Лекция 1 03.09.091 Основы теории электрических цепей Лектор профессор ЭЛТИ Юрий Петрович Усов. - презентация

1

2 Лекция Основы теории электрических цепей Лектор профессор ЭЛТИ Юрий Петрович Усов

3 Лекция ОТЭЦ В осеннем/весеннем семестрах: Лекции- 34/18 час. Лаборатория- 18/18 час. Практические занятия- 18/18 час. Компьютер. практика- 18/18 час. Экзамен- зима/весна

4 Лекция Литература:

5 Лекция Основы теории цепей/ Г.В. Зевеке, П. А. Ионкин, С.В. Страхов. - М.: Энергоатомиздат, 1989 г.

6 Лекция Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. - М.: Высшая школа, 1996г.

7 Лекция Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. - М.: Высшая школа, 1978г.

8 Лекция Оcновы теории электрических цепей ОТЭЦ – предмет, знание которого необходимо каждому инженеру, чья специальность, так или иначе, связана с использованием электрической энергии.

9 Лекция ОТЭЦ Моя цель - доказать, что нет ничего более практичного, чем хорошая теория. Очень надеюсь, что мое желание научить будет поддержано Вашим стремлением научиться.

10 Лекция Введение Любое электротехническое или электронное устройство - это система заряженных тел и/или контуров с токами, взаимодействующими друг с другом.

11 Лекция ОТЭЦ Результатом такого взаимодействия является стихийное или целенап- равленное преобразование различ- ных видов энергии в электрическую, т.е. генерирование электроэнергии или электрических сигналов, если речь идет об информационных системах.

12 Лекция ОТЭЦ Все жизненные процессы также имеют электромагнитную природу и связаны с прохождением тока по биологическим цепочкам, из которых формируются мускулы, нервные волокна.

13 Лекция ОТЭЦ Не вызывает сомнений атомно-молекулярная структура окружающего нас материального мира. Это по существу тоже системы заряженных тел и/или контуров с токами.

14 Лекция ОТЭЦ Электромагнитные явления, происходящие в таких системах, определяются процессами в окружающих средах, в которых распространяется электромагнитное поле.

15 Лекция ОТЭЦ Электромагнитное поля характеризуются векторами электрической Е и магнитной Н напряженности.

16 Лекция Электромагнитное поле - это вид материи, характеризующийся совокупностью взаимосвязанных и взаимообуславливающих друг друга электрического и магнитного полей.

17 Лекция ОТЭЦ Назовем имена ученых, в честь которых приняты обозначения физических величин в Международной системе физических величин (Интернациональ- ный конгресс 1881 г. и XI Генеральная конференция по проблемам мер и весов, октябрь 1960 г., Париж).

18 Лекция Ампер, Франция ( ) – ампер (А) Кулон, Франция ( ) – кулон (Кл) Вольта, Италия ( ) – вольт (В) Ом, Германия ( ) – ом (Ом)

19 Лекция Сименс, Германия ( ) – сименс (См) Уатт, Англия ( ) – ватт (Вт) Фарадей, Англия ( ) – фарада (Ф) Джоуль, Англия ( ) - джоуль (Дж)

20 Лекция Вебер, Германия ( ) – вебер (Вб) Тесла, Сербия ( ) – тесла (Тл) Генри, США ( ) – генри (Гн) Герц, Германия ( ) – герц (Гц)

21 Лекция Основой теории электромагнитного поля являются уравнения-постулаты Максвелла (1873г. – «Трактат об электричестве и магнетизме»). Вывод Максвелла о существовании электромагнитных волн был в свое время лишь гениальной гипотезой.

22 Лекция ЭМП Только после опытов Г.Герца по генерации в лаборатории электро- магнитных волн, измерений давления света П.Н.Лебедевым и применения А.С.Поповым электро- магнитных волн для передачи сигналов гипотеза Максвелла получила экспериментальное обоснование.

23 Лекция Обозна чение НаименованиеРазмерность напряженность электрического поля электрическая индук- ция или электрическое смещение

24 Лекция Обозна чение НаименованиеРазмерность напряженность магнитного поля индукция магнитного поля

25 Лекция Для векторов ЭМП имеем:

26 Лекция Где: Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды Электрическая постоянная Относительная диэлектрическая проницаемость среды

27 Лекция Где: Абсолютная магнитная проницаемость среды Магнитная постоянная Относительная магнитная проницаемость среды

28 Лекция Величины характеризуют электрическое поле, а величины - магнитное поле

29 Лекция Первое уравнение Максвелла- закон полного тока в дифференциальной форме:

30 Лекция Где: Вектор плотности тока Удельная проводимость среды

31 Лекция интегральная форма закон полного тока:

32 Лекция Второе уравнение Максвелла – закон электромагнитной индукции в дифференциальной форме

33 Лекция интегральная форма закона электромагнитной индукции:

34 Лекция Где: Магнитный поток Электродвижущаяся сила ( ЭДС )

35 Лекция Третье уравнение -принцип непрерывности магнитного потока в дифференциальной форме

36 Лекция в интегральной форме

37 Лекция Четвертое уравнение Максвелла- теорема Гаусса в дифференциальной форме где - объемная плотность свободных зарядов,

38 Лекция в интегральной форме где - свободные заряды,

39 Лекция ЭМП В общем случае расчет электро- магнитных систем сводится к решению уравнений Максвелла для ЭМП. Решение этих уравнений даже для сравнительно простых систем крайне сложно.

40 Лекция ЭМП - ЭЦ Во многих практических случаях, когда в системе можно выделить отдельно элементы, связанные только с одним видом поля (Е или Н) решают задачу, рассматривая систему, как электрическую цепь.

41 Лекция Основные понятия и определения Электрическая цепь – расчетный эквивалент электромагнитного устройства, его модель, совокуп- ность электротехнических устройств для производства и применения электрической энергии и/или электрических сигналов.

42 Лекция ЭЦ Электрическую цепь можно описать с помощью основных элементов электрической цепи: R - сопротивления, L - индуктивности, C - емкости.

43 Лекция Задачи теории ЭМП: Расчет параметров R, L, C, а также определение для оценки прочности электрической изоляции различных электротехнических устройств; Расчет энергии, запасаемой в ЭМП; Расчет сил, действующих в ЭМП.

44 Лекция Основные понятия и определения Состояние электрической цепи можно описать с помощью понятий ток i в амперах (А), напряжение u в вольтах (В), заряд q в кулонах (Кл), магнитный поток Ф (Вб).

45 Лекция Задачи ОТЭЦ: 1. Анализ ЭЦ 2. Синтез ЭЦ 3. Диагностика ЭЦ 4. Идентификация ЭЦ

46 Лекция Параметрыэлектрическихцепей

47 Лекция Электрическая цепь – это совокупность соединенных проводниками источников и приемников электромагнитной энергии

48 Лекция Электрическая цепь служит для передачи, распределения и преобразования электромагнитной энергии

49 Лекция Источники преобразуют различные виды энергии в электромагнитную энергию - а- а- а- аккумуляторы, электро- машинные генераторы и другие устройства

50 Лекция Приемники – это накопители и потребители электромагнитной энергии

51 Лекция Накопители запасают и затем отдают в цепь электромагнитную энергию - э- э- э- это индуктивные и емкостные накопители

52 Лекция Потребители преобразуют электромагнитную энергию в другие виды энергии – это нагреватели, лампы, двигатели и другие устройства

53 Лекция Свое назначение электрическая цепь выполняет при наличии в ней электрического тока и напряжения

54 Лекция Электрический ток

55 Лекция Ток – это упорядоченное движение зарядов, равное скорости их перемещения через поперечное сечение участка цепи

56 Лекция u (+) 1 i (-) 2

57 Лекция Для однозначного опреде- ления тока за положитель- ное направление достаточно выбрать одно из двух его возможных направлений

58 Лекция Напряжение

59 Лекция Напряжение равно энергии, затрачиваемой на переме- щение единицы заряда из одной точки цепи в другую точку и равно разности потенциалов этих точек

60 Лекция

61 Лекция Потенциал – это скаляр- ная величина, определяемая с точностью до постоянной и равная работе по переносу единицы положительного заряда из данной точки в точку с

62 Лекция Положительное направление напряжения связано с принятым положительным направлением тока, причем ток течет от более высокого потенциала (+) к более низкому потенциалу (-)

63 Лекция u (+) 1 i (-) 2 а)

64 Лекция u 1 i 2 u 1 i 2 б) в)

65 Лекция Мощность

66 Лекция Мощность характеризует преобразование энергии на участке цепи и равна скорости изменения этой энергии

67 Лекция

68 Лекция Если P>0 – то энергия потребляется на данном участке цепи, а если P

69 Лекция Постоянные ток и напряжение

70 Лекция Постоянные ток и напря- жение неизменны во времени и генерируются источниками постоянного тока и напряжения, напри- мер: аккумуляторами, генераторами и т.д.

71 Лекция i = I I P, u, p i 0 t u =U P=UI U

72 Лекция Синусоидальные (гармонические) ток и напряжение

73 Лекция Синусоидальные токи и напряжения генерируются электромашинными генераторами и наиболее распространены в электроэнергетике, причем в России: Гц - частота Рад/С – угловая частота

74 Лекция i t i I m -I m

75 Лекция u i t i 0 U m I m I m - -U m i u

76 Лекция t i, u, p 0 u i p U m I m I m - U m -

77 Лекция Где: I m и U m - максимальные значения тока и напряжения - начальная фаза напряжения (Град или Рад) - угол сдвига фаз между напряжением и током (Град или Рад) - время (С)

78 Лекция Линейные элементы схем замещения

79 Лекция Для облегчения расчета и анализа цепей их заменя- ют схемами замещения, составляемые из пассивных и активных элементов

80 Лекция Математическое описание этих элементов отражает реальные физические процессы, происходящие в электрических цепях

81 Лекция Линейные цепи характери- зуются линейными уравне- ниями для токов и напря- жений и заменяются линейными схемами замещения

82 Лекция Линейные схемы замещения составляются из линейных пассивных и активных элементов, вольтамперные характе- ристики которых линейны

83 Лекция Пассивные линейные элементы схем замещения

84 Лекция Резистивный R u R i

85 Лекция Резистивные элементы необратимо преобразуют электромагнитную энергию в тепло, причем величина сопротивления R (Ом) постоянна

86 Лекция Вольтамперная характеристика uR(i) 0 u R i u R =R i

87 Лекция Потенциометр - pot

88 Лекция Индуктивный i L u L

89 Лекция Индуктивные элементы запасают электромагнитную энергию W в магнитной поле, причем величина индук- тивности L (Гн) постоянна

90 Лекция Схема замещения катушки R L

91 Лекция Емкостный i С u С

92 Лекция Емкостные элементы запасают электромагнитную энергию W в электрическом поле, причем величина емкости С (Ф) постоянна

93 Лекция Схема замещения конденсатора R C

94 Лекция Примечания 1.П ри постоянном токе индуктивный элемент - закоротка: Так как, то ULUL I b a I ab

95 Лекция При постоянном напряжении емкостный элемент - разрыв: Так как, то UСUС I b a ab UСUС

96 Лекция Активные линейные элементы схем замещения

97 Лекция Источник ЭДС е i + u е

98 Лекция Идеальный источник ЭДС е характеризуется напряже- нием u, которое не зависит от протекающего тока i, причем сопротивление этого источника равно нулю.

99 Лекция Вольтамперная характеристика u(i) 0 u i u = e

100 Лекция Источник тока J i + u J

101 Лекция Идеальный источник тока J характеризуется током i, ко- торый не зависит от его напряжения u, причем сопротивление его равно бесконечности

102 Лекция Вольтамперная характеристика u(i) 0 u i i = J

103 Лекция Активные и пассивные элементы применяются для составления схем замещения реальных источников электромагнитной энергии

104 Лекция Например, схема замещения аккумулятора: U I I U E R ВН U I J E=U XX (I=0) J=I КЗ =E/R ВН (U=0)

105 Лекция Топологические понятия

106 Лекция Топологические понятия применяются при анализе и расчете схем замещения электрических цепей

107 Лекция Ветвь – это часть схемы, содержащая элементы цепи, по которой течет один ток

108 Лекция Узел – это точка схемы, к которой подходит не менее трех ветвей

109 Лекция Контур – это замкнутая часть схемы, образованная ее ветвями, причем в элементарный контур не входят другие контуры

110 Лекция ПРИМЕР

111 Лекция Схема

112 Лекция Граф – это система из узлов и ветвей, которая отражает геометрическую структуру схемы и принятые направления токов

113 Лекция Граф

114 Лекция Дерево – это часть графа, содержащая без контуров все узлы графа

115 Лекция Дерево графа

116 Лекция Хорды дополняют дерево до исходного графа

117 Лекция Хорды графа

118 Лекция Главный контур состоит из ветвей дерева и только одной хорды, причем число главных контуров равно числу хорд

119 Лекция Главный контур графа

120 Лекция Главное сечение состоит из хорд и только одной ветви дерева, причем число главных сечений равно числу ветвей дерева

121 Лекция Главное сечение графа 3

122 Лекция Лаб.раб. 1