Производственная практика: Электротехника Изучение электрических цепей

Электротехника и электроника в нашей стране стала одной из важнейших отраслей техники, решающей крупные задачи промышленного, экономического и культурного прогресса. С каждым гадом расширяется фронт ее применения и вместе с тем неуклонно развивается техниколюбительство. В развитии средств связи наметилась устойчивая тенденция широкого внедрения цифровых методов и устройств. Цифровые устройства составляют практически весь состав оборудования управляющих вычислительных и электронных автоматических систем коммутации каналов; импульсные и цифровые устройства все шире используются в радио и телекоммуникации, автоматики и вычислительной техники. Все это повышает тягу к электротехническим знаниям у людей и в том числе у многочисленного отряда любителей электротехнику и электронику, стремящихся к систематизации своих знаний.

Изучение электрических цепей затруднено для массового читателя тем, что обычно она излагается с использованием аппарата высшей математики. В тех случаях, когда этот аппарат не используется, изложение многих важных вопросов проводится упрощенно, без должной глубины и многие сведения приводятся без доказательств и достаточно строгих объяснений. Между тем электротехника и электроника - наука весьма стройная, все в ней взаимосвязано, одно строится на другом, поэтому недопонимание основных фундаментальных явлений и законе электротехники не дает читателю возможности уяснить все остальное.

В книгах мы ставили своей целью изложить основы электротехнических знаний, пользуясь только аппаратом элементарной математики, и вместе с тем старались дать возможно более строгий анализ важнейшие явлений, на которых основана работа электротехнических устройств. Это, конечно, требует от читателя внимания и определенных усилий.

В зависимости от специфики института, факультета и специальности кафедра ТОЭ того или иного вуза должна дать указания студенту, какие разделы специального материала он должен изучить. Матрично-топологическое направление теории цепей и символический метод расчета излагаются в книге после традиционного рассмотрения свойств электрических цепей и методов их расчета на постоянном токе. Опыт работы показывает, что при такой последовательности обучения студент гораздо лучше усваивает теорию цепей и физическую сущность методов анализа, а времени затрачивает меньше, чем в том случае, когда изложение основ теории цепей и методов их расчета с самого начала проводится на формализованной матрично-топологической основе и тем более одновременно с рассмотрением символического метода.

Физические пояснения к математическим операциям, например к операциям векторного анализа, даются в книге непосредственно перед тем, как та или иная из них по ходу изложения впервые используется.

Для облегчения усвоения материала в учебнике дано решение более 50 числовых примеров, равномерно распределенных по всем разделам курса.

1. Вводные замечания

1.1. Голосарий

1. Электротехника - обширная область практического применения электромагнитных явлений, происходящих в электротехническом устройстве.

 2. Электротехническое устройство - система заряженных тел и проводников с током.

3. Электрическая цепь - эта система заряженных тел и проводников с током, которая с достаточной для практических целей точностью может быть описана интегральными понятиями , , , , .

4. Теория электрических цепей- существенная часть электротехники - решает две основные задачи: анализ и синтез.

5. двухполюсный элемент (двухполюсник) - часть цепи, ограниченная двумя зажимами.

6. Активный двухполюсник - обязательно обладает свойством генерировать электрическую энергию. К активным элементом электрической цепй относятся источники электромагнитной энергии.

7. Пассивный двухполюсник - часть цепи, которая содержит источники энергии. К пассивным элементом электрической цепй относятся устройства, которое могут запасать и расходовать электромагнитную энергию.

8. Элемент называется линейными, если его вольт-амперная характеристика выражается прямой линей и ток в каждом элементе данной цепи связаны линейным уравнением-алгебрическим или дифференциальным первого порядка.

9. Нелинейной называется цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент. Нелинейный элемент - это элемент (), параметры которого на плоскости ,  выражаются некоторой кривой.

10. Источник ЭДС - единственное свойство - генерировать электрическую энергию так, чтобы напряжение на его зажимах не зависело от протекающего через него тока.

11. Источник тока - идеализированный источник питания, которой создает ток , не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединен, а его ЭДС  и внутреннее сопротивление  равны бесконечности.

12. Резистор-элемент, обладающий свойством только рассеивать (потреблять) электрическую энергию.

13. Катушка индуктивности-элемент, обладающий только свойством накапливать (и отдавать) энергию магнитного поля.

14. Конденсатор- емкостный элемент, который обладает свойством только запасать энергию электрического поля.

15. Напряжение- разность потенциалов между крайними точками на некотором участке электрической цепи.

16. Синусоидальный ток - ток (ток, напряжение или ЭДС) , изменяющийся во времени по синусоидальному закону.

17. Амплитудное значение тока, напряжение и ЭДС - максимальное значение функции (- соответствующие ).

18. Период Т - это время, за которое совершается одно полное колебание.

19. Частота - равна числу колебаний в 1с.

20. Векторная диаграммой - совокупность векторов на комплексной плоскости, изображающих синусоидально изменяющиеся функции времени одной и той же частоты и построенных с соблюдением правильной ориентации их относительно друг друга по фазе.

21. мгновенная мощность - произведение мгновенного значения напряжения и на участке цепи на мгновенное значение тока i, протекающего по этому участку.

22. Символический метод: токи и напряжения заменяют их комплексными изображениями или символами.  - это изображение или символ падения напряжения iR; - изображение или символ падения напряжения ; - изображение или символ падения напряжения на конденсаторе  .

23. Дельта-функцией  - единичным импульсом или прямоугольный импульс.

24. Единичной функцией  -функция, равную единице при и равную нулю при  .

25. Выпрямительные устройства (выпрямители) относятся к вторичным источникам электропитания. Они используются для преобразования переменного напряжения в постоянное.

26. Трансформатор - это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.

27. Автотрансформатор - это такое устройство, в котором вторичная обмотка является частью первичной (или наоборот).

ЗАДАЧА 1.8

Дано: R1=R2=R3=R4=R5=R6=1 Ом, Е1=Е2= Е3=10 В, J=2 А.

Найти: все неизвестные токи методом контурных токов.

Решение:

Выберем направления контурных токов, которые обозначим I11, I22, I33 и J (последний известен).

Составим систему уравнений для контуров

.

После подстановки численных значений имеем

.

Решив эту систему уравнений, найдем контурные токи I11=9,5 [A], I22=1,5 [A], I33=7 [A], а затем найдем истинные токи во всех ветвях.

В ветви с Е1, R1 истинный ток I1 имеет направление контурного тока I11 и равен I1=I11=9,5 [A].

В ветви с R2 истинный ток I2 получится от наложения контурных токов I11 и I33 и будет равен I2=I11–I33=9,5–7=2,5 [A].

В ветви с R3 и E2 истинный ток I3 получится от наложения контурных токов I11 и I22 и будет равен I3=I11–I22=9,5–1,5=8 [A].

В ветви с R4 истинный ток I4 получится от наложения контурных токов I22 и I33 и будет равен I4=I33–I22=7–1,5=5,5 [A].

В ветви с R5 истинный ток I5 получится от наложения контурных токов I22 и J и будет равен I5=I22+J=1,5+2=3,5 [A].

В ветви с R6 и E3 истинный ток I6 противоположен по направлению контурному току I33 и будет равен I6= – I33= –7 [A].

Ответ: I1=9,5 [A], I2=2,5 [A], I3=8 [A], I4=5,5 [A], I5=3,5 [A], I6= –7[A].

Некоторые математические  понятия и символы С самого начала и на протяжении всего курса мы будем пользо­ваться некоторыми математическими символами и понятиями, не встречавшимися (или редко применявшимися) в школьном курсе физики.

Действия над векторами  производятся по правилам векторного исчисления

Важнейшие физические величины в электрических цепей Различные физические и физикотехнические величины связаны между собой уравнениями, выражающими зависимость между этими величинами. Поэтому в следующем таблице приведены определения основных физических понятий и величин изучаемых в курсе теории электрических цепей и их единицы измерения.

Градиент физической величины Известно, что скаляр характеризуется численной величиной, отнесенной к координатным точкам скалярного ноля. Классический пример скаляра потенциал. Вблизи источника поля потенциал велик, а по мере удаления от него убывает, стремясь к нулю.

На различных участках кривой линии ее кривизна может быть различной.

Дивергенция вектора Это понятие тесно связано с потоком вектора через замкнутую поверхность, который является количественной характеристикой поля

Некоторые вторые производные

Основные методы и понятия электрических цепей Всякие электро и радиотехнические курсы, а так же курсы автоматики и вычислительной техники невозможно освоить без практического расчета электри­ческих цепей. Вместе с тем все трудности при решении задач возникают изза незнания теории. Слишком часто студенты начинают изучение раздела с попытки решения задач, а к теоретической части обращаются только при возникнове­нии трудностей. Аналогично проходит и подготовка к лабораторным работам.

Классификация электрических цепей. Основные свойства линейных и нелинейных элементов и цепей

Цепи с сосредоточенными параметрами Эти цепи характерны для радиосистем, работающих в диапазоне сравнительно невысоких частот (не выше десятков мегагерц).

Основные уравнения теории электрических цепей постоянного тока. Элементы электрических цепей. Двухполюсные элементы

Законы Ома и Кирхгофа Неразветвленные и разветвленные электрические цепи. Электрические цепи подразделяют на неразветвленные и разветвленные. Во всех элементах простейшей неразветвленной цепи ее течет один и тот же ток. 

Резистор Элемент, обладающий свойством только рассеивать (потреблять) электрическую энергию, называется резистором

Закон Ома для участка цепи, не содержащего источника ЭДС Закон (правило) Ома для участка цепи, не содержащего источник ЭДС, устанавливает связь между током и напряжением на этом участке

Энергетический баланс в электрических цепях При протекании токов по сопротивлениям в последних выделяется теплота. На основании закона сохранения энергии количество теплоты, выделяющиеся в единицу времени в сопротивлениях схемы, должно равняться энергии, доставляемой за это же время источниками питания.

Элементы электрической цепи переменного тока Переменный ток по сравнению с постоянным представляет собой значительно более сложное явление. Помимо внешних э.д.с, в цепях переменного тока действуют э.д.с самоиндукции и взаимоиндукции, наводимые переменными магнитными полями, окружающими проводники цепи. Энергия электрического тока преобразуется в проводниках и окружающем проводники пространстве в тепловую и механическую энергию, а так же энергию излучения.

Составление уравнений для расчета токов в схемах с помощью законов Кирхгофа Законы Кирхгофа используют для нахождения токов в ветвях схемы. Обозначим число всех ветвей схемы в, число ветвей, содержащих источники тока, вт и число узлов у. В каждой ветви схемы течет свой ток. Так как токи в ветвях с источниками тока известны, то число неизвестных токов равняется в вит. Перед тем как составлять уравнения, необходимо произвольно выбрать: а) положительные направления токов в ветвях и обозначить их на схеме; б) положительные направления обхода контуров для составления уравнений по второму закону Кирхгофа.

Конденсатор в цепи синусоидального  тока

Символический метод

Активная, реактивная и полная мощности

Применение векторных диаграмм при расчете электрических цепей синусоидального тока Ток и напряжения на различных участках электрической цепи синусоидального тока, как правило, по фазе не совпадают. Наглядное представление о фазовом расположе­нии различных векторов дает векторная диаграмма токов и напряже­ний. Аналитические расчеты электрических цепей синусоидального тока рекомендуется сопровождать построением векторных диаграмм, чтобы иметь возможность качественно контролировать эти расчеты.

Задача . На участке ab разветвленной цепи параллельно включены индуктивное сопротивление  и активное сопротивление R, численное равное . Показание амперметра  равно 5 А. Определить показание амперметра , полагая сопротивления амперметров настолько малыми, что их можно не учитывать.

Выражение мощности в комплексной форме записи

Цепи с распределенными параметрами. Волновое уравнение длиной линии

Явления в бесконечно длиной линии при подключение ее к источнику постоянной и переменной ЭДС Провода липни передачи, размеры которых соизмеримы с длиной волны, принято условно называть длинными линиями.

Линия с потерями. Телеграфное уравнение Пусть отрезок двухпроводной линии единичной длины кроме индуктивности L и емкости С, имеет также сопротивление R и утечку G

Различные конструкции длинных линии Существует множество различных конструкций фидерных линии

Электрические фильтры Назначение фильтров В цепях радиотехнических устройств обычно одновременно протекают токи самых различных частот: от очень вы­соких радиочастот до низких (звуковых) частот и даже до постоянного тока. Обычно токи некоторых из этих частот должны воздействовать на после­дующие элементы схемы, воздействие же токов других частот является вредным, так как нарушает нормальную работу аппаратуры. Поэтому возникает необхо­димость отделения токов одних частот от токов других. Эта задача решается с помощью специальных устройств, на­зываемых электрическими фильтрами.

Резонансные трансформаторы сопротивления Длинные линии служат не только для передачи энергии от генератора к антенне и от антенны к приемнику; они находят широкое применение и в качестве колебательных систем, согласующих устройств, фильтров я коммутирующих систем.

Фильтры верхних частот Фильтры верхних частот должны пропускать токи всех частот выше не­которой частоты, также называемой частотой среза, и задерживать токи всех частот ниже этой частоты. Схемы таких фильтров можно получить, заменив в схемах фильтров нижних частот, выполняющих обратную задачу, элементы, плохо проводящие токи высоких частот, на хорошо проводящие, и наоборот, т. е. заменив конденсаторы на катушки индуктивности, а катушки на конденсаторы 

Полосовые и заградительные фильтры Часто в радиотехнических устройствах оказывается необходимым пропустить в некоторую цепь токи заданной полосы частот, лежащей в пределах от  до .

Трансформаторы Принцип действия и устройство Трансформатор это статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения без изменения частоты.

КПД трансформатора

Схема расчета трансформатора

Переходные процессы в линейных электрических цепях Под переходными процессами понимают процессы перехода от одного режима работы электрической цепи (обычно периодического) к другому (обычно также периодическому), чем либо отличающемуся от предыдущего,  например амплитудой, фазой, формой или частотой действующей в схеме ЭДС, значениями параметров схемы, а также вследствие изменения конфигурации цепи.

«Разряд» катушки индуктивности на резистор

Принужденные и свободные составляющие токов и напряжений Известно, что общий интеграл линейного дифференциального уравнения равен сумме частного решения неоднородного уравнения плюс общее решение однородного уравнения

Включение цепочки RL на синусоидальное напряжение

Включение цепочки RC на постоянное напряжение

Расчет электрических цепей при несинусоидальных периодических токах и напряжениях Определение периодических несинусоидальных токов и напряжений

Применение интеграла Дюамеля для расчета переходных процессов

Применение интеграла Дюамеля для расчета переходных процессов с импульсной характеристикой Наряду с переходной характеристикой в радиоэлектронике используется понятие импульсной характеристики

Последовательность расчета с помощью интеграла Дюамеля

Действующие значения несинусоидального тока и напряжения. Активная и полная мощности несинусоидального тока

 Задача. Рассмотрим трапецию, симметричную относительно оси абсцисс и начала координат

Резонанс в цепи при несинусоидальных токах и напряжениях При несинусоидальных токах и напряжениях явления резонанса значительно усложняются, так как резонанс возникает для каждой гармоники отдельно

Общие свойства четырехполюсников Уравнения четырехполюсников Электротехническое устройство, служащее для передачи энергии (сигналов) и имеющее по два входных и два выходных зажима, называется четырехполюсником.

Общий принцип действия и конструкции электрических машин Электрической машиной называют устройство для взаимного преобразования электрической и механической энергии. Как правило, машина может работать и в качестве двигателя, и в качестве генератора, то есть электрические машины обратимы. Существуют электрические машины специального назначения: преобразователи частоты, преобразователи постоянного тока в переменный, измерители скорости, усилители и т. д.

Задача . Для четырехполюсников рис. 10.3 определить коэффициенты A, B, C и D: из основных уравнений четырехполюсников в режимах холостого хода и короткого замыкания

Задача . Определить коэффициенты A, B, C , D для Т образной и П образной схемы четырехполюсников

Способ получения переменного тока Возбуждение электродвижущей силы индукции в контуре, вращаемом в магнитном поле, используется в технике для электрического тока.

Трехфазный ток и принцип работы трехфазного машиного генератора В машинном генератореобмотки неподвижны (помещены в пазы статора); на рисунке они обозначены буквами А, В, С. Магнитное поле в генераторе создается вращающимся ротором с намотанной на него катушкой, по которой протекает постоянный ток. Если число пар полюсов ротора равно единице, то угловая частота вращения ротора равна угловой частоте вращающегося магнитного поля.

Принцип работы асинхронного двигателя Трехфазный ток создается постоянным вращающимся магнитным полем ротора генератора. Опыт и теоретический расчет показывают, что возможени обратный процесс: если обмотки трехфазного генератора включены в сеть трехфазного тока, то внутри статора появляется постоянное вращающееся магнитное поле. На этом основано устройство и действие трехфазного асинхронного электродвигателя

Основные схемы соединения трехфазных цепей, определение линейных и фазовых величин Под фазой трехфазной цепи понимают участок трехфазной цепи, по которому протекает одинаковый ток. В литературе фазой иногда называют однофазную цепь, входящую в состав многофазной цепи. Под фазой будем также понимать аргумент синусоидально меняющейся величины. Таким образом, в зависимости от рассматриваемого вопроса фаза это либо участок трехфазной цепи, либо аргумент синусоидально  изменяющейся величины.

Преимущества трехфазных систем Широкое распространение трехфазных систем объясняется главным образом тремя основными причинами:

Трехфазные цепи при наличии взаимоиндукции Расчет трехфазных цепей, содержащих магнитно связанные катушки, осуществляют так же, как и расчет магнитно связанных цепей однофазного синусоидального тока.

Соединение нагрузки треугольником

СтиралокМастер - ремонт стиральных машин на дому. | На сайте salon-nika71.ru укладки волос и прически. | Измельчитель соломы по материалам mkukraine.com.ua. Вернуться на Главную