Электротехника с основами электроники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ЭКИБАСТУЗСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ

Программа, методические указания и контрольные работы для учащихся заочного отделения

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА С ОСНОВАМИ ЭЛЕКТРОНИКИ

Специальность: 706 000 «Открытая разработка месторождений полезных ископаемых»

Разработала преподаватель:

Хивук А.Н.

Пояснительная записка

Программой предмета «Электротехника с основами электроники» предусматривается изучение процессов в цепях постоянного и переменного токов, принцип действия электрических машин и аппаратов, изучение устройства, принципа действия, характеристик и параметров электронных приборов, а также изучение области науки, техники и производства, в которой разрабатываются принципы производства и совершенствования электронных приборов, методы их инженерного расчета и технологического обеспечения.

Программа предмета базируется на знаниях учащихся в области физики, поэтому отдельные вопросы рассматриваются обзорно или даются учащимся на самостоятельную подготовку. При изложении учебного материала сочетается теоретическое освещение вопросов с их практическим применением.

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

— сущность физических процессов, протекающих в электрических и магнитных цепях, построение электрических цепей, порядок расчета их параметров;

— способы включения электроизмерительных приборов и методы измерений электрических величин;

— принципы, лежащие в основе электронной теории;

должен уметь:

— собирать электрические цепи, выбирать электроизмерительные приборы, определять параметры электрических цепей;

— исследовать характеристики и работу полупроводниковых приборов.

Методика изучения дисциплины строится на основе сочетания теоретического и практического материалов, поэтому тематический план предусматривает проведение лабораторных и практических занятий, количество и перечень которых определяется учебным планом образовательного учреждения.

В содержании дисциплины «Электротехника с основами электроники» по каждой теме приведены требования к формируемым представлениям, знаниям и умениям.

В процессе преподавания особое внимание необходимо уделяется самостоятельной работе студента, которая может быть организована на аудиторных занятиях и во внеурочное время. Планирование самостоятельной работы предполагает постепенный переход от относительно простых к более сложным видам заданий, что способствует освоению студентами новых знаний и умений. По мере изучения материала студент должен сделать контрольную работу. Желательно, чтобы после проработки соответствующего раздела программы была решена задача из контрольной работы. Это будет способствовать лучшему усвоению дисциплины.

После выполнения контрольной, лабораторных работ и практических занятий в сроки, предусмотренные учебным графиком, для проверки знаний студентов проводится экзамен по дисциплине «Электротехника с основами электроники». К зачету допускаются студенты, получившие допуск по контрольной работе, лабораторным и практическим занятиям.

По данному предмету предусмотрено выполнение 2-х контрольных работ.

В контрольную № 1 входят следующие разделы: «Постоянный электрический ток» и «Однофазные цепи переменного тока», «Трехфазные цепи переменного тока».

В контрольную № 2 входят следующие разделы: «Полупроводниковые приборы», «Выпрямители», «Электронные усилители». Для решения задач необходимо знать теоретический материал по этим темам.

Программа предмета

Электрические цепи постоянного тока. Общие сведения об электрических цепях. Электрический ток, его разновидности. Основные элементы электрических цепей. Режимы работы электрических цепей. Основы расчёта электрических цепей. Электрическая энергия и мощность. Химические источники электрической энергии. Тепловое действие тока. Расчёт проводов. Сложные электрические цепи постоянного тока и методы их расчёта.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— физическую сущность процессов в цепях постоянного тока;

— основные законы цепей постоянного тока;

— элементы электрических цепей, их изображение на схемах и назначение;

— законы последовательного, параллельного и смешанного соединения резисторов, химических источников тока;

должен уметь:

— выполнять измерения и расчеты основных параметров электрических цепей постоянного тока;

— определять эквивалентное сопротивление цепи;

— включать электроизмерительные приборы в электрическую цепь;

— рассчитывать батарею химических элементов.

[2, с. 35−66, 79−93], [3, с. 19−20, 61−69].

Электромагнетизм. Основные свойства и характеристики магнитного поля. Закон полного тока. Взаимодействие магнитного поля и проводника с током. Электромагнитная сила. Электромагниты. Электромагнитная сила. Преобразование механической энергии в электрическую. Самоиндукция, ЭДС самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Взаимная индукция. Взаимная индуктивность. Переходные процессы в цепях постоянного тока. Вихревые токи и их практическое применение.

В результате изучения раздела учащийся должен иметь представление:

— о расчете магнитных цепей;

должен знать:

— условия существования магнитного поля, его характеристики, правила для определения направления магнитного поля;

— поведение проводника в магнитном поле;

— принцип действия электрического генератора и трансформатора;

должен уметь:

— рассчитывать электромагнитную силу, действующую на проводник с током и указывать ее направление;

— пользоваться правилом буравчика, правилами левой и правой руки;

— рассчитывать ЭДС в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, определять направление этой ЭДС.

,.

Электрические измерения. Основные понятия измерений. Классификация электроизмерительных приборов. Приборы непосредственной оценки. Классификация приборов для измерения тока и напряжения. Измерение электрических сопротивлений. Электроизмерительные приборы высокой чувствительности.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— основные термины и определения, единицы измерения электрических и магнитных величин;

— буквенные и графические обозначения физических величин, устройство измерительных приборов;

— методы и способы измерения параметров электрической цепи;

— способы измерения неэлектрических величин электрическими приборами.

должен уметь:

— обеспечить организацию технического обслуживания и ремонта измерительных приборов;

— проводить подбор приборов для измерения электрических величин и устройств расширения пределов измерения;

— измерять параметры электрических величин на работающих устройствах,.

Однофазные цепи переменного тока. Общий случай последовательного соединения активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений. Законы изменения тока и напряжения, векторные диаграммы. Разложение напряжений на активные и реактивные составляющие, их определение в каждой цепи. Резонанс напряжений, условие возникновения резонанса напряжений. Общий случай параллельного соединения активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений. Разложение токов на активные и реактивные составляющие. Резонанс токов, условие возникновения резонанса токов. Измерение мощности и энергии в цепи однофазного переменного тока.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— физическую сущность процесса получения переменного тока;

— основные величины, характеризующие переменный ток;

— построение временных и векторных диаграмм;

— электромагнитные явления в цепях переменного тока, возможности их практического применения;

— коэффициент мощности, его технико-экономическое значение, способы повышения;

должен уметь:

— рассчитывать цепи переменного тока с построением временных и векторных диаграмм.

,.

Трехфазные цепи переменного тока. Получение трёхфазной синусоидальной ЭДС, трёхфазная цепь. Соединение обмоток трёхфазных генераторов и трёхфазных потребителей. Симметричная система трёхфазной ЭДС. Соединение обмоток генератора и потребителей звездой, фазные и линейные напряжения и тока, соотношения между ними, векторные диаграммы, роль нулевого провода. Соединение обмоток генератора и потребителей треугольником, фазные и линейные токи и напряжения, соотношения между ними, векторные диаграммы. Мощности трёхфазной цепи. Вращающееся магнитное поле трёхфазной системы. Измерение активной мощности одним, двумя и тремя ваттметрами. Трёхфазные ваттметры.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— преимущества трехфазного тока перед однофазным;

— соединение обмоток генератора и потребителя «звездой» и «треугольником»;

— роль нулевого провода;

— принцип действия асинхронного двигателя;

должен уметь:

— производить расчеты симметричных и несимметричных трехфазных цепей, измерять их параметры.

,.

Электрические машины постоянного тока. Устройство и принцип действия электрической машины постоянного тока, ЭДС обмоток; реакция якоря; понятие о коммутации. Классификация генераторов постоянного тока. Двигатели постоянного тока: уравнения рабочего процесса; регулирование скорости. Классификация двигателей постоянного тока.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— устройство, характеристики, классификацию электрических машин постоянного тока, принцип работы.

должен уметь:

— собирать электрические схемы испытания машин постоянного тока, анализировать рабочие характеристики.

.

Электрические машины переменного тока. Назначение машин переменного тока и их классификация. Устройство машины переменного тока. Вращающееся магнитное поле трехфазной системы. Принцип работы трёхфазного асинхронного двигателя. Частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора. Скольжение. Вращающий электромагнитный момент асинхронного двигателя. Пуск в ход трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Регулирование скорости вращения. Синхронные машины: устройство, рабочий процесс синхронного генератора; синхронная машина в режиме двигателя. Область применения.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— устройство, принцип работы машин переменного тока, способы пуска, правила включения.

должен уметь:

— собирать электрические схемы испытания машин переменного тока, снимать и анализировать рабочие характеристики.

.

Трансформаторы. Назначение, устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Коэффициент трансформации. ЭДС обмоток, номинальные величины. Режимы работы трансформатора. Потери энергии и КПД трансформатора. Типы трансформаторов и их применение.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— общие сведения о типах трансформаторов, об устройстве однофазных, трехфазных трансформаторов, устройство автотрансформатора.

должен уметь:

— снимать характеристики трансформаторов, анализировать режимы работы под нагрузкой, в случаях холостого хода и короткого замыкания.

,.

Электропривод на современном производстве. Понятие об электроприводе, основные свойства электроприводов. Автоматизированный и неавтоматезированный электроприводы.

Основные понятия о механике электропривода. Виды нагрузок и моментов. Уравнение привода для поступательного и вращательного движения. Приведение статических моментов, статических усилий, маховых масс и моментов энергии к оси вращения двигателей.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— основные понятия об электроприводе, виды электроприводов;

— основные понятия о механике электропривода, виды передаточных механизмов, уравнение вращательного и поступательного движения;

— режимы работы электродвигателей, нагрузочные и механические характеристики двигателей постоянного и переменного тока;

— способы пуска и регулирование частоты вращения электродвигателя.

— основные принципы управления электроприводом, аппаратуру и схемы управления.

должен уметь:

— рассчитывать параметры электродвигателей при различных режимах работы, производить выбор двигателя по мощности.

.

Полупроводниковые приборы. Назначение и, устройство, принцип действия, область применения диодов и транзисторов. Вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов. Выбирать рабочие режимы работы полупроводниковых приборов и рассчитывать простейшие схемы в которых используются диоды и транзисторы.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— конструкцию, область применения, принцип действия, характеристики полупроводниковых диодов и транзисторов.

должен уметь:

— определять параметры, исследовать характеристики и работу полупроводниковых диодов и транзисторов, использовать полученные знания из смежных предметов и из практической работы на производстве.

,.

Электронные выпрямители. Назначение и классификация выпрямителей, сглаживающих фильтров, принцип действия и область применения выпрямителей.

В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— конструкцию, область применения, принцип действия, характеристики выпрямителей и сглаживающих фильтров.

должен уметь:

— определять параметры, исследовать характеристики и работу выпрямителей, сглаживающих фильтров, использовать полученные знания из смежных предметов и из практической работы на производстве.

.

Электронные усилители. Назначение и классификация электронных усилителей. Основные показатели работы усилителя. Обратная связь в усилителях. Ее виды, способы осуществления. Влияние обратной связи на основные параметры усилителя. Способы включения усилительных элементов и межкаскадные связи. Характеристика рабочих режимов усилительных элементов. Способы обеспечения рабочего режима транзистора. Термостабилизация и термокомпенсация рабочей точки. Усилители мощности, усилители постоянного тока, эмиттерные повторители, фазоинверсные каскады в устройствах железнодорожной автоматики.

В результате изучения раздела учащийся

должен знать:

— конструкцию, область применения, принцип действия, характеристики электронных усилителей

должен уметь:

— определять параметры, исследовать характеристики и работу электронных усилителей, использовать полученные знания из смежных предметов и из практической работы на производстве.

, [6, с. 165−206, 209−214, 329−336].

Интегральные схемы микроэлектроники. Общие сведения. Понятие о полупроводниковых пленочных и гибридных интегральных микросхемах. Технология изготовления ИМС В результате изучения раздела учащийся должен знать:

— назначение и перспективы развития ИМС, классификацию ИМС по функциональному и конструктивному назначению.

должен уметь:

— по маркировке определять основное назначение ИМС.

[6, с. 165−206, 209−214, 329−336].

1. Данилов И. А., Иванов П. М. «Общая электротехника с основами электроники» Москва. Высшая школа. 1989 г.

2. Частоедов Л. А. «Электротехника» Москва. Высшая школа. 1984 г.

3. Попов В. С. «Теоретическая электротехника» Москва. Высшая школа. 1986 г.

4. Лачин В. И., Савелов Н. С. «Электроника» Ростов н/Д, Феникс, 2002 г.

5. Федотов В. И. «Основы электроники»

6. Справочник под редакцией Горюнова Н. Н. «Полупроводниковые приборы»

7. Берёзкина Т. Ф. «Задачник по общей электротехнике с основами электроники». Москва. Высшая школа. 1991 г.

Общие методические указания

Изучение учебного материала должно предшествовать выполнению контрольной работы. Следует придерживаться такой последовательности изучения материала: ознакомиться с содержанием программы и подобрать рекомендованную учебную литературу; изучить материал каждой темы задания в такой последовательности: сначала внимательно и вдумчиво прочитать материал всей темы, разобраться в основных понятиях, определениях, законах, правилах, следствиях и в их логической взаимосвязи; затем тщательно и подробно изучить материал, конспектируя основные положения, определения, доказательства и правила; закрепить усвоение материала путем разбора решённых задач, приведенных в учебной литературе и в настоящем пособии. Приступая к решению задач, следует предварительно повторить вопросы ранее изученных тем, касающиеся содержания данной задачи. При затруднении в понимание какого — либо вопроса нужно обратиться за разъяснением в колледж.

Выполнение контрольной работы. Каждый учащийся должен выполнить две контрольные работы по 5 задач. Вариант контрольного задания определяется по двум последним цифрам шифра учащегося. Номера задач, которые должен решить учащийся в соответствии со своим вариантом, приведены в таблице вариантов.

Текст условия задачи переписывается полностью; в случае его многовариантности не относящаяся к данной задаче часть текста исключается. Под заголовками «дано» и «определить» указываются все взятые из текста и таблицы исходные и определяемые величины.

Решение задачи делится на пункты. Каждый пункт должен иметь порядковый номер и заголовок с указанием, что и как определяется: комментирующий текст должен быть кратким и не содержать многословных пояснений.

Зачтенные контрольные работы, с выполненной при необходимости работой над ошибками, являются необходимым условием допуска к экзамену.

Контрольные работы, выполнение не по своему варианту или в неполном объеме, а также неразборчиво, без рисунков или обозначений на них, без доведения решения до числовых ответов к рецензированию не принимаются и возвращаются без оценки.

Таблица вариантов

Методические указания к выполнению контрольной работы

В контрольную работу 1 входят разделы «Расчет линейных цепей постоянного тока», «Расчет линейных цепей переменного тока». Решение задач требует знаний соответствующих тем, поэтому для успешного решения необходимо знать основные законы и формулы, а также методику решения таких задач.

Пример 1 (к задачам 1-10)

Для решения задач необходимо повторить темы «Способы соединения резисторов», «Закон Ома для участка цепи» и «Первый закон Кирхгофа» [3, с. 19−20, стр. 61−69].

Задача Дано: I₄ = 5A, R₁ = 6 Ом, R₂ = 3 Ом, R₃ = 5 Ом, R₄ = 6 Ом, R₅ = 8 Ом, R₆ = 4 Ом Определить токи и напряжения на каждом из резисторов, напряжение, приложенное к цепи, а также мощность, определяемую всей цепью, и расход электрической энергии за 8 часов работы.

Решение: Сначала определим эквивалентное сопротивление для всей цепи:

Исходя из того, что по условию задачи задан ток в четвёртом резисторе, находим напряжение на этом резисторе, которое будет равно напряжениям на втором, третьем и пятом резисторах. Тогда токи в данных резисторах можно определить следующим образом:

По первому закону Кирхгофа Напряжение, приложенное к цепи:

Мощность, потребляемая всей цепью, и расход электрической энергии за 8 часов работы:

Для решения задачи № 1 необходимо повторить главу 5[Л-2] ознакомиться с методикой построения векторных диаграмм и рассмотреть пример 2. В задаче № 2 рассматривается расчёт неразветвлённой цепи переменного тока, где все параметры цепи соединены последовательно.

Пример 2 (к задачам 11-20)

Задачи 11−20 предусматривает расчет сложной цепи. Сложные цепи имеют несколько замкнутых контуров, связанных друг с другом. В различных ветвях имеются несколько источников Э.Д.С. и протекают разные по величине токи.

Расчет сводится к определению токов во всех ветвях по заданным значениям Э.Д.С. и сопротивлений. Для решения задач необходимо повторить.

Задача. Для сложной электрической цепи, дано: Е₁ = 200 В, Е₂ = 140 В, R₀₁ = 1 Ом, R₁ = 7 Ом, R₀₂ = 0,5 Ом, R₂ = 19,5 Ом, R₃ = 40 Ом;. Начертить электрическую схему для заданных значений. Определить токи во всех ветвях методом узловых и контурных уравнений (методом уравнений Кирхгофа).

Решение: По заданным значениям строим схему.

Выберем произвольно направления токов ветвей и покажем их на схеме.

Для заданной схемы необходимо составить три уравнения — одно узловое и два контурных, так как в цепи три неизвестных тока.

Узловое уравнение:

Контурные уравнения:

Подставляя численные значения ЭДС и сопротивлений в контурные уравнения, получим:

Решаем систему данных уравнений относительно неизвестных токов ветвей:

Выполняем проверку решения методом узлового напряжения:

Проверка сошлась, следовательно, токи определены верно.

Составляем уравнение баланса мощности:

Пример 3 (к задачам 21-30)

Задачи 21−30 относятся к цепям переменного тока. Перед их решением необходимо изучить, ознакомиться с методикой построения векторных диаграмм. В задачах рассматривается расчёт разветвлённой цепи переменного тока.

Задача. (к задачам 20−29). По заданной векторной диаграмме для цепи переменного тока с последовательным соединением (активных сопротивлений, индуктивностей и ёмкостей) начертить эквивалентную схему цепи и определить сопротивления на каждом элементе, полное сопротивление цепи, напряжение, приложенное к цепи, а также активную, реактивную и полную мощности цепи. Напряжение, приложенное к цепи, считать неизменным.

Дано: I=6 А, U₁=30 В, U₂=50 В, U₃=40 В, U₄=80 В

Решение: Начертим эквивалентную схему цепи

Определим сопротивления элементов цепи:

Полное сопротивление цепи:

Напряжение, приложенное к цепи:

Из треугольника напряжений Мощности цепи:

Задачи № 4 и 5 относятся к разделу «Трёхфазные цепи переменного тока». Для их решения необходимо повторить теоретический материал §§ 6.3 — 6.7 [Л-1], ознакомиться с методикой построения векторных диаграмм для трёхфазной цепи и рассмотреть примеры № 4 и 5.

Пример 4 (к задачам 31-40)

Задачи 31−40 относятся к цепям переменного тока. Перед их решением необходимо изучить [3, с.310−343] в учебнике Попов «Теоретическая электротехника», ознакомиться с методикой построения векторных диаграмм 4 (к задачам 30−39). Трёхфазная несимметричная нагрузка с линейным напряжением 380 В соединена по схеме звезда и имеет следующие параметры: R_A = 20 Ом, X_LA = 15 Ом, R_В = 22 Ом, R_С = 18 Ом, Х_СС = 16Ом. Начертить схему цепи и определить линейные и фазные токи, а также активную, реактивную и полную мощности для всей нагрузки. Построить в масштабе векторную диаграмму цепи и по ней определить численное значение тока в нулевом проводе.

Решение: Поскольку нагрузка соединена по схеме звезда, расчёт цепи ведётся с учётом того, что

а .

Токи в фазах:

где ,

где

где

Углы сдвига фаз между током и напряжением:

откуда

откуда

Мощности цепи:

Активная

Реактивная

Полная Для построения векторной диаграммы выбираем масштаб по напряжению М_U = 22 В/см и по току М_I = 2А/см.

После построения векторной диаграммы в масштабе линейкой измеряем вектор тока в нулевом проводе, умножаем на выбранный масштаб по току и получаем численное значение тока в нулевом проводе: .

Пример № 5 (к задачам 41−50)

Трёхфазная несимметричная нагрузка с линейным напряжением 220 В соединена по схеме треугольник и имеет следующие параметры: R_AB = 16 Ом, X_LAB = 12 Ом, R_ВС = 22 Ом, X_СCА = 44 Ом. Начертить схему цепи и определить фазные токи, а также активную, реактивную и полную мощности для всей нагрузки. Построить в масштабе векторную диаграмму цепи и по ней определить численные значения линейных токов.

Решение: Поскольку нагрузка соединена по схеме треугольник, расчёт цепи ведётся с учётом того, что

а .

Токи в фазах:

где

Углы сдвига фаз между током и напряжением:

откуда

Мощности цепи:

Активная

Реактивная

Полная Для построения векторной диаграммы выбираем масштаб по напряжению М_U = 22 В/см и по току М_I = 2А/см.

На векторной диаграмме выполнить сложение векторов:

После построения векторной диаграммы в масштабе линейкой измеряем векторы линейных токов, умножаем на выбранный масштаб по току и получаем численные значения линейных токов:

Контрольная работа 1

Задача1. 1−10

Цепь постоянного тока содержит несколько резисторов, соединённых смешанно. Номер схемы цепи соответствует номеру задачи. Параметры цепи заданы в таблице № 2. По заданным параметрам определить токи и напряжения на каждом из резисторов, а также мощность, определяемую всей цепью, и расход электрической энергии за 8 часов работы. Направления токов в цепи выбрать самостоятельно.

Пояснить с помощью логических рассуждений характер изменения электрической величины, заданной в таблице № 2 (уменьшится, увеличится или останется без изменения), если один из резисторов выключается из схемы. При этом считать напряжение на выводах цепи неизменным.

Рис. 1 Рис.2

Рис. 3 Рис.4

Рис. 5 Рис.6

Рис. 7 Рис.8

Рис. 9 Рис. 10

Таблица № 2

Задача 2. 11 — 20

Определить токи во всех ветвях цепи по заданным ЭДС источников энергии, их внутренним сопротивлениям и величинам сопротивлений резисторов. Номер рисунка (схемы), величины сопротивлений резисторов и значение напряжения источника питания приведены в таблице 2. Задачу решить методом узловых и контурных уравнений, выполнив проверку решения методом узлового напряжения. Составить уравнение баланса мощности цепи и решить его. Направления обхода контуров и токов ветвей выбрать самостоятельно.

Рис. 11 Рис 12

Рис13 Рис. 14

Рис 15 Рис16

Рис. 17 Рис.18

Рис. 19 Рис.20

Таблица 3

Задача 3. 21 — 30

По заданной векторной диаграмме для цепи переменного тока с последовательным соединением (активных сопротивлений, индуктивностей и ёмкостей) начертить эквивалентную схему цепи и определить сопротивления на каждом элементе, полное сопротивление цепи, напряжение, приложенное к цепи, а также активную, реактивную и полную мощности цепи. С помощью логических рассуждений пояснить, как изменится ток цепи, если частоту увеличить в два раза. Напряжение, приложенное к цепи, считать неизменным. Данные для своего варианта взять из таблицы № 3.

Таблица № 3

Рис. 20 Рис. 21

Рис. 22 Рис. 23

Рис. 24 Рис. 25

Рис. 26 Рис. 27

Рис. 28 Рис. 29

Задача 4. 31 - 40

Для трёхфазной несимметричной нагрузки, соединённой по схеме звезда, по заданным значениям сопротивлений каждой фазы и линейному напряжению зарисовать схему цепи и определить фазное напряжение, линейные и фазные токи, а также активную, реактивную и полную мощности для всей нагрузки. По полученным вычислениям построить в масштабе векторную диаграмму цепи и по ней определить численное значение тока в нулевом проводе.

Данные для своего варианта взять из таблицы № 4.

Таблица № 4

Задача 5. № 40−49.

Для трёхфазной несимметричной нагрузки, соединённой по схеме треугольник, по заданным значениям линейного напряжения и сопротивлений каждой фазы зарисовать схему цепи и определить фазное напряжение, ток в каждой фазе, а также активную, реактивную и полную мощности для всей нагрузки. По полученным вычислениям построить в масштабе векторную диаграмму цепи и по ней получить численные значения линейных токов. Данные для своего варианта взять из таблицы № 5.

Таблица № 5

Методические указания к выполнению контрольной работы 2

электрический ток методический электромагнетизм В контрольную работу 2 входит разделы «Электрические машины постоянного тока», «Электрические машины переменного тока», «Полупроводниковые приборы», «Выпрямители», «Электронные усилители». Решение задач требует знаний соответствующей темы, поэтому для успешного решения необходимо знать основные законы и формулы, а также методику решения.

Пример1 (к задачам 1−10)

Задача № 1 относится к разделу «Электрические машины постоянного тока». Для успешного решения необходимо изучить теоретический материал Л-1(стр. 239 — 277), ознакомиться с основными уравнениями и формулами Л-7.(стр. 199 -202) и рассмотреть пример 2.

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением рассчитан на номинальное напряжение U_ном = 220 В и имеет сопротивление в цепи якоря R_a = 0,08 Ом, сопротивление обмотки возбуждения R_в = 55 Ом. Генератор нагружен на сопротивление R_н = 1,1 Ом, КПД генератора з_г = 0,85. Определить токи в обмотке возбуждения, в цепи якоря и в нагрузке, ЭДС генератора, полезную мощность Р₂, мощность двигателя для вращения генератора Р₁, электрические потери в обмотке возбуждения и в цепи якоря, суммарные потери мощности в генераторе, а также электромагнитную мощность.

Решение: Токи в обмотке возбуждения, нагрузке и якоре:

ЭДС генератора:

Полезная мощность генератора:

Мощность приводного двигателя для вращения генератора:

Электрические потери в цепи якоря и обмотке возбуждения:

Суммарные потери мощности в генераторе:

Электромагнитная мощность, развиваемая генератором:

Пример 2 (к задачам 11−20)

Задача № 2. относится к разделу «Электрические машины переменного тока». Для её успешного решения необходимо изучить теоретический материал Л-1(стр. 199 — 236), ознакомиться с основными уравнениями и формулами Л-7 (стр. 236- 241) и рассмотреть пример 3.

Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором имеет номинальные данные: мощность Р_ном = 11 кВт, номинальное напряжение U_ном = 380 В, частота вращения ротора n₂ = 975 об/мин, коэффициент полезного действия з_ном = 0,855, коэффициент мощности cosц_ном = 0,83, кратность пускового тока I_п / I_ном = 7, кратность пускового момента М_п / М_ном = 2,0, способность к перегрузке М_max / М_ном = 2,2. Частота тока в сети ѓ₁ = 50 Гц. Определить потребляемую мощность, номинальный, пусковой и максимальный моменты, номинальный и пусковой токи, номинальное скольжение, частоту тока в роторе, а также суммарные потери в двигателе.

Решение: Мощность, потребляемая двигателем из сети:

Номинальный момент, развиваемый двигателем:

Максимальный и пусковой моменты двигателя:

Номинальный и пусковой токи двигателя:

Номинальное скольжение двигателя:

Частота тока в роторе:

Пример3 (к задачам 21-30)

Задача № 3. Для питания постоянным током потребителя мощностью Р_d = 300 Вт при н6апряжении Ud = 20 В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, использовав полупроводниковые диоды Д242А.

Выбор и расчет диодов для составления схемы выпрямителя производится следующим образом:

Определить ток потребителя по формуле:

Id = Pd/Ud.

Определить напряжение, действующее на диод в непроводящий момент по формуле: Uв = 3,14Ud.

Проверить диод по параметрам:

— для двухполупериодного выпрямителя Uобр > UВ, Iдоп > 0,5Id;

— для однополупериодного выпрямителя Uобр > UВ, Iдоп > Id.

Составить схему выпрямителя. Если не соблюдается условие по напряжению, то два диода соединяют последовательно. Если не соблюдается условия по току, то два диода ставятся параллельно.

Решение: Параметры диода:

I_доп = 10 А — допустимый ток диода;

Uобр = 100 В — обратное напряжение, которое выдерживает диод без пробоя в непроводящий полупериод.

Решение: Определяем ток потребителя: I₀ = Pd / Ud = 300 /20 = 15А.

Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод для однополупериодной схемы: U_В = 3,14 · U_d = 3,14 · 20 = 62,8 В.

Для однополупериодного выпрямителя должны выполняться условия:

I_доп? I₀ и Uобр? U_В.

В данном случае первое условие не соблюдается, так как 10 < 15, т. е. I_{доп <} I_0. Второе условие выполняется, т.к. 100 В > 62 В, т. е. Uобр > U_В.

Для того чтобы выполнялось условие I_доп > I₀ надо два диода соединить параллельно, тогда I_доп = 2 · 10 = 20А, 20А > 15А.

Составим схему однополупериодного выпрямителя.

Пример4 (к задачам 31−40)

Задача № 4. Определить действующее U2 и амплитудное U2m значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора, его коэффициент трансформации n, постоянную составляющую выпрямленного тока I0 выпрямителя выполненного по мостовой схеме. Выпрямленное напряжение U0 = 350 В на нагрузочном резисторе RН = 1400 Ом, напряжение питающей сети U1 = 127 В. Составить схему выпрямителя. По справочнику [Л-6] выбрать диоды для выпрямителя.

Решение: Действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора в данной схеме выпрямления определяется по формуле:

U2 = 2рU0/?2 = U0/0,9 = 350/0,9 = 390 B.

Коэффициент трансформации трансформатора определяется:

n = U1/U2 = 127/390 = 0.333.

Амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора равно:

U2m = v2U2 = 1.41•390 = 549,9 B.

Значение максимального обратного напряжения вентиля в данной мостовой схеме:

Uобр.max = U2m = 549,9? 550 B.

Постоянная составляющая выпрямленного тока:

I0 = U0/RН = 350/1400 = 0,25 А.

По справочнику, исходя из значения тока I0 и значения обратного напряжения Uобр. max, выбираем диод типа Д7Ж с номинальными данными током

I0 = 0,3 А и максимальным допустимым обратным напряжением диода Uобр. max в = 400 В. Число последовательно включенных диодов в плече мостовой схемы: к > Uобр. max/ Uобр. max в = 550/400 = 1,38. Принимаем к = 2.

Пример5 (к задачам 41−50)

Задача № 5. Определение основных параметров резисторного каскада усилителя. Согласно схеме усилителя, рассчитать параметры резисторного каскада усилителя.

Элементы схемы усилительного каскада.

Паспортные данные для транзистора: h21эмин=50; h21эмах=280; Ск=5пФ;

fгр= 250 Мгц; 300 пс; Rкэ равно от 40 до 60 Ом (в режиме насыщения); Iко = 7,5мА.

Решение: Расчет для схемы с ОЭ (Rн = ?)

Определяем среднее значение параметра h21э:

=

Определяем значение параметра

h11э: h11э = =60 + 414,2 = 474,2

где , — сопротивление базы транзистора, представляющее собой распределенное (объемное) сопротивление участка кристалла, примыкающего к электроду;

— сопротивление эмиттерного перехода;

= /С_к= 300/5=60

=

где, -температурный потенциал, равный 26 мВ при комнатной температуре.

Определяем расчетное значение входного сопротивления усилительного каскада с учетом сопротивлений Rб1 и Rб2:

Ом,

Определяем расчетное значение выходного сопротивления транзистора усилительного каскада.

Значение параметра Y22э составляет:

Выходное сопротивление усилительного каскада по переменному току представляет собой параллельное соединение Rвых транзистора Определяем коэффициент усиления по напряжению К:

где Rн — выходное сопротивление каскада по переменному току Rвых Коэффициент усиления по току Кi для схемы с ОЭ составляет:

Кi=h21э= 118,3

Определяем величину коэффициента усиления по мощности:

Кр=К*Кi=0,748*118,3=88,49

Контрольная работа 2

Задачи 1. № 1−10.

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением отдаёт полезную мощность Р₂ при номинальном напряжении U_ном. Сила тока в нагрузке равна I_н, ток в цепи якоря I_а, в обмотке возбуждения I_в. Сопротивление цепи якоря равно R_а, обмотки возбуждения R_в. Генератор развивает ЭДС Е. Электромагнитная мощность равна Р_эм. Мощность, затрачиваемая на вращение генератора, равна Р₁. Суммарные потери мощности в генераторе составляют УР при коэффициенте полезного действия з_г. Потери мощности в обмотках якоря и возбуждения соответственно равны Р_а и Р_в. Используя данные о генераторе, приведённые в таблице № 3, определить все неизвестные величины, отмеченные прочерками в таблице вариантов.

Таблица № 1

Задачи 2. № 11-20.

Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, работая в номинальном режиме, приводит во вращение центробежный вентилятор.

Двигатель потребляет из сети мощность Р₁ при номинальном напряжении U_ном и номинальном токе I_ном. Номинальная полезная мощность на валу Р_ном2.

Суммарные потери мощности в двигателе УР, его коэффициент полезного действия з_ном. Коэффициент мощности двигателя равен cos ц_ном. Двигатель развивает на валу вращающий момент М_ном при частоте вращения ротора n₂. Максимальный и пусковой моменты двигателя соответственно равны М_max и М_п; способность двигателя к перегрузке М_max / М_ном, кратность пускового момента М_п / М_ном.

Синхронная частота вращения магнитного поля статора равна n₁, скольжение ротора при номинальной нагрузке s_ном. Частота тока в сети ѓ₁ = 50 Гц. Используя данные, приведённые в таблице № 4, определить все неизвестные величины, отмеченные прочерком в таблице вариантов.

Таблица № 2

Задачи № 3. 21-30.

Составить схему мостового выпрямителя, использовав стандартные диоды, параметры которых приведены в таблице 3. Мощность потребителя Pd (Вт) с напряжением питания Ud (В). Пояснить порядок составления схемы для диодов с приведенными параметрами.

Данные для варианта взять из табл. 2.

Таблица № 3

Задачи № 4. 31-40

Составить схему выпрямителя и решить задачу по своему варианту, данные для решения задачи приведены в таблице № 4. По справочнику выбрать полупроводниковые диоды для выпрямителя.

Таблица № 4

Задачи № 5. 31−40

Составить схему однокаскадного низкочастотного усилителя и рассчитать коэффициенты усиления по току КI, напряжению КU и мощности КP, а также RBX входное и Rвых выходное сопротивление для заданного варианта схемы включения транзистора по h-параметрам для рабочей точки. Величины сопротивления Rн нагрузки и внутреннего сопротивления Rг генератора сигналов, приведены для соответствующего варианта контрольной работы в таблице 5.

Таблица № 5

Приложение

Единицы Международной системы единиц СИ

Несистемные единицы (по отношению к системе СИ).

Десятичные кратные и десятичные дольные единицы.

Диапазоны измеряемых величин очень широки, поэтому государственный стандарт допускает применение несистемных единиц. Такими являются десятичные кратные (образованные умножением на 10, 100, 1000 и т. д.) и десятичные дольные (образованные умножением на 0,1; 0,01; 0,001 и т. д.) от единиц СИ.

Для их обозначения вводятся специальные приставки.

Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

Примеры

Алфавитный список некоторых несистемных величин