Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный университет приборостроения и информатики
М. С. Родюков
ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА Основные положения Цепи постоянного тока
Учебное пособие
Москва, 2010
УДК 621.3 ББК 31.2
P60
Рекомендовано к изданию в качестве учебно-методичнского пособия редакционно-издательским советом МГУПИ
Родюков М. С.
P60 Общая электротехника. Основные положения. Цепи постоянного тока: Учебное пособие –– М.: МГУПИ, 2010 г. 67 с.
В учебном пособии, в общем виде изложены основные положения электротехники, даны базовые определения и понятия. Рассмотрены особенности цепей постоянного тока и на их примере приведены основные методы расчёта электрических цепей.
Предназначено для самостоятельной подготовки студентов, изучающих дисциплины «Общая электротехника», «Электротехника и электроника»
УДК 621.3 ББК 31.2
c Родюков М. С., 2010c МГУПИ, 2010
Оглавление
1. Основные положения |
5 |
1.1. Электрическая цепь. Основные понятия и определения . |
5 |
1.1.1. Электрические цепи и схемы. . . . . . . . . . . . . . |
5 |
1.1.2. Основные величины, характеризующие процессы в |
|
электрической цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
7 |
1.1.2.1. Электрический ток . . . . . . . . . . . . . . . . |
7 |
1.1.2.2. Сила тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
8 |
1.1.2.3. Напряжение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
8 |
1.1.2.4.Электродвижущая сила (ЭДС) . . . . . . . . . 10
1.1.2.5.Работа, мощность, КПД . . . . . . . . . . . . . 10
1.1.3.Топологические понятия . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.1.4.Режимы работы электрических цепей. Шунт . . . . 13
1.1.4.1. Номинальный режим . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1.4.2.Согласованный режим . . . . . . . . . . . . . . 14
1.1.4.3.Режим холостого хода . . . . . . . . . . . . . . 15
1.1.4.4.Режим короткого замыкания . . . . . . . . . . 15
1.1.4.5.Сводная таблица параметров основных режи-
мов электрической цепи . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
1.1.4.6. Шунт . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
16 |
1.2.Элементы электрической цепи замещения . . . . . . . . . 17
1.2.1.Пассивные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1.1.Резистивный элемент . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.1.2. Емкостной элемент . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.2.1.3.Индуктивный элемент . . . . . . . . . . . . . . 22
1.2.2.Активные элементы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.2.2.1. Идеальный источник ЭДС . . . . . . . . . . . |
24 |
1.2.2.2. Идеальный источник тока . . . . . . . . . . . |
25 |
1.2.3. Схемы замещения реальных элементов электриче- |
|
ской цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
26 |
1.2.3.1.Активные элементы . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.2.3.2.Пассивные элементы . . . . . . . . . . . . . . . 27
4 |
Оглавление |
1.3.Законы Кирхгофа и Ома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.1.Закон Ома . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
1.3.2.Законы Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.2.1.Первый закон Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.2.2.Второй закон Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . 31
1.4.Эквивалентные преобразования в электрических цепях . 34
1.4.1.Последовательное соединение . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.2.Параллельное соединение . . . . . . . . . . . . . . . 35
1.4.3.Взаимные преобразования источников ЭДС и тока . 36
1.4.4. Соединение сопротивлений звездой и треугольником 37
1.5.Нелинейные электрические цепи . . . . . . . . . . . . . . 40
1.5.1.Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.5.2.Параметры нелинейных элементов . . . . . . . . . . 41
1.5.3.Методы расчёта нелинейных цепей . . . . . . . . . . 43
2. Электрические цепи постоянного тока |
47 |
2.1. Общие сведения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
47 |
2.2.Законы Кирхгофа и Ома для цепей постоянного тока . . 47
2.3.Методы расчета электрических цепей постоянного тока . 48
2.3.1.Метод эквивалентных преобразований (эквивалент-
ного сопротивления) . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
49 |
2.3.2. Методы, основанные на законах Кирхгофа . . . . . |
52 |
2.3.2.1. Метод непосредственного применения законов |
|
Кирхгофа . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
52 |
2.3.2.2.Метод контурных токов . . . . . . . . . . . . . 56
2.3.2.3.Метод узловых потенциалов и метод двух узлов 59
2.3.3.Метод наложения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.3.4.Метод эквивалентного генератора (активного двух-
полюсника) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . |
67 |
Предметный указатель |
70 |
Литература |
72 |
Нормативные документы |
73 |
Глава 1
Основные положения
1.1.Электрическая цепь. Основные понятия и определения
1.1.1. Электрические цепи и схемы.
Электротехника –– это наука о практическом применении электрических и магнитных явлений.
Предметом изучения электротехники являются процессы и явления, происходящие в электрических и магнитных цепях.
Электрическая цепь–– совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении [2].
Всостав электрической цепи входят источники и потребители (нагрузка) электрической энергии, коммутационные устройства и измерительные приборы, а также соединяющие их проводов.
Висточниках происходит преобразование различных видов энергии (чаще всего механической и химической) в электрическую. В потребителях (нагрузке) происходит преобразование электрической энергии в другие виды (механическую–– электродвигатели, световую–– лампы, тепловую –– нагревательные приборы и т. д.). Коммутационные устройства обеспечивают необходимую конфигурацию цепи, а измерительные приборы дают информацию о параметрах электрической цепи.
Взависимости от характерных признаков существует разные классификации электрических цепей:
1.По роду протекающего тока:
•цепи постоянного тока –– цепи, в которых ток, с течением времени, не меняется по величине [2];
6 |
1. Основные положения |
•цепи переменного тока –– цепи, в которых ток, с течением времени, меняется по величине [2].
2.По характеру зависимости между током и напряжением:
•линейные цепи–– цепи, в которых зависимость между током и напряжением имеет линейный характер;
•нелинейные цепи –– цепи, в которых зависимость между током и напряжением, или (и) током и потокосцеплением, или
(и) зарядом и напряжением имеет нелинейный характер [2].
3.По закону изменения тока и напряжения:
•синусоидальные цепи –– цепи, в которых ток и напряжение изменяются по закону синуса (синусоидальный сигнал ещё называется «гармоническим»);
•несинусоидальные цепи –– цепи, в которых ток и напряжение изменяются по закону, отличному от синуса.
4.По наличию источника электрической энергии:
•активные цепи –– электрические цепи, содержащие источники электрической энергии [2];
•пассивные цепи –– электрические цепи, не содержащие источников электрической энергии [2].
5.По влиянию длины цепи на её параметры1:
•электрическая цепь с сосредоточенными параметрами –– электрическая цепь, в которой электрические сопротивления, индуктивности и электрические емкости считают сосредоточенными на отдельных участках этой цепи [2];
•электрическая цепь с распределенными параметрами –– электрическая цепь, в которой электрические сопротивле-
ния, проводимости, индуктивности и электрические емкости распределены вдоль этой цепи [2].
Для удобства представления и анализа электрических цепей используются электрические схемы, на которых элементы электрической цепи изображаются с помощью условных графических обозначений (УГО)2.
1Протяжённость электрической цепи начинает оказывать влияние на её параметры когда длина электромагнитной волны, создаваемой источником электрической энергии, будет сопоставима (или больше) длины цепи.
2Применение и начертание условных графических обозначений регламентируются ЕСКД и приведено в стандартах серии 2.7.