МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ

ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ

И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УРАЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ

Кафедра «Пожарная безопасность в электроустановках» лекция

по дисциплине «Электротехника и электроника»

РАЗДЕЛ № 1.Электротехника

ТЕМА № 1. Линейные электрические цепи постоянного тока

ЗАНЯТИЕ 1.4 Методы расчета электрических цепей постоянного тока

Цели занятия:

1. учебные – формирование у обучающихся системы знаний о режимах работы электрической цепи, законах Кирхгофа, методах расчета линейных и нелинейных электрических цепей постоянного тока;

2. воспитательная – развитие культуры умственного труда, культуры письменной речи, поведения на занятиях;

3. развивающие – развитие навыков учебного труда (выделить главную мысль, отвечать на поставленные вопросы), познавательных способностей обучающихся.

Методы, применяемые на занятии: лекция с элементами эвристической и катехизической беседы.

Время: 2 часа (90 мин).

Место проведения: ауд. Л-III.

Учебно-материальное обеспечение: мультимедийный проектор, презентационное сопровождение лекции.

Литература, использованная при подготовке лекции:

Основная

1. Электротехника и электроника: рабочая программа цикла по специальности 280104.65 – Пожарная безопасность. Екатеринбург: УрИ ГПС МЧС России, 2009. 25 с.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника и электроника: учеб. М.: Академия, 2005. 9-е изд. С. 4–34.

Дополнительная

3. Данилов И.А. Общая электротехника с основами электроники: учеб.

пособие. М.: Высш. шк., 2008. С. 6-23, 50-78.

План лекции:

1.Организационная часть лекции: принимается рапорт о готовности курсантов к занятию, отмечаются в журнале отсутствующие, записывается тема занятия(время 10 мин.)

2. Введение (5 мин.). В данной лекции мы рассмотрим характеристики линейных и нелинейных элементов электрической цепи. Проанализируем режимы работы источников питания. Умение анализировать режимы источников питания позволит успешно освоить материал, касающийся принципа работы электрических машин и трансформаторов. В основу практически всех методов расчета электрических цепей постоянного тока положены первый и второй законы Кирхгофа. Наряду с линейными элементами мы рассмотрим методы анализа и расчета нелинейных цепей электрического тока, которые составляют основу электронных устройств и получили широкое распространение в пожарной автоматике, устройствах связи.

Вопросы лекции:

1. Режимы работы электрической цепи.

2. Первый и второй законы Кирхгофа. Баланс мощностей. Метод узловых и контурных уравнений.

3. Линейные и нелинейные элементы электрической цепи.

4. Графический метод расчета нелинейных электрических цепей.

Вопрос №1. Режимы работы электрической цепи (20 мин.)

Закон Ома позволяет установить связь между ЭДС источника и напряжением на его зажимах.

где IR – падение напряжения в сопротивлении R, т.е. во внешней части цепи, или, иначе, напряжение на зажимах источника U;

Ir₀=U_вт – падение напряжения в сопротивлении r₀, т.е. внутри источника питания; оно определяет часть ЭДС, которая расходуется на прохождение тока через внутреннее сопротивление источника энергии.

Различают следующие режимы работы источника энергии: нормальный, номинальный, согласованный, холостого хода и короткого замыкания (табл. 1).

Источники питания, как и приемники электрической энергии, характеризуются следующими параметрами: 1) номинальным током I_н, который при длительном прохождении вызывает предельно допустимое нагревание; 1) номинальным напряжением U_н, на которое рассчитан и изготовлен источник или приемник; 3) номинальной мощностью Р_н, равной произведению U_н и I_н, т.е. Р_н=U_н·I_н.

Режим работы, при котором ток, напряжение и мощность того или иного элемента цепи равны его номинальным значениям, называется номинальным режимом.

Режим цепи, при котором сопротивление приемника равно сопротивлению всей остальной цепи (R=r₀), называется согласованным. Такой режим работы предпочтителен только в установках автоматики, телемеханики и электросвязи.

Таблица 1

Нормальный режим
Все элементы цепи работают с параметрами, которые лежат в заданных пределах и не выходят за пределы номинальных значений	U=Uн, I=Iн, Р=Рн
Режим холостого хода
Внешняя цепь разомкнута и тока в цепи нет, вследствие чего напряжение на зажимах источника равно его ЭДС	U=Е, I=0, Рист=0, Rнагр=∞
Режим короткого замыкания
Сопротивление внеш­ней цепи практически равно нулю	U=0, Iкз=Е/r0, Р=Е^2/r0, Rнагр=0

Короткое замыкание (КЗ) является аварийным режимом.

Коротким замыканием называется непосредственное соединение двух проводов, участков электрической цепи или выводов, потенциалы которых различны, или если они соединены проводником с ничтожно малым сопротивлением.

Причинами КЗ являются:

• неправильные действия персонала, обслуживающего электротехнические установки (рис. 8, а);

• повреждение изоляции проводов (рис. 8, б);

• соединение друг с другом проводов, связывающих источник с приемником, так как эти провода имеют обычно незначительное сопротивление и его можно принять равным нулю (рис. 8, в).

Т.к. I_кз=Е/r₀, а внутреннее сопротивление источника очень мало, то при этом режиме возникает большой ток, который может привести в негодность как сам источник, так и включенные в цепь приборы, аппараты и провода. Токи короткого замыкания могут достигать очень больших значений, в десятки раз превышающих наибольший допустимый ток установки. Лишь для некоторых специальных генераторов, например сварочных, короткое замыкание не представляет опасности и является рабочим режимом.

Рис. 8. Возможные причины короткого замыкания

в электрических установках

Свойства источника электрической энергии определяет зависимость напряжения на зажимах источника U от тока I или U(I) определяет внешняя характеристика источника.

Как уже говорилось выше, элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. В свою очередь, активные элементы электрической цепи постоянного тока подразделяются на источники ЭДС или напряжения и источники тока.

Источник напряжения или ЭДС − элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от сопротивления нагрузки (или от тока нагрузки) (табл. 1).

Идеальный источник напряжения (источник ЭДС) является физической абстракцией, то есть подобное устройство не может существовать, т.к. в реальности, любой источник ЭДС обладает внутренним сопротивлением r₀. Следует отметить, что внутреннее сопротивление — это исключительно конструктивное свойство источника энергии.

Внутреннее сопротивление идеального источника ЭДС много меньше сопротивления внешней цепи R (r₀<<R, следовательно, r₀=0), поэтому U=E – постоянное и не зависит от тока I.

В реальном источнике ЭДС напряжение на выводах источника зависит от сопротивления нагрузки.

Идеальный источник тока − элемент с двумя зажимами, ток во внешней цепи которого не зависит от сопротивления нагрузки (или от напряжения на нагрузке) (табл. 2).

Источник тока – это именно источник стабильного тока, а не ЭДС. Поэтому глупо говорить про напряжение источника тока, оно просто не существует. Напряжение возникает лишь на нагрузке при протекании через неё этого самого тока. Источник тока обладает огромным внутренним сопротивлением и очень большой мощностью.

Внутреннее сопротивление идеального источника тока много больше сопротивления внешней цепи R (r₀>>R), поэтому ток источника I≈E/r₀=I_кз=J=const.

В реальном источнике тока ток во внешней цепи зависит от сопротивления нагрузки.

Таблица 2

Вид источника	Схема замещения	Внешняя характеристика	Математическое описание
Идеальный источник ЭДС			U=E=const
Реальный источник ЭДС
Идеальный источник тока			I≈E/r0=Iкз=J=const
Реальный источник тока

Ранее мы рассматривали простую электрическую цепь, т.е. цепь с одним источником питания и содержащую только один контур. Электрическую цепь с двумя и более источниками электрической энергии, а также содержащую два и более контуров, называют сложной электрической цепью.

Источники, ЭДС которых совпадет с направлением тока, работают в режиме генератора, т.е. источника электроэнергии. Источники, ЭДС которых не совпадает с направлением тока, работают в режиме потребителя электроэнергии). Посмотрите на рисунок и ответьте, в каких режимах работают источники ЭДС, изображенные на рис. 9.

Рис. 9. Электрическая цепь с двумя источниками питания

Например, когда аккумуляторная батарея сотового телефона разряжается, мы включаем ее для зарядки в электрическую сеть. В этом случае источник ЭДС – аккумуляторная батарея – работает в режиме потребителя электроэнергии.

Вывод по первому вопросу: закон Ома устанавливает зависимость напряжения на зажимах источника от сопротивления внешней цепи. Различают пассивные и активные элементы электрической цепи. Активные элементы, в свою очередь, делятся на источники ЭДС и источники тока. Последние получили большое распространение в электронике. Каждый источник ЭДС может работать в режиме генератора и потребителя электроэнергии.