьшении сопротивления внешней цепи ток I увеличивается. Следовательно, возрастает падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора ∆U_г, что при постоянной ЭДС приводит в соответствии с выражением (1.4) к уменьшению напряжения на зажимах генератора.

Зависимость напряжения на зажимах генератора U_г от величины тока в цепи I называют внешней характеристикой генератора и представляют в виде графика (рис. 1.2), где U_хх= Е – напряжение холостого хода; I_к.з. – ток короткого замыкания цепи. Более подробно режимы холостого хода и короткого замыкания рассмотрены в разделе 1.6.

Внутреннее сопротивление большинства генераторов, как правило, во много раз меньше сопротивления внешней цепи. Чем больше мощность генератора, тем меньше, при прочих равных условиях, его внутреннее сопротивление. Если R₀ << R_внеш, то потерей напряжения внутри генератора можно пренебречь и принять U_г = Е.

I

U_хх=Е

I_к.з.

Рис 1.2. Внешняя характеристика генератора.

Так как генератор соединен с нагрузкой линией передач, имеющей сопротивление R_л, в ней также теряется часть напряжения. Потери напряжения в линии передач определяются по формуле

∆ U_л = IR_л

В связи с этим напряжение U на зажимах нагрузки (зажимы C, D на рис 1.1.) определяется как

U = U_г - ∆ Uл =E - ∆U_г - ∆U_л = Е – I (R₀+R_л)

При дальнейшем рассмотрении электрических цепей, не связанных с передачей энерггии на большие расстояния, будем считать, что сопротивление линий передач пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением нагрузки, т.е. R_л = 0, ∆U_Л =0 и U=U_г. При этом внутреннее сопротивление генератора R₀ может учитываться или не учитываться в зависимости от постановки задачи.

Сопротивление металлического проводника зависит от его длины, площади поперечного сечения и электропроводящих свойств металла, из которого выполнен проводник

R = ρ

где l – длина проводника, м;

S – площадь поперечного сечения, мм²;

ρ – удельное сопротивление проводника, Ом мм² /м.

Удельное сопротивление проводника численно равно сопротивлению проводника длиной 1м, площадью поперечного сечения 1 мм² при температуре 20⁰С. Приведем значение удельных сопротивлений некоторых материалов:

Медь 0,0175

Алюминий 0,029

Сталь 0,13-0,025

Нихром 1,1

Фехраль 1,4

При увеличении температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а проводников второго рода (электролита, угля, графита) уменьшается.

Температурный коэффициент сопротивления α определяет относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1^oС. В диапазоне температур 0-100^o С для большинства металлов α ≈ 0,004 1/^oС. Значение сопротивления R₂ при температуре t^o₂ находится из значения его сопротивления R₁ при температуре t^o₁ по выражению

R₂ = R₁ ( 1 + α ( t^o₂ – t^o₁))

Проводниковые материалы подразделяют на две группы. К первой группе относятся материалы с низким удельным сопротивлением. Они применяются для изготовления проводников и токопроводящих участков различных электро- и радиотехнических устройств. Самое низкое удельное сопротивление имеют серебро и золото, однако их применение очень ограничено в связи с высокой стоимостью.

Самыми распространенными проводниковыми материалами являются медь и алюминий. Медь имеет низкое удельное сопротивление ( почти в два раза меньше, чем у алюминия) и хорошие механические свойства. Она используется для изготовления силовых кабелей и шин, обмоточных и монтажных проводов и контактных соединений.

Алюминий уступает меди по своим электрическим и механическим свойствам. Однако он характеризуется низкой стоимостью и гораздо меньшей плотностью, чем медь. Поэтому алюминий является основным материалом для изготовления проводов воздушных ЛЭП.

Ко второй группе относятся материалы с высоким удельным сопротивлением. Манганин (сплав меди, марганца и никеля) имеет очень малый температурный коэффициент и используется для изготовления эталонов, магазинов сопротивлений, шунтов, добавочных резисторов к измерительным приборам.

Фехраль (сплав железа, хрома и алюминия) и константан (сплав меди и никеля) применяются в основном для изготовления резисторов, нихром (сплав никеля и хрома с добавлением марганца) – для изготовления элементов нагревательных приборов.

Проводниковые (кабельные) изделия можно подразделить на обмоточные, монтажные и установочные провода, а также кабели. Обмоточные провода применяются для изготовления обмоток электрических машин и приборов. Их выпускают с жилами из меди, алюминия и сплавов с большим удельным сопротивлением (манганин, нихром и т.д.)

Монтажные провода и кабели предназначаются для различного рода соединений в электрических аппаратах, приборах и других электроустройствах. Жилы этих проводов выполняются из меди.

Установочные провода используют для распределения электроэнергии в силовых и осветительных сетях. Их выпускают с медными и алюминиевыми жилами (однопроволочными и многопроволочными).