УЧЕБНО-МЕТОДИЧНСКОЕ ПОСОБИЕ ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Магнитогорский государственный университет»

Кафедра прикладной математики и вычислительной техники

ТРОФИМОВ ЕВГЕНИЙ ГЕННАДЬЕВИЧ

УЧЕБНО-МЕТОДИЧНСКОЕ ПОСОБИЕ ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ. КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

Магнитогорск 2010

СОДЕРЖАНИЕ

ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА» 6

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ 6

I. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. Исследование электрической цепи синусоидального тока при последовательном соединении активного, индуктивного и емкостного сопротивлений 7

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 7

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 7

2.1. Общие положения и определения. 7

2.2. Электрические цепи с активным сопротивлением, индуктивностью и ёмкостью 11

2.3. Последовательное соединение элементов с параметрами R, L, С 14

3. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА 19

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ 19

4.1. Экспериментальная часть 19

4.2. Обработка результатов эксперимента 20

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 24

II. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2. Исследование электрической цепи синусоидального тока при параллельном соединении элементов цепи 25

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 25

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКТЕ СВЕДЕНИЯ 25

2.1. Параллельное соединение приёмников в цепях синусоидального тока 25

2.2. Повышение коэффициента мощности в электрических цепях переменного тока 28

3. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА 30

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ 30

4.1. Экспериментальная часть 30

4.2. Обработка результатов эксперимента 32

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 34

III. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3. Исследование режима работы трёхфазной электрической цепи синусоидального тока при соединении приёмников энергии по схеме «звезда» 37

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 37

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 37

2.1. Общие положения и определения 37

2.2. Соединение приёмников по схеме четырёхпроводная звезда 38

2.3 Режимы работы трёхфазной цепи, соединённой по схеме четырёхпроводная звезда 42

2.4. Соединение приёмников по схеме трёхпроводная звезда 48

3. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА 58

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ 59

4.1. Экспериментальная часть 59

4.2. Обработка результатов эксперимента 61

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 64

IV. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4. Исследование режимов работы трёхфазной электрической цепи синусоидального тока при соединении фаз приёмников энергии по схеме «треугольник» 66

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 66

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 66

2.1. Общие положения и определения 66

2.2.Трехпроводная цепь. Соединение приемников по схеме «треугольник» 68

2.3. Режимы работы трехфазной цепи, соединенной по схеме «треугольник» 70

3. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА 80

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ 81

4.1. Экспериментальная часть 81

4.2. Обработка результатов эксперимента 84

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 84

V. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5. Исследование электроизмерительных приборов и способов расширения пределов измерения приборов 86

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 86

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 86

2.1. Общие положения и определения 86

2.2. Приборы магнитоэлектрической системы 90

2.3. Приборы электромагнитной системы 94

2.4. Приборы электродинамической и ферродинамической системы 97

2.5. Измерение тока в цепях постоянного тока 101

2.6. Измерение напряжения в цепях постоянного тока. 103

2.7. Измерение тока в цепях переменного тока 106

2.8. Расширение пределов измерения вольтметров в цепях переменного тока 107

2.9. Измерение мощности в цепях постоянного и переменного тока. 109

3. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА 110

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 112

VI. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6. Исследование электрической цепи синусоидального тока при последовательном соединении активного, индуктивного и емкостного сопротивлений в режиме резонанса напряжений 114

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 114

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 114

2.1. Общие положения и определения. 114

3. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА 120

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ 120

4.1. Экспериментальная часть 120

4.2. Обработка результатов эксперимента 121

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 122

VII. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7. Исследование электрической цепи синусоидального тока при параллельном соединении активного, индуктивного и емкостного сопротивлений в режиме резонанса токов 124

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 124

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 124

2.1. Общие положения и определения. 124

3. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА 128

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ 129

4.1. Экспериментальная часть 129

4.2. Обработка результатов эксперимента 130

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 131

VIII. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8. Исследование однофазного трансформатора 133

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ 133

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ 133

2.1. Общие положения и определения 133

2.2. Режимы работы трансформатора 136

2.3. Внешняя характеристика трансформатора 139

3. ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА 140

4. ПРОГРАММА РАБОТЫ 141

4.1. Экспериментальная часть 141

4.2. Обработка результатов эксперимента 142

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 144

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА» 145

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРАКТИЧЕСКИМ ЗАНЯТИЯМ 145

IX. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №1. Расчет электрических цепей с использованием законов Ома и Кирхгофа 145

1. Вопросы для подготовки к занятиям 145

2. Расчет цепи с одним источником питания 146

2.1. Анализ и решение задачи 1 146

2.2. Дополнительные вопросы к задаче 1. 147

3. Расчет сложных цепей при помощи уравнений Кирхгофа 147

3.1. Анализ и решение задачи 2 148

3.2. Дополнительные вопросы к задаче 2 149

4. Самостоятельная работа студента 150

X. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №2. Методы расчета сложных цепей 153

1. Вопросы для подготовки к занятиям 153

2. Расчет цепи методом узлового напряжения 153

2.1. Анализ и решение задачи 1 154

2.2. Дополнительные вопросы к задаче 1 154

3. Расчет цепей методом эквивалентного генератора 155

3.1. Анализ и решение задачи 2 156

3.2. Дополнительные вопросы к задаче 2 157

4. Самостоятельная работа студента 158

XI. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №3. Расчет цепи переменного тока с последовательным соединением элементов 161

1. Вопросы для подготовки к занятиям 161

2. Расчет электрических параметров цепи 161

2.1. Анализ и решение задачи 1 162

3. Расчет цепи методом комплексных чисел 163

3.1. Дополнительные вопросы к задаче 1 165

4. Определение параметров потребителя по опытным данным 165

4.1. Анализ и решение задачи 2 166

4.2. Дополнительные вопросы к задаче 2 166

4. Самостоятельная работа студента 167

XII. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №4. Расчет сложных цепей переменного тока 170

1. Вопросы для подготовки к занятиям 170

2. Расчет цепи с параллельным соединением элементов 171

2.1. Анализ и решение задачи 1 171

2.2. Дополнительные вопросы к задаче 1 174

3. Расчет разветвленной электрической цепи 176

3.1. Анализ и решение задачи 2 176

3.2. Дополнительные вопросы к задаче 2 180

4. Самостоятельная работа студента 181

XIII. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №5. Магнитные и нелинейные цепи 185

1. Вопросы для подготовки к занятиям 185

2. Примеры решения прямой и обратной задачи для магнитных цепей 187

3. Самостоятельная работа студента 193

XIV. ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ №6. Расчет трехфазных цепей при соединении потребителей звездой и треугольником 197

1. Вопросы для подготовки к занятиям 197

2. Расчет цепей при соединении источников и потребителей звездой 198

2.1. Анализ и решение задачи 1 198

2.2. Дополнительные вопросы к задаче 1 200

3. Расчет цепей при соединении треугольником 200

3.1. Анализ и решение задачи 2 201

3.2. Дополнительные вопросы к задаче 2 203

3.3. Анализ и решение задачи 3 204

3.4. Дополнительные вопросы к задаче 3 205

4. Самостоятельная работа студента 205

КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА» 207

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КОНТРОЛЬНЫМ РАБОТАМ 207

XV. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №1. Расчёт разветвлённой электрической цепи синусоидального тока 209

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 209

1. Предварительные теоретические сведения 209

1.1. Последовательное соединение активных и реактивных элементов 209

1.2. Векторная диаграмма напряжений для неразветвленной цепи 211

1.3. Проводимости и их связь с сопротивлениями 212

1.4 Общий случай разветвленной цепи 214

2. РАСЧЕТ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА СО СМЕШАННЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ 217

2.1 Содержание домашнего задания 217

2.2 Пример расчета электрической цепи со смешанным соединением элементов 218

XVI. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2. Расчёт трёхфазной электрической цепи синусоидального тока 228

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 228

1. Предварительные теоретические сведения 228

1.1. Общие положения и определения 228

1.2. Соединение фаз приемников схеме четырехпроводная звезда 230

1.3. Соединение фаз приемника по схеме «треугольник» 234

1.4. Мощность трехфазной цепи 238

2. РАСЧЕТ ТРЕХФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ 239

2.1. Содержание домашнего задания 239

2.2. Пример расчета трехфазной электрической цепи 241

XVII. ВОПРОСЫ К ТЕСТАМ ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА» 251

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕСТОВЫМ ЗАДАНИЯМ 251

1. Вопросы к тесту по теме «Электрические цепи постоянного тока» 251

2. Вопросы к тесту по теме «Электрические однофазные цепи» 271

3. Вопросы к тесту по теме «Электрические трёхфазные цепи» 291

1.4. Вопросы к тесту по теме «Трансформаторы» 310

5. Вопросы к тесту по теме «Электроизмерительные приборы и электрические измерения» 320

6. Вопросы к тесту по теме «Асинхронные двигатели» 326

7. Вопросы к тесту по теме «Машины постоянного тока» 330

ЛИТЕРАТУРА 332

ПРИЛОЖЕНИЯ 334

Лабораторные работы по курсу «электротехника» общие методические указания к лабораторным работам

При подготовке к лабораторным работам студенты должны в обязательном порядке:

1. ознакомиться по руководству с целью, программой и средствами эксперимента;

2. составить заготовку отчета в соответствии с требованиями, предъявляемыми к отчету;

3. уяснить теоретические положения, объясняющие явления и процессы в предстоящем эксперименте;

4. ответить на вопросы, приведенные в конце данного руководства.

Выполнение перечисленных пунктов служит основанием для допуска студентов к выполнению лабораторной работы.

I. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1. Исследование электрической цепи синусоидального тока при последовательном соединении активного, индуктивного и емкостного сопротивлений

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение основных законов неразветвленной цепи переменного тока.

Освоение методики расчета и построения векторных диаграмм при последовательном соединении элементов.

2. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

2.1. Общие положения и определения.

Электромагнитный процесс в электрической цепи, при котором мгновенные значения напряжений и токов повторяются через равные промежутки времени, называется периодическим.

Наименьшее время, по истечении которого мгновенные значения периодической величины повторяются, называется периодом Т (с).

Величина, обратная периоду, т. е. число периодов в единицу времени, определяет частоту.

, .

Преобладающим видом процесса в электрических цепях является синусоидальный режим, характеризующийся тем, что все напряжения, токи и ЭДС являются синусоидальными функциями одинаковой частоты рис. 1.

где- u, i, e — мгновенные значения соответствующей периодической величины;

,, — максимальные (амплитудные) значения;

— скорость изменения (угла), называемая угловой частотой:

, .

Аргумент функции вида , определяющий стадию изменения синусоидальной величины, называется фазовым углом или фазой, а ,,— начальная фаза (при t = 0), определяется смещением синусоиды, относительно начала координат, она измеряется абсциссой точки перехода отрицательной полуволны в положительную.

Рисунок 1. Временные диаграммы тока, напряжения и ЭДС

При совместном рассмотрении нескольких синусоидальных функций одной частоты разность их фаз, равной разности начальных фаз, называют углом сдвига фаз ().

Например, угол сдвига фаз между напряжением и током

.

Следует отметить, что мгновенные значения токов, напряжений и ЭДС не показательны в оценке их величин.

Синусоидальную функцию времени можно изобразить вектором, равным амплитуде данной функции, равномерно вращающимся с угловой скоростью ω. При этом начальное положение вектора определяется (для t=0) его начальной фазой (см. рис. 2).

Рисунок 2. Вращающийся вектор тока и график изменения тока во времени

При изображении синусоидальной ЭДС, напряжений и токов из начала координат проводят векторы, равные амплитудным значениям этих величин, под углом к горизонтальной оси. Положительные углы откладываются против часовой стрелки.

Если вращать вектор против часовой стрелки, то в любой момент времени он составит с горизонтальной осью угол, равный . Проекция вращающегося вектора на ось ординат (ось мгновенных значений) равна мгновенному значению синусоидальной величины.

Совокупность векторов на плоскости, изображающих ЭДС, напряжения, токи одной частоты, называют векторной диаграммой.

При исследовании установившихся режимов векторы неподвижны, их длина равна действующим значениям электрических величин.

С помощью векторов можно производить геометрическое суммирование электрических величин.

Так, на рисунке 3. показан вектор I_m расположенный в начальный момент (t=0) к исходной оси под углом равным начальной фазе и вращающийся в положительную сторону с угловой частотой w.  Тогда проекция этого вектора на ось ординат будет равна мгновенному значению функции для этого момента времени, соответствующего положению этого вращающегося вектора. Угол _i обозначает  начальную фазу тока.

Рисунок 3. Диаграмма вращающегося вектора тока

Векторные диаграммы широко используются при анализе электрических цепей переменного тока.

Переменный ток обычно характеризуется его действующим или среднеквадратичным значением :

.

Следовательно, действующее значение синусоидального тока равно 0,707 от амплитудного. Действующее значение переменного тока i равно такому постоянному току, который за время одного периода Т выделит в сопротивлении столько тепла, что и переменный ток

Аналогично:

.

Номинальные токи и напряжения электрических устройств определяются, как правило, действующими значениями. Приборы электромагнитной, электродинамической и тепловой систем показывают действующие значения периодически изменяющихся величин.