Практикум предназначен для обучающихся по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Задание 1
Сбор информации об электрическом сопротивлении материалов
Используя справочники и Интернет, соберите информацию об электрическом сопротивлении проводящих материалов и заполните прилагаемый бланк по образцу. Перечень материалов определите самостоятельно. При этом их должно быть не менее 15
Образец выполнения задания № 1
Электрическое сопротивление материалов
№
п/п Материал ρ абсолютное
Ом∙м∙〖10〗^(-6)
ρ , %
(относительно серебра) R, Ом
провода
l = 1 км,
S = 1 мм2
1 Серебро 0,015 100 15
2 Цинк 0,059 393 59
3 Висмут 1,2 8000 1200
Бланк выполнения задания № 1
Электрическое сопротивление материалов
№
п/п Материал ρ абсолютное
Ом∙м∙〖10〗^(-6)
ρ , %
(относительно серебра) R, Ом
провода
l = 1 км,
S = 1 мм2
Задание 2
Определение КПД электрического водонагревательного прибора
Рекомендации по выполнению задания № 2
В качестве исследуемого электрического водонагревательного прибора может быть использован электрический чайник или другой аналогичный бытовой прибор.
Коэффициент полезного действия (КПД) энергетической системы – это отношение полезной энергии к израсходованной:
η= Q_(полез.)/Q. (1)
Израсходованная энергия определяется по закону Джоуля – Ленца:
Q= 〖P ∙t=I〗^2∙R∙t= U^2/R ∙t, (2)
где Q – тепловая энергия, выделившаяся при прохождении тока I по проводнику сопротивлением R за время t; U – напряжение.
Мощность электроприбора P, как правило, указана на его корпусе или в документации, однако из-за окисления высокоомных проводников ТЭНа со временем она снижается. Поэтому ее нужно рассчитать через сопротивление.
Сопротивление вы можете узнать двумя способами. Первый заключается в измерении с помощью омметра, если у вас есть такая возможность и соответствующие навыки. Это будет дополнительным плюсом работы.
Второй способ состоит в использовании значения сопротивления, полученного с помощью следующей формулы:
R=20+ ∆R [Ом], (3)
где 20 Ом – общее значение для всех, ∆R – добавка, численно равная порядковому номеру первой буквы вашей фамилии (если номер двузначный, то учитывается только вторая цифра). Например, если ваша фамилия начинается на «Д», то
R = 20 + 5 = 25 Ом.
Ток вам неизвестен, зато известно напряжение – 220 В. Для расчета энергии нужно еще знать время. Его вы должны определить экспериментально. Для этого в чайник или его аналог нужно налить фиксированное количество воды (желательно близкое к максимальному) и довести до кипения. После этого нужно вылить кипяток, снова налить холодную воду и повторить опыт. Это повторение нужно из-за того, что при первом нагреве энергия расходуется на нагрев корпуса чайника, а при втором потерь такого рода практически нет. В результате вы получите величину затраченной энергии.
Полезную энергию можно рассчитать, зная массу воды m и ∆t – разность между температурой кипения и начальной температурой воды. Температура кипения, как известно, составляет 100 °C. Температуру водопроводной воды можно измерить комнатным термометром.
Как вам известно, 1 калория – это количество энергии, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 градус. Оно равно 4,1868 Дж. Таким образом, полезная энергия может быть найдена по формуле:
Q_(полез.)= m ∙ ∆t∙ 4,1868 [Дж]. (4)
Отношение данной величины к ранее полученному значению израсходованной энергии и будет, согласно выражению (1), искомым значением КПД.
.Результаты работы вы должны представить в виде таблицы.
∆R R Q Qполез. КПД
Образец выполнения задания № 2
Определение затраченной энергии.
Измеренное значение сопротивления 40 Ом. Время нагрева воды составило 10 минут, то есть 600 секунд. Тогда для сети 220 В
Q = 〖220〗^2/40∙600= 726 кДж.
Определение полезной энергии.
В чайнике был 1 л воды, то есть 1000 г. Исходная температура воды составляла 20 °С. Тогда ∆t = 80 °С. Полезная энергия составит:
Q_(полез.)= 1000 ∙ 80∙4,1868 = 324.944 кДж.
КПД=45 %
∆R R Q Qполез. КПД
— 40 Ом 726 кДж 324,944 кДж 45 %
Задание 3
Проектирование грузоподъемного механизма
Требуется спроектировать грузоподъемный механизм в виде асинхронного электродвигателя с редуктором, вращающего барабан, на который наматывается трос.
Исходными данными являются:
максимальная масса груза m [кг];
максимальное время подъема t [с];
высота подъема h [м].
Исходные данные берутся из таблицы согласно первой букве вашей фамилии.
Первая буква фамилии Масса груза, кг Время подъема, с Высота подъема, м
А – Г 100 15 20
Д – З 200 25 15
И – Л 500 30 12
М – П 400 20 10
Р – У 250 15 15
Ф – Ш 350 12 12
Щ – Я 600 20 25
Рекомендации по выполнению задания № 3
Нужно определить характеристики двигателя (мощность, скорость вращения) и коэффициент передачи редуктора. Затем требуется выбрать конкретный тип электродвигателя.
или напишите нам прямо сейчас
Определяем энергию, необходимую для подъема груза на требуемую высоту:
E=mgh, [Дж].
Определяем мощность грузоподъемного механизма (потерями можно пренебречь):
P= E⁄t , [Вт].
Выберем кинематическую схему.
Выберем диаметр барабана d.
Учитывая, что конструкцией предусмотрен редуктор, диаметр барабана может быть взят произвольно. Однако его минимальное значение желательно взять не менее 100 мм, поскольку при меньшем диаметре трос будет сильно изгибаться и повреждаться, а очень большой диаметр проблематичен с точки зрения практической реализации.
Для начала можно взять значение 100 мм, которое впоследствии может быть скорректировано.
Определение скорости вращения барабана.
Сначала определим скорость подъема груза:
v= h⁄(t ), [м/с].
Разделив линейную скорость подъема на длину окружности барабана, получим требуемую скорость вращения барабана nбар:
nбар= v⁄(l ), [об-1],
где l= 2πd – длина окружности барабана.
Выбор двигателя и редуктора.
Поскольку редуктор выбирается после двигателя, можно использовать электродвигатель с любой номинальной скоростью вращения nном, обладающий мощностью не меньше требуемой. Однако следует иметь в виду, что высокооборотные двигатели (около 3000 об/мин) имеют малый крутящий момент, а низкооборотные (менее 1000 об/мин) обладают большими габаритами и стоят дороже. Поэтому используем электродвигатель с номинальной скоростью вращения nном = 1500 об/мин (значение выбрано округленно, без учета скольжения).
Сравнив скорости вращения барабана и двигателя, получим передаточное число редуктора k. При этом учтем, что 1500 об/мин соответствует 25 об/сек.
k= n_ном⁄n_бар
Результаты расчетов представьте в виде таблицы.
Результаты расчетов
Мощность двигателя Скорость вращения двигателя Коэф. передачи редуктора
Образец выполнения задания № 3
Исходные данные:
масса груза m = 700 кг;
высота подъема h = 20 м;
время подъема t = 30 с.
Определяем энергию, необходимую для подъема груза на требуемую высоту:
E=mgh = 700∙9,8∙20=137 200 Дж.
Определяем мощность грузоподъемного механизма
P= E⁄t = 137 200/30 = 4573 Вт.
Выбираем кинематическую схему.
Диаметр барабана примем равным 100 мм = 0,1 м.
Скорость подъема груза составит:
v= h⁄(t )= 2⁄3 м/с.
Длина окружности барабана l диаметром 0,1 м составит 0,314 м.
Требуемая скорость вращения барабана nбар составит:
nбар= v⁄(l ) = 2/(3∙0,314) = 2,123 об-1.
Выбор двигателя и редуктора.
Используем двигатель с номинальной скоростью вращения 25 об/с (1500 об/мин). Тогда коэффициент передачи редуктора составит:
k= n_ном⁄n_бар = 25⁄(2,123) = 11,7,
что вполне реализуемо.
Результаты расчетов приведены в таблице.
Мощность двигателя Скорость вращения двигателя Коэф. передачи редуктора
4573 Вт 1500 об/мин 11,7
В Интернете находим подходящий двигатель – АИР-112 м4 мощностью 5,5 кВт.
Задание 4
Написать эссе на заданную тему
Рекомендации по выполнению задания № 4
Слово «эссе» означает небольшое сочинение в произвольной форме, выражающее мнение автора по конкретному вопросу. Тему работы нужно выбрать из таблицы в соответствии с первой буквой вашей фамилии.
По объему эссе должно составлять 2-3 страницы.
Первая буква
фамилии Тема эссе Тема
учебника
А, Б, В Перспективы развития топливно-энергетического комплекса России 1
Г, Д, Е Наиболее экономичные двигатели внутреннего сгорания 2
Ж, З, И Малогабаритные электрогенераторы 3
К, Л, М Сверхпроводники и их применение 3
Н, О, П Источники автономного питания 4
Р, С, Т Моя энергетическая система 6
У, Ф, Х Керамические нагревательные элементы 9
Ц, Ч, Ш Электродвигатели городского электротранспорта 10
Щ, Э Электрооборудование медицинских учреждений 11
Ю, Я Аппаратура аудио- и видеозаписи 16
Образец выполнения задания № 4
Тенденции развития городского электротранспорта
Актуальность рассматриваемой проблемы вытекает из следующих факторов. Во-первых, имеется тенденция роста темпа жизни в современном мире, и поэтому в ближайшем и далеком будущем скорость передвижения будет иметь постоянно возрастающее значение. Во-вторых, человечество очень быстро приучается к комфорту, который предполагает развитие логистики в населенных пунктах и, следовательно, развитие транспорта. В-третьих, современные подходы к решению транспортных проблем значительно ухудшают экологическое состояние крупных городов. Так, например, в Китае практически все мегаполисы имеют крайне загрязненный воздух. Следовательно, необходимо искать новые пути развития городского транспорта. Если, например, весь городской транспорт перевести на использование в качестве топлива водорода, не дающего абсолютно никаких вредных выбросов, экологическая обстановка существенно улучшится.
В настоящее время городской общественный транспорт представлен автобусами, троллейбусами, трамваями, метро, электричками. Также на улицах городов имеется большое количество грузовых автомобилей с бензиновыми и дизельными двигателями, личных легковых автомобилей, а также маломощных транспортных средств: мотоциклов, скутеров, велосипедов.
Из перечисленных транспортных средств экологические проблемы создают автобусы, грузовики и личный транспорт с двигателями внутреннего сгорания. Поэтому первое направление работы при решении подобных задач – замена по возможности транспорта с бензиновыми и дизельными двигателями на электротранспорт.
Второе направление – адаптация электротранспорта к задачам грузоперевозок. Третье направление – внедрение в обиход электромобилей и другого электротранспорта. И, наконец, четвертое направление – развитие культуры велосипедных поездок и строительство соответствующей инфраструктуры.
Грузовые троллейбусы уже существуют, но их применение ограничено зоной охвата контактной сети, оперативное развитие которой в обозримом будущем представляется маловероятным. Более целесообразным будет развитие электротранспорта с аккумуляторами и ионисторами, то есть не привязанного к контактной сети. Существующие технологии производства литиевых аккумуляторов уже достаточно развиты, и в скорейшем времени ожидается прорыв в этой области на основе нанотехнологий. Решение только этой задачи уже внесет заметный вклад в улучшение экологической ситуации.
Авторитет легкового электротранспорта несколько пострадал после неудачи с «Ё-мобилем», однако после выхода электромобиля «Тесла Модель-S» с запасом хода 400 км и другими столь же привлекательными техническими характеристиками снова на высоте. Основной недостаток этого чуда техники – цена около 100 000 долларов, однако уже в следующем году ожидается ее снижение до 35 000 долларов, а это многим покажется привлекательным. К тому времени получит развитие сеть зарядных станций для электротранспорта.
Представляющие легкий электротранспорт мотоциклы, скутеры, электровелосипеды уже популярны в Европе и Азии. Несомненно, у них большое будущее и в нашей стране. А обычные велосипеды у нас популярны давно. Проблема заключается в том, что необходимо развивать сети велодорожек, веломастерских, прокатных пунктов, а также формировать велосипедную культуру.
Существующие электрички, трамваи и троллейбусы, а также метрополитен во многом устарели и нуждаются в принципиальном обновлении. Прежде всего это касается моторов. С развитием электроники появилась альтернатива ненадежным коллекторным двигателям в виде асинхронных с частотно-регулируемым приводом. Также должны быть внедрены новые композитные материалы для корпусов, как это уже происходит в авиастроении. И, конечно же, система управления всеми этими транспортными средствами должна быть высокоавтоматизированной.
Список используемой литературы
Бойчук В. С. Электрооборудование энергетических систем : учебное пособие / В. С. Бойчук, А. В. Куксин. — Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. — 268 с. : ил. — URL: https://znanium.com/catalog/product/1836498 (дата обращения: 14.09.2021). — Режим доступа: Электронно-библиотечная система «ZNANIUM.COM». — ISBN 978-5-9729-0761-8.
Быстрицкий Г. Ф. Общая энергетика : энергетическое оборудование : справочник для академического бакалавриата. Ч. 2 / Г. Ф. Быстрицкий, Э. А. Киреева. — 2-е изд., испр. и доп. ; гриф УМО. — Москва : Юрайт, 2019. — 370, [1] с. — (Бакалавр. Академический курс). — Библиогр.: с. 368-371. — ISBN 978-5-534-03276-5(ч.2). — ISBN 978-5-534-03277-2 : 902-73.
Куксин А. В. Электроснабжение промышленных предприятий : учеб. пособие / А. В. Куксин. — Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. — 156 с. — URL: https://znanium.com/catalog/product/1836544 (дата обращения: 23.10.2023). — Режим доступа: Электронно-библиотечная система «ZNANIUM.COM». — ISBN 978-5-9729-0524-9.
Электроэнергетические системы и сети : учеб. пособие / О. М. Ларин, В. И. Бирюлин, А. Н. Горлов [и др.]. — 3-е изд. — Москва : ИНФРА-М, 2019. — 130 с. : ил. — URL: https://new.znanium.com/catalog/product/1058860 (дата обращения: 27.12.2019) . — Режим доступа: Электронно-библиотечная система «ZNANIUM.COM». — ISBN 978-5-16-108184-6.
или напишите нам прямо сейчас
