Методические указания к изучению курса и

Выполнению контрольных работ

Материал, изучаемый студентом по учебнику, необходимо конспектировать, выделяя основные определения и формулы. Особое внимание должно быть уделено задачам и вопросам для самопроверки, а также разбору решений типовых примеров, помещенных в учебниках.

Приступать к выполнению очередной контрольной работы следует после изучения необходимого материала и решения достаточного числа задач из рекомендуемой литературы.

При оформлении каждой задачи следует приводить исходную схему с принятыми позиционными обозначениями и числами заданных значений. Электрические схемы вычерчиваются в условных обозначениях, соответствующих действующим ГОСТам. Графики должны быть выполнены в масштабе, на осях координат должны быть указаны откладываемые значения физических величин.

При оформлении контрольной работы нужно указывать необходимые расчетные формулы. Решение задач не следует перегружать приведением всех алгебраических преобразований. Каждый этап решения задачи должен иметь пояснение. Вычисления следует выполнять с точностью до третьей значащей цифры.

Контрольные работы выполняются на отдельных листах белой бумаги формата А4, оставляя поля: справа - 15 мм, сверху - 20 мм, снизу и слева - 25 мм.

В начале каждой задачи следует привести условие, расчетную схему и исходные данные для своего варианта.

Решение задач обязательно ведут в системе СИ с указанием единиц физических величин.

На титульном листе контрольной работы должно быть указано наименование министерства, университета и кафедры, фамилия, инициалы и шифр студента, фамилия преподавателя.

В конце работы необходимо привести список использованной литературы, затем поставить дату окончания работы и свою подпись.

После получения работы с рецензией преподавателя надо исправить отмеченные ошибки, выполнить все его указания и повторить недостаточно усвоенный материал.

Если контрольная работа получила неудовлетворительную оценку, то студент выполняет ее снова и отправляет на повторную проверку.

В случае возникновения затруднений при выполнении контрольной работы студент может обратиться на кафедру «Промышленная электроника и электротехника» для получения консультации.

Контрольная работа считается зачтенной после защиты во время сессии.

Сдача экзамена разрешается студентам, получившим положительные оценки по всем контрольным работам и имеющим зачет по лабораторным работам.

Программа курса

«Электротехника и электроника»

Распределение видов занятий согласно программе приведено ниже в таблице.

Вид занятий	Продолжительность, ч	Семестры
VI	VII
Установочные лекции
Обзорные лекции
Лабораторные работы
Контрольные работы	4 к. раб.	2 к. раб.	2 к. раб.
Зачет		да
Экзамен			да

2.1. Цель и задачи дисциплины

Целью изучения дисциплины является овладение базовой электромеханической подготовкой, необходимой для исследования электромагнитных процессов в электротехнических и электромеханических устройствах, а также элементах электронной техники.

Задачи изучения дисциплины состоят в освоении:

- общих методов расчета и экспериментального исследования электрических цепей;

- приемов построения эквивалентных схем на основе соотношений электромагнетизма;

- способов формирования схемотехнических моделей и их анализа.

2.2. Требования к итоговым знаниям студентов

После изучения дисциплины студент должен:

- знать основы теории электрических и магнитных цепей;

- уметь читать и составлять электрические схемы;

- рассчитывать электрические цепи постоянного и переменного токов;

- знать устройство, принцип действия, основные характеристики трансформаторов и электрических машин;

- проводить в лабораторных условиях экспериментальные исследования с применением измерительной аппаратуры.

2.3. Минимум содержания образовательной

Программы (по ГОС)

Линейные и нелинейные электрические цепи постоянного тока; электрические цепи переменного тока; трехфазные электрические цепи; магнитные цепи с постоянными и переменными магнитодвижущими силами; основы электроники; полупроводниковые приборы; типы приборов, транзисторы; тиристоры; элементы оптоэлектроники; основы микроэлектроники; основы преобразовательной техники; усилители и генераторы; введение в импульсную технику; электрические машины и аппараты; основы электропривода.

Тематика контрольных работ

Программой предусмотрено выполнение следующих четырех контрольных работ:

1. Анализ электрического состояния цепей постоянного и однофазного синусоидального тока.

2. Анализ электрического состояния трехфазных цепей и расчет однофазного трансформатора.

3. Анализ работы электрических машин постоянного и переменного токов.

4. Расчет и выбор параметров однокаскадного электронного усилителя напряжения и блока питания к нему.

Рекомендуемая литература

1. Касаткин, А.С. Электротехника /А.С. Касаткин, М.В. Немцов. –М.: AKADEMIA, 2005.

2. Немцов, М.В. Электротехника и электроника/ М.В. Немцов. –М.: ИЗДАТЕЛЬСТВО, 2003.

3. Электротехника и электроника: Учеб. для вузов: В 3 кн. /В. И. Киселев, А. И. Копылов и др.; Под ред. проф. В. Г. Герасимова. -М.: Энергоатомиздат, 1997.

4. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / Под ред . В.Г. Герасимова . –М .: Высш . шк ., 1987.

5. Шебес, М.Р. и др. Задачник по теории линейных электрических цепей. – М.: Высш. шк., 1982.

6. Рекус, Г.Г, Белоусов, А.И. Сборник задач по электротехнике и основам электроники. - М.: Высш. шк ., 1991.

7. Гусев, В.Г., Гусев, Ю.М. Электроника: Учеб. пособие. –2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1991

8. Полупроводниковые приборы. Транзисторы: Справ../Под ред.
Н.Н. Горюнова. – М.: Энергоатомиздат, 1983.

9. Ильинский, Н.Ф., Казаченко, В.Ф. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1992.

10. Справочник по электрическим машинам: В 2 т. / Под ред. И.П. Копылова, Б.К. Клокова. – М.: Энергоатомиздат, 1989.

Задания на выполнение контрольных работ.

3.1. Контрольная работа № 1

Контрольная работа №1 состоит из двух задач и посвящена анализу электрического состояния цепей постоянного и однофазного синусоидального тока.

Приступая к расчету электрических цепей, необходимо иметь четкое представление о схемах соединения (последовательное, параллельное, смешанное) как приемников, так и источников электрической энергии, методах расчета линейных электрических цепей.

Задача 1

Для электрической цепи (рис. 1.1... 1.50) по заданным в табл. 1 сопротивлениям и ЭДС выполнить следующее:

- составить систему уравнений, необходимых для определения токов по законам Кирхгофа;

- найти все токи в ветвях, пользуясь методом контурных токов;

- проверить правильность решения, применив метод узлового напряжения ( предварительно упростить схему, заменив треугольник сопротивлений R₄ , R₅ и R₆ эквивалентной звездой);

- определить ток в резисторе R₆ методом эквивалентного генератора;

- определить показание вольтметра и составить баланс мощностей для заданной схемы;

- построить в масштабе потенциальную диаграмму для внешнего контура.

Таблица 1

Номер

Е1,

Е2,

Е3,

R01,

R02,

R03,

R1,

R2,

R3,

R4,

R5,

R6,

вар.

рис.

В

B

B

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 1.24 1.25 1.26 1.27 1.28 1.29 1.30 1.31 1.32 1.33 1.34 1.35 1.36 1.37 1.38 1.39 1.40 1.41 1.42 1.43 1.44 1.45 1.46 1.47 1.48 1.49 1.50

0,2 0,8 - - 0,9 0,4 0,8 - - 0,8 0,9 0,2 0,8 - 1,2 1,3 0,7 - 0,5 - 1,0 1,2 - - 1,0 0,6 0,6 0,3 - 0,8 0,2 0,8 - - 0,9 0,4 0,8 - - 0,8 0,9 0,2 0,8 - 1,2 1,3 0,7 - 0,5 -

- - 0,4 0,6 1,2 - 0,3 0,8 0,2 - - 0,6 1,4 0,4 0,6 - 1,5 0,4 - 1,0 - 0,9 0,8 0,7 0,4 0,8 - - 0,2 1,0 - - 0,4 0,6 1,2 - 0,3 0,8 0,2 - - 0,6 1,4 0,4 0,6 - 1,5 0,4 - 1,0

1,2 0,8 0,5 0,8 - 0,7 - 1,2 0,6 0,7 0,5 - - 1,2 - 1,2 - 0,4 0,5 0,8 1,2 - 0,8 1,2 - - 1,0 0,8 0,2 - 1,2 0,8 0,5 0,8 - 0,7 - 1,2 0,6 0,7 0,5 - - 1,2 - 1,2 - 0,4 0,5 0,8

3,5 2,7 9,0 2,5 4,2 3,5 2,0 3,0 6,0 2,5 3,5 4,5 5,0 8,0 3,0 1,0 1,0 2,0 1,5 1,2 3,0 5,0 3,5 2,7 9,0 2,5 4,2 3,5 2,0 3,0 6,0 2,5 3,5 4,5

Таблица 1

Номер

Е1,

Е2,

Е3,

R01,

R02,

R03,

R1,

R2,

R3,

R4,

R5,

R6,

вар.

рис.

В

B

B

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Таблица 1

После изучения раздела “Электрические цепи постоянного тока” и выполнения задачи 1 студенты должны:

1. Знать области применения электротехнических устройств постоянного тока; способы соединения электрических устройств; методику составления уравнений электрического состояния линейных цепей; примеры нелинейных элементов и их вольт-амперные характеристики.

2. Понимать эквивалентность схем источников ЭДС и тока; смысл вольт-амперных характеристик, внешних характеристик генерирующих устройств; сущность энергетических процессов, происходящих в генерирующих и приемных устройствах; возможности осуществления взаимных преобразований схем соединений пассивных элементов треугольником и звездой.

3. Уметь проводить анализ линейных электрических цепей методами свертывания, непосредственного применения законов Кирхгофа, узлового напряжения; составлять уравнения баланса электрической мощности; определять ток любой ветви сложной электрической цепи методом эквивалентного генератора.

Задача № 2 посвящена анализу линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока комплексным методом.

В комплексном методе расчета электрических цепей переменного тока ЭДС, напряжения, токи и сопротивления представляют в виде комплексов. Комплексные значения величин, изменяющихся по гармоническому закону, обозначают, соответственно: , модули этих величин - E, U, I.

Комплекс полного сопротивления обозначают буквой Z, комплекс полной проводимости - буквой Y, модули этих величин - Z и Y.

Комплексные числа записываются в одной из следующих форм:

- алгебраическая форма =a + jb

- тригонометрическая форма =A (cosa + jsina)

- показательная форма =А e^ja

- полярная форма =А Ða,

где А - модуль комплексного числа А=

a - аргумент комплексного числа a = arctg

- мнимая единица.

Если напряжение и ток изменяются по закону синуса

u = U_m sin (wt + ψ_u ); i = I_m sin (wt + ψ_i ),

то эти величины в комплексной форме записываются:

.

Комплекс полного сопротивления цепи, состоящей из последовательно включенных R, L и С, записывается

Z = R + jwL - j = R + j(wL - ) = R +jX = Z e^jj,

где X = X_L - X_C = wL- - реактивное сопротивление цепи;

- полное сопротивление;

j = arctg (X/R) -угол сдвига фаз между напряжением и током в электрической цепи.

Задача 2

Для электрической цепи, схема которой изображена на рис. 2.1 ... 2.50, по заданным в табл. 2 параметрам и ЭДС источника питания:

1) рассчитать токи во всех ветвях цепи и напряжения на отдельных элементах;

2) составить баланс активной и реактивной мощностей;

3) построить в масштабе на комплексной плоскости векторную диаграмму токов и потенциальную диаграмму напряжений;

4) определить показания вольтметра и ваттметра.

Таблица 2

Номер варианта	Е,	f,	C1,	C2,	C3,	L1,	L2,	L3,	R1,	R2,	R3,
В	Гц	мкФ	мкФ	мкФ	мГн	мГн	мГн	Ом	Ом	Ом
			- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	- - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	- 15,9 - 15,9 - 15,9 15,9 - 15,9 15,9 - 31,8 31,8 - - 31,8 - - 31,8 31,8 15,,9 15,9 - - - - - - 19,1 - - 19,5 - - 15,9 15,9 - 9,55 - - 9,55 - - 15,9 - - 15,9	31,8 - - 47,7 - - - - - 15,7 - - 15,9 15,9 - 15,9 31,8 - - - - 31,8 - - - - - - - 15,9 15,9 15,9 - 31,8 31,8 - 31,8 31,8 - 15,9 15,9 - - 15,9 - - 31,8 -	15,9 15,9 15,9 15,9 - - 6,37 - - - - - - - - - - - - 31,8 31,8 31,8 - 31,8 31,8 - - - 31,8 31,8 31,8 31,8 31,8 31,8	- - - - - - - - - -	- - - - - - - - - - - - - -	- -

В результате изучения раздела “Однофазные цепи переменного синусоидального тока” и выполнения задачи 2 студенты должны:

1. Знать содержание терминов: резистор, сопротивление, индуктивная катушка, индуктивность, индуктивное сопротивление, конденсатор, емкость, емкостное сопротивление, фаза, начальная фаза, угол сдвига фазы, период, частота, угловая частота, мгновенное, действующее и среднее значения гармонических величин, полное, активное, реактивное, комплексное сопротивления и проводимости, полная, активная, реактивная, комплексная мощности, условия получения резонансов напряжений и токов.

2. Понимать особенности электромагнитных процессов и энергетические соотношения в цепях синусоидального тока, экономическое значение коэффициента мощности, особенности анализа простейших электрических цепей с магнитосвязанными элементами.

3. Уметь составлять уравнения электрического состояния линейных цепей; представлять гармонически изменяющиеся величины тригонометрическими функциями, графиками, вращающимися векторами и комплексными числами; строить векторные диаграммы; определять опытным путем параметры схемы замещения пассивных двухполюсников; с помощью электроизмерительных приборов измерять токи, напряжения и мощности в электрических цепях; строить потенциальную (топографическую) и векторные диаграммы.

Контрольная работа № 2

Контрольная работа № 2 состоит из двух задач и посвящена анализу электрического состояния трехфазных цепей и расчету однофазного трансформатора.

Совокупность трех ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе относительно друг друга на треть периода, называется трехфазной системой ЭДС.

Выражения для мгновенных значений ЭДС симметричного трехфазного источника имеют следующий вид:

В комплексной форме ЭДС записываются в виде

Электрическая цепь, в которой действует трехфазная система ЭДС, называется трехфазной цепью.

На рис. 3 показана схема трехфазной цепи, в которой фазы источника и приемника соединены звездой.

Рис. 3

Зажимы А, В, С источника и зажимы a, b, c приемника называют линейными зажимами. Провода, соединяющие линейные зажимы источника и приемника, называются линейными проводами. Точки N и n называются нейтральными точками источника и приемника, а провод, соединяющий эти точки, — нейтральным.

Напряжения между линейными зажимами называются линейными, а напряжения между линейными и нейтральными зажимами — фазными. Фазные напряжения источника равны соответствующим ЭДС.Токи в фазах источника и приемника называются фазными, токи в линейных проводах — линейными. Как видно из рис. 3, при соединении звездой фазный ток является одновременно линейным:

I_ф = I_л.

При наличии нейтрального провода трехфазная цепь называется четырехпроводной (рис.3). В четырехпроводной цепи, при пренебрежении сопротивлениями линейных и нейтрального проводов, линейные и фазные напряжения приемника равны соответствующим напряжениям источника и остаются неизменными независимо от величины и характера сопротивлений фаз приемника.

При отсутствии нейтрального провода (трехпроводная цепь) напряжение на фазах приемника зависит от величины и характера сопротивлений фаз. Поэтому соединение звездой без нейтрального провода применяется только для симметричных приемников.

При соединении приемника треугольником фазные напряжения приемника равны линейным. Если при этом сопротивления линейных проводов пренебрежимо малы, а мощность источника достаточно велика, то напряжения на фазах приемника не зависят от их сопротивления и поддерживаются источником жестко. Благодаря этому соединение треугольником может применяться для включения несимметричных приемников.

Задача 1

В трехфазную цепь с симметричным линейным напряжением U включен приемник, соединенный звездой или треугольником (табл. 3).

Требуется:

1) изобразить схему приемника;

2) рассчитать фазные и линейные токи, ток в нейтральном проводе (для четырехпроводной цепи – Y-0), активную, реактивную, полную мощности и коэффициент мощности приемника для заданного режима работы;

3) рассчитать параметры цепи при обрыве линейного провода или фазы нагрузки согласно заданию;

4) рассчитать параметры цепи при коротком замыкании фазы приемника (для четырехпроводной схемы при одновременном обрыве нулевого провода);

5) построить для заданных режимов работы топографичекие диаграммы напряжений и векторные диаграммы токов.

Таблица 3

Номер варианта	Схема соединения приемника	U, В	Сопротивления фаз приемника	Обрыв линейного провода	Короткое замыкание фазы	Обрыв фазы
Za, Ом	Zb, Ом	Zc, Ом	Zab, Ом	Zbc, Ом	Zca, Ом
	Y-0		6+j8	10–j10	5+j5					c	b
	Y		6–j8	8+j6	10+j5					b	a
	D					20+j15	20+j15	36–j24	B	-	ab
	D					10+j15	15–j15	10+j10	C	-	ca
	Y-0		10+j5	10+j10	6–j8					a	c
	Y		10+j10	15–j15	20+j20					c	a
	Y-0		16+j12	12–j16	9+j12					a	b
	D					12+j9	10+j10	10–j15	B	-	bc
	D					20–j10	10+j8	10+j10	A	-	bc
	D					20+j10	6+j8	10–j10	C	-	ca
	Y		6–j6	6+j8	8+j6					b	a
	D					10+j10	6+j8	10-j10	A	-	ab
	Y-0		5–j5	6+j8	8+j10					b	a
	Y		–j5	10+j8	8+j10					c	b
	Y-0		j10	6–j8	3+j4					a	a
	Y		–j5	3+j4	4–j3					b	c
	Y-0		j20	6–j8	5–j5					a	b
	Y		6+j10	10–j6	3+j4					c	c
	D					6–j8	3+j4	5–j5	B	-	ca
	D					3–j4	5+j10	6–j8	C	-	ab
	Y-0		5–j5	3–j4	6+j8					b	c
	Y		5+j5	3–j4	10–j8					a	c
	D					9–j12	3+j4	6–j8	B		ab
	D					4+j3	8–j6	–j10	C		bc
	D					3–j4	6–j8	4+j3	A		ca
	Y-0		6–j8	3+j4	j10					c	a
	D					10–j10	10+j10		A		bc
	Y			4–j3	6+j8					a	a
	Y-0		5+j5	6–j6	–j10					b	c
	Y			j10	–j20					c	b
	Y-0			6–j8	j20					b	c
	Y		6+j8	8+j6						c	a
	Y-0		–j10	j5	6+j8					a	b
	D					10+j10	6+j6	8–j8	B		bc
	Y		3+j4	–j10						c	b
	D					8–j6		10+j10	C		ab
	Y-0		10+j6	16+j16	6–j8					b	a
	Y		5–j5	3+j4	6+j8					a	c
	Y-0		5+j5	3–j4	10+j8					b	b
	D					9+j12	3–j4	6+j8	B		ab
	D					4–j3	8+j6	6+j8	C		ca
	D					3+j4	6–j8	4+j3	A		ab
	Y		6+j8	3+j4	8–j6					c	a
	D					10+j10	10–j10	8+j6	A		bc
	Y-0		4–j3	6+j8	8+j6					a	b
	Y		5+j5	6–j6	6+j8					b	c
	Y-0			j10	–j20					c	a
	Y			6+j8	8+j6					a	c
	Y-0		6+j8	8+j6						c	b
	D					10+j10	6+j6	8+j8	B		ab

Задача 2

Для однофазного трансформатора (рис.4), данные которого приведены в табл.4, необходимо:

- определить коэффициент трансформации;

- рассчитать номинальные токи в обмотках трансформатора;

- определить параметры схемы замещения трансформатора;

- рассчитать КПД трансформатора при токе во вторичной обмотке равного 0,1; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 и 1,25 от номинального тока вторичной обмотки;

- определить процентное изменение напряжения на вторичной обмотке трансформатора (U₂) для заданного характера и коэффициента загрузки трансформатора и построить внешнюю характеристику;

- построить график зависимости КПД трансформатора от коэффициента загрузки, т.е. h=f(b).

Таблица 4

Номер варианта	Sн, кВ.А	U1н, кВ	U2н, кВ	P0, Вт	Рк, Вт	Uк %, от U1н	I10 %, от I1н	j2, град.
			0,4			6,0	6,2
			0,4			5,5	6,5	-37
			0,4			5,0	6,0	-45
			0,4			4,5	5,5
			0,4			4,5	5,0
			0,4			6,0	7,0	-53
			0,4			5,5	6,6
			0,4			5,3	6,3
			0,4			5,2	6,0	-45
			0,4			6,0	6,5
			0,4			4,5	5,0
			0,4			5,1	6,5
			0,4			5,3	6,6
			0,4			5,2	6,4	-53
			0,4			6,0	7,1
			0,4			7,0	9,5	-37
			0,4			6,7	8,5	-37
			0,4			5,8	9,7
			0,4			4,7	7,7	-53
			0,4			5,8	9,7
			0,4			4,2	8,1