Некоммерческое Акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра теоретических основ электротехники

 

 

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания и задания к расчетно-графическим работам №1-4
для специальности 5В071700 – Теплоэнергетика

 

Алматы 2013

Составители: Ж.Х. Амиров, А.С. Баймаганов. Методические указания и задания к расчетно-графическим работам по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов специальности бакалавриата 5В071700 – Теплоэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2013. – 17 с.

 

Методическая разработка включает в себя методические указания и задания к четырем расчетно-графическим работам по основным разделам курса дисциплины «Электротехника и электроника».

Выполнение расчетно-графических работ поможет студентам усвоить методы расчета линейных электрических цепей постоянного и трехфазного синусоидального токов, ознакомиться с проблемой компенсации реактивной мощности. А также, приобрести навыки расчета параметров синхронных машин, усвоить критерии расчета и выбора основных компонентов транзисторных усилителей, в частности усилителей напряжения, собранных по схеме с общим эмиттером и с фиксированным напряжением на базе транзистора.

Задания к расчетно-графическим работам разработаны для студентов специальности бакалавриата 5В071700 – Теплоэнергетика.

Ил. 5, табл. 9, библиограф. – 8 назв.

 

Рецензент: доцент М.В. Башкиров

 

Печатается по плану издания НАО «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013 г.

 

 

Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2013 г.

Введение

 

Настоящая работа включает в себя методические указания и задания к расчетно-графическим работам по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов специальности бакалавриата 5В071700 – Теплоэнергетика.

Согласно учебному плану на изучение этой дисциплины отводится всего 180 часов. В том числе105 часов на самостоятельную работу, из них СРСП – 30 часов и СРС – 75 часов. Аудиторные занятия включают в себя: курс лекций – 30 часов, лабораторные занятия – 30 часов и практические занятия – 15 часов. Студенты должны выполнить четыре расчетно-графические работы по основным разделам курса электротехники и электроники, представленные здесь.

Целью изучения дисциплины «Электротехника и электроника» является формирование у студентов необходимых навыков по применению основных методов расчета электрических цепей и электронных устройств, приобретение ими знаний о физических процессах протекающих в электрических цепях, трансформаторах, электрических машинах, а также в электронных устройствах и измерительных цепях.

Здесь представлены задания к расчетно-графическим работам по следующим темам:

-    расчет линейных электрических цепей постоянного тока;

-    расчет трехфазных электрических цепей;

-    расчет характеристик электрических машин;

-    расчет транзисторного усилителя с общим эмиттером.

Выполнение расчетно-графических работ поможет студентам овладеть методами расчета линейных электрических цепей постоянного и трехфазного синусоидального токов, ознакомиться с проблемой компенсации реактивной мощности, расчетом параметров синхронных машин, а также усвоить критерии расчета и выбора основных компонентов транзисторных усилителей.

Методические указания

Общие положения.

Задания к расчетно-графическим работам приведены в следующей главе. Каждое задание имеет несколько вариантов схем и исходных данных. Номер варианта студент выбирает по году поступления (четный или нечетный), последней и предпоследней цифрам номера зачетной книжки из соответствующих таблиц.

Расчетно-графические работы следует оформлять на листах формата А4. Графические построения и некоторые расчеты удобно выполнять в программах MathCAD или Excel. Все графические построения должны быть выполнены с соблюдением выбранных масштабов. Буквенные обозначения и размерность физических величин, а также графические изображения элементов схемы должны отвечать требованиям соответствующих ГОСТов.

На титульном листе следует указать наименования министерства, вуза, кафедры, дисциплины, название и тему работы, фамилию и инициалы, шифр группы и номер зачетной книжки студента, выполнившего работу, а также фамилию и инициалы преподавателя, проверившего ее.

Расчетно-графическая работа должна начинаться с задания, которое полностью переписывается, включая необходимые рисунки и исходные данные, согласно варианту задания. Расчет должен сопровождаться пояснениями. Все уравнения, их преобразование и расчетные формулы следует записывать в общем виде и только в последнюю очередь подставлять числовые значения. Это позволит легко контролировать выполнение необходимых преобразований и правильность расчетных формул. Результаты вычислений следует округлять до трех значащих цифр, при этом погрешность вычислений будет в пределах 1%. Операции вычисления рекомендуется проводить с числами, размерности которых приведены к основным единицам системы СИ (В, А, Ом, Вт, вар, ВА и т.п.).

Методические указания к выполнению расчетно-графических работ.

Для выполнения расчетно-графической работы №1 необходимо изучить законы Кирхгофа, метод единичного тока (метод пропорциональных величин) и принцип наложения [Л1], [Л2].

Для выполнения расчетно-графической работы №2 необходимо изучить теорию трехфазных электрических цепей, в частности симметричный режим и схемы соединения фаз «звезда» и «треугольник», а также основные критерии и принципы компенсации реактивной мощности (КРМ). Необходимо уметь работать с комплексными числами [Л1], [Л2].

Для выполнения расчетно-графической работы №3 необходимо изучить раздел теории синхронных машин. Обратите внимание на основные достоинства синхронных двигателей, такие как постоянная скорость вращения якоря двигателя независимо от нагрузки на его валу и возможность генерирования, потребления и плавного регулирования реактивной мощности [Л1], [Л2].

Для выполнения расчетно-графической работы №4 необходимо изучить раздел теории усилительных каскадов на биполярных транзисторах. Обратите внимание на критерии выбора и расчет основных характеристик и параметров усилителей, а именно: коэффициентов усиления по напряжению K_u, по току K_I и по мощности K_P, а также входного R_вх и выходного R_вых сопротивлений усилителя по переменному току.

Расчет каскада усилителя выполняется в три этапа: оценка предельно допустимых параметров и выбор транзистора, расчет параметров элементов схемы усилителя по постоянному току и расчет по переменному току.

Краткие теоретические положения и примеры расчета по темам первых трех РГР приведены в [Л5, Л6]. По теме РГР№4 – критерии выбора и порядок расчета параметров транзисторного усилителя приведены в приложении.

РГР №1. Расчет линейных электрических цепей постоянного тока

Цель работы: освоить методы расчета линейных электрических цепей постоянного тока: метод единичного тока и принцип наложения.

Задание.

Для одной из схем, представленных на рисунке 1, по данным таблиц 1.1 и 1.2 необходимо рассчитать токи в ветвях лестничной схемы, напряжения на резисторах и источниках U₁ и U₂, КПД источников, а также проверить выполнение баланса мощностей для трех комбинаций значений ЭДС E₁ и E₂ источников напряжения (для схем с источниками ЭДС) или токов J₁ и J₂ источников тока (для схем с источниками тока) приведенных в таблице 1.3.

Для расчета применить принцип наложения и метод единичного тока. Результаты расчета представить в табличной форме.

 

Таблица 1.1 – Варианты схемы и внутренние сопротивления источников

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Нечетный	3	2	1	0	9	8	7	6	5	4
№ схемы	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
rвн1 = rвн2, Ом	50000	10	40000	5	30000	7	20000	9	10000	8

 

Таблица 1.2 – Варианты параметров схемы

Год поступления	Предпоследняя цифра зачетной книжки
Четный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Нечетный	3	2	1	0	9	8	7	6	5	4
R1, Ом	100	400	550	850	600	150	900	450	750	800
R2, Ом	150	250	900	1000	750	500	700	300	800	1000
R3, Ом	50	300	600	900	800	300	950	500	850	550
R4, Ом	175	500	750	800	650	450	1000	350	900	700
R5, Ом	200	375	700	750	900	200	850	400	1000	900
R6, Ом	75	450	850	600	500	250	1100	250	950	600
R7, Ом	250	475	500	650	700	100	800	550	600	750
R8, Ом	275	350	800	700	950	350	750	375	650	500

 

Таблица 1.3 – Значения E₁ и E₂, J₁ и J₂ для трех комбинаций

Комбинация	E1, В	E1, В	J1, А	J2, А
1	100	300	10	50
2	200	200	25	25
3	300	100	50	10

 

 

 

Схема 1                                                        Схема 2

 

 

Схема 3                                                        Схема 4

 

 

Схема 5                                                        Схема 6

 

 

Схема 7                                                        Схема 8

 

 

Схема 9                                                        Схема 10

 

Рисунок 1 – Варианты схем к РГР №1

 

РГР №2. Расчет трехфазных электрических цепей

Цель работы: освоить методы расчета трехфазных электрических цепей, соединенных по схеме звезда и треугольник; приобрести навыки расчета параметров источника реактивной мощности для ее полной компенсации.

Задание.

К симметричному трехфазному источнику с линейным напряжением U_л = 418В, частотой f = 50Гц подключены симметричная нагрузка и батарея статических конденсаторов (БСК). Варианты схем представлены на рисунке 2, где Z_л и Z_н – комплексные сопротивления фазы линии и нагрузки, соответственно. БСК предназначена для компенсации реактивной мощности (КРМ) нагрузки, C_к – емкость фазы конденсаторной батареи.

Для одной из схем, представленных на рисунке 2, по данным таблиц 2.1 и 2.2 рассчитать:

-   комплексное сопротивление фазы нагрузки Z_н;

-   фазные и линейные напряжения и токи нагрузки без КРМ (БСК не подключены;

-   активную, реактивную и полную мощности нагрузки без КРМ;

-   реактивную мощность, емкость фазы C_к БСК для обеспечения полной КРМ нагрузки, чтобы cosj = 1;

-   фазные и линейные напряжения и токи нагрузки и источника при полной КРМ;

-   мощность потерь в линии без КРМ и при полной КРМ нагрузки;

-   активную, реактивную и полную мощности источника без КРМ и при полной КРМ нагрузки;

-   коэффициент полезного действия (КПД) схемы электроснабжения без КРМ и при полной КРМ. Сравнить КПД, сделать выводы по работе.

Построить топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов электрической цепи для режима полной КРМ нагрузки.

Проверить найденные значения токов в ветвях схемы и напряжений на ее элементах экспериментально, собрав ее на виртуальном лабораторном стенде программы «Electronics workbench».

Результаты расчета и эксперимента привести в сравнительной таблице.

 

Таблица 2.1 – Варианты параметров нагрузки и линии

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Нечетный	3	2	1	0	9	8	7	6	5	4
Pн, кВт	200	150	250	500	350	150	450	250	400	100
cosjн	0,80	0,60	0,70	0,65	0,75	0,55	0,85	0,90	0,50	0,45
Rл, Ом	0,04	0,02	0,03	0,04	0,025	0,02	0,035	0,025	0,03	0,035
Xл, Ом	0,1	0,05	0,075	0,1	0,06	0,05	0,085	0,06	0,075	0,085

Примечание: .

Таблица 2.2 – Варианты схемы

Год поступления	Предпоследняя цифра зачетной книжки
Четный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Нечетный	3	2	1	0	9	8	7	6	5	4
№ схемы	1	2	1	2	1	2	1	2	1	2

 

 

Схема 1

 

Схема 2

 

Рисунок 2 – Варианты схем к РГР №2

РГР №3. Расчет характеристик синхронного электродвигателя

Цель работы: приобрести навыки расчета основных параметров синхронных электродвигателей.

Задание.

Варианты типа и номинальных параметров синхронного электродвигателя: линейное напряжение питающей сети U_ном частотой f = 50 Гц, мощность на валу двигателя P_2ном, КПД η_ном, коэффициент мощности cosj_ном, кратность пускового тока m_i = I_пуск/I_ном, кратность пускового m_пуск = M_пуск/M_ном и максимального m_кр = M_max/M_ном моментов приведены в таблице 3.1. Варианты коэффициентов нагрузки β_P = P₂/P_2ном и тока возбуждения β_iв = I_в/I_{в ном} приведены в таблице 3.2. Семейство U – образных характеристик синхронных двигателей в относительных единицах представлено на рисунке 3.

Для своего варианта необходимо рассчитать:

-    номинальную угловую частоту вращения ротора Ω;

-    максимальный M_max и пусковой M_пуск моменты на валу двигателя;

-    пусковой ток I_пуск;

-    полную мощность при номинальной нагрузке S_ном;

-    с помощью U – образных характеристик рассчитать коэффициент мощности cosj для заданных значений коэффициентов нагрузки по мощности β_P и току возбуждения β_iв, а также полную S и реактивную Q мощности электродвигателя.

 

Таблица 3.1 – Варианты типа и номинальных параметров электродвигателя

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Нечетный	3	2	1	0	9	8	7	6	5	4
Тип эл. двигателя	СДН-14-59-8	СДН-15-49-8	СДН-16-54-8	СДН-16-86-8	СДН-17-76-8	СДН-14-59-6	СДН-15-49-6	СДН-15-76-6	СДН-16-69-6	СДН-16-84-6
Uном, кВ	6	6	6	6	6	6	6	6	6	6
P2ном, кВт	1000	1600	2500	4000	6300	1250	2000	3200	4000	5000
ηном, %	95,4	95,6	95,8	96,7	96,9	95,8	95,9	96,6	96,5	96,8
cosjн	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
mi = Iпуск/Iном	5,6	5,0	5,3	6,5	6,7	6,3	5,5	6,1	6,0	6,8
mпуск = Mпуск/Mном	0,95	1,1	1,3	1,3	0,8	1,3	1,0	1,1	0,9	1,0
mкр = Mmax/Mном	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2

Примечание: число полюсов определяют по последней цифре стандартного обозначения типа электродвигателя.

 

 

 

Таблица 3.2 – Варианты коэффициентов нагрузки электродвигателя

Год поступления	Предпоследняя цифра зачетной книжки
Четный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Нечетный	3	2	1	0	9	8	7	6	5	4
βP = P2/P2ном	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5
βiв = Iв/Iв ном	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1

 

 

Рисунок 3 – U-образные характеристики синхронных двигателей

в относительных единицах

 

РГР №4. Расчет транзисторного усилителя с общим эмиттером

Цель задания: приобрести навыки расчета параметров и выбора элементной базы транзисторных усилителей с RC-связью.

Задание.

1. Выбрать по справочнику необходимый транзистор, удовлетворяющий исходным параметрам усилителя.

2. Определить ток покоя коллектора I_к.0, напряжение покоя коллектора U_кэ.0, ток покоя базы I_б.0 и напряжение покоя базы транзистора U_бэ.0, соответствующие режиму «А» работы транзистора с рабочей точкой в середине линейного участка выходных и входной характеристик транзистора.

3. Рассчитать сопротивления резисторов, включенных в цепи коллектора R_к и эмиттера R_э транзистора.

4. Рассчитать сопротивления резисторов R_б1 и R_б2 делителя напряжения.

5. Рассчитать емкости конденсаторов связи по переменному току C₁ и C₂ с учетом заданного коэффициента частотных искажений М_иск.

6. Рассчитать емкость шунтирующего по переменному току конденсатора в цепи эмиттера транзистора C_э.

7. Рассчитать коэффициенты усиления усилителя по напряжению K_U, по току K_I и по мощности K_P.

8. Рассчитать входное R_вх. и выходное R_вых. сопротивления усилителя.

9. Рассчитать коэффициент полезного действия усилителя h.

Варианты исходных параметров для расчета транзисторного усилителя приведены в таблицах 4.1 и 4.2. Схема усилителя с общим эмиттером с фиксированным напряжением на базе транзистора приведена на рисунке 4.

 

Таблица 4.1 – Варианты исходных параметров усилителя

Год поступления	Последняя цифра номера зачетной книжки студента
Четный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Нечетный	3	2	1	0	9	8	7	6	5	4
Uвых. max, В	8	9	10	11	12	13	14	5	6	7
Rнагр., Ом	650	850	1000	800	750	900	1200	700	600	500
fmin, Гц	10	200	20	100	150	500	50	1000	250	40
Mиск.	1,15	1,25	1,05	1,3	1,4	1,2	1,3	1,4	1,2	1,4
Eк, В	12	12	15	15	20	20	20	9	9	12

 

Таблица 4.2 – Варианты исходных параметров источника

Год поступления	Предпоследняя цифра зачетной книжки
Четный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Нечетный	3	2	1	0	9	8	7	6	5	4
Eист.m	0,8	0,9	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7
Rист	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100

 

 

Рисунок 3 – Схема транзисторного усилителя с общим эмиттером

Приложение. Порядок расчета транзисторного усилителя с ОЭ

1. Оценка предельно допустимых параметров и выбор транзистора.

Выбор транзистора осуществляют по трем параметрам:

– предельно допустимое напряжение между коллектором и эмиттером транзистора выбирают с запасом 20% U_кэ.доп=1,2 × Е_к;

– предельно допустимый ток коллектора I_к.доп=;

– максимальная рабочая частота f_max.

При этом желательно выбрать транзистор n-p-n типа с большим статическим коэффициентом усиления по току b=h_21э. В справочнике приводятся минимальное и максимальное значения этого коэффициента. Для расчетов выбирают минимальное значение b_min.

2. Расчет режима по постоянному току транзистора.

Сначала выбирают рабочие точки по току и напряжению входной (базовой) и выходной (коллекторной) цепи транзистора. Режим постоянного тока обеспечивается резисторами: R_б1, R_б2, R_э, R_к, сопротивления которых необходимо найти. Графический расчет усилительного каскада по схеме с ОЭ приведен на рисунке 5.

Ток покоя коллектора .

Напряжение коллектор-эмиттер покоя , где U_насыщ. – напряжение насыщения транзистора. Для кремниевых транзисторов принимают U_насыщ.=0,7…1,0В, а для германиевых – U_насыщ.=0,3…0,6В. С другой стороны .

Ток покоя базы транзистора .

Напряжение покоя на базе U_бэ0 находят по входной характеристике транзистора в соответствии току покоя базы I_б0. Если нет входной характеристики транзистора, то не будет большой ошибкой для маломощных транзисторов принять U_бэ0 = 0,6... 1,1В — для кремниевых транзисторов и U_бэ0 = 0,2...0,6В — для германиевых транзисторов.

Сопротивления резисторов в цепи коллектора и эмиттера транзистора

.

Сопротивления резисторов делителя напряжения R_б1 и R_б2 рекомендуется выбирать так, чтобы ток делителя I_дел. превышал ток базы транзистора в маломощных каскадах в 8…10 раз, а в усилителях большой мощности в 2…3 раза. Тогда, зная ток базы покоя I_б.0, из уравнения, записанного по второму закону Кирхгофа, можно найти:

.

 

Тогда                              .

3. Расчет режима по переменному току.

Входное сопротивление транзистора  или по входной характеристике I_б=f(U_бэ) (см. рисунок 5) .

Эквивалентное сопротивление резисторов делителя напряжения для переменной составляющей входного тока усилителя

 .

Входное сопротивление усилителя

.

Выходное сопротивление усилителя в режиме холостого хода, т.е. работающего без нагрузки

, так как << 1.

Коэффициент усиления по напряжению в режиме холостого хода

,

где U_вых.m – амплитуда напряжения на нагрузке, U_вх.m – амплитуда напряжения на входе усилителя (см. рисунок 5).

Определение коэффициентов усиления усилителя с учетом сопротивлений источника усиливаемого напряжения R_ист и нагрузки R_нагр:

Напряжение на входе усилителя      ;

Напряжение на выходе усилителя          ;

Коэффициент усиления по напряжению

;

Амплитуда тока в резисторе нагрузки

;

Амплитуда тока базы транзистора

;

 

Коэффициент усиления по току

, где подставлено ;

Коэффициент усиления по мощности .

4. Расчет емкостей конденсаторов связи С₁, С₂ и емкости шунтирующего конденсатора в цепи эмиттера С_э.

Емкости межкаскадных связей С₁, С₂ предназначены для развязки между каскадами по постоянному току или между источником и первым каскадом усилителя, между последним каскадом и нагрузкой. Конденсатор С_э предназначен для исключения обратной связи по переменному току в каскадах усиления. Расчет емкостей указанных конденсаторов:

;

;

.

5. Расчет коэффициента полезного действия усилителя.

Выходная полезная мощность каскада

.

Мощность расходуемая источником питания

.

Коэффициент полезного действия каскада определяют из выражения

.

 

 

Рисунок 5 – Графический расчет усилительного каскада по схеме с ОЭ, нагрузочная характеристика

 

Список литературы

 

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

2.      Рекус Г. Г., Белоусов А. И. Сборник задач по электротехнике и основам электроники: Учеб. пособие для неэлектротехн. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1991. – 416 с.: ил.

3.      Прянишников В. А. Электроника: Полный курс лекций. – 3-е изд., испр. и доп. – СПб.: Учитель и ученик: КОРОНА принт, 2003. – 416 с., ил.

4.      Электротехника и электроника: Учебник для вузов. В 3-х кн. Кн.3. Электрические измерения и основы электроники/Под ред. проф. В. Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 432 с.

5.      Баймаганов А. С. Электротехника и электроника. Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050717 – Теплоэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2008. – 85 стр.

6.      Электротехника и электроника: Учебное пособие/Г.М. Светашев, А.С. Баймаганов. – АУЭС. Алматы, 2010. – 106 с.

7.      Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. В 2-х т./Под ред. Д. И. Панфилова. – М.: ДОДЭКА, 1999. – т. 1. – Электротехника. – 304 с.

8.      Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. В 2-х т./Под ред. Д. И. Панфилова. – М.: ДОДЭКА, 2000. – т. 2. – Электроника. – 288 с.

 

Содержание

 

Введение 

Методические указания 

Общие положения 

Методические указания к выполнению расчетно-графических работ  

<РГР №1. Расчет линейных электрических цепей постоянного тока   

РГР №2. Расчет трехфазных электрических цепей 

<РГР №3. Расчет характеристик синхронного электродвигателя 

РГР №4. Расчет транзисторного усилителя с общим эмиттером 

Приложение. Порядок расчета транзисторного усилителя с ОЭ 

Список литературы 

 

Сводный план 2013г.,поз.29