ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра электротехники

 

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Методические указания для самостоятельной работы и выполнения контрольных заданий для студентов направления подготовки специалистов 653300 -

Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования,

с сокращенными сроками обучения

 

Факультет промышленного менеджмента

 

 

Вологда

 

 

УДК: 621.3

 

Общая электротехника и электроника: рабочая программа и методические указания к выполнению контрольных заданий – Вологда: ВоГТУ, 2009.- 28 с.

 

Методические указания составлены в соответствии с рабочим учебным планом специальности 653300, утвержденным " 30" октября 2001г.

 

За основу программы приняты требования Государственного образователь-ного стандарта высшего профессионального образования к минимуму содер- жания и уровню подготовки инженеров по специальности 653300 - Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования, введенного с 2001г.

Предназначены для студентов сокращенными сроками обучения.

Настоящие методические указания содержат рабочую программу, варианты контрольных заданий по расчету линейной цепи переменного тока, выбору электродвигателя, методические положения по выполнению заданий, дополнитель- ные сведения по оборудованию и справочные данные.

 

 

Утверждено редакционно-издательским советом ВоГТУ .

 

 

Составитель: Ю.В.Хрусталев, канд. техн. наук, доцент.

 

 

Рецензент: О.Н.Пикалев канд. техн. наук, доцент.

 

 

Государственный образовательный стандарт

Высшего профессионального образования

Направление подготовки

Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования

ОПД.Ф.04.01. Общая электротехника и электроника.

Общая электротехника и электроника. Введение; электрические и магнитные цепи. Основные определения, топологические параметры и методы расчета элек-трических цепей. Анализ и расчет линейных цепей переменного тока. Анализ и расчет электрических цепей с нелинейными элементами. Анализ и расчет магнит-ных цепей; электромагнитные устройства и электрические машины. Трансформа- торы. Машины постоянного тока ( МПТ). Асинхронные машины. Синхронные машины. Основы электроники и электрические измерения. Элементная база сов-ременных электронных устройств. Полупроводниковые элементы. Источники вторичного электропитания. Устройства питания электронной аппаратуры. Усили- тели электрических сигналов. Электронные усилители и генераторы. Элементы импульсной техники. Импульсные и автогенераторные устройства. Основы циф- ровой электроники, микропроцессорные средства. Электрические измерения и приборы.

 

Требования к знаниям и умениям по дисциплине.

является обязательным элементом общеинженерной подготовки специалистов ( 653300 ). В условиях производства инженер должен уметь квалифицированно применять современные средства механизации и автоматизации, в которых все

Содержание курса

Электрические цепи.

Основные определения, топологические параметры и методы расчета электрических цепей

Стандартные графические обозначения электротехнических устройств. Источники э.д.с. и тока, их свойства и характеристики. 1.2.Анализ электрического состояния неразветвленных и разветвленных электри-

Анализ и расчет электрических цепей с нелинейными элементами.

2.1.Определение нелинейной цепи. Статическое и дифференциальное сопротив-

ление. Анализ нелинейных цепей постоянного тока: метод эквивалентных

преобразований и пересечения характеристик, метод линеаризации.

Параметрический стабилизатор напряжения.

2.2.Нелинейные цепи переменного тока. Инерционные и безинерционные не-

линейные элементы. Выпрямители и преобразователи синусоидальных нап-

ряжений. Линеаризированная схема замещения транзистора и транзисторно-

го усилителя.

Анализ и расчет магнитных цепей.

3.1 .Электромагнитные устройства и их применение. Ферромагнитные материалы

и их характеристики.

3.2.Магнитные цепи постоянных магнитных потоков. Применение закона полного

тока для анализа магнитной цепи. Магнитные цепи с воздушным зазором в

магнитопроводе. Схемы замещения магнитных полей. Аналогия методов ана-

лиза электрических и магнитных цепей.

3.3.. Электромагнитные устройства постоянного тока: подъемные электромагниты,

контакторы, реле и т.п. Принцип действия, характеристики, область применения.

3.4.Магнитные цепи переменных магнитных потоков. Особенности электромагнит-

ных процессов в катушке с магнитопроводом. График мгновенных значений

магнитного потока и тока при синусоидальном напряжении.

3.5. Электромагнитные устройства переменного тока: дроссели, контакторы,

реле и т.п. Принцип действия, характеристики, области применения.

 

Электрические измерения и приборы.

Средства измерений, меры, преобразователи, установки и системы. Методы непосредственной оценки и методы сравнения. Метрологические характерис- тики средств измерений: точность, чувствительность, быстродействие, надеж-

Электромагнитные устройства и электрические машины

цип действия однофазного трансформатора. Трансформация напряжения и токов в идеализированном трансформаторе. Уравнения электрического и магнитного состояния, векторная диаграмма. Потери энергии в трансформато-

Основы электроники

Классификация электронных устройств, история и перспективы их развития. Конструкции, характеристики, параметры, назначение полупроводниковых… 6.2.. Выпрямители. Электрические схемы и принцип работы управляемых и не- управляемых однофазных и трехфазных выпрямителей. Пульсации выпрямлен-

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ.

Расчет электрической цепи синусоидального тока.

Выбор асинхронного двигателя.

 

РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

1.1. Задание. Для электрической цепи, соответствующей варианту ( табл. 1.,

схемы 1.1.--1.50.) , выполнить следующее:

1.1.1. Составить систему уравнений по законам Кирхгофа в интегродифферен- циальной и комплексной формах.

1.1.2. Определить токи во всех ветвях схемы.

1.1.3. Составить баланс активных и реактивных мощностей.

1.1.4. Построить векторную диаграмму токов цепи и топографическую диаграмму

напряжений по внешнему контуру.

1.1.5. Построить на одном графике кривые мгновенных значений напряжения u _АВ

и тока i ₂ .

1.1.6. Определить показания ваттметра.

 

Методические указания к выполнению задания.

1.2.1.Особенности записии решений уравнений по законам Кирхгофа при синусоидальном токе.

При составлении уравнений по законам Кирхгофа в интегродифферен-циальной форме следует учесть , что уравнения составляются для мгновенных значений напряжений и токов и что падение напряжения на активном сопротивле- нии u _R= i· R, на индуктивной катушке u _L= L di / dt , на конденсаторе u _C=1 / С

При анализе гармонических процессов в цепях составляются уравнения в комплексной форме. При этом необходимо учесть, что падение напряжения на резисторе Ú _R=Í∙R, на индуктивности Ú _L = j x _L ∙Í , на конденсаторе Ú _С= - j x _C ∙ Í .

Для получения численного результата необходимо проводить расчеты с комплекс- ными числами.

1.2.2. Определение токов в ветвях. Для цепи, содержащей три ветви, целесообразно определить полное комплексное сопротивление. Отношение эдс

источника к этому сопротивлению позволяет определить ток в ветви, в которой расположен источник эдс. Далее, находят напряже- ние на параллельном участке и затем, разделив это напряжение на сопротивления двух других ветвей, находят соответствующие токи. Правильность решения проверяют по первому закону Кирхгофа.

1.2.3.Баланс мощностей.

При составлении баланса мощностей следует рассчитать мощность,

развиваемую источником эдс, и приравнять ее сумме мощностей всех потребителей.

Ś _ИСТ = Σ Ś _ПОТР.

 

Полная мощность в комплексной форме определяется как

Ś=Σ Ú·Î = P + (-) j Q = Σ Z·Í∙Î , где

P- активная мощность,

Q- реактивная мощность,

Î - комплексное сопряженное значение к –того тока,

Z – полное комплексное сопротивление к-той ветви.

 

1.2.4.Построение векторной диаграммы токов и топографической диаграммы

напряжений.

Следует помнить, что вектор падения напряжения на резисторе Ú _R совпадает по фазе с током, на индуктивной катушке Ú _L опережает вектор тока на 90 градусов,

а на конденсаторе Ú _С отстает от тока на угол 90 градусов.

1.2.5. Построение кривых мгновенных значений.

В результате расчетов значения тока и напряжения получены в комплексной форме, необходимо записать эти величины в функции времени.

 

u _АВ= U _{АВ m} sin ( ω t + ψ _UАВ ) , для чего находится амплитудное

значение напряжения и начальная фаза

U _{АВ m} = U _АВ · 1,41

U _АВ =√ Re ² + Im² ψ _UАВ= arctq Im / Re

1.2.6. Определение показаний ваттметра.

Ваттметр измеряет активную мощность, поэтому при определении показаний ваттметра необходимо взять действительную часть от произведения комплекса соот- ветствующего напряжения на величину сопряженного комплекса тока.

P= Re ( Ú _AB ∙ Î ) , где

Ú _AB – комплекс напряжения между точками A и B , к которым подключена

обмотка напряжения ваттметра,

Î- сопряженный комплекс тока, протекающего по токовой обмотке ваттметра.

 

Пример выполнения задания

Исходные данные для расчета:

Схема электрической цепи представлена на рис. 1.

Параметры элементов схемы: Е= 220 В , f= 50 Гц, С ₁ = 825 мкФ, С₂ = 250 мкФ,

L ₁= 25 мГн , L ₂ =30 мГн , L₃ = 20 мГн , r ₁= 8,18 Ом , r ₂= 10 Ом , r ₃= 20 Ом .

1.3.1. Составление уравнений по законам Кирхгофа.

Количество уравнений по 1-му закону равно числу узлов, уменьшенному на единицу ( 2-1=1).

Количество уравнений по 2-му закону равно числу ветвей, уменьшенному на

количество уравнений, составленных по 1-му закону ( 3-1=2).

 

Система уравнений в интегро-дифференциальной форме:

i ₁ = i ₂ + i ₃

 

e = r ₁ i ₁ + 1/C_{1 1} dt + u _C1 ( 0) + L ₁ di ₁/dt + L ₃ di ₃/dt + r₃ i ₃

0= r ₂ i ₂ + L ₂ di ₂/dt + 1/C_{2 2} dt+ u _C2 ( 0) - L ₃ di₃ /dt - r₃ i ₃

Система уравнений в комплексной форме:

Í₁ =Í₂ + Í₃

 

É = ( r₁ + j x _L1 – j x _C1 ) Í ₁ + ( r₃ + j x _L3 ) Í ₃

 

0 = ( r₂ + j x _L2 – j x _C2 ) Í ₂ - ( r₃ + j x _L3 ) Í ₃

 

1.3.2. Расчет токов в цепи в комплексной форме.

Сопротивления ветвей:

Z ₁ = ( r₁ + j x _L1 – j x _C1 ) = 8,18 – j 3,86 + j 7,85= 8,18 + j 3,99 ( Ом)

 

j x _L1 = j 2 п f L ₁ = j 2 ∙3,14·50·25∙10 ^-3 =j 7, 85 ( Ом)

– j x _C1 = -j 1 / 2п f C ₁ = - j 1/ 2· 3,14· 50 · 825· 10 ^{– 6} = - j 3,86 ( Ом )

Z ₂ = r₂ + j x _L2 – j x _C2 = 10+ j 2 п f L ₂ - j 1 / 2п f C ₂ =

= 10 + j 2 ∙3,14· 30· 50∙10 ^-3 - j 1/ 2· 3,14· 50 · 250· 10 ^{– 6} = 10 – j 3,32 ( Ом )

 

Z ₃ = r₃ + j x _L3 = 20 + j 2 п f L ₃= 20 + j 2 ∙3,14· 50· 20∙10 ^-3 = 20 + j 6, 28 ( Ом)

Нахождение полного комплексного сопротивления:

(10 – j 3,32) (20 + j 6, 28)

Z = Z ₁ + Z ₂ Z ₃ / Z ₂ +Z ₃ = 8,18 + j 3,99 + ------------------------------------ =

(10 – j 3,32) + (20 + j 6, 28)

= 15,45 + j 3,17 ( Ом)

Ток в неразветвленной части цепи:

 

Í ₁ = É / Z ₁ = 220 / 15,45 + j 3,17 = 13,66 - j 2,78 ( А )

 

Напряжение разветвленной части цепи:

Ú _АВ = É - Z ₁ Í ₁ = 220 – ( 8,18 + j 3,99 ) ( 13,66 - j 2,78 ) = 97,08- j 31,76 ( В )

 

Токи в ветвях:

Í ₂ = Ú _АВ / Z ₂ =( 97,08-j 31,76) / (10 – j 3,32) = ( 9,69 + j 0,05 ) ( А)

 

Í ₃ = Ú _АВ / Z ₃ =( 97,08-j 31,76) / ( 20 + j 6, 28 ) = ( 3,97 – j 2,83) ( А)

 

Проверка по первому закону Кирхгофа:

Í ₁ = Í ₂ + Í ₃ = ( 9,69 + j 0,05 ) + (3,97 – 2,83) = 13,66 – j 2,78 ( А)

 

1.3.3.Баланс активных и реактивных мощностей.

Комплексная мощность источника:

Ś = É_i ∙ Î_i = 220 ∙ (13,66 + j 2,78) = 3005,2+j 616,6 ( ВА)

 

Активная мощность источника Р _i = 3005, 2 Вт

Реактивная мощность источника Q _i = 611, 6 Вар

 

Комплексные мощности приемников:

Ś _{1 ПР} = Z₁ ∙ Í ₁ Î₁ = ( 8,18 + j 3,99 ) ( 13,66 - j 2,78 ) ( 13,66 + j 2,78 ) =

= 1590,8 + j 775,56 ( ВА)

 

Ś _{2 ПР} = Z₂ ∙ Í ₂ Î₂ = (10 – j 3,32) ( 9,69 + j 0,05 ) ( 9,69 - j 0,05 ) =

= 939,01 - j 312,6 ( ВА)

 

Ś _{3 ПР} = Z₃ ∙ Í ₃ Î₃ = ( 20 + j 6, 28 ) (3,97 – j 2,83) (3,97 +j 2,83) =

= 475,28 + j 148,65 ( ВА)

Комплексная мощность всех приемников:

Ś _ПР = Ś _{1 ПР} + Ś _{2 ПР} + Ś _{3 ПР} =1590,8 + j 775,56 + 939,01 - j 312,6 +

+ 475,28 + j 148,65 = 3005,09 + j 611, 61 ( ВА)

 

Активная мощность потребителей Р = 3005, 09 Вт

Реактивная мощность потребителей Q = 611, 61 Вар

 

1.3.4.Построение векторной диаграммы токов и топографической диаграммы.

На комплексной плоскости наносят вектора токов в ветвях ( комплексные

значения), причем вектор тока Í ₁ должен быть равен сумме векторов Í ₂ и Í ₃

( рис. 1.1.1 ).

 

Для построения топографической диаграммы потенциал одного узла прини мают за нуль

φ _В =0

Потенциал следующей точки φ _К возрастает на величину падения напряжения

– j x _C2·Í₂

φ _К = φ _В + ( – j x _C2·Í₂ )= 0 + ( - j 12,7) ( 9,69 +j 0,05) = 0,64 – j 123,1 B

φ _M = φ _K + ( r₂·Í₂ ) = 0,64 – j 123,1+ ( 9,69+j 0,05) 10 = 97,5- j 122,6 B

φ _A = φ _M + ( j x _L2·Í₂ ) = 97,5- j 122,6 + ( 9,69+j 0,05) ( j9,42) = 97,0 – j 31,3 B

φ _Q = φ _A + ( j x _L1·Í₁ ) = = 97,0 – j 31,3 + ( j 7,85)( 13,66-j 2,78) = 118,8+j 75,9

φ _N = φ _Q + ( – j x _C1·Í₁ ) = 118,8+j 75,9 + (- j 3,86) ( 13,66-j 2,78) = 108,1+j 23 B

φ _D = φ _N + ( r₁ ·Í₁ ) =108,1+j 23 + 8,18 ( 13,66-j 2,78) = 220- j 0,1 B

φ _В = φ _D - É = 220 - j 0,1 - 220 =0

( рис. 1.1.2.)

 

1.3.5.Построение кривых мгновенных значений.

В результате расчетов значения тока и напряжения получены в комплексной

форме

Í ₂ = ( 9,69 + j 0,05 ) ( А)

Модуль тока I₂ = 9,69² + 0,05² = 9,7 (А)

Амплитудное значение I _m = 1,41∙I₂ = 13, 68 ( А)

Начальная фаза тока ψ _i= arc tq 0,05 / 9,69 = 0,3 град.

Мгновенное значение тока

i₂ = I _m sin ( ω t + ψ _i2 ) = 13, 68 sin (ω t + 0,3°) (A)

Ú _АВ = 97,08 - j 31,76 ( В )

Модуль напряжения U _AB =97,08² + 31,76² = 102, 1 (В)

Амплитудное значение U _{АВ m} = 1,41∙ U _AB=1,41· 102,1= 144 ( В)

Начальная фаза напряжения ψ _U = arc tq (- 31,76) / 97,08= - 18,1 град.

Мгновенное значение напряжения u _АВ= U _{АВ m} sin ( ω t + ψ _UАВ ) =

= 144 sin ( ω t - 18 °) (В)

( рис.1.1.3.)

 

1.3.6. Определение показаний ваттметра.

 

P_w = Re (Í_w·Ú_w )=Re ( - j X _C2 ∙Í₂∙Î₂) = Re { (- j 1/ 2· 3,14· 50 · 250· 10 ^{– 6}) ·

·( 9,69 + j 0,05 ) ( 9,69 - j 0,05 ) } = Re ( 6,17- 6,17+ j 1196,2 + j 0,03) = 0

 

Ú_w =( - j X _C2 ∙Í₂ ) Í_w = Î₂

 

 

	Векторная диаграмма токов
Рис. 1.	Рис.1.1.1.

 

Топографическая диаграмма	Кривые мгновенных значений
Рис.1.1.2.	Рис.1.1.3.

 

РАСЧЕТ МОЩНОСТИ И ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ

В качестве привода для насосов систем водоснабжения массовое применение находят двигатели переменного тока, благодаря компактности конструкций,… Нагревание обмоток определяет продолжительность требуемой паузы между пусками… Короткозамкнутые асинхронные электродвигатели являются наиболее подходящим электроприводом и для небольших насосов.…

Определение мощности электродвигателя для привода насоса

( насосы – водопроводы – сеть ) или ( насосы –водопроводы ). Мощность насоса, кВт, определяется по формуле: Q H

Определение мощности электродвигателя для привода

Компрессора и вентилятора

 

Мощность электродвигателя вентилятора, кВт, определяют по формуле:

Q H

P= ,

1000h _В h _ПЕР

где Q–производительностьвентилятора,м³ /с;

H–давление, Н/м²,

h _{В -}к.п.д. вентилятора (по каталогу), при отсутствии данных средние значения могут быть приняты: для осевых вентиляторов 0,5--0,85; для центробежных вентиляторов 0,4--0,7;

h _ПЕР - к.п.д.передачи.

Мощность электродвигателя для поршневого компрессора, кВт, определяют по формуле :

Q β

P=

1000h _К h _ПЕР

где Q–производительностькомпрессорам³ /с;

β - работа, затрачиваемая на сжатие I м³ воздуха до заданных рабочих давлений , Дж;

h _К -к.п.д.компрессора.

Работа, затрачиваемая на сжатие I м³ воздуха.

 

Конечное давление Работа сжатия Конечное давление Работа сжатия

H/m³ ·10⁵ Дж H/m³ ∙10⁵ Дж

2,02 71000 7,07 224000

3,03 117300 8,08 242000

4,04 152200 9,09 263000

5,05 179000 10,1 273000

 

Режимы работы электродвигателей.

Продолжительный режим – это режим работы такой длительности, при которой за время работы двигателя температура всех устройств электропривода…   При кратковременном режиме рабочий период относительно краток и температура двигателя не успевает достигнуть…