Электротехника и электроника

1.

Электротехника
и
электроника

2.

3.

Электрическая энергия, ее роль и значение.
В основном человек в своей жизнедеятельности потребляет
тепловую, механическую, световую энергию.
При этом возникает необходимость не только производить и
потреблять эти виды энергии, но и передавать на значительные
расстояния.
Однако при этом значительная часть энергии теряется. Это означает
преобразование энергии в основном в тепло, которое рассеивается в
окружающем пространстве.
Часто эти потери могут быть соизмеримы с общим объемом
передаваемой энергии, т.е. кпд устройств передачи указанных видов
энергии может быть весьма низким.

4.

Этот недостаток может быть исключен при передаче на
значительные расстояния электрической энергии.
Это обусловливает широкое применение электрической
энергии в жизнедеятельности человека.
Электрическая энергия позволяет быстро изменять ее
параметры (ток, напряжение), что необходимо для работы
многих устройств (быстродействующие системы
автоматического управления, передачи и обработки
информации, современные компьютеры и т.п.)
Кроме того, электрическую энергию можно легко
преобразовать в другие виды энергии.

5.

Цели и задачи дисциплины.
Общетехническая дисциплина «Электротехника
и электроника» посвящена изучению
электромагнитных устройств и электрических
цепей, их особенностей и характеристик,
методов их расчета и анализа режимов их
работы.

6.

ТЕМА 1.1.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА

7.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ.
ОСНОВНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ, ХАРАКТЕРИЗУЮЩИМИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ, ЯВЛЯЮТСЯ ТОК И
НАПРЯЖЕНИЕ, КОТОРЫЕ МОГУТ ИЗМЕНЯТЬСЯ ВО
ВРЕМЕНИ ПО ПЕРИОДИЧЕСКОМУ ЗАКОНУ, ЛИБО БЫТЬ
ПОСТОЯННЫМИ.
СООТВЕТСТВЕННО ВСЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ,
СВЯЗАННЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ,
РАЗДЕЛЯЮТ НА УСТРОЙСТВА (СИСТЕМЫ)
ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВА (СИСТЕМЫ)
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

8.

Первым генератором электрического тока был
электрохимический генератор постоянного тока "вольтов столб" /1799 г./. С этого времени до 70-х
годов
XIX века электротехника развязалась как техника
постоянного тока.
Однако, с развитием в конце XIX века техники
переменного тока, источники постоянного тока отошли
на второй план. Производство, передача,
распределение и использование электрической
энергии стало осуществляться в основном
посредством устройств переменно тока.

9.

Электрическая цепь и её элементы
Электрическая цепь - это совокупность
электротехнических устройств, предназначенных для
генерирования, передачи и преобразования
электрической энергии, соединенные между собой
электрическими проводами.
Пример: аккумуляторная батарея, лампа и выключатель,
соединенные между собой проводами, образуют
электрическую цепь.

10.

11.

Отдельные электротехнические устройства,
образующие электрическую цепь, называются
элементами электрической цепи и делятся на 3
группы:
1) Генерирующие устройства (источники
электрической энергии)– это элементы электрической
цепи, преобразующие различные виды энергии
(тепловую, химическую, световую, механическую) в
электрическую энергию.

12.

13.

14.

2) Приемные устройства (приемники электрической энергии)
– это элементы электрической цепи, преобразующие
электрическую энергию в другие виды энергии.

15.

3. Вспомогательные устройства – это элементы
электрической цепи, которые предназначены для
управления, регулирования режимов работы, защиты,
контроля и измерения параметров в электрической цепи и не
связаны непосредственно с основным преобразованием
энергии.

16.

Все электротехнические устройства, являющиеся
элементами электрических цепей имеют условные
графические обозначения, установленные ГОСТом.
Эти условные графические обозначения
позволяют графически изображать электрическую
цепь.
Такое графическое изображение электрической
цепи, содержащее условные изображения её
элементов и показывающее их соединение,
называется принципиальной схемой или схемой
электрической цепи.

17.

В качестве примера рассмотрим простейшую электрическую
цепь, состоящую из источника питания - генератора
постоянного тока, приемного устройства - осветительной
лампы и выключателя.
Здесь G – условное
графическое обозначение
генератора постоянного
тока,
EL – условное графическое
обозначение лампы,
Q - выключатель.
Рис. 1.1. Схема простой электрической цепи.
А, Б - выходные зажимы источника; а, б входные зажимы приемника.

18.

Например, на рис.1.2 показана схема сложной
электрической цепи, которая содержит 3 источника и 5
приемников электроэнергии.
Рис.1.2 Схема сложной электрической цепи

19.

Топологические понятия в электрической цепи.
При анализе электрических цепей используют
топологические понятия: ветвь, узел, контур.
Ветвь электрической цепи – это неразветвленный участок
электрической цепи, во всех элементах которого замыкается один и
тот же электрический ток.
Узел электрической цепи – точка электрической цепи, в которой
соединены несколько ветвей.
Контур электрической цепи – замкнутая часть электрической цепи,
образованная несколькими ветвями.

20.

Ветвь электрической цепи
Например, в схеме на рис.1.2 первая ветвь содержит генератор
G1 и нагреватель EK, в которых замыкается ток первой ветви I1,
вторая ветвь с током I2 содержит только лампу EL2 и т.д.

21.

Узел электрической цепи
Например, в схеме на рис.1.2 в узле "а" соединены
ветви 1,2,3,4, в узле "b" – ветви 1,2,5 и т.д.

22.

Контур электрической цепи
Например, в схеме на рис.1.2 контур "А"
образован ветвями 2,3,5 и т.д

23.

Условно–положительные направления
Для расчета и анализа электрических цепей токи
ветвей, напряжения на участках цепи, ЭДС
источников принято обозначать в схеме их
условно–положительными направлениями.
При этом положительное направление ЭДС принимается от низкого электрического
потенциала к высокому и обозначается стрелкой между двумя электрическими
зажимами данного устройства.
Положительное направление напряжения принимается от высокого потенциала к
низкому и обозначается стрелкой между соответствующими точками на схеме.
Положительное направление тока ветви всегда совпадает с положительным
направлением напряжения на этой ветви и обозначается стрелкой рядом с этой
ветвью.

24.

Параметры элементов электрической цепи
Для характеристики интенсивности этих процессов,
происходящих в элементах цепи, используют понятие
параметров элемента. Каждый параметр учитывает
только одно явление (свойство) элемента.
Параметр электродвижущая сила ЭДС (Е) характеризует
основное свойство источника электроэнергии создавать и
поддерживать разность потенциалов на его зажимах.
Единица ЭДС - вольт (В).

25.

Параметр активное сопротивление (R) характеризует
свойство элементов поглощать электрическую энергию и
преобразовывать её в другие виды энергии.
Сопротивление связывает мощность этого преобразования с
током элемента:
(1.1)
Единица сопротивления - ом (Ом).

26.

Параметр индуктивность (L) характеризует свойство
элемента цепи создавать магнитное поле и накапливать в
нем энергию.
Индуктивность связывает энергию магнитного поля с током
элемента.
Энергия магнитного поля
Единица индуктивности – генри (Гн).
(1.2)

27.

Параметр емкость (С) характеризует свойство элемента цепи
создавать электрическое поле и накапливать в нем энергию.
Емкость связывает энергию электрического поля с
напряжением элемента.
Энергия электрического поля
Единица емкости - фарад (Ф).
(1.3)

28.

Идеальные элементы электрических цепей.
Любое реальное электротехническое устройство (элемент электрической
цепи) обладает несколькими параметрами.
Например, генератор переменного тока создает разность потенциалов на
своих зажимах, создает переменное магнитное поле, при появлении тока в
его обмотках в них возникают потери энергии, т.е. преобразование
электроэнергии в тепло.
Поэтому такое устройство обладает определенной ЭДС E, индуктивностью L,
сопротивлением R. Другие устройства также могут обладать одновременно
несколькими параметрами.
Поэтому при анализе удобно представить реальный элемент электрической
цепи совокупностью идеальных элементов, каждый из которых обладает
одним параметром и отражает одно свойство реальных элементов.

29.

Идеальные элементы
1. Идеальный источник ЭДС с параметром Е (рис.1.3 а)
2. Идеальный резистивный элемент с параметром
активное сопротивление R (рис.1.3 б)
3. Идеальный индуктивный элемент с параметром
индуктивность L (рис.1.3 в)
4. Идеальный емкостный элемент с параметром
емкость С (рис.1.3 г)
В зависимости от степени проявления тех или иных процессов в реальном
элементе он может быть представлен всеми четырьмя идеальными элементами с
соответствующими параметрами, либо меньшим их количеством.

30.

Например, на рис.1.4 генератор постоянного тока представлен
совокупностью идеального источника ЭДС Е и идеального резистора R.
Аналогичным образом каждое реальное
устройство в электрической цепи может быть
представлено совокупностью тех или других
идеальных элементов.
Графическое изображение электрической цепи с
помощью идеальных элементов, отражающих
свойства реальных устройств, называется схемой
замещения или расчетной схемой
электрической цепи.
Рис.1.4 Схема замещения
генератора постоянного тока

31.

При расчете электрической цепи возникает задача при
заданном напряжении на приемнике электроэнергии
определить ток в нем или наоборот.
Для решения этой задачи необходимо знать соотношение тока
и напряжения на каждом идеальном элементе, отражающем
свойства приемников.
Эти соотношения определяются параметрами идеальных
элементов:

32.

В резисторе:
(1.4)
В индуктивном элементе:
(1.5)
В емкостном элементе:
(1.6)
В цепях постоянного тока электрические и магнитные поля не
оказывают влияния па величину тока в цепи.
Исходя из формальных соотношений (1.4), (1.5) производные по
времени от постоянного тока и постоянного напряжения равны нулю.
Следовательно, напряжение на индуктивном элементе и ток в
емкостном элементе в цепи постоянного тока равны нулю.

33.

Для примера на рис.1.5 показана схема замещения
цепи, схема которой приведена на рис.1.1.
Рис. 1.5. Схема замещения простой электрической цепи

34.

Основные законы
электрических цепей.

35.

Закон Ома
Закон Ома определяет соотношение между током и
напряжением в идеальном резисторе: ток резистора
пропорционален напряжению между его зажимами и
обратно–пропорционален его сопротивлению:
(1.7)

36.

Первый закон Кирхгофа
Ветвь электрической цепи – это участок цепи, по которому
протекает один и тот же ток.
Узел электрической цепи – точка соединения трех и более ветвей.
Контур электрической цепи – это замкнутый участок цепи, где
одна и та же узловая точка является началом и концом.
Сумма токов, водящихся в узел, равна сумме токов, выходящих из
узла.
Токи, входящие в узел, принято считать положительным, а
выходящие из узла –отрицательными.
Если направление тока получится отрицательным, то это означает,
что его действительное направление противоположно выбранному.

37.

Независимый контур – это контур, который содержит хотя бы
одну ветвь, не принадлежащую другим контурам.
Пример электрической схемы, содержащей шесть ветвей (ab, ac,
ad, bc, cd, bd), четыре узла (а, b, c, d) и три независимых контура
(например, bac, bcd, acd) представлен на рисунке выше.

38.

Первый закон Кирхгофа формулируется для узла электрической цепи и
определяет соотношение между токами ветвей, соединенных в этом
узле: алгебраическая сумма токов ветвей, соединенных в узле, равна
нулю:
(1.8)
Уравнение будет
иметь следующий вид:

39.

Второй закон Кирхгофа:
Второй закон Кирхгофа формулируется для контура электрической
цепи и определяет соотношение между напряжениями на отдельных
участках или элементах этого контура и ЭДС в этом контуре:
В контуре электрической цепи алгебраическая сумма напряжений равна
алгебраической сумме ЭДС:
(1.10)

40.

Для контура приведенного на
рисунке уравнение будет
иметь вид:
(1.11)
При написании уравнения обход
контура взят по часовой стрелке,
токи и ЭДС, совпадающие с
обходом контура - со знаком
плюс, не совпадающие - со
знаком минус.

41.

При составлении уравнений по второму закону
Кирхгофа:
ЭДС записывается со знаком «плюс», если ее
направление совпадает с произвольно выбранным
направлением обхода контура.
В противном случае ЭДС записывается со знаком
«минус»;
Падение напряжения на сопротивлении записывается
со знаком «плюс», если направление тока в нем
совпадает с направлением обхода контура.

42.

Правильность выполненного расчета проверяется составлением
баланса мощностей, вытекающего из закона сохранения
энергии – сумма мощностей источников должна быть равна
сумме мощностей потребителей: