2020-10-11
137ДОНБАССКИЙ ГОРНО - МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ
ИНСТИТУТ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К выполнению лабораторных работ по курсу
"Теоретические основы электротехники"
(для студентов электротехнических специальностей)
Алчевск
2001
Кафедра теоретической и общей электротехники
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению лабораторных работ
по курсу " Теоретические основы электротехники "
(для студентов электротехнических специальностей)
 |
Рекомендовано
на заседании кафедры ТОЭ
Протокол № 1 от 29.08.01
Утверждено
на заседании методсовета ДГМИ
Протокол № 2 от 12.10.01
Алчевск
2001
УДК 621. 3.01
Методические указания к выполнению лабораторных работ по теоретическим основам электротехники, ч.1 (для студентов электротехнических специальностей)/ Сост.: В.Г. Дрючин, В.С. Песоцкий. – Алчевск: ДГМИ, 2001. – 66 с.
Дан порядок проведения и оформления лабораторных работ по теоретическим основам электротехники. Содержит теоретические вопросы и вопросы контроля знаний.
Составители: В.Г. Дрючин, доц.,
В.С. Песоцкий, доц.
Ответственный за выпуск: В.Г. Дрючин, доц.
Ответственный редактор: В.Г. Дрючин, доц.
УДК 621. 3.01
Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з теоретичних основ електротехніки, ч. 1 (для студентів електротехнічних спеціальностей)/ Укл.:
В.Г. Дрючин, В.С. Песоцький. – Алчевськ: ДГМІ, 2001. – 66 с.
Дано порядок проведення й оформлення лабораторних робіт з теоретичних основ електротехніки. Містить теоретичні питання контролю знань.
Укладачі: В.Г. Дрючин, доц.,
В.С. Песоцький, доц.
Відповідальний за випуск: В.Г. Дрючин, доц.
Відповідальний редактор: В.Г. Дрючин, доц.
1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В данной работе приведены методические указания к выполнению лабораторных работ по первой части курса 4 "Теоретические основы электротехники". Лабораторные работы выполняются в лаборатории. ТОЭ на универсальных стендах в течение двух академических часов итребуют примерно два часа самостоятельной работы студентов, включая время на подготовку к выполнению и защите.
Целью лабораторных занятий является закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях, и приобретение навыков экспериментального исследования электротехнических схем. Выполнение лабораторной работы включает:
— домашнюю подготовку;
— проведение эксперимента;
— обработку результатов;
— защиту работы.
Тщательная домашняя подготовка является аналогом успешного выполнения лабораторной работы. Домашняя подготовка осуществляется в соответствии с заданием, приведенным в указаниях к каждой лабораторной работе. Бланк отчета с результатами домашней подготовки составляется студентом и является основным документом при допуске к работе.
Работа в лаборатории выполняется бригадами по два или три человека каждая. Бригада получает право приступить к сборке электрической схемы только после сдачи коллоквиума по материалу домашней подготовки. Результаты эксперимента заносятся в заготовленные таблицы, схемы разбираются только после того, как полученные результаты будут проверенны и завизированы преподавателем.
Отчет о работе оформляется каждым студентом самостоятельно. Для этого выполняются необходимые расчеты, построения, графики и диаграммы, проводятся анализ полученных экспериментальным путем данных и сопоставление их с расчетными параметрами.
При защите лабораторных отчетов студент обязан знать:
— цель работы и ее наименование;
— порядок выполнения и методику измерений;
— наименование и характеристику используемых элементов электрической цепи;
— теоретический материал по теме работы и расчетные формулы для обработки результатов измерений.
Защита лабораторных работ проводится на специально выделенных для этого занятиях индивидуально каждым студентом. Для подготовки к защите составлены контрольные вопросы, которые приведены в указаниях к каждой работе.
2 ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
При выполнении лабораторных работ необходимо помнить об опасности поражения электрическим током и соблюдать меры предосторожности. Каждый студент, приступающий к занятиям в лаборатории, обязан сначала пройти инструктаж, ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, имеющейся в лаборатории, расписаться в регистрационном журнале. Приступая к выполнению лабораторной работы, необходимо помнить и строго соблюдать следующие правила техники безопасности:
— прежде чем приступить к соединению элементов электрической цепи, необходимо убедиться, что выключатели, размещенные на лицевой панели блока питания стенда, находятся в выключенном состоянии;
— категорически запрещается прикасаться к неизолированным соединительным зажимам и другим частям электрической цепи, находящейся под напряжением;
— включать выключатели блока питания можно только с разрешения преподавателя после проверки им схем;
— всякие изменения в схеме должны производиться при выключенных выключателях, причем после каждого пересоединения схема обязательно проверяется преподавателем;
— особую осторожность следует соблюдать при исследовании цепей с последовательным соединением индуктивностей и емкостей, поскольку в таких цепях возможно возникновение резонансных перенапряжений;
— запрещается оставлять без надзора электрическую цепь под напряжением;
— прежде чем разбирать электрическую цепь, необходимо убедиться, что все источники питания отключены;
— в случае прекращения подачи электрической энергии или других аварийных ситуациях, исследуемая установка должна быть немедленно отключена от питающей сети, а студенты должны сообщить об этом преподавателю; студент несет персональную ответственность за нарушение порядка и правил безопасности в лаборатории, а в случае порчи приборов и оборудования — материальную ответственность.
3 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
Все лабораторные работы выполняются на универсальном стенде (см. рис. Лабораторный стенд)
Основными частями универсального стенда являются блок питания 1, обеспечивающий подачу на исследуемую электрическую цепь переменного и постоянного напряжения (регулируемого и нерегулируемого), приборный блок 2 со съемными измерительными приборами различного назначения, объемные панели 3 с элементами электрической цепи, осциллограф 4, которые установлены на тумбе 5. Для различных разделов курса предусмотрено несколько съемных панелей.
Рисунок - Лабораторный стенд
Лабораторная работа 1
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
И ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ
Цель работы - усвоить методику снятия характеристик источников электрической энергии и определения параметров их схем замещения, определение параметров резисторов, построение потенциальной диаграммы.
1 Домашняя подготовка к работе:
1.1 Изучить материал 2, §§1.1-1.6, 1.9 - 1.10 или 2, §§ 1.1-1.4 и усвоить основные понятия и определения: электрическая цепь, электрический ток, электродвижущая сила (э. д. с.), потенциал и напряжение, схема электрической цепи, структурные элементы цепей (узлы, ветви, контуры), виды схем замещения источников энергии, правила построения потенциальной диаграммы цепи и ее смысл.
1.2 Решить задачу (решение привести в бланке отчета). Определить э д.с. Е и внутреннее сопротивление R0 аккумулятора, если при подключении к нему резистора с сопротивлением R1 = 5 Ом, напряжение на зажимах аккумулятора U1 = 10 В, а при подключении резистора R2 = 11Ом, U2 = 11 В. Построить внешнюю характеристику U (I) аккумулятора.
При решении задачи использовать уравнение второго закона Кирхгофа для рассматриваемой цепи 
,а также закон Ома.
1.3 Познакомиться с решением задачи 1.15 из 5. В бланке отчета привести условие задачи, расчет потенциалов и потенциальную диаграмму.
1.4 Начертить в бланке отчета схемы и заготовки таблиц, приведенные в разделе 2: "Порядок и выполнение работы".
2. Порядок выполнения работы:
2.1 Снятие внешних характеристик и данных для определения параметров схем замещения источников энергии.
2.1.1 Собрать цепь по схеме на рис. 1.1. В качестве регулируемого использовать резистор R1, в качестве прибора РА - миллиамперметр магнитоэлектрической системы с пределом 300 мА, в качестве прибора PV - вольтметр с пределами 3-30-60-160 В.
2.1.2 Снять зависимость U (I), увеличивая ток от I=0 (SA - разомкнут) до
I =200-250 мА. Результаты измерений записать в графу "1-й источник" табл. 1.1,
Рисунок 1.1
Таблица 1.1 - Данные для построения внешних характеристик и определения параметров источников:
| N n/n | I – источник – | II – источник – | III – источник
| |||
| U(B) | I(мА) | U(B) | I(мА) | U(B) | I(мА) | |
| 1 2 3 4 5 6 | ||||||
2.1.3. Подключить цепь на рис. 1.1 к источнику " 
0 – 6,3V " и проделать то, что в п. 2.12, заполнять графу "2-й источник" табл. 1.1.
2.1.4 Подключить цепь на рис. 1.1 к зажимам "+" и "-" мостового выпрямителя, зажим "~" выпрямителя соединить с зажимами ~ 220 В стенда. Подать напряжение в цепь и проделать такие же измерения, как в п. 2.1.2, заполнить графу "3-й источник" табл. 1.1.
2.2 Измерение сопротивления резисторов:
2.2.1 Цепь на рис. 1.1 подключить к источнику " 0 – 30 V". В качестве R подключить резистор R2. Регулируя источник, установить удобные для отсчета значения напряжения и тока и записать их в графу R2 табл. 1.2.
2.2.2 Проделать то же, что и в п.2.2.1 с резисторами R3,.., R7. Результате измерений записать в табл. 1.2.
2.3 Снятие данных для построения потенциальной диаграммы:
2.3.1 Собрать цепь по схеме на рис. 1.2.
2.3.2 С помощью вольтметра с нулем в середине шкалы измерить потенциалы всех точек, обозначенных на рис. 1.2 относительно точки, указанной преподавателем. Измерения выполнить при замкнутом и при разомкнутом ключе. Результаты записать в табл. 1.3.
Таблица 1.2 - Данные для определения параметров резисторов
|
| R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 | |
| U | В | ||||||
| I | мА | ||||||
| R | Ом | ||||||
Рисунок 1.2
Таблица 1.3 - Распределение потенциалов в цепи:
| Uа | Uж | Uв | Uк | Uб | Uг | Uд | Uе | |
| I = мА | ||||||||
| I = 0 |
3 Обработка результатов измерений:
3.1 В общих координатных осях U (I) построить внешние характеристики источников энергии по данным табл. 1.1.
3.2 По закону Ома вычислить сопротивления резисторов, используя данные табл. 1.2. Результаты записать в табл. 1.2.
3.3 Определять э д.с. и внутреннее сопротивление источников энергии. С этой целью использовать уравнение 2-го закона Кирхгофа (п. 1.2), подставив в него два значения напряжения при двух значениях тока из табл. 1.1. Рекомендуется использовать данные при I=0 и при наибольшем токе. Выбранные значения U и I, а также найденные значения Е и R0 записать в табл. 1.4.
Таблица 1.4 - Параметры источников энергии:
| Источник энергии | Измерено | Вычислено | ||||
| I1 | U1 | I2 | U2 | E | R0 | |
| мА | В | мА | В | В | Ом | |
| 1-й 2-й 3-й | ||||||
3.4 Построить потенциальные диаграммы цепи на рис. 1.2. Диаграммы для замкнутого и разомкнутого положений ключа изобразить в одной и той же системе координат, U(R).
4 Контрольные вопросы и задачи:
4.1 Объясните внешние характеристики источников, снятые экспериментально. От чего зависит их наклон, а также значение U при I = 0?
4.2 Изобразите и обоснуйте семейства характеристик нескольких источников с одинаковыми E и различными R0.
4.3 Изобразите и обоснуйте семейства характеристик U(I) нескольких источников с различными E и одинаковыми R0.
4.4 Определите параметры схем замещения типа "источник тока" использованных в работе источников энергии. Значения Е и R0 взять из табл. 1.4.
4.5 На рис. 1.3 и 1.4 показаны возможные варианты включения приборов при измерении сопротивления методом амперметра и вольтметра. В каких случаях и в какой схеме погрешность при вычислении R по закону Ома будет меньше, если R определять, как UV: IA?
Рисунок 1.3 Рисунок 1.4
4.6 В схемах на рис. 1.3 и 1.4 Rv=10000 Ом, RА=2 Ом, U=20 B Определить показания приборов в обеих схемах в случаях: R = 10 Ом и R = 1000 Ом. Какими окажутся во всех случаях значения R´, найденные по закону Ома, если в качестве U и I использовать показания PV и PA? Вычислить относительную погрешность по формуле:
и сделать вывод о применении схем на рис. 1.3 и 1.4.
4.7 Скорректируйте значения R в таблице 1.2 с учетом применяемой схемы на рис. 1.1 и сопротивления миллиамперметра.
4.8 Для измерения э. д. с. гальванической батареи к ней подключили вольтметр, сопротивление которого RV = 80 Ом. Каким будет показание вольтметра, если э. д. с. и внутреннее сопротивление батареи E = 4,5 В, R0 = 10 Ом. Что покажет вольтметр с RV = 4490 Ом? Сделайте вывод о влиянии сопротивления вольтметра на точность измерения э. д. с.
4.9 Объясните правила построения потенциальной диаграммы. От чего зависит знак и величина наклона участков диаграммы, соответствующих пассивным и активным участкам цепи?
4.10 Подтвердите расчетом значения потенциалов, полученные измерением (табл. 1.3).
4.11 На рис. 1.5 показана цепь зарядки аккумуляторной батареи U=20 B, E=12,5 B, R=4,8 Ом, R0=0,2 Ом.
Определите зарядный ток и напряжение на зажимах батареи:
 |
Рисунок 1.5
4.12 На рис. 1.6 изображен участок цепи, где Е1 = 20 B, I1 = 2 A, R1 = 5 Ом,
Е2 = 30 B, I2 = 3 A, R2 = 4 Ом, Е3 = 16 B, I3 = 4 A, R3 = 2 Ом. Вычислить потенциалы указанных на схемах точек и построить потенциальную диаграмму для заданного участка цепи.
Рисунок 1.6
Лабораторная работа 2
СЛОЖНАЯ ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цель работы - опытное изучение распределения тока и напряжения в сложной цепи, усвоение расчета цепей методом уравнений Кирхгофа и методом эквивалентного генератора,
1 Домашняя подготовка:
1.1 Изучить материал 1, §§ 1.7,1.8, 1.25, 1.26 или 2 §§ 1.6, 2.9, 2.10, усвоить формулировки, смысл и запись уравнений Кирхгофа, правила их составления. Усвоить расчетный метод на основе использования уравнений Кирхгофа, а также расчет цепей методом эквивалентного генератора.
1.2 Заготовить бланк отчета, который должен содержать:
1.2.1 Таблицу 2.1 сопротивлений резисторов.
Таблица 2.1
| R2 | R3 | R4 | R5 | R6 | R7 |
| 200 | 300 | 400 | 500 | 100 | 100 |
1.2.2 Схему и таблицы из разд. 2 "Порядок выполнения работы", а также схему рис. 1.1 из лабораторной работы 1.
1.2.3 Систему уравнений Кирхгофа, записанных в общем виде для цепи на
рис. 2.1.
1.2.4 Решение задачи: определить методом эквивалентного генератора ток I в цепи на рис. 2.1, где э. д. с. в вольтах и сопротивления в омах указаны на схеме.
 |
Рисунок 2.1
2 Порядок выполнения работы:
2.1 Определение параметров источников.
2.1.1 Собрать цепь по схеме на рис. 1.1 из работы 1.
Использовать вольтметр на 50 В и миллиамперметр на 300 мА магнитоэлектрической системы.
2.1.2 Измерить э. д. с. 1-го источника, как показание вольтметра при разомкнутом SA. Регулятор напряжения источника должен быть в положении максимума.
2.1.3 Установить с помощью резистора R1 ток I в пределах 200-250 мА. Это значение тока и показание вольтметра U использовать для вычисления внутреннего сопротивления по формуле
2.1.4 Измеренные значения E и вычисленное значение R0 записать в табл. 2.2.
Таблица 2.2 - Параметры источников энергии:
| № источ. | Обозначение на стенде | Э.д.с. (В) | Внутр. сопр.(Ом) |
| 1 | « 0 – 30 V»
| Е1 = | R01 = |
| 2 | « 0 –6,3 V»
| Е2 = | R02 = |
| 3 | 
| Е3 = | R03 = |
2.1.5 Повторить пп 2.1.2 - 2.1.4 для источника « 0 –6,3 V» и для мостовой схемы выпрямления. На выпрямительную схему подавать напряжение с зажимов
~220 В.
2.2 Опытное изучение законов Кирхгофа.
2.2.1 Собрать цепь но схеме на рис. 2.2.
В качестве РA использовать магнитоэлектрический прибор на 300 мА. Для измерения напряжения вольтметр (на схеме не показан) с пределами 3-30-60-150 В с нулем в середине шкалы.
2.2.2 После проверки схемы руководителем занятий подать в цепь напряжение и установить с помощью соответствующих ручек максимальные значения EI и Е2. Максимум ЕЗ обеспечивается подачей на входные зажимы выпрямителя ~ U=220 B.
Резистор R1 должен быть в положении между МАХ и 0,5МАХ, что определяется по показанию РА при замкнутом SA.
Рисунок 2.2
2.2.3 Измерить и записать в табл. 2.3 напряжения на активных и пассивных участках цепи. Показание РА записать в графу Iвж таблицы 2.4.
Таблица 2.3 - Напряжение на участках цепи (в вольтах)
| Uаб | Uбв | Uвг | Uгд | Uде | Uеа | Uдж | Uжа | Uвж | Uав | Uвд |
Примечание. Зажим "+" вольтметра всегда должен присоединяться к точке, соответствующей первой букве в индексе напряжения. При отклонении стрелки вольтметра вправо напряжение следует считать положительным, влево - отрицательным,
2.2.4 Вычислить и записать в табл. 2.4 токи в ветвях. Токи (кроме Iвж) определить по закону Ома, зная напряжение на резисторах (табл. 2.3) и их сопротивление (табл. 2.1). Ток Iвж определяется непосредственным измерением (п. 2.2.3).
Таблица 2.4 - Токи в ветвях цепи на рис.2.2 (в амперах)
| Iбв | Iвж | Iвг | Iде | Iдж | Iжд |
2.2.5 По данным табл. 2.4 проверить справедливость 1-го закона Кирхгофа для трех узлов исследуемой цепи.
2.2.6 По данным табл. 2.3 проверить справедливость 2-го закона Кирхгофа для одного из контуров (по указанию преподавателя), записанного в форме 1, § 1.7.
Примечание. Вычисления по п.2.2.5 и 2.2.6 привести в отчете.
2.3 Опытная проверка метода эквивалентного генератора.
2.3.1 Вычислить по данным таблиц 2.3 и 2.4 значение R1.
2.3.2 Измерить напряжение Uвж при холостом ходе, т.е. при разомкнутом ключе SA.
2.3.3 Измерить ток короткого замыкания ветви вж. Для этого нужно замкнуть SA и вывести до нуля сопротивление резистора. Признаком R1=0 является максимальное значение Iвж.
2.3.4 Вычислить входное (эквивалентное) сопротивление цепи относительно точек вж
2.3.5 Вычислить ток ветви вж по методу эквивалентного генератора
2.3.6 Полученное значение Iвж сравнить с измеренным в п.2.2.3 (табл. 2.4)
2.3.7 Результаты, полученные в пп. 2.2.1-2.2.5, записать в табл. 2.5.
Таблица 2.5 - К методу эквивалентного генератора:
| R1 | Uвж х.х | Iвж к.з | Rэ | Iвж |
| Ом | В | мА | Ом | мА |
3 Контрольные вопросы в задачи:
3.1 Объясните методику составления уравнений по I-му закону Кирхгофа для пени на рис. 2.2 (правило знаков, число уравнений). Проверьте их справедливость для измеренных значений тока (табл. 2.4).
3.2 Сформулируйте 2-й закон Кирхгофа, записанный в виде 
[1,§1.7]. Проверьте его справедливость для различных контуров цепи на рис.2.2, используя данные таблиц 2.1, 2.2 и 2.4.
3.3 Сформулируйте 2-й закон Кирхгофа, записанный в виде 
[1,§1.7]. Проверьте его справедливость для различных контуров цепи на рис. 2.2, используя данные таблицы 2.3.
3.4 Вычислите напряжение между точками а и в, в и д, ж и е двумя способами: пользуясь уравнениями в форме п.3.2 и в форме п.3.3.
3.5 Запишите основную формулу для расчета Iвж методом эквивалентного генератора. Объясните путь (не делая вычислений) определения входящих в нее величин расчетным путем.
3.6 Объясните способ проверки метода эквивалентного генератора, примененный в данной работе.
3.7 Метод эквивалентного генератора в литературе иногда называют методом холостого хода и короткого замыкания. Чем это объясняется?
3.8 Не производя вычислений, объясните методику расчета методом эквивалентного генератора тока в любой другой ветви, кроме Iвж, изобразив для этого промежуточные схемы и записав соответствующие уравнения.
3.9 Составить систему уравнений Кирхгофа для цепи на рис. 2.3. Определить токи в ветвях, если E1=30 B; E2 =25 B; Е3=11 В; R1=5 Ом; R2=10 Ом; R3 = 8 Ом.
Рисунок 2.3
3.10 Вычислить ток в одной из ветвей (по указанию преподавателя) в цепи на рис. 2.3 методом эквивалентного генератора.
3.11 Вычислить ток в резисторе R1 цепи на рис.2.4 методом эквивалентного генератора E1 = E4 = 48 Ом; J = 3 A; R1 =100 Ом; R2=4 Ом; R3 = R4 = 8 Ом.
3.12 Вычислить ток I в цепи на pис. 2.5 методом эквивалентного генератора Е=2 В; J=3 A; R=4 Ом.
Рисунок 2.4 Рисунок 2.5
Лабораторная работа 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ (ЛЭП)
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цель работы - опытное изучение энергетических показателей двухпроводной ЛЭП в различных режимах ее работы при передаче по ней энергии постоянным током.
1 Домашняя работа:
1.1 Изучить основы теории передачи электроэнергии постоянным током по двухпроводной ЛЭП, пользуясь учебниками 1 §§ 1.27,1.28, 2 § 2.11.
1.2 Решить задачу. Решение задачи и схему замещения рассчитываемой цепи привести в бланке отчета.
Дано: сопротивление обоих проводов двухпроводной ЛЭП Rл = 20 м, напряжение в начале линий U1 =240 В, сопротивление нагрузки Rн = 22 Ом. Вычислить: мощность, потребляемую нагрузкой P2, напряжение в конце линии U2, потерю мощности в проводах линии DP, КПД линии.
1.3 Познакомиться со схемой модели линии электропередачи (рис. 3.1), уяснить для себя назначение всех приборов и элементов схемы, разобрав содержание разд. 2 "Описание модели ЛЭП".
1.4 Начертить в бланке отчета схему модели (рис.3.1), а также таблицы для внесения в них результатов измерения и расчета физических величин, характеризующих работу ЛЭП (см. разд. 3 "Порядок выполнения работы").
2 Схема замещения ЛЭП и соотношения, характеризующие ее работу. Лабораторная модель ЛЭП.
2.1 Схема замещения ЛЭП показана на рис. 3.1
Рисунок 3.1
На схеме обозначение Rл - суммарное сопротивление проводов линии;
Rн - сопротивление нагрузки;
U1 и U2 - напряжение в начале и в конце линии соответственно;
I - ток в линии и в нагрузке.
2.3 Для характеристики работы линии используются также следующие величины:
DUл - падение напряжения в проводах ЛЭП;
Р2 - мощность в нагрузке;
P1- мощность, набирающая в линию от источника энергии;
DPл - потери мощности выделяются в виде тепла в проводах.
2.4 Величины, указанные в п.2.2 и 2.3 связаны между собой следующими соотношениями:
Для к. п. д. существуют и другие формулы, в частности
2.5 Схема цепи, которая служит лабораторной моделью для экспериментального исследования ЛЭП, показана на рис. 3.2.
2.6 Rл на лабораторном стенде - это последовательно соединенные резисторы R6 и R7 по 100 Ом каждый.
Rн - два последовательно соединенных регулируемых резистора R и R1 с сопротивлением 0-330 Ом у каждого.
2.7 PV1 - вольтметр с верхним пределом 60 В для измерения напряжения U1,
PV2 - вольтметр с пределом 50 В - для измерения U2, РА - миллиамперметр с пределом 300 мА для измерения тока линии и нагрузки.
Рисунок 3.2
3 Порядок выполнения работы:
3.1 Исследование работы линии на переменную нагрузку при неизменном напряжении в начале линии:
3.1.1 Собрать цепь по схеме на рис. 3.2 с учетом п.п. 2.6 и 2.7. Представить схему для проверки.
3.1.2 Установить регулятор напряжения в нулевое положение, резисторы Rн в положение максимального сопротивления, ключ SА в разомкнутое состояние (режим холостого хода линии).
3.1.3 Включить блок питания и установить по вольтметру PV1 напряжение
V1=50 В. Записать в таблицу 3.1 значения I = 0 и U2 (должно быть U2 = U1).
3.1.4 Замкнуть ключ SA, снова отрегулировать U1=50 B и записать показания РA и PV2 во вторую строку таблицы 3.1.
3.1.5. Поддерживая U1=50 B и уменьшая Rн до нуля, снять и записать показания РА и РV2. Рекомендуется устанавливать такие значения тока, при которых U2 принимает значения 50, 35, 25, 15 и 0.
Таблица 3.1 - Исследование работы линии на переменную нагрузку при U1=50 B (пост.) и при Rл=200 Ом (пост).
| № n/n | Измерено | Вычислено | ||||||
| I | U2 | P1 | P2 | ∆Pл | ∆Uл | Rн | η | |
| А | В | Вт | Вт | Вт | В | Ом | % | |
| 1 | 0 | ∞ | ||||||
| 2 | ||||||||
| 3 | ||||||||
| 4 | ||||||||
| 5 | ||||||||
3.2 Исследование влияния сопротивления проводов линии на энергетические показатели ее работы:
3.2.1 В схеме, на рис. 3.1 Rл и Rн поменять местами, т.е. в качестве Rл включить последовательно два резистора с регулируемым сопротивлением, а в качестве Rн - два соединенных последовательно резистора по 100 Ом.
3.2.2 После проверки схемы руководителем занятий установить резисторы Rл и регулятор напряжения в нулевое положение, включить питание, установить
U1=50 В, записать значения I и U2 в таблицу 3.2.
Таблица 3.2 - Исследование работы линии с переменным ее сопротивлением U1= 50 В, Rн =200 Ом:
| № n/n | Измерено | Вычислено | ||||||
| I | U2 | ∆Uл | Rл | P1 | P2 | ∆Pл | η | |
| А | В | В | Ом | Вт | Вт | Вт | % | |
| 1 | ||||||||
| 2 | ||||||||
| 3 | ||||||||
| 4 | ||||||||
| 5 | ||||||||
3.2.3 Изменяя Rл от 0 до максимального значения, измерить и записать 4 - 5 значений тока и напряжения U2. При снятии показаний РА и PV2 необходимо каждый раз устанавливать U1=50 В.
3.3 Исследование зависимости энергетических показателей линии от напряжения в начало линии при постоянной мощности в нагрузке P2.
Эта часть работы выполняется расчетным путем в следующем порядке.
3.3.1 Задаться сопротивлением линии Rл = 10 0м и мощностью нагрузки в пределах P2 = 40 - 50 Вт (Конкретное значение P2 для каждой бригады указывает преподаватель).
Таблица 3.3 - Исследование линии при постоянной мощности Р2 = Вт и различных значениях U1, Rл=10 Ом:
| № n/n | U2 | I | Rн | ∆Uл | U1 | ∆Pл | P1 | η |
| В | А | Ом | В | В | Вт | Вт | % | |
| 1 | 20 | |||||||
| 2 | 30 | |||||||
| 3 | 50 | |||||||
| 4 | 75 | |||||||
| 5 | 100 |
3.3.2 Вычислять значения тока I, учитывая, что P2 = U2I.
3.3.3 Вычислять сопротивление Rн по закону Ома.
3.3.4 Вычислить остальные величины, указанные в таблице 3.3, пользуясь формулами в п.2.3.
4 Обработка результатов измерений и расчетов:
4.1 Рассчитать и записать величины, указанные в графах "вычислено" таблицы 3.1. Для этого использовать формулы, приведенные в п. 2.4.
4.2 Построить графики зависимостей DUл(I) и U2(I) в одной системе координат и DРл(I); P2(I); P1(I) и h (I) в другой.
4.3 Рассчитать величины в графах "вычислено" таблица 3.2 и по полученным данным построить графики зависимостей DUл (Rл), DРл (Rл) и h (Rл).
4.4 По данным таблицы 3.3 построить графики I (U1), DUл (U1), DPл (U1) и
h (U1).
5 Контрольные вопросы и задачи:
5.1 Пользуясь данными, полученными в разделе 3.1,объясните работу ЛЭП при U1 = пост, Rл = пост, Rн = перем, в частности:
5.1.1 По какому закону применяется U2 при изменении тока? С помощью соответствующих формул подтвердите или скорректируйте графики DUл(I) и U2(I), полученные экспериментально.
5.1.2 Приведите формулы, позволяющие объяснить или скорректировать зависимости DРл(I); P1(I); U2(I) и h (I).
5.1.3 Охарактеризуйте характер применения Р2 при увеличении тока от I = 0 до
I = 0,5Iк и от I = 0,5Iк до Iк, гдe Iк ток при Rн = 0.
5.1.4 Запишите формулу зависимости Р2 от Rн и, исследовав ее на экстремум, определите Rн, при котором Р2 = Р2 max.
5.1.5 Как называется режим работы ЛЭП при P2 max? Каковы значения U2 и h в этом режиме? В каких случаях такой режим применяется на практике?
5.1.6 Охарактеризуйте предельные режимы работы ЛЭП: холостой ход и короткое замыкание. При каких значениях Rн эти режимы получаются? Каковы значения I, U2 и h в этих режимах?
5.2 Пользуясь данными, полученными в разделе 3.2, объясните влияние Rл на энергетические показатели работы ЛЭП при U1 = пост, Rн = пост, в частности:
5.2.1 С помощью соответствующих формул объясните или скорректируйте, если необходимо, зависимости DU(Rл), DP(Rл) и h(Rл).
5.2.2 Из графика h(Rл) и соответствующей формулы следует, что, уменьшая Rл, к.п.д. ЛЭП можно как угодно приблизить к 100%. Почему на практике не стремятся получить к.п.д. более 95 - 96%?
5.3 Исходя из условий P2 = пост и Rл = пост, объясните зависимости тока, потерь мощности и к.п.д. ЛЭП от напряжения в начале линий U1, представленные в таблице 3.3 и соответствующими графиками.
5.4 Пользуясь данными, полученными в разделе 3.3, объясните, почему передача электроэнергии на большие расстояния осуществляется при очень высоких напряжениях, исчисляемых сотнями тысяч вольт.
5.5 Во сколько раз пришлось бы увеличить сечение проводов ЛЭП, если бы мощность, передаваемую при напряжении 220 кВ, решили передавать при напряжении 220 В?
5.6 Рассчитать сечение алюминиевых проводов двухпроводной ЛЭП для передачи мощности P2= 100 кВт при напряжении U2=10 кВ на расстоянии 50 км КПД линии 95%, удельное сопротивление алюминия 2,9·10-8 Ом. м.
5.7 Чему будет равно значение КПД двухпроводной ЛЭП для передачи мощности P2=100 кВт при напряжении U2 =10 кВ на расстоянии 50 км, если линию выполнить медными проводами сечением 55 мм2?
Удельное сопротивление меди 1,75·10-8 Ом. м.
5.8 Напряжение в начале линии связи U1=30 В. Если в конце, линии включить приемный аппарат №1, напряжение на нем окажется равным U2=27 В, если включить аппарат №2, напряжение U2 будет равно 21 В, если включать аппарат №3, напряжение U2 будет равно 15 В. При использовании какого аппарата мощность передаваемого сигнала у потребителя будет наибольшей?
5.9 Суммарное сопротивление проводов Rл = 5 Ом. Напряжение в начале линии U1=3250 В. Мощность в нагрузке Р2 = 100 кВт. Вычислите к.п.д. ЛЭП,
В результате расчета должно получается два значения к.п.д. Объясните этот факт, пользуясь графиками Р2(I) и h(I), построенными по результатам исследования ЛЭП в разделе 3.1(U1 = пост, Rл = пост, Rл = пост).
Лабораторная работа 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ И ПАРАЛЛЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИЯХ ЭЛЕМЕНТОВ
Цель работы - усвоение методики экспериментального определения параметров элементов цепей переменного тока, опытное изучение распределения напряжения и тока в цепях переменного тока при последовательном и параллельном соединении участков, усвоение методики расчета таких цепей.
1 Домашняя подготовка к работе:
1.1 Изучить [1 §§3.1-3.4, 2] тему "Электрические цепи однофазного синусоидального тока".
1.2 Решить задачи (решение должно быть в бланке отчета):
1.2.1 Цепь состоит из последовательно соединенных: индуктивной катушки
(Rк = 40 Ом, L = 0,0955 Гн), резистора (Rр = 20 Ом), конденсатора (C= 28,95 мкФ). Общее напряжение задано уравнением: u = 141 sin ωt , частота ƒ = 50 Гц.
Требуется:
а) определить действующие значения общего напряжения и тока;
б) действующие значения напряжения на зажимах катушки, резистора и конденсатора;
в) записать выражение мгновенных значений этих напряжений и тока;
г) построить в масштабе векторную диаграмму напряжений.
1.2.2 Индуктивная катушка (ХL = 80 Ом, Rк = 60 Ом) и конденсатор (Хс = 160 Ом) соединены параллельно и подключены к источнику с напряжением 200В. Определить ток в катушке, конденсаторе и потребляемый от источника. Вычислить активную, реактивную и полную мощность. Построить векторную диаграмму токов.
1.3 Заготовить бланк отчета со схемами и таблицами, приведенными в п.2, а также с решениями задач из п.1.
2 Порядок выполнения работы:
2.1 Определение параметров катушки, резистора и конденсатора.
2.1.1 Собрать цепь по схеме рис. 4.1, подключив в качестве приемника энергии Z индуктивную катушку. Цепь подключить к выходным зажимам источника переменного регулируемого напряжения (клеммы 0-250 В панели питания лабораторного стенда).
2.1.2 Подать на схему напряжение и, регулируя напряжение, установить ток в пределах 0,1- 0,2 А. Показания всех приборов записать в табл. 4.1.
2.1.3 Заменить катушку на резистор. Повторить п.2.1.2.
2.1.4 Заменить резистор конденсатором. Повторить п.2.1.2.
Рисунок 4.1
Таблица 4.1 - Определение параметров катушки, резистора и конденсатора:
| Измерено | Вычислено | |||||||||
| Приемник энергии | U | I | P | Z | R | X | cosφ | y | д | в |
| В | А | Вт | Ом | Ом | Ом | - | См | См | См | |
| Катушка | ||||||||||
| Резистор | ||||||||||
| Конденсатор | ||||||||||
2.2 Последовательное соединение приемников:
2.2.1 В цепи на рис.4.1 в качестве приемника энергии подключить резистор и катушку, соединенные последовательно. Установить схему тока 0,1- 0,2 А, измерить общее напряжение, мощность, а также напряжения на резисторе и катушке, присоединяя к соответствующим клеммам вольтметр PV. Показания приборов записать в табл.4.2.
2.2.2 Проделать п.2.2.1 при последовательном соединении резистора и конденсатора.
2.2.3 Проделать п.2.2.1 при последовательном соединении катушки, резистора и конденсатора.
Таблица 4.2 - Последовательное соединение приемников энергии
|
| Измерено | Вычислено | |||||||
| I | U | Uр | Uкат | Uконд | Р | U | Р | cosφ | |
| А | В | В | В | В | Вт | В | Вт | - | |
| Резистор и катушка | |||||||||
| Резистор и конденсатор | |||||||||
| Резистор, катушка и конденсатор | |||||||||
2.3 Параллельное соединение приемников энергии 2.3.1. Собрать цепь по схеме на рис. 4.2
Рисунок 4.2
2.3.2 Измерить токи в ветвях, общий ток, напряжение и мощность при параллельном соединении катушки и резистора (штепсельный разъем ШР4 без замыкателя). Для этого поочередно, вместо замыкателей штепсельных разъемов ШР1, ШР2, необходимо включить амперметр РА. Результаты записать в соответствующую строку таблицы 4.3.
2.3.3 Проделать п.2.3.2 при параллельном включении резистора и конденсатора (ШР2 без замыкателя).
2.3.4 Проделать п.2.3.2 при параллельном включении всех трех элементов
Таблица 4.3 - Параллельное соединение приемников энергии
|
| Измерено | Вычислено | |||||||
| U | I | Iр | Iкат | Iконд | Р | I | Р | cosφ | |
| В | А | А | А | А | Вт | А | Вт | - | |
| Резистор и катушка | |||||||||
| Резистор и конденсатор | |||||||||
| Резистор, катушка и конденсатор | |||||||||
3 Обработка результатов работы:
3.1 По результатам измерений п.2.1 вычислить полное, активное и реактивное сопротивления приемников энергии, пользуясь законом Ома, формулой мощности и соотношениями из треугольника сопротивлений.
3.2 Вычислить полную проводимость y и ее составляющие: активную g и реактивную b, пользуясь законом Ома и соотношениями из треугольника проводимости
Результаты расчетов по пп.3.1, 3.2 занести в соответствующие столбцы табл. 2.1.
3.3 Используя параметры табл. 4.1, определить общее напряжение U, активную мощность Р и коэффициент мощности 
расчетным путем при токе проведения соответствующих опытов в п.2.2. При этом необходимо пользоваться соотношениями: 
,(здесь сумма алгебраическая, 
)
Результаты занести в графу "вычислено" табл. 4.2.
3.4. Для всех случаев последовательного соединения построить в масштабе векторные диаграммы напряжений и диаграммы сопротивлений.
3.5 По результатам расчета для всех случаев последовательного соединения построить графики мгновенных значений тока и напряжений.
3.6 Задаваясь таким же напряжениями, как и при измерениях в пп.2.3.2, 2.3.3, 2.3.4, определять общий ток и потребляемую мощность расчетным путем в тех же вариантах параллельного соединения элементов. Для вычислений использовать параметры элементов, записанные в табл. 4.1, а также следующие соотношения:
3.7 Построить в масштабе векторные диаграммы токов и диаграммы проводимостей для трех вариантов параллельного соединения.
3.8 По результатам расчета для трех вариантов параллельного соединения построить графики мгновенных значений напряжений и токов.
3.9 Сделать вывод о проделанной работе (письменно).
3.10 Подготовить ответы на контрольные вопросы.
4 Контрольные вопросы:
4.1 Как записываются и изображаются на графиках синусоидальный ток, напряжение, э. д. с.? Какими величинами они характеризуются?
4.2 Что такое действующие значения тока, напряжения, э. д. с.?
4.3 Как связаны мгновенные и действующие значение тока с мгновенными и действующими значениями напряжения: 1) на участке цепи с активным сопротивлением; 2) на участке цепи с индуктивностью; 3) на участке цепи с емкостью; 4) при последовательном соединении всех этих элементов; 5) при параллельном соединении элементов.
4.4 Треугольники сопротивлений и проводимостей, соотношения, вытекающие из них.
4.5 Что такое активная мощность и как она вычисляется?
4.6 Методика расчета цепей при последовательном соединении на основе векторных диаграмм.
4.7 Методика расчета цепей при параллельном соединении на основе векторных диаграмм.
R = 6 Ом Определить I, UR, XC, Z
U = 100 В
Uc = 80 В
R = 20 Ом Определить U, I2, XC, y, Z
I = 5 А
I1 = 3 А
4.10 Напряжение, активное, емкостное и индуктивное сопротивление в Омах указаны на схеме. Определить общий ток и коэффициент мощности цепи.
4.11 В цепи к задаче п.4.8 
. Получить выражения мгновенных значений тока i, общего напряжения U, напряжения на резисторе UR.
4.12 В цепи и задаче п.4.9 
Получить выражения мгновенных значений i, i1, U.
4.13 В цепи к задаче п.4.10 
Получить выражения мгновенных значений U, i, i1, i2.
4.14 Задача. Цепь состоит из последовательно соединенных катушки и конденсатора. Напряжение 100 В, 
цепи 0,8, 
катушки 0,6. Определить напряжение на катушке и конденсаторе, изобразив предварительно схему замещения цепи и построив (качественно) векторную диаграмму.
4.15 Задача. Определить емкость конденсатора, который необходимо включить последовательно с лампой накаливания 100 Вт, 127 В для обеспечения нормальной работы лампы от сети 220 В, 50 Гц.
4.16 Задача. Индуктивная катушка имеет параметры: 
Г, R = 40 Ом. Определить активную, реактивную и полную проводимость при двух значениях частоты: 50 Гц и 100 Гц.
Лабораторная работа 5
ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА СО СМЕШАННЫМ
СОЕДИНЕНИЕМ УЧАСТКОВ
Цель работы - опытное изучение основных соотношений между токами, напряжениями и параметрами схемы в цепи переменного тока со смешанным соединением участков, усвоение символического метода расчета.
1 Подготовка к работе:
1.1 Изучить по учебнику 1, §§ 5.4, 5.5, 5.10-5.13, 2, §§ 3.5-3.14 или по конспекту основы символического метода расчета цепей синусоидального тока.
1.2 Познакомиться с методами экспериментального определения параметров элементов цепей переменного тока на основе измерений по схемам на рис. 5.1а и 5.2а. Суть методов для наиболее простого случая, когда 
(в качестве 
- резистор изложена в п. 1.2.1 и 1.2.2.
 |
а) б) а) б)
Рисунок 5.1 Рисунок 5.2
1.2.1 Схема на рис.5.1а. Векторная диаграмма напряжений - на рис. 5.1б. Из векторной диаграммы и с теоремы косинусов:
по известным напряжениям определяется.
По закону Ома и из треугольника сопротивлений находим
1.2.2 Схема на рис. 5.2а. Векторная диаграмма токов на рис. 5.2б.
Из соотношения 
вычисляется 
. По закону Ома и из треугольника сопротивлений
1.3 Задача 1. В цепи на рис. 5.1а показания приборов:
U = 95,4 B; U1 = 50 B; U2 = 60 B; I = 2 A.
Вычислить R1, R2, XL,φ2 записать комплексы 
и 
в алгебраической и показательной формах.
Задача 2. В цепи на рис. 5.2а: U =200 B; I=7,81 A; I1=4 A; I2=5 A. Определить R1, R2, XL,φ2 и записать 
и 
в обеих формах.
1.4 Заготовить бланк отчета с решениями задач из п.1.3 и монтажными схемами и таблицами, приведенными в разделе 2 "Порядок выполнения работ".
2 Порядок выполнения работы:
2.1 Определение комплексных сопротивлений элементов цепи.
2.1.1 Собрать цепь по схеме на рис. 5.3. В качестве R использовать резистор по указанию руководителя. В качестве 
индуктивную катушку
Рисунок 5.3
2.1.2 Включить блок питания и установить напряжение, обеспечивающее удобные для отсчета значения токов I, I1, и I2. Данные занести в 1-ю строку таблицы 5.1. Значения U и I1 занести также в строку "резистор" таблицы 5.1.
Таблица 5.1 - Комплексные сопротивления участков цепи:
|
|
6135
6010