Электротехника
Электротехника: Краткий обзор учебного пособия
Представленное учебное пособие, разработанное А.Л. Марченко, является учебным материалом для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям подготовки, в частности, для бакалавров. Оно охватывает первый модуль дисциплины "Электротехника и электроника", посвященный электротехнике.
Основные положения электротехники
Пособие начинается с введения в основные понятия и определения электротехники, включая электрические цепи, токи (проводимости, переноса, смещения), напряжения, электродвижущую силу (ЭДС). Рассматриваются элементы и параметры цепей, такие как резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы, а также активные элементы, включая источники напряжения и тока (независимые и зависимые). Важное место отводится взаимным преобразованиям источников энергии и топологическим параметрам схем цепей, таким как ветвь, узел и контур. Также рассматриваются законы Ома и Кирхгофа, баланс мощностей в цепях постоянного тока.
Анализ электрических цепей постоянного тока
Вторая глава посвящена методам анализа линейных электрических цепей постоянного тока. Рассматриваются различные методы расчета, включая метод, основанный на законе Ома, метод наложения, метод расчета цепей, основанный на законах Кирхгофа, метод контурных токов, метод узловых напряжений и метод эквивалентного генератора. Отдельное внимание уделяется особенностям расчета нелинейных цепей постоянного тока, включая характеристики нелинейных элементов и различные методы их анализа: метод фиксированных моментов времени, графический метод, метод аналитической аппроксимации и метод кусочно-линейной аппроксимации.
Анализ однофазных цепей переменного тока
Третья глава посвящена анализу однофазных цепей переменного тока. Рассматриваются способы представления и параметры синусоидальных функций, включая комплексные амплитуды. Подробно изучаются электрические цепи с элементами R, L и С, последовательная RLC-цепь и разветвленные цепи, а также мощности цепи переменного тока и коэффициент мощности.
Комплексный метод анализа, резонансные явления, индуктивно связанные цепи и четырехполюсники
В четвертой главе рассматривается комплексный метод анализа цепей синусоидального тока, включая комплексы электрических параметров цепей. Изучаются резонансные явления в цепях синусоидального тока, понятие индуктивно связанных цепей и основы теории четырехполюсников.
Трехфазные цепи и электроснабжение потребителей энергии
Пятая глава посвящена трехфазным цепям и электроснабжению потребителей энергии. Рассматриваются трехфазная система питания потребителей электроэнергии, схемы соединения фаз генератора и приемника звездой и треугольником, мощности трехфазных цепей и система электроснабжения предприятий.
Переходные процессы в линейных электрических цепях
Шестая глава посвящена переходным процессам в линейных электрических цепях. Рассматриваются причины возникновения переходных процессов, правила коммутации, начальные условия при решении дифференциальных уравнений, описывающих переходные процессы в линейных цепях. Приводятся примеры расчета переходных процессов в цепях первого порядка классическим и операторным методами при их включении под постоянное напряжение.
Магнитные цепи и электромагнитные устройства
Седьмая глава посвящена магнитным цепям и электромагнитным устройствам. Рассматриваются основные магнитные величины, кривые намагничивания магнитно-мягких материалов, основные законы магнитных цепей, расчет неразветвленных магнитных цепей с воздушным зазором (прямая и обратная задачи), магнитные потери в стали.
Трансформаторы
Восьмая глава посвящена трансформаторам. Рассмотрены назначение, устройство, принцип действия, параметры и характеристики однофазных трансформаторов. Особое внимание уделено экспериментальному определению параметров трансформатора и снятию его внешней характеристики. Изложены особенности трехфазных, авто- и измерительных трансформаторов.
Асинхронные двигатели
Девятая глава посвящена асинхронным двигателям. Рассмотрены назначение, устройство и принцип действия асинхронных двигателей, схемы замещения фаз их статора и ротора, механические и рабочие характеристики. Изложены способы пуска в ход и регулирования частоты вращения асинхронных двигателей.
Синхронные машины
Десятая глава посвящена синхронным машинам. Рассмотрены устройство и работа синхронных машин как в генераторном режиме, так и в режиме двигателя, а также компенсатора реактивной мощности. Изучены основные характеристики синхронных генератора и двигателя.
Машины постоянного тока
Одиннадцатая глава посвящена машинам постоянного тока. Рассмотрены устройство и функционирование машин постоянного тока как в генераторном режиме (ГПТ), так и в режиме двигателя (ДПТ), основные характеристики генераторов и двигателей постоянного тока и способы регулирования частоты вращения ДПТ.
Основы электроприводов
Двенадцатая глава посвящена основам электроприводов. Изложены основы кинематики электроприводов, методы определения времени разгона электродвигателя при разных типах нагрузок, выбор типа и мощности электродвигателей для приводов с продолжительным, кратковременным или повторно-кратковременным режимами.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА А.Л. МАРЧЕНКО Рекомендовано Межрегиональным учебно-методическим советом профессионального образования в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по техническим направлениям подготовки (квалификация (степень) «бакалавр») (протокол № 4 от 13.04.2022) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Москва ИНФРА-М 202
УДК 621.3(075.8) ББК 31.2я73 М30 Р е ц е н з е н т : Ю.Е. Бабичев, кандидат технических наук, профессор Нацио нального исследовательского технологического университета «МИСиС» ISBN 978-5-16-017056-5 (print) ISBN 978-5-16-109627-7 (online) © Марченко А.Л., 2022 Марченко А.Л. М30 Электротехника : учебное пособие / А.Л. Марченко. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 236 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737/1587594. ISBN 978-5-16-017056-5 (print) ISBN 978-5-16-109627-7 (online) В учебном пособии рассмотрены анализ и расчет электрических и маг нитных цепей, изучены назначение, устройство и функционирование электромагнитных уст ройств, транс форматоров и электрических машин. Отдельная глава посвящена основам электроприводов — в частности, выбору мощности электродвигателей для приводов с разными режимами работы и их проверке по нагреву и перегрузочной способности. Систематическое изложение материала модуля 1 «Электротехника» соответствует требованиям к результатам освоения базовой дисциплины «Электротехника и электроника», входящей в профессиональный цикл дисциплин основных образовательных программ федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования подготовки бакалавров неэлектротехнических направлений и инженеров неэлектротехнических специальностей. Для студентов высших учебных заведений, обучающих ся по не элек т ротех ни че ским нап равлениям подготовки бакалавров и дипломированных специалистов. УДК 621.3(075.8) ББК 31.2я73 Данная книга доступна в цветном исполнении в электронно-библиотечной системе Znanium
Предисловие Учебное пособие посвящено изучению материалов, входящих в модуль 1 «Электротехника» дисципли ны «Электротехника и электроника», и предназначено для студентов вузов, обучающихся по неэлектротехническим направлениям подготовки бакалавров и дипломированных специалистов в области техники и технологий. Электротехника — научно-техническая отрасль, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования и передачи энергии, получения химического вещества и изменения его состава, производства и обработки материалов, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования элек т рической энергии в практической деятельности человека. Электротехника и электроника — современная дисциплина быстро развива ющихся областей человеческого знания. Новые научные открытия и достижения электротехники и электроники, новые методы и средства анализа и синтеза цепей и устройств должны находить свое отражение в преподавании учебного курса, обновляя и пополняя его содержание. Подготовка компетентных бакалавров и инженеров вызвана необходимостью изучения комплекса электромагнитных процессов, происходящих в электротехнических устройствах и системах, и направлена прежде всего на усиление экспериментального компонента деятельности студентов и расширение сектора самостоятель ной учебной работы, чтобы обеспечить выполнение тре бований стандартов к формированию соответствующих компетенций студентов при реализации программ электротехнической подготовки. В примерных учебных планах подготовки специалистов в области техники и технологий трудоемкость дисциплины «Электротехника и электроника» колеблется от 216 до 288 ч при их разбивке на два модуля для изучения в двух семестрах: модуль 1 «Электротехника» и модуль 2 «Электроника» (табл. П1). В последние годы по дисциплине «Электротехника и электроника» был выпущен ряд учебников, например, [1]—[3], [5], [6], [9]. Однако вынужденный перевод технических вузов полностью или частично на дистанционную форму обучения студентов в связи с пандемией вызвал необходимость отправки учебных материалов студентам по е-mail или записи и ведения занятий с помощью программных сред образования типа Zoom, Moodle, Micro soft Teams и др.
Таблица П1 Распределение трудоемкости дисциплины «Электротехника и электроника» по модулям и видам учебной работы (ч) Вид учебной работы Всего Модуль 1 «Электро- техника» 2 «Электроника» Общий объем аудиторных занятий (АЗ) (всего), в том числе: 144 72 72 Лекции (ЛК) 48 24 24 Доля лекционных часов от АЗ по дисци плине, % 33 33 33 Лабораторные работы (ЛР) 48 24 24 Практические занятия (ПЗ) 32 16 16 Контроль самостоятельной работы (тестирова ние, коллоквиумы, контрольные работы) (КСР) 16 8 8 Доля интерактивных форм обучения от АЗ по дисциплине, % 25 25 25 Общий объем самостоятельной работы (СР), в том числе: 144 72 72 Курсовые работы (КР) 48 24 24 Подготовка к сессиям тестирования 8 4 4 Оформление отчетов и подготовка к защите ЛР 16 8 8 Вид промежуточной аттестации (экзамены): 2 72 36 36 В основу данного учебного пособия, соответствующего модулю 1 «Электротехника», положен учебник для вузов [5]. Небольшой объем учебного пособия связан не с его преднамеренным упрощением, а с отказом от рассмотрения формально-расчетных методов анализа электромагнитных процессов в электрических цепях, многих частных вопросов и концентрацией внимания на общих положениях и методах анализа электрических и магнитных цепей, электромагнитных устройств, трансформаторов и электрических машин. Представляется, что такое изложение материала модуля 1 «Элек тротехника» принесет оп ре деленную пользу студентам в его
изучении и подготовит их к выполнению лабораторных [4] и курсовых [8] работ по электротехнике, а также к освоению последующих профессио нальных дисциплин. В результате изучения модуля 1 «Электротехника» студент будет: знать • основные определения и математические модели объектов электротехники, возникающие в них электромагнитные процессы; • принципы функционирования, устройство, области применения и потенциальные возможности основных электромагнитных устройств и электрических машин; уметь • объяснять и описывать электромагнитные процессы в электрических и магнитных цепях и устройствах; • составлять и рассчитывать параметры простых электрических цепей; • экспериментальным способом и на основе каталожных данных определять параметры и строить характеристики типовых электромагнитных устройств и машин; владеть • навыками использования современных методов электротехники при описании, анализе, теоретическом и экспериментальном исследовании электромагнитных явлений и процессов в объеме, необходимом при изучении специальных дисциплин и в профессио нальной деятельности; • навыками планирования и практического выполнения действий, составляющих указанные умения в отведенное на выполнение контрольного задания время, используя стандартные программные средства компьютерного схемотехнического моделирования и анализа электронных устройств типа Мultisim, Mathcad, Labview и др. Автор выражает благодарность издательству «ИНФРА-М» за конструктивное сотрудничество при подготовке издания данного пособия.
Глава 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА Приведены определе ния основных электрических величин: тока, напряжения, потенциала и ЭДС; рассмотрены компонентные уравнения пассивных элемен тов цепи (резистора, катушки индуктивности, конденсатора); изучены вольтампер ные характеристики источ ников энергии (источника напряжения и источника тока), топологические параметры схем цепей (ветвь, узел и контур), законы Ома и Кирх гофа, баланс мощностей в цепях постоянного тока. Дидактические единицы: • основные понятия и определения; • элемен ты и параметры схем цепей; • преобразование источников энергии; • топологические параметры цепей; • законы Ома и Кирхгофа; • баланс мощностей в цепях постоянного тока. 1.1. ЭЛЕМЕНТЫ И ПАРАМЕТРЫ ЦЕПЕЙ 1.1.1. Основные понятия и определения Для качественного и количественного описания электромагнитных процессов, а также их экспериментального анализа и контроля используются электрические и магнитные величины и их единицы. Процесс обучения и освоения методов анализа и синтеза электрических цепей и устройств сводится к свободному оперированию терминами, обозначениями и закономерностями дисциплины и использованию вычислительных устройств (ВУ) для реализации этих методов. Термины и определения основных понятий электротехники установлены ГОСТ Р 52002–2003 «Электротехника. Термины и определения основных понятий»; они обязательны для применения во всех видах документации и литературы по электротехнике. Электрическая цепь — совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении.
Электрический ток проводимости — явление направленного движения свободных носителей электрического заряда q в веществе или пустоте, количествен но характеризуемое скалярной величиной, равной производной по времени от элект рического заряда, переносимого свободными носителями заряда сквозь рассматриваемую поверхность, т.е. i = dq/dt. Из этого уравнения получим единицу тока: [i] = [q]/[t] = Кл/c = A · c/c = A (ампер). Электрический ток переноса — явление переноса электрических зарядов телами. Количественно он характеризуется скалярной величиной, равной производной по времени от электрического заряда, переносимого телами сквозь рассматриваемую поверхность. Электрический ток смещения — совокупность электрического тока смещения в пустоте и электрического тока поляризации диэлектрика, количественно характеризуемая скалярной величиной, равной производной по времени от потока электрического смещения DS сквозь рассматриваемую поверхность S, где D — электрическое смещение. Полный электрический ток — скалярная величина, равная сумме электрическог о тока проводимости, электрического тока переноса и электрического тока смещения сквозь рас сматриваемую поверхность. Постоянный электрический ток (далее — ток) — неизменное и однонаправленное движение заряженных частиц (зарядов). При постоянном токе в течение каждого одинакового промежутка времени Δt переносится одинаковый заряд Δq. Поэтому ток I = q/t, где q — весь заряд (Кл) за время t (с). Условное по ложительное направление тока I во внешней (от источника энергии) цепи противоположно направлению движения потока электронов (электрон — частица, обладающая наименьшим отрицательным зарядом (qe = 1,602 ⋅ 10–19 Кл, тогда 1 Кл = 6,24 ⋅ 1018 электронов)), т.е. ток протекает от точки с большим потенциалом ϕa к то ч ке с меньшим потенциалом ϕb, вызывая падение электрического напряжения (далее — напряжение) на сопротивлении этого участка: U = ϕa – ϕb. Потенциал электрический ϕa точки а — работа, которую нужно выполнить, что бы перенести единицу заряда (1 Кл) из данной точки в бесконечность (где нет электрического по ля). Электрическое напряжение — работа, затрачиваемая на перенос единицы заря да (1 Кл) из точки а в точку b поля напряженностью E
по произвольному пути и рав ная линейному интегралу напряженности электрического поля вдоль этого пу ти. Однозначно определяют только разность потенциалов (напряжение) между соответствующими точками. Когда говорят о потенциале точки электрической це пи, то подразумевают разность потенциалов между этой и другой (обыч но заземленной) точкой, потенциал которой принимают равным нулю. Из данного определения получают единицу напряжения (потенциала): [U] = [В/м ⋅ м] = B (вольт). Электродвижущая сила E (ЭДС E) — скалярная величина, характе ризующая способность стороннего поля и индуцированного электрическо го по ля вызывать электрический ток, численно равный работе (энергии) W в джо улях (Дж), затрачиваемой этим полем на перемещение единицы заряда (1 Кл) из одной точки поля в другую. Из данного определения получим единицу ЭДС: [E] = [W]/[q] = Дж/Кл = В · А · с/А · с = В (вольт). Тогда напряжение (разность потенциалов) 1 В равно 1 Дж энергии для перемещения 1 Кл заряда из одной точки проводника в другую. 1.1.2. Состав и схемы электрических цепей Состав любой электрической цепи (рис. 1.1): Электрическая цепь Источники энергии Вспомогательные элементы Приемники энергии Рис. 1.1 • источники энергии — активные элемен ты, преобразующие различные виды энергии в электрическую (генераторы электрических станций, аккумуляторы и солнечные батареи, термопары и др.); • приемники (преобразователи энергии, часто называемые нагрузкой), в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии — тепловую, механическую, световую, химическую и др.;
• вспомогательные элемен ты — провода, выключатели, предохранители, регуляторы тока, измерительные приборы, разъемы и др. Появление электрического тока в электрической цепи невозможно без источников электрической энергии, которые преобразуют механическую, тепловую, све то вую и другие виды энергии в электрическую. При этом в ис точнике так назы ваемыми сторонними силами создается электрическое поле нап ряженностью E , кото рое, действуя на заряженные частицы, разделяет их таким образом, что на одном зажиме (обозначаемом знаком «+») источника накапливают ся положи тельные заряды, а на другом (обозначаемом знаком «–») — отрицательные (элек троны). При подключении к зажимам источника энергии объектов и устройств, создающих вместе с источником замкнутый контур — электрическую цепь, в этих уст ройствах электроны перемещаются от отрицательного зажима источника к положительному, нейтрализуя недостаток электронов на зажиме «+». В это же время сторонние силы в источнике разделяют заряды, обеспечивая их непрерывное движение (электрический ток) в цепи. Говорят, что движение электрических зарядов в цепи происходит под действием электродвижущей силы источника. Электрические цепи принято изображать в виде электрических схем. Схема электрической цепи — ее графическое изображение, содержащее условные обозначения элемен тов цепи и показывающее соединения этих элемен тов. ГОСТ 2.701–84 устанавливает общие правила выполнения схем, типы схем и их ши фры: структурная (Э1), функцио нальные (Э2), принципиальная (полная, Э3), соединений (монтажная, Э4), подключения (Э5), общая (Э6), расположения (Э7) и др. При анализе электрических цепей их меняют на схемы замещения. Схема замещения электрической цепи — расчетно-математическая модель элек трической цепи, содержащая идеальные пассивные (резистивные, индуктивные и емкостные) и активные (источники напряжения и источники тока) элемен ты. Указанные элемен ты являются эквивалентами (моделями) реальных устройств цепи, которым теоретически приписываются определенные электрические и магнитные свой ства, отражающие главные (доминирующие) процессы в элементах цепи. На рис. 1.2 приведены принципиальная (а) и монтажная (в) схемы, а также схема замещения (б) электрической цепи для ис
пытания двух нагревательных элемен тов — ЭН1 (R1) и ЭН2 (R2). В цепи установлены предохранитель Пр (FU), выключатель Вык (S), амперметр (А) и аккумуляторная батарея Акк (Е). Внешние металлические части элемен тов цепи (выключателя, амперметра, нагревательных элемен тов) в целях электробезопасности соединены с заземленной шиной. Элемен ты цепи соединены проводами марки ПВ (ГОСТ 6323–79) сечением 4 мм 2. На схеме замещения электрической цепи (далее — на схеме электрической цепи) (см. рис. 1.2, б) реальные элемен ты заменены расчетными моделями, а все вспомогательные элемен ты, не влияющие на результаты ее расчета для практических применений, исключены. 1 1 2 2 1 2 3 4 5 ЭН1 ЭН2 Амперметр Вык Акк Пр Шина заземления в 2 3 4 S A a 5 5 5 б E E U I FU R1 R1 R2 R2 Рис. 1.2 1.1.3. Пассивные элементы цепей Пассивными называют элемен ты, которые не могут генерировать электрическую энергию. К пассивным элементам относят резисторы, индуктивные катушки и кон денсаторы (рис. 1.3). Пассивные элементы цепи Резистор Индуктивная катушка Конденсатор Рис. 1.3