Электротехника. Задание 3 12 Задание 5 16
 Скачать 0.74 Mb.
|
|
СОДЕРЖАНИЕ Задание 1 3 Задание 2 7 Задание 3 12 Задание 5 16 Задание 6 24 Задание 7 26 Список использованных источников 29 Задание 1. Цепь постоянного тока содержит шесть резисторов, соединенных смешанно. Схема цепи представлена на рисунке 1.1. Номиналы резисторов и величина одного из заданных дополнительных параметров приведены в таблице 1.1. Индекс тока, напряжения совпадает с индексом резистора, по которому проходит этот ток или на котором действует указанное напряжение. Определить эквивалентное сопротивление цепи, ток и напряжения на каждом резисторе, напряжение на зажимах цепи, а также мощность, потребляемую всей цепью и расход энергии за 8 часов работы. Таблица 1.1
 Рисунок 1.1 – схема электрической цепи 1. Эквивалентное сопротивление внешней цепи определяется методом «свертывания» т.е. последовательной заменой сопротивлений частей схемы их эквивалентами, начиная с наиболее отдаленных от источника участков. Сопротивления R5 и R6 соединены последовательно.  Схема замещения представлена на рисунке 1.2, а. Сопротивления R1, R2 и R3 соединены параллельно.    Схема замещения представлена на рисунке 1.2, б.   а) б) Рисунок 1.2 – Схемы замещения сопротивлений R1, R2 и R3 Сопротивления R1,2,3 и R4 соединены последовательно.  Схема замещения представлена на рисунке 1.3.  Рисунок 1.3 Сопротивления R1,2,3,4 и R5,6 соединены параллельно.   Рисунок 1.4 – эквивалентная схема замещения цепи Получили простую цепь с одним сопротивлением RЭКВ.  2. Применяя закон Ома, определим токи и напряжения в цепи. Так как в исходных данных задан параметр I4, определим напряжение на резисторе R4.   Сопротивления R1,2,3 и R4 соединены последовательно. Из этого следует, что:  Определим напряжение элемента U1,2,3:   Сопротивление R1,2,3 образовано параллельным соединением сопротивлений R1, R2 и R3. Из этого следует, что:  Тогда:   Определим входное напряжение цепи:   Определим ток элемента R56:  Сопротивление R5,6 образовано последовательным соединением сопротивлений R5 и R6. Тогда:  Определим напряжение на сопротивлениях R5 и R6:  Определим общий ток цепи:  3. Определим мощность, потребляемую цепью:  5. Определим количество энергии потребляемой цепью за 8 часов работы:   Задание 2. Неразветвленная цепь переменного тока содержит активные и реактивные сопротивления. Схема цепи представлена на рисунке 2.1. Исходные данные представлены в таблице 2.1. Определить: 1) полное сопротивление цепи; 2) ток; 3) коэффициент мощности; 4) активную, реактивную и полную мощность; 5) напряжение на каждом сопротивлении. Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи и пояснить её построение. Возможен ли в этой цепи резонанс напряжений, что для этого надо сделать? Описать признаки резонанса напряжений. Таблица 2.1 – исходные данные
 Рисунок 2.1 1. Определим полное сопротивление цепи:      2. Определяем угол сдвига фаз (коэффициент мощности цепи):     По таблице Брадиса определяем коэффициент мощности:  3. Вычислим действующее значение тока в цепи:  4. Определим активную мощность в цепи:  4. Определим реактивную мощность в цепи:  7. Определяем полную мощность цепи:   С учетом погрешности баланс сходится. 8. Определим падения напряжения на элементах цепи:     9. Построение векторной диаграммы начинаем с выбора масштаба для тока и напряжения. Зададимся масштабом по току: в 1 см – 2 А и масштабом по напряжению: в 1 см – 24 В. Построение векторной диаграммы начинаем с вектора тока, который откладываем по горизонтали. Длина вектора тока:  Из начала вектора I откладываем в сторону опережения вектора тока на 900 вектор падения напряжения UL1 на индуктивном сопротивлении длиной:  Из конца вектора UL1 вдоль вектора тока откладываем вектор напряжения на активном сопротивлении:  Из конца вектора UR1 откладываем в сторону опережения вектора тока на 900 вектор падения напряжения UL2 на индуктивном сопротивлении длиной:  Из конца вектора UL откладываем в сторону отставания вектора тока на 900 вектор падения напряжения UС1 на емкостном сопротивлении длиной:   Рисунок 2.2 – векторная диаграмма цепи переменного тока Если в цепь переменного тока включены последовательно катушка индуктивности и конденсатор, то они по-своему воздействуют на генератор, питающий цепь, и на фазовые соотношения между током и напряжением. Катушка индуктивности вносит сдвиг фаз, при котором ток отстает от напряжения на четверть периода, конденсатор же, наоборот, заставляет напряжение в цепи отставать по фазе от тока на четверть периода. Таким образом, действие индуктивного сопротивления на сдвиг фаз между током и напряжением в цепи противоположно действию емкостного сопротивления. Это приводит к тому, что общий сдвиг фаз между током и напряжением в цепи зависит от соотношения величин индуктивного и емкостного сопротивлений. Если величина емкостного сопротивления цепи больше индуктивного, то цепь носит емкостный характер, т. е. напряжение отстает по фазе от тока. Если же, наоборот, индуктивное сопротивление цепи больше емкостного, то напряжение опережает ток, и, следовательно, цепь носит индуктивный характер. Таким образом, общее напряжение цепи, состоящей из последовательного соединения катушки и конденсатора, можно рассматривать как состоящее из двух слагаемых, величины которых зависят от величин индуктивного и емкостного сопротивлений цепи. Индуктивное и емкостное сопротивления, соединенные последовательно, вызывают в цепи переменного тока меньший сдвиг фаз между током и напряжением, чем если бы они были включены в цепь по отдельности. Иначе говоря, от одновременного действия этих двух различных по своему характеру реактивных сопротивлений в цепи происходит компенсация (взаимное уничтожение) сдвига фаз. Полная компенсация, т. е. полное уничтожение сдвига фаз между током и напряжением в такой цепи, наступит тогда, когда индуктивное сопротивление окажется равным емкостному сопротивлению цепи, т. е. когда XL = ХС или, когда ωL = 1/ωС. Цепь в этом случае будет вести себя как чисто активное сопротивление, т. е. как будто в ней нет ни катушки, ни конденсатора. Величина этого сопротивления определится суммой активных сопротивлений катушки и соединительных проводов. При этом действующее значение тока в цепи будет наибольшим и определится формулой закона Ома I = U / R, где вместо Z теперь поставлено R. Одновременно с этим действующие напряжения как на катушке UL = IXL так и на конденсаторе Uc = IХС окажутся равными и будут максимально большой величины. При малом активном сопротивлении цепи эти напряжения могут во много раз превысить общее напряжение U на зажимах цепи. Это явление называется в электротехнике резонансом напряжений. Следует отметить, что сопротивления XL и ХС являются переменными, зависящими от частоты тока, и стоит хотя бы немного изменить частоту его, например, увеличить, как XL = ωL возрастет, а ХС = 1/ωС уменьшится, и тем самым в цепи сразу нарушится резонанс напряжений, при этом наряду с активным сопротивлением в цепи появится и реактивное. То же самое произойдет, если изменить величину индуктивности или емкости цепи. Таким образом, при резонансе напряжений мощность источника тока будет затрачиваться только на преодоление активного сопротивления цепи, т. е. на нагрев проводников. Таким образом, в заданной цепи отсутствует резонанс напряжений. Для создания резонанса напряжений необходимо добавить в цепь емкость сопротивлением 3 кОм. Тогда:   Мощность источника тока будет затрачиваться только на преодоление активного сопротивления цепи R1, т. е. на нагрев проводников. Задание 3. В трехфазную сеть с линейным напряжением UНОМ включили треугольником несимметричную нагрузку. В фазах нагрузки в номинальном режиме протекают токи IAB, IBC, ICA. Схема цепи, соответствующие данные представлены в таблице 3.1. Определить линейные и фазные токи и напряжения, активные и реактивные мощности, потребляемые каждой фазой. Таблица 3.1 – исходные данные
 Рисунок 3.1 Решение: 1. Фазные токи определяются по формулам:    Зная фазный ток определим фазное напряжение:   Тогда:  При соединении треугольником каждое фазное напряжение равно соответствующему линейному напряжению: UЛ = UФ. Определим фазные токи:   3. Зададимся масштабом по току и напряжению МI = 2,0 А/см, МU = 38 В/см. Вектора фазных напряжений UAB=UBC=UCA располагают под углом 1200 друг относительно друга. Вектор тока IАВ опережает вектор напряжения UАВ на угол 900. Длина вектора тока IАВ:  Вектор тока IВС совпадает по фазе с вектором напряжения UВС. Длина вектора тока IBC:  Вектор тока IСА отстает от вектора напряжения UСА на угол 900. Длина вектора тока ICA:  4. Векторы линейных токов стоим по уравнениям:  5. По векторной диаграмме находим линейные токи из уравнений:     Рисунок 3.2 – векторная диаграмма цепи 6. Находим активную и реактивную мощности, потребляемые цепью:     Знак «-» показывает, что преобладает реактивная мощность емкостного характера. Полная мощность, потребляемая цепью:  Задание 5. Однофазный трансформатор имеет следующие номинальные данные: мощность SНОМ, напряжение UНОМ1 и UНОМ2, токи IНОМ1 и IНОМ2. Коэффициент трансформации КТР. КПД трансформации при данной нагрузке КТР. КПД трансформатора η, число витков в обмотках w1 и w2, магнитный поток в сердечнике Ф, мощность нагрузки Р2, потери мощности в трансформаторе ΔР. Определить: величины, отмеченные прочерками в таблице 5.1, считая, что частота тока в сети f = 50 Гц, а коэффициент нагрузки КН = 1. Ответить на теоретический вопрос, номер которого соответствует номеру варианта. Таблица 5.1 – исходные данные
1. Определим номинальный ток в первой обмотке:   2. Коэффициент трансформации трансформатора:  Из представленного соотношения определим: - номинальное напряжение вторичной обмотки:   - номинальный ток вторичной обмотки:   - количество витков во вторичной обмотке:   3. Магнитный поток трансформатора определим из формулы ЭДС:  или  Тогда:   4. Полезную мощность трансформатора определим из формулы КПД трансформатора:    5. Коэффициент нагрузки трансформатора определяется по формуле:  Согласно исходных данных, КН = 1, тогда:    Результаты расчетов представим в таблице 5.2. Таблица 5.2 – результаты расчётов
Устройство приборов для измерения постоянного и переменного тока. Электромеханические приборы структурно состоят из измерительной схемы (иногда может отсутствовать) и измерительного механизма (рисунок 4.1).  Рисунок 5.1 Основными узлами измерительного механизма являются: 1) устройство, создающее вращающий момент. Его принцип действия определяется системой прибора; 2) устройство, создающее противодействующий момент. Для этих целей используют одну или две плоские спиральные пружины, которые одним концом крепятся к оси, а другим – к корректору. Корректор предназначен для установки стрелки прибора на нулевую отметку перед измерением. Одновременно пружины являются токопроводящими частями. Существуют приборы с электрическим противодействующим моментом (логометры); 3) успокоитель – обеспечивает быстрое затухание колебаний подвижной части измерительного механизма около положения равновесия. Они могут быть воздушными и магнитоиндукционными; 4) отсчетное устройство – шкала. Достоинства электромеханических приборов: - просты по устройству и в эксплуатации; - обладают высокой надежностью; - на переменном токе реагируют на действующее значение сигнала. Для измерения постоянного тока наиболее часто используют приборы магнитоэлектрической системы из-за высокой точности измерения; переменного тока промышленной частоты в основном – измерительные механизмы электромагнитной и электродинамической систем. Включение амперметра в измерительную цепь влияет на ее сопротивление, что особенно сильно проявляется на высоких частотах. Это может привести к короткому замыканию входа прибора или отдельных участков исследуемой схемы. На очень высоких частотах погрешности измерения тока становятся очень большими, и настолько меняется электрический режим цепи при включении амперметра, что измерение тока теряет практический смысл. Включение амперметра в исследуемую цепь рекомендуется производить в точки с наименьшим потенциалом относительно земли, так как при этом появляется наименьший ток утечки, не учитываемый прибором. Частотный диапазон применения амперметров составляет до 3 000 МГц. Особенность измерения тока высокой частоты заключается в том, что на результат измерения будут влиять емкость прибора, место включения прибора в цепь, частота измеряемого тока. Подгруппы амперметров: А2 – амперметр постоянного тока; А3 – амперметр переменного тока; А7 – универсальный амперметр; А9 – преобразователь тока. Измерительные механизмы магнитоэлектрической системы без дополнительных устройств позволяют измерять сравнительно малые токи. Для расширения пределов измерения применяют специальные резисторы, называемые шунтами. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого в обмотке измеряемым током, с ферромагнитным сердечником.  Рисунок 5.2 1 – обмотка с током; 2 – стальной сердечник; 3 – указательная стрелка; 4 – спиральная пружинка; 5 – поршень; 6 – цилиндр Неподвижный элемент прибора – обмотка 1, выполненная из изолированной проволоки, включается в электрическую цепь. Подвижный элемент – стальной сердечник 2, имеющий форму лепестка, – эксцентрично укреплен на оси О. С этой же осью жестко соединены указательная стрелка 3, спиральная пружинка 4, обеспечивающая противодействующий момент, и поршень 5 успокоителя. Ток I в витках обмотки образует магнитный поток, сердечник 2 намагничивается и втягивается в обмотку. При этом ось О поворачивается и стрелка прибора отклоняется на угол α. Особенности приборов электромагнитной системы: - шкала неравномерна (квадратичная); - показания прибора не зависят от направления тока, текущего по обмотке; - используют в цепях переменного тока на частотах до 8 кГц; - точность ниже, чем в магнитоэлектрических (0,5 – 2,5); - устойчивы к перегрузкам; - потребляют большую мощность; - низкая чувствительность. Принцип действия приборов электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей, создаваемых измеряемым током, проходящим по двум обмоткам катушек измерительного механизма.  Рисунок 5.3: 1 – неподвижная катушка; 2 – подвижная катушка; 3 – стрелка; 4 – спиральные пружинки Элекродинамические приборы имеют две катушки. Одна из них неподвижная 1, а другая – подвижная 2. Подвижная обмотка укрепляется на оси ОО’ и расположена внутри неподвижной обмотки. На этой же оси укреплены указательная стрелка 3 и спиральные пружинки 4, через которые подводится ток к обмотке 2. Эти же пружинки создают противодействующий момент, пропорциональный углу закручивания α. При постоянном токе электромагнитная сила Fэл, действующая на проводники подвижной обмотки, пропорциональна току и магнитному потоку Ф1. Поскольку поток Ф1 пропорционален току I1 неподвижной обмотки, вращающий момент, действующий на подвижную обмотку, пропорционален произведению токов обмоток МВР = С’∙Ф1∙I2 = C’’∙I1∙I2. Значит и угол отклонения стрелки будет пропорционален произведению токов, а шкала прибора будет неравномерная. Особенности: - высокая точность измерений при достаточной экранировке; - возможность применения на постоянном и переменном токах; - используют на частотах до 1 кГц; - неравномерная шкала; - низкая чувствительность; - большая потребляемая мощность; - чувствительность к влиянию внешних магнитных полей (специальные экраны); - классы точности (0,1 – 0,2). Для измерения тока звуковых частот (НЧ – от 20 Гц до 20 кГц, ультразвук от 20 кГц до 200 кГц) используются выпрямительные миллиамперметры. Принцип их работы основан на использовании выпрямительных свойств полупроводникового диода. Постоянная составляющая выпрямленного диодом тока измеряется приборами магнитоэлектрической системы. Особенностивыпрямительных приборов: - градуируются в среднеквадратических значениях измеряемого тока; - шкалы приборов на постоянных и переменных токах различны; - имеют высокую чувствительность; - классы точности: 1,5; 2,5; - диапазон рабочих частот до 200 кГц; - показания приборов не зависят от формы кривой измеряемой величины; - широкие пределы измерений: тока от 0,2 мА до 10 А; напряжения от 0,3 В до 100 В. Д  ля измерения тока высокой частоты применяют термоэлектрические амперметры. Термоэлектрический прибор состоит из термопреобразователя и прибора магнитоэлектрической системы. Простейший термопреобразователь содержит подогреватель и термопару из двух разнородных проводников, спаянных между собой (рисунок 4.4).Рисунок 4.4 Если место спая подогревателя и термопары нагреть, то в пограничном слое этих соприкасающихся проводников возникает термо-э.д.с. постоянного направления, величина которой зависит от свойств проводников термопары и разности температур горячего спая и холодных концов термопары. Если через подогреватель термоэлемента пропускать измеряемый ток высокой частоты, то вследствие нагрева спая в цепи термопары и прибора будет протекать термоток постоянного напряжения, и прибор даст соответствующее показание. Для увеличения чувствительности термоэлектрических приборов термопару изготавливают из возможно более тонких проводников. Сам нагреватель изготавливают из нихрома с большим удельным сопротивлением, а термопару – из сплава золото-платина-палладий-платинородий (сплав дает высокую термо-э.д.с.). Особенности: - шкала квадратичная (сжата вначале):  ;- возможность измерения токов очень высокой частоты; - малая перегрузочная способность; - классы точности: 1; 1,5 (высокие в широком диапазоне частот); - показания приборов не зависят от формы кривых токов и напряжений; - зависимость показания прибора от внешней температуры; - на основе термоэлектрических амперметров можно реализовать термоэлектрические вольтметры, но на практике их не используют из-за значительной частотной зависимости сопротивления добавочного резистора. Для расширения пределов измерения токов высокой частоты используют трансформаторы и реактивные делители тока. По своему устройству термоэлектрические элементы разделяются на два типа: контактные и бесконтактные. Задание 6. На автомобильном заводе для работы станков, конвейерных линий, вентиляторов и другой аппаратуры используются асинхронные двигатели серии 4А. Двигатели подключены к электрической сети напряжением Uп = 380 В и частотой 50 Гц. В таблице 6.1 указана маркировка двигателя в зависимости от варианта. Определить: 1. Частоту вращения магнитного поля статора (синхронная частота) n1 и ротора n2; 2. Номинальный и пусковой токи двигателя; 3. Номинальный и пусковой моменты вращения; 4. Номинальное скольжение; 5. Активную потребляемую мощность; 6. Суммарные потери мощности; 7. Частоту тока в зазоре. Расшифровать условное обозначение двигателя. Таблица 6.1
1. По справочнику определим основные характеристики заданного электродвигателя. Расшифровка электродвигателя: 4АР160S6У3 – электродвигатель серии 4, Р – с повышенным пусковым моментом, для привода механизмов с тяжелыми условиями пуска (компрессоры, насосы, транспортеры и др.), с высотой оси вращения 160 мм, установочные размеры по длине станины S – короткая, число полюсов 6, для районов умеренного климата, третьей категории размещения; Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа 4АР160S6У3 имеет номинальные данные: мощность Рном = 11 кВт; напряжение Uном = 380 В; частота вращения ротора n2 = 975 об/ мин; к.п.д. ηном = 0,855; коэффициент мощности cosφном = 0,83; кратность пускового тока IП/Iном = 7; кратность пускового момента Мп/Мном = 2,0; способность к перезагрузке Мmax/ Mном = 2,2. Частота тока в сети f1 = 50 Гц. 1. Мощность, потребляемая из сети:   2. Номинальный момент, развиваемый двигателем:   3. Максимальный и пусковой моменты:   4. Номинальный и пусковой токи:     5.Номинальное скольжение:   6. Частота тока в роторе:   Задание 7. Для питания постоянным током потребителя мощностью Р0 при напряжении U0 используется мостовая схема выпрямителя, составленная на стандартных диодах. Следует выбрать мостовую схему и пояснить порядок её составления. Данные для варианта представлены в таблице 7.1. Ответить на вопрос своего варианта. Таблица 7.1 – исходные данные
1. Согласно справочных данных для диода Д214: IПР = 10 А, UОБР = 100 В. 2. Определим ток потребителя:   3. Находим напряжение, действующее на диод в непроводящий период для мостовой схемы выпрямителя:   4. Диод выбирается из условия:    Анализируя параметры заданного диода, сделаем вывод, что диод Д214: удовлетворяет условию:   - условие не выполняется.5. Для выполнения условий по обратному напряжению используем последовательное соединение диодов. Последовательное соединение диодов можно рассматривать как один диод, у которого увеличивается такой важный параметр, как обратное напряжение диода Uобр. И увеличивается он пропорционально количеству соединённых диодов. Для выполнения условия используем последовательное соединение двух диодов, тогда:  6. Составляем схему мостового выпрямителя:  Рисунок 7.1 Привести условное обозначение транзистора p-n-p типа, объяснить название электродов и применение транзистора. Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими переходами и тремя или более выводами. Биполярный транзистор представляет собой пластину, в которой созданы три области с различной электропроводностью. Две крайних области имеют одинаковый тип электропроводности, между ними создана область с противоположной электропроводностью. В зависимости от чередования областей различают транзисторы типа n-p-n и p-n-p.  Рисунок 7.2 – УГО транзистора p-n-p типа Две крайние области имеют различную концентрацию примеси. Область с наибольшей концентрацией примеси называется эмиттером (Э), служит для инжекции (введения) носителей заряда. Другая крайняя область – коллектор (К), имеет меньшую концентрацию примеси, служит для собирания носителей заряда. Между ними, находится тонкий слой базы (Б) с очень малой концентрацией примеси, толщина этого слоя не больше единиц микрометров. Делается настолько малым для хорошей работы транзистора. Переход между эмиттером и базой называется эмиттерным переходом (ЭП), между коллектором и базой – коллекторным переходом (КП).  Рисунок 7.3 – структура транзистора p-n-p Транзистор предназначен для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей. Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток – действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины. С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала. Список использованных источников 1. Свириденко Э.А., Китунович Ф.Г. Основы электротехники и электроснабжения: учебник, Минск: Техноперспектива, 2008. 2. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники: Учеб.пособие для студ неэлектротехн. спец.средних учеб. заведений. 4-е изд., пер. – М.: Высш. шк., 2000. – 752 с..: ил. 3. Усс Л.В., Красько А.С., Кримович Г.С. Общая электротехника с основами электроники Мн.: Выш. школа, 1990 4. Евдокимов Ф.Е. Общая электротехника: Учебник для учащ. неэлектротехнич. спец. техникумов.-2-е изд.- М.: Высш.шк., 1990 5. Галкин В.И., Пелевин Е.В. Промышленная электроника и микроэлектроника. Учеб.-Мн.: Беларусь, 2000 |