Некоммерческое  акционерное общество
АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
Кафедра теоретических основ электротехники
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Методические указания и задания по выполнению лабораторных работ
для  студентов специальности 5В070200 - Автоматизация и управление

Алматы 2014

СОСТАВИТЕЛИ: С.Ю. Креслина, А.Т. Аршабекова. Теоретические основы электротехники. Методические указания и задания по выполнению лабораторных работ для  специальности 5В070200 - Автоматизация и управление.– Алматы: АУЭС, 2014. –  34 с.

Методические указания  по выполнению лабораторных работ содержат 6 лабораторных работ по пяти разделам: цепи постоянного тока, цепи однофазного синусоидального тока, резонанс напряжений, переходные процессы, трехфазные цепи, нелинейные цепи постоянного тока. Каждая лабораторная работа включает: цель работы, подготовку к работе, порядок выполнения работы, оформление, анализ результатов работы и выводы о проделанной работе.

Методические указания по выполнению лабораторных работ предназначены для студентов всех форм обучения.

Ил. 25, табл. 19, библиогр.- 10  назв.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества  «Алматинского университета энергетики и связи» на 2014 г.

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2014 г.

Введение

Методические указания  к лабораторным работам являются составной частью комплекса методической литературы по дисциплине «Теоретические основы электротехники».

Для повышения качества подготовки специалистов, формирования у студентов творческого мышления и инженерных навыков большое значение имеют лабораторные занятия.

Лабораторные задания представляют собой комплекс работ экспериментального и расчетного характера по исследованию линейных электрических цепей постоянного и синусоидального токов. Все лабораторные работы выполняются фронтальным методом после того, как материал данной темы изложен на лекции.

Практическая реализация лабораторных занятий на кафедре ТОЭ обеспечивается универсальными учебно-исследовательскими лабораторными стендами УИЛС – 2. 

Стенд УИЛС-2 представляет собой стол, на котором закреплен пульт, состоящий из корпусов активных и пассивных блоков, собираемых в схемы на наборном поле. В состав стенда входят 29 наборных элементов и соединительные провода со штекерами.

Источники питания представлены корпусом активных блоков, содержащим блок постоянного напряжения БПН, блок переменного напряжения БПрН, блок трехфазного напряжения БТН. Корпус пассивных блоков содержит блок переменного сопротивления БПС, блок переменной индуктивности БПИ, блок переменной емкости БПЕ.

БПН содержит:

- регулируемый источник постоянного стабилизированного напряжения с напряжением на выходе от 0 до 25 В;

- нерегулируемый источник постоянного напряжения с напряжением на выходе около 20 В;

- «электронный ключ», применяемый для исследования переходных процессов.

Оба источника напряжения снабжены схемой защиты от короткого замыкания и перегрузок. Ток срабатывания защиты

БПрН представляет собой источник однофазного переменного напряжения  регулируемой частоты синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы.

Схема снабжена электронной защитой от короткого замыкания и перегрузок. Ток срабатывания защиты

БТН является источником трехфазного напряжения промышленной частоты. Все фазы электрически не зависят друг от друга.

Каждая фаза снабжена электронной защитой от короткого замыкания и перегрузок. Ток срабатывания защиты

БПС состоит из трех нерегулируемых резисторов:  и трех регулируемых схем резисторов . Регулирование сопротивления  осуществляется ступенчато с помощью соответствующих переключателей.

БПИ состоит из трех нерегулируемых катушек индуктивности:  и трех регулируемых схем индуктивности . Регулирование индуктивности осуществляется ступенчато с помощью соответствующих переключателей.

БПЕ состоит из трех нерегулируемых конденсаторов:  и трех регулируемых емкостей .  Регулирование емкости осуществляется ступенчато с помощью соответствующих переключателей.

На лицевых панелях блоков расположены органы сигнализации (индикаторы, лампы), органы управления (ручки переключателей, тумблеры, кнопки) и измерительные приборы.

НП представляет собой панель с 67 парами определенным образом соединенных гнезд, предназначенных для подключения и установки наборных элементов НЭ, представляющих собой элементы исследуемых цепей. НЭ выполнены в виде прозрачных пластмассовых коробочек, в торце которых имеется вилка, а внутри впаяны элементы электрических цепей.

Для включения активного блока тумблер СЕТЬ установить в положение ВКЛ, при этом загорится индикатор СЕТЬ.

Измерительные приборы БПН и БПрН предназначены для контроля величины тока и напряжения регулируемых источников напряжения. Регулирование осуществляется с помощью потенциометра.

Частота в БПрН регулируется переключателем ступенчато через 1 кГц и потенциометром плавно. Когда потенциометр ЧАСТОТА ПЛАВНО находится в крайнем правом положении, то частота выходного напряжения соответствует величине, указанной на переключателе ступенчатой регулировки с точностью .

Величину напряжения на выходе каждой фазы БТН можно регулировать ступенчато с помощью переключателей от 1 до 9 В и от 0 до 30 В.

При возникновении короткого замыкания либо перегрузки (неправильно собрана схема) в блоках срабатывает электронная защита, при этом загораются индикаторы ЗАЩИТА. После устранения причин возникновения короткого замыкания либо исправления ошибки в набранной схеме необходимо, нажав кнопку ЗАЩИТА, вернуть схему блока в рабочее положение, при этом индикатор гаснет.

Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов специальности бакалавриата 5В070200 и соответствуют государственным образовательным стандартам высшего профессионального образования по вышеназванной специальности.

1 Порядок выполнения и оформления лабораторных работ по дисциплине «Теоретические основы электротехники»

1.1 Предварительная подготовка и допуск к работе

1.1.1 Прежде, чем приступить к очередным занятиям, студент должен ознакомиться с содержанием лабораторной работы, изучить теоретический материал по соответствующей теме.

1.1.2 Результаты подготовки должны быть отражены в отчёте выполняемой работы, который должен содержать:

а) письменные ответы на вопросы по части Подготовка к работе;

б) предварительные расчеты;

в) исследуемые схемы;

г) таблицы для записи результатов измерений.

1.1.3 В начале занятия студент должен:

а) защитить полностью оформленную предыдущую работу;

б) получить допуск к следующей работе, имея индивидуальный отчёт.

Во время занятия студент должен выполнить работу (собрать схемы, проделать необходимые измерения и записать результаты в заранее  подготовленные таблицы).

         1.1.4 Готовность студентов к выполнению работы проверяет преподаватель, задавая контрольные вопросы по теории, порядку выполнения данной работы, действию схем, применяемым формулам и ожидаемым результатам. Вопросы могут быть заданы в устной и письменной форме.

1.1.5 Студенты, не выполнившие требования третьего пункта, а также те студенты, теоретическая подготовка которых признана неудовлетворительной, к работе не допускаются.

         1.1.6 Студенты, не допущенные к работе, должны использовать оставшееся время для изучения теории, а также для оформления и защиты сделанных ранее работ.

         1.1.7 Работы, не выполненные в срок, студенты проделывают в отведенное для отработки время. Допуск к работе студент получает на общих основаниях.

         1.2 Работа в лаборатории

         1.2.1 Для работы в лаборатории преподаватель разбивает группу на подгруппы (3-4 студента) или поручает студенту работать индивидуально. Члены подгруппы проделывают экспериментальную часть работы вместе, но каждый оформляет свой отчёт и отчитывается о проделанной работе самостоятельно.

         1.2.2 Каждая подгруппы работает на отдельном рабочем месте, где размещено все необходимое для работы оборудование.

         1.2.3 До начала работы студенты производят наружный осмотр используемой аппаратуры и оборудования. О замеченных дефектах следует немедленно сообщить преподавателю.

         1.2.4 За ущерб, причинённый лаборатории вследствие несоблюдения правил проведения работ или техники безопасности, а также неправильного обращения с аппаратурой, члены подгруппы несут ответственность.

         1.2.5 Схему для проведения работ студенты собирают самостоятельно. Измерительные приборы, вспомогательные и регулирующие устройства следует располагать так, чтобы схема получилась простой, наглядной, легко доступной в каждой точке.

         1.2.6 В начале эксперимента реостаты и другие регулируемые устройства должны быть отрегулированы так, чтобы в цепи были минимальные значения токов и напряжений, измерительные приборы должны быть переключены на максимальный диапазон. После приблизительного определения измеряемой величины следует  переключить прибор на удобный для измерения диапазон.

         1.2.7 Схема обязательно проверяется преподавателем, и только с его разрешения цепь может быть включена  под напряжение. Схема должна находиться под напряжением только во время наблюдений за её работой и при снятии экспериментальных данных. По окончании эксперимента напряжение должно быть немедленно отключено.

         1.2.8 Необходимые показания измерительных приборов заносятся  в таблицы подготовленного дома отчёта. По окончании измерений результаты следует показать преподавателю, который даёт разрешение на разбор схемы. До получения разрешения схему разбирать запрещено, чтобы в случае необходимости была возможность проделать дополнительные или повторные измерения.

         1.3 Оформление протокола и защита лабораторных работ

         1.3.1 Студент должен представить полностью оформленный к защите отчёт каждой проделанной работы.

         1.3.2 Оформленный отчёт предыдущей работы должен быть представлен в начале следующего занятия и защищён во время занятия.

          1.3.3 Отчёт должен содержать титульный лист (см. приложение А) и  следующие разделы:

         - цель работы;

         - основные теоретические положения и ответы на вопросы подготовки;

         - схемы исследуемых цепей;

         -расчётные формулы, вычисления, предполагаемые графики исследуемых электрических величин и режимов цепи;

         -результаты исследования (таблицы, графики, числовые значения параметров и электрических величин);

         - выводы по работе.

Отчёты оформляются на листах белой или линованой бумаги формата А4, которые заполняются с одной стороны. В тексте, написанном чётко и аккуратно пастой одного цвета, допускается применение только общепринятых обозначений или сокращений, расшифрованных при первом упоминании.

2 Лабораторная работа № 1. Исследование цепей постоянного тока

Цель работы: получение навыков экспериментального исследования цепей постоянного тока.

2.1 Подготовка к работе

Ответить письменно на вопросы и выполнить следующее:

1)  Привести формулировки законов Ома и Кирхгофа.

2)  Согласно варианту задания (см. рисунок 2.1-2.6), изобразить исследуемую схему, задаться положительными направлениями токов в ветвях.

3) Записать уравнения по законам Кирхгофа для исследуемой цепи.

4) Составить систему уравнений методом контурных токов, записать уравнения для определения токов в ветвях.

5) Составить систему уравнений методом узловых потенциалов, записать уравнения для определения токов в ветвях.

6) Что такое потенциальная диаграмма цепи, как ее получить экспериментально?

7) Записать уравнения для определения потенциалов внешнего контура цепи.

8) Привести формулы расчета эквивалентного сопротивления при последовательном, параллельном, смешанном соединении сопротивлений, а также формулы преобразования треугольника сопротивлений в эквивалентную звезду сопротивлений и наоборот.

2.2 Задание к выполнению работы

2.2.1 Измерить сопротивления всех резисторов, заполнить таблицу 2.1.

Таблица 2.1

Резистор

Ом

2.2.2 Согласно варианту задания (см. рисунок 2.1-2.6), изобразить исследуемую схему, задаться положительными направлениями токов в ветвях. Собрать цепь из резисторов, использованных в п.2.2.1, и источников напряжения. При сборке предусмотреть клеммы для подключения измерительных приборов. Ампервольтметры подключить в соответствии с выбранными направлениями токов.

Рисунок 2.1                                                                 Рисунок 2.2

Рисунок 2.3                                              Рисунок 2.4

Рисунок 2.5                                                        Рисунок 2.6

2.2.3 Измерить токи в ветвях, значение ЭДС, заполнить таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Е1

Е2

2.2.4 Принять условно потенциал одного из узлов за ноль. Измерить потенциалы всех точек, указанных на схеме. Результаты занести в таблицу 2.3.

Таблица 2.3

,

,

,

,

,

,

   2.3 Обработка результатов экспериментов

2.3.1 Проверить выполнение 1 закона Кирхгофа для цепи (см. рисунок 2.1-2.6). Рассчитать для каждого узла погрешность измерения токов.

где - наибольший из токов данного узла. Результаты занести в таблицу 2.4

2.3.2 Проверить выполнение второго закона Кирхгофа для цепи (см. рисунок 2.1-2.6). Рассчитать для каждого контура погрешность измерения напряжений.

где  - наибольшее из напряжений данного контура. Результаты занести в таблицу 2.5.

Таблица 2.5

Узлы

1

2

3

Сумма токов

мA

Максимальный ток в узле

мА

Погрешность

%

Таблица 2.6

Контуры

1

2

3

Сумма напряжений

В

Максимальное напряжение в контуре

В

Погрешность

%

2.4 Методические указания

Для построения потенциальной диаграммы выбирают замкнутый контур. Этот контур разбивают на участки таким образом, чтобы на участке находился один потребитель или источник энергии. Пограничные точки между участками необходимо обозначить буквами или цифрами. Произвольно заземляют одну точку контура, её потенциал условно считается нулевым. Обходя контур по часовой стрелке от точки с нулевым потенциалом, определяют потенциал каждой последующей пограничной точки как алгебраической суммы потенциала предыдущей точки и изменения потенциала между этими соседними точками. Изменение потенциала на участке зависит от состава цепи между точками. Если на участке включен потребитель энергии (резистор), то изменение потенциала численно равно падению напряжения на этом резисторе. Знак этого изменения определяют направлением тока. При совпадении направлений тока и обхода контура знак отрицательный, в противном случае он положительный. Если на участке находится источник ЭДС, то изменение потенциала здесь численно равно величине ЭДС данного источника. При совпадении направления обхода контура и направления ЭДС изменение потенциала положительно, в противном случае оно отрицательно. После расчета потенциалов всех точек строят в прямоугольной системе координат потенциальную диаграмму. На оси абсцисс откладывают в масштабе сопротивление участков в той последовательности, в которой они встречались при обходе контура, а по оси ординат – потенциалы соответствующих точек. Потенциальная диаграмма начинается с нулевого потенциала и заканчивается после обхода контура таковым.

3 Лабораторная работа № 2. Исследование цепей однофазного синусоидального тока

Цель работы: получение навыков экспериментального исследования цепей однофазного синусоидального тока.

3.1 Подготовка к работе

Ответить письменно на вопросы и выполнить следующее:

1)  Записать закон Ома в комплексной форме и для действующих значений  неразветвленной цепи  (см. рисунок 3.1).

2) Записать уравнение по второму закону Кирхгофа в комплексной форме и для действующих значений  неразветвленной цепи  (см. рисунок 3.1).

3) Записать уравнение по первому закону Кирхгофа в комплексной форме и для действующих значений  параллельного соединения  элементов (см. рисунок 3.2).

4)  Составить уравнения по законам Кирхгофа в комплексной форме для одной из цепей на рисунках 3.3÷3.8 (в соответствии с вариантом задания).

5) Построить векторные диаграммы токов и напряжений для цепей, представленных на рисунках 3.1,3.2 и для одной из цепей рисунков 3.3÷3.8 (в соответствии с вариантом).

6) Нарисовать таблицу для снятия результатов для одной из цепей рисунков 3.3÷3.8 (в соответствии с вариантом).

7) Написать формулы для расчета активной, реактивной и полной мощностей, а также уравнение энергетического баланса в цепях синусоидального тока.

3.2 Задание к выполнению работы

3.2.1 Собрать цепь по схеме  (см. рисунок 3.1.). Установить напряжение на входе в пределах от 5 до 15 В, частоту источника  = 1кГц. Активное сопротивление .; индуктивность катушки , емкость  Измерить ток и напряжения на всех элементах, а также активное сопротивление катушки индуктивности . Результаты измерений занести в таблицу 3.1 .

Таблица 3.1

  

Рисунок 3.1

3.2.2 Собрать цепь по схеме (см. рисунок 3.2). Напряжение на входе установить в пределах от 5 до 15 В, частоту источника- = 1 кГц. Активное сопротивление , индуктивность катушки , емкость  Измерить ток и напряжения на всех элементах, а также активное сопротивление катушки индуктивности . Результаты измерений занести в таблицу 3.2. ток в ветви с катушкой индуктивности.

 

Таблица 3.2

                                         Рисунок 3.2

3.2.3 Собрать цепь по схеме, представленной на рисунках 3.3÷3.8. Установить напряжение на входе в пределах от 5 до 15 В, частоту источника = 1кГц. Активное сопротивление , индуктивность катушки , емкость   Измерить токи во всех ветвях, напряжения на всех элементах цепи и на параллельном участке . Результаты измерений представить в виде таблицы, в которой указать величину напряжения, частоту источника, параметры всех элементов (сопротивлений, индуктивностей и емкостей), величину токов во всех ветвях и напряжений на всех участках цепи, активное сопротивление катушки индуктивности.

Рисунок 3.3

Рисунок 3.4

Рисунок 3,5