Конспект лекций электротехника
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНБАССКАЯ Н АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ Кафедра
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по дисциплине:
Электрические цепи однофазного переменного тока.
Электрические цепи однофазного переменного тока (продолжение).
Электрические цепи переменного трехфазного тока.
Электрические цепи переменного трехфазного тока (продолжение).
Электрические машины (продолжение)
Электроснабжение строительных площадок.
Электроизмерительные приборы и электрические измерения.
Трудно найти область современного производства, отрасль народного хозяйства где бы не использовалась электрическая энергия.
Электротехника является теоретической базой для автоматики, электропривода, электроники, технологического оборудования, сварки.
Огромное значение электрической энергии объясняется рядом её преимуществ перед другими видами энергии :
1).Сравнительно просто получается из других видов энергии; 2).Относительно просто передается на значительные расстояния с небольшими потерями;
3).В местах потребления сравнительно легко преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, лучистую ); 4).Легко распределяется между различными потребителями;
5).Процессы получения, передачи и потребления электроэнергии можно просто и эффективно автоматизировать.
При изучении электротехники мы будем пользоваться Международной системой единиц СИ. В этой системе основные электрические величины измеряются в следующих единицах измерения:
Очень часто в электротехнике применяют кратные и дольные значения основных величин.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ
Источники и приемники электрической энергии, являющиеся основными элементами электрической цепи, соединяют проводами для обеспечения замкнутого пути для электрического тока.
Для включения и отключения электротехнических устройств применяют коммутационную аппаратуру ( выключатели, рубильники, тумблеры ).
Кроме этих элементов в электрическую цепь могут включаться электрические приборы для измерения силы тока, напряжения и мощности.
Таким образом электрической цепью называют совокупность устройств, предназначенных для генерирования, передачи, преобразования и использования электрической энергии, процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, напряжении и э.д.с..
В источниках в электрическую энергию преобразуются иные виды энергии: механическая в машинных генераторах, химическая в гальванических элементах и аккумуляторах, тепловая в термоэлементах, лучистая в фотоэлементах и так далее.
В приемниках, наоборот, электрическая энергия преобразуется в иные виды энергии: в механическую
в электродвигателях, в химическую в аккумуляторах, в тепловую в различных нагревательных приборах и печах, в лучистою в осветительных приборах и так далее.
ИЗОБРАЖЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ СХЕМАМИ СОЕДИНЕНИЙ
При изучении процессов в электрических цепях их изображают графически при помощи схем соединения отдельных элементов.
Чаще всего пользуются тремя видами схем: монтажными, принципиальными, замещения.
На монтажных схемах изображают рисунок элементов цепи и соединительные провода. В большинстве случаев монтажными схемами пользуются при изготовлении монтаже и ремонте электрических цепей и устройств.
При расчете электрических цепей источники питания заменяют эквивалентными идеальными источниками, которые, в свою очередь подразделяют на идеальные источники э.д.с. и идеальные
Идеальным источником э.д.с. (напряжения) называется источник внутреннее сопротивление которого равно нулю, а э.д.с. постоянна и равна э.д.с. реального источника, причем эта э.д.с. не зависит от тока нагрузки, проходящего через источник Е = U = const. На электрических схемах источники э.д.с. изображают в виде кружка со стрелочкой внутри, стрелка указывает положительное направление э.д.с., то есть направление возрастания потенциала внутри источника.
Идеальным источником тока называется источник с внутренним сопротивлением, равным бесконечности, и током, не зависящим от сопротивления нагрузки цепи, то есть током, значение которого не зависит от значения напряжения и равно току короткого замыкания источника питания. На электрических схемах источники тока изображаются в виде кружочка со стрелочкой с двойным наконечником внутри. Стрелка указывает положительное направление тока.
Вольтметр и амперметр из схем замещения исключаются, если они принимаются “идеальными” (если нет дополнительных указаний, то сопротивление вольтметра считается бесконечно большим, а амперметра равным нулю).
При описании электрических цепей используют следующие понятия:
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ И ВЕЛИЧИНЫ ИХ ХАРАКТЕРИЗУЮЩИЕ.
Она численно равна отношению силы, действующей на заряженную частицу, к величине ее заряда, и направлена также, как и сила, действующая на положительно заряженную частицу.
Под действием сил стороннего поля положительные и отрицательные заряды внутри источника разделяются.
Физические процессы в электрической цепи описываются следующими величинами :
Электрический ток количественно описывается величиной, которая называется силой тока.
Значение электрического тока сквозь некоторую поверхность в данный момент времени равно пределу отношения электрического заряда q, переносимого заряженными частицами сквозь эту поверхность в
течение промежутка времени, к длительности этого промежутка, когда последний стремится к нулю, то есть
Под постоянным током понимают электрический ток не изменяющийся со временем. Переменным называют ток, изменение которого по величине и направлению повторяется периодически через равные промежутки времени.
В случае постоянного тока, когда в течение каждого одинакового промежутка времени переносится одинаковый заряд, сила тока определяется:
Сила тока измеряется в Амперах : [ I ] = А.
Если направление тока неизвестно, то для каждой ветви выбирают произвольно и указывают на схемах стрелкой так называемое положительное направление. Если в результате расчета для тока получается отрицательное значение, то это означает, что действительное направление тока обратно указанному стрелкой.
Ток возникает под влиянием электрического поля, которое, действуя на электроны, приводит их в движение. Электрическое поле обладает свойством распространяться вдоль провода с огромной скоростью, близкой к скорости света, то есть 300.000 км/с. Поэтому такое же большое значение имеет скорость распространения тока в проводе. Когда на одном конце провода под действием электрического поля возникнет ток, то почти мгновенно на другом конце провода также пойдет ток. Но электроны, которые пришли в движение у начала провода, очень не скоро достигнут его конца. Скорость перемещения электронов в проводнике весьма мала и измеряется лишь долями миллиметра в секунду.
Ток в проводнике напоминает движение воды в длинной трубе, наполненной водой, к одному концу которой присоединен насос. Если накачивать насосом воду в трубу, то давление весьма быстро передается вдоль трубы от одних частиц воды к другим и из открытого конца трубы потечет вода. Однако вода, добавленная насосом, двигается гораздо медленнее, чем передается давление, и дойдет до конца трубы через значительный промежуток времени.
2.Электродвижущая сила. Характеризует способность стороннего поля вызывать электрический ток. Численно равна работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного положительного заряда во всей замкнутой цепи. Измеряется она в Вольтах : [ ] = В.
4.Электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление проводника объясняется соударениями электронов проводимости с атомами проводника. При этих соударениях часть энергии электронов переходит к атомам проводника. Вследствие этого интенсивность колебаний атомов возрастает. Повышение температуры проводника указывает на усиление колебаний атомов.
Электрическим сопротивлением называется величина, характеризующая противодействие атомов проводника движению электронов, то есть электрическому току. Сопротивление внешнего участка цепи равно отношению постоянного напряжения на участке к току в нем:
Сопротивление измеряется в [R] = Ом.
Величину обратную сопротивлению называют проводимостью:
G = 1/R ( [G] = 1/ Ом = См ).
ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участках цепи. Закон Ома для участка цепи не содержащий э.д.с. формулируется так :
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению провода :
Напряжение на пассивном участке цепи U и равное ему произведение IR часто называют еще падением напряжения.
Рассмотрим простейшую электрическую цепь, содержащую источник э.д.с.
Напряжение между выводами нагруженного источника меньше э.д.с. Разность между э.д.с. и напряжением U представляет собой энергию, которая преобразуется в тепло при перемещении единичного заряда в источнике питания и называется внутренним падением напряжения U 0 ; следовательно
Отсюда получаем закон Ома для всей электрической цепи :
Закон Джоуля-Ленца. При прохождении тока в проводнике с сопротивлением R происходит столкновение электрически заряженных частиц с ионами вещества. При этом кинетическая энергия движущихся частиц передается ионам, что и приводит к нагреванию. Скорость преобразования электрической энергии в тепловую характеризуется мощностью :
и при этом выделяется количество теплоты :
Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрической цепи. Он формулируется следующим образом :
Во всяком замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма э.д.с. равна алгебраической сумме падений напряжений в отдельных сопротивлениях этого контура :
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Электрическая цепь в зависимости от значения сопротивления нагрузки R может работать в различных характерных режимах : номинальном, согласованном, холостого хода и короткого замыкания. Рассмотрим эти режимы работы для цепи рассмотренной выше.
Режим холостого хода и короткого замыкания. Эти режимы являются предельными режимами работы электрической цепи.
В режиме холостого хода внешняя цепь разомкнута и ток равен нулю. Так как ток равен нулю. то падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника так же равно нулю (rI=0) и напряжение на выводах источника равно э.д.с. ( = U). Из этих соотношений вытекает метод измерения э.д.с. источника: при разомкнутой внешней цепи вольтметром, сопротивление которого можно считать бесконечно большим, измеряют напряжение на его выводах.
В режиме короткого замыкания выводы источника соединены между собой, например сопротивление нагрузки замкнуто проводником с нулевым сопротивлением. Напряжение на приемнике при этом равно нулю. Сопротивление всей цепи равно внутреннему сопротивлению источника, и ток короткого замыкания в цепи равен :
Курс лекций по электротехнике и электронной технике для технологов
министерство образования и науки Амурской области
государственное профессионально образовательное автономное учреждение Амурской области
«Амурский колледж сервиса и торговли»
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕХНИКА
Курс лекций для специальностей
19.02.03 Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий.
19.02.07 Технология молока и молочных продуктов.
19.02.08 Технология мяса и мясных продуктов.
1. Электротехника – это наука, которая занимается анализом и практическим использованием для нужд промышленного производства и быта всех физических явление, связанных с электрическим и магнитным полями.
Область практического применения электротехники имеет четыре связанные друг с другом направления:
Получение электрической энергии;
Передача энергии на расстояние;
Преобразование электромагнитной энергии;
Научно-технический прогресс происходит при все более широком использовании электрической энергии во всех отраслях промышленности.
История развития электротехники как науки связанна с важнейшими исследованиями и открытиями. Это исследование атмосферного электричества, появление источников непрерывного электрического тока – гальванических элементов (1799 г.), открытие электрической дуги (1802 г.), и возможность ее использования для плавки металлов и освещения, открытие закона о направлении индуцированного тока (1832 г.) и принципа обратимости электрических машин, открытие закона теплового действия тока – закона Джоуля – Ленца (1844 г.), в 1876 г. положено начало практическому применению электрического освещения с изобретением электрической свечи, в 1889 – 1891 гг. созданы трехфазный трансформатор и асинхронный двигатель.
Можно выделить четыре основных поколения развития электроники:
1950-начало 60-х годов;
1980 – по настоящее время.
Основной задачей курса является получение основных сведений и формирования знаний, умений, навыков по электротехники и электронной техники.
В состав курса входит следующие разделы:
Начальные сведения об электрическом поле;
Основные параметры электрических цепей постоянного тока;
Элементы и основные параметры цепей переменного тока;
На дисциплину отводиться 60 часов из них 20 часов практических занятий, 40 часов теории. Закончится дисциплина дифференцированным зачетом в виде тестового задания и задачи.
Тема 1. эЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.
1.1 Понятие электрического заряда и электрического поля.
Электрический заряд и его свойства.
Основные характеристики электрического поля.
1. Электрический заряд и его свойства.
Все тела построены из мельчайших, не делимых на более простые частицы, которые называются элементарными.
Бывают частицы без электрического заряда, но не существует электрического заряда без частиц.
Взаимодействие между заряженными частицами называются электромагнитные.
Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитных взаимодействий.
Электрический заряд – это внутреннее свойство тел или характеризующее их способность к электромагнитным взаимодействием.
Единицы измерения СИ:
1 Кулон электрического заряда проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 Ампер за 1 секунду.
Элементарный min электрический заряд:
Свойства электрического заряда:
Электрический заряд существует двух видов:
Положительный и отрицательный (одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются).
Электрический заряд инвариантен – его величина не зависит от системы отсчета, т.е. от того движется они или покоится;
Электрический заряд дискретен – заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда;
Электрический заряд аддитивен – заряд любой системы тел равен сумме зарядов тел входящих в систему.
Закон сохранения электрического заряда – это алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы остается не изменой, какие бы процессы не происходили внутри этой системы.
Под замкнутой системой понимают систему, которая не обменивается зарядами с внешними телами.
После открытия взаимосвязи между изменяющимися электрическим и магнитным полями стало ясно, что эти поля не существуют обособленно, независимо одно от другого.
Электрические и магнитные поля – это проявление единого целого – электромагнитного поля.
Электромагнитное поле – это особая форма материи, осуществляющая взаимодействия между заряженными частицами.
Оно существует реально, т.е. независимо от нас, и от наших знаний о нем.
Основные характеристики электрического поля
Электрическое поле характеризуется взаимодействием на электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и не зависящей от ее скорости.
Тело может получить эл. заряд в результате какого-либо процесса, который приведет к неравенству в объеме тела или части его положительного или отрицательного зарядов.
В обоих случаях заряженные частицы не пропадают, а передаются от одного тела другому или перемещаются в данном теле, т. е. проходит пространственное разделение положительно или отрицательно заряженных частиц.
Силовой характеристикой электрического поля является его напряженность.
Напряженность электрического поля – это векторная величина, численно равная отношению силы, действующей на положительно заряженную частицу, к ее заряду:
Электрическим потенциалом называется работа, которую затрачивает электрическое поле, когда оно перемещает положительную единицу заряда из одной точки поля в бесконечно удаленную точку.
Чтобы переместить заряд из бесконечно удаленной точки снова в исходную, внешние силы должны произвести работу А, идущую на преодоление электрических сил поля.
Если в точку поля с электрическим потенциалом из бесконечно удаленной точки перемещается электрический заряд, то совершается работа.
Чтобы переместить электрический заряд из одной точки с электрическим потенциалом в другую точку с электрическим потенциалом, поле должно совершать работу:
Разность потенциалов двух точек поля называется напряжением.
Единицы измерения СИ:
Работу сил электрического поля можно записать так:
Такова простейшая зависимость между напряженностью электрического поля и электрическим напряжением для однородного поля.
1.2 Различные материалы в электрическом поле.
1. Проводники в электрическом поле.
2. Диэлектрики в электрическом поле.
1. Проводники в электрическом поле.
Проводник представляет собой тело, которое содержит большое число свободных электронов, заряды которых компенсируются положительными зарядами ядер атомов.
Если металлический проводник поместить в электрическое поле, то под влиянием сил поля свободные электроны проводника придут в движение в сторону, противоположную направлению сил поля. В результате этого на одной стороне проводника возникает избыточный отрицательный заряд, а на другой стороне проводника – избыточный положительный заряд.
Разделение зарядов в проводнике под влиянием внешнего электрического поля называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией , а заряды на проводнике – индуцированными зарядами.
Индуцированные заряды проводника создают добавочное электрическое поле, направление которого противоположно внешнему полю.
Проводник в электрическом поле
Диэлектрики в электрическом поле.
Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количеством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.
Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же, как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления эл. поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды. Это влияние называется поляризацией диэлектрика.
Различают диэлектрики двух классов:
У диэлектриков первого класса молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируются. Под влиянием эл. Поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. Диполем называют два эл. заряда, равных по величине и обратных по знаку, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга.
При некоторой определенной величине напряженности эл. поля смещение зарядов достигает предельной величины, после чего происходит разрушение – пробой диэлектрика, в результате которого диэлектрик теряет свои изолирующее свойства и становится токопроводящим.
Отношение запасом прочности.
Электрические заряды молекул диэлектрика:
Закон Кулона и его применение для расчета.
Точечный электрический заряд – это заряженное тело формой и размерами которого можно пренебречь.
— сила взаимодействия, Н
— величина заряда, Кл
— относительная диэлектрическая проницаемость
— абсолютная диэлектрическая проницаемость const 8,85*10 -12 ф/м
— расстояние между частицами, м
Некоторые значения относительной диэлектрической проницаемости для некоторых материалов, применяемых в электротехники:
Бумага, пропитанная парафином 3,2;
Бумага, пропитанная маслом 3;
Вода дистилированная 81;
Трансформаторное масло 2,2;
Тема 2. эЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЕ ЦЕПИ.
2.1 Конденсаторы, электрическая емкость.
Понятия конденсатор и электрическая емкость.
Энергия заряженного конденсатора.
Понятия конденсатор и электрической емкость.
Конденсатор – это компонент, состоящий не менее чем из двух обкладок, разделенных диэлектриком, и служащей для накопления электрических зарядов.
На принципиальных схемах конденсаторы обозначают двумя параллельными линиями длиной 8 мм и расстоянием в 1,5 мм.
Нерегулируемые (постоянной емкости);
Регулируемые (переменной емкости);
Номинальное рабочее напряжение – наибольшее напряжение между обкладками конденсатора, при котором он надежно и длительно работает, сохраняя свои параметры.
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – показывает относительное изменение номинальной емкости конденсатора при изменении температуры на 1ºС.
Электроемкостью конденсатора С называется физическая величина, равная отношению модуля заряда q одной из его обкладок к разности потенциалов (напряжению) U между обкладками:
Единицы измерения СИ:
1 фарад – электроемкость проводника, у которого изменение заряда на 1 Кл вызывает изменение потенциала на 1В.
2. Энергия заряженного конденсатора.
2.2 Соединение конденсаторов.
Способы соединения конденсаторов.
Способы соединения конденсаторов.
Электрический конденсатор — это система из двух проводников (обкладок, пластин), разделенных диэлектриком.
Конденсаторы обладают свойством накапливать на своих обкладках электрические заряды, равные по величине и противоположные по знаку.
Электрический заряд q каждой из обкладок пропорционален напряжению U между ними:
Величину С, равную отношению заряда одной из обкладок конденсатора к напряжению между ними, называют электрической емкостью конденсатора и выражают в фарадах (Ф).
Емкость конденсатора зависит от геометрических размеров, формы, взаимного расположения и расстояния между обкладками, а также от свойств диэлектрика.
Конденсаторы могут быть соединены последовательно, параллельно и смешанно (последовательно-параллельно).
При таком на обкладках всех конденсаторов будут одинаковые по величине заряды:
Напряжения на конденсаторах будут различны, так как они зависят от их емкостей:
Общая, или эквивалентная, емкость:
При параллельном соединении н апряжение на всех конденсаторах одинаковое.
Заряды на обкладках отдельных конденсаторов при различной их емкости:
Заряд, полученный всеми параллельно соединенными конденсаторами:
Общая (эквивалентная) емкость:
Дана схема смешенного соединения конденсаторов.
Определить эквивалентную емкость батареи конденсаторов, соединенных по схеме, при соответствующих положениях ключей.
Рассчитать заряды на каждом конденсаторе:
Рассчитать общий заряд схемы:
Тема 3. эЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
3.1 Понятия, определения и схемы электрических цепей.
Основные понятия и определения.
Схемы электрических цепей и их элементы.
Основные законы для расчета электрических цепей.
Основные понятия и определения.
Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц (электронов или ионов).
Электрический ток I измеряется в амперах (А) – это количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени t ( c ).
Напряжение U измеряется в вольтах (В) – это напряжение на некотором участке электрической цепи, равное разности потенциалов на концах этого участка.
Постоянный ток – это ток, неизменный по величине и направлению.
Ветвью называется участок цепи между двумя соседними узлами, содержащий последовательное соединение элементов.
Точка, где соединяются три и более ветвей называются узлом.
Любой замкнутый путь, проходящий по ветвям данной цепи, называется контуром.
Мощность, отдаваемая источником электрической энергии во внешнюю цепь, называется полезной мощностью.
Мощность, получаемая из вне, называется потребляемой мощностью.
Электрическая энергия W – ватт-час (Вт-час).
Кроме основных единиц используют более мелкие и более крупные единицы измерения: миллиампер (1 мA = 10 –3 А), килоампер (1 кA = 10 3 А), милливольт (1 мВ = 10 –3 В), киловольт (1 кВ = 10 3 В), килоом (1 кОм = 10 3 Ом), мегаом (1 МОм = 10 6 Ом), киловатт (1 кВт = 10 3 Вт), киловатт-час (1 кВт-час = 10 3 ватт-час).
Схемы электрических цепей и их элементы.
В электротехнике рассматривается устройство и принцип действия основных электротехнических устройств, используемых в быту и промышленности. Чтобы электротехническое устройство работало, должна быть создана электрическая цепь, задача которой передать электрическую энергию этому устройству и обеспечить ему требуемый режим работы. Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении. Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения. Электрическая схема простейшей электрической цепи, представлена на рис. 1.1.
Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:
3. Основные законы для расчета электрических цепей.
Законы Ома: Закон Ома для участка цепи: Сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Соотношение между током I, напряжением UR и сопротивлением R участка аb электрической цепи (рис. 1.3) выражается законом Ома.
или UR=RI.(1.1) 
В этом случае UR=RI – называют напряжением или падением
напряжения на резисторе R, а – током в резисторе R.
При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением R, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью: 
.
В этом случае закон Ома для участка цепи запишется в виде: I=Ug.
Закон Ома для всей цепи: ток в электрической цепи равен электродвижущей силе, деленной на сопротивление всей цепи (сумму внутреннего и внешнего сопротивлений). Этот закон определяет зависимость между ЭДС E источника питания с внутренним сопротивлением r 0 (рис. 1.3), током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением R Э =r 0 +R всей цепи: 
.(1.2)
Сложная электрическая цепь содержит, как правило, несколько ветвей, в которые могут быть включены свои источники питания и режим ее работы не может быть описан только законом Ома. Но это можно выполнить на основании первого и второго законов Кирхгофа, являющихся следствием закона сохранения энергии.
Первый закон Кирхгофа:
В любом узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю
, (1.3) где m – число ветвей подключенных к узлу.
Второй закон Кирхгофа: В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех его участках
, (1.4)
Если в электрической цепи включены источники напряжений, то второй закон Кирхгофа формулируется в следующем виде: алгебраическая сумма напряжений на всех элементах контру, включая источники ЭДС равна нулю:
. (1.5)
При записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо:
1) задать условные положительные направления ЭДС, токов и напряжений;
2) выбрать направление обхода контура, для которого записывается уравнение;
3) записать уравнение, пользуясь одной из формулировок второго закона Кирхгофа, причем слагаемые, входящие в уравнение, берут со знаком «плюс», если их условные положительные направления совпадают с обходом контура, и со знаком «минус», если они противоположны.
Скорость преобразования электрической энергии в другие виды представляет электрическую мощность 
. (1.7)
Из закона сохранения энергии следует, что мощность источников питания в любой момент времени равна сумме мощностей, расходуемой на всех участках цепи. 
. (1.8)
Это соотношение (1.8) называют уравнением баланса мощностей. При составлении уравнения баланса мощностей следует учесть, что если действительные направления ЭДС и тока источника совпадают, то источник ЭДС работает в режиме источника питания, и произведение EI подставляют в (1.8) со знаком плюс. Если не совпадают, то источник ЭДС работает в режиме потребителя электрической энергии, и произведение EI подставляют в (1.8) со знаком минус. Для цепи, показанной на рис. 1.4 уравнение баланса мощностей запишется в виде:
3.2 Режимы электрических цепей.
Режимы работы электрических цепей.
2. Энергия и мощность электрического тока.
Режимы работы электрических цепей
2. Энергия и мощность электрического тока. 
Баланс мощности – это выражение закона сохранения энергии, в электрической цепи .
Определение баланса мощностей звучит так: сумма мощностей, потребляемых приемниками, равна сумме мощностей, отдаваемых источниками . То есть если источник ЭДС в цепи отдает 100 Вт, то приемники в этой цепи потребляют ровно такую же мощность.
или 
3.3 Резисторы, электрическое сопротивление.
Устройства, включаемые в электрическую цепь, обладающие сопротивлением, называют резисторами. Регулируемые резисторы называются реостатами.
Резистор – это компонент, предназначенный для создания сопротивления проходящему через него току.
На принципиальных схемах резисторы обозначают прямоугольниками длиной 10 и шириной 4 мм.
Нерегулируемые (постоянного сопротивления);
Регулируемые (переменное сопротивление).
Номинальное сопротивление – указывается на корпусе резистора.
Номинальная мощность рассеяния – является наибольшая (предельная) мощность, выделяющаяся на резисторе, при которой он может длительное время надежно работать при температуре окружающей среды 20º С. Мощность, рассеиваемая на резисторе, может быть подсчитана по формуле:
Следует иметь в виду, что при выборе резистора его номинальная мощность должна быть выше мощности рассеяния, определенной по приведенной формуле, на 20-40%.
Электрическое сопротивление: По закону Ома для участка цепи сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку и обратно пропорциональна сопротивлению на этом участке:
Единицы измерения СИ:
1 Ом – сопротивление такого участка, в котором устанавливается ток в 1 А при напряжении в 1 В.
1 кОм (1 килоом) = 10 3 Ом
1 МОм (1 мегоом) = 10 6 Ом
3.4 Соединение резисторов и алгоритм расчета.
Способы соединения резисторов.
Алгоритм расчета электрических цепей.
Способы соединения резисторов.
Отдельные проводники электрической цепи могут быть соединены между собой последовательно, параллельно и смешанно (последовательно-параллельно).
Проводники соединены таким образом, что по ним проходит один и тот же ток.
Два или более число проводников присоединены к двум узловым
2.Алгоритм расчета электрических цепей.
Решение этой задачи требует знания закона Ома для всей цепи и ее участков, первого закона Кирхгофа и методики определения эквивалентного сопротивления цепи при смешанном соединении резисторов. Дана цепь постоянного тока, которая содержит несколько резисторов, соединенных смешанно.
Определить: 1) эквивалентное сопротивление цепи; 2) токи и напряжения на резисторах; 3) Напряжение, приложенное к цепи; 4) мощность, потребляемую всей цепью; 5) расход элект рической энергии цепью за 8 ч работы.
Резисторы R 2,3,5 и R 4 соединены параллельно, их общее сопротивление:
Находим эквивалентное сопротивление всей цепи:
11. Расход электроэнергии за 8 часов работы: A = Р * t =1000*8= 8000Вт*час=8кВт*час
Тема 4. эЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
4.1 Понятия, определения и потребители энергии в цепях переменного тока.
Основные понятия и определения переменного тока
Потребители электрической энергии в цепях переменного тока
Основные понятия и определения переменного тока.
Частота переменного тока – это число колебаний переменного тока в 1 с.
Период переменного тока – это время, в течение которого переменный периодический ток совершает полный цикл своих изменений.
Мгновенное значение переменного тока – это значение переменного тока в любой конкретный момент времени
Амплитудное значение переменного тока – это наибольшее из всех мгновенных значений переменного тока
Действующее значение переменного тока – это значение постоянного тока, при котором за период переменного тока в проводнике выделяется столько же теплоты, сколько и при переменном токе.
Среднее значение переменного тока – это значение такого постоянного тока, который переносит такой же заряд электричества за тот же промежуток времени, что и переменный ток
Угловая частота определяется изменением величины угла поворота рамки в магнитном поле в течение одной секунды
Начальная фаза переменного тока определяет значение переменного тока в начальный момент времени
Сдвиг фаз определяется разностью начальных фаз ( как правило, тока и напряжения ).
Потребители электрической энергии в цепях переменного тока.
В качестве потребителей электрической энергии в цепях переменного тока используются самые различные технические устройства, число их велико, но в схемах, отражающих явления, происходящие в цепях, мы будем использовать три типа идеальных элементов.
а) резисторный элемент 
Этот элемент обладает только активным сопротивлением и отражает необратимый процесс поглощения энергии (преобразование энергии в тепловую).
б) индуктивный элемент 
Это идеальная катушка, активное сопротивление провода которой принимается равным нулю. Этот элемент отражает свойство катушки создавать магнитное поле.
в) емкостной элемент 
Это идеальный конденсатор, не имеющий токов утечки. Этот элемент отражает свойство накопления зарядов или создания электрического поля.
— идеальный источник ЭДС, условно положительное направление ЭДС принято от отрицательного полюса к положительному (и совпадает с положительным направлением тока)
4.2 Последовательная цепь синусоидального тока.
1.Алгоритм расчета последовательной цепи синусоидального(переменного) тока.
2. Пример расчета последовательной цепи переменного тока.
1.Алгоритм расчета последовательной цепи синусоидального (переменного) тока.
Рассмотрим цепь с последовательным соединением и (рис.1).
Определяем полное сопротивление ветвей:
2.Определяем ток в цепи:
3.Напряжение, приложенное к цепи:
4.Углы сдвига фаз в ветвях:
5.Мощности в ветвях и во всей цепи:
Активная мощность (Вт):
Реактивная мощность (вар):
Полная мощность (ВА):
6 .Определяем падения напряжения:
2. Пример расчета последовательной цепи переменного тока.
Активное сопротивление 6 Ом и 2 Ом, индуктивное Х L =10 Ом. Последовательно с катушкой включено емкостное сопротивление Хс = 4 Ом (рис.1). К цепи приложено напряжение U =50 В.
Определить: 1) полное сопротивление цепи; 2) ток в цепи; 3) напряжение цепи; 4) активную, реактивную и полную мощности; 5) угол сдвига фаз; 6) падение напряжений.
1.Определяем полное сопротивление цепи:
3. Определяем угол сдвига фаз:
4. Определяем активную мощность цепи:
5. Определяем реактивную мощность цепи:
6. Определяем полную мощность цепи:
7.Определяем падения напряжения на сопротивлениях цепи:
4.4 Параллельные цепи синусоидального тока.
1. Алгоритм расчета параллельной цепи синусоидального тока.
2. Пример расчета параллельной цепи переменного тока.
1. Алгоритм расчета параллельной цепи синусоидального тока.
Рассмотрим схему цепи, состоящей из двух параллельно соединенных ветвей (рис.4).
Определяем полное сопротивление ветвей:
2.Напряжение, приложенное к цепи:
4.Углы сдвига фаз в ветвях:
5.Определяем активные и реактивные составляющие токов в ветвях:
6.Ток в неразветвленной части цепи:
7.Мощности в ветвях и во всей цепи:
Активная мощность (Вт):
Реактивная мощность (вар):
Полная мощность (ВА):
8.Коэффициент мощности всей цепи:
2. Пример расчета параллельной цепи переменного тока.
Катушка с активным сопротивлением R 1 =6Ом. и индуктивным x Ll =8Ом. Соединена параллельно с конденсатором, емкостное сопротивление которого ( рис.1 ). К цепи приложено напряжение U = 100 В.
Определить: 1) токи в ветвях и неразветвленной части цепи; 2) активные и реактивные мощности ветвей и полную мощность всей цепи; 3) углы сдвига фаз; 4) коэффициент мощности.
1. Определяем полное сопротивление ветвей:
Определим ток в ветвях:
Углы сдвига фаз в ветвях находим по синусам углов во избежание потери знака угла:
Определяем активные и реактивные составляющие токов в ветвях:
Определяем ток в неразветвленной части цепи:
Определяем мощности в ветвях и всей цепи:
Внимание! Реактивная мощность ветви с емкостью отрицательная, так как
Ток в неразветвленной части цепи можно определить значительно проще, без разложения токов на составляющие, зная полную мощность и напряжение:
Определяем коэффициент мощности всей цепи:
Тема 5. ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ.
5.1 Трехфазная цепь, соединенная звездой.
Структура трехфазной цепи.
Трехфазная цепь, соединенная звездой.
Мощность трехфазной цепи.
Алгоритм расчета трехфазной цепи, при соединении звездой.
Структура трехфазной цепи.
Трехфазными генераторами называются генераторы переменного тока, одновременно вырабатывающие несколько ЭДС одинаковой частоты, но с различными начальными фазами. Совокупность таких ЭДС называется трехфазной системой ЭДС.
Многофазными цепями называются цепи переменного тока, в которых действуют многофазные системы ЭДС. Любая из цепей многофазной системы, где действует одна ЭДС, называется фазой.
Наибольшее распространение получили трехфазные системы. История их возникновения и развития связана с изобретением М.О. Доливо-Добровольским трехфазного асинхронного двигателя и трехфазного трансформатора.
Трехфазные системы имеют ряд преимуществ перед другими системами (однофазными и многофазными):
— они позволяют легко получить вращающееся магнитное поле (на этом основан принцип работы разных двигателей переменного тока).
— трехфазные системы наиболее экономичны, имеют высокий КПД.
— конструкция трехфазных двигателей, генераторов и трансформаторов наиболее проста, что обеспечивает их высокую надежность.
— один трехфазный генератор позволяет получать два различных (по величине) напряжения.
Современные электрические системы, состоящие из генераторов, электростанций, трансформаторов, линий передачи электроэнергии и распределительных сетей, представляют собой в подавляющем числе случаев трехфазные системы переменного тока.
Трехфазная система электрических цепей представляет собой совокупность электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые друг относительно друга по фазе и создаваемые общим источником энергии. Каждая из цепей, входящих в трехфазную цепь, принято называть фазой. В данном случае не следует путать понятие фазы в многофазной системе с понятием начальной фазы синусоидальной величины.
В зависимости от числа фаз цепи бывают однофазные, двухфазные, трехфазные, шестифазные и т.д. Трехфазные цепи более экономичны чем однофазные.
Трехфазная цепь включает в себя источник (генератор) трехфазной ЭДС, проводники, потребители (приемники) трехфазной электрической энергии.
Трехфазная цепь, соединенная звездой.
Зависимость между линейным и фазным напряжениями: 
Мощность трехфазной цепи.
Алгоритм расчета трехфазной цепи, при соединении звездой.
Определить фазные напряжения:
В четырехпроводной цепи при любой нагрузке фаз выполняется соотношение:
Определить сопротивление индуктивного элемента L A :
Определить сопротивление емкостного элемента С В :
Определить полное сопротивление в фазе В:
Найти фазные токи, применяя закон Ома для участка цепи:
Определить активную мощность фаз:
Определить реактивную мощность фаз:
Полная мощность трехфазной цепи равна:
5.3 Трехфазная цепь, соединенная треугольником.
Трехфазная цепь, соединенная треугольником.
Алгоритм расчета трехфазной цепи, при соединении треугольником.
Трехфазная цепь, соединенная треугольником.
Кроме соединения звездой, генераторы, трансформаторы, двигатели и другие потребители трехфазного тока могут включаться треугольником. Соединение обмоток генератора или фаз приемника, при котором начало одной фазы соединяется с концом другой, образуя замкнутый контур, называется соединением треугольником (). Таким образом, нагрузка включается между линейными проводами.
Соединение треугольником выполняется таким образом, чтобы конец фазы А был соединен с началом фазы В, конец фазы В соединен с началом фазы С и конец фазы С соединен с началом фазы А. К местам соединения фаз присоединяют линейные провода.
Подобным образом соединяют треугольником и фазы приемника, сопротивления которых обозначены двумя индексами, соответствующими началу и концу фазы.
У потребителя, соединенного треугольником, линейное напряжение подключается к зажимам фазного сопротивления. Следовательно, линейное напряжение равно фазному напряжению:
При симметричной нагрузке величины линейных и фазных токов связаны соотношением: =>
Алгоритм расчета трехфазной цепи, при соединении треугольником.
При соединении потребителей треугольником выполняется
2. Определить сопротивление емкостного элемента в фазе АВ:
3. Определить сопротивление индуктивного элемента в фазе ВС:
4. Определить полное сопротивление фазы ВС:
5. Определить фазные токи:
6. Определить активную мощность фаз:
7. Определить реактивную мощность фаз:
8. Определить полную мощность трехфазной цепи:
Тема 6. ТРАНСФОРМАТОРЫ.
6.1 Устройство и принцип работы трансформатора.
Устройство и принцип работы трансформатора.
Режимы работы трансформаторов.
Устройство и принцип работы трансформатора.
Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения.
Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.
Это означает, что повышая с помощью трансформатора напряжение в несколько раз, мы во столько же раз уменьшаем силу тока, и наоборот.
Трансформатор состоит из двух основных частей: магнитопровода (сердечника, магнитной системы) и обмоток.
Конструкции магнитных систем трансформаторов можно разделить на два вида: СТЕРЖНЕВЫЕ и БРОНЕВЫЕ.
Типы магнитных систем:
по расположению стержней и ярм могут иметь ПЛОСКОЕ и ПРОСТРАНСТВЕННОЕ выполнение;
по способу соединения стержней с ярмами делятся на СТЫКОВЫЕ, ШИХТОВАННЫЕ и НАВИТЫЕ.
Определяющими для конструкции обмотки являются: число витков, сечение витка и класс напряжения.
по способу размещения обмоток на стержне различают КОНЦЕНТРИЧЕСКИЕ и ДИСКОВЫЕ или ЧЕРЕДУЮЩИЕ;
по конструктивно-технологическим признакам обмотки делятся на следующие основные типы: ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ, ВИНТОВЫЕ и НЕПРЕРЫВНЫЕ.
основным элементом обмотки является ВИТОК, который выполняется одним или группой параллельных проводов;
ряд витков на цилиндрической поверхности называется СЛОЕМ;
витки могут группироваться в катушки;
по направлению обмотки делятся на ПРАВЫЕ и ЛЕВЫЕ подобно резьбе винта;
большинство обмоток для удобства изготавливают с левой намоткой.
КПД трансформатора определяется отношением мощности на выходе к мощности на входе и в зависимости от нагрузки.
ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПЕРЕГРЕВА ТРАНСФОРМАТОРА ПРИМЕНЯТ МАСЛЯНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ И УВЕЛИЧИВАЮТ ВОЗДУШНЫЙ ЗАЗАР МЕЖДУ ПЕРВИЧНОЙ И ВТОРИЧНОЙ ОБМОТКОЙ.
Отношение ЭДС обмоток трансформатора, равное отношению числа витков, называется КОЭФФИЦИЕНТОМ ТРАНСФОРМАЦИИ (К): К=Е1/Е2; К= U 1/ U 2. При К >1 – понижающий, К
Режимы работы трансформаторов.
Режим работы трансформатора, при котором его вторичная обмотка разомкнута, называют РЕЖИМОМ ХОЛОСТОГО ХОДА (трансформатор работает без нагрузки).
Режим работы трансформатора, при котором во вторичную обмотку включена нагрузка, называют РАБОЧИМ.
Режим работы трансформатора, при котором ток вторичной обмотке велик, даже при малом входном напряжении ток в первичной обмотки достигает больших значений, это может привести к перегрузу или даже перегоранию одной из обмоток. Такой режим называют КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ.
6.2 Виды трансформаторов.
Расчет основных параметров трансформатора.
Многообмоточные трансформаторы – применят в энергетических установках, бытовых электроприборах, аппаратуре радио и автоматики;
Сварочные трансформаторы – применяют для дуговой сварки;
Измерительные трансформаторы – в электрических установках высокого напряжения и тока.
Расчет основных параметров трансформатора.
Основными параметрами при расчете трансформатора являются:
если номинальная мощность в кВА значит * на 1000;
Коэффициент нагрузки трансформатора: ,
Р 2 — активная мощность на выходе вторичной обмотки трансформатора.
Токи при фактической нагрузки:
мощность потери в стали, мощность холостого хода.
Число витков на обмотках: При холостом ходе
Числа витков обмоток находим из формулы:
КПД при фактической нагрузке:
Пример: Однофазный понижающий трансформатор номинальной мощностью S ном = 500ВА служит для питания ламп местного освещения металлорежущих станков. Номинальные напряжения обмоток U ном1 = 380В; U ном2 = 24 B . К трансформатору присоединены десять ламп накаливания мощностью 40Вт каждая, из них коэффициент мощности Магнитный поток в магнитопроводе Ф т = 0,005Вб. Частота тока в сети f = 50 Гц. Потерями в трансформаторе пренебречь. Определить: 1) номинальные токи в обмотках; 2) коэффициент нагрузки трансформатора; 3) токи в обмотках при действительной нагрузке; 4) числа витков обмоток; 5) коэффициент трансформации.
Решение: Номинальные токи:
если номинальная мощность в кВА значит * на 1000;
если номинальное напряжение в кВ значит * на
Коэффициент нагрузки трансформатора: 3. Токи при фактической нагрузки:
4.Число витков на обмотках: При холостом ходе
Числа витков обмоток находим из формулы:
Тема 7. эЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.
7.1 Асинхронные и синхронные машины.
Асинхронные двигатели: общие сведения, устройство.
Синхронные машины: назначение, устройство, области применения.
Коэффициент мощности асинхронного двигателя.
Асинхронные двигатели: общие сведения, устройство.
— простота изготовления и эксплуатации,
— большая надежность и сравнительно низкая стоимость.
Широкое применение находит трехфазный асинхронный двигатель, изобретенный в 90-х годах прошлого века русским электротехником М.О.Доливо-Добровольским. Асинхронные машины малой мощности часто выполняются однофазными, что позволяет использовать их в устройствах, питающихся от двухпроводной сети. Такие машины находят широкое применение в бытовой технике.
Асинхронные машины могут работать в режиме генератора. Но асинхронные генераторы как источники электрической энергии не применяются, так как они не имеют собственного источника возбуждения магнитного потока и могут работать только параллельно с другими (синхронными) генераторами, имеющими лучшие показатели. Асинхронные двигатели применяются для привода машин и механизмов, к скорости вращения, которых не предъявляются жесткие требования.
Статор представляет собой полый цилиндр, набранный из стальных пластин, имеющих вид кольца и изолированных друг от друга. Стальной сердечник магнитопровода статора закрепляется в стальном или алюминиевом корпусе, охватывающем его со всех сторон. На внутренней поверхности сердечника в его пазах закладывается обмотка статора, которая у трехфазного асинхронного двигателя состоит из трех фазных обмоток, смещенных по окружности цилиндра друг относительно друга на 120.
Ротор асинхронной машины также набирают из стальных штампованных листов в форме диска, насажанных на вал. Они образуют ротор, имеющий форму цилиндра. По окружности диска выштамповывают отверстия, образующие пазы ротора, в которые закладывают обмотку.
По конструктивному исполнению обмотки ротора асинхронные машины подразделяют на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.
Короткозамкнутая обмотка образуется медными неизолированными стержнями, помещаемыми в пазы ротора. Поперечное сечение этих стержней имеет форму паза. Такие стержни иногда получают методом заливки в пазы ротора расплавленного алюминия. По торцам стержни объединяются короткозамыкающими кольцами, выполненными из однородного металла. Получается обмотка, не имеющая никаких выводов, по внешнему виду напоминающая конструкцию колеса, называемого «беличьей клеткой».
2. Синхронные машины: назначение, устройство,
Отличительная особенность синхронной машины заключается в том, что скорость вращения ее ротора равна скорости вращения магнитного поля статора и сохраняется постоянной независимо от нагрузки. Это достигается тем, что ротор синхронной машины представляет собой электромагнит или постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие данных полюсов обеспечивает постоянную угловую скорость вращения ротора независимо от момента на валу.
3. Алгоритм расчета асинхронного электродвигателя.
Основными параметрами при расчете асинхронного электродвигателя являются: