Теоретические основы электротехники

 

ФГОУ ВПО «НОВОСИБИРСКАЯ  ГОСУДАРСТВЕННАЯ  АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

___________________________

 

 

Кафедра « Электрооборудование и электротехника (ЭСЭ) »

Дисциплина «Теоретические основы электротехники»

 

 

 

РЕФЕРАТ

На тему:

«Теоретические основы электротехники»

Вариант 4

 

 

 

 

                                                         Факультет: заочный

                                                                                       Группа: ЭЭ

                                                  Шифр: ЭЭ-13-084

                                                                                 Выполнил (а) : Клименко Дмитрий

                                               Александрович

                                             Преподаватель:

                                                               д-р техн. наук, профессор

                                                                           Горелов Валерий Павлович

 

 

 

 

 

 

 

        Новосибирск 2013

 

 

Содержание

                      Введение……………………………………………………………………………………..…3

  1  Метод узловых потенциалов (вопрос 4)……………………………………..……….…..5

  2  Трехфазный ток. Вывод формул основных соотношений в системе

      «треугольник» и «звезда» (вопрос 14)…….……………………..……………………….8

    3   Общее определение четырехполюсников (вопрос 24)……………..…………………..12

       4   Основные правила техники безопасности при работе с

       электрооборудованием (вопрос 34) ………………………………...…………………..14

5    Резонанс напряжений в последовательной электрической цепи R,L,C.

       (вопрос 11)…………………………………………………………………………..…….17

6    Компенсация реактивной мощности в электрических цепях синусоидального

       тока (вопрос 17 )……………………………………………………………………..…....21

7     Вращающееся магнитное поле. Принцип действия асинхронной машины

      (вопрос 22)……………………………………………….…………………………...…...23

 8    Метод двух узлов. Метод эквивалентного генератора (вопрос 5)……………………28

9    Векторное изображение электрических величин (тока, напряжения, ЭДС). Примечание    комплексных чисел для расчета электрических цепей. Представление синусоидальных э.д.с., напряжений и токов комплексными числами………………………………………...31

Ответы на письма в редакцию……………………………………………………………...…37        

Список реферативно использованной литературы……………………………………..…....40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Электротехника — область техники, связанная с получением, распределением, преобразованием и использованием электрической энергии. А также — c разработкой, эксплуатацией и оптимизацией электронных компонентов , электронных схем и устройств, оборудования и технических систем. Под электротехникой также понимают техническую науку, которая изучает применение электрических и магнитных явлений для практического использования. Электротехника выделилась в самостоятельную науку из физики в конце XIX века. В настоящее время электротехника как наука включает в себя следующие научные специальности (отрасли науки): электромеханика, ТОЭ, светотехника, силовая электроника. Кроме того, к отраслям электротехники часто относят энергетику, хотя легитимная классификация  рассматривает энергетику как отдельную техническую науку .Основное отличие электротехники от слаботочной электроники заключается в том, что электротехника изучает проблемы, связанные с силовыми крупногабаритными электронными компонентами: линии электропередачи, электрические приводы, в то время как в электронике основными компонентами являются компьютеры и интегральные схемы. В другом смысле, в электротехнике основной задачей является передача электрической энергии, а в электронике информации.

В России первые труды по электричеству  принадлежат русскому учёному, академику М. В. Ломоносову, который вместе с Г. В. Рихманом проводил количественные исследования атмосферного электричества.

Количественные соотношения взаимодействия магнитных масс полюсов магнита  и электрически заряженных тел впервые  были опубликованы французским учёным Кулоном. Густав Роберт Кирхгоф в 1845 — 47 открыл закономерности в протекании электрического тока в разветвленных электрических цепях, а в 1857 построил общую теорию движения тока в проводниках. Уже первые опыты по электрической передаче энергии (в России Ф. А. Пироцкий — 1874 г., в Германии и во Франции Депре — 1882, 1883 гг.) обратили на себя всеобщее внимание.

В 1904 году профессор В. Ф. Миткевич начал читать в Петербургском политехническом институте созданный им курс лекций «Теория явлений электрических и магнитных», а затем курс лекций «Теория переменных токов».

В 1905 году профессор К. А. Круг начал в Московском высшем техническом училище чтение своего курса лекций «Теория переменных токов», а затем курса лекций «Теория электротехники».

В последующем эти теоретические  дисциплины образовали техническую дисциплину «Теоретические основы электротехники». Первая часть курса, именуемая «Основные понятия и законы теории электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей», даёт физическое представление о процессах, происходящих в электрических и магнитных цепях и в электромагнитных полях.

Электроэнергетика — наука о выработке, передаче и потреблении электроэнергии, а также о разработке устройств для этих целей. К таким устройствам относят: трансформаторы, электрические генераторы, ТЭНы, электродвигатели, низковольтную аппаратуру и электронику для управления силовыми приводами. Многие государства мира имеют электрическую сеть, называемую электроэнергетической системой, которая соединяет множество генераторов с потребителями энергии. Потребители получают энергию из сети, не тратя ресурсы на выработку своей собственной энергии. Энергетики работают как над проектированием и обслуживанием сети, так и над энергетическими системами, присоединёнными к сети. Такие системы называются внутрисетевыми и могут как поставлять энергию в сеть, так и потреблять её. Энергетики работают также и над системами, не присоединёнными к сети, называемыми внесетевыми, которые в некоторых случаях являются более предпочтительными, чем внутрисетевые системы. Имеется перспектива создания энергетических систем, контролируемых со спутника, имеющих обратную связь в реальном времени, что позволит избежать скачков напряжения и предотвратить нарушения энергоснабжения[9].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Метод узловых потенциалов (вопрос 4)

Ток в любой ветви схемы может быть найден по закону Ома для участка цепи, содержащем ЭДС. Для этого необходимо знать потенциалы узлов. В этом методе за неизвестные принимаются потенциалы узлов схемы.

Если в схеме несколько узлов, то любой из них может быть заземлён, при этом токораспределение не изменится (а число неизвестных потенциалов уменьшится). Потенциал заземлённой точки приравниваем нулю.

Метод является более целесообразным, когда число узлов хотя бы на два  меньше числа независимых контуров.

Рассмотрим метод на примере схемы Рисунок 1.1. Необходимо определить токи во всех ветвях схемы: , , , , , .

 

 

Рисунок  1.1- Схема электрической цепи

Решение:

1. Заземляем узел  3 (т.е.:  = 0).

2. Произвольно указываем направление  токов в ветвях.

3. Определяем токи по закону  Ома:

= ( – + ) = ;

= ( – + ) = ;                        

;  ;           (1.1)

;  ,      

где – проводимости ветвей .

 

4. Потенциалы узлов находим из  системы уравнений:

для узла «1»:

   

для узла «2»:                                                                                         (1.2)

   

Для этой системы: – сумма проводимостей ветвей, подходящих к узлу «1»; – сумма проводимостей ветвей, соединяющих первый и второй узлы ( принимается со знаком «минус»); в правой части с положительным знаком принимается произведение , если ЭДС направлена к узлу и если ЭДС направлена от узла, то произведение ставится в уравнение со знаком “минус”.

Аналогично составляются уравнения  для трёх и более узлов.

Совместное решение системы  уравнений даст значения потенциалов  и , подстановкой которых в уравнения пункта 3 определяются искомые токи.

Пример: Найти токи в ветвях схемы Рисунок 1.1, если известны параметры цепи :

  = 20 В, = 10 В, = 6 В, 5 Ом, 10 Ом, 1 Ом.

= = = 1/1  =  1 См;  = =1/5 = 0,2 См; =1/10 =0,1 См;   

для узла «1» - ·(1+1+0,2+0,1) – ·(1+0,1) = 20·1 – 6·1                                 (1.3)

для узла «2» - ·(1+0,1) + ·(1+1+0,2+0,1) = 10·1 + 6·1     ,

       2,3   – 1,1 = 14

    – 1,1 +  2,3 = 16      .

 

Находим главный определитель:

 

.                                               (1.4)

 

Находим алгебраические дополнения:

 

,                                                   (1.5)

.                                                        (1.6)

 

Определяем потенциалы узлов:

              = 49,8/ 4,08 = 12,2 В ;  = 52,2/ 4,08 = 12,8 В.                         (1.7)

Определяем неизвестные токи:

 

=(– 12,2 + 20)·1 = 7,8 А ;           =(– 12,8 + 10)·1 = – 2,8 А;

=(12,2 – 12,8 + 6)·1 = 5,4 А ;    =12,2·0,2 = 2,44 А;                                     (1.8)

=12,8·0,2 = 2,56 А;                    =(12,2 – 12,8)·0,1 = –0,06 А.

 

Из расчёта следует, что действительные токи и будут направлены в противоположном направлении, указанным на схеме. Это значит, что источник ЭДС потребляет энергию (подобно аккумулятору, работающему в режиме зарядки).  Уравнение баланса мощности будет следующим :

                          (1.9)

20·7,8+10·(–2,8) +6·5,4 =7,8²·1+(–2,8)²·1+5,4²·1+2,44²·5+2,56²·5+(–0,06)²·10 ;

160,4 Вт = 160,412 Вт.

Погрешность расчётов = 0,07 % - менее 5% (удовлетворяет требованиям) [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Трехфазный ток. Вывод формул основных соотношений в системе «треугольник» и «звезда» (вопрос 14)

В настоящее время  во всем мире получила наибольшее распространение трехфазная система переменного тока. Трехфазной системой электрических цепей называют систему, состоящую из трех цепей, в которых действуют переменные, ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 1/3 периода (φ=2π/3). Каждую отдельную цепь такой системы коротко называют ее фазой, а систему трех сдвинутых по фазе переменных токов в таких цепях называют просто трехфазным током. Почти все генераторы, установленные  на наших электростанциях, являются генераторами трехфазного тока. По существу, каждый такой генератор представляет собой соединение в одной электрической машине трех генераторов переменного тока, сконструированных таким образом, что индуцированные в них ЭДС сдвинуты друг относительно друга на одну треть периода, как это показано на рис. 2.1. Рисунок 2.1 - Графики зависимости от времени ЭДС, индуцированных в обмотках якоря генератора трехфазного тока   Как осуществляется подобный генератор легко понять из схемы на рис. 2.2. Рисунок 2.2 - Три пары независимых проводов, присоединенных к трем якорям генератора трехфазного тока, питают осветительную сеть   Здесь имеются три самостоятельных  якоря, расположенных на статоре  электрической машины и смещенных  на 1/3 окружности (120о). В центре электрической машины вращается общий для всех якорей индуктор, изображенный на схеме в виде постоянного магнита. В каждой катушке индуцируется переменная ЭДС одной и той же частоты, но моменты прохождения этих ЭДС через нуль (или через максимум) в каждой из катушек окажутся сдвинутыми на 1/3 периода друг относительно друга, ибо индуктор проходит мимо каждой катушки на 1/3 периода позже, чем мимо предыдущей. Каждая обмотка трехфазного  генератора является самостоятельным  генератором тока и источником электрической  энергии. Присоединив провода к  концам каждой из них, как это показано на рис 2.2, мы получили бы три независимые цепи, каждая из которых могла бы питать те или иные потребители[10]. Различают два характерных способа  соединения обмоток генератора: схема  “звезда” и схема “треугольник”. На электрических схемах соединение “звезда” представлена на рисунке  2.3,а,б.       Рисунок 2.3 – Соединение “звезда” на электрических схемах: а) – на принципиальных схемах; б) – схематичное изображение   Соединения по схеме “треугольник”  на электрических схемах представлены на рисунке 2.4,а,б.     Рисунок 2.4 – Соединения по схеме “треугольник” на электрических схемах: а) – первый вариант соединения от “А” к “z”; б) – второй вариант: соединения “С” к “х”       Рисунок 2.5 – Симметричное изображение фазных ЭДС системой векторов   На практике обычно имеют  дело не с отдельными источниками, а с несколькими, соединёнными параллельно. В этом случае можно: пренебречь внутренними сопротивлениями фаз источника, считать фазные напряжения, Uв ,Uc численно равными фазным ЭДС, изображать их симметричной системой векторов (рисунок 2.5). За положительное направление фазных напряжений принимают направление от начала к концу фаз обмоток, а линейных напряжений – от начала одной фазы к началу другой [3].     На основании этих рассуждений  получим                                      (2.1) В результате ;                                            (2.2)