Учебник для 11 класса

ФИЗИКА

§ 3.13. Примеры решения задач

Задачи на материал данной главы имеют электротехническое содержание. Они подробно рассматриваются в курсах электротехники. Мы ограничимся рассмотрением нескольких простых задач, для решения которых необходимо знать формулу (3.2.2), выражающую зависимость между частотой ЭДС, наводимой в генераторе, частотой вращения ротора и числом пар полюсов в нем; формулу (3.3.10) коэффициента трансформации трансформатора и формулу (3.3.15) КПД трансформатора. Надо хорошо разбираться в схемах выпрямления переменного тока.

Следует знать способы соединения обмоток в генераторе трехфазного тока, а также способы соединения потребителей энергии при их включении в цепь трехфазного тока. Необходимо усвоить соотношения между линейным и фазным напряжением при соединении обмоток генератора трехфазного тока звездой и треугольником [формулы (3.6.5) и (3.6.6)] и соотношения между линейными и фазными токами при включении потребителей трехфазного тока звездой и треугольником [формулы (3.7.1) и (3.7.4)]; формулу (3.7.6) мощности трехфазного тока. Надо уметь строить векторные диаграммы.

Задача 1

Первичная обмотка трансформатора находится под напряжением U₁ = 220 В, сила тока в ней I₁ = 0,55 А. Вторичная обмотка питает лампу накаливания. Напряжение на зажимах лампы U₂ = 12 В, а сила тока I₂ = 3,6 А. Коэффициент полезного действия трансформатора равен η = 0,65. Найдите сдвиг фаз φ₁ между колебаниями силы тока и напряжения в первичной обмотке трансформатора.

Решение. Мощность, потребляемая первичной обмоткой трансформатора,

Мощность, отдаваемая трансформатором лампе (полезная мощность), равна:

Коэффициент полезного действия

Здесь cos φ₂, так как лампа обладает только активным сопротивлением. Следовательно,

Отсюда φ₁ = 56,7°.

Задача 2

На какие пробивные напряжения должны быть рассчитаны конденсатор С и диод D, если выпрямитель (рис. 3.39) может работать как под нагрузкой, так и без нее?

Рис. 3.39

Решение. В течение полупериода, когда лампа оказывается включенной в прямом направлении, конденсатор заряжается до амплитудного напряжения городской сети, равного 127√2 В = 180 В. Когда диод заперт (не проводит ток), он находится под напряжением сети (с амплитудой 180 В) и напряжением заряженного конденсатора (тоже равного 180 В). Изменение потенциала вдоль цепи в этот момент времени изображено на рисунке 3.40.

Рис. 3.40

Если выпрямитель работает без нагрузки, то конденсатор должен рассчитываться на пробивное напряжение, не меньшее 180 В, а диод — на напряжение, не меньшее 360 В.

Задача 3

Фазное напряжение генератора трехфазного тока U_ф = 125 В. Потребитель энергии включен звездой. Все его фазы обладают активными сопротивлениями: R_A = R_B = 2,5 Ом, R_C = 25 Ом. Определите силу тока в нейтральном проводе.

Решение. Согласно закону Ома

Силу тока в нулевом проводе найдем графическим методом.

На рисунке 3.41, а построены векторы фазных напряжений и фазных сил токов (векторы фазных сил токов и векторы соответствуюш;их фазных напряжений совпадают по направлению, так как нагрузка каждой фазы активная).

Рис. 3.41

Складывая векторы сил фазных токов (рис. 3.41, б), получим силу тока в нейтральном проводе I_O = 5 А. Сила тока в нулевом проводе отстает по фазе от напряжения U_A на угол φ = 60°.

Задача 4

К трехфазной сети трехфазного тока (рис. 3.42) с напряжением U_л = 120 В присоединены потребители энергии, имеющие сопротивления R_AB = 10 Ом, R_BC = R_CA = 20 Ом. Определите, под каким напряжением будут находиться потребители при перегорании предохранителя в проводе В.

Рис. 3.42

Решение. При перегорании предохранителя потребители АВ и ВС окажутся соединенными последовательно и включенными на линейное напряжение U_л = 120 В. Силы токов I_AB и I_BC равны:

Напряжения на зажимах потребителей:

Задача 5

Двухпроводная линия электропередачи может работать при двух различных напряжениях генератора U₁ и U₂ и противлениях нагрузки R₁ и R₂. Отношение потерь мощности на подводящих проводах для этих случаев равно α. Определите отношение напряжений U₁/U₂ при условии, что мощность, отдаваемая генератором, в обоих случаях одинакова.

Решение. Сопротивление подводящих проводов R_пр в обоих случаях одно и то же. Мощность, теряемая в проводах,

где I — сила тока в цепи. Отношение потерь мощности:

или

Полная мощность, отдаваемая генератором, равна:

По условию задачи в обоих случаях генератор отдает одну и ту же мощность:

Отсюда

Подставляя выражение для отнопхения сопротивлений (3.13.2) в уравнение (3.13.1) получим:

Следовательно,

Упражнение 3

1. С какой частотой должен вращаться ротор генератора, чтобы частота вырабатываемого переменного тока была 50 Гц, если число пар полюсов равно 3; 4; 6; 10? С какой частотой вращаются роторы генераторов на Волжской ГЭС, если число пар полюсов в этих генераторах равно 44?

2. Чтобы узнать, сколько витков содержат первичная и вторичная обмотки трансформатора, не вскрывая катушек, поверх вторичной обмотки намотали 60 витков провода. После включения первичной обмотки в сеть с напряжением 124 В* при помощи вольтметра обнаружили, что на концах обмотки с 60 витками имеется напряжение 16 В, а на концах вторичной обмотки — напряжение 40 В. Сколько витков содержится в первичной обмотке и сколько во вторичной?

3. Вторичная обмотка трансформатора, имеющая N₂ = 100 витков, пронизывается магнитным потоком, изменяющимся со временем по закону Ф = 0,01 cos 314t (в единицах СИ). Определите зависимость ЭДС индукции во вторичной обмотке от времени и найдите действующее значение этой ЭДС.

4. От середины катушки с железным сердечником (обмотка — толстый медный провод с большим числом витков) сделан отвод С (рис. 3.43). Один раз между точками Б и С включен источник постоянного напряжения U₁. Другой раз к этим точкам приложено переменное напряжение с амплитудой U₁. Найдите напряжение U₂ между точками А и В в первом случае и амплитуду переменного напряжения U'₀ между точками А и В во втором случае.

Рис. 3.43

5. Первичная обмотка понижающего трансформатора с коэффициентом трансформации К = 10 включена в сеть переменного тока с напряжением U₁ = 220 В. Сопротивление вторичной обмотки r =1,2 Ом. Сила тока во вторичной цепи I₂ = 5 А. Определите сопротивление R нагрузки трансформатора и напряжение U₂ на зажимах вторичной обмотки. Потерями в первичной цепи пренебречь.

6. Обмотка лабораторного регулировочного автотрансформатора (ЛАТР) намотана на железном сердечнике, имеющем форму прямоугольного тороида (рис. 3.44).

Рис. 3.44

Для защиты от вихревых токов (токов Фуко) сердечник набирают из тонких железных пластин, изолированных друг от друга слоем лака. Это можно сделать различными способами: 1) набирая сердечник из тонких колец, положенных стопкой одно на другое; 2) свертывая в рулон длинную ленту, имеющую ширину h; 3) собирая сердечник из прямоугольных пластин размером l х h (см. рис. 3.44). Какой способ лучше?

7. Амплитудные значения ЭДС в каждой из обмоток генератора трехфазного тока равны 310 В. Каковы мгновенные значения каждой ЭДС в момент, когда фаза первой ЭДС равна π/б?

8. В генераторе трехфазного тока в каждой фазной обмотке статора индуцируется ЭДС с амплитудным значением, равным 5400 В. Обмотки генератора соединены звездой. Определите действующие значения фазного и линейного напряжений.

9. В паспорте двигателя трехфазного тока в числе прочих сведений написано: «Δ/ 220/380*. Что означает эта запись? Как надо соединить обмотки этого двигателя при включении его в сеть с линейным напряжением 220 В; 380 В? Как будет работать двигатель, если в каждом из этих случаев осуществить (по ошибке) не то соединение?

10. На щитках генераторов, трансформаторов, двигателей трехфазного тока клеммы шести выводных проводов трехфазных обмоток располагаются в порядке, указанном на рисунке 3.45. Буквами А и X, В и У, С и Z обозначены начала и концы соответственно 1, 2 и 3-й фазных обмоток. Какие удобства при переключении с треугольника на звезду и обратно дает такое расположение клемм на щитке? Покажите на рисунках соединения звездой и треугольником.

Рис. 3.45

11. Почему при пуске асинхронного трехфазного электродвигателя иногда его включают в сеть трехфазного тока сначала на звезду, а когда двигатель наберет достаточное число оборотов, его переключают на треугольник? Нарисуйте схему такого переключения.

12. Магнитное поле с индукцией вращается в плоскости чертежа с угловой скоростью ω. В этом поле находится рамка, стороны которой равны а и b. Активное сопротивление рамки R. Нормаль к плоскости рамки вращается в плоскости чертежа с угловой скоростью Ω. (рис. 3.46). Найдите силу тока, индуцированного в рамке.

Рис. 3.46

13. Найдите момент сил, приложенных к рамке (см. задачу 12).

14. В трехфазном трансформаторе число витков на фазу первичной обмотки N₁ = 2080, вторичной — N₂ = 80. Первичное линейное напряжение U₁ = 3300 В. Определите вторичные линейные напряжения, коэффициенты трансформации фазных и линейных напряжений при следующих соединениях обмоток: а) /; б) /Δ; в) Δ/; г) Δ/Δ.

15. По двухпроводной линии от электростанции к потребителю необходимо передать электрическую мощность Р = 66 кВт. Один раз эта мощность была передана при напряжении 2200 В, другой раз — при напряжении 22 000 В. Сопротивление линии R = 4 Ом. Определите, сколько процентов составляет мощность, теряемая в проводах ЛЭП, от переданной мощности в обоих случаях.

16. Найдите мощность, теряемую в проводах, идущих от станции к потребителю, при следующих данных: передаваемая мощность Р = 100 кВт, напряжение на станции U = 220 В, сопротивление проводов R = 0,05 Ом, сдвиг фаз мегкду током и напряжением φ = 30°.

17. При передаче электроэнергии на большое расстояние используется повышающий трансформатор, нагруженный до номинальной мощности Р = 1000 кВт. При этом ежесуточная потеря энергии на линии электропередачи составляет ΔW_п = 215 кВт • ч. Во сколько раз необходимо повысить выходное напряжение, чтобы при передаче электроэнергии потери не превышали 0,1%?

18. На первичную обмотку трансформатора подается напряжение 3600 В. Вторичная обмотка питает потребителя мощностью 25 кВт при напряжении 220 В и cos φ = 1. Определите сопротивление подводящих проводов, если коэффициент трансформации равен 15.

19. Какова мощность гидроэлектростанции, если плотина поднимает уровень воды на 100 м и расход воды составляет 540 м^/с³ КПД станции 94%.

* Здесь и далее даются действующие значения напряжения и силы тока.