 |
|
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ дО вивчення Розділів КУРСУ
Вивчаючи вступ, варто звернути увагу:
на природу електричної енергії, її особливості й області застосування;
етапи історії розвитку електротехніки та значення електрифікації в прискоренні розвитку технічного прогресу та держави, поліпшенні побутових умов населення, рішенні екологічних проблем тощо;
на важливість електротехнічної підготовки бакалаврів для їх практичної інженерної діяльності.
Вивчення теми «Електричні кола постійного струму» базується на знанні розділів фізики «Електричне поле», «Енергія електричного поля», «Постійний електричний струм» і на використанні матричних методів рішення системи рівнянь. Тут треба приділити увагу вивченню наступних питань:
Основні поняття й визначення елементів електричного кола постійного струму. Лінійні резистивні елементи, ідеальні джерела ЕРС і струму, і вольт-амперні характеристики. Умовні, буквені й графічні зображення елементів кола. Умовні позитивні напрямки ЕРС, напруг і струмів на схемах заміщення. Еквівалентний опір кола.
Схеми включення регулювальних резисторів. Розгалужені й не розгалужені лінійні електричні кола з одним джерелом електричної енергії. Закони Ома й Кірхгофа. Закон Джоуля-Ленца. Енергетичний баланс в електричному колі. Електричні пристрої постійного струму і їхнє застосування.
Аналіз електричного стану простого кола методом згортання схеми. Взаємне перетворення схем з'єднання пасивних елементів трикутником і зіркою. Основні властивості й області застосування чотиплечової мостової схеми.
Аналіз електричного стану кіл змішаного з'єднання з декількома джерелами ЕРС методами застосування законів Кірхгофа, контурних струмів, вузлової напруги (потенціалів) та методом накладання.
Аналіз електричного стану кола виконується на основі застосування законів Ома й Кірхгофа з використанням різних методів, що забезпечують спрощення процесу обчислення. Тому при вивченні теми варто звернути увагу на топологію електричних схем (вітка, вузол, контур); особливості роботи електричних схем у режимах номінального, узгодженого та холостого ходу і короткого замикання; чітко засвоїти поняття: потенціал, різниця потенціалів, спад напруги, струм і потужність кола. Важливий етап аналізу електричних кіл - процес складання вузлових і контурних рівнянь. На це необхідно звернути особливу увагу, а також варто навчитися правильно визначати вітки, вузли, контури кола, напрямок обходу контурів, дії ЕРС і струмів. З метою перевірки правильності розрахунків рекомендується наприкінці розрахунку скласти баланс потужностей, виконання якого підтвердить правильність рішення.
Нелінійні елементи і їхні характеристики. Аналіз електричного стану кіл з нелінійними елементами.
Питання для самоперевірки
1. Що містять у собі поняття: вітка, вузол, контур електричного кола?
2. У чому складається відмінність формулювання закону Ома для ділянки та для всього кола?
3. Який фізичний зміст вкладається в поняття: електрорушійна сила, напруга на ділянці кола, спад напруги?
4. Як формулюються й записуються перший і другий закони Кірхгофа?
5. У чому складається особливість електричного кола при послідовному з'єднанні елементів і як визначається еквівалентний опір кола?
6. У чому складається особливість електричного кола при паралельному з'єднанні елементів і як визначається еквівалентний опір розгалуженого кола?
7. Чим керуються при виборі позитивного напрямку струму у вітках електричного кола? На що вказує негативне значення розрахованого струму?
8. Який опір навантаження приймається в режимах холостого ходу й короткого замикання?
9. Що виражають графічно вольт-амперні характеристики (ВАХ) елементів кола й у чому розходження ВАХ лінійних і нелінійних елементів?
10. Чому аналіз нелінійних кіл постійного струму не можна виконати методами, застосовуваними при аналізі лінійних кіл цього струму?
11. Які рекомендуються методи аналізу нелінійних електричних кіл постійного струму?
Література: 1, с. 7-45; 2, с. 12-89; 4, 48-67; 5, с. 13-55.
Зміст розділу «Електричні кола синусоїдного змінного струму» базується на вже зазначених вище розділах фізики й додатково на розділі "Електрика й магнетизм" та на поняттях: індуктивність, електроємність, частота, фаза, період електричних коливань. Для аналізу електричних кіл синусоїдального змінного струму необхідні знання диференціального й інтегрального вирахування, уміння представляти синусоїдальні струми, напруги й інші характеристики електричного кола у вигляді комплексних чисел.
Електричним колам змінного струму в порівнянні з колами постійного струму властиві наступні особливості:
- струм, напруга, потужність у колах змінного струму змінюються із часом;
- у загальному випадку кола змінного струму характеризуються активними й реактивним (індуктивними і ємнісним) опорами;
- за рахунок реактивних опорів струм і напруга в колі зсунуті по фазі; величина зсуву визначається співвідношенням числових значень реактивного й активного опорів;
- наявність зсуву між струмом і напругою приводить до появи активних і реактивних складових струму, напруги, потужності;
- загальний струм, напруга, потужність, опір у колах змінного струму визначається як геометрична сума їх активних і реактивних складових;
- при аналізі кіл змінного струму широке застосування знаходить символічний метод, що дозволяє геометричне підсумовування замінити алгебраїчним і використовувати чисельні методи аналізу кіл постійного струму;
- у колах змінного струму можуть мати місце явища резонансу напруг і струмів.
Резонанс напруг виникає в колах з послідовно з'єднаними однаковими за значенням індуктивним і ємнісним опорами. У цьому разі результуючий струм визначається тільки активним опором ланцюга й може в багато разів перевищити розрахункове значення струму лінії за відсутності резонансу. Резонанс напруг приводить до значного перевищення падінь напруг на індуктивності й конденсаторі, створюючи небезпеку для обслуговуючого персоналу й для самої установки.
Резонанс струмів виникає в колі з паралельно з'єднаними індуктивністю й конденсатором у випадку рівності реактивних провідностей паралельних віток кола bL = bC. У цьому випадку загальний струм, що споживається струмоприймачем, зменшується до мінімального значення, обумовленого тільки струмом активної складової.
Резонанс напруг і струмів широко використовується в радіотехніці й автоматиці з метою посилення прийомного сигналу, виділення його серед множини інших (налаштування на бажану радіо- і телестанцію).
Умовою резонансу напруг є рівність опорів ланцюга:
і 
,
звідси резонансна частота -
.
Режим резонансу напруг звичайно встановлюють регулюванням величини L або С.
Резонанс струмів можливий у розгалужених колах при рівності реактивних провідностей. Так, для кола із двома паралельними вітками r1, x1, r2 = 0, x2 реактивні провідності відповідно рівні -
і 
,
звідки резонансна частота -
.
У розглянутому контурі резонанс струмів можливий тільки за умови 
і виконується шляхом зміни значень r, L1 або С2.
Тема є основою для правильного розуміння наступних питань курсу, у зв'язку із чим її вивченню варто приділити особливу увагу, зокрема питанням:
Електричні пристрої змінного струму й області їхнього застосування. Генерування синусоїдальної ЕРС. Основні параметри, що характеризують синусоїдальні струми й напруги. Техніко-економічні переваги синусоїдального струму промислової частоти.
Середнє й діюче значення електричних величин, що змінюються синусоїдно, їхнє практичне значення. Подання синусоїдальних величин графіками зміни функцій у часі, векторами, тригонометричними функціями й комплексними числами.
Приймачі електричної енергії: резистори, індуктивні котушки, конденсатори. Їхні параметри: активний опір, індуктивність і ємність. Умовні графічні й літерні позначення, застосовувані на схемах заміщення.
Закони Ома й Кірхгофа для кіл синусоїдального струму. Рівняння електричного стану для нерозгалуженого кола. Векторні діаграми струмів і напруг, фазові співвідношення між струмом і напругами. Трикутник опорів. Комплексний опір. Потужність кола змінного струму: активна, реактивна й повна. Трикутник потужностей. Комплексна потужність. Коефіцієнт потужності і його народногосподарське значення. Резонанс напруг, умови його виникнення й практичне значення в технічних і радіоелектронних пристроях.
Паралельне з'єднання елементів. Активна, реактивна й повна провідності. Трикутник провідностей. Векторні діаграми струмів і напруг. Фазові співвідношення між напругою й струмами. Аналіз електричного стану розгалужених ланцюгів символічним методом. Резонанс струмів, умови його виникнення й практичне значення. Компенсація реактивної потужності паралельним підключенням конденсаторів.
Аналіз електричного стану ланцюгів змішаного з'єднання символічним методом. Векторні діаграми струмів і напруг.
Питання для самоперевірки
1. Якими параметрами характеризуються синусоїдальні струми й напруги?
2. Що розуміють під діючими значеннями ЕРС і струму, як їх визначають на практиці?
3. Що означає поняття "середнє значення" струму й напруги? Практичне застосування цих величин.
4. Яке змішення по фазі в колі змінного струму створюють резистивні, індуктивні, ємнісні елементи кола?
5. У чому корінна відмінність енергетичних процесів у резистивних і реактивних елементах кола?
6. У яких формах комплексних чисел можуть бути представлені параметри електричних кіл синусоїдального змінного струму і як вони записуються?
7. У чому складаються переваги символічного методу аналізу кіл змінного струму?
8. Умови виникнення резонансу напруг і можливі наслідки. Де використовується це явище?
9. У чому складається фізична сутність коефіцієнта потужності і яке його техніко-економічна важливість?
10. Якими технічними прийомами підвищують cos j установок?
Література: 1, с. 46-120; 2, с.90-100, с. 151-193; 4, с. 68-145; 5, с. 55-116.
При вивченні теми « Трифазні кола синусоїдного струму»зверніть увагу:
на техніко-економічні переваги трифазних кіл перед однофазними;
на способи з'єднання трифазних кіл, режими їх роботи, умови вибору способу з'єднання;
на співвідношення між лінійними й фазними струмами та напругами при різних режимах роботи кіл з нейтральним провідником і без нього;
на заходи щодо безпечної роботи трифазних кіл.
Необхідно знати й засвоїти стандартні значення напруг електроустановок до 1000 В і вище.
Тут важливими є питання:
Генерування трифазної ЕРС. Зв’язані та незв’язані багатофазні системи. Способи з'єднання фаз трифазного джерела енергії. Умовно-позитивні напрямки струмів і напруг трифазного кола. Фазні й лінійні напруги. Подання електричних величин трифазних систем тригонометричними функціями, графіками, що обертаються векторами й комплексними числами.
З'єднання елементів трифазного кола зіркою. Симетричні й несиметричні режими. Призначення нейтрального проводу.
З'єднання елементів трифазного кола трикутником. Симетричні й несиметричні режими. Векторні діаграми струмів і напруг. Співвідношення між фазними й лінійними напругами, фазними й лінійними струмами.
Потужність трифазного кола. Вимірювання активної потужності трифазних систем методами одного, двох і трьох ватметрів. Вимірювання реактивної потужності трифазних симетричних систем. Аналіз електричного стану трифазних кіл.
Питання для самоперевірки
1. У чому складається техніко-економічна перевага трифазних кіл перед однофазними?
2. Які існують способи з'єднання фаз трифазного електроприймача, у яких випадках вони застосовуються?
3. Які особливості характерні для чотирипровідних і трипровідних кіл при з'єднанні електроприймачів зіркою? Призначення нейтрального провідника.
4. Які особливості характерні для ланцюга при з'єднанні фаз струмоприймача трикутником?
5. Якими способами можна виміряти активну потужність трифазного ланцюга при симетричному й несиметричному навантаженнях?
6. Як виміряти реактивну потужність трифазного ланцюга при симетричному й несиметричному навантаженнях?
7. Які стандартні значення фазних і лінійних напруг цехових мереж (напругою до 1000 В)?
8. Як улаштована мережа побутового електропостачання?
Література: 1, 107-122; 2, с. 218-234; 4, с. 132-145; 5, с. 125-143.
Матеріал теми «Електричні кола несинусоїдного періодичного струму»ґрунтується на розділах математики "Ряди Фур'є" і "Спектральний аналіз".
У темі викладається фізична сутність процесів в електричних колах і методи аналізу електричних кіл, у яких струми або напруги змінюються за законами, відмінними від синусоїдальних.
В основі розрахунку електричних кіл з несинусоїдними струмами (напругами) лежить спектральний аналіз, тобто подання періодичного несинусоїдного струму (напруги) у вигляді ряду Фур'є. Члени ряду визначають постійну складову струму й гармонійні складові різних частот. Розкладання в ряд Фур'є дозволяє одержати графіки амплітудно-частотних спектрів, які, у свою чергу, наочно представляють смугу частот, займаних даним струмом (напругою).
У зв'язку з тим, що індуктивні і ємнісні опори залежать від частоти, розрахунок кіл з несинусоїдними сигналами проводиться для кожної гармонійної складової з наступним обчисленням результуючих діючих значень струмів, ЕРС і напруг. Необхідно звернути увагу на те, що резонанс у колах несинусоїдного струму можливий практично у відношенні однієї із частотних гармонік у зв'язку з залежністю реактивних опорів від частоти струму. Це явище використовують при створенні резонансних (смугових) електричних фільтрів у якості "загороджувачів" для деякої смуги частот і зменшення несинусоїдності струму або напруги, підведеної до споживача.
При вивченні даної теми зверніть увагу на питання:
Причини виникнення періодичних несинусоїдних струмів і ЕРС, їхній вплив на роботу електроустановок. Подання періодичних несинусоїдних струмів рядами Фур'є. Індуктивності і ємності в колах несинусоїдного струму. Діючі значення несинусоїдних ЕРС, напруг і струмів. Вплив активного опору, індуктивності й ємності на характер несинусоїдного струму в колах із джерелами несинусоїдних напруг.
Активна, реактивна та повна потужності. Резонанс у колах несинусоїдного струму. Електричні фільтри. Вищі гармоніки в трифазних колах.
Аналіз лінійних електричних кіл при несинусоїдній напрузі джерела живлення.
Питання для самоперевірки
1. При яких умовах виникають несинусоїдні струми в колах струмоприймача?
2. У чому складається сутність спектрального подання несинусоїдних періодичних струмів?
3. Якими параметрами характеризуються несинусоїдні струми?
4. Як впливають на характер несинусоїданого струму активний опір, індуктивність та ємність у колі струмоприймача?
5. Як розрахувати струм приймача, підключеного до джерела несинусоїдної напруги?
6. Чому рівні активна й реактивна потужності приймача в колі несинусоїдного струму?
7. На якому принципі побудовані резонансні фільтри й для яких цілей вони застосовуються?
8. У чому складається сутність згладжування випрямленої напруги і якими пристроями воно забезпечується?
Література: 1, с. 123-129; 2, с. 193-217; 4, с. 175-185; 5, с. 117-124.
При вивченні розділу«Перехідні процеси в електричних колах»зверніть увагу, що матеріал теми базується на вмінні аналізувати диференціальні рівняння, складені на основі законів Кірхгофа та характерні тимчасові процеси у колах при зміні параметрів або режимів роботи (при комутації).
Завданням теми є з'ясування сутності процесів, що протікають у колах з реактивними елементами при комутації.
При аналізі перехідних процесів необхідно пам'ятати про те, що внаслідок інерційності реактивних елементів значення струмів і напруг при комутації можуть перевищувати номінальні значення, на які розраховані елементи кола. Сутність аналізу складається в умінні скласти диференціальне рівняння кола, визначити початкові умови й одержати рішенні рівняння, що і визначить час перехідного процесу, закони та межі змін струму або напруги.
Значення перехідних процесів необхідно для вибору ізоляції електроустановок, розрахунку й вибору комутаційних пристроїв, визначення часу розгону й гальмування електропривода тощо.
Зміст теми розкривається висвітленням наступних питань:
Основні поняття про перехідні процеси. Причини їхнього виникнення в електричних колах і значення для роботи електроустановки.
Закони комутації. Включення кола з резистором і котушкою на постійну напругу. Вплив параметрів кола на тривалість перехідного процесу. Постійна часу кола з R і L елементами. Відключення котушки індуктивності від джерела постійного струму.
Заряд і розряд конденсатора через струмообмежувальний резистор. Постійна часу кола з ємністю.
Питання для самоперевірки
1. З якими елементами виникає в електричних колах перехідний процес при комутації?
2. Як трактуються й записуються 1-й і 2-й закони комутації?
3. Який фізичний зміст постійної часу кола?
4. Як потрібно змінити індуктивність ланцюга, щоб перехідний процес прискорився?
5. Як потрібно змінити ємність електричного кола, щоб сповільнити перехідний процес?
Література: 1, с. 130-142; 2, с. 243-278; 4, с.146- 167; 5, с. 143-174.
При вивченні розділу«Електричні вимірювання»майте на увазі, що сучасні промислові підприємства оснащені великим числом вимірювальних приладів, призначених для контролю роботи машин і апаратів, регулювання виробничих процесів, вимірювання технічних параметрів речовин при контролі якості продукції. У зв'язку із цим сучасний фахівець повинен досконало володіти методами та способами вимірювання, знати й уміти використовувати основні аналогові та цифрові вимірювальні прилади. Тут необхідно знати:
Основні електричні методи й засоби вимірювання фізичних величин. Метрологічні характеристики засобів вимірювання: чутливість, абсолютна, відносна та приведена похибки; клас точності засобів вимірювання.
Умовні графічні зображення приладів. Умовні позначки, що наносяться на шкалу вимірювальних приладів.
Аналогові вимірювальні прилади: магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, індукційні, електростатичні.
Цифрові вимірювальні прилади: послідовного рахунку, порозрядного зрівноважування, зчитування.
Особливості вимірювання струмів, напруг, опорів, потужності, енергії. Способи розширення меж вимірювання приладів. Поняття про електричні способи вимірів неелектричних величин.
Питання для самоперевірки
1. Якими погрішностями характеризується процес вимірювання і як вони визначаються?
2. Що таке клас точності вимірювального приладу і як він визначається?
3. Що таке постійна (ціна розподілу) шкали приладу і як вона визначається?
4. Як визначаться постійна шкали ватметра?
5. Як розширюють межі вимірювання приладу по напрузі?
6. Як розширюють межі вимірювання приладів по струму в колах постійного й змінного струмів?
7. У чому складається перевага мостової схеми вимірювання електричних величин?
8. Переваги й недоліки цифрових електровимірювальних приладів у порівнянні з електромеханічними.
9. Чим пояснити багаторазова відмінність по величині опору обмоток напруги та струму електровимірювальних приладів?
10. Як показують на шкалі багатомежних електровимірювальних приладів опір обмоток напруги?
Література: 1, с. 252-396; 2, с. 324-362; 4, 259-300; 5, с. 217-261.
Матеріал теми «Магнітні кола й електромагнітні пристрої» ґрунтується на розділах фізики: магнітне поле у вакуумі, магнітне поле в речовині, електромагнітна індукція.
Важливо, що робота основного класу електротехнічних пристроїв (електричні машини, трансформатори, електричні апарати електромагнітної дії) базується на використанні магнітного поля. Грамотна експлуатація цього встаткування можлива при чіткій уяві фізичних процесів, що протікають у цих пристроях, і знанні методів розрахунку магнітних кіл, який містить у собі рішення завдань синтезу й аналізу.
Синтез кола (пряма задача) складається в знаходженні по заданому магнітному потоку магніторушійної сили (МРС) або намагнічуючого струму, аналіз кола (зворотня задача) - у знаходженні магнітного потоку за заданим значенням МРС. Тут при вивченні теми варто звернути увагу на наступні питання:
Магнітні поля і їхні характеристики. Основні магнітні властивості феромагнітних матеріалів.
Магнітне коло. Призначення магнітопроводу. Закон Ома для магнітного кола. Магнітний опір. Характеристики феромагнітних матеріалів і вплив цих характеристик на основні параметри кола.
Аналіз нерозгалуженого кола з постійною магніторушійною силою. Пряма й зворотна задача. Вплив повітряного зазору на МРС. Сила тяги електромагніта. Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі. Вплив повітряного зазору на параметри кола; причини втрат енергії в магнітних колах і методи їх зменшення. Аналогія залежностей параметрів електричних і магнітних кіл.
Магнітні кола зі змінної магніторушійної, силою. Котушка із сердечником у колі змінного струму. Основні особливості котушки із сердечником. Втрати енергії в сердечнику електромагнітної котушки. Способи зменшення втрат на гістерезис і вихрові струми. Вплив насичення й гістерезису на форму кривої струму котушки із сердечником. Еквівалентний синусоїдальний струм. Рівняння електричного стану й векторна діаграма котушки із сердечником. Схема заміщення котушки із сердечником. Дросельні котушки як регулятори напруги. Феромагнітні стабілізатори напруги.
Електромагнітні пристрої і їхнє застосування. Призначення й область застосування феромагнітних пристроїв із сердечником, підмагнічуваних постійним струмом. Дросель насичення (ДН). Принцип роботи й коефіцієнт підсилення ДН. Робочі характеристики. Магнітний підсилювач (МУ) із зовнішнім зворотним зв'язком. Принцип керування МУ. Коефіцієнт підсилення МУ. Робочі характеристики й області застосування МУ.
Питання для самоперевірки
1. Від чого залежить індуктивність обмотки магнітопроводу?
2. Як аналітично виражається закон Ома для магнітного кола?
3. Роль феромагнітного сердечника електромагніта.
4. У яких випадках вирішуються пряме й зворотне завдання при розрахунках магнітних кіл?
5. Чим викликане нагрівання феромагнітного сердечника при змінному магнітному потоці?
6. Як впливає повітряний зазор на силу струму, що намагнічує, електромагнітної котушки?
7. На якому принципі заснована робота магнітного підсилювача?
8. Як на практиці змінюють коефіцієнт підсилення магнітного підсилювача?
Література: 1, с. 143-165, с. 198-207; 2, с. 101-145, с.210-217; 4, с. 186-233; 5, с. 175-217.
При вивченні теми «Трансформатори» з необхідно використовувати матеріал теми "Магнітні кола", звернувши особливу увагу на магнітні кола зі змінною магніторушійною силою.
Трансформатори - електромагнітні апарати, робота яких основана на використанні явища електромагнітної індукції. Ці пристрої широко використовуються у промисловості й у побутових електроустановках. Для правильної їхньої експлуатації необхідно знати будову, принцип дії й роботу трансформаторів у різних режимах, уміти аналізувати рівняння електромагнітного стану й схеми заміщення. Тому тут важливо приділити увагу наступним питанням розділу:
Призначення й область застосування трансформаторів. Будова і принцип дії однофазного трансформатора. Основні співвідношення електричних величин у трансформаторі. Коефіцієнт трансформації. Режим холостого ходу трансформатора. Рівняння електричного стану й векторна діаграма. Навантажувальний режим. Наведений трансформатор. Рівняння електричного й магнітного станів, векторна діаграма. Повна й спрощена схеми заміщення трансформатора. Зовнішня характеристика трансформатора. Регулювання напруги трансформатора. Втрати енергії в трансформаторі і його ККД. Досліди холостого ходу й короткого замикання трансформатора.
Варто розібратися в особливостях будови, принципу дії та роботи трифазних трансформаторів, як найбільш розповсюджених пристроїв систем електропостачання. Тут важливо засвоїти:
поняття про основні групи з'єднання обмоток трансформаторів та їх визначення;
доцільність, умови під’єднання та ефективність паралельної роботи трифазних трансформаторів;
відмінність конструкцій та необхідність і організацію охолодження трансформаторів.
Вивчаючи автотрансформатори, слід звернути увагу на особливості їхньої будови, принципу дії, техніко-економічні переваги і недоліки в порівнянні із трансформатором таких же параметрів, визначення доцільної області застосування. Використання трифазного автотрансформатора.
При вивченні вимірювальних трансформаторів струму й напруги необхідно усвідомити їхнє призначення й область застосування, особливості режимів їхньої роботи, засвоїти схеми включення їх з вимірювальними приладами.
Питання для самоперевірки
1. Принцип роботи трансформатора.
2. Чому магнітний потік практично не залежить від навантаження?
3. Втрати енергії в трансформаторах і заходи, прийняті для їхнього зменшення.
4. З яких міркувань доцільно розміщати на загальному стержні обмотки вищої та нижчої напруги трансформатора?
5. З якою метою і як проводяться досліди короткого замикання та холостого ходу трансформатора?
6. Як конструктивно влаштовані трифазні трансформатори?
7. Як на практиці забезпечується охолодження силових трансформаторів?
8. Які умови включення трифазних трансформаторів на паралельну роботу?
9. Які техніко-економічні переваги та недоліки автотрансформатора в порівнянні із трансформатором?
10. Особливість режимів роботи вимірювальних трансформаторів струму та напруги.
11. Як визначаються вимірювані електричні характеристики за даними електровимірювальних приладів, включених через вимірювальні трансформатори струму й напруги?
Література: 1, с. 166-197; 2, с. 279-323; 3, с. 7-52; 4, с. 234-258; 5, с. 262-288.
Вивчаючи розділ «Електричні машини», зверніть увагу, що він є особливо важливий, оскільки електричні машини, як і трансформатори, знаходять широке застосування у виробництві в якості перетворювачів електричної енергії в механічну та навпаки. В основі роботи електричних машин лежать явища електромагнітної індукції та закон Ампера, що виражає силовий вплив магнітного поля на провідник зі струмом.
Важливо, що у промисловості переважне поширення одержали асинхронні електродвигуни. Це визначає необхідність глибокого вивчення їхнього устрою, принципу дії й експлуатаційних властивостей. Варто вивчити механізм створення обертового магнітного поля з різною частотою обертання, вплив різних факторів на електромагнітний момент, частоту обертання, ретельно проаналізувати механічні характеристики двигуна. Необхідно усвідомити умови використання гальмових режимів асинхронного двигуна, техніко-економічна доцільність яких буває досить високою. Тому при вивченні теми «Асинхронні машини»важливо приділити увагу наступним питанням:
- область застосування асинхронних машин;
- будова, класифікація та принцип дії асинхронного електродвигуна (АД);
- обмотки статора й ротора АД. Обертове магнітне поле статора. Ковзання. Частота обертання ротора АД і його магнітне поле. Частота струму ротора АД. Значення ЕРС статора й ротора. Коло ротора та схема заміщення фази АД.
- рівняння електричного стану й векторна діаграма АД. Обертаючий момент і механічна характеристика АД. Енергетична діаграма, втрати енергії та ККД АД. Робочі характеристики АД;
- АД з поліпшеними пусковими властивостями. Регулювання швидкості обертання. Електричне гальмування АД. Поняття про лінійні АД. Конструктивне виконання АД.
Питання для самоперевірки
1. Як створюється обертове магнітне поле різної частоти обертання в трифазних електродвигунах?
2. Від яких параметрів залежить частота обертання магнітного поля?
3. Як записуються формули дня визначення обертаючого моменту асинхронного двигуна?
4. Які ділянки механічної характеристики асинхронного двигуна відповідають стійкій і нестійкій роботі? Чому?
5. З якою метою, і в які періоди роботи вводяться активні опори в ланцюг фазного ротора асинхронного двигуна?
6. Які міри приймають для зменшення пускових струмів асинхронних двигунів з короткозамкненим ротором?
7. Переваги й недоліки асинхронних короткозамкнених двигунів з поліпшеною механічною характеристикою.
8. Які існують способи регулювання частоти обертання асинхронних двигунів?
Література: 1, с. 234-375; 2, с. 363-407; 3, с. 53-100; 4, с.323-348, с.396-441;5, с. 289-341.
Вивчаючи розділ «Синхронні машини» слід звернути увагу, що як машини змінного струму вони можуть працювати в генераторному та руховому режимах. Особливість цих машин у тім, що результуюче магнітне поле машини створюється в результаті взаємодії магнітного поля ротора та магнітного поля статора, причому частота обертання ротора строго відповідає частоті обертання поля статора.
Синхронні генератори як основні джерела електроенергії працюють і автономно, і паралельно з енергосистемою. Необхідно звернути увагу на роботу синхронних генераторів при різних характеристиках навантаження, на їхні робочі характеристики, порядок включення синхронного генератора в мережу й воно способи регулювання активної й реактивної потужностей.
Варто зіставити техніко-економічні характеристики синхронних і асинхронних електродвигунів, відмітивши такі особливості, як можливість генерування реактивної потужності, абсолютно жорстку механічну характеристику, меншу чутливість до напруги мережі. Відзначити істотні недоліки, що обмежують застосування синхронних двигунів; вивчити залежність моменту обертання від різних параметрів, кутову й U-подібну характеристики двигуна й умови його пуску.
Вивченню розділу сприяють наступні питання робочої програми:
Пристрій, принцип дії й область застосування синхронних машин (СМ).
Генераторні режими СМ. Реакція якоря. Рівняння електричного стану. Векторна діаграма синхронного генератора. Автономна робота синхронного генератора. Його основні характеристики. Включення синхронного генератора на паралельну роботу з мережею. Регулювання активної й реактивної потужності. Кутова й U-подібна характеристики.
Електромагнітний момент і руховий режим СМ. Кутова й механічна характеристики. Пуск синхронного двигуна. Регулювання реактивної потужності синхронного двигуна. Поняття про синхронний компенсатор.
Питання для самоперевірки
1. Області практичного застосування трифазних синхронних генераторів і двигунів.
2. У чому проявляється реакція якоря синхронної машини при випереджальному й відстаючому струмах?
3. Від яких параметрів і як залежить обертаючий момент синхронної машини?
4. Що необхідно робити для стабілізації напруги синхронного генератора при зміні навантаження різного характеру?
5. Як здійснюється пуск синхронних двигунів?
6. Чому найбільш раціональною вважається робота синхронного двигуна в режимі перезбудження?
Література: 1, с. 376-395; 2, с. 408-428; 3, с.101-127; 4, с.442-472; 2, с. 342-363.
При вивченні розділу «Машини постійного струму» варто звернути увагу на особливість конструкції, способи створення (збудження) магнітного поля статора та ЕРС якоря, електромагнітний момент, роботу машини в режимах генератора і двигуна.
Через те, що двигуни постійного струму по порівняння з іншими мають кращі пускові характеристики й можливість плавного регулювання частот обертання, необхідно вивчити ці особливості й раціональну область застосування. Варто також розглянути робочі й механічні характеристики двигунів з різними способами збудження, методи й схеми їхнього пуску, реверсування й гальмування.
Для даного розділу важливо розглянути такі питання робочої програми:
Область застосування машин постійного струму (МПС). Будова і принцип дії МПС. Призначення колектора та обмотки якоря МПС. Значення ЕРС і електромагнітного моменту МПС. Реакція якоря МПС. Комутація МПС і методи її поліпшення.
Класифікація машин за способом збудження. Робота машин у генераторному режимі. Рівняння електричного стану кола якоря. Основні характеристики генераторів постійного струму, їхня паралельна робота.
Руховий режим МПС. Рівняння електричного стану кола якоря. Двигун паралельного збудження. Пуск двигуна. Призначення пускового й регулювального реостатів. Механічні характеристики електродвигуна. Регулювання частоти обертання. Електричне гальмування. Двигун послідовного збудження, його механічні характеристики. Область застосування двигунів послідовного збудження. Втрати енергії в МПС та їх ККД.
Питання для самоперевірки
1. Чому станину машини постійного струму виконують у вигляді виливка, а сердечник - шихтованим?
2. Від яких параметрів залежать ЕРС якоря й електромагнітний момент МПС?
3. У чому сутність реакції якоря і як вона впливає на напругу, що генерується МПС?
4. Як класифікуються МПС за способом збудження?
5. Для чого призначена послідовна обмотка збудження в МПС з паралельним збудженням?
6. З якою метою в коло якоря двигуна постійного струму включається реостат?
7. Чому не можна реверсувати двигуни паралельного й послідовного збудження зміною полярності джерела живлення?
8. Які існують способи регулювання частоти обертання двигунів постійного струму? Переваги й недоліки цих способів.
9. Якими способами роблять електричне гальмування двигунів постійного струму?
Література: 1, с. 297-333; 2, с.429-475; 3, с.127-167; 4, с.349-395; 5, с. 364-403.
Розділ «Електроніка» базується на розділах фізики "Електричний струм у газах" і "Фізика твердих тіл". Сучасне технологічне встаткування, як правило, містить у собі електронні прилади й пристрої, у зв'язку із чим для правильної експлуатації промислових установок фахівцям необхідні глибокі знання матеріалу цієї теми.
У наш час розвиток електроніки йде по шляху мікромініатюризації та цифрової обробки інформації. В основі мікромініатюризації лежить елементна інтеграція в одному мініатюрному функціональному вузлі - інтегральній схемі - великої кількості найпростіших елементів (діодів, тиристорів, резисторів). Такий розвиток промислової електроніки в сполученні із цифровою обробкою різко зменшує габаритні розміри апаратури, підвищує надійність і точність її роботи, полегшує умови експлуатації та обслуговування.
Електронні пристрої, використовувані в технологічному встаткуванні, складаються з електронних приладів різних класів, для роботи яких необхідно знати фізичні процеси, що протікають у цих приладах, їхні характеристики й області застосування. Особливу увагу варто звернути на принцип дії й характеристики різних електронних пристроїв - випрямлячів, тиристорних перетворювачів, електронних підсилювачів.
При вивченні даної теми слід керуватись наступними розділами робочої програми:
Електроніка, її значення в сучасному виробництві, науці й техніку. Класифікація основних електронних пристроїв. Коротка історія й перспективи розвитку.
Напівпровідникові прилади. Утворення та властивості р – п переходу. Напівпровідникові резистори, діоди, тиристори, біполярні та польові транзистори. Фотоелектричні напівпровідникові прилади.
Електровакуумні двох- і багатоелектродні лампи. Основні характеристики ламп. Електронно-променеві трубки. Фотоелектронний примножувач. Поняття про газорозрядні прилади. Тиратрони. Газорозрядні індикатори.
Випрямлячі. Електричні схеми й співвідношення основних електричних величин однофазних і трифазних випрямлячів. Паралельне й послідовне з'єднання діодів. Електричні фільтри. Основи розрахунку й вибору елементів. Зовнішні характеристики випрямлячів.
Тиристорні перетворювачі, як регулятори напруги. Способи керування тиристорами. Схема керування тиристорами за допомогою найпростішого фазообертача. Поняття про інвертори та перетворювачі частоти. Тиристорний "контактор" постійного і змінного струму.
Напівпровідникові й електронні підсилювачі. Графоаналітичний аналіз роботи підсилювача з колекторним навантаженням. Основні параметри підсилювача. Температурна стабілізація роботи підсилювача. Особливості підсилювача на польовому транзисторі. Поняття про багатокаскадні підсилювачі. Двокаскадний підсилювач із R-С зв'язком. Зворотні зв'язки в підсилювачах, їхній вплив на параметри й характеристики підсилювачів. Підсилювачі постійного струму. Дрейф нуля. Підсилювачі потужності. Поняття про інтегральні схеми. Принципи їхньої побудови. Параметри інтегральних мікросхем.
Індикація цифрової інформації. Поняття про аналого-цифрові перетворювачі (АЦП).
Зверніть увагу, що напівпровідники за питомим опором займають проміжне положення між металами й діелектриками. Електропровідність напівпровідників може різко змінюватися внаслідок дії різних факторів. Вона залежить від введення в їх кристалічну структуру трьох- або п’ятивалентної домішки зазначених елементів, від температури, освітлення, стискування та розтягування електромагнітного кола, радіації тощо. Необхідно розуміти всі закономірності, а також способи створення електронно-дірчастого n-p переходу, що виникає в надто тонкому шарі на межі стикання напівпровідника з металом, або двох шарів напівпровідника, що мають різну провідність. Цей запірний шар має потенціальний бар’єр, який у германієвих приладах дорівнює близько 0,3...0,4, а в кремнієвих – близько 0,7......0,9 В.
Напівпровідникові прилади широко застосовуються в електронній апаратурі. Фізичні принципи їх дії значно складніші від електровакуумних.
Напівпровідникові прилади належать до групи електронних вентилів, у яких протікають складні фізичні процеси під час руху електронів і дірок як носіїв зарядів під впливом напівпровідників, що створюються в їх кристалічній структурі. При цьому відрізняють напівпровідники з електронною домішковою провідністю та домішковою провідністю.
Щоб створити можливість проходження основних носіїв заряду в прямому напрямі, треба прикласти напругу від зовнішнього джерела живлення "плюсом" до p-шару, а "мінусом" – до n-шару діода. При цьому потенціальний бар’єр скомпенсується, а внутрішній опір вентиля в прямому напрямі різко зменшиться. Через діод потече прямий струм –
.
Діоди та транзистори бувають: низько-, середньо- і високочастотними; малої, середньої та великої потужності.
Основними параметрами напівпровідникових діодів є середнє значення випрямлення струму, найбільше значення допустимої зворотної напруги, найбільший зворотний струм, пряме падіння напруги, частотні й температурні межі тощо. Наприклад, германієві діоди можуть працювати при температурі від -50 до +80 °С, а кремнієві - до +150 °С. Із збільшенням температури параметри діодів погіршуються. Зростає прямий струм, але більшою мірою зростає шкідливий зворотний струм, зменшується коефіцієнт випрямлення:
зменшується допустима зворотна напруга. Кремнієві вентилі теплостійкіші.
Основні параметри біполярних транзисторів: коефіцієнт підсилення струму: вхідний та вихідний опори; опір шару бази Rб, диференціальний опір відкритого елементарного переходу Rв, диференціальний опір зворотно-зміщеного колекторного переходу Rk; паразитні ємності емітерного та колекторного переходів; допустима потужність, що розсіюється транзистором, номінальна робоча температура, частотні границі, найбільший струм електрода, найбільша напруга колектора, зворотний і початковий струми колектора.
У польових транзисторах будь-якої структури є три електроди: виток, що використовується як катод, стік, що використовується як анод, та затвор, що використовується як керуюча сітка електровакуумного тріода. В електронних пристроях ці електроди можуть вмикатися за схемою із спільними джерелом, стоком і затвором. Рекомендується ознайомитися з їх робочими параметрами; вольт-амперними, стоково-запірними та стоковими характеристиками, аналогічнми анодно-сітчастим і стоковим характеристикам, та анодними характеристиками пентодів. Завдяки простішій технології уніполярних польових МОП ці транзистори широко застосовуються також у мікромініатюрній електроніці.
В електронних пристроях поряд з напівпровідниковими приладами та інтегральними мікросхемами все ще застосовують електровакуумні прилади, що довели свою працездатність у широкому діапазоні частот з великими температурними перепадами, з низькими та високими напругами, для малих і великих потужностей.
Вивчаючи їх, треба звернути увагу на особливості проходження струму у вакуумному просторі кожної лампи під час дії електричного поля, що створюється зовнішніми джерелами живлення. Необхідно запам'ятати, що технічний напрям електричного струму протилежний напряму руху електронів. Для вивчення підсилювальних ламп треба розуміти призначення керуючої сітки в тріоді, пентоді, променевому пентоді, а також змінної напруги, якою керують силою анодного струму в межах від нуля до максимального значення, що відповідає струму насичення.
Запитання й завдання для самоперевірки
1. Яка будова напівпровідникових точкових і площинних діодів? Укажіть їх особливості та область застосування.
2. Як виникає власна провідність у напівпровіднику? Як вона змінюється із зміною температури?
3. Поясніть фізичні принципи роботи напівпровідникового діода. Що таке електронно-дірчастий n-p перехід, запірний шар, потенціальний бар’єр, вентильні властивості діода? Намалюйте та поясніть вольт-амперні характеристики германійового та кремнійового діодів.
4. Перелічіть переваги та недоліки напівпровідникових діодів.
5. Які будова і принцип дії плоских біполярних транзисторів типу і n-p-n?
6. Накресліть схеми вмикання транзисторів типу р-n-p для зняття сімейства статичних вхідних і вихідних характеристик.
7. Поясність будову, призначення, принцип дії та вольт-амперну характеристику тиристора. Наведіть схему його вмикання.
8. Які схеми зняття статичних вольт-амперних характеристик діодів, тріодів.
9. Які види електронної емісії використовуються в електронних лампах?
10. Покажіть на ЄСКД умовні графічні позначення електровакуумних електронних приладів.
Література: 5, с. 19-43, 63-80, 177-215, 129-177, 43-53
Вивчаючи тему «Електронні пристрої», треба мати на увазі, що приблизно третя частина вироблюваної електростанціями електроенергії змінного струму використовується у вигляді енергії постійного струму В промисловості і на транспорті. Для перетворення змінного струму в постійний застосовуються різноманітні випрямні пристрої.
Залежно від призначення випрямні пристрої виготовляються на різні значення випрямлених напруги та струму, тобто на різні потужності: від долей одиниць ват до тисяч кіловат. Чим потужніший випрямляч, тим складніша його будова. Якщо найпростіший /малої потужності/ випрямляч, зібраний за однією із схем випрямляння, складається з невеликого шасі, силового трансформатора, напівпровідникових діодів і згладжувального фільтра, то стабілізований випрямляч навіть середньої потужності має складне обладнання значних розмірів, маси і вартості.
У кожному окремому випадку залежно від призначення й розрахункових параметрів випрямляча слід навчитися підбирати з довідника чи каталога вентилі потрібного типу, щоб попередньо розрахувати основні параметри: середнє значення випрямленого струму, який проходить через кожний вентиль, його максимальне значення, максимальне значення зворотної напруги, прикладеної до вентиля в непровідний напівперіод, діюче значення випрямленого струму, який проходить через напівпровідникові діоди (мають бути дещо меншими за допустимі параметри, вказані в довіднику).
Треба знати, що з необхідністю послідовного вмикання германійових чи кремнійових діодів у кожне плече випрямляча їх слід щунтувати резисторами, прирівнюючи значення зворотної напруги на кожному діоді. При паралельному з'єднанні зазначених діодів слід послідовно з кожним діодом вмикати резистор з опором близько 5...8 Ом, щоб зрівняти струми, що проходять у вітці кожного діода.
Потрібно також запам’ятати, що найбільший ККД мають випрямлячі, зібрані на напівпровідникових діодах, які мають надто малий внутрішній опір у прямому напрямі і не мають кіл розжарювання (проаналізуйте формулу ККД).
Особливо слід звернути увагу на вивчення наступних схем випрямлячів: однопівперіодної та двопівперіодної із середньою (нульовою) точкою, однофазної та трифазної мостових.
Під час вивчення вказаних схем випрямлячів рекомендується в конспекті накреслити з дотриманням вимог держаних стандартів ЄСКД кожну схему та зрозуміти її принцип дії та переваги.
Потрібно зрозуміти призначення й типові схеми зглажувальних фільтрів і стабілізаторів напруги. Треба вміти визначати коефіцієнт пульсації випрямленого струму і напруги на виході випрямлячів без фільтрів, а також, користуючись розрахунковими формулами, коефіцієнт згладжування пульсацій кожним фільтром.
Розглянути принцип дії та область застосування керованих випрямлячів на тиристорах. Зрозуміти методи і системи керування застосовуваних керованих випрямлячів.
Для підсилення слабких електричних сигналів до необхідної потужності в електронних пристроях різного призначення широко застосовуються підсилювачі різних типів.
Підсилювачі класифікують, наприклад, за такими ознаками:
І) за місцем вмикання навантаження: з колекторним (анодним, стоковим) та з емітерним (катодним, стоковим навантаженням) навантаженням;
2) за кількістю каскадів: одно- і багатокаскадні;
3) за видом зв’язку між каскадами: з резистивно-ємнісним, з індуктивно-ємнісним, з трансформаторним, з безпосередньо-гальванічним зв’язком тощо;
4) за видом вхідних сигналів: аперіодичні сигнали синусоїдальної і релаксаційної, несинусоїдальної (імпульсної) форм;
5) за діапазоном частот: низько- і високочастотні, ультракороткохвильові, надвисокочастотні та ін.;
6) за призначенням: підсилювачі напруги, струму та потужності;
7) за режимами роботи: підсилення в класах А, В, С, АВІ, АВ2, у ключовому режимі класу Д;
9) за типом активних підсилювачів елементів - транзисторні, лампові, інтегральні, мікромініатюрні та ін.
Важливо знати схеми та розуміти принцип дії однотактних і двотактних каскадів підсилення потужності /транзисторні та лампові варіанти/, розуміти, для чого застосовується вихідний трансформатор і за якою формулою визначається його коефіцієнт трансформації з урахуванням зведеного опору навантаження в первинній обмотці трансформатора. Знати, як розраховується оптимальна величина зведеного навантаження за різними опорами активних елементів.
Користуючись схемами та діаграмами напруг і струмів, які є в усіх навчальних посібниках, треба зрозуміти принцип дії релаксаційних генераторів та інших пристроїв, формуючих електричні імпульси. Треба мати на увазі, що ці функціональні вузли (генератори пилковидної напруги, діодні обмежувачі тощо) широко застосовуються в ЕОМ, АСУ, а також в інших системах та пристроях автоматики.
Важливе значення в ЕОМ та інших автоматичних пристроях дискретної дії мають елементи, що виконують логічні операції: ТАК – логічне повторення; НІ (NOT) – логічне заперечення, або інверсія; АБО (OR) – логічне додавання та АБО-НІ (NOR); І (AND) – логічне множення та І-НІ (NAND), виключне АБО (XOR)/ тощо. Треба ознайомитися з аналогічними функціональними вузлами на інтегральних мікросхемах з диференціальними та інтегруючими колами.
Необхідно навчитись розрізняти схожість і різницю між терморезисторами та фоторезисторами і розуміти можливість широкого їх застосування у контрольно-вимірювальній апаратурі, в системах автоматичного регулювання температури різних об'єктів, освітлення тощо.
Нині в системах візуального зображення різної інформації дедалі більше застосовуються світлодіоди, світлодіоди-фоторезистори та ін. Вони забезпечують безконтактну розв’язку керуючого та силового кола в електронних пристроях.
Запитання й завдання для самоперевірки
1. Які призначення, класифікація та область застосування випрямлячів?
2. Накресліть схеми випрямлячів без фільтра, а також із згладжу-вальними фільтрами: однофазну мостову та двонапівпровідникову з середньою точкою, трифазну мостову.
3. Поясніть принцип дії випрямлячів, використовуючи діаграми струмів і напруг.
4. Наведіть порівнювальну таблицю формул для приблизного розрахунку параметрів різних схем випрямлячів. Укажіть, за якими параметрами вибираються вентилі.
5. Наведіть схему, поясніть принцип дії та область застосування керуючих випрямлячів на тиристорах.
6. Для чого застосовуються згладжувальні фільтри на виході випрямлячів? Накресліть схеми та поясніть процес згладжування пульсацій випрямленого струму і напруг. Наведіть формули для розрахунку коефіцієнтів згладжування пульсацій для кожного фільтра.
7. Покажіть хід зовнішньої характеристики випрямлячів без фільтра та з фазовими фільтрами.
8. Накресліть схему трифазного випрямляча за мостовою схемою, поясніть її перевагу та області застосування.
9. Вкажіть області застосування підсилювачів та ознаки, за якими вони класифікуються.
10. Поясніть подібність між статичними вольт-амперними характеристиками і основними параметрами підсилювачів ламп та польових транзисторів.
11. Зобразіть три схеми вмикання підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах. Поясніть принцип дії та наведіть основні розрахункові параметри цих каскадів.
12. Накресліть схему двохкаскадного транзисторного підсилювача з С-зв’язком між каскадами. Вкажіть на частотній характеристиці смугу пропускання першого каскаду, поясніть, які елементи схеми знижують коефіцієнт підсилення в області нижніх та верхніх частот.
13. Поясніть принцип дії від’ємного зворотного зв’язку та призначення його в підсилювальних пристроях.
14. Що таке коефіцієнт передачі напруги зворотним зв’язком? Яка формула коефіцієнта підсилення підсилювача, охопленого від’ємними зворотними зв'язками?
15. Наведіть типову схему тригера на транзисторі /на інтегральній мікросхемі/, діаграму вхідних та вихідних імпульсів напруги.
16. Накресліть схему і поясніть принцип дії електронного реле із затримкою часу.
17. Поясніть і покажіть схематично принципову відміну фотодіодів від фоторезисторів, світлодіодів від фотодіодів.
18. Наведіть короткі відомості про будову та область застосування світлодіодів та оптронів.
19. Накресліть схему та поясніть принцип дії фотоелектричного світильника, що застосовується на конвеєрі для автоматичного обліку деталей.
20. Накресліть схему фотореле, що застосовується для автоматичного виробничого та вуличного освітлення.
21. Які застосовуються види інтегральних схем? Елементи їхньої конструкції, класифікація й маркування.
Література: 5, с. 19-43, 63-80, 177-215, 129-177, 43-53