Методичка Электротехника укр 2013
.pdfМіністерство освіти і науки України Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара
Кафедра систем автоматизованого управління
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З КУРСУ "ЕЛЕКТРОТЕХНІКА"
Дніпропетровськ, ДНУ
2013
2
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ З КУРСУ "ЕЛЕКТРОТЕХНІКА"
Укладачі: докт. техн. наук, проф. С.Є. ЗІРКА, канд. техн. наук, доц. Ю.І. Мороз
Редактор
Техредактор
3
ВСТУП
Мета лабораторних робіт. Лабораторні заняття з електротехніки сприяють закріпленню на практиці теоретичних відомостей, отриманих на лекціях, дозволяють експериментально підтвердити і обґрунтувати ці відомості. В процесі виконання лабораторних робіт студенти набувають певні навички і вчаться самостійно вирішувати деякі нескладні питання дослідницького характеру.
У змісті кожної лабораторної роботи сформульована мета її, викладені основні теоретичні положення, описана схема установки для проведення експериментального дослідження, дано рекомендації до проведення дослідів та по обробці результатів спостережень, а на закінчення запропоновані контрольні запитання та перелік рекомендованої літератури.
Тематика лабораторних робіт повністю відповідає змісту всіх основних розділів курсу електротехніки, що читається для машинобудівних, теплоенергетичних, технологічних та інших не електротехнічних спеціальностей вузів.
На першому занятті викладач проводить вступну бесіду зі студентами, пояснює мету робіт, знайомить з застосовуваним обладнанням і дає методичні вказівки до проведення дослідів. Одночасно викладач вказує на специфічні умови роботи в даній лабораторії, знайомить з правилами внутрішнього розпорядку, організацією робочого часу, вимогами техніки безпеки і протипожежної техніки при роботі з електричними колами, приладами, машинами і установками.
На закінчення викладач повідомляє студентам план проведення лабораторних робіт на семестр, рекомендує необхідну літературу і демонструє дію різних технічних засобів навчання для контролю підготовленості студентів до майбутніх лабораторних занять.
Порядок виконання робіт у лабораторії електротехніки. Для успішного виконання лабораторних робіт студенти повинні дотримуватися наступних основних положень:
1.Кожна лабораторна робота виконується бригадою з двох-трьох студентів.
2.На початку чергового заняття перевіряється підготовленість студентів до виконання лабораторних робіт. Опитування проводиться із застосуванням різних контролюючих пристроїв. При незадовільній підготовці студент не допускається до виконання роботи.
3.Вимірювальні прилади, реостати та інші пристрої підбираються, керуючись номінальними даними основного обладнання.
4.При з'єднанні електричних кіл необхідно спочатку виконати зборку послідовної частини кола, а потім паралельної; складання схеми слід починати від одного затиску джерела живлення (щитка) і, пройшовши по схемі послідовне коло, закінчити її на іншому затиску.
5.Джерела живлення включаються тільки після перевірки викладачем (лаборантом) зібраної схеми. Всякі перез’єднання в схемі повинні проводитися при відключених джерелах живлення.
6.При будь-якій несправності, поміченою в роботі обладнання, негайно його відключить.
4
7.Коло можна розбирати тільки з дозволу керівника занять.
8.Після виконання роботи необхідно скласти письменний звіт, який надається викладачеві і захищається.
Складання звіту. Звіт повинен містити: схеми, таблиці з даними вимірювань
іобчислень, графіки, перелік використаного обладнання і вимірювальних приладів, висновки. Наводяться також короткі відомості з теорії і розрахункові формули.
Електричні схеми повинні бути накреслені у відповідності з умовними позначеннями стандарту.
Графіки, векторні діаграми будуються за допомогою креслярських інструментів з дотриманням масштабу, який вказується поряд з діаграмою. Довжини осей вибираютьне менше80 мм, товщинулінійдлякривих - небільше0,5 мм, а
масштаб - в 1 см - 1 10n, 2 10n, 5 10n одиниць, де n - будь-яке ціле позитивне або негативне число, або нуль. На осях координат пишуться позначення величин, що відкладаються, одиниці їх виміру уздовж осей із зовнішнього боку. Графіки можуть бути побудовані з використанням відповідних комп’ютерних програм. У кінці звіту наводяться короткі висновки на підставі отриманих експериментальних даних.
Техніка безпеки при виконанні лабораторних робіт. Лабораторні роботи з електротехніки слід виконувати з дотриманням вимог Правил технічної експлуатації електроустановок споживачів і Правил техніки безпеки при експлуатації електроустановок споживачів, розробленим по чинним установкам. Відступ від цих Правил не допускається, тому що він сполучений, з можливістю ураження працівників електричним струмом та отримання каліцтва від рухомих і обертових частин електричних машин.
Включати установки під напругу на робочих місцях після складання електричних кіл дозволяється після перевірки викладачем правильності з'єднань і тільки в його присутності.
Особливу обережність слід дотримуватись при дослідженні електричних кіл змінного струму з послідовним з'єднанням конденсаторів і індуктивних котушок, так як напруги на їх затискачах можуть набагато перевищувати струм джерела живлення.
Не можна розмикати електричні ланцюги з котушками, що мають велике число витків. Також, розмикати вторинні обмотки трансформаторів струму, що знаходяться вробочомустані. Прицьомувиникаютьзначніе.р.с., небезпечнідля експериментаторів і для ізоляції обмоток.
При дослідженні електричних машин потрібно стежити за тим, щоб під час роботи випадково не торкнутися частин що обертаються. Слід дотримуватися обережності при вимірюванні частоти обертання вала електричних машин ручним тахометром.
Вразі ураження електричним струмом слід негайно вимкнути джерело живлення для звільнення потерпілого від дії електричного струму і зараз же поставити до відома керівника занять про те, що трапилося.
5
Відповідальність за дотримання правил техніки безпеки покладається на студентів, що працюють в лабораторії, а контроль за їх виконанням ведеться керівником занять.
На кафедрі повинен бути журнал (контрольні листки) перевірки знань з техніки безпеки, в якому студенти після відповідного інструктажу викладача на робочих місцях і вивчення правил техніки безпеки зобов'язані розписатися про засвоєння цих правил.
6
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНИХ ПРИЛАДІВ
БЕЗПОСЕРЕДНЬОЇ ОЦІНКИ
Мета роботи. Вивчення принципів дії та конструкцій приладів магнітоелектричної, електромагнітної і електродинамічної системи. Ознайомлення з технічними характеристиками за умовними позначеннями на шкалах приладів.
Прилади та устаткування:
1.Макети приладів магнітоелектричної системи - 2 шт.
2.Макет приладу електромагнітної системи - 1 шт.
3.Макети приладів електродинамічної системи - 2 шт.
Основні відомості про прилади безпосередньої оцінки
Прилади магнітоелектричної системи. Принцип дії цих приладів заснований на взаємодії магнітного поля постійного магніту і провідника зі струмом, що виконується зазвичай у вигляді котушки [1-3].
Рівняння перетворення (шкали) приладу магнітоелектричної системи має вигляд:
α = SI, |
(1) |
де α - кут повороту рухомої частини приладу; I - струм у котушці;
S- чутливість приладу.
Звиразу (1) випливає, що магнітоелектричні прилади мають рівномірну шкалу. Це дозволяє випускати їх комбінованими і багатограничними.
Основні переваги приладів: велика точність (виготовляються прилади класів 0,05 і 0,1); висока чутливість (наприклад, прилад типу М95 має струм повного відхилення 0,1 мкА); мале споживання енергії; малий вплив зовнішніх магнітних полів; рівномірна шкала.
Недоліки: придатність тільки для постійного струму; чутливість до перевантажень (перегорають струмопідведення); порівняно складна і дорога конструкція.
Завдяки своїм перевагам вони мають широке розповсюдження в якості вольтметрів і амперметрів у колах постійного струму і колах змінного струму з перетворювачами в приладах випрямних, термоелектричних та інших систем. Прилади магнітоелектричної системи застосовуються як зразкові і лабораторні.
Прилади електромагнітної системи. Принцип дії приладів електромагнітної системи заснований на взаємодії магнітного поля котушки, викликаного током, що по ній протікає, з осердям із феромагнітного матеріалу [1-3].
Рівняння перетворення (шкали) приладу має вигляд:
α = kI2, (2)
де α - кут повороту рухомої частини приладу;
I - струм в котушці при включенні приладу в коло постійного струму або його діюче значення при включенні приладу в коло змінного струму;
k - коефіцієнт, що залежить від конструкції вимірювального механізму.
7
Головними перевагами електромагнітних приладів є простота конструкції і, як наслідок, дешевизна і надійність в роботі; здатність витримувати великі струмові перевантаження, що пояснюється відсутністю струмопідведення до рухомої частини; можливість застосування для вимірювань у колах постійного і змінного струму.
Недоліки: мала точність (що обумовлено залежністю показань від зовнішніх магнітних полів і великою споживаною енергією) – найбільш точні прилади мають клас 0,5; нерівномірність шкали (приблизно 20% шкали на початку - неробоча частина).
Прилади цієї системи широко застосовуються для вимірювання струму та напруги у колах постійного і змінного струму.
Прилади електродинамічної системи. Принцип дії таких приладів заснований на взаємодії двох магнітних потоків, створюваних струмами, що проходять по рухомій і нерухомій котушках [1-3].
Рівняння перетворення приладу електродинамічної системи при включенні
його в коло постійного струму може бути записано у вигляді: |
|
α = kI1I2, |
(3) |
де k – коефіцієнт, що залежить від конструкції приладу; I1 та I2 – струми в котушках.
Якщо прилад електродинамічної системи включити вколозмінного струму,
то рівняння його шкали прийме вигляд |
|
α = kI1I2cosφ, |
(4) |
де I1 та I2 – діючі значення струмів відповідно в нерухомій і рухомій котушках; φ
–фазовий зсув цих струмів.
Зрівнянь (3) і (4) випливає, що прилади електродинамічної системи можуть бути використані у колах постійного і змінного струму як для вимірювання струму та напруги, так і для вимірювання потужності.
Основні переваги: висока точність (виготовляються прилади класів 0,1 і 0,2); придатність для вимірювань у колах постійного і змінного струму.
Недоліки: чутливість до перевантажень; чутливість до зовнішніх магнітних полів (заходи боротьби з цим - екранування і астатирування); висока вартість; значне споживання енергії.
Прилади електродинамічної системи виготовляють і використовують головним чином у вигляді переносних лабораторних амперметрів, вольтметрів і ватметрів для вимірювань в колах постійного і змінного струму до частот 5-10 кГц.
Практична частина
1. Вивчіть по навчальним посібникам, плакатам і макетам принцип дії та конструкції приладів магнітоелектричної, електромагнітної і електродинамічної систем.
2 За умовними знаками, нанесеним на шкалах приладів, визначте їх основні технічні дані і заповніть таблицю 1.
|
|
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблиця 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Заводський № |
Призначення приладу |
Вимірювальна величина |
Система |
Рід вимірюваного струму |
Границя вимірювань |
Ціна поділки |
|
Чутливість |
Клас точності |
Електрична міцність ізоляції |
Робоче положення |
Ступінь захисту від магнітних полів |
Ступінь захисту від електричних полів |
Умови експлуатації |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Порівняйте переваги й недоліки приладів вивчених систем.
Контрольні питання
1.Які принципи дії приладів магнітоелектричної, електромагнітної і електродинамічної систем?
2.Яке призначення протидіючих пружин у приладів вивчених систем?
3.У чому полягає конструктивне розходження між внутрішнім устроєм амперметра і вольтметра однієї і тієї ж системи?
4.Яке значення струму вимірюють амперметри магнітоелектричної, електромагнітної і електродинамічної систем?
5.Якіобластізастосуванняприладівмагнітоелектричної, електромагнітної
іелектродинамічної систем?
6.Які переваги і недоліки розглянутих вище систем приладів?
7.Яка система приладів забезпечує найбільш точні вимірювання у колах змінного струму?
Звіт по роботі повинен містити:
1.Мета роботи.
2.Таблицю даних досліджуваних приладів.
3.Короткі відповіді на контрольні запитання
9
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 2 ТРИ РОДИ ОПОРІВ У КОЛІ СИНУСОЇДАЛЬНОГО
ЗМІННОГО СТРУМУ
Мета роботи. Дослідження кіл з активним і реактивним опорами при синусоїдальному струмі.
Прилади й устаткування:
Лабораторний автотрансформатор, ламповий реостат, котушка індуктивності, батарея конденсаторів, ключ, ватметр, амперметр і вольтметр.
Основні теоретичні положення
Розглянемо коло, що складається з послідовно з'єднаних індуктивності L і активного опору r (таким колом може бути представлена реальна котушка індуктивності). Струмуцьомуколівизначається спільноюдієюнапругиu джерела
живлення і ЕРС самоіндукції e |
L |
= −L |
di |
, тобто |
|
||||
dt |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
i = |
u +eL |
, |
|
(1) |
|||
|
|
|
|
||||||
а напруга: |
|
|
|
|
r |
|
|||
|
|
|
|
|
di |
|
|
||
|
|
u =ir + L |
. |
(2) |
|||||
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
dt |
|
||
Визначимо, як повинна змінюватися напруга на затискачах даного кола, за умови, що в ньому проходить синусоїдальний струм i = Im sinωt .
Підставивши цей вираз струму у рівняння (2), маємо:
u = I |
m |
r sinωt + I ωLsin(ωt + π ) . |
(4) |
|
|
m |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Таким чином, напруга u повинна складатися алгебраїчно з двох частин: активної складовоїua = Imr sinωt , що збігається по фазі зі струмом, і індуктивної
реактивної складової up = ImωLsin(ωt + π2 ) , що випереджає по фазі струм у колі на π2 . Ці величини зображені на рис. 1.
Рис. 1
10
Діюче значення активної та реактивної напруг знайдемо, розділивши на
2 відповідні амплітуди, тобто, замінивши у виразі (4) Im на I |
2 , отримаємо |
Ua = Ir и Up = IωL , |
(5) |
де I – діюче значення струму.
Діюче значення повної напруги дорівнює геометричній сумі діючих значень складових (див. рис. 2), тобто
U=U a +U p .
Зпрямокутного трикутника 0АВ та виразів (5) можна встановити співвідношення між U та I:
I = |
U |
= U |
, |
|
r2 +(ωL)2 |
z |
|
атакож кут φ, на який напруга випереджає струм,
ϕ= arctg Up =arctg ωL . Ua r
(6)
(7)
Вираз (6) являє собою закон Ома для змінного струму, і величина z має розмірність опору й називається повним опором. Складова повного опору ωL позначається XL і називається індуктивним опором. Такий опір чинить індуктивність змінному струму, що протікає по ній.
Якщо всі сторони трикутника напруг ОАВ (див. рис.2) розділити на струм I, то отримаємо подібний трикутник oab (див. рис.3), катети якого зображують активний і індуктивний опір, а гіпотенуза – повний опір.
Рис. 2 |
Рис. 3 |
У колі, утвореному підключенням конденсатора C до джерела змінного струму, відбувається безперервне переміщення електричних зарядів. При збільшенні напруги джерела струм у колі конденсатора буде зарядним, а при зменшені – розрядним. Миттєвий струм в такому колі дорівнює швидкості зміни заряду конденсатора
|
|
i = |
dQ |
=C |
duc |
, |
(8) |
dt |
|
||||||
|
|
|
|
dt |
|
||
де Q – заряд конденсатора; C – ємність конденсатора. |
|
||||||
Для синусоїдального струму (3) напруга на затискачах конденсатора, після |
|||||||
інтегрування та урахування початкових умов дорівнює: |
|
||||||
uc = |
1 |
t idt =Um sin(ωt −π ) , |
(9) |
||||
|
|||||||
|
C ∫0 |
2 |
|
||||