41130

Основные задачи в области электротехники

Лекция

Производство и промышленные технологии

Определение связи между токами напряжениями параметрами заданной цепи и теми величинами которые определяют работу рассматриваемой установки например: к. падение напряжения величина тока к. Электрической цепью называется совокупность устройств предназначенных для прохождения электрического тока. Различают источники напряжения и источники тока.

Русский

2013-10-22

188.5 KB

5 чел.

Лекция №1.

1. Цели и задачи курса «Электротехника».

Курс «Электротехника» является специальным курсом, дающим теоретическую базу для понимания физических процессов в элементах и устройствах автоматики и системах управления.

Цель курса: изучение с качественной и количественной стороны установившихся режимов и переходных процессов в электрических цепях; ознакомление с современными инженерными методами анализа и синтеза электрических цепей, которые являются схемами замещения различных физических устройств и приборов.

Основные задачи в области электротехники:

  1.  Расчеты и анализы цепей, т.е. определение связи между токами, напряжениями, параметрами заданной цепи и теми величинами, которые определяют работу рассматриваемой установки (например: к.п.д., падение напряжения, величина тока к.з. и т.д.). Также сюда входят и задачи математического описания цепей (геометрия и топология цепей, их матрицы); методы решения и анализа систем уравнений электрических цепей.
  2.  Принцип работы и общие свойства важнейших электротехнических устройств и элементов электрической цепи. Например, вопрос о согласовании приемника к источникам питания для получения максимальной мощности; теория резонанса.
  3.  Синтез электрических цепей.

Задачи синтеза заключаются в разработке методов такого выбора схемы соединения элементов цепи и такого подбора параметров этих элементов, чтобы полученная цепь обладала заданными характеристиками. Например, такой простой вопрос, как выбор параметров треугольника, эквивалентного заданной звезде, по существу относится к задаче синтеза.

2. Элементы электрических цепей.

Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. Электромагнитные процессы в электрических цепях описываются при помощи понятий «ток» и «напряжение».

В общем случае электрическая цепь состоит из источников и приемников электрической энергии и промежуточных звеньев, связывающих источники с приемниками.

Источники электрической энергии – гальванические элементы, аккумуляторы, термоэлементы, генераторы и другие устройства, в которых происходит процесс преобразования химической, тепловой, механической или другого вида энергии в электрическую.

Приемниками (нагрузкой) электрической энергии служат электрические двигатели, электронагревательные приборы и другие устройства, в которых электрическая энергия превращается в световую, тепловую, механическую и другие виды.

Под элементами в теории электрических цепей подразумеваются обычно не физически существующие составные части электротехнических устройств, а их идеализированные модели, которым теоретически приписываются определенные электрические и магнитные свойства, так что они в совокупности приближенно отображают явления, происходящие в реальных устройствах.

В электрических цепях различают активные и пассивные элементы.

Активные элементы – это источники электрической энергии. Различают источники напряжения и источники тока.

Пассивные элементы – это сопротивления, индуктивности, емкости.

По наличию данных элементов различают соответственно активные и пассивные цепи.

3. Положительные направления тока и напряжения.

Электрический ток в общем случае представляет собой движения электрических зарядов отрицательного и положительного знаков в разные стороны.

Численно ток определяется как придел отношения количества электричества, переносимого заряженными частицами сквозь рассматриваемое поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени, к этому времени, при условии, что данный промежуток времени стремится к нулю:

где  g - количество электричества, прошедшее через рассматриваемое сечение проводника за время t.

Количество электричества (заряд) измеряется в Кулонах [K], промежуток времени в секундах [сек], а единицей измерения тока служит Ампер [A].

Электрическому току приписывают направление.

За положительное направление тока принимают направление перемещения положительных зарядов от  точки высшего потенциала к точке меньшего потенциала.

Направление тока характеризуется знаком тока. Понятия положительный или отрицательный ток имеют смысл, если сравнивать направление тока в проводнике с некоторым заранее выбранным направлением – так называемым положительным направлением тока.

Положительное направление тока выбирается произвольно и указывается стрелкой.

Рассмотрим пассивный участок электрической цепи с выбранным положительным направлением тока:

При протекании тока от точки 1 к точке 2 подразумевается, что потенциал точки 1 выше потенциала точки 2.

Под напряжением на данном участке подразумевается разность электрических потенциалов точек 1 и 2.

Единица измерения напряжения Вольт [B].

При условии, что 1 (потенциал) больше 2 U12 = 1 - 2  будет положительным.

Порядок индексов при напряжении означают его выбранное положительное направление.

Чаще всего положительное направление напряжения выбирают совпадающим с положительным направлением тока и указывают стрелкой.

4. Источник напряжения и источник тока.

В теории электрических цепей используют понятия идеальные источники электрической энергии: источник напряжения и источник тока.

Им приписывают следующие свойства:

Источник напряжения представляет собой активный элемент с двумя зажимами, напряжение на котором не зависит от тока, проходящего через источник

Рис.2. Идеальный источник напряжения и

его вольтамперная характеристика(BAX).

Предполагается, что внутри идеального источника напряжения пассивные сопротивление, индуктивность и емкость отсутствуют и, следовательно, прохождение тока не вызывает падения напряжения.

Упорядоченное перемещение положительных зарядов в источнике напряжения от меньшего потенциала к большему возможно работа сторонних сил, которые присущи источнику.

Величина работы, производимой данными сторонними силами по перемещению единицы положительного заряда от отрицательного полюса источника напряжения к положительному по полюсу, называется электродвижущей силой (э.д.с.) источника и обозначается e(t).

На рис.2(а) указано направление напряжения на зажимах идеального источника, которое всегда равно э.д.с. источника по величине и противоположно ей по направлению.

Идеальный источник напряжения называют еще источником бесконечной мощности. Это - теоретическое понятие. Величина тока в пассивной цепи зависит от параметров этой цепи и e(t). Если зажимы идеального источника напряжения замкнуть накоротко, то ток цепи должен быть теоретически равен бесконечности. В действительности при замыкании зажимов источника ток имеет конечное значение, так как реальный источник обладает внутренним сопротивлением.

Обычно внутренние параметры источника конечной мощности незначительны по сравнению с параметрами внешней цепи и в не которых случаях (по условию задачи) могут вообще не учитываться. Внутреннее сопротивление источника э.д.с.(r0) на схемах замещения изображается последовательно соединенным с самим источником.

Рис.3. Источник напряжения конечной мощности.

Источник тока представляет собой активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.

Рис.4. Идеальный источник тока и его вольтамперная характеристика.

Предполагается, что внутренне сопротивление идеального источника тока равно бесконечности, и поэтому параметры внешней цепи, от которых зависит напряжение на зажимах источника тока, не влияют на ток источника.

При увеличении напряжения внешней цепи, присоединенной к источнику тока, напряжение на его зажимах, и следовательно, мощность возрастают. Поэтому идеальный источник тока теоретически так же рассматривается как источник бесконечной мощности.

Источник тока конечной мощности изображен на рис.5.  g0 – внутренняя проводимость источника. Она характеризует внутренние параметры источника и ограничивает мощность, отдаваемую в цепь.

Рис.5. Источник тока конечной мощности.

Часто при решении задач методом эквивалентных преобразований возникает необходимость заменить реальный источник напряжения эквивалентным источником тока или наоборот. Преобразование осуществляется по схеме и формулам рис.6.

             (1)

Рис.6. Преобразования источников конечной мощности.


5.
Сопротивление.

Сопротивлением называется идеализированный элемент цепи в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую.

Кроме того, данный термин применяется для количественной оценки величины, равной отношению напряжения на данном элементе к току, проходящему через него:

[Ом]  (2)

Формула 2 выражает закон Ома.

Сопротивление всегда положительно.

Величина обратная сопротивлению носит название проводимости:

[См]  (3)

Рис.7. Графическое изображение сопротивления

с выбранными положительными направлениями тока и напряжения.

Мгновенная мощность, поступающая в сопротивление равна:

Pr = Ui = i2r = U2q  (4)

Параметр r в общем случае зависит от тока i (например, вследствие нагревания проводника током).

Вольтамперная характеристика (зависимость напряжения на сопротивлении от тока) носит нелинейный характер.

Рис.8. BAX сопротивления: а – нелинейная; б – линейная.

Если сопротивление не зависит от тока, то имеет место прямая пропорциональность, выражающая закон Ома. В этом случае сопротивление называется линейным.

6. Индуктивность.

Индуктивностью называется идеализированный элемент электрической цепи, приближающейся по свойствам к индуктивной катушке, в котором накапливается энергия магнитного поля.

При этом термин «индуктивность» и его обозначение L применяется как для обозначения самого элемента цепи, так и для количественной оценки отношения потокосцепления самоиндукции к току в данном элементе:

[Гн]  (5)

Индуктивность всегда положительна, так как потокосцепления и ток имеют одинаковые знаки.

В общем случае индуктивность зависит от тока и является нелинейной.

Если зависимость(i) линейная, то индуктивность – величина постоянная.

Рис.9. Зависимость потокосцепления от тока:

а - нелинейная, б – линейная.

Рис.10. Графическое изображение индуктивности.

 (6)

eL - электродвижущая сила самоиндукции,  которая по закону Ленца противодействует изменению потокосцепления, что учитывается знаком « - ».

Если индуктивность L  величина постоянная (не зависит от тока), то

=  (7)

Напряжение на индуктивности определяется:

 (8)

Ток на индуктивности:

 (9)

Формулы (8) и (9) выражают закон Ома дифференциальной и интегральной форме для индуктивности.

Мгновенная мощность, поступающая в индуктивность равна:

 (10)

Мощность индуктивности связана с процессом нарастания или убывания энергии магнитного поля.

  1.  
    Емкость.

Емкостью называется идеализированный элемент электрической цепи приближенно заменяющий конденсатор, в котором накапливается энергия электрического поля.

При этом данный термин применяется как для обозначения самого элемента, так и для количественной оценки отношения заряда к напряжению на этом элементе:

[Ф]  (11)

Емкость всегда положительна, так как заряд и напряжение имеют одинаковый знак.

В общем случае зависимость заряда от напряжения носит нелинейный характер и, следовательно, параметр С зависит от напряжения.

Если зависимость заряда от напряжения линейная, емкость C – величина постоянная.

Рис.11. Зависимость электрического заряда от напряжения,

а – нелинейная, б – линейная.

Ток емкости равен производной электрического заряда по времени:

(12)

Формула (12) выражает закон Ома для емкости.

Напряжение на емкости:

 (13)

Условное графическое изображение емкости указано на рис.11. Там же даны положительные направления тока и напряжения.

Рис.12. Условное обозначение емкости.

Мгновенная мощность, поступающая в емкость, равна:

 (14)

Мощность емкости связана с процессом накопления или убыли электрического заряда в емкости. Когда заряд положительный и возрастает ток положительный и в емкость поступает электрическая энергия из внешней цепи. Когда заряд положителен, но убывает, т.е. ток отрицателен, энергия, ранее накопленная в электрическом поле емкости, возвращается во внешнюю цепь.

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

5352. Машины для уплотнения грунтов 26.79 KB
  Машины для уплотнения грунтов Свежеуложенный грунт в земляном сооружении должен быть уплотнен во избежание самопроизвольного изменения геометрической формы и просадок. Для понижения водопроницаемости земляного сооружения применяют искусственное упло...
5353. Работа со списками в MS EXCEL. Консолидация данных 39 KB
  Работа со списками в MS EXCEL. Консолидация данных Цель: Приобрести навыки консолидации данных в среде MS Excel. Краткая теория Цель работы: Получить навыки вычислений и подведения итогов в MS Excel для различных диапазонов с помощью процедуры ...
5354. Разработка системы автоматического регулирования (САР) 416.5 KB
  Целью данной курсовой работы является разработка системы автоматического регулирования (САР) натяжения материала технологической линии по производству и обработке ленточных и нитевидных материалов. Протягивание материала в рассматриваемой...
5355. Информационная технология таблицы подстановки 104 KB
  Информационная технология таблицы подстановки Цель работы: приобретение навыков решения задач анализа с ограниченным числом одновременно изменяемых параметров модели средствами MSExcel. Краткая теория На практике часто возникает необходимость ...
5356. Машины постоянного тока 497.5 KB
  Машины постоянного тока Устройство, принцип действия и электромагнитный момент машины постоянного тока Реакция якоря машины постоянного тока Коммутация в коллекторных машинах постоянного тока Генераторы постоянного тока Двигатели постоянног...
5357. Синхронные машины. Конспект лекций 996 KB
  Устройство и принцип действия. Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины. Трехфазная или в общем случае m-фазная обмотка машины выполняется с таким же числом полюсов, как и ротор, и называется так же обмотко...
5358. Вернадский: Учение о ноосфере и современное глобальное мышление 258.71 KB
  Истинное величие Вернадского выясняется только теперь. Оно в его глубоких философских идеях,заглядывающих в будущее,вплотную затрагивающих судьбы всего человечества. Он родился в Петербурге в 1863 году...
5359. Проектирование столовой общедоступной на 100 мест 1.17 MB
  Предприятия общественного питания - это предприятия, предназначенные для производства кулинарной продукции, мучных кондитерских и булочных изделий, их реализации и организации питания. Индустрия общественного питания находится еще в ...
5360. Принципы работы с элементами управления 238 KB
  Принципы работы с элементами управления Любое стандартное приложение Windows использует различные элементы управления, такие, как кнопки, полосы просмотра, редакторы текстов и т.д, реализованные в виде дочерних окон. Дочерние окна управления Так как...