А.М. Микрюков Электротехника и электроника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное учреждение

Кузбасский государственный технический университет Кафедра общей электротехники

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Программа курса и методические указания к контрольной работе для студентов заочной формы обучения по специальностям 170100, 120100, 090200, 090500

(в том числе для сокращенных сроков обучения)

Составители А.М. Микрюков Т.В. Иванова

Утверждены на заседании кафедры Протокол № 5 от 17.04.02

Рекомендованы к печати учебнометодической комиссией по специальности 170100 Протокол № 7 от 30.04.02

Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса КузГТУ

Кемерово 2002

1

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ, ЕЁ МЕСТО В УЧЕБНОМ ПРОЦЕССЕ

1.1. Цель преподавания дисциплины Освоение материала по теории электрических цепей постоянного

и переменного тока, электрических машин и трансформаторов, электроники и электрических измерений.

1.2. Задачи изучения дисциплины

Косновным задачам курса относятся :

-выработка навыков анализа линейных электрических цепей постоянного тока с одним или несколькими источниками электрической энергии;

-выработка навыков анализа однофазных и трехфазных электрических цепей переменного синусоидального тока;

-выработка понимания электромагнитных процессов, протекающих в электрических машинах и трансформаторах;

-выработка понимания работы электронных устройств.

1.3.Дисциплины, необходимые для изучения данного курса

Для изучения курса " Электротехника и электроника" студенты должны знать разделы "Электричество", "Электрические явления, происходящие в металлах, полупроводниках, газе и вакууме" по физике; действия над комплексными числами, интегральное и дифференциальное исчисления по высшей математике.

2.СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

2.1.Лекционные занятия (16 часов).

1. Введение. Анализ электрических цепей постоянного тока с одним и несколькими источниками электрической энергии [1] (2 часа).

2.Анализ электрических цепей однофазного переменного тока [1] (4 часа).

3.Трехфазные цепи переменного тока [I] (2 часа).

4.Назначение, устройство и принцип действия трансформаторов

[I](2 часа).

5.Назначение, устройство, принцип действия и характеристики асинхронных двигателей [I] (2 часа).

6.Назначение, устройство, принцип действия и характеристики машин постоянного тока [I] (2 часа).

7.Назначение и характеристики однофазных и трехфазных полу-

2

проводниковых выпрямителей [3] (2 часа). 2.2. Практические занятия (8 часов)

1.Расчет электрических цепей методом свертывания и методом контурных токов (2 часа).

2.Расчет однофазных цепей синусоидального тока символическим методом (4 часа).

3.Расчет трехфазных электрических цепей (2 часа).

2.3.Лабораторные занятия (6 часов)

1.Исследование цепей однофазного переменного тока (2 часа).

2.Исследование трехфазных цепей (2 часа).

3.Исследование однофазного трансформатора (2 часа).

3.САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА (128 часов)

3.1.Выполнение контрольной работы "Расчет линейных электрических цепей постоянного и переменного тока".

3.2.Изучение следующих теоретических разделов:

1.Аналитический метод расчета цепей синусоидального тока при параллельном соединении пассивных элементов.

2.Специальные виды трансформаторов.

3.Однофазные асинхронные электродвигатели.

4.Биполярные полупроводниковые транзисторы.

4.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ Цель выполнения контрольной работы - приобретение навыков

анализа и расчета цепей постоянного тока, а также однофазных и трехфазных цепей переменного синусоидального тока символическим методом.

Контрольная работа состоит из трех заданий:

1.Расчет цепи постоянного тока методами контурных токов и узловых потенциалов с составлением баланса мощностей.

2.Расчет цепи однофазного синусоидального тока символическим методом с составлением баланса мощностей и построением векторной диаграммы.

3.Расчет несимметричной трехфазной нагрузки при соединении в "звезду" с нулевым проводом, “звезду” без нулевого провода и в "треугольник" c составлением баланса мощностей и построением векторной диаграммы для каждой схемы.

Выбор варианта контрольной работы производится по трем пос-

3

ледним цифрам зачетной книжки. Последняя цифра считается первой. Она определяет номер схемы в первых двух заданиях (в третьем задании каждый студент производит расчет всех трех схем). Предпоследняя

цифра считается второй, цифра перед ней – третьей. Цифры 0 и 9 соответствуют последней строке в таблицах исходных данных. Например, номер зачетной книжки 201590. Первой цифрой считается 0. Это означает, что в столбцах таблицы, соответствующих первой цифре, вы-

бирается 9 строка, где указан номер схемы – 9. Вторая цифра 9. Значит в столбцах таблицы под этой цифрой выбирается также 9 строка. Третья цифра 5. Значит в столбцах таблицы под этой цифрой данные берутся из строки с номером 5.

ЗАДАНИЕ 1 РАСЧЕТ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель задания - научиться самостоятельно рассчитывать сложные электрические цепи постоянного тока и освоить методы проверки расчетов.

Входе выполнения задания требуется:

-упростить схему и рассчитать токи во всех ветвях цепи методами узлового напряжения и контурных токов;

-для специальности 170100 (ГЭ) дополнительно определить ток в ветви Nк методом эквивалентного генератора;

-рассчитать баланс мощностей.

Исходные данные для расчета приведены в табл. 1.

АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТОКОВ

Расчет методом узлового напряжения

а) задаемся произвольным направлением тока в ветвях заданной схемы;

б) находим в схеме треугольник сопротивлений и преобразовываем его в эквивалентную звезду сопротивлений. Преобразование ведем для пассивного контура, не содержащего источников ЭДС.

4

Рис. 1

Расчет сопротивлений эквивалентной звезды (рис.1) ведем по формулам

в) путем свертывания упрощаем схему до двух узлов, между которыми включены три ветви, каждая из которых содержит одно эквивалентное сопротивление;

г) находим узловое напряжение

где знак "±" зависит от взаимного направления ЭДС источников питания в ветвях и узлового напряжения Uab (знак "+", если направлены встречно); g1, g2 , g3 - проводимости ветвей (рассчитываем как вели-

чины, обратные соответствующим сопротивлениям ветвей); д) определяем токи в ветвях упрощенной схемы по обобщенному

закону Ома

Ik = ± EkR±k Uab ,

где знак "+" берется, если направление тока Ik совпадает с направлением Ek или Uab ;

е) находим остальные токи в исходной непреобразованной схеме с помощью уравнений второго и первого законов Кирхгофа. Причем, ес-

5

ли у полученных значений тока или напряжения окажется знак "-", то это означает, что их действительное направление противоположно выбранному;

ж) делаем проверку расчетов по первому закону Кирхгофа для любых двух узлов, используя исходную схему и расчетные значения токов.

Расчет методом контурных токов

а) в каждом внутреннем контуре расчетной схемы задаемся произвольным направлением контурного тока;

б) составляем матрицу сопротивлений (главный определитель)

R11 R12 R13

∆ = R21 R22 R23 ,

R31 R32 R33

где R11, R22 , R33 −суммы сопротивлений первого, второго и третьего контуров соответственно; R12 , R23, R32 −сопротивления ветвей, являю-

щихся общими для соответствующих смежных контуров. Если по этим ветвям протекают встречные контурные токи, то сопротивления берутся со знаком "-";

в) находим алгебраические дополнения матриц путем подстановки столбцов ЭДС, действующих в контурах:

втором и третьем контуре. ЭДС берется со знаком "+", если ее направление и выбранное направление контурного тока совпадают;

г) находим контурные токи:

I11 = ∆∆11 ; I22 = ∆∆22 ; I33 = ∆∆33 ;

д) определяем токи в ветвях расчетной (заданной) схемы. Ток во внешней ветви равен соответствующему контурному току, а в смежной находится как алгебраическая сумма соответствующих контурных токов;

е) делаем проверку найденных токов по первому закону Кирхгофа

6

и сравниваем их значения с результатами других методов расчета. Определители могут быть вычислены любыми известными методами, в том числе и с применением компьютера.

Расчет баланса мощностей

Баланс мощностей для электрической цепи является математическим подтверждением закона сохранения энергии и в данном задании является основной проверкой правильности проведенных вычислений. Уравнения баланса мощностей

∑Pист = ∑Pпр ;

±E1I1 ± E2I2 = I12R1 + I22R2 + I32R3 + I42R4 + I52R5 + I62R6 .

Знак "+" в левой части равенства берется, когда ЭДС и ток в схеме совпадают по направлению. Погрешность баланса не должна превышать 2% и определяется по формуле

Таблица 1

Исходные данные для расчета цепей постоянного тока

7

Рис.2. Схемы для выполнения задания 1

8

З А Д А Н И Е 2

РАСЧЕТ ОДНОФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель задания - приобретение навыков анализа и расчета цепей переменного тока.

В ходе выполнения задания требуется:

-рассчитать токи во всех ветвях и напряжениях на всех участках

иэлементах схемы;

-рассчитать баланс мощностей;

-построить векторную диаграмму токов и напряжений;

-для специальности 170100 (ГЭ) дополнительно записать мгновенные значения токов в ветвях и построить график в функции времени для любого из них.

Частота напряжения питания для всех вариантов f =50. В процессе вычислений оставлять два-три знака после запятой.

Исходные данные для расчета приведены в табл. 2. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА СИМВОЛИЧЕСКИМ МЕТОДОМ

Расчет токов и напряжений

а) находим величины реактивных сопротивлений:

допускается округлять до целого числа; б) определяем полные комплексные сопротивления каждой ветви

в алгебраической и показательной формах, например:

Z1 = r1 ± jx1 = z1e± jϕ1, Ом

где z1 = r12 + x12 - модуль комплекса полного сопротивления первой ветви;

ϕ1 = arctg x1 - угол сдвига по фазе между напряжением и током первой ветви. r1

Знак "+" соответствует индуктивному характеру сопротивления, знак "-" - емкостному;

в) составляем схему замещения и обозначаем на ней токи и напряжения каждой ветви, например, как на рис. 3. При расчетах оперируем числами в комплексной форме;