1

Кафедра теоретических основ электротехники

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Методические указания к выполнению расчетно-графических работ (для студентов очной формы обучения специальности 050717 – Теплоэнергетика)

Алматы 2006

Составитель: А.С. Баймаганов. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ по дисциплине «Электротехника и электроника» (для студентов очной формы обучения специальности 050717 – Теплоэнергетика). – Алматы: АИЭС, 2006. – 15 с.

Методическая разработка включает в себя методические указания и четыре расчетно-графических задания по основным разделам курса электротехники и электроники.

Выполнение расчетно-графических работ поможет студентам овладеть методами расчета линейных электрических цепей постоянного и трехфазного синусоидального токов, ознакомиться с проблемой компенсации реактивной мощности и расчетом характеристик синхронных машин, а также усвоить критерии расчета и выбора основных компонентов современных источников вторичного электропитания, в частности, импульсных стабилизаторов напряжения.

Расчетно-графические задания разработаны для студентов специальности 050717 – Теплоэнергетика очной формы обучения.

Ил. 3, табл. 8, библиограф. – 10 назв.

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2006 г.

Ó Алматинский институт энергетики и связи, 2006 г.

Введение

Настоящая работа включает в себя методические указания и расчетно-графические задания по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов специальности 050717 – Теплоэнергетика очной формы обучения.

Согласно учебному плану, на изучение этой дисциплины отводится всего 180 часов, из них 132 часа – на самостоятельную работу и 48 часов – на аудиторные занятия. Аудиторные занятия включают в себя: курс лекций – 24 часа, лабораторные работы – 12 часов и практические занятия – 12 часов. Студенты должны выполнить четыре расчетно-графические работы по основным разделам курса электротехники и электроники, представленные здесь.

Целью изучения дисциплины «Основы электротехники и электроники» 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 расчетно-графические задания по следующим темам:

- расчет линейных электрических цепей постоянного тока;

- расчет трехфазных электрических цепей;

- расчет характеристик электрических машин;

- расчет источников вторичного электропитания.

1 Методические указания

1.1 Общие положения

Расчетно-графические задания 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 указываются наименование вуза, кафедры, название работы, фамилия и инициалы, шифр группы и номер зачетной книжки студента, выполнившего работу, а также фамилия 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, правильность расчетных формул. Операции вычисления следует проводить с числами, размерности которых приведены к основным единицам системы СИ (В, А, Ом, Вт, вар, ВА и т.п.).

1.2 Методические указания к расчетно-графическим заданиям

Для выполнения расчетно-графического задания №1 необходимо повторить законы Кирхгофа, метод единичного тока (метод пропорциональных величин) и принцип наложения [1], [2].

Для выполнения расчетно-графического задания №2 необходимо повторить 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 [1], [2].

Для выполнения расчетно-графического задания №3 необходимо повторить 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. При построении механической характеристики синхронного двигателя выделите область его устойчивой работы, приведите обоснование [1], [2].

Для выполнения расчетно-графического задания №4 необходимо повторить раздел теории импульсных источников вторичного электропитания. Обратите внимание на то, что импульсные преобразователи работают на высоких частотах, порядка нескольких десятков и даже сотен килогерц. В связи с этим к динамическим характеристикам компонентов преобразователя предъявляются высокие требования.

В качестве внешнего ключевого транзистора (если это необходимо) следует применять высокочастотные транзисторы, причем предпочтение следует отдавать полевым (МОП – металл-окисел-полупроводник) транзисторам, так как они имеют значительно лучшие динамические характеристики в ключевом режиме работы по сравнению с биполярными транзисторами.

В качестве внешнего ключевого диода (если это необходимо) следует применять высокочастотные диоды Шоттки.

В качестве конденсаторов фильтра на выходе преобразователя следует применять высокочастотные танталовые электролитические конденсаторы.

Расчетные формулы, типовые схемы включения понижающих, повышающих и инвертирующих импульсных преобразователей – стабилизаторов напряжения, а также примеры расчета приведены в [Л3], [Л4].

2 Расчетно-графические задания

Задание 1. Расчет линейных электрических цепей постоянного тока

Расчет лестничных схем

Для одной из схем, представленных на рисунке 2.1, по данным таблиц 2.2 и 2.3 необходимо рассчитать токи в ветвях лестничной схемы и напряжения на резисторах и источниках U₁ и U₂, а также проверить баланс мощностей и КПД источников 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). Внутренние сопротивления источников считать неизменными и принять равными r_вн1 = r_вн2 = 10 Ом.

Вариант схемы выбирается по таблице 2.1.

Таблица 2.1 – Варианты схемы

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

Таблица 2.2 – 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	15	90	450	750	80
R₂, Ом	150	250	900	1000	750	50	70	300	800	100
R₃, Ом	50	300	600	900	800	30	95	500	850	55
R₄, Ом	175	500	750	800	650	45	100	350	900	70
R₅, Ом	200	375	700	750	900	20	85	400	1000	90
R₆, Ом	75	450	850	600	500	25	110	250	950	60
R₇, Ом	250	475	500	650	700	10	80	550	600	75
R₈, Ом	275	350	800	700	950	35	75	375	650	50

Таблица 2.3 – 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

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

Варианты схем к заданию 1

Схема 1 Схема 2

Схема 3 Схема 4

Схема 5 Схема 6

Схема 7 Схема 8

Схема 9 Схема 10

Рисунок 2.1

Задание 2. Расчет трехфазных электрических цепей

Расчет компенсации реактивной мощности симметричной нагрузки

К симметричному трехфазному источнику с линейным напряжением U_л = 418 В, частотой f = 50 Гц подключены симметричная нагрузка и батарея статических конденсаторов (БСК). Варианты схем представлены на рисунке 2.2, 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 2.2, по данным таблиц 2.4 и 2.5 рассчитать:

- комплексное сопротивление фазы нагрузки Z_н;

- фазные и линейные напряжения и токи нагрузки;

- активную, реактивную и полную мощности нагрузки;

- реактивную мощность, фазные и линейные напряжения и токи, емкость фазы C_к БСК для обеспечения полной КРМ нагрузки, чтобы cosj = 1;

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

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

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

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

Результаты расчета и эксперимента привести в сравнительной таблице.

Таблица 2.4 – 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

Таблица 2.5 – 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
P_н, кВт	200	150	250	500	350	150	450	250	400	100
cosj_н	0,80	0,60	0,70	0,65	0,75	0,55	0,85	0,90	0,50	0,45
R_л, Ом	8	4	6	8	5	4	7	5	6	7
X_л, Ом	20	10	15	20	12	10	17	12	15	17

Примечание – .

Варианты схем к заданию 2

Схема 1

Схема 2

Рисунок 2.2

Задание 3. Расчет характеристик электрических машин

Расчет характеристик синхронного электродвигателя

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 2.6. Варианты коэффициентов нагрузки β_P = P₂/P_2ном и тока возбуждения β_iв = I_в/I_{в ном} приведены в таблице 2.7. Семейство U – образных характеристик синхронных двигателей в относительных единицах представлено на рисунке 2.3.

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.

Построить механическую характеристику M(θ) и векторную диаграмму ЭДС, напряжений и тока электродвигателя. Активным сопротивлением обмотки статора пренебречь.

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 2.6–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
U_ном, кВ	6	6	6	6	6	6	6	6	6	6
P_2ном, кВт	1000	1600	2500	4000	6300	1250	2000	3200	4000	5000
η_ном, %	95,4	95,6	95,8	96,7	96,9	95,8	95,9	96,6	96,5	96,8
cosj_н	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9	0,9
m_i = I_пуск/I_ном	5,6	5,0	5,3	6,5	6,7	6,3	5,5	6,1	6,0	6,8
m_пуск = M_пуск/M_ном	0,95	1,1	1,3	1,3	0,8	1,3	1,0	1,1	0,9	1,0
m_кр = M_max/M_ном	2	2	2	2	2	2	2	2	2	2

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

Таблица 2.7 – 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
β_P = P₂/P_2ном	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5	0,9	0,8	0,7	0,6	0,5
β_iв = I_в/I_{в ном}	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9	2,0	2,1

U – образные характеристики синхронных двигателей

в относительных единицах

Рисунок 2.3

Задание 4. Расчет источников вторичного электропитания

Расчет основных параметров импульсных стабилизаторов напряжения

Варианты типа и номинальных параметров импульсных стабилизаторов напряжения, а также базовой микросхемы приведены в таблице 2.8. Частота входного напряжения f = 50Гц.

Для схемы своего варианта рассчитать:

- минимальное входное напряжение;

- средний входной (потребляемый) ток;

- входной и выходной конденсаторы фильтра C₁ и C₂;

- энергонакопительный элемент стабилизатора – индуктивность;

- параметры высокочастотных ключевых транзистора и диода Шоттки;

- делитель выходного напряжения R₁-R₂, формирующий напряжение обратной связи, подаваемое на вход усилителя сигнала ошибки;

- мощность, рассеиваемую компонентами схемы;

- КПД стабилизатора.

По рассчитанным параметрам выбрать в справочниках компоненты и представить типовую принципиальную электрическую схему стабилизатора.

Таблица 2.8 – Варианты типа и номинальных параметров стабилизатора

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 стабилизатора	Понижающий	Повышающий	Инвертирующий	Понижающий	Повышающий	Инвертирующий	Понижающий	Повышающий	Понижающий	Понижающий
Базовая микросхема	1155ЕУ1 (LAS6380)	1156ЕУ1 (µA78S40)	1156ЕУ1 (µA78S40)	LAS6350	LAS6350	1156ЕУ5 (MC34063A)	1114ЕУ4 (TL494)	1156ЕУ5 (MC34063A)	1156ЕУ5 (MC34063A)	1155ЕУ2 (L296)
U_вх., В	20...35	5...15	10...20	20...35	5...15	4...6	20...35	5...15	15...25	20...35
U_вых., В	15	25	–15	14	25	–12	9	28	5	15
I_вых., А	2	0,15	0,15	5	1,5	95,8	250	96,6	96,5	96,8
f_пр., кГц	50	70	50	60	90	70	200	60	90	150

Примечание

1 Для всех вариантов принять падение напряжения при разряде входного конденсатора C₁ ΔU_вх.=1% от U_{вх. средн.} и падение напряжения при разряде выходного конденсатора C₂ ΔU_вых.=0,5% от U_вых.

2 f_пр. – рабочая частота импульсного преобразователя напряжения. Рабочую температуру преобразователя принять T_раб.=25°С.

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. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. 2-е изд., испр. и доп. – М.: Издательский дом «Додека-ХХI», 2001. – 608 с.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Ульрих В. А. Микроконтроллеры PIC16X7XX. Изд. 2-е, перераб. и доп. – СПб: Наука и техника, 2002. – 320 с., ил.

9. Таверенье К. PIC-микроконтроллеры. Практика применения: Пер. с фр. – М.: ДМК-Пресс, 2002. – 272 с., ил.

10. Голубцов М. С., Кириченкова А. В. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. Изд. 2-е, испр. и доп. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 304 с.