ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«БЕЛГОРОДСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

обучающимся по выполнению практических работ

ОП.03 Электротехника и электроника

специальности: 08.02.06 «Строительство и эксплуатация городских путей сообщения»

Белгород, 2020г

Разработчик: Буланович А.В., преподаватель ОГАПОУ «БСК»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

         Главная цель практических занятий (ПЗ)  – формирование у обучающихся умений, связанных с  основой деятельности будущего рабочего

Деятельность в условиях современного производства требует от квалифицированного рабочего применения самого широкого спектра человеческих способностей, развития неповторимых индивидуальных физических и интеллектуальных качеств, которые формируются в процессе непрерывной практической работы. Навыки, необходимые для будущей профессии, приобретаются в процессе практических занятий. Практические задания к занятиям составлены таким образом, чтобы способствовать развитию творческих способностей обучающихся  и предназначены для формирования умений, навыков, профессиональных компетенций, необходимых для учебной работы, а также для выполнения различных трудовых заданий в учебных мастерских и  производственной деятельности.

Общая структура практических занятий включает:

– вводную часть (объявляется тема занятия, ставятся цель к

занятию, проводится обсуждение готовности обучающихся к выполнению заданий, выдается задание,  обеспечение дидактическими материалами);

– самостоятельную работу (определяются пути выполнения задания,

разбираются основные алгоритмы выполнения задания на конкретном примере, выполняется задание, в конце работы делаются выводы.);

– заключительную часть (анализируются результаты работы по предложенным критериям, выявляются ошибки при выполнении задания и определяются причины их возникновения, проводится рефлексия собственной деятельности).

        ПР защищается, в конце ее выполнения.

При проведении практических занятий используются следующие виды

деятельности обучающихся, формирующие общие и профессиональные компетенции:

– индивидуальная работа по выполнению заданий;

– работа в паре по взаимообучению и взаимопроверке при решении заданий;

– коллективное обсуждение проблем и решение заданий под руководством преподавателя.

Перечень практических работ по дисциплине «Электротехника и электроника» для специальности 08.02.06 «Строительство и эксплуатация городских путей сообщения»

Критерии оценки результата

Практическая работа №1

Тема: «Изучение параметров магнитной цепи, методики расчета неразветвленной магнитной цепи»

Цель: изучение параметров магнитной цепи, методики расчета неразветвленной магнитной цепи.

Краткие теоретические сведения

Магнитная цепь (МЦ) — это устройство из ферромагнитных сердечников с воздушными зазорами или без них, по которым замыкается магнитный поток. Применение ферромагнетиков имеет целью получение наименьшего магнитного сопротивления, при котором требуется наименьшая МДС для получения нужной магнитной индукции или магнитного потока.

Простейшая магнитная цепь — это сердечник кольцевой катушки. Применяются магнитные цепи неразветвленные и разветвленные, отдельные участки которых выполняются из одного или из разных материалов. Расчет магнитной цепи сводится к определению МДС по заданному магнитному потоку, размерам цепи и ее материалам. Для расчета цепь делят на участки l1 , l2 и т. д. с одинаковым сечением по всей длине участка, т. е. с однородным полем, определяют магнитную индукцию В= на каждом из них и по кривым намагничивания находят соответствующие напряженности магнитного поля. Магнитная цепь (MЦ) состоит из двух основных элементов: - источника магнитной энергии; - магнитопровода.

Источник магнитной энергии в реальных МЦ бывает двух видов:

- постоянный магнит; - электромагнит.

Электромагнит представляет собой катушку индуктивности, размещенную на магнитопроводе, и подключенную к источнику напряжения.

Магнитопровод по своей конструкции может быть разветвленным и неразветвленным.

На рис.1. полказана неразветвленная магнитная цепь с электромагнитом.

Основные параметры МЦ:

1. МДС – магнитодвижущая сила (основной параметр источника магнитной энергии):

F = I w (A), где I - ток в обмотке (А), w - число витков обмотки электромагнита.

2. Напряженность магнитного поля на любом участке МЦ.

Н =  = w , (). l ср –длина средней линии магнитопровода (м). l ср проводится на чертеже строго по середине сечения магнитопровода.

3. магнитная индукция: В = µ µ0 Н (Тл), где µ - магнитная проницаемость вещества, из которого изготовлен магнитопровод.

µ0 - магнитная постоянная, µ0 = 4 π ∙10 -7 Гн /м

4. Магнитный поток: Ф = В ∙ S (Вб), где S - площадь поперечного сечения магнитопровода.

4. Задача на расчет магнитной цепи Задача 1. Прямая задача расчета мц

По заданному магнитному потоку в цепи необходимо определить намагничивающую силу (МДС), необходимую для создания этого потока. Решение задачи варианта №32.

Определить число витков w катушки электромагнита, если известны габариты магнитопровода, индукция Вδ в воздушном зазоре, материал магнитопровода и ток I в обмотке электромагнита Толщина провода магнитопровода по всей длине одинакова и составляет 100 мм.

Порядок расчета.

1. Определяем длину средней линии на каждом участке. Учтем, что δ – воздушный зазор

l ср12 = В – –  (м)

l ср23 = A – –  (м)

l ср34 = В – –  (м)

l ср41 = A – – – δ (м)

2. Подставим в формулы значения данных из таблицы и вычислим

l ср12 =                               =мм = (м)

l ср23 =                                = = мм = (м)

l ср34 = =                         мм =             (м)

l ср41 =                               =                         мм = (м)

3. Определяем сечение магнитопровода на каждом участке:

S12 = a ∙ 100 (мм 2)

S23 = b ∙100 (мм 2)

S34 = c ∙100 (мм 2)

S41 = d ∙ 100 (мм 2)

4. Подставим в формулы значения данных и вычислим, при этом учтем:

1 м = 1000мм = 10 3 мм ; 1 м2 = 10 6 мм 2; Отсюда, 1 мм 2 = 10 -6 м2

S12 =                (мм 2) =         (мм 2) =              м2

S23 =                (мм 2) =           (мм 2) =            м2

S34 =                (мм 2) =           (мм 2) = м2

S41 =                 (мм 2) = (мм 2) = м2

5. Определяем основной магнитный поток магнитной цепи.

Подставляя в формулу магнитного потока Ф = Вδ ∙ Sδ (Вб), где Sδ = S41 = (м2), находим: Ф = м2= (Вб)

6. Определяем магнитную индукцию на каждом участке цепи при условии, что основной магнитный поток не изменяется. Подставляя в формулу В12 =

В12 = Ф / S12 (Тл)

В23 = Ф / S23 (Тл)

В34 = Ф / S34 (Тл)

В41 = Ф / S41 (Тл)

В12 =м2 = Тл

В23 =м2 =Тл

В34 =м2 = Тл

В41 =м2 = Тл

7. По кривой намагничивания (3), стр. 328 или из таблицы характеристик намагничивания стали, находим напряженность магнитной цепи для литой стали на каждом участке. Н12, Н23, Н34 , Н41

Н12 = 1,60 А/см = 1,60х 100 = 160 А/м для В12 = 0,214 Тл

Н23 = 2,4 А/ см = 2,4х 100 = 240 А/м для В23 = 0,375 Тл

Н34 = 2,0 А/ см = 2,0 х 100 = 20 А/м для В34 = 0,25 Тл

Н41 = 4,0 А/ см = 4,0 х 100 = 400 А/м для В41 = 0,5 Тл

8. По закону полного тока находим МДС на каждом участке МДС обмотки:

F12 = H12 ∙l12 (А) F12 = А

F23 = H23 ∙ l23 (А) F23 = А

F 34 = Н34 ∙ l34 (А) F 34 = А

F41 = Н41 ∙ l41 (А) F41 = А

9. Определяем число витков катушки электромагнита. w= (вит), где полная МДС равна F ==F12 + F23 + F34 + F41

По формуле вычисляем: F = =  А

10. Найдем число витков катушки (обмотки) w=                  =  витков

Практическая работа №2

Тема: «Определение суммарного магнитного потока цепи»

Цель: по заданной намагничивающей силе (МДС) необходимо определить магнитный поток в магнитопроводе.

Краткие теоретические сведения

Задачи. Определить суммарный магнитный поток цепи, если известны габариты и материал магнитопровода, ток и число витков электромагнита (таб.1).

1.Как в прямой задаче. Порядок расчета. Определяем длину средней линии на каждом участке. Учтем, что δ – воздушный зазор

l ср12 = В – –  (м)

l ср23 = A – –  (м)

l ср34 = В – –  (м)

l ср41 = A – – – δ (м)

Подставим в формулы значения данных из таблицы и вычислим

l ср12 =      =           мм = (м)

l ср23 = =  мм = (м)

l ср34 = = мм = (м)

l ср41 =                                 =             мм =            (м),

2. Как в прямой задаче определяем сечение на каждом участке, при этом учтем:

1 м = 1000мм = 10 3 мм ; 1 м2 = 10 6 мм 2; Отсюда, 1 мм 2 = 10 -6 м2

S12 = a ∙ 100 (мм 2)

S23 = b ∙100 (мм 2)

S34 = c ∙100 (мм 2)

S41 = d ∙ 100 (мм 2)

S12 = мм 2 = м2

S23 = мм 2 = м2

S34 =                                   мм 2 =              м2

S41 = мм 2 = м2

3. Определяем намагничивающую силу (МДС) электромагнита. Fэм = w ∙ I (А) Из результатов прямой задачи и из данных варианта подставляем и найдем МДС электромагнита Fэм =  =  А при токе I = 0,1 А числа витков w =1955

4. Определяем напряженность магнитного поля на каждом участке: Н = , ()

Н 12= F / l ср,12 (А / м)

Н 23= F / l ср,23 (А / м)

Н34 = F / l ср,34 (А / м)

Н41 = F / l ср,41 (А / м)

Н 12= А / м

Н 23= А / м

Н34 = А / м

Н41 = А / м

5. По кривой намагничивания (3), стр. 328 или из таблицы характеристик намагничивания для литой стали находим магнитную индукцию на каждом участке: В12 = 0,8 Тл , В23 = 0,95 Тл, В34 = 0,8 Тл, В41 = 0,95 Тл

6. Определяем магнитный поток на каждом участке.

Ф12 = В12 ∙ S12 (Вб)

Ф23 = В23 ∙ S23 (Вб)

Ф34 = В34 ∙ S34 (Вб)

Ф41 = В41 ∙ S41 (Вб)

Ф12 = Вб

Ф23 = Вб

Ф34 =                              Вб

Ф41 = Вб

4. Определяем магнитный поток всей цепи.

Ф = Ф12 + Ф23 + Ф34 + Ф41. Получаем: Ф = Вб

5. Задания вариантам практической работе «Расчет магнитных цепей»

Практическая работа №3

Управление асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором

 Цель работы: ознакомиться с устройством асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором; изучить методику испытания электродвигателя;

Оборудование: лабораторный стенд, электроизмерительные приборы, материалы

Приборы и инструмент: отвертка, кусачики, тестер.

Основные понятия и определения

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором (рис. 10.1. и 10.2) состоит из следующих основных частей: статор с трехфазной обмоткой, ротор с короткозамкнутой обмоткой и остов. Обмотка ротора выполнена бесконтактной (она не соединена ни с какой внешней цепью), что определяет высокую надежность такого двигателя.

Магнитная система.Асинхронная машина в отличие от машины постоянного тока не имеет явно выраженных полюсов. Такую магнитную систему называютнеявнополюсной. Число полюсов в машине определяется числом катушек в обмотке статора и схемой их соединения. Вчетырехполюсной  машине (рис. 10.3) магнитная система состоит из четырех одинаковых ветвей, по каждой из которых проходит половина магнитного потока Фп одного полюса, в двухполюсной машине таких ветвей две, вшестиполюсной — шесть и т. д. Так как через все элементы магнитной системы проходит переменный магнитный поток, то не только ротор 1, нои статор 2 выполняют из листов электротехнической стали (рис. 10.4), изолированных один от другого изоляционной лаковой пленкой, окалиной и пр. В результате этого уменьшается вредное действие вихревых токов, возникающих в стали статора и ротора при вращении магнитного поля. Листы статора и ротора имеют пазы открытой, полузакрытой или закрытой формы, в которых располагаются проводники соответствующих обмоток. В статоре чаще всего применяют полузакрытые пазы прямоугольной или овальной формы, в машинах большой мощности — открытые пазы прямоугольной формы.

Рис. 10.1. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором: 1 — остов; 2 — статор; 3 — ротор; 4 — стержни обмотки ротора; 5 — подшипниковый щит; 6 — вентиляционные лопатки ротора; 7 — вентилятор; 8 — коробка выводов

Рис. 10.2. Электрическая схема асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (а) и его условное графическое изображение (б): 1 — статор; 2 — ротор

Рис. 10.3. Магнитное поле четырехполюсной асинхронной машины

Рис. 10.4. Листы ротора (а) и статора (б)

Рис. 10.5. Пакет собранного статора (а) и статор с обмоткой (б)

Сердечник статора 1 (рис. 10.5, а) запрессовывают в литой остов 3 и укрепляют стопорными винтами. Сердечник ротора напрессовывают на вал ротора, который вращается в шариковых подшипниках, установленных в двух подшипниковых щитах. Воздушный зазор между статором и ротором имеет минимальный размер, допускаемый с точки зрения точности сборки и механической жесткости конструкции. В двигателях малой и средней мощности воздушный зазор обычно составляет несколько десятых миллиметра. Такой зазор обеспечивает уменьшение магнитного сопротивления магнитной цепи машины, а следовательно, и уменьшение намагничивающего тока, требуемого для создания в двигателе магнитного потока. Снижение намагничивающего тока позволяет повысить коэффициент мощности двигателя.

Обмотка статора. Она выполнена в виде ряда катушек из проволоки круглого или прямоугольного сечения. Проводники, находящиеся в пазах, соединяются, образуя ряд катушек 2 (рис. 10.5,б). Катушки разбивают на одинаковые группы по числу фаз, которые располагают симметрично вдоль окружности статора (рис. 10.6, а) или ротора. В каждой такой группе все катушки электрически соединяются, образуя одну фазу обмотки, т. е. отдельную электрическую цепь. При больших значениях фазного тока или при необходимости переключения отдельных катушек фазы могут иметь несколько параллельных ветвей. Простейшим элементом обмотки является виток (рис. 10.6,б), состоящий из двух проводников 1 и 2, размещенных в пазах, находящихся друг от друга на некотором расстоянии -у. Это расстояние приблизительно равно одному полюсному делению т, под которым понимают длину дуги, соответствующую одному полюсу.

Рис. 10.6. Расположение катушек трехфазной обмотки на статоре асинхронного двигателя (а) и виток из двух проводников (б)

Обычно витки, образованные проводниками, лежащими в одних и тех же пазах, объединяют в одну или две катушки. Иногда их называют секциями. Их укладывают таким образом, что в каждом пазу размещается одна сторона катушки или две стороны — одна над другой. В соответствии с этим различают одно- и двухслойные обмотки. Основным параметром, определяющим распределение обмотки по пазам, является число пазов q на полюс и фазу.

В обмотке статора двухполюсного двигателя (см. рис. 10.6, а) каждая фаза (А-Х; B-Y; C-Z) состоит из трех катушек, стороны которых расположены в трех смежных пазах, т. е. q = 3. Обычно q > 1, такая обмотка называется распределенной.

Наибольшее распространение получили двухслойные распределенные обмотки. Их секции 1 (рис. 10.7, а) укладывают в пазы 2 статора в два слоя. Проводники обмотки статора укрепляют в пазах текстолитовыми клиньями 5 (рис. 10.7,б), которые закладывают у головок зубцов.

Стенки паза покрывают листовым изоляционным материалом 4 (электрокартоном, лакотканью и пр.). Проводники, лежащие в пазах, соединяют друг с другом соответствующим образом с торцовых сторон машины. Соединяющие их провода называют лобовыми частями. Так как лобовые части не принимают участия в индуцировании э. д. с, их выполняют как можно короче.

Отдельные катушки обмотки статора могут соединяться «звездой» или «треугольником». Начала и концы обмоток каждой фазы выводят к шести зажимам двигателя.

Обмотка ротора. Обмотка ротора выполнена в виде беличьей клетки (рис. 10.8,а). Она сделана из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов двумя кольцами (рис. 10.8,б). Стержни этой обмотки вставляют в пазы ротора без какой-либо изоляции, так как напряжение в короткозамкнутой обмотке ротора равно нулю.

Рис. 10.7. Двухслойная обмотка статора асинхронного двигателя: 1 — секция; 2 — паз; 3 — проводник; 4 — изоляционный материал; 5 — клин; 6 — зубец

Рис. 10.8. Короткозамкнутый ротор: а — беличья клетка; б — ротор с беличьей клеткой из стержней; в — ротор с литой беличьей клеткой; 1 — короткозамыкающие кольца; 2— стержни; 3— вал; 4 — сердечник ротора; 5 — вентиляционные лопасти; 6 — стержни литой клетки

Пазы короткозамкнутого ротора обычно выполняют полузакрытыми, а в машинах малой мощности — закрытыми (паз имеет стальной ободок, отделяющий его от воздушного зазора). Такая форма паза позволяет хорошо укрепить проводники обмотки ротора, хотя и несколько увеличивает ее индуктивное сопротивление.

В двигателях мощностью до 100 кВт стержни беличьей клетки обычно получают путем заливки расплавленного алюминия в пазы сердечника ротора (рис. 10.8, в). Вместе со стержнями беличьей клетки отливают и соединяющие их торцовые короткозамыкающие кольца.

Для этой цели пригоден алюминий, так как он обладает малой плотностью, достаточно высокой электропроводностью и легко плавится.

Обычно двигатели имеют вентиляторы, насаженные на вал ротора. Они осуществляют принудительную вентиляцию нагретых частей машины (обмоток и стали статора и ротора), позволяя получить от двигателя большую мощность. В двигателях с короткозамкнутым ротором лопасти вентилятора часто отливают совместно с боковыми кольцами беличьей клетки (см. рис. 256, в).

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором просты по конструкции, надежны в эксплуатации. Их широко применяют для привода металлообрабатывающих станков и других устройств, которые начинают работать без нагрузки. Однако сравнительно малый пусковой момент у этих двигателей и большой пусковой ток не позволяют использовать их для привода таких машин и механизмов, которые должны пускаться в ход сразу под большой нагрузкой (с большим пусковым моментом). К таким машинам относятся грузоподъемные устройства, компрессоры и др.

Двигатели с повышенным пусковым моментом.Короткозамкнутые асинхронные двигатели с повышенным пусковым моментом имеют специальную конструкцию ротора (обозначаются АП). К ним относятся двигатели с двойной беличьей клеткой и двигатели с глубокими пазами.

Ротор 3 (рис. 10.9,а) двигателя с двойной беличьей клеткой имеет две короткозамкнутые обмотки. Наружная клетка 1 является пусковой. Она обладает большим активным и малым реактивным сопротивлениями. Внутренняя клетка 2 является основной обмоткой ротора; она, наоборот, обладает незначительным активным и большим реактивным сопротивлениями. В начальный момент пуска ток проходит, главным образом, по наружной клетке, которая создает значительный вращающий момент. По мере увеличения частоты вращения ток переходит во внутреннюю клетку, и по окончании процесса пуска машина работает как обычный короткозамкнутый двигатель с одной (внутренней) клеткой. Вытеснение тока в наружную клетку в начальный момент пуска объясняется действием, э. д. с. самоиндукции, индуцируемой в проводниках ротора. Чем ниже расположен в пазу проводник, тем большим магнитным потоком рассеяния 6 он охватывается и тем большая э. д. с. самоиндукции в нем индуцируется (рис. 10.9, в), следовательно, тем большее он будет иметь индуктивное сопротивление.

Вытеснение тока в верхние проводники ротора сильно сказывается при неподвижном роторе, когда частота тока, индуцируемого в обеих клетках ротора, велика. При этом индуктивные сопротивления обеих клеток значительно больше активных и ток распределяется между ними обратно пропорционально их индуктивным сопротивлениям, т. е. проходит в основном по наружной клетке с большим активным сопротивлением.

По мере возрастания частоты вращения ротора частота тока в нем будет уменьшаться (вращающееся магнитное поле будут пересекать проводники ротора с меньшей частотой), и ток начнет проходить по обеим клеткам в соответствии с их активными сопротивлениями, т. е., главным образом, через внутреннюю клетку.

Таким образом, процесс пуска двигателя с двойной беличьей клеткой имеет сходство с процессом пуска асинхронного двигателя с фазным ротором, когда в начале пуска в цепь обмотки ротора вводится добавочное активное сопротивление (пусковой реостат), а по мере разгона это сопротивление выводится. Точно так же и в рассматриваемом двигателе ток в начале пуска проходит по наружной клетке с большим активным сопротивлением, а затем по мере разгона постепенно переходит во внутреннюю клетку с малым активным сопротивлением.

Рис. 10.9. Конструкция роторов асинхронных двигателей с повышенным пусковым моментом: с двойной беличьей клеткой (а), с глубокими пазами (б) и разрезы их пазов (в и г)

Для повышения активного сопротивления пусковой клетки стержни ее изготовляют из маргацовистой латуни или бронзы. Стержни рабочей клетки выполняют из меди, обладающей малым удельным сопротивлением, причем площадь поперечного сечения их больше, чем у пусковой клетки. В результате этого активное сопротивление пусковой клетки увеличивается в 4—5 раз по сравнению с рабочей. Между стержнями обеих клеток имеется узкая щель 5, размеры которой определяют индуктивность рабочей клетки. Двухклеточный двигатель на 20—30% дороже короткозамкнутого двигателя обычной конструкции. Для упрощения технологии изготовления ротора двухклеточные двигатели небольшой и средней мощности выполняют с литой алюминиевой клеткой.

Действие двигателей с глубокими пазами (рис. 10.9, б) также основано на использовании явления вытеснения тока. В этих двигателях стержни 4 беличьей клетки выполнены в виде узких медных шин, заложенных в глубокие пазы ротора 3 (высота паза в 10— 12 раз больше его ширины). Нижние слои стержней, расположенные дальше от поверхности ротора, охватываются значительно большим числом магнитных линий потока рассеяния 6, чем верхние (рис. 10.9,г), поэтому они имеют во много раз большую индуктивность. В начале пуска в результате увеличенного индуктивного сопротивления нижних частей стержней ток проходит, главным образом, по их верхним частям. При этом используется только небольшая часть поперечного сечения каждого стержня, что приводит к увеличению его активного сопротивления, а следовательно, и к возрастанию активного сопротивления всей обмотки ротора.

При увеличении частоты вращения ротора вытеснение тока в верхние части стержней уменьшается (по той же причине, что и в двигателе с двойной беличьей клеткой), и после окончания пуска ток равномерно распределяется по площади их поперечного сечения.

Порядок проведения работы

1. В данной работе исследуется асинхронный электродвигатель переменного тока М1 (см. рис. 10.10). При выключенном стенде с помощью измерительных приборов производится замер сопротивлений обмоток статора электродвигателя (тестером) и сопротивлений изоляции измеряется мегометром или при его отсутствии с помощью тестера и сравнивается с требуемыми.

Рис. 10.10.

2. Для проверки параметров работы на холостом ходу смонтировать схему управления двигателем по рис. 10.11.

Рис. 10.11.

3. Проверить правильность монтажа при помощи тестера. После проверки схемы преподавателем запитать стенд от сети и подать в схему напряжение (поочередно включить сетевой выключатель стенда, затем автомат QF1). Проверить работу схемы. Нажатием черной кнопки кнопочного поста SB1 запустить двигатель. Замерить ток двигателя и его скорость. Остановка двигателя производится нажатием красной кнопки поста SB1. Записать показания приборов.

Эти значения должны соответствовать паспортным значениям.

4. Сделать вывод о проделанной работе. Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы.

1. Каков принцип работы двигателя переменного тока.
2. В чем преимущества двигателей переменного тока по сравнению с двигателями постоянного тока.
3. Каково основное отличие характеристик двигателей переменного тока от двигателей постоянного тока.

Практическая работа №4

Определение потери напряжения и мощности в проводах линии электропередачи

        Цель работы: изучить методы определения повреждений в линиях;изучить особенности индукционного метода поиска мест повреждения ;на модели  линии определить характер повреждения.

Приборы и инструмент: тестер, комплект штеккеров, датчик для поиска обрывов .

Основные понятия и определения

При повреждении кабельной линии определяют предварительно зону повреждения, а затем уточняют и выявляют место повреждения, применяя в зависимости от характера повреждения индукционный, акустический, петлевой, емкостный, импульсный методы или метод колебательного разряда (рис. 11.1 и 11.2).

Индукционный метод (см. рис. 11.1,а) применяется при пробое изоляции между двумя или тремя жилами кабеля и малом переходном сопротивлении в месте пробоя. Метод основан на принципе улавливания сигналом на поверхности земли при пропуске по кабелю тока 15—20 А частотой 800—1000 Гц. При прослушивании над кабелем слышно звучание (наиболее сильное — над местом повреждения и резко снижающееся за местом повреждения).

Для поиска применяют прибор типа КИ-2М и др., ламповый генератор 1000 Гц с выходной мощностью 20 ВА (типа ВГ-2) для кабелей длиной до 0,5 км, машинный генератор (типа ГИС-2) 1000 Гц, мощностью 3 кВА (для кабелей длиной до 10 км). Индукционным методом определяют также трассу кабельной линии глубину заложения кабеля и место расположения муфт.

Рис. 11.1.Методы (схемы) определения места повреждения кабельной линии: а — индукционный, б — акустический, в — петлевой, г — емкостный

Рис. 11.2. Изображение на экране прибора ИКЛ места повреждения в кабельной линии: а — при коротком замыкании жил кабеля, б — при обрыве жил кабеля.

Акустический метод (см. рис. 11.1,б) используют для определения непосредственно на трассе места всех видов повреждений кабельной линии при условии создания в этом месте звукового удара, воспринимаемого на поверхности земли при помощи акустического аппарата. Для создания электрического разряда в месте повреждения кабеля должно быть сквозное отверстие, образуемое при прожигании кабеля газотронной установкой, а также достаточное переходное сопротивление для образования искрового разряда. Искровые разряды создаются генератором импульсов, а воспринимаются приемником звуковых колебаний типа АИП-3, АИП-Зм и др.

Петлевой метод (см. рис. 11.1,в) применяется в случаях, когда жила с поврежденной изоляцией не имеет обрыва, одна из неповрежденных жил имеет хорошую изоляцию, а величина переходного сопротивления в месте повреждения не превышает 5 кОм. При необходимости снижения величины переходного сопротивления изоляцию дожигают кенотроном или газотронной установкой. Питание схемы — от аккумулятора, а при больших переходных сопротивлениях — от сухой батареи БАС-60 или БАС-80. Для определения места повреждения на одном конце кабеля соединяют неповрежденную жилу с поврежденной, а на другом конце к этим жилам присоединяют измерительный мост с гальванометром, питаемых аккумулятором или батареей. Уравновешивая мост, определяют место повреждения по формуле

где Lх — расстояние от места измерения до места повреждения, м, L — длина кабельной линии (если линия состоит из кабелей разного сечения, длину приводят к одному сечению, эквивалентному сечению наибольшего отрезка кабеля), м, R1, R2 — сопротивления плеч моста, Ом.

Отклонение стрелки прибора в обратном направлении при перемене концов проводов, присоединяющих прибор к жилам, свидетельствует о том, что повреждение находится в самом начале кабеля со стороны места измерения.

Емкостным методом (см. рис. 11.1,г) определяют расстояния до места повреждения при обрыве жил кабеля в соединительных муфтах. При обрыве одной жилы измеряют ее емкость C1 сначала с одного конца, а затем емкость C2 этой же жилы с другого конца, после чего делят длину кабеля пропорционально полученным емкостям и определяют расстояние до места поврежденияlх, пользуясь формулой

При глухом заземлении поврежденной жилы с одного конца измеряют емкость одного участка и целой жилы , а затем определяют расстояние до места повреждения по формуле

Если емкость С1 оборванной жилы можно замерить только с одного конца, а остальные жилы имеют глухое заземление, то расстояние до места повреждения можно определить по формуле

где Сo — удельная емкость жилы для данного кабеля, принимаемая по таблицам характеристик кабелей.

Для измерения емкостным методом применяют генераторы частотой 1000 Гц и мосты: постоянного тока (только при чистом обрыве жил) и переменного тока (при чистых обрывах жил и при переходных сопротивлениях 5 кОм и выше).

Импульсным методом (см. рис. 11.2) определяют место и характер повреждения. Метод основан на измерении прибором ИКЛ интервала времени tх, мкс, между моментом подачи импульса и приходом его отражения, определяемого из равенства

где n — количество масштабных отметок на экране прибора ИКЛ,

c —цена деления масштабной отметки, равная 2 мкс.

Расстояние lх от начала линии до места повреждения находят, приняв скорость распространения v импульса по кабелю равной 160 м/мкс, по формуле

Метод колебательного разряда применяется для выявления «заплывающих» пробоев изоляции, возникающих в кабельных муфтах вследствие образования в них при испытаниях полостей, играющих роль искровых промежутков. Для определения места пробоя на поврежденную жилу подают напряжение от кенотронной установки, а по показаниям прибора (ЭМКС-58 и др.) определяют расстояние до места пробоя.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с принципиальной электрической схемой лабораторной установки, изображенной на рис. 11.3.

Рис. 11.3 Схема электрической модели кабельной линии

2. По заданию преподавателя собрать заданную схему с повреждением кабеля (на модели повреждение изоляции и кз в линии имитируется перемычкой, содержащей резистор 1-2МОм; при кз линии на землю - перемычкой с резистором 1-2МОм соединяют фазу инейтраль; при кз между линиями - перемычку с резистором 1-2МОм устанавливают между фазами; обрыв в линии имитируется отсутствием перемычки между участками кабеля).

Поиск обрыва в линии

1. По заданию преподавателя собрать схему с обрывом в линии. Предварительно проводится проверка линии на обрыв: для этого все линии на конце кабеля объединяются с нейтралью и затем поочередно прозваниваются омметром (используется тестер). Пример см. рис. 11.4. Для усложнения задачи для учащихся допускается применение перемычек со скрытым разрывом соединительного провода, тем самым визуально нельзя обнаружить место обрыва и учащемуся необходимо проделать всю цепочку измерений для вынесения заключения о месте обрыва..

Рис. 11.4 Схема проверки обрыва линии (стенд отключен)

2. После определения линии, содержащей обрыв, ее вывод на конце кабеля соединяют с нейтралью. Пример см.рис. 11.5.

Рис. 11.5 Схема проверки обрыва линии (стенд включен)

3. Запитать стенд от сети. Подать напряжение на ввод поврежденной линии.
4. С помощью датчика поиска обрывов кабеля произвести поиск места обрыва. Для этого подключить наушники к датчику через соответствующее гнездо. Приблизить датчик к вводу линии на котором присутствует напряжение на расстояние до 5мм – в наушниках будет слышен 50Гц «фон», который существенно ослабляется при приближении к нейтральному проводу и отрезку линии, соединенном с нейтралью. Следуя вдоль линии, но не касаясь ее, определить место, где происходит резкое снижение уровня звука «фона». Это и есть место обрыва.

Проверка сопротивления изоляции и кз в линии.

1. Произвести проверку сопротивления изоляции линии. По заданию преподавателя собрать схему модели для проверки кабельной линии с поврежденной изоляцией (на модели повреждение изоляции и кз в линии имитируется перемычкой, содержащей резистор 1-2МОм). Концы линий соединяют с нейтралью. Пример см. рис. 11.6.

Рис. 11.6. Схема проверки повреждения изоляции и КЗ линии (стенд отключен)

2. Измерить сопротивление изоляции между линиями, линиями и землей (на модели взамен промышленного мегомметра применяется цифровой тестер). Работу проводят при отключенном питании стенда.
3. После обнаружения поврежденной линии стенд подключают к сети и на ее ввод подают напряжение. Пример см. рис. 11.7.

Рис. 11.7 Схема проверки повреждения изоляции и КЗ линии (стенд включен)

4. С помощью датчика поиска обрывов кабеля произвести поиск места повреждения. Для этого подключить наушники к датчику через соответствующее гнездо. Приблизить датчик к вводу линии на котором присутствует напряжение на расстояние до 5мм – в наушниках будет слышен 50Гц «фон», который существенно ослабляется при приближении к нейтральному проводу и отрезку линии, соединенном с нейтралью. Следуя вдоль линии, но не касаясь ее, определить место, где происходит существенное снижение уровня звука «фона». Это и есть место повреждения.

Контрольные вопросы.

1. Какие существуют способы поиска обрывов кабелей.
2. На каком принципе основан индукционный метод поиска обрыва кабеля.
3. Какие существуют виды неисправностей кабельных линий.
4. В чем суть «заплывающего пробоя».

Практическая работа №5

Тема: «Изучение работы электронных генераторов»

Цель работы: изучить работу электронных  генераторов,рассмотрение параметров синусоидального сигнала, параметров импульсного сигнала, определение частоты и скважности импульсов.

Общие сведения

Электронный генератор – это устройство, преобразующее электрическую энергиюисточникапостоянноготокавэнергиюнезатухающихэлектрическихколебаний заданной формы ичастоты.

Генераторы широко используются в электронике: в радиоприемниках и телевизорах, системах связи, компьютерах, промышленных системах управления и устройствах точного измерения времени.

Частота сигнала может изменяться от нескольких герц до многих миллионов герц. Выходное напряжение генератора может быть синусоидальным, прямоугольным или пилообразным в зависимости от типа генератора (рис. 1).

Рис. 1, в. Напряжение пилообразной формы

Когда колебательный контур возбуждается внешним источником постоянного тока, в нем возникают колебания. Эти колебания являются затухающими, поскольку активное сопротивление колебательного контура поглощает энергию тока. Для поддержанияколебанийвколебательномконтурепоглощеннуюэнергиюнеобходим восполнить. Это осуществляется с помощью положительной обратной связи.

Положительная обратная связь - это подача в колебательный контур части выходного сигнала для поддержки колебаний. Сигнал обратной связи должен совпадать по фазе с сигналом в колебательном контуре.

На рис. 2 изображена блок-схема генератора.

Рис. 2. Блок-схема электронного генератора Генератор можно разбить на три части:

• LC -колебательный контур, который обычно является частотозадающей цепью генератора;
• усилитель, увеличивает амплитуду выходного сигнала колебательногоконтура;
• цепь обратной связи, подает необходимое количество энергии в колебательный контур для поддержкиколебаний.

Таким образом, генератор - это схема с положительной обратной связью, которая использует постоянный ток для получения колебаний переменного тока.

Генераторы синусоидальныхколебаний

Генераторысинусоидальныхколебаний-этогенераторы,которыегенерируют напряжение синусоидальной формы. Они классифицируются согласно их часто то задающим компонентам. Тремя основными типами генераторов синусоидальных колебаний являются LC -генераторы, кварцевые генераторы и RC-генераторы.

LC -генераторы используют колебательный контур из конденсатора и катушки индуктивности, соединенных либо параллельно, либо последовательно, параметры которых определяют частоту колебаний.

Кварцевые генераторы подобны LC -генераторам, но обеспечивают более высокую стабильность колебаний.

LC -генераторы и кварцевые генераторы используются в диапазоне радиочастот. Они не подходят для применения на низких частотах. На низких частотах используются RC -генераторы, в которых для задания частоты колебаний используется резистивно-емкостная цепь.

Автогенераторы типа LC применяют в основном на частотах выше 20 кГц, так как для более низких частот конструкция таких колебательных контуров громоздка.

Основными типами LC -генераторов являются генератор Хартли и генератор Колпитца. На рис. 3, а изображен генератор Хартли.

Величина обратной связи в этой схеме зависит от положения отвода катушки L1. Выходной сигнал снимается с катушки связи L2. На рис. 3, б изображен генератор Колпитца. Величина обратной связи в схеме Колпитца определяется отношением емкостей конденсаторов C 1 и C 2 . Генератор Колпитца более стабилен, чем генератор Хартли, и более часто используется.

RC -генераторы применяют для задания синусоидальных колебаний на низких

частотах. Простейшим RC -генератором синусоидальных колебаний является генератор с фазосдвигающей цепью.

Генератор с фазосдвигающей цепью — это обычный усилитель с фазосдвигающей RC -цепью обратной связи (рис. 4).

Переходные процессы вRC -цепях. Вместо колебательного контура в схеме включен резистор RK , а положительная обратная связь осуществляется через фазовращательную цепь, состоящую из трех звеньев RC . Если выход данной схемы соединить непосредственно с входом, обеспечив при этом условия самовозбуждения, то генерируемые колебания не будут синусоидальными. Для того чтобы схема вырабатывала именно синусоидальные колебания, положительная обратная связь должна обеспечиваться только для одной определенной гармоники несинусоидальных колебаний. Эту функцию и выполняет фазовращательная цепь RC.

Рис. 3. Схемы основных типов LC -генераторов: а - генератор Хартли; б - генератор Колпитца

Параметры цепи должны быть выбраны так, чтобы при увеличении коллекторного тока и, следовательно, уменьшении потенциала коллектора потенциал базы (рис. 4) увеличивался. Иными словами, напряжения на коллекторе и на базе должны находиться в противофазе.

Рис. 4. Схема RC - генератора

Для выполнения условия баланса амплитуд коэффициент усиления усилителя должен быть больше ослабления, вносимого фазовращательной цепью RC . Для схемы, приведенной на рис. 4, это ослабление равно 29.

Основное требование, предъявляемое к генератору, — это стабильность частоты и амплитуды его колебаний. Причинами нестабильной работы генераторов являются зависимости емкости и индуктивности от температуры, старение компонентов и изменение требований к нагрузке. Когда требуется высокая стабильность, используются кварцевые генераторы.

Кварц — это материал, который может преобразовывать механическую энергию в электрическую, когда к нему прикладывают давление, и электрическую энергию в механическую, когда к нему прикладывают напряжение. Когда к кристаллу кварца приложено переменное напряжение, кристалл начинает растягиваться и сжиматься, создавая механические колебания, частота которых соответствует часто- те переменного напряжения.

Каждый кристалл кварца обладает собственной частотой колебаний, обусловленной его структурой и размерами. Если частота приложенного переменного напряжения совпадает с собственной частотой, колебания кристалла ярко выражены. Если частота приложенного переменного напряжения отличается от собственной частоты кварца, кристалл колеблется слабо. Собственная частота механических колебаний кристалла кварца практически не зависит от температуры, что делает его идеальным для использования в генераторах. В тех случаях, когда необходимо обеспечить очень высокую стабильность частоты колебаний, применяют термостатирование генератора (кварцевый резонатор помещают в термостат).

Для изготовления кварцевого резонатора на кристаллическую пластинку кварца наносятся металлические электроды, к которым прижимаются пружины для обеспечения электрического контакта. После этого кристалл помещается в металлический корпус.

Рис. 5. Схемы кварцевых генераторов: а — Хартли; б — Колпитца

На рис. 5, а изображена схема кварцевого генератора Хартли с параллель- ной обратной связью. Кварц включен последовательно в цепь обратной связи.

Если частота колебательного контура отклоняется от частоты кварца, импеданс кварца увеличивается, уменьшая величину обратной связи с колебательным контуром.

Это позволяет колебательному контуру вернуться на частоту кварца.

На рис. 5, б изображен генератор Колпитца с кварцем, включенным так же, как и в генераторе Хартли.

Кварц управляет обратной связью с колебательным контуром.

Импульсные генераторы

Генераторы несинусоидальных колебаний применяют для создания периодических электрических сигналов произвольной формы (несинусоидальныхимпульсов), спектр которых не может быть выражен одним слагаемым типа  cos(t   ) .Примерами несинусоидальных колебаний могут служить колебания прямоугольной, пилообразной или треугольной формы (или комбинации этих форм). В основном в качестве генераторов несинусоидальных колебаний используют релаксационные генераторы. Релаксационный генератор запасает энергию в реактивной компоненте за одну фазу цикла колебаний и постепенно отдает ее в течение релаксационной фазы цикла.Релаксационнымигенераторамиявляютсяблокинг-генераторыимультивибратры. На рис. 6 изображена схема блокинг-генератора, названного так потому, что транзистор легко переводится в режим блокирования(запирания).

Рис. 6. Схемы блокинг-генераторов

Если выходное напряжение взять с RC -цепочки в эмиттерной цепи транзистора (рис. 6, б), то оно будет иметь пилообразную форму.

Мультивибратор представляет собой генератор несинусоидальных колебаний, близких по форме к прямоугольным. Такие колебания можно рассматривать как сумму большого числа простых гармонических колебаний (рис. 7). Отсюда и название «мультивибратор», или буквально «генератор множества простых колебаний».

Рис. 7. Графики напряжений на коллекторах симметричного мультивибратора

Мультивибраторы (рис. 8) широко используют в импульсной технике, в ЭВМ и устройствах автоматики в качестве пусковых или переключающих устройств.

Различают три режима работы мультивибраторов: автоколебательный, синхронизации и ждущий.

Рассмотрим симметричный мультивибратор, работающий в режиме автоколебаний (рис. 8).

Рис. 8. Схема симметричного транзисторного мультивибратора

Контрольные вопросы

1. Что такоегенератор?
2. Нарисуйте блок-схемугенератора.
3. В каких случаях используют кварцевыегенераторы?
4. Что такоемультивибратор?
5. Как работает электронныйосциллограф?

Список используемой литературы:

1. Н.Ю. Морозова «Электротехника и электроника».

2.М.В.Немцов, И.И. Светлакова  «Электротехника».

3. http://digteh.ru/Sxemoteh/ShVklTrz/OE/

4.http://www.mtomd.info/archives/2305

5.http://www.electroengineer.ru/2013/03/straight-chains-AC.html

Список рекомендуемой литературы:

1. Ф.Е. Евдокимов «Теоретические основы электротехники».

2.http://scbist.com/zheldor/teplovoz/teplovoz_24.html

3.http://electrono.ru/elektricheskaya-cep-i-ee-osnovnye-zakony/15-peredacha-elektricheskoj-energii-po-provodam