Avdeiko_Adamovich_Vershinin1
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования «Полоцкий государственный университет»
В. П. Авдейко А. С. Вершинин А. Л. Адамович
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА, ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ И ЭЛЕКТРОПРИВОД
Учебно-методический комплекс для студентов технических специальностей
УДК 621.3+621.38(075.8) ББК 31.2я73
Рекомендовано к изданию методической комиссией инженерно-технологического факультета
в качестве учебно-методического комплекса
(протокол № 2 от 2.09.2010)
начальник участка по ремонту средств КИП и А цеха № 12 ОАО «Нафтан» А. Г. КОВАЛЕВ; канд. техн. наук, доцент,
зав. кафедрой К и Т РЭС УО «ПГУ» Ю. Г. ГРОЗБЕРГ
А18 Электротехника, основы электроники и электропривод : учеб.-метод. комплекс для студентов тех. специальностей неэлектротех. профиля. В 2 ч. Ч. 1. Электротехника / В. П. Авдейко, А. С. Вершинин, А. Л. Адамович. – Новополоцк : ПГУ, 2012. – 312 с.
Включает конспект лекций, индивидуальные контрольные задачи и вопросы для защиты лабораторных работ и практических занятий, список литературы.
Предназначен для студентов технических специальностей неэлектротехнического профиля.
УДК 621.3+621.38(075.8) ББК 31.2я73
ISBN 978-985-531-212-4 (Ч. 1) ISBN 978-985-531-211-7
© Авдейко В. П., Вершинин А. С., Адамович А. Л., 2012
© УО «Полоцкий государственный университет», 2012
Э ЛЕКТРОТЕХНИКА . О СНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ .
1.1. Электрическое поле и его характеристики .
1.2. Электрический ток .
1.5. Плотность электрического тока .
1.6. Источники и приемники электроэнергии .
1.7. Элементы электрической цепи .
1.8. Законы электрической цепи .
1.9. Основные характеристики магнитного поля .
1.10. Закон полного тока .
1.11. Закон Ома для магнитной цепи .
1.12. Принцип работы электромагнитных устройств .
1.13. Закон Ампера. Электромагнитная сила .
1.14. Закон электромагнитной индукции .
Контрольные вопросы и задачи .
2. Р АСЧЕТ И АНАЛИЗ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА .
2.1. Расчет по законам Кирхгофа .
2.2. Работа источника на переменную нагрузку .
2.3. Цепь параллельно-последовательного соединения приемников .
2.4. Цепи с несколькими источниками электроэнергии .
2.5. Нелинейные цепи .
Контрольные вопросы и задачи .
3. Ц ЕПИ ПЕРЕМЕННОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА .
3.1. Получение синусоидальной ЭДС .
3.2. Векторное изображение синусоидальных величин .
3.3. Особенности цепей переменного тока .
3.4. Цепи с идеальными элементами .
3.5. Цепи последовательного соединения элементов .
3.6. Параллельное соединение приемников .
3.8. Понятие о символическом методе расчета цепей переменного тока .
3.9. Схема замещения электрических приемников .
3.10. Резонанс в электрических цепях .
3.11. Повышение коэффициента мощности .
3.12. Катушка со сталью в цепи переменного тока .
3.13. Магнитные усилители .
Контрольные вопросы и задачи .
Т РЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ .
4.1. Получение трехфазной ЭДС .
4.2. Соединение генератора и приемника звездой .
4.3. Соединение треугольником .
4.4. Мощность трехфазного тока .
Контрольные вопросы и задачи .
Э ЛЕКТРИЧЕСКИЕ АППАРАТЫ И СХЕМЫ МАКСИМАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ
5.1. Аппараты ручного управления .
5.2. Аппараты автоматического управления .
5.4. Максимальная токовая защита электрических цепей .
Э ЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ .
6.1. Общие сведения .
6.2. Принцип действия и устройство приборов .
6.3. Условные обозначения на шкалах электроизмерительных приборов .
6.4. Измерение электрических величин .
6.5. Электрические измерения неэлектрических величин .
Контрольные вопросы и задачи .
7.1. Назначение трансформатора .
7.2. Принцип действия трансформатора .
7.3. Устройство трансформатора .
7.4. Трансформаторы в режиме холостого хода .
7.5. Нагрузочный режим трансформатора .
7.6. Векторная диаграмма трансформатора .
7.8. Трехфазные трансформаторы .
7.9. Многообмоточные трансформаторы .
7.10. Согласующий трансформатор .
7.11. Измерительные трансформаторы .
7.12. Сварочные трансформаторы .
Контрольные вопросы и задачи .
М АШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА .
8.1. Устройство машины постоянного тока .
8.2. ЭДС обмотки якоря и электромагнитный момент .
8.3. Режим генератора .
8.4. Режим двигателя .
8.5. Механические характеристики электродвигателя .
8.6. Регулирование скорости вращения двигателя .
8.8. Анализ работы электродвигателя .
8.9. Пуск в ход двигателя постоянного тока .
8.10. Схема подключения двигателей постоянного тока к сети .
8.11. Исполнительные двигатели постоянного тока .
8.12. Тахогенераторы постоянного тока .
8.13. Высокомоментные двигатели постоянного тока .
Контрольные вопросы и задачи .
А СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ .
9.1. Образование вращающегося магнитного поля .
9.2. Устройство асинхронного двигателя .
9.3. Принцип действия асинхронного двигателя .
9.4. Электромеханическая и механическая характеристики
9.5. Номинальные параметры .
9.6. Регулирование скорости вращения двигателя .
9.7. Пуск в ход асинхронного двигателя .
9.8. Тормозные режимы асинхронного двигателя .
9.9. Однофазные и двухфазные асинхронные двигатели .
9.10. Включение трехфазного асинхронного двигателя в однофазную цепь .
9.12. Поворотные (вращающиеся) трансформаторы .
9.13. Асинхронный тахогенератор .
Контрольные вопросы и задачи .
10. С ИНХРОННЫЕ МАШИНЫ .
10.1. Устройство синхронных машин .
10.2. Работа синхронной машины в режиме генератора .
10.3. Работа синхронной машины в режиме двигателя .
10.4. Работа синхронной машины параллельно с сетью .
10.5. Пуск в ход синхронного двигателя .
10.6. Синхронные машины малой мощности .
Контрольные вопросы и задачи .
М ЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
Лабораторная работа № 1
Исследование системы: источник питания – линия передачи – нагрузка . 217
Лабораторная работа № 2
Изучение и испытание аппаратов ручного и автоматического управления . 221
Лабораторная работа № 3
Тепловая защита электрических цепей .
Лабораторная работа № 4
Максимальная токовая защита электрических цепей .
Лабораторная работа № 5
Параллельное соединение приемников .
Лабораторная работа № 6
Исследование трехфазных цепей .
Лабораторная работа № 7
Маркировка выводов обмоток трехфазного трансформатора
и асинхронного двигателя .
Лабораторная работа № 8
Пуск в ход асинхронного двигателя с помощью магнитного пускателя .
Лабораторная работа № 9
Реверсивное управление трехфазным асинхронным двигателем .
Лабораторная работа № 10
Исследование рабочих характеристик асинхронного двигателя .
Лабораторная работа № 11
Повышение коэффициента мощности
при активно-индуктивной нагрузке .
Лабораторная работа № 12
Включение трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть .
Лабораторная работа № 13
Автоматическое управление асинхронным двигателем
в функции пути и времени .
Лабораторная работа № 14
Разработка схемы автоматического управления
асинхронным двигателем в функции пути и времени .
Индивидуальные задачи для практических занятий .
Электротехника включает в себя широкий круг вопросов, связанных с практическим применением электрической энергии во всех областях человеческой деятельности.
Инженеру любой специальности необходимы конкретные знания по электрическому оборудованию, приборам, электрическим машинам, аппаратам, их устройству, принципу действия, назначению и области применения.
К сожалению, существующие в настоящее время учебники и учебные пособия перегружены теоретическим материалом, математическими доказательствами, формулами, что необходимо только для инженеров электротехнических специальностей.
Настоящий учебно-методический комплекс (УМК) является попыткой приблизить дисциплину «Электротехника» к вопросам практической работы технических специальностей неэлектротехнического профиля.
Сведен к минимуму материал по расчету цепей, но дано несколько важных с практической точки зрения примеров анализа этих цепей. Сокращен теоретический материал по трансформаторам и электрическим машинам, но большее внимание уделено важному разделу «Электрические аппараты и схемы максимальной токовой защиты», микромашинам, которые используются во вспомогательных электроприводах металлорежущих станков и в качестве датчиков обратных связей автоматизированных электроприводов.
Разработанные задачи для практических занятий и защиты лабораторных работ многовариантны, что позволяет эффективно и качественно организовать учебный процесс, включая контроль знаний студентов.
Задание по курсовой работе требует творческого подхода к решению конкретной практической задачи по разработке электрических схем металлорежущего станка.
1. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ
1.1. Электрическое поле и его характеристики
Электротехника изучает вопросы, связанные с генерированием, передачей и потреблением электрической энергии. Электрическая энергия за единицу времени (электрическая мощность) равна произведению напряжения на ток. Напряжение является характеристикой электрического поля, а ток – магнитного поля.
Реально существует единое электромагнитное поле, которое имеет две составляющие – электрическое поле и магнитное поле. Если одна из составляющих отсутствует (напряжение или ток), передача электрической энергии невозможна.
Связь между электрическим и магнитным полями можно показать на примере линии электропередачи постоянного тока (рис. 1.1).
Рис. 1.1. Картина электромагнитного поля линии передач
При передаче энергии в проводах протекает ток, следовательно, в пространстве вокруг тока создается магнитное поле, изображенное с помощью магнитных силовых линий (сплошные линии). Провода находятся под напряжением и разноименно заряжены. Между зарядами возникает электрическое поле (пунктирные линии). Напомним, что силовые линии магнитного поля замкнуты, а силовые лини электрического поля начинаются и оканчиваются на зарядах.
Электрические и магнитные поля связаны между собой, т.к. при изменении напряжения (электрического поля) изменяется ток в линии передачи (магнитное поле).
Однако исторически сложилось так, что эти поля рассматривают отдельно. В ряде случаев одной из сторон электромагнитного поля можно пренебречь. В электроустановках напряжением до 1 кВ электрическое поле практически не проявляет себя, а в высоковольтных слаботочных установках часто можно пренебречь магнитным полем.
Основное свойство электрического поля – механическое воздействие на электрический заряд. Силовой характеристикой электрического поля является вектор напряженности Е , измеряемой в вольтах на метр (В/м). Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал φ, измеряемый в вольтах (В). Эти характеристики взаимосвязаны. Чем больше разность потенциалов (напряжение U ) между двумя точками поля, тем больше напряженность поля в пространстве между этими точками.
Одним из реальных устройств, использующих электрическое поле, является конденсатор – в простейшем случае это две параллельно расположенные пластины площадью S , разделенные диэлектриком и отстоящие друг от друга на небольшом расстоянии d .
Если подключить источник постоянного тока напряжением U к этим пластинам, то между ними будет создаваться электрическое поле напряженностью
E = U 
d .
При этом на пластинах создается разноименный заряд q , измеряемый в кулонах (Кл), тем больший, чем больше напряжение между пластинами.
Коэффициентом пропорциональности между этими величинами является емкость С , измеряемая в фарадах (Ф):
В свою очередь емкость
C = ε S
d ,
где ε – диэлектрическая проницаемость среды, измеряемая в фарадах на метр (Ф/м).
Различные среды имеют различные значения диэлектрической про-
ницаемости. Вакуум и воздух имеют e = e 0 = 1
4 p × 9 × 10 9 Ф/м, трансформа-
торное масло – 2,2 ε 0 , фарфор – 5,5 – 6 ε 0 , слюда – 5,5 – 7,5 ε 0 .
Силовое действие электрического поля на заряд используется для нанесения краски в электрическом поле, электронной технике, для электросепарации, пылеулавливания и т.д.
1.2. Электрический ток
Электрический ток представляет собой движение электрических зарядов под действием электрического поля.
В проводящей среде электрическое поле вызывает ток проводимости, обусловленный движением свободных электронов, в диэлектрике – ток смещения, в жидких и газовых диэлектриках, в вакууме может создаваться ток переноса, представляющий собой движение заряженных частиц. В дальнейшем рассматривается только характерный для металла ток проводимости в электрической цепи.
Для количественной оценки величины тока ввели понятие силы электрического тока i , которая определяется скоростью переноса заряда dq через поперечное сечение проводника за время dt :
Если за равные промежутки времени t переносятся одинаковые по
величине заряды q , то ток I называется постоянным:
В СИ единицей измерения тока является ампер (А), заряда q – кулон (Кл) или ампер-секунда (А·с).
Если воспользоваться упрощенной аналогией, то электрический ток можно сравнить с интенсивностью потока жидкости, т.е. количеством (массой) жидкости, проходящей через какой-либо трубопровод за единицу времени.
В общем случае электрический ток может изменяться во времени. На практике преимущественное распространение получил электрический ток, изменяющийся по синусоидальному закону. В дальнейшем, как принято на практике, вместо термина «сила электрического тока» будем использовать термин «электрический ток» или еще короче – « ток».
Ток возникает под действием электрического поля. Одной из характеристик электрического поля является потенциал. В электрической цепи ток возникает под действием разности потенциалов, которая называется напряжением. Напряжение создается различными источниками питания. Напряжение обозначается буквой u (постоянное напряжение – U ) и измеряется в вольтах (В).
Если величину электрического тока можно представить величиной потока жидкости, то напряжение соответствует давлению, под действием которого течет эта жидкость.
Если взять проводник длиной l , сечением S и создать разность потенциалов на его концах, то по нему будет протекать ток, тем больший, чем больше эта разность потенциалов, т.е. напряжение.
Коэффициент пропорциональности между током и напряжением называют электрическим сопротивлением r (в электрических цепях постоянного тока электрические величины – ток, напряжение, сопротивление и др.
– принято обозначать большими буквами):
Сопротивление однородных проводников определяется по формуле
где ρ – удельное сопротивление материала проводника – сопротивление проводника длиной 1 м и сечением 1 м 2 .
Сопротивление измеряется в омах (Ом), удельное сопротивление – в омах на метр (Ом·м).
Часто на практике удельное сопротивление измеряется во внесис-