Некоммерческое акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра теоретических основ электротехники
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ
для студентов всех форм обучения
специальности 5В071700 – Теплоэнергетика
Алматы 2011
СоставителИ: Амиров Ж.Х., Баймаганов А.С. Электротехника и электроника. Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 5В071700 – Теплоэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2011. – 60 с.
Описание включает в себя методические указания и задания к выполнению двенадцати лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника».
Каждая лабораторная работа содержит следующие разделы: цель работы, подготовка к работе, контрольные вопросы, программа и порядок выполнения работы, выводы по работе. Приведены исследуемые электрические схемы, соответствующие таблицы, где должны фиксироваться результаты расчётов и экспериментов, даны пояснения по реализации каждого пункта задания.
Лабораторные работы предназначены для студентов специальности 5В071700 – «Теплоэнергетика» всех форм обучения.
Ил. 39, табл. 52, библиограф. – 9 назв.
Рецензент: канд. техн. наук, профессор Б. Д. Хисаров
Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2010 г.
Ó НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2011 г.
Введение 4
Порядок выполнения и правила оформления отчетов лабораторных работ 5
1 Лабораторная работа. Исследование линейной электрической цепи постоянного тока 8
2 Лабораторная работа. Исследование линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока 11
3 Лабораторная работа №3. Исследование резонанса напряжений 13
4 Лабораторная работа. Исследование трехфазной электрической цепи при соединении «звезда – звезда» 16
5 Лабораторная работа. Исследование переходных процессов в линейной электрической цепи первого порядка 18
6 Лабораторная работа. Исследование однофазного трансформатора 21
7 Лабораторная работа. Исследование генератора постоянного тока с независимым возбуждением. 26
8 Лабораторная работа. Исследование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. 30
9 Лабораторная работа. Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. 34
10 Лабораторная работа. Исследование полупроводниковых выпрямителей 42
11 Лабораторная работа. Исследование логических элементов 46
12 Лабораторная работа. Исследование операционного усилителя 51
Список литературы 59
Для повышения качества усвоения нового материала, формирования у студентов творческого мышления и инженерных навыков большое значение имеют лабораторные занятия.
Данные методические указания содержат описания обязательных лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника» для студентов специальности 5В071700 – Теплоэнергетика. Лабораторные задания представляют собой комплекс работ экспериментального и расчетного характера по исследованию линейных электрических цепей постоянного тока, линейных электрических цепей синусоидального однофазного и трехфазного токов, переходных процессов в линейных электрических цепях, электрических машин, трансформатора и электронных схем. Все лабораторные работы выполняются фронтальным методом после изложения материала данной темы на лекции.
Практическая реализация лабораторных занятий по дисциплине «Электротехника и основы электроники» на кафедре ТОЭ обеспечивается комплектом типового лабораторного оборудования ЭОЭ2-Н-Р.
Комплект оборудования для исследования слаботочных электрических цепей и электронных схем включает в себя: наборную панель НП2 для сборки исследуемых схем, блок генераторов БГН3 постоянного напряжения, трехфазного синусоидального напряжения и напряжений специальной формы, универсальные цифровые измерительные приборы, осциллограф и соединительные провода.
Комплект оборудования для исследования электрических машин и трансформатора включает в себя: трехфазный источник питания ТИП5 с линейным напряжением 380В, источник питания двигателя постоянного тока ИПД3, однофазный источник питания ОИП1 с напряжением 220В, регулируемый автотрансформатор РАТ4, преобразователь частоты, трехполюсный выключатель ТВ3, трехфазный выпрямитель ВП1, трехфазную трансформаторную группу ТТГ3, блок двигателей мощностью 90Вт и 120Вт, электромашинную нагрузку ЭМН2, активную нагрузку АН4, реостат Р2, указатель частоты вращения УЧВ5, измеритель активной и реактивной мощностей ИМ5, амперметр АМ2, блок из трех мультиметров БМ8 и набор соединительных проводов. Стенд питается от сети трехфазного напряжения 380В, частотой 50Гц. Потребляемая мощность не более 500ВА.
Блок генераторов БГН3 для слаботочных схем включает в себя:
– «Генератор постоянных напряжений», состоящий из одного источника регулируемого стабилизированного напряжения от 0 до 15В с током до 0,2А и двух источников с нерегулируемым напряжением 15В и током до 0,2А;
– «Генератор напряжений специальной формы» представляет собой регулируемый стабилизированный источник переменного напряжения трёх форм сигнала. Напряжение регулируется от 0 до 10В при токе до 0,2А. Диапазон частот 0,2…20кГц.
– «Генератор синусоидальных напряжений» содержит однофазный источник с напряжением 24В и трехфазный источник с фазным напряжением 7В, частотой 50Гц и допустимым током до 0,2А.
К каждому стенду прилагается набор пассивных элементов, включающий резисторы постоянные мощностью 2Вт номиналом от 10Ом до 1МОм, резисторы переменные номиналом 1кОм и 10кОм, конденсаторы керамические номиналом от 0,01мкФ до 1,0мкФ, конденсаторы электролитические номиналом 10мкФ, 100мкФ и 470мкФ, катушки индуктивности номиналом 10мГн, 40мГн и 100мГн, диоды, индикаторные лампы и светодиоды, фоторезистор, нелинейные резисторы, симистор, тиристор, варикап, биполярные и полевые транзисторы и операционный усилитель.
Лабораторные работы №1 – №5 можно также выполнить на компьютере в программе EWB (Electronics Workbench). Описание программы и примеры её применения приведены в Л[7] и Л[8].
Порядок выполнения и правила оформления отчетов лабораторных работ
Задание на выполнение соответствующей лабораторной работы студент получает на предыдущем занятии (за 1…2 недели).
Каждый студент самостоятельно заготавливает отчет для выполнения лабораторной работы, знакомится с целью лабораторного задания, основными теоретическими положениями проводимых экспериментов.
Перед выполнением экспериментальной части студент проходит собеседование по вопросам подготовки, показывает преподавателю подготовленный отчет для выполнения лабораторной работы и получает допуск к выполнению работы.
После выполнения экспериментальной части отчет дооформляется: проводится сравнение теоретических расчетов с данными, полученными в эксперименте, строятся необходимые графики и диаграммы. В заключении делаются выводы по работе.
Отчет по лабораторной работе защищается каждым студентом на текущем или следующем лабораторном занятии.
К выполнению следующей лабораторной работы допускается студент, выполнивший и защитивший предыдущую лабораторную работу.
Отчет должен содержать титульный лист и следующие разделы:
1. Цель работы.
2. Основные теоретические положения и ответы на вопросы подготовки.
3. Краткие сведения об эксперименте.
4. Принципиальная схема исследуемой цепи.
5. Расчетные формулы, вычисления, предполагаемые графики и диаграммы исследуемых электрических величин и режимов цепи.
6. Результаты исследования (таблицы, графики, диаграммы, числовые значения параметров и электрических величин).
7. Выводы.
Титульный лист, разделы 1-6, таблицы для раздела 6 подготавливаются до начала лабораторной работы. Отчеты оформляются на листах белой или линованной бумаги формата А4 (210 ´ 297мм), которые заполняются с одной стороны. В тексте, написанном четко и аккуратно пастой одного цвета или оформленном на компьютере, допускается применение только общепринятых обозначений или сокращений, расшифрованных при первом упоминании.
Предлагается примерная форма титульного листа.
Алматинский университет энергетики и связи
Кафедра «Теоретические основы электротехники»
Дисциплина «Электротехника и электроника»
Отчёт по работе № ____
(полное наименование работы)
Работа выполнена (дата выполнения)
Студентом (фамилия и инициалы)
Группа (шифр группы)
Совместно со студентами .
Отчет принят (дата принятия отчета)
Преподаватель (подпись)
Алматы 2011
1 Лабораторная работа. Исследование линейной электрической цепи постоянного тока
1.1 Цель работы: экспериментальная проверка основных методов расчета цепей постоянного тока таких, как законы Кирхгофа, метод контурных токов, метод узловых потенциалов, метод эквивалентного генератора, а также условия передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному.
1.2 Подготовка к работе
Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.
1.3 Контрольные вопросы
1.3.1 Как с помощью амперметра и вольтметра определить величину сопротивления резистора?
1.3.2 Как включить универсальный измерительный цифровой прибор для измерения тока в ветви схемы?
1.3.3 Как включить универсальный измерительный цифровой прибор для измерения напряжения на элементе схемы?
1.3.4 Для исследуемой схемы составить следующие системы уравнений:
– по законам Кирхгофа;
– по методу контурных токов;
– по методу узловых потенциалов.
1.3.5 В чём суть метода контурных токов и метода узловых потенциалов?
1.3.6 В чём суть метода эквивалентного генератора?
1.3.7 Назовите условие передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному.
1.4 Программа и порядок выполнения работы
1.4.1 Начертить заданную схему электрической цепи и указать на ней произвольно выбранные направления токов в ветвях. Варианты исследуемой схемы приведены на рисунке 1.1. Значения параметров указаны в таблице 1.1. Обычно вариант задания соответствует порядковому номеру бригады.
Таблица 1.1 – Варианты исследуемой схемы и значения параметров
|
Вариант |
№ схемы |
E1, В |
E2, В |
R1, Ом |
R2, Ом |
R3, Ом |
R, Ом |
|
1 |
1 |
15 |
7 |
220 |
330 |
150 |
47 |
|
2 |
2 |
9 |
15 |
470 |
680 |
330 |
220 |
|
3 |
3 |
15 |
12 |
680 |
1000 |
470 |
150 |
1.4.2 Измерить фактические параметры элементов заданной электрической цепи с помощью универсального измерительного цифрового прибора. Результаты измерений занести в таблицу 1.2
Таблица 1.2 – Результаты измерения параметров резисторов
|
Элемент цепи |
R1 |
R2 |
R3 |
R |
|
R, Ом |
|
|
|
|
схема 1 схема 2 схема 3
Рисунок 1.1 – Варианты исследуемых схем
1.4.3 Рассчитать токи в ветвях исследуемой цепи одним из предложенных преподавателем методов по заданным значениям ЭДС E1 и E2 и измеренным в п. 1.4.2 значениям резисторов.
Результаты расчета занести в таблицу 1.3 в строку «Расчёт».
1.4.4 Собрать схему своего варианта. Установить заданные значения ЭДС E1 и Е2 и резисторов. Измерить токи в ветвях и напряжения на элементах цепи. Амперметр включается в разрыв ветви таким образом, чтобы направление тока совпадало с направлением от «+» к «–» прибора. Тогда прибор покажет величину и знак тока, соответствующий выбранному направлению. Вольтметр включается параллельно элементу цепи таким образом, чтобы направление напряжения на нём совпадало с направлением от «+» к «–» прибора. Тогда прибор покажет величину и знак напряжения на этом элементе, соответствующий выбранному направлению. Необходимо помнить, что направление падения напряжения на пассивном элементе совпадает с направлением тока в нём.
Минусовая клемма прибора обычно имеет черный цвет и помечена знаком «*» или «com».
Результаты измерений занести в таблицу 1.3 в строку «Эксперимент».
Таблица 1.3 – Измеренные значения напряжений и токов цепи
|
|
E1, В |
E2, В |
I1, мА |
I2, мА |
I3, мА |
UR1, В |
UR2, В |
UR3, В |
UR, В |
|
Эксперимент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Расчёт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
d, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Правильность определения значения и направления измеренных величин подтвердить подстановкой их в уравнения, составленные по первому и второму законам Кирхгофа.
1.4.5 Рассчитать для узла 1 схемы погрешность di, % измерения токов, отнеся алгебраическую сумму токов, сходящихся в узле к наибольшему из них. Результаты расчёта занести в таблицу 1.4.
Таблица 1.4 – Погрешность определения токов
|
Узел цепи |
SI, мА |
Imax, мА |
di, % |
|
1 |
|
|
|
1.4.6 Рассчитать для двух контуров схемы погрешность du, % измерения напряжений, отнеся алгебраическую сумму напряжений в контуре, включая напряжения на источниках ЭДС, к наибольшему из них. Результаты расчёта занести в таблицу 1.5.
Таблица 1.5 – Погрешность определения напряжений
|
Контур цепи |
SU, В |
Umax, В |
du, % |
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
1.4.7 Рассчитать ток в ветви с резистором R методом эквивалентного генератора, параметры которого (ЭДС Eэг и входное сопротивление Rэг) необходимо определить экспериментально. Для этого измерить напряжение холостого хода Uхх на зажимах схемы, куда было подключено сопротивление R, предварительно удалив его из схемы. Затем измерить ток короткого замыкания Iкз, включив вместо резистора R амперметр.
Определить параметры эквивалентного генератора
, 
.
Рассчитать искомый ток 
.
Рассчитать параметры эквивалентного генератора ЭДС Eэг и входное сопротивление Rэг теоретически и сравнить полученные результаты с экспериментальными значениями.
1.4.8 Проверить
условие передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к
пассивному. Для этого вместо постоянного R
включить переменный резистор и, изменяя его величину от 0 (режим короткого
замыкания ветви) до 
(режим холостого хода),
записать показания амперметра и вольтметра, предварительно включив их для измерения
тока и напряжения на переменном резисторе. Показания приборов занести в таблицу
1.6. Рассчитать сопротивление переменного резистора R,
мощность P, выделяемую в нем и построить график
зависимости P = f (I) или P = f (R).
Таблица 1.6 – Измерения в ветви с переменным резистором
|
U, В |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
I, мА |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
R, Ом |
0 (кз) |
|
|
|
|
|
¥ (хх) |
|
Р, мВт |
0 |
|
|
|
|
|
0 |
По графику определить максимальную мощность Pmax и соответствующий ей ток I. Рассчитать сопротивление нагрузки (переменного резистора) Rнагр., при котором в ней выделяется максимальная мощность
.
Сравнить полученное значение с величиной Rэг, рассчитанной в п. 1.4.7. Сделать заключение об условии передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному.
1.5 Выводы по работе
Сделать выводы по работе в целом, обратив внимание на причины возможных расхождений расчетных величин с экспериментальными.
2 Лабораторная работа. Исследование линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока
2.1 Цель работы: приобретение навыков проведения измерений напряжения и тока в синусоидальном режиме. Определение параметров элементов цепи по действующим значениям напряжения и тока, а также выполнение эквивалентных преобразований и расчёта разветвлённых электрических цепей синусоидального тока.
2.2 Подготовка к работе
Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.
2.3 Контрольные вопросы
2.3.1 Что называют периодом T, линейной f и угловой w частотами синусоидальной функции времени? Взаимосвязь между ними.
2.3.2 Какова связь между действующим и амплитудным значениями тока, напряжения или ЭДС?
2.3.3 Что собой представляют треугольники сопротивлений, проводимостей и мощностей?
2.3.4 Законы Ома и Кирхгофа в дифференциальной форме записи.
2.3.5 Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме записи.
2.3.6 Какова зависимость индуктивного XL и ёмкостного XC сопротивлений от частоты?
2.3.7 Порядок построения векторных диаграмм токов и напряжений.
2.3.8 Порядок построения топографической диаграммы напряжений.
2.3.9 Действия с комплексными числами.
2.4 Программа и порядок выполнения работы
2.4.1 Начертить заданную схему электрической цепи и указать на ней произвольно выбранные направления токов в ветвях. Варианты исследуемых схем приведены на рисунке 2.1. Значения параметров элементов схемы указаны в таблице 2.1. Обычно вариант задания соответствует порядковому номеру бригады.
схема 1 схема 2 схема 3
Рисунок 2.1 – Варианты исследуемых схем
Таблица 2.1 – Варианты исследуемой схемы и значения параметров
|
Вариант схемы |
Uвх, В |
f, Гц |
R, Ом |
R1, Ом |
R2, Ом |
L, мГн |
L1, мГн |
L2, мГн |
C, мкФ |
C1, мкФ |
C2, мкФ |
|
1 |
5 |
1000 |
220 |
330 |
150 |
– |
– |
100 |
– |
1,0 |
– |
|
2 |
7 |
1900 |
– |
390 |
330 |
– |
40 |
– |
0,47 |
– |
0,056 |
|
3 |
9 |
2500 |
– |
220 |
470 |
10 |
– |
10 |
– |
0,1 |
– |
В качестве источника питания использовать регулируемый стабилизированный источник переменного напряжения трёх форм сигнала, предварительно переключив его в режим синусоидальных колебаний. Установить на входе цепи заданные согласно варианта задания напряжение Uвх и частоту f .
2.4.2 Собрать схему цепи, измерить токи в ветвях и напряжения на ее элементах, а также напряжения на участках 2-3 U23 и a-b Uab. Результаты измерений занести в таблицу, подобную таблице 2.2, которая приведена в качестве примера для схемы 1.
Таблица 2.2 – Результаты расчета и измерений
|
|
I, мА |
I1, мА |
I2, мА |
UR, В |
UR1, В |
UR2, В |
UC1, В |
UL2, В |
U23, В |
Uab, В |
|
измерения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
расчет |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
δ, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Задавшись вектором тока I в неразветвленной части цепи, в выбранных масштабах тока mi [мА/см] и напряжения mu [В/см] построить векторную диаграмму токов и напряжений всей цепи. Необходимо воспользоваться циркулем, чтобы построить треугольник токов по известным трем сторонам треугольника. Для этого из начала вектора тока I делаем засечку циркулем радиусом, равным току I1, а из конца вектора I радиусом, равным току I2. Точка пересечения засечек определяет направления токов I1 и I2. Аналогично можно построить и соответствующие треугольники напряжений. На основании полученной векторной диаграммы построить топографическую диаграмму напряжений цепи. По топографической диаграмме определить напряжение на участке a-b цепи. Сравнить результаты, полученные из построения топографической диаграммы с полученными в эксперименте.
2.4.3 По данным п. 2.4.2 рассчитать на основании закона Ома значения сопротивлений R, XL, XC, а также индуктивность L и емкость C элементов заданной схемы. Ввиду относительной малости активных сопротивлений катушек индуктивности, ими можно пренебречь. Результаты расчёта внести в таблицу, подобную таблице 2.2, приведённую в качестве примера для схемы 1.
Таблица 2.2 – Значения параметров элементов схемы
|
R, Ом |
R1, Ом |
R2, Ом |
XC1, Ом |
C1, мкФ |
XL2, Ом |
L2, мГн |
|
|
|
|
|
|
|
|
2.4.4 По найденным в п. 2.4.3 значениям сопротивлений рассчитать полное комплексное сопротивление участка 2-3 цепи Z23, а затем полное комплексное входное сопротивление цепи Zвх. На основании закона Ома для участка цепи рассчитать комплексы действующих значений токов в ветвях цепи. Сравнить расчётные значения токов с полученными в эксперименте. Рассчитать также полную S, активную P и реактивную Q мощности всей цепи.
2.5 Выводы по работе
Следует обратить внимание на эквивалентность выполненных преобразований цепи и на причины расхождения результатов расчёта и эксперимента.
3 Лабораторная работа №3. Исследование резонанса напряжений
3.1 Цель работы: ознакомиться на практике с явлением резонанса напряжений, возникающим в последовательном колебательном контуре. Приобрести навыки расчета основных характеристик резонансного контура по заданным параметрам контура и по резонансной кривой контура, полученной экспериментально.
3.2 Подготовка к работе
Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.
3.3 Контрольные вопросы
3.3.1 Что называют явлением резонанса?
3.3.2 Перечислите виды резонанса и электрические цепи, в которых они могут возникнуть?
3.3.3 Назовите условие, при котором в электрической цепи будет наблюдаться явление резонанса?
3.3.4 Назовите основной признак режима электрической цепи, когда в ней наблюдается явление резонанса?
3.3.5 Приведите определения основных характеристик резонансного контура: добротности Q, резонансной частоты ω0, f0 и характеристического сопротивления ρ?
3.3.6 Приведите расчетные формулы для определения основных характеристик резонансного контура:
а) по известным параметрам контура R, L и C;
б) по резонансной кривой контура I(f).
3.3.7 Приведите расчетные формулы для определения параметров схемы замещения последовательного колебательного контура R, L и C по его известным основным характеристикам ω0, Q, ρ.
3.4 Программа и порядок выполнения работы
3.4.1 Собрать схему резонансного контура, рисунок 3.1, установив параметры элементов схемы для своего варианта. Варианты параметров схемы приведены в таблице 3.1.
Таблица 3.1 – Варианты параметров исследуемой схемы
|
Вариант |
L, мГн |
Rкат, Ом |
C, мкФ |
Rдоб1, Ом |
|
1 |
100 |
измерить |
0,1 |
100 |
|
2 |
40 |
измерить |
0,22 |
220 |
|
3 |
22 |
измерить |
0,47 |
330 |
Рисунок 3.1 – Схема последовательного колебательного контура
В качестве источника использовать генератор сигналов специальной формы, предварительно переключив его в режим синусоидальных колебаний. Установить напряжение на входе цепи 5…9 В и в процессе всего эксперимента поддерживать неизменным, контролируя его величину вольтметром. В качестве амперметра и вольтметра использовать цифровые универсальные измерительные приборы, предварительно переключив их в режим измерения переменного (АС) напряжения и тока, соответственно, и выбрав необходимый предел измеряемой величины (например, для вольтметра 20В, а для амперметра 40мА).
3.4.2 Рассчитать резонансную частоту циклическую ω0 и линейную f0, добротность Q, и характеристическое сопротивление ρ контура. Рассчитать добавочное сопротивление контура Rдоб2. такое, чтобы суммарное активное сопротивление контура RΣ=Rкат.+ Rдоб2 увеличилось в два раза. Добротность контура при этом Q2 будет в два раза меньше, чем Q1.
Занести полученные результаты в строку «расчет» сводной таблицы результатов, таблица 3.3.
3.4.3 Измерить значения тока контура для диапазона частот от 0,2f0 до 2f0, I (f) для двух значений добротности Q1 и Q2. Результаты измерений занести в таблицу 3.2.
Таблица 3.2 – Результаты измерения параметров
|
f, Гц |
|
|
|
|
f0 |
|
|
|
|
Примечание |
|
I, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q1, Rдоб1 |
|
I, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q2, Rдоб2 |
3.4.4 По результатам измерений пункта 3.4.3 построить резонансные кривые контура I=f(f) для двух значений добротности Q1 и Q2. По резонансным кривым определить граничные частоты f1гр и f2гр, полосы пропускания контуров и рассчитать фактические значения добротностей.
Обратите внимание на то, что контур с большей добротностью имеет меньшую полосу пропускания.
Рассчитать фактические значения резонансной частоты ω0, f0, характеристического сопротивления ρ, суммарного активного сопротивления контура RΣ, индуктивности L и емкости C. Результаты расчетов занести в строку «эксперимент» сводной таблицы результатов, таблица 3.3.
Таблица 3.3 – Cводная таблица результатов расчета и измерений
|
|
|
ω0 |
f0 |
Q |
ρ |
RΣ |
L |
C |
|
Q1, Rдоб1 |
расчет |
|
|
|
|
|
|
|
|
эксперимент |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Q2, Rдоб2 |
расчет |
|
|
|
|
|
|
|
|
эксперимент |
|
|
|
|
|
|
|
3.4.5 Для граничных и резонансной частот, например, в контуре с добротностью Q1, измерить значения напряжений на элементах контура. Записать измеренные значения. По результатам измерений построить векторные диаграммы тока и напряжений для трех частот: меньше резонансной (f1гр), резонансной (f0) и больше резонансной (f2гр). По векторной диаграмме сделать вывод о характере входного сопротивления контура для этих частот.
3.5 Выводы по работе
Сделать выводы по работе в целом, обратив внимание на причины возможных расхождений расчетных величин с экспериментальными.
4 Лабораторная работа. Исследование трехфазной электрической цепи при соединении «звезда – звезда»
4.1 Цель работы: исследование основных свойств трехфазных цепей при их соединении по схемам «звезда – звезда» без нулевого и с нулевым проводом в симметричном, несимметричном и аварийном режимах.
4.2 Подготовка к работе
Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.
4.3 Контрольные вопросы
4.3.1 Что называется соединением в звезду?
4.3.2 Что называется симметричной и несимметричной системой ЭДС?
4.3.3 Что называется симметричной и несимметричной нагрузкой?
4.3.4 Что называется линейным и фазным напряжением? Связь между ними при соединении нагрузки в звезду и в треугольник.
4.3.5 Роль нулевого провода в трехфазной системе.
4.3.6 Правила построения топографической диаграммы напряжений и векторной диаграммы токов.
4.4 Программа и порядок выполнения работы
4.4.1 Собрать цепь по схеме, приведенной на рисунке 4.1, без нулевого провода. В качестве источника использовать симметричный трехфазный источник с фазным напряжением 7 В частотой 50 Гц. В качестве симметричной нагрузки – резисторы номиналом 1 кОм. Обозначить на схеме и измерить значения фазных и линейных токов и напряжений нагрузки, а также напряжение смещения между нейтралями UnN при следующих режимах работы:
– симметричном;
– несимметричном, при уменьшении в два раза сопротивления одной из фаз нагрузки (бригада 1 – в фазе А, бригада 2 – в фазе В, бригада 3 – в фазе С);
– несимметричном, при обрыве одного из линейных проводов.
Рисунок 4.1 – Схема соединения трехфазной цепи «звезда-звезда»
Результаты измерений занести в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 – Результаты измерений в схеме без нулевого провода
|
Режим |
IA, мА |
IB, мА |
IC, мА |
Uan, В |
Ubn, В |
Ucn, В |
Uab, В |
Ubc, В |
Uca, В |
UnN, В |
|
Симметричный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сопрот. фазы уменьш. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обрыв линейн. провода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.4.2 По данным таблицы 4.1 построить топографические диаграммы напряжений и векторные диаграммы токов для каждого режима работы, из которых определить действующие значения напряжения смещения нейтралей нагрузки и источника UnN и сопоставить их с измеренными значениями.
4.4.3 Собрать четырехпроводную цепь с нулевым проводом, для чего между точками n и N включить нейтральный провод (на схеме на рисунке 4.1 он обозначен пунктиром). Измерить значения фазных и линейных токов и напряжений, а также ток в нейтральном проводе IN, задавая режимы работы согласно п. 4.2.1. Результаты измерений занести в таблицу 4.2.
Таблица 4.2 – Результаты измерений в схеме с нулевым проводом
|
Режим |
IA, мА |
IB, мА |
IC, мА |
IN, мА |
Uan, В |
Ubn, В |
Ucn, В |
Uab, В |
Ubc, В |
Uca, В |
|
Симметричный |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сопрот. фазы уменьш. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обрыв линейн. провода |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4.4.4 По данным таблицы 4.2 построить топографические диаграммы напряжений и векторные диаграммы токов для каждого режима работы, из которых определить значения тока в нулевом проводе IN и сопоставить их с измеренными значениями.
4.5 Выводы по работе
Оцените роль нулевого провода. Необходимо обратить внимание на возможные последствия обрыва нулевого провода в несимметричных и аварийных режимах.
5 Лабораторная работа. Исследование переходных процессов в линейной электрической цепи первого порядка
5.1 Цель работы: экспериментальная проверка законов коммутации и расчетных соотношений для постоянной времени электрической цепи t, а также исследование влияния параметров электрической цепи на характер переходного процесса.
5.2 Подготовка к работе
Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.
5.3 Контрольные вопросы
5.3.1 Какой процесс называют переходным, и в каких цепях наблюдаются переходные процессы?
5.3.2 В чем смысл законов коммутации?
5.3.3 Что называется постоянной времени электрической цепи t?
5.3.4 Как зависит постоянная времени от параметров RC или RL цепи?
5.3.5 Какова продолжительность переходного процесса теоретически и на практике при решении большинства инженерных задач с точностью до 3%?
5.3.6 Написать уравнения изменения uC(t), uL(t) и i(t) в процессе заряда и разряда конденсатора в RC цепи и индуктивности в RL цепи.
5.3.7 Как по графикам uC(t), uL(t) и i(t) определить постоянную времени цепи?
5.4 Программа и порядок выполнения работы
В работе используются генератор напряжений специальной формы, конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы, универсальные цифровые измерительные приборы и осциллограф. Генератор напряжений специальной формы переключить в положение генерирования прямоугольных импульсов напряжения и установить частоту 250 Гц. Он создает периодически повторяющийся переходный процесс. Это позволяет наблюдать кривые мгновенных значений напряжения в переходном процессе на экране осциллографа.
5.4.1 Исследовать переходный процесс в цепи первого порядка на примере заряда и разряда конденсатора и индуктивности на активное сопротивление (RC и RL цепи). Сопротивления резисторов R1 и R2, индуктивность L и ёмкость конденсатора C, используемых в работе, указаны для трёх вариантов в таблице 5.1. Напряжение источника питания U = 5 В.
Таблица 5.1 – Варианты параметров R1, R2, L и C.
|
Вариант |
R1, кОм |
C, мкФ |
R2, Ом |
L, мГн |
Rкат., Ом |
|
1 |
1,0 |
0,47 |
100 |
20 |
измерить |
|
2 |
2,2 |
0,22 |
220 |
40 |
измерить |
|
3 |
4,7 |
0,1 |
300 |
100 |
измерить |
Рисунок 5.1 – Схема для исследования RC цепи
5.4.2 Собрать цепь по схеме на рисунке 5.1. Исследовать переходный процесс в RC цепи, наблюдая осциллограммы напряжения uC(t) и тока iC(t) конденсатора.
Непосредственно кривую мгновенных значений тока с помощью осциллографа наблюдать невозможно, так как последний имеет большое входное сопротивление и включается как вольтметр, параллельно элементу схемы для измерения напряжения на нем. Воспользуемся тем, что на активном сопротивлении законы изменения во времени напряжения и тока совпадают с точностью до постоянного множителя, а именно: iR = uR/R. Таким образом, подключив на вход осциллографа напряжение на резисторе R1, который включен последовательно с конденсатором, можно наблюдать кривую мгновенных значений тока конденсатора в масштабе mu/R1, где mu – цена деления осциллографа по вертикали (В/дел.).
Необходимо получить кривые напряжения uC(t) и тока iC(t) в удобном для наблюдения масштабе. Определить, пользуясь масштабами осциллографа по вертикали mu(В/дел.) и по горизонтали mt(мс/дел.), начальное значение тока разряда конденсатора iC(0), напряжение на конденсаторе в начале процесса разряда uC(0), а также постоянную времени цепи разряда t.
Конденсатор заряжается через резистор R1, когда ключ S находится в положении 1. На рисунке 5.2 этому состоянию цепи соответствует интервал времени слева от t = 0, равный 2 мс, соответствующий половине периода частоты переключения ключей f = 250 Гц.
Цепь разряда конденсатора образуется, когда ключ S находится в положении 2. На рисунке 5.2 этому состоянию цепи соответствует интервал времени справа от t = 0, равный также 2 мс.
Два способа определения постоянной времени t из эксперимента:
а) t равна интервалу времени между двумя мгновенными значениями напряжения или тока, отличающимися в e раз, где e = 2,718 – основание натурального логарифма;
б) t равна длине подкасательной, взятой на асимптоте экспоненты. Этот способ показан на рисунке 5.2.
Результаты измерений занести в таблицу 5.2 в графу «эксперимент».
Таблица 5.2 – Результаты исследования в схеме на рисунке 5.1
|
Величина |
Расчёт |
Эксперимент |
Погрешность d, % |
|
iC(0), мА |
|
|
|
|
uC(0), В |
|
|
|
|
t, мс |
|
|
|
Рисунок 5.2 – Кривые мгновенных значений uC(t) и iC(t) в RC цепи
5.4.3 Сфотографировать или зарисовать с экрана осциллографа на кальку зависимости uC(t) и iC(t) и представить их в отчете в виде графиков подобно кривым, приведенным на рисунке 5.2.
5.4.4 По известным напряжению источника питания U, сопротивлению резистора R1 и ёмкости C конденсатора рассчитать значения iC(0), uC(0) и t. Занести их в графу «расчёт» в соответствующие строки таблицы 5.2. Определить погрешность расхождения результатов расчёта и эксперимента d, %.
5.4.5 Аналогично исследовать переходный процесс в RL цепи. Значения R2 и L заданы для трёх вариантов в таблице 5.1. Исследуемая схема приведена на рисунке 5.3.
Рисунок 5.3 – Схема для исследования RL – цепи
Результаты расчетов и измерений занести в таблицу 5.3.
Таблица 5.3 – Результаты исследования RL цепи, схема на рисунке 5.3
|
Величина |
Расчёт |
Эксперимент |
Погрешность d, % |
|
iL(0), мА |
|
|
|
|
uL(0), В |
|
|
|
|
t, мс |
|
|
|
5.5 Выводы по работе
Сделать выводы о влиянии значения параметров R, L и C на характер и длительность переходного процесса, о точности выполненных измерений, а также об экспериментальной проверке законов коммутации.
6 Лабораторная работа. Исследование однофазного трансформатора
6.1 Цель работы: ознакомиться с устройством, принципом действия и характеристиками однофазного трансформатора. Освоить методы исследования трансформаторов.
6.2 Описание используемой аппаратуры
Электрическая схема соединений приведена на рисунке 6.1.
Таблица 6.1 – Перечень используемой аппаратуры
|
Обозначение |
Наименование |
Тип |
Параметры |
|
А1 |
Регулятор автотрансформатор |
318.1 |
~ 0…240В/2А |
|
А2 |
Трехфазная трансформаторная группа |
347.1 |
3х80 ВА; 230В/242, 235, 230, 226, 220, 137, 127В. |
|
A10 |
Активная нагрузка |
306.1 |
220В/3х0…50Вт |
|
А13 |
Реостат |
323.2 |
2х0…100Ом/1А |
|
Р1 |
Блок мультиметров |
508.2 |
3 мультиметра ~ 0…700В/0…10А; = 0…1000В/0…10А; 0…20 МОм. |
|
Р2 |
Измеритель мощностей |
507.2 |
15; 60; 150; 300В/ 0,05; 0,1; 0,2; 0,5А. |
Автотрансформатор А1 используется в качестве источника регулируемого синусоидального напряжения промышленной частоты f = 50 Гц.
В качестве исследуемого используют один из однофазных трансформаторов трехфазной трансформаторной группы А2.
Блоки А10 и А13 используются в качестве нагрузки трансформатора.
С помощью мультиметров блока Р1 измеряют ток и напряжение в обмотках трансформатора, а также сопротивления элементов цепи.
С помощью измерителя мощности Р2 измеряют активную и реактивную мощности, потребляемые трансформатором.
Указания по проведению лабораторной работы
6.3 Опыт холостого хода
6.3.1 Установить регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее левое положение. Убедиться, что устройства, используемые в работе, отключены от сети питания.
6.3.2
Соединить гнезда защитного заземления «
» устройств, используемых в работе, с гнездом
«РЕ» автотрансформатора А1.
6.3.3 Соединить аппаратуру в соответствии с электрической схемой.
6.3.4 Включить измерительные блоки выключателями «СЕТЬ».
6.3.5 Включить мультиметры блока Р1, предварительно переключив их в режим измерения переменного напряжения и тока, соответственно, и выбрав необходимый предел измеряемой величины: для вольтметра 700В, а для амперметра 40мА.
6.3.6 Подать напряжение электропитания 220В на первичную обмотку автотрансформатора А1, включив выключатель «СЕТЬ» этого блока.
6.3.7 Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1, увеличивать напряжение U1 на выводах первичной обмотки исследуемого трансформатора от 0 до 240В. Произвести шесть – семь измерений. Занести показания вольтметра Р1.1 (напряжения U1 и U2 измерять поочередно) и амперметра Р1.2 (ток I0 первичной обмотки трансформатора), а также ваттметра и варметра измерителя мощности Р2 (активная Р0 и реактивная Q0 мощности, потребляемые трансформатором) в таблицу 6.2.
Таблица 6.2 – Результаты измерений в опыте холостого хода
|
U1, B |
30 |
70 |
110 |
150 |
150 |
220 |
230 |
|
U2, B |
|
|
|
|
|
|
|
|
I0, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
P0, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
Q0, вар |
|
|
|
|
|
|
|
6.3.8 Отключить выключатель «СЕТЬ» блока автотрансформатора и установить регулятор выходного напряжения в положение 0.
6.3.9 По данным таблицы 6.2, вычислить для каждого значения входного напряжения U1 соответствующие значения коэффициента мощности по формуле
.
Занести полученные результаты в таблицу 6.3
Таблица 6.3 – Результаты вычислений в опыте холостого хода
|
U1, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
cosφ0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рисунок 6.1 – Электрическая схема соединений для испытания трансформатора |
|||||||||
6.3.10
По данным таблиц 6.2 и 6.3 построить на одном графике характеристики холостого
хода трансформатора:
.
6.3.11 По показаниям приборов определить:
- коэффициент трансформации трансформатора
;
- полное, активное и реактивное сопротивления ветви намагничивания
, 
, и 
;
- полную мощность трансформатора в режиме холостого хода
.
6.4 опыт короткого замыкания
Опыт короткого замыкания проводится при замкнутых выводах вторичной обмотки трансформатора (зажимы 1 и 2 соединить проводом).
6.4.1 Выбрать необходимый предел измеряемой величины мультиметров блока Р1: для вольтметра 20В, а для амперметров 2А.
6.4.2 Плавно вращая рукоятку автотрансформатора А1 по часовой стрелке, увеличивайте напряжение, начиная с нуля так, чтобы ток I1к первичной обмотки однофазного трансформатора (показания амперметра Р1.2) изменялся от 0 до 0,5А. Произвести шесть – семь измерений. Занести показания амперметра Р1.2 (ток I1к), вольтметра Р1.1 (напряжение U1к), а также ваттметра и варметра измерителя мощности Р2 (активная Р1к и реактивная Q1к мощности, потребляемые трансформатором) в таблицу 6.4.
Таблица 6.4 – Результаты измерений в опыте короткого замыкания
|
U1к, B |
2 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12,8 |
15 |
|
I1к, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
P1к, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
Q1к, вар |
|
|
|
|
|
|
|
6.4.3 Отключть выключатель «СЕТЬ» блока автотрансформатора и установить регулятор напряжения в положение 0.
6.4.4 По данным таблицы 6.4 вычислить для каждого значения входного напряжения U1к соответствующие значения коэффициента мощности по формуле
.
Занести полученные результаты в таблицу 6.5.
Таблица 6.5 – Результаты вычислений в опыте короткого замыкания
|
U1к, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
cosφ1к |
|
|
|
|
|
|
|
6.4.5 По данным таблиц 6.4 и 6.5 построить характеристики короткого замыкания однофазного трансформатора:
и 
.
6.4.6 По показаниям приборов определить:
- параметры продольных ветвей схемы замещения трансформатора:
, 
, 
;
-
полную мощность трансформатора 
.
6.5 Испытание трансформатора под нагрузкой
Подключить нагрузку А10 к вторичной обмотке трансформатора (к зажимам 1 и 2) через амперметр Р1.3. К зажимам 1 и 2 также подключить дополнительный вольтметр для измерения напряжения на нагрузке. Установить предел измерения этого вольтметра 200В. Предел измерения вольтметра, подключенного к первичной обмотке трансформатора 700В.
На первичной обмотке трансформатора установить напряжение Uн=220В и поддерживать его неизменным.
Одновременно переключая регулировочные рукоятки нагрузки А10 от 0 до 100%, увеличивайте ток вторичной обмотки трансформатора. Произвести шесть – семь измерений. Для снятия последнего измерения подключить реостат А13 (установить сопротивление 200 Ом) вместо А10. Занести полученные результаты в таблицу 6.6.
Таблица 6.6 – Результаты измерений испытания под нагрузкой
|
U1, B |
220 |
220 |
220 |
220 |
220 |
220 |
220 |
|
U2, B |
|
|
|
|
|
|
|
|
I1, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
I2, мА |
|
|
|
|
|
|
|
|
P1, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
Q1, вар |
|
|
|
|
|
|
|
По данным таблицы рассчитать:
- коэффициент нагрузки трансформатора
I2 /I2н;
- активную мощность нагрузки
где cosφ2=1, так как нагрузка активная;
- полную мощность трансформатора
;
- коэффициент мощности трансформатора
cosφ1=P1/S1;
- коэффициент полезного действия трансформатора
.
По измеренным и вычисленным данным построить внешнюю U2=f(I2) и рабочие характеристики трансформатора: I1=f(I2), cosφ1=f(I2) и η=f(I2).
Начертить Т-образную схему замещения трансформатора.
Рисунок 6.2. – Т-образная схема замещения трансформатора
6.6 Выводы по работе
Сделать выводы о влиянии режима работы трансформатора на его рабочие характеристики. Определить оптимальный режим работы трансформатора.
7 Лабораторная работа. Исследование генератора постоянного тока с независимым возбуждением.
7.1 цель работы: изучить устройство генератора постоянного тока с независимым возбуждением, получить опытным путем основные характеристики генератора.
7.2 Описание электрической схемы соединений
Электрическая схема соединений приведена на рисунке 7.1.
Источник G1 – трехфазный источник синусоидального напряжения промышленной частоты f = 50 Гц используется для питания приводного двигателя генератора.
Источник G2 – источник регулируемого постоянного напряжения, который используется для питания постоянным напряжением обмотки возбуждения машины постоянного тока G/M, работающей в режиме генератора с независимым возбуждением.
Преобразователь угловых перемещений G5 генерирует импульсы, частота которых пропорциональна скорости вращения вала генератора. Импульсы поступают на вход указателя частоты вращения РЗ вала якоря генератора.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М1, вращающий якорь генератора, получает питание от источника G1 через выключатель А6.
Блок мультиметров Р1 используется для измерения тока возбуждения Iв, ЭДС Е0, а также тока I и напряжения U испытуемого генератора G/M.
Перечень используемой аппаратуры приведен в таблице 7.1.
Таблица 7.1 – Перечень используемой аппаратуры
|
Обозначение |
Наименование |
Тип |
Параметры |
|
G1 |
Трехфазный источник питания |
202.2 |
~ 400 В/16 А |
|
G2 |
Источник регулируемого постоянного напряжения |
206.1 |
= 0…250 В/3 А (якорь) |
|
G/M |
Машина постоянного тока |
104.2 |
90 Вт/220 В/0,56А (якорь)/ 2х110 В/0,25 А (возбужд.) |
|
G5 |
Преобразователь угловых перемещений |
104 |
6 выходных каналов/2500 импульсов за1 оборот |
|
M1 |
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором |
106 |
~ 380 В/120 Вт 1500 об/мин |
|
A16 |
Трехполюсный выключатель |
301.1 |
~ 400 В/10 А |
|
A10 |
Активная нагрузка |
306.1 |
220 В/3х0…50 Вт |
|
A11 |
Реостат возбуждения машин постоянного тока |
308.1 |
0…2000 Ом/0,3 А |
|
А13 |
Реостат |
323.2 |
2х0…100 Ом/1 А |
|
Р1 |
Блок мультиметров 3 мультиметра |
508.2 |
~ 0…700 В/0…10 А = 0…1000 В/10 А 0…20 МОм |
|
P3 |
Указатель частоты вращения |
506.2 |
– 2000…0…2000 об/мин |
7.3 Указания по подготовке и проведению эксперимента
7.3.1 Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
7.3.2
Соединить гнезда защитного заземления «» устройств, используемых в эксперименте с
гнездом «РЕ» трехфазного источника питания G1.
7.3.3 Соединить аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединений, приведенной на рисунке 7.1.
7.3.4 Переключатели режима работы источника G2 и выключателя А6 установить положение «ручн.».
7.3.5 Регулировочную рукоятку источника G2 повернуть против часовой стрелки до упора (положение 0).
7.3.6 включить выключатели «сеть» блока мультиметров Р1 и указателя частоты вращения Р3. Включить мультиметры блока Р1 и установить необходимые режимы и пределы измеряемой величины.
7.3.7 Включить источник G1. о наличии напряжения фаз на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.
|
|
Рисунок 7.1 – Электрическая схема соединений для исследования генератора постоянного тока |
7.3.8 Включить выключатель А6 кнопкой «ВКЛ». При этом двигатель М1 должен начать вращаться.
7.3.9 Включить выключатель «СЕТЬ» и нажать кнопку «ВКЛ» источника G2.
7.4 снятие характеристики холостого хода E0 = f(Iв)
7.4.1 Отключить активную нагрузку А10 от генератора.
7.4.2 Плавно вращая регулировочную рукоятку источника G2, увеличивайте ток возбуждения Iв генератора G/М в диапазоне от 0 до 0,2 А. Произвести шесть – семь измерений и занести показания амперметра Р1.1 (ток возбуждения Iв) и вольтметра Р1.2 (э.д.с. Е0 генератора) в таблицу 7.2.
7.4.3 вращая регулировочную рукоятку источника G2 в обратном направлении, уменьшайте ток Iв в диапазоне от 0,2 до 0 А. Произвести шесть – семь измерений и занести показания амперметра Р1.1 (ток возбуждения Iв) и вольтметра Р1.2 в таблицу 7.2.
Таблица 7.2 – Характеристика холостого хода генератора
|
Iв, А (восходящая) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Е0, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
Iв, А (нисходящая) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Е0, В |
|
|
|
|
|
|
|
По данным таблицы 7.2 построить восходящую и нисходящую ветви характеристики холостого хода генератора E0 = f(Iв).
7.5 Снятие внешней U =f(I) и регулировочной Iв= f(I) характеристик
7.5.1 подключить активную нагрузку А10 к генератору.
7.5.2 Вращая регулировочную рукоятку источника G2, установить и поддерживать неизменным в ходе эксперимента ток возбуждения Iв равным, например 0,1 А.
7.5.3 Одновременно переключая регулировочные рукоятки нагрузки А10 от 0 до 100%, увеличивайте ток якорной обмотки генератора. Произвести шесть – семь измерений и занести показания амперметра Р.1.1(ток I) и вольтметра Р.1.2(напряжения U якорной обмотки генератора) в таблицу 7.3.
Таблица 7.3 – Внешняя характеристика генератора
|
I, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
U, В |
|
|
|
|
|
|
|
7.5.4 Верните регулировочные рукоятки активной нагрузки А10 в положение 0%.
7.5.5 Установите, путем регулирования тока возбуждения Iв, напряжение U в якорной обмотке генератора равным примерно 140 В.
7.5.6 Перемещая регулировочные рукоятки активной нагрузки А10 по часовой стрелке и поддерживая путем регулирования тока возбуждения Iв, напряжение U неизменным и равным 140В, измеряйте ток Iя якорной обмотки генератора и занесите показания амперметров Р.1.1(ток Iя) и Р.1.3 (ток возбуждения Iв) в таблицу 7.4.
Таблица 7.4 – Регулировочная характеристика генератора
|
Iя, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
Iв, В |
|
|
|
|
|
|
|
7.5.7 По завершении эксперимента у источника G2 поверните регулировочную рукоятку против часовой стрелки до упора, нажмите кнопку "ОТКЛ" и отключите выключатель "СЕТЬ". Отключите выключатель А6 и нажмите кнопку "ОТКЛ". Отключите источник G1: нажмите на кнопку «гриб» и отключите пакетный выключатель. Отключите выключатель "СЕТЬ" выключателя А6, блока мультиметров Р1 и указателя частоты вращения Р3.
7.5.8 По данным таблиц 7.3 и 7.4 постройте для генератора:
- внешнюю характеристику U =f(I) при n=const, Iв= const(таблица 7.3);
- регулировочную характеристику Iв = f(Iя) при Uя= const.(таблица 7.4).
8 Лабораторная работа. Исследование двигателя постоянного тока с независимым возбуждением.
8.1 Цель работы: изучение устройства двигателя постоянного тока с независимым возбуждением, построение по опытным данным характеристик двигателя.
8.2 Описание электрической схемы соединений
Электрическая схема соединений приведена на рисунке 8.1.
Источник G1 –источник синусоидального напряжения промышленной частоты.
Источник питания G2 двигателя постоянного тока используется для питания регулируемым напряжением обмотки возбуждения машины постоянного тока, работающей в режиме двигателя.
Преобразователь угловых перемещений G5 генерирует импульсы, поступающие на вход указателя частоты вращения Р3.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором М1 выполняет роль электромагнитного тормоза, статорная обмотка которого питается постоянным током через выпрямитель А18 от регулируемого автотрансформатора А1.
С помощью мультиметров блока Р1 контролируются ток и напряжение якорной обмотки двигателя М2.
Перечень используемой аппаратуры приведен в таблице 8.1.
Таблица 8.1 – Перечень используемой аппаратуры
|
Обозначение |
Наименование |
Тип |
Параметры |
|
G1 |
Трехфазный источник питания |
201.2 |
~ 400В/16А |
|
G2 |
Источник питания двигателя постоянного тока |
206.1 |
= 0…250В/3А (якорь) |
|
G5 |
Преобразователь угловых перемещений "В" |
104 |
6 выходных каналов/2500 импульсов за один оборот |
|
M1 |
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором |
106 |
~ 120В/380В/1500 оборотов в минуту |
|
М2 |
Машина постоянного тока |
101.2 |
90Вт/220В/0,56А (якорь) 2х110В/0,25А (возбуждение) |
|
A1 |
Регулируемый автотрансформатор |
318.1 |
~ 0…240В/2А |
|
A18 |
Выпрямитель |
322 |
~400В/2А |
|
Р1 |
Блок мультиметров 3 мультиметра |
508.2 |
~ 0…700В/0…10А = 0…1000В/10А 0…20 Мом |
|
P3 |
Указатель частоты вращения |
506.2 |
–2000…0…2000 об/мин |
8.3 Указания по подготовке и проведению эксперимента
8.3.1 Убедитесь, что устройства, используемые в эксперименте, отключены от сети электропитания.
8.3.2
Соедините гнезда защитного заземления "" устройств, используемых в эксперименте
с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1.
8.3.3 Соедините аппаратуру в соответствии с электрической схемой соединения.
8.3.4 Переключатели режима работы источника G2 установите в положение "ручн.".
8.3.5 Регулировочную рукоятку источника G2 и автотрансформатора А1 поверните против часовой стрелки до упора.
8.3.6 включите выключатель "сеть" блока мультиметров Р1 и указателя частоты вращения Р3.
8.3.7 включите мультиметры блока Р1.
8.3.8 Включите источник G1. о наличии напряжения на его выходе должны указывать светящиеся лампочки.
8.3.9 Включите выключатель "СЕТЬ" и нажмите кнопку "ВКЛ" источника G2.
|
|
Рисунок 8.1 – Электрическая схема соединений для исследования двигателя постоянного тока |
8.4 Снятие рабочих характеристик двигателя и его механической характеристики M = f(n)
8.4.1 Вращая регулировочную рукоятку источника G2, разгоните двигатель М2 до частоты вращения n, например, равной 1500 об/мин.
8.4.2 включите выключатель "сеть" автотрансформатора А1.
8.4.3 Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1, изменяйте ток якоря Iя (ток не должен превышать значения 1А) двигателя М2 и занесите показания амперметра Р1.1 (ток Iя), вольтметра Р1.2 (напряжения якоря двигателя М2), амперметра Р1.3 (ток возбуждения Iв двигателя М2) и указателя Р3 (частоты вращения n) в таблицу 8.2.
Таблица 8.2 – Характеристики двигателя постоянного тока
|
Iя, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uя, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Iв, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n, об/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8.4.4 По завершении эксперимента сначала у автотрансформатора А1, а затем у источника G2 поверните регулировочную рукоятку против часовой стрелки до упора и отключите выключатели "СЕТЬ". Отключите источник G1 нажатием на красную кнопку "гриб".
8.4.5 Используя данные таблицы 8.2, измеренное значение активного сопротивления обмотки возбуждения Rв и напряжение возбуждения Uв двигателя М2, для каждого значения частоты вращения n вычислите и занесите в таблицу 8.3 соответствующие значения рабочих характеристик:
- мощности на валу двигателя М2 по эмпирической формуле (справедливой при Iв=0…0,8 А и n=500…1250 об/мин)
, Вт;
- мощности, потребляемой двигателем М2 из сети
, Вт;
- электромагнитного момента двигателя М2
, Н·м;
- коэффициента полезного действия двигателя М2
.
Таблица 8.3 – Рабочие характеристики двигателя постоянного тока
|
n, об/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р2, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Р1, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М, Н·м |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
η, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
- Используя данные таблицы 8.3, построить искомые рабочие характеристики P1=f(P2), M=f(P2), η=f(P2) и механическую характеристику M=f(n) двигателя постоянного тока.
9 Лабораторная работа. Исследование асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
9.1 Цель работы: изучение устройства асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, построение опытным путем характеристик двигателя.
9.2 Описание электрической схемы соединений
Электрическая схема соединений приведена на рисунке 9.1.
Испытуемый асинхронный двигатель М1 получает питание через выключатель А6 и трехфазные трансформаторные группы А2, А7 от трехфазного источника питания синусоидального напряжения G1.
С помощью амперметра и вольтметра блока мультиметров Р1 контролируются ток статорной обмотки и линейное напряжение испытуемого двигателя М1.
С помощью измерителя мощности Р2 контролируются активная и реактивная мощности, потребляемые одной фазой, испытуемого двигателя М1.
9.3 Указания по подготовке и проведению эксперимента
9.3.1
Соедините гнезда защитного заземления "" устройств, используемых в эксперименте
с гнездом "РЕ" трехфазного источника питания G1.
9.3.2 Переключатели режима работы выключателей А6 и А8 установите в положение "ручн.".
9.3.3 В трансформаторной группе А2 установите поминальное напряжение 220В.
9.3.4 включите выключатель "сеть" блоков, задействованных в эксперименте.
9.3.5 Включите мультиметры блока Р1.
9.3.6 Включите источник G1. о наличии напряжения на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.
Перечень используемой аппаратуры приведен в таблице 9.1.
Таблица 9.1 – Перечень используемой аппаратуры
|
Обозначение |
Наименование |
Тип |
Параметры |
|
G1 |
Трехфазный источник питания |
201.2 |
~ 400 В/16 А |
|
G2 |
Источник питания двигателя постоянного тока |
206.1 |
-0…250 В/3 А(якорь) -200 В/1 А(возбуждение) |
|
G4 |
Машина постоянного тока |
101.2 |
90 Вт/220 В/0,55 А (якорь) 2х110 В/0,25А(возбуждение) |
|
G5 |
Преобразователь угловых перемещений |
104 |
6 выходных каналов/ 2500 импульсов за оборот |
|
M1 |
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором |
106 |
120 В/~380 В/1500 оборотов в минуту |
|
А2 |
Трехфазная трансформаторная группа |
347.1
|
3х80 ВА; 230 В/242, 235, 230, 226, 220, 133, 127 В |
|
A6 |
Трехполюсный выключатель |
301.1 |
~400 В/10 А |
|
A10 |
Активная нагрузка |
306.1 |
220В/3х0…50Вт |
|
Р1 |
Блок мультиметров |
508.2 |
3 мультиметра » 0…1000 В/ » 0…10 А 0…20 Мом |
|
Р2 |
Измеритель мощностей |
507.2
|
15; 60; 150; 300;600В/ 0,05; 0,1; 0,2; 0,5А |
|
Р3 |
Указатель частоты вращения |
506.2 |
-2000…0…2000 об/мин |
|
|
Рисунок 9.1 – Электрическая схема соединений для опытов холостого хода и короткого замыкания
|
9.4 Опыт холостого хода
9.4.1 Запустите двигатель М1 нажатием кнопки "ВКЛ" выключателя А6.
9.4.2 Изменяя положение регулировочных рукояток трансформаторных групп А2 и А7, варьируйте подводимое к двигателю М1 линейное напряжение U в диапазоне от 100 до 250В и занесите показания вольтметра Р1.1, амперметра Р1.2 (фазный ток I0 двигателя М1), а также ваттметра и варметра измерителя Р2 (активная Р01 и реактивная Q01 мощность, потребляемые одной фазой асинхронного двигателя) в таблицу 9.2.
Таблица 9.2–Характеристики одной фазы асинхронного двигателя
|
U1, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
I0, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р01, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
Q01, вар |
|
|
|
|
|
|
|
9.4.3 Отключите источник G1.
9.4.4 Отключите выключатель "СЕТЬ" блоков, задействованных в эксперименте.
9.4.5 используя данные таблицы 9.2, вычислите соответствующие напряжению U активную Р0 и реактивную Q0 мощности, потребляемые двигателем М1 по трем фазам:
Р0=3·Р01, Q0=3·Q01.
Занесите полученные результаты в таблицу 9.3.
Таблица 9.3 – Характеристики трех фаз асинхронного двигателя
|
U, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р0, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
Q0, вар |
|
|
|
|
|
|
|
9.4.6 используя данные таблицы 9.3, вычислите соответствующие напряжению U значения коэффициента мощности
.
Занесите полученные результаты в таблицу 9.4.
Таблица 9.4 – Коэффициент мощности асинхронного двигателя
|
U, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
cosφ0 |
|
|
|
|
|
|
|
9.4.7 По данным таблиц 9.3 и 9.4 постройте характеристики холостого хода I0 = f(U), P0 = f(U), cosφ0 = f(U) трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
9.5 Опыт короткого замыкания
9.5.1 Снимите кожух, закрывающий муфту, соединяющий вал машины постоянного тока М2 с валом двигателя М1 и закрепите на ней стопорное устройство.
9.5.2 Нажатием кнопки "ВКЛ" выключателя А6 подключите двигатель М1 к электрической сети.
9.5.3 Быстро (менее чем за 10 сек) cсчитайте и занесите в таблицу 9.5 показания вольтметра Р1.1 (линейное напряжения U двигателя М1), амперметра Р1.2 (ток Iк статорной обмотки двигателя М1), а также ваттметра Р2 (активная Рк1 мощность потребляемая одной фазой двигателя М1) и сразу после этого нажатием кнопки "ОТКЛ" выключателя А6 отключите двигатель М1 от электрической сети.
9.5.4 Повторите необходимое количество раз процедуру подключения двигателя М1 к электрической сети, считывая показании измерительных приборов и отключения двигателя М1 от электрической сети при нескольких более низких значениях вторичного напряжения трансформаторной группы А2.
Таблица 9.5 – Данные опыта короткого замыкания
|
U, В |
|
|
|
|
|
|
|
|
Iк, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рк1, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
9.5.5 Отключите источник G1.
9.5.6 Отключите выключатели "СЕТЬ" блоков, задействованных в эксперименте.
9.5.7 Используя данные таблицы 9.4, вычислите соответствующие напряжению U значения полной активной мощности Рк, потребляемой двигателем М1 и полного сопротивления короткого замыкания:
Рк=3 Рк1,
zk=U/Ik.
Полученные результаты занесите в таблицу 9.6
Таблица 9.6 – Результаты расчета в опыте короткого замыкания
|
U,В |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рк, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
zk, Ом |
|
|
|
|
|
|
|
Используя
данные таблиц 9.5 и 9.6, постройте характеристики короткого замыкания 
и 
трехфазного
асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
|
|
Рисунок 9.2 – Электрическая схема соединений для испытания двигателя под нагрузкой |
9.6 Определение механической и рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором
Электрическая схема соединений приведена на рисунке 9.2.
Источник питания двигателя постоянного тока G2 используется для питания обмотки возбуждения машины постоянного тока G4. Машина постоянного тока G4 работает в режиме генератора с независимым возбуждением и выступает в роли нагрузочной машины.
Регулировочную рукоятку источника G2 повернуть до упора против часовой стрелке, а регулировочную рукоятку активной нагрузки А10 по часовой стрелке.
Активная нагрузка А10 используется как нагрузка генератора G4.
Порядок проведения эксперимента.
9.6.1 Запустить асинхронный двигатель кнопкой “ВКЛ”.
9.6.2 Вращая регулировочную рукоятку источника G2, увеличивайте ток I статорной обмотки двигателя М1 и заносите показания амперметра Р1.1 (ток I ), ваттметра измерителя мощностей Р2 (активная мощность Р фазы двигателя М1) и указателя Р3 (частоты вращения n двигателяМ1) в таблицу 9.7
Таблица 9.7 – Данные испытания двигателя под нагрузкой
|
I, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
n, об/мин |
|
|
|
|
|
|
|
9.6.3 После завершения эксперимента отключить выключатель А6 и источник G1.
9.6.4 Выключить выключатель "СЕТЬ" блоков, задействованных в эксперименте.
9.6.5 Вычислить электромагнитный момент М двигателя М1 для каждого значения тока I из таблицы 9.7 по формуле
,
Н·м
и занести результаты расчета в таблицу 9.8.
Таблица 9.8 – Механическая характеристика асинхронного двигателя
|
М, Н·м |
|
|
|
|
|
|
|
|
n, об/мин |
|
|
|
|
|
|
|
9.6.6
Используя данные таблицы 9.8, постройте механическую характеристику 
трехфазного асинхронного двигателя.
9.6.7 Включите источник G1.
9.6.8 Запустите двигатель М1 нажатием кнопки “ВКЛ” выключателя А6.
9.6.9 Вращая регулировочную рукоятку источника G2, изменяйте ток I статорной обмотки двигателя М1 и заносите показания амперметра Р1.1 (ток I), ваттметра и варметра измерителя мощностей Р2 (активная Р11 и реактивная Q11 мощность фазы двигателя М1), указателя Р3 (частоты вращения n двигателя М1), амперметра и вольтметра Р1.3 (ток Iя и напряжение Uя якорной обмотки генератора G4) в таблицу 9.9.
Таблица 9.9 – Данные для расчета рабочих характеристик двигателя
|
I, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р11, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
Q11,Вар |
|
|
|
|
|
|
|
|
n1, об/мин |
|
|
|
|
|
|
|
|
Iа, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
Uа, В |
|
|
|
|
|
|
|
9.6.10 По завершении эксперимента отключите выключатель А6 и источник G1.
9.6.11 Выключите выключатель "СЕТЬ" блоков, задействованных в эксперименте.
9.6.12 Используя данные таблицы 9.9, вычислите для каждого значения тока I полезную активную мощность Р2, полную активную мощность, потребляемую из сети Р1, механический момент М, коэффициент мощности cosφ, скольжение S и коэффициент полезного действия η асинхронного двигателя:
;
;
;
;
;
Полученные результаты расчета занесите в таблицу 9.10.
Таблица 9.10 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя
|
I, А |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р2, Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
Р1,Вт |
|
|
|
|
|
|
|
|
М, Н·м |
|
|
|
|
|
|
|
|
cosφ |
|
|
|
|
|
|
|
|
S, % |
|
|
|
|
|
|
|
|
Η, % |
|
|
|
|
|
|
|
9.6.13 Используя данные таблицы 9.10, постройте рабочие характеристики трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором:
;
; 
; 
; 
; 
.
10 Лабораторная работа. Исследование полупроводниковых выпрямителей
10.1 Цель работы: получение навыков экспериментального исследования электрических цепей с полупроводниковыми выпрямителями.
10.2 Подготовка к работе
Повторить разделы, в которых рассматриваются несинусоидальные токи и цепи с полупроводниковыми выпрямителями.
Ответить на вопросы в письменной форме:
10.2.1 Как включаются полупроводниковые диоды, если рабочий ток превышает допустимый ток одного диода?
10.2.2 Как осуществляет сглаживание выпрямленного тока емкостный фильтр?
10.2.3 Какие преимущества имеет мостовая схема выпрямителя по сравнению с однополупериодной схемой?
10.2.4 Сравните к.п.д. однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.
10.2.5 Какова частота пульсаций выходного выпрямленного напряжения в трехфазном мостовом выпрямителе?
10.2.6 Каково отношение постоянной составляющей выпрямленного напряжения Ud к действующему значению входного напряжения синусоидальной формы Uвх в трехфазном мостовом выпрямителе?
10.3 порядок выполнения работы
10.3.1 Собрать цепь по схеме однополупериодного выпрямителя (см. рисунок 10.1) сначала без сглаживающего фильтра (конденсатор С на схеме). Подать на вход переменное напряжение Uвх=7В. Включить вольтметры: V1 –для измерения действующего значения входного синусоидального напряжения Uвх, V2 –для измерения постоянного (среднего) напряжения Ud на выходе.
10.3.2 Включить осциллограф, установить развертку по времени 5мс/дел.
10.3.3 Перенести на график (см. рисунок 10.2) осцилограммы входного и выходного напряжений.
Рисунок 10.1 – Схема однополупериодного выпрямителя
Масштабы по вертикали (ось Y):
– для канала I (канал A): mu=2 В/дел;
– для канала II (канал B): mu=2 В/дел.
Масштабы по горизонтали (ось X):
– mt=5 мс/дел.
Рисунок 10.2 – Осцилограммы входного и выходного напряжений
10.3.4
Измерить и записать в таблицу 10.1 значения Uвх , Ud, ΔUпульс, (по осциллограмме на
осциллографе). Рассчитать коэффициенты 
, 
и Kпульс и также записать результаты в таблицу
10.1.
Таблица 10.1
|
С, мкФ |
0 |
1 |
10 |
100 |
|
Uвх, В |
|
|
|
|
|
Ud, В |
|
|
|
|
|
ΔUпульс, В |
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kпульс |
|
|
|
|
Параллельно нагрузочному резистору Rн подключать сглаживающий емкостный фильтр С с указанными в таблице 10.1 емкостями, повторять измерения и дорисовать график выпрямленного напряжения на рисунке 10.2.
10.3.5 Собрать цепь по схеме мостового двухполупериодного выпрямителя (см. рисунок 10.3) сначала без сглаживающего фильтра.
Рисунок 10.3 – Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя
10.3.6 Подать на вход переменное напряжение Uвх=7В и включить вольтметры V1 и V2.
10.3.7 Включить осциллограф, установив развертку 5мс/дел.
10.3.8 
Перенести на график
(см. рисунок 10.4) осцилограммы входного и выходного напряжений.
Масштабы по вертикали (ось Y):
– для канала I (канал A): mu=2 В/дел;
– для канала II (канал B): mu=2 В/дел.
Масштабы по горизонтали (ось X):
– mt=5 мс/дел.
Рисунок 10.4 – Осциллограммы входного и выходного напряжений
10.3.9
Измерить и
записать в таблицу 10.2 значения Uвх,
Ud, ΔUпульс.
(по осциллограмме на осциллографе). Рассчитать коэффициенты , и Kпульс
и также записать результаты в таблицу 10.2.
Таблица 10.2
|
С, мкФ |
0 |
1 |
10 |
100 |
|
Uвх, В |
|
|
|
|
|
Ud, В |
|
|
|
|
|
ΔUпульс,В |
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kпульс |
|
|
|
|
Параллельно резистору Rн подключать сглаживающий емкостный фильтр С с указанными в таблице 10.2 емкостями, повторять измерения и дорисовать графики выпрямленного напряжения на рисунке 10.4.
10.3.10 Собрать цепь по схеме трехфазного мостового выпрямителя (см. рисунок 10.5) сначала без сглаживающего фильтра. Подать на вход переменное трехфазное напряжение Uвх =7В, f=50Гц. Включить вольтметры V1 и V2.
Рисунок 10.5 – Мостовая схема
трехфазного двухполупериодного выпрямителя
10.3.11 Включить осциллограф, установить развертку 0,5 мс/дел.
10.3.12 Перенести на график (см. рисунок 10.6) осциллограммы входного и выходного напряжений.
10.3.13
Измерить и
записать в таблицу 10.3 значения
Uвх,
Ud, ΔUпульс.
(по осциллограмме на осциллографе). Рассчитать коэффициенты , и
Kпульс и также записать
результаты в таблицу 10.3.
Масштабы по вертикали (ось Y):
– для канала I (канал A): mu= 2В/дел;
– для канала II (канал B): mu=2В/дел.
Масштабы по горизонтали (ось X):
– mt=10 мс/дел.
Рисунок 10.6 – Осцилограммы входного и выходного напряжений
Таблица 10.3
|
С, мкФ |
0 |
1 |
10 |
100 |
|
Uвх, В |
|
|
|
|
|
Ud, В |
|
|
|
|
|
ΔUпульс, В |
|
|
|
|
|
M |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Kпульс |
|
|
|
|
Параллельно нагрузочному резистору Rн подключать сглаживающий емкостный фильтр С с указанными в таблице 10.3 емкостями, повторять измерения и дорисовать графики выпрямленного напряжения на рисунке 10.6.
11 Лабораторная работа. Исследование логических элементов
11.1 Цель работы: знакомство с параметрами и основными свойствами цифровых логических элементов.
11.2 Задание
Исследовать основные функции логических элементов; И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ и их инверсные варианты.
11.3 Основные положения
Логические (двоичные) элементы служат для выполнения различных логических операций над цифровыми сигналами при двоичном их представлении. Чаще всего используются дискретные сигналы, нулевому значению которых соответствует уровень низкого электрического напряжения, а единичному значению – уровень высокого напряжения (положительного или отрицательного).
Основные логические функции следующие:
– Функция И – логическое умножение.
– Функция ИЛИ – логическое сложение.
– Функция НЕ – логическое отрицание.
Дополнительные комбинации:
– Функция И-НЕ – логическое умножение - логическое отрицание.
– Функция ИЛИ-НЕ – логическое сложение - логическое отрицание.
11.4 Подготовка к работе
11.4.1 Подготовка стенда к работе и проверка его комплектности.
11.4.2 Все приборы на стенде отключить, тумблеры источников энергии перевести в нижнее положение.
11.4.3 Подключить осциллограф к источнику энергии.
11.4.4 Собрать схему. Подключить измерительные приборы и источники энергии.
11.5 Логический элемент И
Логический элемент И имеет несколько входов и один выход. Выход приобретает значение 1 только тогда, когда все входы логического элемента имеют значение 1. Его условное обозначение показано на рисунке 11.1, а.
Задание
Исследовать свойства элемента И с тремя входами со следующим соответствием сигналов:
0В≡0;
15В≡1.
Порядок выполнения эксперимента.
Собрать цепь согласно схеме на рисунке 11.1, б. Подать последовательно сигнал 0 или 1 к входам х1, х2 и х3, как указано в таблице 11.1. Занести соответствующие значения выходного сигнала в таблицу.
а б
рисунок 11.1
Таблица 11.1
|
Входные сигналы |
Выходные сигналы |
||
|
х1 |
х2 |
х3 |
F |
|
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
1 |
1 |
|
|
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
0 |
|
|
1 |
1 |
1 |
|
11.6 Логический элемент ИЛИ
Логический элемент ИЛИ имеет несколько входов и один выход. Выход приобретает значение 1, когда хотя бы один из входов логического элемента имеет значение 1. Его условие обозначение показано на рисунке 11.2, а.
Задание
Исследовать свойства элемента ИЛИ с тремя входами со следующим соответствием сигналов:
0В≡0;
15В≡1.
Порядок выполнения эксперимента
Собрать цепь согласно схеме на рисунке 11.2, б. Подать последовательно сигнал 0 или 1 к входам х1, х2 и х3, как указано в таблице 11.2. Занести соответствующие значения выходного сигнала в таблицу.
а б
Рисунок 11.2
Таблица 11.2
|
Входные сигналы |
Выходные сигналы |
||
|
х1 |
х2 |
х3 |
F |
|
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
1 |
1 |
|
|
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
0 |
|
|
1 |
1 |
1 |
|
11.7 Логический элемент НЕ
Логические элементы НЕ отрицают входной сигнал, т.е. преобразуют сигнал 1 в сигнал 0 и наоборот. Они имеют один вход и один выход. Условное обозначение элемента НЕ показано на рисунке 11.3, а.
Задание
Исследовать свойства элемента НЕ. Сигналы: 0В≡0; 15В≡1.
Порядок выполнения эксперимента
Собрать цепь согласно схеме на рисунке. 11.3, б. Подать на вход сигнал 0, а затем 1. Занести соответствующие значения выходного сигнала в таблицу 11.3.
а б
Рисунок 11.3
Таблица 11.3
|
Входные сигналы |
Выходные сигналы |
|
х |
F |
|
0 |
|
|
1 |
|
11.8 Логический элемент И-НЕ
Элемент И-НЕ состоит из элемента И и элемента НЕ. Все основные цепи (И, ИЛИ и НЕ) можно смоделировать с помощью этого элемента. Условное обозначение элемента И-НЕ и его функциональный эквивалент показаны на рисунках 11.3, а, и 11.3, б, соответственно.
Задание
Исследовать свойства элемента И –НЕ с тремя входами со следующим соответствием сигналов:
0В≡ сигнал 0;
+15В≡сигнал 1.
Порядок выполнения эксперимента
Собрать цепь согласно схеме на рисунке 11.3, в. Подать последовательно: 0В≡сигнал 0, 15В ≡ сигнал 1 к входам х1, х2 и х3, как указано в таблице 11.3. Занести соответствующие значения выходного сигнала в таблицу.
Рисунок 11.4
Таблица 11.4
|
Входные сигналы |
Выходные сигналы |
||
|
х1 |
х2 |
х3 |
F |
|
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
1 |
1 |
|
|
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
0 |
|
|
1 |
1 |
1 |
|
11.9 Логический элемент ИЛИ-НЕ
Элемент ИЛИ-НЕ состоит из элемента ИЛИ и элемента НЕ. Все основные цепи (И, ИЛИ и НЕ) можно смоделировать с помощью этого элемента. Условное обозначение элемента ИЛИ-НЕ и его функциональный эквивалент показаны на рисунках 11.4, а, б и 11.4, в, соответственно.
Задание
Исследовать свойства элемента ИЛИ-НЕ с тремя входами.
Порядок выполнения эксперимента
Собрать цепь согласно схеме на рисунке 11.4, б. Подать последовательно: 0В≡ сигнал 0, +15В≡сигнал 1 к входам х1, х2 и х3, как указано в таблице 11.5. Занести соответствующие значения выходного сигнала в таблицу.
Рисунок 11.5
Таблица 11.5
|
Входные сигналы |
Выходные сигналы |
||
|
х1 |
х2 |
х3 |
F |
|
0 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
1 |
|
|
0 |
1 |
0 |
|
|
0 |
1 |
1 |
|
|
1 |
0 |
0 |
|
|
1 |
0 |
1 |
|
|
1 |
1 |
0 |
|
|
1 |
1 |
1 |
|
12 Лабораторная работа. Исследование операционного усилителя
12.1 Цель работы: знакомство с параметрами и основными свойствами операционных усилителей.
12.2 Ответить письменно на вопросы
1. Какова полярность входного напряжения Uвх инвертирующего усилителя по сравнению с выходным напряжением Uвых?
2. Какова величина коэффициента усиления при Rос=100кОм и Rвх=10кОм инвертирующего усилителя?
3. какова величина выходного напряжения Uвых при Rос=50кОм, Rвх=10кОм и Uвх=5В неинвертирующего усилителя?
4. Какова величина фазового сдвига между входным и выходным напряжением в интегрирующем усилителе?
5. Как и почему изменяется коэффициент усиления интегрирующего усилителя при изменения частоты?
6. Какова величина фазового сдвига между входным и выходным напряжениями в дифференциальном усилителе?
12.3 Основные положения
Операционный усилитель (ОУ) – усилитель с высокоомным входом (два входных вывода) и одним общим выходом, имеющий большой коэффициентом усиления. Условные обозначения ОУ приведены на рисунке 12.1.
Рисунок 12.1
При подаче сигнала на неинвертирующий вход выходной сигнал совпадает по знаку (по фазе) с входным сигналом, а при подаче на инвертирующий вход выходной сигнал имеет обратный знак (противоположен по фазе).
При подаче сигналов на оба входа сигнал на выходе равен:
где 
– коэффициент
усиления ОУ;
U1, U2 –сигналы на неинвертирующем и инвертирующем входах.
Инвертирующий вход часто используют для введения в ОУ внешних обратных связей.
12.4 Инвертирующий усилитель
Инвертирующий усилитель преобразует входное напряжение в выходное напряжение противоположной полярности. В случае синусоидального напряжения образуется фазовременной сдвиг 180° между входным и выходным сигналами.
Принципиальная схема инвертирующего усилителя приведена на рисунке 12.2.
Коэффициент усиления
.
Рисунок 12.2 – Инвертирующий усилитель
В рабочем диапазоне напряжений у ОУ разность потенциалов между двумя входами равна нулю. Входной ток ОУ равен нулю.
Задание
Построить кривые зависимости выходного напряжения от входного, изучить влияние величины сопротивления нагрузки на выходное напряжение.
Порядок выполнения эксперимента
Собрать цепь согласно схеме на рисунке 12.3. С помощью вольтметра измерить величину выходного напряжения Uвых при различных значениях сопротивления отрицательной обратной связи и входных напряжениях Uвх согласно таблице 12.1.
Рисунок 12.3
Таблица 12.1
|
Uвх, В |
-5 |
-4 |
-3 |
-2 |
-1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Uвых при Rос=100кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых при Rос=22кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых при Rос=47кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На графике построить кривые Uвых=f(Uвх) при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи Rос (см. рисунок 12.4).
Рисунок 12.4
Для изучения влияния сопротивления нагрузки установить входное напряжение Uвх= – 5В, а Rвх= Rос=10кОм. Присоединять к выходу усилителя по очереди различные сопротивления нагрузки, согласно таблице 12.2, и измерять вольтметром выходное напряжение. Результаты измерений занести в таблицу.
Таблица 12.2
|
Rн, Ом |
47 |
100 |
220 |
330 |
470 |
680 |
1000 |
|
Uвых, В |
|
|
|
|
|
|
|
По данным таблицы построить на графике (см. рисунок 12.5) кривую зависимости выходного напряжения от сопротивления нагрузки Rн.
Рисунок 12.5
12.5 Неинвертирующий усилитель
В неинвертирующем усилителе входное и выходное напряжения имеют одинаковую полярность.
Как показано на принципиальной схеме (см. рисунок 12.6) входное напряжение подается на инвертирующий вход.
Коэффициент усиления
Рисунок 12.6 – Неинвертирующий усилитель
Задание
Построить кривые зависимости выходного напряжения от входного при различных значениях сопротивления отрицательной обратной связи Rос.
Порядок выполнения эксперимента
Собрать цепь по схеме на рисунке 12.7. Используя
вольтметр, измерить выходное напряжение
при различных значениях сопротивления отрицательной
обратной связи Rос и входных напряжениях
. Занести полученные
результаты в таблицу 12.3.
Рисунок 12.7
Таблица 12.3
|
Uвх, В |
-5 |
-4 |
-3 |
-2 |
-1 |
0 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Uвых при Rос=100кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых при Rос=22кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Uвых при Rос=47кОм |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
На графике построить кривые Uвых=f(Uвх) (см. рисунок 12.8).
Рисунок 12.8
12.6 Интегрирующий усилитель
В интегрирующем усилителе выходное
напряжение 
является интегралом от входного
напряжения 
. На рисунке 12.9 приведена схема простейшего
интегрирующего усилителя (фильтра низких частот).
Рисунок 12.9 – Интегрирующий усилитель
Задание
Исследовать работу инвертирующего усилителя, когда он управляется синусоидальным напряжением. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя.
Порядок выполнения эксперимента
Собрать цепь
по схеме на рисунке.12.10. Установить на входе действующее значение синусоидального
напряжения Uвх=3В, частотой 1кГц. Для измерения
напряжений 
и 
включить
вольтметры. Выбрать род измеряемых величин “~” и вывести эти величины на
осциллограф. Перенести кривые на график (см. рисунок 12.11).
Рисунок 12.10
Масштабы по вертикали (ось напряжения): для канала I: mu = 0,2 В/дел; для канала II: mu = 2 В/дел.
Масштаб по горизонтали (ось времени) mt=0.5 мс/дел.
Рисунок 12.11
Изменяя
частоту от 0,2 кГц до 4 кГц, как указано в таблице 12.4, снять
зависимость 
от частоты 
. Рассчитать
коэффициент усиления для каждой частоты и построить график зависимости
коэффициента усиления интегрирующего усилителя от частоты 
(см. рисунок. 12.12).
Рисунок 12.12
12.7 Дифференцирующий усилитель
В дифференцирующем усилителе выходное напряжение uвых пропорционально дифференциалу от входного напряжения uвх. На рисунке 12.13 приведена схема дифференцирующего усилителя (фильтра высоких частот).
iC = iR
Рисунок 12.13 – Дифференцирующий усилитель
Задание
Исследовать поведение дифференцирующего усилителя, когда он управляется синусоидальным напряжением. Снять амплитудно-частотную характеристику усилителя.
Порядок выполнения работы
Собрать цепь согласно схеме на рисунке 12.14. Установить на входе действующее значение синусоидального напряжения Uвх=3В, частотой f=1кГц. Для измерения напряжений Uвх и Uвых подключите вольтметры. Выбрать род измеряемых величин «~» и вывести эти величины на осциллограф. Перенести кривые на график (см. рисунок 12.15).
Изменяя
частоту от 0,2 кГц до 4 кГц, как указано в таблице 12.4, снять
зависимость 
от частоты . Рассчитать
коэффициент усиления для каждой частоты и построить график зависимости 
для дифференцирующего усилителя.
Рисунок
12.14
Масштабы по вертикали (ось напряжения): для канала I: mu = 0,2 В/дел; для канала II: mu = 2 В/дел.
Масштаб по горизонтали (ось времени) mt=0.5 мс/дел.
Рисунок 12.15
Таблица 12.4
|
|
||||
|
|
Интегрирующий усилитель
|
Дифференцирующий усилитель
|
||
|
|
|
|
|
|
|
0,2 |
|
|
|
|
|
0,5 |
|
|
|
|
|
1,0 |
|
|
|
|
|
1,5 |
|
|
|
|
|
2,0 |
|
|
|
|
|
2,5 |
|
|
|
|
|
3,0 |
|
|
|
|
|
3,5 |
|
|
|
|
|
4,0 |
|
|
|
|
Список литературы
1. Электротехника и электроника: Учебник для вузов./Под ред. Б.И. Петленко. – М.: Академия, 2003. – 230 с.
2. Электротехника и электроника: Учебник для вузов. В 3-х кн. Кн.3. Электрические измерения и основы электроники. /Под ред. проф. В.Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 432 с.
3. Касаткин А.С., Немцов М.В., Электротехника – М.: Энергоатомиздат, 1983.
4. Электротехника /Под ред. В.С. Пантюшина – М.: Высш. школа, 1976. – 560с.
5. Сборник задач по электротехнике и основам электроники: Учеб. пособие для неэлектротехн. спец. вузов. /Под ред. В.Г. Герасимова – М.: Высш. школа, 1987. – 288 с.
6. Данилов И.А., Иванов П.И. Общая электротехника с основами электроники: Учеб. пособие – М.: Высш. школа, 2000. – 752 с.
7. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. В 2-х т. /Под ред. Д.И. Панфилова. – М.: ДОДЭКА, 1999. – т. 1. – Электротехника. – 304 с.
8. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. В 2-х т. /Под ред. Д.И. Панфилова. – М.: ДОДЭКА, 2000. – т. 2. – Электроника. – 288 с.
9. Лачин В.И. Электроника – М., 2000.
Сводный план 2010 г., поз.126