МУ ЭЦ для УПИ- ред-окончат_100311

Научно-производственное предприятие «Учебная техника-Профи»

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ»

Методические указания к проведению лабораторных работ

Челябинск

2011 г.

1

Бородянко В.Н. Электрические цепи: Методические указания к проведению лабораторных работ. – Челябинск: Учтех-Профи, 2010.

Методические указания предназначены для студентов средних и высших учебных заведений, в которых предусмотрено изучение курса «Электротехника основы электроники». Методические указания также могут быть использованы для обучения учащихся профессионально-технических училищ и слушателей отраслевых учебных центров повышения квалификации инженерно-технических работников.

2

ОГЛАВЛЕНИЕ
Электрические цепи	с.
1. Работа № 1. Электроизмерительные приборы и измерения	4

2.Работа № 2. Линейная и нелинейная электрические цепи постоянного

тока

9

3.Работа № 3. Экспериментальное определение параметров элементов

цепей переменного тока

13

4.Работа № 4. Электрическая цепь переменного тока с последователь-

ным соединением элементов

20

5.Работа № 5. Электрическая цепь переменного тока с параллельным со-

единением элементов

24

6.Работа № 6. Трехфазная цепь при соединении потребителей по схеме

«звезда»

28

7.Работа № 7. Трехфазная цепь при соединении потребителей по схеме

	«треугольник»	32
8.	Работа № 8. Нелинейная цепь переменного тока	36

3

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

1.Работа № 1. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ

1.Цель работы

Изучение электроизмерительных приборов, используемых в лабораторных работах, выполняемых на стенде. получение навыков работы с цифровыми измерительными приборами, знакомство с применением программы Delta Profi.

2. Пояснения к работе

Контроль работы электрооборудования осуществляется с помощью разнообразных электроизмерительных приборов. Наиболее распространенными электроизмерительными приборами являются приборы непосредственного отсчета. По виду отсчетного устройства различают аналоговые (стрелочные) и цифровые измерительные приборы.

При проведении измерений в электрических цепях широкое применение получили цифровые мультиметры – комбинированные цифровые измерительные приборы, позволяющие измерять постоянное и переменное напряжение, постоянный и переменный ток, сопротивления, проверять диоды и транзисторы. Для проведения конкретного измерения необходимо установить переключателем предполагаемый предел измерений измеряемой величины (ток, напряжение, сопротивление) с учетом рода тока (постоянный или переменный). Представление результата измерения происходит на цифровом отсчетном устройстве в виде обычных удобных для считывания десятичных чисел. Наибольшее распространение в цифровых отсчетных устройствах мультиметров получили жидкокристаллические индикаторы. На передней панели такого прибора находится переключатель функций и диапазонов. Этот переключатель используется как для выбора функций и желаемого предела измерений, так и для выключения прибора. Для продления срока службы источника электропитания прибора переключатель должен находиться в положении «OFF»в тех случаях, когда прибор не используется.

К основным техническим характеристикам цифровых приборов, которые необходимо учитывать при выборе относятся:

–диапазон измерений (обычно прибор имеет несколько поддиапазонов);

–разрешающая способность, под которой часто понимают значение измеряемой величины, приходящееся на единицу дискретности, то есть один квант;

–входное сопротивление, характеризующее собственное потребление прибором энергии от источника измерительной информации;

–погрешность измерения, часто определяемая как ±(% от считываемых данных + количество единиц младшего разряда).

Мультиметр часто имеет батарейное питание 9В, поэтому перед использованием прибора необходимо проверить батарею электропитания путем включения прибора. Если батарея разряжена, то на дисплее возникнет условное изображение батареи. Используемые в стенде «Электротехника» мультиметры питаются от выпрямительного устройства, вмонтированного в модуль. Для использования приборов необходимо подключить с тыльной стороны кабель питания к источнику переменного напряжения 220В. Перед проведением измерения необходимо переключа-

4

тель пределов установить на требуемый диапазон измерений. Для предотвращения повреждения схемы прибора входные токи и напряжения не должны превышать указанных величин. Если предел измеряемого тока или напряжения заранее неизвестен, следует установить переключатель пределов на максимум, и затем переключайте его вниз по мере необходимости. При возникновении на дисплее «1» (перегрузка) необходимо переключиться на верхний предел измерений.

Для измерения постоянного напряжения подключите черный провод к разъему COM, а красный – к разъему «V/Ω», установите переключатель пределов в положение «V=» и подсоедините концы щупов к измеряемому источнику напряжения. Полярность напряжения на дисплее при этом будет соответствовать полярности напряжения на красном щупе. Некоторые характеристики используемого мультиметра при измерении постоянного напряжения представлены в табл. 1.

Таблица 1

Поддиапазон	Погрешность измерения		Разрешающая способность
измерений
4 В	±0.5%	of rdg ± 3 digits	1 мВ
40 В			10 мВ
400 В			0,1 В
1000 В	±0.8%	of rdg ± 3 digits	1 В

Некоторые характеристики используемого мультиметра при измерении переменного напряжения представлены в табл. 2.

Для измерения сопротивлений подключите один щуп к разъему «COM», а второй – к разъему «V/Ω», установите переключатель функций на «Ω» и подсоедините концы щупов к измеряемому сопротивлению.

			Таблица 2
Поддиапазон	Погрешность измерения		Разрешающая способность
измерений
4 В	±1,2 %	of rdg ± 5 digits	1 мВ
40 В			10 мВ
400 В			0,1 В
750 В	±1,5 %	of rdg ± 5 digits	1 В

Когда цепь разомкнута, на индикаторе будет индицироваться «0.L». Некоторые характеристики используемого мультиметра при измерении со-

противлений представлены в табл. 3

		Таблица 3
Поддиапазон	Погрешность измерения	Разрешающая способность
измерений
400 Ом		0.1 Ом
4 кОм	±1,2 % of rdg ± 3 digits	1 Ом
40 кОм		10 Ом
400 кОм		100 Ом
4 МОм		1 кОм
40 МОм	±3,0 % of rdg ± 5 digits	10 кОм

В программное обеспечение лабораторного комплекса входят виртуальные измерительные и регистрирующие приборы. Для этого используется модуль ввода, который обеспечивает ввод 6 аналоговых сигналов. Входы А1 и А2 модуля ввода являются входами датчиков напряжения ДН1 и ДН2, которые выполняют функцию вольтметров. При этом вход А1 служит для осциллографирования и измерения по-

5

стоянного или переменного напряжения низкого уровня (до 30 В). Вход А2 служит для осциллографирования и измерения напряжения высокого постоянного или переменного напряжения до 500 В и имеет соответствующий делитель напряжения. При необходимости измерения в процессе выполнения лабораторной работы нескольких напряжений необходимо осуществлять поочередное подключение соответствующего входа датчика напряжения (А1 или А2) к соответствующим клеммам модулей стенда.

Входы А3, А4, А5 и А6 являются входами датчиков тока ДТ1, ДТ2, ДТ3, ДТ4 соответственно и служат для осциллографирования и одновременного измерения четырех постоянных или переменных токов до 2А.

Для осциллографирования и измерений в лабораторном комплексе разработано программное обеспечение для выполнения каждой лабораторной работы.

3 Порядок выполнения работы 3.1. Изучение применения мультиметра.

3.1.1.Ознакомиться с лицевой панелью мультиметра и зарисовать её.

3.1.2.Подготовить мультиметр для измерения постоянного напряжения. Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF1 модуля питания). Включить выключатель SA2 модуля питания и мультиметром измерить значения выходных напряжений модуля питания на клеммах «+5 В», «+12 В», «–12 В». Результаты измерений занести в табл. 4. Выключить выключатель SA2.

			–12 В	Таблица 4
Клеммы	+5 В	+12 В		~ 12 В
Измерено

3.1.3.Подготовить мультиметр для измерения переменного напряжения. Включить выключатель SA1 «Модуля питания» и мультиметром измерить значения выходного напряжения на клеммах «~12 В». Результаты измерений занести в табл. 4. Выключить выключатель SA1.

3.1.4.Подготовить мультиметр для измерения сопротивлений. Измерить значения сопротивлений модуля резисторов. Величину сопротивления резистора изменять переключателем SA1. Результаты занести в табл. 5.

Таблица.5

Сопротивление, Ом

5

10

20

30

40

50

Измерено, Ом

3.2. Изучение применения цифровых амперметров и вольтметров.

РА

3.2.1. Собрать электрическую цепь по рис. 1, ис-

+12 В

А

R1

пользуя модуль питания, модуль измерительный и модуль

000

резисторов. Установить заданное преподавателем значение

U

V

сопротивления

резистора.

Установить

режим

работы

000

РV

цифровых приборов «=» (постоянный ток). После проверки

цепи

преподавателем

включить

электропитание

стенда

(автоматический воздушный выключатель QF) и выключа-

тель SA2. Измерить значения тока в цепи и напряжения на резисторе.

Рис. 1

Результаты измерений занести в табл. 6. Используя результаты измерений опре-

делить величину сопротивления резистора R.

6

			Таблица 6
№ опыта	U, B	I, A	R, Ом
1
2

3.2.2. Подключить собранную цепь к источнику переменного напряжения ~ 12В. Установить у цифровых приборов режим измерения переменного тока (~). После проверки цепи преподавателем включить электропитание (выключатель SA1). Измерить значения тока в цепи и напряжения на резисторе. Результаты измерений занести в табл. 6. Выключить ‘электропитание стенда (переключатель SA1 и выключатель QF).

3.3. Изучение применения виртуальных приборов.

3.3.1. В соответствии с приведенной на рис. 1 схемой сборки нарисовать электрическую схему цепи. Собрать электрическую цепь, используя модуль питания, модуль ввода, модуль резисторов. Установить заданное преподавателем значение резистора R1.

3.3.2. После проверки преподавателем собранной схемы включить компьютер и открыть программу Delta Profi. В окне лабораторных работ выбрать «Электрические цепи – Работа № 1. Электроизмерительные приборы и измерения». За-

пустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» или командой главного меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5.

	МОДУЛЬ ПИТАНИЯ	МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ	МОДУЛЬ ВВОДА
	~ 220 B

	QF 1		__	R1
		+		А3
				ДТ1
				А1
				ДН1
	~ 220 B	= 220 B		А4
				ДТ2
	~ U	= U		ПК
				А5
				ДТ3
	+ 5B	- 12B		А2
				ДН2
	SA 1 ~ 12B		SA 2	А6
				ДТ4

Рис. 2

3.3.3. Включить электропитание стенда (выключатели QF1, SA2 и SA1 модуля питания) и измерить величины действующих значений тока и напряжения. По осциллограммам напряжения и тока определить их амплитуды и период. Результаты измерений занести в табл. 7. Выключить электропитание стенда.

				T, c		Таблица 7
U, B	I,A	Um, B	Im, A		Um/U	Im / I	f=1/T, Гц

Вычислить отношения амплитуд тока и напряжения к их действующим значениям и частоту переменного напряжения (тока).

7

4.Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать: а) наименование работы и цель работы; б) схемы экспериментов;

в) результаты измерений и осциллограммы; г) выводы по работе.

5.Контрольные вопросы

1.Каков принцип действия приборов магнитоэлектрической и электромагнитной систем?

2.Что такое предел измерения?

3.Как определяется цена деления прибора?

4.Что такое абсолютная и относительная погрешности измерения?

5.Что характеризует класс точности прибора?

6.В какой части шкалы прибора измерение точнее и почему?

7.Каковы основные достоинства цифровых измерительных приборов?

8

2. Работа № 2. ЛИНЕЙНАЯ И НЕЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.Цель работы

Получение навыков сборки простых электрических цепей, включения в электрическую цепь измерительных приборов. Научиться измерять токи и напряжения, убедиться в соблюдении законов Ома и Кирхгофа в линейной и нелинейной цепи.

2. Пояснения к работе Электрическая цепь, состоящая из элементов, вольтамперные характеристи-

ки которых являются прямыми линиями, называется линейной электрической цепью, а элементы, из которых состоит цепь, – линейными элементами.

Соединение в электрической цепи, при котором через все элементы протекает один и тот же ток, называется последовательным соединением. Эквивалентное сопротивление RЭ последовательной цепи постоянного тока равно сумме сопротивлений отдельных участков: RЭ = R1 + R2 .

Напряжение на отдельном участке в соответствии с законом Ома пропорционально сопротивлению этого участка: U1 = I R1; U2 = IR2 .

Напряжение U на входе последовательной цепи в соответствии со вторым законом Кирхгофа равно сумме напряжений на отдельных участках:

U = U1 +U2 .

При параллельном соединении двух или нескольких элементов напряжение на них одно и тоже, так как выводы этих элементов подключены к одним и тем же узлам. Токи в отдельных элементах определяются по закону Ома:

I1 = U / R1; I2=U / R2.

В соответствии с первым законом Кирхгофа ток I в неразветвленной части цепи равен сумме токов всех параллельных ветвей: I = I1 + I2.

Проводимость параллельного соединения равна сумме проводимостей отдельных участков: 1/RЭ = 1/R1 +1/R2 .

Под нелинейной электрической цепью понимают электрическую цепь, содержащую нелинейные элементы (нелинейные сопротивления, нелинейные индуктивности, нелинейные емкости). Нелинейные сопротивления в отличии от линейных обладают нелинейными вольтамперными характеристиками. К нелинейным цепям применимы законы Кирхгофа, хотя методы анализа, основанные на методе наложения (на постоянстве параметров элементов цепи) чаще всего неприменимы. В таких цепях сопротивление и проводимость нелинейного элемента являются нелинейной функцией мгновенного значения тока (напряжения) на этом элементе. Следовательно, они представляют собой переменные величины, а поэтому для расчета малопригодны.

Для нелинейных электрических цепей часто применяют графический метод, при котором последовательность операций сохраняется примерно той же, что и при расчетах линейных цепей, только вместо сложения и вычитания напряжений и токов в соответствии с законами Кирхгофа производится сложение или вычитание абсцисс или ординат соответствующих вольтамперных характеристик.

9

3. Порядок выполнения работы

3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой (компьютер, модуль питания, модуль резисторов, модуль диодов, модуль ввода, модуль мультиметров). В соответствии со схемой по рис. 1 нарисовать электрическую схему исследуемой цепи, собрать линейную электрическую цепь с последовательным соединением резисторов. Установить заданные преподавателем значения сопротивлений резисторов R1, R2. Представить схему для проверки преподавателю.

МОДУЛЬ ПИТАНИЯ

МОДУЛЬ ВВОДА			МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ
	А3	ДТ1
ДН1	А1
	А4	ДТ2
	ПК
	А5	ДТ3
ДН2	А2
	А6	ДТ4

Рис. 1

3.2. Включить компьютер и открыть программу Delta Profi. В окне лабораторных работ выбрать «Электрические цепи» – «Работа № 2. Линейные и нелинейные цепи постоянного тока». Выбрать вкладку «Последовательное соединение».

Запустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» или командой главного меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5.

Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF1 модуля питания и выключатель SA2 этого же модуля). Подключая вход датчика напряжения ДН1 поочередно к соответствующим клеммам, измерить величину напряжения питания U и напряжения U1 и U2 на резисторах R1 и R2 в схеме с последовательным соединением резисторов R1 и R2, а также ток в цепи. Результаты измерений занести в табл. 1.

3.3. Изменить по указанию преподавателя величину сопротивления резистора R2 и снова провести измерения по п. 3.2. Выключить источник постоянного напряжения (выключатель SA2). Объяснить изменение режимов работы резисторов

R1 и R2.

3.4. В соответствии со схемой по рис. 2 нарисовать принципиальную электрическую схему исследуемой цепи со смешанным соединением резисторов. Со-

10