Общие положения электрических цепей

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ,

МОЛОДЕЖИ И СПОРТА УКРАИНЫ

 

УКРАИНСКАЯ ИНЖЕНЕРНО-ПЕДАГОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

 

КАФЕДРА ФИЗИКИ, ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ОБЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

 

 

 

 

 

А.И. Тарасенко, А.Н. Мосиенко, С.В. Петров

 

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

 

Учебное пособие для иностранных студентов

дневной и заочной форм обучения

 

Утверждено

научно-методическим Советом

Украинской инженерно-

педагогической академии

Протокол № _ от __.__.2011 г.

Харьков 2011

УДК 621.3 (075.8)

ББК 31.2я73 Т 19

Тарасенко Анатолий Иванович

Электротехника [текст]: Учебное пособие для иностранных студентов дневной и заочной форм обучения / А.И. Тарасенко, А.Н. Мосиенко, С.В. Петров. – Х.: [б.в.], Укр. инж.-пед. академия, 2011. – 96 с.: ил. 55.

 

В пособии изложены основные методы расчета и анализа электрических цепей и устройств постоянного и переменного тока, приведены примеры решения задач, даны типовые задачи для самостоятельного решения, вопросы и задания для самопроверки, а также варианты индивидуальных заданий для расчетно-графической работы.

 

 

Рецензент: канд. техн. наук, доц. Тищенко О.А.

 

 

Ó А.И. Тарасенко, 2011

Ó А.Н. Мосиенко, 2011

Ó С.В. Петров, 2011

Ó УИПА, 2011

СОДЕРЖАНИЕ

	ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ……………..	6
	ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………	7
1.	ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ...	9
1.1.	Электрическая цепь, элемент, источники и приёмники…………	9
1.2.	Величины, которые характеризуют основные явления в электрической цепи……………………………………………………	9
1.3.	Параметры элементов электрической цепи………………………..	9
1.4.	Идеальные элементы………………………………………………….	11
1.5.	Электрические схемы…………………………………………………	12
1.6.	Условно положительные направления электрических величин..	12
1.7.	Идеальные измерительные приборы………………………………..	12
1.8.	Структурные понятия электрических цепей………………………	13
1.9.	Классификация электрических цепей………………………………	14
	Контрольные вопросы и задания (к главе 1)………………………..	14
2.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА…..	15
2.1.	Законы Ома и Кирхгофа……………………………………………...	15
2.2.	Напряжение реального источника. Вольт-амперная характеристика…………………………………………………………	17
2.3.	Энергия и мощность, баланс мощностей…………………………...	18
2.4.	Режимы работы электрических цепей………………………………	19
2.5.	Анализ электрического состояния электрических цепей с одним источником; метод преобразований…………………………………	19
2.6.	Методы расчета сложных электрических цепей постоянного тока………………………………………………………………………	21
2.6.1.	Метод непосредственного применения законов Кирхгофа………	22
2.6.2.	Метод напряжения между двумя узлами…………………………...	22
	Контрольные вопросы и задания (к главе 2)………………………..	24
	Задачи для самопроверки(к главе 2)………………………………...	25
3.	Однофазные электрические цепи синусоидального тока…………………………….	27
3.1.	Общие положения……………………………………………………...	27
3.2.	Основные величины, которые характеризуют синусоидальную функцию времени……………………………………………………...	27
3.3.	Действующие значения тока, ЭДС и напряжения………………...	29
3.4.	Представление синусоидальных величин комплексными числами………………………………………………………………….	29
3.4.1.	Комплексные амплитуды и комплексные действующие значения…………………………………………………………………	29
3.4.2.	Действия с комплексными числами………………………………...	30
3.4.3.	Законы Кирхгофа в комплексной форме…………………………...	31
3.5.	Последовательное соединение R, L и C элементов………………...	32
3.5.1.	Электрическая цепь с последовательным соединением R, L и C элементов. Закон Ома в комплексной форме.  Комплексное и полное сопротивление электрической цепи……..	33
3.5.2.	Характер нагрузки участка…………………………………………..	34
3.5.3.	Векторная диаграмма напряжений. Треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей……….	34
3.5.4.	Общий случай последовательного соединения элементов с комплексными сопротивлениями…………………………………...	35
3.6.	Параллельное соединение R, L и C элементов……………………..	36
3.6.1.	Электрическая цепь с параллельным соединением   R, L и C элементов………………………………………………………………..	36
3.6.2.	Векторная диаграмма токов. Треугольники токов, проводимостей и мощностей………………………………………….	37
3.7.	Мощность в цепях синусоидального тока………………………….	37
3.7.1.	Мгновенная мощность………………………………………………...	37
3.7.2.	Активная мощность…………………………………………………...	37
3.7.3.	Реактивная мощность…………………………………………………	38
3.7.4.	Полная мощность………………………………………………………	38
3.7.5.	Мощность в комплексной форме…………………………………….	38
3.7.6.	Баланс мощностей……………………………………………………..	39
3.8.	Резонанс в цепях синусоидального тока……………………………	39
3.8.1.	Резонанс напряжений…………………………………………………	39
3.8.2.	Резонанс токов………………………………………………………….	41
3.9.	Компенсация реактивной мощности………………………………..	43
	Контрольные вопросы и задания (к главе 3)………………………..	46
	Задачи для самопроверки(к главе 3)...................................................	47
4.	ТРЕХФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ……………...	49
4.1.	Схемы соединения фаз источника и приемника…………………..	50
4.1.1.	Соединение фаз приемника звездой…………………………………	50
4.1.2.	Соединение фаз приемника треугольником………………………..	52
4.2.	Мощность трехфазной электрической цепи………………………..	54
4.3.	Коэффициент мощности симметричных трехфазных приемников и способы его повышения……………………………..	55
	Контрольные вопросы и задания (к главе 4)………………………..	56
	Контрольные задачи(к главе 4)............................................................	57
5.	ТРАНСФОРМАТОРЫ………………………………………	59
5.1.	Назначение, устройство и принцип действия трансформатора…	59
5.2.	Определение параметров трансформатора………………………...	61
5.3.	Внешние характеристики трансформатора………………………..	63
	Контрольные вопросы и задания (к главе 5)……………………….	63
6.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ…………………………...	64
6.1.	Асинхронные двигатели………………………………………………	65
6.1.1.	Устройство и принцип действия асинхронного двигателя………	65
6.1.2.	Основные характеристики асинхронных двигателей…………….	67
6.1.3.	Рабочие характеристики асинхронных двигателей……………….	68
6.2.	Двигатели постоянного тока…………………………………………	69
6.2.1.	Устройство и принцип работы двигателей постоянного тока……	69
6.2.2.	Основные характеристики двигателей постоянного тока………..	72
	Контрольные вопросы и задания (к главе 6)………………………..	73
7.	ЗАДАНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКИХ РАБОТ.	74
	Задача 1………………………………………………………………….	74
	Задача 2………………………………………………………………….	75
8.	ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ И ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ……………………………………………………..	76
9.	МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ……………………………………………………..	77
9.1.	Общие указания по мерам безопасности………………….	77
9.2.	Общие указания по подготовке к лабораторной работе и оформлению отчета ……..…………………………………………….	77
9.3.	Приборы и оборудование……………...…………………………..	78
	Лабораторная работа «Исследование линейной разветвленной электрической цепи постоянного тока»……………………………………………………...	78
	Лабораторная работа «Исследование неразветвленной электрической цепи синусоидального тока»………………………………………………..	80
	СПИСОК ИСТОЧНИКОВ………………………………….	85
	ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРИСТАВКИ ДЛЯ ОБОЗНАЧЕНИЯ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ………………………	86
	Краткий терминологический словарь…...	88

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

 

АД – асинхронный двигатель

АКЗ – аварийное короткое замыкание

БК – батарея конденсаторов

ВН – высшее напряжение

вн – внутреннее

вх – входное (входной)

ДПТ – двигатель постоянного тока

ЕСКД – единая система конструкторской документации

КЗ – короткое замыкание

КПД – коэффициент полезного действия

л – линейный (линейное)

ЛЭП – линия электропередачи

МДС – магнитодвижущая сила

МКТ – метод контурных токов

н – нагрузка

НН – низшее напряжение

ном – номинальный (номинальная, номинальное)

ОВ – обмотка возбуждения

ОЯ – обмотка якоря

п – пуск, пусковой

РН – резонанс напряжений

РТ – резонанс токов

ф – фазный (фазное)

ХХ – холостой ход

э – эквивалентное (эквивалентная, эквивалентный)

ЭГ – эквивалентный генератор

ЭДС – электродвижущая сила

ЭМТ – электромагнитный тормоз

экв – эквивалентное (эквивалентная, эквивалентный)

я – якорь

 

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника - область науки и техники, которая использует электрические и магнитные явления для практических целей. История развития этой науки занимает более двух столетий. Она началась после изобретения первого электрохимического источника электрической энергии в 1799 г. Именно с этого момента началось изучение свойств электрического тока, были установлены основные законы электрических цепей, электрические и магнитные явления стали использоваться для практических целей, были разработаны первые конструкции электрических машин и приборов. Жизнь современного человека без использования электрической энергии немыслима.

Сегодня электрическая энергия используется в технике связи, автоматике, измерительной технике, навигации. Она применяется для выполнения механической работы, нагрева, освещения, используется в технологических процессах (электролиз), в медицине, биологии, астрономии, геологии и др. Столь обширное проникновение электротехники в жизнь человека привело к необходимости включить ее в состав общетехнических дисциплин при подготовке специалистов всех инженерно-педагогических специальностей. При этом перед студентами стоят две главные задачи. Первая задача - ознакомиться и усвоить физическую сущность электрических и магнитных явлений. Это позволит понять принципы работы электромагнитных устройств, правильно их эксплуатировать. Однако, современному специалисту недостаточно знаний одних физических явлений. Поэтому студенты неэлектротехнических специальностей должны получить навыки в методах расчетов элементарных цепей и устройств, необходимых для успешного изучения последующих прикладных курсов (вторая задача).

Бoльшoe знaчeниe электротехники вo всex oблaстяx дeятeльнoсти чeлoвeкa oбъясняeтся прeимущeствaми элeктричeскoй энeргии пeрeд другими видaми энeргии, a имeннo:

1. Элeктричeскую энeргию лeгкo прeoбрaзoвaть в другиe виды энeргии (мexaничeскую, тeплoвую, свeтoвую, xимичeскую и др.), и нaoбoрoт, в элeктричeскую энeргию лeгкo прeoбрaзуются любыe другиe виды энeргии.

2. Элeктричeскую энeргию мoжнo пeрeдaвaть прaктичeски нa любыe рaсстoяния. Этo дaeт вoзмoжнoсть стрoить элeктрoстaнции в мeстax, гдe имeются прирoдныe энeргeтичeскиe рeсурсы, и пeрeдaвaть элeктричeскую энeргию в мeстa, гдe рaспoлoжeны истoчники прoмышлeннoгo сырья, нo нeт мeстнoй энeргeтичeскoй бaзы.

3. Элeктричeскую энeргию удoбнo дрoбить нa любыe чaсти в элeктричeскиx цeпяx (мoщнoсть приeмникoв элeктрoэнeргии мoжeт быть oт дoлeй вaттa дo тысяч килoвaтт).

4. Прoцeссы пoлучeния, пeрeдaчи и пoтрeблeния элeктрoэнeргии лeгкo пoддaются aвтoмaтизaции.

5. Прoцeссы, в кoтoрыx испoльзуeтся элeктричeскaя энeргия, дoпускaют прoстoe упрaвлeниe (нaжaтиe кнoпки, выключaтeля и т. д.).

6. Использование электроэнергии способствует созданию комфортных условий на производстве и в быту.

Электротехника нeпрeрывнo рaсширяет oблaсти примeнeния элeктричeскoй энeргии. Это влeчeт зa сoбoй глубокое внедрение электротехники вo всe oтрaсли прoмышлeннoсти, сeльскoгo xoзяйствa и бытa. А этo трeбуeт дaльнeйшeгo пoдъeмa элeктрoобеспеченности трудa и ширoкoй aвтoмaтизaции прoизвoдствeнныx прoцeссoв (испoльзoвaния aвтoмaтизирoвaнныx систeм упрaвлeния).

Эти oбстoятeльствa трeбуют oбeспeчeния тaкoй прoфeссиoнaльнoй пoдгoтoвки спeциaлистoв, при кoтoрoй oни будут рaспoлaгaть систeмoй знaний, умeний и нaвыкoв в aктуaльныx для ниx oблaстяx электротехники.

Настоящее пособие предназначено для иностранных студентов всех специальностей, изучающих дисциплину «Электротехника».

В пособии рассмотрены основные положения и законы электротехники, методы расчета электрических цепей и устройств, приведены примеры решения задач, даны вопросы для самопроверки и варианты контрольных заданий для самостоятельного решения. Также в пособии приведены методические указания по подготовке и проведению лабораторных работ.

Пособие рекомендуется использовать на практических и лабораторных занятиях, при проработке лекционного материала и для самостоятельной подготовки к контрольным занятиям.

 Учебная дисциплина «Электротехника» рассчитана на 108 часов (в том числе 60 часов самостоятельной работы). В аудиториях проводятся следующие виды занятий (всего 48 часов): лекции (28 часов); практические занятия (12 часов); лабораторные занятия (8 часов). Завершается изучение дисциплины зачетом. Курс построен так, что каждая тема закрепляется практическим решением задач под руководством преподавателя и самостоятельно (в рамках расчетно-графической работы). Все виды аудиторных занятий сопровождаются текущим контролем, который положен в основу формирования 100-бального рейтинга студента. Поэтому залогом успешного освоения дисциплины «Электротехника» является систематическая работа над материалом (особенно во время самостоятельной подготовки).

Весь теоретический материал пособия имеет строгое математическое обоснование. Для качественного усвоения материала необходимы знания студентов по высшей математике (разделы векторной алгебры, дифференциального, интегрального, комплексного исчисления, рядов), по физике (разделы электричества, магнетизма, молекулярной физики), а также инженерной и компьютерной графике (основные требования ЕСКД, графические условные обозначения электротехнических элементов).

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ