Файл: Общая электротехника и электроника учебнометодический комплекс.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра электротехники и электромеханики

ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
Информационные ресурсы дисциплины
Методические указания к выполнению

лабораторных работ

Институт автомобильного транспорта
Специальности:

190601.65 - автомобили и автомобильное хозяйство

190701.65 - организация перевозок и управление на транспорте

190702.65 - организация и безопасность движения на транспорте (автомобильный транспорт)
Институт системного анализа, автоматики и управления

Специальности:

220301.65 – автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям)

220201.65 – управление и информатика в технических системах

Направления подготовки бакалавров

220100.62 – системный анализ и управление

190500.62 – эксплуатация наземного транспорта и транспортного оборудования

220200.62– автоматизация и управление
зСанкт-Петербург

Издательство СЗТУ

2011

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 621.3 (07)
Общая электротехника и электроника: учебно-методический комплекс (информационные ресурсы дисциплины: методические указания к выполнению лабораторных работ) / сост. А.Л. Виноградов.– СПб.: Изд-во СЗТУ, 2011. – 150 с.
Методические указания к выполнению лабораторных работ составлены в соответствии с государственными образовательными стандартами высшего профессионального образования.

Методические указания к выполнению лабораторных работ являются составной частью раздела «Информационные ресурсы дисциплины» учебно-методического комплекса и содержат описание лабораторных работ, порядок их выполнения и требования к оформлению отчета.

Рассмотрено на заседании кафедры электротехники и электромеханики 7 февраля 2011 года, одобрено методическим советом энергетического института 22 февраля 2011 года.

Рецензенты: Ю.В. Куклев, канд. техн. наук, доц. кафедры электротехники и электромеханики СЗТУ; В.Н. Костин, канд. техн. наук, проф. кафедры электроснабжения СЗТУ.
Составитель А.Л. Виноградов, канд. техн. наук, доц.
© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2011

© Виноградов А.Л., 2011

I. Лабораторные работы на основе физических моделей
ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ
Целью лабораторного практикума является получение навыков при экспериментальных исследованиях электрических и электронных цепей, правильное использование электроизмерительных приборов и развитие умения анализировать полученные результаты.

В указаниях к лабораторным работам приводятся цель работы, программа работы, кратко излагаются основные теоретические положения о предмете исследования, приводится описание лабораторной установки, указывается порядок выполнения экспериментов и требования к содержанию отчета.

Каждая работа может быть выполнена на физических макетах в лаборатории кафедры электротехники и электромеханики, а также в виде виртуальных лабораторных работ на компьютере, которые реализованы с помощью программы Multisim. При этом методические указания к физическим лабораторным работам можно использовать при выполнении виртуальных лабораторных работ. Для студентов, обучающихся с элементами ДОТ, рекомендуется выполнить лабораторные работы, на основе расчетно-графических заданий с элементами виртуальных работ
Охрана труда и техника безопасности
Организация безопасной работы студентов при выполнении лабораторных работ на кафедре электротехники и электромеханики производится в соответствии с требованиями правил устройства электроустановок.

Перед началом работ проводится инструктаж по технике безопасности. В процессе выполнения лабораторной работы при обнаружении неисправностей в лабораторной установке следует немедленно прекратить работу, отключить установку и сообщить об этом преподавателю. Закончив экспериментальные исследования, необходимо отключить напряжение питания установки и привести рабочее место в порядок.
Рекомендации по выполнению лабораторных работ

и оформлению отчета
При выполнении лабораторных работ группа студентов делится на бригады из одного – трех человек. Каждая бригада записывает результаты эксперимента в тетради – черновике общей для бригады. Все вычисления и построения графиков нужно выполнять в лаборатории. После окончания очередной работы результаты измерений и вычислений должны быть проверены и подписаны преподавателем, ведущим занятия.

Экспериментальные исследования могут быть успешно выполнены при условии предварительной подготовки к каждой лабораторной работе.
Краткие сведения о применяемых в лаборатории

электроизмерительных приборах и устройствах
Осциллограф – электронный прибор для измерения мгновенных значений тока и напряжения.

Измерение параметров осциллограммы производится с помощью шкалы, нанесенной на экран осциллографа.

Расчет напряжения производится по формуле

u = n_ВМ₁П₁Д,

где n_В – размах вертикального отклонения, мм;

М₁ – показание множителя «´1», «´10»;

П₁ – показание переключателя «V/дел»;

Д – показание делителя «1:10».

Измерение длительности сигнала производится по формуле

τ = n_ГМ₂П₂,

где n_Г – размах горизонтального отклонения, мм;

М₂ – показание множителя «´1», «´0,2»;

П₂ – показание переключателя «Время/дел».

Электронный вольтметр – представляет собой сочетание электронной схемы, предназначенной для преобразования и усиления сигнала, и измерительного механизма магнитоэлектрического прибора.

Достоинства электронных вольтметров:

– высокая чувствительность;

– незначительное собственное потребление энергии;

– широкий диапазон измеряемого напряжения;

– независимость показания от частоты;

Недостатки:

– невысокая точность;

– необходимость иметь собственный источник электропитания.

Измерение переменного тока производится с помощью вольтметра (метод вольтметра). Для этого последовательно с исследуемым элементом включается измерительный резистор R₀с известным сопротивлением. Для определения тока измеряют действующее значение напряжения U₀на этом резисторе. Тогда действующее значение тока будет равно I = U₀/R₀.
Основные характеристики измерительных приборов
Метрологической характеристикой средств измерения является класс точности (К.Т.), который указывается на шкале прибора, например «1,0». В данном случае это означает, что конечная величина на шкале прибора измеряется с точностью ± 1%.

Цена деления средства измерения определяется соотношением:

С =

,

где N_K– конечная величина на шкале прибора, l_K− число делений шкалы прибора.

Например, вольтметр, у которого конечная величина на шкале равна 15 вольт, а число делений шкалы равно 15, показал при измерении напряжения N_П= 5 делений. Цена деления (В/дел) такого вольтметра составляет

С_U =

,

а показание вольтметра U_П = N_П · С_U = 1· 5 = 5, В.

Пределы, в которых находится измеряемая величина, равны

±ε = N_K·К.Т. · 10^-2= 15·1,0·10^-2= 0,15 В.

Следовательно, результаты измерения должны быть записаны в виде

U_П– ε

U_П+ ε, 4,85

5,15, В

или можно округлить до первого знака после запетой 4,9

5,2, В.

По указанию преподавателя измерения электрических величин необходимо выполнять с учетом класса точности средства измерения.

Все лабораторные работы могут быть выполнены на физических моделях или на математических моделях (виртуальные работы). Выбор модели указывает преподаватель, проводящий лабораторные занятия.

Работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ СЛОЖНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Опытным путем проверить метод расчета сложных цепей с помощью первого и второго законов Кирхгофа.

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электрической цепью называют совокупность источников и приемников электрической энергии, соединенных между собой проводами, предназначенную для передачи и преобразования электрической энергии. Источники электрической энергии характеризуются величиной ЭДС E, измеряемой в вольтах (В), и внутренним сопротивлением r, измеряемым в омах (Ом).

Приемниками электрической энергии в электрических цепях могут быть катушка индуктивности, конденсатор, аккумуляторная батарея в режиме зарядки, электрическая машина в режиме двигателя, лампа накаливания, электрическая печь и другие электрические компоненты. В них происходит необратимое (электрические печи) или обратимое (конденсатор, катушка индуктивности и аккумуляторная батарея) преобразование электрической энергии в другие ее виды. В цепях постоянного тока мы будем далее рассматривать только так называемые диссипативные элементы, которые не могут накапливать электрическую или магнитную энергию. Полученная ими электрическая энергия необратимо преобразуется в другие виды энергии, например в тепло. Все эти приемники – лампы накаливания, электрические печи и другие пассивные приемники мы будем представлять в виде резисторов, которые характеризуются основным параметром – электрическим сопротивлением R, равным отношению постоянного напряжения U между выводами резистора к постоянному току I, протекающему в нем, т. е.: R=U/I. Величина электрического сопротивления R, измеряется в омах (Ом).

Для расчета простых электрических цепей используют закон Ома для участка цепи, не содержащего ЭДС. Например, если между двумя точками а и b в электрической цепи включены только пассивные элементы – резисторы, то закон Ома для этого участка цепи запишется:

. (1.1)

Если же участок цепи a-b содержит источник ЭДС

E_ab, то ток, протекающий по этому участку, будет определяться формулой:

. (1.2)

Здесь

- ток, протекающий по участку ab,

- напряжение на участке ab, т.е. напряжение между точками a и b;

- суммарное сопротивление всех пассивных элементов, включенных на участке ab цепи между точками a и b;

- ЭДС, действующая на участке ab. Эта ЭДС входит в выражение со знаком плюс, если ее направление совпадает с направлением тока

, и со знаком минус, если ее направление противоположно направлению тока

.

При последовательном соединении резисторов R₁ и R₂ их сопротивления складываются, т.е. эквивалентное сопротивление в этом случае будет равно:

. (1.3)

При параллельном соединении тех же двух резисторов их эквивалентное сопротивление находится по формуле:

. (1.4)

Сложной электрической цепью называют такую цепь, которая не может быть сведена только к последовательному или параллельному соединению источников и приемников электрической энергии (рис. 1.1).

Линейной электрической цепью называют электрическую цепь, содержащую приемники и источники электрической энергии, параметры которых (сопротивления и проводимости) остаются постоянными и не зависят от величины и направления протекающего через них тока. Зависимость тока от приложенного напряжения в таких приемниках (резисторах) изображается прямой линией, а сами резисторы называются линейными резисторами.

Рис. 1.1

Сложные электрические цепи имеют несколько узлов и ветвей, а также могут иметь и несколько источников питания. Ветвью электрической цепи называют участок схемы, состоящий из нескольких последовательно соединенных элементов, по которым протекает один и тот же ток. Узлом электрической цепи называют точку соединения, к которой подходит не менее трех ветвей.

Расчет сложной линейной электрической цепи заключается в определении токов во всех ветвях и сводится к решению системы линейных алгебраических уравнений, составленных по законам Кирхгофа для данной электрической цепи.

Решение системы алгебраических уравнений представляет собой достаточно трудоемкую работу, объем которой возрастает с увеличением числа неизвестных при увеличении сложности электрической цепи.

В целях сокращения числа уравнений, решение которых даст искомые величины и определит режим электрической цепи, разработаны различные методы расчета линейных электрических цепей: например, метод контурных токов, где уравнения составляются только по второму закону Кирхгофа, или метод узловых потенциалов, когда уравнения составляются только по первому закону Кирхгофа.

В данной лабораторной работе экспериментально исследуется метод расчета электрических цепей с помощью составления и решения уравнений по первому и второму законам Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа формулируется следующим образом: сумма притекающих к узлу токов равна сумме вытекающих из узла токов или алгебраическая сумма токов в узле равна нулю, т. е.

Например, для узла b (см. рис. 1.1):

или

. (1.5)

Второй закон Кирхгофа гласит: в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения на всех сопротивлениях этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом контуре, т. е.

.

Например, для контура abda:

R₁·I₁+R₃·I₃=E₁. (1.6)

Для контура cbdc:

R₂·I₂+R₃·I₃= E₂. (1.7)

Запишем уравнения (1.6) – (1.7) в канонической форме. Для этого расположим неизвестные в уравнениях в порядке их нумерации и заменим отсутствующие члены членами с нулевыми коэффициентами:

I₁ +I₂ –I₃ = 0

R₁·I₁+ 0·I₂+R₃·I₃= E₁

0·I₁+R₂·I₂+R₃·I₃= E_{2 ,}

или в матричной форме:

(1.8)

После подстановки численных значений ЭДС и сопротивлений полученная система уравнений решается известными из математик и методами, например методом Крамера или методом Гаусса. Можно решить эту систему и в интегрированном пакете MATHCAD.

В любой электрической цепи выполняется закон сохранения энергии, т. е. мощность, развиваемая источниками электрической энергии равна сумме мощностей, потребляемых приемниками электрической энергии. Этот баланс мощностей записывается следующим образом:

или

. (1.9)

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Исследовать электрическую схему, изображенную на рис. 1.2, параметры элементов заданы в табл. 1.1.

1. В рабочем режиме с помощью амперметров А1-А3 измерить токи I₁, I₂, I₃. Результаты измерений занести в табл. по форме 1.1.

2. Рассчитать напряжения на резистивных элементах цепи по закону Ома (U = RI). Результаты расчетов занести в табл. по форме 1.1.

3. Составить систему уравнений по законам Кирхгофа для исследуемой цепи, подставив в эти уравнения вместо сопротивлений и ЭДС их величины. Решить полученную систему и сравнить расчетные токи, с измеренными ранее в лабораторной работе. Результаты измерений и расчетов сравнить.

Таблица 1.1

Вариант	1	2	3
R₁, Ом	100	75	100
R₂, Ом	100	75	100
R₃, Ом	200	150	200
Е₁, В	12	8	14
Е₂, В	16	12	18

Рис. 1.2

Форма 1.1

Опытные данные			Расчетные данные
I₁	I₂	I₃	I₁	I₂	I₃	U₁	U₂	U₃
А	А	А	В	В	В	В	В	В

4. Проверить баланс мощностей по равенству (1.9).

5. Сделать вывод по результатам проделанной работы.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Перечень измерительных приборов и их краткие характеристики.

3. Основные расчетные соотношения.

4. Таблица по форме 1.1 с результатами измерений и вычислений.

5. Краткие выводы.

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Сформулировать закон Ома для участка цепи.

2. Сформулировать первый и второй законы Кирхгофа.

3. Сколько независимых уравнений необходимо составить для расчета сложной цепи по первому закону Кирхгофа?

4. Сколько независимых уравнений необходимо составить для расчета сложной цепи по второму закону Кирхгофа?

5. Чему равна общая ЭДС при последовательном включении источников энергии?

6. Сформулируйте баланс мощностей для цепей постоянного тока.

Л и т е р а т у р а: [2], c. 14...18.
Работа 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментальное исследование фазных и амплитудных соотношений между напряжением и током в элементах электрических цепей.
2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Любое реальное электротехническое устройство обладает тремя параметрами: сопротивлением R, индуктивностью L и емкостью C.

Для удобства анализа и расчета электрических цепей вводят понятия об идеализированных элементах цепи, то есть таких, которые обладают только одним параметром  только сопротивлением, только индуктивностью, только емкостью. Эти элементы называются соответственно: сопротивлением, индуктивностью, емкостью. Их графическое изображение представлено на рис. 2.1, 2.2 и 2.3.

С помощью идеализированных элементов можно любое реальное электротехническое устройство представить в виде комбинации идеализированных элементов и, следовательно, провести его электромагнитный расчет.

В качестве идеализированных элементов в настоящей работе используются резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы, имеющие характеристики, близкие к идеализированным.

Исследуются электромагнитные процессы, происходящие в сопротивлении, индуктивности и емкости при их подключении к источнику синусоидального напряжения. Синусоидальное напряжение – периодическая функция. Ее периодом T называется минимальное время, по истечении которого значение функции повторяется. Число периодов в секунду называется частотой напряжения f = 1/T, Гц. Кроме частоты f в электротехнике часто используют понятие об угловой частоте

, 1/с.

Аналитическая запись синусоидального напряжения имеет вид:

. (2.1)

Здесь u  мгновенное значение напряжения, т.е. его значение в любой момент времени t от начала отсчета; U_m  амплитуда напряжения, т.е. наибольшее его значение;

 фаза напряжения, град или рад, может принимать любые значения в пределах от 0 до  2K радиан или от 0 до  K360 (K  любое целое число);   начальная фаза напряжения (греческая "пси"), это напряжения при t = 0.

Синус любого угла, как известно из курса математики, изменяется в пределах от 0 до 1, как бы велико ни было значение угла, входящего под его знак. Поэтому синусоидальное напряжение изменяется во времени, как это видно из формулы (2.1), в пределах от +U_m до U_m, принимая в этом диапазоне любые значения (+U_m u  U_m).

Все сказанное выше относится и к синусоидальному току, аналитическая запись которого имеет вид:

. (2.2)

Здесь i  мгновенное значение тока, А; I_m  амплитуда тока, А;

 фаза тока, град или рад;

 начальная фаза тока (греческая "пси"), градусов или радиан. Графики напряжений u(t) на рис. 2.1, 2.2, 2.3 построены для случая, когда начальная фаза напряжения принята равной нулю: