Линейные цепи постоянного тока. Электродвижущая сила источника. Электромагнетизм
ВВЕДЕНИЕ
Электротехника – область науки и техники, которая занимается изучением электрических и магнитных явлений и их использованием в практических целях.
Электроника – наука об электронных процессах, а также область
техники, связанная с производством и применением электронных устройств.
Технический прогресс во всех областях науки и техники связан с развитием электроэнергетики. Электрификация технологических процессов позволяет создать условия для автоматизации производства, совершенствовать автоматизированные системы управления технологическими процессами. Поэтому изучение электротехнических дисциплин позволяет формировать необходимые знания и умения в области электротехники и электроники. Комплексная подготовка специалистов предполагает формировать умение выбирать и правильно эксплуатировать электротехнические, электронные, электроизмерительные устройства, составлять совместно с инженерами-электриками технические задания на разработку электрических частей автоматизированных установок для управления производственными процессами.
Глава 1. Линейные цепи постоянного тока
Основные понятия
Электрический заряд(q) – физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Единица заряда [q] – Кл (Кулон); 1Кл = 1А·1с.
Сила взаимодействия точечных неподвижных заряженных тел (закон Кулона) определяется по формуле:
, (1.1)
где 
– диэлектрическая проницаемость среды; 
– электрическая постоянная.
Электрическое поле – вид материи, посредством которой происходит взаимодействие электрических зарядов.
Электростатическое поле – поле неподвижных зарядов.
Напряженность электрического поля (Е) – величина, характеризующая свойство электрического поля в каждой его точке. Напряженность поля – векторная величина. Направление вектора напряженности совпадает с направлением силы поля, действующей на положительный заряд, находящийся в данной точке поля:
(1.2)
Единица напряженности электрического поля – [
].
При перемещении заряда силами электрического поля производится работа:
(1.3)
Единица измерения работы – джоуль (Дж).
Электрическое напряжение – величина, определяемая отношением работы, совершенной при перемещении заряда q между двумя точками поля к перемещенному заряду:
(1.4)
Единица измерения напряжения – вольт (В).
Потенциал(
) – напряжение между какой-либо точкой электрического поля и точкой на поверхности земли. Потенциал любой точки земли принимают равным нулю.
Единица измерения потенциала – вольт (В).
Если приложить электрическое напряжение к концам проводника, то на заряженные частицы будут действовать силы электрического поля, направленные вдоль проводника, и к скоростям их беспорядочного движения прибавится слагающая скорости, совпадающая с направлением сил поля. Через поперечное сечение проводника проходит определенное количество электричества, возникает электрический ток.
Сила тока (I) – мера интенсивности направленного движения заряженных частиц:
(1.5)
Единица измерения силы тока – ампер (А).
Постоянный ток – ток, который в течение некоторого времени остается неизменным по величине и по направлению.
Плотность тока позволяет охарактеризовать проводник с точки зрения способности выдерживать ту или иную нагрузку.
– плотность тока, 
(1.6)
Электрическая цепь
Основные элементы электрической цепи: · источник электрической энергии (генераторы, в которых механическая энергия… · приемник электрической энергии (электродвигатели, нагревательные приборы и т.д., в которых электрическая энергия…Электродвижущая сила источника
Электродвижущая сила источника (Е) поддерживает ток в замкнутой цепи. Она численно равна энергии, полученной единицей заряда при перемещении ее от одного зажима источника до другого его зажима под действием внешних сил:
(1.7)
Внешние силы разделяют заряды на положительные и отрицательные и сообщают им потенциальную энергию.
Движение зарядов сопровождается их взаимными столкновениями, что создает внутреннее сопротивление источника (r). За положительное направление э.д.с. принимают направление от отрицательного зажима источника к положительному. В схемах направление э.д.с. указывается стрелкой. Свойства источника электрической энергии определяет внешняя характеристика (ВАХ) – зависимость напряжения между его выводами от тока источника U=f(I).
Закон Ома
(1.8) Электрическое сопротивление (R) – это противодействие направленному движению… Единицей сопротивления является Ом.Работа и мощность тока
. (1.12) Электрическаямощность () – это скорость, с которой происходит преобразование… . (1.13)Законы Кирхгофа
Первый закон для токов: алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю
(1.7)
Второй закон для напряжений: алгебраическая сумма всех э.д.с. замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме всех падений напряжений на сопротивлениях того же контура цепи
(1.18)
где 
– число участков контура.
Электродвижущая сила имеет знак «+», если направление ее совпадает с произвольно выбранным направлением обхода контура, и со знаком «-», если не совпадает.
Падение напряжения IR, берется со знаком «+», если направление тока на данном участке совпадает с направлением обхода контура, и со знаком «-», если не совпадает.
ГЛАВА 2. Электромагнетизм
Магнитная индукция, магнитный поток
Магнитное поле графически изображается в виде линий магнитной индукции. Направление касательной в каждой точке линии должно совпадать с направлением… Магнитная индукция (В) характеризует интенсивность магнитного поля. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле (закон Ампера):Электромагнитная индукция. Электродвижущая сила, наведенная в проводе
– закон электромагнитной индукции. (2.7) Величина э.д.с. пропорциональна скорости изменения магнитного потока. Знак «-»… · если , то . Направление э.д.с. будет таким, чтобы ток в замкнутом контуре создал свой магнитный поток,…Индуктивность. Электродвижущая сила самоиндукции
или , – потокосцепление. Электродвижущая сила катушки пропорциональна скорости изменения… – индуктивность контура или катушки.ГЛАВА 3. Линейные цепи переменного тока
Период и частота переменного тока
Переменный ток – периодический ток, все значения которого повторяются через одинаковые промежутки времени, называемые периодом (Т), при этом в течении одного полупериода ток имеет одно направление, а в течение следующего – другое, противоположное направление.
Мгновенные значения – значения переменных в какой-нибудь момент времени и обозначаются: i, u, e.
Амплитудные значения (максимальные) – наибольшие значения величин, имеющие место в течение периода и обозначаются: Im, Um, Em.
Цикл переменного тока (напряжения) – совокупность изменений тока (напряжения), происходящих в течение периода.
Частота переменного тока – величина, обратная периоду, т.е. число периодов в секунду:
. (3.1)
Единица измерения частоты – герц (Гц).
Действующее значения тока и напряжения
Действующее значение переменного тока равно значению такого эквивалентного постоянного тока, который, проходя через то же сопротивление, что и переменный ток, выделяет в нем за период переменного тока то же количество тепла:
;
. (3.2)
Действующее значение синусоидального тока меньше максимального значения в 
раз.
Аналогично для синусоидального напряжения и э.д.с. 
.
Простейшие электрические цепи переменного тока
При синусоидальном напряжении ; на зажимах цепи ток в ней согласно закону Ома .ГЛАВА 4. Мощность в цепи переменного тока
4.1. Мощность в цепи с активным сопротивлением.
Мгновенное значение мощности
.
Мгновенная мощность – положительна, т.е. на протяжении периода при любом направлении тока электрическая энергия превращается в тепло.
;
– активная мощность. (4.1)
Активная мощность измеряется в ваттах (Вт).
4.2. Мощность в цепи с индуктивностью
Мгновенное значение мощности
.
Мощность в цепи с индуктивностью изменяется с двойной частотой. При возрастании тока в цепи мощность положительна. Катушка индуктивности потребляет энергию. Энергия накапливается в форме энергии магнитного поля. При убывании тока в цепи мощность отрицательна. Катушка индуктивности является источником электрической энергии. Она возвращает в сеть накопленную энергию магнитного поля.
.
– индуктивная (реактивная) мощность. (4.2)
Единица измерения реактивной мощности – вольт-ампер реактивный (Вар)
4.3. Мощность в цепи с емкостью
Мгновенное значение мощности
.
Мощность в цепи с емкостью изменяется с двойной частотой. При возрастании напряжения в цепи мощность положительна. Конденсатор заряжается. При уменьшении напряжения в сети конденсатор разряжается, мощность отрицательна. На протяжении периода конденсатор дважды заряжается и дважды разряжается, 
.
– емкостная (реактивная) мощность. (4.3)
4.4. Мощность в цепи, содержащей активное, индуктивное и емкостное сопротивления.
Мгновенное значение мощности при условии 
:
.
Активная мощность:
,
– активная мощность в цепи переменного тока, (4.4)
где 
– коэффициент мощности.
– реактивная мощность в цепи переменного тока. (4.5)
Полной мощностью цепи называется произведение действующих значений напряжения и тока:
или 
. (4.6)
Единица полной мощности – вольт-ампер (ВА).
Коэффициентом мощности называется отношение активной мощности к полной:
. (4.7)
Мероприятия по увеличению коэффициента мощности:
· электрические установки должны работать в номинальном режиме, т.к. при холостом ходе 
уменьшается от 0,1 до 0,3;
· подключить параллельно двигателям конденсаторы, тогда разность фаз между током и напряжением в линии уменьшится, а увеличится. Конденсаторы становятся источником реактивной энергии для приемника, и линия передачи разгружается от реактивного тока.
– формула расчета емкости конденсаторов. (4.8)
Глава 5. Трехфазные электрические цепи
Получение трехфазного тока
При равенстве амплитуд э.д.с. трехфазная система называется симметричной. Источником э.д.с. в трехфазной системе служит трехфазный синхронный генератор,…Соединение обмоток генератора звездой
Рис.5.2. Схема соединения обмоток генератора звездой Напряжение между началом и концом фазы (нулевая точка) называется фазным напряжением и обозначается UA, UB, UC или…Соединение обмоток генератора треугольником
Рис. 5.3. Схема соединения обмоток генератора треугольником При соединении треугольником линейные напряжения равны фазным напряжениям:Мощность трехфазной цепи
Активная мощность
. (5.4)
Реактивная мощность
. (5.5)
Полная мощность
. (5.6)
При неравномерной нагрузке фаз мощность трехфазной цепи определяется как сумма мощностей отдельных фаз.
Глава 6. Трансформаторы
Трансформатор – это статистический электромагнитный аппарат, преобразующий величины напряжений и токов при неизменной частоте.
Рис 6.1. Однофазный трансформатор
Классификация трансформаторов
По назначению:
· силовые (электроснабжение потребителей);
· измерительные (подключение измерительных приборов);
· специальные (питание потребителей специального назначения: электросварочные, автотрансформаторы).
По числу фаз:
· однофазные;
· трехфазные.
По числу обмоток:
· двухобмоточные;
· трехобмоточные.
По типу сердечника:
· стержневые;
· броневые.
По способу охлаждения:
· с воздушным охлаждением;
· с масляным охлаждением.
Устройство и принцип действия
Начала и концы обмоток трансформаторов обозначаются буквами латинского алфавита. Начала обмоток обозначают А, В, С и а, в, с, а концы – Х,Y, Z и х,… Трансформаторы с малой мощностью выполняют с воздушным охлаждением. Трансформаторы средней и большой мощности выполняют с масляным охлаждением, т.е. сердечник с обмотками помещают в…Режимы работы трансформатора
· Рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному значению или равно ему: , а ток определяется нагрузкой… · Режим холостого хода – режим ненагруженного трансформатора, при котором… · Режим короткого замыкания трансформатора, при котором его вторичная обмотка коротко замкнута () или подключена к…Внешние характеристики трансформатора
Процентное изменение напряжения трансформатора: . (6.2) · Внешняя характеристика трансформатора – зависимость изменения вторичного напряжения от тока нагрузки , где , при…Потери мощности в трансформаторе. КПД трансформатора
Мощность потерь в трансформаторе равна сумме мощностей потерь в магнитопроводе (потери в стали) и в проводах обмоток (потери в меди):
, (6.4)
где 
– коэффициент загрузки трансформатора; 
– мощность потерь в проводах обмоток при номинальных токах.
КПД трансформатора – отношение активной мощности на выходе трансформатора к активной мощности на входе
или с учетом потерь 
. (6.5)
Трехфазный трансформатор. Автотрансфоматор.
На щитке трансформатора за обозначением схемы соединений обмоток стоит цифра: Y/Y0-12, Y/-11, Y0/-11. Цифра условно обозначает так называемую группу… Трехфазные трансформаторы применяются на распределительных подстанциях. Автотрансформатором называется трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего…Измерительные трансформаторы тока и напряжения
Контакты первичной обмотки высшего напряжения (АХ) трансформатора напряжения включают в исследуемую цепь параллельно. Во вторичную цепь (ах) с меньшим числом витков включают вольтметры,…Глава 7. Электрические машины
Постоянного тока (ЭМПТ)
Машина, превращающая механическую энергию в электрическую, называется генератором. Генераторы применяются в установках для электролиза, для питания… Машина, превращающая электрическую энергию в механическую, называется… Двигатели создают механический вращающий момент на валу, который используется для привода различных механизмов и…Генератор постоянного тока
При вращении якоря в магнитном поле возбуждения изменяется магнитный поток, пронизывающий витки обмотки якоря, индуцируется э.д.с. , (7.1) где – конструктивная постоянная машины; – частота вращения вала якоря; Ф – магнитный поток, создаваемый обмоткой…Генератор с независимым возбуждением
Характеристика холостого хода - это зависимость э.д.с. генератора от тока возбуждения при постоянной частоте вращения якоря и отключенной… . Снимают при номинальной частоте вращения генератора, и отображает свойства магнитопровода.Генератор с параллельным возбуждением (шунтовой)
Ток в параллельной обмотке возбуждения при разгрузке генератора не остается неизменным, а растет с ростом напряжения, т.к. . Это вызывает рост… Характеристика холостого хода и регулировочная характеристика аналогичны… 7.1.3. Генератор с последовательным возбуждением (сериесный)Генератор со смешанным возбуждением (компаундный)
Магнитный поток возбуждения создается двумя обмотками: шунтовой и сериесной, которые включены согласно или встречно.
Внешняя характеристика: 
при 
.
Двигатели постоянного тока
При вращении якоря проводники обмотки пересекают магнитное поле полюсов, и по закону электромагнитной индукции в них наводится э.д.с. Согласно правилу правой руки, э.д.с. обмотки якоря двигателя направлена противоположно току, поэтому ее называют…Двигатель с параллельным возбуждением
– ток, поступающий в двигатель из сети. В момент пуска, когда якорь двигателя еще не вращается, его э.д.с. равна нулю.… .Двигатель с последовательным возбуждением
. Вращающий момент, где – коэффициент пропорциональности между током возбуждения… Скоростная и механическая характеристики двигателя:Двигатель со смешанным возбуждением
Магнитный поток равен . – ток, потребляемый двигателем из сети.Потери мощности и КПД машин постоянного тока
· Механические потери (потери от трения), получаются в подшипниках, при трении вращающихся частей о воздух и трения щеток о коллектор, ~. Потери… · Электрические потери возникают при прохождении тока по обмотке якоря и… .Асинхронные машины
Принцип работы асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля с токами в обмотке ротора. Он состоит из магнитной цепи, обмоток и механических частей. Неподвижная часть… Обмотка статора трехфазная соединенная звездой или треугольником. Основной элемент обмотки – секция, укладываемая в…Синхронные машины
, (8.3) где – число пар полюсов. Синхронные машины применяются как генераторы переменного трехфазного тока. Генераторы всех электростанций (тепловых,…Глава 9. Электрические измерения и приборы
Основные понятия
Измерение – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины (ФВ), обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.
Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и/или хранящее единицу ФВ, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Классификация средств измерений
· Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.
Многозначная мера – мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера (миллиметровая линейка, конденсатор переменной емкости, магазин сопротивлений).
· Измерительный преобразователь – СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины x (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигнал y=f(x). Преобразователи по месту, занимаемому в измерительной цепи, делятся на первичные, передающие и промежуточные (преобразователи переменного напряжения в постоянное, делители тока, усилители, компараторы, АЦП, ЦАП и др.)
· Измерительный прибор – СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы делятся на аналоговые (показывающие) и цифровые (регистрирующие).
· Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте (измерительная установка для измерения мощности в трехфазных цепях, для поверки нормальных элементов).
· Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ.
Классификация измерений
· Прямые измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (измерение амперметром тока);
· Косвенные измерения – измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (определение 
);
· Совокупные измерения – производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин;
· Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.
Методы измерений
· Метод непосредственной оценки – метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отчетному устройству измерительного прибора прямого действия, заранее градуированного в единицах измеряемой ФВ.
Данный метод прост, наиболее распространен, но точность его невысока.
· Метод сравнения с мерой – метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.