рефераты конспекты курсовые дипломные лекции шпоры

Реферат Курсовая Конспект

Задачи дисциплины

Задачи дисциплины - раздел Философия, Предмет Электротехника и промышленная электроника и его задачи. Обзор развития промышленной электроники Формирование Четких Представлений О Принципах Действия Электронных Устройств,...

Формирование четких представлений о принципах действия электронных устройств, позволяющих участвовать в работе по эксплуатации электронных устройств в плодотворном контакте со специалистами в области промышленной электроники; овладение знаниями по принципам действия аналоговых, цифровых и преобразовательных устройств, а также их использованию в электротехнических, электромеханических и энергетических установках;

· выработка умения оценивать технико-экономическую эффективность применения электронных устройств и определять их основные параметры$

· квалифицированно формулировать задания на разработку электронной аппаратуры и оценивать ее совместимость с другими устройствами.

Электротехника – область науки и техники, которая занимается анализом и практическим использованием для нужд промышленного производства всех физических явлений, связанных с электрическими и магнитными полями. Электротехника выделилась в самостоятельную науку из физики в конце XIX века.

В настоящее время электротехника включает в себя электроэнергетику, электронику, системы управления, обработку сигналов и связь.

Электроэнергетиканаука о выработке, передаче и использовании (потреблении) электроэнергии, а также о разработке устройств для этих целей. К таким устройствам относят: трансформаторы, электрические генераторы, электродвигатели, низковольтную аппаратуру и электронику для управления силовыми приводами.

Электроника – область науки и техники, в которой изучаются физические явления в полупроводниковых и электровакуумных приборах (Физическая электроника), электрические характеристики и параметры этих приборов, а также свойства устройств и систем с их использованием (Техническая электроника). Иначе говоря, электроника изучает электронные приборы и устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и используется для преобразования электромагнитной энергии (например, для передачи, обработки и хранения информации).

Промышленная электроника – прикладная область знаний, рассматривающая использование электровакуумных, полупроводниковых приборов и микроэлектронных устройств в различных областях промышленности.

Промышленная электроника затрагивает вопросы разработки и тестирования электронных цепей, в которых в качестве компонентов используются резисторы, конденсаторы, индуктивности, диоды и транзисторы с целью получения заданной функциональности. Резонансный контур, который позволяет отфильтровывать все радио сигналы кроме заданной станции является одним из примеров таких цепей.

До изобретения в 1959 году интегральных схем, цепь собиралась из отдельных компонентов. Эти схемы были ограничены в быстродействии, требовали много энергии и места. Однако, они всё ещё находят применение во многих устройствах. Для сравнения интегральные схемы включают в себя огромное количество (зачастую миллионы) крошечных компонентов, в основном транзисторов, которые умещаются на небольшом чипе, размером с монетку. Это сделало возможным появление мощных компьютеров и других электронных устройств, которые мы можем видеть сегодня.

Системы автоматического управления– адачами автоматических систем управления (и автоматизации в целом) является моделирование различных динамических систем и разработка систем управления, которые заставляют работать динамические системы нужным образом. Для создания таких устройств могут использоваться электрические схемы, процессоры цифровой обработки сигналов, микроконтроллеры и программируемые логические контроллеры. Системы управления имеют широкую область применения от систем, встраиваемых в энергетические установки (например на коммерческих авиалайнерах), автоматов постоянной скорости (имеющихся во множестве современных автомобилей) и ЧПУ в станках до систем управления на базе промышленных ПК в автоматизации промышленного производства.

Обработка сигналов – область науки и техники, в которой осуществляется восстановление, разделение информационных потоков, подавление шумов, сжатие данных, фильтрация, усиление сигналами. Например, приём сигнала на фоне шума описывается в виде процедуры фильтрации сигнала посредством фильтра, при этом ставится задача максимально ослабить шумы и помехи, и минимально исказить принимаемый сигнал.

По своей природе с могут быть как аналоговыми, так и цифровыми. Существует множество направлений обработки сигналов, зависящие от их природы. Для аналоговых сигналов используется аналоговая обработка с помощью аналоговых схем. Она может включать усиление и фильтрацию, модуляцию и демодуляцию. Для цифровых сигналов используется цифровая обработка с помощью цифровых схем.

Связь – передача сигналов (информации) на расстояние. В зависимости от того, какие сигналы используются для передачи информации, различают аналоговую и цифровую связь. Аналоговая связь – это передача непрерывных сообщений (например, звука или речи). Цифровая связь – это передача информации в дискретной форме (цифровом виде). В настоящее время цифровая связь вытесняет.

1.2. Обзор развития промышленной электроники

Изделия промышленной электроники за последние 50 с лишним лет прошли большой путь от громоздких приборов с недостаточной надежностью, большим энергопотреблением, выполнявших ограниченные измерительные функции, до сложных многофункциональных устройств, соответствующих современному техническому уровню. В развитии рассматриваемой отрасли можно выделить пять поколений аппаратуры промышленной электроники. В приборах этих поколений изменялись элементная база, используемые детекторы, методы выполнения и характеристики (быстродействие и чувствительность, диапазон и число измеряемых параметров, надежность и ремонтопригодность, ресурс работы и сроки службы, степень автоматизации, стандартизации и точность процесса измерений), структурные и схемотехнические решения.

Приборы 1-го поколения, относящиеся к середине 40-х – началу 50-х годов, представляли собой устройства, выполненные с применением электронно-вакуумных ламп. Аппаратура промышленной электроники на начальном этапе развития выполнялась так называемым приборным способом, для которого был характерен индивидуальный подход к проектированию и изготовлению приборов.

В середине 50-х годов произошла смена 1-го поколения приборов для ИИИ на второе. Аппаратура 2-го поколения стала намного более сложной. Она стала обладать большими функциональными возможностями

Одной из основных проблем в связи с возросшей сложностью приборов стало повышение надежности в работе. Это удалось реализовать только при появлении транзисторов, выпуск которых был освоен отечественной промышленностью к концу 50-х годов. В качестве базовых элементов в устройствах памяти стали использовать сердечники на ферритах с прямоугольной петлей гистерезиса. Транзисторы вытеснили электровакуумные лампы, что позволило сделать аппаратуру не только более надежной, но и намного более быстродействующей, экономичной (потребляемая мощность сократилась с нескольких ватт на лампу до сотых долей ватта на вентиль), дешевой, имеющей в несколько раз меньшие массо-габаритные характеристики.

Был повсеместно внедрен печатный монтаж, который позволил значительно снизить трудоемкость изготовления электронных узлов и повысить их надежность. Для упрощения компоновки и обеспечения взаимозаменяемости однотипных блоков были разработаны конструкции вдвижных блоков единой высоты и глубины с шириной, кратной некоторой величине (модулю), использовавшие однотипные соединители.

Все это определило переход во 2-м поколении приборов к функционально-блочному способу компоновки аппаратуры. В соответствии с ним приборы разбивались на отдельные, схемотехнически и конструктивно завершенные изделия – функциональные блоки, из которых компоновалась радиационная аппаратура.

На начальных этапах развития промышленной электроники при разработке аппаратуры основное внимание уделялось лишь механической сопрягаемости отдельных блоков и устройств и их электрической совместимости, что характерно для серийно выпускаемых наборов блоков «Б», «М», «Т».

Увеличение плотности потоков информации и повышение быстродействия аппаратуры потребовали автоматизации ее работы и стандартизованности не только механических конструкций и электрических параметров, но и логики взаимодействия между собой отдельных блоков. Система блоков «Вектор» была создана по нормам широко известной системы «САМАС». Основа подобных систем – канал передачи данных, который является иерархическим, древовидным. Он включает несколько видов каналов применительно к основным конструктивным элементам систем (каркасу, стойки, комплексу из стоек), так как именно эти конструктивные единицы определяют длину линии связи. Большое удобство при работе с этими системами заключается в независимости их функционирования от конкретного типа используемой ЭВМ, поскольку эта связь определяется лишь одним интерфейсным блоком связи с ЭВМ.

Разработка системы программно-управляемых блоков позволила автоматизировать не только проведение эксперимента, но и сам процесс изготовления блоков на этапе их настройки и проверки работоспособности.

В системе «Вектор» было разработано более 100 разновидностей блоков с различными измерительными и логическими характеристиками: линейки усилителей, различных видов преобразователей, регистров и счетчиков, устройств накопления и обработки информации, ввода-вывода информации. Блоки выполняли на шасси стандартных размеров, для их компоновки использовали стандартные каркасы и стойки. Таким образом, значительную часть необходимой аппаратуры, в том числе и достаточно специфичной (включая многоканальные и многомерные анализаторы), экспериментаторы собирали из стандартных блоков, затрачивая минимум времени и средств.

В 60-х годах произошла смена поколений приборов для ИИИ – со 2-го на третье. Для аппаратуры 3-го поколения благодаря использованию интегральных схем были характерны:

· значительное сокращение (более чем на порядок) числа элементов в аналогичных по назначению устройствах;

· дальнейшее повышение надежности, применение цифровых узлов и элементов вместо аналоговых;

· создание более сложных по структуре устройств;

· увеличение объема собираемых данных;

· представление результатов измерений в цифровой форме.

С переходом в аппаратуре 3-го поколения на интегральные микросхемы существенно возросла плотность монтажа.

Все это определило важность внедрения (начиная с первой половины 70-х годов) в разработку приборов методов автоматизированной разводки печатных плат и изготовления плат с помощью ЭВМ. В соответствии с принципиальной электрической схемой при помощи библиотек с данными по радиоэлементам определялись оптимальное размещение микросхем и других радиоэлементов на плате, соединения между элементами (трассировка) и подготавливался файл для изготовления печатных плат на автоматическом оборудовании.

В рамках изготовления аппаратуры 3-го и последующих поколений (начиная с 60-х годов), наряду с разработкой отдельных приборов, начали создаваться различные комплексные измерительные системы для радиационных измерений. Примером таких комплексов были системы радиационного контроля (РК) на атомных электростанциях (АЭС), радиоэкологического контроля местности, прилегающей к объектам атомной промышленности и энергетики.

В начале 70-х годов произошла очередная смена поколений и расширение номенклатуры приборов промышленной электроники – с аппаратуры 3-го на аппаратуру 4-го поколения, элементной базой которой служили микросхемы с повышенной степенью интеграции (в том числе, микросхемы памяти). Важной особенностью приборов 4-го поколенияявилось введение в состав многих устройств централизованных ЭВМ, так что приборы стали полностью програмно-управляемыми. Использование ЭВМ для управления работой аппаратуры позволило существенно улучшить измерительные и эксплуатационные характеристики приборов. За счет проведения различных вычислительных операций была повышена точность и воспроизводимость измерений (компенсировались периодические слагающие погрешности, исключались субъективные ошибки оператора), автоматизировалась обработка результатов измерений, оператор освобождался от выполнения рутинных операций.

Реальная возможность широко использовать средства вычислительной техники в приборах появилась в 80-х годах после разработки и серийного выпуска микропроцессоров, больших интегральных схем (БИС) микропроцессорных семейств и микроконтроллеров – массовых и дешевых вычислительно-управляющих устройств, а также создания и широкого внедрения в практику персональных компьютеров (ПК). Это привело к появлению нового, 5-го поколения аппаратуры промышленной электроники, которое характеризовалось использованием в составе приборов ПК и построением приборов с распределенным интеллектом, содержащих микропроцессоры и микроконтроллеры в различных звеньях измерительного тракта.

Устройства 5-го поколения были выполнены как различные децентрализованные информационно-измерительные системы (ИИС) с местной обработкой данных и такими «интеллектуальными» компонентами (наряду с блоками детектирования), как устройства световой и звуковой сигнализации, блоки бесперебойного низковольтного питания и т.д. Часто в аппаратуре использовалось резервирование основных блоков и устройств. Практически во всех устройствах было введено самодиагностирование.

Разрабатываемые в настоящее время подобные ИИС представляют собой многодетекторные устройства с непрерывным контролем состояния основных компонентов производств или звеньев технологического процесса. Они базируются на промышленных ПК, со световой и звуковой предупредительной и аварийной сигнализацией и с обменом данными между компьютером и блоками детектирования по информационным магистралям (например, с интерфейсом RS-485), через радиальные цепи (например, с интерфейсом RS-232), по радиоканалу или по телефонным каналам. Такие единые децентрализованные системы с распределенным интеллектом и оптимальным разделением функций между средствами вычислительной техники и оператором заменяют разрозненные специализированные устройства с ограниченным кругом функций.

Для создаваемых ИИС характерным является стремление:

· расширить функциональные возможности;

· наделить их возможностями не только контролировать имеющуюся ситуацию, но и на основании выявленных тенденций прогнозировать развитие ситуации для ранней диагностики аварийных ситуаций;

· вырабатывать рекомендации персоналу по проведению противоаварийных мероприятий.

В таких системах должно:

· выполняться самодиагностирование всех составляющих их компонентов;

· поверяться блоки детектирования, входящие в состав системы;

· проводиться метрологическая аттестация аппаратуры на месте размещения и без демонтажа.

Перспективными для этого направления приборостроения являются работы, результатом которых должны явиться расширение форм представления различных измерений, повышение наглядности представления данных, улучшение взаимодействия оператора с техническими средствами, а также повышение надежности каналов обмена данными (например, использование опторазвязок, аппаратно-программных средств защиты от сбоев). Кроме того, необходимо проводить работы по организации архивирования получаемых данных, автоматизированной подготовке отчетных материалов, фильтрации результатов измерения и передаче наиболее существенных данных в системы более высокого уровня.

Важной задачей является построение систем, цель которых – не только получение информации об внешних воздействиях и состоянии объекта (проведение контроля), но и управление производственными комплексами и оптимизация технологических процессов, т.е. переход от ИИС к автоматизированным системам управления (АСУ) и автоматизированным системам управления технологическими процессами (АСУТП). Это потребует не только дополнения имеющихся программно-аппаратных технических средств устройствами управления исполнительными механизмами, но и осуществления резервирования основных компонентов системы и значительного повышения надежности работы систем (в том числе, программного обеспечения).

Одна из важных задач сегодняшнего дня – использование достижений микроэлектроники для повышения характеристик аппаратуры промышленной.

1.3. Структура и содержание разделов курса

Курс «Электротехника и промышленная электроника» рассчитан на изучение в течение двух семестров. В первом семестре изучаются:

· электрические цепи постоянного тока;

· однофазные цепи синусоидального тока;

· трехфазные электрические цепи;

· магнитные цепи;

· электрические измерения и приборы;

· трансформаторы;

· машины постоянного тока, асинхронные двигатели, синхронные машины;

· сигналы, спектральное представление сигналов;

· преобразование сигналов линейными системами с постоянными параметрами;

· полупроводниковые приборы;

· усилители, обратная связь в усилителях, операционные усилители;

· генерирование электрических колебаний;

· нелинейные и параметрические преобразования сигналов.

Этот семестр рассчитан на 36 лекционных часов, 18 часов лабораторных занятий и 18 часов практических занятий.

Во втором семестре изучаются вопросы, относящиеся к цифровой обработке информации. К ним относятся:

· представление информации в информационных системах;

· основы булевой алгебры;

· логические интегральные схемы, комбинационные и последовательностные схемы;

· полупроводниковые запоминающие устройства;

· цифровые процессоры;

· обмен данными в параллельном и в последовательном форматах;

· аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи;

· системы схемотехнического моделирования и анализа аналоговых, цифровых и цифро-аналоговых схем.

Он рассчитан на 32 лекционных часа и на 16 часов лабораторных занятий.

1.4. Обобщенная структурная схема автоматизированной управляющей системы

 
 

Обобщенная структурная схема системы автоматизации приведена на
рис 1.1. На объект воздействуют возмущающие Х и управляющие М воздействия, состояние объекта характеризуется выходными сигналами Y. Возмущающие воздействия стремятся вывести объект из стационарного состояния, заставляют его развиваться в нежелательном направлении. Управляющие воздействия компенсируют нежелательное влияние возмущающих воздействий, обеспечивая тем самым сохранение стационарного состояния объекта или вынуждая его развиваться в направлении, желательном экспериментатору. Процессор обрабатывает исходные данные, характеризующие возмущающие воздействия и состояние объекта. Алгоритм обработки определяется автоматизируемым объектом. Датчики (первичные преобразователи) обеспечивают преобразование сигналов Х и Y, имеющих в большинстве случаев неэлектрическую природу, в электрические сигналы с сохранением необходимой информации о возмущающих воздействиях и состоянии объекта.

Возможны два типа процессоров: аналоговые и цифровые. Аналоговые процессоры обрабатывают аналоговые сигналы, цифровые процессоры – цифровые.

Аналоговые процессоры в настоящее время используются крайне редко. Это обусловлено их низкой помехоустойчивостью, невозможностью регенерации аналоговых сигналов, невозможностью реализации сложных алгоритмов. Указанных недостатков лишены цифровые процессоры. Обобщенная структурная схема системы автоматизации на базе цифрового процессора приведена на рис. 1.2.

В приведенной схеме аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует аналоговые выходные сигналы первичных преобразователей (датчиков) в цифровые сигналы, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) преобразует формируемые цифровым процессором управляющие воздействия из цифровой формы в аналоговую форму. В случае необходимости цифровые сигналы, формируемые на выходе процессора, могут непосредственно использоваться для управления объектом.

Цифровой процессор может быть реализован двумя принципиально различными способами.

Аппаратный принцип реализации логики управления (жесткая логика) предусматривает формирование требуемой последовательности или набора управляющих сигналов в специальной схеме процессора за счет соответствующих соединений между отдельными элементами, т.е. алгоритм функционирования такого процессора полностью определяется схемой соединений его элементов. Реализация подобных процессоров и их широкое использование в системах автоматизации стало возможным с появлением новой элементной базы – программируемых логические интегральные схемы (ПЛИС – Programmable Logic Devices – PLD). Главным отличительным свойством ПЛИС является возможность их настройки на выполнение заданных функций самим пользователем. Современные ПЛИС характеризуются низкой стоимостью (1-2 доллара США), высоким быстродействием (до 3,5 нс.), значительными функциональными возможностями (одна ПЛИС может заменить несколько сот корпусов традиционной "жесткой" логики), многократностью перепрограммирования, низкой потребляемой мощностью (позволяющей использовать их в изделиях с батарейным питанием), гибкостью архитектуры и др.

Процесс проектирования цифрового устройства на основе ПЛИС заключается в описании его функционирования на входном языке используемого программного средства, выполнении автоматизированного синтеза, проведении моделирования и настройке выбранной ПЛИС с помощью программатора. При этом время разработки даже достаточно сложных проектов может составлять всего несколько часов. Для того чтобы изменить алгоритм работы устройства, достаточно перепрограммировать ПЛИС, причем отдельные ПЛИС допускают программирование (перепрограммирование) уже после их установки на плату. По существу разработка устройств на основе ПЛИС представляет собой новую технологию проектирования электронных схем, включая их изготовление и сопровождение.

Программный принцип реализации логики управления (программируемая логика) предполагает последовательное во времени выполнение алгоритма функционирования, который определяется в виде программы и хранится в отдельном блоке памяти процессора.

Преимуществом систем, реализованных на программном принципе, является их гибкость. Изменение алгоритма функционирования такой системы осуществляется модификацией программы, структура системы в целом сохраняется. В настоящее время подобные цифровые процессоры в системах автоматизации могут быть реализованы на базе персональных ЭВМ, на микропроцессорах и микроконтроллерах

 

2. Электрические цепи постоянного тока

2.1. Основные определения

2.1.1. Основные понятия и термины

Электрическая цепь – это совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи, преобразования и использования электрического тока. Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три большие группы:

· источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы);

· приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электромеханизмы и т.д.);

· проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и т.д.).

Электрический ток – направленное движение электрических зарядов. Электрический ток может возникать в замкнутой электрической цепи.

Электрический ток, направление и величина которого неизменны, называют постоянным током и обозначают прописной буквой I.

Электрический ток, величина и направление которого не остаются постоянными, называется переменным током. Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают строчной буквой i.

Для работы электрической цепи необходимо наличие источников энергии. В любом источнике за счет сторонних сил неэлектрического происхождения создается электродвижущая сила. На зажимах источника возникает разность потенциалов или напряжение, под воздействием которого во внешней, присоединенной к источнику части цепи, возникает электрический ток.

Различают активные и пассивные цепи, участки и элементы цепей. Активныминазывают электрические цепи, содержащие источники энергии, пассивными – электрические цепи, не содержащие источников энергии.

Электрическую цепь называют линейной, если ни один параметр цепи не зависит от величины или направления тока, или напряжения.

Электрическая цепь является нелинейной, если она содержит хотя бы один нелинейный элемент. Параметры нелинейных элементов зависят от величины или направления тока, или напряжения.

Электрическая схема – это графическое изображение электрической цепи, включающее в себя условные обозначения устройств и показывающее соединение этих устройств. На рис. 2.1 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии, электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.


Рис. 2.1

Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения. Схема замещения – это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.

На рисунке 2.2 показана схема замещения.


Рис. 2.2

Схемой электрической цепи называется ее графическое изображение с использованием обозначений идеальных элементов. Например, рис. 2.3.

 

Рис. 2.3

элементов (рис.2.4):

Рис. 2.4

В электротехнике решаются две задачи:

· синтез электротехнических устройств;

· анализ этих устройств.

Задача синтеза решается при создании новых устройств. Это наиболее сложная задача. Анализ работы электротехнических устройств чаще всего необходимо проводить уже при их эксплуатации, поэтому существуют типовые задачи анализа.

Задача анализа электрической цепи формулируется следующим образом: заданы схемы электрической цепи со значениями всех ее элементов, а также напряжения и токи источников, действующих в цепи, требуется найти токи в ветвях и напряжения на элементах цепи. Для определения искомых токов и напряжений необходимо составить уравнения цепи, которые определяются только геометрической конфигурацией и способами соединения элементов цепи. Эти уравнения составляются на основе двух законов Кирхгофа, которые связывают токи ветвей, сходящихся в узлах, и напряжения элементов, входящих в контуры.

Как уже отмечалось, при анализе (расчете режима работы) электрической цепи необходимо эту цепь представить и изобразить графически схемой, в которой элементы электрической цепи представлены в виде соединений идеализированных элементов – резистивного R, индуктивного L, и емкостного C, а источники электрической энергии представляются как последовательное соединение ЭДС и внутренних сопротивлений этих источников.

2.1.2. Пассивные элементы схемы замещения

Простейшими пассивными элементами схемы замещения являются сопротивление, индуктивность и емкость. В реальной цепи электрическим сопротивлением обладают не только реостат или резистор, но и проводники, катушки, конденсаторы и т.д. Общим свойством всех устройств, обладающих сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энергии в тепловую. Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. В схеме замещения во всех случаях, когда надо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление.

Сопротивление проводника определяется по формуле: где l – длина проводника, S – поперечное сечение проводника; – удельное сопротивление проводника.

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью

Сопротивление измеряется в омах (Ом), а проводимость – в сименсах (См).

Основное уравнение элемента, связывающее ток и напряжение, его вольт-амперная характеристика, определяется законом Ома, который устанавливает пропорциональность напряжения и тока:

Коэффициент пропорциональности в выражении равный отношению напряжения и тока, является электрическим сопротивлением

В теории линейных электрических цепей принимают сопротивление и проводимость постоянными величинами, не зависящими от тока и напряжения.

Линейное алгебраическое соотношение между напряжением и током, называемое вольтамперной характеристикой, можно представить в виде прямой, проходящей через начало координат (рис.2.5,), с угловым коэффициентом, равным значению сопротивления.

Мощность, выделяемая в виде тепла, в резистивном элементе выражается законом Джоуля-Ленца:

Мощность в сопротивлении является квадратичной функцией тока или напряжения, она не может принимать отрицательных значений, следовательно, энергия всегда поступает от источника в элемент.

Изображение сопротивления в схеме замещения представлено на рис. 2.6.

Индуктивностью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность цепи накапливать магнитное поле. Полагают, что индуктивностью обладают только индуктивные катушки. Индуктивностью других элементов электрической цепи пренебрегают.

Индуктивность катушки, измеряемая в генри [Гн], определяется по формуле , где W – число витков катушки, Ф - магнитный поток катушки, возбуждаемый током i, – потокосцепление.

Основной характеристикой катушки индуктивности является зависимость , называемая вебер-амперной характеристикой. Для линейных катушек индуктивности зависимость представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (рис. 2.7).

На рис. 2.8 показано изображение индуктивности в схеме замещения.

Емкостью называется идеальный элемент схемы замещения, характеризующий способность участка электрической цепи накапливать электрическое поле. Полагают, что емкостью обладают только конденсаторы. Емкостью остальных элементов цепи пренебрегают.

Емкость конденсатора, измеряемая в фарадах (Ф), определяется по формуле где q – заряд на обкладках конденсатора, Uс – напряжение на конденсаторе.

На рис. 2.9 показано изображение емкости в схеме замещения.

Каждый реальный элемент электрической цепи – конденсатор, катушка индуктивности, резистор имеет кроме полезного качества паразитные параметры.

Например, конденсатор, помимо емкости С, имеет (рис. 2.10,а) резистивное сопротивление Rу (сопротивление утечки), индуктивность выводов Lв , так что эквивалентная схема реального конденсатора выглядит так, как показано на рис. Но сопротивление утечки конденсатора Rу велико, а индуктивность Lв мала, поэтому конденсатор в диапазоне частот, где эти паразитные параметры сказываются слабо, можно представить идеальным элементом – идеальным конденсатором, который характеризуется только емкостью С (рис. 2.10,б).

Реальный резистор имеет индуктивность выводов Lв, емкость относительно земли и относительно выводов СП и собственно сопротивление R. Эквивалентная схема реального резистора показана на рис 2.11,а. Однако, если частота переменного тока невелика или ток изменяется по любому закону достаточно медленно, то токи смещения в диэлектрике ничтожны по сравнению с током проводимости в сопротивлении. При этом ЭДС самоиндукции мала по сравнению с падением напряжения на сопротивлении. Поэтому величинами Lв и СП можно пренебречь, а реальный резистор считать идеальным резистором, который описывается единственным параметром – сопротивлением R (рис. 2.11,б).

Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности показана на рис. , где RП – сопротивление провода, СП – емкость между витками провода и относительно земли, L – индуктивность катушки. При небольшой частоте изменения тока в катушке падение напряжения на RП будет много меньше ЭДС самоиндукции, часть тока смещения, ответвляющаяся в СП будет меньше тока протекающего через L, т.е. паразитные параметры можно принять равными нулю. Реальная катушка индуктивности представляется в виде идеальной катушки, характеризующейся единственным параметром – индуктивностью L (рис.).

2.1.3. Активные элементы схемы замещения

Под источником в электротехнике понимают электротехническое устройство, производящее электрическую энергию и питающее электрическую цепь. Источники являются причиной появления токов и напряжений в цепи. Электрическая энергия постоянного тока может быть получена путем преобразования различных видов энергии: химической (гальванические элементы и аккумуляторы), механической (генераторы постоянного тока), тепловой (термоэлектрогенераторы), лучистой, например, световой (солнечные батареи).

Любой источник энергии можно представить в виде источника ЭДС или источника тока. Источник ЭДС – это источник, характеризующийся электродвижущей силой и внутренним сопротивлением. Идеальным называется источник ЭДС, внутреннее сопротивление которого равно нулю.

На рис. 2.13 изображен источник ЭДС, к зажимам которого подключено сопротивление R. Ri – внутреннее сопротивление источника ЭДС. Стрелка ЭДС направлена от точки низшего потенциала к точке высшего потенциала, стрелка напряжения на зажимах источника U12 направлена в противоположную сторону от точки с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом.

Ток

У идеального источника ЭДС внутреннее сопротивление Ri = 0, U12 = E. Напряжение на зажимах реального источника ЭДС уменьшается с увеличением тока. У идеального источника напряжение на зажимах не зависит от тока и равно электродвижущей силе.

Возможен другой путь идеализации источника: представление его в виде источника тока. Источником тока называется источник энергии, характеризующийся величиной тока и внутренней проводимостью.

Идеальным называется источник тока, внутренняя проводимость которого равна нулю.

, где – внутренняя проводимость источника тока, – ток источника тока.

У идеального источника тока gi = 0 и J = I.

Ток идеального источника не зависит от сопротивления внешней части цепи. Он остается постоянным независимо от сопротивления нагрузки. Условное изображение источника тока показано на
рис. 2.14.

Любой реальный источник ЭДС можно преобразовать в источник тока и наоборот. Источник энергии, внутреннее сопротивление которого мало по сравнению с сопротивлением нагрузки, приближается по своим свойствам к идеальному источнику ЭДС.

Если внутреннее сопротивление источника велико по сравнению с сопротивлением внешней цепи, он приближается по своим свойствам к идеальному источнику тока.

2.1.4. Основные определения, относящиеся к схемам

Различают разветвленные и неразветвленные схемы. На рис. 2.15 изображена неразветвленная схема. На рис. 2.16 показана разветвленная схема, содержащая два источника ЭДС и 5 сопротивлений. Сопротивления соединительных проводов принимают равными нулю.

Разветвленная схема – это сложная комбинация соединений пассивных и активных элементов. На рис. 2.6 показана разветвленная схема, содержащая два источника ЭДС и 5 сопротивлений. Сопротивления соединительных проводов принимают равными нулю.

Участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же ток, называется ветвью. Место соединения двух и более ветвей электрической цепи называется узлом. Узел, в котором сходятся две ветви, называется устранимым. Узел является неустранимым, если в нем соединены три и большее число ветвей. Узел в схеме обозначается точкой. Последовательным называют такое соединение участков цепи, при котором через все участки проходит одинаковый ток. При параллельном соединении все участки цепи присоединяются к одной паре узлов, находятся под одним и тем же напряжением. Любой замкнутый путь, включающий в себя несколько ветвей, называется контуром. Независимым называется контур, содержащий хотя бы одну ветвь, не включенную в иной контур.

2.1.5. Режимы работы электрических цепей

В зависимости от нагрузки различают следующие режимы работы: номинальный, режим холостого хода, короткого замыкания, согласованный режим.

При номинальном режиме электротехнические устройства работают в условиях, указанных в паспортных данных завода-изготовителя. В нормальных условиях величины тока, напряжения, мощности не превышают указанных значений.

Режим холостого хода возникает при обрыве цепи или отключении сопротивления нагрузки. Режим короткого замыкания получается при сопротивлении нагрузки, равном нулю. Ток короткого замыкания в несколько раз превышает номинальный ток. Режим короткого замыкания является аварийным.

Согласованный режим – это режим передачи от источника к сопротивлению нагрузки наибольшей мощности. Согласованный режим наступает тогда, когда сопротивление нагрузки становится равным внутреннему сопротивлению источника. При этом в нагрузке выделяется максимальная мощность.

2.1.6. Основные законы электрических цепей

На рис. 2.17 изображен участок цепи с сопротивлением R. Закон Ома в простейшем случае связывает величину тока через сопротивление с величиной этого сопротивления и приложенного к нему напряжения:

Обобщенный закон Ома для ветви, содержащей ЭДС (т.е. для активной ветви):

Пример: Записать закон Ома для активной цепи на рис. 2.18

Рис. 2.18

Основными законами электрических цепей, наряду с законом Ома, являются законы баланса токов в разветвлениях(первый закон Кирхгофа) и баланса напряжений на замкнутых участках цепи (второй закон Кирхгофа).

– Конец работы –

Эта тема принадлежит разделу:

Предмет Электротехника и промышленная электроника и его задачи. Обзор развития промышленной электроники

Введение... Предмет Электротехника и промышленная электроника и его задачи... Обзор развития промышленной электроники...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Задачи дисциплины

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Второй закон Кирхгофа

Порядок расчета
Выбираются независимые контуры, и задаются произвольные направления контурных токов. В нашем случае эти токи направлены по часовой стрелке. Направление обхода контура совпадает с направлением конту

Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Education Insider Sample
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
Реклама
Соответствующий теме материал
  • Похожее
  • Популярное
  • Облако тегов
  • Здесь
  • Временно
  • Пусто
Теги