Методические рекомендации для практических занятий. Методические указания для проведения практических занятий с вариантами заданий для студентов направления подготовки
 Скачать 0.9 Mb.
|
1 2 Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения (ФГБОУ ВПО УрГУПС) Кафедра Электрические машины ТА. Несенюк Е.П. Никитина ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Методические указания для проведения практических занятий с вариантами заданий для студентов направления подготовки 23.05.05 – Системы обеспечения движения поездов» Екатеринбург Издательство УрГУПС 2021 2 УДК 621.315 Н Никитина, Е. П. Н Электротехническое материаловедение. Методические указания для проведения практических занятий с вариантами заданий / ТА. Несенюк, Е. П. Никитина – Екатеринбург Изд-во УрГУПС, 2021.– 45 с. Методические указания предназначены для проведения практических занятий со студентами направления подготовки 23.05.05 – Системы обеспечения движения поездов всех форм обучения УДК 621.315 Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом университета Авторы ТА. Несенюк, к.т.н., доцент кафедры Электрические машины, УрГПС, Е. П. Никитина, старший преподаватель кафедры Электрические машины, УрГУПС Рецензент А.П. Сухогузов, профессор кафедры Электрические машины, канд.техн. наук, УрГУПС Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2021 3 Оглавление Введение ................................................................................................................... 4 1. Конструкционные материалы ........................................................................... 5 2. Электротехнические материалы .................................................................... Электроизоляционные конструкции и испытания изоляция ........................... Библиографический список ................................................................................ 44 4 Введение Настоящие методические указания предназначены для подготовки студентов к решению задач по расчету и выбору основных материалов или элементов электротехнических и энергетических установок низкого и высокого напряжения. Учебное пособие состоит из трех разделов 1. Конструкционные материалы 2. Электротехнические материалы 3. Электроизоляционные конструкции и испытания изоляция. Каждый раздел содержит краткие теоретические сведения и несколько задач разной степени сложности. Все задачи содержат 10 вариантов и могут быть использованы для проведения практических занятий или формирования задания для самостоятельной работы студентов. В случае самостоятельной работы студентов, выполненная работа быть выполнена в виде расчетно-пояснительной записки ив соответствии с общими требованиями к текстовым документам. Вариант контрольного задания для каждого конкретного студента формирует преподаватель, ведущий учебную дисциплину. 5 1. Конструкционные материалы Краткие теоретические сведения Все материалы, применяемые в электротехнике и энергетике, обычно делят на конструкционные и электротехнические материалы. Конструкционные материалы – это материалы, применение которых основано, прежде всего, на использовании их основных механических и технологических свойств. Электротехнические материалы – это материалы, применение которых, в первую очередь, основывается на особенностях их физических свойств в электромагнитных полях. К основным механическими технологическим свойствам материалов относятся механическая прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, эластичность, обрабатываемость резанием, литейные свойства, свариваемость и пр. Построению и свойствам все конструкционные материалы принято делить на группы металлы и сплавы, неметаллы и композиционные материалы. Для каждой группы конструкционных материалов также применяется определенная классификация. Среди металлов и сплавов различают черные (стали и чугуны, никель, кобальт и др) и цветные (медь и ее сплавы, алюминий и его сплавы, сплавы магния, титана и др) Среди неметаллов и композиционных материалов наиболее часто выделяют полимерные, металлокерамические, стеклянные, резиновые и другие материалы. Каждый класс конструкционных материалов, в свою очередь, подразделяется по составу, по применению, по свойствам, по способу производства. 6 Различные классификации существуют для сталей, чугунов, цветных металлов, неметаллических и композиционных материалов. Например, среди металлов и сплавов различают литейные, ковкие, деформируемые материалы, материалы, упрочняемые или не упрочняемые термообработкой и т. д. Пластмассы делятся на две принципиально различные группы термопластичные (термопласты) и термореактивные (реактопласты). Среди композиционных материалов различают композиты с металлической матрицей (МКМ) и с неметаллической (полимерной) матрицей (ПКМ). Конструкционные стали и чугуны классифицируют по химическому составу, по содержанию углерода, по назначению, по качеству и т. д. По химическому составу различают углеродистые и легированные стали. В зависимости от содержания углерода различают низкоуглеродистые малоуглеродистые, среднеуглеродистые, высокоуглеродистые стали. По назначению стали подразделяются на конструкционные, инструментальные и с особыми свойствами. По качеству все стали делятся на обыкновенные, качественные, высококачественные и особовысококачественные. По характеру застывания из жидкого состояния и степени раскисления бывают спокойные полуспокойные и кипящие стали. Чугуны в зависимости от назначения делятся на конструкционные чугуны и чугуны со специальными свойствами, а в зависимости от химического состава – на легированные и нелегированные. В зависимости от структуры и состояния, в котором находится углерод (свободный или химически связанный, различают белые, серые, высокопрочные и ковкие чугуны. Все материалы по их поведению в электромагнитных полях имеют ряд особенностях физических свойств способности к намагничиванию, к поляризации, сопротивление протекания электрического тока. 7 По поведению в магнитных полях все материалы можно разделить на две группы слабомагнитные (немагнитные) и сильномагнитные магнитные. В основу данного деления положена способность материалов намагничиваться в магнитных полях, значение их относительной магнитной проницаемости. Как известно, значение относительной магнитной проницаемости слабомагнитных материалов близко к единице и не зависит от внешних факторов, ау сильномагнитных материалов оно значительно больше единицы ив большой степени зависит от напряженности и направления внешнего магнитного поля, температуры нагрева, состава и структуры материала. К группе слабомагнитных материалам относятся диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики, а к группе сильномагнитных – ферромагнетики и ферримагнетики. Сильномагнитные материалы по своим основным магнитным свойствам принято делить на два класса магнитомягких и магнитотвердых материалов. Магнитомягкие материалы характеризуются небольшим значением коэрцитивной силы, сравнительно высоким значением магнитной проницаемости и малыми магнитными потерями. Применяются магнитомягкие материалы для изготовления сердечников электрических машин и аппаратов, в измерительных приборах, в случаях, когда при наименьших затратах энергии требуется достигнуть наибольшей магнитной индукции. Магнитотвердые материалы, обладающие по сравнению с магнитомягкими значительно большей коэрцитивной силой, более высокой остаточной индукцией и сравнительно малой магнитной проницаемостью, в основном применяются для изготовления постоянных магнитов, ячеек памяти и запоминающих устройств. 8 По поведению в электрических полях все материалы делятся натри класса проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические материалы. Это вызвано тем, что при эксплуатации в электрических полях в материалах протекают определенные электрические токи, выделяется тепловая энергия, происходят потери электрической энергии и нагревание материалов. Деление электротехнических материалов на классы, прежде всего, основано на свойстве электропроводности – способности материала проводить электрический ток. Электропроводность диэлектриков по сравнению с проводниками очень мала. Удельное электрическое сопротивление диэлектриков составляет от 10 +7 до 10 +16 Ом·м, проводников – от 10 –8 до 10 –6 Ом·м, полупроводников в зависимости от внешних факторов) – от 10 –6 до 10 +8 Ом·м. В электротехнике также широко применяется и особый класс материалов – композиционные материалы, которые в зависимости от состава компонентов могут быть отнесены к проводникам, полупроводникам или диэлектрикам, к магнитным или немагнитным материалам. В зависимости от особенностей электрических свойств материалов внутри каждого класса выделяется своя классификация. Например, проводники обычно делят на материалы высокой удельной проводимости, сплавы высокого удельного сопротивления, контактные материалы, проводниковые материалы специального назначения. Полупроводники делят на простые и сложные (химические соединения, диэлектрики – на полярные и неполярные, органические и неорганические и т.п. Применение электротехнических материалов в энергетике и электротехнике очень широко и разнообразно. Но, основным назначением проводниковых материалов остается получение в различных электрических сетях и системах разнообразных проводников тока кабелей, проводов и линий связи, полупроводниковых материалов – различных нелинейных элементов и приборов, а диэлектриков – надежной электрической изоляции электрооборудования. 9 Задача 1.1 Задан ряд конструкционных материалов. Задание. Расшифровать обозначения заданных конструкционных материалов и указать область их применения Таблица 1.11 Вариант Обозначение конструкционного материала 2 3 4 5 6 1 10кп РАД ЛС59-1 МЛ 2 АЛ-2 АС35Г2 30ГФА ШХ10 ВЧ ВТ 3 50ХВА Ст3пс ЛЖМц66- 6-3-2 АВЧ60 АМц22Н3 У 4 ШХ15 КЧ60 САЛО БрС30 У9А 5 РФ С ПКС80-3-3 ВСт3кп С СЧ 6 АМц2 АО Б ХНА Л БрБ2 7 20ХГ2Т К76Т 9ХФМ 4212 АЛ4 ВТ 8 78ХСФ 2412 Б 50ХВА ЛКС80-3-3 У11А 9 АМц2 ШХ9 50ХВА АМr2 БрО10С2Н3 Ст 10 ЛЖ60-9 А 35Г2ВФ Р6М5 КЧ65-5 30ХГСА-Ш Методические указания к решению задачи При решении задачи необходимо знать особенности буквенно-цифровой маркировки конструкционных и инструментальных углеродистых и легированных сталей, чугунов, сплавов цветных металлов. Примеры расшифровки обозначения конструкционных материалов Э78ХСФ – конструкционная легированная рельсовая сталь, выплавленная в электропечи, со средним содержанием углерода 0,78 %, хрома 0,5%, кремния 0,6 %, ванадия 0,1% (каждого легирующего элемента содержится менее 1%). У7А – высокоуглеродистая инструментальной высококачественная сталь, с содержанием углерода 0,7 %, 10 СЧ – серый чугун, временное сопротивление при растяжении 150 МПа. КЧ45-7 – ковкий чугун, временное сопротивление при растяжении 450 МПа, относительное удлинение d = 7 %. ЧН20Д2ХШ – жаропрочный, высоколегированный чугун, содержащий около 20% никеля, 2% меди, 1% хрома, остальное–железо, углерод и примеси форма графита шаровидная. МА – деформируемый магниевый сплав Л – высокопрочная латунь 68% – меди ВТ5Л – литейный титановый сплав 11 2. Электротехнические и конструкционные материалы Задача 2.1 Сердечник из электротехнической стали прямоугольной формы с площадью сечения S и длиной l и значением максимальной магнитной индукции В работает в переменном магнитном поле с частотой 50 Гц. Для материала сердечника заданы основная кривая намагничивания B = f (H) и зависимость удельных потерь от амплитуды магнитной индукции руд = φ(В max )для данной частоты. Задание. Построить основную кривую B = f (H) намагничивания заданного материала. Рассчитать и построить зависимость магнитной проницаемости материала сердечника от напряженности магнитного поля f (H). Определить удельные магнитные потери в материале при заданной величине магнитной индукции и построить график зависимости удельных потерь от амплитуды магнитной индукции и определить удельные потери. Рассчитать потери мощности в сердечнике. Исходные данные для расчета приведены в таблицах 2.1 – Таблица 2.1 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 S, см 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 l, мВ, Тл 0,9 1,1 1,2 1,3 1,4 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 Таблица 2.2 В, Тл 0,5 1,0 1,5 1,7 2,0 12 руд, Вт/кг 0,3 1,1 2,5 3,2 4,4 Таблица 2.3 Вариант Значения магнитных параметров материала напряженности магнитного поля – Н, кА/м, и магнитной индукции – В, Тл 1 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,5 5,0 10 15 В 5,4·10 -5 1,1 1,45 1,7 1,88 1,94 1,95 2 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,5 5,0 10 15 В 5,2·10 -5 1,0 1,35 1,60 1,79 1,86 1,87 3 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,0 4,0 10 16 В 5,1·10 -5 0,96 1,25 1,45 1,75 1,85 1,86 4 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,0 4,0 10 16 В 4,9·10 -5 0,98 1,30 1,45 1,77 1,87 1,88 5 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,5 5,0 10 16 В 5,5·10 -5 1,20 1,55 1,80 1,98 2,04 2,05 6 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,5 5,0 10 15 В 5,3·10 -5 1,05 1,40 1,65 1,84 1,91 1,92 7 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,5 5,0 10 15 В 4,8·10 -5 1,15 1,50 1,70 1,98 1,99 2,00 8 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,5 5,0 10 16 В 5,3·10 -5 1,17 1,51 1,73 1,89 1,95 1,96 9 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,5 5,0 8,0 16 В 4,9·10 -5 1,03 1,43 1,58 1,84 1,97 1,98 10 Н 0,1·10 -3 0,25 1,0 2,5 5,0 10 15 В 5,0·10 -5 1,17 1,52 1,76 1,95 20,1 2,02 Методические указания к решению задачи Протекание процессов намагничивания в магнитных материалах, как известно, характеризуется зависимостью магнитной индукции от 13 напряженности магнитного поля B=f(H), называемой кривой намагничивания, и которая может быть рассчитана формуле , μ μ 0 H B r (2.1) где 0 – магнитная постоянная, равная 4 10 -7 Гн/м; r – относительная магнитная проницаемость материала. Относительная магнитная проницаемость, которую на практике называют сокращенно магнитной проницаемостью, определяется по основной кривой намагничивания как отношение индукции к напряженности магнитного поля в данной точке кривой намагничивания с учетом магнитной постоянной μ μ 0 H B r (2.2) Характер изменения магнитной проницаемости от напряженности магнитного поля H показан на рис. 2.1. Очевидно, что магнитная проницаемость пропорциональна крутизне кривой намагничивания и при определенном значении напряженности она достигает своего максимального значения. Далее крутизна кривой намагничивания уменьшается, и магнитная проницаемость резко падает до значения практически равного единице в области насыщения. макс μ r r μ нач μ r H 0 Рис. 2.1. Зависимость = f(H) магнитного материала 14 Процесс перемагничивания магнитных материалов в переменных магнитных полях всегда сопровождается тепловыми потерями, которые обусловлены потерями на гистерезис и динамическими потерями. Динамические потери вызываются вихревыми токами и магнитной вязкостью материала, так называемые потери на магнитное последействие. Потери на гистерезис пропорциональны площади статической петли гистерезиса, но ее сложная форма значительно усложняет их аналитический расчет. Для расчета потерь энергии за один цикл перемагничивания в единице объема вещества применяется эмпирическая формула , η max n H B W (2.3) где η – коэффициент, зависящий от материала B max – максимальная индукция, достигаемая в течение цикла n – показатель степени (n = 1,6 – 2,0). Тогда мощность, расходуемая на гистерезис, будет равна , η max fV B P n H (2.4) где f – частота тока V – объем сердечника. Потери на вихревые токи зависят от электрического сопротивления сердечника. Чем выше удельное электрическое сопротивление ферромагнетика, тем меньше потери на вихревые токи. Для расчета мощности, расходуемой на вихревые токи, также используется эмпирическая формула , 2 2 max V f B P f (1.5) где ξ – коэффициент, зависящий от материала сердечника. В инженерной практике для упрощения расчетов потерь в магнитных сердечниках вводится понятие удельных потерь, то есть потерь мощности, приходящихся на единицу массы материала равны , y m P p (2.6) где Р – суммарные потери в сердечнике m – масса сердечника. 15 Как видно из вышеприведенных формул, мощность потерь мощность потерь в ферромагнетиках зависит от амплитуды магнитной индукции и частоты, поэтому в справочных данных обычно приводятся несколько значений удельных потерь для определенных значений магнитной индукции и частоты. Окончательно, формула для определения магнитных потерь в сердечнике имеет вид , λ y V p P (2.7) где λ – плотность материала сердечника (при расчетах плотность стали рекомендуется брать равной 8000 кг/м 3 ). Задача 2.2 Имеется постоянный магнит, изготовленный из заданного магнитотвердого материала. Задание. Построить кривую размагничивания для заданного материала и определить остаточную индукцию и коэрцитивную силу. Рассчитать и построить график зависимости удельной магнитной энергии в воздушном зазоре магнита от магнитной индукции W = f (B). Определить максимальную удельную энергию в воздушном зазоре и соответствующие ей значения индукции и напряженности магнитного поля. Вычислить коэффициент выпуклости кривой размагничивания. Исходные данные для расчета приведены в таблицах 2.4 – 2.5. Таблица 2.4 Вариант Магнитотвердый материал 1 Литой магнитотвердый сплав марки ЮНД8 2 Феррит марки БИС 3 Литой магнитотвердый сплав марки ЮНДК35T5 4 Легированная мартенситная сталь марки ЕХ9 5 Литой магнитотвердый сплав марки ЮНДК15 6 Феррит марки 3БА2 16 7 Легированная мартенситная сталь марки ЕХ3 8 Феррит марки 07БИ 9 Легированная мартенситная сталь марки Е 10 Металлокерамический сплав (ММК) Таблица Вариант Значения магнитных параметров материала напряженности магнитного поля – Н, кА/м, и магнитной индукция – В, Тл 1 Н 0 10 20 30 40 50 53 В 1,33 1,32 1,3 1,27 1,22 0,9 0 2 Н 0 10 20 30 40 50 62 В 1,28 1,27 1,25 1,22 1,18 1,02 0 3 Н 0 10 20 25 30 40 45 В 1,23 1,21 1,106 1,1 1,04 0,8 0 4 Н 0 10 20 25 30 40 51 В 1,2 1,15 1,09 1,05 1,0 0,85 0 5 Н 0 10 20 30 40 50 59 В 1,10 1,06 0,99 0,88 0,4 0,42 0 6 Н 0 10 20 30 40 50 56 В 0,89 0,84 0,76 0,64 0,47 0,18 0 7 Н 0 20 40 60 70 80 87 В 0,80 0,72 0,63 0,49 0,37 0,18 0 8 Н 0 10 20 25 30 40 48 В 0,75 0,66 0,55 0,48 0,40 0,22 0 9 Н 0 10 20 25 30 40 45 В 0,60 0,55 0,47 0,41 0,34 0,15 0 10 Н 0 10 20 30 40 50 53 В 0,50 0,45 0,39 0,30 0,22 0,05 0 17 Методические указания к решению задачи Магнитотвердые материалы характеризуются кривой размагничивания – зависимостью В (H), получаемой при размагничивании материала (второй квадрант петли магнитного гистерезиса. Основными количественными характеристиками магнитотвердых материалов являются – коэрцитивная сила с – остаточная индукция B r ; – максимальная удельная энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство Удельная магнитная энергия (энергия, приходящаяся на единицу объема материала, заключенная в воздушном зазоре, определяется по формуле , 2 d d d H B W (2.8) где Н – напряженность магнитного поля в данной точке, соответствующая магнитной индукции В d . При замкнутом магните магнитная индукция максимальна (В = В, а напряженность равна нулю (H d = 0), вследствие чего и отдаваемая энергия равна нулю, при очень большом зазоре между полюсами, наоборот, напряженностьмаксимальна(Н d = На индукция равна нулю(В d = 0), соответственно энергия также стремиться к нулю. При определенной величине зазора между полюсами магнита энергия достигает максимального значения, равного , 2 2 max где В и Н – напряженность магнитного поля в данной точке, соответствующая оптимальному воздушному зазору. Наиболее важной характеристикой магнитотвердых материалов является максимальная удельная энергия W max , измеряемая на практике в кДж/м 3 18 Также для характеристики магнитотвердых материалов применяется коэффициент выпуклости кривой размагничивания β max c r H B H B (2.10) Чем более выпуклую форму имеет кривая размагничивания при определенных значениях индукции насыщения и коэрцитивной силы, тем больше энергия, отдаваемая магнитом во внешнее пространство. Задача 2.3 Прожекторная установка, состоящая из n числа прожекторов, служит для освещения площадки открытого распределительного устройства. Питание установки осуществляется от трехфазной питающей сети по одножильному или многожильному кабелю длиной l. Каждый прожектор потребляет мощность Р при номинальном напряжении U и значении относительной потери напряжения е. Задание. Определить поперечное сечение жилы кабеля (провода) S и выбрать марку кабеля (провода. Исходные данные для расчета приведены в таблицах 2.6 и Таблица 2.6 Вариант Параметры прожекторной установки l, м Материал U, В е, % Р, кВт 1 6 100 Медь 127 2,5 600 2 4 80 Медь 220 3,0 750 3 3 120 Медь 380 2,0 1000 4 8 120 Алюминий 127 5,2 250 5 3 150 Алюминий 220 2,5 600 19 6 6 80 Алюминий 380 4,5 750 7 8 75 Медь 127 2,2 250 8 4 150 Медь 220 2,3 750 9 3 120 Алюминий 380 5,0 1000 10 6 75 Алюминий 220 2,8 600 Таблица 2.7 Допустимые длительные токовые нагрузки на провода и кабели Сечение жилы, S н ,мм 2 Медный провод Алюминиевый провод Допустимая токовая нагрузка при прокладке, А Открытая прокладка Прокладка в трубе Открытая прокладка Прокладка в трубе 2 жилы 3 жилы 2 жилы 3 жилы 1 15 14 13 – – – 1,5 20 17 15 – – – 2,5 27 24 22 21 18 17 4,0 36 34 31 28 25 25 6,0 46 41 37 35 32 28 10 70 60 55 50 45 42 16 90 75 70 70 55 52 25 125 100 90 95 75 70 35 150 120 110 115 90 85 50 190 165 150 145 125 115 70 240 200 185 185 155 145 Методические указания к решению задачи Сечение жил соединительных проводов и кабелей н нормировано, в зависимости от допустимых значений токовых нагрузок. Расчетный ток для прожекторной установки следует находить из заданного значения мощности и количества светильников, по формуле. (2.11) 20 Для предварительного расчета сечения жилы кабеля р, измеряемого в мм, может быть использована формула , ρ 2 p p I U l S (2.12) где ρ – удельное сопротивление проводникового материала при нормальной температуре (мкОм·м); l – длина кабелям относительная потеря напряжения в кабеле или проводе (В I p – расчетный ток (А). При выборе жилы кабеля следует руководствоваться нормированными значениями сечений н для медных или алюминиевых проводов приведенными в таблице 1.7. В заключении следует проверить выполнение следующих условий н > S р и доп > I р 1 2 |