ПРОСТЕЙШАЯ ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВО «Кемеровский технологический институт пищевой промышленности (университет) Кафедра «АПП и АСУ» КОМПЛЕКСНОЕ МЕТОДИЧЕСКОЕ УКАЗАНИЕ по выполнению контрольной работы по дисциплинам «Электротехника», «Электротехника и электроника» для студентов заочного обучения Составили: B.C. Аленичев В.И. Брагинский А.Е. Тимофеев Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры «АПП и АСУ» 18 сентября 2017 г. протокол №2
КЕМЕРОВО 2017
Программа. 6
Введение. 7
Раздел 1. Постоянный ток. 8
1.1. Простейшая цепь постоянного тока. 9
1.2. Энергетические соотношения в простейшей цепи постоянного тока 16
1.3. Расчет электрических цепей постоянного тока с одним источником питания. 18
1.4. Расчет сложных цепей постоянного тока. 28
Раздел 2. Переменный ток. 36
2.1. Простейшие электрические цепи однофазного переменного тока 36
2.2. Активная, реактивная и полная мощности. 48
Раздел 3. Трехфазный электрический ток. 52
3.1. Элементы трехфазной системы.. 52
3.2. Соединение фаз звездой. 55
3.3. Соединение фаз треугольником.. 59
3.4. Мощность трехфазной системы и ее измерение. 63
Раздел 4.Трансформаторы.. 71
4.1. Назначение трансформаторов. 71
4.2. Устройство трансформатора. 72
4.3. Принцип действия однофазного трансформатора. 73
4.4. Потери мощности и кпд трансформаторов. 74
|
|
|
4.5. Режим холостого хода трансформатора. 75
4.6. Режим короткого замыкания. 76
4.7. Работа трансформатора под нагрузкой. 77
4.8. Особенности устройства и работы трехфазных трансформаторов 79
Раздел 5. Асинхронный двигатель. 86
5.1. Исследование короткозамкнутого асинхронного двигателя. 86
Раздел 6. Физические основы полупроводниковой электроники. 97
6.1. Полупроводники. 97
6.2. Электронно-дырочный переход. 99
6.3. Полупроводниковые диоды и стабилитроны.. 101
6.4. Простейший однополупериодный выпрямитель. 102
6.5. Тиристор. 103
6.6. Биполярные транзисторы.. 105
6.7. Полевые транзисторы.. 107
6.8. Усилители постоянного тока и операционные усилители. 109
6.9. Понятия об импульсных устройствах, электронный ключ. 112
6.10. Логические элементы.. 114
Раздел 7. Контрольные задачи. 117
Методические указания по решению задач. 117
Требования к оформлению контрольной работы.. 118
Контрольная работа. 120
Литература. 135
Данное методическое обеспечение составлено для студентов заочного обучения на основе утвержденных рабочих программ, разработанных в соответствии с федеральными государственными образовательными стандартами высшего образования для направлений/специальностей:
|
|
|
| Шифр направления/ специальности | Название направления/ специальности | Контрольная работа №№ задач |
| 15.03.02 | Технологические машины и оборудование | 1.2, 1.3, 1.5, 1.9 |
| 16.03.03 | Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения | 1.2, 1.3, 1.5, 1.9 |
| 20.03.01 | Техносферная безопасность | 1.2, 1.5, 1.8, 1.9 |
| 20.05.01 | Пожарная безопасность | 1.2, 1.5, 1.8, 1.9 |
| 19.03.01 | Биотехнология | 1.2, 1.5, 1.9 |
| 19.03.02 | Продукты питания из растительного сырья | 1.2, 1.5, 1.9 |
| 19.03.03 | Продукты питания животного происхождения | 1.2, 1.5, 1.9 |
| 19.03.04 | Технология продукции и организация общественного питания | 1.2, 1.5, 1.9 |
Программа
На основании стандартов кафедрой разработаны и утверждены рабочие программы для каждого направления/специальности. С ними можно познакомиться на кафедре «АПП и АСУ» Данные программы по курсам «Электротехника», «Электротехника и электроника» содержат:
электрические цепи; основные законы электрических цепей; методы расчета электрических цепей постоянного и синусоидального переменного тока; тепловые действия тока; электромагнитные и магнитные цепи; электромагнитные расчеты; трехфазные системы; трансформаторы; асинхронные машины; коллекторные, синхронные машины; электропривод; режимы работы электрооборудования и расчет его основных параметров; электротехническая аппаратура; основы промышленной электроники, электронные и полупроводниковые приборы; усилители электрических сигналов; основы цифровой электроники, микропроцессорные средства.
|
|
|
ВВЕДЕНИЕ
Настоящее методическое пособие предназначено для студентов вузов инженерно-технических специальностей не электротехнического профиля, изучающих курс электротехники. Оно включает рекомендуемую литературу, общие методические указания по изучению курса, методические указания по решению задач, контрольные задания по отдельным темам курса. Вопросы лабораторного практикума не рассматриваются.
РАЗДЕЛ 1. ПОСТОЯННЫЙ ТОК
Электротехника как наука теоретическая и прикладная вначале развивалась на основе постоянного тока, поскольку первыми источниками электрического тока были гальванические элементы. В этот период (1800 — 1850 гг.) были открыты основные закономерности электрических явлений: законы электрической цепи (Г. Ом и Г. Кирхгоф), тепловое действие электрического тока и его практическое использование (Э. Ленц, Д. Джоуль, В. В. Петров), законы электромагнитной индукции и электромагнитных сил (М. Фарадей, Д. Максвелл, Э. Ленц, А. Ампер, Б. С Якоби и др,), электрохимическое действие тока и т.д.
|
|
|
В дальнейшем по мере развития электроэнергетических установок и роста их мощности все больше выявлялся основной недостаток системы постоянного тока — трудность экономичной передачи электрической энергии на значительные расстояния. Возможность передачи электрической энергии па дальние расстояния, большая простота машин и другие преимущества обеспечили системе переменного тока широкое развитие. Однако и теперь, когда переменный ток занимает центральное место в электроэнергетике, многие потребители электрической энергии нуждаются в постоянном токе, который является для них либо единственным приемлемым по технологическим условиям родом тока (электрохимия), либо родом тока, обеспечивающим ряд технико-экономических преимуществ (электротранспорт, некоторые промышленные электродвигатели). Источниками питания для большинства современных установок постоянного тока являются различные преобразователи переменного тока в постоянный (электромашинные, электронно-ионные, полупроводниковые) и в меньшей мере аккумуляторы, генераторы постоянного тока и термоэлектрические батареи.
В электрических цепях как постоянного, так и переменного тока при любых возможных режимах одновременно происходит непрерывный процесс получения электрической энергии и преобразование ее в другие виды энергии.
ПРОСТЕЙШАЯ ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Основные понятия. Электрические цепи в общем случае представляют собой сочетание следующих элементов:
1) источников электрической энергии — генераторов;
2) электроприемников, преобразующих электрическую энергию в другие виды энергии;
3) устройств, связывающих источники электрической энергии с электроприемниками.
Простейшая электрическая цепь постоянного тока, представлена на рис. 1.1, состоит из электрического генератора Г, электрической нагрузки (электроприемника) Н и двухпроводной линии Л соединяющей источник Г с нагрузкой Н.
Линия Л и присоединенная в ее конце нагрузка Н образуют вместе внешнюю цепь генератора.
Под действием электродвижущей силы (э.д.с.) Е генератора в замкнутой цепи возникает и поддерживается направленное движение электрических зарядов — электрический ток I.
Величина тока I, протекающего по проводнику, определяется количеством электрических зарядов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени (1 сек). Если режим электрической цепи таков, что величина тока во времени не меняется, то
(1-1)
где q — количество электричества, прошедшего за t сек Единицей измерения электрического тока является ампер:
Когда величина тока непостоянна и меняется во времени, зависимость (1.1) выражается в дифференциальной форме[1]:
В металлических проводниках электрический ток представляет собой движение отрицательных зарядов (электронов). В других случаях (например, в электролитах) электрический ток осуществляется движением как положительных, так и отрицательных зарядов в противоположных направлениях. Движение положительных зарядов в одном направлении равноценно перемещению отрицательных зарядов в противоположном направлении. Для определенности условились за направление тока в проводниках считать направление движения положительных зарядов.
Действием электродвижущей силы генератора обеспечивается определенная разность потенциалов на его зажимах. Зажим с более высоким потенциалом называется положительным и обозначается знаком «плюс». Зажим с более низким потенциалом называется отрицательным и обозначается знаком «минус». Направление электрического тока внутри источника совпадает с направлением э.д.с., т.е. от зажима (—) к зажиму (+).
 |
Рис 1.1 Простейшая цепь постоянного тока
Рис. 1.2. Участок цепи, не содержащий э.д.с.
Во внешней цепи ток направлен от зажима (+) к зажиму (—), т.е. от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом.
Прохождение электрического тока в цепи связано с затратой энергии. Эта энергия доставляется в цепь генератором и преобразуется здесь в тепло или в иные виды энергии (механическая работа, химическая энергия и др.).
Элемент цепи, в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в тепловую, называется электрическим сопротивлением и на схемах обозначается в. виде прямоугольника с двумя зажимами (рис. 1.2).
Рассмотрим участок электрической цепи, не содержащий э.д.с. Прохождение электрического тока на рассматриваемом участке обусловлено наличием разности потенциалов ( j1 - j2) на его концах, или напряжением U на этом участке. Направление напряжения принимается от точки 1 с более высоким потенциалом к точке 2, где потенциал ниже, т.е. оно совпадает с направлением тока на рассматриваемом участке цепи.
Закон Ома. Основные электроэнергетические соотношения для участка цепи устанавливаются законами Ома и Джоуля—Ленца.
Согласно закону Ома, ток I на участке цепи пропорционален напряжению U на этом участке[2]:
I = Ug (1.2)
Коэффициент пропорциональности g называется электрической проводимостью участка. Величина, обратная электрической проводимости.
количественно определяет значение сопротивления участка цепи. Сопротивление измеряется в омах, а проводимость — в сименсах (сим, или 1/Ом).
Закон Ома для участка цепи часто выражают в следующем виде:
(1.2 а)
В замкнутой электрической цепи (рис. 1.3) каждый элемент (генератор, провода линии, электроприемник) обладает определенным электрическим сопротивлением.
Через все последовательно соединенные элементы цепи протекает один и тот же ток I. Величина этого тока прямо пропорциональна э.д.с. генератора Е и обратно пропорциональна общему сопротивлению всей цепи:
(1.3)
где rг — сопротивление генератора;
rл — сопротивление проводов линии;
rн — сопротивление нагрузки (электроприемника);
rвнеш = rл+rн — общее сопротивление внешней цепи.
Электродвижущая сила Е, так же как и напряжение U, измеряется в вольтах (в).
Формула (1.3) представляет собой закон Ома для замкнутой электрической цепи.
Напряжения на зажимах генератора и нагрузки. Выражение (1.3) можно привести к следующему виду:
E = Irг +Irл + Irн = Irг + Irвнеш (1.3а)
Часть э.д.с., которая затрачивается на преодоление внутреннего сопротивления генератора, называется падением (потерей) напряжения в генераторе:
DUг = Irг
Остальная часть э.д.с. затрачивается на преодоление сопротивления внешней цепи, присоединенной к зажимам генератора, и называется напряжением на зажимах генератора:
U = E – Irг = E - DUг (1.4)
При уменьшении внешнего сопротивления rвнеш ток I в цепи увеличивается, а напряжение на зажимах генератора Uг уменьшается. Зависимость Uг(I)[3] называется внешней характеристикой генератора (рис. 1.4).
Внутреннее сопротивление большинства источников, используемых в энергетических установках, как правило, во много раз меньше сопротивления внешней цепи. Чем больше мощность генератора, тем меньше при прочих равных условиях его внутреннее сопротивление.
Если rг«rвнеш, то допустимо пренебречь потерей напряжения в источнике и принять Uг ≈ E.
Рис. 1.3. Не разветвленная цепь постоянного тока
Рис. 1.4. Внешняя характеристика генератора
В том случае, когда генератор соединен с нагрузкой линией передачи (рис. 1.3), при прохождении нагрузочного тока по линии в ней теряется часть напряжения DUл = Irл. В связи с этим напряжение Uнагр на зажимах нагрузки меньше, чем напряжение генератора Uг, на величину DUл:
Uнагр = U – DUл = E – (rг – rл)
Линии передачи, как правило, выполняются медными, алюминиевыми и реже стальными проводами.
Сопротивление металлического проводника зависит от его длины l, площади поперечного сечения s и электропроводящих свойств металла, из которого выполнен проводник:
(1.5)
где l —длина проводника, м;
s — площадь поперечного сечения проводника, мм2,
r — удельное сопротивление проводника, 
Величина, обратная удельному сопротивлению,
;
называется удельной проводимостью, выражается в 
Сопротивление металлического проводника зависит от температуры: с повышением температуры сопротивление r увеличивается. Зависимость электрического сопротивления от температуры выражается формулой
rQ2 = rQ2[1 + (Q02 - Q01)], (1.6)
Дата добавления: 2018-04-15; просмотров: 965; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!