Методические указания по дисциплине "Электротехника"

МИНИСТЕРСТВО образования и науки Российской Федерации

ГАПОУ СО «САРАТОВСКИЙ колледж книжнего бизнеса и информационных технологий»

Методические указания по дисциплине

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Саратов 2015

Методические указания разработаны для студентов специальностей:

190623.01 Машинист локомотива

190623.03 Слесарь по обслуживанию и ремонту подвижного состава

Организация-разработчик: ГАПОУ СО «САРАТОВСКИЙ КОЛЛЕДЖ КНИЖНЕГО БИЗНЕСА И ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ»

Разработчик: Фомин Р.Б., преподаватель электротехники.

Содержание

Введение                                                                                                  4

1.Величина сопротивления                                                                     5

2.Диэлектрики в электрическом поле                                                      6

3. Закон Ома                                                                                            7

4. Закон Ома для участка цепи                                                                7

5. Закон Кирхгофа                                                                                   8

6. Последовательное соединение проводников                                       9

7. Параллельное соединение проводников                                              11

8. Способы соединения источников ЭДС                                                11

9. Работа и мощность электрического тока                                             12

10. Магнитное поле                                                                                 13

Список используемой литературы                                                          16

Введение

Железнодорожный транспорт России в настоящее время полностью переведен на электрическую и тепловозную тягу, при которой перевозки осуществляются локомотивами, исполь­зующими электрическую энергию. По данным Минпромэнерго, в настоящее время парк железнодорожного подвижного состава страны составляет более 22 тыс. локомотивов, 890 тыс. грузовых вагонов, 26 тыс. пассажирских вагонов и более 15 тыс. вагонов электро- и дизельпоездов.

Внедрение элект­рической и тепловозной тяги, усложнение электрического оборудования современных электровозов постоянного и переменного тока, теплово­зов и электропоездов требуют подготовки высококвалифицированных кадров машинистов и их помощников, которые должны в совершенстве знать устройство и работу локомотивов и электропоездов.

Для актуализации и фиксирования пройденного материала и включения изученного в систему знаний, в данном методическом указании представлены основные темы, из курса «Электротехника» и задачи по ним.

1.Величина сопротивления

Задача 1

Определить сопротивление медного провода длиной 100 л и пло­щадью поперечного сечения 2мм², удельное сопротивление меди 0,0175 ом мм²/м.

Для определения удельного сопротивления меди используется график, представленный на рис. 1.

Рис. 1. График изменения удельного сопро­тивления (сопротивление кубика со стороной ребра в 1 см) различных веществ от темпера­туры.

Задача 2

Определить сопротивле­ние медного контактного провода дли­ной 10 км и сечением 100 мм² при 20 и 50° С.

Задача 3

Сопротивление обмотки якоря тепловозного тягового двигателя при температуре +15° С было равно 0,00585 ом; после работы двигателя в те­чение 1 ч сопротивление обмоток возросло до 0,00819 ом. Определить, до какой температуры нагрелись обмотки двигателя (обмотки выполнены из медного про­вода а = 0,004).

2.Диэлектрики в электрическом поле

Ккаждый электроизоляционный материал определен­ной толщины является изолятором только до некоторого предельного пробивного напряжения.

Величина напряженности электрического поля, которая допус­кается в изолирующем материале при его использовании в электри­ческой установке, обычно в несколько раз меньше пробивной. Поэтому рабочее напряжение электротехнических установок, при котором ра­ботают изоляционные материалы, должно быть в несколько раз мень­ше пробивного напряжения. Отношение пробивной напряженности к допустимой   определяет   запас прочности изоляции.

Для нормальной работы электрооборудования все электротехни­ческие установки при выпуске с завода и после ремонта подвергают испытаниям на электрическую прочность изоляции путем создания в ней определенного напряжения между токоведущими частями уста­новки и корпусом. Подобным испытаниям подвергают, в частности, все электрические машины и аппаратуру электровозов и тепловозов.

Задача 1

Изоляция якорной обмотки электрической машины выполнена из пропитанной лаком хлопчатобумажной изоляционной ленты толщиной h = = 0,4 мм. Требуется определить пробивное и допускаемое напряжения для этой машины при условии, что допускаемая напряженность меньше пробивной в 2,5 ра­за (пробивная напряженность изоляционной ленты Е_пр = 50 кв/см).

Задача 2

Определить ток короткого замыкания тепловозного генератора, если его э. д. с. равна 640 в и внутреннее сопротивление 0.1 ом.

3. Закон Ома

Прохождение электрического тока по проводни­кам полностью аналогично прохождению воды по трубам (рис. 49). Чем больше разность уровней воды    при входе и выходе из трубы  (напор),  тем больше воды протекает    сквозь трубу в единицу времени.

Задача 1

Э. д. с. генератора тепло­воза равна 820 в; определить ток при сопротивлении цепи 0,5 ом.

Задача 2

Определить э. д. с, кото­рую должен создать генератор для того, чтобы через электрическую цепь сопро­тивлением 10 ом проходил ток 100 а.

Задача 3

Определить сопротивление электрической цепи, через которую проходит ток 50 а при э. д. с. источника электрической энергии 200 в.

4. Закон Ома для участка цепи

Закон Ома может быть применен не только ко всей цепи в целом, но и к любому ее участку. В этом случае э. д. с. Е источника должна быть заменена разностью потенциалов между началом и концом рассматриваемого участка, т. е. напряжением U, а вместо сопротивления всей цепи в фор­мулу должно быть подставлено  сопротивление  R данного  участка

Задача 1

Определить ток, который будет проходить через электрическую лампочку, включенную под напряжением 220 в, если сопротивление лампочки равно 440 ом.

Задача 2

Определить, к какомуЧтпряжению нужно подключить электри­ческую лампочку, имеющую сопротивление 60 ом, для того чтобы через нее про­ходил ток 2 а.

Задача 3

Определить напряжение на зажимах генератора при токе на­грузки 1200 а, если его э. д. с. равна 640 в, а внутреннее сопротивление 0,1 ом.

Задача 4

По спирали электрической плитки, включенной под напряжение 220 в, проходит ток 5 а. Определить сопротивление спирали плитки.

5. Закон Кирхгофа

Рассмотрим в качестве примера электрическую цепь (рис. 2), в которой имеются два источника с электродвижущими силами Е_г и Е₂ и внутренними сопротивлениями г₀₁ и г₀₂ и два потребителя с со­противлениями R_± и R₂.

Рис. 2. Электрическая цепь с двумя источниками тока.

Задача 1

Ток  в электрической цепи (см. рис. 2) равен 2 а, а э. д. с. Е₁=100   в.   Внутренние сопротивления источников э. д.    с.   г₀₁ =1 ол и г₀₂  = 1 ом, а сопротивления потребителей R_x =• 20 ом и R₂ =• 10 ом. Определить величину и направление э. д. с. Е₂.

Если в электрической цепи имеются ответвления (рис. 3), то по отдельным ее участкам проходят различные по величине токи I₁ и I₂.

Рис. 3. Электрическая цепь с ответвлениями.

Задача 2

В электрической цепи (см. рис. 3) ток I_t = 5 а, э. д. с. Е₁ =  160 в, э. д. с. Е₂ = 50 в. Внутренние сопротивления источников э. д. с. r₀₁— 2 ом и r₀₂ = 2 ом, сопротивления потребителей R₁ =* 10 ом, R₂ =8 ом,

R_з ⁼⁼ 5 оv и R₄— 4 оv. Определить ток I₀.

6. Последовательное соединение проводников

При последовательном соединении нескольких сопротивлений конец первого сопротивления соединяется с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. При та­ком соединении для тока существует только один путь, вследствие чего по всем сопротивлениям последовательной цепи проходит один и тот же ток I.

Задача 1

При разгоне тепловоза в цепь обмотки возбуждения генератора сопротивлением R_B — 0,69 ом вводится дополнительное сопротивление R_доп  = 14 ом.

Обмотка возбуждения генератора питается от источника напряжением 55 в.

Во сколько раз уменьшается ток в обмотке возбуждения и как распреде­лится напряжение между обмоткой возбуждения и дополнительным сопротивле­нием?

Задача 2

В электрическую сеть напряжением U = 220 в включено по­следовательно пять электрических ламп сопротивлением R_n = 110 ом каждая.

Определить общее сопротивление ламп, проходящий по цепи ток и напряже­ние на каждой лампе.

Задача 3

Две электрические лампы номинальным напряжением ПО в и мощностью одна 50 вт (сопротивление 242 ом) и другая 100 вт (сопротивление 121 ом) включены последовательно под напряжение 220 в.

Определить распределение напряжения между лампами.

Задача 4

Определить напряжение, под которым находятся тяговые дви­гатели электровоза при последовательном соединении шести, трех и двух дви­гателей и напряжении в контактном проводе (у токоприемника электровоза) U_c = 3000 в.

7. Параллельное соединение проводников

При параллельном соединении несколь­ких сопротивлений они включаются между двумя точками электриче­ской цепи, образуя параллельные ветви.

Задача 1

К сети напряжением 220 в подключены параллельно 10 ламп сопротивлением R_л = 100 ом каждая. Определить общее сопротивление цепи ток в каждой лампе и общий ток, потребляемый всеми лампами.

Задача 2

Определить общее сопротивление двух секций пускового реос­тата R₁ = 4 ом и R₂ = 10 ом, соединенных параллельно, и протекающий по этим секциям ток, если общий ток, подходящий к реостату, равен 250 а.

8. Способы соединения источников ЭДС

В тех случаях когда ток и напряжение, создаваемые отдельным ис­точником э. д. с. (электрическим генератором или аккумулятором), являются недостаточными для нормальной работы электрических потребителей, применяют соединение этих источников тока в опреде­ленные группы.

Источники э. д. с, так же как и электрические сопротивления, мож­но соединять последовательно, параллельно и смешанно.

Задача 1

Определить э. д. с. батареи, состоящей из 25 последовательно соединенных аккумуляторов, каждый из которых имеет э. д. с. Е = 2,2 в и внут­реннее сопротивление к₀ — 0,04 ом. Какой ток отдает батарея, если к ней подклю­чено сопротивление R = 10 ом, и каково будет напряжение на ее зажимах?

Задача 2

Два генератора работают параллельно на общую нагрузку, которая потребляет ток / = 200 а. Первый генератор имеет э. д. с. Е_г = 120 в, а второй — э. д.' с. Е₂= 115 в, внутреннее сопротивление каждого генератора r₀₁ =r₀₂ = 0.05   ом..

Определить ток каждой машины и напряжение на ее зажимах для этих усло­вий, а также когда э. д. с. второго генератора уменьшается до 105 в.

Задача 3

Определить ток батареи, состоящей из пяти параллельно соеди­ненных аккумуляторов, имеющих э. д. с. Е = 2,2 в и внутреннее сопротивление 0,05 ом, если к батарее подключена электрическая лампочка сопротивлением R = 1 ом. Какой ток будет проходить через каждый аккумулятор?

Задача 4

Выбрать аккумуляторную батарею (определить число аккуму­ляторов и способ их соединения), необходимую для аварийного питания электро­энергией ламп сигнального и служебного освещения. Лампы работают при на­пряжении U = 50 в и потребляют ток I = 12 а, каждый аккумулятор имеет на­пряжение Uак — 2 в и может отдать ток  I _ак= 6 а.

9. Работа и мощность электрического тока

Энергия, которая создается электрическим током в 1 а при на­пряжении 1 в в течение 1 сек, принята за единицу электрической энергии. Эта единица называется джоулем. Джоуль, который назы­вают также ватт-секундой (вт • сек), — очень маленькая единица, поэтому на практике для измерения электрической энергии приняты более крупные единицы, а именно:

1 ватт-час () = 3600 дж;

1 гектоватт-час (гвт-ч) = 100 = 360 000 дж;

1 киловатт-час (квт-ч) = 1000 = 3 600 000 дж.

Задача 1

Через электрическую плитку, включенную в сеть напряжением 220 б, проходит ток 5 а. Определить расход электрической энергии при исполь­зовании плитки в течение 3 ч и стоимость пользования ею, если 1 квт-ч электро­энергии стоит 4,21 руб.

Задача 2

Электрический двигатель электровоза  питается напряжением 1500 в при токе 380 а. Определить мощность, потребляемую двигателем.

Задача 3

Через электрическую плитку сопротивлением 24 ом проходит ток 5 а; определить мощность, потребляемую плиткой.

Задача 4

Электрическая лампочка сопротивлением 484 ом включена под напряжение 220 в. Определить мощность, потребляемую лампочкой.

Задача 5

Определить к. п. д. тягового двигателя, отдающего мощность 400 кет, если потери мощности в нем составляют DР = 32 кет. Каковы мощ­ность Р₁, потребляемая двигателем, и ток / при напряжении U = 1500 б?

10. Магнитное поле

Интенсивность магнит­ного поля, т. е. способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией (обозначают буквой В). Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую оно имеет индукцию. Магнитиую индукцию можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. количеством силовых линий, проходящих через площадку в 1 см², расположенную перпендикулярно магнитному полю.

Задача 1

Магнитная индукция в сердечнике главного полюса тягового двигателя составляет 1,5 тл.

Полюс имеет длину 300 мм и полезную ширину 220 мм (за вычетом изоля­ционных прокладок между отдельными стальными листами).

Определить магнитный поток, проходящий через полюс.

Следует отметить, что при наличие в магнитной цепи воздушных зазоров магнитные силовые линии при выходе из ферромагнитных участков цепи несколько расходятся (рис. 4), вследствие чего ин­дукция в этих зазорах также несколько уменьшается. Это учитывают при расчете с помощью соответствующих коэффициентов (или строят картину распределения силовых линий и по ней определяют индук­цию в различных точках зазора).

Рис. 4. В воздушных зазорах маг­нитные силовые линии расходятся и ин­дукция в них несколько уменьшается по сравнению с ферромагнитными участка­ми цепи.

Задача 2

Определить число витков w катушки электромагнита, необходи мое для прохождения по его магнитной цепи потока Ф = 500 000 мкс. Через ка­тушку протекает ток 5 а. Магнитопровод электромагнита выполнен из электро­технической стали и имеет поперечное сечение s = 40 см² и среднюю длину L= 100 см.

Задача 3

Как изменится число витков катушки, если магнитопровод электромагнита будет иметь воздушный зазор шириной 5 мм (магнитная прони­цаемость для воздуха принимается равной μ₀ = 0,00000125 гн/м).

Задача 4

Определить силу, действующую на каждый проводник обмотки якоря тягового двигателя, помещенный в магнитное поле с индукцией 1 тл. Проводник имеет длину 0,5 м, и через него проходит ток 80 а.

Для увеличения вращающего момента в электрических двига­телях применяют не один виток, а несколько. Эти витки, соединенные между собой соответствующим образом, образуют обмотку якоря электрического двигателя.

Задача 5

Определить вращающий момент якоря тягового двигателя. Об­мотка якоря состоит из 570 проводников, которые находятся в магнитном поле с индукцией В = 1 тл. Активная длина проводника (длина части проводника, находящегося в магнитном поле ) равна 30 см, а расстояние провода от оси якоря D/2 = 30 см. Ток / = 75 а в каждом проводе имеет такое направление, при котором силы, действующие на проводники, вращают якорь в одну и ту же сторону.

Использованная литература

1.В.М.Прошин Электротехника: учебник для НПО-М; Академия 2012

2.В.М .Прошин .Рабочая тетрадь к лабораторно-практическим работам по электротехнике :учебное пособие для НПО.М Академия,2012.