ЧАСТЬ 2. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ

ЧАСТЬ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

ТЕМА 1. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ – ИСХОДНАЯ БАЗА ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ............................. 7

1.1. Введение.................................................................................................. 7

1.2. Основные характеристики электромагниты полей............................... 8

1.3. Распространение электромагнитного поля в вакууме и других средах 9

1.4. Понятие о векторе Умова-Пойтинга...................................................... 10

1.5. Передача электроэнергии на большие расстояния............................... 11

1.6. Распространение электромагнитного поля вдоль проводящих каналов, сформированных в диэлектриках и полупроводниках......................................... 12

1.7. Вопросы для самоконтроля по теме 1................................................... 14

1.8. Тест по теме 1.......................................................................................... 14

ТЕМА 2.МЕТОДЫ ПРИБЛИЖЕННОГО ОПИСАНИЯ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ.............................. 15

2.1. Введение.................................................................................................. 15

2.2. Приближенное представление электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля напряжениями и токами................................................ 15

2.3. Приближенное представление э.д.с., напряжений и токов

гармоническими функциями со случайными, медленно

меняющимися амплитудами и фазами...................................................... 16

2.3.1. Аналитическое представление э.д.с., напряжений и токов................ 16

2.3.2. Учет флуктуаций амплитуды и фазы при выполнении операций

дифференцирования и интегрирования.................................................... 19

2.4. Упрощенное описание э.д.с., напряжений и токов гармоническими

функциями с постоянными параметрами…………………....................... 20

2.4.1. Представление элементов электрических цепей в комплексном виде 21

2.4.2. Законы Ома и Кирхгофа в комплексном виде................................... 22

2.4.3. Построение векторных диаграмм на вращающейся

комплексной плоскости............................................................................. 23

2.4.4. Резонанс напряжений в цепи, состоящей из последовательно

включенных катушки индуктивности и конденсатора............................. 24

2.4.5. Резонанс токов при параллельном включении катушки

индуктивности и емкости........................................................................... 26

2.4.6. Несинусоидальные периодические напряжения и токи..................... 27

2.5. Вопросы для самоконтроля по теме 2................................................... 28

2.6. Тест по теме 2.......................................................................................... 28

ЧАСТЬ 2. ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ ПРЕДПРИЯТИЙ

ТЕМА 3. МНОГОФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ............................ 29

3.1. Введение.................................................................................................. 29

3.2. Особенности построения многофазных электрических сетей.............. 30

3.3. Включение приемников энергии по схеме «зведа»............................... 31

3.4. Включение приемников по схеме «треугольника»............................... 32

3.5. Измерение напряжений, токов и мощности в трехфазных

электрических сетях................................................................................... 33

3.5.1. Измерение мощностей в четырехпроводных трехфазных сетях....... 33

3.5.2. Измерения мощностей в трехпроводных трехфазных сетях............. 33

3.6. Вопросы для самоконтроля по теме 3................................................... 36

3.7. Тест по теме 3.......................................................................................... 37

ТЕМА 4. ТРАНСФОРМАТОРЫ.................................................................. 37

4.1. Однофазные трансформаторы............................................................... 37

4.2. Трехфазные трансформаторы............................................................... 39

4.3. Автотрансформаторы............................................................................ 40

4.4. Трансформаторные подстанции............................................................ 40

4.5. Вопросы для самоконтроля по теме 4................................................... 42

4.6. Тест по теме 4.……………………………............................................... 42

ЧАСТЬ 3. ЭЛЕКТРОНИКА

ТЕМА 5. ТРАНЗИСТОРЫ. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРАХ.................................................... 43

5.1. Введение.................................................................................................. 43

5.2. Биполярные транзисторы...................................................................... 44

5.3. Мощные выходные усилители на биполярных транзисторах............. 47

5.4. Полевые канальные транзисторы с управляющим р-п переходом..... 48

5.5. МДП-транзистор с индуцированным проводящим каналом............... 49

5.6. МДП-транзисторы с встроенным проводящем каналом...................... 49

5.7. Усилители сигналов на МДП-транзисторах.......................................... 50

5.7.1. Усилитель импульсных сигналов на КМДП-транзисторах............... 51

5.7.2. Усилители слабых сигналов на КМДП-транзисторах....................... 52

5.7.3. Автогенератор на КМДП-транзисторах............................................ 52

5.7.4. Логические схемы на МДП-транзисторах.......................................... 53

5.8. Интегральные операционные усилители............................................... 54

5.9. Вопросы для самоконтроля по теме 5................................................... 56

5.10. Тест по теме 5........................................................................................ 56

ТЕМА 6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ И ТИРИСТОРЫ, ВЫПРЯМИТЕЛИ НА ПОЛУПРОВОДНГИКОВЫХ ПРИБОРАХ.................................................. 57

6.1. Полупроводниковые диоды................................................................... 57

6.2. Выпрямители на полупроводниковых диодах..................................... 59

6.3. Мостиковый выпрямитель на полупроводниковых диодах................. 61

6.4. Тиристоры.............................................................................................. 62

6.5. Управляемые выпрямители на тиристорах........................................... 65

6.6. Импульсный выпрямитель с инвертором на мощном

биполярном транзисторе........................................................................... 67

6.7. Стабилизаторы напряжения.................................................................. 68

6.7.1. Параметрические стабилизаторы напряжения.................................. 69

6.7.2. Компенсационные стабилизаторы напряжения................................. 69

6.8. Вопросы для самоконтроля по теме 6................................................... 70

6.9. Тест по теме 6.......................................................................................... 70

Решение тренировочных заданий................................................................. 72

Тест по дисциплине........................................................................................ 72

Вопросы к экзамену...................................................................................... 73

Список рекомендуемой литературы............................................................. 74

Словарь основных понятий.......................................................................... 75

Список принятых сокращений международная система единиц Си........... 76

Десятичные приставки, используемые при обозначении величин.............. 77

Ответы на тесты............................................................................................. 77

Дисциплины «Электротехника и электроника» и «Общая электротехника и электроника» для студентов неэлектрических специальностей включают в себят широкий круг вопросов, относящихся как к проблемам обеспечения предприятий пищевой промышленности электроэнергией, так и к проблемам использования последних достижений электроники в системах автоматического контроля и управления параметрами пищевых сред. При построении учебно-практического пособия учитывалось, что выпускники университета не будут в своей производственной деятельности заниматься разработкой и проектированием электротехнических систем и электронных устройств, а будут в основном сталкиваться с эксплуатацией готового оборудования. Поэтому изучение, например, особенностей проектирования магнитных цепей, необходимых разработчику трансформаторов, по мнению авторов, не является остро необходимым для технологов пищевых предприятий.

Второй не менее важный фактор, определяющий принятое построение учебного пособия – очень быстрое развитие электротехники и электроники. Практически каждые два-три года происходит смена элементной базы компьютеров, систем автоматизации и другого электронного и электротехнического оборудования. В связи с эти совершенно бессмысленно изучать построение конкретных электронных устройств, так как они к моменту окончания университета могут быть заменены новыми, построенными на других принципах.

Поэтому в первой части курса основное внимание уделяется рассмотрению принципиальных основ электротехники и электроники, а также упрощенных методов подхода к анализу и синтезу электротехнических и электронных систем. Изучение этих вопросов создает прочную базу фундаментальных знаний и позволяет будущему специалисту легко ориентироваться во вновь разработанных устройствах. При построении учебно-практического пособия учитывалось, то обстоятельство, что, многие физические процессы, используемые в основе электротехники и электроники, например, происходящие в твердом теле изучаются в курсе физики. В первой части пособия (темы 1 и 2) кратко рассматриваются основные положения теории электромагнитного поля, приближенные методы представления основных параметров электромагнитного поля, а также вопросы передачи электроэнергии с помощью проводов и проводящих каналов

Во второй части курса (темы 3 и 4) рассматриваются основные проблемы электроснабжения предприятий и многофазные (трехфазные) электрические цепи.

Третья часть учебного пособия посвящена электронике. В теме 5 изучаются современные электронные устройства на интегральных полупроводниковых микросхемах. Тема 6 посвящена рассмотрению выпрямителей на полупроводниковых диодах и тиристорах. В том числе рассматриваются импульсные выпрямители с инверторами, используемые в ЭВМ и устройствах автоматического управления электродвигателями.

В зависимости от числа часов, выделяемых на изучение электротехники и электроники, изменяется глубина проработки тех или иных ее разделов, но не их содержание. Это обстоятельство позволяет использовать при изучении перечисленных предметов одно учебное пособие. Студенты неэлектрических специальностей с малым числом часов, выделяемых на изучение дисциплины, могут ограничиваться ознакомлением темами 1 и 2 без глубокого их изучения. Они большее внимание должны уделять изучению тем 5,6, а также 3,4, в которых рассмотрены особенности электроснабжения предприятий и других потребителей электрической энергии с помощью многофазных электрических сетей. Студентам технологических специальностей большее внимание необходимо уделять изучению вопросов построения контрольно-измерительной систем и изучению особенностей использования электротехнических устройств в технологических процессах и т.д.

ВВЕДЕНИЕ

Изложение теоретических основ электромагнитного поля и само построение курса «Электротехника и электроника» во многом зависит от тех упрощающих предположений, которые делаются теми или другими авторами.

Известно, (см. например [1, 2, 5]), что строгое рассмотрение процессов распространения и особенно воздействия электромагнитных полей на различные среды может быть проведено только при использовании теории случайных процессов. Однако при этом естественно возникают существенные математические трудности. Поэтому, как правило, авторы учебников используют упрощения, позволяющие с тем или иным приближением решать практические задачи с допустимой степенью погрешности. При этом во многих учебных пособиях вопросы допустимости сделанных предположений часто даже не обсуждаются.

К сожалению, при выборе упрощенных методов часто забывают об ограниченности полученных результатов и недопустимости делать на основании их выводы о действительном характере реальных физических процессов.

Часто в погоне за кажущейся простотой объяснения протекающих в электрических и электронных цепях физических процессов, вводятся понятия и развиваются представления, не имеющие никакого отношения к действительным. Так введение понятия электрического тока сопровождается вычислениями скорости дрейфа электронов и положительных зарядов в полупроводниках. В то время как давно теоретически и экспериментально установлено, что электромагнитные поля распространяются вдоль проводников и других проводящих каналов со скоростью близкой к скорости света.

Большинство упрощенных подходов к анализу и синтезу электрических систем, хотя они иногда и позволяют получать правдоподобные результаты, не предохраняют от принципиальных ошибок. Например, пренебрежение нелинейными эффектами в электрических цепях приводит к рекламированию в средствах массовой информации различных устройств типа вечных двигателей с коэффициентом полезного действия больше единицы. Примером таких ошибочных подходов является также упрощенное рассмотрение ряда задач в электростатике и теории цепей постоянного тока.

В окружающей нас природе не существует неизменных во времени зарядов и постоянных электрических полей. Параметры всех без исключения электромагнитных полей изменяются во времени, как и изменяются характеристики среды, в которой распространяются электромагнитные поля.

В настоящем учебном пособии делается попытка обосновать те упрощающие предположения, которые делаются при рассмотрении тех или иных процессов в электротехнических и электронных системах.