Мухин В.И. Электротехника с основами электроники. Учебное пособие. Часть 1

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство транспорта Российской Федерации

НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО

ТРАНСПОРТА

621.3

М 925

В.И. Мухин

Электротехника с основами

электроники

Учебное пособие

Часть 1

Рекомендовано Министерством транспорта РФ в

качестве учебного пособия для студентов,

слушателей повышения квалификации и

переподготовки кадров

Новосибирск, 2003

УДК 621 621.3+621.38

ББК 31.2(075)

М 925

Мухин В.И. Электротехника с основами электроники. Учебное

пособие. Часть 1. - Новосибирск: Новосиб. гос. акад. водн. трансп., 2003.

- 306 с.

В учебном пособии изложен краткий курс теоретического мате-

риала по электротехнике и электронике с выбором задач в зависимости

от специальности и планируемого в часах объема курса. Приведены при-

меры расчетов задач для основных разделов курса.

Предназначено для студентов неэлектротехнических специаль-

ностей и может быть использовано при изучении курсов “Теоретичес-

кие основы электротехники”, “Метрология”, “Электротехнические ма-

териалы”, “Электрические машины”, а также для преподавателей, слу-

шателей курсов повышения квалификации и переподготовки кадров.

Выражаю благодарность Герасимову В.Г., Гусеву В.В., Захарову

В.И., Касаткину А.С., Немцову М.В., Мучнику А.Я., Парфенову К.А.,

Морозову А.Г., Седову Н.Н., Соколову Б.П. и другим авторам, материалы

которых были использованы при написании и составлении данного учеб-

ного пособия.

Рецензенты:

В.Е. Дубенчак – д-р техн. наук, профессор, (Сибирский

НИИ Авиации);

Е.В. Дмитриев – д-р техн. наук, профессор, (НГАВТ);

Ю.С. Березенцев – профессор, (НГАВТ).

ISBN 5-8119-0183-6

 Новосибирская государственная академия

водного транспорта, 2003

Введение

В.1. Цель и задачи дисциплины

Цель дисциплины – теоретическая и практическая подготовка

специалистов для грамотного использования электротехнических уст-

ройств.

Задача дисциплины – формирование у будущих специалистов

технического кругозора.

Инженер должен иметь представление о работе электрических

и магнитных цепей, о принципе действия основных узлов электрообо-

рудования (трансформаторов, генераторов, электродвигателей и пр.), оз-

накомиться с элементами электроники и электроизмерительными при-

борами, уметь правильно их эксплуатировать. Также должен знать и уметь

использовать методы расчёта электрических цепей и несложных узлов

электроники. Знание основных характеристик элементов электрообору-

дования и электроники позволит специалисту устранить их неисправно-

сти, а также осуществлять мероприятия по предотвращению производ-

ственного травматизма.

Программа базируется на знании курса физики, высшей мате-

матики и теоретической механики.

В.2. Программа [1]

Общие методические указания

Общие указания по изучению дисциплины, выбор варианта кон-

трольной работы, краткая хронология развития электротехники.

В.2.1. Линейные электрические цепи постоянного тока

Общие сведения об электрических цепях и их элементах. Ос-

новные законы электрических цепей. Баланс мощности. Методы эквива-

лентного преобразования электрических цепей с пассивными элемента-

ми. Методы расчёта электрических цепей (метод узловых потенциалов,

метод контурных токов, метод двух узлов, непосредственное примене-

ние законов Кирхгофа, метод эквивалентного генератора и метод нало-

жения). Контрольные задания.

В.2.2. Линейные электрические цепи однофазного

синусоидального тока

Элементарный генератор синусоидальной Э.Д.С. Основные па-

раметры синусоидального тока. Способы представления синусоидаль-

ных величин. Действующие и средние значения синусоидального тока.

Представление синусоидальных функций времени комплексными чис-

лами и векторами. Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме. Ана-

лиз электрических цепей, содержащих активное, индуктивное и емкост-

ное сопротивления. Расчёты последовательных и сложных электричес-

ких цепей. Векторные диаграммы. Резонансные явления в последова-

тельных и параллельных электрических цепях. Повышение коэффици-

ента мощности. Электрические цепи с взаимно-индуктивными связями

и их расчет. Четырехполюсники. Контрольные задания.

В.2.3. Трёхфазные электрические цепи

Основные определения. Трёхфазная система Э.Д.С. Способы

соединения фаз. Анализ и расчёт электрических трёхфазных цепей, со-

единённых по схеме «звезда» и «треугольник». Мощность трёхфазных

цепей. Контрольные задания.

В.2.4. Переходные процессы в линейных электрических цепях

Возникновение переходных процессов и законы коммутации.

Переходные процессы в цепи с последовательным соединением актив-

ного и индуктивного элементов; активного и емкостного элементов.

В.2.5. Электрические приборы и средства измерений

Погрешности измерений. Классы точности приборов. Обработ-

ка погрешностей косвенных измерений. Измерение мощности. Измере-

ние электрических и неэлектрических величин электрическими метода-

ми. Мостовые методы измерений.

В.2.6. Магнитные цепи

Цепи с постоянными и переменными магнитодвижущими сила-

ми. Электромагниты, контакторы и реле.

В.2.7. Трансформаторы

Назначение и принцип действия трансформатора. Идеальный

трансформатор. Реальный трансформатор, его характеристики и коэф-

фициент полезного действия. Трёхфазные и измерительные трансфор-

маторы, автотрансформатор.

В.2.8. Асинхронные машины

Общие сведения об электрических машинах. Вращающееся маг-

нитное поле. Устройство, принцип действия, момент вращения трёхфаз-

ных асинхронных двигателей. Пуск асинхронных двигателей, рабочие

характеристики и КПД.

В.2.9. Синхронные машины

Устройство и принцип действия синхронной машины. Синхрон-

ный генератор в режиме холостого хода и под нагрузкой. Характеристи-

ки синхронного генератора. Синхронная машина в режиме электродви-

гателя, момент вращения и пуск.

В.2.10. Машины постоянного тока

Устройство и принцип действия машин постоянного тока в ре-

жиме генератора и двигателя и их основные характеристики.

В.2.11. Основы электроники

Полупроводниковые диоды и их свойства. Выпрямители и элек-

трические фильтры. Транзисторы и их основные характеристики. Ус и -

лительные каскады на транзисторах. Общие сведения по интегральным

микросхемам. Стабилизаторы. Генераторы колебаний. Элементы вычис-

лительных устройств. Триггеры на транзисторах и логических элемен-

тах. Микро ЭВМ и их применение.

В.3. Общие методические указания

Изучение курса электротехники и основ электроники базирует-

ся на знаниях, полученных из курса физики и математики средней шко-

лы и ВУЗа. Поэтому, в случае затруднений необходимо обращаться к учеб-

никам по базовым дисциплинам и рекомендованной литературе, либо

обращаться за консультацией к преподавателю.

Для приобретения необходимого опыта в расчётах электричес-

ких величин и сдачи зачёта или экзамена по курсу студентам предлага-

ются контрольные работы либо по решению кафедры - реферат. Конт-

рольная работа по электротехнике состоит из ряда задач, охватывающих

основные разделы курса. Студентам сообщается, какие номера задач вхо-

дят в контрольную работу. К каждой задаче даётся таблица с числовыми

данными. Номер варианта, выполняемого студентами, определяется дву-

мя последними цифрами учебного шифра студента (если оно не более

20), например, шифр студента 116 - вариант 16.

В.4. Краткая хронология развития электротехники

В настоящее время нет ни одной отрасли хозяйства, где бы не

применялась электрическая энергия. Её широкое использование стало

возможным с появлением электротехники – науки о практическом

применении электрических и магнитных явлений природы и описы-

вающая их законы.

Начало электротехники заложили ученые 18 и 19 столетия, ког-

да был сделан ряд важнейших открытий в области электромагнетизма и

изобретений, связанных с его применением.

В 1600 г. – английский физик и врач Уильям Гильберт в трактате

“О магните, магнитных телах и большом магните – Земле”, впервые рас-

смотрел магнитные и электромагнитные явления.

Во второй половине XVIII века академиками Петербургской ака-

демии наук М.В. Ломоносовым, Г.В. Рихманом, Т.У. Эпинусом были про-

ведены замечательные работы в области статического электричества и

был впервые в 1744 г. построен прибор для количественной оценки элек-

трического заряда - электрометр.

1785 г. – французский физик Ш. Кулон открыл закон электроста-

тического взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов, соглас-

но которому сила

⋅

, где q1, q2 – электрические заряды , r –

расстояние между ними.

1800 г. – итальянский физик А.Вольта создал химический ис-

точник тока и открыл контактную разность потенциалов.

В 1802 г. – академик Петербургской академии В.В. Петров от-

крыл электрическую дугу и указал на возможность её применения. Он

также исследовал химическое действие тока, электропроводность, лю-

минесценцию, электрические явления в газах.

1820 г. – датский физик Х.К. Эрстед открыл эффект о влиянии

электрического тока на магнитную стрелку, который стремится повер-

нуть её перпендикулярно проводнику. Таким образом, впервые был уста-

новлен факт существования магнитного поля вокруг проводника с током.

1820 г. – французский ученый А. Ампер открыл закон взаимо-

действия проводников, по которым идет ток. Если токи идут в одном

направлении – проводники притягиваются, в противоположном – оттал-

киваются с определенной силой.

1821 г. – немецкий физик Т.Н. Зеебек открыл явление термоэлек-

тричества, позволяющее непосредственно превращать тепловую энер-

гию в электрическую.

1827 г. – немецкий ученый Г.С. Ом нашел соотношение между

силой тока I, напряжением U и сопротивлением R:

RUI =

1831 г. – английским физиком М. Фарадеем открыт закон об элек-

тромагнитной индукции, согласно которому в проводящем контуре, на-

ходящемся в переменном магнитном поле или движущимся в постоян-

ном магнитном поле возникает ЭДС индукции

dtdФе −=

(знак “-” опре-

деляет направление индукционного тока, в соответствии с правилом

Ленца). Фарадеем также открыты законы электролиза.

1833 г. – академиком Петербургской академии наук Э.Х. Ленцем

было установлено правило, по которому определяется направление ин-

дукционных токов, возникающих в результате электромагнитной индук-

ции. Индукционный ток в контуре направлен так, что создаваемый им

поток магнитной индукции, проходящий через поверхность ограничен-

ную контуром, стремится препятствовать тому изменению потока, кото-

рое вызывает данный ток.

1834-1838 г.г. – русский физик Б.С. Якоби впервые в мире пост-

роил электродвигатель. Он же является создателем гальванопластики

(1838г.) и первого буквопечатающего аппарата (1850 г.).

1841-1842 г.г. – открыт закон Джоуля-Ленца, согласно которому

количество теплоты Q, выделяемое током I на сопротивлении R за время

t определяется по формуле:

].кал[ tRI24,0Q

⋅⋅⋅=

1847 г. – немецкий физик Г.Р. Кирхгоф сформулировал правила

для разветвленных электрических цепей, позволяющие рассчитывать

электрические цепи.

1872 г. – профессор Московского университета А.Г. Столетов

открыл явление магнитного гистерезиса, которое состоит в отставании

магнитной индукции ферромагнетика при перемагничивании от напря-

женности поля. В том же году, русский электротехник А.Н. Лодыгин изоб-

рел лампу накаливания, которая до сих пор не претерпела существенных

изменений.

1873 г. – английский физик Д.К. Максвелл опубликовал “Трак-

тат об электричестве и магнетизме” и тем самым завершил создание

классической теории электрических и магнитных явлений. Он же выд-

винул идею электромагнитной природы света.

1875 г. – П.Н. Яблочков применил электрическую дугу В.В. Пет-

рова для освещения (свеча Яблочкова). Далее, электрическую дугу рус-

ские изобретатели Н.Н. Бенардос и Н.Г. Славянов использовали для свар-

ки и резания металла. В эти же годы П.Н. Яблочков сконструировал элек-

трическую машину постоянного и переменного тока.

1888 г. – немецкий физик Г.Герц на основе опытов с индукцион-

ной машиной, к которой подключал медные стержни с металлическими

шарами и искровым промежутком между ними, доказал существование

электромагнитных волн.

1888 г. – русский электротехник М.О.Доливо-Добровольский со-

здал первый генератор трехфазного переменного тока. В 1889 г. он раз-

работал и изготовил первый трехфазный асинхронный двигатель, а в

1891г. на Всемирной электротехнической выставке во Франкфурте-на-

Майне демонстрировал первую в мире систему электропередачи трех-

фазного тока на расстояние 170 км. Им же были разработаны все элемен-

ты трехфазных цепей переменного тока: трансформаторы, пусковые ре-

остаты и измерительные приборы.

1895 г. – А.С. Попов впервые продемонстрировал изобретенный

им радиоприемник на всемирной выставке в Париже и получил Золотую

медаль.

1904 г. – на основе работ ученых разных стран был разработан

ламповый диод. Первые лампы в России были разработаны под руко-

водством Н.А. Папалекси и М.А.Бонч-Бруевича.

Большой вклад в полупроводниковую технику внесли ученые

советской школы академика А.Ф. Иоффе. Кристаллический (полупро-

водниковый) усилитель и генератор были созданы О.В. Лосевым.

Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в пе-

риод второй мировой войны дали новый толчок исследованиям в облас-

ти полупроводниковых приборов.

Новым этапом в развитии элементной базы электроники было

изобретение американских ученых Д.Бардина, У.Браттейна и У.Шокли –

германиевого точечного транзистора. Позднее были разработаны плос-

костные транзисторы и другие полупроводниковые приборы. По срав-

нению с лампами транзисторы имеют практически неограниченный срок

службы, малые габариты, экономичные в потреблении энергии и т.д.

Следующий этап роста технического уровня и развития элемен-

тной базы электронной аппаратуры обусловлен переходом на интеграль-

ные микросхемы (ИМС). Интегральная технология оказала сильное вли-

яние на изготовление всей современной электронной аппаратуры. Элек-

троника стала основой создания цифровых вычислительных машин

(ЦВМ). В СССР первую электронную ЦВМ разработали и построили

под руководством академика С.А. Лебедева в 1950 г.

Итак, электротехника и электроника заняли важное место в жиз-

ни современного общества, промышленности, транспорте, сельском хо-

зяйстве, медицине, политике и культуре. В XX веке Россия превратилась

в мощную индустриальную и высокоинтеллектуальную державу. Общая

мощность электростанций всей страны составила около 300 млн.кВт.

Были построены крупнейшие в мире по мощности электростанции, на-

пример, мощность Красноярской ГЭС составляет 6 млн. кВт, Саяно-

Шушенская ГЭС на Енисее – 6,5 млн. кВт (для справки, мощность Но-

восибирской ГЭС составляет 455 тыс.кВт). В 1954 г. в СССР была пуще-

на первая в мире атомная станция мощностью 5 тыс. кВт. Была создана

единая энергетическая система Европейской части СССР общей мощно-

стью около 180 млн. кВт. Построены дальние линии электропередач с

напряжением 750 и 1150 кВ и постоянного тока на 1500 кВ. 12 апреля

1961 г. первый человек Ю.А. Гагарин полетел в космос, освоение котор-

го продолжается в настоящее время.

Раздел 1. Электротехника

1.1. Линейные электрические цепи постоянного

тока

Основными законами электрических цепей, устанавливающи-

ми соотношения между ЭДС, напряжениями, токами и сопротивления-

ми, являются закон Ома и законы Кирхгофа. С помощью этих законов

можно произвести анализ и расчёт любых электрических цепей.

Для участка цепи, сопротивление которого R и напряжение на

котором U, закон Ома можно записать в виде:

RUI =

(1.1)

или : U = I⋅R, где произведение I⋅R называется падением напряжения.

Для электрических цепей содержащих источник ЭДС (Е) (рис.1.1)

закон Ома будет записан в виде:

()

, (1.2)

где r

– внутреннее сопротивление источника;

Е - величина электродвижущей силы;

R - сопротивление нагрузки;

Мощность, отдаваемая источником :

Р = Е ⋅ I , [Bт]. (1.3)

−−

−

Рис. 1.1

Мощность, выделяющаяся на внутреннем сопротивлении источ-

ника: Р

= I

⋅

, [Bт]; (1.4)

Мощность, которая выделяется на нагрузке: Р = I

⋅

R ,[Bт]. (1.5)

Причём, мощность отдаваемая источником, должна быть равна

мощности, которая выделяется на всех сопротивлениях электрической

цепи. Это условие называется балансом мощности:

= Р

+ Р

= I

+ I

R = I

(

R) , [Bт] (1.6)

В электрических цепях различают следующие понятия:

Ветвь – это участок электрической цепи, по которой проходит

только один ток.

Узел – точка соединения трёх и более ветвей.

Контур – замкнутая электри-

ческая цепь, по которой проходит ток.

Согласное включение источ-

ников ЭДС (рис. 1.2).

При таком соединении источ-

ников на зажимах АВ будет действо-

вать результирующая ЭДС:∑Е= Е

+ Е

Встречное включение ис-

точников ЭДС (рис. 1.3).

При таком соединении на за-

жимах АВ будет действовать результи-

рующая ЭДС : ∑Е = Е

- Е

и её поляр-

ность будет определяться источником

с большей ЭДС.

При Е

=10 В; Е

=4 В;∑Е =10

- 4=6 В (в точке В «+» , в А «-»).

Для обоих включений полное внутреннее сопротивление равно:

+ r

Первый закон Кирхгофа : Сумма подходящих к узлу токов рав-

на сумме токов, выходящих из узла.

Применительно к рис. 1.4: I

+ I

= I

+ I

или: I

+ I

−

− I

=0.

Алгебраическая сумма токов в узле равна нулю.

В общем виде первый закон Кирхгофа запи-

сывается выражением

1к

∑

. (1.7)

Рис.1.2

−−

−

−−

−

Рис.1.3

Рис.1.4