Электротехника и электроника (стр. 1 из 19)

Н.И. УСЕНКОВ

Э Л Е К Т Р О Т Е Х Н И К А

&

Э Л Е К Т Р О Н И К А

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

Оренбург • 2008

УДК 658.26:621311 (075.8)

ББК 31.291я73

У74

Рецензент

Бравичев С.Н., заведующий кафедрой «Электротехника» Оренбургского государственного университета, кандидат технических наук доцент.

Усенков Н.И.

У74 «Электротехника и электроника»: Учебное пособие. – Оренбург: Всемирный технологический университет, Оренбургский филиал, 2008. – 90 с.

Изложены основные положения теории электрических цепей основ промышленной электроники и электрических измерений. Дано описание устройства и рабочих свойств трансформаторов, электрических машин постоянного и переменного тока.

Учебное пособие предназначено для изучения курса «Электротехника и электроника» студентами очно-заочной формы обучения факультета техники и технологий ВТУ, осуществляющих подготовку бакалавров по неэлектрическим направлениям и инженеров по неэлектрическим специальностям (направление «Защита окружающей среды»).

ББК 31.291я73

Усенков Н.И., 2008

ГОУ ВТУ, 2008

Содержание

1 Основные понятия и определения

1.1 Общие сведения

1.2 Резистивные элементы

1.3 Индуктивный и емкостный элементы

1.4 Источники постоянного напряжения

2 Электрические цепи постоянного тока

2.1 Общие сведения

2.2 Законы Кирхгофа

2.3 Распределение потенциала вдоль электрической цепи

2.4 Последовательное и параллельное соединения резистивных элементов

2.5 Соединение резисторов треугольником и звездой

2.6 Электрическая энергия и мощность

2.7 Номинальные величины источников и приемников. Режимы работы электрических цепей

3 Линейные однофазные электрические цепи синусоидального тока

3.1 Основные величины, характеризующие синусоидальные ток, напряжение и ЭДС

3.2 Элементы электрических цепей синусоидального тока

3.3 Расчет неразветвленной электрической цепи синусоидального тока

3.4 Мощность в линейных цепях синусоидального тока

4 Трехфазные линейные электрические цепи синусоидального тока

4.1 Трехфазный источник электрической энергии

4.2 Анализ электрических цепей при соединении трехфазного источника и приемника по схеме «звезда» с нулевым проводом

4.3 Соединение приемника по схеме «треугольник»

4.4 Мощность трехфазной цепи

6 Электрические измерения и приборы

6.1 Системы электрических измерительных приборов

6.2 Основные характеристики электрических измерительных приборов

6.3 Измерение тока, напряжения и мощности

7 Электрические трансформаторы

7.1 Общие сведения

7.2 Принцип действия электрического трансформатора

7.3 Работа электрического трансформатора в режиме холостого хода

7.4 Опыт короткого замыкания

7.5 Мощность потерь в трансформаторе

7.6 Автотрансформаторы

8 Электрические машины

8.1 Общие сведения

8.2 Вращающееся магнитное поле

8.3 Асинхронные машины

8.4 Синхронные машины

8.5 Машины постоянного тока

9 Основы промышленной электроники

9.1 Общие сведения

9.2 Полупроводниковые диоды

9.3 Выпрямители на полупроводниковых диодах

9.4 Транзисторы Рекомендуемая литература

1 Основные понятия и определения

1.1 Общие сведения

Электротехника – наука о практическом применении электрических и магнитных явлений.

В промышленности и в быту применяется разнообразное электрооборудование: двигатели, нагревательные и осветительные приборы и т.д.

Электрическая энергия используется в средствах связи, в телевидении и радио, в ЭВМ, в системах водоснабжения, отопления, канализации и иных бытовых и технологических устройствах.

Механизация и автоматизация технологических процессов во многом зависит от уровня электрификации этих процессов.

Поэтому инженеры должны иметь понятие об основных процессах в электротехнических устройствах и знать их характеристики, чтобы квалифицированно применять на производстве электрические средства.

При работе любого электротехнического устройства через него проходит электрический ток, необходимым условием существования которого является наличие замкнутого контура – электрической цепи (ЭЦ).

Основными элементами ЭЦ являются источники и приемники электрической энергии (ЭЭ). Кроме этих элементов, ЭЦ содержит измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, провода.

В источниках ЭЭ различные виды энергии преобразуются в электрическую.

Так, в генераторах электростанций в ЭЭ преобразуется энергия механическая, в гальванических элементах и аккумуляторах – химическая, в солнечных батареях – световая и т.д.

В приемниках происходит обратный процесс – ЭЭ источников преобразуется в тепловую (нагревательные элементы), световую (электрические лампы), механическую (двигатели), химическую

(электролизные ванны) и т.д.

Для теоретического анализа какой-либо ЭЦ ее изображают схемой – графическим изображением ЭЦ с помощью условных обозначений.

В качестве примера простейшей ЭЦ рассмотрим ЭЦ карманного фонарика, в которой источником ЭЭ служит гальванический элемент (батарейка), а приемником ЭЭ – электрическая лампочка. Схема этой цепи изображена на рисунке 1, на которой стрелками указаны направление тока I (направление движения положительно заряженных частиц) и направления напряжений U на клеммах источника ЭЭ, и ^U₀ на его внутреннем сопротивлении ^R₀ (от плюса – к минусу). Направление ЭДС так же указывается стрелкой, только в направлении от минуса к плюсу.

Рисунок 1 – Схема электрической цепи карманного фонарика

Приемники ЭЭ по характеру физических процессов, протекающих в них, делятся на три основных вида: резистивные, индуктивные и емкостные.

1.2 Резистивные элементы

В идеальных резистивных элементах (резисторах) вся ЭЭ необратимо преобразуется в другие виды энергии. Примеры резистивных элементов, близких к идеальным: лампы накаливания (ЭЭ необратимо преобразуется в световую и тепловую энергии), нагревательные элементы (ЭЭ необратимо преобразуется в тепловую), электродвигатели (ЭЭ необратимо преобразуется в механическую и тепловую энергии) и др.

Основной характеристикой резистивного элемента является его вольтамперная характеристика (ВАХ).

U

f (I), (1.1)

где U – напряжение на выводах резистивного элемента, В; I – сила тока в нем, А.

Если эта зависимость линейная, то резистивный элемент называется линейным и выражение (1.1) имеет вид, известный как закон Ома:

URI , (1.2)

где R – постоянная величина, называемая сопротивлением резистора, Ом.

Однако во многих случаях ВАХ резисторов является нелинейной. Для многих резисторов (нагревательные спирали, реостаты и др.) нелинейность ВАХ объясняется тем, что эти элементы – металлические проводники и электрический ток в них – есть ток проводимости (направленное движение - “дрейф” свободных электронов).

Дрейфу электронов препятствуют (оказывают сопротивление) колеблющиеся атомы, амплитуда колебаний которых определяется температурой проводника (температура – мера кинетической энергии атомов!).

При протекании тока, свободные электроны сталкиваются с атомами и еще более раскачивают их. Следовательно, температура проводника возрастает, отчего увеличивается и его сопротивление R. Таким образом, сопротивление R зависит от тока R

f (I) и ВАХ нелинейна (рисунок1.2, кривая а).

При изменении температуры в небольших пределах сопротивление проводника выражается формулой

R R₀ 1 (T T₀) , (1.3)

где R₀, R – сопротивления проводников при температуре Т₀, Т;

Т₀ – начальная температура проводника;

Т – конечная температура проводника;

температурный коэффициент сопротивления.

Рисунок 1.2 – Общий вид ВАХ металлического (а), полупроводникового (б), и константанового (в) резистивных элементов

У большинства чистых металлов >0, что означает, что с повышением температуры сопротивление металлов увеличивается.

У электролитов, изделий из графита и полупроводников <0

(таблица 1.1).

Таблица 1.1 – Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления некоторых материалов

Наименование материала	Удельное сопротивление при 20 0С, мкОм м	Температурный коэффициент сопротивления, 1/К
Вольфрам Уголь Манганин (Cu–80%, Mn–12%, Ni–3%) Константан Нихром (Cr-20%, Ni-80%) Полупроводники (Si, Ge)	0,0508 10-60 0,4-0,52 0,44 1,02-1,12 1,0-14	0,0048 -0,005 3 10-5 5 10-5 0,0001 -(0,2-0,8)

В таблице 1.2 приведены условные графические обозначения резистивных элементов.