КамчатГТУ, электротехника и электроника (практикум)

Каждый студент выполняет один из N вариантов, предлагаемых в соответствующем задании. Номер варианта выбирается по указанию преподавателя или по двум последним цифрам шифра зачетной книжки (для заочников).

Раздел 1. ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ "ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА"

Задача № 1.1

Параметры схемы, показанной на рис. 1.1, а, приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Определить:

- значения токов всех ветвей электрической схемы, пользуясь методами: применения законов Кирхгофа, узлового напряжения (двух узлов), эквивалентного генератора (в цепи с током I_эг);

- баланс активной мощности источников и приемников энергии.

Раздел 2. ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ "ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА"

Задача №2.1

Имеется цепь переменного тока частотой f = 50 Гц с активно-индуктивной нагрузкой (рис. 2.1). Показания приборов (амперметра, вольтметра, ваттметра) приведены в таблице 2.1.

Необходимо определить (рассчитать):

- параметры резистора r₁ и индуктивности L₁ катушки;

- величины напряжений на резисторах и на участке bd;

- углы сдвига фаз между напряжением и током на входе цепи и на участкеbd;

- параметры схемы для построения векторной диаграммы.

Таблица 2.1

Задача №2.2

К генератору переменного тока с фиксированным напряжением U подключена цепь, состоящая из последовательно соединенных катушки c активным сопротивлением R и индуктивностью L, а также конденсатора с емкостью С. Параметры цепи приведены в таблице 2.3. Частота генератора w = 2pfможет изменяться в широких пределах, так что при частоте f₀ наступает режим резонанса напряжения.

При изменении частоты питающего генератора в пределах 0 <f₀< 2f₀ рассчитать и построить:

- частотные характеристики элементов цепи R(f), X_L(f), X_C(f) и всей цепи в целом Z(f);

- зависимости I(f), U_R(f), U_L(f), U_C(С), представив их анализ от рода нагрузки;

- фaзочастотную характеристику – зависимость сдвига фаз между напряжением U на клеммах генератора и током I в цепи от частоты f генератора;

- рассчитать коэффициент усиления напряжения К, добротность Q, волновое сопротивление цепи r;

- параметры схемы для построения векторной диаграммы.

Таблица 2.2

Задача №2.3

Комплексы действующих значений напряжения Ů_kи тока İ_kцепи (рис. 2.3) с комплексной нагрузкойZ_kпредставлены в показательной и алгебраической форме в таблице 2.3. В каждом варианте представлено по два значения напряжения и тока (например, Ů₁, İ₁и Ů₂, İ₂),записанных в соответствующей форме. Соответственно, каждому варианту соответствует комплексная нагрузка, например, Z_k, имеющая активную ReZ_k и реактивнуюImZ_kсоставляющие. На этой нагрузке выделяются мощности: полная комплексная S_k, активная P_k и реактивнаяQ_k.

Необходимо рассчитать значения:

- действующих значений напряжений U_k и тока I_k;

- начальные фазы напряжения y_Uk и тока y_Ik, сдвиг фаз между током и напряжением j _k = y_Uk -y_Ik, град;

- комплексное сопротивление Z_k в алгебраической и показательной формах;

- активные ReZ_k и реактивные ImZ_k составляющие комплексных сопротивлений нагрузки Z_k;

-полные S_k в алгебраической и показательной формах, активные P_k, и реактивные Q_k мощности;

- параметры схемы для построения векторной диаграммы для исследуемой цепи;

Таблица 2.3

Задача №2.4

Электрическая энергия мощностью Р₁ подводится к потребителю (приемнику) с активно-индуктивной нагрузкой (рис. 2.4, а) по двужильному кабелю с поперечным сечениемS. В данном режиме через кабель протекает токI(частота питающего напряжения 50 Гц), значение которого, естественно, меньшенормативно допустимого (предельного) токаI_прдля используемого кабеля. Действующее значение напряжения на входе сети равно U=220 В при коэффициенте мощности соsj₁.

К сети (кабелю), параметры которой представлены в таблице 2.4, требуется подключить дополнительно (параллельно) осветительную (активную) нагрузку мощностью P_доп. Однако при существующем режиме работы кабеля этого делать нельзя, так как ток нагрузки в подводящем кабеле, естественно, может превысить предельное значение, равноеI_пр.

Увеличение активной мощности сети до заданного значения (Р₁+ P_доп) при условии неизменного тока I в подводящем кабеле возможно повышением значения коэффициента мощности сети до величины соsj_2. Это достигается подключением реактивной нагрузки с помощью конденсаторной батареи емкостьюС, подключаемой параллельно нагрузке (рис. 2.4, б). В данном случае до компенсации через кабель протекает ток İ, равный İ_R (рис. 2.4, а, в). После подключения ветвей  с активным сопротивлением R_доп и емкостьюС (рис. 2.4, б) результирующий ток İ (ток кабеля) остается прежним, уменьшается лишь сдвиг фаз между Ů и İ от j₁ до j₂.

Таблица 2.4

Необходимо определить:

- коэффициент мощности соsj₁ исходной схемы;

- коэффициент мощности соsj₂ схемы с дополнительной конденсаторной батареей, обеспечивающей работу схемы при дополнительной осветительной нагрузке, но неизменном токе I в подводящем кабеле.

Задача №2.5

Цепь, представленная на рис. 2.5, а, находится в режиме резонанса тока.На входе цепи действует переменное напряжениеu(t), оригинал которого равен u(t) = U_msin(wt + y_U). При этом мгновенный ток i(t) в цепи изменяется по закону: i(t) = i_msin(wt + y_I).

Требуется определить:

- значение емкости конденсатораС;

- выражения для оригиналов токов i₁₍t), i₂₍t), u(t);

- мощности, потребляемые цепью в режиме резонанса;

- параметры схемы для построения векторной диаграммы токов цепи при резонансе.

Таблица 2.5

Задача №2.6

Параметры схемы, показанной на рис. 2.6,а, приведены в таблице 2.6. Значения ЭДС и сопротивлений электрической цепи заданы в комплексной форме. Частота синусоидальных источников ЭДС равна f = 50 Гц.

Таблица 2.6

Определить:

- действующие и комплексные значения токов всех ветвей электрической схемы, пользуясь методами: применения законов Кирхгофа, узлового напряжения (двух узлов), эквивалентного генератора (в цепи с током İ_эг);

- составить баланс активной и реактивной мощности источников и приемников энергии;

- записать выражения оригиналов (для мгновенных значений) ЭДС, всех токов и напряжения U_ас.

- построить в одном масштабе на одном рисунке векторную диаграмму токов и падений напряжений на всех участках электрической цепи по внешнему контуру.

Раздел 3. ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ "ТРАНСФОРМАТОРЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ"

Задача № 3.1

Однофазный трансформатор типа ОСЗМ-6,3-74.ОМ5 и трехфазный типа ТСЗМ-25-74.ОМ5 работают как понижающие трансформаторы.

Таблица 3.1

Параметры исследуемых трансформаторов

Пользуясь техническими данными (табл. 3.1), рассчитайте:

- коэффициент трансформации n;

- токи вторичных обмоток;

-  напряжение на вторичной обмотке U₂ при активно-индуктивной нагрузке, составляющей b₁ от номинальной нагрузки;

- значения сosj₁, КПД при cosj₂ и нагрузке, составляющей b₂ от номинальной;

- годовой КПД, если с полной нагрузкой (b = 1) при cosj₁ трансформатор работает t_р = 7000 часов.

Таблица 3.2

Задача № 3.2

В таблице 3.3 представлены паспортные данные трехфазного короткозамкнутого асинхронного двигателя АД, длительно работающего на промышленной частоте f₁ = 50 Гц при частоте вращения ротора n. Двигатель исполняется на напряжение U_1ф/U_1л =220/380 В (фазное/линейное).

Таблица 3.3

С учетом данных требуется определить:

- электромеханические моменты двигателя М_max иМ_н;

- параметры упрощенной Г-образной схемы замещения (рис. 3.1) асинхронного двигателя:

- активное сопротивления r₁фазы обмотки статора в нагретом состоянии с учетом температурного коэффициента сопротивления a меди ;

-приведенное сопротивление фазы обмотки ротораr₂^¢ в нагретом состоянии;

-реактивное сопротивление x_к, равное x_к =x₁ + x₂^¢.

Таблица 3.4

Зависимость синхронной частоты W вращения ротора от числа полюсов р

Задача № 3.3

Трехфазный асинхронный двигатель серии А4 с короткозамкнутым ротором имеет номинальные данные, представленные в таблице. 3.6: частота сети f₁= 50 Гц, номинальная мощность на валу Р_2н; линейное напряжение U_л (катушки статора соединены звездой), коэффициенты кратности К_м = М_мах/М_н, К_п= М_п/М_н, К_I=I_лп/I_лн, номинальная частота вращения ротора n_н.

Таблица 3.6

Определить:

- линейные токи I_1н в питающей сети;

-число пар комплектов р катушек в фазах статора;

- номинальное s_н и критическое s_кр скольжение;

- номинальный вращающий моментМ_н на валу ротора двигателя;

-критический М_мах = М_кр и пусковой М_п моменты;

- полную мощность S_1н, потребляемую двигателем из сети;

- пусковой ток I_лп двигателя;

- оценить пусковой и номинальный вращающие моменты, если двигатель запускают от сети, напряжение которой на k % меньше номинальной.

Задача № 3.4

Асинхронный двигатель с фазным ротором (рис. 3.2) по схеме включения фазных обмоток статора звездой и линейных напряжениях U_л=380 В в сети f₁=50 Гц имеет номинальные данные, представленные в табл. 3.7: сопротивления фазы статора и ротора r₁, r₂, X₁, X₂ (см. задачу № 3.2), число витков на фазу w₁, w₂, число пар полюсов р, номинальное скольжение s_н.

Принимая число фаз ротора, равным числу фаз статора, и пренебрегая током I₁₀ холостого хода, требуется определить:

- пусковой ток в цепи ротора I_2п и пусковой момент М_п,

- коэффициент мощности cosj при пуске двигателя с замкнутым накоротко ротором (без реостата);

- токи статора I_1s и ротора I_2s, электромагнитный момент М_1s, номинальную частоту n_н вращения ротора в отсутствие  в цепи ротора добавочных сопротивлений;

- критический момент М_к и критическую скорость вращения n_к;

-величину добавочного сопротивления R_д (пускового реостата), который необходимо ввести в цепь ротора, чтобы получить пусковой момент М_п, равный критическому М_к, пусковые токиI_1п, I_2п и коэффициент мощности cosj_д;

- построить кривые М(s) для  случаев работы двигателя: а) с закороченным ротором; б) с сопротивлением R_д,, включенным в цепь ротора.

Таблица 3.7

Задача № 3.5

Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения имеет номинальные характеристики, представленные в таблице 3.8. Номинальное напряжение U_н = 220 В. Для увеличения скорости вращения якоря в цепь параллельной обмотки возбуждения введен регулировочный реостат (рис. 3.3, а), обеспечивающий ослабление магнитного потока Ф до величины, равной 0,7 от номинального значения Ф_н. Сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии r_я известно.

Таблица 3.8

Пренебрегая реакций якоря, определить:

-сопротивление R_в регулировочного реостата, введенного в цепь обмотки возбуждения;

- частоту вращения n₁¢¢;

- ток I_я в цепи якоря при работе двигателя с моментом на валу М₁= kМ_н;

- частоту вращения n₀¢¢ якоря двигателя, работающего при ослабленном магнитном потоке в режиме холостого хода;

параметры схемы для построения естественной и искусственной механических характеристик.

Раздел 4. ЗАДАЧИ ПО ТЕМЕ "АНАЛОГОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ"

Задача № 4.1 Расчет параметрического стабилизатора на стабилитроне

Для стабилизации напряжения на нагрузке R_н используется полупроводниковый кремниевый стабилитрон (рис. 4.1), имеющий напряжение стабилизации U_ст.

Известно, что при температуреТ максимальный и минимальный токи стабилитрона I_стmin, I_стmах, сопротивление нагрузки R_н, напряжение U_п источника питания изменяется от (U_min до U_mах); масштаб по оси напряжений U_обр задается параметром u(таблица 3.1).

Необходимо определить:

- сопротивление ограничительного (балластного) резистора R_б, при температуреТ;

- обеспечивается ли стабилизация во всем диапазоне изменений U_п;

- графоаналитическим методом рабочий режим стабилитрона (U_ст, I_ст), подключенного в цепь совместно с балластным резистором;

- параметры статическогоR₀ и дифференциального r_диф сопротивлений стабилитрона для среднего значения напряжения питания U_пср;

- значение ТКН стабилитрона;

- определить падение напряжения на балластном резисторе при U_вх=U_mах и U_вх= U_min.

Таблица 4.1

Задача № 4.2 Расчет усилительного каскада на транзисторах

Усилительные каскады на биполярных и полевых транзисторах приведены на рис. 4.2, 4.3. Характеристики транзисторов приведены в таблицах 4.3, 4.5. Рассчитать усилительный каскад на транзисторе с необходимыми параметрами усиления класса А.

Задача № 4.2.1 Расчет параметров каскада по схеме ОЭ

Транзистор включен в усилительный каскад (класс усиления А)  по схеме с общим эмиттером (рис. 4.2) при ЭДС источника питания Е_к. Характеристики  транзистора приведены в таблице 4.2 и на рис. 4.3. Известны параметры усилительного каскада и усиливаемого сигнала: постоянная составляющая тока базы I_б0, амплитуда переменной составляющей тока базы I_бm, величины сопротивления R_к, сопротивление нагрузки R_н, максимально допустимая мощность Р_кmax, нижняя f_пн и верхняя f_пв частоты полосы пропускания усиливаемых сигналов.

Таблица 4.2

Принять, что каскад работает в нормальных стационарных условиях, поэтому влиянием температуры на режим транзистора можно пренебречь.

Допускается проводить линии характеристик между линиями, представленными на рис. 4.2.

Необходимо:

- построить линию Р_кmax(U_кэ), как функцию напряжения U_кэ;

- построить линию нагрузки как функцию I_кэ(R_к, U_кэ) по постоянному и переменному току;

- определить постоянные составляющие тока I_к0 и напряжения U_кэ0 коллектора;

- амплитуду переменной составляющей тока коллектора I_к0m;

- амплитуду выходного напряжения U_выхm;

- коэффициенты усиления K_I, K_U, K_P;

- выходную мощность Р_вых.к, мощность, рассеиваемую на нагрузке постоянной составляющей тока коллектора Р_к0, полную потребляемую мощность в коллекторной цепи Р₀;

- КПД  h коллекторной цепи;

- напряжение смещения U_бэ0 и амплитуду входного сигнала  U_бэm;

- входную мощность Р_вх;

- входное сопротивление сигнала R_вх;

- сопротивление резисторов R₁ и R₂;

- емкость разделительных конденсаторов С_{1 и} С₂, конденсатора в цепи эмиттера С_э с учетом того, что диапазон усиливаемых колебаний f_пн-f_пв;

- рассчитать и объяснить физический смысл малосигнальныхh-параметров транзистора VТ с учетом его характеристик.

Задача № 4.2.2 Расчет параметров каскада по схеме ОИ

Полевой МОП-транзистор с каналом n-типа (ПТИЗ) имеет максимальную мощность Р_mах, включен в усилительный каскад по схеме с общим истоком (рис. 4.4) при ЭДС источника питания Е_с. Сопротивление резистора нагрузки R_н. Переменная составляющая напряжения затвор-исток равна U_вх = U_зи.

Характеристики транзистора приведены в таблице 4.3 и на рис. 45.5. Известны нижняя f_пн и верхняя  f_пв частоты полосы пропускания усиливаемых сигналов.

Определить:

- параметры элементов схемы ОИ, необходимые для работы в классе усиления А в выбранном диапазоне частот;

- параметры линии нагрузки по постоянному и переменному току;

- характеристики схемы: коэффициент усиления напряжения, мощность, КПД;

- параметры стокозатворной характеристики; значение крутизны и напряжения отсечки.

Таблица 4.3

Принять, что каскад работает в нормальных стационарных условиях, поэтому влиянием температуры на режим транзистора можно пренебречь.

Допускается проводить линии характеристик между линиями, представленными на рис. 4.5.