Кафедра электрооборудования судов и автоматизации производства

Министерство аграрной политики Украины

Керченский государственный морской технологический университет

 

Кафедра электрооборудования судов и автоматизации производства

Электротехника и электроника

 

Конспект лекций

для студентов неэлектрических специальностей

 

 

Керчь, 2009

Автор: Голиков С.П., к.т.н., доцент кафедры ЭСиАП КГМТУ.

Рецензенты: Дворак Н.М., к.т.н., доцент кафедры ЭСиАП КГМТУ;

Гильдебрандт А.И., к.в.н., доцент ХНТУ.

 

Конспект лекций рассмотрен и одобрен на заседании кафедры ЭСиАП КГМТУ,

протокол № 9 от 15.05.2009г.

 

Конспект лекций рассмотрен и рекомендован к утверждению на заседании методической комиссии МФ КГМТУ,

протокол № 8 от 20.05.2009г.

 

 

Конспект лекций утвержден на заседании Методического совета МФ КГМТУ,

протокол №6 от 26.06.2009г.

 

ã Керченский государственный морской технологический университет

Содержание

 

 

Введение	5
1. Основные понятия и определения	6
1.1. Общие сведения	6
1.2. Резистивные элементы	7
1.3. Индуктивный и емкостный элементы	9
1.4. Источники постоянного напряжения	10
2. Электрические цепи постоянного тока	11
2.1. Общие сведения	11
2.2. Законы Кирхгофа	13
2.2.1. Первый закон Кирхгофа	13
2.2.2. Второй закон Кирхгофа	13
2.3. Распределение потенциала вдоль электрической цепи	14
2.4. Последовательное и параллельное соединения резистивных элементов	15
2.4.1. Последовательное соединение	15
2.4.2. Параллельное соединение	16
2.5. Соединение резисторов треугольником и звездой	18
2.6. Электрическая энергия и мощность	19
2.7. Номинальные величины источников и приемников. Режимы работы электрических цепей	21
3. Линейные однофазные электрические цепи синусоидального тока	21
3.1. Основные величины, характеризующие синусоидальные ток, напряжение и ЭДС	21
3.1.1. Мгновенное значение.	22
3.1.2. Действующее и среднее значения синусоидальных токов и напряжений.	24
3.1.3. Изображение синусоидальных токов, напряжений и ЭДС комплексными числами и векторами	26
3.2. Элементы электрических цепей синусоидального тока	27
3.2.1. Резистивный элемент (РЭ).	27
3.2.2. Индуктивный элемент.	29
3.2.3. Емкостный элемент.	32
3.3. Расчет неразветвленной электрической цепи синусоидального тока	34
3.4. Мощность в линейных цепях синусоидального тока	38
4. Трехфазные линейные электрические цепи синусоидального тока	39
4.1. Трехфазный источник электрической энергии	39
4.2. Анализ электрических цепей при соединении трехфазного источника и приемника по схеме «звезда» с нулевым проводом	41
4.3. Соединение приемника по схеме «треугольник»	43
4.4. Мощность трехфазной цепи	45
4.4.1. Трехфазная электрическая цепь с симметричным приемником	45
5. Электрические измерения и приборы	46
5.1. Системы электрических измерительных приборов	46
5.2. Основные характеристики электрических измерительных приборов	50
5.2.1. Статическая характеристика.	50
5.2.2. Погрешность.	50
5.2.3. Класс точности.	52
5.2.4. Вариация	52
5.2.5. Цена деления	52
5.2.6. Предел измерения	53
5.2.7. Чувствительность	53
5.3. Измерение тока, напряжения и мощности	53
5.3.1. Измерение тока	53
5.3.2. Измерение напряжения	56
5.3.3. Измерение мощности электрического тока	57
6. Электрические трансформаторы	59
6.1. Общие сведения	59
6.2. Принцип действия электрического трансформатора	60
6.3. Работа электрического трансформатора в режиме холостого хода	62
6.4. Опыт короткого замыкания	64
6.5. Мощность потерь в трансформаторе	66
6.6. Автотрансформаторы	67
7.Электрические машины	69
7.1. Общие сведения	69
7.2. Вращающееся магнитное поле	70
7.3. Асинхронные машины	72
7.3.1. Принцип действия асинхронного двигателя (АД)	72
7.3.2 Устройство асинхронного двигателя	73
7.3.3 Характеристики асинхронного двигателя	74
7.4. Машины постоянного тока	77
7.4.1 Общие понятия об устройстве машин постоянного тока и принципе их действия	77
7.4.2. ЭДС обмотки якоря и электромагнитный момент	79
7.4.3. Электрические двигатели постоянного тока	81
7.4.4. Способы регулирования скорости двигателя постоянного тока	82
7.4.5. Пуск электродвигателей постоянного тока	84
8. Основы промышленной электроники	86
8.1. Общие сведения	86
8.2. Полупроводниковые диоды	87
8.3. Выпрямители на полупроводниковых диодах	88
8.4. Транзисторы	92
8.4.1. Общие сведения	92
8.4.2 Усилители на транзисторах	93
9. Электробезопасность	95
9.1. Общие сведения	95
9.2. Защитное заземление	96
9.3. Зануление	98
9.4. Конструкция заземлителя	99
Список использованной литературы	101

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение высоковольтных ЛЭП постоянного тока большой протяжен­ности экономически оказывается более целесообразно, чем ЛЭП перемен­ного тока.

Первые шаги электротехники были связаны с освоением энергии по­стоянного тока, которая вырабатывалась гальваническими элементами.

В настоящее время основными источниками постоянного тока (ИПТ) являются выпрямительные преобразователи (выпрямители), химические аккумуляторы, электромашинные генераторы постоянного тока.

Развиваются и совершенствуются новые виды ИПТ:

- источники, преобразующие лучистую энергию Солнца при помощи фо­тоэлементов, являющихся основными источниками электрической энер­гии космических аппаратов;

- магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы);

- имеются сообщения о создании в США электрохимических ИПТ для электромобилей, в которых электрическая энергия будет получаться в результате реакции кислорода атмосферного воздуха с бензиновым то­пливом.

В электротехнике решаются две задачи:

- синтез электротехнических устройств;

- анализ этих устройств.

Задача синтеза решается при создании новых устройств конструкто­рами. Это - наиболее сложная задача. Анализ работы электроустройств чаще всего необходимо проводить уже при их эксплуатации, поэтому су­ществуют типовые задачи анализа.

Как правило, задача анализа состоит в определении токов и напря­жений на всех участках электрической цепи. При этом конфигурация цепи и параметры ее элементов (ВАХ источников и потребителей энергии, элек­трические сопротивления токопроводов и др.) считаются известными.

Как уже отмечалось, при анализе (расчете режима работы) электри­ческой цепи необходимо эту цепь представить и изобразить графически схемой, в которой элементы электрической цепи представлены в виде со­единений идеализированных элементов - резистивного R, индуктивного L, и емкостного С, а источники электрической энергии представляются как последовательное соединение ЭДС и внутренних сопротивлений этих ис­точников.

Однако при анализе электрических цепей постоянного тока, пассив­ными элементами схем являются только резистивные элементы, т.к. сопро­тивления индуктивных элементов (XL =ωL) постоянному току равны ну­лю, а сопротивления емкостных элементов (Хс = 1 /(ωС)) при этом равны бесконечности, так что емкостные элементы разрывают электрические це­пи постоянного тока.

 

Законы Кирхгофа

Законы Кирхгофа лежат в основе анализа электрических цепей.

Первый закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю. Математически это записывается так:

                                                                    (2.1)

Всем токам, направленным от узла, в уравнении (2.1) приписывается одинаковый знак, например, положительный, тогда все токи, направлен­ные к узлу, войдут в уравнение с отрицательным знаком.

 

 

Рисунок 2.1 - Иллюстрация к первому закону Кирхгофа.

На рисунке 2.1 показан узел, в котором сходятся четыре ветви. Урав­нение (2.1) в этом случае принимает вид:

- /₁ - /₂ + /₃ + /₄ = 0,

Первый закон Кирхгофа отражает тот факт, что в узле электрический заряд не накапливается и не расходуется. Сумма электрических зарядов, приходящих к узлу, равна сумме зарядов, уходящих от узла за один и тот же промежуток времени.

Второй закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма ЭДС в любом контуре цепи равна алгебраи­ческой сумме напряжений на элементах этого контура:

                                (2.2)

Если в рассматриваемом контуре отсутствуют ЭДС, то уравнение (2.2) принимает вид:

                                         (2.3)

 

 

Обход контура совершается в произвольно выбранном направлении. При этом ЭДС и напряжения, совпадающие с направлением обхода, берут­ся с одинаковыми знаками, например, со знаками «+».

Например, для схемы (рисунок 2.2) имеем:

Е₁-Е₂ = U ₁ + U ₂ + U ₃ - U ₄

Второй закон Кирхгофа можно применять и для контуров, которые состоят не только из участков схемы, но и из напряжений между какими-либо точками схемы.

Так для контура 4-5-3-6-4, состоящего из участка цепи 4-5-3 и на­пряжения 4-6-3, можно составить уравнение:

Е₂ = - I ₃ R ₃ - U _43,

где U ₄₃ - напряжение между точками 4 и 3 схемы, В.

 

 

Рисунок 2.2 - Иллюстрация ко второму закону Кирхгофа.

Параллельное соединение

При параллельном соединении элементов (рисунок 2.5,а) к ним при­ложено одно и то же напряжение.

На основании первого закона Кирхгофа можно записать

I = I₁ + I ₂

или

                                                            (2.8)

откуда

где R ₁₂ - общее эквивалентное сопротивление цепи, Ом.

 

 

а)                                     б)

Рисунок 2.5 - Схема ЭЦ с параллельным соединением резисторов (а) и упрощенная схема этой цепи с эквивалентным сопротивлением (б)

Выражение (2.8) можно распространить на случай п параллельно соединенных резистивных элементов. Тогда

                                      (2.9)

Если вместо сопротивлений резисторов ввести понятие электриче ской проводимости, равной G _{1,2,… n} = G ₁ + G ₂ = — и т.д., получим:

R_l         R₂

Gi,2,..., _n = G_l + G ₂ +... + G_n,                                   (2.10)

Общая эквивалентная проводимость G _{1,2,… n} электрической цепи, со стоящей из п параллельно соединенных резистивных элементов, равна сумме их проводимостей G_l + G ₂ +... + G_{n .}.

Параллельное включение - основой способ включения в ЭЦ различ­ных приемников (потребителей) электрической энергии.

Цепь, питающая током какой-нибудь населенный пункт, представля­ет собой систему параллельно соединенных приемников электрической энергии. Основная линия распадается на параллельные линии, идущие к

 

 

 

 

 

Общие сведения

Электрический трансформатор - электромагнитное устройство, пре­образующее напряжение и ток одного уровня в напряжение и ток другого уровня при неизменной частоте и малой потере мощности.

Генераторы электрических станций вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6, 10, 15 кВ, так как на более высокие напряже­ния конструировать электрогенераторы сложно в связи с трудностью обес­печить хорошую изоляцию обмоток.

В то же время в линиях электропередачи применяют напряжения до 110, 220, 400, 500 кВ и более, чтобы уменьшить силу тока в линии, а зна­чит и сечение проводов, что позволяет резко снизить мощность потерь и стоимость линий электропередач.

Таким образом, необходимы повышающие трансформаторы, уве­личивающие напряжение генераторов электрических станций до напряже­ния линий электропередач.

В местах же потребления электрической энергии, на производстве, в быту и так далее необходимы понижающие трансформаторы, чтобы иметь напряжения 380, 220, 127 В и менее.

Электрические трансформаторы имеют высокий коэффициент по­лезного действия, доходящий до 99 % и высокую надежность, так как не содержат движущихся частей.

Изобрел электрический трансформатор в 1876 году П.Н. Яблочков, который в своих работах по электрическому освещению встретился с не­обходимостью обеспечить автономную работу нескольких светильников с разным напряжением от одного генератора.

В 1891 году М.О. Доливо-Добровольским была разработана конст­рукция первого трехфазного электрического трансформатора, после че­го применение электротрансформатора стало резко возрастать.

Простейший однофазный электрический трансформатор (рисунок 6.1) состоит из двух обмоток, размещенных на ферромагнитном маг-нитопроводе, который набран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0.3-0.5 мм, с целью уменьшения потерь на вихревые токи (потерь в стали) Р_с.

Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии (генератору) или к линии электропередач (электрической сети) называется первичной (входной). Обмотка, к которой подключается приемник электриче­ской энергии — вторичной (выходной).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обе части асинхронного двигателя собираются из листов электро­технической стали толщиной 0,5 мм. Эти листы для уменьшения потерь на вихревые токи изолированы друг от друга слоем лака.

Неподвижная часть машины называется статором, а вращающаяся -ротором (от латинского stare - стоять и rotate - вращаться).

а)                              б)

1 - статор; 2 - ротор; 3 - вал; 4 - витки обмотки статора; 5 - витки обмотки ротора.

Рисунок 7.5 - Схема устройства асинхронного двигателя: попереч­ный разрез (а); обмотка ротора (б).

В пазах с внутренней стороны статора уложена трехфазная обмотка, токи которой возбуждают вращающееся магнитное поле машины. В пазах ротора размещена вторая обмотка, токи в которой индуктируются вра­щающимся магнитным полем.

Магнитопровод статора заключен в массивный корпус, являющийся внешней частью машины, а магнитопровод ротора укреплен на валу.

Роторы асинхронных двигателей изготавливаются двух видов: ко-роткозамкнутые и с контактными кольцами. Первые из них проще по уст­ройству и чаще применяются.

Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой цилиндриче­скую клетку («беличье колесо») из медных шин или алюминиевых стерж­ней, замкнутых накоротко на торцах двумя кольцами (рисунок 7.5,6). Стержни этой обмотки вставляются без изоляции в пазы магнитопровода.

Применяется также способ заливки пазов магнитопровода ротора расплавленным алюминием с одновременной отливкой и замыкающих ко­лец.

Общие сведения

Промышленная электроника - наука о применении электронных приборов и устройств в промышленности.

В промышленной электронике можно выделить три области:

- информационную электронику (ИЭ);

- энергетическую электронику (ЭЭ);

- электронную технологию (ЭТ).

Информационная электроника является основой электронно-вычислительной, информационно-измерительной техники и автоматизации производства.

Энергетическая электроника является основой устройств и систем преобразования электрической энергии средней и большой мощностей. Сюда относятся выпрямители, инверторы, мощные преобразователи часто­ты и др.

Электронная технология включает в себя методы и устройства, ис­пользуемые в технологических процессах, основанные на действии элек­трического тока и электромагнитных волн различной длины (высокочас­тотный нагрев и плавка, ультразвуковая резка и сварка и т.д.), электронных и ионных пучков (электронная плавка, сварка и т.д.).

Главные свойства электронных устройств (ЭУ):

- высокая чувствительность;

- быстродействие;

- универсальность.

Чувствительность электронных устройств - это абсолютное значение входной величины, при котором электронное устройство начинает рабо­тать. Чувствительность современных электронных устройств составляет 10^-17 А по току, 10^-13 В по напряжению, 10^-24 Вт по мощности /3/.

Быстродействие электронных устройств обусловливает их широкое применение в автоматическом регулировании, контроле и управлении быстропротекающими процессами, достигающими долей микросекунды.

Универсальность заключается в том, что в электронных устройствах используется электрическая энергия, которая сравнительно легко получа­ется из различных видов энергии и легко преобразуется в другие виды энергии, что очень важно, т.к. в промышленности используются все виды энергии.

В настоящее время широкое применение в промышленной электро­нике находят полупроводниковые приборы, т.к. они имеют важные досто­инства:

высокий КПД;

долговечность;

 

 

надежность;

малые масса и габариты.

Одним из главных направлений развития полупроводниковой электроники в последние десятилетия являлись интегральная микроэлектро ника.

В последние годы широкое применение получили полупроводниковые интегральные микросхемы (ИС).

Микросхема - микроминиатюрный функциональный узел электронной аппаратуры, в котором элементы и соединительные провода изготавливаются в едином технологическом цикле на поверхности или в объеме полупроводника и имеют общую герметическую оболочку.

В больших интегральных схемах (БИС) количество элементов (резисторов, диодов, конденсаторов, транзисторов и т.д.) достигает нескольких сотен тысяч, а их минимальные размеры составляют 2...3 мкм. Быстродействие БИС привело к созданию микропроцессоров и микрокомпьютеров.

В последнее время широкое развитие получил новый раздел науки и техники - оптоэлектроника. Физическую основу оптоэлектроники составляют процессы преобразования электрических сигналов в оптические и обратно, а также процессы распространения излучения в различных средах.

Оптоэлектроника открывает реальные пути преодоления противоре­чия между интегральной полупроводниковой электроникой и традиционными электрорадиокомпонентами (резисторы переменные, кабели, разъемы, ЭЛТ, лампы накаливания и т.д.).

Преимуществом оптоэлектроники являются неисчерпаемые возможности повышения рабочих частот и использование принципа параллельной обработки информации.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод (ПД) - прибор с одним р-п переходом и

двумя выводами.

Он хорошо пропускает ток одного направления и плохо пропускает ток противоположного направления.

Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами полу­проводникового диода называются прямыми 1_пр и обратными 1_обр токами, прямыми U _пр   и обратными U_{o 6} напряжениями.

На рисунке 8.1 приведено условное изображение полупроводникового диода в схемах электрических цепей и его идеализированная вольтам-перная характеристика (ВАХ).

Прямой ток 1_пр в ПД направлен от одного вывода (анода) к другому (катоду).

 

Анализ ВАХ ПД позволяет сделать вывод, что ПД - нелинейный элемент и сопротивление его зависит от величины и направления тока.

Так прямое сопротивление ПД составляет обычно не выше несколь­ких десятков Ом, а обратное сопротивление не ниже нескольких сотен кОм.

Вольтамперная характеристика ПД имеет ярко выраженные три уча­стка, которые называются прямой (I), обратной (II) ветвями и ветвью ста­билизации (III).

Полупроводниковые диоды, у которых рабочим участком является участок стабилизации III, называются стабилитронами. Они имеют значи­тельное обратное сопротивление и применяются в схемах стабилизации напряжения.

Рисунок 8.1 - Вольтамперная характеристика ПД и его условное обозначение.

Транзисторы

Общие сведения

Транзисторы (Т) - полупроводниковые приборы, служащие для уси­ления мощности электрических сигналов. По принципу действия транзи­сторы делятся на биполярные и полевые (униполярные).

а)                                     б)

Рисунок 8.5 - Структура биполярного транзистора типов р-п-р (а), п-р-п (б) и их условное обозначение.

Биполярный транзистор (БТ) - представляет собой трехслойную структуру (рисунок 8.5) В зависимости от способа чередования слоев БТ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 9.1 - Схемы электрической цепи при пробое изоляции и по­падании человека под напряжение при отсутствии за­земления (а) и при наличии заземления (б).

Зануление

Зануление выполняется в четырехпроводной системе трехфазного тока и имеет ту же цель, что и заземление.

Зануление корпусов оборудования производится путем их присоеди­нения к нейтральному проводу.

Пробой изоляции в этом случае приводит к короткому замыканию, что вызывает огорание плавких предохранителей и отключение повреж­денного участка.

Зануление и заземление обязательно во всех производственных по­мещениях, где напряжение 127 В и выше, за исключением сухих контор­ских помещений с деревянным полом, где заземление и зануление обяза­тельно лишь при напряжении 380 В и выше.

 

 

Заземлению и занулению подлежат корпуса двигателей, станины станков, конструкции распределительных устройств, осветительная арма­тура, корпуса и магнитопроводы трансформаторов и т.п.

Конструкция заземлителя

Устройство заземляющего устройства (ЗУ) определяется удельным сопротивлением грунта и геометрическими размерами заземлителя.

ЗУ, состоящее из одиночного заземлителя, имеет значительное со­противление и неблагоприятный характер распределения напряженности электрического поля в зоне растекания тока короткого замыкания. Поэто­му ЗУ состоит из нескольких заземлителей. При этом общее сопротивле­ние ЗУ снижается и определяется по формуле

где R_{Q 3} - сопротивление одиночного заземлителя, Ом;

п - число заземлителей;

η - коэффициент использования заземлителей, определяемый по гра­фикам и таблицам в зависимости от конструкции ЗУ.

При расчете ЗУ необходимо знать удельное сопротивление грунта в том месте, где будет проходить заземляющая линия и где заложены зазем-лители. На нефтяных промыслах, например, грунт может оказаться пропи­танным нефтью, в результате чего его удельное сопротивление резко воз­растает, и необходимое сопротивление ЗУ4-10 Ом получить трудно. В та­ких случаях забивают заземлители в более глубокие слои грунта, не про­питанные нефтью или относят их в другое более отдаленное место. Анало­гичные меры применяют в районах со скалистым грунтом, в районах веч­ной мерзлоты и т.п.

При сооружении ЗУ необходимо максимально использовать имею­щиеся естественные заземлители: металлические конструкции зданий и сооружений, имеющие соединения с землей; свинцовые оболочки кабелей, проложенных в земле; обсадные труды; водопроводные и другие металли­ческие трубопроводы (кроме трубопроводов горючих жидкостей, горячей воды, а также горючих или взрывчатых газов и т.д).

В качестве искусственных заземлителей рекомендуется применять вертикальные стальные трубы либо горизонтально проложенные стальные полосы. Стальные трубы диаметром 38-50 мм, длиной 2-3 м и толщиной стенок не менее 3,5 мм забивают в землю на глубину от поверхности земли до верхнего конца трубы 0,5-0,8 м. Для уменьшения взаимного экраниро­вания труб их следует располагать на расстоянии друг от друга не менее одной длины трубы. Вместо труб допускается использовать круглую сталь диаметром не менее 25 мм или уголковую сталь 20x30x3 мм.

Для создания полосовых заземлителей применяют стальные полосы шириной 20-40 мм и толщиной не менее 4 мм, укладываемые в траншеи глубиной 0,5-0,8 м. Такие же полосы применяют для соединения друг с другом трубчатых заземлителей. Полосы соединяют между собой и с тру­бами заземлителей сваркой.

Каждый заземляемый элемент установки присоединяют к ЗУ или за­земляющей магистрали при помощи отдельного ответвления.

Последовательное включение в заземляющий провод нескольких за­земляемых участков не допускается, т.к. при таком соединении в случае обрыва заземляющего ответвления все заземляемые участки окажутся незаземленными.

Площадь сечения заземляющих проводников должна удовлетворять требованиям Правил устройства электроустановок (обычно не менее 24 мм²).

 

 

Список использованных источников

 

 

1. Электротехника: Учебное пособие для неэлектротехн. cпец. вузов /А.С.Касаткин, М.В.Немцов. – 4-е изд., перераб.– М: Энергоатомиздат, 1983. – 440 с.

2. Борисов Ю.М. Электротехника: Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб.– М: Энергоатомиздат, 1985. – 335 с.

3. Блажкин А.Т. Общая электротехника: Учебн. пособ. для неэлектротехн. спец. вузов. /А.Т.Блажкин, В.А.Бесекерский и др. – 4-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 159 с.

4. Глазенко Т.А., Прянишников В.А. Электротехника и основы электроники. – М.: Высшая школа, 1996. –356 с.

5. Основы промышленной электроники / Под ред. В.В.Герасимова. – М.: Высшая школа, 1986. – 572 с.

6 Инженерное оборудование и электроснабжение: Конспект лекций для студентов АСФ /А.В.Желтяков, Б.И. Огорелков, В.Н. Трубникова. – Оренбург: ОГУ, 2000. – 108 с.

 

Ó Голиков Сергей Павлович

 

Министерство аграрной политики Украины

Керченский государственный морской технологический университет

 

Кафедра электрооборудования судов и автоматизации производства