Протокол № 2 от 12.10.01 1 страница

Алчевск

УДК 621. 3.01

Методические указания к выполнению лабораторных работ по теоретическим основам электротехники, ч.1 (для студентов электротехнических специальностей)/ Сост.: В.Г. Дрючин, В.С. Песоцкий. – Алчевск: ДГМИ, 2001. – 66 с.

Дан порядок проведения и оформления лабораторных работ по теоретическим основам электротехники. Содержит теоретические вопросы и вопросы контроля знаний.

Составители: В.Г. Дрючин, доц.,

В.С. Песоцкий, доц.

Ответственный за выпуск: В.Г. Дрючин, доц.

Ответственный редактор: В.Г. Дрючин, доц.

УДК 621. 3.01

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з теоретичних основ електротехніки, ч. 1 (для студентів електротехнічних спеціальностей)/ Укл.:
В.Г. Дрючин, В.С. Песоцький. – Алчевськ: ДГМІ, 2001. – 66 с.

Дано порядок проведення й оформлення лабораторних робіт з теоретичних основ електротехніки. Містить теоретичні питання контролю знань.

Укладачі: В.Г. Дрючин, доц.,

В.С. Песоцький, доц.

Відповідальний за випуск: В.Г. Дрючин, доц.

Відповідальний редактор: В.Г. Дрючин, доц.

1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В данной работе приведены методические указания к выполнению лабораторных работ по первой части курса 4 "Теоретические основы электротехники". Лабораторные работы выполняются в лаборатории. ТОЭ на универсальных стендах в течение двух академических часов и тре­буют примерно два часа самостоятельной работы студентов, включая время на подготовку к выполнению и защите.

Целью лабораторных занятий является закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях, и приобретение навыков эксперимен­тального исследования электротехнических схем. Выполнение лабора­торной работы включает:

— домашнюю подготовку;

— проведение эксперимента;

— обработку результатов;

— защиту работы.

Тщательная домашняя подготовка является аналогом успешного выполнения лабораторной работы. Домашняя подготовка осуществляет­ся в соответствии с заданием, приведенным в указаниях к каждой ла­бораторной работе. Бланк отчета с результатами домашней подготовки составляется студентом и является основным документом при допуске к работе.

Работа в лаборатории выполняется бригадами по два или три че­ловека каждая. Бригада получает право приступить к сборке электри­ческой схемы только после сдачи коллоквиума по материалу домашней подготовки. Результаты эксперимента заносятся в заготовленные таб­лицы, схемы разбираются только после того, как полученные резуль­таты будут проверенны и завизированы преподавателем.

Отчет о работе оформляется каждым студентом самостоятельно. Для этого выполняются необходимые расчеты, построения, графики и диаграммы, проводятся анализ полученных экспериментальным путем данных и сопоставление их с расчетными параметрами.

При защите лабораторных отчетов студент обязан знать:

— цель работы и ее наименование;

— порядок выполнения и методику измерений;

— наименование и характеристику используемых элементов электрической цепи;

— теоретический материал по теме работы и расчетные формулы для обработки результатов измерений.

Защита лабораторных работ проводится на специально выделенных для этого занятиях индивидуально каждым студентом. Для подготовки к защите составлены контрольные вопросы, которые приведены в ука­заниях к каждой работе.

2 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

При выполнении лабораторных работ необходимо помнить об опасности поражения электрическим током и соблюдать меры предосторож­ности. Каждый студент, приступающий к занятиям в лаборатории, обя­зан сначала пройти инструктаж, ознакомиться с инструкцией по тех­нике безопасности, имеющейся в лаборатории, расписаться в регист­рационном журнале. Приступая к выполнению лабораторной работы, необходимо помнить и строго соблюдать следующие правила техники безопасности:

— прежде чем приступить к соединению элементов электрической цепи, необходимо убедиться, что выключатели, размещенные на лице­вой панели блока питания стенда, находятся в выключенном состоянии;

— категорически запрещается прикасаться к неизолированным сое­динительным зажимам и другим частям электрической цепи, находящей­ся под напряжением;

— включать выключатели блока питания можно только с разрешения преподавателя после проверки им схем;

— всякие изменения в схеме должны производиться при выключенных выключателях, причем после каждого пересоединения схема обязатель­но проверяется преподавателем;

— особую осторожность следует соблюдать при исследовании цепей с последовательным соединением индуктивностей и емкостей, посколь­ку в таких цепях возможно возникновение резонансных перенапряжений;

— запрещается оставлять без надзора электрическую цепь под на­пряжением;

— прежде чем разбирать электрическую цепь, необходимо убедиться, что все источники питания отключены;

— в случае прекращения подачи электрической энергии или других аварийных ситуациях, исследуемая установка должна быть немедленно отключена от питающей сети, а студенты должны сообщить об этом преподавателю; студент несет персональную ответственность за нару­шение порядка и правил безопасности в лаборатории, а в случае пор­чи приборов и оборудования — материальную ответственность.

3 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Все лабораторные работы выполняются на универсальном стенде (см. рис. Лабораторный стенд)

Основными частями универсального стенда являются блок питания 1, обеспечивающий подачу на исследуемую электрическую цепь перемен­ного и постоянного напряжения (регулируемого и нерегулируемого), приборный блок 2 со съемными измерительными приборами различного назначения, объемные панели 3 с элементами электрической цепи, осциллограф 4, которые установлены на тумбе 5. Для различных раз­делов курса предусмотрено несколько съемных панелей.

Рисунок - Лабораторный стенд

Лабораторная работа 1

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

И ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ

Цель работы - усвоить методику снятия характеристик источни­ков электрической энергии и определения параметров их схем замеще­ния, определение параметров резисторов, построение потенциальной диаграммы.

1 Домашняя подготовка к работе:

1.1 Изучить материал 2, §§1.1-1.6, 1.9 - 1.10 или 2, §§ 1.1-1.4 и усвоить основные понятия и определения: электрическая цепь, электрический ток, электродвижущая сила (э. д. с.), потенциал и напряжение, схема электрической цепи, структурные элементы цепей (узлы, ветви, контуры), виды схем замещения источников энергии, пра­вила построения потенциальной диаграммы цепи и ее смысл.

1.2 Решить задачу (решение привести в бланке отчета). Опре­делить э д.с. Е и внутреннее сопротивление R₀ аккумулятора, если при подключении к нему резистора с сопротивлением R₁ = 5 Ом, напряжение на зажимах аккумулятора U₁ = 10 В, а при подключении резистора R₂ = 11Ом, U₂ = 11 В. Построить внешнюю характеристи­ку U (I) аккумулятора.

При решении задачи использовать уравнение второго закона Кирхгофа для рассматриваемой цепи ,а также закон Ома.

1.3 Познакомиться с решением задачи 1.15 из 5. В блан­ке отчета привести условие задачи, расчет потенциалов и потенци­альную диаграмму.

1.4 Начертить в бланке отчета схемы и заготовки таблиц, при­веденные в разделе 2: "Порядок и выполнение работы".

2. Порядок выполнения работы:

2.1 Снятие внешних характеристик и данных для определения параметров схем замещения источников энергии.

2.1.1 Собрать цепь по схеме на рис. 1.1. В качестве регули­руемого использовать резистор R₁, в качестве прибора РА - мил­лиамперметр магнитоэлектрической системы с пределом 300 мА, в ка­честве прибора PV - вольтметр с пределами 3-30-60-160 В.

2.1.2 Снять зависимость U (I), увеличивая ток от I=0 (SA - разомкнут) до
I =200-250 мА. Результаты измерений записать в графу "1-й источник" табл. 1.1,

Рисунок 1.1

Таблица 1.1 - Данные для построения внешних характеристик и определения параметров источников:

N n/n	I – источник – 0 – 30 V +	II – источник – 0 –6,3 V +	III – источник
	U(B)	I(мА)	U(B)	I(мА)	U(B)	I(мА)

2.1.3. Подключить цепь на рис. 1.1 к источнику " 0 – 6,3V " и проделать то, что в п. 2.12, заполнять графу "2-й источник" табл. 1.1.

2.1.4 Подключить цепь на рис. 1.1 к зажимам "+" и "-" мосто­вого выпрямителя, зажим "~" выпрямителя соединить с зажимами ~ 220 В стенда. Подать напряжение в цепь и проделать такие же измерения, как в п. 2.1.2, заполнить графу "3-й источник" табл. 1.1.

2.2 Измерение сопротивления резисторов:

2.2.1 Цепь на рис. 1.1 подключить к источнику " 0 – 30 V". В качестве R подключить резистор R2. Регулируя источник, установить удобные для отсчета значения напряжения и тока и запи­сать их в графу R2 табл. 1.2.

2.2.2 Проделать то же, что и в п.2.2.1 с резисторами R3,.., R7. Результате измерений записать в табл. 1.2.

2.3 Снятие данных для построения потенциальной диаграммы:

2.3.1 Собрать цепь по схеме на рис. 1.2.

2.3.2 С помощью вольтметра с нулем в середине шкалы измерить потенциалы всех точек, обозначенных на рис. 1.2 относительно точки, указанной преподавателем. Измерения выполнить при замкнутом и при разомкнутом ключе. Результаты записать в табл. 1.3.

Таблица 1.2 - Данные для определения параметров резисторов

	R2	R3	R4	R5	R6	R7
U	В
I	мА
R	Ом

Рисунок 1.2

Таблица 1.3 - Распределение потенциалов в цепи:

	Uа	Uж	Uв	Uк	Uб	Uг	Uд	Uе
I = мА
I = 0

3 Обработка результатов измерений:

3.1 В общих координатных осях U (I) построить внешние харак­теристики источников энергии по данным табл. 1.1.

3.2 По закону Ома вычислить сопротивления резисторов, исполь­зуя данные табл. 1.2. Результаты записать в табл. 1.2.

3.3 Определять э д.с. и внутреннее сопротивление источников энергии. С этой целью использовать уравнение 2-го закона Кирхгофа (п. 1.2), подставив в него два значения напряжения при двух значе­ниях тока из табл. 1.1. Рекомендуется использовать данные при I=0 и при наибольшем токе. Выбранные значения U и I, а также найденные значения Е и R₀ записать в табл. 1.4.

Таблица 1.4 - Параметры источников энергии:

Источник энергии	Измерено	Вычислено
I1	U1	I2	U2	E	R0
мА	В	мА	В	В	Ом
1-й 2-й 3-й

3.4 Построить потенциальные диаграммы цепи на рис. 1.2. Диаг­раммы для замкнутого и разомкнутого положений ключа изобразить в одной и той же системе координат, U(R).

4 Контрольные вопросы и задачи:

4.1 Объясните внешние характеристики источников, снятые экспериментально. От чего зависит их наклон, а также значение U при I = 0?

4.2 Изобразите и обоснуйте семейства характеристик несколь­ких источников с одинаковыми E и различными R₀.

4.3 Изобразите и обоснуйте семейства характеристик U(I) не­скольких источников с различными E и одинаковыми R₀.

4.4 Определите параметры схем замещения типа "источник тока" использованных в работе источников энергии. Значения Е и R₀ взять из табл. 1.4.

4.5 На рис. 1.3 и 1.4 показаны возможные варианты включения при­боров при измерении сопротивления методом амперметра и вольтметра. В каких случаях и в какой схеме погрешность при вычислении R по закону Ома будет меньше, если R определять, как U_V: I_A?

Рисунок 1.3 Рисунок 1.4

4.6 В схемах на рис. 1.3 и 1.4 Rv=10000 Ом, R_А=2 Ом, U=20 B Определить показания приборов в обеих схемах в случаях: R = 10 Ом и R = 1000 Ом. Какими окажутся во всех случаях значения R´, найденные по закону Ома, если в качестве U и I использовать показания PV и PA? Вычислить относительную погрешность по формуле:

и сделать вывод о применении схем на рис. 1.3 и 1.4.

4.7 Скорректируйте значения R в таблице 1.2 с учетом при­меняемой схемы на рис. 1.1 и сопротивления миллиамперметра.

4.8 Для измерения э. д. с. гальванической батареи к ней подклю­чили вольтметр, сопротивление которого R_V = 80 Ом. Каким будет показание вольтметра, если э. д. с. и внутреннее сопротивление батареи E = 4,5 В, R₀ = 10 Ом. Что покажет вольтметр с R_V = 4490 Ом? Сделайте вывод о влиянии сопротивления вольтметра на точность измерения э. д. с.

4.9 Объясните правила построения потенциальной диаграммы. От чего зависит знак и величина наклона участков диаграммы, соответст­вующих пассивным и активным участкам цепи?

4.10 Подтвердите расчетом значения потенциалов, полученные из­мерением (табл. 1.3).

4.11 На рис. 1.5 показана цепь зарядки аккумуляторной батареи U=20 B, E=12,5 B, R=4,8 Ом, R₀=0,2 Ом.

Определите зарядный ток и напряжение на зажимах батареи:

Рисунок 1.5

4.12 На рис. 1.6 изображен участок цепи, где Е₁ = 20 B, I₁ = 2 A, R₁ = 5 Ом,
Е₂ = 30 B, I₂ = 3 A, R₂ = 4 Ом, Е₃ = 16 B, I₃ = 4 A, R₃ = 2 Ом. Вычислить потенциалы указанных на схемах точек и построить потенциальную диаграмму для заданного участка цепи.

Рисунок 1.6

Лабораторная работа 2

СЛОЖНАЯ ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы - опытное изучение распределения тока и напряже­ния в сложной цепи, усвоение расчета цепей методом уравнений Кирх­гофа и методом эквивалентного генератора,

1 Домашняя подготовка:

1.1 Изучить материал 1, §§ 1.7,1.8, 1.25, 1.26 или 2 §§ 1.6, 2.9, 2.10, усвоить формулировки, смысл и запись уравнений Кирхго­фа, правила их составления. Усвоить расчетный метод на основе использования уравнений Кирхгофа, а также расчет цепей методом эквивалентного генератора.

1.2 Заготовить бланк отчета, который должен содержать:

1.2.1 Таблицу 2.1 сопротивлений резисторов.

Таблица 2.1

R2	R3	R4	R5	R6	R7

1.2.2 Схему и таблицы из разд. 2 "Порядок выполнения работы", а также схему рис. 1.1 из лабораторной работы 1.

1.2.3 Систему уравнений Кирхгофа, записанных в общем виде для цепи на
рис. 2.1.

1.2.4 Решение задачи: определить методом эквивалентного ге­нератора ток I в цепи на рис. 2.1, где э. д. с. в вольтах и сопро­тивления в омах указаны на схеме.

Рисунок 2.1

2 Порядок выполнения работы:

2.1 Определение параметров источников.

2.1.1 Собрать цепь по схеме на рис. 1.1 из работы 1.

Использо­вать вольтметр на 50 В и миллиамперметр на 300 мА магнитоэлектри­ческой системы.

2.1.2 Измерить э. д. с. 1-го источника, как показание вольтмет­ра при разомкнутом SA. Регулятор напряжения источника должен быть в положении максимума.

2.1.3 Установить с помощью резистора R₁ ток I в пределах 200-250 мА. Это значение тока и показание вольтметра U исполь­зовать для вычисления внутреннего сопротивления по формуле

2.1.4 Измеренные значения E и вычисленное значение R₀ записать в табл. 2.2.

Таблица 2.2 - Параметры источников энергии:

№ источ.	Обозначение на стенде	Э.д.с. (В)	Внутр. сопр.(Ом)
	« 0 – 30 V»	Е1 =	R01 =
	« 0 –6,3 V»	Е2 =	R02 =
		Е3 =	R03 =

2.1.5 Повторить пп 2.1.2 - 2.1.4 для источника « 0 –6,3 V» и для мостовой схемы выпрямления. На выпрямительную схему подавать напряжение с зажимов
~220 В.

2.2 Опытное изучение законов Кирхгофа.

2.2.1 Собрать цепь но схеме на рис. 2.2.

В качестве РA исполь­зовать магнитоэлектрический прибор на 300 мА. Для измерения напря­жения вольтметр (на схеме не показан) с пределами 3-30-60-150 В с нулем в середине шкалы.

2.2.2 После проверки схемы руководителем занятий подать в цепь напряжение и установить с помощью соответствующих ручек максимальные значения E_I и Е₂. Максимум Е_З обеспечивается подачей на входные зажимы выпрямителя ~ U=220 B.

Резистор R₁ должен быть в положении между МАХ и 0,5МАХ, что определяется по показанию РА при замкнутом SA.

Рисунок 2.2

2.2.3 Измерить и записать в табл. 2.3 напряжения на активных и пассивных участках цепи. Показание РА записать в графу I_вж таблицы 2.4.

Таблица 2.3 - Напряжение на участках цепи (в вольтах)

Uаб	Uбв	Uвг	Uгд	Uде	Uеа	Uдж	Uжа	Uвж	Uав	Uвд

Примечание. Зажим "+" вольтметра всегда должен присоеди­няться к точке, соответствующей первой букве в индексе напряжения. При отклонении стрелки вольтметра вправо напряжение следует счи­тать положительным, влево - отрицательным,

2.2.4 Вычислить и записать в табл. 2.4 токи в ветвях. Токи (кроме I_вж) определить по закону Ома, зная напряжение на резис­торах (табл. 2.3) и их сопротивление (табл. 2.1). Ток I_вж опреде­ляется непосредственным измерением (п. 2.2.3).

Таблица 2.4 - Токи в ветвях цепи на рис.2.2 (в амперах)

Iбв	Iвж	Iвг	Iде	Iдж	Iжд

2.2.5 По данным табл. 2.4 проверить справедливость 1-го зако­на Кирхгофа для трех узлов исследуемой цепи.

2.2.6 По данным табл. 2.3 проверить справедливость 2-го зако­на Кирхгофа для одного из контуров (по указанию преподавателя), за­писанного в форме 1, § 1.7.

Примечание. Вычисления по п.2.2.5 и 2.2.6 привести в отчете.

2.3 Опытная проверка метода эквивалентного генератора.

2.3.1 Вычислить по данным таблиц 2.3 и 2.4 значение R₁.

2.3.2 Измерить напряжение U_вж при холостом ходе, т.е. при разомкнутом ключе SA.

2.3.3 Измерить ток короткого замыкания ветви вж. Для этого нужно замкнуть SA и вывести до нуля сопротивление резистора. Признаком R₁=0 является максимальное значение I_вж.

2.3.4 Вычислить входное (эквивалентное) сопротивление цепи относительно точек вж

2.3.5 Вычислить ток ветви вж по методу эквивалентного гене­ратора

2.3.6 Полученное значение I_вж сравнить с измеренным в п.2.2.3 (табл. 2.4)

2.3.7 Результаты, полученные в пп. 2.2.1-2.2.5, записать в табл. 2.5.

Таблица 2.5 - К методу эквивалентного генератора:

R1	Uвж х.х	Iвж к.з	Rэ	Iвж
Ом	В	мА	Ом	мА

3 Контрольные вопросы в задачи:

3.1 Объясните методику составления уравнений по I-му закону Кирхгофа для пени на рис. 2.2 (правило знаков, число уравнений). Проверьте их справедливость для измеренных значений тока (табл. 2.4).

3.2 Сформулируйте 2-й закон Кирхгофа, записанный в виде [1,§1.7]. Проверьте его справедливость для раз­личных контуров цепи на рис.2.2, используя данные таблиц 2.1, 2.2 и 2.4.

3.3 Сформулируйте 2-й закон Кирхгофа, записанный в виде [1,§1.7]. Проверьте его справедливость для раз­личных контуров цепи на рис. 2.2, используя данные таблицы 2.3.

3.4 Вычислите напряжение между точками а и в, в и д, ж и е двумя способами: пользуясь уравнениями в форме п.3.2 и в форме п.3.3.

3.5 Запишите основную формулу для расчета I_вж методом эквивалентного генератора. Объясните путь (не делая вычислений) определения входящих в нее величин расчетным путем.

3.6 Объясните способ проверки метода эквивалентного генера­тора, примененный в данной работе.

3.7 Метод эквивалентного генератора в литературе иногда называют методом холостого хода и короткого замыкания. Чем это объясняется?

3.8 Не производя вычислений, объясните методику расчета мето­дом эквивалентного генератора тока в любой другой ветви, кроме I_вж, изобразив для этого промежуточные схемы и записав соот­ветствующие уравнения.

3.9 Составить систему уравнений Кирхгофа для цепи на рис. 2.3. Определить токи в ветвях, если E₁=30 B; E₂ =25 B; Е₃=11 В; R₁=5 Ом; R₂=10 Ом; R₃ = 8 Ом.

Рисунок 2.3

3.10 Вычислить ток в одной из ветвей (по указанию преподава­теля) в цепи на рис. 2.3 методом эквивалентного генератора.

3.11 Вычислить ток в резисторе R₁ цепи на рис.2.4 мето­дом эквивалентного генератора E₁ = E₄ = 48 Ом; J = 3 A; R₁ =100 Ом; R₂=4 Ом; R₃ = R₄ = 8 Ом.

3.12 Вычислить ток I в цепи на pис. 2.5 методом эквивалент­ного генератора Е=2 В; J=3 A; R=4 Ом.

Рисунок 2.4 Рисунок 2.5

Лабораторная работа 3

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (ЛЭП)

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы - опытное изучение энергетических показателей двухпроводной ЛЭП в различных режимах ее работы при передаче по ней энергии постоянным током.

1 Домашняя работа:

1.1 Изучить основы теории передачи электроэнергии постоянным током по двухпроводной ЛЭП, пользуясь учебниками 1 §§ 1.27,1.28, 2 § 2.11.

1.2 Решить задачу. Решение задачи и схему замещения рассчиты­ваемой цепи привести в бланке отчета.

Дано: сопротивление обоих проводов двухпроводной ЛЭП R_л = 20 м, напряжение в начале линий U₁ =240 В, сопротивление нагрузки R_н = 22 Ом. Вычислить: мощность, потребляемую нагрузкой P₂, напряжение в конце линии U₂, потерю мощности в проводах линии DP, КПД линии.

1.3 Познакомиться со схемой модели линии электропередачи (рис. 3.1), уяснить для себя назначение всех приборов и элементов схемы, разобрав содержание разд. 2 "Описание модели ЛЭП".

1.4 Начертить в бланке отчета схему модели (рис.3.1), а также таблицы для внесения в них результатов измерения и расчета физичес­ких величин, характеризующих работу ЛЭП (см. разд. 3 "Порядок выпол­нения работы").

2 Схема замещения ЛЭП и соотношения, характеризующие ее рабо­ту. Лабораторная модель ЛЭП.

2.1 Схема замещения ЛЭП показана на рис. 3.1

Рисунок 3.1

На схеме обозначение R_л - суммарное сопротивление проводов линии;