Лекции по электротехнике (1 часть)
ЛЕ К Ц И Я 1
1.Введение. Цели, задачи и структура курса.
2.Линейные цепи постоянного тока — основные понятия и определения.
3.Схемы электрических цепей и их элементы.
4.Законы Ома и Кирхгофа.
1.Введение
Электротехника — техническая дисциплина, которая занимается анализом и
практическим использованием для нужд промышленного производства и быта всех физических явлений, связанных с электрическими и магнитными полями.
Область практического применения электротехники имеет четыре связанные друг с другом направления :
1.Получение электрической энергии.
2.Передача энергии на расстояние.
3.Преобразование электромагнитной энергии.
4.Использование электроэнергии.
Научно-технический прогресс происходит при все более широком исполь- зовании электрической энергии во всех отраслях отечественной промышлен- ности. Поэтому электротехническая подготовка инженеров не электротехниче-
ских специальностей должна предусматривать достаточно подробное изучение вопросов теории и практики использования различных электроустановок. Ин- женер любой специальности должен знать устройство, принцип действия, характеристики и эксплуатационные возможности электрических цепей, элек- трических машин, различных аппаратов и другого электрооборудования, спо- собы регулирования и управления ими.
История развития электротехники как науки связана с важнейшими иссле- дованиями и открытиями. Это исследования атмосферного электричества, появление источников непрерывного электрического тока — гальванических элементов (1799 г.), открытие электрической дуги (1802 г.) и возможность ее использования для плавки металлов и освещения, открытие закона о направле- нии индуцированного тока (1832 г.) и принципа обратимости электрических машин, в 1834 г. впервые осуществлен электропривод судна, открытие закона теплового действия тока — закона Джоуля — Ленца (1844 г.), в 1876 г. положе- но начало практическому применению электрического освещения с изобрете- нием электрической свечи, в 1889-1891 гг. созданы трехфазный трансформа- тор и асинхронный двигатель.
Внастоящее время отечественная электроэнергетика занимает передовые позиции в мире по созданию мощных ГЭС и каскадов электростанций, произ- водству мощных гидрогенераторов, высоким темпам теплофикации, строи-
тельству высоковольтных линий электропередач и мощных объединенных энергосистем, высокому техническому уровню электросетевого хозяйства.
Всовременных производственных машинах с помощью электротехнической
иэлектронной аппаратуры осуществляется управление ее механизмами, авто- матизация их работы, контроль за ведением производственного процесса, обеспечивается безопасность обслуживания и т.д. Все шире используется в технологических установках электрическая энергия, например, для нагрева из- делий, плавления металлов, сварки.
Основной задачей данного курса является получение основных сведений и формирование знаний, умений и навыков по электротехнике, электронным устройствам и электроприводу.
Всостав курса входят следующие разделы:
1.Электрические цепи постоянного тока.
2.Электрические цепи переменного тока.
3.Переходные процессы в электрических цепях.
4.Основы электроники.
5.Магнитные цепи и электромагнитные устройства.
6.Трансформаторы.
7.Электрические машины.
8.Основы электропривода.
2. Линейные цепи постоянного тока — основные понятия и определения.
Электрической цепью называется совокупность источников и потребителей электрической энергии, соединенных друг с другом с помощью проводников.
Электрический ток — направленное движение заряженных частиц (элек- тронов или ионов ).
Постоянный ток — ток, неизменный по величине и направлению.
Ветвью называется участок цепи между двумя соседними узлами, содержа- щий последовательное соединение элементов.
Точка, где соединяются три и более ветвей называется узлом.
Любой замкнутый путь, проходящий по ветвям данной цепи, называется контуром.
Основными параметрами, характеризующими электрические цепи постоян- ного тока, являются: I(А)- сила тока — количество электричества, проходяще- го через поперечное сечение проводника за единицу времени, U(В) — напря- жение на некотором участке электрической цепи, равное разности потенциалов на концах этого участка, R(Ом) — сопротивление, Р(Вт)- мощность. Все обо-
значения основных физических величин предусмотрены государственным стандартом. Единицы измерения диктуются международной системой единиц.

3. Схемы электрических цепей и их элементы.
Графическое изображение электрической цепи и ее элементов называется электрической схемой (рис. 1)
На любую машину, в состав которой входят электрические устройства, кроме конструкторских чертежей имеется элек- тродокументация, состоящая из различных
электрических схем. Электрические функ-
циональные схемы раскрывают принцип действия устройства. Существуют элек- тромонтажные схемы, в которых раскры- вается монтаж (соединение) электриче-
ских элементов цепи.
Электрические принципиальные схемы раскрывают электрические связи всех от-
дельных элементов электрической цепи между собой.
Все схемы вычерчиваются по определенным стандартам- ГОСТам. ГОСТы являются основой технического языка, применяемого в масштабе всей стра- ны.
Кроме основных электрических схем существуют схемы замещения, по ко- торым наиболее удобно составлять математические уравнения, описания элек- трических и энергетических процессов. Такие схемы являются эквивалентными моделями электрической цепи. Схемы максимально упрощены и по ним удоб- нее провести анализ отображаемых ими сложных электрических цепей.
Все элементы электрических цепей можно разделить на три группы: ис- точники (активные элементы), потребители и элементы для передачи элек- троэнергии от источников к потребителю (пассивные элементы).
Источником электрической энергии (генератором) называют устройство, преобразующее в электроэнергию какой-либо другой вид энергии (электро- машинный генератор — механическую, гальванический элемент или аккумуля- тор — химическую, фотоэлектрическая батарея — лучистую и т.п.).Источники делятся на источники напряжения (Е,U=соnst, при изменении и I) и источники тока (I=соnst, при изменении U). Все источники имеют внутреннее сопротив- ление Rвн, значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи .
Приемником электрической энергии (потребителем) называют устройство, преобразующее электроэнергию в какой-либо другой вид энергии (электро- двигатель — в механическую, электронагреватель — в тепловую, источник света — в световую (лучистую) и т.п.).

Элементами передачи электроэнергии от источника питания к приемнику служат провода, устройства, обеспечивающие уровень и качество напряжения и др.
Условные обозначения элементов электрической цепи на схеме стандарти- зованы. Примеры:
— резистивный элемент (линейный),
— идеальный источник ЭДС, условно положи- тельное направление ЭДС принято от отрица- тельного полюса к положительному (и совпа- дает с положительным направлением тока)
— нелинейный элемент,
— индуктивный элемент, — емкостной элемент,
— полупроводниковый диод, — плавкий предохранитель
4. Законы Ома и Кирхгофа
Закон Ома в простейшем случае связывает величину тока через сопротив- ление с величиной этого сопротивления и приложенного к нему напряжения:
Сила тока на некотором участке электрической цепи прямо пропорциональ-
на напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.
Закон Ома справедлив для любой ветви (или части ветви) электрической цепи, в таких случаях его называют обобщенным законом Ома. Для ветви, не содержащей ЭДС, закон Ома запишется:
I = | ϕa −ϕb | = | Uab | . |
|
| |||
| n | n | ||
| åRi | åRi | ||
| 1 |
| 1 |
|
Здесь ϕа ,ϕb — потенциалы крайних точек ветви, их разность можно заменить напряжением Uab.

Обобщенный закон Ома для ветви, содержащей ЭДС (т.е. для активной вет- ви):
| k |
|
| k | |
I = | ϕa −ϕb + åEj | = | Uab + åEj | ||
1 | 1 | ||||
|
| ||||
| n |
|
| n | |
| åRi |
|
| åRi | |
| 1 |
| 1 |
Пример: Записать закон Ома для активной цепи на рис. 2.
I = ϕa −ϕb + E1 − E2
R1 − R2
Первый закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле электрической цепи равна нулю. При этом токи, текущие к узлу считаются положительными, а от узла — отрицательными. Другая формулировка: сумма токов, подходящих к уз- лу, равна сумме токов, отходящих от узла.
n |
|
|
åIk = 0 | ||
k =1 | + I3 = 0 или | |
I1 | − I2 | |
I1 | + I3 | = I2 |
Первый закон Кирхгофа по сути является законом баланса токов в узлах цепи.

Второй закон Кирхгофа
В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма па- дений напряжений на элементах, входящих в контур, равна алгебраической сумме ЭДС.
m | n |
åRk Ik = åE j | |
k =1 | j=1 |
Второй закон Кирхгофа по сути является законом баланса напряжений в контурах электрических цепей.
Для составления уравнения по 2-му закону Кирхгофа выбирается произ- вольное направление обхода контура. Тогда, если направление тока в цепи совпадает с направлением обхода, то соответствующее слагаемое берется со знаком «+», а если не совпадает, то со знаком «-«. Аналогичное правило рас- становки знаков справедливо и для ЭДС.
Пример:
R1I1 + R3I3 − R2 I2 = E1 − E2
Уравнение по 2-му закону Кирхгофа может быть записано и для контура, имеющего разрыв цепи, однако при этом необходимо в уравнении учитывать напряжение между точками разрыва.
Пример:
R1I1 − R2 I2 −Uab = E1

ЛЕ К Ц И Я 2
1.Схемы замещения электрических цепей.
2.Эквивалентные преобразования пассивных электрических цепей.
3.Расчет цепей посредством двух законов Кирхгофа.
4.Мощность в цепях постоянного тока.
5.Баланс мощностей.
1.Схемы замещения электрических цепей.
Схемой электрической цепи называется ее графическое изображение с ис- пользованием обозначений идеальных элементов. Например:
Если учесть сопротивление утечки реального конденсатора, сопротивление
витков реальной индуктивной катушки и внутреннее сопротивление реального источника ЭДС, то можно составить соответствующие схемы замещения этих элементов:
Отсюда следует, что все схемы по сути дела являются лишь более или ме- нее точными схемами замещения реальных электрических цепей.
Представленный на рис.2 контур содержит три участка: участок с посто- янным напряжением U = Е, не зависящим от тока источника, и участки с на- пряжениями RвхI и U на нагрузке Rн.
Направление ЭДС выбрано совпадающим с направлением тока, но оно противоположно напряжению на этом элементе.
Для определения параметров схемы замещения источника электрической энергии с линейной внешней характеристикой нужно провести два опыта — холостого хода (I=0; U=Uх=Е) и короткого замыкания (I=Iк; U=Е-RвнI).

2. Эквивалентные преобразования пассивных электрических цепей.
Для упрощения анализа сложных электрических цепей отдельные их уча- стки, не содержащие ЭДС, или пассивные цепи целиком можно заменить од- ним эквивалентным сопротивлением. Под эквивалентным понимают такое сопротивление, которое, будучи включенным в цепь вместо заменяемой группы сопротивлений, не изменяет распределение токов и напряжений в ос- тальной части цепи.
При последовательном соединении сопротивлений по каждому из них
протекает один тот же ток, следовательно, падение напряжения на эквива- лентном сопротивлении должно быть равно сумме падений напряжений на ис- ходных сопротивлениях:
IRэкв = IR1 + IR2 +…+ IRn
отсюда получаем:
n
Rэкв = R1 + R2 +…+ Rn = åRi
1
Если группа заменяемых сопротивлений соединена параллельно, то
напряжения на каждом из них и на эквивалентном сопротивлении одинаковы. Условия эквивалентности будут выполнены, если ток через искомое сопро- тивление будет равен сумме токов через отдельные параллельные сопротив- ления:
I = I1 + I2 +…+ In
Используя закон Ома для отдельного сопротивления, можем записать:
|
|
| U |
| = | U |
| + | U | +…+ | U |
|
| |||||
|
|
| R |
| R | R | R |
| ||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| |||||||
Окончательно получаем: |
| экв |
|
| 1 |
|
|
| 2 |
|
|
| n |
| ||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| ||
1 |
|
| 1 |
|
| 1 |
|
|
|
| 1 |
| n | 1 | ||||
|
|
| = |
| + |
|
| +…+ |
| = å |
| |||||||
| R |
| R | R |
| R | R | |||||||||||
| экв |
|
| 1 |
|
| 2 |
|
|
| n |
| 1 | i |
Поскольку величина, обратная сопротивлению, есть проводимость, то, вводя обозначения для проводимости Gi =1/ Ri , получим:

n
Gэкв = åGi
1
При анализе сложных схем встречаются случаи, когда часть схемы образу- ет так называемый треугольник сопротивлений:
Схема упрощается, если треугольник с сопротивлениями Rав, Rвс, Rса за- менить эквивалентной звездой с сопротивлениями Rа, Rв, Rс. Иногда, наобо- рот, необходимо обратное преобразование звезды в треугольник. Схемы тре- угольника и звезды считаются эквивалентными, если после преобразования все токи и напряжения в остальных частях схемы (не затронутых преобразова- ниями) остаются неизменными.
Очевидно, условия эквивалентности должны выполняться и при обрыве проводов, подходящих к узлам «а», «в», «с». Например, при обрыве провода, подходящего к узлу «а», сопротивления между точками «в» и «с» в треуголь- нике и звезде должны быть одинаковы, т.е.:
Rbc (+Rac ++Rab ) = Rb + Rc ;
Rbc Rca Rab
Рассуждая аналогичным образом, можно записать:
Rca (Rab + Rbc ) | = R + R ; | |
| ||
| c | a |
Rca + Rab + Rbc |
| |
Rab (Rbc + Rca ) | = R + R ; | |
| ||
| a | b |
Rab + Rbc + Rca |
|
Решая полученную систему уравнений относительно Rа, Rв и Rс, получим формулы эквивалентного преобразования треугольника в звезду:
Ra = | Rab Rca | ; | |
Rab + Rbc + Rca | |||
|
|

Rb = | Rbc Rab | ; | ||
Rab + Rbc + Rca | ||||
|
|
| ||
Rc = |
| Rca Rbc | ; | |
| Rab + Rbc + Rca | |||
|
|
|
Решая систему относительно Rab , Rbc и Rca получим формулы преобразова- ния звезды в треугольник:
Rab = Ra + Rb + Ra Rb ;
Rc
Rbc = Rb + Rc + Rb Rc ;
Ra
Rca = Rc + Ra + RRc Ra ;
b
В частном случае, когда сопротивления звезды или треугольника одина- ковы, эти формулы упрощаются:
RY = 13 R
R= 3RY
3.Расчет цепей посредством двух законов Кирхгофа.
Порядок расчета:
а) произвольно задаются положительными направлениями токов во всех ветвях схемы,
б) для всех узлов схемы кроме одного составляются уравнения по 1-му за- кону Кирхгофа,
в) для всех независимых контуров составляются уравнения по 2-му закону Кирхгофа (контур будет считаться независимым от остальных, если в него вхо- дит хотя бы одна новая ветвь, т.е. не вошедшая в состав других контуров).
Общее число уравнений, составленных по 1 и 2-му законам Кирхгофа должно быть равно числу неизвестных токов. Полученная система линейных уравнений разрешается относительно токов с использованием известных ме- тодов решения систем уравнений (например, с помощью определителей)
Электротехника — это… Что такое Электротехника?
отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека.
Историческая справка. Возникновению Э. предшествовал длительный период накопления знаний об электричестве (См. Электричество) и Магнетизме, в течение которого были сделаны лишь отдельные попытки применения электричества в медицине, а также для передачи сигналов. В 17—18 вв. исследованию природы электрических явлений были посвящены труды М. В. Ломоносова. Т. В. Рихмана, Б. Франклина, Ш. О. Кулона, П. Дивиша и др. Для становления Э. решающее значение имело появление первого источника непрерывного тока — вольтова столба (См. Вольтов столб) (А. Вольта, 1800), а затем более совершенных гальванических элементов, что позволило в 1-й трети 19 в. провести многочисленные исследования химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим током (труды В. В. Петрова, X. К. Эрстеда, Д. Ф. Араго, М. Фарадея (См. Фарадей), Дж. Генри, А. М. Ампера, Г. С. Ома и др.). В этот период были заложены основы электродинамики (См. Электродинамика), открыт важнейший закон электрической цепи — Ома закон. Среди попыток практического использования результатов этих достижений наиболее значительными были работы в телеграфии (См. Телеграфия) (электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга, 1832), в военном деле (гальваноударные морские мины Б. С. Якоби, 1840-е гг.), в области электрических измерений (индикатор электрического тока, т. н. мультипликатор, австрийского учёного И. К. Швейгера, 1820). Открытие электромагнитной индукции (См. Электромагнитная индукция) (1831—32) предопределило появление электрических машин (См. Электрическая машина) — двигателей и генераторов. Поскольку все первые потребители электроэнергии использовали постоянный ток (как наиболее изученный), первые электрические машины были Постоянного тока машинами. Исторически электродвигатели стали создаваться раньше электромашинных генераторов, т. к. в 1-й трети 19 в. гальванические элементы как источники тока к большей или меньшей мере удовлетворяли требованиям практики. Период совершенствования конструкции электродвигателя — от лабораторных приборов, демонстрировавших возможность превращения электрической энергии в механическую (установка Фарадея, 1821), до машин промышленного типа — охватывает приблизительно 50 лет. В первых электродвигателях подвижная часть совершала возвратно-поступательное или качательное движение, а момент на валу двигателя был пульсирующим (например, в двигателе Генри). Начиная с середины 30-х гг. 19 в. стали строиться двигатели с вращающимся якорем (См. Якорь). Таким электродвигателем, получившим практическое применение, был двигатель, разработанный Якоби (1834—38). Испытание этого двигателя, приводившего в движение «электрический бот», показало, с одной стороны, принципиальную возможность его практического применения, а с другой — необходимость создания более экономичного по сравнению с гальваническими элементами источника электроэнергии. Таким источником стал электромашинный генератор, прообразом которого была униполярная машина Фарадея (1831). Первыми практически пригодными электромашинными генераторами были магнитоэлектрические генераторы, в которых магнитное поле создавалось постоянными магнитами, а якорями служили массивные индуктивные катушки (Якоби, 1842). В 1851 немецкий учёный В. Зинстеден предложил заменить постоянные магниты Электромагнитами, катушки которых питались от самостоятельных магнитоэлектрических генераторов. Дальнейшее совершенствование конструкции электромашинного генератора связано с использованием для возбуждения обмотки электромагнита тока самого генератора. Такие генераторы с Самовозбуждением были предложены почти одновременно датским учёным С. Хиортом (1854), английскими инженерами К. и С. Варли (1867), Л. Йедликом, Ч. Уитстоном, Э. В. Сименсом. Промышленное производство генераторов было начато в 1870 в Париже после того, как З. Т. Грамм впервые применил в генераторе с самовозбуждением кольцевой шихтованный якорь, принципиальная конструкция которого была предложена для электродвигателя в 1860 А. Пачинотти. Генератор Грамма работал не только в генераторном, но и в двигательном режиме, что положило начало практическому внедрению принципа обратимости электрических машин (открытому Э. X. Ленцем, 1832—38) и позволило значительно расширить область использования электрических машин. Последующее совершенствование машин постоянного тока шло по пути улучшения их конструктивных элементов — замена кольцевого якоря барабанным (Ф. Хёфнер-Альтенек, 1873), усовершенствование шихтованных якорей (американский изобретатель Х. Максим, 1880), введение компенсационной обмотки (1884), дополнительных полюсов (1885) и др. К 80-м гг. 19 в. электрические машины постоянного тока приобрели основные конструктивные черты современных машин. Их совершенствованию способствовало открытие закона о направлении индукционных токов (см. Ленца правило), обнаружение и исследование противоэдс (Якоби, 1840) и реакции якоря (Ленц, 1847), разработка методов расчёта электрических цепей (Г. Р. Кирхгоф, 1847) и магнитных цепей (английский учёный Дж. Гопкинсон, нач. 80-х гг.), изучение магнитных свойств железа (А. Г. Столетов, 1871) и др. К концу 70-х гг. относятся работы Дж. К. Максвелла, сформулировавшего уравнения (см. Максвелла уравнения), являющиеся основой современного учения об электромагнитном поле (См. Электромагнитное поле). Наряду с электромашинными генераторами продолжали совершенствоваться химические источники тока. Значительным шагом в этом направлении было изобретение свинцового аккумулятора (См. Свинцовый аккумулятор) (французский физик Г. Планте, 1859). Усовершенствованная конструкция этого аккумулятора к 80-м гг. уже имела все основные элементы современных аккумуляторов. Создание надёжных источников тока сделало возможным удовлетворение возросших потребностей в электрической энергии для практических целей. Дальнейшее развитие Э. связано с возникновением электротехнической промышленности (См. Электротехническая промышленность) и массовым распространением электрического освещения, которое в 50—70-х гг. 19 в. заменило газовое. Идея применения электрической энергии для освещения была высказана Петровым в 1802 после открытия дуги электрической (См. Дуга электрическая). Первыми электрическими источниками света были разнообразные дуговые угольные лампы (См. Дуговая угольная лампа), среди которых наиболее дешёвой и простой была «свеча Яблочкова» (П. Н. Яблочков, 1876). В 1870—75 А. Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания, усовершенствованных позднее Т. А. Эдисоном и получивших преимущественное распространение к 90 м гг. 19 в. Достижения в создании и применении электрических источников света оказали существенное влияние на становление и развитие светотехники (См. Светотехника). С распространением электрического освещения связано создание электроэнергетических систем. Уже в первых осветительных устройствах Яблочкова имелись все основные элементы энергосистем: первичный двигатель, генератор, линия электропередачи, трансформатор, приёмник энергии. Начало применению электроэнергии для технологических целей положили ещё работы Якоби (1838), предложившего использовать электрический ток для получения металлических копий и для нанесения металлических покрытий (см. Гальванотехника). Но расширение области практического использования электрической энергии стало возможно лишь в 70—80-е гг. 19 в. с решением проблемы передачи электроэнергии на расстояние. В 1874 Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об экономической целесообразности производства электроэнергии в местах, где имеются дешёвые топливные или гидроэнергетические ресурсы, с последующей передачей её к потребителю. В 1880—81 Д. А. Лачинов и М. Депре независимо друг от друга предложили для уменьшения потерь электроэнергии в линии электропередачи (См. Линия электропередачи) (ЛЭП) использовать ток высокого напряжения. Первая линия электропередачи на постоянном токе была построена Депре в 1882 между городами Мисбахом и Мюнхеном (длина линии 57 км, напряжение в ней 1.5—2 кв). Однако попытки осуществить электропередачу на постоянном токе оказались неэффективными, т. к., с одной стороны, технические возможности получения постоянного тока высокого напряжения были ограничены, а с другой — было затруднено его потребление. Поэтому наряду с использованием для передачи электроэнергии постоянного тока велись работы по применению в тех же целях однофазного переменного тока (См. Переменный ток), напряжение которого можно было изменять (повышать и понижать) с помощью однофазного трансформатора. Создание промышленного типа такого трансформатора (О. Блати, М. Дери, К. Циперновский, 1885, и др.) по существу решило проблему передачи электроэнергии. Однако широкое распространение однофазного переменного тока в промышленности было невозможно из-за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли требованиям промышленного электропривода, и поэтому применение однофазного переменного тока ограничивалось лишь установками электрического освещения. В 70—80-е гг. 19 в. электроэнергию начали использовать в технологических процессах: при получении алюминия, меди, цинка, высококачественных сталей: для резки и сварки металлов; упрочнения деталей при термической обработке (См. Термическая обработка) и т. д. В 1878 Сименс создал промышленную конструкцию электроплавильной печи. Методы дуговой электросварки (См. Электросварка) были предложены Н. Н. Бенардосом (1885) и Н. Г. Славяновым (1891).К концу 70-х гг. относятся также первые попытки использования электроэнергии на транспорте, когда Пироцкий провёл испытания вагона, на котором был установлен электрический тяговый двигатель. В 1879 Сименс построил опытную электрическую дорогу в Берлине. В 80-е гг. трамвайные линии были открыты во многих городах Западной Европы, а затем в Америке (США). В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892. В 90-е гг. электрическая тяга была применена и на подземных железных дорогах (в 1890 в Лондонском метрополитене, в 1896 — в Будапештском), а затем на магистральных железных дорогах.
В конце 19 в. промышленное использование электроэнергии превратилось в важнейшую комплексную технико-экономическую проблему — наряду с экономичной электропередачей необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания многофазных, в частности трёхфазных, систем (см. Трёхфазная цепь) переменного тока. Над этой проблемой работали многие инженеры и учёные (Н. Тесла, американский учёный Ч. Брэдли, немецкий инженер Ф. Хазельвандер и др.), но комплексное решение предложил в конце 80-х гг. М. О. Доливо-Добровольский, который разработал ряд промышленных конструкций трёхфазных асинхронных двигателей (См. Асинхронный электродвигатель), трёхфазных трансформаторов, и в 1891 построил трёхфазную линию электропередачи Лауфен — Франкфурт (длина линии 170 км). Современное состояние Э. Практическое применение трёхфазных систем положило начало современному этапу развития Э., который характеризуется растущей электрификацией промышленности, сельского хозяйства, транспорта, сферы быта и др. Увеличение потребления электроэнергии обусловило строительство мощных электростанций, электрических сетей, создание новых и расширение действующих электроэнергетических систем. Строительство мощных ЛЭП высокого напряжения привело к разработке разнообразного высоковольтною оборудования, электроизоляционных материалов, средств электроизмерительной и преобразовательной техники и т. д., а также стимулировало улучшение конструкций электрических машин и аппаратов, разработку методов анализа процессов в цепях переменного тока (работы Ч. П. Штейнмеца и др.). Совершенствование электротехнических устройств способствовало формированию таких научных дисциплин, как высоких напряжений техники (См. Высоких напряжений техника), теория электрических цепей (См. Электрическая цепь), теория электрических машин, электропривод и др. Успехи Э. оказали существенное влияние на развитие радиотехники (См. Радиотехника) и электроники (См. Электроника), телемеханики (См. Телемеханика) и автоматики (См. Автоматика), а также вычислительной техники (См. Вычислительная техника) и кибернетики (См. Кибернетика). Один из важных разделов Э. — электромеханика охватывает вопросы преобразования энергии, практическое решение которых на широкой научной основе потребовало разработки специальных методов, связанных с анализом и описанием процессов, протекающих именно в электротехнических устройствах. Математическое описание таких процессов основано на решении уравнений Максвелла. При этом их дополняют уравнениями, описывающими конкретный процесс, или используют Вариационные принципы механики. Так, на основе Возможных перемещений принципа разработаны различные формализованные методы, среди которых наибольшее практическое применение при исследовании процессов, протекающих в электрических системах, машинах и аппаратах, находят методы: исключения уравнений с периодическими коэффициентами для взаимно перемещающихся цепей; выбора наиболее целесообразных систем обобщённых координат (См. Обобщённые координаты), анализа переходных процессов (См. Переходные процессы) в электрических цепях; определения устойчивости работы нерегулируемых и регулируемых электрических машин, связанных линиями электропередачи, и др. Значительный вклад в развитие этих методов сделали А. А. Горев, П. С. Жданов, С. А. Лебедев, американский учёный Р. X. Парк, английские учёные О. Хевисайд, Г. Крон и др. Их труды легли в основу математической теории электрических машин и открыли возможность для применения сложного математического аппарата (тензорного исчисления (См. Тензорное исчисление), графов теории (См. Графов теория), теории матриц, операционного исчисления (См. Операционное исчисление)) при решении разнообразных прикладных задач, в частности связанных с изучением сложных электромеханических систем, переходных электромеханических и электромагнитных процессов, Использование тензорного исчисления привело к появлению такого приёма исследования, как диакоптика, при котором данные, характеризующие всю сложную систему (например, электрическую цепь, содержащую сотни и тысячи узлов и ветвей), можно получать, рассматривая поведение её отдельных частей. Особенно эффективным стало употребление формализованных методов в сочетании с машинным проектированием, являющимся одним из перспективных направлений при рассмотрении современных задач электромеханики (в частности, задач синтеза, решаемых на основе алгебры логики (См. Алгебра логики) и теории направленных графов). Формализованные методы используют при исследовании многих проблемных задач Э., например таких, как изучение нелинейных цепей (а также возникающих в них гармонических и субгармонических колебаний), проводимое на основе методов анализа и синтеза, разработанных ранее для линейных цепей и трудах А. М. Ляпунова, Н. М. Крылова, Н. Н. Боголюбова, Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронова и др. Важное направление современной Э. — разработка теоретических и экспериментальных методов исследований, основывающихся на подобия теории (См. Подобия теория), аналоговом и физическом моделировании (См. Моделирование), теории планирования эксперимента и позволяющих решать ряд принципиальных научно-технических проблем Э. К ним, в частности, относятся вопросы совершенствования существующих способов передачи электроэнергии и разработка новых. В круг этих вопросов входят: исследования процессов, протекающих в линиях электропередачи и преобразовательных устройствах; разработка и совершенствование управляемых элементов коммутационной аппаратуры; создание полупроводниковых преобразователей, способных эффективно работать в сочетании с электромеханическими устройствами (см. Преобразовательная техника), а также изучение возможности использования гиперпроводников и сверхпроводников в линиях электропередачи. Большое практическое значение имеет разработка способов оптимального управления сложными электроэнергетическими системами и повышения их надёжности. Решение этих задач основывается на использовании методов моделирования и вероятности теории (См. Вероятностей теория). Необходимое условие для повышения устойчивости и надёжности работы электроэнергетических систем — создание мощных симметрирующих устройств, статических регуляторов и другой аппаратуры, обеспечивающей оптимальные режимы работы систем.Важные направления Э. — создание сложных электромагнитных полей с заданными свойствами, требующее разработки методов расчёта и моделирования электрических и магнитных полей в ферромагнитных, плазменных и других нелинейных и анизотропных средах, а также исследование и определение оптимальной конфигурации систем (в частности, сверхпроводящих), создающих сильные магнитные поля; разработка теории управления электромагнитными полями и методов синтеза систем, создающих эти поля.
Значительный интерес представляет изучение импульсных полей высокой интенсивности (см. Импульсная техника высоких напряжении), в т. ч. разработка методов анализа взаимодействия таких полей с веществом, исследование тепловых и электродинамических процессов в электроэнергетических устройствах предельных параметров. Результаты этих работ находят применение при создании магнитопроводов для сверхмощных трансформаторов электрических (См. Трансформатор электрический) и реакторов электрических (См. Реактор электрический).Теоретические и экспериментальные методы Э. нашли своё развитие в ряде др. отраслей науки и техники, связанных, в частности, с исследованием свойств вещества (полупроводников, плазмы), с разработкой и созданием средств ядерной и лазерной техники, изучением явлений микромира и жизнедеятельности живых организмов, освоением космического пространства.
Достижения Э. используются во всех сферах практической деятельности человека — в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту и т. д. Электротехническая промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии; разнообразную электротехническую аппаратуру и технологическое оборудование; электроизмерительные приборы и средства электросвязи: регулирующую, контролирующую и управляющую аппаратуру для систем автоматического управления; электробытовые приборы и машины, медицинское и научное оборудование и др.Научные учреждения и организации, периодические издания. Большую роль в развитии Э. играют международные организации: Международная электротехническая комиссия (МЭК), Международная конференция по большим системам (СИГРЭ), Международная конференция по применению вычислительных методов в электротехнике (ПИИСИСИ), Международная организация по электротехнике (Интерэлектро), Всемирная электротехническая конференция (ВЭлК). Активное участие в работе этих организаций принимают советские учёные. В СССР научные исследования по Э. проводятся во Всесоюзном электротехническом институте им. В, И. Ленина (ВЭИ, Москва), Государственном научно-исследовательском энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва), Всесоюзном НИИ электромеханики (ВНИИЭМ, Москва), Всесоюзном НИИ электропривода (ВНИИЭ, Москва), Всесоюзном НИИ источников тока (ВНИИТ, Москва), Московском энергетическом институте (МЭИ), Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ), во Всесоюзном НИИ электромашиностроения (Ленинград), НИИ постоянного тока (НИИПТ, Ленинград), а также во многих научных центрах других городов Советского Союза.
Вопросы Э. освещаются на страницах многочисленных периодических изданий. В СССР издаются общесоюзные журналы «Электричество», «Электротехника», «Электрические станции (См. Электрическая станция)» и др.; за рубежом наиболее известны «EEI Bulletin» (N. Y., с 1933), «Energi International» (S. F., с 1963), «Revue de l’energie» (P., с 1949), «Electrical Review» (L., с 1872).
Лит.: Основы электротехники, под ред. К. А. Круга, М. — Л., 1952; Крон Г., Применение тензорного анализа в электротехнике, пер, с англ., М — Л., 1955; История энергетической техники СССР. т. 1—2, М. — Л., 1957; История энергетической техники, 2 изд., М. — Л., 1960; Уайт Д., Вудсон Г., Электромеханическое преобразование энергии, пер. с англ., М. — Л., 1964; Поливанов К. М., Теоретические основы электротехники, 2 изд., ч. 1, 3, М., 1972—75; Жуховицкий Б. Я., Негневицкий И. Б., Теоретические основы электротехники, ч. 2. М. — Л., 1965; Сешу С., Рид. М. Б., Линейные графы и электрические цепи, пер. с англ., М., 1971; Мельников Н. А., матричный метод анализа электрических цепей, 2 изд., М., 1972; Нейман Л. Р., Демирчян К. С., Теоретические основы электротехники, 2 изд., т. 1—2. Л., 1975; Стеклов В. Ю., В. И. Ленин и электрификация, 2 изд., М., 1975; Веселовский О. Н., Шнейберг Я. А., Энергетическая техника и её развитие, М., 1976; Энергетика СССР в 1976—80 гг., под ред. А. М. Некрасова, М. Г. Первухина, М., 1977.
В. А. Веников, Я. А. Шнейберг.
Электротехника — это… Что такое Электротехника?
отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека.
Историческая справка. Возникновению Э. предшествовал длительный период накопления знаний об электричестве (См. Электричество) и Магнетизме, в течение которого были сделаны лишь отдельные попытки применения электричества в медицине, а также для передачи сигналов. В 17—18 вв. исследованию природы электрических явлений были посвящены труды М. В. Ломоносова. Т. В. Рихмана, Б. Франклина, Ш. О. Кулона, П. Дивиша и др. Для становления Э. решающее значение имело появление первого источника непрерывного тока — вольтова столба (См. Вольтов столб) (А. Вольта, 1800), а затем более совершенных гальванических элементов, что позволило в 1-й трети 19 в. провести многочисленные исследования химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим током (труды В. В. Петрова, X. К. Эрстеда, Д. Ф. Араго, М. Фарадея (См. Фарадей), Дж. Генри, А. М. Ампера, Г. С. Ома и др.). В этот период были заложены основы электродинамики (См. Электродинамика), открыт важнейший закон электрической цепи — Ома закон. Среди попыток практического использования результатов этих достижений наиболее значительными были работы в телеграфии (См. Телеграфия) (электромагнитный телеграф П. Л. Шиллинга, 1832), в военном деле (гальваноударные морские мины Б. С. Якоби, 1840-е гг.), в области электрических измерений (индикатор электрического тока, т. н. мультипликатор, австрийского учёного И. К. Швейгера, 1820). Открытие электромагнитной индукции (См. Электромагнитная индукция) (1831—32) предопределило появление электрических машин (См. Электрическая машина) — двигателей и генераторов. Поскольку все первые потребители электроэнергии использовали постоянный ток (как наиболее изученный), первые электрические машины были Постоянного тока машинами. Исторически электродвигатели стали создаваться раньше электромашинных генераторов, т. к. в 1-й трети 19 в. гальванические элементы как источники тока к большей или меньшей мере удовлетворяли требованиям практики. Период совершенствования конструкции электродвигателя — от лабораторных приборов, демонстрировавших возможность превращения электрической энергии в механическую (установка Фарадея, 1821), до машин промышленного типа — охватывает приблизительно 50 лет. В первых электродвигателях подвижная часть совершала возвратно-поступательное или качательное движение, а момент на валу двигателя был пульсирующим (например, в двигателе Генри). Начиная с середины 30-х гг. 19 в. стали строиться двигатели с вращающимся якорем (См. Якорь). Таким электродвигателем, получившим практическое применение, был двигатель, разработанный Якоби (1834—38). Испытание этого двигателя, приводившего в движение «электрический бот», показало, с одной стороны, принципиальную возможность его практического применения, а с другой — необходимость создания более экономичного по сравнению с гальваническими элементами источника электроэнергии. Таким источником стал электромашинный генератор, прообразом которого была униполярная машина Фарадея (1831). Первыми практически пригодными электромашинными генераторами были магнитоэлектрические генераторы, в которых магнитное поле создавалось постоянными магнитами, а якорями служили массивные индуктивные катушки (Якоби, 1842). В 1851 немецкий учёный В. Зинстеден предложил заменить постоянные магниты Электромагнитами, катушки которых питались от самостоятельных магнитоэлектрических генераторов. Дальнейшее совершенствование конструкции электромашинного генератора связано с использованием для возбуждения обмотки электромагнита тока самого генератора. Такие генераторы с Самовозбуждением были предложены почти одновременно датским учёным С. Хиортом (1854), английскими инженерами К. и С. Варли (1867), Л. Йедликом, Ч. Уитстоном, Э. В. Сименсом. Промышленное производство генераторов было начато в 1870 в Париже после того, как З. Т. Грамм впервые применил в генераторе с самовозбуждением кольцевой шихтованный якорь, принципиальная конструкция которого была предложена для электродвигателя в 1860 А. Пачинотти. Генератор Грамма работал не только в генераторном, но и в двигательном режиме, что положило начало практическому внедрению принципа обратимости электрических машин (открытому Э. X. Ленцем, 1832—38) и позволило значительно расширить область использования электрических машин. Последующее совершенствование машин постоянного тока шло по пути улучшения их конструктивных элементов — замена кольцевого якоря барабанным (Ф. Хёфнер-Альтенек, 1873), усовершенствование шихтованных якорей (американский изобретатель Х. Максим, 1880), введение компенсационной обмотки (1884), дополнительных полюсов (1885) и др. К 80-м гг. 19 в. электрические машины постоянного тока приобрели основные конструктивные черты современных машин. Их совершенствованию способствовало открытие закона о направлении индукционных токов (см. Ленца правило), обнаружение и исследование противоэдс (Якоби, 1840) и реакции якоря (Ленц, 1847), разработка методов расчёта электрических цепей (Г. Р. Кирхгоф, 1847) и магнитных цепей (английский учёный Дж. Гопкинсон, нач. 80-х гг.), изучение магнитных свойств железа (А. Г. Столетов, 1871) и др. К концу 70-х гг. относятся работы Дж. К. Максвелла, сформулировавшего уравнения (см. Максвелла уравнения), являющиеся основой современного учения об электромагнитном поле (См. Электромагнитное поле). Наряду с электромашинными генераторами продолжали совершенствоваться химические источники тока. Значительным шагом в этом направлении было изобретение свинцового аккумулятора (См. Свинцовый аккумулятор) (французский физик Г. Планте, 1859). Усовершенствованная конструкция этого аккумулятора к 80-м гг. уже имела все основные элементы современных аккумуляторов. Создание надёжных источников тока сделало возможным удовлетворение возросших потребностей в электрической энергии для практических целей. Дальнейшее развитие Э. связано с возникновением электротехнической промышленности (См. Электротехническая промышленность) и массовым распространением электрического освещения, которое в 50—70-х гг. 19 в. заменило газовое. Идея применения электрической энергии для освещения была высказана Петровым в 1802 после открытия дуги электрической (См. Дуга электрическая). Первыми электрическими источниками света были разнообразные дуговые угольные лампы (См. Дуговая угольная лампа), среди которых наиболее дешёвой и простой была «свеча Яблочкова» (П. Н. Яблочков, 1876). В 1870—75 А. Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания, усовершенствованных позднее Т. А. Эдисоном и получивших преимущественное распространение к 90 м гг. 19 в. Достижения в создании и применении электрических источников света оказали существенное влияние на становление и развитие светотехники (См. Светотехника). С распространением электрического освещения связано создание электроэнергетических систем. Уже в первых осветительных устройствах Яблочкова имелись все основные элементы энергосистем: первичный двигатель, генератор, линия электропередачи, трансформатор, приёмник энергии. Начало применению электроэнергии для технологических целей положили ещё работы Якоби (1838), предложившего использовать электрический ток для получения металлических копий и для нанесения металлических покрытий (см. Гальванотехника). Но расширение области практического использования электрической энергии стало возможно лишь в 70—80-е гг. 19 в. с решением проблемы передачи электроэнергии на расстояние. В 1874 Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об экономической целесообразности производства электроэнергии в местах, где имеются дешёвые топливные или гидроэнергетические ресурсы, с последующей передачей её к потребителю. В 1880—81 Д. А. Лачинов и М. Депре независимо друг от друга предложили для уменьшения потерь электроэнергии в линии электропередачи (См. Линия электропередачи) (ЛЭП) использовать ток высокого напряжения. Первая линия электропередачи на постоянном токе была построена Депре в 1882 между городами Мисбахом и Мюнхеном (длина линии 57 км, напряжение в ней 1.5—2 кв). Однако попытки осуществить электропередачу на постоянном токе оказались неэффективными, т. к., с одной стороны, технические возможности получения постоянного тока высокого напряжения были ограничены, а с другой — было затруднено его потребление. Поэтому наряду с использованием для передачи электроэнергии постоянного тока велись работы по применению в тех же целях однофазного переменного тока (См. Переменный ток), напряжение которого можно было изменять (повышать и понижать) с помощью однофазного трансформатора. Создание промышленного типа такого трансформатора (О. Блати, М. Дери, К. Циперновский, 1885, и др.) по существу решило проблему передачи электроэнергии. Однако широкое распространение однофазного переменного тока в промышленности было невозможно из-за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли требованиям промышленного электропривода, и поэтому применение однофазного переменного тока ограничивалось лишь установками электрического освещения. В 70—80-е гг. 19 в. электроэнергию начали использовать в технологических процессах: при получении алюминия, меди, цинка, высококачественных сталей: для резки и сварки металлов; упрочнения деталей при термической обработке (См. Термическая обработка) и т. д. В 1878 Сименс создал промышленную конструкцию электроплавильной печи. Методы дуговой электросварки (См. Электросварка) были предложены Н. Н. Бенардосом (1885) и Н. Г. Славяновым (1891).К концу 70-х гг. относятся также первые попытки использования электроэнергии на транспорте, когда Пироцкий провёл испытания вагона, на котором был установлен электрический тяговый двигатель. В 1879 Сименс построил опытную электрическую дорогу в Берлине. В 80-е гг. трамвайные линии были открыты во многих городах Западной Европы, а затем в Америке (США). В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892. В 90-е гг. электрическая тяга была применена и на подземных железных дорогах (в 1890 в Лондонском метрополитене, в 1896 — в Будапештском), а затем на магистральных железных дорогах.
В конце 19 в. промышленное использование электроэнергии превратилось в важнейшую комплексную технико-экономическую проблему — наряду с экономичной электропередачей необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания многофазных, в частности трёхфазных, систем (см. Трёхфазная цепь) переменного тока. Над этой проблемой работали многие инженеры и учёные (Н. Тесла, американский учёный Ч. Брэдли, немецкий инженер Ф. Хазельвандер и др.), но комплексное решение предложил в конце 80-х гг. М. О. Доливо-Добровольский, который разработал ряд промышленных конструкций трёхфазных асинхронных двигателей (См. Асинхронный электродвигатель), трёхфазных трансформаторов, и в 1891 построил трёхфазную линию электропередачи Лауфен — Франкфурт (длина линии 170 км). Современное состояние Э. Практическое применение трёхфазных систем положило начало современному этапу развития Э., который характеризуется растущей электрификацией промышленности, сельского хозяйства, транспорта, сферы быта и др. Увеличение потребления электроэнергии обусловило строительство мощных электростанций, электрических сетей, создание новых и расширение действующих электроэнергетических систем. Строительство мощных ЛЭП высокого напряжения привело к разработке разнообразного высоковольтною оборудования, электроизоляционных материалов, средств электроизмерительной и преобразовательной техники и т. д., а также стимулировало улучшение конструкций электрических машин и аппаратов, разработку методов анализа процессов в цепях переменного тока (работы Ч. П. Штейнмеца и др.). Совершенствование электротехнических устройств способствовало формированию таких научных дисциплин, как высоких напряжений техники (См. Высоких напряжений техника), теория электрических цепей (См. Электрическая цепь), теория электрических машин, электропривод и др. Успехи Э. оказали существенное влияние на развитие радиотехники (См. Радиотехника) и электроники (См. Электроника), телемеханики (См. Телемеханика) и автоматики (См. Автоматика), а также вычислительной техники (См. Вычислительная техника) и кибернетики (См. Кибернетика). Один из важных разделов Э. — электромеханика охватывает вопросы преобразования энергии, практическое решение которых на широкой научной основе потребовало разработки специальных методов, связанных с анализом и описанием процессов, протекающих именно в электротехнических устройствах. Математическое описание таких процессов основано на решении уравнений Максвелла. При этом их дополняют уравнениями, описывающими конкретный процесс, или используют Вариационные принципы механики. Так, на основе Возможных перемещений принципа разработаны различные формализованные методы, среди которых наибольшее практическое применение при исследовании процессов, протекающих в электрических системах, машинах и аппаратах, находят методы: исключения уравнений с периодическими коэффициентами для взаимно перемещающихся цепей; выбора наиболее целесообразных систем обобщённых координат (См. Обобщённые координаты), анализа переходных процессов (См. Переходные процессы) в электрических цепях; определения устойчивости работы нерегулируемых и регулируемых электрических машин, связанных линиями электропередачи, и др. Значительный вклад в развитие этих методов сделали А. А. Горев, П. С. Жданов, С. А. Лебедев, американский учёный Р. X. Парк, английские учёные О. Хевисайд, Г. Крон и др. Их труды легли в основу математической теории электрических машин и открыли возможность для применения сложного математического аппарата (тензорного исчисления (См. Тензорное исчисление), графов теории (См. Графов теория), теории матриц, операционного исчисления (См. Операционное исчисление)) при решении разнообразных прикладных задач, в частности связанных с изучением сложных электромеханических систем, переходных электромеханических и электромагнитных процессов, Использование тензорного исчисления привело к появлению такого приёма исследования, как диакоптика, при котором данные, характеризующие всю сложную систему (например, электрическую цепь, содержащую сотни и тысячи узлов и ветвей), можно получать, рассматривая поведение её отдельных частей. Особенно эффективным стало употребление формализованных методов в сочетании с машинным проектированием, являющимся одним из перспективных направлений при рассмотрении современных задач электромеханики (в частности, задач синтеза, решаемых на основе алгебры логики (См. Алгебра логики) и теории направленных графов). Формализованные методы используют при исследовании многих проблемных задач Э., например таких, как изучение нелинейных цепей (а также возникающих в них гармонических и субгармонических колебаний), проводимое на основе методов анализа и синтеза, разработанных ранее для линейных цепей и трудах А. М. Ляпунова, Н. М. Крылова, Н. Н. Боголюбова, Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси, А. А. Андронова и др. Важное направление современной Э. — разработка теоретических и экспериментальных методов исследований, основывающихся на подобия теории (См. Подобия теория), аналоговом и физическом моделировании (См. Моделирование), теории планирования эксперимента и позволяющих решать ряд принципиальных научно-технических проблем Э. К ним, в частности, относятся вопросы совершенствования существующих способов передачи электроэнергии и разработка новых. В круг этих вопросов входят: исследования процессов, протекающих в линиях электропередачи и преобразовательных устройствах; разработка и совершенствование управляемых элементов коммутационной аппаратуры; создание полупроводниковых преобразователей, способных эффективно работать в сочетании с электромеханическими устройствами (см. Преобразовательная техника), а также изучение возможности использования гиперпроводников и сверхпроводников в линиях электропередачи. Большое практическое значение имеет разработка способов оптимального управления сложными электроэнергетическими системами и повышения их надёжности. Решение этих задач основывается на использовании методов моделирования и вероятности теории (См. Вероятностей теория). Необходимое условие для повышения устойчивости и надёжности работы электроэнергетических систем — создание мощных симметрирующих устройств, статических регуляторов и другой аппаратуры, обеспечивающей оптимальные режимы работы систем.Важные направления Э. — создание сложных электромагнитных полей с заданными свойствами, требующее разработки методов расчёта и моделирования электрических и магнитных полей в ферромагнитных, плазменных и других нелинейных и анизотропных средах, а также исследование и определение оптимальной конфигурации систем (в частности, сверхпроводящих), создающих сильные магнитные поля; разработка теории управления электромагнитными полями и методов синтеза систем, создающих эти поля.
Значительный интерес представляет изучение импульсных полей высокой интенсивности (см. Импульсная техника высоких напряжении), в т. ч. разработка методов анализа взаимодействия таких полей с веществом, исследование тепловых и электродинамических процессов в электроэнергетических устройствах предельных параметров. Результаты этих работ находят применение при создании магнитопроводов для сверхмощных трансформаторов электрических (См. Трансформатор электрический) и реакторов электрических (См. Реактор электрический).Теоретические и экспериментальные методы Э. нашли своё развитие в ряде др. отраслей науки и техники, связанных, в частности, с исследованием свойств вещества (полупроводников, плазмы), с разработкой и созданием средств ядерной и лазерной техники, изучением явлений микромира и жизнедеятельности живых организмов, освоением космического пространства.
Достижения Э. используются во всех сферах практической деятельности человека — в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту и т. д. Электротехническая промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии; разнообразную электротехническую аппаратуру и технологическое оборудование; электроизмерительные приборы и средства электросвязи: регулирующую, контролирующую и управляющую аппаратуру для систем автоматического управления; электробытовые приборы и машины, медицинское и научное оборудование и др.Научные учреждения и организации, периодические издания. Большую роль в развитии Э. играют международные организации: Международная электротехническая комиссия (МЭК), Международная конференция по большим системам (СИГРЭ), Международная конференция по применению вычислительных методов в электротехнике (ПИИСИСИ), Международная организация по электротехнике (Интерэлектро), Всемирная электротехническая конференция (ВЭлК). Активное участие в работе этих организаций принимают советские учёные. В СССР научные исследования по Э. проводятся во Всесоюзном электротехническом институте им. В, И. Ленина (ВЭИ, Москва), Государственном научно-исследовательском энергетическом институте им. Г. М. Кржижановского (ЭНИН, Москва), Всесоюзном НИИ электромеханики (ВНИИЭМ, Москва), Всесоюзном НИИ электропривода (ВНИИЭ, Москва), Всесоюзном НИИ источников тока (ВНИИТ, Москва), Московском энергетическом институте (МЭИ), Ленинградском электротехническом институте (ЛЭТИ), во Всесоюзном НИИ электромашиностроения (Ленинград), НИИ постоянного тока (НИИПТ, Ленинград), а также во многих научных центрах других городов Советского Союза.
Вопросы Э. освещаются на страницах многочисленных периодических изданий. В СССР издаются общесоюзные журналы «Электричество», «Электротехника», «Электрические станции (См. Электрическая станция)» и др.; за рубежом наиболее известны «EEI Bulletin» (N. Y., с 1933), «Energi International» (S. F., с 1963), «Revue de l’energie» (P., с 1949), «Electrical Review» (L., с 1872).
Лит.: Основы электротехники, под ред. К. А. Круга, М. — Л., 1952; Крон Г., Применение тензорного анализа в электротехнике, пер, с англ., М — Л., 1955; История энергетической техники СССР. т. 1—2, М. — Л., 1957; История энергетической техники, 2 изд., М. — Л., 1960; Уайт Д., Вудсон Г., Электромеханическое преобразование энергии, пер. с англ., М. — Л., 1964; Поливанов К. М., Теоретические основы электротехники, 2 изд., ч. 1, 3, М., 1972—75; Жуховицкий Б. Я., Негневицкий И. Б., Теоретические основы электротехники, ч. 2. М. — Л., 1965; Сешу С., Рид. М. Б., Линейные графы и электрические цепи, пер. с англ., М., 1971; Мельников Н. А., матричный метод анализа электрических цепей, 2 изд., М., 1972; Нейман Л. Р., Демирчян К. С., Теоретические основы электротехники, 2 изд., т. 1—2. Л., 1975; Стеклов В. Ю., В. И. Ленин и электрификация, 2 изд., М., 1975; Веселовский О. Н., Шнейберг Я. А., Энергетическая техника и её развитие, М., 1976; Энергетика СССР в 1976—80 гг., под ред. А. М. Некрасова, М. Г. Первухина, М., 1977.
В. А. Веников, Я. А. Шнейберг.
1.Введение в электротехнику
Электротехника — это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях.
1.Особенности электрической энергии:
2.Легко получается
3.Перед. На любые расстояния
4.Легко распределять между потребителями
5.Легко преобразовывать в любую друг. Энерг.
В конце 18 века отдельно др. от друга Вольт и Петровизобрели хим. Источники электрич. Тока.Джоуль и Ленцнезависимо друг от др. открыли закон теплового действия элект.тока.Ампероткрыл закон взаимод.токов.Омоткрыл взаимод.(связь) между током, напряжением, сопротивлением.Фарадей открыл явление магнитной индукции.Киркгоф сформулир. 2 закона электротехн. (1845).Максвел— родоначальник электр. Машины. Д.Добровольский— разработал теорию 3 фаз. Систем, теорию генератора , теорию переменного тока.
20 век- век электрич.
2. Основные понятия и определения в электротехнике. Закон Ома.
Электр.ток(предмет изучения электротехники)- направленное движение электрических зарядов по проводнику. Электрический ток может возникать в замкнутой электрической цепи. Электрический ток, направление и величина которогонеизменны, называютпостоянным токоми обозначают прописной буквой I. Электрический ток, величина и направление которогоне остаются постоянными, называетсяпеременным током. Значение переменноготока в рассматриваемый момент времениназываютмгновенным и обозначают строчной буквой i.
Электрическая цепь– это совокупность источников электроэнергии, приемников, коммутационной, измерительной аппаратуры и соединительных проводов.
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, называютсягенераторамиилиисточниками электрической энергии, а устройства, потребляющие ее –приемниками(потребителями) электрической энергии.
Измерительные приборы(счетчики ,амперметры)
Инверторы- приборы позвал.регулир.параметры в определенных пределах.
Трансформаторы- позволяют изменять электрич. Параметры (ток, напряжение)
Выпрямители- преобразуют перемен. Ток в постоянный в постоянный источник, могут бытьхим.(батарейки. Аккумуляторы. Гальван.элементы) Ифизич. (генераторы, который преобраз. Любую энергию в электрич,приемник(нагрузка, потребитель)- объект потребляющ.электрич. энергию.
Электрич. Схема- графич., изобр. Электрич. Цепи в которой реальные объекты представлены условными оьознач.
На рис. 1.1 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии, электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.
Рис.
1.1
Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения. Схема замещения —это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.
Ветвьюназывается участок цепи, обтекаемый одним и тем же током.
Узел– место соединения трех и более ветвей.
Контур- любой замкнутый путь тока, образованный ветвями и узлами.
ЭДС- Это действие не электрич. Сторонних сил в источниках пост. Или переменного тока, направлен. На образован. Электричес. Энергии в источнике (Е= ЭДС, В ВОЛЬТАХ)
Курс лекций. Электротехника и электроника. Введение

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
М.С.Лурье, О.М. Лурье
Электротехника и электроника
КУРС ЛЕКЦИЙ
Для студентов всех направлений подготовки и всех форм обучения
Красноярск
УДК 621.3.018.72.025.
Лурье М.С., Лурье О.М. Электротехника и электроника. Курс лекций. Для студентов всех направлений подготовки и всех форм обучения. — Красно-
ярск: СибГТУ, 2012.- 417 с.
Курс лекций «Электротехника и электроника» охватывает вопросы, посвященные теории электрических цепей постоянного, однофазного пе- ременного и трехфазного тока; электрическим машинам; электроприводу и электроснабжению и электронике.
Содержание курса, рассчитано на то, что часть материала будет про- рабатываться студентом самостоятельно.
Работа содержит четыре раздела. Лекции изложены по возможности доступным языком, сформулированы основные определения и выводы. Ра- бота снабжена большим количеством иллюстраций.
Рисунков 154, библиогр. назв. 16.
Рецензенты:к.т.н., доц. Костюченко Л.П. (КрасГАУ) к.т.н., доц. Зингель Т.Г.
М.С. Лурье, О.М. Лурье
ФГБОУВПО «Сибирский государственный технологический универси-
тет», 2012.
2
Введение
Целью изучения дисциплины «Электротехника и электроника» явля- ется формирование основополагающих знаний и практическая подготовка бакалавров в области электротехники и электроники, электропривода, электроснабжения и электрооборудования. После изучения данного курса бакалавры должны уметь выбирать необходимые электротехнические уст- ройства, уметь их правильно эксплуатировать и составлять совместно с инженерами-электриками технические задания на разработку электриче- ских частей автоматизированных и автоматических устройств и установок для управления различными технологическими процессами.
Основной задачей данного курса лекций является изучение основ- ных законов электрических и магнитных явлений, устройства и принципа работы электрических машин и аппаратов, основ электропривода и элек- троснабжения предприятий, полупроводниковых приборов и электронных устройств.
Дисциплина «Электротехника и электроника» относится к базовой части профессионального цикла дисциплин.
Курс, состоит из 4-х разделов:
Впервом разделе «Электрические цепи» излагаются основные поня- тия, законы, методы анализа, области и особенности применения электри- ческих и магнитных цепей, электромагнитных цепей.
Во втором разделе «Электрические машины» излагаются основные понятия, принципы работы и устройство трансформаторов и электриче- ских машин.
Втретьем разделе «Электропривод и электроснабжение» даются ос- новные понятия теории электропривода, правила выбора электродвигате- лей к производственным механизмам и основные вопросы организации электроснабжения предприятий.
Вчетвертом разделе «Электроника» рассматриваются полупровод- никовые элементы электроники, принципы работы и применение усилите- лей, генераторов, выпрямителей, импульсных и логических устройств вы- числительной и информационно-измерительной техники; принципы по- строения и основные схемы аналоговых и цифровых электронных измери- тельных приборов.
Курс «Электротехника и электроника» тесно связан и опирается на ранее изученные дисциплины: «Высшая математика» (дифференциалы и
интегральные исчисления, решение линейных дифференциальных уравне- ний 1го и 2го порядка, комплексные числа и др.), «физика» (электрические и магнитные поля, электромагнетизм, электричество).
3
Разделы курса «Электрические цепи» и «Электрические машины» основываются на темах: «Электричество и магнетизм» и «Колебания и волны» дисциплины «Физика».
Раздел «Электроника» связан также с разделом «Оптика» и «Физика твердого тела». Электромагнетизм в курсе физики (согласно типовой про- грамме) изучается достаточно фундаментально, поэтому повторение этих вопросов в курсе «Электротехника и электроника» нецелесообразно.
В разделе «Колебания и волны» дисциплины «Физика» излагаются вопросы гармонических и затухающих колебаний, резонансов напряжений и токов, колебательного разряда конденсаторов, понятие о переменном то- ке. Это обстоятельство учтено в разделе «Электрические цепи переменного тока», чтобы допустить дублирования и обеспечить преемственность ме- тодик преподавания соответствующих разделов физики и электротехники.
Изложение материала по «Электронике» опираться на физические процессы, происходящие в полупроводниковых приборах и рассматривае- мые в курсе «Физика». Поэтому здесь больше внимания уделено характе- ристикам, свойствам и применению полупроводниковых приборов и инте- гральных микросхем и схемотехнике.
Часть лекционного материала предусматривается для самостоятель- ного изучения. После каждого раздела приведены контрольные вопросы.
электротехника и история ее развития
История развития электротехники
Главная » История развития электротехники
Фактически все, что нас с вами окружает, тем или иным образом связано с электричеством. Замечаем, что если где-то на подстанции выключили рубильник, то сразу меняется весь привычный мир. Электричество очень плотно внедрилось в нашу жизнь, а порою сама жизнь зависит от него. С электричеством существование человека гораздо комфортнее, легче и лучше.
Первоначальный опыт использования электрической энергии человечество имело ещё тысячелетия назад. При раскопках культурных слоев и вскрытии древних захоронений, обнаружены находки и рисунки, которые не многозначно говорят о применении электричества людьми. «Древние» — в нашем понимании народы, получали электрическую энергию гальваническим способом.
К сожалению, история не донесла до нас подробного текстового описания жизнедеятельности предков современного человеческого общества. Мы лишь можем строить догадки и делать предположения, на основе археологических открытий.Для нашего исторического времени эпохальным периодом начала мощного развития изучения и использования электрического тока стал период 17-19 столетия.
Один из патриархов стоящих у подножия изучения явлений, связанных с электроэнергией, немецкий физик, философ, инженер Отто фон Герике, во второй половине 17-ого века первым наблюдал электролюминесценцию. Он изобрёл один из первых электростатических генераторов, производящих электричество трением — шар из серы, натираемый руками. Герике обнаружил свойство отталкивания однополярно заряженных предметов.
У всех на слуху привычные названия единиц измерения из области электротехники, такие как ом, ампер, вольт, фарад, ватт, герц и т.д. которые мы слышим при покупках различных девайсов и бытовой техники. Свои названия эти единицы, в подавляющем большинстве, получили от имен ученых сделавших открытие или сформулировавших законы и закономерности.
Так например: Выдающийся французский блестящий военный инженер и физик Шарль Огюстен дэ Кулон, член Парижской академии наук, один из основателей электростатики, внес в науку понятия: закономерности внешнего трения, закон кручения упругих нитей, основной закон электростатики (закон Кулона), закон взаимодействия магнитных полюсов. Название единицы электрического заряда «кулон» в физической терминологии, носит именно его имя.
Немецкий учёный Георг Симон Ом в 1826 году сформулировал закон описывающий зависимость таких величин как напряжение и сопротивление. Ом равен сопротивлению проводника, между концами которого возникает напряжение 1 вольт при силе постоянного тока 1 ампер. Единица сопротивления названа в честь этого ученого — Ом. Решением XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 году, ом введен в международную систему единиц (СИ).
Величайшие умы, такие как – Михаил Ломоносов, Алессандро Вольта, Луиджи Гальвани, Ампер Андре-Мари и другие, все они вносили вклад в тогда еще малоизвестную науку — электротехнику.
Знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель, член Парижской Академии наук Андре-Мари Ампер, который занимался изучением связи электрических и магнитных явлений, ввел в физику само понятие «ток электрический» и «электродинамика». Именно он предложил теорию природы магнетизма. В честь этого ученого названа единица измерения силы тока – Ампер.
Граф Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Джероламо Умберто Вольта, итальянец по национальности, физик, химик, физиолог, является одним из основоположников учения об электричестве. В арсенале его многочисленных разработок, исследований, изобретений числятся: «закон ёмкостного сопротивления», первая аккумуляторная батарея (ученый считается отцом электромобиля), электростатическая машина (электрофор), вырабатывающая эл.заряд за счет трения. В честь Алессандро Вольта названа единица измерения электрического напряжения – вольт.
Майкл Фарадей пожалуй один из самых «результативных» ученых в вопросах количества и значимости открытий в области начинающей развиваться ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ, как науки. Физик, химик, экспериментатор (около 30 тысяч экспериментов), естествоиспытатель, член Лондонского королевского общества, почётный член Петербургской академии наук, занимаясь изучением электромагнитных полей, открыл электромагнитную индукцию, создал первый трансформатор, первую модель электродвигателя. В результате титанической научно-практической деятельности Фарадея в обиходе появились понятия: физическое поле, анод, катод, электролит, диэлектрик, ион и многие другие. Среди его открытий числится жидкий хлор, гексохлоран, нержавеющая сталь, количественные законы электролиза, открытие поляризации света и связь магнетизма с оптикой.
Наука никогда не стояла на месте, от теоретических и модельных разработок она прогрессировала, встраиваясь в реалии человеческой жизни, обрастая при этом новыми идеями и новыми открытиями.
Изобретения, члена Петербургской Академии наук, Бориса Семеновича Якоби, служат ярким примером перехода от теории к используемой в деятельности человека практике. Это создание первого электродвигателя, с непосредственным вращением вала. Якоби впервые осуществил движение бота при помощи электроэнергии. Он является изобретателем коллектора для выпрямления тока электрического, гальванопластики, стрелочного и электромагнитного пишущего телеграфных аппаратов, а также первого в мире буквопечатающего телеграфного аппарата.
Далее темпы эволюции электродвигателей шли гигантскими шагами. Благодаря гениальности, инженера, физика, Николы Теслы, им была разработана конструкция двухфазного электродвигателя и генератора. В непостижимо короткий промежуток времени, на основе разработок Теслы, Михаилом Осиповичем Доливо-Добровольским была создана электрическая трехфазная система.
Доливо-Добровольский создал трехфазный трансформатор, трехфазный асинхронный двигатель, доказал на практике преимущества передачи трехфазного тока на расстояния. Можно сказать, что благодаря ему, асинхронный двигатель стал основным и востребованным в производственной сфере, во всем мире, принципиально не изменившись до сих пор.
На протяжении всего срока своего существования, человечество копило знания и опыт в области теоретического и практического использования электричества. Когда-то проводимые простые эксперименты со статическим электричеством, постепенно переросли в целую науку, включающую в себя многочисленные развивающиеся отрасли. Название этой науки – ЭЛЕКТРОТЕХНИКА.
Электротехника развивается, внедряясь во все научные сферы, и уже давно стала неотъемлемой частью нашей жизни. Этот прогресс несет в себе новые открытия и новые возможности для человеческой расы.
1 Основные понятия и определения
1.1 Общие сведения
Электротехника – наука о практическом применении электрических и магнитных явлений.
На предприятиях по переработке молока и мяса в технологические потоки входят традиционные для многих отраслей производства механические и гидромеханические процессы (измельчение, дозирование, смешивание, разделение неоднородных и однородных жидкостей и т.п.), тепловые процессы (шпарка, варка, копчение, охлаждение, пастеризация, стерилизация и т.п.), а также целый ряд специфических операций (обездвиживание, убой, обескровливание, нутровка и т.п.)
Механизация и автоматизация технологических процессов во многом зависит от уровня электрификации этих процессов.
Впроцессе работы на технологическом оборудовании проводят не только основные (измельчение, перемешивание, варка и т.п.), но и вспомогательные (загрузка, перемещение, контроль, выгрузка и т.п.) операции. В зависимости от соотношения этих операций, а также участия человека в их выполнении различают оборудование неавтоматического, полуавтоматического и автоматического действия. В неавтоматическом (простом) оборудовании вспомогательные и часть основных операций выполняют вручную. В автоматах все основные и вспомогательные операции выполняются оборудованием без участия человека.
Для работы любого электротехнического устройства необходимо, чтобы через него проходил электрический ток, обязательным условием существования которого является наличие замкнутого контура – электрической цепи.
Основными элементами электрической цепи являются источники и приемники электрической энергии. Кроме этих элементов, электрическая цепь содержит измерительные приборы, коммутационную аппаратуру, соединительные линии, провода.
Висточниках электрической энергии различные виды энергии преобразуются в электрическую.
Так, в генераторах электростанций в электрическую энергию преобразуется энергия механическая, в гальванических элементах и аккумуляторах – химическая, в солнечных батареях – световая и т.д.
Вприемниках электрическая энергия источников преобразуется в тепловую (нагревательные элементы), световую (электрические лампы), химическую (электролизные ванны) и т.д.