АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра электрических
станций, сетей и систем
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Методические указания к
лабораторным работам
с применением ЭВМ
Часть I
(для студентов всех форм
обучения специальности 050718 - Электроэнергетика)
Алматы 2005
СОСТАВИТЕЛИ:
К.Х.Бекмагамбетова, Р.М.Кузембаева, Ж.К.Оржанова. Электротехническое
материаловедение. Методические указания к лабораторным работам с применением
ЭВМ. Часть I. (для
студентов всех форм обучения специальности 050718 - Электроэнергетика).
-Алматы: АИЭС, 2005.-20 с.
Виртуальный лабораторный комплекс по электротехническим материалам – это новый способ проведения лабораторных работ. Методические указания, разработанные авторами и включающие в себя четыре лабораторные работы по всем основным разделам электротехнического материаловедения, состоят из двух частей.
В первой части дано подробное описание окон лабораторного комплекса и указания для выполнения работы «Тепловой пробой твердых диэлектриков».
Виртуальный лабораторный комплекс
предназначен для студентов дневной и заочной форм обучения, а также
может быть использован для дистанционного обучения в вузах.
Ил.-14, библиогр.- 7 назв.
Рецензент: кафедра ЭАПУ АИЭС,
канд.тех.наук Мустафин М.А.
Печатается по плану издания
Алматинского института энергетики
и связи на 2005г.
© Алматинский институт энергетики и связи,
2005г.
|
Содержание Введение…………………………………………………………………….4 1 Описание окон лабораторного комплекса……………………………...4 1.1 Окно заставки……………………………………………………...4 1.2 Окно выбора………………………………………………………5 1.3 Окно регистрации…………………………………………………5 1.4 Окно главного меню в режиме ожидания……………………….6 1.5 Окно главного меню в режиме для студента……………………6 1.6 Окно главного меню в режиме администратора………………..6 1.7 Окно расчета зависимости пробивной напряженности от температуры при переменном напряжении……………………..8 1.8 Окно зависимости пробивной напряженности от температуры………………………………………………………..8 1.9 Окно экспериментального теплового пробоя…………………...9 1.10 Окно идентификации администратора………………………..10 1.11 Окно проверки результатов лабораторных работ…………….11 1.12 Окно заданий для лабораторных работ………………………..12 1.13 Окно заданий для экспериментальных исследований………..12 2 Лабораторная работа №1. Тепловой пробой твердых диэлектриков………………………………………………………………13 2.1 Краткие теоретические сведения……………………………….13 2.2 Описание установки……………………………………………..14 2.3 Описание методики расчета…………………………………….15 2.4 Порядок выполнения лабораторной работы…………………...17 2.5 Расчет электрической прочности и пробивного напряжения при электротепловом пробое……………………………………….18 2.6 Исследование экспериментальных зависимостей электрической прочности от внешних условий…………………...18 Список литературы……………………………………………………….19 |
|
Введение
Лабораторный комплекс – составная часть в общем цикле изучения курса ЭТМ в высшей школе, развивающая определенные навыки проведения научного эксперимента, усвоения методов обработки полученных экспериментальных данных, их теоретического обобщения и формулировки правильных научных выводов по изучаемым темам.
Настоящий виртуальный комплекс является первым этапом и включает в себя подробное описание окон лабораторного комплекса и указания для выполнения работы «Тепловой пробой твердых диэлектриков». Методические указания подготовлены авторами на разных языках программирования: Pascal, Delphi.
Выполняемый на компьютере «виртуальный эксперимент» близок по всем условиям его проведения к реальному эксперименту. При разработке виртуальных работ были использованы полученные на экспериментальных установках результаты измерений и обработаны в пределах заданных погрешностей.
В виртуальных работах моделируется тот или иной электрофизический процесс, основные характеристики или параметры которого необходимо измерить и проанализировать. Моделировалась также работа измерительных приборов.
В лабораторных работах после названия указаны цель и основные задачи, краткая теория изучаемой темы, методика эксперимента и схемы установок, порядок выполнения работы на персональном компьютере и таблицы для внесения результатов проведенных измерений.
В ходе подготовки студента к предстоящему лабораторному занятию ему необходимо ознакомиться с теорией, методикой и порядком выполнения «виртуальной» лабораторной работы на компьютере по методическим указаниям. После получения допуска к работе студент выполняет компьютерную лабораторную работу. Оставшееся время может быть использовано для обработки результатов измерений, их анализа, формулировки выводов и защиты студентом выполненной работы.
1 Описание окон лабораторного комплекса
1.1 Окно заставки
В этом окне ней три пиктограммы: вход в
программу, выход и справочный файл.
Вход в программу – для входа в
лабораторный комплекс.
Выход – для выхода из программы.
В справочном файле – указания, как пользоваться лабораторным комплексом.
1.2 Окно выбора
В этом окне находится описание лабораторных работ и опция выполнения их.
На рисунке 1 представлен перечень лабораторных работ, которые выполняет студент по заданию преподавателя. Кнопка “Начать выполнение” предназначена для входа в следующее окно.
Рисунок 1
1.3 Окно
регистрации
Рисунок 2
Окно регистрации, представленное на
рисунке 2, работает в двух режимах: в
режиме администратора и в режиме пользователя. В поле “Фамилия” набирается
слово “admin”, и администратор входит в
главное окно в режим администратора.
В окне
регистрации есть две опции: “Еще не зарегистрирован” и “Уже зарегистрирован”.
При опции “Уже зарегистрирован” пользователь продолжает вход в лабораторный
комплекс нажатием кнопки “ОК”.
При опции “Еще не зарегистрирован”
пользователь заполняет и вводит все данные в поля. Если пользователь
неправильно заполнил поле ввода, то появляется предупреждение о том, что
пользователь не может быть зарегистрирован, ему нужно будет заполнить все поля данными.
После
правильного ввода данных в поля пользователь регистрируется и входит в главное
меню.
1.4 Окно главного меню в режиме ожидания
Это окно представлено на рисунке 3, здесь находятся три меню: для студента, для
администратора и о программе. Студенту нужно указать меню, в котором он будет
работать.
Рисунок 3
1.5 Окно
главного меню в режиме для студента
Окно
главного меню в режиме для студента, представленное на рисунке 4, состоит из
четырех команд:
а) расчет
зависимости пробивной напряженности от температуры при переменном напряжении;
б)
просмотр зависимости;
в)
экспериментальные исследования теплового пробоя;
г) выход
из программы.
«Просмотр
зависимости» также состоит из четырех команд:
а)
зависимость пробивной напряженности от температуры;
б)
зависимость пробивного напряжения от температуры;
в)
зависимость пробивной напряженности от толщины;
г)
зависимость пробивного напряжения от толщины.
1.6 Окно
главного меню в режиме администратора
Окно
главного меню в режиме администратора, представленное на рисунке 5,
состоит из четырех команд:
Рисунок
4
а)
проверка результатов лабораторных работ;
б)
задание;
в)
сменить пароль;
г) выход
из программы.
Команда
“Задание” состоит их двух команд:
а) смена
задания для лабораторных работ;
б) смена
задания для экспериментальных исследований.
Рисунок 5
1.7 Окно
расчета зависимости пробивной напряженности от температуры при переменном
напряжении
В левой части окна, представленного на
рисунке 6, задается вид материала, его характеристики и исходные данные для
расчета: материал электродов, частота, температура, сопротивление, тангенс угла
диэлектрических потерь, толщина диэлектрика и др.
В правой части окна - скрытое меню
последовательности выполнения опытов,
рассчитанное на восемь опытов.
При
выполнении первого опыта пиктограмма номер один окрасится в голубой цвет, после
чего необходимо нажимать кнопку “Начать опыт”, расположенную в середине ниже
полей данных и вводить данные в поля.
(Данные в левой части окна).
Рисунок 6
После нажатия кнопки “Рассчитать”,
появляются результаты расчетов в правом
нижнем углу. При неправильном вводе данных появляется сообщение об этом.
Далее в меню опытов можно ставить второй
опыт нажатием кнопки “Начать опыт”. В
поля вводятся данные из левой части окна с учетом изменения параметров
(толщина, частота, общая температура).
После
получения результатов в той же последовательности проводятся следующие шесть
опытов.
1.8 Окно
зависимости пробивной напряженности от температуры
На главном окне, представленном на рисунке 7,
пользователь заходит в меню (для студента), выбирает команду просмотреть "Зависимость"
и появляется субпанель, где перечислены четыре зависимости, из которых нужно выбрать определенную.
Например, появляется окно зависимости
пробивной напряженности от температуры, которая представлена в левой части
окна.
Рисунок 7
В правой
части окна два указателя: "По
результатам опытов" и "По
своим значениям".
Опция "По результатам опытов"
предназначена для тех значений, которые были рассчитаны в лабораторном
комплексе.
Опция "По своим значениям"
предназначена для тех значений, которые были рассчитаны самим пользователем.
Если пользователь выбирает опцию "По своим значениям", то ниже
находится кнопка "Ввести свои значения", и пользователь вводит свои данные и строит график зависимости.
Эти опции
предназначены для сравнения результатов на ПЭВМ и результатов пользователя.
1.9 Окно экспериментального теплового
пробоя
На главном окне, представленном на рисунке
8, пользователь заходит в меню (для студента), выбирает команду
«Экспериментальное исследование теплового пробоя».
Нажатием кнопки "Включить
установку" установка включается.
В скрытых меню выбирается
температура и толщина. После нажатия кнопки "Пробить образец" в левой части окна можно увидеть
анимационную заставку, изображающую тепловой пробой.
Диэлектрик
пробивается, и в скрытых меню высвечивается напряжение, при котором произошел
пробой. Это пробивное напряжение пользователь записывает и повторяет это несколько раз, после чего по
графической зависимости проводит
сравнение экспериментальных данных с
расчетными.
Рисунок 8
1.10 Окно идентификации администратора
Администратор входит в программу и в окне
регистрации, изображенном на рисунке 9,
в поле "Фамилия" пишет "admin". Так пользователь входит в режим
администрирования, после чего в главном
окне входит в
меню администратора, в
котором находится четыре команды.
Рисунок 9
При
входе в первые три окна запрашивается
пароль для защиты от несанкционированного доступа. Появляется окно
«Идентификация администратора» и вводится ключевое слово.
1.11 Окно
проверки результатов лабораторных работ
Рисунок
10
Окно
проверки результатов, изображенное на рисунке 10, позволяет проверить
выполненную пользователем (студентом)
лабораторную работу.
В верхнем
правом углу находится окно базы данных зарегистрированных пользователей. Окно
показывает количество пользователей, их данные, записанные в базу.
Ниже
располагается опция “Поиск пользователя”, если база данных слишком большая.
Например,
выделяем зарегистрированного пользователя, нажимаем кнопку “Показать
выполнение”, и внизу в середине в окне показываются выполненные пользователем
(студентом) лабораторные работы и задания в соответствии с датой выполнения.
Данная опция предназначена для жесткого контроля по выполнению
зарегистрированным пользователем (студентом) лабораторной работы в строго назначенный день и время (по расписанию).
При выделении строки выполнения в левой части окна появляются исходные данные и задания, и так поочередно для всех заданий.
Одновременно
в правой нижней части окна появляются
рассчитанные данные.
При очень большом увеличении базы
данных предусмотрены опции: опция удаления студентов, опция удаления задания.
После проверки
администратор выходит из
данного окна нажатием кнопки “Выход”.
1.12 Окно заданий для лабораторных работ
Рисунок
11
С помощью данной команды администратор
может вводить новые задания, а также исправлять и удалять их.
Ниже в окне, представленном на рисунке
11, предусмотрены опции:
- ô◄ -
перейти к первому заданию;
- ◄ - перейти
к предыдущему заданию;
- ► - перейти к следующему заданию;
- ►ê-перейти
к последнему заданию;
-
+
- добавить новое задание;
-
▬ - удалить
задание;
-
▲ - редактировать задание;
-
b - сохранить изменение;
-
r - не сохранять изменение;
-
Æ - обновить список задания.
После выполнения какого-либо исправления, удаления или дополнения задания администратор выходит из данного окна кнопкой “Выход”.
1.13 Окно заданий для экспериментальных исследований
Администратор с
помощью команд может вводить новые задания, исправлять и удалять их.
Ниже в
окне, представленном на рисунке 12,
предусмотрены опции:
-ô◄ -
перейти к первому заданию;
- ◄
- перейти к предыдущему заданию;
- ► - перейти к следующему
заданию;
- ►ê-перейти
к последнему заданию;
- + - добавить
новое задание;
- ▬
- удалить задание;
- ▲
- редактировать задание;
- b -
сохранить изменение;
- r - не
сохранять изменение;
- Æ - обновить
список задания.
После
выполнения какого либо исправления, удаления или дополнения задания
администратор выходит из данного окна кнопкой “Выход”.
Рисунок 12
2 Лабораторная работа №1
Тепловой
пробой твердых диэлектриков
Цель работы: изучение зависимостей электрической прочности и
пробивного напряжения твердых диэлектриков от
температуры окружающей среды, толщины диэлектриков и времени приложения
напряжения. Сравнение экспериментальных и расчетных значений при Т0=+200 С.
2.1
Краткие теоретические сведения
В электро- и радиоэлектронных аппаратах, приборах и
компонентах, содержащих диэлектрики, часто наблюдается электротепловой пробой,
хотя не исключены и иные виды пробоя. Изучение электротеплового пробоя можно
проводить с использованием простейшей модели изолятора. В этой модели возможно
несколько видов пробоя. В этой
работе изучается только пробой,
связанный с разрушением диэлектрика в месте пробоя – электротепловой (тепловой)
и электрический.
Из [1, 2] пробивная
напряженность теплового пробоя твердых диэлектриков обычно около 106-107
В/м, а электрического пробоя 107-108 В/м. При толщинах
меньше
10-7-10-8 м, т.е. в тонких диэлектрических пленках,
пробивная напряженность может достигать значений 1010 В/м.
Электрический пробой развивается за время 10-8-10-5 с при
отсутствии разрядов у краев электродов, в то время как для теплового пробоя
необходимо время не менее 10-3-10-2 с.
Естественно, что разным видам пробоя присущи свои закономерности.
Например, при электрическом пробое на величину пробивного напряжения
существенное влияние оказывает форма электрического поля. В связи с этим
зависимости Uпр (и соответственно Eпр) от толщины
образца, определенные в однородном и неоднородном полях, приобретают различный
вид. Для этой формы пробоя обычно характерно отсутствие влияния
на величину электрической прочности температуры, времени приложения напряжения
и частоты поля (в определенных, разумеется, границах). При тепловом пробое,
наоборот, форма поля весьма мало влияет на Епр, а с увеличением
температуры, времени действия напряжения и частоты обнаруживается снижение
электрической прочности.
При обсуждении и сопоставлении расчетных и экспериментальных данных по пробою диэлектриков следует иметь ввиду, что в справочных материалах для диэлектриков приводятся данные по электрической прочности при электрическом пробое, полученные при стандартных испытаниях в поле, близком к однородному.
2.2
Описание установки
Принципиальная
схема измерения пробивного напряжения Uпр твердых
диэлектриков при электрическом пробое показана на рисунке 13. Основной частью
установки является испытательный высоковольтный трансформатор Т, получающий
питание от сети через регулировочный автотрансформатор АТ, который позволяет
плавно поднимать напряжение от
нуля на первичной обмотке трансформатора
Т, тем самым и напряжение на испытуемом образце ИО. При определении Uпр
на постоянном токе в цепь вторичной обмотки включается высоковольтный диод ВД и
конденсатор С, сглаживающий импульсы тока.
Рисунок13
Образец подключается ко
вторичной обмотке высоковольтного трансформатора при помощи электродов. Эта
установка позволяет определить электрическую прочность при комнатной
температуре. При сравнении данных на экспериментальной установке, с расчетными
в соответствии с формулами (2.1-2.11) были получены одинаковые результаты, что
позволило сделать вывод о возможности определения Eпр при электротепловом пробое для любых температур
расчетным способом на ПЭВМ.
В реальной установке для обеспечения безопасности работы должны быть выполнены все требования по технике безопасности.
В данной работе используется
модель, соответствующая схеме,
представленной на рисунке 13. Все необходимые кнопки управления и
измерительные приборы объединены в пульт управления установкой. Процедура
проведения испытаний точно соответствует реальной. После нажатия кнопки “Пуск”
происходит имитация пробоя образца, характеристики которого соответствуют
реальным диэлектрикам.
2.3
Описание методики расчета
|
Рисунок 14 Для пробивного
напряжения |
|
|
при переменном напряжении |
|
при постоянном напряжении
где
f – частота
напряжения, Гц;
Tокр – температура окружающей среды, К0;
аТ – температурный коэффициент, tg
Параметр С рассчитывается
для данной модели диэлектрика по формуле
где dэ, d – толщины электродов и диэлектрика;
кТ – коэффициент теплоотдачи с наружных поверхностей электродов в
окружающую среду.
Если
толщина электродов много меньше толщины изоляции, то можно принять, что dэ=0. Это дает возможность
упростить выражение для параметра С
При безграничном увеличении
толщины изоляции функция
при переменном напряжении
при постоянном напряжении
Приведенные
формулы могут быть использованы при
При выводе формул для Uпр предполагалось, что
удельная активная проводимость и
тангенс угла диэлектрических потерь увеличиваются с ростом температуры по
экспоненциальному закону в соответствии с выражениями
Таким образом, зная для диэлектрика tg
Формулу для Uпр
[кВ] при
тепловом пробое на переменном напряжении можно представить в более удобном для расчетов виде [4],
подставив в нее выражение для удельной активной проводимости
(2.11)
где λ – удельная
теплопроводность диэлектрика, Вт/(м·ºС);
λТ – температурный коэффициент, tgδ;
f –
частота напряжения, Гц;
ε – диэлектрическая проницаемость диэлектрика
(предполагается приближенно, что она не зависит от температуры);
tgδ0 – тангенс
угла потерь диэлектрика при начальной его температуре, равной температуре
окружающей среды;
С – безразмерный параметр, характеризующий условия
отвода тепла из диэлектрика через электроды в окружающую среду и рассчитываемый
по формулам (2.3 и 2.4).
2.4
Порядок выполнения
лабораторной работы
2.4.1 Ознакомиться с краткими теоретическими сведениями.
2.4.2 Ознакомиться с методикой расчета
электрической прочности при электротепловом пробое.
2.4.3
Ознакомиться с инструкцией по проведению теоретического
расчета.
2.4.4
Провести расчет в соответствии с полученным заданием.
2.4.5 Ознакомиться
с описанием экспериментальной установки и инструкцией по проведению
экспериментального исследования пробоя твердых диэлектриков.
2.4.6 Провести экспериментальное
исследование пробоя твердых диэлектриков в соответствии с заданием.
2.4.7
Проанализировать результаты проведения расчета и экспериментальных данных.
2.4.8
Оформить отчет.
2.4.9
Завершить
выполнение лабораторной работы.
2.5 Расчет
электрической прочности и пробивного напряжения при электротепловом пробое
Задание №1
Рассчитайте зависимость электрической прочности Eпр от
толщины образца для электроизоляционного материала - Стеклотекстолит при переменном
напряжении f=50 Гц и температуре T=20 °С. Материал электродов
– медь.
Задание №2
Рассчитайте зависимость электрической прочности Eпр от
температуры для электроизоляционного материала - Кварцевое стекло
при переменном напряжении f=50 Гц и толщине образца d=0,003 м.
Материал электродов – серебро.
2.6 Исследование
экспериментальных зависимостей электрической прочности от внешних условий
Задание №1
Определить экспериментально электрическую прочность Eпр
для данных задания №1 п.2.5.
Задание №2
Определить экспериментально
электрическую прочность Eпр для данных задания №2 п.2.5.
Список литературы
1. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы. – Л.: Энергоатомиздат, 1985.-304 с.
2. Тареев Б.М. Электрорадиоматериалы -М.: Высшая школа, 1978.- 336 с.
3. Казарновский Д.М., Тареев Б.М. Испытание электроизоляционных материалов и изделий. – Л.: Энергия, 1980.-214с.
4. Справочник по электротехническим материалам. /Под. ред. Ю.В.Корицкого. – М.: Энергия, 1988.
5. Кифер И.И. Испытания ферромагнитных материалов. – М.; Л.: ТЭИ, 1982. – 554с.
6. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Материалы электронной техники. – М.: Высшая школа, 1986. – 386с.
7. Бекмагамбетова К.Х. Электротехническое материаловедение: Учебное пособие. – Алматы, 2001.-258с.
Сводный план 2004г., поз.45
Куралай
Хамитовна Бекмагамбетова
Роза
Мендыхановна Кузембаева
Жанар
Керимбековна Оржанова
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Методические указания к
лабораторным работам
с применением ЭВМ
Часть I
(для студентов всех форм обучения специальности 050718 -
Электроэнергетика)
Редактор
__________Ж.М.Сыздыкова
«____»_________2005 г
Подписано
в печать «__»______2005
Формат 60х84 1/16
Тираж
50 экз. Бумага
типографская №1
Объем____уч.-изд.л.
Заказ_____Цена______
Копировально-множительное
бюро
Алматинского
института энергетики и связи
480013,
Алматы, Байтурсынова,126