Эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования

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.

Электротехническая дисциплина « Общая электротехника и электроника»

является обязательным элементом общеинженерной подготовки специалистов

( 653300 ). В условиях производства инженер должен уметь квалифицированно

применять современные средства механизации и автоматизации, в которых все

в большей степени используются электрические и электронные устройства и уста-новки, а также участвовать в проектировании и разработке автоматизированных производств и систем на базе вычислительной техники.

Решение вопросов, связанных с проектированием, изготовлением и эксплуатацией оборудования требует знаний принципов действия и особенностей функционирова-

ния типовых электротехнических элементов и устройств, применяемых в отрасли.

Целью дисциплины является теоретическая и практическая подготовка в области электротехники, электроники, электроизмерительной техники, электроснабжения и электрооборудования для выбора электротехнических устройств и правильной эксплуатации установок при управлении производственными процессами.

При совершенствовании подготовки специалистов в области электротехники

необходимо приобретение навыков анализа процессов в электрических системах, знаний электротехнических законов, расчета простейших схем, знаний принципов действия, конструкций , свойств, областей применения и потенциальных возмож- ностей основных электротехнических и электронных устройств и электроизмери -тельных приборов.

Содержание курса

Электрические цепи.

Основные определения, топологические параметры и методы расчета электрических цепей

1.1. Электротехнические устройства постоянного тока и области их применения.

Стандартные графические обозначения электротехнических устройств.

Источники э.д.с. и тока, их свойства и характеристики.

1.2.Анализ электрического состояния неразветвленных и разветвленных электри-

ческих цепей с несколькими источниками электрической энергии путем при-

менения законов Кирхгофа, метода контурных токов, метода междуузлового

напряжения, метода эквивалентного генератора.

1.3.Особенности электромагнитных процессов в электрических цепях переменно-

го тока. Способы представления электрических величин-синусоидальных

функций: временными диаграммами, векторами, комплексными числами.

Основные параметры, характеризующие синусоидальную функцию.

1.4.Последовательное и параллельное соединение элементов. Уравнения электри-

ческого состояния Векторные диаграммы на комплексной плоскости. Резо-

нанс напряжений и токов, условия возникновения.

1.5.Анализ электрического состояния разветвленных цепей с одним источником

питания. Частотные свойства цепей синусоидального тока. Графический анализ

с помощью топографических диаграмм.

1.6.Понятие о линейных четырехполюсниках.

1.7.Электрические цепи со взаимной индуктивностью.

1.8.Понятия о многофазных цепях. Трехфазный генератор. Классификация и

способы включения приемников в трехфазную цепь.

Симметричные режимы трехфазной цепи. Соединения элементов трехфазной

цепи звездой и треугольником. Соотношения между линейными и фазными

напряжениями и токами при симметричных нагрузках.

Несимметричные режимы в трехпроводной и четырехпроводной цепях.

Назначение нейтрального провода. Примеры несимметричных режимов. Цепи

с реактивной нагрузкой. Измерение мощности в трехфазной цепи.

Основы электроники

6.1. Элементная база современных электронных устройств

Классификация электронных устройств, история и перспективы их развития. Конструкции, характеристики, параметры, назначение полупроводниковых резисторов, диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров. Интегральные микросхемы.

6.2.. Выпрямители. Электрические схемы и принцип работы управляемых и не-

управляемых однофазных и трехфазных выпрямителей. Пульсации выпрямлен-

ного напряжения. Электрические фильтры.

6.3..Тиристорные преобразователи как источники регулируемого напряжения.

Управление тиристорными преобразователями.

6.4.Усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах. Графоана-

литический анализ работы усилительных каскадов. Коэффициенты усиления,

амплитудно-частотные характеристики. Режимы работы, температурная

стабилизация.

6.5. Многокаскадные усилители напряжения. Усилители мощности.

Обратные связи в усилителях, их влияние на параметры и характеристики

усилителей.

6.6.Автогенераторы, области использования. Условия самовозбуждения.

Автогенераторы синусоидальных сигналов.

6.7. Импульсная и цифровая техника. Импульсное представление информации.

Ключевой режим работы транзистора.

6.8.Компараторы и мультивибраторы. Схемная реализация. Триггеры. Счетчики

импульсов.

6.9.Основные логические операции и их реализация на базе микросхем.

6.10.Структурные схемы, принцип действия и свойства современных аналоговых

и цифровых измерительных приборов.

КОНТРОЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ.

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

Задание для расчёта двигателя для привода центробежного насоса

Определить необходимую мощность насоса электродвигателя центробежного насоса для перекачки холодной воды, произвести выбор асинхронного двигателя, определить номинальные данные двигателя, рассчитать и построить механические характеристики, рассчитать электрическую линию для питания двигателя. Варианты задания в приложении ( табл. 3).

Для выполнения задания необходимо:

2.5.1.По производительности и расчётному напору определить мощность насоса.

2.5.2.Рассчитать мощность на валу электродвигателя для насоса с горизонтальным валом. Применить асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором типа

“4А”, напряжение 220/380 В. Скорость вращения вала привода задана в приложении, табл.2. Условия эксплуатации – открытый воздух.

2.5.3.По данным каталога (приложение табл.2.) выбрать тип двигателя, указав номинальные паспортные данные.

2.5.4.Провести проверку по перегрузочной способности к пусковому моменту.

2.5.5.Определить потребляемую мощность

2.5.6.Определить номинальное и критическое скольжение.

2.5.7.Определить номинальные и пусковые токи.

2.5.8.Построить механические характеристики.

2.5.9. По расчетному току выбрать сечение проводов по условиям нагрева;

2.5.10.Проверить выбранное сечение по потере напряжения;

2.5.11.По пусковому току выбрать плавкую вставку предохранителя .

2.5.12.Проверить, защищает ли выбранная плавкая вставка сечение проводов от

действия токов короткого замыкания.

2.6.Пример выполнения задания

2.6.1. Определение необходимой мощности электродвигателя центробежного насоса для перекачки холодной воды производительностью Q=0,055 м³ /с.,

при расчётном напоре H=33м и частоте вращения n=1440 об/мин. Промежуточные передачи отсутствуют. Напряжение в сети 220/380 В.Длина линии 50м.

Мощность насоса, кВт.

Q H 9810*0,055*33

N _НАС = = = 29,8 ( кВт)

1000 _нас 1000*0,6

=1000 кг/м³ * 9,81 м/с² =9810 н/м³ _нас=0,6

6.2.2.Мощность электродвигателя, кВт при частоте вращения

QHK 9810*0,055*33*1,2

P_ДВИГ == = 35,6 (кВт)

1000 _{нас пер} 1000*0,6*1

Коэффициент запаса К=1,2 _пер =1

2.6.3. Для насоса с горизонтальным валом выбирается асинхронный

двигатель с короткозамкнутым ротором, согласно заданию – в закрытом исполнении, типа 4А200М4УЗ (200- высота оси вращения; М- средний установочный размер по длине станины : 4- число полюсов: УЗ – климатическое исполнение и категория размещения по ГОСТ 15150-69).

По данным каталога: напряжение 220/380 В; Синхронная частота вращения

n₀ =1500 об/мин; частота вращения ротора n_НОМ =1470 об/мин; номинальная

мощность = 37 кВт; к.п.д. =91,5%; коэффициент мощности cosφ= 0,90; кратность пускового тока I_ПУСК./I=7.0; кратность пускового момента М_П/М_Н=1,4; кратность максимального момента М_MAX/Мн=2,3.=

2.6.4. Проверка по перегрузочной способности.

В случае расчёта электропривода при неравномерной нагрузке может

иметь место ситуация, когда момент нагрузки на отдельном участке характеристики может оказаться больше максимально допустимого момента двигателя, двигатель останавливается. Необходима проверка по перегрузочной способности, исходя из условия 0,9 М_MAX >= М_{C MAX,}

где: М_{C MAX} - максимальный статический момент сопротивления нагрузки; и по пусковому моменту, если пуск происходит под нагрузкой.

М _MAX - максимальный (критический) момент на валу двигателя.

Номинальный момент двигателя :

9550 Р_НОМ 9550·37

М_НОМ = ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑ = ------------------- =240,4(Н м)

n _НОМ 1470

Максимальный (критический) момент :

М _MAX = М _К = М _НОМ =2,3∙240,4=552,9 ( Н м)

Максимальный статический момент сопротивления нагрузки:

9550 Р_MAX 9550·37

М с _MAX = ‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑ = ------------------- =240,4(Н м)

n _НОМ 1470

где: Р_MAX - наибольшее значение мощности за цикл. По перегрузочной способности двигатель подходит, т.к выполняется условие:

0,9 М_MAX > М_{C MAX,}

Момент, создаваемый двигателем при пуске:

М _ПУСК

М _ПУСК = М_Н ----------- =240,4·1,4=336,6 (Н м)

М _Н

Статистический момент сопротивления нагрузки при пуске принимают равным максимальному статистическому моменту, по пусковому моменту выбранный двигатель удовлетворяет заданным условиям.

2.6.5. Потребляемая мощность двигателя:

Р _НОМ 37

Р ₁ = -------- = -------- = 40,4 (кВт)

η 0,915

2.6.6. Номинальный и пусковые токи:

Р _НОМ 37·1000

I _НОМ = = = 68,3 ( А)

3 U_НОМ η cos φ _Н 1,73∙380·0,915·0,9

I _ПУСК = 7 I _НОМ =7∙68,3 =478,1 (A)

2.6.7. Номинальное и критическое скольжение:

n₀ - n₁ 1500 - 1470

S _Н= ----------- = ----------------- =0,02

n₀ 1500

S _K= S _H ( + ²-1 )=0,02· (2,3+ 2,3²-1 )= 0,087

Механическая характеристика М=f (S) строится по упрощённой формуле:

2 М _К 2·552,9

М= ---------- = ---------------- = ( Н м)

S_K S 0,087 S ___________

----- + ---- ------- + -------

S S_К S 0,087

Задаваясь различными значениями скольжения от 0 до 1, находят соответствующие значения момента. Частоту вращения ротора определяют из уравнения n= n₀ (1- S).

2.5.8. Результаты расчётов заносят в таблицу. Механические характеристики представлены рис 2.3. и рис. 2.4

S_л Sн Sк 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

М (Н м) 241 553 0 405 230 т157 119 9,5

n, (об/мин) 1470 1369 1500 1200 900 800 300 0

2.5.9. По расчетному току, I _НОМ = 68,3 ( А) сечение проводов по условиям нагрева- 35 мм ²: три провода одножильных с алюминиевыми жилами;

2.5.10.Проверка выбранного сечения по потере напряжения;

потери напряжения в линии длиной 50 м: С=44

DU% = PL/CS,

DU% = 40,4х50 /44 х 35=1.32% , где

Р – нагрузка, кВт; L – длина линии, м; S – сечение провода, мм².

2.5.11.По пусковому току выбрать плавкую вставку предохранителя.

Плавкую вставку для защиты электродвигателя выбирают по условию:

I_{ном.пл.вст.} ³ = 478,1 / 2 = 239 А, где

I_пуск. – пусковой ток электродвигателя;

a - коэффициент кратковременной перегрузки плавкой вставки;

a = 2,0 – для двигателей, пускаемых под нагрузкой;

Предохранитель ПН2-250. Номинальный ток плавкой вставки 250А.

2.5.12. Проверка защиты выбранной плавкой вставки сечения проводов от

действия токов короткого замыкания.

Ток плавкой вставки предохранителя, служащего для защиты проводов от токов короткого замыкания, должен удовлетворять соотношению: , где

I_{ном.пл.вст.}= 250А – номинальный ток плавкой вставки;

I_доп. =95А– допустимый ток по условиям нагрева для защищаемого провода.

Механические характеристики двигателя

Рис. 1.1.	Рис. 1.2.
Рис. 1.3.	Рис. 1.4.
Рис. 1.5.	Рис. 1.6.
Рис. 1.7.	Рис. 1.8.

Рис. 1.9.	Рис. 1.10.
Рис. 1.11.	Рис. 1.12.
Рис. 1.13.	Рис. 1.14.
Рис. 1.15.	Рис. 1.16.

Рис. 1.17.	Рис. 1.18.
Рис. 1.19.	Рис. 1.20.
Рис. 1.21.	Рис. 1.22.
Рис. 1.23.	Рис. 1.24.

Рис. 1.25.	Рис. 1.26.
Рис. 1.27.	Рис. 1.28.
Рис. 1.29.	Рис. 1.30.
Рис. 1.31.	Рис. 1.32.

Рис. 1.33.	Рис. 1.34.
Рис. 1.35.	Рис. 1.36.
Рис. 1.37.	Рис. 1.38.
Рис. 1.39.	Рис. 1.40.

Рис. 1.41.	Рис. 1.42.
Рис. 1.43.	Рис. 1.44.
Рис. 1.45.	Рис. 1.46.
Рис. 1.47.	Рис. 1.48.

Рис.1.49. Рис. 1.50.

Варианты задания №1. Таблица 1

№ ва-рианта	№ схем	Е, В	f, Гц	С1, мкФ	С2, мкФ	С3, мкФ	L1, мГн	L2, мГн	L3, мГн	R1, Ом	R2, Ом	R3, Ом
					-	-	-	31,8	63,7
				-	-		25,5	22,3	15,9
						-	-	-	25,5
				-		-	15,9	-	47,7
					-		-	22,3	-		-
						-	15,9	-	31,8		-
				-	-		47,7	-	31,8	-
				-		-	-	-	25,5
				-		-	47,7	-	-
				-		-	31,8	-	22,3		-
					-		-	18,6	-
				-			53,1	-	-		-
				-	-		13,3	-	-
					-		-	21,2	-
						-	-	13,3	-
				-			13,3	-	-	-
						-	-	26,5	21,2			-
							-	-	26,5	-
				-		-	26,5	-	18,6			-
				-	-		26,5	18,6	-
				-	-		47,7	31,8	47,7		-
				-			47,7	31,8	-	-
							-	-	31,8
						-	-	-	26,5	-
				-	-	-	31,8	47,7	-
						-	-	-	13,3		-
					-		21,2	13,3	-		-
				-	-		53,1	-	53,1
				-			-	-	53,1
						-	-	26,5	26,5	-
					-		-	-	13,3	-
				-	-		13,3	18,6	53,1		-
					-		-	-	13,3

№ ва-риант	№ схемы	Е, В	f, Гц	С1, мкФ	С2, мкФ	С3, мкФ	L1, мГн	L2, мГн	L3, мГн	R1, Ом	R2, Ом	R3, Ом
					-		-	21,2	13,3	-
				-	-		26,5	21,2	-
					-		-	31,8	15,9		-
					-		-	-	15,9
				-			15,9	-	47,7		-
				-	-		31,8	25,5	47,7		-
					-		-	25,5	47,7
				-			15,9	-	-
					-	-	-	22,3	25,5		-
					-		-	22,3	-
							-	-	31,8
				-			31,8	-	22,3	-
							-	63,7	-			-
				-		-	25,5	-	22,3
							-	-	25,5		-
						-	-	25,5	31,8
				-			15,9	-	15,9

Технические данные асинхронных двигателей трехфазного тока

с короткозамкнутым ротором закрытого обуваемого исполнения серии « 4A».

Таблица 2.

Тип двигателя	Номиналь-ная мощность, кВт	При номинальной нагрузке	Кратность пускового тока	Кратность моментов
		частота вращения об/мин	к.п.д. %	Коэфф. мощности		Пуско- вого	Макси- мального
	Р ном	n	η	Cos φ	I ПУСК ------------------- I НОМ	М ПУСК ------------ М НОМ	М МАКС ------------ М НОМ
Синхронная частота вращения 3000 об/мин
4АС71А2У3	0,75		77,0	0,87	5,5	2,0	2,2
4АС80А2У3	1,5		81,0	0,85	6,5	2,1	2,6
4АС80В2У3	2,2		83,0	1,87	6,5	2,1	2,6
4АС902У3	3,0		84,5	0,88	6,5	2,1	2,5
4АС1002У3	4,0		86,5	0,89	7,5	2,0	2,5
4АС112М2У3	7,5		87,5	0,88	7,5	2,0	2,8
4АС132С2У3	11,5		88,0	0,9	7,5	1,6	2,2
4АС1602У3	15,0		88,0	0,90	7,0	1,4	2,2
4АС160М2У3	18,5		88,5	0,92	7,0	1,4	2,2
4АС1802У3	22,0		88,5	0,91	7,5	1,4	2,5
4АС180М2У3	30,0		90,5	0,90	7,5	1,4	2,5

4АС200М2У3	37,0		90,0	0,92	7,5	1,4	2,2
4АС2002У3	45,0		91,0	0,92	7,5	1,4	2,5
4АС225М2У3	55,0		91,0	0,92	7,5	1,4	2,5
Синхронная частота вращения 1500 об/мин
4АС71А4У3	0,55		70,5	0,70	4,5	2,0	2,2
4АС80В4У3	1,5		77,0	0,83	5,0	2,0	2,2
4АС904У3	2,2		80,0	0,83	6,0	2,1	2,4
4АС1004У3	3,0		82,0	0,83	6,0	2,0	2,4
4АС100М4У3	4,0		84,0	0,84	6,0	2,0	2,4
4АС1324У3	7,5		87,5	0,86	7,5	2,2	3,0
4АС132М4У3	11,0		87,5	0,87	7,5	2,2	3,0
4АС1604У3	15,0		88,5	0,88	7,0	1,4	2,3
4АС160М4У3	18,5		89,5	0,88	7,0	1,4	2,3
4АС1804У3	22,0		90,0	0,90	6,5	1,4	2,3
4АС180М4У3	30,0		91,0	0,89	6,5	1,4	2,3
4АС200М4У3	37,0		91,0	9,0	7,0	1,4	2,3
4АС200М4У3	45,0		92,0	0,90	7,0	1,4	2,5
4АС225М4У3	55,0		92,5	0,90	7,0	1,3	2,5

Синхронная частота вращения 1000 об/мин
4АС71 6 У3	0,55		67,5	0,71	4,0	2,0	2,2
4АС80А6У3	1,1		74,0	0,74	4,0	2,0	2,2
4АС100 6У3	2,2		81,0	0,73	5,0	2,0	2,2
4АС112М6У3	3,0		81,0	0,76	6,0	2,0	2,5
4АС112МВ6У3	4,0		82,0	0,81	6,0	2,0	2,5
4АС132М6У3	7,5		85,5	0,81	6,5	2,0	2,5
4АС160 6У3	11,0		86,0	0,86	6,0	1,2	2,0
4АС160М6У3	15,0		87,5	0,87	6,0	1,2	2,0
4АС180М6У3	18,5		88,0	0,87	6,0	1,2	2,0
4АС200М6У3	22,0		85,5	0,91	6,5	1.5	2,1
4АС225 6У3	33,5		81,0	0,91	6,5	1,5	2,1
4АС506У3	40,0		89,0	0,90	6,5	1,5	2,1
4АС250М6У3	45,0		86,5	0,88	6,5	1,5	2,1

Варианты задания № 2. Таблица 3.

№ варианта	Q м3/с	Н, м	n об/мин	L м	№ варианта	Q м3/с	Н, м	n об/мин	L м
	0,042					0,027
	0,038					0,031
	0,035					0,049
	0,040					0,044
	0,025					0,028
	0,045					0,025
	0,05					0,043
	0,038					0,036

	0,030					0,020
	0,052					0,053
	0,042					0,027
	0,037					0,030
	0,034					0,020
	0,027					0,03
	0,031					0,032
	0,049					0,049
	0,044					0,044
	0,028					0,028
	0,025					0,025
	0,043					0,043
	0,036					0,036
	0,020					0,020
	0,053					0,053
	0,027					0,027
	0,030					0,030

Таблица 4

Наши рекомендации

UНОМ.,В	Система сети	Значение коэффициента С для проводов
медных	алюминиевых
380/220	Трехфазная с нейтральным проводом
220/127	То же		14,7
	Трехфазная без нейтрального провода
	То же		14,7