Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Правила техники безопасности

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» (НИУ БелГУ)

Кафедра общей и прикладной физики

А. В. Лазарькова

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Учебное пособие

Белгород 2015

ВВЕДЕНИЕ

Настоящее учебное пособие является сборником лабораторных работ по электротехнике в курсах,«Электрорадиотехника», «Электротехника и электроника».

ПРАВИЛА РАБОТЫ В ЛАБОРАТОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Лабораторные занятия по электротехнике проводятся с целью экспериментальной проверки теоретических положений, а также приобретения навыков в исследовании процессов в электрических цепях и машинах.

Исходя из этого, в лаборатории установлены следующие правила:

1. Работа проводится бригадами по 2-3 человека. За каждой бригадой закрепляется рабочее место.

2. Перед началом лабораторных занятий каждый студент должен ознакомиться с правилами техники безопасности и расписаться об этом в соответствующем журнале.

3. Приступая к выполнению очередной лабораторной работы, студент должен ясно представлять себе ее цель и порядок выполнения.

4. К выполнению каждой лабораторной работы студент допускается лишь после проверки преподавателем его подготовленности.

5. Получив разрешение преподавателя к выполнению лабораторной работы, бригада должна получить у лаборанта нужное оборудование.

6. В случае неисправности оборудования необходимо сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

7. Сборку схемы следует проводить в следующем порядке: сначала собрать токовые цепи, по которым протекают рабочие токи (токи нагрузки), причем соединения выполнить проводами большего сечения, затем присоединить вольтметры и обмотки напряжения ваттметра проводами меньшего сечения.

8. Закончив сборку схемы, следует проверить ее правильность, затем пригласить преподавателя или лаборанта, и получить разрешение на включение схемы под напряжение.

КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ ВКЛЮЧАТЬ СХЕМУ ПОСЛЕ КАКИХ-ЛИБО ИЗМЕНЕНИЙ В НЕЙ БЕЗ ПРОВЕРКИ И РАЗРЕШЕНИЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ИЛИ ЛАБОРАНТА.

9. Перед началом эксперимента все измерительные приборы должны быть включены на максимальные пределы измерений. Переход на меньшие пределы допускается лишь после выяснения безопасности такого перехода.

10. Прежде чем приступить к записи показаний приборов, следует быстро провести опыт, чтобы определить границы изменения измеряемых величин и интервалы между замерами. Число точек должно быть достаточным для построения кривых и их анализа.

11. При анализе полученной экспериментальной зависимости необходимо обязательно сопоставлять ее с соответствующей зависимостью, известной из теории.

12. Все схемы, таблицы с экспериментальными данными, графики и результаты испытаний должны записываться и вычерчиваться каждым студентом в рабочей тетради, наличие которой обязательно.

13. Разборка схемы может производиться только с разрешения преподавателя после просмотра им черновых записей.

14. По каждой работе должен быть составлен отчет, который представляется преподавателю каждым студентом в отдельности. Отчеты, признанные преподавателем неудовлетворительными, возвращаются для переделок и исправлений.

15. Отчет о выполненной работе должен содержать следующее:

- название работы;

- цель;

- таблицу спецификации с номинальными (паспортными) данными приборов и оборудования;

- принципиальные электрические схемы;

- формулы для расчетов с расшифровками входящих в них величин;

- таблицы с опытными и расчетными данными;

- графики и векторные диаграммы;

- выводы.

Таблица спецификации.

№ п/п	Название Прибора	Тип	Система	Класс точности	Предел измерения или мощность	Абсолютная погрешность

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ

Поражение людей электрическим током может произойти как при высоком, так и при низком напряжении.

ПОРАЖЕНИЕ ТОКОМ ПРИ НИЗКОМ НАПРЯЖЕНИИ (ниже 250В) В РЯДЕ СЛУЧАЕВ ИМЕЕТ СМЕРТЕЛЬНЫЙ ИСХОД. Зачастую это объясняется тем, что многие работающие на электроустановках низкого напряжения, пренебрегают требованиями техники безопасности, ошибочно считая опасным для жизни людей более высокое напряжение.

В лаборатории электрических цепей, относящейся к категории помещений без повышенной опасности, опасными для жизни человека считается напряжение, превышающее 65В.

Для предупреждения несчастных случаев, пожаров и аварий в лаборатории студенты обязаны выполнять следующие правила:

1. Не следует загромождать свое рабочее место оборудованием, не относящимся к данной работе.

2. Включение схемы под напряжение допускается лишь после ее проверки препо- давателем или лаборантом.

3. Не разрешается касаться руками неизолированных частей схемы, когда цепь находится под напряжением.

4. Всякие переключения и изменения в схеме следует производить только при снятом напряжении.

5. При возникновении каких-либо отклонений от нормального режима работы цепи следует немедленно отключить ее от источника напряжения и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

6. Не следует оставлять без присмотра цепь, включенную под напряжение.

7. Особую осторожность следует соблюдать при работе с резонансными цепями, содержащими реактивные катушки и конденсаторы, так как при резонансе напряжения на отдельных участках цепи могут значительно превышать напряжение на зажимах цепи.

8. На конденсаторах, включенных в схему, после отключения их от источника напряжения может остаться заряд. Поэтому после окончания работы все конденсаторы следует разрядить.

9. Во время работы в лаборатории запрещается подходить к чужим рабочим местам и мешать товарищам.

УКАЗАНИЯ ПО МЕТОДИКЕ ПОСТРОЕНИЯ ГРАФИКОВ
И ВЕКТОРНЫХ ДИАГРАММ

При построении графиков значения аргумента принято откладывать по горизонтальной оси, а значения функции – по вертикальной. При пользовании прямоугольной системой координат графики удобнее строить на миллиметровой бумаге. Вдоль координатных осей наносят масштабные шкалы, деления которых должны быть равномерными. Числовые значения надписывают против деления шкалы не очень часто, причем они должны быть кратными 10 или дольными от 10.

Точки кривой строят по парным значениям аргумента А и функции В как координаты точек с учетом погрешностей.

В силу разных причин: неточности произведенного при эксперименте измерения, погрешности измерительного прибора, погрешность из-за субъективных свойств эксперимента, условий выполнения опыта и других обстоятельств экспериментальные точки окажутся не на плавной кривой, будет «разброс» точек. Как правило, кривую проводят между этими точками (рис.1).

Рис. 1

Данные эксперимента не обязательно бывают выражены теми целыми числами, значения которых надписываются против соответствующих делений масштабных шкал. Однако это не значит, что числовые значения, полученные из опыта, следует дополнительно надписывать на шкалах.

Иногда в одной и той же системе координат строят кривые нескольких величин, зависящих от одного и того же аргумента, но имеющих различные единицы измерения. В таком случае слева от оси координат наносят разные масштабные шкалы с различными единицами измерений.

Никаких других цифр и надписей на осях не допускается.

Все экспериментальные точки следует наносить на график особыми значками (например, крестиком) с учетом погрешностей измеренных величин. Кривые должны быть проведены плавно, по возможности при помощи лекал, так чтобы кривая была равновесной между экспериментальными точками.

При построении векторных диаграмм все векторы строятся в определенном масштабе, причём масштабы векторов тока и напряжения выбираются независимо друг от друга. Угол между векторами следует откладывать по транспортиру, а не на глаз.

При заданном положительном направлении тока стрелка каждого вектора должна быть направлена к точке с более высоким потенциалом. Двойные индексы, указывающие точки, между которыми определяется напряжение, в соответствие с его векторным изображением, должны начинаться с обозначения точки более высокого потенциала.

Последовательность фаз на диаграмме должна быть прямой, независимо от их расположения на схеме. Стандартное направление вращения векторов – против часовой стрелки.

ЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Лабораторная работа №1

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ И ЕМКОСТИ
РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

Цель работы: Исследовать резонансные явления в последовательном колебательном контуре.

Оборудование: Модульный учебный комплекс МУК-ЭТ2

Приборы:

Генератор звуковых частот ЗГ1

Измеритель многофункциональный ИМФ1

Стенд с объектами исследования С3-ЭМ01

Комплект проводников

Контрольные вопросы

1. Как и почему изменится ток катушки, если последовательно ей включить конденсатор?

2. Как изменится при этом напряжение на катушке и может ли оно стать опасным для прочности изоляции?

3. Каким должно быть соотношение индуктивного и емкостного сопротивлений, чтобы ток в цепи опережал напряжение?

4. Что понимают под резонансом напряжений; сформулируйте условия резонанса.

5. Почему при резонансе напряжений ток имеет наибольшее значение?

6. Начертить схему замещения, которой соответствует следующая векторная диаграмма:

ЗАДАНИЕ

1. Произвести измерения мощностей, тока и напряжений в цепи при различных значениях активного, индуктивного и емкостного сопротивлений.

2. По данным опытов:

a) определить параметры всей цепи и её элементов;

b) построить в масштабе векторные диаграммы для резонанса напряжений, а также при и .

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Рассмотрим последовательное соединение катушки, обладающей индуктивным и активным сопротивлениями, и конденсатора, обладающего емкостным сопротивлением (рис. 2). При подключении такой цепи к напряжению в ней возникает ток .

Вектор активного напряжения , где будет совпадать по направлениюс вектором тока (рис. 3), так как на активном сопротивлении ток и напряжение совпадают по фазе

и (1)


Рис.2. Принципиальная схема последовательного соединения	Рис. 3. Векторная диаграмма при активной нагрузке цепи

Вектор индуктивного напряжения опережает вектор тока на (рис. 4)

(2)

Вектор емкостного напряжения отстает от вектора тока на (рис.5).

(3)


Рис. 4. Векторная диаграмма при индуктивной нагрузке цепи	Рис. 5. Векторная диаграмма при емкостной нагрузке цепи

Для рассматриваемой цепи уравнение второго закона Кирхгофа имеет вид:

	,	(4)
	Где ; ; .

Согласно уравнению (4) и рис. 3 - 5, векторная диаграмма напряжений цепи (рис. 2) будет иметь вид, показанный на рис. 6, где вектор совпадает с вектором , а вектор _L опережает на вектор . Сумма векторов и дает вектор напряжения катушки

опережающий ток на угол .

Вектор отстает на от вектора .

Сумма векторов , , и дает вектор напряжения сети , опережающий ток на угол .

Рис. 6. Векторная диаграмма для цепи с последовательным соединением

, , при

Разделив или умножив стороны треугольника (рис. 6) на величину тока , получим треугольник сопротивлений (рис. 7) или треугольник мощностей (рис. 8)


Рис. 7. Треугольник сопротивлений для цепи с последовательным соединением , ,	Рис. 8. Треугольник мощностей для цепи с последовательным соединением , ,

Из треугольника сопротивлений (рис. 7) найдем полное сопротивление и цепи:

		(5)
		(6)

Из векторной диаграммы напряжений (рис. 6) получим формулу тока , которая является выражением закона Ома для последовательных цепей переменного тока:

(7)

Из диаграммы мощностей (рис. 8) получим соотношение между полной , активной и реактивными и мощностями:

(8)

Изменяя величину индуктивности цепи, можно изменять соотношение между емкостным и индуктивным сопротивлениями и напряжениями и и получать различные значения угла , так что вектор тока может опережать или отставать от вектора напряжения сети .

Если величина , то:

Так как преобладает индуктивное сопротивление и напряжение , то вектор тока отстает от вектора напряжения сети (рис. 6).

Если , тогда преобладает емкостное сопротивление и напряжение : , поэтому вектор тока опережает вектор напряжения сети (рис. 9).


Рис. 9. Векторная диаграмма , для цепи с последовательным соединением , , при	Рис. 10. Векторная диаграмма , при резонансе напряжений ()

При выполнении соотношения

(9)

индуктивное сопротивление будет равно емкостному:

;

(10)

и, следовательно, индуктивное и емкостное напряжения равны между собой (рис. 10)

;

(11)

Получим резонанс напряжений, т.е. полную взаимную компенсацию индуктивного и емкостного напряжений:

При резонансе напряжений угол , следовательно,

(12)

Вектор совпадает с вектором (рис. 10). Полное сопротивление цепи при резонансе принимает минимальное значение , так как (5), а следовательно, ток при резонансе и активная мощность принимают максимальные значения:

;

(13)

Реактивная мощность равна нулю:

;

(14)

Индуктивное и емкостное напряжения в раз больше напряжения

сети .

Поэтому резонанс напряжений может оказаться опасным для установки, в которой он имеет место.

При испытании таких цепей требуется особая осторожность.

Явление резонанса напряжений, т.е. взаимной компенсации реактивных напряжений , а, следовательно, и реактивных мощностей объясняется тем, что мгновенные значения напряжений на индуктивности и на емкости в любой момент времени равны и имеют противоположные знаки. Отсюда следует, что если, например, индуктивность берет энергию из сети для создания магнитного поля, то в этот момент конденсатор, разряжаясь, отдает энергию в сеть. Происходит взаимная компенсация энергии, потребляемой ими из сети.

Таким образом, при резонансе общая энергия, потребляемая из сети, расходуется только на нагревание активного сопротивления цепи.

Кривая зависимости полного сопротивления цепи от величины емкости (5) показана на рис. 11. При принимает минимальное значение .

При больше или меньше на рис. 11 показаны также кривые зависимости тока и от величины .
При ток имеет максимальное значение: ;
при всех других значениях С: .

Из выражения (9) видно, что величина емкости и индуктивности, при которых возникает явление резонанса, зависят от частоты тока. При заданных постоянных и явление резонанса может быть получено изменением частоты.

Рис. 11. График зависимости полного сопротивления цепи

, тока

и коэффициента мощности

от емкости

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВСЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

И ЕЕ ЭЛЕМЕНТОВ

Полные сопротивления или катушки определяются по показаниям амперметра и соответствующих вольтметров сети или катушки :

(15)

Активное сопротивление цепи определяется по показаниям ваттметра и амперметра :

(16)

Коэффициенты мощностей всей цепи и катушки соответственно будут:

(17)

Реактивные сопротивления всей цепи и катушки определяются из соотношений:

;

(18)

Индуктивность и индуктивное напряжение катушки будут (19)

Емкостное сопротивление , а, следовательно, и емкость конденсатора определяется по показаниям вольтметра и амперметра :

(20)

Характеристическое сопротивление последовательного колебательного контура

Добротность контура - отношение

Для контуров, применяемых в радиоэлектронике, величина Q достигает десятков и сотен единиц.

Экспериментальная часть

Экспериментальные исследования производятся на модульном учебном комплексе МУК-ЭТ1(2) рис. 12.

Рис. 12.

Для исследования резонансных явлений в последовательном колебательном контуре используется генератор звуковых частот ЗГ1. Выходная частота – от 20 Гц до 30 кГц, а амплитуда синусоидального напряжения от 0 В до 15 В.

Все измерения производится с помощью измерителя многофункционального ИМФ1. Он позволяет измерять амплитудные значений тока и напряжения, разность фаз, полную S, активную P и реактивную Q мощности.

На рис 13 представлена электрическая схема включения прибора ИМФ1 в цепь.

Все объекты исследования расположены на стенде С3-ЭТ01. Между собой элементы соединяются с помощью коротких проводников (Ш1.6-Ш1.6), а с генератором звуковых частот и измерителем ИМФ1 с модульном учебном комплексе МУК-ЭТ1(2) рис. 12.

ХОД РАБОТЫ

1. Начертить схему последовательного колебательного контура.

2. Собрать схему, соединив последовательно выход звукового генератора ЗГ1, катушку индуктивности L=10мГн, конденсатор

C1= 0, 022мкФ, вход измерителя многофункционального. Выход измерителя многофункционального нагрузить на резистор R1= 68 Ом.

3. Подключить осциллограф и измеритель многофункциональный параллельно катушке индуктивности или конденсатору.

4. Включить звуковой генератор ЗГ (установить выходное напряжение 2В), измеритель многофункциональный, осциллограф и вольтметр.

5. Плавно изменяя частоту звукового генератора ЗГ1 от 1000 до 15000 Гц в поддиапазоне 6, добиться резонанса (максимум амплитуды колебаний на осциллографе или разность фаз, равную нулю). Определить резонансную частоту. При этом ток в цепи достигает максимальной величин.

6. Подсчитать теоретическую резонансную частоту, используя формулу Томпсона. Результаты измерений занести в таблицу.

7. С помощью измерителя многофункционального определить величины напряжения, тока и мощности активной P и реактивной Q, угла сдвига фаз.

8. Вольтметром измерить напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе. Сравнить с напряжением, поданным на схему. Сделать вывод о резонансных свойствах контура.

9. Получить резонансную кривую, проводя расстройку частоты с шагом 2 кГц в обе стороны от резонансной частоты.

10. Заполнить таблицу 1.

Таблица 1.

№№ п/п	f, кГц	I, мА	U, В	U1, В	U2, В	Р, Вт	Q, ВВАр	S, ВВА	φ

11. Построить график зависимости тока от частоты. Сделать выводы.

12. Построить график резонансной кривой, определить полосу пропускания колебательного контура, волновое сопротивление, добротность. Сделать выводы.

13. Заполнить таблицу 2.

Таблица 2.

f_рез _эксп.	f_рез _теор.	R	П	Q
кГц	кГц	Ом

14. Начертить векторные диаграммы напряжений в момент резонанса, до и после резонанса.

15. Построить график зависимости тока от частоты.

Собрать схему по рис. 13. В схему включить последовательно катушку индуктивности с параметрами: индуктивность и активное сопротивление катушки: L = 15 мГн, R = 12 Ом, и конденсатор, ёмкость которого 0.022 мкФ

Результаты измерений занести в таблицу и произвести вычисления.

Таблица

Данные измерений

Данные вычисленийq

U_с

Uк

cos φ

кГц

мA

Вт

ВА_р

ВА

Построить кривые I=F(f); cosφ=F(f); Z=F(f).

Определить полосу пропускания последовательного колебательного контура.

Построить векторные диаграммы напряжений: до резонанса, в резонансе и после резонанса.

Лабораторная работа №2

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ И ЕМКОСТИ

РЕЗОНАНС ТОКОВ

Цель работы: Исследовать резонансные явления в параллельном колебательном контуре.

Оборудование: Модульный учебный комплекс МУК-ЭТ2

Приборы:

Генератор звуковых частот ЗГ1

Измеритель многофункциональный ИМФ1

Стенд с объектами исследования С3-ЭМ01

Комплект проводников

Контрольные вопросы

1. Как и почему изменяется ток в цепи, содержащей катушку, если параллельно катушке включить конденсатор?

2. Способы повышения коэффициента мощности цепи и его экономическое значение.

3. Что понимают под резонансом токов, сформулируйте условия резонансов токов.

4. Почему при резонансе токов ток в общей цепи имеет наименьшее значение?

5. Каким должно быть соотношение реактивных проводимостей катушки и конденсатора, чтобы ток в общей цепи опережал напряжение?

6. Начертить схему замещения, которой соответствует следующая векторная диаграмма.

ЗАДАНИЕ

1. Произвести измерения мощностей, токов и напряжения в цепи при различных значениях частоты генератора.

2. По данным опытов:

а) определить параметры всей цепи и ее элементов, а также реактивный ток катушки,

б) построить кривые зависимости общего тока, полного сопротивления и цепи от частоты,

в) построить в масштабе векторные диаграммы токов и напряжения для резонанса токов , а также при и .

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Рассмотрим параллельное соединение катушки, обладающей индуктивным и активным сопротивлением, с конденсатором, обладающим емкостным сопротивлением (рис.2). При подключении такой цепи к напряжению в катушке возникает ток :