Поиск по базе сайта:
Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни \"Теоретичні основи електротехніки\" для студентів спеціальностей: 092206, 092204 всіх форм навчання icon

Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни "Теоретичні основи електротехніки" для студентів спеціальностей: 092206, 092204 всіх форм навчання




НазваМетодичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни "Теоретичні основи електротехніки" для студентів спеціальностей: 092206, 092204 всіх форм навчання
Сторінка2/4
Дата конвертації25.10.2014
Розмір0.69 Mb.
ТипМетодичні вказівки
1   2   3   4

Лабораторна робота №2

^ ДОСЛІДЖЕННЯ РОЗГАЛУЖЕНОГО ЕЛЕКТРИЧНОГО КОЛА З ДЕКІЛЬКОМА ДЖЕРЕЛАМИ ЕРС

Мета роботи: оволодіти методикою застосування законів Кірхгофа до перевірки результатів вимірювань, засвоїти методику аналізу стану електричного кола за допомогою потенційної діаграми.

2.1 Короткі теоретичні відомості

2.1.1 Основні визначення

Вітка – частина електричного кола (схеми заміщення), удовж якої струм у будь який момент має одне й теж значення. Вітка складається з одного або декількох елементів.

^ Вузол – місце з'єднання декількох віток.

Замкнутий контур – замкнутий шлях вздовж електричного кола (схеми заміщення), на якому жодний елемент не повторюється.

За додатний напрям струму прийнято напрям руху позитивних зарядів. На початку розрахунку треба довільно задати умовно додатні напрями струму (напруги). Дійсний напрям струму визначається знаком, який одержано після розрахунку. При негативному значенні струму його напрям протилежний раніше заданому.

Додатний напрям ЕРС джерела береться від мінусового до плюсового затискачів (тобто співпадає з напрямом дії сил неелектричного походження). Стрілка ЕРС вказує на затискач з більшим потенціалом. Додатний напрям струму в джерелі електроенергії збігається з напрямом ЕРС. Додатний напрям напруги на джерелі ЕРС протилежний напряму ЕРС, а на резисторах збігається з напрямом струму.
^ 2.1.2 Закони Кірхгофа для кіл постійного струму

Перший закон Кірхгофа. Алгебраїчна сума струмів віток, які сходяться у вузли, дорівнює нулю:

,

(2.1)




де - струм j-тої вітки.

При цьому струми, які направлені до вузла, беруться додатними, а струми, які направлені від вузла – від'ємними.

Так для вузла на рис. 2.1а маємо .

^ Другий закон Кірхгофа. У будь якому замкнутому контурі розгалуженого електричного кола постійного струму алгебраїчна сума ЕРС дорівнює алгебраїчній сумі спадів напруг в усіх резистивних елементах контуру:

,

(2.2)




де , - відповідно ЕРС і опір j-тої вітки.

При складанні рівнянь за другим законом Кірхгофа напрям обходу контуру береться довільно. Спад напруги та ЕРС приймаються додатними, якщо напрямки струмів та ЕРС збігаються з напрямком обходу контуру. В іншому випадку вони приймаються від'ємними.

Наприклад, для замкнутого контуру на рис. 2.1б маємо (напрямок обходу за годинною стрілкою).

Рисунок 2.1- Частини електричних кіл для записі законів Кірхгофа

Вирішування системи рівнянь за законами Кірхгофа є універсальний метод для обчислення струмів у вітках розгалуженого електричного кола з декількома джерелами енергії. Загальна кількість рівнянь відповідає кількості невідомих струмів, тобто кількості віток до яких не входять джерела струму. За першим законом складається кількість незалежних рівнянь на одиницю менше ніж кількість вузлів у колі. Решту рівнянь складають за другим законом Кірхгофа для контурів, використовуючи всі вітки кола без джерел струму.
^ 2.1.3 Потенційна діаграма

Потенціалу однієї довільної точки електричного кола можна надавати будь-якого значення, зокрема нульового. В електротехніці за нульовий потенціал прийнято потенціал Землі. Тому подання деякій точці нульового потенціалу рівнозначно її заземленню (поєднанню з Землею).

Потенційна діаграма – це графік розподілу потенціалів уздовж будь-якого шляху по ділянкам електричного кола (або його схеми заміщення). Потенційна діаграма будується в прямокутній системі координат. Для кола постійного струму у довільному масштабі по осі абсцис відкладаються значення опорів ділянок (кожний наступний із кінця попереднього), а по осі ординат – потенціали точок, що позначають межи ділянок. Точка, що прийнята за початок відліку, розміщується у початку координат. Точки, що відповідають потенціалам поєднують між собою ламаною лінією. Потенційна діаграма, яка побудована для замкнутого кола, є графічною ілюстрацією другого закону Кірхгофа. Її можна побудувати як за даними вимірювань, так і за результатами розрахунків, якщо відомі значення струмів, ЕРС та опорів.

Побудуємо, наприклад, потенційну діаграму для замкнутого контуру схема якого зображена на рис. 2.1б. Приймаємо що потенціал точки а дорівнює нулю. При побудові вважаємо, що обрані напрямки струмів співпадають з дійсними. Потенціали точок обчислюємо за наступними формулами:

;

;

;

;

;

;

.

(2.3)




Обчислення останнього потенціалу є перевірочним.

Потенційна діаграма для цього випадку наведена на рис. 2.2.

По потенційній діаграмі можна визначити напругу між будь-якими двома точками як проекцію між цими точками на ось ординат. Тангенс куту нахилу відрізку ламаної лінії, що відповідає ділянці з опором, пропорційний струму на цій ділянці. Це легко довести, якщо розглянути, наприклад, прямокутний трикутник з катетами та

,

(2.4)




де , - відповідно масштаби напруги та опору.

Рисунок 2.2 – Потенційна діаграма

^ 2.1.3 Енергетичний баланс

При протіканні струмів по резистивним елементах в останніх виділяється тепло. На підставі закону збереження енергії кількість теплоти, що виділяється в одиницю часу в резистивних елементах, повинне рівнятися енергії, що віддається в коло джерелами енергії.

Якщо фактичний напрямок струму, що протікає через джерело ЕРС, збігається з напрямком джерела, то джерело віддає в одиницю часу в коло енергію (потужність), що дорівнює . Якщо ж фактичний напрямок струму зустрічний напрямку ЕРС, то джерело споживає енергію з кола (наприклад, при зарядці акумулятора).

Коли в колі є джерела струму, при складанні енергетичного балансу необхідно врахувати енергію, що віддається в коло джерелами струму. Нехай джерело струму спрямоване від вузла b до вузла а. Тоді джерело струму віддає в одиницю часу в коло енергію, що дорівнює .

Загальний вигляд рівняння енергетичного балансу

,

(2.5)




^ 2.2 Порядок проведення підготовчої роботи

2.2.1 Вивчити теоретичний матеріал і підготувати усні відповіді на контрольні запитання.

2.2.2 Підготувати бланк звіту, до якого повинні входити мета роботи, схема електричного кола (рис. 2.4) та таблиці 2.1 та 2.3 та розрахунок за п. 2.2.3.

2.2.3 Розрахувати електричне коло (рис. 2.3) за допомогою законів Кірхгофа, якщо задано:

В, В,

Ом, Ом,

Ом, Ом,

де n – номер бригади, що задається викладачем.

Рисунок 2.3 - Розрахункова схема

^ 2.3 Опис лабораторної установки

Для виконання лабораторної роботи на стенді використовуються:

- джерела постійних ЕРС та ;

- постійні резистори , , , ;

- вольтметр магнітоелектричної системи ;

- міліамперметри магнітоелектричної системи , .

^ 2.4 Порядок проведення роботи

2.4.1 Скласти електричне коло за схемою рис. 2.4. Запросити викладача для перевірки вірності складання електричного кола.

Увімкнути тумблери джерел ЕРС та . Виміряти струми у вітках , , спади напруг на резисторах , , , , ЕРС джерел енергії , (джерела ЕРС вважати ідеальними). Результати вимірювань занести в табл. 2.1.

Рисунок 2.4 – Схема досліджуваного електричного кола

Таблиця 2.1 - Результати експерименту

, В

, В

, мА

, мА

, мА

, В

, В

, В

, В































2.4.2 Виміряти потенціали вузлів кола, які позначені на схемі (рис. 2.4). Умовно вважати заземленим вузол кола, згідно таблиці 2.2.

Таблиця 2.2 - Вузли, які вважаються заземленими

№ бригади

1

2

3

4

5

6




Назва вузла

a

b

c

d

e

a

Щоб виміряти потенціали негативний затискач вольтметра з'єднати з вузлом заземлення, а позитивний затискач по черзі з'єднати з іншими вузлами. Якщо стрілка вольтметра відхилилася вліво потрібно змінити його полярність. Величина потенціалу вузла в цьому випадку від'ємна. Результати занести в таблицю 2.3.

Таблиця 2.3 - Потенціали вузлів електричного кола

Назва вузла

a

b

c

d

e




Потенціали вузлів, В
















Вимкнути джерела ЕРС. Результати вимірів показати викладачеві. Електричне коло розібрати.

^ 2.5 Обробка результатів вимірювань та оформлення звіту

2.5.1 Розрахувати струм за першим законом Кірхгофа

.

2.5.2 Скласти рівняння за другим законам Кірхгофа для зовнішнього контуру електричного кола (рис. 2.4) та перевірити результати дослідів. Спадом напруги на амперметрах нехтувати.

2.5.3 Обчислити опори резистивних елементів , , , за законом Ома

2.5.3 Побудувати потенційну діаграму для зовнішнього конкуру електричного кола.

2.5.5 Перевірити результати дослідів шляхом складання балансу потужностей.

2.5.6 Зробити висновки по роботі.
^ 2.6 Контрольні запитання

2.6.1 Що таке вузол, вітка, контур електричного кола?

2.6.2 Сформулюйте перший та другий закони Кірхгофа.

2.6.3 Як визначаються знаки членів рівнянь за першим та другим законами Кірхгофа?

2.6.4 Що таке потенційна діаграма?

2.6.5 Від чого залежить нахил прямих на потенційній діаграмі?

2.6.6 Як визначити напругу між двома вузлами електричного контуру за допомогою потенційної діаграми?

2.6.7 Що прийнято за умовно позитивні напрямки струму, ЕРС, напруги?

2.6.8 Як по заданій потенційній діаграмі скласти схему електричного кола?

2.6.9. Як по заданій потенційній діаграмі визначити струм, що протікає по ділянці кола?

2.6.10 Що таке потенціал, напруга?

2.6.11 Що спільного і яка різниця між вимірюванням потенціалу й напруги?

2.6.12 Сформулюйте принцип балансу потужностей. Як його використовують для перевірки розрахунків?

Лабораторна робота №3

^ ДОСЛІДЖЕННЯ АКТИВНОГО ЛІНІЙНОГО ДВОПОЛЮСНИКА

Мета роботи: ознайомитися з параметрами та характеристиками двополюсника, навчитися експериментально їх отримувати.

^ 3.1 Короткі теоретичні відомості

У будь-якій схемі електричного кола завжди можна подумки виділити одну вітку, а всю іншу частину схеми незалежно від її складності умовно зобразити деяким прямокутником. Стосовно виділеної вітки вся інша частина схеми являє собою двополюсник.

Двополюсник - це узагальнена назва будь-якої частини електричного кола, що має два затискача. Двополюсник на схемах умовно зображується прямокутником.

Якщо двополюсник містить у собі джерела енергії, які не компенсують один одного, то такий двополюсник називають активним й у прямокутнику, його що зображує ставлять букву А (рис.3.1, а).

Активний двополюсник характеризується трьома взаємозалежними параметрами: напругою неробочого ходу , струмом короткого замикання й вхідним опором .

.

(3.1)




Активний двополюсник можна замінити або еквівалентним джерелом ЕРС, ЕРС якого дорівнює напрузі неробочого ходу на затискачах двополюсника, а внутрішній опір дорівнює вхідному опору двополюсника, або джерелом струму, струм якого дорівнює струму короткого замикання двополюсника, а внутрішній опір дорівнює вхідному опору двополюсника.

Вхідний опір двополюсника щодо затискачів розраховують при усуненні з розрахункової схеми всіх джерел енергії (вітки з ідеальними джерелами струму розриваються, а ідеальні джерела ЕРС у вітках замикаються). Струм короткого замикання й напруга холостого ходу визначаються будь-яким розрахунковим методом.

Параметри двополюсника можуть бути визначені експериментально по досвідах неробочого ходу (до затискачів двополюсника підключається вольтметр) і короткого замикання (до затискачів двополюсника підключається амперметр). Вхідний опір у цьому випадку визначається з рівняння (3.1).

Якщо у двополюснику відсутні джерела енергії або вони компенсують один одного джерела енергії, то такий двополюсник називають пасивним, а в прямокутнику, його що зображує ставлять букву П (рис.3.1, б). Пасивний двополюсник характеризується тільки одним параметром – внутрішнім опором . Напруга неробочого ходу й струм короткого замикання такого двополюсника дорівнюють нулю.

Рисунок 3.1 - Позначення двополюсників на електричних схемах

^ 3.2 Порядок проведення підготовчої роботи

3.2.1 Вивчити теоретичний матеріал і підготувати усні відповіді на контрольні запитання.

3.2.2 Підготувати бланк звіту, до якого повинні входити мета роботи, схема електричного кола (рис. 3.3), таблиця 3.1 та розрахунок за п. 3.2.3.

3.2.3 Розрахувати напругу неробочого ходу , струм короткого замикання й вхідний опір двополюсника, схема якого наведена на рис. 3.2, якщо задано

В, Ом, Ом,

Ом, Ом, Ом,

де n – номер бригади, що задається викладачем.

Рисунок 3.2 - Розрахункова схема

Зробити перевірку розрахунку за допомогою рівняння (3.1).

^ 3.3 Опис лабораторної установки

Для виконання лабораторної роботи на стенді використовуються:

- джерела постійного ЕРС ;

- постійні резистори , , , , , ;

- змінний резистор ;

- вольтметр магнітоелектричної системи ;

- міліамперметри магнітоелектричної системи , .

^ 3.4 Порядок проведення роботи

3.4.1 Скласти електричне коло за схемою рис. 3.3. Запросити викладача для перевірки вірності складання електричного кола.

Рисунок 3.3 - Схема досліджуваного електричного кола

3.4.2 Дослід неробочого ходу. Відключити резистор навантаження . Увімкнути тумблер джерела ЕРС . Виміряти струми у вітках , , напругу неробочого ходу двополюсника. Результати вимірювань занести в табл. 3.1. Вимкнути тумблер джерела ЕРС .

Таблиця 3.1 - Результати експерименту

Параметр

Дослід н.х.

1

2

3

4

Дослід к.з.




Напруга, В



















Струм , мА



















Струм , мА



















Опір навантаження, Ом



















Потужність джерела, Вт



















Потужність навантаження, Вт



















к.к.д., в.о.



















3.4.3. Підключити резистор навантаження . Увімкнути тумблер джерела ЕРС . Змінюючи опір навантаження шляхом обертання ручки змінного резистору , виміряти струми у вітках , , спад напруги на резисторі навантаження. Результати вимірювань занести в табл. 3.1. Вимкнути тумблер джерела ЕРС . Результати вимірів показати викладачеві. Електричне коло розібрати.

^ 3.5 Обробка результатів вимірювань та оформлення звіту

3.5.1 Визначити вхідний опір двополюсника

, Ом.

3.5.2 За законом Ома розрахувати опір навантаження для кожного режиму

, Ом.

Результати занести в табл. 3.1.

3.5.3. Визначити потужності еквівалентного джерела ЕРС та навантаження, к.к.д. еквівалентного джерела

, Вт;

, Вт;

, в.о.

Результати занести в табл. 3.1.

3.5.4 Побудувати графік залежності , зробити висновки про лінійність двополюсника.

3.5.5. Побудувати графіки залежностей , , .

^ 3.6 Контрольні запитання

3.6.1 Дати визначення лінійного двополюсника?

3.6.2 Як експериментально визначити вхідний опір двополюсника?

3.6.3 При якому опорі навантаження у ній виділяється максимальна потужність?

3.6.4 Пояснити, які двополюсники є активними, а які пасивними?

3.6.5 Як знайти параметри двополюсника?

Лабораторна робота №4

^ ОСОБЛИВОСТІ РОБОТИ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ СИНУСОЇДНОГО СТРУМУ

Мета роботи: ознайомитися з особливостями роботи електричних кіл синусоїдного струму придбати навички аналізу таких кіл за допомогою векторних діаграм; вивчити декілька способів визначення кута зсуву фаз.

^ 4.1 Короткі теоретичні відомості

4.1.1 Особливості електромагнітних процесів в електричних колах синусоїдного струму

В електричних колах синусоїдного струму електричні величини ЕРС, напруга та струм є синусоїдними функціями часу

;

;

.

(4.1)




де , , - амплітудні значення;

, , - початкові фази;

- кутова (кругова) частота.

Основні прояви електромагнітного поля в приймачах електричної енергії - пасивних елементах кіл:

- електричний струм нагріває провідник;

- змінне магнітне коло збуджує ЕРС самоіндукції;

- змінне електричне поле в діелектрику індукує електричний струм зміщення.

Ці фізичні явища в заступних схемах відображаються ідеальними пасивними елементами: резистивним, індуктивнім та ємнісним. Закон Ома, що встановлює залежність напруги від струму для кожного з цих елементів відповідно має вигляд

;

;

.

(4.2)




де L – індуктивність, Гн;

С – ємність, Ф.

Таким чином напруга на індуктивному елементі випереджає струм по фазі на чверть періоду, а на ємнісному відстає на чверть періоду. В резистивному елементі струм та напруга співпадають за фазою. За аналогією з активним опором R величини

;

.

(4.3)




називаються реактивними опорами (відповідно індуктивним та реактивним).

При розрахунках та вимірюваннях прийнято використовувати діючи значення синусоїдних величин

; ;

(4.4)




При розрахунках в електричних колах синусоїдного струму треба брати до уваги не тільки амплітудні (діючи) значення електричних величин, але й їх початкові фази. Це зручно робити за допомогою так званих комплексів амплітуд (діючих значень)

; ; ;

або ; ; .

(4.5)




Звідси випливає поняття комплексного опору (імпедансу)



(4.6)




де - фазовий зсув між напругою та струмом на ділянці, де визначається повний опір.
1   2   3   4



Схожі:




База даних захищена авторським правом ©lib.exdat.com
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації