Расчетно-графическая работа №1

Министерство образования РФ

Тульский государственный Университет

Кафедра электроники и электрических машин

Электротехника и основы электроники

Методические указания и задания к расчетно-графической работе № 1

Анализ электрических и магнитных цепей постоянного тока

Для студентов машиностроительных специальностей дневного обучения

Тула 2003

Настоящие задания по расчетно-графической работе №1 “Анализ электрических и магнитных цепей постоянного тока” предназначены для студентов машиностроительных специальностей дневной формы обучения по дисциплине “Электротехника и основы электроники”. Они могут быть использованы также при изучении дисциплин “Электротехника”, “Электротехника и промышленная электроника”, “Электротехника и основы промышленной электроники”, “Электротехника и электроника”.

Особенностью данных заданий по сравнению с традиционными заданиями по РГР №1 является то, что студенты должны более глубоко изучить связь реальных электрических цепей с их схемами замещения, используемыми при анализе. Схемы замещения отдельных элементов электрической цепи приведены в задании. Переход же к схеме замещения всей цепи студентами выполняется самостоятельно.

Расчетно-графическая работа №1

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ЧАСТЬ 1. Линейные электрические цепи

Варианты схем электрических цепей (ЭЦ), подлежащих расчету, приведены на рис.1. Числовые значения параметров электрических цепей даны в табл.1 и 2. Студент выполняет задание в соответствии с номерами варианта: группового (назначается преподавателем) и личного (в соответствии с порядковым номером фамилии студента в журнале группы). Расчетно-графическая работа оформляется на стандартных листах II-го формата. Форма титульного листа прилагается (приложение).

ЗАДАНИЕ

1. В соответствии с условными графическими обозначениями элементов ЭЦ начертить схему заданной цепи.

2. Используя схемы замещения элементов ЭЦ (табл.1), составить схему замещения всей цепи и начертить ее.

3. Упростить схему замещения электрической цепи, заменив узлы, имеющие один электрический потенциал (эквипотенциальные точки), одним узлом. При этом пренебречь падением напряжения на предохранителе и амперметре. Начертить полученную электрическую схему, обозначить узлы цифрами.

4. Выбрать наименее трудоемкий метод расчета и найти значения токов всех ветвей. При расчетах значений величин использовать 3-4 значащие цифры.

5. Определить показания измерительных приборов, включенных в ЭЦ.

6. Проверить правильность расчета токов ветвей, составив баланс мощности всей цепи. Допускается несовпадение баланса 1%.

7. Методом эквивалентного генератора проанализировать электрический режим работы ветви, отмеченной знаком *. Если этим знаком отмечена ветвь с электродвигателем постоянного тока, то следует найти ток и напряжение на ветви для случаев:

а) при номинальном режиме работы двигателя, когда Е_д=Е_дном (см. табл.2)

б) при пуске двигателя, когда Е_д=0,

Схема ЭЦ № 1

Схема ЭЦ № 2

Схема ЭЦ № 3

Схема ЭЦ № 4

Схема ЭЦ № 5

Схема ЭЦ № 6

Рис. 1.

Таблица 1

Название элементов электрической цепи

Условное графическое обозначение элементов

Схема замещения элементов

1 Электрический двигатель постоянного тока

а) с последовательной обмоткой возбуждения

I_я

б) с параллельной обмоткой возбуждения

2 Генератор постоянного тока (с двумя обмотками возбуждения)

Г ОВ1 I_я

- Е_г R_гI_я R_{ов 1} +

3 Лампа накаливания

R_лн

4 Нагреватель

R_н

5 Аккумуляторная батарея

_ Е_я R_а +

6 Выпрямительное устройство

Выпрямитель

_ Е_в R_в +

Примечание:

1 Е_г, R_г, Е_д, R_д – ЭДС и сопротивление обмотки якоря генератора и двигатель соответственно

2 R_р, R_ов – сопротивление реостата и обмотки возбуждения

3 Сопротивление соединительных проводов учтено на наиболее длинном участке цепи в виде сопротивления R_л

4 Схема выпрямительных устройств и сглаживающего фильтра не конкретизирована (ввиду многообразия схем) и обозначена обобщённо

в) при пуске двигателя, когда Е_д=0, а последовательно с двигателем вводится пусковой реостат Pil, сопротивление которого дано в табл.3.

Если знаком * отмечена ветвь с нагревательным элементом, то следует найти ток и напряжение для случаев:

а) при номинальном режиме, когда сопротивление Rн равно номинальному R_н=R_н ном (см. табл. 2);

б) при сопротивлении нагревателя, равном 2Rн ном.;

в) в аварийном режиме, когда нагреватель замкнут накоротко (сопротивление ветви равно нулю).

8. Определить требуемый диаметр медного провода в ветви с амперметром. Плотность тока принять равной 5 а/мм² (из условия допустимого падения напряжения в соединительных проводах).

9. Выбрать значение тока плавления плавкой вставки предохранителя в цепи источника питания, приняв коэффициент запаса равным 2.

Таблица 2

Параметры пассивных элементов цепи

Номера групповых вариантов	Номинальные значения сопротивлений, Ом
R_ов1	R_ов2	R_р1	R_Р2	R_л	R_н	R_лн	R_ов3

Таблица 3

Параметры активных элементов цепи

Номера личных вариантов	Генератор	Двигатель	Аккумулятор	Выпрямитель	РП	№ цепи
Е_г, В	R_г, В	Е_д, В	R_д,Ом	Е_а, В	R_а,Ом	Е_в, В	R_в,Ом	R_рп,Ом

			---	---			---	---	---
	---	---
					---	---	---	---
	---	---					---	---
	---	---			---	---
	---	---	---	---					---
			---	---			---	---	---
	---	---
					---	---	---	---
	---	---					---	---
	---	---			---	---
	---	---	---	---					---
	---	---			---	---

	---	---					---	---
					---	---	---	---
	---	---
			---	---			---	---	---
	---	---
					---	---	---	---
	---	---					---	---
	---	---			---	---
	---	---	---	---					---
	---	---			---	---
	---	---					---	---
					---	---	---	---
	---	---
			---	---			---	---	---

ЧАСТЬ 2. Нелинейные электрические цепи

На рис. 2 приведена электрическая схема нелинейной электрической цепи, а в табл.4-9 – данные по элементам цепи и питающему напряжению U₀ в соответствии с номером личного варианта студента. Групповые варианты в этой части РГР № 1 не выделяются.

ЗАДАНИЕ

1. Изобразить электрическую схему нелинейной цепи, используя графическое обозначение конкретного нелинейного элемента (стабилитрона, диода, и т.п.) в соответствии с вариантом задания.

2. Построить в масштабе ампер – вольтные характеристики I(U) нелинейного элемента и резистора.

3. Определить ток I₀ в цепи и напряжения U₁ и U₂ на элементах цепи:

а) методом построения результирующей характеристики цепи;

б) методом построения опрокинутой характеристики.

4. Рассчитать заданную электрическую цепь методом линеаризации ампер – вольтной характеристики нелинейного элемента:

а) найти параметры линеаризации на рабочем участке характеристики (в окрестности рабочей точки, указанной в табл. 4);

б) составить схему замещения линеаризованной электрической цепи, используя найденные параметры Е, R_д линеаризации нелинейного элемента;

в) воспользовавшись схемой замещения, записать выражения для тока в цепи I₀ и напряжений U₁ и U₂ на элементах цепи;

г) найти конкретные значения величин I₀, U₁ и U₂.

НЭ

Рис. 2

Таблица 4

Параметры нелинейной цепи

Номера личных вариантов	Название нелинейного элемента НЭ	Номер характеристики НЭ	Напряжение U₀,В	Сопротивление R,Ом	Координаты точки на линеаризуемом участке НЭ

	Стабилитрон				I=10 мА
	Тиристор				I=0,5 А
	Транзистор				U=10 В
	Диод				I=0,3 А
	Туннельный диод				U=1,5 В
	Стабилитрон				I=20 мА
	Тиристор				I=1 А
	Транзистор				U=9 В
	Диод				I=0,4 А
	Туннельный диод				U=0,15 В
	Стабилитрон				I=25 мА
	Тиристор				I=1,5 А

	Транзистор				U=15 В
	Диод				I=0,8 А
	Туннельный диод				U=1,3 В
	Стабилитрон				I=10 мА
	Тиристор				I=0,5 В

	Транзистор				U=7,5 В
	Диод				I=2 А
	Туннельный диод				U=1,4 В

	Стабилитрон				I=20 мА
	Тиристор				I=1 А
	Транзистор				U=10 В
	Диод				I=4,5 А
	Туннельный диод				U=0,15 В
	Стабилитрон				I=15 мА
	Транзистор				U=7,5 В

Таблица 5

Характеристики стабилитронов

I, мА						Номер характеристики
U, В		4,7	4,8	4,9	5,0
		7,2	7,4	7,6
		10,2	10,4	10,6
		15,2	15,4	15,6
		20,2	20,4	20,6
	25,5	25,7	25,9	26,1

Таблица 6

I_у

Характеристики тиристора (при разных токах I_у)

I, А	0,01	0,03	0,05	0,07	0,1	0,25	0,4	1,0	2,0	Номер характеристики
U, В					1,0	1,1	1,2	1,5	2,0
				1,0	1,1	1,2	1,6
				1,0	1,05	1,1	1,4	1,8
				1,0	1,1	1,2	1,5	2,0
				1,0	1,1	1,2	1,6	2,2

Таблица 7

Характеристики транзистора в схеме с общим эмиттером (в разных точках I_б)

I_б

(при разных токах I_б)

U, В					Номер характеристики
I_к, мА			9,2	9,4
	13,5		14,5
		18,5

Таблица 8

Характеристики диодов

U,В		0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0	Номер характеристики
I, А		0,06	0,1	0,18	0,3	0,4	0,5
	0,12	0,2	0,36	0,6	0,8	1,0
	0,25	0,4	0,72	1,2	1,6	2,0
	0,6	1,0	1,8	3,0	4,0	5,0
	1,2	2,0	3,6	6,0	8,0	10,0

Таблица 9

Характеристики туннельных диодов

U, В	0,1	0,2	0,5	1,0	1,2	1,5	Номер характеристики
I, мА

ЧАСТЬ 3. Магнитные цепи

На рис. Изображена магнитная цепь электромагнита, широко применяемого в различных электромеханических устройствах, например, реле, магнитных пускателях, контакторах. В табл. 10 в соответствии с номером личного варианта приведены размеры магнитопровода. Наименования ферроматериалов, использованных для изготовления магнитопровода, значения тягового усилия F_т, которое должен обеспечить электромагнит, указаны в табл. 11 в соответствии с номером группового варианта. Кривые намагничивания ферроматериалов приведены в табл. 12. Для всех вариантов обмотка электромагнита имеет число витков W=1000.

ЗАДАНИЕ

1. Изобразить в масштабе заданную магнитную цепь электромагнита, указать её размеры, ферроматериалы.

2. Для данного электромагнита определить величину электрического тока I, обеспечивающую заданное значение тягового усилия F_т.

3. Определить магнитное сопротивление R_м магнитопровода при вычисленном выше значении электрического тока.

4. Определить индуктивность L катушки электромагнита для рассчитанного выше режима его работы.

УКАЗАНИЯ

1. Тяговое усилие F_т(Н), приходящее на один воздушный зазор электромагнита, рассчитывать по приближенной формуле

F_т=[ (В₀)² / (2μ₀)]* S₀,

Где В₀ – индукция в воздушном зазоре, Тл; S₀ – площадь воздушного зазора, м²; μ₀ = 4π * 10^-7 Гн/м – магнитная проницаемость воздуха.

2. Значения магнитного сопротивления R_м(1/(Ом*с)) и индуктивности катушки L (Гн) можно определить, пользуясь следующими соотношениями:

R_м = (W * I) / Ф;

L = (W * Ф) / I = W² / R_м

Рис. 3.

Таблица 10

Геометрические размеры магнитной цепи

Номер личного варианта	Размеры магнитопровода, мм
a	b	c	d	h	l₀

						1,8
						1,8
						1,7
						1,65
						1,65
						1,65
						1,60
						1,80
						1,90
						1,50
						1,45
						1,90
						1,75
						1,90
						1,40
						1,20
						1,00
						0,90
						0,80
						0,70
						1,95
						2,00
						1,95
						2,00
						2,10
						2,00
						1,9
						1,8
						1,7
						1,6

Таблица 11

Материалы магнитной цепи

Номер группового варианта	Материал
Верхней части магнитопровода	Нижней части магнитопровода	F_т, Н
	Чугун	Литая сталь
	Чугун	Сталь Э42
	Литая сталь	Сталь Э42
	Литая сталь	Сталь Э310
	Литая сталь	Пермендюр
	Сталь Э42	Сталь Э310
	Сталь Э42	Пермаллой
	Сталь Э310	Пермаллой
	Сталь Э310	Пермаллой
	Пермаллой	Пермаллой

Таблица 12

Кривые намагничивания материалов

Напряжённость магн. поля, а/м	Магнитная индукция, Тл
Чугун	Литая сталь	Эл. техн. сталь Э310	Эл. техн. сталь Э42	Пермаллой	Пермендюр
	0,03	0,12	0,50	0,28	0,95	0,5
	0,06	0,22	1,00	0,43	1,00	1,00
	0,08	0,33	1,22	0,61	1,16	1,42
	0,11	0,43	1,25	0,70	1,21	1,6
	0,16	0,60	1,33	0,85	1,27	1,84
	0,20	0,72	1,37	0,96	1,31	1,95
	0,27	0,90	1,44	1,12	1,37	2,08
	0,38	0,10	1,52	1,25	1,46	2,20
	0,55	1,33	1,60	1,38	1,55	2,31
	0,65	1,45	1,66	1,44	1,60	2,33
	0,70	14,53	1,71	1,69	1,65	2,36
	0,73	1,60	1,77	1,55	1,70	2,43
	0,75	1,61	1,82	1,60	1,75	2,46

Приложение

Форма титульного листа