Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра теоретических основ электротехники

 

 

 

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ 1

 Методические указания и задания к расчетно-графическим работам

для студентов специальности 5В073100- Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды

 
 
 
 
 
Алматы 2011

СОСТАВИТЕЛИ: А.С. Баймаганов, С.Ю. Креслина. Основы электротехники и электроники 1. Методические указания и задания к расчетно-графическим работам для студентов специальности 5В073100- Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды. – Алматы: АУЭС, 2011.-  21с.

 

Методические указания и задания к расчетно-графическим работам содержат требования к выполнению и оформлению РГР, задания, схемы и параметры электрических цепей. Методические указания и задания к РГР соответствуют типовой программе по основам электротехники и электроники.

Ил.15 , табл.7 , библиогр.- 9 назв. 

 

Рецензент: д-р. техн. наук, Н.Г.Приходько

 

Печатается по плану издания НАО «Алматинского университета энергетики и связи» на 2011 г.

 

 

Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011г.

Содержание

 

1 Методические указания к выполнению заданий                                          4

2 РГР №1. Расчет трехфазных цепей                                                                 6

3 РГР №2. Расчет характеристик трехфазных асинхронных

двигателей c короткозамкнутым ротором                                                       10

4 РГР №3. Расчет параметров схемы с операционныи усилителем              11    

5 Методические указания                                                                                  13

Список литературы                                                                                             19

 

1 Методические указания к выполнению заданий

            

Одним из основных видов занятий по курсу “Электротехника” является выполнение расчетно-графических заданий.

Номер варианта, который должен быть выполнен студентом, определяется последними двумя цифрами зачетной книжки и первой буквой фамилии студента.

К представленным на рецензию РГР заданиям предъявляются следующие требования:

- Основные положения решения должны быть достаточно подробно пояснены.

- Рисунки, графики, схемы, в том числе и заданные условием задачи, не следует размещать среди текста. Они должны быть выполнены на отдельном листе бумаги, аккуратно и в удобно читаемом масштабе.

- Вычисления должны быть сделаны с точностью, которая может быть получена при использовании калькулятора.

- Задания должны быть датированы и подписаны студентом.

- Незачтенное задание должно быть выполнено заново и отдано на повторную рецензию вместе с первоначальной работой и замечаниями рецензента. Исправления ошибок в отрецензированном тексте не допускаются. Если неправильно выполнена не вся работа, а только ее часть, то после переработки исправленный текст нужно написать в тетради после первоначального текста, указав, что это исправление ошибок.

РГР зачитываются, если решения не содержат ошибок принципиального характера,  и если выполнены перечисленные требования.

Работа над контрольным заданием помогает студентам проверить степень усвоения ими курса, вырабатывает у них навык четко и кратко излагать свои мысли. Для успешного достижения этой цели необходимо руководствоваться следующими правилами:

- Начиная решение задачи, указать, какие физические законы или расчетные методы предполагается использовать при решении, привести математическую запись этих законов и методов.

- Тщательно продумать какие буквенные символы предполагается использовать в решении. Пояснить значение каждого буквенного символа словами или же соответствующими обозначениями на схеме.

- В ходе решения задачи не следует изменять однажды принятые направления токов и наименования узлов, сопротивлений и т. д. Не следует изменять обозначения, заданные условием. При решении одной и той же задачи различными методами одну и ту же величину надлежит обозначать одним и тем же буквенным символом.

- Расчет каждой искомой величины следует выполнять сначала в общем виде, а затем в полученную формулу подставить числовые значения и привести окончательный результат с указанием единиц измерения. При решении системы уравнений целесообразно воспользоваться известными методами упрощения расчета определителей (например, вынесение за знак определителя общего множителя и другими, а ещё проще методом подстановки).

- Промежуточные и конечные результаты расчетов должны быть ясно выделены из общего текста.

- Решение задач не следует перегружать приведением всех алгебраических преобразований и арифметических расчетов.

- Для элементов электрических схем следует пользоваться обозначениями, применяемыми в учебниках по электротехнике.

- Каждому этапу решения задачи нужно давать пояснения.

- При построении кривых выбирать такой масштаб, чтобы на 1 см оси координат приходилось  или  единиц измерения физической величины, где n-целое число. Градуировку осей выполнять, начиная с нуля, равномерно через один или через два сантиметра. Числовые значения координат точек, по которым строятся кривые, не приводить. Весь график в целом и отдельные кривые на нем должны иметь названия.

 

2 РГР №1. Расчет трехфазных цепей

 

К симметричному трехфазному генератору с синусоидальными фазными э.д.с подключена симметричная нагрузка.

Для электрических схем с нейтральным проводом и при обрыве нейтрального провода рассчитать:

-    мгновенные значения токов в фазах А, В, С;

-         мгновенное значение тока в нейтральном проводе;

-         активную, реактивную, полную мощности.

Электрические схемы приведены на рисунках 2.1-2.10.

Максимальные значения фазной э.д.с генератора  и параметры цепи приведены в таблицах 2.1-2.3. Основная частота фазных э.д.с. генератора

 

Т а б л и ц а  2.1

Год поступления

Последняя цифра зачетной книжки

Нечетный

№ схемы

1

2.1

2

2.2

3

2.3

4

2.4

5

2.5

6

2.6

7

2.7

8

2.8

9

2.9

0

2.10

Четный

№ схемы

0

2.1

9

2. 2

8

2.3

7

2.4

6

2.5

5

2.6

4

2.7

3

2.8

2

2.9

1

2.10

10

8

14

9

15

20

18

22

16

12

50

40

60

30

20

90

95

85

65

80

40

30

45

44

35

35

55

45

70

80

35

100

80

50

60

75

35

70

75

40

60

60

70

25

40

35

60

40

95

50

 

Таблица 2.2

Год поступления

Предпоследняя цифра зачетной книжки

Нечетный

0

2

4

6

8

9

7

5

3

1

Четный

8

7

5

3

1

0

2

4

6

9

30

45

60

40

25

100

70

80

45

65

40

65

90

80

30

85

85

50

70

60

 

20

80

75

50

60

90

95

85

35

35

 

Таблица 2.3

Год

поступления

Первая буква фамилии

Нечетный

А,КХ

Б,Л,Ц

В,М,Ч

Г,НШ

Д,О,Щ

Е,ПР

Ж,С,З

Т,Э,И

У,Ю

Ф,Я

Четный

Б,ИЗ

Ж, Е

Д,Г,В

А, Ф

У,Т,С

Р,ПО

Н,М,Л

К,ЯЮ

Э,Щ,Ч

Ш,Ц,Х

380

120

220

360

270

110

127

200

100

260

  

 

 

Рисунок 2.1

  

 

Рисунок 2.2 

 

 

Рисунок 2.3

  

Рисунок 2.4

  

 

Рисунок 2.5

 

 

Рисунок 2.6

 

 

Рисунок 2.7

 

Рисунок 2.8

 

Рисунок 2.9

 

 

 

Рисунок 2.10

 

3 РГР №2. Расчет характеристик трехфазных асинхронных двигателей c короткозамкнутым ротором

 

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с линейным напряжением  Параметры двигателя заданы в таблицах (3.1 – 3.3): номинальная мощность частота вращения  коэффициент полезного действия  коэффициент мощности  при номинальной нагрузке, кратность максимального момента  и кратность пускового тока  Номинальное фазное напряжение обмотки статора

Требуется:

1) начертить схему подключения асинхронного двигателя к трехфазной сети;

2) определить способ соединения обмотки статора; фазные и линейные токи двигателя; число пар полюсов обмотки статора; номинальное скольжение и номинальный момент; критическое скольжение; значение пускового тока;

3) определить значение вращающего момента, развиваемого двигателем при скольжениях: 0.05, 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0;

4) построить график механической характеристики асинхронного двигателя.

 

         Т а б л и ц а  3.1

Год поступления

Последняя цифра зачетной книжки

Нечетный

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Четный

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

 

380

220

380

220

380

220

380

220

380

220

15

25

20

30

25

35

45

55

40

45

 

         Т а б л и ц а  3.2

Год поступления

Предпоследняя цифра зачетной книжки

Нечетный

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Четный

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

 

3000

1500

1000

750

950

1500

600

1000

1400

500

 

 

         Т а б л и ц а  3.3

Год поступления

Первая буква фамилии

Нечетный

АЛХ

БМЦ

ВНЧ

ГОЩ

ДПШ

ЕРЭ

ЖСЮ

ЗТЯ

ИУ

КФ

 

Четный

ЕРЭ

АЛХ

ЖСЮ

БМЦ

ЗТЯ

ВНЧ

ИУ

ГОЩ

КФ

 

ДПШ

 

0.91

0.86

0.86

0.82

0.87

0.9

0.81

0.89

0.9

0.75

 

2. 5

3

2

2

2

2.3

1.9

2.3

2.5

1.8

 

7. 5

7.5

6

6

5

6.5

6

6.5

7

6

 

4 РГР №3. Расчет параметров  схемы с операционным усилителем

 

Заданы схемы инвертирующего и неинвертирующего усилителей (см. рисунки 4.1,4.2) и входные сигналы   и  Параметры усилителя заданы в таблице 4.1. Напряжение питания операционного усилителя 15 В.

Определить:

а) Коэффициент усиления.

б) Нарисовать временные диаграммы входного и выходного сигналов усилителя при:

- входном синусоидальном сигнале с амплитудой

- входном постоянном сигнале с напряжением

 

 

 

Рисунок 4.1                                                           Рисунок 4.2                                                   

 

Т а б л и ц а  4.1

Год поступления

Последняя цифра зачетной книжки

Нечетный

1

2

3

4

5

6

7

8

9

0

Четный

6

7

8

9

0

1

2

3

4

5

 

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

 

0.3

0.8

1.2

1.8

2.2

2.7

3.2

3.8

4.2

4.8

0.47

1

1.2

1.3

1.5

1.8

2

2.2

2.4

2.6

12.5

12

10

8.2

7.2

6.9

6.2

5.9

5.6

5.1

 

5 Методические указания

5.1 Пример расчета симметричного режима в трехфазной электрической цепи

Схема симметричной трехфазной электрической цепи приведена на рисунке 5.1.

Известны: линейное напряжение  и полное комплексное сопротивление фазы нагрузки  

Рассчитать фазные и линейные напряжения и токи, построить топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.

 

 

 

 

Рисунок 5.1

 

При соединении в звезду справедливы следующие соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами

,

.

Следовательно, фазное напряжение .

Запишем комплексные действующие значения фазных напряжений

,  , .

Комплексные действующие значения линейных напряжений

,

,

.

Рассчитаем фазные и линейные токи нагрузки по закону Ома для участка цепи .

В симметричном режиме токи в фазах «B» и «C» будут отличаться от тока в фазе «A» только начальной фазой на – 120° и +120° соответственно

, .

Ток в нулевом проводе .

Топографическая диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов для симметричного режима трехфазной цепи представлены на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2

 

 

 

5.2 Способ соединения обмотки статора асинхронного двигателя определяется величиной линейного напряжения сети. При напряжении в сети 380 В обмотка соединяется по схеме в звезду, а при напряжении 220 В соединяется по схеме в треугольник.

В асинхронном двигателе полезная мощность получается преобразованием активной мощности, потребляемой из сети, а значение этой мощности можно записать в виде

где – активная мощность, потребляемая двигателем из сети, Вт; – фазное напряжение, В; – фазный ток обмотки статора, А; – коэффициент мощности асинхронного двигателя.

Из этого выражения можно определить фазные и линейные токи двигателя.

Активная мощность асинхронного двигателя определяется из выражения коэффициента полезного действия

 

где – коэффициент полезного действия асинхронного двигателя, %;
 –  полезная мощность двигателя, Вт.

При работе асинхронного двигателя частота вращения ротора меньше частоты вращения поля статора, и оценивается эта разность скольжением

 

где – скольжение асинхронного двигателя, о. е.; – частота вращения ротора, об/мин; – частота вращения поля статора, определяется по формуле

где  – частота питающего напряжения, Гц;  – число пар полюсов обмотки статора асинхронного двигателя.

В результате преобразования электрической энергии в механическую на валу асинхронного двигателя возникает полезный момент

 

 

где  – полезный момент на валу двигателя, Нм.

Вращающий момент в асинхронном двигателе зависит от скольжения и определяется по формуле Клосса выражением

 

 

где – максимальный момент, Нм;  – критическое скольжение, которое соответствует максимальному моменту.

Отношение максимального момента двигателя  к номинальному  называется кратностью максимального момента

 

 

Из формулы Клосса по номинальным значениям момента двигателя и скольжения определяем критическое скольжение.

 

                                    

 

На основе формулы Клосса при различных значениях скольжения можно определить вращающий момент и построить механические характеристики  асинхронного двигателя.

 

Пример. Трехфазный асинхронный двигатель питается от сети с линейным напряжением  Заданы параметры двигателя: номинальная мощность  частота вращения  коэффициент полезного действия  коэффициент мощности при номинальной нагрузке  кратность максимального момента  кратность пускового тока  Номинальное фазное напряжение обмотки статора

Требуется определить: 1) способ включения обмотки статора; 2) фазные и линейные токи двигателя; 3) число пар полюсов; 4) номинальное скольжение и номинальный момент; 5) критическое скольжение; 6) значение пускового тока; 7) значения вращающего момента при скольжениях 0.03, 0.15, 0.25, 0.5, 0.75, 0.9. 1.0; 8) построить график механической характеристики n (M) асинхронного двигателя.

 

Решение. Обмотка статора асинхронного двигателя должна быть соединена по схеме в треугольник, так как линейное напряжение сети и фазное напряжение обмотки равны.

Активная мощность, потребляемая двигателем из сети, определяется формулой

 

 

Ток в фазе обмотки статора асинхронного двигателя

 

 

Линейный ток, потребляемый двигателем из сети, при соединении обмотки в треугольник определяется соотношением

 

 

При заданной частоте вращения двигателя 1425 об/мин частота вращения поля составляет 1500 об/мин, а число пар полюсов определяется формулой

 

Номинальное скольжение двигателя

 

 

Полезный момент на валу двигателя при номинальной нагрузке определяется выражением

 

 

Критическое скольжение определяем из формулы Клосса для номинального режима работы.

 

Определяем максимальный момент при  заданной кратности

                            

 

Вращающий момент асинхронного двигателя при скольжении  определяется на основании формулы Клосса

 

 

а частота вращения ротора при этом скольжении

 

 

Вращающие моменты и обороты двигателя для других заданных скольжений определяются аналогичным образом, а результаты расчета сведены в табл. 5.1.

 

Т а б л и ц а 5.1 Вращающий момент и частота вращения двигателя

 

 0.03

 0.05

 0.15    

 0.165

 0.25

 0. 5

  0.75

  0.9

  1.0 

 

 1455

 1425

 1275

 1252

 1125

 750

  375

  150

    0

 

  6.37

 10.05

 17.32

 18.1

 16.64

 10.77

  7.6

  6.42

 5.81

 

По результатам, представленным в табл. 5.1, строим (см. рис. 5.3) график механической характеристики асинхронного двигателя

 

 

Рисунок 5.3. Механическая характеристика двигателя

 

Линейный и фазный токи при пуске двигателя определяем из заданного соотношения этих токов к номинальному

 

 

         Вывод. При соединении обмотки статора асинхронного двигателя по схеме в треугольник при номинальном токе 3.28 А в режиме пуска линейный ток возрастает до 36.92 А, а фазный ток – до 21.32 А.

 

 

5.3 Коэффициент инвертирующего усилителя с обратной связью равен

 

. 

 

Коэффициент усиления неинвертирующего усилителя с обратной связью

.       

 

 

Список литературы

1. Электротехника и электроника: Учебник для вузов. В 3-х кн. Кн.3.

2. . Электрические измерения и основы электроники. /Под ред. проф. В. Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 432 с.

3. Сборник задач по электротехнике и основам электроники: Учеб. пособие для неэлектротехн. спец. вузов. Под ред. В. Г. Герасимова. – М.: ВШ, 1987.

4. Касаткин А.С. Электротехника – М., 1969,1973,1983.

5. Электротехника./Под ред. Пантюшина. – М., 1976.

6. Мұхити И.М. Электротехника – А., 2005.

7. Бессонов Л.А. ТОЭ. Электрические цепи. – М., 2002.

8. Электротехника и электроника: Учебник для вузов. /Под ред. Б. И. Петленко. – М.: Академия, 2003. – 230 с.

9. Данилов И.А., Иванов П.И. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие – М.: ВШ, 2000. – 752 с.

Сводный план 2011 г., поз. 99