Основы электротехники и электроники: Курс лекций

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Электромеханический факультет

Кафедра теоретических основ электротехники

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Курс лекций для студентов специальности

«Экономика и управление на предприятии электромашиностроения»

Лектор – к. т. н. Бланк Алексей Валерьевич

Новосибирск

2006

СОДЕРЖАНИЕ

1. Электрическая цепь и ее элементы ................................................ 3
2. Источники ЭДС и источники тока ................................................. 6
3. Последовательное и параллельное соединение элементов цепи 8
4. Основные законы электрических цепей ...................................... 10
5.  Система уравнений по законам Кирхгофа для расчета токов цепи .................................................................................................. 14
6.  Баланс мощности в электрической цепи .................................... 16
7. Метод пропорционального пересчета .......................................... 18
8. Метод контурных токов ................................................................. 19
9. Метод наложения ............................................................................ 26
10. Преобразование звезды в треугольник и треугольника в звезду ............................................................................................................ 29
11. Свертка параллельных ветвей в одну эквивалентную ................ 32
12. Вынесение ЭДС и источника тока из ветви ................................ 34
13. Метод узловых потенциалов ......................................................... 37
14. Теорема о компенсации ................................................................. 43
15. Метод эквивалентного генератора ............................................... 44
16. Электрические цепи синусоидального тока ................................ 48
17. Векторные диаграммы ................................................................... 53
18. Символический метод .................................................................... 55
19. Мощность синусоидального режима ........................................... 64
20. Последовательное соединение элементов RLC ........................... 69
21. Параллельное соединение элементов RLC .................................. 73
22. Последовательный резонанс (резонанс напряжений) ................ 76
23. Параллельный резонанс (резонанс токов) ................................... 80
24. Цепи с магнитной связью .............................................................. 86
25. Трехфазные цепи ............................................................................ 90
26. Нелинейные электрические цепи ................................................. 98
27. Магнитные цепи ........................................................................... 106
28. Электрические машины ............................................................... 111
29. Электронные преобразователи тока и напряжения .................. 117

Список литературы ....................................................................... 129

1. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Рис. 1.1.

На Рис. 1.1 изображена электрическая цепь – совокупность элементов, предназначенных для распределения и преобразования электрической энергии.

В электрической цепи различают источники и приемники электрической энергии, ветви и узлы.

Источники энергии (источники ЭДС и источники тока, Рис. 1.2.) – это элементы цепи, в которых неэлектрические виды энергии преобразуются в электрическую энергию.

Рис. 1.2.

К приемникам энергии относят резистивные и реактивные элементы.

В резистивных элементах (Рис. 1.3) электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Резисторы

Рис. 1.3.

Реактивные элементы – это катушки индуктивности и конденсаторы (Рис. 1.4). В индуктивностях происходит накопление энергии в магнитном поле. В конденсаторах происходит накопление энергии в электрическом поле.

Рис. 1.4.

Для описания распределения энергии в электрической цепи используются такие силовые характеристики как электрический потенциал, напряжение и ток.

Электрический потенциал (обозначается буквой , имеет размерность В, Вольт) – это функция, определяющая распределение энергии между элементами электрической цепи (Рис. 1.5).

Потенциал можно определить лишь с точностью до произвольной постоянной величины. Поэтому перед расчетом цепи необходимо задать потенциал некоторой точки цепи (обычно потенциал произвольной точки приравнивают нулю).

Если между двумя точками ветви отсутствуют источники и потребители, потенциалы этих двух точек равны.

Рис. 1.5.

Напряжение (обозначается буквой U, имеет размерность В)– это разность потенциалов между двумя точками электрической цепи (Рис. 1.6). Напряжение обозначается стрелкой, направленной от большего потенциала к меньшему. Первый индекс всегда соответствует большему потенциалу, второй – меньшему.

Напряжение – величина векторная. Если поменять направление стрелки или порядок чередования индексов, изменится знак напряжения.

Рис. 1.6.

Ток (обозначается буквой I, имеет размерность А, Ампер) обозначается стрелкой на ветви (Рис. 1.7). Ток, как и напряжение, направлен от большего потенциала к меньшему.

В отличие от тока и напряжения, ЭДС направлена от меньшего потенциала к большему.

Рис. 1.7.

Ток связан с ветвями и узлами цепи следующим образом.

Ветвь – это участок цепи, по которому течет один и тот же ток.

Узел – это соединение не менее чем трех ветвей.

Необходимо заметить, что до расчета электрической цепи истинное распределение потенциала, направление токов и напряжений неизвестно. Поэтому перед началом расчета направление токов и напряжений задают произвольно. Если рассчитанное значение тока или напряжения окажется отрицательным, это будет означать, что истинное его направление противоположно заданному до расчета.

Ток в ветви связан с напряжением однозначной зависимостью, которую называют вольт-амперной характеристикой (Рис. 1.8). Вольт-амперная характеристика может иметь произвольную форму (Рис. 1.8 а), и в частности, может быть линейной (Рис. 1.8 б).

Рис. 1.8

Если вольт-амперная характеристика элемента линейна, элемент называется линейным. Цепь, состоящая только из линейных элементов, называется линейной электрической цепью.

Для линейных элементов справедливо соотношение (называемое также законом Ома для пассивного участка цепи):

                                                                                                       (1.1)

где R – коэффициент пропорциональности между током и напряжением, называемый сопротивлением элемента (имеет размерность Ом).

Сопротивление можно также определить как тангенс угла наклона вольт-амперной характеристики к оси тока.