Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника и электроника. Учебное пособие.pdf
быть произведено преобразование электроэнергии в другие виды
энергии. Это приводит к уменьшению потерь электроэнергии, ее
экономии и удешевлению устройств электропередачи.
Задачи для самостоятельной работы.
1. Рассчитать допустимый вакуум в лампах накаливания.
2. Рассчитать звукоизоляцию для материалов, бетон, кирпич фа-
нера и др., что может быть общего между теплопроводностью
и шумоизоляцией, ответ поясните?
3. Как записывается закон Ома для цепи якоря мотора, подклю-
ченного к источнику постоянного тока?
4. Рассмотрите мотор постоянного тока с независимым возбуж-
дением (в нем индуктором является или постоянный магнит,
или электромагнит, обмотка которого пытается независимо от
обмотки якоря). Запишите закон сохранения энергии для такой
цепи.
5. Чему будет равна полезная мощность? (см. условие задачи
№4)
6. Рассчитать нагрузку для электромотора, вращающего вентиля-
тор циркуляционной установки, принять равной мощность
установки 10 кВт.
7. Вычислить плотность теплового потока через плоскую одно-
родную стенку, толщина которой значительно меньше ширины
и высоты, если стенка выполнена:
а) из стали, λ = 40 Вт/(м· °С);
б) из бетона, λ = 1,1 Вт/(м· °С);
в) из диатомитового кирпича, λ = 0,11Вт/(м· °С).
Во всех трех случаях толщина стенки δ=50 мм. Температуры на
поверхностях стенки поддерживаются постоянными t
t
=90 °С.
С2
=100 °С,
С1
81
Тема 8. Цепи трехфазного переменного тока.
.1 б) или сдвинуты друг относительно друга на угол, не равный
Трехфазная система была разработана в конце прошлого века
известным русским электротехником М.О. Доливо-Добровольским.
Она получила широкое распространение во всех странах мира. В
настоящее время вся электроэнергия вырабатывается на электростанциях трехфазными генераторами, передается к местам потребления по трехфазным линиям передачи, и основная ее доля используется в трехфазных приемниках.
Преимущества трехфазной системы основываются, по мнению
М.О. Доливо-Добровольского, на двух ее свойствах, которые используются при эксплуатации не только в совокупности, но и порознь. Это экономичная и на большие расстояния передача электроэнергии, и превосходное качество двигателей.
В устройствах выпрямления применяют шести- и двенадцатифазные системы, в устройствах автоматики и телемеханики −
двухфазные системы.
Трехфазная система представляет собой совокупность трех отдельных электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одной и той же частоты и создаваемые общим источником энергии.
Если все три ЭДС равны по значению и сдвинуты по фазе на
120° по отношению друг к другу, то такая система ЭДС называется
симметричной (рис. 8.1 а). Если ЭДС не равны по значению (рис.
8
120° (рис. 8.1 в), то такая система ЭДС называется несимметричной. Аналогично определяются трехфазные системы напряжений и
токов.
Часть трехфазной системы электрических цепей, в которой
может протекать один из токов трехфазной системы, называется
фазой. Таким образом, фазой является обмотка генератора, в которой индуцируется ЭДС, и приемник, присоединенный к этой обмотке. Это значение термина “фаза” широко используется в практической электротехнике.
В любой момент времени сумма токов ЭДС симметричной
трехфазной системы равна нулю.
Обмотки источников трехфазного тока (генераторов, трансформаторов) соединяют либо звездой, либо треугольником.
Фазным током (U
) называется напряжение создаваемого од-
ф
82
ной любой фазной обмоткой.
ф
л
U
U
3=
фл
I
I =
ф
л
U
U =
фл
II 3=
Линейным или междуфазным (U
) называется ток, напряжение
л
которого измерено между двумя линейными проводами.
При соединении звездой
,
(8.1)
При соединении треугольником
, (8.2)
где А, В, С – линейные провода.
В системах с трехфазной сетью указывают линейное напряжение, в системах с нулевым проводом – линейное и фазное напряжение, например, при 380/220 В.
Однофазные потребители, рассчитанные на фазное напряжение в трехфазной системе с нулевым проводом, включают между
нулевым проводом и любым из линейных проводов. Потребители,
рассчитанные на линейное (междуфазное) напряжение – между
двумя любыми линейными проводами.
Трехфазные потребители, например, статоры асинхронных
электродвигателей, включают по схеме «звезда», если напряжение
сети соответствует линейному напряжению потребителя или по
схеме «треугольник», если напряжение сети соответствует фазному
напряжению потребителя. Например, электродвигатель, рассчитанный на напряжение 380/220 В, при напряжении сети 380 включают
по схеме «звезда», а при напряжении сети 220 В – по схеме «треугольник» (рис. 8.1).
(а) (б)
Рисунок 8.1. Схема соединения по схеме «звезда» (а) и по схеме
«треугольник» (б) проводников
83
Мощность трехфазной системы (Вт) при равномерной нагруз-
ϕ
cos3флUIP =
.2sin52sin10220 t
ti
L
ωω
⋅+⋅+=
ке фаз, независимо от способа соединения («звезда» или «треугольник»)
(8.3)
Задачи для самостоятельной работы.
1. В цепи мгновенное значение тока в ветви R
, L равно
1
Активные сопротивления
и R2 одинаковы (R1= R2 = R). При основной угловой частоте ω
R
1
индуктивное сопротивление равно Х
, а емкостное – ХС.
L
Найти выражения для мгновенных напряжений на зажимах цепи, тока в ветви R
, С и в неразветвленной части цепи. Опреде-
2
лить активную мощность на зажимах цепи.
Дано: R = 2 Ом; Х
= 2,0 Ом; ХС = 4 Ом.
L
2. К трехфазной линии с линейным напряжением U
подключен
л
несимметричный приемник, соединенный по схеме "звезда" с
нейтральным проводом. Активные и реактивные сопротивления
фаз приемника соответственно равны: R
, XА, RВ, XВ, RС, XС.
А
Сопротивление нейтрального провода пренебрежимо мало.
Определить токи в фазах приемника, линейных проводах и
нейтрального проводе в режимах: а) трехфазном; б) при обрыве
линейного провода А; в) при коротком замыкании фазы А и обрыве нейтрального провода. Определить активную мощность,
потребляемую приемником, в указанных трех режимах. Постро-
84
ить для всех режимов топографические диаграммы напряжений
%1cos
2
U∆=
ϕ
8,0cos2=
ϕ
1cos
2
=
ϕ
.8,
0;5
,0=
β
2
cos
ϕ
В; U2н = 400 В; РХ = 100 Вт;
%U∆
и показать на них векторы токов.
Дано: U
= 380В; RА= 10 Ом; RВ= 4 Ом; XВ = –3 Ом; RС = 12 Ом; XС
л
= 9 Ом.
3. Трехфазный трансформатор характеризуется следующими дан-
ными: номинальная мощность S
U
; низшее линейное напряжение U2н; мощность потерь холо-
1н
; высшее линейное напряжение
н
стого хода РХ; изменение напряжения при номинальной нагруз-
ке и
; напряжение короткого замыкания uК;
схема соединения Y/Y. Определить: а) фазные напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе; б) коэффициент трансформации; в) номинальные токи в обмотках трансформатора; г) активное и реактивное сопротивление фазы первичной и вторичной обмоток; д) КПД трансформатора при
и
и коэффициент загрузки
Построить векторную диаграмму для одной фазы нагруженного
трансформатора при активно-индуктивной нагрузке
Дано: Sн = 5 кВ∙А; U1н = 6 к
<1.
=4,0%;
85
4. Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбужде-
нием характеризуется следующими номинальными величинами:
напряжение на зажимах U
якоря n
цепи возбуждения R
Определить: а) ток I
; КПД ηН. Сопротивление цепи якоря RЯ, сопротивление
Н
.
В
, потребляемый электродвигателем из сети
Н
; мощность РН; частота вращения
Н
при номинальной нагрузке; б) номинальный момент на валу
электродвигателя; в) пусковой момент при токе I
=2IН (без
П
учета реакции якоря) и соответствующее сопротивление пускового реостата; г) пусковой момент при том же значении пускового тока, но при ошибочном включении пускового реостата; е)
частоту вращения якоря при токе якоря, равном номинальному,
но при введении в цепь возбуждения добавочного сопротивления, увеличивающего заданное в условии задачи значение R
В
на
20%. Начертить схему включения электродвигателя: правильную и ошибочную. Дано: U
об/мин.; η
= 76,0 %; RЯ = 0,8 Ом; RВ = 160 Ом.
Н
= 110В; РН = 1,5 кВт; n
Н
= 3000
ном
5. Трехфазный асинхронный электродвигатель с фазным ротором
питается от сети с линейным напряжением U = 380В. Величины,
характеризующие номинальный режим электродвигателя: мощность на валу Р
об/мин; коэффициент мощности cosφ
83,5%. Номинальное фазное напряжение статора U
Кратность пускового тока, а К
= 10 кВт; частота вращения ротора n2н = 1400
2н
= 0,85; КПД η
1н
1ф
= I1п/ I1н = 7,0 при пуске без рео-
I
ном
= 220 В.
=
стата и номинальном напряжении на зажимах статора; коэффициент мощности в этих условиях cosφ
= 0,35. Обмотки фаз ро-
1к
тора соединены звездой.
Определить: а) схему соединения фаз обмотки статора: "звезда"
или " треугольник"; б) номинальный момент на валу ротора; в)
номинальный и пусковой токи двигателя; г) сопротивление короткого замыкания (на фазу); д) активное и реактивное сопротивления обмотки статора и ротора (для ротора – приведенные
значения); е) критическое скольжение. Вычислить по общей
формуле электромагнитного момента асинхронного двигателя
значения моментов, соответствующее значениям скольжения s
s
; 0,1; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0. Построить кривую М(s).
к
н
86
;
Тепловые расчеты элементов нагревательных устройств
R
t
U
t
R
I
A Q
2
2
⋅
=
⋅⋅
==
S
lR⋅=
ρ
0,0015
l
tSQ⋅⋅
=
Основные законы, описывающие электрические явления в ме-
таллах и сплавах, являются закон Ома и закон Джоуля-Ленца.
Последний, в свою очередь, выводится из закона сохранения
энергии и является его аналогом в электромагнетизме. Тепловое
воздействие электрического тока находит широкое применение в
быту и технике: кипятильники, чайники, печи для плавления металлов, электрические плиты и т.д.
Из закона сохранения энергии следует, что количество тепло-
ты равно работе электрического тока,
(8.4)
Уравнение (1) носит название закона Джоуля-Ленца.
Сопротивление проводника определяется уравнением
(8.5)
Остальные формулы предлагается вывести самостоятельно
(закон Ома, мощность, работа электрического тока и др.).
Основные расчеты лабораторных установок достаточно сложны и редко выполняются на практике. Для проведения расчетов
необходимо знание величины нагреваемых и теплопроводящих поверхностей, толщины стенок, теплопроводность, электропроводность и другие характеристики материалов. Например, при подаче
в нагревательное устройство необходимой мощности будет зависеть от толщины теплоизоляции и приблизительно пропорционально температуре нагревания, то для оценки приблизительной
мощности можно воспользоваться приближенной формулой В.Д.
Кинджери
, (8.6)
где S – средняя поверхность, см
l – толщина теплоизоляции, см.
Для того чтобы обеспечить достижения заданной температуры
в приемлемое время нагрева, необходимо увеличивать мощность
против расчетной на 20-25% и, учитывая потери тепла через отверстия в концах трубчатой камеры или другие потери, необходимо
2
, t – температура в печи, 0С,
87
еще увеличивать мощность на 10-20%.
101,18
5
ν
τ
dПK ⋅⋅⋅⋅
=
Нагревательные устройства делятся по принципу нагрева и типу конструкций. Наиболее широкое применение находят печи сопротивления, также применяют высокочастотные индукционные
печи, дуговые, плазменно-дуговые печи и электронно-лучевые печи.
Электрические печи сопротивления применяют для изучения
процессов превращения в металлах и сплавах при термической,
химико-термической обработок, исследования физико-химических
свойств жидких, твердых металлов, сплавов, процессов взаимодействия металлах со шлаком, газом и другое.
Печи по конструкции представляют камеру в виде муфеля или
трубчатой конструкции с заложенными в стенки или навитыми вокруг (муфеля) нагревательными элементами на специальных креплениях с пропускным током по нагревателям.
Нагреватели изготавливаются из различных материалов и выбирают в зависимости от рабочей температуры печи, защитной атмосферы и от планируемого срока службы нагревателя. Форма
нагревателя может быть различной в виде проволоки, змеевика,
ленты, трубы и стержня [21].
Например, срок службы нагревателя можно определить по
формуле приближенно
(8.7)
где К – коэффициент, учитывающий изменение состава газовой
фазы, принимаемой равной 0,2 для вакуумных печей с небольшим
газовыделением. П – плотность материала нагревателя, кг/м
d – диаметр, см, ν – скорость испарения, г/см
2
∙с.
3
,
88
Вопросы для самопроверки
1. Запишите основное уравнение Джоуля-Ленца, выведите дан-
ное уравнение и поясните его физический смысл.
2. Перечислите основные методы получение высоких темпера-
тур.
3. Что такое сопротивление, запишите уравнение для сопротив-
ления проводника и поясните его физический смысл?
4. Запишите уравнение В.Д. Кинджери и поясните его физиче-
ский смысл.
5. Какие основные физические свойства вам известны, перечис-
лите?
6. Перечислите какие нагреватели вы знаете.
7. Расскажите принцип работы нагревательных устройств и виды
нагрева в таких устройствах.
8. Какие виды нагревателей вы знаете, перечислите, какова ос-
новная функция нагревателей в печи?
9. Что такое плотность, удельная плотность, ответ поясните?
10. Что такое теплоемкость, назовите виды теплоемкостей?
11. Как определить срок службы нагревателя, поясните подробно.
12. Почему целесообразно применение вакуума и в чем его пре-
имущества в нагревательных устройствах?
13. Как влияет среда в процессе эксплуатации на нагреватели,
объясните почему срок службы нагревателей уменьшается или
увеличивается?
14. Рассмотреть принцип работы электрочайника. Ответить на во-
просы: какова его мощность, ток, сопротивление, время нагре-
ва и время полного испарения воды.
15. Какое количество теплоты выделяется при нагреве 1 литра во-
ды, сравнить при сгорании 1 литра бензина. Дайте полный раз-
вернутый ответ.
16. Выведите уравнение (8.3) в зависимости от разных величин,
поясните физический смысл данного уравнения.
17. Назовите основные виды нагревателей и их рабочие основные
характеристики.
18. Перечислите основные виды получения высоких температур и
их достоинства и недостатки.
19. Перечислите основные характеристики нагревательных
устройств.
89
20. Какой принцип нагрева заложен в нагревательных устрой-
ствах. Назовите основные виды передачи энергии в виде теп-
лоты?
21. Что такое термопары и какие виды бывают термопар?
22. Расскажите принцип измерения температур термопарами.
Особенности измерения цифровыми электронными приборами
Цифровые электроизмерительные приборы бывают для измерения как одной величины, например, напряжения постоянного
тока, так и нескольких величин, например, тока, напряжения, сопротивления. Такие универсальные приборы обычно называют
мультиметрами (например, мультиметр ВР-11А). Мультиметры
обычно имеют два вида переключателей: переключатель рода измеряемой величины — напряжения постоянного или переменного,
сопротивления, частоты и переключатель предела измерения. Кроме того, имеются клеммы или гнезда для подключения измерительных проводов. Мультиметры питаются от сети переменного
тока с частотой 50 Гц и напряжением 220 В. При измерениях мультиметром ВР-11А отсчет показания следует проводить не ранее
третьего числа, появляющегося на индикаторе.
При всех видах измерений необходимо перейти на больший
предел, когда прибор индицирует выход за предел (буква “П” в
старшем разряде) и изменить полярность входного сигнала при мигании знака “-” в старшем разряде:
погрешность измерения мультиметра ВР-11А:
постоянное напряжение ± (0,5% Ux +4 зн.).
переменное напряжение ± (0,5% Ux + 10 зн.),
где Ux – показание прибора; зн. – единица младшего разряда.
Достоинства электронных приборов: высокое входное сопротивление, что позволяет проводить измерения без влияния на цепь; широкий диапазон измерений, высокая чувствительность, широкий
частотный диапазон, высокая точность измерений
90