Электротехника и основы электроники

 
 
 
А. В. Дробов, В. Н. Галушко 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
 И ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 621.313  
ББК 31.261 
Д75 
 
 
 
Рецензенты: 
заведующий кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь»  
УО БелГУТ, к. т. н., доцент Матусевич Вячеслав Олегович; 
доцент кафедры «Электроснабжение» ГГТУ им. П. О. Сухого,  
к. т. н., доцент Алфёрова Тамара Викторовна 
 
 
 
 
 
 
Дробов, А. В. 
Д75   
Электротехника и основы электроники : учебное пособие / 
А. В. Дробов, В. Н. Галушко. – Москва ; Вологда : ИнфраИнженерия, 2024. – 364 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1826-3 
 
Содержит теоретическую часть, необходимую для освоения курса 
«Электротехника и основы электроники». Рассмотрены основные понятия и определения, линейные электрические цепи постоянного тока, цепи однофазного и трёхфазного переменного тока, магнитные цепи, нелинейные цепи, электрические измерения и приборы, электрические 
машины, основы электроники. 
Для студентов дневной формы обучения специальностей «Подвижной состав железнодорожного транспорта», «Техническая эксплуатация 
погрузочно-разгрузочных, путевых, дорожно-строительных машин и 
оборудования», «Организация движения и управление на железнодорожном транспорте». 
 
УДК 621.313 
ББК 31.261 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1826-3 ” Дробов А. В., Галушко В. Н., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ………………… 6 
1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ……………………………………
8 
2 ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА…………15 
   2.1 Закон Ома и законы Кирхгофа для цепей постоянного тока……………………
15 
         2.1.1 Закон Ома………………………………………………………………….... 15 
         2.1.2 Первый закон Кирхгофа…………………………………………………..…
15 
         2.1.3 Второй закон Кирхгофа…………………………………………………..…16 
   2.2 Эквивалентные преобразования схем электрических цепей……………….......17 
   2.3 Баланс мощностей в цепях постоянного тока…………………………………...25 
   2.4 Расчет сложных цепей постоянного тока……………..………………………....27 
         2.4.1 Метод уравнений Кирхгофа...……………………………………………... 27 
         2.4.2 Метод контурных токов…………………………………………………..... 29 
         2.4.3 Метод межузлового напряжения ………………….…………………….... 33 
   2.5 Потенциальная диаграмма электрической цепи ……………..…………………35 
3 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА…………………..39 
   3.1 Основные характеристики переменного тока……………………………………39 
   3.2 Цепи синусоидального тока с пассивными элементами………………………. 42 
   3.3 Применение комплексных чисел для расчета цепей переменного тока……… 47 
   3.4 Мощность в цепи синусоидального тока………………….……………………. 60 
   3.5 Трехфазные электрические цепи…………………………………………………64 
4 НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ…………………………………… 79 
   4.1 Нелинейные электрические цепи постоянного тока…………………………… 79 
   4.2 Нелинейные элементы электрической цепи переменного тока……………….. 86 
5 МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ……………………………………………………………… 88 
   5.1 Основные понятия о магнитных цепях…………………………………………. 88 
   5.2 Исследование магнитных цепей………………………………………………… 95 
6 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ……………………………… 100 
   6.1 Классификация и основные характеристики измерений …………………… 100 
   6.2 Погрешности измерений и измерительных приборов…………………………. 103 
   6.3 Классификация электроизмерительных приборов и технические  
требования, предъявляемые к ним……………………………………………………..
 
106 
   6.4 Основные системы электроизмерительных приборов…………………………. 111 
   6.5 Методы измерения электрических величин……………………………………. 118 
7 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ТРАНСФОРМАТОРЫ……………………122 
   7.1 Трансформаторы…………………………………………………………………..129 
         7.1.1 Назначение трансформаторов и их применение.………………………… 129 
         7.1.2 Принцип действия трансформатора.…………………………………….. 134 
         7.1.3 Приведенный трансформатор и его схема замещения…………………... 138 
         7.1.4 Режим холостого хода …………………………………………………….. 141 
         7.1.5 Короткое замыкание трансформатора...……………………………………147 
         7.1.6 Работа трансформатора под нагрузкой...……………………………….… 149 
3 

         7.1.7 Потери и коэффициент полезного действия трансформатора………….. 156 
         7.1.8 Специальные типы трансформаторов...……………………………….……
158 
         7.1.8.1 Автотрансформаторы...…………………………………………………... 158 
         7.1.8.2 Измерительные трансформаторы…………………………………………162 
   7.2 Асинхронные машины…………………………………………………………… 166 
         7.2.1 Общие сведения. Устройство…………………………………….………... 166 
         7.2.2 Принцип действия асинхронного двигателя………………………………172 
         7.2.2.1 Асинхронный двигатель при неподвижном роторе...………………….. 178 
         7.2.2.2 Асинхронный двигатель при вращающемся роторе………………….... 179 
         7.2.3 Схемы замещения асинхронного двигателя………..……………..…….. 184 
         7.2.4 Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя.…………………… 186 
         7.2.5 Электромагнитный момент асинхронного двигателя.…………………… 188 
         7.2.6 Рабочие характеристики асинхронного двигателя……………………...…196 
         7.2.7 Пуск в ход асинхронных двигателей. Реверс..…………….…….…………
198 
         7.2.8 Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей..……………208 
       7.2.9 Режим генератора и электромагнитного тормоза..…………….……….. 214 
   7.3 Синхронные машины………………………………………………………………
219 
         7.3.1 Применение, классификация и устройство синхронных машин.……….. 219 
         7.3.2 Синхронный генератор………………………………………………………
222 
         7.3.2.1 Принцип действия синхронного генератора...…………………………..222 
         7.3.2.2 Реакция якоря синхронного генератора……………………………….... 227 
         7.3.2.3 Характеристики синхронного генератора……………………………..... 229 
         7.3.3 Синхронный двигатель и компенсатор…………..……………………… 233 
         7.3.3.1 Момент синхронного двигателя...……………………………………...…233 
         7.3.3.2 Рабочие характеристики синхронного двигателя……………………… 235 
         7.3.3.3 Пуск синхронного двигателя…………………………………………… 237 
         7.3.3.4 Синхронный компенсатор……………………………………………...... 240 
   7.4 Машины постоянного тока………………………………………………………. 240 
         7.4.1 Конструкция и принцип действия машин постоянного тока.………….…241 
         7.4.2 Магнитный поток, магнитная цепь машины постоянного тока……..……
250 
         7.4.3 Реакция якоря. Коммутация…………………………………………………
253 
         7.4.4 Генераторы постоянного тока………………..…………………………… 260 
         7.4.5 Двигатели постоянного тока……..…………………………………………265 
         7.4.6 Пуск, реверсирование и торможение двигателей………………………..…
276 
         7.4.7 Потери мощности в машинах постоянного тока………………………… 281 
         7.4.8 Универсальные коллекторные двигатели..……..…..………..…………… 283 
8 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ…………………………………………………………
289 
   8.1 Основные свойства полупроводников……………..…………………………….289 
   8.2 Полупроводниковые диоды………………………………………....………….... 298 
   8.3 Транзисторы…………………………..……………..……………………………. 303 
   8.4 Тиристоры…………………………………………..…………………………….. 309 
   8.5 Выпрямители переменного тока…….……………..……………………………. 310 
ПРИЛОЖЕНИЕ А  Электробезопасность………………………………………… 
325 
   А.1 Действие тока на организм человека ……………..……………………………. 325 
   А.2 Факторы, определяющие опасность поражения током ………....………….... 327 
4 

   А.3 Условия и основные причины поражения током …………………………….…
331 
   А.4 Оказание первой доврачебной помощи при поражении током…………….… 336 
   А.5 Безопасность эксплуатации электроустановок…….…………………………. 344 
   А.6 Защитное заземление. Зануление……………….……………………….…….…346 
   А.7 Средства защиты от поражения током…….…………………………..…………
352 
   А.8 Устройство защитного отключения …….………………………………………355 
   А.9 Памятка по выполнению лабораторных работ…….………………………….…
359 
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………… 361 
5 

СПИСОК УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 
 
АД – асинхронный двигатель 
ВАХ – вольт-амперная характеристика 
ВбАХ – вебер-амперная характеристика 
ГПТ – генератор постоянного тока 
ДПТ – двигатель постоянного тока 
КЗ – короткое замыкание 
КПД – коэффициент полезного действия 
МДС – магнитодвижущая сила 
МКТ – метод контурных токов 
МН – метод наложения 
МПТ – машина постоянного тока 
МУК – метод уравнений Кирхгофа 
МУП – метод узловых потенциалов 
ОВ – обмотка возбуждения 
ПМ – производственный механизм 
ПО – пусковая обмотка 
РО – рабочая обмотка 
СМ – синхронная машина 
СГ – синхронный генератор 
СД – синхронный двигатель 
ТН – трансформатор напряжения 
ТТ – трансформатор тока 
ХХ – холостой ход 
ЭДС – электродвижущая сила 
 
6 

 
Единицы электрических и магнитных величин в системе СИ 
 
 
Единица измерения 
Обозначение 
Величина 
Наименование 
Русское 
Международное 
Ток  
ампер 
А 
А 
Заряд  
кулон 
Кл 
С 
Потенциал, напряжение, ЭДС  
вольт 
В 
V 
Напряженность электрического поля  
вольт на метр 
В/м 
V/m 
Сопротивление  
ом 
Ом 
ȍ 
Емкость  
фарада 
Ф 
F 
Магнитный поток  
вебер 
Вб 
Wb 
Магнитная индукция  
тесла 
Тл 
Т 
Индуктивность  
генри 
Гн 
H 
Магнитодвижущая сила  
ампер 
А 
А 
Напряженность магнитного поля  
ампер на метр 
А/м 
А/m 
Энергия  
джоуль 
Дж 
J 
Мощность  
ватт 
Вт 
W 
 
Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи 
 
 
Наименование элемента 
Условное 
обозначение 
E
мм
10
Идеальный источник ЭДС 
r
Резистор постоянный (нерегулируемый) 
мм
10
 
С
Конденсатор постоянной емкости  
(нерегулируемый) 
1,5 мм
мм
3
 
R
Катушка индуктивности без сердечника 
L
мм
3
 
R
Катушка индуктивности с сердечником 
L
 
7 

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
У голландского профессора Мушенбрека из г. Лейдена 
возникла идея «накопить» электрические заряды в стеклянном сосуде. В 1745 г. он взял стеклянную банку, наполненную водой, опустил в нее медную проволоку, соединенную  
с электростатической машиной, и, взяв банку в правую руку, 
попросил своего помощника вращать шар машины. После 
того как, по его мнению, в банке накопилось достаточное количество зарядов, он решил левой рукой отсоединить медную проволоку. При этом он ощутил сильнейший удар.  
Опыт Мушенбрека повторил в присутствии французского 
короля аббат Нолле. Он образовал цепь из 180 гвардейцев, 
взявшихся за руки, причем первый держал банку в руке,  
а последний прикасался к проволоке, извлекая искру. Удар 
чувствовался всеми в один момент. Десятки людей мгновенно вскрикивали и делали непроизвольные жесты. От этой 
цепи солдат и произошел термин «электрическая цепь». 
 
Электротехника – это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических 
целях.  
Электрический ток – это явление направленного движения заряженных частиц. Количественную меру этого движения определяют как 
силу тока. Но в электротехнических дисциплинах принято говорить 
просто – ток. 
Величину тока определяют как скорость изменения заряда во времени: 
 
 
0
d
lim
,
d
t
q
q
i
t
t
' o
'
 
 
'
  
  (1.1) 
 
где q – заряд. 
 
Стрелкой на схемах обозначают направление движения положительно заряженных частиц. В результате расчетов ток может получиться с разными знаками. Ток положительный, если его выбранное 
направление совпадает с направлением движения положительных зарядов.  
Ток может быть постоянным (неизменяющимся) или переменным 
(изменяющимся в зависимости от времени). Ток измеряют в амперах 
(А).  
Человек начинает ощущать ток в своем теле при его величине 
0,005 А. Ток 0,05 А опасен для жизни. В люминесцентной лампе ток 
0,15 А, в лампе накаливания – (0,2–1) А, в холодильнике – (0,5–0,8) А, 
в бытовых нагревательных приборах – (2–8) А, в электродвигателе 
8 

трамвайного вагона – от 100 А и выше, в индукторе печи для плавления алюминия – 18000 А. 
Напряжение – количество энергии, затраченной на перемещение 
единичного заряда из одной точки электромагнитного поля в другую: 
 
 
0
d
lim
,
d
q
W
W
u
q
q
' o
'
 
 
'
  
 (1.2) 
 
где W – энергия. 
 
Потенциал – количество энергии, затраченной на перемещение 
единичного заряда из бесконечности в какую-либо точку электромагнитного поля. Отсюда напряжение – это разность потенциалов. 
Величина напряжения и тока скалярная, может принимать положительные и отрицательные значения. Напряжение положительно, если 
потенциал точки 1, из которого направлена стрелка u12 (рисунок 1.1), 
выше потенциала точки 2. Индексация показывает направление – ко 
второму индексу. 
 
 
Рисунок 1.1 – Участок электрической цепи 
 
Электродвижущая сила (ЭДС) – скалярная величина, характеризующая способность стороннего поля и индуктированного электрического поля вызывать электрический ток. 
Единица измерения напряжения, потенциала и ЭДС – вольт (В).  
Мощность – это скорость изменения энергии во времени: 
 
lim
/
d
/ d .
t
p
W
t
W
t
' of
 
'
'  
 
 
Умножим и разделим на dq:  
 
 
(d
/ d )(d / d )
.
p
W
q
q
t
u i
 
 
  
 (1.3) 
9 

Следовательно, мощность – это произведение напряжения на ток. 
Единица измерения мощности в общем случае – В·А. 
Для работы любого электротехнического устройства необходимо, 
чтобы через него проходил ток, обязательным условием существования которого является наличие замкнутого контура – электрической 
цепи. 
Электрической цепью называется совокупность элементов и 
устройств, образующих путь для тока, электромагнитные процессы в 
которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе (ЭДС), токе и напряжении. 
Элемент электрической цепи – отдельное устройство, входящее в 
состав электрической цепи и выполняющее в ней определенную функцию. Основными элементами электрической цепи являются источники 
(ЭДС и тока) и приемники (резистивный, индуктивный и емкостный 
элементы) электрической энергии. Кроме этих элементов, электрическая цепь может содержать измерительные приборы, коммутационную 
аппаратуру, провода. 
В источниках электрической энергии различные виды энергии преобразуются в электрическую. Так, в генераторах электростанций в 
электрическую преобразуется механическая энергия, в гальванических 
элементах и аккумуляторах – химическая, в солнечных батареях – световая и т. д. 
В приемниках электрическая энергия источников преобразуется в 
тепловую (нагревательные элементы), световую (электрические лампы), химическую (электролизные ванны) и т. д. 
Графическое изображение электрической цепи с помощью условных знаков, отражающее реальную взаимосвязь всех элементов между 
собой, называется принципиальной схемой. Принципиальная схема показывает назначение электротехнических устройств (лампа, двигатель, 
аккумулятор и т. д.), но неудобна при расчетах. Для выполнения расчета необходимо каждое электротехническое устройство представить 
его электрической схемой замещения.  
Электрическая схема замещения состоит из совокупности различных идеализированных элементов, наглядно представляющих сущность процессов в замещаемой схеме и дающих полное представление 
о принципах работы изделия. Понятие идеализированного элемента 
цепи непосредственно связано с вполне определенным математическим соотношением, которое существует между током и напряжением, 
действующим на его зажимах.  
Пассивные элементы – это элементы электрической цепи, в которых рассеивается или накапливается энергия. Различают три идеали10