Электротехника и электроника

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Программа, методические указания и задания

для выполнения контрольных работ для студентов

специальности 190601 “Автомобили и автомобильное

хозяйство” заочной формы обучения

Составитель А. М. Носов

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 4 от 27.12.2007

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

специальности 190601

Протокол № 5 от 21.01.2008

Электронная копия находится

в библиотеке главного корпуса

ГУ КузГТУ

Кемерово 2008

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных видов занятий по курсу «Общая электротехника» является выполнение контрольных работ. Предлагаемые в пособии задания охватывают весь основной материал курса и соответствуют стандарту специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство», утвержденному Федеральным агентством по образованию РФ. При изучении курса студенты приобретают необходимые знания об основных методах расчета и физических процессах, с которыми приходится встречаться в теории электрических машин и трансформаторов. Последовательность изучения отдельных разделов курса, а также тематика и количество лекций и лабораторных работ установлены кафедрой общей электротехники ГУ КузГТУ в соответствии с графиком учебного процесса, разработанным деканатом заочного факультета на основе утвержденного учебного плана.

Общие методические указания к контрольным

Работам

Целью контрольных работ является окончательная проверка усвоения студентами соответствующих разделов курса. При оформлении каждой задачи следует приводить исходную схему с принятыми буквенными обозначениями и числами заданных значений. Рисунки, схемы и графики должны быть выполнены аккуратно в масштабе. Графики следует чертить на миллиметровой бумаге с помощью чертежных инструментов или при помощи специальных трафаретных линеек. На осях координат должны быть указаны откладываемые значения и единицы их измерения. При оформлении контрольной работы нужно указать необходимые расчетные формулы. Конечный результат должен быть выделен из общего текста. Решение задач не следует перегружать приведением всех алгебраических преобразований. Каждый этап решения должен иметь пояснения. Вычисления следует выполнять с помощью микрокалькулятора. Результаты вычислений записывать с точностью до третьей значащей цифры. В начале каждой задачи следует привести краткое условие, расчетную схему и исходные данные для своего варианта. В ходе решения давать краткие словесные пояснения. Обязательно приводить размерность всех найденных при расчете значений. Выводы формул и уравнений, имеющихся в литературе, приводить в тексте контрольных работ не следует. На титульном листе контрольной работы должно быть указано наименование университета и факультета, группа, фамилия, инициалы и шифр студента. В конце работы необходимо привести список использованной литературы, затем поставить дату окончания работы и свою подпись.

Контрольные работы по курсу сделаны 25-вариантными. Вариант определяется порядковым номером студента в списке группы. Если номер более 25, то для определения номера варианта необходимо из номера вычесть 25 (это и будет номер варианта).

Программа курса

Электромагнитные устройства и трансформаторы

Применение электромагнитных устройств постоянного и переменного токов в технике. Назначение магнитопровода. Свойства ферромагнитных материалов, используемых для изготовления магнитопроводов электромагнитных устройств с постоянными и переменными магнитными полями. Неразветвленные и разветвленные магнитные цепи.

Магнитные цепи с постоянной магнитодвижущей

силой (м. д. с)

Реальная и идеальные магнитные цепи. Применение закона полного тока для анализа идеальной магнитной цепи. Магнитное сопротивление и проводимость. Схема замещения магнитной цепи. Вебер-амперные характеристики. Аналогия методов анализа электрических и магнитных цепей.

Трансформаторы

Назначение и области применения трансформаторов. Однофазный трансформатор. Устройство и принцип действия трансформатора. Основной магнитный поток, потокосцепление рассеяния. Коэффициент трансформации. Условные положительные направления напряжений, токов, ЭДС и магнитных потоков. Условные графические обозначения, применяемые для изображения трансформатора на электрических схемах. Уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора. Идеальный трансформатор. Реальный трансформатор. Приведенный трансформатор. Векторная диаграмма и схема замещения. Опыты холостого хода и короткого замыкания, назначение и условия проведения. Потери энергии и КПД. Изменение вторичного напряжения при нагрузке и внешняя характеристика трансформатора.

Электрические машины

Машины постоянного тока

Устройство машины постоянного тока. Коллектор и его назначение. Возможность работы машины в режимах генератора и двигателя. Схема замещения цепи якоря. Преобразование энергии. ЭДС якоря и электромагнитный момент машины постоянного тока. Понятие о реакции якоря и коммутации. Потери энергии и КПД. машин постоянного тока. Работа машины в режиме генератора. Генераторы постоянного тока независимого возбуждения и самовозбуждения. Характеристика холостого хода. Уравнение электрического состояния цепи якоря. Внешняя и регулировочная характеристики. Сравнительная оценка свойств и области применения генераторов постоянного тока различных способов возбуждения.

Работа машины в режиме двигателя. Классификация двигателей постоянного тока по способу возбуждения. Уравнение электрического состояния цепи якоря. Пуск двигателя. Назначение пускового реостата. Зависимости магнитного потока и электромагнитного момента двигателей разных способов возбуждения от тока якоря. Механические характеристики двигателей. Регулирование скорости вращения. Понятие о тормозных режимах двигателей постоянного тока.

Сравнительная оценка свойств двигателей постоянного тока разных способов возбуждения и области их применения. Особенности устройства исполнительных двигателей постоянного тока. Понятие об универсальных коллекторных двигателях. Применение двигателей постоянного тока в качестве тяговых на транспорте и в качестве привода в большегрузных автомобилях.

Асинхронные машины

Устройство трехфазной асинхронной машины. Возбуждение вращающегося магнитного поля трехфазной симметричной системой токов. Скорость вращения поля. Направление вращения.

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя и области применения. Конструкция фазного и короткозамкнутого роторов. Графическое изображение асинхронного двигателя на электрических схемах. Скорость вращения ротора и его поля. Скольжение. Зависимость частоты и величины ЭДС и тока в фазе обмотки ротора от скольжения. Схема замещения фазы трехфазного асинхронного двигателя. Преобразования энергии, происходящие в асинхронном двигателе. Активная, электромагнитная и полезная мощности двигателя. Потери энергии и КПД двигателя. Реактивная мощность и коэффициент мощности двигателя. Электромагнитный момент двигателя и его зависимость от величин скольжения и напряжения сети. Механическая характеристика двигателя. Перегрузочная способность двигателя. Пуск двигателя. Рабочие характеристики двигателя. Асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми свойствами. Регулирование скорости вращения. Понятие о работе асинхронных машин в качестве тормоза и генератора. Области применения трехфазных асинхронных двигателей.

Синхронные машины

Устройство трехфазных синхронных машин с электромагнитным возбуждением. Области применения синхронных машин. Графическое изображение синхронной машины на электрических схемах.

Работа синхронной машины в режим генератора. Регулирование активной мощности генератора. U-образные характеристики.

Работа синхронной машины в режиме двигателя. Схема замещения. Пуск двигателя.

ЛИТЕРАТУРА

Основная литература

1. Касаткин А. С. Электротехника: учеб. для вузов / А. С. Касаткин, М. В. Немцов. – 9-е изд., стереотип. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 544 с.

2. Основы промышленной электроники /под ред. В. Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 2003. – 430 с.

Дополнительная

3. Борисов Ю. М. Общая электротехника / Ю. М. Борисов, Д. Н. Липатов, Ю. Н. Зорин. – М.: Энергоатомиздат, 1985.

– 540 с.

Трансформаторы

Данную тему целесообразно начинать с изучения электрической цепи однофазного тока, содержащей катушку со стальным сердечником, а затем переходить непосредственно к изучению трансформатора. Рассматривая физические процессы, возникающие в трансфор­маторе, необходимо обратить особое внимание на то положение, что при изменении нагрузки трансформатора в широком диапазоне (от холостого хода до номинального режима) магнитный поток может считаться практически постоянным и равным магнитному потоку в режиме холостого хода. Это в свою очередь определяет постоянство потерь в сердечнике, которые легко определяются, из режима холостого хода.

При рассмотрении режима «нормального» короткого замыкания получается, что магнитный поток в сердечнике трансформатора настолько мал, что им можно пренебречь, а следовательно, при этом режиме потери в стали трансформатора практически равны нулю, а потери в меди (в обмотках трансформатора) равны потерям при номинальной нагрузке трансформатора. Значения токов, напряжений, и мощностей, полученные из опытов холостого хода и короткого замыкания, позволяют определить основные параметры трансформатора.

В паспорте трехфазных трансформаторов дается номинальная мощность и мощность потерь всех трех фаз. Под номинальными напряжениями понимаются линейные напряжения на зажимах трансформатора в режиме холостого хода, а под номинальными токами – линейные токи независимо от схемы соединения обмоток.

После изучения настоящего раздела студенты должны:

1) знать основные элементы конструкции трансформатора; вы­ражение для коэффициента трансформации; уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора;

2) понимать назначение опытов холостого хода и короткого замыкания; сущность «приведения» параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной; причины, вызывающие изменение напряжения на вторичной обмотке трансформатора; принципы построения векторных диаграмм для различных нагрузок;

3) уметь анализировать различные режимы работы трансформатора; читать паспорт трансформатора; включать приемники и электроизмерительные приборы для определения напряжений, токов и мощностей; предвидеть последствия коммуникационных изменений в цепи нагрузки на электрическое состояние трансформатора.

Теория трансформатора полностью распространяется на автотрансформаторы и измерительные трансформаторы. Поэтому при их изучении следует обратить внимание на область их применения и особенности работы.

- -

Задача 1

Для трехфазного трансформатора мощностью кВА, соединение обмоток которого , известно: номи­нальное напряжение на зажимах первичной обмотки трансформато­ра = 6000 В, напряжение холостого

хода на зажимах вторичной обмотки трансформатора

= 400 В, напряжение короткого за­мыкания = 3,3 %, мощность короткого, замыкания = 2400 Вт, мощность холостого хода = 600 Вт, ток холостого хода

Определить: 1) сопротивления обмоток трансформатора ; 2) эквивалентное сопротивление (сопротивление намаг­ничивающей цепи) и его составляющие и , которыми заменя­ется магнитная цепь трансформатора; 3) угол магнитных потерь δ.

Построить характеристики трансформатора: внешнюю , зависимость напряжения от нагрузки (β – коэффициент нагрузки, ); зависимость η = f(β) коэффициента полезного действия от нагрузки (коэффициент мощности нагрузки принять cos = 0,75).

Составить Т-образную схему замещения трансформатора.

Решение. Определяем токи:

номинальный ток первичной обмотки:

= 9,6 А.

ток холостого хода А;

cos .

Находим угол магнитных потерь:

.

Определяем сопротивления:

короткого замыкания

Ом;

;

Ом;

первичной обмотки

Ом;

вторичной обмотки

; Ом,

где – коэффициент трансформации;

сопротивления намагничивающей цепи:

Ом;

Ом,

где – фазное напряжение первичной обмотки трансформатора.

Для построения внешней характеристики находим падение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

% = β % cos % sin );

где %, % – соответственно активное и реактивное падения напряжений;

% = %cos ; cos ; % = %;

% = %.

Напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора определяем по формуле

%) В.

Задавая значения β от 0 до 1,2, определяем напряжение при заданном значении cos По расчетным данным строим внешнюю характеристику (рис. 1).

Рис. 1

Для построения зависимости КПД от нагрузки используем формулу

.

По результатам расчетов строим характеристику (рис.1).

Вопросы для самопроверки

1. Объясните назначение и принцип работы трансформатора.

2. Поясните, почему обмотки высшего и низшего напряжений размещают на общем стержне.

3. Напишите уравнение магнитодвижущих сил трансформатора.­

4. Объясните, почему магнитный поток трансформатора практически не зависит от нагрузки.

5. Поясните, какие потери в трансформаторе являются постоян­ными и какие переменными.

6. Напишите уравнения электрического состояния первичной и вторичной обмоток и объясните смысл каждого из

составляющих этих уравнений.

7. Начертите схему опыта холостого хода, трансформатора и объясните, какие величины определяются в этом опыте.

8. Начертите схему опыта короткого замыкания трансформатора и объясните, какие величины определяются в этом опыте.

9. Объясните устройство трехфазного трансформатора.

Асинхронные двигатели

Изучение асинхронного двигателя надо начинать с его устройства и принципа работы. Необходимо обратить особое, внимание на электромагнитные процессы, возникающие в двигателе, как, при его пуске, так и в процессе работы. Векторная диаграмма и эквивалентная схема асинхронного двигателя облегчают изучение его работы и используются при выводе основных уравнений. Эксплуатационные параметры асинхронного двигателя демонстрируются механическими и рабочими характеристиками.

После изучения данного раздела студент должен:

1) знать значения терминов: скольжение, синхронная ско-

рость, круговое вращающееся магнитное поле, короткозамкнутый ротор, фазный ротор, поток полюса, глубокопазный ротор, двойная «беличья» клетка; способы изменения направления вращения магнитного поля; устройство и области применения двух типов трехфазных асинхронных двигателей; условные обозначения асинхронных двигателей на схемах; вид механических характеристик; способы регулирования скорости;

2) понимать принцип возбуждения многополюсного вращающегося магнитного поля; принцип действия трехфазной асинхронной машины в режимах двигателя, генератора и электромагнитного тор­моза; факторы, влияющие на скорость вращения ротора трехфазного асинхронного двигателя; возможность замены трехфазного асин­хронного двигателя с вращающимся ротором эквивалентным двигателем с неподвижным ротором; аналогию физических явлений в трехфазном асинхронном двигателе с неподвижным ротором, и в трансформаторе с активной нагрузкой; энергетические преобразования в трехфазном асинхронном двигателе;

3) уметь осуществлять пуск асинхронного, двигателя; оценивать величины номинального, пускового и максимального моментов, пускового тока и номинального скольжения по данным каталога.

Приступая к изучению этой темы, необходимо понять условия возбуждения вращающегося магнитного поля.

Механические характеристики и могут быть построены по расчетной формуле вращающего момента:

где М – вращающий момент двигателя, Нּм; – фазное напря­жение статорной обмотки; S – скольжение; – значения со- противлений статорной обмотки; – приведенные эквивалентные сопротивления роторной обмотки; – частота сети; – число пар полюсов; – угловая скорость вращения магнитного поля статора.

По зависимости M = f (S) может быть построена характеристика

Механическую характеристику можно построить по данным каталога. Известна упрощенная формула Клосса для построения механической характеристики:

(1)

где – критический (максимальный) вращающий момент двигателя; – скольжение, соответствующее максимальному моменту.

Зная отношение максимального момента к номинальному

и определив

где – номинальная мощность двигателя (из паспортных данных), кВт; – номинальная скорость вращения ротора, об/мин, вычисляем критическое скольжение по формуле

Зная и и задавая значения скольжения от 0 до 1 и определяя для каждого значения скольжения М и , строим механические характеристики и , изображенные на рис. 2. Скорость вращения ротора определяем по формуле (2)

Рис. 2.

Задача 2

Номинальная мощность трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором = 10 кВт, номинальное напряжение 380 В, номинальная скорость вра­щения ротора 1420 об/мин, номинальный КПД 0,84 и номинальный коэффициент мощности cos . Кратность пускового тока , а перегрузочная способность двигателя .

Определить: потребляемую мощность; номинальный и максимальный (критический) вращающие моменты; пусковой ток; номинальное и критическое скольжения. Построить механические характеристики М = f(S) и

Решение. Потребляемая мощность

кВт.

Номинальный и максимальный моменты

Нּм;

Нּм.

Номинальный и пусковой токи

А;

А.

Номинальное и критическое скольжения:

;

Механическая характеристика М = f (S) строится по

уравнению (1):

М =

Задавая значения скольжения S от 0 до 1, рассчитываем момент М и скорость по формуле (2) и строим механические характеристики.

Вопросы для самопроверки

1. Объясните принцип работы асинхронного двигателя.

2. Поясните, как образуется вращающееся магнитное поле.

3. Объясните, в чем заключается аналогия между асин-хронным двигателем и трансформатором.

4. Объясните, от каких величин зависит вращающий момент асинхронного двигателя.

5. Определите, какая часть механической характеристики соответствует устойчивой работе двигателя и какая неустойчивой.

6. Перечислите возможные способы регулирования скорости вра­щения асинхронного двигателя.

7. Поясните, почему при увеличении нагрузки на валу асин­хронного двигателя возрастают токи статора и ротора.

8. Поясните, почему в период пуска токи статорной обмотки максимальны. Чему при этом равно скольжение и частота токов статора и ротора?

9. Почему пусковые свойства двигателя с контактными кольцами лучше, чем у двигателя с короткозамкнутым ротором?

10. Поясните, как улучшают пусковые свойства двигателя с ко­роткозамкнутым ротором.

Задача 3

Двигатель параллельного возбуждения потребляет из сети с напряжением = 220 В ток при номинальной нагрузке = 20,5 А, при холостом ходе – = 2,35 А. Сопротивление обмотки якоря = 0,75 Ом, цепи возбуждения = 258 Ом. Номинальная скорость вращения якоря = 1025 об/мин.

Определить: номинальную мощность двигателя (на валу), номиналь­ный КПД, номинальный вращающий момент, пусковой ток при пус­ке двигателя без пускового реостата, сопротивление пускового реостата для условия = 2,5 и пусковой момент при пуске двигателя с реостатом. Построить естественную механическую характеристику двигателя. При решении принять, что магнитные и механические потери не зависят от нагрузки.

Решение. Номинальная мощность на валу двигателя

,

где ΔР – потери в двигателе; – потребляемая мощность;
= = 4510 Вт = 4,51 кВт.
Для определения потерь в цепи якоря и цепи возбуждения надо знать ток в цепи якоря и ток в цепи возбуждения А;

= 20,5 - 0,85 = 19,65 А.

Потери в обмотке якоря и в цепи возбуждения:

Вт;

Вт.

Магнитные и механические потери:

где Вт; – потери в обмотке якоря при холостом ходе двигателя:

Вт;

Вт;

Вт.

Вт = 3,71 кВт.

Номинальный КПД

Номинальный вращающий момент

Нּм.

Пусковой ток двигателя при пуске без реостата

А.

Сопротивление пускового реостата определяется из равенства

откуда

Ом.

Определяем пусковой момент двигателя при пуске с реостатом. Известно, что вращающий момент двигателя определяется уравнением

.

Для режима номинальной нагрузки это выражение принимает вид

а для пускового режима

Полагая магнитный поток в двигателе постоянным, возьмем отношение моментов:

откуда

Нּм.

Естественная механическая характеристика n = f(М) (прямая линия) строится по двум точкам: первая точка в режиме холостого хода при М = 0 скорость вращения

об/мин,

где противо-ЭДС

В.

Вторая точка механической характеристики берется из условия задачи.

Вопросы для самопроверки

1. Объясните устройство машины постоянного тока.

2. Объясните принцип работы машины постоянного тока в качестве генератора и двигателя.

3. Объясните назначение и устройство щеточно-коллекторного узла.

4. Назовите, от каких величин зависит ЭДС обмотки якоря.

5. Объясните, от каких величин зависит вращающий момент дви­гателя постоянного тока.

6. Сформулируйте условия самовозбуждения генератора постоянного тока.

7. Напишите уравнения электрического состояния для генерато­ра и двигателя.

8. Объясните, генератор какого типа возбуждения можно использовать в качестве генератора для автомобиля.

9. Объясните, как повлияет на скорость вращения, величина противо-ЭДС и тока якоря двигателя независимого возбуждения при уменьшение тормозного момента на валу.

10. Назовите способы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока и укажите их достоинства и недостатки.

11. Назовите способ возбуждения двигателей постоянного тока, применяемых в качестве тяговых на транспорте и в частности на большегрузных автомобилях.

Лабораторные работы

1. Испытание однофазного трансформатора (1 час)

2. Испытание асинхронного двигателя с короткозамкну-

тым ротором (2 часа).

3. Испытание двигателя постоянного тока с параллель-

ным возбуждением (1 час).

Контрольная работа 1

Задача

Для трехфазного трансформатора, параметры которого приведены в приложении 1, определить коэффициент мощности холостого хода cos , сопротивления первичной и вторичной обмоток и , расчетные сопротивления и , угол магнитного запаздывания δ. Построить внешнюю характеристику и зависимость КПД от нагрузки

η = f(β) для cos . Изобразить Т-образную схему замещения.

Контрольная работа 2

Задача 2.1

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, номинальная мощность которого включен в сеть на номинальное напряжение частотой f = 50 Гц. Скольжение , КПД , коэффициент мощности cosφ, число пар полюсов Р, коэффициент перегрузочной способности

, кратность моментов при пуске , кратность пускового тока .

Определить: номинальный и пусковой токи, номинальный , пусковой и максимальный моменты, суммарные потери в двигателе при номинальной нагрузке . Определить, как изменится пусковой момент двигателя при снижении напряжения сети на 15% и возможен ли его пуск при этих условиях при номинальной нагрузке? Построить механические характеристики двигателя. Данные для расчета в приложении 2.

Задача 2.2

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения, номинальное напряжение которого , развивает номинальную мощность . Номинальная скорость вращения и номинальный КПД . Потери мощности в цепи якоря и в цепи возбуждения заданы в процентах от потребляемой мощности . Данные для расчета в приложении 3.

Определить: ток двигателя при номинальной нагрузке , ток в цепи возбуждения при номинальной нагрузке , вращающий момент при пуске двигателя с пусковым реостатом , скорость вращения якоря при номинальном моменте на валу и включении в цепь якоря добавочного сопротивления, равного . Построить естественную и реостатную механические характеристики двигателя.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Программа, методические указания и задания

для выполнения контрольных работ для студентов

специальности 190601 “Автомобили и автомобильное

хозяйство” заочной формы обучения

Составитель А. М. Носов

Утверждены на заседании кафедры

Протокол № 4 от 27.12.2007

Рекомендованы к печати

учебно-методической комиссией

специальности 190601

Протокол № 5 от 21.01.2008

Электронная копия находится

в библиотеке главного корпуса

ГУ КузГТУ

Кемерово 2008

ВВЕДЕНИЕ

Одним из основных видов занятий по курсу «Общая электротехника» является выполнение контрольных работ. Предлагаемые в пособии задания охватывают весь основной материал курса и соответствуют стандарту специальности 190601 «Автомобили и автомобильное хозяйство», утвержденному Федеральным агентством по образованию РФ. При изучении курса студенты приобретают необходимые знания об основных методах расчета и физических процессах, с которыми приходится встречаться в теории электрических машин и трансформаторов. Последовательность изучения отдельных разделов курса, а также тематика и количество лекций и лабораторных работ установлены кафедрой общей электротехники ГУ КузГТУ в соответствии с графиком учебного процесса, разработанным деканатом заочного факультета на основе утвержденного учебного плана.