Главная Общая биология Основы электротехники для техникумов

Основы электротехники для техникумов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Т. Ф. ГОРБАЧЕВА»

А. М. Носов

в качестве электронного издания для использования в учебном процессе

Кемерово 2012

Рецензенты:

Матвеев В. Н., проф. кафедры электроснабжения горных и промышленных предприятий

Богомолов А. Р., проф., председатель УМК направления подготовки 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника»

Носов Анатолий Михайлович. Электротехника и электроника: методические указания по выполнению лабораторных работ [Электронный ресурс]: для студентов направления подготовки 140100.62 «Теплоэнергетика и теплотехника», профиль «Промышленная теплоэнергетика», всех форм обучения / А. М. Носов. – Электрон. дан. – Кемерово: КузГТУ, 2012.

– Систем. требования: Pentium IV; ОЗУ 8 Мб; Windows 95; (CD-ROM-

дисковод); мышь. - Загл. с экрана.

В работе предлагается студенту самостоятельно рассмотреть и решить вопросы подготовки к выполнению, оформлению и защите лабораторных работ по электрическим цепям, машинам и электронике. Даны краткие теоретические положения, облегчающие подготовку к занятиям, методические указания по выполнению и оформлению отчетов к лабораторным работам, ссылки на литературу с указанием страниц и контрольные вопросы к зачету.

Введение

Выполнение, оформление и защита лабораторных работ являются составной частью изучения курса электротехники, способствующей более глубокому и правильному пониманию студентом процессов и явлений, протекающих в электрической цепи (электротехническом устройстве), изученных на лекциях и практическихзанятиях.

Лабораторные работы выполняются по каждому разделу курса электротехники.

Прежде чем приступить к выполнению лабораторных работ необходимо:

- уяснить цель и задачи работы;

- изучить теоретический материал, соответствующий данной работе, по учебнику и конспекту лекций;

- подготовить протокол для выполнения лабораторной работы, в котором указать фамилию, группу, название лабораторной работы, цель, электрические схемы, таблицы, а также переписать контрольные вопросы.

Оформление протокола (расположение схем, таблиц, графиков и векторных диаграмм, а также масштабы изображаемых величин) задается преподавателем, ведущим лабораторные занятия.

Основные правила техники безопасности

На первом занятии в лаборатории электротехники студенты под руководством преподавателя проходят обязательный инструктаж по технике безопасности и правилам поведения в лабораториях кафедры общей электротехники. После чего расписываются в журнале. Основные правила техники безопасности следующие.

- касаться неизолированных частей электрической цепи при включенном источнике;

- использовать проводники, имеющие поврежденную изо-

- оставлять без надзора стенд с включенным напряжением;

Выполнять какие-либо переключения в цепи при вклю-

- перед подачей напряжения на стенд проверять положение рукоятки регулятора напряжения (она должна быть в исходном состоянии – когда указатель на нуле);

- пределы измерения приборов выбирать в соответствии с ожидаемыми максимальными значениями величин;

- подавать напряжение на стенд и разбирать схему электрической цепи только после разрешения преподавателя.

Описание универсального лабораторного стенда для выполнения лабораторных работ по электрическим и магнитным цепям.

Все лабораторные работы по электрическим цепям выполняются на универсальном стенде. Он содержит следующие многопредельные измерительные приборы: три вольтметра, шесть амперметров и один ваттметр.

На стенд подается переменное нерегулируемое напряжение 220 В и регулируемое – от 0 до 220 В. При подаче напряжения на стенд загорается лампа сигнализации. Для защиты от токов короткого замыкания и перегрузок применяется ручной автоматический пускатель с максимально-токовой и тепловой защитой, с помощью которого подается напряжение в линии

Стенд имеет два независимых источника переменной ЭДС, получаемых при помощи разделительных трансформаторов ТР-1 и ТР-2 и регулируемых трансформаторов ЛАТР-1 и ЛАТР-2.

Включение питания на первичные обмотки разделительных трансформаторов ТР-1 и ТР-2 осуществляется выключателями (тумблерами) Т3 и Т4. В качестве нагрузки используются:

- активные сопротивления r 1 , r 2 , r 3 (ползунковые реостаты

с номинальным сопротивлением 100 Ом, каждый из которых может быть регулируемым);

- переменная емкость C (изменение емкости достигается путем подключения к зажимам различного количества конденсаторов по 4 мкФ каждый);

- катушка переменной индуктивности с параметрами r k и

L k (изменение индуктивности осуществляется за счет изменения

зазора в магнитопроводе).

Соединения элементов стенда выполнены таким образом, что все токоведущие части скрыты, студенты работают не с самими элементами электрической цепи, а с их изображениями (схемой) и прикоснуться случайно к токоведущим частям не могут.

Выполнение лабораторной работы

Измерение электрических величин выполняется при помощи измерительных приборов визуального наблюдения. Для измерения тока используется амперметр, который включается в исследуемую ветвь последовательно. Для измерения напряжения используется вольтметр, включаемый параллельно участку, на котором измеряется напряжение. Для измерения мощности электрической цепи используется ваттметр, который имеет две катушки. Токовая катушка включается в цепь последовательно, а катушка напряжения – параллельно. Начала обмоток обозначаются (*) для того, чтобы присоединить их в одну точку, – тогда измеренная мощность приемника будет положительной. Все приборы описываемого стенда класса точности 0,5.

Шкалы приборов зеркального типа, чтобы угол зрения при

измерении был равен 90o . При измерении считывание информации об измеряемой величине делается тогда, когда стрелка прибора совпадает со своим изображением в зеркале шкалы. Часто при измерениях электрических величин стрелка прибора останавливается не на целом делении, а между делениями. Поэтому при измерениях следует руководствоваться следующими правилами – если стрелка остановилась ближе к началу деления, то дробная часть деления отбрасывается, если ближе к концу, то дробная часть прибавляется и измеряемая величина округляется до целого деления.

Все приборы стенда многопредельные, поэтому цену деления прибора определяют делением номинального значения шкалы прибора на установленном пределе измерения на число делений шкалы. Например, предел амперметра 2,5 A, шкала прибора 100 делений, при этом цена деления составляет 0,025 A/дел. Чтобы получить значение измеренного тока, необходимо умножить число делений на цену деления. Цена деления шкалы ваттметра определяется умножением предела по напряжению на предел по

току и делением на число делений шкалы. Например, предел по напряжению 150 В, по току – 5 А, шкала имеет 150 делений. Цена деления при этом составит 5 Вт.

Каждая работа выполняется бригадой из 3–4 студентов за одним стендом. Студенты должны ознакомиться со стендом, приборами и иметь представление об электрической цепи, которую они будут исследовать. После этого собирается электрическая цепь по схеме, приведенной в методических указаниях.

Прежде чем подключить стенд к электрической сети необходимо проверить исходное состояние источников регулируемого напряжения (должны быть полностью выведены) и приемников (реостаты полностью введены). После проверки правильности сборки электрической цепи преподаватель дает разрешение на включение стенда. По окончании работы стенд отключается, опытные данные проверяются преподавателем, только после проверки опытных данных преподавателем электрическая цепь разбирается.

Оформление отчета о проделанной работе

Отчет о проделанной работе составляется каждым студентом индивидуально и должен содержать:

- цель работы, которую студент должен достичь, выполняя измерения электрических величин;

- схемы электрических цепей, исследуемых в работе, выполненные в соответствии с требованиями ЕСКД группы Т52;

- таблицы с измерениями и расчетными данными;

- графики исследуемых функций и векторные диаграммы;

- основные выводы, полученные в результате анализа;

- титульный лист с указанием номера или наименования лабораторной работы, фамилии и инициалов студента, номера группы.

Порядок проведения защиты

Перед защитой лабораторной работы студент должен сдать отчет для проверки преподавателю, и после проверки преподавателем правильности выполнения расчетов и оформления результатов анализа, он может защищать проделанную работу.

Защита лабораторной работы производится с помощью упражнений с использованием или без использования ТСО. В процессе защиты студент должен:

- раскрыть своё понимание сущности проводимых измерений и опытов, а также ожидаемые и полученные в результате измерений значения электрических величин;

- объяснить порядок построения характеристик и векторных диаграмм;

- уметь анализировать состояние объекта исследования при изменении параметров.

Перечень контрольных вопросов приведен в конце описания каждой лабораторной работы. Он охватывает ту часть материала теоретического курса, которая непосредственно относится

к данной работе.

Ответы на контрольные вопросы желательно давать, используя при подготовке к защите рекомендуемую литературу. Список рекомендуемой литературы с указанием номеров разделов и страниц приведен в конце описания каждой работы.

Лабораторная работа № 1

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы

Выработка умения анализировать электрическое состояние простых цепей постоянного тока, правильного использования законов Ома и Кирхгофа.

Основные теоретические положения

Электрическая цепь представляет собой систему, в которой электрическая энергия, полученная от источника, (обычно источник ЭДС) преобразуется в другой вид и используется приемником (приемниками). Электрическая цепь, содержащая только один источник , называется простой . Приемников в простой электрической цепи может быть несколько. Для передачи электрической энергии от источника приемнику используются со-

единительные провода. Приемники могут быть соединены друг с другом последовательно, параллельно и смешанно . При последо-

вательном соединении по всем элементам протекает один ток , поэтому сопротивление участка с последовательным соединением элементов можно заменить одним – эквивалентным равным сумме всех элементов. Условие эквивалентности такой замены заключается в том, что при этом состояние других элементов , которые не подвергались замене , не должно измениться (токи, напряжения, мощности не должны измениться).

При параллельном соединении нескольких элементов (ветвей) ко всем элементам (ветвям) приложено одно и то же на-

пряжение.

Эквивалентное сопротивление при параллельном соединении нескольких приемников (например, для двух), определяется по формуле:

		R 1 R 2

		R + R

Соединение, содержащее участки последовательного и параллельного включения элементов, называется смешанным. При смешанном соединении, например, трех элементов (R 1 со-

единено последовательно с параллельным участком, R 2 и R 3 , рис. 1.1) эквивалентное сопротивление определяется по формуле:


R = R +	R 2 R 3	(1.2)

В качестве основных законов, на базе которых разработаны методы исследования электрических цепей, используются закон Ома и первый и второй законы Кирхгофа.

Закон Ома для простейшей цепи, содержащей источник ЭДС (ток неразветвленного участка на зажимах электрической цепи) описывается следующей формулой:

где r 0 – внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Закон Ома для участка цепи, содержащего последователь-

но соединенные сопротивления R 2 и R 3 запишется следующим образом:

I 23 =

	R э.23

Токи в ветвях разветвляющегося участка для электрической цепи, эквивалентное сопротивление которой определяется по формуле (1.2, рис. 1.1), определяются по формулам:

И I

где I 1 – ток на зажимах электрической цепи, а R 2 и R 3 сопротив-

ления смежных ветвей разветвляющегося участка.

Первый закон Кирхгофа – алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю:

∑ I k = 0. (1.6)

k = 3

При этом токи, подтекающие к узлу цепи, записываются с одним знаком (обычно "плюс"). Токи, утекающие от узла, с противоположным знаком (обычно "минус").

Рис. 1.2. Варианты условного изображения узла электрической цепи

Развернутая формула первого закона Кирхгофа для узла по рис. 1.2. запишется следующим образом:

I 1 + I 2 = I 3 + I 4 + I 5 или I 1 + I 2 − I 3 − I 4 − I 5 = 0. (1.7)

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма ЭДС вдоль контура электрической цепи равняется алгебраической сумме падений напряжений на участках этого контура:

∑ E k = ∑ U x (1.8)

k = 1

Например, для контура E 2 , R 2 , R 3 , R 1 , E 1 , R 4 по рис. 1.3

уравнение электрического состояния запишется в виде:

I 1 R 1 − I 3 R 3 + I 2 R 2 + I 4 R 4 = E 1 − E 2.

Если произведение тока на сопротивление (падение напряжения) и ЭДС совпадают с направлением обхода контура, то записываются в уравнении со знаком плюс, если не совпадают – то со знаком минус.

Домашнее задание

Изучить закон Ома и законы Кирхгофа, а также распределение напряжений и токов в электрических цепях с последовательным, параллельным и смешанным соединением приемников в зависимости от величины их сопротивлений. Запишите формулы, определяющие эквивалентные сопротивления для данных схем.

Порядок выполнения работы 1. Последовательное соединение приемников 1.1. Соберите цепь по схеме рис. 1.4

1.2. Введите полностью реостаты R 1 и R 2 . Установите с по-

мощью автотрансформатора ЛАТР- 1 заданное напряжение. При неизменном сопротивлении R 1 уменьшите сопротивление R 2 так,

чтобы ток изменился в заданных пределах. Запишите показания приборов в табл. 1.1. Для каждого опыта вычислите значения со-