эиэ. Технология мяса и мясных продуктов, 260303 Технология молока и молочных продуктов. СанктПетербург 2009 2
 Скачать 2.12 Mb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ И ПИЩЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ НА. Афанасьева, Л.П. Булат Второе издание, переработанное и дополненное 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 специальностям 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 – Технология 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 2009 2 УДК 621.3 ББК 31.2+32.85 А 94 Афанасьева НА, Булат Л.П. Электротехника и электроника Учеб. пособие. СПб.: СПбГУНиПТ, 2009. 181 с. В учебном пособии рассматриваются электрические цепи постоянного, однофазного и трехфазного переменного тока, средства и методы измерения электрических величин, генераторы и приемники электрической энергии, средства преобразования электрического тока, а также некоторые вопросы промышленной электроники и микроэлектроники. 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 тоже время учебное пособие соответствует учебным программам курса для других специальностей и для факультета заочного обучения и экстерната, поэтому его можно использовать для подготовки бакалавров и магистров. В зависимости от различных специальностей и рабочих программ последовательность изложения теми 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 (завкафедрой 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 Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий, 2009 А 94 ISBN 5-89565-117-8 ISBN 5-89565-111-8 3 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 пи- щеконцентратов», 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 общеинже- нерной подготовки студентов и создания теоретической базы для изучения 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. Ба- тяеву, к.т.н., доц. А.В. Дорошкову, к.т.н., доц. А.В. Новотельновой, к.т.н., принявшим участие в обсуждении методики и структуры пособия и давшим нужные советы. Авторы выражают благодарность д.т.н., проф. кафедры физики В.А. Самолѐтову за ценные замечания, сделанные им при рецензировании рукописи и инженеру кафедры НЕ. Самряковой за помощь в оформлении данного пособия. 4 ВВЕДЕНИЕ Электротехника – область науки и техники, использующая электрические и магнитные явления для практических целей. Жизнь современного общества невозможно представить себе без применения электрической 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 дох годов XIX в. широкое применение электрической энергии было невозможно из-за отсутствия надежных и экономичных генераторов. Электрическое освещение явилось первым массовым энергетическим применением электрической энергии. В 70–80 гг. XIX века электротехника превращается в самостоятельную отрасль науки и техники, начинается становление электроэнергетики. В 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. 5 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. 6 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 (риса. Потребляющие – это устройства, в которых происходит преобразование электрической энергии в другие виды. Эти устройства называются приемниками (рис. 1, б. E E E E I I I I E R a б 7 Чтобы привести в действие приемник электрической энергии, на его входных зажимах необходимо создать и поддерживать определенную разность потенциалов, те. 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 – напряжением – U, и электрическим сопротивлением – 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 – 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 одними тем же током, состоящий из последовательно соединенных элементов (рис. 2, ветвь 1–3 или 1–2, или 2-4). HL E S I 3 4 HL II R1 R2 2 1 3 4 I S Рис. 2 8 Узел – место соединения трех и более ветвей (рис. 2, узел 1, 2, 3, 4). Различают геометрический и потенциальный узлы. Узлы 1 и потенциальные, так каких потенциалы неравны) из-за наличия падения напряжения на резисторе Узлы 3 и 4 – геометрические, так как 3 = 4 , таким образом, это будет один потенциальный узел. Контур – замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвями 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). 1.2. Классификация электрических цепей Основной характеристикой электрических цепей является вольт- амперная характеристика (ВАХ) – зависимость напряжения оттока. По виду ВАХ различают линейные и нелинейные цепи. Элементы электрической цепи характеризуются электрическим сопротивлением, которое у одних приемников зависит от приложенного напряжения, причем ток пропорционален напряжению и R = const, ау других не зависит. В первом случае эти элементы называются линейными, они имеют линейную ВАХ (риса. Зависимость тока от напряжения в таком элементе определяется законом Ома R U I , где R – сопротивление линейного элемента. Во втором случае эти элементы называются нелинейными, они имеют нелинейную ВАХ (рис. 3, б. Это – выпрямительные диоды, стабилитроны, терморезисторы и др. R t R U U I I баб Электрические цепи также различают по способу соединения элементов неразветвлѐнные (риса) и разветвлѐнные (рис. 4, б. По числу источников электрической энергии цепи бывают с одним источником ЭДС и с несколькими (рис. 5). Обозначение источника электрической энергии может отсутствовать на схеме. В этом случае указывается напряжение, подводимое к электрической цепи от источника, а последний лишь подразумевается, положительное направление напряжения выбирается произвольно и указывается стрелкой (рис. 6). 1.3. Параметры элементов электрических цепей постоянного тока. Схемы замещения Каждый элемент электрической цепи обладает определенными свойствами. Чтобы охарактеризовать эти свойства, вводят понятие параметров цепи. В цепях постоянного тока при стационарном режиме элементы характеризуют только одним параметром сопротивле- E 1 E 2 U R1 R1 R2 R2 E E R1 R1 R2 R2 R3 а б 10 ния. Параметр сопротивления R характеризует свойство элемента поглощать энергию из электрической цепи и преобразовывать ее в другой вид энергии (тепловую. Известно, что мощность (Р) преобразования электрической энергии постоянного тока пропорциональна квадрату тока 2 I , поэтому этот параметр можно определить отношением. Кроме специально изготовленных устройств с одним параметром встречаются устройства, работу которых приближенно описывают также одним параметром. Например, лампы накаливания, печи нагрева характеризуют только одним параметром сопротивления R . Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. Все источники электрической энергии являются активными элементами, они характеризуются определенным значением ЭДС и внутренним сопротивлением. Приемники электрической энергии могут быть как пассивными (чаще всего, таки активными. Вольт-амперная характеристика (риса) активного приемника рис. 7, б) может быть математически описана уравнением U = E + R вт I, где R вт – внутреннее сопротивление источника ЭДС. Схемы замещения отображают свойства электрической цепи при определенных условиях элементы схемы замещения соответствуют элементам реальной электрической цепи. Одной и той же электрической цепи может соответствовать несколько различных схем замещения в зависимости оттого, для каких целей предназначены эти схемы. а б 0 U U I I R вт E 11 Для однозначности описания процессов, происходящих в ка- ком-либо элементе цепи, необходимо знать не только значения его тока и напряжения, но также их направления в каждом элементе. Стрелки, поставленные на схемах замещения, указывают положительные направления ЭДС, напряжений и токов. Применение законов Ома и Кирхгофа для описания электрического состояния цепей постоянного тока Закон Ома Закон Ома для участка цепи, не содержащего источника ЭДС рис. 8), устанавливает связь между током, напряжением и сопротивлением этого участка. а = a – b , где a и b – потенциалы точек a и b. I = U ab / R, откуда U ab = IR– падение напряжения на участке a-b. Законы Кирхгофа Основными законами, используемыми для анализа и расчета электрических целей, являются I и II законы Кирхгофа. I закон Кирхгофа является следствием закона сохранения электрического заряда, согласно которому в любом узле электрической цепи заряд одного знака не может ни накапливаться, ни убывать. Согласно закону Кирхгофа алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю (рис. 9). Распространена и другая формулировка I закона Кирхгофа алгебраическая сумма токов, втекающих в узел, равна сумме токов, вытекающих из него. При этом токи, направленные к узлу, берут с одним, произвольно выбранным знакома токи, направленные от узла, с противоположным. b I U ab R a 12 0 1 n k k I , где n – число всех токов, направленных от узла и к узлу k – порядковый номер тока. I 1 – I 2 – I 3 = 0 II закон Кирхгофа является следствием закона сохранения энергии, в силу которого изменение потенциала в замкнутом контуре равно нулю. Согласно II закону Кирхгофа, алгебраическая сумма напряжений всех участков замкнутого контура равна нулю. Применительно к схемам замещения с источниками ЭДС II закон Кирхгофа формулируется следующим образом алгебраическая сумма падений напряжений на резистивных элементах замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС источников, входящих в этот контур. При составлении уравнений слагаемые берут со знаком «+» в случае, когда направление обхода контура совпадает с направлением тока или ЭДС, в противном случае слагаемые берут со знаком «–» (рис. 10). 0 1 m k k U , где m – число резисторов в контуре. m k k k n k k I R E 1 1 , где m – число резистивных элементов n – число источниковЭДС в контуре. I (R 1 + R 2 ) = E. I 1 I 2 I 3 Рис. 9 E I R1 R2 13 |