direct currentx

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ЮГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
Сургутский нефтяной техникум (филиал)
Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения
высшего профессионального образования
«Югорский государственный университет»
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА
КУРС ЛЕКЦИЙ
по дисциплине: «Электротехника и электроника»
раздел: «Цепи постоянного тока»
Преподаватель:
О.Н. Кузнецова
2015
1
Аннотация
В методической разработке представлен конспект лекций раздела"
Электрические цепи постоянного тока" дисциплины "Электротехника и
электроника".
Данный материал рассчитан на 3 лекционных занятия.
Ценность данной работы заключается в том, что основной теоретический
материал, необходимый для получения студентами устойчивых знаний по
данной теме, в соответствии с ФГОС третьего поколения, изложен простым и
доступным языком.
Методическая разработка содержит примеры карточек контроля, которые
позволяют проконтролировать степень усвоения материала по данным темам.
Также к методической разработке приложена презентация по данной теме.
Целью и задачами разработки являются:
 обеспечение процесса обучения наглядными иллюстрациями, простыми для
усвоения обучающимися;
 совершенствование самостоятельности при получении знаний, умений,
навыков;
 формирование компетенции различных аспектов учебной деятельности и
знаний, необходимых для спланированного продвижения в учении;
 развитие у обучающихся логического мышления, интуиции;
 развитие интеллектуальных и познавательных способностей.
Данной методической разработкой может пользоваться любой
преподаватель дисциплины «Электротехника и электроника» или «Физика».
2
СОДЕРЖАНИЕ:
РАЗДЕЛ № 1 «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА»
1. Лекция № 1. Тема: «Электрическая цепь, её элементы и параметры»….3
2. Лекция № 2.Тема: «Основные законы электротехники»………………...8
2.1. Закон Ома………………………………………………………………8
2.2. Первый закон Кирхгофа………………………………………………9
2.3. Второй закон Кирхгофа……………………………………………….9
3. Лекция № 3.Тема: «Способы соединения резисторов»……………..….10
3.1. Параллельное соединение резисторов………………………………10
3.2. Последовательное соединение резисторов…………………………11
3.3. Смешанное соединение резисторов…………………………….…...12
3.4. Пример расчета смешанного соединения резисторов ………….....13
4. Карточки контроля (Приложения 1, 2, 3)………………………………..15
3
РАЗДЕЛ № 1 «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА»
Лекция № 1
Тема: «Электрическая цепь, её элементы и параметры»
Электрической цепью называют совокупность устройств,
предназначенных для получения, передачи, преобразования и использования
электрической энергии.
Условное обозначение элементов электрической цепи:
Е
,
- источник ЭДС
,
- потребитель
Источники ЭДС:
а) аккумуляторы
б) генераторы
в) конденсаторы
Потребители (нагрузка):
a) электрические бытовые приборы,
б) осветительные приборы,
в) электрические двигатели,
г) трансформаторы и т.д.
Основными элементами, без которых невозможно создать электрическую цепь
являются:
1. источник энергии
2. провода
3. потребитель
4
Рис. 1 простейшая электрическая цепь
Так же в электрическую цепь включаются: аппараты коммутации,
электроизмерительные приборы, различные устройства защиты,
преобразовательные и распределительные устройства.
Любая электрическая цепь характеризуется:
1. электрическим током,
2. электродвижущей силой (ЭДС),
3. электрическим напряжением,
4. электрической мощностью,
5. электрическим сопротивлением.
Электрическим током(𝐼)называют направленное движение заряженных
частиц (электронов).
Значение тока определяется совокупным электрическим зарядом Q всех
частиц проходящих за единицу времени через поперечное сечение проводника
за единицу времени.
𝐼=
𝑄
;
𝑡
𝐼 − [𝐴]
Единица измерения электрического тока – Ампер (А).
В практических расчетах используют понятие плотности тока:
𝐼
𝑗= ;
𝑆
j– [
𝐴
]
𝑀2
5
Электрический ток, не изменяющийся по направлению в течение времени
называется постоянным током.
Постоянный ток может быть:
Пульсирующим
Сглаженным
Электрический ток, изменяющий свое значение и направлении в течении
времени периодически называется переменным током.
Электрический ток измеряется амперметром, который включается в цепь
последовательно.
Электродвижущей силой(Е) – называется величина равная энергии
получаемой внутри источника единичным электрическим зарядом.
E – [B] (Вольт)
ЭДС получается в результате работы не электрических сил (химическая
реакция, механическая энергия…)
Э.Д.С. измеряется вольтметром, при отключенной нагрузке, т.е. при
разомкнутой цепи.
Напряжение(U) – величина, которая показывает, какая энергия преобразуется
(расходуется) в потребителе, каждым единичным зарядом.
U – [B] (Вольт).
6
Напряжение измеряется вольтметром при замкнутой цепи.
Вольтметр включается в цепь параллельно.
При движении электронов в проводнике, они сталкиваются с атомами и
молекулами материала, испытывая при этом противодействия своему
движению, которое называется электрическим сопротивлением(R).
R – [Ом]
Электрическое сопротивление измеряется омметром.
Электрическое сопротивление проводника зависит от физико-химических
параметров проводника и находится по формуле:
𝑅=
𝜌 ∙ 𝘭
𝑆
Сопротивление проводника зависит от температуры. Эта зависимость
выражается формулой:
R2 = R1 [ 1+ 𝛼 (𝑡2 − 𝑡1 )]
R1 и R2 сопротивление проводника при начальной 𝑡1 и конечной
𝑡2 температурах.
𝛼 - температурный коэффициент сопротивления
1
𝛼−[ ]
℃
Любой элемент электрической цепи имеет большее или меньшее
сопротивление.
Элемент с большим сопротивлением называется резистором.
Наряду с сопротивлением любой проводник обладает электрической
проводимостью.
7
Удельная электрическая проводимость (G) характеризует свойство вещества
проводить электрический ток
q =
1
;
𝑅
q =
𝐼
;
𝑈
G, q – [ См] (Сименс)
Учитывая эти определения, получим расчетные формулы для электрических
цепей постоянного тока
R =
1 𝜌 ∙ 𝑙
=
;
𝑞
𝑆
Электрическая мощность (P) – это величина характеризующая скоростью
выполняемой работы.
Единица измерения:[Вт]- ватт, [кВт] – киловатт.
Мощность, отдаваемая источником.
Мощность,потребляемая нагрузкой (мощность потребителя).
𝑈2
𝑃 =𝐼 ∙𝑅 =𝑈∙𝐼 =
𝑅
2
При прохождении тока по проводнику, электроны сталкиваются с
молекулами вещества, в результате чего часть энергии электронов теряется, что
приводит к нагреву проводника.
Количество теплоты, выделенной в проводнике, находится по закону Джоуля –
Ленца.
𝑄 = 𝐼2 ∙ 𝑅 ∙ 𝑡
Количество теплоты, выделяемой при прохождении тока в проводнике,
пропорционально 𝐼 2 , сопротивлению и времени прохождения тока.
8
Лекция № 2
Тема: «Основные законы электротехники»
1. Закон Ома
Ток, протекающий по цепи прямо пропорционален напряжению,
приложенному к цепи (участку цепи) и обратно пропорционален
сопротивлению цепи (участку цепи).
I =
U
− закон Ома для участка цепи
R
С учетом внутреннего сопротивления источника ЭДС можно записать:
E = Uвн+ Uвнеш= I · Rвн + I · Rвнеш = I ( Rвн+ Rвнеш)
Тогда получим:
I =
E
R вн
+
R внеш
− закон Ома для полной цепи
Напряжение на зажимах цепи:
U = E – Uвнут= E – I · Rвнут
Любая электрическая цепь содержит узлы, контуры и ветви.
Контуром называют любой замкнутый участок цепи, проходящий
по
нескольким ветвям (участкам).
Ветвью называют участок цепи, расположенный между 2-мя узлами по
которому протекает один и тот же ток.
Узлом называют место соединения трех и большего числа ветви(проводов).
При расчете любой электрической цепи применяют законы Кирхгофа.
9
2. Первый закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма токов входящих в узел, равна алгебраической
сумме токов выходящих из узла
или сумма всех токов в узле равна нулю.
∑𝐼 = 0
Этот закон применяют для составления токового уравнения для любого
узла электрической цепи.
При составлении уравнения нужно помнить что токи, направленные к
узлу берут со знаком (+), а токи, направленные от узла со знаком (-).
Токовое уравнение для узла А записанное по первому
закону Кирхгофа.
𝐼1 + 𝐼3 = 𝐼2 + 𝐼4 + 𝐼5
𝐼1 +𝐼3 +𝐼2 −𝐼4 −𝐼5 = 0
3.Второй закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма Э.Д.С., действующих в любом замкнутом
контуре, равна алгебраической сумме напряжений на каждом сопротивлении
этого контура:
∑ 𝐸 = ∑ 𝑈;
или
Напряжение, действующее в любом замкнутом контуре равно сумме
напряжений на каждом сопротивлении этого контура.
𝑈 = ∑𝑈
10
Пример:
Лекция № 3
Тема: «Способы соединения резисторов»
1. Параллельное соединение сопротивлений.
Параллельным называется соединение, при котором все участки цепи
присоединяются к одной паре узлов и находятся под одним напряжением.
Признак параллельного соединения: наличие двух общих узлов.
Рассмотрим свойства:
1. Напряжение на всех ветвях одинаково и равно напряжениюна зажимах
цепи.
𝑈 = 𝑈1 = 𝑈2 = 𝑈3
2. Ток в неразветвленной части цепи I равен сумме токов ветвей
𝐼 = 𝐼1 + 𝐼2 + 𝐼3
3. Эквивалентное сопротивление цепи находится
11
а) через проводимости, если цепь содержит 3 или большее количество
ветвей:
𝑅экв =
1
𝑞экв
Где:
𝑞экв = 𝑞1 + 𝑞2 + 𝑞3 ;
𝑞1 =
1
;
𝑅1
𝑞2 =
1
𝑅2
б) Если цепь содержит 2 ветви, то 𝑅экв находится по формуле
𝑅экв =
𝑅1 ∙ 𝑅2
𝑅1 + 𝑅2
В) Если цепь содержит n ветвей с одинаковыми сопротивлениями то:
𝑅экв =
𝑅
𝑛
2. Последовательное соединение резисторов.
Последовательным называют соединение, при котором резисторы
соединены друг за другом без разветвлений.
Признак последовательного соединения:отсутствие узлов между резисторами.
12
Рассмотрим свойства соединения.
1. Ток, протекающий через все сопротивления одинаковый.
𝐼 = 𝐼1 = 𝐼2 = 𝐼3
2. Напряжение на зажимах цепи равно сумме напряжений на всех
сопротивлениях.
𝑈 = 𝑈1 + 𝑈2 + 𝑈3
3. Эквивалентное сопротивление цепи равно сумме всех R.
𝑅экв = 𝑅1 + 𝑅2 + 𝑅3
По закону Ома напряжения на зажимах цепи и на сопротивлениях
рассчитывают
𝑈 = 𝐼 ∙ 𝑅экв
𝑈1 = 𝐼1 ∙ 𝑅1 = 𝐼 ∙ 𝑅1 ;
𝑈2 = 𝐼2 ∙ 𝑅2 = 𝐼 ∙ 𝑅2 ;𝑈3 = 𝐼3 ∙ 𝑅3 = 𝐼 ∙ 𝑅3
Видим, что при последовательном соединении резисторов напряжения на них
прямо пропорциональны сопротивлению, т.е. напряжение U
прямопропорционально сопротивлению R
Поэтому если изменить значения сопротивлений, то произойдет
перераспределение напряжения на участках цепи.
3. Смешанное соединение
Смешанным называют соединение, которое содержит участки с
последовательным и параллельным соединением.
При расчете цепи со смешанным соединением необходимо знать свойства
последовательного и параллельного соединений и пользоваться ими, а также
знать и применять законы Ома и Кирхгофа.
13
Сначала необходимо выделить участки цепи, на которых видно, какое либо соединение (последовательное или параллельное).
Пользуясь свойствами начать сворачивать первоначальную цепь до
одного эквивалентного сопротивления 𝑅экв с составлением схем замещения.
Пользуясь схемами замещения произвести расчет всех параметров на
участках цепи.
Пример расчета параметров электрической цепи со смешанным
соединением резисторов:
Дано:
𝑅1 = 2 Ом
𝑅2 = 4 Ом
𝑅3 = 12 Ом
𝑅4 = 3 Ом
𝑅5 = 6 Ом
𝑈2 = 30 В
Решение:
1. Находим эквивалентное сопротивление:
a)
𝑅2,3,4 = 𝑅4 +
𝑅2 ∙ 𝑅3
4 ∙ 12
=3+
= 3 + 3 = 6 Ом
𝑅2 + 𝑅3
4 + 12
б)
𝑅экв = 𝑅1 +
𝑅2,3,4 ∙ 𝑅5
6∙6
= 2+
= 2 + 3 = 5 Ом
𝑅2,3,4 + 𝑅5
6+6
2. Находим напряжение 𝑈5 :
𝑈5 = 𝐼5 ∙ 𝑅5 = 5 ∙ 6 = 30𝐵
3. Находим ток 𝐼2,3,4 :
𝐼2,3,4 = 𝐼2,3 = 𝐼4 =
𝑈5 30
=
=5А
𝑅5
6
14
4. Находим ток 𝐼1 :
𝐼1 = 𝐼4 + 𝐼5 = 5 + 5 = 10 А
5. Находим напряжение на зажимах цепи 𝑈АВ :
𝑈АВ = 𝐼1 ∙ 𝑅1 = 10 ∙ 5 = 50 В
6. Мощность, потребляемая цепью:
Р = 𝐼12 ∙ 𝑅экв = 102 ∙ 5 = 500 Вт
7. Электроэнергия, потребляемая цепью за 8 часов работы:
W = P ∙ t = 500 ∙ 8 = 4000Bт = 4 кВт ∙ ч
8. При замыкании накоротко резистора 𝑅5 , цепь будет иметь вид:
15
ОБРАЗЦЫ КАРТОЧЕК КОНТРОЛЯ И ПРОВЕРКИ ЗНАНИЙ
ПО РАЗДЕЛУ: «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА»
Приложение 1
Карточки контроля к теме: «Электрическая цепь, её элементы и параметры»
16
Вариант 1
Вариант 2
A
E
t
R + R0
Вариант 3
I · R
I·
· U
· t
· U
U2
· U · t
t
P
U
2
·
R + R0
· U · t
U + U0
P
t
· R0
E
+ R0
2
P
· R
I
2
·
I2 ·
U2
A
I
Q=
2
·
·T
A
R
2
R
·
R ·t
R ·t
17
Вариант 1
Вариант 2
Вариант 3
10 Ом
3А
12 B
V
10 Ом
A
A
10 Ом
?
3 Ом
2А
A
A
?
A
?
V
V
V
A
?
3 Ом
10 Ом
?
5 Ом
5 Ом
V
A
?
A
A
20 Ом
A
10 Ом
5 Ом
?
5 Ом
V
10 Ом
V
A
V
?
?
A
A
10 Ом
10 Ом
A
5 Ом
A
?
?
5 Ом
?
V
V
A
?
A
A
5 А
V
V
?
10 Ом
A
20 Ом
6 Ом
?
A
20 Ом
6 Ом
A
A
A
10 Ом
A
?
V
18
Приложение 2
Карточки контроля к теме: «Основные законы электротехники»
19
20
Приложение 3
Карточки контроля к теме: «Способы соединения резисторов»
21
Перечень рекомендуемых учебных изданий, Интернет – ресурсов,
дополнительной литературы
Основная литература:
1. Б.В. Покрепин. «Оператор по добыче нефти и газа».Волгоград: Ин Фолио, 2011.
2. А.И. Снарев. «Расчеты машин и оборудования для добычи нефти и газа».
– М.: Инфра-инженерия, 2010.
3. С.П. Никитенко. «Нефтегазопромысловое оборудование». - Волгоград:
Ин - Фолио, 2008.
4. Б.Г.
Меньшов,
И.И.
Суд.
«Электрооборудование
нефтяной
промышленности». – М.: Недра, 2008.
Дополнительная литература:
1. Кацман М. И. «Электрические машины» - М.: Высшая школа, 2010.
2. «Справочник мастера по ремонту нефтегазового технологического
оборудования». Том 1, 2. – М.: Инфра-инженерия, 2008.
3. А.Г. Молчанов, В.Л. Чичеров. «Нефтепромысловые машины и
механизмы». – М.: Недра, 2003.
4. А.А. Раабен, П.Е. Шевалдин, Н.Х. Максутов. «Ремонт и монтаж
нефтепромыслового оборудования». – М.: Недра, 2003.
5. В.И. Блохин, Б.И. Моюхейн, Б.М. Парфенов и др. «Электропривод новых
буровых установок с применением тиристорных преобразователей». –
М.: ВНИИОНГ.
Интернет-ресурсы:
1.http://e-scientist.ru/
2. http://www.vsya-elektrotehnika.ru/
3. http://electricalschool.info/main/elsnabg/
4. http://www.mephi.ru/sdudents/labs/chair8/