Elektrotehnika_i_elektronika_2008
.pdfd7
Высшее образование
. B . B. Кононенко, В.И. Мишкович,
B.B. Муханов, B.Ф.Hланидин, П.М Чеголин
ЭЛЕК ОТЕХНЙКА
И ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие для вузов
Под редакцией В.В. Кононенко
Издание четвертое
ITATIJ KUTUBXONA&
36658Гsorui
Ростов-на-Дону
. Феникс. .
2008
УдК б2 3.^а7^в)..,, с t ^...
ББ 31 .2+32.85я73
I,{ТК 230
.345
Рецензенты:
д.т.н., дроф+, лауреат Государственной премии Республики Беларусь P. X. Садыков (зав, кафедрой ЭВМ Белорусского
государственного университета' информатики и рёйоэлек -
троники),' '. д.т.н., проф. Е. M . Ульяницкий (зав. кафедрой ВТ и АСУ
РГУПС)
^.
Э45 Электротехника и электроника : учебное пособие для. вузов / В:В. Кононенко, В.И. МишкоВич, В.В. Муканов, В.Ф. Плани-
дин, П.М. Чеголин; под ред. В.В. Кононенко.. -= Из 4-е. -^
'Ростов н/д' : Фенике, 2008. — 778 c. = (Высшее образование).
ISBN 978 - 5- 222- 12830- 5
. В пособии рассматриваются электрические и магнитные цепи,, электромагнитные устройства, электрические машины и 'способы
электрических измерений, вопросы электроснабжения и электpобезопасности, электротехнологии и основы электроники, а .также системы электроосвещения промышленных предприятии и строительных объектов. . .
Предназначено для студентов, аспирантов и преподавателей выс-
ших учебных заведений, a также может быть полезно 'инженернотехническим работникам, желающим повысить свой профессио-
нaльный уровень. .
УДК 62 1.3(075.8) ББK 31.2+32.85я73
ISBN 978-5-222-12830-5 |
© Коллектив авторов, 2007 |
|
|
|
© Оформление, 000 «Феникс», 2008 |
Предисловие
Настоящее учебное пособие: является обобщением методической
ипреподавательской работыколлектива.. кафедры электротехники
иавтоматики (ЭЛА) Ростовского государственного строительного университета, который в 2О7 г. отмечает свое 6о-летие.
Книга написана в соответствии с государственными образова-
тельными стандартами для ряда'неэлектротехнических специальностей вузов. .
Авторами учебного пособия подготовлены следующие разделы: к.т.н., доц., зав, кафедрой ЭЛА КонаиеНко В. B. - введение, гла-
ва б («Электроосвещение »), разделы: 2.3 («Трансформаторы >),.
2.4(«Асинхронные машины»), 4.1 («Электроснабжение»),
4.8(«Электробезопасность>>), 5..1 («Электротехнологий в стро-'
ительстве»); ,
к.т.н., доц. Мишковнч В. 'И. разделы: 2.2 («Машины постоян-.
кого тока»), 2.3.2 («Сварочные трансформаторы»), , 2.5 («Синхронные машины>),. 2.б ( «Электропривод»);
к.т.н., доц. Муханов В. В глава 7 («Оcновы электроники>>), раз- ел 5.2 '(«Электротехнологии и связь на.транспорте и в строд-
ительстве»); - .
к.т.н., доц. Плаиндин В. Ф. —глава 3 («Электрические измерения и ..приборы»), разделы: 2.1 («Электрические аппараты»),
4.,8 («Электробезопасность»); , д.т.н,., проф. Чеголии П. М. глава 1лектр(«Эические' и магнит-
ные цепи»), хронология развития .электротехники.
Авторы благодарят рецензентов за ценны замечания, ' сделанные в процессе работы над книгой; и сотрудников кафедры С. B. Кудинова и :Е.. А. Артюхову за помощь в подготовке рукописи к изданию.
Введение
Решение задач восстановления промышленного производства и
дальнейшего развития нашей страны теснейшим образом связано c наращиванием темпов электрификации всех отраслей хозяйства Рос-
сии. Эта связь определяется прежде всего возможностью . более широкого применения .электроэнергии для интенсификации производства, осуществляемой за счет комплексной автоматизации, внедрёния новых технологий, робототехнических устройств и манипуляторов, современной вычислительной техники, и. такими важнейшими преимуществами элёктрической энергии, как: `
а) огромные скорости протекания электромагнитны х процессов; б) возможность достаточно простого преобразования ее эксплy-
атационных параметров (напряжения, тока, частоты);
в} легкость автоматизации упрaвлeния процессами потребления, транспортировки и производства электроэнергии;
г) возможность получения электрической энергии из механических, химической, атомной, тепловой, лучистой и других видов энергии, a также осуществления обратных преобразований;
д) простота распределения электроэнергии между отдельными
потребителями; .
e) практически неограниченньУе возможности дробдения электрической энергии, позволяющие использовать, например, электродвигатели мощностью от долей Вт (исполнительные устройства системы автоматики) до нескольких МВт (привод прокатных станков);
. ж) возможность передачи электроэнергии с относительно маJiым технологическим расходом на транспорт и распределение (иначе говоря, с малыми потерями).
B линиях электропередачи длиной в сотни километров и распре- ; делительных сетях этот параметр оценивается величиной 8 - 9% от . передаваемого количества электроэнергии. Для сравнения отметим, что передача тепловой энергии рентабельна только на расстояниях до 5--7 км, a потери органического топлива (нефти ; угля, газа) при добыче, транспортировке и хранении достигают 30- 40 %;
з) возможность передачи значительного количества электроэнёргии на дальние . расстояния за минимальный промежуток ,времени. Например, по двухцепной воздушной линии (ВЛ) напряжением 330 кВ за сутки можно передать такое количество энергии, на выработку которой на тепловых электростанциях уходит в° среднем около 1000 железнодорожных вагонов угля; .
и} экологическая чистота, низкая стоимость и возможность применять во всех отраслях народного хозяйства. : . ,
Отдельные электрические станции, соединенные между собой линиями электропередачи высокого напряжения(ЛЭП), образуют
5 |
Введение |
электроэнергетические системы, являющиеся составной частью районных и объединенных, энергoсистем. Большая часть последних
включена в единую энергетйческую.. ;систему страны (ЕЭС).
Основной поток элёктроэнёргй г^дёрё";дaётся сегодня c пoмощью воздушных линий (ВЛ) электропередачи переменного тока напряжением от б до: 1150 кВ. Нёсмотря на некоторые недостатки, это пока самый распространенный и экономичный вид транспорта
электрической энергии. Однако уже в настоящее время продолжаются работы по созданию ЛЭП постоянного тока • 1500 кВ, новых способов и устройств для транспортировки электрической энергии, в том числе газоизолированных ЛЭП, криогенных линий электропередачи и др.
Потребителями электрической энергии . являются сегодня промышленные предприятия, сельское хозяйство, транспорт, объекты
коммунально-бытового назначения и строительства. .
• На строительных площадках электрическую энергию йспользу= ют достаточно щироко, например; при возведении жилых, обще ственных, промышленных зданий и сооружений сегодня.расходуется электрической энергий больше, чем производилось всеми электростанциями СССР в 1935 г.. ' .
Большая часть. электроэнергии (около 70 %) идет на питание электродвигателей строительных механизмов и машин (башенных' кранов, земснарядoв, экскаваторов, строительных 'подъемников, 'ленточньйх транспортеров., бетононасосов, .вентиляторов, компрессоров, ручного электроинструмента, бетоносмесительнык агрегатов,
вибраторов и др.), примерно 20 % на технологические нужды строительства (электросварку, .электропрогрев монтажных стыков и
бетона в зимнее время, электрокалориферную сушку , помещений при;отделочных работах и т.п.) и до ТО %.-- на освещение строящих-
ся объектов, территорий стройплощадок, административных, куль- турно-бытовых и подсобных помещений.
От правильного и своевременного решения вопросов электроснаб-
жения строительства, т.е. обеспечения его электрической энергией в достаточном объеме, при высоком качестве и в заданные сроки, во
многом зависят темпы развертывания строительно-монтажных работ, эффективная работа строительных машин : и механизмов и в конеч-
ном счете -- успешное выполневгие программы строительства.
Потребление электрической: энергии : в строительстве постоянно рлстет. Постепенно увеличивается потребность в электроэнергии .и
во всех других отраслях хозяйства России. Однако электрические
станции работают сейчас c полной нагрузкой .несмотря на то,' что - в
нашей стране вступают в строй новые мощные объекты электро-
энергетики. Поэтому' экономия электрической энергии. — важней-
шая общегосударственная задача.
Электротехника и электроника |
б |
основные направления использования электрической энергии,
применительно к строительству, можно сформулировать следующим
образом: .
-- сокращение всех видов потерь электроэнергии в системах электроснабжения и электрооборудования строительных площадок;
переход на энергосберегающие технологии строительства ; применение комбинированных электротехнoлогических процессов, обоснованное сокращение :потребления строительных материалов и топлива;
--совершенствование существующего, демонтаж и реконструкция, создание и внедрение в строительство нового, более эффективного в
энергетическом отношении электрооборудования, строительных ма - шин и, механизмов c электроприводом;
--повышение уровня организации строительства, 'налаживание строгого контроля и учета расхода электроэнергии на стройплощад=
ках, в том числе c использованием вычислительной техники, разработка и совершенствование научнообоснованных мер расхода электроэнергии .на производство строительно-монтажных работ;
внедрение автоматического и автоматизированногоуправления :технологическими процессами; строительными машинами и механизмами при широком использовании микропроцессорной техники и др. .
Правильное и технически грамотноe решение вопросов использования электроэнергии -- одна из основных задач, которая реша
ется при изучении курса «Электротехника: и электроника».
..Будущие инженеры-неэлектрики, осваивающие этот курс, дол-
'жны:
а) .получить прёдставление о современных способах получения электроэнергии,. тенденциях развития систем электроснабжения промышленных и иных объектов, а также использующегося вник
электрооборудования, о состоянии и отечественной и мировой электроэнергетики.. . 5 б} изучить устройство, принцип работы, основные эксплуатационные характеристики, область применения ; достоинства и недостатки электротехнических устройств электрооборудования, научиться
использовать их в практической деятельности;
в) .освоить методы расчета электричeских цепей и устройств ; спо- собы рационального расходования электроэнергии при работе элек- троoборудования и научиться руководить их осуществлением;
г) изучить электротехническую символику и терминологию, что бы уметь находить общий язык с представителями субподрядных организацiй и электриками, работающими в строительстве или в других отраслях хозяйства. .
Знание этого курса' безусловно поможет в освоении значительного количества других дисциплин, изучаемых студентами в вузе.
Введение
Хронология становления и развития :науки оно' электротехнике
1753 г. |
Опубликовал первую крупную работу в области |
||
Ломоносов Михаид |
электрцчества «Слово о явлениях воздуцп3ых, от |
||
Васильевич |
электрической силы происхохяпщх^ |
|
|
1789 г. |
Исследовал атмосферное электричество; пpeдложил |
||
Франклин Бенджамин |
молниеoтвoд |
.. .. |
. . |
1799 г. |
Создал электрохимичёский источник постоянного тока |
||
Вольта Алессандро |
(вольтов столб), открыл контактную разность |
||
. |
потенциалов |
.. |
|
1800 г. |
Обнаружил контактную разность потенциалов при |
||
Гальвани Луиджй |
контакте металла c электролитом |
. |
|
1802 г. |
ОткрьУл электрическую думу и указал, что «темный покой |
||
Петров Василий |
довольно ярко освещен быть может; исследовал |
||
Владимирович |
химическое действие тока, -электропpoвoдноcть, . |
||
. , |
люминесценцию, электрические явления в газах; |
||
|
опyбликовaл книгу «Известия о тальвановальтовских- , |
||
. |
. опытак^ (1803) |
|
. |
•1819 г. Открыл магнитное действие электрического тока
. Эрстед Ханс Кристиан |
|
. |
- |
|
|||
|
|
1820 г. |
|
Сформулировали закон о магнитном поле . |
|
||
|
Био Жан Батист, |
|
электрического тока (закон Био—Савара) |
|
|||
|
Савар Фeликс |
|
|
. : . |
". |
|
|
|
|
1820 г. |
|
Установил закон механического взаимодействия токов, . |
|||
Ампер Андре Мари |
|
предложил теорию магнетизма итермин |
|
||||
|
|
. |
|
, «электрический ток '(1827) |
|
||
|
|
1826 г. |
|
Установил закон o связи между силой тока в проводнике |
|||
|
Ом Георг Симон |
|
и напряжением на его:концах, названный 'его именем . |
||||
|
|
|
|
(закон Ома) |
. _ ; ` |
. . |
|
|
' |
1831 г. |
|
дгкрыл электромагнитную индукцию; уcтaновил |
|||
|
Фарадей Майка |
|
законы'электролиза; ввел понятия электрического и |
||||
|
, |
|
. |
магнитного поля; высказал идею существования |
|||
|
.. |
|
злектромагнитного.пояя . |
. |
|
||
Г |
- |
1832.г. |
|
Изобрел электромагнитный телеграф |
- |
||
Шиллинг Павел Львович |
|
|
. |
|
|||
|
|
18 3 3 г. ' |
|
Установил правило для определения индукционного .. |
|||
|
Ленц Эмилий |
|
. тока; разработал методы расчета электромагнитов' |
||||
|
Христианович |
' |
(совместно c Б. С. Якoби); открыл обратимость |
||||
|
|
|
|
электрических машин; обосновал (1843) тепловой закон |
|||
|
|
|
|
электpическогo токa (одновременно с Д. П. Джоулем), |
|||
|
|
- |
|
нaзвaнный законом Джоуля Ленца |
|
, Электротеxника и электроника. |
|
|
|||
|
1834 г. |
|
Изобрел эле^тродвигатель; создал гальванопластику |
||
Якoби Борис Семенович и гальваностегию (1838), телеграфные аппараты;: |
|||||
|
|
|
исследовал электромагниты (совместно с Ленцем) |
||
|
1843 г. |
|
Установил (одновременно с Лёнцем) тепловой закон |
||
|
Джоуль Джеймс |
|
электрического тока, нaзвaнный законом |
|
|
|
ПрескоТТ |
|
Джоуля-Ленца |
|
|
|
1847 г. |
|
Открыл законы для расчета электрических цепей |
||
Кирхгоф Густав Роберт |
постоянного и синусоидального тока, названные его. |
||||
|
1872 г. |
|
именем (первый и второй законы кирхгофа) |
|
|
|
|
Изобрел угольную лампу накаливания (патент, 1874); |
|||
.. Лодыгин Александр |
один из основателей электротермии. Эдисон Томас |
||||
|
Николаевич |
|
Альва усовершенствовал лампу накаливания (1879) |
||
. |
1872 г. |
|
Исследовал закон намагничивания железа и газовый |
||
Столетов Александр |
разряд; открыл законы фoтоэлектрического эффекта |
||||
|
Григорьевич |
|
(1888) |
. |
|
|
1873 г. |
|
Создaл теорию электромагнитного поля (уравнения |
||
Максвелл Джеймс клерк |
Максвелла); ввeл понятие тока смещения; предсказал |
||||
|
. |
|
существование электромагнитных волн, выдвинул идею |
||
|
|
. |
электромагнитной природы свeта (Трактат об |
||
|
|
|
электричестве и магнетизме») |
|
.. |
|
1875 г. |
|
Изобрел дуговую лампу (свeча Яблочковa) и трансфор- |
||
|
Яблочх ов Павел |
|
матор; положил начало системе электрического . |
||
|
Николаевич |
|
освещения (патент,187б); разрабатывал электричеcкие |
||
|
1880. г. |
|
машины и химические источники тока |
|
. |
|
|
Доказал возможность передачи.электроэнергии по. |
|||
|
Лачинов Дмитрий |
проводам на значительные расстояния |
|
|
|
'. |
Александрович |
|
. . |
. |
|
|
1881 г. |
|
Обосновал возможность передачи электроэнергии по |
||
|
Депре Марсель |
|
проводам на большие расстояния и построил первую |
||
|
. |
. |
ЛЭП постоянного тока (1882) длиной 57 км |
|
:1882 г.. . Построена центральная электростанция в Нью-Йорке
|
1883 г., 1888 г. ' |
Построены электростанции постоянного тока в |
|
|
. ' |
. Петербурге и Москве'. |
|
. |
'1888 г. |
Разработал сварку металлическим электродом |
|
Славянов Николай |
. |
|
|
|
Гаврилович |
. |
|
|
1888 г. ' |
Показал оптимальность системы трехфазного тока, |
|
|
Доливо- , |
соацал трехфазный синхронный генератор, a в'1889 |
|
Добровольский Михаил |
и 1890 гг. — двигатели c короткозамкнутым и фaзным |
|
|
|
Осипович |
ротором; в 1891 г. предложил тpехфaзный |
|
. |
. |
трансформатор осуществил первую электропередачу |
|
1886-1889 гг. |
трехфазного тока |
|
|
|
Экспериментально доказал существование |
|
|
Герц Генрих Рудольф |
электромагнитных волн, подтвердил тождественность |
|
|
|
|
основных свойств электромагнитных и световых волн |
, |
|
|
|
|
|
• Введение |
|
1904--1905 гг. |
|
Началичтение лекций по «Теории электрических и |
||
|
Миткевич Владимир |
магнитных явпений» в Петербургском политехническом |
|||
Федорович, Круг Карл |
иниту,те и по «Те^рий переменных токов» в Москов- |
||||
' |
Адольфович |
.. . |
:.г;-. ^''•.:. '.,:.`+.,.+. |
^'^'.^`^.i•^^:fi'л |
•м |
|
|
скол^в7ысшём |
техг^нчесг^о^училище, открыв подготовку |
||
|
. |
|
инженеров-по электротёхнике, электротехника выделена |
||
|
1925 г. |
|
в-самостоятельную отрасль |
. |
|
|
|
Создал высокочастотные машинные генераторы |
|||
|
Вологдин Валентин |
и -высоковольтны е ртутные выпрямители |
|||
|
Петрович |
|
. - |
. |
|
|
|
|
|
Из приведенной хронологической последовательности, видно,
что первые почти сто. лет .ушли на изучение физических явлений, обуслoвлeнных накоплением и направленным перемещением электрическихзарядов. Лишь 'в конце этого периода появляетсятермин
«электрический ток», обнаруживаются и изучаются химические -и -маг-
нитные действия тока: Затем свыше столетия ушло на формирование
теории электрических цепей, рождение которой можно отнести к появлению законов Ома и Кирхгофа. Долгое время теория электричес-
-ких цепей развивалась как ветвь теоретической физики. Самостоя-
тельное и бурное развитие электротехники начинается лишь на базе
совместного рассмотрения и ,применения электрических и магнит=
ных явлений (электромагнитное поле, трансформатор, электричес-
кие машины, ускорители элементарнь х частиц).
B 50-е годы заложены основы теорий четырех- и многополюсников, методов анализа цепей с нелинейными, параметрическими и
управляемыми элементами. Возникновение и стремительное разви-
тие микроэлектроники в 60 -70-е годы _ явилось мощным толчком к
дальнейшему развитию теорий цепей.. Разработка микроэлектрон-
ных устройств, содержащих.ты сячи транзисторов.на -одном кристалле, и проектирование аппаратуры на такой. элементной базе потрё-
бовали создания принципиально новых методов анализа иг синтеза
.цепей, разработки и построения . иформационно-измерительных. комплексов, ориентированных на широкое применение вычислительной техники, на моделирование электрических систем й сетей, 'на цифровую обработку сигналов. 'Современные методы, анализа и
синтеза электромагнитных' цепей; их тенденции к строгости и об- -
щности воспитывают у инженера такую логику мышления, которая не может не распространяться на другие области его интересов и не
возбудить желания.достичь в них_такик же степеней - компактности и изящества. _
!.
Глава 1
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ИMAГHИTHЫE ЦEПИ
1.1.Электрические цепи постоянного тoкa
11.1.электрическая цепь, электрический ток и напряжение
Определение 1. Электрической цепью называется совокупность соединенных проводами элементов, образующая путь для .электричес-
кого. тока при условии,. что электромагнитные процессы могут быть
описаны c помощью понятий o .токе, электродвижущей силе (ЭДС) и напряжении. .
определение 2. Элемент электрической цепи — отдельное устройство, входящее. в сОстав цепи и выполняющее в ней определенную фун -
кцию. .
К основным элемёнтам электрической цепи относятся: резистор,
индуктивная катушка, кон денсатор, источники тока и ЭДС.
определение .3. Схема электрической цепи -- это. графическое изображение цепи c помощью условных обозначений ее элементов и их соединении. .
Для изучения и анализа электромагнитных процессов в реальных электрических цепях их заменяют эквивaлентными, состоящими из идеализированных элементов. Понятие идеaлизированного элемента обусловлено его строго определенными свойствами, точно выраженными посредством математического соотношения; указы вающе- го на связь между током через этот элемент и напряжением на его зажимах. Это позволяет определить эквивалентную электрическую цепь как модель реальной электрической цепи; представленной coвокупностью идеализированных элементов и их соединений.'