Учебное пособие 800401
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет»
Д.А. Тонн
ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ
Лабораторный практикум
Утверждено учебно-методическим советом университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2018
0
УДК 681.527.2(075.8) ББК 32.859я7
Т57
Рецензенты:
кафедра электроэнергетики Международного института компьютерных технологий
(зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. А.Н. Анненков); д-р техн. наук, проф. К.Е. Кононенко
Тонн, Д.А.
Исследование электромеханических и электрон-
Т57 ных устройств: лабораторный практикум/ Д.А. Тонн. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018. 150 c.
ISBN 978-5-7731-0643-2
Учебное пособие предназначено для оказания методической помощи студентам при выполнении ими лабораторных работ по основным разделам дисциплины «Электротехника и электроника». Для каждой лабораторной работы приводятся подробные теоретические сведения, задание, схемы установок, описание обработки результатов эксперимента.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению подготовки 22.03.02 «Металлургия» (направленность «Технология литейных процессов»), дисциплине «Электротехника и электроника».
Табл. 10. Ил. 55. Библиогр.: 12 назв.
УДК 681.527.2(075.8) ББК 32.859я7
ISBN 978-5-7731-0643-2 © Тонн Д.А., 2018
© ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет», 2018
2
ВВЕДЕНИЕ
Электрическая энергия имеет ряд преимуществ перед другими видами энергии. Она легко преобразуется в механическую, световую, химическую и другие формы энергии, экономично передается на большие расстояния, распределяется между любым числом потребителей различной мощности. Поэтому электрическая энергия получила широкое применение во всех областях народного хозяйства – в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и др.
В промышленности на основе электрификации все шире внедряется комплексная механизация и автоматизация производственных процессов. Интенсивно развивается электротехнология – электротермические и электролитические способы получения и обработки металлов. С каждым годом вступают в строй все новые и новые автоматические линии машин, цехи и заводы-автоматы. С помощью электроэнергии осуществляется электросварка, закалка стали токами высокой частоты и др.
Процесс производства и передачи электроэнергии является столь динамичным и постоянно подверженным случайным возмущающим воздействиям, что без автоматического управления его функционирование невозможно. Такие его особенности, как равенство в каждый момент времени генерируемой и случайно изменяющейся, требуемой нагрузкой, мощностей, время от времени возникающие короткие замыкания, высокая быстротечность электромагнитных и электромеханических переходных процессов, обусловили развитие технических средств автоматического управления еще в начальный период становления электроэнергетики. Под автоматическим понимается управление процессом производства, передачи и потребления электроэнергии без непосредственного участия человека.
На современном этапе автоматическое управление производится отдельными электроэнергетическими объектами и их взаимодействующими совокупностями. Управление процессом производства и передачи электроэнергии в целом пока еще
3
осуществимо лишь при некотором оперативном вмешательстве человека-диспетчера электроэнергетической системы управляющий вычислительный комплекс (УВК), расположенный на диспетчерском пункте (ДП) электроэнергетической системы.
Обычно электрические станции строятся вблизи естественных источников энергии, а потребители электроэнергии находятся за сотни и даже тысячи километров. Процесс передачи электроэнергии от производителя к потребителю реализуется с помощью автоматизированной системой диспетчерского управления (АСДУ). Для уменьшения потерь энергии в проводах напряжения в линиях электропередачи обычно повышают до сотен кВ (110, 220, 500, 750 и 1150 кВ). На электростанциях электроэнергия вырабатывается при U 6,3 24 кВ. Номи-
нальное напряжение большого количества |
потребителей |
Uн 220 600 В. Мощные электродвигатели |
работают при |
напряжении 3 и 6 кВ. Поэтому в начале и конце линии электропередачи устанавливаются трансформаторы. Таким образом, силовые трансформаторы – это трансформаторы, которые используются в автоматизированных системах передачи и распределения электроэнергии.
Обычно переменный ток, проходя путь от генератора к потребителю, трансформируется 8-9 раз. Следовательно, суммарная мощность силовых трансформаторов в несколько раз превышает мощности всех генераторов, установленных на электростанциях.
Помимо передачи и распределения электрической энергии между потребителями силовые трансформаторы находят широкое распространение для специальных нагрузок: в различных выпрямительных, преобразовательных, защитных и других устройствах. Поэтому трансформаторы являются одними из наиболее распространенных электротехнических устройств.
Дисциплина «Электроника и электротехника» является одним из основных общетехнических курсов, необходимых для изучения профилирующих дисциплин студентами направления
4
подготовки 22.03.02 «Металлургия», направленности «Технология литейных процессов» очной формы обучения.
В курсе «Электроника и электротехника» наряду с изучением теоретических разделов студенты должны получить навыки расчета токов, напряжений и мощностей в электрических цепях. В пособии приводятся подробные теоретические сведения по целому ряду важных и сложных разделов курса: трансформаторы; двигатели постоянного тока; асинхронные двигатели; и некоторым темам, посвященным основам электроники.
Также при изучении курса «Электроника и электротехника» предусмотрено выполнение студентами расчетнографических работ, данное учебное пособие может быть полезно при их выполнении.
Вместе с тем, при выполнении расчетно-графических работ и при подготовке к зачету и экзамену необходимо изучение соответствующих разделов курса по учебной литературе и материалам конспектов лекций.
Материал учебного пособия может быть использован при выполнении студентами других направлений подготовки очной формы обучения расчетно-графических, курсовых, лабораторных работ, а также при их подготовке к практическим занятиям, экзаменам и зачетам по курсам «Электротехника», «Электроника» и «Электротехника и электроника».
5
УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
Во время лабораторных занятий должны выполняться следующие требования:
1.К выполнению лабораторных работ студенты допускаются только после проведения руководителем инструктажа по технике безопасности и пожарной безопасности с записью об этом в соответствующем журнале и личной росписью в нем каждого студента.
2.Все работы по сборке схем или их изменению должны проводиться только при отключенном напряжении сети. Напряжение на источники лабораторного стенда подается путем нажатия на соответствующую виду питания кнопку. При этом загораются сигнальные лампы на передней панели стенда.
3.При сборке схемы запрещается пользоваться проводами с неисправной изоляцией и без наконечников и штырей. Необходимо следить за надежностью крепления (зажима) наконечников и штырей токоведущих проводов и избегать случаев их перекрещивания.
4.Напряжение на собранные схемы подается только с разрешения преподавателя после проверки им правильности сборки.
5.Запрещается прикасаться к неизолированным элементам устройств, находящихся под напряжением.
6.Не разрешается оставлять без присмотра схему, находящуюся под напряжением.
7.О неисправностях в схеме необходимо докладывать преподавателю или лаборанту.
8.После окончания работы разборка схемы должна производиться только после разрешения преподавателя и отключения напряжения.
9.В аварийных ситуациях для быстрого отключения напряжения студент должен нажать красную кнопку АВАРИЙНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ, предусмотренную на каждом стенде.
6
10. В случае поражения работающего электрическим током схема должна быть немедленно отключена от источника питания и пострадавшему должна быть оказана первая помощь. При необходимости следует вызвать скорую медицинскую помощь.
ТРЕБОВАНИЯ К ПОДГОТОВКЕ И ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1.Перед началом лабораторных работ необходимо изучить соответствующий раздел курса «Электротехника и электроника».
2.Для допуска к выполнению лабораторной работы, необходимо представить результаты предварительных расчетов, которые являются составной частью отчета.
3.Отчет по лабораторной работе выполняется студентом на листах формата А4.
4.Отчет по лабораторной работе должен содержать:
а) титульный лист, на котором указывается номер и название лабораторной работы, Ф.И.О. студента и группа;
б) цель работы; в) электрические схемы лабораторной установки и рас-
четные схемы замещения; г) предварительные расчеты;
д) таблицы, в которые заносятся экспериментальные и расчетные данные;
е) графики и диаграммы, построенные по расчетным и экспериментальным данным;
ж) выводы по работе.
5.Все схемы чертят по государственному стандарту и всем правилам ЕСКД с помощью чертежных инструментов. Графики и диаграммы выполняются в масштабе на миллиметровой бумаге.
6.Результаты проделанных экспериментов обязательно проверяются и подписываются преподавателем.
7
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы: изучение устройства и принципа действия однофазного трансформатора; исследование работы трансформатора в режимах холостого хода, короткого замыкания и под нагрузкой; построение основных характеристик трансформатора.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Электрическая энергия имеет ряд преимуществ перед другими формами энергии. Она легко преобразуется в механическую, световую, химическую и другие формы энергии, экономично передается на большие расстояния, распределяется между любым числом приемников энергии различной мощности. Поэтому электрическая энергия получила широкое применение в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и др.
Обычно электрические станции строятся вблизи естественных источников энергии, а потребители электроэнергии находятся за сотни и даже тысячи километров. Для уменьшения потерь энергии в проводах напряжения в линиях электропередачи обычно повышают до сотен кВ (110, 220, 500, 750, 1150 кВ). На электростанциях электроэнергия вырабатывается при U=6,3-24 кВ. Номинальное напряжение большинства потребителей UН=220-600 В. Мощные электродвигатели работают при напряжении 3 и 6 кВ. Поэтому в начале и конце линии электропередачи устанавливаются трансформаторы. Таким образом, силовые трансформаторы — это трансформаторы, которые используются в автоматизированных системах передачи и распределения электроэнергии.
Обычно переменный ток, проходя путь от генератора к потребителю, трансформируется 8-9 раз. Следовательно, сум-
8
марная мощность силовых трансформаторов в несколько раз превышает мощности всех генераторов, установленных на электростанциях.
Помимо передачи и распределения электрической энергии между потребителями силовые трансформаторы находят широкое распространение для специальных нагрузок: в различных выпрямительных, преобразовательных, защитных и других устройствах. Поэтому трансформаторы являются наиболее распространенными электротехническими устройствами.
Трансформатор — это статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого при неизменной частоте.
Промышленность выпускает большое количество трансформаторов различных типов, предназначенных для работы в самых разнообразных областях народного хозяйства. Для установления единых требований к трансформаторам, отражающих условия их эксплуатации, введен ряд государственных стандартов, которым должны соответствовать масляные трансформаторы. Основными в этом ряду являются следующие стандарты:
1)ГОСТ 11677 Трансформаторы силовые. Общие технические требования.
2)ГОСТ 12022 Трансформаторы трехфазные силовые масляные общего назначения мощностью от 25 до 630 кВА на напряжение до 35 кВ. Технические условия.
3)ГОСТ 11920 Трансформаторы силовые масляные общего назначения до 35 кВ. Технические условия.
4)ГОСТ 12965 Трансформаторы силовые масляные общего назначения классов напряжения 110 и 150 кВ. Технические условия.
5)ГОСТ 17544 Трансформаторы силовые масляные общего назначения, классов напряжения 220, 330, 500 и 750 кВ. Технические условия.
9
Широкое распространение получили и следующие типы трансформаторов:
1)автотрансформаторы — это трансформаторы для преобразования напряжения в относительно небольших пределах; а также широко используются в лабораторных условиях для плавного регулирования величины напряжения (ЛАТОРы).
2)измерительные трансформаторы — это трансфор-
маторы, которые используются для включения в электрические цепи электроизмерительных приборов (трансформаторы тока и напряжения).
3)специальные трансформаторы — это испытатель-
ные, сварочные, печные и т.п. трансформаторы.
ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Мощный трансформатор высокого напряжения представляет собой сложное устройство, состоящее из большого числа конструктивных элементов, основными из которых являются: магнитная система (магнитопровод), обмотки, изоляция, выводы, бак, охлаждающее устройство, механизм регулирования напряжения, защитные и измерительные устройства, тележка.
Вмагнитной системе проходит основной магнитный поток трансформатора (отсюда название «магнитопровод»). Магнитопровод является конструктивной и механической основой трансформатора. Он выполняется из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга, толщиной 0.3-0.5 мм. Качество электротехнической стали влияет на допустимую магнитную индукцию и потери в магнитопроводе.
Внастоящее время применяется холоднокатаная электротехническая сталь, допускающая индукцию до 1,7 Тл с удельными потерями 0,9-1,1 Вт/кг. Применение такой стали позволило значительно уменьшить сечении магнитопровода за счет большей допустимой магнитной индукции, уменьшить
10