ВСТУП

Електротехніка – це наука про методи та технічні засоби виробництва, передачі та застосування електричної енергії. Основою дисципліни „Електротехніка і електромеханіка” є теоретична електротехніка. Практичне закріплення знань з основ електротехніки та електромеханіки проводиться на лабораторних заняттях. Лабораторні заняття включають як експериментальні дослідження, так і теоретичні розрахунки за темою експерименту.

Суть та задачі дисципліни. Дисципліна „Електротехніка і електромеханіка” належить до циклу загальноосвітніх дисциплін, які сприяють формуванню загально-інженерного мислення фахівця.

Метою вивчення дисципліни є набуття навичок аналізу електричних та електронних кіл, розрахунку їх електричних параметрів в усталеному та перехідному режимах.

Вивчення дисципліни „Електротехніка і електромеханіка” потребує знання:

– фізики;

– математики;

– основ програмування.

Виконання лабораторних робіт за даною дисципліною дозволяє студентам проводити натурні експерименти та на практиці закріпити знання отримані на лекційних, практичних та самостійних заняттях.

Порядок виконання лабораторних робіт. Лабораторні роботи виконуються відповідно до розкладу занять або графіка відпрацювань пропущених робіт. Студенти повинні приходити на лабораторні роботи без запізнень. У разі запізнення студенти до виконання лабораторної роботи не допускаються.

На початку першого заняття всі студенти мають ознайомитися з правилами техніки безпеки і розписатися про це в журналі обліку виконання лабораторних робіт. Студенти, які не ознайомилися з правилами техніки безпеки, до виконання лабораторних робіт не допускаються.

Під час виконання лабораторних робіт студенти мають постійно знаходитися поруч з лабораторним стендом. Забороняється залишати включений лабораторний стенд без нагляду, виходити з лабораторії можна лише з дозволу викладача.

При виконанні кожної лабораторної роботи студенти мають вивчити відповідний розділ лекційного матеріалу, ознайомитися з технічним устаткуванням та приладами, які використовуються у даній лабораторній роботі, режимами їх безпечного функціонування.

Перед виконанням лабораторної роботи студенти повинні ознайомитися з порядком виконання конкретної лабораторної роботи відповідно до даних методичних вказівок.

Лабораторні роботи виконуються бригадами студентів з 2 - 4 чоловік.

Для виконання розрахунків у лабораторній роботі студенти повинні мати інженерні калькулятори.

При виконанні лабораторної роботи студенти несуть відповідальність за збереження лабораторного устаткування та порядок на своєму робочому місці.

При порушенні правил проведення лабораторних робіт чи правил техніки безпеки студенти можуть бути відсторонені від виконання даної лабораторної роботи.

При виконанні лабораторної роботи студенти на персональних комп’ютерах у прикладному пакеті Multisim Education Edition 10.1.197 збирають відповідне електричне коло. Результати кожного етапу лабораторної роботи мають надаватися викладачу для перевірки.

Під час виконання лабораторної роботи кожен студент (у бригаді) має мати чернетки з записами проведених вимірювань, які мають зберігатися студентом до здачі лабораторної роботи. При виконанні розрахунків мають записуватися всі проміжні перетворення та обчислення з урахуванням порядку та розмірності електричних величин.

Завершальним етапом виконання лабораторної роботи є складання індивідуального звіту. Звіт має виконуватися відповідно до вимог ДСТУ 3008–95 „Документація. Звіти у галузі науки і техніки”. На кожну лабораторну роботу виконується окремий звіт, який після захисту лабораторної роботи залишається у викладача.

Структура звіту. Звіт має містити:

– титульний аркуш, де вказана назва лабораторної роботи;

– мету виконуваної роботи;

– початкові дані згідно з варіантом;

– перелік та опис використовуваного лабораторного обладнання;

– принципіальні схеми досліджуваних електричних кіл (додаток В);

– результати вимірювань (таблиці, графіки, діаграми);

– результати розрахунків (у тому числі з використанням програмних засобів);

– індивідуальні висновки за результатами виконання роботи.

До початку наступної лабораторної роботи студент має подати викладачеві повністю оформлений звіт про попередню роботу та захистити її.

Організація роботи

Лабораторні роботи виконуються в прикладному пакеті Multisim Education Edition 10.1.197, який дає можливість моделювання роботи електричних схем.

1 Дослідження лінійного електричного кола постійного струму

1.1 Мета роботи

Теоретичне та експериментальне дослідження електричного кола, перевірка методів розрахунку розгалуженого електричного кола, порівняння результатів теоретичного та експериментального дослідження, здобуття практичних навичок роботи з електричними схемами та пристроями.

1.2 Методичні вказівки з організації самостійної роботи студентів

Під час підготовки до лабораторної роботи необхідно ознайомитись з роботою прикладного пакету Multisim Education Edition 10.1.197, опрацювати теоретичний матеріал з розділу „Лінійні електричні кола постійного струму”, ознайомитися із змістом лабораторної роботи та підготувати бланк звіту.

В роботі досліджується лінійне електричне коло (рисунок 1.1), яке має шість резисторів R1-R6 та два ідеальних джерела ЕРС (електрорушійна сила) Е1, Е2, внутрішній опір яких дорівнює нулю. Проводиться теоретичне та експериментальне дослідження електричного кола за допомогою прикладного пакету Multisim Education Edition 10.1.197 з використанням методів контурних струмів, міжвузлових напруг, накладання та еквівалентного генератора.

При теоретичному дослідженні кола складають та розв’язують системи рівнянь, які дозволяють аналітично визначити контурні струми та міжвузлові напруги для даного кола.

Система рівнянь за методом контурних струмів для n контурів має таку канонічну форму запису

(1.1)

де – власний опір n-го контуру;

– опір гілки, спільної для контурів n та m (міжконтурний або взаємний опір);

– контурний струм n-го контуру;

– контурна ЕРС.

Система рівнянь за методом міжвузлових напруг має таку канонічну форму запису:

(1.2)

де – власна провідність п-го вузла;

– взаємна провідність;

– міжвузлова напруга між n-м та базовим вузлами;

– «вузловий» струм.

На рисунку 1.1 вказані позитивні напрями струмів у гілках, позитивні напрями контурних струмів, номери вузлів Дослідження електричного кола проводиться бригадами за варіантами. Варіанти параметрів елементів досліджуваної схеми наведені в таблиці 1.1.

Рисунок 1.1 – Електрична схема досліджуваного кола

Таблиця 1.1– Варіанти параметрів елементів

Вар.	Величина ЕРС, В		Номінали резисторів, Ом
	Е1	Е2	R1	R2	R3	R4	R5	R6
1	20	17	1001	810	696	527	310	206
2		18	1223	802	710	505	300	188
3		19	996	816	727	505	314	191
4		20	980	810	727	494	296	205
5		21	988	821	786	500	323	213
6		22	1000	850	797	508	298	209
7		17	984	825	713	522	320	199
8		18	996	837	728	515	305	203
9		19	983	799	763	532	297	202
10		20	996	812	713	514	288	212
11		21	998	801	706	520	302	204

1.3. Опис лабораторної установки

Головне вікно прикладного пакету Multisim Education Edition 10.1.197 зображено на рисунку 1.2.

Панель вибору групи компонентів

Панель вибору інструментів для вимірювання

Вмикання/вимикання

симуляції

Робоче поле програми

Рисунок 1.2 – Зовнішній вигляд головного вікна програми Multisim Education Edition 10.1.197

При натисканні на будь-яку піктограму на панелі вибору компонентів з’являється вікно вибору компонентів (рисунок 1.3).

Вибір бази даних компонентів

Вибір групи компонентів

Вибір номіналу або типу обраного компонента

Вибір родини компонентів

Рисунок 1.3 – Зовнішній вигляд вікна вибору компонентів

Таким чином, для створення будь-якої електричної схеми потрібно вибрати групу компонентів (наприклад, BASIC), потім родину компонентів (наприклад, RESISTOR), потім номінал або тип обраного компонента (наприклад, 825 Ом) та розмістити елемент на робочому полі. Як тільки елемент розміщено, знов з’являється вікно вибору компонентів.

Для простішого переходу між групами компонентів зручно користуватися списком вибору групи компонентів у вікні вибору компонентів (рисунок 1.4), яке за змістом тотожне панелі вибору групи компонентів.

Розглянемо деякі групи компонентів та які компоненти до них належать:

• група SOURCES (рисунок 1.5). До неї належать різноманітні джерела живлення, джерела току, джерела напруги, загальний провід (земля).

Рисунок 1.5 – Вікно вибору родини компонентів групи SOURCES

• група BASIC (рисунок 1.6). До неї належать найпростіші елементи, такі, як різноманітні резистори (родина RESISTOR), конденсатори (родина CAPACITOR), котушки індуктивності (родина INDUCTOR), трансформатори (родина TRANSFORMER), перемикачі (родина SWICH) та інше.

Рисунок 1.6 – Вікно вибору родини компонентів групи BASIC

Рисунок 1.7 – Властивості компоненту RESISTOR

Якщо при виборі резистора у вікні вибору номіналу елемента немає необхідного номіналу, потрібно обрати найбільш близький за значенням, встановити його на робочому полі. Після цього натиснути на ньому правою кнопкою миші та зайти у пункт меню Properties (рисуок 1.7). У закладці Value у графі Resistance (R) вказати точне значення опору резистора у омах. Інші графи лишити без змін.

1.4 Порядок виконання роботи та методичні вказівки щодо її виконання

1.4.1 Вимірювання струмів в гілках

1.4.1.1 Зібрати схему згідно з рисунком 1.8 з номіналами елементів за варіантом, згідно таблиці 1.1.

Рисунок 1.8 – Схема вимірювання струмів в гілках

Компонент резистор знаходиться в групі BASIC родина RESISTOR. Для вимірювання струмів в гілках необхідно до кожної гілки підключити амперметр, який знаходиться в групі INDICATORS, родина AMMETER. Треба дотримуватись напрямків струмів, як вказано на рисунок 1.1. Для цього потрібно «+» клему амперметру підключати з того боку, звідки тече струм, а «-» клему амперметру з боку, куди тече струм. Для з’єднання між собою елементів схеми потрібно навести курсор миші на край контакту будь якого елементу. Курсор матиме вигляд . Після цього натиснути праву кнопку миші, провести лінію до краю контакту наступного елементу схеми так, щоб курсор миші став червоним і натиснути праву кнопку миші. Якщо з’єднання проведено успішно, на робочому полі з’явиться провідник. Коли схема повністю зібрана треба почати симуляцію за допомогою вимикача симуляції у верхньому правому куті вікна програми (рисунок 1.2). Провести вимірювання струмів у всіх гілках. Результати записати до таблиці 1.2.

Таблиця 1.2 – Експериментальні дані вимірювання струмів у гілках

Результати вимірювань	Струми в гілках, мА
	I1	I2	I3	I4	I5	I6

1.4.1.2 Виміряти часткові струми у гілках при дії кожної з ЕРС окремо, дотримуючись напрямків струмів у цих гілках, як вказано на рисунок 1.1. Струми в гілках досліджуваної електричної схеми формуються завдяки двом джерелам ЕРС. Якщо виміряти часткові струми при дії спочаку одного джерела ЕРС, потім другого і скласти ці значення з урахуванням знаку, то ми отримаємо значення струмів в гілках. Для дослідження часткових струмів зібрати схему згідно з рисунком 1.9 та рисунком 1.10.

Рисунок 1.9 – Схема для вимірювання часткових струмів (при дії Е1)

Рисунок 1.10 – Схема для вимірювання часткових струмів (при дії Е2)

Вимірювання часткових струмів у гілках провести аналогічно п.1.4.1.1. Звернути увагу, що часткові струми при напрямках, вказаних на рисунку 1.1, можуть мати від’ємні значення. Дані вимірювань з урахуванням знаку виміряної величини занести до таблиці 1.3.

Таблиця 1.3 – Експериментальні дані вимірювання часткових струмів у гілках

Результати вимірювань при дії одного джерела ЕРС	Часткові струми в гілках, мА
	I1	I2	I3	I4	I5	I6
Е1
Е2
Сума

1.4.2 Вимірювання міжвузлових напруг

Вимірювання міжвузлових напруг проводиться між вузлами 0, 1, 2, 3, які позначені на рис.1.1. За базовий вузол приймається 0. Підключати три вольтметри до вузлів 1, 2, 3 таким чином, щоб «-» клему підключити до базового вузла 0, а «+» клему – до вузлів 1, 2, 3 (рисунок 1.11). Таким чином виміряти міжвузлові напруги , , . Дані вимірювань з урахування знаку занести до таблиці 1.4.

Рисунок 1.11 – Схема для вимірювання міжвузлових напруг

Таблиця 1.4 – Результати вимірювань міжвузлових напруг

Результати вимірювань	Міжвузлові напруги, В

1.4.3 Вимірювання напруги холостого ходу

У вказаній викладачем гілці кола вилучити резистор та записати величину його опору (для прикладу це буде резистор ). На місце відключеного резистора підключити вольтметр та виміряти напругу холостого ходу у розімкненій гілці кола (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Приклад схеми для вимірювання напруги холостого ходу у гілці з резистором

1.4.4 Вимірювання струму короткого замикання

У тій же гілці кола, де вилучено резистор , виміряти струм короткого замикання . Для цього замість вольтметру на місце вилученого резистора підключити амперметр у розімкнену гілку кола (рисунок 1.13).

Рисунок 1.13 – Приклад схеми для вимірювання струму короткого замикання у гілці з резистором

1.4.5 Обробка результатів вимірювань

1.4.5.1 Розрахувати повні струми у гілках, використовуючи дані вимірювань часткових струмів за п. 1.3.1.2. Повні струми розраховуються за методом накладання. Доповнити табл.1.3 результатами розрахунків повних струмів.

1.4.5.2 Розрахувати внутрішній опір еквівалентного генератора за п.1.4.3 та 1.4.4 як: . Розрахувати струм у заданій гілці кола, використовуючи метод еквівалентного генератора:

. (1.3)

Для гілки з резистором формула матиме вигляд

1.4.6 Теоретичний розрахунок параметрів кола

Теоретичний розрахунок параметрів досліджуваного електричного кола проводиться методами контурних струмів та міжвузлових напруг, які базуються на складанні та розв’язанні систем алгебраїчних рівнянь.

1.4.6.1 Розрахувати струми в гілках методом контурних струмів. З цією метою скласти систему рівнянь (1.1), у якій визначити власні і взаємні опори та контурні ЕРС (за варіантом, таблиця 1.1). Розв’язати систему рівнянь та визначити струми у гілках за отриманими значеннями контурних струмів. Доповнити таблицю 1.2 рядком розрахунків за методом контурних струмів.

1.4.6.2 Розрахувати струми в гілках методом міжвузлових напруг, поклавши нульовий вузол за базовий (див. рисунок 1.1). З цією метою скласти систему рівнянь (1.2), у якій визначити власні та взаємні провідності та вузлові струми (за варіантом, таблиця 1.1 ). Розв’язати систему рівнянь та визначити міжвузлові напруги, доповнити таблицю 1.4 рядком розрахункових значень. За розрахованими значеннями міжвузлових напруг визначити струми у гілках кола за законом Ома. Доповнити таблицю 1.2 рядком розрахунків за методом міжвузлових напруг.

1.4.7 Порівняння експериментальних та теоретичних результатів

1.4.7.1 За даними таблиці 1.2 порівняти експериментальні значення струмів з даними теоретичних розрахунків, пояснити розбіжність між теоретичними та експериментальними даними.

1.4.7.2 Для заданого викладачем вузла перевірити виконання першого закону Кірхгофа за експериментальними значеннями струмів (таблиця 1.2).

1.4.7.3 Порівняти результати розрахунків двома теоретичними методами: контурних струмів та міжвузлових напруг. Пояснити причини розбіжності між даними, якщо вони є.

1.4.7.4 Порівняти експериментальні дані вимірювань струмів за табл. 1.2 та результат їх розрахунку за методом накладання (таблиця 1.3), пояснити розбіжність між цими даними.

1.4.7.5 За даними таблиці 1.4 порівняти експериментальні значення міжвузлових напруг з даними теоретичних розрахунків, пояснити розбіжність між теоретичними та експериментальними даними.

1.4.7.6 Порівняти значення струму у заданій гілці кола, розрахованого за методом еквівалентного генератора (1.1), зі значенням цього ж струму у таблиці 1.2.

1.5 Зміст звіту

Звіт має містити:

– назву роботи;

– мету роботи;

– схему електричну принципову досліджуваного кола з позначеними напрямками струмів у гілках, контурних струмів та вузлів;

– дані варіанта параметрів досліджуваного кола з таблиці 1.1.;

– результати вимірювань за пп.1.4.2 - 1.4.4;

– дані обробки результатів вимірювань за п.1.4.5;

– дані теоретичних розрахунків за п.1.4.6;

– висновки за п.1.4.7.

1.6 Контрольні запитання та завдання та завдання

1. Дати визначення ЕРС, напруги, падіння напруги, струму.

2. Записати закон Ома для пасивної та активної ділянки кола.

3. Сформулювати перший та другий закони Кірхгофа. Викласти порядок розрахунку кола методом законів Кірхгофа.

4. У чому суть принципу накладання та розрахунку кола методом накладання?

5. Викласти сутність методу контурних струмів та методу міжвузлових напруг.

6. Викласти порядок розрахунку кола методом еквівалентного генератора.

7. Як визначаються власний та міжконтурний опір?

8. Як визначається вузлова та міжвузлова провідність?

9. За якими критеріями визначається оптимальний метод розрахунку електричного кола?

10. Проаналізувати задане викладачем електричне коло, застосовуючи запропонований метод аналізу.