Материал: А27402 Афанасьева НА Булат ЛП Электротехника и электроника Учебн пособие
Н.А. Афанасьева, Л.П. Булат
Электротехника и электроника
Санкт-Петербург
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Н.А. Афанасьева, Л.П. Булат
Электротехника и электроника
Учебное пособие
Допущено Научно-методическим советом Минобразования и науки РФ по электротехнике и электронике в качестве учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки: 260100 – «Технология продуктов питания»; 260200 – «Производство продуктов питания из растительного сырья» (по спе-циальностям: 260202 – «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий», 260204 – «Технология бродильных производств и виноделие»); 260500 – «Технология продовольственных продуктов специального назначения и общественного питания» (по специальностям: 260504 – «Технология консервов и пищеконцентратов», 260501 – «Тех-нология продуктов общественного питания»); 260300 – «Технология сырья и продуктов животного происхождения» (по специальностям: 260301 – «Технология мяса и мясных продуктов», 260303 – «Технология молока и молочных продуктов»)
Санкт-Петербург 2005
УДК 621.3
ББК 31.2+32.85
А 94
А 94
Афанасьева Н.А., Булат Л.П.
Электротехника и электроника: Учеб. пособие. СПб.: СПбГУНиПТ, 2005. 178 с.
ISBN
5-89565-117-8
В учебное пособие включены все типовые разделы курса «Электротехника и электроника» для неэлектрических специальностей.
Пособие предназначено для студентов, обучающихся по направлениям, связанным с технологией продуктов питания: 260100, 260200, 2260300, 260500 и написано в соответствии с ГОС ВПО, утвержденным Госкомвузом РФ. В то же время учебное пособие соответствует учебным программам курса для других специаль-ностей и для факультета заочного обучения и экстерната, поэтому его можно исполь-зовать для подготовки бакалавров и магистров.
В зависимости от различных специальностей и рабочих программ после-довательность изложения тем и их углубленное изучение могут изменяться.
УДК 621.3
ББК 31.2+32.85
Рецензенты
Кафедра теоретических основ электротехники ГОУ ВПО «Санкт-Петер-бургский государственный политехнический университет» (зав. кафедрой доктор техн. наук, проф. В.Н. Боронин)
Главный научный сотрудник ФГУП НИИ электрофизической аппаратуры им. Д.В. Ефремова, доктор техн. наук, проф. Г.Ш. Манукян
Рекомендовано к изданию редакционно-издательским советом университета
ISBN 5-89565-117-8
Санкт-Петербургский государственный
университет низкотемпературных
и пищевых технологий, 2005
Предисловие
Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям: 260100 – «Технология продуктов питания»; 260200 – «Производство продуктов питания из растительного сырья» (специальности: 260202 – «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий», 260204 – «Технология бродильных производств и виноделие»); 260500 – «Технология продовольственных продуктов специального назначения и общественного питания» (специальности: 260504 – «Технология консервов и пищеконцентратов», 260501 – «Технология продуктов общественного питания»); 260300 – «Технология сырья и продуктов животного происхождения» (специальности: 260301 – «Технология мяса и мясных продуктов», 260303 – «Технология молока и молочных продуктов»).
Курс «Электротехника и электроника» служит для общеинженерной подготовки студентов и создания теоретической базы для изу-чения последующих специальных дисциплин. В разделах 1–5 и 9–14 рассматриваются вопросы электротехники, а в разделах 6–8 – промышленной электроники и микроэлектроники.
Предложенная в пособии последовательность изложения тем, соответствует последовательности, принятой в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий при чтении лекций и изучении курса «Электротехника и электроника». При работе над пособием авторы стремились использовать опыт преподавания предмета, накопленный на кафедре электротехники и электроники данного университета.
Авторы признательны сотрудникам кафедры: к. т. н., доц. А.А. Батяеву, к.т.н., доц. А.В. Дорошкову, к.т.н., доц. А.В. Новотельновой, к.т.н., доц. А.В. Русанову, принявшим участие в обсуждении методики и структуры пособия и давшим нужные советы. Авторы выражают благодарность д.т.н., проф. кафедры физики В.А. Самолётову за ценные замечания, сделанные им при рецензировании рукописи и инженеру кафедры Н.Е. Самряковой за помощь в оформлении данного пособия.
Введение
Электротехника – область науки и техники, использующая элект-рические и магнитные явления для практических целей. Жизнь современного общества невозможно представить себе без применения элект-рической энергии: жилище, одежда, пища, промышленные товары, средства транспорта, получение и передача информации – все это эксплуатируется или производится с помощью электроэнергии. История электротехники насчитывает более двух столетий. В конце XVIII века был изобретен первый электрохимический источник электрической энергии. После этого началось изучение свойств электрического тока, были установлены основные законы электрических цепей, созданы разнообразные конструкции электрических машин и приборов. Однако до 70-х годов XIX в. широкое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия надежных и экономичных генераторов.
Электрическое освещение явилось первым массовым энерге-тическим применением электрической энергии. В 70–80 гг. XIX века электротехника превращается в самостоятельную отрасль науки и техники, начинается становление электроэнергетики.
В 90-х годах XIX в. разработаны трехфазные системы; с этого момента начинается новый этап развития электротехники – становление электрификации. Электрическая энергия все шире используется в промышленности, сельском хозяйстве, в быту, транспортных средствах.
Одним из важнейших направлений современного научно-техни-ческого прогресса является возможность развития и создание на основе электрификации комплексной механизации и автоматизации производства автоматизированных предприятий и технологических комплексов.
Все это стало возможно благодаря внедрению новейших систем, машин, оборудования и приборов с применением микропроцессорных средств и микроЭВМ, позволившим наиболее эффективно применять разнообразные электротехнические устройства и приборы в различных отраслях народного хозяйства.
Экспериментальные исследования свойств постоянного тока, сделанные на рубеже XVIII–XIX вв. показали, что большинство закономерностей, первоначально полученных при анализе цепей постоянного тока, являются фундаментальными законами электротехники.
Быстрыми темпами развиваются и совершенствуются различные типы источников электрической энергии постоянного тока: солнечные батареи служат основными источниками энергии космических аппаратов в автономном полете. Разрабатываются новые источники постоянного тока – МГД-генераторы, освоение которых позволит значительно повысить КПД электрических станций.
Электротехнические устройства синусоидального (переменного) тока находят широкое применение во многих областях народного хозяйства при генерировании, передаче и трансформировании электрической энергии, в электроприводе, бытовой технике, промышленной электронике, радиотехнике и т. д.
Развитие радиотехники привело к созданию специфических высокочастотных (мегагерцы) устройств: антенн, генераторов, преобразователей и т. д. Многие из этих устройств основаны на свойстве переменного тока генерировать переменное электромагнитное поле, при помощи которого можно осуществить направленную передачу энергии без проводов. Создание различных типов электровакуумных приборов обусловило развитие телевидения, импульсной многоканальной радиосвязи, радиолокации, измерительной техники и других областей промышленной электроники.
В настоящее время для передачи и распределения электрической энергии в подавляющем большинстве случаев применяются трехфазные системы, существенным преимуществом которых является исключительная простота и дешевизна трехфазных асинхронных двигателей, применяющихся во многих отраслях промышленного производства.
Современная энергетика основана на передаче энергии на дальние расстояния, которая возможна только с применением простых преобразователей с малыми потерями энергии – однофазных и трехфазных трансформаторов. Она связана с необходимостью разработки источников электрической энергии (генераторов) большой мощности. У современных турбогенераторов тепловых электростанций мощность равна 100–1500 мВт на один агрегат. Большие мощности имеют и генераторы гидростанций.
Все эти вопросы изучает, разрабатывает, совершенствует и внедряет наука, называемая электротехникой и электроникой.
1. Электрические цепи постоянного тока
1.1. Основные понятия
Основные электротехнические устройства по назначению подразделяются на генерирующие и потребляющие.
Генерирующие устройства производят электрическую энергию. В них происходит преобразование различных видов энергии (химической, механической, тепловой, лучистой и др.) в электрическую энергию. Они называются источниками (рис. 1, а).
Потребляющие – это устройства, в которых происходит преобразование электрической энергии в другие виды. Эти устройства называются приемниками (рис. 1, б).
Чтобы привести в действие приемник электрической энергии, на его входных зажимах необходимо создать и поддерживать определенную разность потенциалов, т. е. электрическое напряжение. Для этого приемное устройство подключают к генерирующему.
Электрическая цепь – совокупность электротехнических устройств, состоящая из источников и приемников электрической энергии, характеризуемых ЭДС – Е, током – I, напряжением – U, и электрическим сопротивлением – R.
Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, называются элементами электрической цепи (рис. 2): S – выключатель – (коммутационная аппаратура); E – аккумуляторная батарея (источник электрической энергии); HL – приемник электрической энергии (лампа накаливания); рА – амперметр; pV – вольтметр; R1, R2 – приемники электрической энергии: 1, 2, 3, 4 – узлы схемы; I, II – независимые контуры
Часть электрической цепи, содержащая выделенные в ней элементы, называется участком цепи. Передающие элементы цепи являются звеном, связывающим источники и приемники. Кроме электрических проводов в это звено могут входить приборы контроля и управления, а также преобразующие устройства, благодаря которым электрическую энергию становится удобно передавать на расстояние и распределять между приемниками.
Графическое изображение электрической цепи называется схемой. В сложных электрических цепях выделяют такие понятия, как ветвь, узел, контур.
Ветвь – участок электрической цепи с одним и тем же током, состоящий из последовательно соединенных элементов (рис. 2, ветвь 1–3 или 1–2, или 2–4).
Узел – место соединения трех и более ветвей (рис. 2, узел 1, 2, 3, 4).
Различают геометрический и потенциальный узлы. Узлы 1 и 2–по-тенциальные, так как их потенциалы не равны (1 2) из-за наличия падения напряжения на резисторе R1. Узлы 3 и 4 – геометрические, так как 3 = 4, таким образом, это будет один потенциальный узел.
Контур – замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям и узлам так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречаются больше одного раза (например, на рис. 2: контур 1– 2– 4–3 = 1).
Независимый контур – это такой контур, в который входит хотя бы одна новая ветвь (например, на рис. 2 – контуры I и II).