Теоретические основы электротехники
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Авторы:
Лизан Игорь Ярославович, Маренич Константин Николаевич, Ковалёва Инна Владимировна, Пичко Наталья Сергеевна, Сухарев Владимир Иванович, Зубова Яна Валерьевна
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 628
Дополнительно
Вид издания:
Учебник
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0663-5
Артикул: 766827.01.99
Предложены сведения о теоретических основах электротехники. Освещены теория линейных электрических цепей с сосредоточенными параметрами, теория нелинейных электрических и магнитных цепей, а также переходные процессы. Рассмотрена методика решения типовых задач, даны задания для самопроверки и ответы к ним. Для студентов инженерно-технических специальностей.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- 11.03.02: Инфокоммуникационные технологии и системы связи
- 11.03.03: Конструирование и технология электронных средств
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Учебник Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021
УДК 621.3.01 ББК 31.21 Т33 А в т о р ы : И. Я. Лизан, К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва,Н. С. Пичко, В. И. Сухарев, Я. В. Зубова Р е ц е н з е н т ы : Гранков М. В., кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры программного обеспечения вычислительной техники и информационных автоматизированных систем Донского государственного технического университета (г. Ростов-на-Дону); Пшеничный А. И., начальник Усинского регионального управления ООО «ЛУКОЙЛ-Энергосети»; Ямпурин Н. П., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и технологии радиоэлектронных средств АПИ НГТУ Т33 Теоретические основы электротехники : учебник / [И. Я. Лизан и др.]. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 628 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0663-5 Предложены сведения о теоретических основах электротехники. Освещены теория линейных электрических цепей с сосредоточенными параметрами, теория нелинейных электрических и магнитных цепей, а также переходные процессы. Рассмотрена методика решения типовых задач, даны задания для самопроверки и ответы к ним. Для студентов инженерно-технических специальностей. УДК 621.3.01 ББК 31.21 ISBN 978-5-9729-0663-5 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
Теоретические основы электротехники СОДЕРЖАНИЕ 9 10 ВВЕДЕНИЕ……….………………................................................... РАЗДЕЛ 1. ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ………. 1.1. Электрические цепи и их элементы. Законы электрических цепей..................................................................... 10 10 13 17 20 24 34 1.1.1 Электрическая цепь............................................................ 1.1.2. Электрический ток, электродвижущая сила, напряжение……………………………………………………… 1.1.3. Активные элементы цепи.................................................. 1.1.4. Пассивные элементы цепи................................................ 1.1.5. Основные законы электрических цепей.......................... 1.1.6. Контрольные вопросы и примеры.................................... 1.2. Электрические цепи постоянного тока и методы их расчета............................................................................................. 37 37 39 42 44 48 52 46 50 54 1.2.1. Электрические цепи постоянного тока............................ 1.2.2. Методы преобразования………….…............................... 1.2.3. Метод, основанный на непосредственном применении законов Кирхгофа........................................................................ 1.2.4. Метод контурных токов.................................................... 1.2.5. Метод узловых напряжений………................................. 1.2.6. Метод наложения (суперпозиции)................................... 1.2.7. Метод эквивалентного генератора (активного двухполюсника)........................................................................... 1.2.8. Принцип взаимности......................................................... 1.2.9. Баланс мощностей............................................................. 1.2.10. Передача электрической энергии по двухпроводной линии............................................................................................ 1.2.11. Контрольные вопросы.................................................... 1.2.12. Примеры решения типовых задач................................. 1.2.13. Задачи по разделу и ответы к ним................................. 60 63 65 77 86 86 89 94 1.3. Электрические цепи однофазного гармонического тока 1.3.1. Основные понятия и соотношения для линейных цепей переменного тока......................................................................... 1.3.2. Среднее, середневыпрямленное и действующее значения переменных токов и напряжений............................... 1.3.3. Представление гармонических токов, напряжений и ЭДС комплексными числами………………………………...... 3
Теоретические основы электротехники 101 105 108 112 114 119 123 133 135 141 1.3.4. Гармонический ток в элементах R, L, С.......................... 1.3.5. Последовательное соединение элементов R, L, С. Треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей....... 1.3.6. Параллельное соединение элементов R, L, С. Треугольники токов, проводимостей и мощностей.................. 1.3.7. Связь между сопротивлениями и проводимостями электрической цепи переменного тока...................................... 1.3.8. Мощности электрических цепей гармонического тока. Баланс мощностей ...................................................................... 1.3.9. Методика расчета электрических цепей гармонического тока……............................................................ 1.3.10. Резонансные явления в электрических цепях.............................................................................................. 1.3.11. Контрольные вопросы..................................................... 1.3.12. Примеры решения типовых задач.................................. 1.3.13. Задачи по разделу и ответы к ним.................................. 1.4. Электрические цепи с индуктивно связанными элементами...................................................................................... 147 147 150 158 161 162 173 1.4.1. Определения и обозначения основных величин............. 1.4.2. Основные законы и положения........................................ 1.4.3. Трансформатор без стального сердечника (воздушный трансформатор)............................................................................ 1.4.4. Контрольные вопросы....................................................... 1.4.5. Примеры решения типовых задач.................................... 1.4.6. Задачи по разделу и ответы к ним.................................... 183 1.5. Несинусоидальные ЭДС, напряжения и токи в линейных электрических цепях……......................................... 183 187 190 192 193 194 204 213 1.5.1. Разложение периодической несинусоидальной функции времени в тригонометрический ряд Фурье............... 1.5.2. Действующее и среднее значения несинусоидальных токов и напряжений..................................................................... 1.5.3. Мощности периодических несинусоидальных токов.... 1.5.4. Методика расчета линейных электрических цепей несинусоидального тока.............................................................. 1.5.5. Контрольные вопросы....................................................... 1.5.6. Примеры решения типовых задач.................................... 1.5.7. Задачи по разделу и ответы к ним.................................... 1.6. Четырехполюсники и электрические фильтры............... 4
Теоретические основы электротехники 213 216 218 221 1.6.1. Четырехполюсники и их системы уравнений................. 1.6.2. Режимы холостого хода и короткого замыкания четырехполюсника ...................................................................... 1.6.3. Эквивалентные схемы четырехполюсника...................... 1.6.4. Характеристическое сопротивление и постоянная передачи четырёхполюсника....................................................... 1.6.5. Электрические фильтры. Основные понятия и обозначения………………………………………..…………..... 1.6.6. Условия прозрачности фильтра......................................... 1.6.7. Частотные характеристики фильтров............................... 1.6.8. Фильтры нижних частот..................................................... 1.6.9. Фильтры верхних частот.................................................... 1.6.10. Полосовые и заграждающие фильтры............................ 1.6.11. Контрольные вопросы...................................................... 1.6.12. Примеры решения типовых задач................................... 1.6.13. Задачи по разделу и ответы к ним…............................... 1.7. Трехфазные электрические цепи......................................... 224 225 227 229 231 233 236 236 244 249 249 250 253 257 2 262 265 268 270 272 274 281 282 293 1.7.1. Понятие о многофазных цепях.......................................... 1.7.2. Трехфазная система ЭДС. Порядок чередования фаз..... 1.7.3. Схемы соединения трехфазных систем. Фазные и линейные токи и напряжения...................................................... 1.7.4. Симметричные трехфазные цепи при соединении приемника «звездой».................................................................... 1.7.5. Симметричные трехфазные цепи при соединении приемника «треугольником»....................................................... 1.7.6. Несимметричные трехфазные цепи при соединении приемника «звездой».................................................................... 1.7.7. Несимметричные трехфазные цепи при соединении приемника «треугольником»....................................................... 1.7.8. Мощность трехфазных цепей............................................ 1.7.9. Вращающееся магнитное поле………….......................... 1.7.10. Метод симметричных составляющих. Симметричные составляющие трехфазной системы величин............................ 1.7.11. Применение метода симметричных составляющих к расчету симметричных трехфазных приемников..................... 1.7.12. Применение метода симметричных составляющих к расчету несимметричных трехфазных приемников.................. 1.7.13. Высшие гармоники в трехфазных цепях……………… 5
Теоретические основы электротехники 301 303 318 1.7.14. Контрольные вопросы и примеры…….......................... 1.7.15. Примеры решения типовых задач.................................. 1.7.16. Задачи по разделу и ответы к ним….............................. РАЗДЕЛ 2. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ…………………………………………….. 327 327 2.1. Нелинейные электрические цепи постоянного тока…… 327 332 2.1.1. Нелинейные элементы, их характеристики и параметры……………………………………………………….. 2.1.2. Графический метод расчета нелинейных цепей постоянного тока………………………………………………... 2.1.3. Графоаналитический метод расчета нелинейных цепей.............................................................................................. 2.1.4. Контрольные вопросы…………………………………… 2.1.5. Примеры решения типовых задач…………………….... 2.1.6. Задачи для самостоятельного решения……………….... 2.2. Магнитные цепи, основные законы и методы расчета.. 2.2.1. Магнитное поле и его основные характеристики…..…. 2.2.2. Ферромагнитные материалы и их характеристики……. 2.2.3. Магнитные цепи. Законы магнитных цепей………........ 2.2.4. Расчет неразветвленных магнитных цепей……………. 2.2.5. Расчет разветвленных магнитных цепей………………. 2.2.6. Постоянные магниты и методика их расчета………...... 2.2.7. Контрольные вопросы………………………...……….... 2.2.8. Примеры решения типовых задач…………………….... 2.2.9. Задачи для самостоятельного решения……………….... 2.3. Нелинейные электрические цепи переменного тока…... 334 337 338 347 355 355 359 364 373 376 381 386 386 397 404 404 410 418 425 430 438 442 2.3.1. Нелинейные элементы и их характеристики……..……. 2.3.2. Методы расчета нелинейных цепей переменного тока.. 2.3.3. Нелинейные цепи, содержащие катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником...……...…… 2.3.4. Формы кривых тока, напряжения и магнитного потока катушки с ферромагнитным сердечником……..……………... 2.3.5. Эквивалентная схема и векторная диаграмма катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником………...…... 2.3.6. Расчет катушки с ферромагнитным сердечником по действующему значению величин……………………………. 2.3.7. Трансформаторы. Режимы работы трансформаторов.... 2.3.8. Эквивалентная схема и векторная диаграмма 6
Теоретические основы электротехники 447 451 453 476 480 480 трансформатора…………………………………...……………. 2.3.9. Контрольные вопросы…………………………………… 2.3.10. Примеры решения типовых задач…………………….. 2.3.11. Задачи для самостоятельного решения………………. РАЗДЕЛ 3. ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ……………………... 3.1. Классический метод анализа переходных процессов…. 480 484 487 500 512 525 3.1.1. Возникновение переходных процессов. Законы коммутации…………………………………….……………….. 3.1.2. Классический метод расчета переходных процессов…. 3.1.3. Переходные процессы в цепи RL……………………..... 3.1.4. Переходные процессы в цепи RC………………………. 3.1.5. Переходные процессы в цепи RLC……………………... 3.1.6. О скачках тока в индуктивностях и напряжений на емкостях……………………………………………………….... 3.1.7. Расчет переходных процессов в электрических цепях методом наложения (интеграл Дюамеля)……………….……. 3.1.8. Контрольные вопросы…………………………………… 3.1.9. Примеры решения типовых задач………........................ 3.1.10. Задачи для самостоятельного решения……………….. 529 534 535 569 574 3.2. Операторный метод расчета переходных процессов….. 3.2.1. Применение преобразования Лапласа к расчету переходных процессов…………………………………………. 3.2.2. Закон Ома в операторной форме……………………….. 3.2.3. Законы Кирхгофа в операторной форме………………. 3.2.4. Переход от изображений к функциям времени……….. 3.2.5. Контрольные вопросы…………………………………… 3.2.6. Примеры решения типовых задач…………………….... 3.2.7. Задачи для самостоятельного решения……………….... 574 577 583 587 588 589 609 612 3.3. Переходные процессы в нелинейных цепях…………….. 612 615 616 617 619 623 3.3.1 Общая характеристика переходных процессов в нелинейных цепях…………………………………………….... 3.3.2 Метод условной линеаризации………………………….. 3.3.3 Метод аналитической аппроксимации………………….. 3.3.4 Метод графического интегрирования…………………… Приложение А. Электрические и магнитные единицы Международной системы (СИ)............................ ЛИТЕРАТУРА…............................................................................... 7
Теоретические основы электротехники
Посвящается 20-летию
филиала Ухтинского государственного технического университета
в г. Усинске
Уважаемые студенты технических вузов!
Уважаемые студенты!
Эта книга адресована именно вам. В своем
стремлении освоить секреты и особенности вашей
будущей
специальности,
вы
непременно
столкнетесь с необходимостью получения знаний в
области электротехники. И это объективно. Ведь
электротехника, электроэнергетика прочно вошли в
жизнь современного общества, обосновались в
целом
спектре
многочисленных
отраслей
промышленности,
стали
определять
саму
возможность
выполнения
тех
или
иных
технологических
процессов.
Поэтому
успех
инженера,
специалиста
–
командира
на
производстве в значительной степени определяется
тем,
насколько
он
компетентен
в
вопросах
эксплуатации электротехнического оборудования.
Книга
«Теоретические
основы
электротехники»
является
базовым
учебным
материалом
в
этой
области
знаний.
Здесь
систематизированы сведения о типовых и сложных
процессах
в
электрических
схемах,
электромагнитных
контурах
различной
конфигурации и структуры, раскрыты принципы
расчета их параметров, даны необходимые примеры
и исчерпывающие пояснения.
Данная
книга
–
плод
творческого
сотрудничества ученых и специалистов Донецкого
национального
технического
университета
и
Ухтинского
государственного
технического
университета (филиал в г. Усинске).
Известно, что решающая роль в развитии
современной мировой экономики принадлежит
электрификации.
Сегодня
нет
такой
области
техники, где в том или ином виде не использовалась
бы
электрическая
энергия.
А
значит,
любой
современный
ученый,
занимающийся
исследованиями в сфере технических наук, любой
современный инженер, в какой бы производственной
отрасли он ни трудился, обязан владеть основами
электротехники. Владеть не просто как «уверенный
пользователь», а как специалист, понимающий
принципы
работы
электротехнического
оборудования. Поэтому курс «Теоретические основы
электротехники»
входит
в
число
базовых
общетехнических дисциплин.
В результате изучения этого курса вы должны
освоить комплекс знаний и умений, касающихся
использования
электротехнических
устройств
и
приборов в сфере профессиональной деятельности, а
также получить представление об основах анализа
работы электротехнических устройств.
Названные компетенции будут необходимы вам
не
только
при
выполнении
тех
или
иных
технологических процессов. В условиях технической
революции резко возросла ответственность ученого
и инженера за социальные последствия своего труда,
поэтому исключительное значение для современного
специалиста
приобретает
умение
изыскивать
наиболее эффективные методы организации и
управления
производством,
прогнозирования
научно-технической
деятельности.
И
знание
теоретических основ электротехники является одним
из условий успешного решения этих задач.
Авторский коллектив, имея богатый опыт
научно-образовательной деятельности в области
электротехники и электроэнергетики, а также опыт
разработки и издания многочисленных монографий
и учебной литературы, подготовил данное учебное
пособие,
адаптированное
для
восприятия
студентами,
осваивающими
широкий
круг
специальностей и специализаций.
Мы уверены, что эта книга позволит с
успехом освоить столь непростой учебный курс
«Теоретические основы электротехники».
Представленная книга – своеобразный символ
дружбы и сотрудничества между двумя вузами: она
является результатом совместной работы ученых и
специалистов
Донецкого
национального
технического университета и филиала Ухтинского
государственного технического университета в г.
Усинске. Изданный в год двадцатилетия филиала,
учебник стал подарком авторского коллектива
молодому вузу. Уверен, что эта книга будет для
студентов
наших
университетов
и
других
технических
вузов
достойным
помощником
в
постижении основ избранной профессии.
С пожеланием успехов,
ректор Донецкого национального
технического университета (г. Донецк),
доктор технических наук,
профессор
К.Н. Маренич
Ректор Ухтинского государственного
технического университета,
председатель Совета ректоров
вузов Республики Коми,
доктор технических наук, профессор Н. Д. Цхадая
8
Теоретические основы электротехники ВВЕДЕНИЕ Учебник предназначен для углубленного изучения курса «Теоретические основы электротехники» студентами дневной и заочной формы обучения как электрических, так и неэлектрических специальностей. В учебнике изложен материал по теории линейных электрических цепей с сосредоточенными параметрами, теории нелинейных электрических и магнитных цепей, а также по переходным процессам. Учебник охватывает материал по следующим разделам: - электрические цепи и их элементы. Законы электрических цепей; - электрические цепи постоянного тока и методы их расчета; - электрические цепи однофазного переменного тока; - электрические цепи с индуктивно связанными элементами; - несинусоидальные ЭДС, напряжения и токи в линейных электрических цепях; - четырехполюсники и электрические фильтры; - трехфазные электрические цепи; - нелинейные электрические цепи постоянного тока; - нелинейные электрические цепи переменного тока; - магнитные цепи, основные законы и методы расчета; - классический метод анализа переходных процессов; - операторный метод расчета переходных процессов; - переходные процессы в нелинейных цепях. Каждый раздел учебника содержит теоретическую часть, контрольные вопросы, раздел, где изложена методика решения типовых задач и раздел с набором задач для самостоятельного решения по степени сложности (простые задачи, задачи средней сложности, задачи повышенной сложности) с приведенными ответами. Таким образом, учебник охватывает и теоретическую часть курса, и учебный практикум, который облегчит студенту дневной и заочной формы обучения работу по изучению достаточно сложной учебной дисциплины. 9
Раздел 1. Линейные электрические цепи РАЗДЕЛ 1 ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ 1.1. Электрические цепи и их элементы. Законы электрических цепей 1.1.1. Электрическая цепь Электрической цепью называется совокупность источников и приемников электрической энергии и соединяющих их проводов, которые образуют замкнутый путь для электрического тока. Электромагнитные процессы в электрической цепи могут быть описаны с помощью таких понятий, как электродвижущая сила (ЭДС), электрическое напряжение, электрический ток, электрический заряд, магнитный поток, электрическое сопротивление, индуктивность, взаимная индуктивность и емкость. Электрическая цепь состоит из отдельных частей, которые выполняют определенные функции, называемых элементами цепи. Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии. К числу элементов цепей относятся также соединительные провода – линии электропередачи (ЛЭП). Графическое изображение электрической цепи называется электрической схемой (рис. 1.1). RВ RН а е источник электрической энергии ЛЭП приемник энергии (активный двухполюсник) (четырехполюсник) (пассивный двухполюсник) Рисунок 1.1 Источники электрической энергии – это устройства, которые превращают неэлектрические виды энергии (механическую, химическую, тепловую, атомную и др.) в энергию электрическую. 10