Лекции по ТОЭ / 2(TOE)/1_Лекции_по_ТОЭ_1-5.doc
Лекции по ТОЭ
Введение
Элементы электрических цепей.
Топология электрических цепей.
Переменный ток. Изображение синусоидальных переменных.
Элементы цепи синусоидального тока, векторные диаграммы и комплексные соотношения для них.
Основы символического метода расчета. Методы контурных токов и узловых потенциалов.
Основы матричных методов расчета электрических цепей.
Мощность в электрических цепях.
Резонансные явления в цепях синусоидального тока.
Векторные и топографические диаграммы. Преобразование линейных электрических цепей.
Анализ цепей с индуктивно связанными элементами.
Особенности составления матричных уравнений при наличии индуктивных связей и ветвей с идеальными источниками.
Методы расчета, основанные на свойствах линейных цепей.
Метод эквивалентного генератора. Теорема вариаций.
Пассивные четырехполюсники.
Электрические фильтры.
Трехфазные электрические цепи: основные понятия и схемы соединения.
Расчет трехфазных цепей.
Применение векторных диаграмм для анализа несимметричных режимов. Мощность в трехфазных цепях.
Метод симметричных составляющих.
Теорема об активном двухполюснике для симметричныхсоставляющих.
Вращающееся магнитное поле. Принцип действия асинхронного и синхронного двигателей.
Линейные электрические цепи при несинусоидальных периодических токах.
Резонансные явления в цепях несинусоидального тока. Высшие гармоники в трехфазных цепях.
Переходные процессы в линейных электрических цепях. Классический метод расчета переходных процессов.
Методика и примеры расчета переходных процессов классическим методом.
Определение постоянной времени. Переходные процессы в R-L-C-цепи.
Операторный метод расчета переходных процессов.
Последовательность расчета переходных процессов операторным методом. Формулы включения. Переходные проводимость и функция по напряжению.
Интеграл Дюамеля. Метод переменных состояния.
Нелинейные цепи постоянного тока. Графические методы расчета.
Расчет нелинейных цепей методом эквивалентного генератора. Аналитические и итерационные методы расчета цепей постоянного тока.
Нелинейные магнитные цепи при постоянных потоках.
Общая характеристика задач и методов расчета магнитных цепей.
Особенности нелинейных цепей переменного тока. Графический метод расчета с использованием характеристик для мгновенных значений.
Графические методы расчета с использованием характеристик по первым гармоникам и действующим значениям. Феррорезонанс. Аналитические методы расчета.
Метод кусочно-линейной аппроксимации. Метод гармонического баланса.
Понятие об эквивалентном эллипсе, заменяющем петлю гистерезиса. Потери в стали. Катушка и трансформатор с ферромагнитными сердечниками.
Переходные процессы в нелинейных цепях. Аналитические методы расчета.
Понятие о графических методах анализа переходных процессов в нелинейных цепях. Методы переменных состояния и дискретных моделей.
Цепи с распределенными параметрами в стационарных режимах: основные понятия и определения.
Линия без искажений. Уравнения линии конечной длины. Определение параметров длинной линии. Линия без потерь. Стоячие волны.
Входное сопротивление длинной линии. Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами.
Сведение расчета переходных процессов в цепях с распределенными параметрами к нулевым начальным условиям. Правило удвоения волны.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Ивановский государственный энергетический университет
Кафедра теоретических основ электротехники и электротехнологии
Доктор техн. наук, профессор А.Н. Голубев
Введение
Теоретические основы электротехники (ТОЭ) являются базовым общетехническим курсом для электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов. Курс ТОЭ рассчитан на изучение в течение трех семестров и состоит из двух основных частей: теории цепей (два семестра) и теории электромагнитного поля (один семестр). Данный лекционный курс посвящен первой из указанных частей ТОЭ -теории линейных и нелинейных электрических и магнитных цепей. Содержание курса и последовательность изложения материала в нем в целом соответствуют программе дисциплины ТОЭ для электротехнических и электроэнергетических специальностей вузов.
Цель данного курса состоит в том, чтобы дать студентам достаточно полное представление об электрических и магнитных цепях и их составных элементах, их математических описаниях, основных методах анализа и расчета этих цепей в статических и динамических режимах работы, т.е. в создании научной базы для последующего изучения различных специальных электротехнических дисциплин.
Задачи курса заключаются в освоении теории физических явлений, положенных в основу создания и функционирования различных электротехнических устройств, а также в привитии практических навыков использования методов анализа и расчета электрических и магнитных цепей для решения широкого круга задач.
В результате изучения курса студент должен знать основные методы анализа и расчета установившихся процессов в линейных и нелинейных цепях с сосредоточенными параметрами, в линейных цепях несинусоидального тока, в линейных цепях с распределенными параметрами, основные методы анализа и расчета переходных процессов в указанных цепях и уметь применять их на практике.
Знания и навыки, полученные при изучении данного курса, являются базой для освоения таких дисциплин, как: математические основы теории автоматического управления, теория автоматического управления, электропривод, промышленная электроника, электроснабжение промышленных предприятий, переходные процессы в электрических системах, электрические измерения и т. д.
При изучении дисциплины предполагается, что студент имеет соответствующую математическую подготовку в области дифференциального и интегрального исчислений, линейной и нелинейной алгебры, комплексных чисел и тригонометрических функций, а также знаком с основными понятиями и законами электричества и магнетизма, рассматриваемыми в курсе физики.
Курс рассчитан на 86 лекционных часов и включает в себя следующие основные разделы:
-теория линейных цепей синусоидального и, как частный случай, постоянного тока;
-основы теории пассивных четырехполюсников и фильтров;
-трехфазные электрические цепи;
-линейные цепи при периодических несинусоидальных токах;
-переходные процессы в линейных электрических цепях;
-нелинейные электрические и магнитные цепи при постоянных и переменных токах и магнитных потоках в стационарных режимах;
-переходные процессы в нелинейных цепях;
-установившиеся и переходные процессы в цепях с распределенными параметрами.
При подготовке лекционного курса были использованы известные учебники, сборники и пособия [1…12], а также методические разработки кафедры ТОЭЭ ИГЭУ.
Рекомендуемая учебно-методическая литература по дисциплине:
Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. -7-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1978. -528с.
Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. -5-е изд., перераб. -М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. М.:Энергия, 1972. -240с.
Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.2. Жуховицкий Б.Я., Негневицкий И.Б. Линейные электрические цепи (продолжение). Нелинейные цепи. -М.: Энергия- 1972. -200с.
Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи: Учеб. для электротехн. и радиотехн. спец. вузов. -3-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1990. -400 с.
Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи: Учеб. для электротехн. спец. вузов. -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1986. -352 с.
Каплянский А.Е. и др. Теоретические основы электротехники. Изд. 2-е. Учеб. пособие для электротехнических и энергетических специальностей вузов. -М.: Высш. шк., 1972. -448 с.
Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории линейных цепей. Под ред. П.А. Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1976. -544 с.
Теоретические основы электротехники. Т. 2. Нелинейные цепи и основы теории электромагнитного поля. Под ред. П.А. Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1976. -383 с.
Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники: Учеб. пособие для вузов/ Под. ред. проф. П.А.Ионкина. -М.: Энергоиздат, 1982. -768 с.
Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники: Учеб. пособие для вузов/ Под. ред. проф. П.А.Ионкина. -М.: Энергоиздат, 1982. -768 с.
Сборник задач и упражнений по теоретическим основам электротехники: Учеб. пособие/ Бессонов Л.А., Демидова И.Г., Заруди М.Е. и др.; Под ред. Бессонова Л.А. . -2-е изд., перераб. и доп. -М.: Высш. шк., 1980. -472 с.
Основы анализа и расчета линейных электрических цепей: Учеб. пособие/ Н.А.Кромова. -2-е изд., перераб. и доп.; Иван. гос. энерг. ун-т. -Иваново, 1999. -360 с.
Голубев А.Н. Методы расчета нелинейных цепей: Учеб. пособие/ Иван. гос. энерг. ун-т. -Иваново, 2002. -212 с.
Теория / ТОЭ / Лекция N 1. Элементы электрических цепей. |
Электромагнитные процессы, протекающие в электротехнических устройствах, как правило, достаточно сложны. Однако во многих случаях, их основные характеристики можно описать с помощью таких интегральных понятий, как: напряжение, ток, электродвижущая сила (ЭДС). При таком подходе совокупность электротехнических устройств, состоящую из соответствующим образом соединенных источников и приемников электрической энергии, предназначенных для генерации, передачи, распределения и преобразования электрической энергии и (или) информации, рассматривают как электрическую цепь. Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи. Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов). Электротехнические устройства, производящие электрическую энергию, называются генераторами или источниками электрической энергии, а устройства, потребляющие ее - приемниками (потребителями) электрической энергии. У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов (полюсов), с помощью которых он соединяется с другими элементами. Различают двух -и многополюсные элементы. Двухполюсники имеют два зажима. К ним относятся источники энергии (за исключением управляемых и многофазных), резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. Многополюсные элементы - это, например, триоды, трансформаторы, усилители и т.д. Все элементы электрической цепи условно можно разделить на активные и пассивные. Активным называется элемент, содержащий в своей структуре источник электрической энергии. К пассивным относятся элементы, в которых рассеивается (резисторы) или накапливается (катушка индуктивности и конденсаторы) энергия. К основным характеристикам элементов цепи относятся их вольт-амперные, вебер-амперные и кулон-вольтные характеристики, описываемые дифференциальными или (и) алгебраическими уравнениями. Если элементы описываются линейными дифференциальными или алгебраическими уравнениями, то они называются линейными, в противном случае они относятся к классу нелинейных. Строго говоря, все элементы являются нелинейными. Возможность рассмотрения их как линейных, что существенно упрощает математическое описание и анализ процессов, определяется границами изменения характеризующих их переменных и их частот. Коэффициенты, связывающие переменные, их производные и интегралы в этих уравнениях, называются параметрами элемента. Если параметры элемента не являются функциями пространственных координат, определяющих его геометрические размеры, то он называется элементом с сосредоточенными параметрами. Если элемент описывается уравнениями, в которые входят пространственные переменные, то он относится к классу элементов с распределенными параметрами. Классическим примером последних является линия передачи электроэнергии (длинная линия). Цепи, содержащие только линейные элементы, называются линейными. Наличие в схеме хотя бы одного нелинейного элемента относит ее к классу нелинейных. Рассмотрим пассивные элементы цепи, их основные характеристики и параметры. 1. Резистивный элемент (резистор) Условное графическое изображение резистора приведено на рис. 1,а. Резистор - это пассивный элемент, характеризующийся резистивным сопротивлением. Последнее определяется геометрическими размерами тела и свойствами материала: удельным сопротивлением ρ (Ом м) или обратной величиной - удельной проводимостью (См/м). В простейшем случае проводника длиной и сечением S его сопротивление определяется выражением . В общем случае определение сопротивления связано с расчетом поля в проводящей среде, разделяющей два электрода. Основной характеристикой резистивного элемента является зависимость (или ), называемая вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Если зависимость представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (см.рис. 1,б), то резистор называется линейным и описывается соотношением
или , где - проводимость. При этом R=const. Нелинейный резистивный элемент, ВАХ которого нелинейна (рис. 1,б), как будет показано в блоке лекций, посвященных нелинейным цепям, характеризуется несколькими параметрами. В частности безынерционному резистору ставятся в соответствие статическое и дифференциальное сопротивления. 2. Индуктивный элемент (катушка индуктивности) Условное графическое изображение катушки индуктивности приведено на рис. 2,а. Катушка - это пассивный элемент, характеризующийся индуктивностью. Для расчета индуктивности катушки необходимо рассчитать созданное ею магнитное поле.
Индуктивность определяется отношением потокосцепления к току, протекающему по виткам катушки, . В свою очередь потокосцепление равно сумме произведений потока, пронизывающего витки, на число этих витков , где . Основной характеристикой катушки индуктивности является зависимость , называемая вебер-амперной характеристикой. Для линейных катушек индуктивности зависимость представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (см. рис. 2,б); при этом . Нелинейные свойства катушки индуктивности (см. кривую на рис. 2,б) определяет наличие у нее сердечника из ферромагнитного материала, для которого зависимость магнитной индукции от напряженности поля нелинейна. Без учета явления магнитного гистерезиса нелинейная катушка характеризуется статической и дифференциальной индуктивностями. 3. Емкостный элемент (конденсатор) Условное графическое изображение конденсатора приведено на рис. 3,а.
|