Скачать 268.29 Kb.
|
Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им Р.Е. Алексеева» Кафедра «Теоретическая и общая электротехника» КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ОБЩЕЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ (Часть1) «История развития, основные законы и методы расчёта» Нижний Новгород 2013г. Составители: К.С. Степанов УДК 621.3.011(075.6) Электротехника и основы электроники: Методическое пособие по изучению дисциплины «Электротехника и электроника» для студентов всех специальностей. НГТУ; Сост.: К.С. Степанов. Н. Новгород, 2013. 25 с. В методическом пособии изложены: история развития электротехники, основные законы её и методы расчёта электрических цепей. Научный редактор Б.Ю. Алтунин Редактор Э.Б.Абросимова © Нижегородский государственный технический университет, 2013 Конспект лекций Степанова Константина Сергеевича Лекция 1. История развития электротехники. Как показывает отечественный и зарубежный опыт, наиболее эффективной системой обновления знаний является гибкая, непрерывная на протяжении всей жизни, система самообразования и повышения квалификации. Полноценный современный специалист должен обладать способностью параллельно заниматься самообразованием как в области общетеоретических, так и специальных знаний, только тогда он сможет изыскивать эффективные пути взаимодействия с техникой будущего. При этом человек должен помнить, что ОН – «частица биосферы» и «частица ноосферы». Свое бытиё Он должен приспосабливать к законам ноосферы. По образному выражению академика В.И. Вернадского, которое он сформулировал ещё в начале прошлого века, необходимо не покорение природы, а совместное гармоническое развитие природы и общества, иначе человечеству просто не выжить. Решающая роль в современном научно-техническом прогрессе принадлежит электротехнике, которая, включает в себя три основных раздела: Теоретические основы электротехники (ТОЭ), Электрические машины (ЭМ) и Электронику. Современное определение электротехники. Электротехника - область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для осуществления процессов преобразования энергии и превращения вещества, а так же для передачи сигналов и информации. В последние десятилетия из электротехники выделилась промышленная электроника с тремя направлениями: информационное, технологическое и энергетическое, которые с каждым годом приобретают все большее значение для научно-технического прогресса. В развитии электротехники и электроники можно выделить следующие 8 этапов: I этап: до 1800г. - становление электростатики. К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследование атмосферного электричества, зарождение электромедицины (опыты Гальвани), открытие закона Кулона и закона сохранения энергии. Лягушка, препарированная для опытов с электрофорной машиной и лейденской банкой. Рисунок из трактата Гальвани В 1744 г. М.В. Ломоносов писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимается, что сколько чего у одного тела отнимается, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… сей всеобщий закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оной у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает.» Соответствующие труды М.В. Ломоносова находились в забвении до 1904 г., а будучи опубликованы в России, не могли проникнуть в Западные лаборатории, поэтому позднее А.Л. Лавуазье повторно и независимо от М.В. Ломоносова открыл закон сохранения вещества. Выдающийся ученый – энциклопедист М.В. Ломоносов был первым в России основоположником изучения электрических явлений, автором первой теории электричества. В 1745 г. был разработан первый электроизмерительный прибор «электрический указатель» Георгом Вильгельмом Рихманом, который погиб 25 июня 1753 г., во время сильной грозы при проведении опыта с «грозовой машиной». II этап: 1800-1830г.г. - закладка фундамента электротехники и её научных основ. Начало этого периода ознаменовано получением «Вольтова столба» - первого электрохимического генератора постоянного тока. Затем была создана «Огромная наипаче батарея» Василия Владимировича Петрова, с помощью которой была получена электрическая дуга и сделано много новых открытий. В этот период были открыты важнейшие законы: Георга Симона Ома, Жана Батисто Био и Феликса Савара, Андре Мари Ампера и была установлена связь между электрическими и магнитными явлениями. Был создан прообраз электродвигателя. Вольта демонстрирует перед Наполеоном свое изобретение - Вольтов столб. Художник Дж. Бертини. 1801 год. III этап: 1830-1870г.-зарождение электротехники. Самым значительным событием этого периода было открытие явления самоиндукции Майклом Фарадеем и создание первого электромагнитного генератора (на основании ЭМИ). В этот период формулируются законы Ленца, Кирхгофа, разрабатываются различные конструкции электрических машин и измерительных приборов, зарождается электроэнергетика. Однако широкое практическое применение электроэнергии в хозяйстве и быту сдерживалось отсутствием экономичного электрического генератора. IV этап: 1870-1890г.- становление электротехники как самостоятельной отрасли техники. В этот период создаётся первый промышленный генератор с самовозбуждением (динамо-машина), что привело к созданию новой отрасли электротехники «Электрические машины». Организуются производства с использованием электроэнергии. С развитием промышленности, ростом городов возникает потребность в электрическом освещении. Начинается строительство «домовых» электростанций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром и всё более остро ощущается потребность в централизованном производстве и экономичной передаче электроэнергии. На постоянном токе эту проблему решить нельзя из-за невозможности трансформации постоянного тока. В это время Павел Николаевич Яблочков изобрёл электрическую свечу и была разработал схему дробления постоянного электрического тока при помощи индукционных катушек, представляющих собой трансформатор с разомкнутой магнитной системой. В середине 80-х годов началось серийное производство однофазных трансформаторов с замкнутой магнитной системой (Макс дёрн, Отто Блати, К Циперновский) и строительство центральных электростанций переменного тока. Однако развитие производства требовало комплексного решения проблемы экономичной передачи электроэнергии на дальние расстояния и создания экономичного и надёжного электродвигателя. Эта проблема была решена на основе многофазных, в частности 3-х фазных систем. V этап: 1891 –1920 гг. – становление и развитие электрификации. Предпосылкой развития 3-х фазной системы явилось открытие в 1988 г. явления вращающегося магнитного поля. 3-х фазная система оказалась наиболее рациональной. В развитие этой системы внесли вклад многие учёные разных стран, но наибольшая заслуга принадлежит русскому учёному Михаилу Осиповичу Доливо-Добровольскому, создавшему 3-х фазные синхронные генераторы, асинхронные двигатели и трёхфазные трансформаторы. Убедительным преимуществом 3-х фазных цепей было строительство трёхфазной линии электропередачи между немецкими городами Лауфеном и Франктфуртом при активном участии М.О.Доливо-Добровольского. Расширяются исследования явлений, протекающих в цепях синусоидального тока с помощью векторных и круговых диаграмм. Огромную роль в анализе процессов в таких цепях сыграл комплексный метод расчёта, предложенный Чарльсом Протеусом Штейнмецом. Теоретические основы электротехники становятся базовой дисциплиной в вузах и фундаментом научных исследований в области электротехники. VI этап: 1920 – 1940гг. – зарождение электроники: электровакуумные приборы, триод, диод. 1923г. – Лосев создал первый полупроводниковый диод – кристадин, который мог работать в режиме генератора высокочастотных колебаний. Выделилась радиотехника как самостоятельная наука. VII этап: 1940 – 1970гг. – зарождение информатики: построение электронно - вычислительных машин. VIII этап: 1970г. - по настоящее время – информатика как самостоятельная наука. (Лекция подготовлена на основе книги «Очерки по истории электротехники» О.Н.Веселовский, Я.А.Шнейберг., М. МЭИ, 1993г. Также рекомендую ознакомиться с книгой «Становление и развитие электротехники и электроэнергетики» , Б.В.Папков, Нижний Новгород, «Кварц» 2011г.) Тестовые вопросы по теме
Лекция 2. Основные понятия и определения в электротехнике. Электрическая цепь – совокупность источников электрической энергии, линий электропередач и электроприемников. Для анализа и синтеза электрических цепей вводят понятия: электродвижущей силы (ЭДС), обозначается Е; напряжения, обозначается U (Е и U измеряются в Вольтах [B]); тока (I) измеряется в Амперах [A]; сопротивления R, [Ом]; величины, обратной сопротивлению - проводимости (G) измеряется в Сименсах [См] (R=1/G); индуктивности L , единица измерения Генри [Гн]; емкости С, единица измерения Фарада [Ф]. На схемах вышеперечисленные элементы обозначаются следующим образом: активные сопротивление и проводимость - , , индуктивность - , емкость - , источник ЭДС - , источник тока - . Положительным направлением тока называется направление, в котором перемещают положительно заряженные частицы или направление, противоположное движению электронов. Источники электроэнергии. Реальный источник электроэнергии обладает внутренним сопротивлением больше нуля и в электротехнике представляется в виде двух вариантов – источник ЭДС и источник тока. У идеального источника ЭДС внутреннее сопротивление равно нулю. У идеального источника тока RВН = ∞, т.е. чем выше RВН , тем ближе источник тока к идеальному (рис. 2.1). Реальный источник обладает внутренним сопротивлением. а), б). Рис. 2.1. Эквивалентная схема реального источника ЭДС - (а) и его вольтамперная характеристика (ВАХ) - (б). а), б). Рис. 2.2. Эквивалентная схема реального источника тока - (а), и его вольтамперная характеристика (ВАХ) - (б). Источник тока можно получить из источника ЭДС, если параллельно источнику тока включить сопротивление, равное внутреннему сопротивлению источника ЭДС. Соответственно значение тока источника тока определяют по формуле I=E/ RВН (рис. 2.2). Узел электрической цепи - это точка, в которой соединены 3 или более ветвей (рис. 2.3). Рис. 2.3. Обозначение узла электрической цепи. Ветвь электрической цепи – участок цепи, расположенный между двумя узлами, состоящий из одного или нескольких последовательно соединенных электрических элементов. По ветви течет один и тот же ток (рис. 2.4). Рис. 2.4. Обозначение ветви электрической цепи. Замкнутым контур электрической цепи называют путь, проходящий через несколько ветвей и узлов разветвленной электрической цепи (рис. 2.5). Рис. 2.5. Обозначение контура электрической цепи. Основные законы электротехники. Закон Ома для участка цепи, несодержащего ЭДС. Под напряжением на зажимах цепи понимают разность потенциалов между крайними точками ветви. Ток течет от большего потенциала к меньшему. φ1 > φ2 U12 = φ1- φ2 I = U12/R = (φ1- φ2)/R Закон Ома для участка цепи, содержащего ЭДС. 3 I = U12/R = (φ1- φ2)/R φ2 = φ3 - E φ1 – φ3 = U+E Из этого следует: I = ( φ1 – φ3 –E)/R = (U13-E)/R. Законы Кирхгофа. Первый закон Кирхгофа А лгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю: Ik = 0, I1+I2-I3-I4+I5 = 0, или - сумма токов, направленных к узлу равна сумме токов, направленных от него. I1+I2+ I5 = I3+ I4. Правило: если ток направлен в узел, то перед ним в уравнении ставится «+» , если ток направлен от узла , то «-» . Второй закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма падений напряжений в любом замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС внутри этого контура. Ek = IiRi E1-E2+E3 = I1R1+ I2R2+ I3R3+ I4R4 Правило: если направление тока и Е совпадает с направлением обхода то в уравнении берётся со знаком «+», если не совпадает, то «-». Последовательное соединение сопротивлений. U Второй закон Кирхгофа для этой схемы имеет вид U = U1 + U2 + U3 . Поделим почленно это уравне6ние на ток I. U/I = U1 /I + U2 /I + U3 /I, получим R = R1+ R2+ R3 . Таким образом, при последовательном соединении сопротивлений эквивалентное сопротивление равно сумме последовательно соединенных R. Параллельное соединение сопротивлений. Для преобразования этой схемы используется первый закон Кирхгофа и закон Ома. I1 = U/R1 , I2 = U/R2 , I3 = U/R3 , I = I1+ I2 + I3 , U/RЭ = U/R1+U/R2+U/R3, тогда 1/RЭ = 1/R1+1/R2+1/R3 , GЭ = G1+G2+G3. Таким образом, при параллельном соединении сопротивлений эквивалентная проводимость равна сумме проводимостей, а выражение для эквивалентного сопротивления имеет вид RЭ = . Тестовые вопросы по теме
Лекция 3. Смешанное соединение сопротивлений Иногда нельзя определить параллельно или последовательно соединены сопротивления. Например, как показано на нижеприведенной схеме (рис. 3.1). Рис. 3.1. Смешанное соединение сопротивлений. В этом случае заменим треугольник abc звездой abc (рис. 3.2). с соблюдением условия эквивалентности - так чтобы параметры (токи ветвей и межузловые напряжения) схемы вне преобразуемой цепи остались без изменения. Рис. 3.2. Преобразование треугольника в звезду. Ia=0 Rb+Rc=Rbc(Rab+Rca)/(Rab+Rbc+Rca) (1) |