Хусаев Н.С., Матвеевская А.А.

Электротехника и электроника: методическое пособие для выполнения расчетно-графической работы. – Улан-Удэ.: Изд-во Бурятской ГСХА, 2016.

Пособие соответствует требованиям федерального государственного стандарта высшего образования подготовки бакалавров по направлению 35.03.06 «Агроинженерия».

Приведены задания и методика выполнения расчетно-графической работы, охватывающей все основные разделы курса «Электротехника и электроника».

Предназначено для самостоятельной работы обучающихся вузов всех форм обучения при выполнении расчетно-графических работ по курсу «Электротехника и электроника».

Хусаев Н.С., Матвеевская А.А., 2016 ©Бурятская государственная сельскохозяйственная академия

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………4

1. Общие указания к выполнению и оформлению расчетной графической работы………………………………………………………………………………5

2. Варианты заданий расчетно-графической работы…………………………7

3. Задания расчетно-графической работы…………………………………….9

4. Методические указания к выполнению расчетно-графической работы….25

Литература……………………………………………………………………….55

Введение

Методические указания к выполнению расчетно-графических работ являются составной частью учебно-методического комплекса (УМК) по дисциплине «Электротехника и электроника» для направления подготовки бакалавров: 35.03.06 - Агроинженерия. Тематика и содержание расчетно-графических работ (РГР) составлены в соответствии с требованиями Государственных образовательных стандартов и с рекомендациями типовой программы дисциплины «Электротехника и электроника», рекомендованной Минобразованием России для данного направления подготовки бакалавров. Целью РГР по курсу «Электротехника и электроника» является развитие инженерного мышления, приобретение знаний, необходимых для изучения специальных дисциплин, связанных с проектированием и эксплуатацией электротехнического оборудования. Выполнение обучающимися РГР способствует получению ими знаний, умений и навыков, необходимых для квалифицированного использования того или иного электротехнического устройства в процессе решения проектно-конструкторских задач и правильного выбора необходимых электротехнических и электроизмерительных устройств; умению правильно эксплуатировать эти устройства.

1. Общие указания к выполнению и оформлению расчетной

Графической работы

1. К выполнению расчетно- графической работы (РГР) обучающийся должен приступить после изучения теоретического материала.

2. РГР должна быть выполнена в срок, указанный в учебном графике.

3. Обучающийся должен выполнить РГР по определенному варианту в соответствии со своим шифром, определяемым по последним цифрам зачетной книжки.

4. Каждая РГР выполняется на листах формата А4 с соблюдением правил оформления, условия задач переписываются полностью.

5. Обучающийся должен изучить условие задачи, уяснить, какие величины являются заданными и какие искомыми и сделать краткую запись условия задачи.

6. Следует составить и начертить электрическую схему, соответствующую условию задачи, показать на ней все заданные и искомые величины. Схемы, векторные диаграммы и графики должны выполняться карандашом с применением чертежных инструментов. При выполнении схем следует пользоваться условными графическими обозначениями, установленными ЕСКД.

7. Решение задач необходимо сопровождать краткими и четкими пояснениями.

8. Вычисление следует производить с необходимой точностью до двух знаков после запятой.

9. Обозначение электрических величин в тексте, в формулах, на векторных диаграммах и на электрических схемах должны быть одинаковыми и соответствовать ГОСТу.

10. При решении задач следует пользоваться Международной системой единиц СИ. Буквенные обозначения единиц измерения ставятся только после окончательного результата и в скобки не заключаются, например, 10 А; 380 В; 660 Вт.

11. Векторные диаграммы должны быть построены в масштабе на миллиметровой бумаге. Принятые масштабы должны быть указаны.

12. В конце расчетной графической работы необходимо привести список использованной литературы.

Варианты заданий расчетно-графической работы

Расчетно-графическая работа состоит из девяти задач и одного вопроса. Задачи посвящены темам «Электрические цепи постоянного тока»,«Электромагнетизм», «Цепи однофазного переменного тока», «Трехфазные цепи», «Трансформаторы», «Электрические машины переменного тока», «Выпрямители».

Задания для расчетной графической работы составлены в 50 вариантах. Вариант расчетно-графической работы определяется двумя последними цифрами шифра обучающегося по табл. 1.

Таблица 1. Варианты заданий расчетно-графической работы

№ варианта

Последние цифры шифра

Номера задач

№ варианта

Последние цифры шифра

Номера задач

Продолжение таблицы 1.

Задания расчетно-графической работы

Задачи № 1-10

Цепь, состоящая из пяти резисторов, подключена к источнику электрической энергии, напряжение на зажимах которого U_AB(Рис. 1) Токи в резисторах соответственно равны I₁,I₂, I₃, I₄, I₅.

Определить величины, отмеченные знаками вопроса в табл.2.

Рис. 1.

Таблица 2. Исходные данные к задачам № 1-10

№ задач

UAB

UCD

RAB

RCD

R1

R2

R3

R4

R5

I1

I2

I3

I4

I5

В

В

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

А

А

А

А

А

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

7,5

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

1,6

2,4

Задача № 11

Проводник длиной l = 20 см находится в магнитном поле с индукцией В = 1,5 Тл и присоединен к зажимам сети напряжением U = 5 В, как показано на рис. 2. Сопротивление проводника R₀ = 0,2 Ом. Вследствие взаимодействия тока с магнитным полем проводник движется со скоростью V = 10 м/с перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции.

Определить ток в проводнике и действующую на него электромагнитную силу.

Рис. 2.

Задача № 12

Определить напряженность и магнитную индукцию на средней линии кольцевой катушки с радиусом R_СР = 10 см, если число витков ω = 1000; по катушке протекает ток I = 2.5 А. Сердечник выполнен из неферромагнитного материала.

Задача № 13

Цилиндрическая катушка с немагнитным сердечником (относительная магнитная проницаемость μ = 1), у которой длина l = 0,3 м намного больше диаметра d = 0.04 м, имеет обмотку с числом витков ω = 400, распределенную равномерно по длине сердечника. В обмотке катушки протекает ток I = 2 А, создавая вокруг нее магнитный поток Ф.Определить значение магнитного потока Ф и индуктивность катушки L.

Задача № 14

В равномерном магнитном поле с индукцией В = 0,5 Тл перпендикулярно к линиям поля перемещается проводник длиной l = 20 см. К проводнику присоединен потребитель, сопротивление которого R = 1 Ом.

Определить электромагнитную силу, действующую на проводник, если сопротивление самого проводника R₀ = 0,2 Ом.

Задача № 15

Определить индуктивность L цилиндрической катушки без сердечника, если она имеет длину l = 10 см, радиус витка R = 2 см, а число витков 300. Определить величину ЭДС самоиндукции, если ток в катушке увеличивается со скоростью = 100 А/с.

Задача № 16

Кольцевая катушка имеет число витков ω = 500. Внутренний радиус катушки R₁= 10 cм, внешний радиус R₂ = 15 cм; витки катушки равномерно распределены вдоль немагнитного сердечника (относительная магнитная проницаемость μ = 1). Ток в катушке I = 2 А.

Определить напряженность магнитного поля Н, магнитную индукцию В на осевой (средней) линии катушки.

Задача № 17

Прямолинейный провод с током расположен в однородном магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции поля В = 1,2 Тл. Под действием электромагнитной силы F_ЭМ провод переместился на расстояние b = 50 см, ток в проводе I = 10 А.

Определить электромагнитную силу F_ЭМ и механическую работу А, совершаемую этой силой при перемещении провода.

Задача № 18

Определить индуктивность L кольцевой катушки (без сердечника) и скорость нарастания тока , если она имеет число витков ω = 1200; средний радиус R_СР = 5 см; площадь поперечного сечения S = 20 см². По катушке протекает ток, при этом в катушке наводится ЭДС самоиндукцией e_L = -3 В.

Задача № 19

По проводу длиной l = 60 см, находящемуся в однородном магнитном поле с индукцией В = 1,2 Тл и расположенному в плоскости, перпендикулярной направлению поля, протекает ток I от источника питания с напряжением U = 7 В. На провод действует электромагнитная сила F_ЭМ, перемещающая его со скоростью V = 8 м/с. Сопротивление провода с подводящими проводами R = 0,5 Ом.

Определить значение тока I₀ при неподвижном проводе, противо-ЭДС, наведенную в проводе, и ток Iпри его перемещении.

Задача № 20

По прямолинейному проводу воздушной линии протекает ток I = 250А.

Определить напряженность магнитного поля Н и магнитную индукцию В в точке, расположенной от провода на расстоянии а = 0,5 м.

Начертить проводник. Задавшись направлением тока в проводе, показать направление векторов и в точке М.

Задача № 21

В сеть переменного тока напряжением U = 220В с частотой f = 50Гц включена катушка с активным сопротивлением R = 12 Ом и индуктивностью L = 51 мГн.

Определить индуктивноеX_L и полное Z сопротивления цепи; показания амперметра и вольтметра, включенных в цепь.

Начертить схему цепи и построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 22 В/см. Пояснить построение диаграммы.

Задача № 22

В сеть переменного тока напряжением U = 110В с частотой f = 50Гц включена катушка с активным сопротивлением R = 8Ом и индуктивностью L= 19 мГн.

Определить индуктивноеX_L и полное Z сопротивления цепи; показания амперметра и вольтметра, включенных в цепь.

Начертить схему цепи и построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 22 В/см. Пояснить построение диаграммы.

Задача № 23

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц включена катушка индуктивности. Полная мощность цепи S = 625 ВА, коэффициент мощности cosφ = 0.6; показание амперметра I = 5 А.

Определить активноеR, индуктивноеX_L и полное Z сопротивления; показания вольтметра и ваттметра, включенных в цепь.

Начертить схему цепи и построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 25 В/см. Пояснить построение диаграммы.

Задача № 24

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц включена катушка индуктивности. Полная мощность цепи S = 250 ВА, коэффициент мощности cosφ = 0.6; показание амперметра, включенного в цепь I = 5 А.

Определить активноеR, индуктивноеX_L и полное Z сопротивления; показания вольтметра и ваттметра, включенных в цепь.

Начертить схему цепи и построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 5 В/см. Пояснить построение диаграммы.

Задача № 25

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц включена катушка индуктивности. Полная мощность цепи S =320 ВА, коэффициент мощности cosφ = 0.8; показание амперметра, включенного в цепь, I = 4А.

Определить активноеR, индуктивноеX_L и полное Z сопротивления; показания вольтметра и ваттметра, включенных в цепь.

Начертить схему цепи и построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 20 В/см. Пояснить построение векторной диаграммы.

Задача № 26

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц последовательно включены резистор и конденсатор емкостью C = 106 мкФ. Ток в цепи I = 6А, напряжение питающей сети U = 600 В.

Определить емкостное сопротивление X_С, активное сопротивление резистора R, полное сопротивление цепиZ; активную Р, реактивную Qи полную S мощности; коэффициент мощности цепи (cosφ).

Начертить схему цепи с приборами для измерения напряжения и активной мощности. Построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 60 В/см. Пояснить построение векторной диаграммы.

Задача № 27

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц последовательно включены резистор и конденсатор. Полная мощность цепи S = 80 ВА, ток I = 2А, коэффициент мощности цепи cosφ = 0.8.

Определить емкостное сопротивление X_С конденсатора, активное сопротивление резистора R, полное сопротивление цепиZ; напряжение U, активную Р, реактивную Qмощности.

Начертить схему цепи с приборами для измерения тока, напряжения и активной мощности. Построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 8 В/см. Пояснить построение векторной диаграммы.

Задача № 28

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц последовательно включены резистор и конденсатор. Ток в цепи I = 2А, напряжение U = 40 В, активная мощность Р = 64 Вт.

Определить емкостное сопротивление X_С, активное сопротивление резистора R, полное сопротивление цепиZ; реактивную Qи полную S мощности цепи; коэффициент мощности цепи cosφ.

Начертить схему цепи с приборами для измерения тока, напряжения и активной мощности. Построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 6 В/см. Пояснить построение векторной диаграммы.

Задача № 29

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц последовательно включены резистор с активным сопротивлением R = 16 Ом и конденсатор. Напряжение сети U = 100 В, ток в цепи I = 5А.

Определить емкостное сопротивление X_С конденсатора, полное сопротивление цепиZ; полную S, активную Ри реактивную Qмощности цепи; коэффициент мощности цепи cosφ.

Начертить схему цепи с приборами для измерения тока, напряжения и активной мощности. Построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 20 В/см. Пояснить построение векторной диаграммы.

Задача № 30

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц последовательно включены резистор с активным сопротивлением R = 24 Ом и конденсатор емкостьюС = 100 мкФ. Напряжение питающей сети U = 400 В.

Определить емкостное сопротивление X_С конденсатора, полное сопротивление цепиZ; полную S;ток цепи I;активную Ри реактивную Qи полную Sмощности цепи.

Начертить схему цепи с приборами для измерения тока, напряжения и активной мощности. Построить векторную диаграмму тока и напряжений в масштабе m_U= 60 В/см. Пояснить построение векторной диаграммы.

Задачи № 31-35

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц последовательно включены резистор Rи конденсатор с емкостным сопротивлением X_C, величины которых приведены в табл. 3. Кроме того, известна одна из дополнительных величин (I, Р, Q).

Начертить схему цепи и определить следующие величины:

1. Полное сопротивление цепи Z;

2. Напряжение U, приложенное к цепи;

3. Силу тока в цепи I;

4. Коэффициент мощности ( cosφ ) цепи;

5. Активную Р, реактивную Q и полную S мощности, потребляемые цепью.

Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи и пояснить ее построение.

Таблица 3. Исходные данные к задачам №31-35

№ задач	R	XC	Дополнительная величина
Ом	Ом
			I = 2 A
			Р = 180 Вт
			Q = 48 вар
			I = 4 A
			Р = 48 Вт

Задачи № 36-40

В сеть переменного тока частотой f = 50 Гц последовательно включены резистор сопротивлением R, реактивные сопротивления X_LиX_C, величины которых заданы в табл. 4. Кроме того, известна одна из дополнительных величин (I,U, Р, Q, S).

Начертить схему цепи и определить следующие величины:

1. Полное сопротивление цепи Z;

2. Напряжение U, приложенное к цепи;

3. Силу тока в цепи I;

4. Коэффициент мощности цепи cosφ;

5. Активную Р, реактивную Q и полную S мощности, потребляемые цепью.

Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи и пояснить ее построение.

Таблица 4. Исходные данные к задачам № 36-40

№ задач	R	XL	Дополнительная величина
Ом	Ом
			I = 8 A
			Р = 256 Вт
			S = 30 BA
			U = 30 B
			Q = 48 вар

Задачи 41-50

На рис. 3 изображена схема воздушной линии электропередачи к потребителю мощностью Р₂ и напряжением потребителя U₂, длина линии l.

Определить ток в линии I и площадь поперечного сечения S проводов линии, если известна допустимая относительная потеря напряжения в линии е, материал и удельная проводимость γ проводов линии.

Определить сопротивление проводов линии R_ПР, абсолютную потерю напряжения △U, потерю мощности △Р в линии и коэффициент полезного действия линии η.

Числовые значения исходных величин указаны в табл. 5.

Рис. 3.

Таблица 5. Исходные данные к задачам № 41-50

№ задач	Значения величин и единицы измерения
Р2	U2	l	γ	е	Материал проводов
кВт	В	м		%
	9,9			34,5		Алюминий
						Медь
	15,2			34,5		Алюминий
				34,5		Алюминий
	24,2					Медь
				34,5		Алюминий
	22,8					Медь
	9,12					Медь
				34,5		Алюминий
	25,3					Медь

Задачи № 51-55

В трехфазную четырехпроводную цепь напряжением U_Л включены звездой приемники энергии. Мощность приемников в фазе А – Р_А; в фазе В – Р_В; в фазе С – Р_С. Для всех приемников cosφ = 1.

Начертить схему цепи и определить фазное напряжение U_Ф, фазные и линейные токи: I_Ф, I_Л; активную мощность всей цепи Р.

Построить в масштабе векторную диаграмму напряжений и токов; по векторной диаграмме определить ток в нулевом проводе I₀. Данные для своего варианта выбрать из табл.7.

Таблица 6. Исходные данные к задачам № 51-55

Исходные данные	Номера задач
Линейное напряжение UЛ, В
Мощность в фазе А, РА кВт		1,2	2,2	1,65
Мощность в фазе В, РВ кВт		0,8	4,4	1,1
Мощность в фазе С, РС кВт		1,6		2,2

Задачи № 56-60

В трехфазную сеть напряжением U_Л включен треугольником потребитель мощностью Р при коэффициенте мощности cosφ.

Начертить схему цепи и определить фазное напряжение U_Ф; фазный и линейный токи I_Ф, I_Л потребителя; полнуюSи реактивную Qмощности потребителя.

Построить в масштабе векторную диаграмму токов и напряжений. Данные взять из табл.7.

Таблица 7. Исходные данные к задачам № 56-60

Исходные данные	Номера задач
Линейное напряжение UЛ, В
Активная мощность Р, кВт	2,59	1,86	3,68	3,08	2,87
Коэффициент мощности cosφ	0,6	0,8	0,85	0,8	0,77

Задачи № 61-70

Понижающий однофазный двухобмоточный трансформатор подключен к сети напряжением U_{1 ном} = 220 В. Трансформатор работает в номинальном режиме и подключен к активно-индуктивной нагрузке. Коэффициент полезного действия трансформатора η_н = 0,8; коэффициент мощности вторичной цепи cosφ_2н = 0,91.

Определить значения величин, отмеченных в табл. 8 знаком вопроса.

Таблица 8. Исходные данные к задачам № 61-70

№ задач	Значения величин и единицы измерения
U2 ном	I2 ном	Sном	P1 ном	P2 ном	K
В	А	ВА	Вт	Вт	-
	?			?	?	?
		?	?		?	?
	?		?	?		?
		?	?		?	?
	?		?	?	?	?
	?	?	?		?
		?		?	?	?
		?		?	?	?
	?		?	?	?
	?	?	?	?

Задачи № 71-80

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором в номинальном режиме потребляет из сети мощность P_{1 н} при напряжении U_ном и токе I _ном. Двигатель развивает момент М_ном при частоте вращения n_ном. Эти величины заданы в табл. 9.

Определить:

1. Номинальную мощность двигателя Р_ном;

2. КПД двигателя η_ном;

3. Коэффициент мощности cosφ_ном;

4. Номинальное скольжение s_ном;

5. Число пар полюсов двигателя р.

Таблица 9. Исходные данные к задачам № 71-80

№ задач
P1	U ном	I ном	Мном	nном
кВт	В	А	Н*м	об/мин
			23,5
	12,55
	8,62		26,7
	80,6
			24,8
	1,5		2,77	7,5
	6,6		5,7
			6,7

Задачи № 81-85

Составить схему однополупериодного выпрямителя, использовав диоды, параметры которых, а также мощность потребителя Р_П с напряжением U_П заданы в табл. 10.

Пояснить порядок составления схемы.

Таблица 10. Исходные данные к задачам № 81-85

№ задач	Тип диода	IДОП	UОБР	РП	UП
А	В	Вт	В
	Д209	0,1
	Д233
	Д304
	Д205	0,4
	Д226	0,3

Задачи № 86-90

Составить схему двухполупериодного выпрямителя, использовав диоды, параметры которых, а также мощность потребителя Р_П с напряжением U_П заданы в табл. 11.

Пояснить порядок составления схемы для указанных диодов.

Таблица 11. Исходные данные к задачам № 86-90

№ задач	Тип диода	IДОП	UОБР	РП	UП
А	В	Вт	В
	Д232
	Д303
	Д207	0,1
	Д305
	Д222	0,4

Задание № 91-100

В данном задании требуется ответить на вопрос, согласно своему варианту.

91. Кратко опишите виды электропроводности полупроводников и влияние примесей на их проводимость.

92. кратко опишите свойства p-n-перехода, приведите и поясните его вольт-амперную характеристику.

93. Кратко опишите устройство полупроводникового диода. На рисунке покажите включение диода в прямом и обратном направлениях. Поясните, почему полупроводниковый диод считается полупроводниковым вентелем.

94. Начертите структурную схему выпрямителя переменного тока, поясните 95. Приведите рисунок электронно-лучевой трубки. Кратко опишите ее устройство и применение.

96. Кратко опишите устройство полупроводникового триода p-n-p типа; на рисунке покажите его включение в схему, поясните назначение электродов, укажите применение транзисторов.

97. Кратко опишите устройство и технологию изготовления полупроводниковых и гибридных интегральных микросхем. Укажите их преумущества и применение в современных электронных приборах.

98. Приведите схему простейшего усилителя электрических колебаний на транзисторе p-n-p типа, включенном по схеме с общим эмиттером, кратко опишите процесс усиления колебаний.

99. Опишите устройство фотоэлементов с внешним фотоэффектом. приведите их характеристики, укажите область применения.

100. Поясните назначение и укажите типы фильтров в схемах выпрямителей переменного тока. Приведите графики выпрямленного напряженияс фильтрами и без них.