Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Кафедра Электрооборудование, электропривод и автоматика

«Электрические аппараты»

Решение задач по теории и расчетам электрических и электронных аппаратов

Лушникова Александра Николаевича

Задание для курсовой работы

Цель курсовой работы: в ходе решения нижеперечисленных задач применить знания по расчету и выбору электрических и электронных аппаратов, полученные при изучении дисциплин: «Электрические и электронные аппараты», «Физика», «Теоретические основы электротехники», «Физические основы информационной электроники».

Номера задач: 2.1.3; 2.2.25; 2.3.3; 2.4.30; 2.4.55; 3.4; 3.31; 4.9; 4.36; 5.1.3; 5.4.10; 5.3.7.

Содержание

• Введение
• 1. Теоретическая часть
• 2. Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах
• 3. Разработка и графическое изображение электрических схем на основе предложеннго набора электрических и электронных аппаратов
• 4. Пояснение назначения электрических аппаратов, принцип работы предложенной электрической схемы
• 5. Расчет параметров элетрических аппаратов
• Заключение
• Список литературы

Введение

Электрические аппараты служат для коммутации, сигнализации и защиты электрических цепей и электроприемников, а также для управления электротехническими и технологическими установками. Основой для выбора аппаратов защиты и управления является номинальные данные двигателей, режимы и условия их работы. Применяемые устройства и аппараты должны в наилучшей степени обеспечивать все возлагаемые на них функции и полностью соответствовать условиям выбора.

электродвигатель ток предохранитель

1. Теоретическая часть

В состав электрических и магнитных цепей электрических аппаратов входят резисторы (R), конденсаторы (С), катушки индуктивности (L), магнитопроводы: однородные и неоднородные; разветвленные неразветвленные; магнитотвердые и магнитомягкие.

Резистор является необратимым преобразователем электромагнитной энергии. Его электрическое сопротивление (Ом) характеризует способность резистора поглошать электрическую энергию и преобразовывать ее в другие виды энергии.

Под емкостью конденсатора, С, (мкФ) понимается его способность накапливать заряды или возбуждать их с помошью электрического поля.

Емкость конденсатора, С, определяется его конфигурацией и относительной диэлектрической проницаемостью диэлектрика, помещенного между его пластинами. Для плоского конденсатора:

Таким образом, электромагнитная энергия, W, аккумулируется в конденсаторе в виде энергии электрического поля.

Свойство индуктивного элемента создавать собственное магнитное поле, при протекании в нем электрического тока, определяется индуктивностью L. В катушке индуктивности формируется энергия магнитного поля.

Электрическое напряжение - это величина, численно равная работе по перемещению единицы электрического заряда между двумя произвольными точками электрической цепи.

Электрический ток - это направленное движение электрических зарядов (электронов) в веществе или вакууме под воздействием электрического поля. Ток характеризуется силой, измеряемой в амперах (А). Один ампер соответствует перемещению через поперечное сечение проводника в течение одной секунды (с) заряда электричества величиной в один Кулон (Кл):

Скорость изменения переменного тока характеризуется его частотой, определяемой как число полных повторяющихся колебаний в единицу времени. Частота обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Промышленная частота тока и напряжения составляет 50 Гц, что соответствует 50 полным колебаниям в секунду. Угловая частота щ - скорость изменения тока, в радианах в секунду, связанная с частотой сети простым соотношением:

Все элементы, проводящие электрический ток, обладают электрическим сопротивлением. Для проволочных резисторов сопротивление определяется по формуле[1, c. 7]

R=( с *l)/S (1.1)

где с - удельное сопротивление, Ом / м; l - длина, м; S - площадь поперечного сечения, м2.

Закон Ома для участка цепи: ток, I, проходящий по участку цепи, прямо пропорционален напряжению U, приложенному к этому участку, и обратно пропорционален его сопротивлению R, т.е.:

I=U/R (1.2)

Закон Джоуля - Ленца. Количество теплоты, Q, выделенное при прохождении постоянного тока в проводнике,

(1.3)

Электромагнитная индукция. В проводе, перемещающемся в магнитном поле и при этом пересекающем магнитные линии, возбуждается электродвижущая сила электромагнитной индукции. Это явление называют электромагнитной индукцией:

Закон Ома,

I=U/R, (1.4)

Где R - сопротивление, Ом,

U - напряжение, В,

I - сила тока, А.

2. Основные физические явления и процессы в электрических аппаратах

Во сколько раз нужно изменить время прохождения тока через резистор, чтобы выделившееся количество теплоты осталось таким же при уменьшении тока, протекающего через резистор, в 3 раза? [1, с. 19]

Решение

Для решения данной задачи запишем закон Джоуля-Ленца:

(2.1)

Где R - сопротивление резистора, Ом,

I - ток проходящий через резистор, А,

t - время прохождения тока через резистор, с.

Из условий задачи ток уменьшается в 3 раза, следовательно уравнение (2.1) будет иметь вид:

(2.2)

Раскрывая скобки уравнения (2.2) мы получим:

(2.3)

Так сопротивление проводника R неизменное, отсюда мы имеем, что нам нужно увеличить время в 9 раз, чтобы количество теплоты Q оставалось неизменным.

Ответ: увеличить в 9 раз.

Два проводника с токами l₁ и l₂ взаимодействуют с силой P. Как нужно изменить расстояние между ними, чтобы при уменьшении каждого из токов l₁ и l₂ в 3 раза, сила их взаимодействия осталась прежней? [1, с. 25]

Решение

Запишем Закон Ампера о взаимодействие токов:

(2.4)

(2.5)

Где l₁ и l₂ - токи проводников, А,

?L - отрезок на котором действует сила P, м,

R - расстояние между проводниками, м,

- магнитная постоянная, Гн/м.

Нам нужно найти расстояние между проводниками, если каждый из токов уменьшается в 3 раза, подставив новые значения токов в уравнение (2.4) мы получим:

 (2.6)

Перемножив и упростив уравнение (2.6) мы получим:

(2.7)

Из уравнения (2.7) мы видим, что расстояние между проводниками должно уменьшится в 9 раз, так как P, K и ?L не изменяются.

Ответ: уменьшится в 9 раз.

В каком случае при неизменном нажатии контактов переходное сопротивление электрического контакта меньше: а) у одиночного или многоточечного; б) у стального, медного, алюминиевого или серебряного контакта? [1, с. 27]

Решение

Запишем уравнение сопротивления сужения R_c:

(2.8)

Где с - удельное электрическое сопротивление материала контактов, ,

2 - сопротивление материала смятию, Мпа,

P_K- контактное нажатие,

n - число точек контактирования.

а) Из уравнения (2.8) видно, что чем больше число точек контактирования тем сопротивление электрического контакта будет меньше.

б) Из уравнения (2.8) видно, что у какого материала меньше удельное электрическое сопротивление, у того и сопротивление электрического контакта. Из представленных материалов самое маленькое удельное электрическое сопротивление у серебряного контакта.[1, c. 26]

Ответ: а) многоточечного, б) серебряного

Как изменится магнитный поток и ЭДС катушки со стальным сердечником при: а) увеличении напряжения на катушке; б) увеличении частоты источника питания? [1, с. 33]

Решение

а) При увеличении напряжения U, В, увеличится то I, А, протекающий через катушку

(2.9)

где , -- сопротивление катушки, Ом.

Следовательно, увеличится и протекаемая через катушку магнитная индукция В, Тл, описываемая формулой

(2.10)

w - число витков.

Следовательно, увеличивается магнитный поток Ф, Вб, описываемый формулой

Ф=В*S (2.11)

где S - площадь, пронизываемая данным магнитным потоком,

Следовательно, ЭДС е, В, описываемая формулой

(2.12)

где щ - угловая скорость вращения рамки, рад/с.

б) При увеличении частоты источника питания, увеличится ЭДС, описываемая формулой (2.12), и не изменится магнитный поток (2.11).

Как изменится величина подъемной силы электромагнита, если температура его катушки, выполненной из медного провода, возрастет на 50 K. Поясните причину изменения. [1, с. 36]

Решение:

Сопротивление проводника будет увеличиваться при увеличении температуры, исходя из формулы

(2.13)

,

T -температура нагрева, К,

б - температурный коэффициент сопротивления меди, 1/К.

По закону Ома,

Ток при увеличении сопротивления проводника уменьшится.

Формула магнитодвижущей силы P, А,

P=l*w (2.14)

Где w - количество витков в обмотке,

I - сила тока, А.

Так, при уменьшении тока МДС соответственно уменьшится.

Тяговое усилие F, Н определяется как

(2.15)

Где P - магнитодвижущая сила, А,

у - рабочий зазор, м,

S -активная площадь катушки,

- магнитная постоянная, .

Тяговое усилие уменьшится пропорционально квадрату уменьшения МДС. Ответ: подъёмная сила уменьшится

3. Разработка и графическое изображение электрических схем на основе предложенного набора электрических и электронных аппаратов

Разработать и нарисовать нереверсивную схему пуска и останова асинхронного короткозамкнутого электродвигателя при питании силовой цепи от промышленной сети 380 В, частотой 50 Гц, через токоограничивающие реакторы, включенными последовательно с фазными обмотками статора электродвигателя. Включение двигателя осуществить через трехфазный воздушный автоматический выключатель с тепловой и максимальной токовой защитой. [1, с. 46]

Решение:

Элементы:

1) Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель М;

2) Автоматический трехфазный воздушный выключатель QF с тепловой и максимальной токовой защитой;

3) Трехфазный магнитный пускатель КМ;

4) Плавкие предохранители FU1, FU2;

5) Кнопка «пуск» SB1;

6) Кнопка «стоп» SB2;

7) Токоограничивающие реакторы LR;

8) Катушка реле КМ;

Принцип работы:

После нажатия кнопки «пуск» SB1 подается напряжение на автоматический выключатель QF. Ток пойдет через плавкие предохранители FU1, FU2, через «пуск» SB1 так как мы уже нажали на кнопку, контактор в катушке встанет на самопитание, замкнутся контакты КМ в силовой цепи. Дальше ток пойдет через токоограничивающие реакторы, как только это произойдет двигатель включится.

Если нам понадобится выключить двигатель мы должный нажать на кнопку «стоп» SB2.

Тепловая защита обеспечивается за счет плавких предохранителей FU1, FU2. Автоматический трехфазный воздушный выключатель защищает от токов перегрузки и короткого замыкания.

Разработать и нарисовать схему подключения к сети постоянного тока напряжением 220 В двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Предусмотреть при этом использование в силовой цепи двухполюсного пакетного переключателя, силового дугогасительного контакта контактора постоянного тока, пускового реостата и реле максимального тока. Цепь обмотки возбуждения запитать от автономного источника напряжением 220 В. При разработке схемы питания обмотки возбуждения двигателя следует использовать реле минимального тока, разрядное сопротивление в сочетание с полупроводниковым диодом. Включение линейного контактора постоянного тока произвести от кнопочной станции, предусмотрев максимальную защиту по току в цепи управления с помощью двух инерционных предохранителей. [1, с. 50]

Решение:

Элементы:

1) Машина постоянного тока М;

2) Кнопка «пуск» SB1;

3) Кнопка «стоп» SB2;

4) Магнитный пускатель КМ1 с дугогасящими контактами в силовой цепи;

5) Плавкие предохранители FU1, FU2;

6) Реле максимального тока КА1 с контактом в цепи управления;

7) Реле минимального тока КА2 с контактом в цепи управления;

8) Обмотка возбуждения LM;

9) Диод VD;

10) Пусковые резисторы R1, R2;

Принцип работы:

Машина постоянного тока имеет независимое возбуждение. К автономному источнику напряжением 220В подключается обмотка возбуждения. Для защиты, в цепь обмотки возбуждения, подключено разрядное сопротивление с диодом, из-за того, что обмотка возбуждения имеет большую индуктивность и в ней возникает большая ЭДС самоиндукции, которая пробивает изоляцию на корпус машины или между витками.

При нажатии кнопки «пуск» SB1 на катушку контактора КМ1 подается напряжение сети, его силовые дугогасящие контакты замыкаются, обеспечивая протекание тока через катушку контактора при отпускании кнопки SB1. Так же напряжение подается и на двигатель постоянного тока.

При нажатии кнопки Кнопка «стоп» SB2 цепь питания катушки контактора размыкается. Размыкаются силовые дугогасящие контакты контактора КМ1, после чего обесточивается двигатель.

Плавкие предохранители FU1, FU2 обеспечивают максимальную тепловую защиту цепи управления.

В цепи возбуждения находится реле минимального тока КА2, которое при прохождении через него недостаточного тока размыкает контакт КА2 в цепи управления, из-за чего и обесточивается двигатель

В силовой цепи установлено реле максимального тока КА1, которое при прохождении через него большого тока размыкает контакт КА1 в цепи управления, в последствии обесточивая двигатель

4. Поясние назначения электрических аппаратов, принципа работы предложенной электрической схемы

Электрические аппараты, используемые в приведенной электрической схеме:

QF - автоматический выключатель;

КМ - силовые контакты контактора с дугогашением;

YA - электромагнит включения;

VD - диод.

Принцип действия схемы:

При включении автоматического выключателя QF и подаче напряжения на катушку контактора замыкаются силовые контакты КМ и подается напряжения на катушку электромагнита включения YA. Отключения электромагнита производится снятием напряжения с катушки контактора и выключением QF.

В схеме предусмотрена защита от короткого замыкания с помощью автоматического выключателя QF, а также защита от перенапряжений с помощью обратного диода VD.

Электрические аппараты, используемые в приведенной электрической схеме:

SQ1, SQ2 - путевые выключатели с размыкающим контактом;

SB1 - кнопка «Пуск»;

KL1, KL2, KL3, KL4 - промежуточные реле;

HL1, HL2 - лампа.

Принцип действия схемы:

При подаче напряжения на схему срабатывает промежуточное реле KL3 размыкая свой НЗ контакт в цепи KL4, загорается лампа HL1.

Нажимает кнопку SB1, подается напряжение на промежуточное реле KL1, НР контакты реле замыкаются. Шунтируется кнопка SB1 и подается напряжение на KL2, замыкается контакт в цепи KL3. Контакты реле KL2 срабатывают при наличии напряжения на реле, замыкая контакт в цепи KL2, размыкая контакт в цепи KL3, замыкая контакт в цепи KL4. На реле KL4 подается напряжение, срабатывает лампа HL2.

При достижении крайнего положения оборудованием срабатывают путевые выключатели.

При срабатывании путевого выключателя SQ1 отключаются промежуточное реле KL1, размыкая свои контакты, а также реле KL3, лампа HL1 гаснет.

При срабатывании путевого выключателя SQ2 отключаются промежуточное реле KL2, замыкая контакт в цепи KL3 и размыкая свой контакт в цепи KL4, а также реле KL4, лампа HL2 гаснет.

Для прекращения работы цепи управления необходимо отключить схему от цепи питания.

5. Расчет параметров электрических аппаратов

Цепь управления двигателем постоянного тока с независимым возбуждением насчитывает две катушки контакторов, три катушки реле времени, две катушки промежуточных реле с номинальными токами соответственно: 0,35 A, 0,2 A, 0,15 A. Рассчитать и выбрать плавкие вставки предохранителей для защиты цепи управления от токов короткого замыкания, полагая, что указанные электрические аппараты некоторое время могут быть под напряжением одновременно. [1, с. 118]

Решение

Найдём сумму токов ?I, А, при одновременной работе аппаратов:

(5.1)

При одновременной работе нескольких аппаратов ток плавкой вставки Iпв, А, определяется из следующей формулы:

, (5.2)

.

Из ряда номинальных токов для плавких вставок выбираем

Ответ:

Определить минимальный диаметр медной проволоки длиной 100м, если сопротивление проволоки не должно превышать 1Ом. Чему равно сопротивление одного метра медной проволоки диаметром 0,2мм? [1, с. 97]

Дано:

R=1 Ом;

L=100 м;

=0,2 мм;

Решение:

Определим минимальный диаметр медной проволоки длиной 100м, если сопротивление проволоки не должно превышать 1Ом.

Сопротивление медной проволоки находится по формуле:

(5.3)

Где R - сопротивление проволоки, Ом,

L - длина проволоки, м,

- удельное электрическое сопротивление ,

S - площадь поперечного сечения проволоки, мм².

Площадь круга мы можем найти по формуле:

(5.4)

Диаметр равен:

(5.5)

Теперь уравнение (5.3) подставим в (5.1) и получим:

(5.6)

Теперь подставим в уравнение (5.4) значения и получим следующее:

Из уравнения (5.4) d = 1,47 мм.

Определим сопротивление одного метра медной проволоки диаметром 0,2мм.

В уравнение (5.1) подставим уравнение (5.2) и (5.3) и получим следующее:

(5.7)

Подставим значения в уравнение (5.7) получим следующее:

Из уравнения (5.7) R = 0,5 Ом

Ответ: d = 1,47 мм, R = 0,5 Ом.

Заключение

В данной курсовой работе были изучены основные физические явления и процессы в электрических и электронных аппаратах, такие как электромагнитные, электромеханические, тепловые. В ходе работы были приобретены практические навыки по разработке и чтению электрических схем, их изображению, описанию принципа их работы. Также показано знание основных элементов схем и их назначения и был произведён расчёт электрических аппаратов.

Список литературы

1. Кириенко В.П. Задачник по теории и расчетам электрических и электронных аппаратов / В.П. Кириенко, И.В. Ходыкина, Е.В. Бычков; НГТУ. - Нижний Новгород, 2013.

2. Кириенко В.П. Электрические виды защит, используемые в автоматизированном электроприводе: метод. указания к лабораторной работе 4 по дисциплине «Электрические и электронные аппараты» для студентов направления 140400.62 всех форм обучения / НГТУ; cост.: В.П. Кириенко и др. Нижний Новгород, 2013. - 27 с.

3. Удельное сопротивление и температурный коэффициент сопротивления металлических проволок

Размещено на Allbest.ru

...