Введение

Курс «Теоретические основы электротехники» является основной дисциплиной, которая служит базой для всех специальных электротехнических дисциплин.

Изучение курса теоретических основ электротехники в ВУЗах основывается на знаниях, полученных из курсов физики и математики. Эти знания в курсе теоретических основ электротехники расширяются и развиваются в направлении разработки методов анализа, расчета и экспериментального исследования явлений и процессов, протекающих в электрических и магнитных цепях.

Цель данного методического пособия состоит в том, чтобы дать студентам достаточно полное представление об электрических цепях, составных элементах, математических описаниях, основных методах анализа и расчета этих цепей.

Данное методическое пособие включает два раздела курса «Теоретические основы электротехники» – «Электрические цепи. Основные понятия и определения» и «Цепи постоянного тока».

Материал, изложенный в разделе «Электрические цепи. Основные понятия и определения», базируется на математической подготовке в области дифференциального и интегрального исчислений, линейной и нелинейной алгебры, а также знакомством с основными понятиями и законами электричества и магнетизма, рассматриваемыми в курсе физики. Рассмотрена классификация элементов электрической цепи. Приведены основные топологические свойства цепей, уравнения, описывающие состояние электрических цепей в виде законов Кирхгофа.

В разделе «Цепи постоянного тока» рассмотрены вопросы применения законов Кирхгофа для расчета и анализа электрических цепей. Рассмотрены различные методы расчета и анализа электрических цепей, включая матричные методы, а также основные теоремы электрических цепей и методы преобразования.

Впервые рассмотрены основные свойства активных трехполюсников. Разработаны методы определения параметров их эквивалентных схем замещения. Предложена методика расчета разветвленных электрических цепей с использованием схем замещения активных трехполюсников.

Предлагаемые методы расчета и анализа электрических цепей иллюстрированы конкретными примерами.

Знания и навыки, полученные при изучении данного курса, являются базой для освоения таких дисциплин, как: математические основы теории автоматического управления, теория автоматического управления, электропривод, электрические измерения и т. д.

Настоящее пособие способствует повышению эффективности и качества самостоятельной работы и совершенствованию практических навыков студентов в решении электрических цепей постоянного тока и используется при подготовке к лекционным и практическим занятиям, а также к выполнению лабораторных работ по курсу «Теоретические основы электротехники».

1. Электрические цепи, основные понятия и определения

Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, предназначенных для создания, транспортировки, потребления электрической энергии.

В электрических цепях следует выделить источники электрической энергии и приемники, которые соединяются между собой каналами связи или соединительными проводами.

Источниками электрической энергии называют устройства, в которых, какой-либо вид энергии (механическая, световая, химическая и пр.) преобразуется в электрическую. Источниками электрической энергии являются генераторы, аккумуляторы, солнечные батареи и пр. Например, механическая энергия паровых турбин либо гидротурбин на электростанциях преобразуется в электрическую, в аккумуляторах – химическая энергия преобразуется в электрическую.

Приемниками электрической энергии называют устройства, в которых, электрическая энергия преобразуется в другой вид энергии. Приемниками электрической энергии являются двигатели, нагревательные элементы и пр.

Электромагнитные процессы в электрической цепи могут быть описаны с помощью понятий электродвижущей силы e(t), тока i(t), напряжения u(t) и др. В общем случае эти параметры электрической цепи являются функцией времени и их величины в произвольным момент времени называются мгновенными значениями.

Электрические цепи в которых ток I, напряжение U, электродвижущая сила E не являются функцией времени, называются цепями постоянного тока.

Одной из характеристик электрической цепи является потенциал φ.