Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

KonspektElektrotekhnika_i_elektronika

.pdf
Скачиваний:
22
Добавлен:
03.03.2016
Размер:
6.68 Mб
Скачать

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электротехнический факультет Кафедра электротехники

ЭЛЕКТРОЭТЕХНИКА

Электротехника и электроника

Учебное пособие

для студентов неэлектротехнических специальностей

Донецк ДонНТУ” 2013

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электротехнический факультет Кафедра электротехники

Электротехника и электроника

Учебное пособие

для студентов неэлектротехнических специальностей

Донецк ДонНТУ” 2013

УДК 621.31+621.38

Электротехника и электроника. Учебное пособие для студентов неэлектротех- нических специальностей / В.И. Костенко, В.А. Сажин. Донецк: ДонНТУ, 2013.

– 112 с.

Представляет собой часть комплекса методических материалов, разрабо- танных кафедрой электротехники ДонНТУ для изучения студентами курса Электротехника и электроника”. В учебном пособии изложен учебно- теоретический материал по разделам Электрические цепи”, “ Трансформато- ры”, “ Электрические машины”, “ Электроника”, который сопровождается мно- гочисленными примерами. Часть по электротехнике описывает основные поня- тия и законы электрических цепей, соотношения электрических и энергетиче- ских величин, которые характеризуют состояние этих цепей. Рассмотрены кон- струкция, принцип действия, характеристики трансформаторов, электрических машин постоянного и переменного тока. Часть по электронике содержит сведе- ния, касающиеся основных свойств полупроводниковых диодов и тиристоров, методов анализа работы и расчета неуправляемых и управляемых выпрямите- лей.

Предназначено для студентов неэлектротехнических специальностей.

Рекомендовано Ученым советом ДонНТУ как учебное пособие для студентов неэлектротехнических специальностей. Протокол №5 от 21.06.2013р.

Рецензенты: Е.Б. Ковалев, проф. кафедры горной электротехники и автоматики С.С. Багдасарян, доц. кафедры электротехники

© В.И. Костенко, В.А. Сажин

СОДЕРЖАНИЕ

1. ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА………………………..…………….

 

 

6

1.1. Электрическая цепь: структура, принципиальная схема, схема

 

замещения, структурные понятия ………….………………………

 

 

6

1.2. Параметры электрической цепи ……………………………………

 

 

7

1.3. Основные законы электрической цепи ……………………….…...

8

1.4. Последовательное соединение приемников электрической энер-

 

гии ………..………………………………………….….……………

 

 

9

1.5. Параллельное соединение приемников электрической энергии ...

11

1.6. Расчет разветвленной цепи с одним источником ЭДС ………..… 12

 

1.7. Работа электрической цепи постоянного тока при передаче энер-

 

гии от источника к приемнику ………………………………..…....

 

 

13

1.7.1. Потери напряжения и мощности …………………………….

 

13

1.7.2. Коэффициент полезного действия ЛЭП. Пути повышения

 

мощности, передаваемой по ЛЭП ………………………..….

15

1.7.3. Режимы холостого хода и короткого замыкания. Защита

 

электрической цепи от токов короткого замыкания …..…...

15

1.7.4. Согласованный и номинальный режимы работы ……..……

16

1.7.5. Работа источника ЭДС генератором и приемником элек-

 

трической энергии ………………………………..……….….

 

 

18

1.8. Применение законов Кирхгофа для расчетов сложных цепей...…

20

2. ОДНОФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬ-

 

НОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ……………………..................………

 

21

2.1. Получение синусоидальной ЭДС …………………...…………..…

21

 

2.2. Формы изображения синусоидальных ЭДС, напряжения и тока ..

22

2.2.1. Аналитическая форма ……………...……………..…………

 

 

22

2.2.2. Графическая форма …………………………..……..……… 22

 

 

2.2.3. Действующие значения ………………………….…………..

 

 

23

2.2.4. Векторное изображение …………………………………..…

 

 

23

2.3. Резистивный, индуктивный и емкостной элементы в цепи пере-

 

менного тока …………………….……………………………..……

 

 

26

2.3.1. Цепь с резистивным элементом …………….………………

 

27

2.3.2. Цепь с индуктивным элементом …………………....………

28

2.3.3. Поверхностный эффект ……………………………...…..….

30

 

2.3.4. Цепь с емкостным элементом ………………………………

 

30

2.4. Цепь с последовательным соединением резистивного, индук-

 

тивного и емкостного элементов ……………………………….…

 

 

32

2.4.1. Резонанс напряжений …………………..…..……….………

35

 

 

2.5. Цепь с параллельным соединением резистивного, индуктивного

 

и емкостного элементов ………………………………...…………

 

 

36

2.5.1. Резонанс токов …………...……………….………….………

 

 

38

2.6. Коэффициент мощности и его технико-экономическое значение

39

3. ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ………………….

41

3.1. Получение трехфазной системы ЭДС ……………………………

41

 

 

 

 

 

- 3 -

 

 

 

3.2. Схема соединения трехфазного источника и приемника «звез-

 

дой» с нейтральным проводом …………………………………....

 

 

 

42

3.3. Схема соединения трехфазного источника и приемника «звез-

 

дой» …………………………………...…………………….………

 

 

 

45

3.4. Схема соединения трехфазного источника и приемника «тре-

 

угольником» …………………………….…………………………

 

 

 

46

3.5. Мощности трехфазных приемников ……………….………..……

 

 

47

3.6. Способы подключения нагрузки в трехфазную сеть ……………

 

48

4. ТРАНСФОРМАТОРЫ ……………………………………….……..…

 

 

 

50

4.1.Назначение ……….…………………………………………….…... 50

 

 

 

 

4.2. Однофазный трансформатор ……………….………………..……

 

 

 

50

4.2.1. Устройство …………...…………….…………..…….………

 

 

 

50

4.2.2. Принцип действия трансформатора ……………………..…

 

52

4.2.3. Холостой ход трансформатора ……………………………...

 

 

53

4.2.4. Работа трансформатора под нагрузкой …………………….

 

56

4.2.5. Коэффициент полезного действия ………………………… 58

 

 

4.3. Трехфазные трансформаторы …………….……………..…..……

 

 

 

60

4.3.1. Щиток трансформатора …………………….……….....……

 

 

 

62

4.4. Автотрансформатор ………………….…………………...…..……

 

 

 

62

4.5. Измерительные трансформаторы …………………………………

 

 

 

63

4.5.1. Трансформатор нaпpяжения …………………..……………

63

 

 

4.5.2. Трансформатор тока ………………………………...……… 64

 

 

 

5. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ………………………..…...………

66

 

 

5.1. Общие положения …………………………………..……..……… 66

 

 

 

 

5.2. Машины постоянного тока (МПТ) ………………………………

66

 

 

5.2.1. Принцип действия и режимы работы МПТ …………….....

66

 

5.2.2. Конструкция машины постоянного тока …………………..

 

68

5.2.3. Классификация машин постоянного тока …………..…..…

69

 

5.2.4. Электродвижущая сила якоря …………..………………….

70

 

 

5.2.5. Тормозной и вращающий моменты МПТ ……………….…

 

71

5.2.6. Двигатели постоянного тока параллельного и независимо-

 

го возбуждения ………………………………………………

 

 

 

72

5.2.7. Остановка ДПТ ……………………………...………….……

 

 

 

76

5.2.8. Коэффициент полезного действия и потери мощности …..

76

5.2.9. Щиток машины ……………………………...………….……

 

 

 

78

5.3. Асинхронные машины ………………..………...…………………

 

 

 

80

5.3.1. Устройство трехфазного асинхронного двигателя …..……

80

5.3.2. Вращающееся магнитное поле статора ..………..……....…

82

 

5.3.3. Принцип действия АД …………………...……………….…

84

 

 

 

5.3.4. Реверсирование асинхронного двигателя ……………….…

 

85

5.3.5. Электродвижущие силы статора и ротора …………………

 

86

5.3.6. Токи в фазах асинхронного двигателя …………...……...…

 

86

5.3.7. Потери и коэффициент полезного действия ………….....…

 

87

5.3.8.Вращающий момент ………………..…………………...….. 89

-4 -

5.3.9. Характеристики асинхронного двигателя ..……….………. 89

 

5.3.10. Свойство саморегулирования …………………………..…

91

 

5.3.11. Динамическое торможение АД ……………………………

 

92

…..5.3.12. Паспортные данные АД ……………..…………….………

 

 

92

6. ВЫПРЯМИТЕЛИ …………………………………..……….……..…..

 

 

94

6.1. Неуправляемые выпрямители …………………..…………….…...

94

 

 

6.1.1. Структура и основные параметры выпрямителей ……...…

94

6.1.2. Выпрямительные диоды …………………………………….

 

 

95

6.1.3. Однофазные схемы выпрямления …………………….……

96

 

6.1.4. Трехфазные схемы выпрямления ………………………..…

100

 

6.1.5. Сглаживающие фильтры ……………………………………

104

 

 

6.2. Управляемые выпрямители ………………………..………………

 

 

106

6.2.1. Тиристоры ……………………………………………………

 

 

106

6.2.2. Однофазный мостовой управляемый выпрямитель ………

108

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ …….………………………………...……… 111

 

 

 

- 5 -

Электротехника и электроника

1. ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ: СТРУКТУРА, ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА, СХЕМА ЗАМЕЩЕНИЯ, СТРУКТУРНЫЕ ПОНЯТИЯ

Совокупность устройств, предназначенных для генерирования, передачи и использования электрической энергии, называется электрической цепью.

Простейшая цепь состоит из источника, приемника и соединительных про- водов, соединяющих зажимы источника и приемника энергии. В состав цепи могут входить также измерительные приборы и коммутационная аппаратура.

Источник энергии преобразует механическую, химическую, тепловую или другую энергию в электрическую энергию. Приемник энергии превращает

электрическую энергию в энергию световую, тепловую, механическую и т. п.

Q

PA

 

Электрические цепи изображаются при по-

 

мощи электрических

схем: принципиальной и

 

A

 

 

EK

замещения.

 

+ G

EL

 

V

 

Принципиальная

электрическая схема

 

(рис. 1.1.) – изображение электрической цепи при

-

PV

 

 

помощи графических символов. Принципиальная

 

 

 

 

 

 

 

 

схема показывает, как соединены устройства в

 

Рис. 1.1

 

электрической цепи. Например, лампа накалива-

 

 

 

ния EL и электропечь EК через выключатель Q

соединяются с аккумулятором G. Ток в цепи измеряется амперметром PA, а на-

пряжение приемника

вольтметром PV. Электрические соединения изобража-

ются прямыми линиями.

 

 

Для расчетов электрической цепи используют схемы замещения. На схеме

замещения каждое устройство в цепи представлено идеальными элементами,

отображающими его свойства. Для установившегося режима работы цепи по-

стоянного тока это:

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- идеальный резистивный элемент

 

 

 

-

характеризует

безвозвратное

 

 

 

 

потребление электрической энергии;

 

 

 

 

 

 

Е -

 

- идеальный источник электрической энергии

 

 

 

характеризует

 

 

 

способность объекта создавать

разность

- +

потенциалов на

 

 

 

 

своих выводах и поддерживать электрический ток в замкнутой цепи.

Таким образом, для рассматриваемой электрической цепи получаем схему замещения (рис. 1.2), где аккумулятор представлен идеальным источником Е и резистивным элементом R0 (учитывает потери энергии при прохождении тока

через батарею), лампа

 

резистивным элементом REL, печь - резистивным эле-

 

 

 

I

 

a

 

 

 

 

ментом REК. Приборы, коммутационные аппара-

 

 

 

 

 

 

 

 

ты на схеме замещения не показывают.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

+

 

 

 

 

 

 

I1

 

 

 

I2

 

 

 

REL

 

 

 

 

 

 

Структурные понятия электрической цепи:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- ветвь включает один или несколько эле-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

ментов, соединенных последовательно. По ветви

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

может проходить только один ток. Схема на рис.

 

 

 

 

 

 

b

 

 

EK

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2 содержит три ветви с токами I, I1, I2, соответ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.2

 

 

 

 

ственно;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- 6 -

1.Цепи постоянного тока

-узел это место соединения трех и более ветвей. На рис. 1.2 два узла a и b;

-контур - замкнутая последовательность ветвей электрической цепи. На рис. 1.2 можно выделить три контура: 1-й включает ветви с токами I и I1, 2-й ветви с токами I2 и I1. Это внутренние контуры. 3-й внешний контур содер-

жит ветви с токами I и I2.

1.2. ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

а) Электродвижущая сила (ЭДС) Е - характеризует способность источни- ка вырабатывать электроэнергию за счет сторонних сил (химической реакции, тепловых и механических процессов). ЭДС - это энергия, затрачиваемая на пе- ремещение единичного положительного заряда внутри источника. Единица из- мерения Вольт [В]. ЭДС источника энергии является причиной возникнове- ния электрического тока в цепи. Она направлена от зажима «-» источника к за-

жиму «+» (рис. 1.2).

б) Электрический ток I - направленное движение носителей электриче- ских зарядов. Единица измерения - Ампер [A]. Это скалярная величина, пред- ставляющая количество зарядов, проходящих через сечение проводника в еди-

ницу времени: i = q . t

Направление тока совпадает с направлением вызвавшей его ЭДС. Ток на- правлен во внешней цепи от «+» к «–», а внутри источника от «–» к «+».

в) Напряжение U – характеризует способность цепи отдавать электроэнер- гию приемникам. Это энергия, затрачиваемая на перемещение единичного по- ложительного заряда из одной точки электрической цепи в другую. Напряже- ние численно равно разности потенциалов между двумя точками электрической цепи. Единица измерения - Вольт [В]. Напряжение всегда направлено от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом.

г) Сопротивление R характеризует противодействие проводника движе- нию электрических зарядов. Единица измерения Ом [Ом].

Сопротивление зависит от материала, формы и размеров проводников:

R = ρ l , S

где l - длина в метрах [м]; S - поперечное сечение - в квадратных миллиметрах [мм2]; ρ - удельное сопротивление в [Ом мм2/м].

Величина обратная сопротивлению, называется проводимостью:

G = 1 . R

Единица проводимости - Сименс [См]; 1См= 1/Oм.

д) Работа и мощность. Для поддержания тока I в участке электрической цепи нужно иметь на зажимах участка напряжение U. Тогда работа электриче- ского тока на этом участке за время t:

A = U·I·t.

Работа, произведенная в единицу времени мощность:

P = U·I.

Электрическая мощность измеряется ваттметром.

- 7 -

 

 

 

Электротехника и электроника

 

 

 

 

 

Если напряжение выражено в вольтах, ток - в амперах а время - в секундах,

то мощность измеряется в ваттах [Вт], а работа в джоулях [Дж].

 

 

Пример 1.1. Найти сечение провода из нихрома (ρ

= 1,1 10-6

Ом мм2/м)

длинной l = 100 м, если его сопротивление должно быть R = 10 Ом.

 

 

Решение. Из формулы R = ρ l

находим S = ρ l . После подстановки:

 

 

 

 

S

R

 

 

 

 

 

S = 1,1 106

100 = 11 106 м2 = 11мм2.

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

 

а) Закон Oма: ток в цепи прямо пропорционален ЭДС источника электро-

 

I

 

энергии Е и обратно пропорционален сопротивлению цепи.

 

 

Применительно к рис. 1.3:

I =

E

.

 

 

E

 

 

R + R0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

R

Ток в участке цепи, не содержащем источник энергии,

равен отношению напряжения на этом участке к его сопро-

R0

 

 

 

 

тивлению.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для схемы рис. 1.3 имеем:

I = U .

 

 

 

Рис. 1.3

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

б) Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма то-

ков в проводниках, сходящихся к узлу электрической це-

 

I

a

 

пи, равна нулю:

 

 

 

 

 

 

I1

I2

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

I k = 0 .

 

 

U

R1

R2

 

 

 

 

k =1

 

 

 

Принято считать положительными токи, направлен-

 

 

 

 

ные к узлу, и отрицательными

направленные от узла.

 

 

b

 

Например, для узла а схемы рис. 1.4:

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.4

 

 

 

 

I = I1 + I2 .

 

 

 

 

в) Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма ЭДС в любом замкну-

том контуре электрической цепи равна алгебраической сумме произведений то-

ков на соответствующие сопротивления ветвей этого контура. ЭДС и токи за-

писываются с положительными знаками, если их направления совпадают с

произвольно выбранным направлением обхода контура и с отрицательными

если не совпадают:

q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

Ek = Ik Rk

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

k =1

 

 

 

 

 

Например, для схемы рис. 1.3, приняв направление обхода контура совпа- дающим с направлением тока, имеем: Е = IR + IR0 .

Существует и другая форма записи второго закона Кирхгоффа:

q

n

Rk

m

Ek

= Ik

+ U k ,

k =1

k =1

 

k =1

где Uк напряжения на зажимах участков цепи, входящих в контур.

- 8 -

1.Цепи постоянного тока

Например, для контура (схема рис. 1.3), в который входит участок цепи с источником и зажимы источника, имеем Е = I·R0 + U.

Пример 1.2. Найти ток в цепи, если известны Е1 = 20 В, Е2 = 50 В, которые включены навстречу друг другу, а также R1 = 2 Ом, R2 = R3 = 0,5 Ом, которые соединены последовательно с Е1 и Е2.

 

Решение. Для полученной схемы замещения (рис.1.5) задаемся направле-

Е1

Е2

R1

нием тока в цепи и составляем уравнение по второ-

му закону Кирхгоффа:

R3

 

R2

Е2 − Е1 = I (R1 + R2 + R3 ).

I

Отсюда:

 

 

 

 

 

 

 

I =

 

E2 E3

=

50

20

=

30

=10 А.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.5

 

 

R + R

+ R

2 + 0,5

+ 0,5

3

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

3

 

 

 

 

 

 

Положительное значение тока означает, что произвольно выбранное на- правление тока совпадает с действительным (в противном случае получим от-

рицательное значение).

г) Закон Джоуля-Ленца: количество тепла, выделяемого в единицу време- ни электрическим током в проводнике, пропорционально квадрату тока и со-

противлению проводника:

W = IR·t.

Единица измерения - Джоуль [Дж].

Мощность, расходуемая на нагревание проводника Р= I2·R.

Эта мощность может быть выражена через напряжение на зажимах участка.

Так как

I =

U

= U G , то

P = U I = U 2G =

U 2

.

 

 

 

 

R

 

R

Таким образом, резистивные элементы электрической цепи характеризуют потребление электрической энергии и преобразование ее в тепловую. Единица измерения электрической энергии - киловатт-час [кВт·час]. Здесь мощность выражена в киловаттах, а время t в часах. Электрическая энергия измеряется

счетчиками электрической энергии.

Специальный элемент, предназначенный для создания сопротивления току путем преобразования электрической энергии в тепловую, называется резисто-

ром.

1.4. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

При расчетах часто заменяют группу определенным образом соединенных элементов одним элементом с сопротивлением, которое называется эквива-

лентным сопротивлением.

На рис. 1.6,а изображена схема с последовательным соединением рези- стивных элементов с сопротивлениями R1Rn.

На рис. 1.6,б эквивалентная схема замещения.

Через все последовательно соединенные элементы проходит один ток. То- гда по закону Ома на выводах каждого элемента имеем напряжение:

- 9 -

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]