Указания к выполнению контрольных и лабораторных работ

Электротехника

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения

по специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств

2013Волжский 2007 г.

Методические указания составлены

в соответствии с Государственными

требованиями к минимуму содержания

и уровню подготовки выпускника по

специальности 220301

Разработал: преподаватель ГОУ СПО ВПТ Т.А.Фатеева

Рецензент: преподаватель ГОУ СПО ВПТ Г.В.Клочкова

Общие методические указания

Студент заочник, приступая к самостоятельному изучению дисциплины «Электротехника», должен подробно ознакомиться с содержанием настоящего пособия и руководствоваться им в работе.

Учебный материал изучают в последовательности, указанной в программе. После проработки каждой темы, следует законспектировать основные понятия, законы и формулы в отдельной тетради. Если возникают трудности при изучении учебного материала, следует обратиться за консультацией к преподавателю. Особое внимание нужно уделить решению типовых примеров в настоящем пособии.

Указания к выполнению контрольных и лабораторных работ

По учебной дисциплине «Электротехника» должна быть выполнена 1 контрольная работа. Варианты для каждого студента индивидуальные.

Контрольная работа выполняется в отдельной тетради в клеточку. Для заключений рецензента оставляют в тетради поле 25-30 мм, в конце тетради – 2 страницы для рецензии. Записи и расчеты выполняют аккуратно, чертежи и схемы выполняют карандашом с помощью чертежного инструмента, соблюдая ЕСКД. Размерность всех величин должно соответствовать Международной системе единиц (СИ).

Рекомендуется следующий порядок решения задач:

1. Полностью записать условие задачи.

2. Выписать из условия данные в виде условных обозначений и их цифровых значений. Начертить принципиальную электрическую схему.

3. Текст, формулы и числовые выкладки должны быть написаны четко и аккуратно, без помарок.

4. На векторных диаграммах указать выбранный масштаб по напряжению (В/см) и току (А/см).

5. В конце задачи записать ответ.

6. Если контрольная работа не зачтена, то все необходимые поправки должны быть сделаны в той же тетради после подписания рецензента.

7. Ответы на теоретические вопросы к задачам должны быть подробными и грамотными.

Контрольная работа включает в себя два задания: первое задание рассчитывается по 1 и 2 законам Кирхгофа, а также методом контурных токов, необходимо составить баланс мощностей и определить режимы работы источников; второе задание требует знания соотношений между линейными токами и напряжения при соединении нагрузки «звездой».

Содержание задач и схемы цепи с соответствующими данными приведены в индивидуальном задании.

В методических указаниях рассмотрены типовые примеры к заданиям.

Лабораторные работы выполняют в период экзаменационной сессии. По каждой лабораторной работе составляется отчет по установленной форме.

Тематический план.

Наименование разделов и тем	Максим. нагр. на студ., час	Кол-во аудиторных часов при очной форме обучения	Самост. работа студ.
Всего	Лабор. работ	Практ.

Введение Раздел 1. Электрическое поле. Тема 1.1 Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Тема 1.2 Начальные сведения об электрическом токе. Раздел 2. Электрические цепи постоянного тока. Тема 2.1 Простые и сложные цепи постоянного тока. Тема 2.2 Расчет электрических цепей постоянного тока. Раздел 3. Магнитное поле. Тема 3.1 Характеристика магнитного поля. Тема 3.2 Расчет магнитных цепей. Тема 3.3 Электромагнитная индукция. Раздел 4. Электрические цепи переменного тока. Тема 4.1 Основные сведения о синусоидальном электрическом токе. Тема 4.2 Элементы и параметры цепей переменного тока. Тема 4.3 Расчеты электрических цепей с помощью векторных. Тема 4.4 Резонанс в электрических цепях. Тема 4.5 Трехфазные цепи. Тема 4.6 Электрические цепи с несинусоидальными токами и напряжениями. Тема 4.7 Нелинейные электрические цепи. Тема 4.8 Переходные процессы в электрических цепях.
Всего:

Список литературы

1. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники М.: высшая школа 1999.

2. Касаткин А.С. Основы электротехники М.: Высшая школа 1986.

3. Данилов И.А.; Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники М.: Высшая школа 1989.

Содержание учебной дисциплины

Введение

Характеристика учебной дисциплины, ее роль и место в системе обучения, связь с другими дисциплинами.

Электрическая энергия, ее свойства и применение. Производство и распределение электрической энергии. Современное состояние и перспективы развития электроэнергетики.

Раздел 1 Электрическое поле

студент должен:

иметь представление:

- о строении вещества и электрического поля;

- о физических процессах возникновения электрического тока;

знать:

- основные законы взаимодействия заряженных частиц;

- явление электрического тока;

уметь:

- выполнять расчеты основных характеристик электрического поля.

Раздел 3 Магнитное поле

студент должен:

иметь представление:

- о физических процессах возникновения магнитного поля;

- о принципах построения и методах расчета магнитных цепей;

- о физических процессах электромагнитной индукции;

знать:

- параметры, характеризующие магнитное поле;

- элементы магнитных цепей;

- воздействие магнитного поля на проводник с током;

- свойства ферромагнитных веществ;

- закон электромагнитной индукции;

- явление самоиндукции и взаимоиндукции;

- энергия магнитного поля;

уметь:

- применять закон электромагнитной индукции для объяснения принципа действия генератора, электродвигателя;

- рассчитывать параметры магнитных цепей.

Тема 4.5 Трехфазные цепи

Элементы трехфазной системы. Получение токов и напряжения в трехфазной системе. Способы соединения обмоток трехфазного генератора «звездой» и «треугольником». Электрические схемы. Симметричная нагрузка при соединении обмоток генератора и приемника электрической энергии «звездой» и «треугольником». Фазные и линейные напряжения и токи, соотношение между ними. Мощность трехфазной цепи.

Роль нейтрального провода в трехфазной четырехпроводной цепи.

Литература: Л-1 § 2.01-20.4 Л-2 § 5.1-5.6 Л-3 § 6.1-6.7

Контрольные вопросы

1. Поясните методику получения трехфазной симметричной системы ЭДС?

2. Чем отличаются несвязанные и связанные трехфазные системы? Начертите их схемы.

3. Начертите трехфазную четырехпроводную цепь. Соотношение междуфазными и линейными токами и напряжением?

4. Объясните роль нейтрального провода.

Лабораторная работа

Пример 1

Рассчитать токи в ветвях, используя метод непосредственного применения законов Кирхгофа и метод контурных токов.

Составить баланс мощностей, определить режим работы источников энергии.

Электрическая схема (рис.1)

Дано

Е₁=12 В R₁=1,2 Ом

Е₆=10 В R₂=2,2 Ом

Е₇=0 R₃=1,4 Ом

Е₈=0 R₅=0

R₆=2 Ом

R₇=1,8 Ом

R₈=∞

Исходя из данных, преобразуем схему

(рис.2)

Выбираем направление обхода контуров по часовой стрелки за положительное направление.

1. Для узла «а» составляем уравнение по первому закону Кирхгофа

+I₁ - I₂ - I₆ = 0

Аналогично для узла «в»

-I₁ + I₇ - I₃ = 0

2. По второму закону Кирхгофа составляем уравнения для контуров I, II, III

I₂R₂ – I₃R₃ – I₁R₁ =+Е₁ (первый контур)

I₆R₆ - I₂R₂ =Е₆ (второй контур)

I₃R₃ + I₇R₇ =0

Составляем систему уравнений

I₁ – I₂ – I₆ = 0

- I₁ + I₇ – I₃ = 0

I₂R₂ - I₃R₃ - I₁R₁ = Е₁

I₆R₆ - I₂R₂ = Е₆

I₃R₃ + I₇R₇ = 0

Подставляем числовые значения

I₁ – I₂ – I₆ = 0

- I₁ + I₇ – I₃ = 0

2,2I₂ – 1,4I₃ – 1,2I₁ = 12

2I₆ – 2,2I₂ = 10

1,4I₃ + 1,8I₇ = 0

Получаем матрицу

I₁	I₂	I₃	I₆	I₇
-1 -1,2	-1 2,2 -2,2	-1 -1,4 1,4	-1	1,8

Решая матрицу, получаем

I₁ = 5,8 А I₃ = - 3,3 А I₇ = 2,5 А

I₂ = 0,4 А I₆ = 5,4 А

Метод контурных токов

I₁ =I_I I₂ = I_I – I_II I₃ = I_III - I_I

I₆ = I_II I₇ = I_III

Составляем уравнения

Е₁ = I_I(R₁ + R₂ + R₃) – I_IIR₂ – I_IIIR₃

E₆ = I_II(R₂ + R₆) – I_IR₂

0 = I_III(R₃ + R₇) – I_IR₃

12 = 4,8I_I– 2,2I_II – 1,4I_III

10 = 4,2I_II – 2,2I_I

0 = 3,2I_III – 1,4I_I

12 = 4,8I_I– 2,2I_II – 1,4I_III

10 = 4,2I_II – 2,2I_I

I_I = 2,3I_III

12 = 4,8(2,3I_III) – 2,2I_II – 1,4I_III

10 = 4,2I_II – 2,2(2,3I_III)

12 = 10,97I_III – 2,2I_II – 1,4I_III

10 = 4,2I_II - 5I_III

12 = 9,57I_III – 2,2I_II

10 = 4,2I_II - 5I_III

(разделим на 5)

12 = 9,57I_III – 2,2I_II

2 = 0,84I_II - I_III

12 = 9,57I_III – 2,2I_II

I_III = 0,84I_II - 2

12 = 9,57(0,84I_II – 2) – 2,2I_II

12 = 8I_II – 19,14 - 2,2I_II

5,8I_II = 31,14

I_II = 5,4 А

I_III = 0,84·5,4 – 2

I_III = 2,5 А

I_I = 2,3I_III = 2,3·2,5 = 5,8 А

Получаем токи в ветвях

I₁ = 5,8 А

I₂ = I_I - I_II = 5,8 – 5,4 = 0,4 А

I₃ = I_III - I_I = 2,5 – 5,8 = -3,3 А

I₆ = I_II = 5,4 А

I₇ = I_III = 2,5 А

Составляем баланс мощностей

Р₁ = Е₁I_I + E₆I_II = 12·5.8 + 10·5.4 = 69,6 + 54 = 123,6 Вт

Р₂ = I₁²R₁ + I₂²R₂ + I₃R₃ + I₆²R₆ + I₇²R₇ = 5,8²·1,2 + 0,4²·2,2 + (-3,3)²·1,4 + 5,4²·2 + 2,5²·1,8 = 123,6 Вт

Р₁ = Р₂

Р₁ – источник

Р₂ – потребитель

Методические указания к решению задания 2

Решение задания этой группы требует знания в трехфазных цепях соотношение между линейными и фазными напряжениями и токами при соединении потребителей «звездой» и строить векторные диаграммы.

Пример 2

В трехфазную четырехпроводную сеть включили звездой несимметричную нагрузку: в фазу А – индуктивный элемент с индуктивностью L_А = 31,8 Гн, в фазу В – резистор с сопротивлением R_B = 3 Ом и емкостный элемент с емкостью С_В = 795 мкФ, в фазу С – резистор R_С = 10 Ом. Линейное напряжение сети U_ном = 380 В. Определить фазные токи I_A;I_B; I_C, активную мощность Р, реактивную мощность Q и полную мощность S, частота сети f = 50 Гц. Построить векторную диаграмму и по ней определить ток в нейтральном проводе.

Схема электрическая (рис. 3)

Дано

L_А = 31,8 Гн

С_В = 795 мкФ

R_B = 3 Ом

R_С = 10 Ом

U_ном = 380 В

f = 50 Гц

Определить

I_A, I_B, I_C, Р, Q, S, I_N

Определяем фазные напряжения

U_А = U_В = U_С = U_Ф

И_ном = И_лин

И_лин = ·И_Ф

U_А = U_В = U_С = = =220 В

Определяем сопротивление индуктивного элемента L_А

Х_А = 2 ·f· L_А = 2·3,14·50·31,8·10^-3 = 10 Ом

Определяем сопротивление емкостного элемента в фазе В

Х_В = = = 4 Ом

Определяем полное сопротивление в фазе В

Z_B = = = 5 Ом

Находим фазные токи, применяя закон Ома для участка цепи

I_A = = = 22 А

I_B = = = 44 А

I_C = = = 22 А

Определяем активную мощность фазы А

Р_А = I_A²·R_A = 0, т.к. R_А =0

Определяем активную мощность фазы В

Р_В = I_B²·R_B = 44²·3 = 5802 Вт

Определяем активную мощность фазы С

Р_С = I_C²·R_C = 22²·10 = 4840 Вт

Активная мощность трехфазной цепи

Р = Р_А + Р_В + Р_С = 5808 = 4840 = 10648 Вт

Определяем реактивную мощность фазы А

Q_A = I_A²·X_A = 22²·10 = 4840 Вар

Реактивная мощность фазы В

Q_B = I_B²(-X_B) = 44²·(-4) = -7744 ВАр

Реактивная мощность фазы С

Q_С = I_С²·X_С = 0, т.к. X_С = 0

Реактивная мощность цепи

Q = Q_A + Q_B + Q_С = 4840 – 7744 = -2904 ВАр

Полная мощность трехфазной цепи

S = = = 10600 ВА = 10,6 кВа

Для построения векторной диаграммы выбираем масштабы по току и напряжению

M_I = 10 А/см М_И = 50 В/см

Определяем длины векторов токов I_A, I_B, I_C и фазных напряжений И_А, И_В, И_С

ℓ_IA = = = 2,2 см

ℓ_I_В = = = 4,4 см

ℓ_I_С = = = 2,2 см

ℓ_иф = = = 4,4 см

Определяем угол сдвига фаз между током I_A и фазным напряжением И_А

cos φ_А = = 0; φ_А = 90°

Вектор тока I_A отстает от напряжения И_А на 90°, т.к. в фазе А включен индуктивный элемент.

Определяем угол сдвига фаз между током I_В и напряжением И_В

cos φ_В = = 0,6; φ_В = 53°10'

Вектор тока I_B опережает напряжение И_В на 53°10', т.к. в фазе В включена активно – емкостная нагрузка.

Определяем угол сдвига фаз между током I_C и напряжением И_С

cos φ_С = = 1; φ_С = 0°

Вектор тока I_C совпадает по фазе с напряжением И_С, т.к. в фазе С включена активная нагрузка.

Строим векторы фазных напряжений И_А, И_В, И_С под углом 120° относительно друг друга и векторы I_A, I_B, I_C, учитывая углы сдвига фаз φ_А, φ_В, φ_С

На основании уравнения, составленного по первому закону Кирхгофа, строим вектор тока в нейтральном проводе I_N

Векторная диаграмма (рис. 4)

Измеряя длину вектора I_N, получаем

ℓ_IN = 4,4 см

Отсюда I_N = ℓ_IN·М_I = 4,4·10 = 44 А

Ответ: I_A = 22 A I_B = 44 A I_C = 22 A

I_N = 44 A P = 10,65 кВт Q = 2,9 кВАр

S = 10,6 кВА

Задание 1

Электрическая схема (рис. 5)

Исходные данные и варианты задания

Таблица 1

Вар	Е₁, В	Е₆, В	Е₇, В	Е₈, В	R₁,Ом	R₂,Ом	R₃,Ом	R₄,Ом	R₅,Ом	R₆,Ом	R₇,Ом	R₈,Ом
					2,2	1,8	2,0			2,1	1,8	∞
					1,2		2,2	∞	1,4		1,6	1,8
					∞	1,5	2,5	0,8			1,1	1,4
					2,4	1,6			2,4	2,8	1,2	∞
					∞		1,3	1,7	0,3	1,8	2,1	2,6
					4,3	2,3	2,2			4,4	2,5	∞
					2,2			∞	1,6		1,8	1,6
					∞	1,6	2,6	0,6	2,8	3,3	1,3	1,8
					2,6	1,9	2,7			2,2	1,6	∞
					2,5			∞	1,6	1,4
					1,4		2,6	∞	1,6		1,8	2,2
					1,5			∞		2,8
					4,2	3,6	4,0			2,2	3,3	∞
					∞	1,8		0,7	1,7	1,6	2,3	1,4
					2,4		2,2			2,8		∞
					2,4		4,8	∞			1,4	1,6
					∞			0,9			1,2	2,8
					1,2	1,8	1,6					∞
								∞	0,6		0,8	1,6
						1,1		∞	1,6	1,2	1,8
					1,8	2,1	2,4			2,5	2,3	∞
					∞	1,6	2,4	0,5				1,3
						1,3	1,5			1,6		∞
					2,1	1,9	1,9			2,6	1,7	∞
					∞	1,1		0,6	1,8	2,4	1,8
					∞	1,4		0,7	1,9	2,3	1,9	2,2
					2,3		2,1		1,7	2,4		∞
					2,1		4,3	∞	1,9	2,6		1,5
					1,6		1,8		1,4			∞
					0,5		4,5		1,3			∞

Задание 2

Электрическая схема (рис. 6)

Дано

F= 50 Гц

(для всех вариантов)

Исходные данные и варианты задания

Вар	И_Л, В	R_А, Ом	R_В, Ом	R_С, Ом	С_А, мкф	L_В, Гн	L_С, Гн
		0,2		1,5		0,013	0,095
		0,4		2,5		0,019	0,086
		0,6		3,5		0,021	0,076
		0,8		4,5		0,023	0,067
		1,0		5,5		0,025	0,057
		1,2		6,5		0,028	0,047
		1,4		7,5		0,031	0,038
		1,6		8,5		0,04	0,028
		1,8		9,5		0,044	0,019
		2,0		10,5		0,045	0,0095
		2,2		11,5		0,05	0,064
		2,4		12,5		0,054	0,05
		2,6		13,5		0,058	0,045
		2,8		14,5		0,06	0,043
		3,0		15,5		0,07	0,057
		3,2		16,5		0,065	0,034
		3,4		17,5		0,075	0,044
		3,6		18,5		0,066	0,029
		3,8		19,5		0,077	0,03
		4,0		20,5		0,08	0,038
		4,2		21,5		0,082	0,036
		4,4		22,5		0,085	0,055
		4,6		23,5		0,088	0,074
		4,8		24,5		0,09	0,076
		5,0		25,5		0,091	0,083
		5,2		26,5		0,093	0,086
		5,4		27,5		0,095	0,08
		5,6		28,5		0,096	0,09
		5,8		29,5		0,097	0,091
		6,0		30,5		0,83	0,085

Электротехника

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов заочной формы обучения

по специальности 220301 Автоматизация технологических процессов и производств

2013Волжский 2007 г.

Методические указания составлены

в соответствии с Государственными

требованиями к минимуму содержания

и уровню подготовки выпускника по

специальности 220301

Разработал: преподаватель ГОУ СПО ВПТ Т.А.Фатеева

Рецензент: преподаватель ГОУ СПО ВПТ Г.В.Клочкова

Общие методические указания

Указания к выполнению контрольных и лабораторных работ

Рекомендуется следующий порядок решения задач:

1. Полностью записать условие задачи.

3. Текст, формулы и числовые выкладки должны быть написаны четко и аккуратно, без помарок.

4. На векторных диаграммах указать выбранный масштаб по напряжению (В/см) и току (А/см).

5. В конце задачи записать ответ.

7. Ответы на теоретические вопросы к задачам должны быть подробными и грамотными.

Содержание задач и схемы цепи с соответствующими данными приведены в индивидуальном задании.

В методических указаниях рассмотрены типовые примеры к заданиям.

Тематический план.

Наименование разделов и тем	Максим. нагр. на студ., час	Кол-во аудиторных часов при очной форме обучения	Самост. работа студ.
Всего	Лабор. работ	Практ.

Введение Раздел 1. Электрическое поле. Тема 1.1 Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Тема 1.2 Начальные сведения об электрическом токе. Раздел 2. Электрические цепи постоянного тока. Тема 2.1 Простые и сложные цепи постоянного тока. Тема 2.2 Расчет электрических цепей постоянного тока. Раздел 3. Магнитное поле. Тема 3.1 Характеристика магнитного поля. Тема 3.2 Расчет магнитных цепей. Тема 3.3 Электромагнитная индукция. Раздел 4. Электрические цепи переменного тока. Тема 4.1 Основные сведения о синусоидальном электрическом токе. Тема 4.2 Элементы и параметры цепей переменного тока. Тема 4.3 Расчеты электрических цепей с помощью векторных. Тема 4.4 Резонанс в электрических цепях. Тема 4.5 Трехфазные цепи. Тема 4.6 Электрические цепи с несинусоидальными токами и напряжениями. Тема 4.7 Нелинейные электрические цепи. Тема 4.8 Переходные процессы в электрических цепях.
Всего: