ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Учебное пособие
для студентов электротехнических специальностей
2 0 0 8
Содержание
Введение.....................................................................................................................4
Общие сведения о дисциплине...........................................................................4
Методическое обеспечение.................................................................................5
ЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ.......................................................6
Физические законы в электротехнике.................................................................6
Электромагнитное поле.......................................................................................6
Электрический ток. 1-й закон Кирхгофа.........................................................7
Электрическое напряжение. 2-ой закон Кирхгофа......................................9
Энергетический баланс в электрической цепи.............................................11
Физические процессы в электрической цепи................................................11
Т.2. Теоремы и методы расчета сложных резистивных цепей......................14
Основные определения......................................................................................14
Метод преобразования (свертки) схемы........................................................15
Метод законов Кирхгофа...................................................................................21
Метод контурных токов....................................................................................23
Метод узловых потенциалов.............................................................................25
Метод двух узлов.................................................................................................27
Принцип наложения. Метод наложения........................................................28
Теорема о взаимности........................................................................................30
Теорема о компенсации.....................................................................................30
Теорема о линейных отношениях..................................................................32
Теорема об эквивалентном генераторе.........................................................32
Электрические цепи переменного синусоидального тока..........................37
Переменный ток (напряжение) и характеризующие его величины.........37
Среднее и действующее значения переменного тока и напряжения........39
Векторные диаграммы переменных токов и напряжений.........................41
Теоретические основы комплексного метода расчета цепей переменного тока.............................................................................................................................42
Мощность переменного тока.............................................................................45
Переменный ток в однородных идеальных элементах................................48
Электрическая цепь с последовательным соединением элементов
R, L и C.......................................................................................................................52
Электрическая цепь с параллельным соединением элементов R, L и С..................................................................................................................................54
Активные и реактивные составляющие токов и напряжений..................55
10. Передача энергии от активного двухполюсника (источника) к пассивному двухполюснику (приемнику).................................................................58
Компенсация реактивной мощности приемников энергии......................60
Т.4. Резонанс в электрических цепях...................................................................62
Определение резонанса.......................................................................................62
Резонанс напряжений..........................................................................................63
Резонанс токов......................................................................................................67
Резонанс в сложных схемах.................................................................................68
Т.5. Магнитносвязанные электрические цепи....................................................71
Общие определения...............................................................................................71
Последовательное соединение магнитносвязанных катушек......................73
Сложная цепь с магнитносвязанными катушками.......................................75
Линейный (без сердечника) трансформатор...................................................77
Т.6. Исследование режимов электрических цепей методом круговых диаграмм.....................................................................................................................78
Уравнение дуги окружности в комплексной форме......................................78
2. Круговая диаграмма тока и напряжений для элементов последовательной цепи..........................................................................................................80
Круговая диаграмма для произвольного тока и напряжения в сложной цепи..............................................................................................................................81
Т.6. Топологические методы расчета электрических цепей...........................83
Топологические определения схемы.................................................................83
Уравнения Ома и Кирхгофа в матричной форме...........................................85
Контурные уравнения в матричной форме.....................................................87
Узловые уравнения в матричной форме..........................................................88
Т.7. Электрические цепи трехфазного тока.........................................................89
Трехфазная система..............................................................................................89
Способы соединения обмоток трехфазных генераторов...............................92
Способы соединения фаз трехфазных приемников.......................................95
Расчет сложных трехфазных цепей...................................................................99
Мощность трехфазной цепи и способы ее измерения..................................101
Вращающееся магнитное поле..........................................................................105
Теоретические основы метода симметричных составляющих...................107
Расчет режима симметричной трехфазной нагрузки при
несимметричном напряжении..............................................................................110
Расчет токов коротких замыканий в энергосистеме методом симметричных составляющих.............................................................................112
Фильтры симметричных составляющих.....................................................115
Введение
Общие сведения о дисциплине
Электротехникой в широком смысле слова называется обширная область практического применения электромагнитных явлений. Широкое и разнообразное использование электрической энергии объясняется тем, что она имеет огромное преимущество перед другими формами энергии. Электрическая энергия сравнительно просто получается из других форм энергии, передается на любые расстояния и легко преобразуется в другие формы энергии. Она может существовать в самых различных количествах и использоваться достаточно экономно. Только на базе электричества оказалось возможным широкое развитие новейших научно-технических направлений в радиоэлектронике, в технике связи, в области компьютерных технологий. Трудно представить жизнь современного человека без использования электрической энергии.
Теоретические основы электротехники (ТОЭ) – теоретический курс, в котором в обобщенной форме рассматриваются теория и методы расчета разнообразных электромагнитных явлений. Курс ТОЭ занимает основное место среди общетехнических дисциплин, определяющих теоретический уровень профессиональной подготовки инженеров-электриков, является теоретической базой для последующего изучения специальных дисциплин. При изложении курса ТОЭ предполагается знание студентами курса физики, в частности, таких ее разделов, как электричество и магнетизм, а также курса высшей математики, в частности, таких ее разделов, как теория матриц, дифференциальные уравнения и методы их решения (особенно численные), теория функций комплексного переменного, преобразование Фурье-Лапласа, теория поля. При изучении курса ТОЭ предполагается широкое применение современных компьютерных технологий.
Электротехники, как научное направление, сформировалось сравнительно недавно, хотя первые сведения об электрических и магнитных явлениях дошли до нас из глубокой древности. Слово «электричество» произошло от греческого названия янтаря – электрон. Еще в древности было известно свойство натертого янтаря притягивать легкие предметы. Слово «магнит» произошло от имени пастуха Магниса, которое упоминается в древне-римской философии Плиния. Магнис обнаружил, что железный наконечник его посоха прилипает к неведомым камням.
Однако настоящее рождение электротехники произошло только в ХIХ веке. Ниже приводятся основные (этапные) вехи развития теоретической электротехники.
1747 – 1753 гг. Франклин создает теорию жидкого электричества. Введение в науку понятий батарея, конденсатор, проводник, заряд, разряд, обмотка. Изобретен молниеотвод.
1785 г. Кулон устанавливает взаимодействие электрических зарядов.
1800 г. Вольт создает первую батарею постоянного тока – вольтов столб.
1820 г. Эрстед устанавливает связь между электрическими и магнитными явлениями. Ампер вводит понятия силы тока и формулирует свои законы.
1831 г. Фарадей открывает явление электромагнитной индукции – одно из величайших открытий в области электротехники.
1873 г. Максвелл создает теорию электромагнитного поля – электродинамику, которая практически в неизменном виде применяется до настоящего времени.
1889 г. Герц открывает явление излучения радиоволн.
1891 г. Доливо-Добровольский создает трехфазную систему переменного тока для энергетики.
1912 г. Штейнметц разрабатывает комплексный метод расчета цепей переменного тока.
1800 – 1880 гг. – период формирования теории цепей постоянного тока.
1880 – 1915 гг. – период формирования теории цепей переменного тока и теории электромагнитного поля.
Курс ТОЭ как самостоятельная учебная дисциплина сформировался в период 1900 – 1915 гг.
Методическое обеспечение.
1.Нейман Л.Р.,Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Т.1.
Л.:Энергоиздат,1981.-536с.
2.Нейман Л.Р.,Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники. Т.2.-Л.:Энергоиздат,1981.-416с.
3.Теоретические основы электротехники. Т1.Под ред. П.А.Ионкина. М.:Высшая школа,1976.-544с.
4.Теоретические основы электротехники.Т2.Под ред. П.А.Ионкина. М.:Высшая школа,1976.-383с.
5.Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Ч.1.-М.:Высшая школа,1994.-560с.
6.Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. Ч.2.-М.:Высшая школа,1995.-263с.
7.Зевеке Г.В.,Ионкин П.А.,Нетушил А.В.,Страхов С.В. Основы теории цепей.-М. Энергоатомиздат,1989.-528с.
8.Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники. Под ред. проф.П.А.Ионкина.-М.:Энергия,1982.-768с.
9.Бессонов Л.А., Демидова И.Г. и др. Сборник задач по теоретическим основам электротехники. -М.: Высшая школа,1980.-570с.
