Электрические цепи постоянного тока. (Лекция 1)

1. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Московский государственный строительный
университет
Кафедра электротехники и электропривода
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Часть 1. Электрические и магнитные цепи.
Электрические измерения
Лекция 1. Электрические цепи постоянного тока
Электронные лекции
:
.
1

2.

2

3. Оглавление

Лекция 1. Электрические цепи постоянного тока
Лекция 2. Отдельные электроприемники в однофазной
цепи переменного тока
Лекция 3. Однофазная цепь с последовательным
соединением электроприемников
Лекция 4. Однофазная цепь с параллельным
соединением электроприемников
Лекция 5. Трехфазные цепи при соединении нагрузки
звездой
Лекция 6. Трехфазные цепи при соединении нагрузки
треугольником
Лекция 7. Электромагнетизм и магнитные цепи
Лекция 8. Электрические измерения
3

4. Электрические цепи постоянного тока Общие сведения об электрических цепях и их элементах

4

5. Электрические цепи постоянного тока Общие сведения об электрических цепях и их элементах

5

6. Электрические цепи постоянного тока Общие сведения об электрических цепях и их элементах

Источники
электроэнергии
Механическая
энергия
Генераторы
Динамомашинки
Пъезозажигалки
Электродвигатели
Электромагниты
Реле
Механическая
Аккумуляторы
Электрические
батареи
Аккумуляторы на
зарядке
Химическая
энергия
Тепловая
энергия
Термопары
Световая
энергия
Фотоэлементы
Солнечные
батареи
Энергия
плазмы
Термоядерные
реакторы
МГД-генераторы
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ
Химическая
энергия
Приемники
электроэнергии
Электролизн. ванны
энергия
Электронагревательные приборы
Тепловая
энергия
Электрические
лампы
Светодиоды
Световая
энергия
Плазматроны
Плазменные сварочные аппараты
Энергия
плазмы
6

7. Электрические цепи постоянного тока Общие сведения об электрических цепях и их элементах

7

8. Электрические цепи постоянного тока Общие сведения об электрических цепях и их элементах

а)
б)
Рис.2. Условное обозначение (а) и образцы (б) различных резисторов
8

9. Электрические цепи постоянного тока Схемы электрических цепей постоянного тока

9

10. Электрические цепи постоянного тока Схемы электрических цепей постоянного тока

а)
б)
Рис. 3. Простейшая цепь постоянного тока
а – принципиальная схема; б – схема замещения;
в – упрощенная одноконтурная схема замещения
в)
10

11. Электрические цепи постоянного тока Схемы электрических цепей постоянного тока

11

12. Электрические цепи постоянного тока Схемы электрических цепей постоянного тока

а)
б)
Рис. 4. Схемы замещения разветвленной цепи постоянного тока
а) – с одним источником питания; б) – с двумя источниками питания
12

13. Электрические цепи постоянного тока Закон Ома

I=
U
R
U = IR
R=
U
I
n
I=
U lq + å E j
j=1
m
åR
f =1
f
13

14. Электрические цепи постоянного тока Закон Ома

n
I=
åE
j=1
m
åR
f =1
I=
j
.
f
E
.
R 0Л+ R + R
Рис.5. Схема замещения одноконтурной цепи
(двухпроводная линия электропередачи)
14

15. Электрические цепи постоянного тока Электрическое сопротивление проводника

l
R = r × ,Ом
S
Ом × мм2
м
Ом × мм2
r М » 0, 0175
;
м
G=
r АЛ
Ом × мм2
» 0, 028
.
м
1
.
R
g=
1
М
,
.
r Ом × мм2
15

16. Электрические цепи постоянного тока Последовательное, параллельное и смешанное соединение сопротивлений

n
R пос = å R K .
K =1
16

17. Электрические цепи постоянного тока Последовательное, параллельное и смешанное соединение сопротивлений

n
n
1
.
K =1 R K
G пар = å G K = å
K =1
17

18. Электрические цепи постоянного тока Последовательное, параллельное и смешанное соединение сопротивлений

Электрические цепи постоянного тока
Последовательное, параллельное и смешанное соединение
1
1
R пар =
= n
.
сопротивлений
1
G
пар
åR
K =1
K
R12 =
R пос nR
=
= n2 .
R пар R
n
1
1
1
+
R1 R 2
=
R 1R 2
.
R1 + R 2
18

19. Электрические цепи постоянного тока Последовательное, параллельное и смешанное соединение сопротивлений

19

20. Электрические цепи постоянного тока Последовательное, параллельное и смешанное соединение сопротивлений

R12 = R1 + R 2 ;
R 34 =
R 3R 4
R3 + R 4
R Э = R12 + R 34 + R 5 = R1 + R 2 +
R 3R 4
+ R5 .
R3 + R 4
20

21. Электрические цепи постоянного тока Электрическая энергия и мощность

P=
W
= UI.
t
21

22. Электрические цепи постоянного тока Электрическая энергия и мощность

U2
P=
,
R
P = I 2 R.
22

23. Электрические цепи постоянного тока Электрическая энергия и мощность

m
åP
k =1
kист
m
n
k =1
k =1
= å Ek I k = å R k I k2 .
23

24. Электрические цепи постоянного тока Первый и второй законы Кирхгофа

n
åI
K =1
K
= 0.
24

25. Электрические цепи постоянного тока Первый и второй законы Кирхгофа

Пример:
I1 – I2 + I3 – I4 – I5 = 0; или
I1 + I3 = I2 + I4 + I5
25

26. Электрические цепи постоянного тока Первый и второй законы Кирхгофа

n
åE
K =1
K
m
m
K =1
K =1
= å UK = å R K IK .
26

27. Электрические цепи постоянного тока Первый и второй законы Кирхгофа

m
åU
K =1
m
K
= å R K I K = 0.
K =1
27

28. Электрические цепи постоянного тока Первый и второй законы Кирхгофа

Заданы величины ЭДС Е1 и Е2, а также
сопротивления R1, R2 и R3.
Требуется найти токи в ветвях
I1, I2 , I3 и напряжения U0, U1, U2, U3
Решение: Составим три линейных
уравнения с тремя неизвестными (токи
I1, I2, I3).
28

29. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

Рис.6. Схема замещения одноконтурной цепи
(двухпроводная линия электропередачи)
E = U 0 + U1 = IR 0 + U1;
U1 = E - U 0 = E - IR 0 .
29

30. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

E = U0 + U Л + U2 = I ( R 0 + R Л + R H ) ;
U 2 = E - DU = E - I ( R 0 + R Л ) ,
DU = U 0 + U Л = I ( R 0 + R Л ) .
I=
E
.
R0 + RЛ + RH
U 2 = IR H .
U2 =
ER H
R0 + R Л + RH
U2 =
E
.
R0 + RЛ
+1
RH
30

31. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

31

32. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

32

33. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

33

34. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

η=
η=
Р2
.
Р1
Р2
1
=
< 1.
DР + Р 2 DР
+1
Р2
34

35. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

η=
η=
U2
U2
U2
=
=
.
E U 0 + U Л + U 2 DU + U 2
RH
1
=
.
R
+
R
R0 + R Л + RH
0
Л
+1
RH
35

36. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

I КЗН =
E
>> I Н .
R 0Л+ R
I КЗИ =
E
ñI
>> I Н .
R 0 КЗН
36

37. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

37

38. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

Рис. 8. Зависимости относительных мощностей источника Р'1, приемника Р'2 и
КПД электрической системы η от тока нагрузки I
38

39. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

R¢H =
RH
R0 + R Л
39

40. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

Рис. 9. Зависимости относительных мощностей источника Р'1, приемника Р'2
и КПД электрической системы η от относительного сопротивления нагрузки R'H
40

41. Электрические цепи постоянного тока Режимы работы электрической цепи

Режим
согласованной
нагрузки
Видно, что с увеличением относительного сопротивления нагрузки R'H
мощность Р'1, выделяемая в источнике питания цепи, падает от
максимальной при коротком замыкании (R'Н = 0), становясь в два раза
больше мощности Р'2 , выделяемой в нагрузке в согласованном режиме.
В режиме работы силовой нагрузки (при больших значениях КПД η)
мощность источника Р'1 не намного больше мощности нагрузки Р'2. Из
этого графика также видно, что в режиме согласованной нагрузки
(при R'Н = 1) КПД цепи действительно равен 0,5, а при увеличении
относительного сопротивления нагрузки свыше 4 (в режиме работы
силовой нагрузки) КПД цепи превышает 0,8.
41

42. Электрические цепи постоянного тока Вольт-амперные характеристики

Электрические цепи постоянного тока
Вольт-амперная
характеристика
линейного резистора
Вольт-амперные
характеристики
Вольт-амперными характеристиками (ВАХ) элементов и участков
электрических цепей называются зависимости их напряжений от
величины проходящего тока U = f(I).
Вольт-амперные характеристики пассивных элементов проходят через
начало координат, так как в отсутствии напряжения на элементах ток в них
также отсутствует. ВАХ линейного резистивного элемента, определяется
формулой: U = I × R.
При этом активное сопротивление R принимается неизменным и не
зависящим от приложенного напряжения U и проходящего тока I.
Линейное активное сопротивление определяется из закона Ома:
R=
U
= tgj = const.
I
Меньшему углу наклона ВАХ соответствует резистор с меньшей величиной
активного сопротивления R и наоборот (см. рис. 10).
42

43. Электрические цепи постоянного тока Вольт-амперные характеристики

Электрические цепи постоянного тока
Вольт-амперная
характеристика
линейного резистора
Вольт-амперные
характеристики
Рис. 10. Вольт-амперные характеристики линейных резисторов (R1 > R2)
43

44. Электрические цепи постоянного тока Вольт-амперные характеристики

Электрические цепи постоянного тока
Вольт-амперная
характеристика
источника ЭДС
Вольт-амперные
характеристики
(внешняя характеристика)
ВАХ источника ЭДС Е с внутренним сопротивлением R0, называется
внешней характеристикой. Внешняя характеристика определяется как
зависимость напряжения U1 на зажимах источника ЭДС от величины
протекающего тока I, исходя из второго закона Кирхгофа:
U1 = E - U 0 = E - IR 0 .
Рис. 11. Схема замещения электрической
цепи постоянного тока, состоящей из
источника ЭДС и активной нагрузки,
соединенных двухпроводной линией
электропередачи
44

45. Электрические цепи постоянного тока Вольт-амперные характеристики

Электрические цепи постоянного тока
Внешняя
характеристика
Вольт-амперные
характеристики
Рис. 12. Внешние характеристики
источников ЭДС Е с разными
внутренними сопротивлениями R0.
Видно, что чем меньше
внутреннее сопротивление R0,
тем меньше меняется
напряжение питания на зажимах
источника от величины тока
питания I.
Для идеального источника ЭДС с нулевым внутренним сопротивлением его
напряжение равно ЭДС при любом токе в цепи. Для реальных источников
ЭДС (с ненулевым внутренним сопротивлением) напряжение на его зажимах
U1XX равно величине ЭДС E только в разомкнутой цепи (режим холостого
хода). Максимальный ток, вырабатываемый источником ЭДС определяется
из режима короткого замыкания, при котором IКЗ = E/R0.
45

46. Электрические цепи постоянного тока Вольт-амперные характеристики

Электрические цепи постоянного тока
Вольт-амперная
характеристика
нелинейного элемента
Вольт-амперные
характеристики
(нелинейная ВАХ)
Рис. 13. Нелинейная ВАХ I(U)
R=
U
= var.
I
Rст1 < Rст2 .
Расчет электрических цепей с
нелинейными элементами проводится
графоаналитическим методом [1].
Примеры нелинейных сопротивлений (элементов):
– лампа накаливания Rнагр > Rхол;
– полупроводниковые приборы: диод, тиристор, транзистор и др.
46

47. Электрические цепи постоянного тока ТЕСТ – Электрические цепи постоянного тока

Электрические цепи постоянного тока
При
нажатии
на расположеннуюцепи
внизупостоянного
кнопку-гиперссылку
ТЕСТ
– Электрические
тока«ТЕСТ»
запускается тестирующая программа и предоставляет пользователю
выборку пяти вопросов и задач из общего количества 34 по теме раздела.
При этом появляется окно Выбор режима.
В этом окне следует отметить пункт Обучение и после – нажать кнопку Ок,
так как тестирование в настоящем пособии проводится только в режиме
Обучение. При ошибочных ответах пользователя на вопросы теста
приводятся подсказки в виде правильных ответов (в режиме контроля
подсказки отсутствуют).
47

48. Электрические цепи постоянного тока Литература и электронные средства обучения

48

49. ЛЕКЦИЯ ОКОНЧЕНА

Благодарю за внимание!
49