Общие сведения о дисциплине

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.