3179_EI

3179	МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
	ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ»

Кафедра электротехники

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов технических специальностей

очной и заочной форм обучения

Часть 1 ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

И ГАРМОНИЧЕСКОГО ТОКА

Составители: А. Г. Макаров А. А. Ионов А. В. Баскаков

Самара

2012

1

УДК 621.3.013

Теоретические основы электротехники : методические указания к выполнению ла-

бораторных работ для студентов технических специальностей очной и заочной форм обучения. Часть 1. Линейные цепи постоянного тока и гармонического тока / составители : А. Г. Макаров, А. А. Ионов, А. В. Баскаков. − Самара : СамГУПС, 2012. − 35 с.

Методические указания включают описание лабораторного оборудования, краткие теоретические сведения, объем и порядок выполнения лабораторных работ.

Утверждены на заседании кафедры электротехники 3 октября 2012 г., протокол № 2. Печатаются по решению редакционно-издательского совета университета.

Составители: Макаров Андрей Геннадиевич Ионов Андрей Андреевич Баскаков Алексей Викторович

Рецензенты: к. т. н., доцент, зав. кафедрой «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте» СамГУПС В. Б. Гуменников; к. т. н., доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» СамГУПС В. Б. Тепляков

Под редакцией составителей

Подписано в печать 27.12.2012. Формат 60×90 1/16. Усл. печ. л. 2,2. Заказ 340.

© Самарский государственный университет путей сообщения, 2012

2

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Лабораторный практикум по курсу теоретических основ электротехники предусматривает относительно большой объем измерений электротехнических величин. Поэтому для качественного и своевременного выполнения работы необходимо самостоятельно подготовиться к ней. Для этого студенты обязаны заранее проработать указания к соответствующей работе и уяснить порядок и необходимый объем измерений.

В ходе подготовки к лабораторной работе каждому студенту требуется уяснить цель работы и отдельных ее частей (опытов), начертить схемы цепей, составить план проведения измерений и заготовить таблицы результатов измерений.

Все результаты измерений, выполненных в ходе работы, заносятся в таблицы измерений, которые предоставляются преподавателю для проверки в конце занятия. При изучении вольт-амперных характеристик, частотных и других зависимостей результаты измерений следует обязательно оформлять в виде таблиц и соответствующих графиков.

При предоставлении результатов работы обязательно указываются фамилии выполнивших студентов и дата выполнения работы.

Внимание! Любые изменения в цепи производятся при выключенном питании.

ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет выполняется в отдельной тетради или на листах белой бумаги формата А4. Схемы и графики выполняются только с использованием чертежных инструментов в соответствии с требованиями ЕСКД [8]. Запрещено выполнение схем и графиков «от руки» или с использованием пакетов прикладных программ.

Отчет составляется каждым студентом самостоятельно, только в рукописном виде. Категорически запрещено выполнение отчетов в текстовых редакторах и представление их в виде документов, отпечатанных на принтере.

Отчет должен содержать следующие обязательные части:

-номер, название и цель работы;

-электрическую схему цепи и исходные данные;

-таблицы результатов измерений;

-таблицы расчетных значений;

-теоретические соотношения, формулы, выражения, необходимые для выполнения расчетов;

-графики;

-выводы.

При подготовке отчета нужно обязательно проработать контрольные вопросы, поскольку они используются в тестах и в ходе экзамена. Необходимые теоретические сведения приведены в литературе [1−7].

Без отчета по предыдущей работе студент не допускается к выполнению следующей.

3

Отчеты хранятся у студентов и предоставляются к зачету или экзамену.

По результатам измерений студент выполняет необходимые вычисления и графические построения, формулирует выводы по проделанной работе. При этом выводы не должны содержать утверждения, не подтвержденные результатами измерений и расчетов.

Выводы каждый студент формулирует самостоятельно, основываясь на получен-

ных результатах измерений и расчетов, с учетом сопоставления экспериментальных значений и вычисленных параметров. Вывод должен отражать качественный анализ временных и частотных зависимостей, полученных при выполнении работы, иметь сравнительные характеристики свойств цепей при различных значениях ее параметров.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ИЗУЧЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы:

-приобретение навыков сборки электрических цепей, проведения измерений сопротивлений, постоянных напряжений и токов с помощью мультиметра;

-использование закона Ома и правил Кирхгофа для анализа электрических цепей постоянного тока;

-изучение свойств последовательного, параллельного и смешанного соединений линейных резистивных элементов;

-изучение двух схем замещения реального источника;

-изучение методов наложения и узловых потенциалов для анализа цепи с двумя источниками ЭДС;

-построение внешних характеристик источников.

Используемое оборудование и измерительные приборы

1.Набор линейных элементов электрической цепи и соединительные проводники.

2.Наборная панель.

3.Источники постоянного напряжения из состава блока генераторов.

4.Мультиметр типа UNIT2005 или его аналоги.

1. Последовательное соединение линейных сопротивлений

Схема электрической цепи изображена на рис. 1. Цепь состоит из двух последовательно соединенных резисторов R1 и R2, подключенных к нерегулируемому источнику постоянного напряжения. Номинальные значения резисторов R1 и R2 выбираются самостоятельно в диапазоне от 330 до 1000 Ом.

4

+	н	А	к	н	R1	к
	E			I		н
		UE			V	R2
						к
−

Рис. 1. Схема цепи при последовательном соединении резисторов

Программа исследований

Опыт 1

1.Измерить значения сопротивлений выбранных резисторов R1 и R2 мультиметром до их установки в цепь. Полученные результаты сравнить с номинальными значениями резисторов и занести измеренные значения в таблицу результатов измерений.

2.Собрать на наборной панели цепь, изображенную на рис. 1. Для этого последовательно соединить проводниками конец (к) предыдущего элемента с началом (н) последующего.

3.Пригласить преподавателя для проверки цепи и уточнения задания.

4.Подключить мультиметр к источнику постоянного напряжения (зажимы «+» и «−»). Установить с помощью переключателя режима измерений мультиметра предел U = 20 В.

5.Включить блок генератора постоянного напряжения и тумблер источника. Измерить значение ЭДС E (напряжения Uхх на зажимах отключенного от цепи источника), результат занести в таблицу.

Выключить тумблер источника напряжения.

6.Подключить источник к цепи.

7.Включить тумблер. Измерить падения напряжения UR1, UR2 на резисторах и напряжение на зажимах источника UЕ под нагрузкой.

Выключить тумблер источника напряжения.

8.Переключить мультиметр в режим измерения постоянного тока. Выбрать с помощью переключателя режима работы предел измерения «200 mА» и переставить измерительный щуп в штекерный разъем «mА».

9.Включить тумблер и измерить ток I в цепи. Результат занести в таблицу.

10.Выключить тумблер источника напряжения.

11.Заполнить таблицу результатов измерений.

Параметры	R1изм, Ом	R2изм, Ом	Е = Uхх, В	UE, В	UR1, В	UR2, В	I, А
Опыт 1
Опыт 2

5

Опыт 2

1.Заменить один из резисторов цепи, установив на его место резистор с номинальным сопротивлением, отличающимся в два-три раза.

2.Повторить измерения напряжений и тока.

Выключить тумблер источника напряжения.

3.Результаты занести в таблицу.

4.Проверить результаты измерений п. 7 опытов 1 и 2, используя второе правило Кирхгофа. Если разность левой и правой частей составленного уравнения отличается более чем на 5 %, повторить измерения.

5.Выключить блок генератора постоянного напряжения.

Обработка результатов измерений

1.Вычислить значение сопротивления каждого из резисторов, используя закон Ома

ирезультаты измерений напряжений UR1, UR2 и тока I.

2.Найти эквивалентное сопротивление цепи RΣ, используя измеренные значения резисторов и напряжения на зажимах источника UЕ и тока I. Полученное значение сравнить с суммой значений сопротивлений установленных резисторов.

3.Определить внутреннее сопротивление r0 источника напряжения, используя второе правило Кирхгофа и результаты измерений опытов 1 или 2.

4.Изобразить электрическую схему цепи с учетом внутреннего сопротивления источни-

каr0.

5. Используя результаты измерений опыта 1, построить потенциальную диаграмму цепи с учетом внутреннего сопротивления источника r0. Проверить выполнение баланса мощности в цепи (Р1 = I2R1; Р2 = I2R2; РΣ = U/I; РΣ = Р1 + Р2).

6.Вычислить ток короткого замыкания источника напряжения, используя значения внутреннего сопротивления источника r0 и ЭДС E.

7.Заполнить таблицу результатов вычислений.

R1, Ом	R2, Ом	RΣ, Ом	r0, Ом	Р1, Вт	Р2, Вт	РΣ, Вт	Iкз, А

8. Используя результаты измерений и вычислений, построить график (ВАХ) зависимости напряжения на зажимах источника UE от тока I в цепи. Определить по этому графику ток в цепи и напряжение на зажимах источника напряжения, если к этому источнику подключен резистор с сопротивлением 10 Ом. Для этого следует дополнительно нанести на график зависимость напряжения на резисторе от тока, которую легко построить, используя закон Ома.

6

2. Смешанное соединение линейных сопротивлений

Схема цепи при смешанном со-

I2

н

к

R

н

2

к

единении резисторов дана на рис. 2.

I1

н

к н

R1

к

А2

к

+

А1

R3

Цепь содержит параллельно соеди-

н

н

к

E

I3

А3

ненные резисторы R2 и R3 и резистор

↑

r0

R1, включенный последовательно по

−

отношению к ним. Такое соединение

Рис. 2. Схема цепи

называют смешанным.

при смешанном соединении резисторов

Программа исследований

1.Для сборки цепи подключить, согласно схеме, резистор R3 параллельно резистору R2. Номинальное значение резистора R3 выбрать самостоятельно в диапазоне (0,5…2,0)R2. ЗначениесопротивлениярезистораR3 измеритьмультиметромизанестивтаблицуизмерений.

2.Измерить все напряжения (на зажимах источника и резисторах) и токи во всех ветвях цепи. Для измерения токов поочередно подключить мультиметр в разрыв соответствующей ветви.

3.Заполнить таблицу результатов измерений.

R3изм, Ом	UE, В	UR1, В	UR2, В	UR3, В	I1, А	I2, А	I3, А

Обработка результатов измерений

1.Вычислить сопротивление резистора R3, используя закон Ома и результаты измерений. Результатизмерениясравнитьсноминальнымзначением, указаннымнакорпусерезистора.

2.Вычислить эквивалентное сопротивление R23 параллельного соединения резисторов R2 и R3, используя соотношение:

R	=	R2 R3	.
23		R2 + R3

3. Вычислить эквивалентное сопротивление R23 параллельного соединения резисторов R2 и R3, используя соотношение:

R	=	UR2	.
23		I

4.Проверитьрезультатыизмерениятоковветвей, используяпервоеправилоКирхгофа.

5.Проверить выполнение баланса мощности в цепи со смешанным соединением резисторов.

6.Заполнить таблицу результатов вычислений.

UR1, В	UR2, В	UR3, В	R23, Ом	RΣ, Ом	Р1, Вт	Р2, Вт	Р3, Вт	РΣ, В

7

3.Исследование режима работы источника

свысоким внутренним сопротивлением на низкоомную нагрузку

Источник напряжения характеризуется значениями ЭДС Е и величиной внутреннего сопротивления r0. Свойства источника (внешняя характеристика U(I), КПД) существенно зависят от соотношения между сопротивлениями нагрузки Rн и источника r0. При Rн >> r0 источник близок к идеализированному источнику ЭДС. При Rн << r0 источник близок к идеализированному источнику тока.

В данной работе исследуется режим работы источника электрической энергии при соотношении Rн << r0. Роль внутреннего сопротивления источника r0 играет резистор R1, а в качестве нагрузки используется резистор R2.

	Программа исследований
1. Собрать на наборной панели цепь, изображенную на рис. 3.
+	А	R1
	E2 = 15 В	I
−			R2	U
+
	E1 = 0…15 В
−		Источник	Нагрузка
		энергии	источника
Рис. 3. Схема источника напряжения в режиме, близком

крежиму источника тока (R1 >> R2)

2.Принять номинальные значения сопротивлений резисторов и напряжение источника в соответствии с данными табл. 1.

3.Собрать источник напряжения из двух последовательно соединенных источников ЭДС: источника E1 регулируемого напряжения от 0 до 15 В и нерегулируемого E2 = 15 В.

4.Измерить ток I в цепи и падение напряжения UR2 на резисторе R2.

5.Выполнить измерения для всех 4-х значений сопротивления нагрузки R2, указанных в табл. 1.

Таблица 1

№ бригады	E1, В	R1, Ом	R2, Ом
1	20	470	10, 22, 33,	47
2	22	680	10, 22, 33,	47
3	24	1000	22, 33, 47, 100
4	28	2200	33, 47, 100,	220

8

Обработка результатов измерений

1.По результатам измерений построить график зависимости U2(I). Сравнить его с графиком ВАХ, полученной в части 1.

2.По результатам измерений найти параметры идеализированного источника тока (g0 и J), изобразить его эквивалентную схему.

4. Изучение цепей постоянного тока с двумя источниками ЭДС

Схема цепи с двумя источника-							a			R1			b			R2			с
ми ЭДС изображена на рис. 4. Номи-
налы резисторов R1, R2, R3 выбирают-								E1							R3						E2
ся в соответствии с табл. 2. При от-
сутствии	резисторов с			требуемым											d
номинальным			сопротивлением со-
единить	два		резистора	последова-				Рис. 4. Схема цепи с двумя
тельно.										источниками ЭДС
																Таблица 2
		№ бригады/№ подгруппы				E2, В	R1, Ом					R2, Ом					R3, Ом
			1/1			3,5	1000					100					47
			1/2			3,6	1000					220					100
			2/1			3,7	680					470					69
			2/2			4,0	680					680					100
			3/1			4,0	470					100					47
			3/2			4,4	680					100					100
			4/1			4,6	1000					100					69
			4/2			4,8	1000					470					220

Программа исследований

1. Сопротивления резисторов измерить перед их установкой в наборную панель, результаты занести в таблицу измерений. В качестве источников Е1 и Е2 использовать нерегулируемый (= 15 В) ирегулируемый(0…15 В) источникипостоянногонапряженияизблокагенераторов.

2.Собрать цепь, изображенную на рис. 4.

3.Установить ЭДС источника Е2 (см. табл. 2), вращая ручку регулятора и контролируя ее значение с помощью мультиметра. Так же измерить ЭДС Е1, оба значения ЭДС занести в таблицу измерений. Измерения ЭДС производить при отключенной нагрузке. После этого подключить источники напряжения Е1 и Е2 к цепи.

4.Измерить напряжения на всех резисторах. Для этого поочередно подключать мультиметр к выводам каждого из резисторов. По знакам измеренных напряжений

(«+» или «−») определить фактические направления токов ветвей I1, I2, I3 и обязательно указать их на схеме.

9

5.Измерить токи во всех ветвях цепи, поочередно включая мультиметр в разрывы всех ветвей.

6.Измерить потенциалы точек a, b и с, положив потенциал точки d равным нулю. Для этого черный провод мультиметра (гнездо «COM») подключить к узлу d, а красный

(гнездо «U, Ω») поочередно подключать к точкам a, b и с.

7. Поочередно отключая источники Е1 и Е2, измерить токи всех ветвей. Для отключения источников достаточно перевести тумблер соответствующего источника в положение «Отключен». Обратить внимание на возможное изменение направлений токов в той или иной ветви при отключении одного из источников.

Обработка результатов измерений

1.Построить потенциальную диаграмму для внешнего контура цепи с двумя источниками (по пп. 1–4) и проверить выполнение баланса мощности.

2.Считая известными напряжения на зажимах источников и сопротивления резисторов, найти токи ветвей методом узловых потенциалов и методом наложения.

3.Результаты расчетного определения токов двумя методами и измеренные значения свести в одну таблицу. Сравнить эти значения и сделать вывод.

Контрольные вопросы

1.Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи и правила Кирхгофа.

2.Объясните способ построения потенциальной диаграммы.

3.Объясните, как распределяется напряжение источника между резисторами в последовательной цепи.

4.Объясните, как распределяется ток в параллельных ветвях цепи.

5.Сформулируйте правило для определения направления тока ветви с помощью мультиметра.

6.Предложитедваспособаоценкивнутреннегосопротивленияr0 источниканапряжения.

7.Изобразите схемы замещения источника электрической энергии и сформулируйте понятия идеальных источников ЭДС и тока.

8.Запишите соотношения для эквивалентного перехода от последовательной схемы замещения источника к параллельной.

9.Получите аналитически выражение для условия, при выполнении которого источник Е2 (см. рис. 4) становится потребителем энергии.

10.Изобразите качественно потенциальную диаграмму цепи с двумя источниками (см. рис. 4) при отключенном резисторе R3.

11.Изобразите потенциальную диаграмму цепи с двумя источниками (рис. 4) при их согласном включении. Сформулируйте метод наложения.

12.Используя измеренные значения потенциалов узлов схемы (рис. 4) и закон Ома (для неоднородного участка цепи), найдите токи всех ветвей.

10