Общая электротехника и электроника

ю л .  Комиссаров, Г.И. Бабокин

Ю.А. Комиссаров, Г.И. Бабокин

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
И ЭЛЕКТРОНИКА

Под редакцией 77. Д. Саркисова

Допущено Учебно-методическим объединением высших учебных 
заведений РФ по образованию в области химической технологии и 
биотехнологии в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по химико-технологическим 
направлениям подготовки бакалавров, магистров и дипломированных специалистов.

МОСКВА
“ХИМИЯ”

2010

УДК 621.3:621(075.8) 
ББК 31.2:32.85я73 
К63

Рецензенты:

заведующий кафедрой теоретической электротехники и электрификации 
нефтяной и газовой промышленности Российского государственного 
университета нефти и газа им. И.М. Губкина, докт. техн. наук, 
проф. М.С. Ершов', заведующий кафедрой электрификации и энергоэффективности 
горных 
предприятий , Московского 
государственного 
горного университета, докт. техн. наук, проф. А.В. Ляхомский.

Комиссаров Ю.А. и др.

К63 Общая электротехника и электроника; Учебное пособие 
для вузов / Ю.А. Комиссаров, Г.И. Бабокин. Под ред. 
П.Д. Саркисова -  М.: Химия, 2010. -  604 с.
ISBN 978-5-98109-085-1

Рассмотрены основные понятия теории электротехники и электрош- 
ки. Приведены анализ и методы расчёта однофазных и трёхфазных электрических цепей; нелинейных и магнитных цепей; переходных процессов 
в электрических цепях. Даны основы теории электротехнических трансформаторов и электрических машин, их основные характеристики. Рассмотрены элементная база современных электронных устройств, усилители электрических сигналов, источ)1ики питания, цифровые устройства и 
основы микропроцессорной техники.

Предназначено для студентов технологических и технических высших 
учебных заведений.

УДК 621.3:621(075.8) 
ББК 
31.2:32.85я73

Common of electrotechnics, and electronics. Training appliances for higher educational institutions / Ju.A. Komissarov, 
G.I. Babokin. Edited by P.D. Sarkisov -  M.: Chemistry, 2010. -  
604 p.

The basic concepts of electrotechnics, and electronics. Analysis and computation 
method of single and threephase electric circuits: nonlinear and magnetic circuits; transient processes in electric circuits are given. Theory bases of electrotechnics transformers and electric machines, their basic characteristics. Element base of moderun electronic devices, amplifirs of electric signals, power source, digital devices and bases of 
microdigital technigue are considered. The is intended for the students of technological 
and engineersing higher educational institutions.

ISBN 978-5-98109-085-1
© Комиссаров Ю.А., Бабокин Г.И., 2010

О ГЛ А ВЛ ЕН И Е

Предисловие...................................................................................................11
Сокращения терминов и аббревиатура.......................................................14
Введение...........................................................................................................16

Раздел I
Электрические и магнитные цепи.......................................19

Глава 1
Основные определения, топологические понятия 
и методы расчета электрических цепей постоянного тока.............................................. 
 
19

1.1. 
Основные понятия и обозначе'ния электрических величин и элементов электрических цепей............................................ 19

1.2. 
Топологические понятия теории электрических цепей................26

1.3. 
Источники электрической энергии постоянного тока..................28

1.4. 
Приемники электрической энергии..................................................32

1.5. 
Классификация электрических цепей..............................................36

1.6. 
Основные принципы, теоремы и законы электротехники...........39

1.7. 
Работа и мощность электрического тока........................................ 46

1.8. 
Преобразования участков электрической цепи..............................47

1.9. 
Расчет электрической цепи постоянного тока с одним
источником электрической энергии................................................ 51

1.10. Анализ и расчет разветвленных электрических цепей с

несколькими источниками энергии................................................. 53

Глава 2
Анализ и расчет линейных цепей переменного 
тока.................................................................................................61
2.1. 
Способы представления и параметры синусоидальных
функций.................................................................................................61

2.2. 
Представление синусоидальных функций в виде векторов и комплексных чисел.................................................................. 64

2.3. 
Индуктивный и емкостной элементы электрической
цепи........................................................................................................ 68

2.4. 
Законы Кирхгофа для цепи синусоидального тока.......................75

2.5. 
Синусоидальный ток в цепи с активным сопротивлением ............................................................................................................77

2.6. 
Синусоидальный ток в электрической цепи с индуктивностью ................................... 
 
80

2.7. 
Синусоидальный ток в электрической цепи с емкостью............. 84

2.8. 
Синусоидальный ток в электрической цепи с последовательным включением сопротивления (R), индуктивности (L) и емкости (С)...........................................................................88

2.9. 
Расчет линейных элек'грических цепей синусоидального
тока. Законы Кирхгофа в комплексной форме..............................93

2.10. Комплексы сопротивлений и проводимостей цепи переменного тока.......................................................................................96

2.11. 
Мощность в цепях переменного тока........................................... 101

2.12. Примеры расчета электрической цепи в комплексной

форме....................................................................................................105

2.13. Резонанс напряжений......................................................................... 109
2.14. Резонанс токов.....................................................................................113
2.15. Коэффициент мощности (cos 
и его экономическое

значение............................................................................................. 117

Глава 3
Анализ и расчет трехфазных линейных цепей 
переменного тока......................................................................121
3.1. 
Основные понятия. Трехфазный источник электрической энергии........................................................................................121

3.2. 
Анализ генератора с соединением фаз звездой............................. 123

3.3. 
Анализ генератора с соединением фаз в треугольник.................127

3.4. 
Соединение трехфазных приемников электрической
энергии..................................................................................................129

3.5. 
Анализ и расчет трехфазной цепи по схеме «звездазвезда» с нейтральным проводом....................................................131

3.6. 
Анализ и расчет трехфазной цепи по схеме «звездазвезда» без нейтрального провода...................................................135

3.7. 
Анализ и расчет трехфазной цепи по схеме «звездатреугольник»........................................................................................146

3.8. 
Мощность трехфазного потребителя (приемника)....................... 156

3.9. 
Безопасность при эксплуатации электротехнических
устройств в трехфазных цепях.........................................................  158

Глава 4
Переходные процессы в линейных электрических цепях....................................................................................166
4.1. 
Понятие о переходном процессе и законы коммутации.............166

4.2. 
Классический метод расчета переходных процессов..................168

4.3. 
Переходные процессы в цепи постоянного тока с одним
индуктивным (L) элементом............................................................ 170

4.4. 
Переходные процессы в цепи постоянного тока с одним
емкостным (С) элементом.................................................................17^

4.5. 
Разрядка емкостного (С) элемента на катушку индуктивности (L)......................................................................................... 182

4.6. 
Подключение неразветвленной цепи с индуктивным
(L), резиетивным (R) и емкостным (С) элементами к источнику постоянной ЭДС..................................................................189

4.7. 
Подключение катушки индуктивности к источнику синусоидальной ЭДС.............................................................................191

4

Глава 5
Анализ и расчет нелинейных электрических цепей постоянного тока................................................................194
5.1. 
Основные определения и методы расчета нелинейных
цепей......................................................................................................194

5.2. 
Примеры вольт-амперных характеристик нелинейных
элементов постоянного тока............................................................. 196

5.3. 
Графический метод анализа нелинейных цепей........................... 197

5.4. 
Аналитический метод анализа электрических цепей.................. 202

Глава 6
Анализ и расчет магнитных цепей.......................................206
6.1. 
Основные магнитные величины и законы электромагнитного поля. Понятие о магнитной цепи..................................... 206

6.2. 
Свойства и характеристики ферромагнитных материалов ......................................................................................................... 209

6.3. 
Анализ и расчет неразветвленной магнитной цепи......................212

6.4. 
Магнитные цепи переменных магнитных потоков.
Уравнения катушки с ферромагнитным сердечником................ 216

6.5. 
Процесс намагничивания магнитопровода катушки с
ферромагнитным сердечником от источника синусоидального напряжения.........................................................................219

6.6. 
Магнитные потери в реальном магнитопроводе...........................222

6.7. 
Схема замещения и векторная диаграмма реальной катушки индуктивности.........................................................................224

6.8. 
Энергия магнитного поля катушки индуктивности.....................227

6.9. 
Электромеханическая сила в магнитном поле..............................228

6.10. Сила тяги электромагнита................................................................. 231

Раздел II
Электромагнитные устройства
и электрические машины................ 
 
233

Глава 7
Трансформаторы.......................................................................233
7.1. 
Назначение и области применения трансформаторов................. 233

7.2. 
Устройство и принцип действия однофазного трансформатора .............................................................................................234

7.3. 
Анализ электромагнитных 
процессов и уравнения

трансформатора...................................................................................236

7.4. 
Эксплуатационные режимы работы однофазного трансформатора .............................................................................................238

7.5. 
Схема замещения однофазного трансформатора................  
 
240

7.6. 
Потери мощности и коэффициент полезного действия
трансформатора...................................................................................243

5

7.7. 
Внешние характеристики трансформатора....................................246

7.8. 
Паспортные данные трансформатора в режимах холостого хода и короткого замыкания..................................................248

7.9. 
Трёхфазные трансформаторы........................................................... 256

Глава 8
Машины постоянного тока.................................................. 259
8.1. 
Устройство машины постоянного тока......................................... 259

8.2. 
Электродвижущая сила и электромагнитный момент
машины постоянного тока......................... 
 
261

,8.3. 
Машины постоянного тока в режиме двигателя............................ 263

8.4. 
Машины постоянного тока в режиме генератора.........................266

8.5. 
Режим электромагнитного тормоза машины постоянного тока...................................................................................................268

8.6. 
Способы возбуждения машин постоянного тока..........................269

8.7. 
Характеристики генератора постоянного тока независимого возбуждения.......................................................................... 271

8.8. 
Характеристики генератора постоянного тока параллельного возбуждения....................................................................... 275

8.9. 
Характеристики генератора постоянного тока смешанного возбуждения...............................................................................278

8.10. Характеристики двигателя постоянного тока параллельного и независимого возбуждения...........................................280

8.11. Характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения...................................................................289

8.12. Характеристики двигателя постоянного тока смешанного возбуждения...................................................................................292

8.13. Универсальный коллекторный двигатель..................................... 293
8.14. Примеры расчета режимов работы машин постоянного

тока........................................................................................................ 294

Глава 9
Асинхронные машины...........................................................300
9.1. 
Устройство трехфазного асинхронного двигателя........................ 300

9.2. 
Вращающееся магнитное поле статора...........................................302

9.3. 
Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя...........305

9.4. 
Уравнения электродвижущих сил обмоток статора и
ротора асинхронного двигателя...................................................... 308

9.5. 
Уравнения магнитодвижущих сил и токов асинхронного двигателя......................................................................................... 310

9.6. 
Схема замещения асинхронного электродвигателя..................... 311

9.7. 
Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя.................. 314

9.8. 
Электромагнитный момент и механические характеристики асинхронного двигателя........................................................ 316

9.9. 
Рабочие характеристики асинхронного двигателя...................... 320

9.10. Паспортные данные асинхронного двигателя...............................321

6 
\

9.11. Способы регулирования частоты (числа оборотов) вращения асинхронного электродвигателя..........................................323

9.12. Пуск и реверсирование частоты вращения ротора асинхронного двигателя.............................................................................328

9.13. Примеры расчета режимов работы асинхронного двигателя.......................................................................... 
 
 
333

Глава 10
Трехфазные синхронные машины.......................................342
10.1. Устройство трехфазной синхронной мащины...............................342
10.2. Принцип действия трехфазного синхронного генератора......... 345
10.3. Характеристика холостого хода трехфазного синхронного генератора.................................................................................... 347

10.4. Работа трехфазного синхронного генератора на автономную нагрузку.................................................................................348

10.5. Схема замещения и уравнения фазы обмотки якоря

(статора) трехфазного синхронного генератора............................354

10.6. Мощность и электромагнитный момент синхронного

генератора.......................................................................................... 356

10.7. Внешняя и регулировочная характеристики синхронного генератора....................................................................................... 359

10.8. Принцип действия грехфазного синхронного электродвигателя.............................................................................................361

10.9. Вращающий момент и угловые характеристики трехфазного синхронного двигателя........................................................364

10.10. Механическая характеристика трехфазного синхронного электродвигателя. Пуск электродвигателя................................ 365

10.11. Регулирование коэффициента мощности трехфазного

синхронного двигателя..............................................................  368

10.12. Область применения трехфазных синхронных машин................370
10.13. Примеры расчета режимов работы синхронных машин............. 371

Раздел III
Основы электроники и электрические измерения ......................................................... 
377

Глава 11
Элементная база современных электронных устройств............................................................. ..............................377
11.1. Электронно-дырочная проводимость и свойства р-п

перехода....................................... 
378

11.2. Полупроводниковые диоды..............................................................380
11.3. Биполярные транзисторы................................................................. 382

11.3.1. 
Схемы включения и параметры транзисторов............383

11.3.2. 
Статические и динамические характеристики
транзисторов..................................................................... 391

7

11.4. Полевые транзисторы........................................................................394
11.5. Тиристоры........................................................................................... 397
11.6. Интегральные микросхемы...............................................................402

Глава 12
Источники вторичного электропитания.......................... 406
12.1. Классификация и основные параметры источников вторичного питания..................................................................................406

12.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель......................... 408
12.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой........................................................................................... 412

12.4. Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель........................................................................................................415

12.5. Трёхфазный мостовой выпрямитель...............................................418
12.6. Сглаживающие фильтры...................................................................422
12.7. Стабилизаторы напряжения и тока.................................................427

Глава 13
Усилители электрических сигналов...................................432
13.1. Структурная схема и классификация усилителей....................... 432
13.2. 
Основные параметры и характеристики усилителей.................. 434

13.3. 
Анализ работы однокаскадного усилителя..................................436

13.4. Режимы работы усилительных каскадов....................................... 440
13.5. Многокаскадный усилитель..............................................................443
13.6. Усилители мощности........................................................................ 445
13.7. Избирательные усилители................................................................447
13.8. Усилитель постоянного тока. Дифференциальный усилитель....................................................................................................448

13.9. Операционный усилитель.................................................................451
13.10. Обратные связи в усилителях........................................................... 452
13.11. Операционный усилитель с отрицательной обратной

связью....................................................................................................456

13.12. Основные типы усилителей на базе операционных усилителей ..................................................................................................457

13.13. Интегратор на операционном усилителе....................................... 461
13.14. Дифференциатор на операционном усилителе..............................462

Глава 14
Импульсные и автогенераторные устройства..................................... 464
14.1. Параметры импульсных устройств.................................................464
14.2. 
Диодный ограничитель амплитуды напряжения.........................466

14.3. Простые формирователи импульсов...............................................467
14.4. Транзисторный ключ......................................................................... 469
14.5. Триггер..................................................................................................471
14.6. Генераторы импульсов......................................................................474

8

Глава 15
Основы цифровой электроники...........................................479
15.1. Общие сведения о цифровых электронных устройствах...........479
15.2. Логические операции и их реализация...........................................487
15.3. Цифровые устройства комбинационной логики...........................490

15.3.1. 
Дешифратор...................................................................... 491

15.3.2. 
Шифратор...........................................................................493

15.3.3. 
Мультиплексор................................................................. 495

15.3.4. 
Демультиплексор..............................................................497

15.3.5. 
Сумматор............................................................................499

15.3.6. 
Компаратор........................................................................500

15.4. Последовательные цифровые устройства.......................................502

15.4.1. 
Цифровые интегральные триггеры............................... 502

15.4.2. 
Регистры.............................................................................509

15.4.3. 
Цифровые счетчики импульсов.................................... 514

15.5. Индикация цифровой информации................................................. 516
15.6. Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи ............................................................................................................521

Глава 16
Микропроцессорные средства.............................................. 528
16.1. Понятие о микропроцессорной системе.........................................528
16.2. 
Структура и параметры микропроцессора....................................531

16.3. Структура микропроцессорной системы........................................532
16.4. Принцип работы микропроцессорной системы............................538
16.5. Архитектура микропроцессорных систем......................................543
16.6. Типы микропроцессорных систем.................................................. 546
16.7. Микроконтроллеры............................................................................548
16.8. Элементы микропроцессорных систем...........................................552
16.9. Примеры использования микропроцессоров для управления технологическими процессами.............................................558

Глава 17
Электрические измерения и приборы................................ 565
17.1. 
Основные понятия и определения...................................................565

17.2. Виды и методы измерений................................................................ 567
17.3. Погрешности результатов измерений.............................................569
17.4. Аналоговые электроизмерительные приборы прямого

преобразования.................................................................................... 571
17.4.1. 
Структурная схема электроизмерительного
прибора.................  
572

17.4.2. 
Электромагнитные приборы...........................................573

17.4.3. 
Магнитоэлектрические приборы................................... 576

17.4.4. 
Электродинамические приборы.................................... 578

17.4.5. 
Ферродинамические приборы.........................................580

17.4.6. 
Электростатические приборы.........................................581

17.4.7. 
Термоэлектрические приборы........................................582

9