Лекция 1 Линейные электрические цепи постоянного тока

Лекция № 1 Линейные электрические цепи постоянного тока Введение 1. Электрическая цепь: определение, схема замещения электрической цепи, идеальные элементы 2. Идеальные и реальные источники электрической энергии 3. Режимы работы реального источника ЭДС (напряжения) 4. Законы Кирхгофа 5. Анализ сложной цепи с применением законов Кирхгофа

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА - это отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека.

Целью изучения дисциплины "Электротехника и электроника" является теоретическая и практическая подготовка бакалавров и инженеров неэлектротехнических направлений в области электротехники и электроники, которая предполагает умение выбирать необходимые электротехнические, электронные, электроизмерительные устройства, правильно их эксплуатировать и составлять совместно с инженерами-электриками технические задания на разработку электрических частей автоматизированных установок для управления производственными процессами.

Основными задачами изучения дисциплины "Электротехника и электроника» являются формирование у студентов - необходимых знаний основных электротехнических законов и методов анализа электрических, магнитных и электронных цепей; - принципов действия, свойств, областей применения и потенциальных возможностей основных электротехнических, электронных устройств и электроизмерительных приборов; основ электробезопасности; - умения экспериментальным способом и на основе паспортных и каталожных данных определять параметры и характеристики типовых электротехнических и электронных устройств.

1. Электрическая цепь: определение, схема замещения электрической цепи, идеальные элементы Термины и определения основных понятий в области электротехники установлены ГОСТ Р 52002 -2003 «Электротехника. Термины и определения основных понятий» . - М. : Госстандарт России, 2003 г. , которые являются обязательными для применения во всех видах документации и литературы по электротехнике. Некоторые из них приведены ниже.

Линейные электрические цепи постоянного тока Введение 1. Электрическая цепь: определение, схема замещения электрической цепи, идеальные элементы 2. Идеальные и реальные источники электрической энергии 3. Режимы работы реального источника ЭДС (напряжения) 4. Законы Кирхгофа 5. Анализ сложной цепи с применением законов Кирхгофа

- Электрическая цепь; - Электрический ток проводимости; - Электрический ток переноса; - Электрический ток смещения; - Полный электрический ток; - Постоянный электрический ток; - Условное положительное направление тока; - Потенциал электрический (φa); - Напряжение; - Электродвижущая сила (ЭДС).

Обозначения, размерности и единицы электрических величин в системе СИ Ток I [I] = [Q]/[t] = Кл/c = A·c/c = A (ампер) Напряжённость электрического поля Е [Е] = [F]/[Q] = Н/Кл = В×A·c/м·А×c = В/м (вольт на метр) Потенциал электрического поля φ [φ] = [Е] [l] =(В/м)×м = B (вольт) Напряжение U [U] = [W] /[Q] =В·A·c/ A·c = B (вольт) Электродвижущая сила Е [Е] = [W]/[Q] = В·A·c/ А·c = В (вольт)

Десятичные кратные и дольные величины 1 килоампер; 1 к. А [1 k. A] = 103 A; 1 киловольт; 1 к. В [1 k. V] = 103 к. В; 1 миллиампер; 1 м. А [1 m. A] = 10 -3 A; 1 милливольт; 1 м. В (1 m. V) = 10 -3 м. В; 1 микроампер; 1 мк. А [1 m. A] = 10 -6 A; 1 микровольт; 1 мк. В (1 m. V) = 10 -6 мк. В; ПРИМЕЧАНИЕ. Кратные и дольные единицы в принципе следует выбирать таким образом, чтобы числовые значения величины находились в диапазоне от 0, 1 до 1000. Например, 0, 87 м. А; 400 В; 30 н. А и т. д.

Состав электрической цепи Любая электрическая цепь состоит из:

Электрическая цепь Появление электрического тока и напряжений в электрической цепи невозможно без источников электрической энергии, которые преобразуют механическую, тепловую, световую и другие виды энергии в электрическую. При этом в источнике т. н. сторонними ЭДС создаётся электрическое поле с напряжённостью , которое, действуя на заряженные частицы, разделяет их таким образом, что на одном зажиме (положительном, обозначаемом знаком "+") источника скапливаются положительные заряды, а на другом (обозначаемом знаком "-") - отрицательные (электроны).

Электрическая цепь При подключении к зажимам источника энергии объектов и устройств, создающих вместе с источником замкнутый контур - электрическую цепь, в этих устройствах электроны перемещаются от отрицательного зажима источника к положительному, нейтрализуя недостаток электронов на зажиме "+". Но в это же время сторонние силы в источнике разделяют заряды, обеспечивая непрерывное движение зарядов (электрического тока) в цепи. Говорят, что движение электрических зарядов в электрической цепи происходит под действием электродвижущей силы источника.

Схема электрической цепи - это её графическое изображение, содержащее условные обозначения элементов цепи и показывающее соединения этих элементов. ГОСТ 2. 701 -76 устанавливает общие правила выполнения и типы (в зависимости от основного назначения) схем и их шифры.

Электрическая схема • При анализе электрических схем их заменяют схемами замещения. • Схема замещения - это расчетно-математическая модель электрической цепи, содержащая идеализированные пассивные (резистивные, индуктивные и емкостные) и активные (источники напряжения и источники тока) элементы. • Эти элементы являются эквивалентами (моделями) реальных устройств цепи, которым теоретически приписываются определенные электрические и магнитные свойства, отражающие главные (доминирующие) процессы в элементах цепи.

Топологические параметры схем При анализе электрических схем пользуются следующими топологическими параметрами схем: ВЕТВЬ (В) - это участок электрической цепи, по которому протекает один и тот же ток УЗЕЛ (У) - это место соединения ветвей электрической цепи. Место, где объединены две ветви, обычно называют не узлом, а соединением, а узел сводит не менее трех КОНТУР (kн) ветвей- это замкнутый участок цепи. Линейно независимые контуры kн отличаются друг от друга хотя бы одной новой ветвью Примечание. Число независимых контуров в цепи зависит от числа ветвей В и числа узлов У в цепи и равно kн = В - (У - 1).

Пассивные элементы цепи и их характеристики Пассивными называют элементы, которые не способны генерировать электрическую энергию. К пассивным элементам относят: резисторы, индуктивные катушки, конденсаторы.

2. Идеальные и реальные источники электрической энергии + • Электрические генераторы – преобразуют механическую энергию в электрическую; • Аккумуляторы и гальванические элементы – преобразуют химическую энергию в электрическую; • Солнечные элементы – преобразуют световую энергию в электрическую; • Термоэлементы – преобразуют тепловую энергию в электрическую • Различные электронные генераторы – преобразуют электрическую энергию постоянного тока в электрическую Г энергию переменного тока.

Источники напряжения и их характеристики Источник электрического напряжения (ИН) - это источник электрической энергии, характеризующийся электродвижущей силой Е и внутренним электрическим сопротивлением Rвт.

• При подключении к выводам 1 и 2 нагрузки R в замкнутом контуре цепи возникает ток I ; • при этом напряжение на зажимах 1 и 2 уже не будет равно ЭДС Е вследствие падения напряжения Uвт = Rвт I на внутреннем сопротивлении Rвт источника ЭДС: U 12 = U = E - Uвт = E - Rвт. I

3. Режимы работы реального источника ЭДС (напряжения) Холостой ход 1 Короткое замыкание I=0 rэкв UХХ Режим нагрузки 1 1 I rэкв IКЗ Eэкв 2 2 R U=0 Eэкв 2 U

КПД Отношение полезной работы к затраченной называют коэффициентом полезного действия. Полезная работа – электрическая энергия, преобразованная в приемниках в другие виды (тепловая и механическая). Затраченная работа – электрическая энергия, обусловленная источниками. 1 r I E Rп U рд 2 Rп рд I 3 U 3 I R пр

4. Законы Кирхгофа

Закон Ома для участка (ветви) цепи б а Участок цепи без ЭДС стороннего источника (1) (2)

Закон Кирхгофа для токов алгебраическая сумма токов сквозь любую замкнутую поверхность равна нулю или алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле равна нулю При этом знак тока определяется по ориентации к поверхности или к узлу. Например, ток, направленный от поверхности наружу или от узла, считается положительным, а ток, направленный внутрь поверхности или к узлу – отрицательным.

Закон Кирхгофа для напряжений • алгебраическая сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю • алгебраическая сумма напряжений в замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС источников

Закон Джоуля-Ленца в проводнике скорость преобразования энергии электрического тока в тепловую пропорциональна сопротивлению проводника и квадрату тока скорость преобразования энергии называется электрической мощностью

Баланс мощностей E I U I E R UE

5. Анализ сложной цепи с применением законов Кирхгофа Независимые узлы и главные контуры E 4 R 2 1 1 E 1 3 к 2 1 к R 3 2 к R 1 5 R 5 4 3 R 6

Уравнения цепи Независимые узлы и уравнения по закону Кирхгофа для токов E 4 R 4 I 4 1 1 E 1 I 2 R 2 2 I 5 R 5 3 I 1 R 3 R 1 I 3 4 R 6 I 6 (15) 2 (16) 3 (17)

Уравнения цепи Главные контуры и уравнения по закону Кирхгофа для напряжений U 4 I 2 E 1 I 1 R 4 3 к R 2 U 2 1 к U 3 R 1 U 1 E 4 I 4 1 к I 5 R 3 I 3 2 к R 5 U 5 2 к R 6 I 6 (18) (19) U 6 3 к (20)

Уравнения цепи Уравнения элементов E 4 R 2 E 1 UE 1 R 1 I 1 UE 4 R 5 R 3 (21) R 6

Уравнения цепи Система уравнений по законам Кирхгофа и Ома (15) (16) (17) (21) (18) (19) (20) (22)

U 4 1 E 1 I 2 I 1 E 4 R 4 3 к R 2 U 2 1 к U 3 R 1 U 1 I 5 2 R 5 U 5 • Число ветвей «в» : • Число узлов «у» : • Число контуров «к» : I 4 (15) 3 R 3 2 к R 6 I 3 (16) I 6 U 6 4 Система из «в» уравнений (в = 6) (17) в=6 у=4 к=3