Ю.Б. Тихонов, Г.М. Третьяк

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Учебное пособие

Омск • 2012

Оглавление

Введение………………………………………..………………….…………... 8

1.Электрические цепи постоянного тока…………………………............ 9

1.1.Электрическая цепь, ее элементы и параметры……………………... 9

1.2.Способы соединения резисторов в электрических цепях…………... 11

1.2.1.Последовательное соединение резисторов…………………….. 11

1.2.2.Параллельное соединение резисторов………………………...... 11

1.3.Режимы работы источников питания……………………………….... 12

1.4.Баланс мощностей электрической цепи…………………………….... 13

1.5.Потенциалы точек электрической цепи. Потенциальная диаграмма. 14

1.6.Анализ электрических цепей с одним источником питания………... 16

1.6.1. Метод свертывания схемы……………………………………… 16

1.6.2.Метод эквивалентного генератора……………………………... 18

1.6.3.Графический метод расчета…………………………………….. 20

1.7.Примеры расчета электрической цепи с одним источником пита-

ния……………………………………………………………………………… 21

1.7.1.Решение методом свертывания схемы………………………..... 22

1.7.2. Решение методом эквивалентного генератора………………… 23

1.7.3.Решение графическим методом………………………………… 24

1.8.Анализ сложных электрических цепей с несколькими источниками питания……………………………………………………………………........ 25

1.9.Пример расчета сложной электрической цепи методом контурных токов………………............................................................................................. 30

Контрольные вопросы………………………………………………..…….. 30

2. Однофазные электрические цепи переменного тока………………… 35

2.1.Основные понятия о переменном токе……………………………….. 35

2.2.Временные и векторные диаграммы и их взаимосвязь……………... 36

2.3.Элементы и параметры электрических цепей переменного тока…... 37

2.3.1.Цепь переменного тока с активным сопротивлением…………. 38

2.4.Анализ неразветвленной цепи переменного тока…….……………... 42

2.5.Резонанс напряжений………………………………………………….. 45

2.6.Пример расчета неразветвленной цепи переменного тока………….. 46

2.7.Анализ разветвленной цепи переменного тока методом проводи-

мостей…………………………………………….............................................. 49

2.8.Резонанс токов…………………………………………….………….... 52

2.9.Пример расчета разветвленной цепи переменного тока…………….. 54

2.10.Пример расчета цепи переменного тока со смешанным соедине-

нием нагрузки………………………………………….……………………… 56

2.10.1.Решение методом проводимостей……………………………. 56

2.10.2.Решение методом комплексных чисел……………………….. 60

Контрольные вопросы …………………………………….……………….. 62

3

3.Трехфазные электрические цепи переменного тока…………………. 68

3.1.Основные понятия трехфазной цепи…………………….………….... 68

3.2.Получение трехфазной системы ЭДС………………………………... 68

3.3. Схема соединения «звездой» в трехфазных цепях..…….…………… 71

3.4.Схема соединения «треугольником» в трехфазных цепях………….. 76

3.5.Мощность в трехфазных цепях……………………………………….. 78

3.5.2.Измерение активной мощности в трехфазных цепях…………. 79

3.5.3.Коэффициент мощности и его технико-экономическое значе-

ние. Компенсация реактивной мощности…………………………………… 81

3.6.Примеры расчета трехфазной цепи…………………………………... 86

Контрольные вопросы .……………….……………………………………. 92

4.Нелинейные электрические цепи……………………………………….. 98

4.1.Основные понятия……………………………………………………... 98

4.2.Последовательное соединение нелинейных элементов……………... 99

4.3.Параллельное соединение нелинейных элементов………………….. 101

4.4. Статическое и динамическое сопротивления нелинейного элемента 102

4.5.Цепи с нелинейными двухполюсниками…………………………….. 103

4.6.Нелинейные цепи переменного тока…………………………………. 104

4.7.Цепи с нелинейными трех- и четырехполюсниками………………... 107

4.7.1.Основные понятия о трех- и четырехполюсниках…………...... 107

4.7.2.Уравнения четырехполюсника………………………………...... 108

4.7.3.Расчет режима работы трехполюсника в цепи постоянного

тока……………………………………………………………………………... 111 4.7.4. Расчет режима работы трехполюсника для переменных составляющих напряжений и токов……………………………………………. 112

Контрольные вопросы ………………………………………….………….. 113

5.Магнитные цепи…………………………………………………………... 117

5.1.Магнитное поле и его параметры…………………………………….. 117

5.2.Закон полного тока…………………………………………………….. 119

5.3.Циклическое перемагничивание…………………………………….... 120

5.4.Свойства магнитных цепей……………………………………………. 123

5.5.Пример расчета магнитной цепи…………………………………….... 128

Контрольные вопросы ……………………………………………………... 130

6.Трансформаторы………………………………………………………….. 134

6.1.Принцип действия трансформатора…………………………………. 134

6.2.Работа трансформатора в режиме холостого хода………………….. 135

6.3.Работа трансформатора с нагрузкой…………………………………. 136

6.4.Режим опыта короткого замыкания трансформатора…………......... 137

6.5.Трехфазные трансформаторы………………………………………... 138

6.6.Коэффициент полезного действия трансформатора………………... 139

Контрольные вопросы …………………………………………………….. 139

7.Асинхронные двигатели………………………………………………….. 144

7.1.Основные понятия…………………………………………………….. 144

7.2.Устройство трехфазного асинхронного двигателя…………………. 144

4

7.3.Вращающееся магнитное поле статора асинхронного двигателя…. 147

7.4.Принцип действия асинхронного двигателя…………………........... 149

7.5.Механические характеристики асинхронного двигателя…………... 150

7.6.Свойство саморегулирования вращающего момента асинхронного двигателя…………………………………......................................................... 155

7.7.Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей…… ... 156

7.8.Коэффициент полезного действия асинхронного двигателя………. 159

7.9.Коэффициент мощности асинхронного двигателя…………………. 160

7.10.Генераторные и тормозные режимы работы асинхронного двига-

теля…………………………............................................................................... 161

7.10.1.Генераторный режим с отдачей энергии в сеть………………. 161

7.10.2.Режим торможения противовключением……………………... 163

7.11.Пример расчета режима работы трехфазного асинхронного двига-

теля…………………………………………………………………………....... 163 Контрольные вопросы ……………………………….…………………….. 166

8.Трехфазные синхронные машины……………………………………… 172

8.1.Назначение и область применения………………………………….... 172

8.2.Устройство трехфазной синхронной машины……………………….. 172

8.3.Принцип действия синхронной машины…………………………….. 175

8.4.Механическая характеристика синхронного двигателя…………….. 177

8.5.Особенности пуска синхронного двигателя…………………………. 177

8.6.Схема замещения и уравнения электрического состояния синхрон-

ной машины……………………………………………………………………. 178

8.7.Векторные диаграммы синхронного генератора ……………………. 180

8.8.Внешние характеристики синхронного генератора…………………. 180

8.9. Регулировочные характеристики синхронного генератора………… 181

8.10.U-образные характеристики синхронного генератора…………….. 182

8.11.Коэффициент мощности, векторные диаграммы и U-образные характеристики синхронного двигателя……………………………………….. 184

8.12.Угловая характеристика синхронной машины……………………... 187

Контрольные вопросы …………………………………………………….. 189

9.Машины постоянного тока……………………………………………… 192

9.1.Устройство машин постоянного тока……………………………….... 192

9.2.Принцип действия машин постоянного тока в различных режимах работы………………………………………………………………………….. 194

9.2.1.Режим двигателя……………………………………………….... 194

9.2.2.Режим генератора……………………………………………….. 195

9.3.Реакция якоря…………………………………………………………... 195

9.4.Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения.. 196

9.5.Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным воз-

буждением……………………………………………………………………... 196

9.6.Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением………………………………………………… 199

9.7Характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением………………………………………………………………….. 201

5

9.8.Регулирование частоты вращения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением…………………………………………… 204

9.9.Характеристики двигателя постоянного тока со смешанным воз-

буждением……………………………………………………………………... 206

9.10.Генераторные и тормозные режимы работы двигателя постоянно-

го тока с параллельным возбуждением……………………………………… 207

9.11.Коэффициент полезного действия двигателя и потери мощности... 211

9.12.Примеры расчета режимов работы двигателей постоянного тока и построения механической характеристики………………………………...... 213

9.12.1.Пример расчета двигателя постоянного тока с параллель-

ным возбуждением……………………………………………………………. 213

9.12.2.Пример расчета двигателя постоянного тока с последова-

тельным возбуждением……………………………………………………….. 216 Контрольные вопросы ……………………………………………………... 217

10.Электроника……………………………………………………………… 222

10.1.Полупроводниковые диоды………………………………………….. 222

10.2.Выпрямители переменного тока…………………………………….. 225

10.2.1.Основные понятия.………………………………………........... 225

10.2.2.Однополупериодный выпрямитель…………………………… 226

10.2.3.Двухполупериодный выпрямитель…………………………..... 227

10.2.4.Сглаживающие фильтры……………………………………...... 229

10.3.Тиристоры…………………………………………………………….. 231

10.4.Управляемые выпрямители………………………………………….. 234

10.5.Регулятор переменного тока………………………………………..... 235

10.6.Биполярные транзисторы…………………………………………….. 237

10.7.Нагрузочный режим работы биполярного транзистора………….... 240

10.8.Полевые транзисторы………………………………………………… 242

10.9.Классификация усилителей………………………………………….. 244

10.10.Усилительные каскады на биполярных транзисторах……………. 245

10.11.Усилительные каскады на полевых транзисторах………………... 248

10.12.Дифференциальный усилитель…………………………………….. 251

10.13.Обратная связь в усилителях……………………………………….. 254

10.14.Интегральные микросхемы и их классификация…………………. 255

10.15.Операционный усилитель…………………………………………... 259

10.16.Генераторы синусоидальных колебаний…………………………... 266

10.17.Генераторы линейно изменяющегося напряжения……………….. 268

10.18.Мультивибраторы на транзисторах………………………………... 270

10.19.Триггеры и триггерные устройства………………………………... 272

10.19.1.Общие сведения………………………………………………. 272

10.19.2.Триггеры на транзисторах…………………………………… 273

10.19.3.Триггеры на интегральных микросхемах…………………... 277

10.19.4.Регистры………………………………………………………. 283

10.19.5.Цифровой счетчик импульсов……………………………….. 285

10.20.Логические элементы……………………………………………….. 286

10.21.Арифметико-логическое устройство. Микропроцессоры………... 293

6

Контрольные вопросы ………………...……………………………............ 296

11.Электрические измерения и приборы………………………………… 308

11.1.Средства измерения…………………………………………………... 308

11.2.Выбор электроизмерительных приборов…………………………… 309

11.3.Включение в цепь амперметра………………………………………. 311

11.4.Включение в цепь вольтметра……………………………………….. 312

11.5.Включение в цепь ваттметра или счетчика энергии……………….. 313

11.6.Погрешности измерений……………………………………………... 314

11.7.Определение погрешностей при однократных измерениях……….. 315

Контрольные вопросы ……………………………………………….…….. 317

12.Вопросы итогового контроля…………………………………………... 320

12.1.Цепи постоянного тока………………………………………………. 320

12.2.Однофазные цепи переменного тока…………………………........... 321

12.3. Трехфазные цепи переменного тока………………………………… 323

12.4.Нелинейные цепи……………………………………………………... 324

12.5.Магнитные цепи……………………………………………………… 325

12.6.Трансформаторы……………………………………………………… 325

12.7.Асинхронные двигатели………………………………………........... 326

12.8.Синхронные машины………………………………………………… 327

12.9.Электрические машины постоянного тока…………………………. 328

12.10.Основы электроники………………………………………………... 329

12.11.Электрические измерения и приборы……………………………... 331

Библиографический список………………………………………………... 332

Приложение 1. Задание на самостоятельную работу по электрическим цепям постоянного тока…………………………………………………….. 332

Приложение 2. Задание на самостоятельную работу «Расчет трехфаз-

ной электрической цепи переменного тока при соединении нагрузки

«звездой»………………………………………………………………………. 343

Приложение 3. Задание на самостоятельную работу «Расчет трехфаз-

ной электрической цепи переменного тока при соединении нагрузки

«треугольником»…………………………………………………………….. 356

Приложение 4. Задание на самостоятельную работу по асинхронным двигателям……………………………………………………………………. 369

Приложение 5. Задание на самостоятельную работу по двигателям постоянного тока…………………………………………………………….. 370

7

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника как наука является областью знаний, в которой рассматриваются электрические и магнитные явления и их практическое использование. На базе электротехники начали развиваться электроника, радиотехника, электропривод и другие смежные науки.

Электрическая энергия применяется во всех областях человеческой деятельности. Производственные установки на предприятиях имеют в основном электрический привод, т.е. приводятся в действие электрическими двигателями. Для измерения электрических и неэлектрических величин широко применяются электрические приборы и устройства.

Непрерывно расширяющееся использование различных электротехнических и электронных устройств обусловливает необходимость знания специалистами всех областей науки, техники и производства основных понятий об электрических и электромагнитных явлениях и их практическом применении.

Знание студентами данной дисциплины обеспечит их плодотворную деятельность в будущем как инженеров при современном состоянии энерговооруженности предприятий.

В результате полученных знаний инженер неэлектротехнических специальностей должен уметь квалифицированно эксплуатировать электротехническое и электронное оборудование и электропривод, применяемые в условиях современного производства, знать пути и методы экономии электроэнергии.

Данное пособие предназначено для самостоятельной внеаудиторной работы.

8