- •Электротехника и Электроника
- •Часть 1: Электрические цепи, трансформаторы, электрические машины
- •4 20075, Казань, к.Маркса 68
- •Тема 1. Исследование неразветленной цепи переменного тока. Резонанс напряжений
- •Вопрос 1. Нарисовать схему замещения электрической цепи. Объяснить какие процессы отражают элементы этой схемы.
- •Вопрос 2. Записать выражение для полного сопротивления, тока и коэффициента мощности при резонансе напряжений.
- •Вопрос 3. В чем заключается явление резонанса напряжений и при каких условиях оно возникает?
- •Вопрос 4. Изменением каких параметров электрической цепи (см. Рис.1) можно получить резонанс напряжений?
- •Вопрос 5. С помощью каких приборов и по какому признаку можно судить о возникновении резонанса напряжений в электрической цепи?
- •Вопрос 6: Провести анализ построенных векторных диаграмм до и после резонанса напряжений и объяснить, в каком случае входное напряжение опережает ток, а в каком – отстает от тока.
- •Вопрос7. По схеме замещения исследуемой цепи проанализируйте, к чему приведет изменение активного сопротивления электрической цепи при резонансе напряжений.
- •Вопрос8. Сохраняется ли резонанс напряжений, если изменить только напряжение питающей сети?
- •Вопрос9. Объяснить ход кривых полученных в этой работе.
- •Вопрос10. Какую опасность для электрических устройств представляет резонанс напряжений? Где используется резонанс напряжений?
- •Вопрос1. Как обозначаются зажимы трехфазного источника и приемника?
- •Вопрос2. Как соединяются электроприемники «звездой»?
- •Вопрос3. Какими уравнениями выражаются мгновенные значения фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке?
- •Вопрос4. В каком соотношении находятся линейные и фазные напряжения при симметричной нагрузке?
- •Вопрос5. Какой режим работы трехфазной цепи называют несимметричным?
- •Вопрос6. Для чего используется нейтральный провод?
- •Вопрос7. Какими уравнениями описывается электрическое состояние цепи при несимметричной нагрузке?
- •Вопрос8. Как построить совмещенные векторные диаграммы напряжений и токов для исследованных режимов трехфазной цепи?
- •Вопрос 9. К чему приведет обрыв нейтрального провода при несимметричной нагрузке?
- •Вопрос 10. Как изменяется напряжение при обрыве одной фазы в четырехпроводной и трехпроводной сетях?
- •Вопрос 11. А) Как изменяется напряжение при коротком замыкании фазы в трехпроводной сети?
- •Мощность приемников при любом виде нагрузки
- •Контрольные вопросы
- •Вопрос 1: Где и с какой целью применяют катушки со стальным сердечником?
- •Вопрос 2. С какой целью магнитопроводы электротехнических устройств изготавливают из ферромагнитных материалов?
- •Вопрос 3. Объяснить характер изменения индуктивного и полного сопротивления катушки с сердечником от протекающего через неe тока.
- •Вопрос 4 . Как уменьшить потери энергии на гистерезис и вихревые токи?
- •Вопрос 5 . Нарисовать и объяснить схему замещения катушки с сердечником.
- •Вопрос 6. Как определяются параметры схемы замещения и зависят ли они от подводимого напряжения?
- •Вопрос 7. Объяснить характер зависимостей ; ; ; .
- •Вопрос 1. Устройство и принцип действия трансформатора.
- •Вопрос 2. Записать и объяснить формулы эдс и уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора
- •Вопрос 3. Что такое «коэффициент трансформации»?
- •Вопрос 4. Нарисовать и объяснить схему замещения нагруженного трансформатора.
- •Вопрос 5: Как проводятся опыты холостого хода и короткого замыкания?
- •Вопрос 6: Объяснить причины и характер изменения напряжения вторичной обмотки при изменении нагрузки.
- •Вопрос 7: Как определяется кпд силовых трансформаторов?
- •Вопрос 8. Объяснить особенности конструкции и принципа действия автотрансформаторов.
- •Контрольные вопросы
- •Вопрос 1. Объясните устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Ответ 1 Двигатель состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора.
- •Вопрос 2. Какими достоинствами и недостатками обладает трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором?
- •Вопрос 3. Дать характеристику магнитного поля асинхронного двигателя.
- •Вопрос 4. Как осуществить реверс двигателя?
- •Вопрос 5. Что такое режим идеального холостого хода в двигателе?
- •Вопрос 6. Почему ток холостого хода асинхронного двигателя больше тока холостого хода трехфазного трансформатора такой же мощности?
- •Вопрос 7. Чему равно скольжение в номинальном, критическом, пусковом режимах и при холостом ходе?
- •Вопрос 8. Показать на механической характеристике основные режимы работы асинхронного двигателя.
- •Вопрос 9. Перечислить и объяснить основные способы регулирования частоты вращения асинхронного двигателя.
- •Вопрос 10: в чем особенности пускового режима асинхронного двигателя?
- •Вопрос 11. Перечислить и сравнить различные способы пуска асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
- •Вопрос 12: Объяснить особенности рабочих характеристик асинхронного двигателя.
- •Вопрос 13: Где используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором?
- •Вопрос 1. Объяснить устройство и принцип действия двигателя параллельного возбуждения.
- •Вопрос 1. Как классифицируются двигатели постоянного тока по способу возбуждения?
- •Вопрос 3. Как возникает электромагнитный момент двигателя?
- •Вопрос 4. Что такое реакция якоря и коммутация машины постоянного тока?
- •Вопрос 5. Объясните процесс пуска двигателя в ход.
- •Вопрос 6. Какими способами можно регулировать частоту вращения двигателя параллельного возбуждения и каковы преимущества и недостатки каждого из них?
- •Вопрос 7 .Объясните процесс саморегулирования двигателя.
- •Вопрос 8 . Как производится реверсирование двигателя?
- •Вопрос 9 Объясните характеристики двигателя: характеристику холостого хода , рабочие характеристики , , , , механическую и регулировочную .
- •Вопрос 10. Сделать оценку двигателя, укажите преимущества и недостатки двигателя параллельного возбуждения.
Вопрос 2. Записать выражение для полного сопротивления, тока и коэффициента мощности при резонансе напряжений.
Ответ 2.1: Из схемы замещения следует, что электрическая цепь состоит из 3-х последовательно соединенных сопротивлений: . Полное сопротивление следовало бы считать равным сумме сопротивлений. Однако т.к. в цепях переменного тока реактивные элементы влияют на сдвиг фаз между током и напряжением на этом элементе, сопротивления заменяют их комплексными образами и полное сопротивление рассчитывают как сумму комплексных сопротивлений:
;
Величина (модуль) полного сопротивления равна:
;
При резонансе напряжений . Поэтому . Реактивные сопротивления друг друга компенсируют, полное сопротивление становится чисто активным и равным сопротивлению катушки .
Ответ 2.2. Из анализа схемы замещения (из 2-го закона Кирхгофа) следует, что:
При резонансе напряжений и , поэтому при резонансе ток равен: .
Вывод: При резонансе ток в цепи и определяется только отношением входного напряжения к чисто активному сопротивлению катушки.
Ответ 2.3 В цепи переменного тока различают активную , реактивную и полную мощности, которые рассчитываются следующим образом:
, Вт;
, Вар;
, ВА.
Реактивная составляющая полной мощности цепи находится как разность индуктивной QL и емкостной QC ее составляющих:
Коэффициент мощности электрической цепи cosφ показывает долю активной мощности Р в полной мощности цепи S: .
Полная мощность рассчитывается по формуле: .
Вариант ответа a) При резонансе напряжений: cosφ0=Р0/UI0. Но Р0 =I02R , U=I0·R. После подстановки в выражение для cosφ0 имеем:
.
Вариант b) При резонансе напряжений суммарная реактивная мощность равна нулю , поэтому полная мощность S равна чисто активной мощности P. Следовательно:
.
Вывод: При резонансе напряжений коэффициент мощности , т.е. вся подводимая мощность расходуется только на нагрев проводов катушки индуктивности.
**) можно определить из соотношения
Вопрос 3. В чем заключается явление резонанса напряжений и при каких условиях оно возникает?
Ответ 3.1: В данной цепи при равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений полное сопротивление цепи будет минимальным и чисто активным Z=R, а ток – максимальным .
Падения напряжения на индуктивном и емкостном элементах рассчитываются по закону Ома: , и т.к. величина напряжения на идеальной индуктивности UL равна напряжению на емкости UC. , но фазы напряжений UL и UC противоположны (сдвинуты на 180°).
Режим работы цепи c последовательным соединением R,L,C элементов при котором и (или ) называют резонансом напряжений.
Сумма комплексов напряжений и равна нулю, следовательно и модуль суммы будет равен нулю. Вольтметр, измеряющий падение напряжения (модуль комплекса напряжения) на участке цепи с идеальной индуктивностью и емкостью, покажет значение =0. При этом ток и напряжение ВХ совпадает по фазе (коэффициент мощности , φ0 =0). Активная мощность имеет наибольшее значение, равное полной мощности S, в то время как реактивная мощность цепи оказывается равной нулю: .
При резонансе напряжения на емкости и на индуктивности могут значительно превышать подводимое напряжение U, если и значительно превышают R:
, .
Физическая причина возникновения повышенных напряжений – это колебания значительной энергии, запасаемой попеременно в электрическом поле емкостного и магнитном поле индуктивного элементов. При резонансе напряжений малые количества энергии, поступающей от источника и компенсирующие потери энергии в активном элементе – сопротивлении R, достаточны для поддержания незатухающих колебаний в системе относительно больших количеств энергии электрического и магнитного полей. Причем в любой момент времени суммарная энергия электрического и магнитного полей остается постоянной.
Резонанс напряжений в промышленных электрических установках нежелательное и опасное явление, так как оно может привести к аварии вследствие недопустимого перегрева отдельных элементов электрической цепи или пробою изоляции.
**) Для мощных двигателей отношение сопротивлений обмоток XL/R на промышленной частоте составляет несколько десятков. Напряжение питания двигателей обычно <380В. Поэтому в случае резонанса напряжение на обмотке UL превысит напряжение питания в деcятки раз (UL>>380В).
В тоже время резонанс напряжений в электрических цепях переменного тока широко используется в радиотехнике, в различных приборах и устройствах, основанных на резонансных явлениях.