Лаб.раб. по ЭиЭ 2008

(1)

Некоммерческое акционерное общество

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ Методические указания и задания к выполнению лабораторных работ

для специальности 5В071700 – Теплоэнергетика

Алматы 2019

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Электротехники

(2)

СОСТАВИТЕЛИ: А. С. Баймаганов Б. Онгар. Электротехника и элек- троника. Электротехника и основы электроники. Методические указания и за- дания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 5В071700 – Теплоэнергетика. – Алматы: АУЭС, 2019. – 63 с.

Методическое пособие включает в себя методические указания и зада- ния к выполнению двенадцати лабораторных работ по дисциплинам «Элек- тротехника и электроника» и «Электротехника и основы электроники».

Каждая лабораторная работа содержит следующие разделы: цель рабо- ты, подготовка к работе, контрольные вопросы, программа и порядок выпол- нения работы, выводы по работе. Приведены схемы исследуемых электриче- ских цепей, соответствующие таблицы, где должны фиксироваться результа- ты экспериментов и расчётов, даны пояснения по выполнению каждого пунк- та задания.

Лабораторные работы предназначены для студентов специальности 5В071700 – Теплоэнергетика.

Ил. 39, табл. 52, библиограф. – 13 назв.

Рецензент: А. А. Абдурахманов

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества

«Алматинский университет энергетики и связи» на 2019 г.



НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2019 г.

(3)

Содержание

Введение ... 4 1 Лабораторная работа №1. Исследование линейной электрической цепи

постоянного тока ... 6 2 Лабораторная работа №2. Исследование линейной электрической цепи

однофазного синусоидального тока ... 9 3 Лабораторная работа №3. Исследование резонанса напряжений ... 12 4 Лабораторная работа №4. Исследование трехфазной электрической цепи при соединении «звезда – звезда»... 14 5 Лабораторная работа №5. Исследование переходных процессов в линейной электрической цепи первого порядка ... 16 6 Лабораторная работа №6. Исследование однофазного трансформатора ... 20 7 Лабораторная работа №7. Исследование генератора постоянного тока с независимым возбуждением. ... 26 8 Лабораторная работа №8. Исследование двигателя постоянного тока с

независимым возбуждением ... 30 9 Лабораторная работа №9. Исследование трехфазного асинхронного

двигателя с короткозамкнутым ротором ... 34 10 Лабораторная работа №10. Исследование полупроводниковых

выпрямителей ... 42 11 Лабораторная работа №11. Исследование логических элементов ... 46 12 Лабораторная работа №12. Исследование типовых схем включения

операционного усилителя ... 51 Приложение A ... 60 Порядок выполнения лабораторных работ и правила оформления отчетов .... 60 Приложение Б ... 61 Образец титульного листа ... 61 Список литературы ... 62

(4)

Введение

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 лабо- раторных работ по дисциплинам «Электротехника и электроника» и «Элек- тротехника и основы электроники» для студентов специальности 5В071700 – Теплоэнергетика. Лабораторные задания представляют собой комплекс работ экспериментального и расчетного характера по исследованию линейных элек- трических цепей постоянного тока, линейных электрических цепей синусои- дального однофазного и трехфазного токов, переходных процессов в линей- ных электрических цепях, электрических машин, трансформатора и электрон- ных схем. Все лабораторные работы выполняются фронтальным методом по- сле изложения материала данной темы на лекции.

Практическая реализация лабораторных занятий по дисциплинам

«Электротехника и электроника» и «Электротехника и основы электроники»

на кафедре ЭТ обеспечивается комплектом типового лабораторного оборудо- вания 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, трех- фазного синусоидального напряжения и напряжений специальной формы, универсальные цифровые измерительные приборы, осциллограф и соедини- тельные провода.

Комплект оборудования для исследования электрических машин и трансформатора включает в себя: трехфазный источник питания ТИП5 с ли- нейным напряжением 380 В, источник питания двигателя постоянного тока ИПД3, однофазный источник питания ОИП1 с напряжением 220 В, регули- руемый автотрансформатор РАТ4, преобразователь частоты, трехполюсный выключатель ТВ3, трехфазный выпрямитель ВП1, трехфазную трансформа- торную группу ТТГ3, блок двигателей мощностью 90 Вт и 120 Вт, электро- машинную 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 380 В, частотой 50 Гц. Потребляемая мощность не более 500 ВА.

Блок генераторов БГН3 для слаботочных схем включает в себя:

1) «Генератор постоянных напряжений», состоящий из одного источ- ника регулируемого стабилизированного напряжения от 0 до 15 В с током до 0,2 А и двух источников с нерегулируемым напряжением 15 В и током до 0,2 А.

2) «Генератор напряжений специальной формы» представляет собой регулируемый стабилизированный источник переменного напряжения трёх

(5)

форм сигнала. Напряжение регулируется от 0 до 10 В при токе до 0,2 А. Диа- пазон частот 0,2…20 кГц.

3) «Генератор синусоидальных напряжений» содержит однофазный ис- точник с напряжением 24 В и трехфазный источник с фазным напряжением 7 В, частотой 50 Гц и допустимым током до 0,2 А.

К каждому стенду прилагается набор пассивных элементов, включаю- щий резисторы постоянные мощностью 2 Вт номиналом от 10 Ом до 1 Мом;

резисторы переменные номиналом 1 кОм и 10 кОм; конденсаторы керамиче- ские номиналом от 0,01 мкФ до 1,0 мкФ; конденсаторы электролитические номиналом 10 мкФ, 100 мкФ и 470 мкФ; катушки индуктивности номиналом 10 мГн, 40 мГн и 100 мГн; диоды, индикаторные лампы и светодиоды, фото- резистор, 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 литературе [9, 10].

Порядок выполнения лабораторных работ и правила оформления отче- тов, а также образец титульного листа, приведены в приложениях А и Б.

(6)

1 Лабораторная работа №1. Исследование линейной электрической цепи постоянного тока

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 усло- вия передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассив- ному.

1.1 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.

1.2 Контрольные вопросы

1.2.1 Как с помощью амперметра и вольтметра определить величину сопротивления резистора?

1.2.2 Как включить универсальный измерительный цифровой прибор для измерения тока в ветви схемы?

1.2.3 Как включить универсальный измерительный цифровой прибор для измерения напряжения на элементе схемы?

1.2.4 Для исследуемой схемы составить следующие системы уравнений:

– по законам Кирхгофа;

– по методу контурных токов;

– по методу узловых потенциалов.

1.2.5 В чём суть методов контурных токов и узловых потенциалов?

1.2.6 В чём суть метода эквивалентного генератора?

1.2.7 Назовите условие передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному.

1.3 Программа и порядок выполнения работы

1.3.1 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

(7)

1.3.2 Измерить фактические параметры элементов заданной электриче- ской цепи с помощью универсального измерительного цифрового прибора.

Результаты измерений записать 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

1.3.3 Рассчитать токи в ветвях исследуемой цепи одним из методов рас- чета по заданным значениям ЭДС E1 и E2 и измеренным в п.1.3.2 значениям резисторов.

Результаты расчета записать в таблицу 1.3 в строку «Расчёт».

1.3.4 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 направле- ние тока совпадало с направлением от «+» к «–» прибора. Тогда прибор пока- жет величину и знак тока, соответствующий выбранному направлению.

Вольтметр включается параллельно элементу цепи таким образом, чтобы на- правление напряжения на нём совпадало с направлением от «+» к «–» прибо- ра. Тогда прибор покажет величину и знак напряжения на этом элементе, со- ответствующий выбранному направлению. Необходимо помнить, что направ- ление падения напряжения на пассивном элементе совпадает с направлением тока в нём.

Минусовая клемма прибора обычно имеет черный цвет и помечена зна- ком «» или «com».

Результаты измерений записать 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 U_R1, В U_R2, В U_R3, В U_R, В Эксперимент

Расчёт

, 

(8)

Правильность определения значения и направления измеренных вели- чин подтвердить подстановкой их в уравнения, составленные по первому и второму законам Кирхгофа.

1.3.5 Рассчитать для узла 1 схемы погрешность измерения токов i, %, отнеся алгебраическую сумму токов, сходящихся в узле к наибольшему из них. Результаты расчёта записать в таблицу 1.4.

Таблица 1.4 – Погрешность определения токов

Узел цепи I, мА Imax, мА i, 

1

1.3.6 Рассчитать для двух контуров схемы погрешность u, % измерения напряжений, отнеся алгебраическую сумму напряжений в контуре, включая напряжения на источниках ЭДС, к наибольшему из них. Результаты расчёта записать в таблицу 1.5.

Таблица 1.5 – Погрешность определения напряжений

Контур цепи U, В Umax, В u, 

1 2

1.3.7 Рассчитать ток в ветви с резистором R методом эквивалентного ге- нератора, параметры которого (ЭДС E_эг и входное сопротивление Rэг) необхо- димо определить экспериментально. Для этого измерить напряжение холосто- го хода Uхх на зажимах схемы, куда было подключено сопротивление R, пред- варительно удалив его из схемы. Затем измерить ток короткого замыкания I_кз, включив вместо резистора R амперметр.

Определить параметры эквивалентного генератора:

; ^{х х} .

э г х х э г

к з

E U R U

I

 

Рассчитать искомый ток:

э г

I E

R R

  .

Рассчитать параметры эквивалентного генератора ЭДС E_эг и входное со- противление Rэг теоретически и сравнить полученные результаты с экспери- ментальными значениями.

1.3.8 Проверить условие передачи максимальной мощности от активно- го двухполюсника к пассивному. Для этого вместо постоянного R включить переменный резистор и, изменяя его величину от 0 (режим короткого замыка- ния ветви) до ∞ (режим холостого хода), записать показания амперметра и

(9)

вольтметра, предварительно включив их для измерения тока и напряжения на переменном резисторе. Показания приборов записать в таблицу 1.6. Рассчи- тать 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 Pмакс. и соответствую- щий ей ток I. Рассчитать сопротивление нагрузки (переменного резистора) R_нагр., при котором в ней выделяется максимальная мощность:

.

. 2

м а к с н а г р

R P

I

 .

1.3.9 Сравнить полученное значение с величиной Rэг, рассчитанной в п.1.3.7. Сделать заключение об условии передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному.

1.4 Выводы по работе

Сделать выводы по работе в целом, обратив внимание на причины воз- можных расхождений расчетных величин с экспериментальными.

2 Лабораторная работа №2. Исследование линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока

Цель работы: приобретение навыков проведения измерений напряже- ния и тока в синусоидальном режиме. Определение параметров элементов це- пи по действующим значениям напряжения и тока, а также выполнение экви- валентных преобразований и расчёта разветвлённых электрических цепей си- нусоидального тока.

Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.

2.2.1 Что называют периодом T, линейной f и угловой ω частотами си-

(10)

нусоидальной функции времени? Взаимосвязь между ними.

2.2.2 Какова связь между действующим и амплитудным значениями то- ка, напряжения или ЭДС?

2.2.3 Что собой представляют треугольники сопротивлений, проводимо- стей и мощностей?

2.2.4 Законы Ома и Кирхгофа в дифференциальной форме записи.

2.2.5 Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме записи.

2.2.6 Какова зависимость индуктивного XL и ёмкостного XC сопротив- лений от частоты?

2.2.7 Порядок построения векторных диаграмм токов и напряжений.

2.2.8 Порядок построения топографической диаграммы напряжений.

2.2.9 Действия с комплексными числами.

2.3.1 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 указа- ны в таблице 2.1. Вариант задания соответствует 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 150 330 220 – – 100 – 1,0 – 2 7 1900 – 220 330 – 40 – 0,47 – 0,22 3 9 2500 – 330 470 10 – 10 – 0,1 –

В качестве источника питания использовать регулируемый стабилизи- рованный источник переменного напряжения трёх форм сигнала, предвари- тельно переключив его в режим синусоидальных колебаний. Установить на входе цепи заданные, согласно варианту задания, напряжение U_вх и частоту f .

(11)

2.3.2 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 из- мерений записать в таблицу, подобную таблице 2.2, которая приведена в каче- стве примера для схемы 1.

Таблица 2.2 – Результаты расчета и измерений

I, мА I1, мА I₂, мА UR, В UR1, В U_R2, В U_C1, В U_L2, В U₂₃, В Uab, В Эксперимент

Расчет δ, %

Задавшись вектором тока I в неразветвленной части цепи, в выбранных масштабах тока m_i [мА/см] и напряжения m_u [В/см] построить векторную диа- грамму токов и напряжений всей цепи. Необходимо воспользоваться цирку- лем, чтобы построить треугольник токов по известным трем сторонам тре- угольника. Для этого из начала вектора тока I делаем засечку циркулем ра- диусом, 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 полу- ченной векторной диаграммы построить топографическую диаграмму напря- жений цепи. По топографической диаграмме определить напряжение на уча- стке a-b цепи. Сравнить результаты, полученные из построения топографиче- ской диаграммы, с полученными в эксперименте.

2.3.3 По данным п.2.3.2 рассчитать на основании закона Ома значения сопротивлений R, XL, XC, а также индуктивность L и емкость C элементов за- данной схемы. Ввиду относительной малости активных сопротивлений кату- шек индуктивности, ими можно пренебречь. Результаты расчёта внести в таб- лицу, 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

2.3.4 По найденным в п.2.3.3 значениям сопротивлений рассчитать пол- ное комплексное сопротивление участка 2-3 цепи Z23, а затем полное ком- плексное входное сопротивление цепи Zвх. На основании закона Ома для уча- стка цепи рассчитать комплексы действующих значений токов в ветвях цепи.

Сравнить расчётные значения токов с полученными в эксперименте. Рассчи- тать также полную S, активную P и реактивную Q мощности всей цепи.

Следует обратить внимание на эквивалентность выполненных преобра- зований цепи и на причины расхождения результатов расчёта и эксперимента.

(12)

3 Лабораторная работа №3. Исследование резонанса напряжений Цель работы: ознакомиться на практике с явлением резонанса напряже- ний, возникающим в последовательном колебательном контуре. Приобрести навыки расчета основных характеристик резонансного контура по заданным параметрам контура и по резонансной кривой контура, полученной экспери- ментально.

Ответить на контрольные вопросы и приготовить заготовку отчёта о проведении лабораторной работы, где должны быть нарисованы исследуемая схема и таблицы для внесения экспериментальных данных.

3.2.1 Что называют явлением резонанса?

3.2.2 Перечислите виды резонанса и электрические цепи, в которых они могут возникнуть?

3.2.3 Назовите условие, при котором в электрической цепи будет на- блюдаться явление резонанса?

3.2.4 Назовите основной признак режима электрической цепи, когда в ней наблюдается явление резонанса?

3.2.5 Приведите определения основных характеристик резонансного контура: добротности Q, резонансной частоты ω₀, f0 и характеристического сопротивления ρ?

3.2.6 Приведите расчетные формулы для определения основных харак- теристик резонансного контура:

а) по известным параметрам контура R, L и C;

б) по резонансной кривой контура I(f).

3.2.7 Приведите расчетные формулы для определения параметров схемы замещения последовательного колебательного контура R, L и C по его извест- ным основным характеристикам ω₀, Q, ρ.

3.3.1 Собрать схему резонансного контура, приведенную на рисунке 3.1.

Установить параметры элементов схемы согласно своему варианту.

Варианты параметров схемы приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 – Варианты параметров исследуемой схемы

Вариант L, мГн R_кат, Ом C, мкФ R_доб1, Ом

1 100 измерить 0,1 100

2 40 измерить 0,22 220

3 22 измерить 0,47 330

(13)

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 эксперимен- та поддерживать неизменным, контролируя его величину вольтметром. В ка- честве амперметра и вольтметра использовать цифровые универсальные из- мерительные приборы, предварительно переключив их в режим измерения переменного (АС) напряжения и тока, соответственно, и выбрав необходимый предел измеряемой величины (например, для вольтметра 20 В, а для ампер- метра 40 мА).

3.3.2 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 R_Σ = R_кат. + R_доб2 увеличилось в два раза. Добротность контура при этом Q2 будет в два раза меньше, чем Q1.

Записать полученные результаты в строку «расчет» сводной таблицы результатов (таблица 3.3).

3.3.3 Измерить значения тока контура для диапазона частот от 0,2f₀ до 2f0, I(f) для двух значений добротности Q1 и Q2. Результаты измерений запи- сать в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Результаты измерения параметров

f, Гц f0 Примечание

I, мА Q1, Rдоб1

I, мА Q2, R_доб2

3.3.4 По результатам измерений пункта 3.3.3 построить резонансные кривые контура I = f(f) для двух значений добротности Q1 и Q2. По резонанс- ным 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, характе- ристического сопротивления ρ, суммарного активного сопротивления контура RΣ, индуктивности L и емкости C. Результаты расчетов записать в строку

(14)

«эксперимент» сводной таблицы результатов, таблица 3.3.

Таблица 3.3 – Сводная таблица результатов расчета и измерений

ω₀ f0 Q ρ RΣ L C

Q1, Rдоб1

расчет эксперимент Q₂, R_доб2 расчет

эксперимент

3.3.5 Для граничных и резонансной частот, например, в контуре с доб- ротностью Q1,измерить значения напряжений на элементах контура. Записать измеренные значения. По результатам измерений построить векторные диа- граммы тока и напряжений для трех частот: меньше резонансной (f_1гр), резо- нансной (f₀) и больше резонансной (f2гр). По векторной диаграмме сделать вы- вод о характере входного сопротивления контура для этих частот.

Сделать выводы по работе в целом, обратив внимание на причины воз- можных расхождений расчетных величин с экспериментальными.

4 Лабораторная работа №4. Исследование трехфазной электриче- ской цепи при соединении «звезда – звезда»

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.

4.2.1 Что называют соединением в звезду?

4.2.2 Что называют симметричной и несимметричной системой ЭДС?

4.2.3 Что называют симметричной и несимметричной нагрузкой?

4.2.4 Что называют линейным и фазным напряжением? Связь между ними при соединении нагрузки в звезду и в треугольник.

4.2.5 Роль нулевого провода в трехфазной системе.

(15)

4.2.6 Правила построения топографической диаграммы напряжений и векторной диаграммы токов.

4.3.1 Собрать цепь по схеме, приведенной на рисунке 4.1, без нулевого провода. В качестве источника использовать симметричный трехфазный ис- точник с фазным напряжением 7 В частотой 50 Гц. В качестве симметричной нагрузки – резисторы номиналом 1 кОм. Обозначить на схеме и измерить зна- чения 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 записать в таблицу 4.1.

Таблица 4.1 – Результаты измерений в схеме без нулевого провода

Режим I_A, мА IB, мА I_C, мА U_an, ВU_bn, В U_cn, В U_ab, ВU_bc, В U_ca, В U_nN, В

Симметричный Сопротивление фазы уменьш.

Обрыв линейн.

провода

4.3.2 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 U_nN и сопоставить их с измеренными значениями.

4.3.3 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 на-

(16)

пряжений, а также ток в нейтральном проводе IN, задавая режимы работы со- гласно п.4.3.1. Результаты измерений записать в таблицу 4.2.

Таблица 4.2 – Результаты измерений в схеме с нулевым проводом

Режим I_A, мА I_B, мАI_C, мАI_N, мА U_an, В U_bn, В U_cn, В U_ab, В U_bc, В U_ca, В Симметричный

Сопротивление фазы уменьш.

Обрыв линейн.

провода

4.3.4 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.

Оцените роль нулевого провода. Необходимо обратить внимание на возможные последствия обрыва нулевого провода в несимметричных и ава- рийных режимах.

5 Лабораторная работа №5. Исследование переходных процессов в линейной электрической цепи первого порядка

Цель работы: экспериментальная проверка законов коммутации и рас- четных соотношений для постоянной времени электрической цепи , а также исследование влияния параметров электрической цепи на характер переход- ного процесса.

5.2.1 Какой процесс называют переходным, и в каких цепях наблюдают- ся переходные процессы?

5.2.2 В чем смысл законов коммутации?

5.2.3 Что называют постоянной времени электрической цепи τ ?

5.2.4 Как зависит постоянная времени от параметров RC или RL цепи?

5.2.5 Какова продолжительность переходного процесса теоретически и

(17)

на практике при решении большинства инженерных задач с точностью до 3%?

5.2.6 Написать уравнения изменения uC(t), uL(t) и i(t) в процессе заряда и разряда конденсатора в RC-цепи и индуктивности в RL-цепи.

5.2.7 Как по графикам uC(t), uL(t) и i(t) определить постоянную времени цепи?

В работе используются генератор напряжений специальной формы, конденсаторы, катушки индуктивности и резисторы, универсальные цифро- вые измерительные приборы и осциллограф. Генератор напряжений специ- альной формы переключить в положение генерирования прямоугольных им- пульсов напряжения и установить частоту 250 Гц. Он создает периодически повторяющийся переходный процесс. Это позволяет наблюдать кривые мгно- венных значений напряжения в переходном процессе на экране осциллографа.

5.3.1 Исследовать переходный процесс в цепи первого порядка на при- мере заряда и разряда конденсатора и индуктивности на активное сопротив- ление (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 R_кат., Ом

1 1,0 0,47 100 20 измерить

2 2,2 0,22 220 40 измерить

3 4,7 0,1 330 100 измерить

Рисунок 5.1 – Схема для исследования RC-цепи

5.3.2 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 осцил- лографа наблюдать невозможно, так как последний имеет большое входное сопротивление и включается как вольтметр, параллельно элементу схемы для

(18)

измерения напряжения на нем. Воспользуемся тем, что на активном сопро- тивлении законы изменения во времени напряжения и тока совпадают с точ- ностью до постоянного множителя, а именно: iR = uR/R. Таким образом, под- ключив на вход осциллографа напряжение на резисторе R1, который включен последовательно с конденсатором, можно наблюдать кривую мгновенных значений тока конденсатора в масштабе m_u/R₁, где m_u – цена деления осцилло- графа 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 то- ка разряда конденсатора iC(0), напряжение на конденсаторе в начале процесса разряда u_C(0), а также постоянную времени цепи разряда



.

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 час- тоты переключения ключей f = 250 Гц.

Цепь разряда конденсатора образуется, когда ключ S находится в поло- жении 2. На рисунке 5.2 этому состоянию цепи соответствует интервал вре- мени справа от t = 0, равный также 2 мс.

Два способа определения постоянной времени τ из эксперимента:

а) постоянная времени τ равна интервалу времени между двумя мгно- венными значениями напряжения или тока, отличающимися в e раз, где e = 2,718 – основание натурального логарифма;

б) постоянная времени τ равна длине подкасательной, взятой на асим- птоте экспоненты. Этот способ показан на рисунке 5.2.

Результаты измерений записать в таблицу 5.2 в графу «эксперимент».

Таблица 5.2 – Результаты исследования в схеме на рисунке 5.1

Величина Расчёт Эксперимент Погрешность 

uC(0), В iC(0), мА

, мс

5.3.3 Сфотографировать или зарисовать с экрана осциллографа на каль- ку зависимости u_C(t) и i_C(t) и представить их в отчете в виде графиков, подоб- но кривым, приведенным на рисунке 5.2.

5.3.4 По известным напряжению источника питания U, сопротивлению резистора R1 и ёмкости C конденсатора рассчитать значения iC(0), uC(0) и . Записать их в графу «расчёт» в соответствующие строки таблицы 5.2. Опре- делить погрешность расхождения результатов расчёта и эксперимента 

5.3.5 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.

(19)

Рисунок 5.2 – Кривые мгновенных значений uC(t) и iC(t) в RC-цепи

Рисунок 5.3 – Схема для исследования RL-цепи Результаты расчетов и измерений записать в таблицу 5.3.

Таблица 5.3 – Результаты исследования RL-цепи, схема на рисунке 5.3 Величина Расчёт Эксперимент Погрешность 

i_L(0), мА uL(0), В τ, мс

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.

(20)

6 Лабораторная работа №6. Исследование однофазного трансфор- матора

Цель работы: ознакомиться с устройством, принципом действия и ха- рактеристиками однофазного трансформатора. Освоить методы исследования трансформаторов.

6.1 Описание используемой аппаратуры

Электрическая схема соединений приведена на рисунке 6.1.

Таблица 6.1 – Перечень используемой аппаратуры

Обозначение Наименование Тип Параметры

А1 Автотрансформатор 318.1 ~ 0…240 В /2 А А2 Трехфазная трансформа-

торная группа 347.1

3×80 ВА;

230 В /242, 235, 230, 226, 220, 137, 127В.

A10 Активная нагрузка 306.1 220 В /3×0…50 Вт

А13 Реостат 323.2 2×0…100 Ом /1 А

Р1 Блок мультиметров 508.2

3 мультиметра

~ 0…700 В /0…10 А;

= 0…1000 В /0…10 А;

0…20 МОм.

Р2 Измеритель мощностей 507.2 15; 60; 150; 300 В / 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 А.

Автотрансформатор А1 используется в качестве источника регулируе- мого синусоидального напряжения промышленной частоты f = 50 Гц.

В качестве исследуемого используют один из однофазных трансформа- торов трехфазной трансформаторной группы А2.

Блоки А10 и А13 используются в качестве нагрузки трансформатора.

С помощью мультиметров блока Р1 измеряют ток и напряжение в об- мотках трансформатора, а также сопротивления элементов цепи.

С помощью измерителя мощности Р2 измеряют активную и реактивную мощности, потребляемые трансформатором.

6.2 Опыт холостого хода

6.2.1 Установить регулировочную рукоятку автотрансформатора А1 в крайнее левое положение. Убедиться, что устройства, используемые в работе, отключены от сети питания.

(21)

6.2.2 Соединить гнезда защитного заземления « » устройств, исполь- зуемых в работе, с гнездом «РЕ» автотрансформатора А1.

6.2.3 Соединить аппаратуру в соответствии с электрической схемой.

6.2.4 Включить измерительные блоки выключателями «СЕТЬ».

6.2.5 Включить мультиметры блока Р1, предварительно переключив их в режим измерения переменного напряжения и тока, соответственно, и выбрав необходимый предел измеряемой величины: для вольтметра 700 В, а для ам- перметра 40 мА.

6.2.6 Подать напряжение электропитания 220 В на первичную обмотку автотрансформатора А1, включив выключатель «СЕТЬ» этого блока.

6.2.7 Вращая регулировочную рукоятку автотрансформатора А1, увели- чивать напряжение U1 на выводах первичной обмотки исследуемого транс- форматора от 0 до 240 В. Произвести шесть – семь измерений. Записать пока- зания вольтметра Р1.1 (напряжения U1 и U2 измерять поочередно) и ампер- метра 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

6.2.8 Отключить выключатель «СЕТЬ» блока автотрансформатора и ус- тановить регулятор выходного напряжения в положение 0.

6.2.9 По данным таблицы 6.2, вычислить для каждого значения входно- го напряжения U₁ соответствующие значения коэффициента мощности по формуле:

0

0 2 2

0 0

c o s

Q P P

 



. Записать полученные результаты в таблицу 6.3.

Таблица 6.3 – Результаты вычислений в опыте холостого хода U1, В

cosφ₀

6.2.10 По данным таблиц 6.2 и 6.3 построить на одном графике характе- ристики холостого хода трансформатора:I_{1 0}  f U( ₁) , P₀  f U( ₁) , c o s₀  f U( ₁) .

(22)

Рисунок 6.1 – Электрическая схема соединений для испытания трансформатора