Курс «Электротехника» имеет большое значение в общеинженерной подготовке, а также в создании условий для успешного изучения последующих профилирующих дисциплин на современном уровне. Это обусловлено тем, что современная техника насыщена разнообразными видами электротехнических устройств и приборов, электрооборудованием, электрическим инструментом, устройствами электроники, вычислительной техники, автоматики и телемеханики. Для их грамотной эксплуатации инженер должен иметь хорошую электротехническую подготовку. Инженер должен уметь также формулировать и ставить задачи для автоматизированных систем управления с помощью ЭВМ. Поэтому он должен уметь читать электрические схемы, достаточно четко понимать физические процессы, протекающие в электротехнических устройствах, понимать назначение основных видов современного электроснабжения и реально оценивать их возможности. Он должен знать общие принципы построения систем автоматического управления, свойства электроизмерительных приборов, способы измерения электротехнических и неэлектротехнических величин.
Для каждой конкретной технической специальности требуются также знания по вопросам электроснабжения и электрооборудования этого вида техники.
При изучении курса электротехники студенты получают большой объем различных сведений, осваивают целый комплекс методов расчета электрических схем и устройств. При переходе к изучению специальных дисциплин и в практической деятельности они не всегда могут выбрать из известного уже материала те сведения, которые необходимы для решения того или иного конкретного вопроса. Именно поэтому целесообразно, чтобы изучение электротехники неэлектрических специальностей вузов было с самого начало привязано к их конкретной специальности. В противном случае неизбежно образуется разрыв между сведениями, полученными при изучении электротехники и возможностями их практического использования в своей специальности. Часто возникают трудности в преобразовании реальных электрических схем в расчетные. В практических условиях каждый источник имеет то или иное внутреннее сопротивление, соединительные провода также имеют некоторое сопротивление, многие резисторы, помимо активной составляющей сопротивления, обладают некоторой индуктивностью и емкостью, а катушки индуктивности и конденсаторы активным сопротивлением. Очень важно правильно оценить, является ли данная схема линейной, а если нет - можно ли с приемлемой погрешностью рассматривать ее как линейную. При этом специалист должен уметь четко оценить, какими именно параметрами можно пренебречь в данной конкретной задаче.
Важнейшим вопросом в современных условиях роста цен на энергию являются вопросы экономики и энергосбережения.
Таким образом, одним из важнейших качеств современного специалиста является его умение грамотно применить имеющиеся у него сведения из области электротехники в своей практической деятельности. Именно этому требованию автор и старался уделить особое внимание в данной книге.
Электротехнические устройства играют особую роль в современной технике. Это обусловлено такими свойствами электрической энергии, как универсальность и простота преобразования (прямого и обратного) в другие виды энергии, возможность передачи на большие расстояния, простота и удобство деления ее между потребителями, простота управления, регулирования, измерения. Развитие электротехники исторически обусловлено развитием производительных сил. В свою очередь развитие электротехники определило развитие радиотехники, электроники, вычислительной техники, - всего того, без чего невозможно существование современной цивилизации.
Электрическая энергия используется как в силовых приводах, так и в многочисленных и разнообразных устройствах управления, регулирования, автоматики и др. Естественно, в упомянутых двух целях потребная мощность различна по величине. В тех условиях, когда электрическая энергия используется в силовых приводах, используются энергетические установки двух видов — автономные и неавтономные. В автономных электроэнергетических установках электрическая энергия вырабатывается первичной энергетической установкой. Например, на морских судах используют турбогенераторы с первичным источником энергии в виде котельных установок с применением угля, мазута, либо атомных реакторов. Для менее мощных установок используют дизель-генераторные установки, например, на тепловозах с электрической передачей, морских и речных судах. Для наземного транспорта экономически более выгодным оказывается применение неавтономных систем электроснабжения. При этом используется электрическая энергия, выработанная на стационарных электростанциях, которая передается на транспортные средства с помощью контактных и троллейных сетей. К таким транспортным средствам относятся электрифицированных железные дороги, метрополитены, городской электрический транспорт (трамвай и троллейбус), карьерный транспорт угольных и рудных разрезов, шахтный транспорт.
Неавтономные электрические системы в настоящее время являются экологически наиболее чистыми. Это объясняется тем, что при выработке электроэнергии на стационарных электростанциях, обычно работающих в объединенных энергосистемах, удается применить наиболее эффективные устройства отчистки дымовых и выхлопных газов, которые трудно разместить на транспортных средствах. Кроме того, становится возможным использовать для привода транспортных средств такие виды энергии, как гидроэнергия и энергия ветра.
В тех транспортных средствах, где энергия первичного двигателя непосредственно используется для движения (самолеты, автомобили, небольшие морские и речные суда, маломощные тепловозы и прочее) часть энергии первичного двигателя используется для выработки электроэнергии необходимой для питания различных вспомогательных устройств и устройств управления.
Таким образом, современные транспортные средства, независимо от того, используется ли на них электроэнергия для привода или нет, немыслимо без широкого использования электротехнических устройств.
Электрооборудование часто работает в условиях тяжелых воздействий внешней среды, таких, как, тряска, вибрация, воздействие высоких и низких температур, повышенных и пониженных давлений, радиации и других неблагоприятных факторов. В сочетании с высокой ответственностью выполняемых ими функций становится ясным, что показатели надежности должны быть очень высокими.
ВВЕДЕНИЕ
Реальная электрическая цепь представляет собой систему проводящих тел, полупроводниковых и диэлектрических (изоляционных) элементов. Электрическая цепь имеет две основных части:
- активная часть, содержащая источники электрической энергии за счет преобразования других видов энергии;
- пассивная часть, в которой энергия электрического тока преобразуется в другие виды энергии (энергия электрического поля, магнитного поля, теплота, свет, механическая энергия).
При наличии в электрической цепи токов и напряжений вокруг проводников и в элементах схемы возникают электрические и магнитные поля (а в светоизлучающих приборах – излучение квантов света). При переменных полях часть энергии уносится в окружающее пространство, то есть идет процесс излучения энергии. Это часто создает значительные помехи на расположенные вблизи другие электротехнические устройства, возникает проблема электромагнитной совместимости этих устройств. Однако, существуют специальные электрические цепи для создания сильного излучения, например антенны.
Распространение электромагнитного поля происходит с ограниченной, хоть и высокой, скоростью, равной скорости света С = 3×108 м/с, соответственно, и ток в схеме запаздывает на некоторое время, зависящее от геометрических размеров электрической цепи. Например, при размерах цепи 10см запаздывание составляет 0,3×10-9 с или 0,3 наносекунды. При частоте электрического тока 50 Гц период (полное время цикла изменения тока) составляет 20×10-3 с, то есть запаздывание электрического тока по сравнению с этим временем пренебрежительно мало. В этом случае электрическая цепь как-бы не имеет геометрических размеров (имеет нулевые размеры). Такой класс электрических цепей называют цепями с сосредоточенными параметрами, а процессы в таких цепях называют квазистационарными. Иначе будет обстоять дело в электрической цепи таких же размеров на высокой частоте. Например, при частоте 330МГц полный цикл изменения тока составляет 0,3×10-9 с, то есть равен времени запаздывания. В этом случае приходится рассчитывать другой класс электрических цепей - цепей имеющих конечные размеры вдоль одной оси (например, оси х), с процессами, протекающими в них, в зависимости от времени t. Это цепи с распределенными параметрами, которые также будут рассмотрены в данном курсе.
Вначале будем считать, что вся электрическая цепь не имеет геометрических размеров. Каждый элемент электрической цепи может быть представлен некоторым соотношением между множеством токов и множеством напряжений. Таким образом, каждый элемент электрической цепи можно рассматривать как математическую модель, связывающую токи и напряжения. Для удобства каждому элементу ставится в соответствие графический символ. Изображение электрической цепи в виде соединения таких графических символов называется схемой цепи.