3-Б курс, 6-ти летки Калинина Т.В 2 / МУ для выполнения КР ЭиЭ

МЧС РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уральский институт Государственной противопожарной службы Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Задания и методические указания по выполнению контрольной работы

для слушателей факультета заочного обучения

(специальность 280705 Пожарная безопасность)

Екатеринбург

2013

0

Электротехника и электроника: задания и метод. указания по выполнению контрольной работы для слушателей фак-та заоч. обучения (специальность 280705 Пожарная безопасность) / Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС России, 2013. 122 с.

Cоставители: Контобойцева М.Г., кандидат педагогических наук, доцент, Мансуров Т.Х., преподаватель, кафедры пожарной безопасности в электроустановках Уральского института ГПС МЧС России.

Рецензент: Баранова О.Ю., кандидат технических наук, доцент кафедры физики и теплообмена Уральского института ГПС МЧС России.

Методическая разработка предназначена для формирования у обучающихся умений самостоятельного решения задач по основным темам дисциплины «Электротехника и электроника». Приведены краткие теоретические сведения, задания для контрольной работы, примеры решения задач.

Предназначено для обучающихся в Уральском институте ГПС МЧС России на факультете заочного обучения по специальности 280705 Пожарная безопасность.

Рекомендовано к изданию методическим советом Уральского института ГПС МЧС России, протокол № 9 от «23» мая 2013 г.

© Уральский институт ГПС МЧС России, 2013.

1

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………… 3

1.МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКИХ РАБОТ ……………………………….. 4

2.РАСЧЕТ СЛОЖНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

ПОСТОЯННОГО ТОКА………………………………………………...... 6

2.1.Метод эквивалентного преобразования схем …………………………... 9

2.2.Метод узловых и контурных уравнений (метод законов Кирхгофа) …. 12

2.3.Метод контурных токов ………………………………………………….. 13

2.4.Метод узлового напряжения ……………………………………………... 14 2.5.Метод наложения токов …………………………………………………... 14

2.6.Пример решения задачи №1 …………………........................................... 15

2.7. Задача № 1 ………………………………………………………………… 23

3.РАСЧЕТ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ОДНОФАЗНОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА …………………… 29

3.1.Расчет линейных электрических цепей однофазного синусоидального тока символическим методом …………………………………………… 31

3.2. Пример решения задачи № 2 ……………………………………………. 37 3.3. Задача № 2 ………………………………………………………………… 42

4.	РАСЧЕТ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ ……………………………………… 44
4.1. Краткие теоретические сведения ………………………………………..		44
4.2. Пример решения задачи № 3 …………………………………………….		57
4.3. Задача № 3 …………………………………………………………………		65
5.	РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА	68

5.1.Краткие теоретические сведения ……………………………………….. 68

5.2.Пример решения задачи № 4 ……………………………………………. 81

5.3. Задача № 4…………………………………………………………………	87
6. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО
ДВИГАТЕЛЯ ………………………………………………………………	89
6.1. Краткие теоретические сведения ………………………………………..	89
6.2. Пример решения задачи № 5 …………………………………………….	98
6.3. Задача № 5 ………………………………………………………………..	102
7. АНАЛИТИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОННОГО
УСИЛИТЕЛЯ ….…………………………………………………………	104
7.1. Краткие теоретические сведения ………………………………………..	104
7.2. Пример решения задачи № 6 ....................................................................	111
7.3. Задача № 6 ………………………………………………………………..	113
ПРИЛОЖЕНИЯ ……………………………………………………………...	115
ЛИТЕРАТУРА ……………………………………………………………….	122

2

ВВЕДЕНИЕ

Входе изучения дисциплины «Электротехника и электроника» закладывается фундамент общеинженерной подготовки будущего специалиста в области пожарной безопасности. В своей практической деятельности специалисту в области пожарной безопасности постоянно придется сталкиваться с электротехническими

иэлектронными устройствами, последствиями нарушения правил эксплуатации электрических цепей и электротехнического оборудования. Серьезное и глубокое понимание законов электротехники позволит инженеру успешно решать многообразие профессиональных задач. Но при изучении общетехнической дисциплины нельзя ограничиваться только качественным пониманием ее основных законов без их приложения к расчетам. Умения по расчету электрических цепей, параметров электротехнических и электронных устройств могут быть в дальнейшем использованы при разработке инженерно-технических решений по повышению пожарной безопасности электроустановок, проектировании систем противопожарной защиты.

Входе выполнения контрольной работы слушатели должны выполнить шесть задач по темам: «Электрически цепи постоянного тока», «Линейные электрические цепи синусоидального тока», «Трансформаторы», «Электрические машины», «Основы аналоговой и цифровой электроники».

Данная методическая разработка включает в себя методические указания по выбору заданий в соответствии с вариантом, а также требования, предъявляемые к оформлению работ, краткие теоретические сведения, задания для контрольной работы, примеры выполнения задач.

3

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

Задачи по электротехнике и электронике весьма разнообразны, но можно выделить общие рекомендации по их решению:

1. Уясните условие задачи, изучите, приведенные в пособии теоретические сведения по теме задачи, разберите пример ее решения.

2. Во избежание ошибок при числовых расчетах все значения величин подставляйте в формулы в основных единицах СИ (В, А, Ом, Гн, Вт и т.д.), для чего

все производные единицы следует перевести в основные, например: 1 кВ = 10³ В, 1 мкФ = 10–6Ф и т.д.

3. Проанализируйте полученные в процессе решения задачи результаты на предмет их правильности: сходится ли баланс мощностей, КПД должен быть меньше единицы и др.

4. Векторные диаграммы следует строить в масштабе, обязательно указав его в тексте решения задачи. Масштабы шкал по осям выбираются равномерными, начиная с нуля, с использованием всей площади графика.

5. Обязательно заполните все пункты таблиц в теоретическом задании зада-

чи.

Пособие содержит задания для девяти расчетно-графических работ. Номер варианта задания определяется в соответствии с двумя последними цифрами зачетной книжки. Например: последние две цифры зачетной книжки 04, тогда номера заданий для данного варианта будут: 11, 50, 71, 110, … .

При оформлении контрольной работы необходимо соблюдать следующие требования:

1. Контрольная работа выполняется в одной тетради в клетку, на листах которой чертятся поля шириной 30 мм для замечаний преподавателя-рецензента. Записи в тетради должны быть сделаны разборчивым почерком чернилами темного цвета (синего, фиолетового, черного).

2.Условия заданий переписываются полностью, без сокращений.

3.При решении задачи указывается номер действия, его краткое описание. Искомая величина выражается формулой, затем подставляются известные значения величин, записываются результаты расчета и единицы измерения.

4.В соответствии с условиями задачи должны быть представлены все необходимые схемы, графики и диаграммы. Все чертежи в работе должны быть ак-

куратными и наглядными, выполненными с помощью чертежных инструментов и только карандашом.

По результатам выполнения контрольной работы выставляется «зачет» или «незачет». Контрольная работа зачитывается, если все задачи решены согласно варианту, в полном объеме, без ошибок и в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ее оформлению. Контрольная работа не зачитывается, если задача решена неправильно или не в соответствии с вариантом, имеются невыполненные пункты задания, не соблюдены требования к ее оформлению.

4

Таблица 1

Варианты заданий для задач контрольной работы

Последняя цифра зачетной книжки

			0	1	2	3		4		5		6	7	8	9
	книжки	0	1, 40, 61,	20, 41, 80,	21, 60, 81,	10, 31, 70,	11,	50, 71,	30, 51,90,		1, 31, 61,		20, 41, 80,	21, 60, 90,	10, 31, 61,
			100, 121,160	101, 140, 161	120, 141, 180	91, 130, 151	110,	131,170	111,	150,171	100, 121,160		101, 140,161	120,141,180	91, 130,151
		1	2, 39, 62,	19, 42, 79,	22, 59, 82,	9, 32, 69,	12, 49, 72,		29, 52, 89,		2, 32, 62,		19, 42, 79,	22, 59, 89,	9, 32, 62, 92,
			99, 122, 159	102, 139, 162	119, 142, 179	92, 129, 152	109,	132,169	112,	149,172	99,	122,159	102, 139,162	119,142,179	129,152
	зачетной	2	3, 38, 63,	18, 43, 78,	23, 58, 83,	8, 33, 68,	13, 48, 73,		28, 53, 88,		3, 33, 63,		18, 43, 78,	23, 58, 88,	8, 33, 63, 93,
			98, 123, 158	103, 138, 163	118, 143, 178	93, 128, 153	108,	133,168	113,	148,173	98,	123,158	103, 138,163	118,143,178	128,153
		3	4, 37, 64,	17, 44, 77,	24, 57, 84,	7, 34, 67,	14,	47, 74,	27, 54, 87,		4,	34, 64,	17, 44, 77,	24, 57, 87,	7, 34, 64, 94,
			97, 124, 157	104, 137, 164	117, 144, 177	94, 127, 154	107,	134,167	114,	147,174	97,	124,157	104, 137,164	117,144,177	127,154
	цифра	4	5, 36, 65,	16, 45, 76,	25, 56, 85,	6, 35, 66,	15, 46, 75,		26, 55, 86,		5, 35, 65,		16, 45, 76,	25, 56, 86,	6, 35, 65, 95,
			96, 125, 156	105, 136, 165	116, 145, 176	95, 126, 155	106,	135,166	115,	146,175	96,	125,156	105, 136,165	116,145,176	126,155
		5	6, 35, 66,	15, 46, 75,	26, 55, 86,	5, 36, 65,	16,	45, 76,	25, 56, 85,		6,	36, 66,	15, 46, 75,	26, 55, 85,	5, 36, 66, 96,
	Предпоследняя		95, 126, 155	106, 135, 166	115, 146, 175	96, 125, 156	105,	136,165	116,	145,176	95,	126,155	106, 135,166	115,146,175	125,156
			92, 129, 152	109, 132, 169	112, 149, 172	99, 122, 159	102,	139,162	119,	142,179	92,	129,152	109, 132,169	112,149,172	122,159
		6	7, 34, 67,	14, 47, 74,	27, 54, 87,	4, 37, 64,	17,	44, 77,	24, 57, 84,		7, 37, 67,		14, 47, 74,	27, 54, 84,	4, 37, 67, 97,
			94, 127, 154	107, 134, 167	114, 147, 174	97, 124, 157	104,	137,164	117,	144,177	94,	127,154	107, 134,167	114,147,174	124,157
		7	8, 33, 68,	13, 48, 73,	28, 53, 88,	3, 38, 63,	18,	43, 78,	23, 58, 83,		8,	38, 68,	13, 48, 73,	28, 53, 83,	3, 38, 68, 98,
			93, 128, 153	108, 133, 168	113, 148, 173	98, 123, 158	103,	138,163	118,	143,178	93,	128,153	108, 133,168	113,148,173	123,158
		8	9, 32, 69,	12, 49, 72,	29, 52, 89,	2, 39, 62,	19,	42, 79,	22, 59, 82,		9,	39, 69,	12, 49, 72,	29, 52, 82,	2, 39, 69, 99,
		9	10, 31, 70,	11, 50, 71,	30, 51, 90,	1, 40, 61,	20,	41, 80,	21, 60, 81,		10, 40, 70,		11, 50, 71,	30, 51, 81,	1, 40, 70,
			91, 130, 151	110, 131, 170	111, 150, 171	100,121, 160	101,	140,161	120, 141,180		91,	130,151	110, 131,170	111,150,171	100,121,160

5

2. РАСЧЕТ СЛОЖНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Сложной электрической цепью называется цепь, в которой действует несколько источников питания. Линейной электрической цепью является цепь, которая содержит только линейные элементы, сопротивление которых постоянно (R=const) вне зависимости от значения тока и напряжения в цепи.

Основной задачей изучения электротехники является овладение методами расчетов электрических цепей. Для того, чтобы произвести расчет реальной электрической цепи необходимо составить ее схему замещения.

Элементами линейной электрической цепи постоянного тока являются источники электрической энергии (источники ЭДС), линейные сопротивления

(рис. 2.1).

Сопротивлением называют пассивный элемент цепи, в котором происходит преобразование электрической энергии в любой другой вид энергии (например, световую, звуковую, механическую, тепловую). Простейшим реальным элементом, обладающим сопротивлением, является резистор.

а) Источник ЭДС

б) Резистор

Рис. 2.1

Источник электрической энергии, включенный в замкнутую электрическую цепь, расходует энергию на преодоление сопротивления внешней и внут-

ренней (внутреннего сопротивления самого источника) цепей. Поэтому услов-

ное обозначение источника ЭДС на некоторых схемах замещения может содержать два элемента. Первый из них кружок со стрелкой указывает, что в источнике есть ЭДС Е, стрелка показывает направление ЭДС. При этом ток в источнике за счет действия сторонних (не электрических) сил протекает от отрицательного зажима к положительному, от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим. Второй элемент с с сопротивлением rвн или иногда его обозначают r0 характеризует преобразование электроэнергии внутри источника в тепло, иными словами потери энергии внутри источника (рис. 2.2).

Рис. 2.2

Связи в электрической цепи изображаются линиями и по смыслу соответствуют идеальным проводникам с нулевым сопротивлением.

Связи элементов электрической цепи обладают топологическими свойствами, т.е. они не изменяются при любых преобразованиях, производимых без разрыва связей.

6

Для описания топологических свойств электрической цепи используются топологические понятия, основными из которых являются узел, ветвь и контур.

Узел – место соединения не менее трех ветвей.

Ветвь – совокупность связанных элементов электрической цепи между двумя узлами. Это участок цепи, по которому протекает один и тот же ток.

Контур – замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям так, что ни одна ветвь и ни один узел не встречается больше одного раза.

Контур называется элементарным, если он не включает в себя другие контуры, и неэлементарным, если он включает в себя другие контуры (рис. 2.3).

Рис. 2.3

В сложных электрических цепях направление тока в цепи не всегда совпадает с направлением ЭДС источников.

Источники, ЭДС которых совпадет с направлением тока, работают в режиме генератора, т.е. источника электроэнергии. Источники, ЭДС которых не совпадает с направлением тока, работают в режиме потребителя электроэнер-

гии (рис. 2.4).

а

б

Рис. 2.4.

а– источники ЭДС Е1 и Е2 оба работают в генераторном режиме;

б– источник Е1 работает в режиме потребителя, Е2 – генератора

Воснове расчетов электрических цепей лежат основные законы электротехники: закон Ома для участка и полной цепи, первый и второй законы Кирхгофа (табл. 2.1).

7

										Таблица 2.1
Формулировка закона					Математическое описание			Иллюстрация
Закон Ома для замкнутой цепи: сила
тока в замкнутой электрической цепи
прямо пропорциональна электродвижу-				где I – сила тока, А; E – ЭДС, В; R – со-
щей силе и	обратно пропорциональна
				противление внешней части цепи, Ом; r0 –
сопротивлению всей цепи
				сопротивление внутренней части цепи,
				Ом.
Закон Ома для участка цепи: сила тока
на участке	электрической цепи прямо								,
пропорциональна		напряжению	между	где	U – напряжение между концами уча-
концами этого участка и обратно про-									.
				стка, В; R - сопротивление участка, Ом.
порциональна сопротивлению участка.
Первый закон Кирхгофа: сумма токов,
направленных к узлу, равна сумме токов,
направленных от узла, или алгебраиче-
ская сумма токов в узле равна нулю.				где n – число токов, втекающих в узел и
8
				вытекающих из узла.
				Со знаком «плюс» записываются токи,
				втекающие в узел, со знаком «минус» за-
				писываются токи, вытекающие из узла.
Второй закон Кирхгофа: во			всяком			a	I1	R1	E1, r01	b
замкнутом контуре алгебраическая сум-
ма всех ЭДС равна алгебраической сум-
ме падений напряжения в сопротивлени-				где m – число активных элементов или
ях, включенных последовательно в эту						R4				R2
				источников ЭДС, n – число пассивных
цепь.
				элементов.
										E2, r02
				Для составления уравнения второго зако-
				на	Кирхгофа произвольно задается на-	I4	I3	R3	E3	I2
				правление обхода контура. Со знаком
				«плюс» записываются ЭДС и токи, на-		d				c
				правление которых совпадает с обходом
				контура, со знаком «минус» записыва-
				ются ЭДС и токи, направление которых
				не совпадает с обходом контура.
					8

Выполнение задачи №1 основано на применении методов расчета сложных линейных электрических цепей постоянного тока.

В настоящее время известны следующие методы:

метод законов Кирхгофа (метод узловых и контурных уравнений); метод эквивалентного преобразования схем; метод узловых потенциалов (напряжений); метод наложения (суперпозиции); метод контурных токов, метод компенсации;

метод эквивалентного источника (активного двухполюсника). Задачей расчета сложной электрической цепи постоянного тока обыч-

но является определение всех параметров электрической цепи (токов, напряжений, мощностей) или их части при известных параметрах элементов, составляющих цепь, и заданной конфигурации цепи.

Рассмотрим более подробно методы, которые должны быть использованы при решении данной задачи.

2.1. Метод эквивалентного преобразования схем

Эквивалентным называют преобразование участка цепи, если при таком преобразовании токи и напряжения в остальных (непреобразованных) участках цепи не меняются.

Электрическая цепь (ЭЦ) может содержать несколько источников и приемников энергии, имеющих различные способы соединения.

Различают последовательное, параллельное и смешанное соединения элементов, соединения «звездой» и «треугольником». Источники электроэнергии могут быть соединены последовательно и параллельно. Для приемников электроэнергии могут быть применены все виды соединений.

Ряд резисторов, соединенных каким-либо образом, можно заменить эквивалентным (общим) сопротивлением Rэкв(об), причем так, что эта замена не вызовет изменения параметров электрической цепи.

Рассмотрим виды соединения элементов электрической цепи на примере приемников электроэнергии – резисторов (табл. 2.2).

9