Исследование электрических цепей

Д.В. Волков

Исследование электрических цепей

Методические указания

К выполнению лабораторных работ

по дисциплине

«Теоретические основы электротехники »

 

Новочеркасск

ЮРГПУ(НПИ)

УДК 621.3(07)

 

 

Рецензент – канд. техн. наук С.Е. Меньшенин

 

Составитель Волков Д.В.

 

Исследование электрических цепей: методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Теоретические основы электротехники» / Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова. – Новочеркасск: ЮРГПУ(НПИ), 2015. - 24 с.

 

Методические указания содержат краткие теоретические сведения, требования к составлению отчета, контрольные вопросы.

Приведен порядок выполнения лабораторных работ, определены цели каждой работы.

Предназначены для студентов, обучающихся по специальности 21.05.04 «Горное дело» всех форм обучения.

 

УДК 621.3(07)

© Южно-Российский государственный

политехнический университет (НПИ)

имени М.И. Платова, 2015

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение..................................................................................................... 4

Лабораторная работа № 1. Исследование цепи постоянного тока с последовательным соединением приемников................................ 5

Лабораторная работа № 2. Исследование цепи постоянного тока с параллельным соединением приемников........................................ 7

Лабораторная работа № 3. Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений................................................................ 9

Лабораторная работа № 4. Исследование цепи переменного тока с параллельным соединением катушки индуктивности и конденсатора.............................................................................................................. 13

Лабораторная работа № 5. Исследование цепи трёхфазного тока при соединении приёмника звездой и треугольником....................... 17

библиографический список.................................................................. 22

Введение

Методические указания предназначены для студентов специальности 130302 «Горное дело», изучающих дисциплину «Теоретические основы электротехники».

Перед началом работы в лаборатории общей и теоретической электротехники студенты проходят инструктаж по технике безопасности, электробезопасности и противопожарной безопасности. Факт усвоения материала подтверждается личной подписью студента в журнале инструктажа по технике безопасности. Без прохождения инструктажа студент к работе не допускается.

Перед выполнением лабораторной работы следует повторить теоретический материал по тематике работы, изучить методические указания по работе, подготовить бланк отчета, в котором имеются пустые таблицы, координатные оси и другие поля, необходимые для записи и обработки результатов проводимых измерений. Приступая к выполнению работы, следует четко представлять себе ее содержание и порядок выполнения.

Отчет по лабораторной работе выполняется рукописным либо машинописным (компьютерным) способом на листах формата А4 без рамки, основной надписи и дополнительных граф к ней. Оформление отчета должно соответствовать требованиям действующих нормативов [1]. В отчете приводятся: цель работы, список применяемых приборов и оборудования, схемы лабораторной установки или электрических цепей, порядок проведения испытаний и результаты выполненных измерений. Данные измерений обрабатываются по методике, приведенной в методических указаниях, результаты обработки приводятся в отчете в виде таблиц, графиков, диаграмм. По результатам выполнения работы делаются выводы.

По окончании семестра отчеты по всем выполненным работам сшиваются, снабжаются титульным листом и сдаются преподавателю.

Лабораторная работа № 1.
Исследование цепи постоянного тока
с последовательным соединением приемников

Цель работы: экспериментальная проверка законов линейных цепей постоянного тока.

Приборы и оборудование:

· лабораторный планшет с резисторами;

· источник питания БП4822-2;

· вольтметр PV1, PV2 – 50 В постоянного тока;

· миллиамперметр PA1 – 300 мА постоянного тока;

В зависимости от конкретных значений измеряемых токов (сопротивления имеют разный номинал в каждом экземпляре лабораторного планшета) могут применяться миллиамперметры с меньшим пределом измерения.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с измерительными приборами, источником питания и другими элементами схем цепей, подлежащих исследованию.

2. Собрать схему последовательного соединения приёмников (рис. 1.1), включив в указанных на схеме участках вольтметр PV1 измерения напряжения на зажимах цепи и миллиамперметр PA1 измерения тока в цепи. Подготовить вольтметр PV2 с двумя щупами для измерения падений напряжения на участках цепи с сопротивлениями нагрузки R1, R2 и R3. При подключении измерительных приборов необходимо соблюдать полярность, указанную на схеме.

3. Включить схему, установить заданное преподавателем напряжение U источника питания (до 30 В, используя канал 0–30 В лабораторного источника), и занести показания вольтметра PV1(U), амперметра PA1(I) в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Ток, А	Напряжение, В	Сопротивление, Ом
I	U	U1	U2	U3	Rэкв	R1	R2	R3

 

4. Подключая вольтметр PV2 поочередно к зажимам резисторов R1, R2 и R3, измерить падение напряжения U₁, U₂иU₃ на каждом резисторе. Значения падений напряжения U₁, U₂ и U₃ также занести в табл. 1.1.

5. Путём расчёта определить:

- сопротивление резисторов нагрузки:

; ; ;

- эквивалентное сопротивление всей цепи:

.

6. Результаты расчёта занести в табл. 1.1.

7. Используя результаты измерений и расчётов, проверить основные теоретичекие положения для цепи с последовательным соединением приёмников:

; ; .

8. Сделать выводы о справедливости для исследуемой цепи закона Ома и законов Кирхгофа.

Лабораторная работа № 2.
Исследование цепи постоянного тока
с параллельным соединением приемников

Цель работы: экспериментальная проверка законов линейных цепей постоянного тока.

Приборы и оборудование:

· лабораторный планшет с резисторами;

· источник питания БП4822-2;

· вольтметр PV1 – 50 В постоянного тока;

· миллиамперметр PA1, PA2, PA3, PA4 – 300 мА постоянного тока;

В зависимости от конкретных значений измеряемых токов (сопротивления имеют разный номинал в каждом экземпляре лабораторного планшета) могут применяться миллиамперметры с меньшим пределом измерения.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с измерительными приборами, источником питания и другими элементами схем цепей, подлежащих исследованию.

2. Собрать схему параллельного соединения приёмников (рис. 2.1)

3. Включить схему, установить заданное преподавателем напряжение U источника питания, и занести показания вольтметра PV1(U) и миллиамперметров PA2(I₁), PA3(I₂), PA4(I₃) и PA1(I) в табл. 2.1.

4. Путём расчёта определить:

- сопротивление резисторов R1, R2 и R3, эквивалентное сопротивление всей цепи R _экв:

; ; ; .

5. Результаты расчёта также занести в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Напряжение U, В	Ток, А	Сопротивление, Ом
I	I1	I2	I3	R экв	R1	R2	R3

 

6. Используя результаты измерений и расчётов, проверить основные теоритические положения для цепи с параллельным соединением приёмников:

; ; ; ;

; .

7. Сделать выводы по работе.

 

Лабораторная работа № 3.
Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений

Цель работы: проверка закона Ома и 2-го закона Кирхгофа для цепи переменного тока с последовательным соединением активного, индивидуального и емкостного сопротивлений, изучение резонанса напряжений.

Приборы и оборудование:

· вольтметры PV1 – ~ 150 B, PV2, PV3 – ~ 150 B;

· миллиамперметр PA1 – ~ 300 мА;

· ваттметр PW1;

· источник питания – БП4822-2.

· лабораторный планшет с катушкой индуктивности и набором конденсаторов.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с приборами, источником питания и другими элементами схемы, подлежащей исследованию (рис. 3.1). Уточнить порядок включения в схему измерительных приборов.

2. Собрать схему последовательного соединения катушки индуктивности L с активным сопротивлением r_L и индуктивным сопротивлением X_L и конденсатора C с емкостным сопротивлением X_C (рис. 3.1). В качестве источника питания использовать выход ЛАТРа лабораторного источника питания (зажимы «~0-250 В»). Установить на конденсатор перемычку.

3. Включить схему, установить с помощью ЛАТРа напряжение питания порядка 60-100 В и измерить: ток I в цепи (прибор PA1); напряжение на катушке индуктивности (без конденсатора) U_L (прибор PV3); активную мощность цепи P (прибор PW1). Показания приборов занести в табл. 3.1

4. Используя результаты измерений, определить: полное Z_L, активное r_L и индуктивное x_L сопротивления катушки индуктивности (без сердечника); полную S и реактивную Q мощности цепи; коэффициент мощности цепи cos φ; угол сдвига фаз φ между напряжением U и током I цепи. Расчет производить по формулам, приведенным в табл. 3.1.

5. Снять перемычку с конденсатора, включить схему и измерить: ток I в цепи (прибор PA1); напряжение источника питания (прибор PV1); напряжение на конденсаторе U_C (прибор PV2); напряжение на катушке индуктивности U_L (прибор PV3); активную мощность цепи P (прибор PW1). Показания приборов занести в табл. 3.1. Произвести расчет аналогично предыдущему случаю.

6. Вставить в катушку индуктивности сердечник, включить схему и, изменяя положение сердечника в катушке, добиться режима, при котором значение тока I цепи принимает максимальное значение. Это означает, что в цепи имеет место явление резонанса напряжений.

7. Для режима резонанса напряжений зафиксировать значения тока цепи I, напряжения источника U, конденсатора U_C, катушки индуктивности U_L и активной мощности P теми же приборами, что и для режима отсутствия резонанса напряжений.

8. По результатам показаний приборов определить значения Z_L, r_L, X_L, X _C, S, cos φ, φ и Q по формулам, приведенным в табл. 3.1.

9. По результатам измерений и расчетов обоих опытов построить векторные диаграммы напряжений для каждого из экспериментов.

10. Сделать выводы по результатам работы:

- о справедливости, для исследуемой цепи, закона Ома и 2-го закона Кирхгофа;

- о характере изменения параметров цепи при переходе ее в режим резонанса напряжений.

Таблица 3.1

Параметры, расчетные формулы	Значения параметров
на индуктивности	при отсутствии резонанса	при резонансе напряжений
I,мА
U,В
UL,В
UC,В
P,Вт
,Ом
,Ом
,Ом
,Ом	–
,ВА
, В×Ар

 

Контрольные вопросы

1. Дайте определение и характеристику активному, индуктивному и емкостному сопротивлениям цепи переменного тока.

2. Как определить сопротивление цепи переменного тока с последовательным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений?

3. По какой формуле определяется величина тока в цепи с последовательным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений?

4. Дайте определение и характеристику полной, активной и реактивной мощности цепи переменного тока. С помощью каких формул можно определить их значения?

5. Что такое коэффициент мощности цепи переменного тока? Как определяется его величина?

6. Как строится векторная диаграмма напряжений для цепи переменного тока с последовательным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений? Постройте в качестве примера такую векторную диаграмму.

7. Как определить угол сдвига фаз между током и напряжением для цепи переменного тока?

8. При каких условиях цепь переменного тока с последовательным соединением катушки индуктивности и конденсатора переходит в режим резонанса напряжений? Как изменяется ток цепи и напряжения на катушке индуктивности и на конденсаторе в таком режиме?

9. Постройте пример векторной диаграммы напряжений для цепи с последовательным соединением катушки индуктивности и конденсатора, находящегося в режиме резонанса напряжений.

Лабораторная работа № 4.
Исследование цепи переменного тока с параллельным соединением катушки индуктивности и конденсатора

Цель работы: проверка закона Ома и 1-го закона Кирхгофа для цепи переменного тока с параллельным соединением индуктивности и ёмкости; изучение явления резонанса токов.

Приборы и оборудование:

· вольтметры: PV1 – ~250В;

· амперметры: РА1, РА2, РА3 – ~300 мА;

· ваттметр: PW1;

· источник питания ИП – БП4822-2;

· лабораторный планшет с катушкой индуктивности и конденсатором.

Программа выполнения работы

1. Ознакомиться с измерительными приборами, источником питания и другими элементами цепи, подлежащеё исследованию. Уточнить порядок включения приборов в схему.

2. Собрать схему параллельного соединения катушки индуктивности L (с активным r_L и индуктивным X_L сопротивлением)и конденсатора с емкостным сопротивлением X_С (см. рис. 4.1).

3. Установить переключатель ЛАТРа в положение “~0-250 В”, подключить схему к зажимам “~0–250 В” приборного штатива. Установить с помощью ЛАТРа напряжение порядка 100 В

4. Включить схему и измерить: напряжение U (PV1); ток в неразветвлённой части цепи I (РА1); ток а катушке индуктивности I_L (РА3) и ток конденсатора I_С (РА2); активную мощность цепи P (PW1). Катушка индуктивности включается без сердечника. Показания приборов занести в табл. 4.1.

5. Используя результаты измерений определить: активную составляющую I_La тока катушки индуктивности, равную активной составляющей I_a тока неразветвленной части цепи; коэффициент мощности сosφ и угол сдвига фаз φ контура; реактивную составляющую I_Lp тока катушки индуктивности; коэффициент мощности сosφ_L и угол сдвига фаз φ_L катушки индуктивности; полное Z_L, активное r_L и реактивное X_L сопротивления катушки индуктивности; активную g_L и реактивную b_L проводимости катушки индуктивности; реактивное сопротивление X_С и реактивную проводимость b_С конденсатора, полную S и реактивную Q мощности цепи.

Расчёт производить по формулам, приведённым в табл. 4.1.

6. Вставив в катушку индуктивности сердечник, включить схему и, изменяя положение сердечника, ввести схему в режим резонанса токов, при котором ток I в неразветвлённой части цепи становится минимальным. Для режима резонанса токов зафиксировать значения токов I, I_L и I_C, напряжения U и активной мощности Р. Результаты измерений занести в табл. 4.1.

7. По результатам измерений вычислить значения полного Z_L, активного r_L и реактивного Х_L сопротивлений, активной g_L и реактивной b_L проводимости катушки индуктивности; активной I_a и реактивной I_p составляющей общего тока I, реактивной составляющей I_Lр тока катушки индуктивности. Полной S и реактивной Q мощности цепи, коэффициента мощности сosφ и угла сдвига фаз φ между напряжением и током. При расчете использовать те же формулы, тот же порядок, что и для режима отсутствия в цепи резонанса токов.

Результаты расчётов занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Параметры, формулы расчёта	Значения параметров цепи
при отсутствии резонанса токов	при резонансе токов
, B
, Вт
, мА
IC, мА
, мА
, мА
, град
, мА
, град
, Ом
, Ом
, Ом
, Сим
, Сим
, Ом
, Сим
, ВА
, ВАр

 

8. По результатам измерений и расчётов обоих опытов построить векторные диаграммы токов для режимов отсутствия и наличия резонанса токов.

9. Сделать выводы по результатам работы:

· о справедливости для исследуемой цепи закона Ома и 1-го закона Кирхгофа;

· о характере изменения параметров исследуемой цепи при переходе её в режим резонанса токов.

 

Контрольные вопросы

1. Как определить для цепи переменного тока с параллельным соединением индуктивности и ёмкости:

- проводимость каждой ветви;

- полную эквивалентную проводимость всей цепи;

- полное эквивалентное сопротивление всей цепи?

2. По каким формулам для цепи переменного тока с параллельным соединением индуктивности и ёмкости можно определить:

- токи в ветвях с индуктивностью и ёмкостью;

- ток в неразветвлённой части цепи;

- полную кажущуюся мощность;

- реактивную мощность;

- коэффициент мощности сosφ и угол сдвига фаз φ между напряжением и током?

3. При каких условиях в цепи переменного тока с параллельным соединением индуктивности и ёмкости возникает явление резонанса токов? Как изменяются при этом параметры цепи?

4. Как строится векторная диаграмма токов для цепи переменного тока с параллельным соединением индуктивности и ёмкости? Начертите пример такой векторной диаграммы.

 

 

Лабораторная работа № 5.
Исследование цепи трёхфазного тока при соединении приёмника звездой и треугольником

Цель работы: проверить на практической схеме способы соединения приёмника трёхфазного тока звездой и треугольником; проверить соотношения между фазными и линейными параметрами трёхфазной цепи при симметричной и несимметричной нагрузке фаз приёмника.

Приборы и оборудование:

· источник питания ИП – БП4822-2;

· вольтметр: PV1 – ~250 В;

· миллиамперметры: РА1-6 – ~500 мА;

· лабораторный планшет с набором нагрузочных ламп.

Программа выполнения работы

1.Ознакомиться с измерительными приборами, источником питания и другими элементами схемы, подлежащей исследованию. Уточнить порядок включения приборов в схемы соединения нагрузки звездой (рис. 5.1) и треугольником (рис. 5.2).

2.Собрать схему включения трёхфазного приёмника звездой (рис. 5.1). Тумблеры S1, S2, S3 включить для получения симметричной нагрузки (по 3 лампы на каждой фазе). Подготовить вольтметр с двумя щупами для измерения напряжения в схеме.

3. Включить схему для режима симметричной нагрузки, снять показания миллиамперметров РА1 (I_A), РА2 (I_B), РА3 (I_C), РА4 (I_О). Вольтметром PV1 измерить поочерёдно линейные U_AB, U_BC, U_CA и фазные U_A, U_B, U_C напряжения. Показания приборов занести в табл. 5.1.

4. Перевести схему в режим несимметричной нагрузки путём отключения тумблеров S1 и S2. Вновь измерить токи I_A (РА1), I_B (РА2), I_C (РА3), I_О (РА4), а также напряжения U_A, U_B, U_C и U_AB, U_BC, U_CA. Показания приборов также занести в табл. 5.1.

5. Перевести схему в несимметричный режим без нулевого провода, отключив тумблер S3. Отметить изменение накала ламп. Измерить токи I_A (РА1), I_B (РА2), I_C (РА3), I_О (РА4), а также напряжения U_A, U_B, U_C и U_AB, U_BC, U_CA. Показания приборов также занести в табл. 5.1.

6. Используя результаты измерений, для каждого из режимов определить:

- сопротивления фаз приёмника;

- активную мощность каждой фазы и всей цепи Р_А, Р_В, Р_С, Р;

- соотношения между фазными и линейными напряжениями.

Расчёт свести в табл. 5.2.

 

Таблица 5.1

Режим нагрузки	Значения токов, мА	Значения напряжений, В
IA	IB	IC	I0 (U0, В)	UA	UB	UC	UAB	UBC	UCA
Симметричная нагрузка
несимметричная нагрузка
Несимметричная без нулевого провода

 

 

Таблица 5.2

Расчетные величины	При симметричной нагрузке	При несимметричной нагрузке	При несимметричной без нулевого провода
ZA, Ом
ZB, Ом
ZC, Ом
UA / UAB
UB / UBC
UC / UCA
PA, Вт
PB, Вт
PC, Вт
P, Вт

 

6. Собрать схему включения трёхфазного приёмника треугольником (рис. 5.2). Тумблеры S1 и S2 включить для получения симметричной нагрузки (по 3-и лампы на каждой фазе).

Включить схему для режима симметричной нагрузки, снять показания миллиамперметров РА1 (I_A), РА2 (I_B), РА3 (I_C). Затем миллиамперметрами РА4, PA5, PA6 измерить фазные токи I_AB, I_BC, I_CA.

Вольтметром PV1 измерить линейные (фазные) напряжения U_AB, U_BC, U_CA.

Показания приборов занести в табл. 5.3.

7. Перевести схему в режим несимметричной нагрузки путём отключения тумблеров S1 и S2, включить схему и вновь измерить линейные (I_A, I_B, I_C), а также фазные (I_AB, I_BC, I_CA) токи и напряжения U_AB, U_BC, U_CA в порядке, описанном в п. 6. Показания приборов также занести в табл. 5.3.

Таблица 5.3

Режим нагрузки	Значения токов, мА	Значения напряжений, В
IA	IB	IC	IAB	IBC	ICA	UAB	UBC	UCA
Симметричная нагрузка
несимметричная нагрузка

 

Таблица 5.4

Расчетные величины	При симметричной нагрузке	При несимметричной нагрузке
ZA, Ом
, Ом
, Ом
, Вт
, Вт
, Вт
, Вт

8. Используя результаты измерений определить:

- сопротивления фаз приёмника;

- активную мощность каждой фазы и всей цепи Р_А, Р_В, Р_С, Р;

- сопротивление между фазными и линейными токами.

Расчёт свести в табл. 5.4.

9. По результатам измерений (табл.5.1 и 5.3) для обеих схем включения приёмника построить векторные диаграммы напряжений и токов для режимов симметричной и несимметричной нагрузок.

10. При построении векторных диаграмм следует иметь в виду, что нагрузка фаз приёмника в исследуемых схемах лампы накаливания имеет активный характер и, следовательно, векторы фаз напряжений и токов должны совпадать по фазе.

 

Контрольные вопросы

1. Начертите схему включения трехфазного приёмника звездой.

2. Начертите схему включения трехфазного приёмника треугольником.

3. Какие соотношения между фазными напряжениями и токами имеют место в трехфазных цепях при соединении их звездой и треугольником?

4. Какая нагрузка трехфазной цепи считается симметричной?

5. В каких случаях используется четырёхпроводная схема трехфазной цепи и какую роль играет в ней нулевой провод?

6. Как определяется сопротивления фазы приёмника при соединении его звездой и треугольником?

7. Как определяется мощность трехфазной цепи?

8. Постройте пример векторной диаграммы напряжений и токов при соединении трехфазного приёмника звездой при симметричной и несимметричной нагрузках.

9. Постройте пример векторной диаграммы напряжений и токов при соединении трехфазного приёмника треугольником при симметричной и несимметричной нагрузках.

 

библиографический список

1. Общие требования и правила оформления текстовых документов в учебном процессе. Новочерк. гос. техн. ун-т. – Новочеркасск: НГТУ, 1998. – 28 с.

2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник для студентов вузов. – М.: Юрайт. 2012. – 701 с.

3. Демирчян К.С., Нейман Л. Р. Теоретические основы электротехники. Учебник для студентов вузов. Том 1. – СПб., Питер, 2009. – 512 с.

4. Электротехника. Учеб. пособие для вузов. - В 3-х книгах. Кн.1. Теория электрических и магнитных цепей. Электрические измерения. / под ред. Под ред. П. А. Бутырина, Р. Х. Гафиятуллина, А. Л. Шестакова. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2003.

5. Иванов И. И., Равдоник В. С. Электротехника – М.: Высш. шк., 1984. – 375 с.

 

Примечание

 

Учебно-методическое издание

 

Волков Дмитрий Владимирович