Теоретичні основи електротехніки

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

Вінницький державний технічний університет

Теоретичні основи електротехніки

Лабораторний практикум

Частина І

Вінниця 2002

УДК 621.3

Теоретичні основи електротехніки. Лабораторний практикум. Частина І. Навч. посібник (С.Б. Корж А.М. Піскунічев, В.В.Нетребський - Вінниця: ВДТУ, 2001 – 71 с. Укр. мовою)

В посібнику розглянуті усталені режими роботи лінійних електричних кіл постійного та змінного струму та методичні вказівки для їх практичного закріплення шляхом проведення лабораторних робіт , що відносяться до першої частини курсу теоретичних основ електротехніки.

Розрахований на студентів електротехнічних спеіальностей всіх форм навчання.

Іл. Табл. Бібліогр. 8

Рецензенти: П.Д. Лежнюк д.т.н., проф.

Л.Р. Пауткіна к.т.н., доц.

Дані методичні вказівки розроблені на основі програми курсу теоретичних основ електротехніки.

В першу частину ввійшли лабораторні роботи №1–10 по дослідженню лінійних електричних кіл постійного і деяких кіл змінного струму.

В описі робіт вказана ціль роботи, приведені короткі теоретичні положення та література, схеми кіл, а також порядок виконання робіт і обробки результатів вимірювання.

В підготовці опису і постановці лабораторних робіт приймали участь всі викладачі кафедри теоретичних основ електротехніки.

Правила виконання лабораторних робіт з теоретичних основ електротехніки

1.                До виконання кожної лабораторної роботи студенти повинні готуватися заздалегідь. В процесі підготовки необхідно ознайомитись з описом лабораторної роботи, обладнанням лабораторного стенду, вивчити теоретичний матеріал і методику проведення вимірювань.

Під час підготовки до майбутньої лабораторної роботи кожен студент повинен скласти бланк-протокол, де в тій же послідовності, що в описі до лабораторної роботи, вказати ціль роботи, короткі положення з теорії і розрахункові формули, необхідні при обробці результатів дослідження, а також порядок виконання роботи, включно схеми кіл і таблиці.

2.                Виконання лабораторних робіт дозволяється студентам, які пройшли співбесіду на допуск до роботи або програмований контроль підготовленості.

Лабораторні роботи виконуються бригадами по 2-3 студента кожна.

3.                Виконуючи роботу, студенти самостійно виконують монтаж кіл за схемами, приведеними у вказівках. Після збирання кола студенти повинні показати його викладачу або лаборанту для контролю правильності монтажу.

Вмикати коло під напругу до перевірки її викладачем або лаборантом забороняється!

4.                Результати вимірювань заносяться в таблиці бланків-протоколів спочатку олівцем, а після перевірки їх правильності- чорнилом.

Студенти повинні самостійно контролювати вірність вимірювань та усунути помилки при їх наявності.

Закінчивши вимірювання на одному з досліджувальних кіл, до того як його розібрати, студенти повинні показати результати вимірювань викладачу.

5.                На прикінці роботи результати вимірювань подаються викладачеві на підпис, після чого з дозволу викладача проводиться демонтаж останнього з досліджувальних кіл.

Закінчивши роботу, студенти наводять порядок на робочому місті і повертають лаборанту прилади.

6.                До слідуючої лабораторної роботи кожен студент зобов’язаний оформити звіт про попередню лабораторну роботу.

Звіт виконується на основі розрахунків, експериментальні дані яких обробляються відповідно з описом до лабораторної роботи. Студенти, які не підготували звіт по виконаній роботі раніше або не підготовлені до виконання наступної, до роботи не допускаються.

ПРАВИЛА техніки безпеки виконання лабораторних робіт в лабораторіях кафедри теоритичних основ електротехніки

1. До проведення лабораторних робіт допускаються тільки студенти, що знають правила техніки безпеки. Інструктаж з техніки безпеки проводить викладач на першому лабораторному занятті.

2. Під час монтажу схем використовують ізольовані провідники. Використовувати неізольований провід ЗАБОРОНЯЄТЬСЯ!

3. Студенту КАТЕГОРИЧНО ЗАБОРОНЯЄТЬСЯ вмикати схему без її перевірки лаборантом або викладачем.

4. Усунення помічених в робочій схемі несправностей, а також всі перез’єднання, необхідні під час роботи, проводяться тільки при вимкненій напрузі.

5. Якщо в схемі є конденсатори, тоді їх обов’язково необхідно розрядити.

6. Під час роботи не можна доторкатись до оголених частин електричних схем.

7. Запобіжники, які перегоріли, замінює лаборант.

8. При з’єднанні схеми з джерелом електричної енергії студент, виконуючий вмикання, повинен про це попередити всіх членів бригади словом “вмикаю!”.

ОПИС ЛАБОРАТОРНОГО ОБЛАДНАННЯ

Лабораторний стенд постійного струму являє собою універсальну установку, яка живиться від двох акумуляторів.

На стенді в центрі змонтовані вихідні полюси акумуляторних джерел Е1 і Е2 з внутрішніми опорами r01 i r02, гнізда клем для підключення провідників, опорів r1-r5 та приладів.

Висувні блоки зліва і справа від центральної частини в лабораторних роботах частини 1 зазвичай не використовуються.

Зовнішній вигляд цього стенду подано на малюнку. На стенді постійного струму виконуються роботи №1-5.

Лабораторний стенд змінного струму виготовлений, як універсальна установка типу ЛЕС-4 з висувними блоками.

В центральній частині стенду змонтоване трифазне навантаження, кожна фаза якого складається з п’яти ламп розжарювання , ввімкнених паралельно. Число ламп в кожній фазі можна змінювати за допомогою перемикачів.

Висувні блоки знаходяться зліва і справа від центральної частини. Зверху розташований блок конденсаторів та блок трифазного трансформатора 220/12В; знизу-блок резисторів і блок з діодами.

До кожного стенду додаються котушки індуктивності, реостат, автотрансформатор, вимірювальні прилади, а також інші прилади, необхідні для виконання лабораторних робіт.

Стенд живиться електричною енергією від трифазної мережі з лінійною напругою 220В, фази якої А, В, С з нулевим провідником виведені на лицьову панель стенду і знаходяться праворуч від центральної частини. Крім того, на лицьову панель стенду виведено також однофазну напругу 220 і 127В.

Живлення стенду постійним струмом передбачено від випрямляча, вмонтованого в блоці з діодами.

Стенд під напругу вмикається пакетним перемикачем “Мережа”, розташованим зліва від центральної частини стенду.

На стенді змінного струму виконуються роботи №6-21.

Лабораторна робота №1

ЗАКОНИ ОМА І КІРХГОФА. ПОТЕНЦІАЛЬНА ДІАГРАМА

Мета роботи: експерементально перевірити закони Ома і Кірхгофа та побудувати потенціальні діаграми замкнених контурів електричних кіл.

Теоретичні положення

Електромагнітні процеси в електричних колах описуються за допомогою понять про струм, напругу (або різницю потенціалів), ЕРС і підкоряються законам Ома і Кірхгофа. Такий опис є приблизним і потребує експерементальної перевірки.

Закон Ома встановлює зв’язок між напругою і струмом нерозгалуженої ділянки кола.

Закон Ома для ділянки кола (мал.1.1.), запишеться як

де  ― напруга на ділянці

― алгебраїчна сума ЕРС ділянки;

 ― арифметична сума опору в ділянці.

Для окремих ділянок аb, ас, df чи інших, показаних на мал.1.1, закон Ома записується аналогічно:

для ділянки аb ;

для ділянки ас ;

для ділянки df ;

Перший закон Кіргхофа стверджує, що алгебраїчна сума струмів в вітках, що сходяться в вузлі кола, рівна нулю. Для вузла кола показаного на мал.1.2. цей закон запишеться так:

.

В загальному випадку перший закон Кірхгофа записують в вигляді ,

де ― знак алгебраїчної суми,

m ― число віток, що підходять до вузла.

Другий закон Кірхгофа стверджує, що алгебраїчна сума напруг на всіх ділянках замкненого контуру рівна нулю.

Для контуру кола (мал.1.3) другий закон Кірхгофа записується так:

.

Якщо врахувати, що  то цей закон запишеться в іншій знайомій формі –

.

В загальному випадку другий закон Кірхгофа записують у вигляді

,або

 

і складають по всіх ділянках замкненого контуру, або складають зліва по числу ЕРС, а справа – по числу пасивних ділянок контуру.

Потенціальна діаграма показує, як змінюється потенціал впродовж кола, і є графічною ілюстрацією другого закону Кірхгофа. На ній по осі ординат відкладаються потенціали точок контура, а по осі абсцис – опори.

Порядок виконання роботи

1. Зібрати коло згідно мал.1.5.

2. При вимкненому вимикачі Р3 і ввімкнених вимикачах Р1 і Р2 виміряти струм та напругу. Прийнявши потенціал однієї з точок кола (по розпорядженню викладача) рівним нулю, виміряти потенціал інших точок.

Результати вимірювань занести в табл.1.1.

3. При ввімкнених вимикачах Р1, Р2 і Р3 виміряти струми в

вітках і напруги на ділянках кола.

Результати вимірювань занести в табл.1.2.

4. Визначити значення опорів r1-r5 за результатами дослідів в п.п.2,3, або виміряти їх омметром.

5. Виміряти ЕРС джерел Е1 та Е2 за схемою (мал.1.6).

6. Для кожного джерела зібрати коло (мал.1.7), взявши за значення опору rn одне з значень опорів r1-r5, що близьке до внутрішнього опору джерела r0.

За результатами вимірювань визначити внутрішній опір джерел Е1 та Е2.

Результати вимірювань та обчислень занести в табл.1.3.

де U1 та I1 беруться з табл 1.3, для R02 відповідно.

Обробка результатів дослідження

1. За відомими з досліду (п.2) значенням потенціалів всіх точок, обчислити падіння напруги на ділянках кола, записати їх в таблицю1.1 і порівняти зі значеннями, отриманими з досліду (п.2).

2. За відомими з досліджень (п.п.4,5) опорами і по отриманим в досліді (п.2) значенням напруг обчислити:

2.1 струм на ділянках кола, що мають ЕРС;

2.2 струм на ділянках кола без ЕРС;

2.3 потенціали всіх точок в колі.

Порівнюючи результати дослідів і розрахунків, переконатись в справедливості закону Ома для ділянки кола, що не має ЕРС, для ділянки кола з ЕРС і для всього кола.

3. За даними досліду (п.2) побудувати потенціальну діаграму.

4. За отриманими в досліді (п.3) даними перевірити справедливість першого і другого законів Кірхгофа для досліджуваного кола.

5. Зробити висновки по роботі.

Література:

[ 1, c.46; 2, c.14; 3, c.17; 4, c.141; 5, c.49 ].

Лабораторна робота №2

ПЕРЕТВОРЕННЯ ЛІНІЙНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ

Мета роботи: вивчити та експерементально перевірити основні методи перетворення пасивних лінійних електричних кіл.

Теоретичні положення

При розрахунках електричних кіл широко застосовують метод еквівалентних перетворень, який полягає в тому, що окремі ділянки кола замінюють іншими, більш простими з точки зору розрахунку. Якщо струми та напруги в іншій частині кола при цьому не зміняться, то перетворення називають еквівалентним.

Правила еквівалентних перетворень походять від законів електричних кіл.

Послідовне з’єднання опорів показано на мал.2.1.

За законом Ома для кожної ділянки кола (мал.2.1) знаходимо:

U1=r1I1, U2=r2I2, U3=r3I3.

За другим законом Кірхгофа: U=U1+U2+U3, тому з урахуванням закону Ома отримаємо:

,

де rекв.– еквівалентний опір, рівний сумі послідовно з’єднаних опорів.

Паралельне з’єднання опорів показане на мал.2.2.

Струм в вітках кола мал.2.2. знаходять за законом Ома:

де g1, g2 i g3 – провідності віток.

За першим законом Кірхгофа І=І1+І2+І3, тому з урахуванням закону Ома отримаємо:

де gекв. – еквівалентна провідність, рівна сумі провідностей паралельно з’єднаних віток.

Еквівалентний опір – величина, протилежна еквівалентній провідності :

Змішане з’єднання опорів показано на мал.2.3.

Змішане з’єднання отримують шляхом послідовного і паралельного з’єднань.

При змішаному з’єднанні спо-чатку перетворюють послідовно з’єднані ділянки, потім – паралельні, знову послідовні і т.д.

В колі на мал.2.3. спочатку знаходимо r34=r3+r4, потім

.

Еквівалентний опір кола (див. мал.2.3.) – rекв=r1+rаb.

Струм на вході кола і струми в вітках знаходять за законом Ома:

З’єднання опорів “трикутником” та “зіркою” показані на мал. 2.4 і 2.5 відповідно.

Умови еквівалентності з’єднань “зіркою” та “трикутником” можна отримати слідуючим чином. Обірвемо провідники в вітках на мал.2.4 і 2.5 в точці 1. Умова еквівалентності, отриманих після розриву з’єднань, запишеться в вигляді:

.

Відповідно обриваючи провідники в т.2 та 3, отримаємо ще дві умови еквівалентності:

Розв’язавши отриманні рівняння відносно опорів r1,r2 і r3, отримаємо формули переходу від з’єднання “трикутником ” до еквівалентного “зіркою”:

.

Порядок виконання роботи

1.                Зібрати почергово коло згідно мал.2.6 та 2.7.

2.                Виконати вимірювання величин, а результати вимірювань занести в табл.2.1.

3. Зібрати коло згідно мал.2.8.

4. Вмикаючи почергово джерело живлення до затискачів cd i ef, виміряти струм та напругу на вході, а результати вимірювань занести в табл.2.2.

5.                Виміряти величини опорів r1-r5, та значення ЕРС.

Обробка результатів досліду

1. За даними вимірювань п.2 обчислити значення кожного опору та еквівалентний опір обох кіл відносно полюсів джерела енергії. Отриманні результати занести в табл.2.1.

2. За даними вимірювань п.5 обчислити еквівалентний опір rекв для кіл на мал.2.6 та 2.7, занести їх в табл.2.1 і порівняти з виміряними.

3. Розрахувати струми в схемах на мал.2.6. та 2.7, вважаючи відомими опори приймачів та напругу джерела живлення. Отриманні струми порівняти з виміряними.

4. За виміряними в п.4 значеннями струму та напруги обчислити еквівалентні опори кола (див. мал.2.8) відносно клем cd, ef. Результати обчислень занести в табл.2.2.

5. Зробити висновки по роботі.

Література:

[ 1, c.99; 2, c.39; 3, c.50; 4, c.207; 5, c.84

Лабораторна робота №3

МЕТОД КОНТУРНИХ СТРУМІВ ТА МЕТОД ВУЗЛОВИХ ПОТЕНЦІАЛІВ

Мета роботи: опанувати та експериментально перевірити методи контурних струмів та вузлових потенціалів

Теоретичні положення

Методи контурних струмів та вузлових потенціалів спрощують розрахунок складних електричних кіл.

Методи контурних струмів застосовують для розрахунку кіл, в яких число незклежних контурів менше числа незалежних вузлів.

В основі методу контурних струмів лежить припущення, що в кожному незалежному контурі циркулює контурний струм, а струми в кожній вітці визначаються алгебраїчною сумою контурних стрімів, протікаючих по цій вітці. Введення поняття про контурний струм дозволяє при розрахунку кіл складати рівняння тільки за другим законом Кірхгофа. При виборі в колі (мал.3.1) в якості незалежних контурів простих контурів система рівнянь відносно контурних струмів Ј1, Ј2, Ј3 запишеться так: 

Страницы: 1, 2, 3