ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОИЗВОДСТВА

 

Кафедра: «Электрооборудование и энергосбережение»

 

 

С.Ю. Свидченко, Т.Г. Королева

 

 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Часть 1

Методические указания

по выполнению лабораторных работ

 

Дисциплина – «Теоретические основы электротехники»

Специальности: 181300 «Электрооборудование и электрохозяйство
предприятий, организаций и учреждений»,

150200 «Автомобили и автомобильное хозяйство»

 

 

Печатается по решению редакционно-
издательского совета ОрелГТУ

 

 

Орел 2002

доцент, кандидат технических наук Т.Г. Королева   Рецензент: доцент, кандидат технических наук В.А. Гринин

Орловский государственный технический университет

Лицензия ИД № 00670 от 05.01.2000

 

Подписано к печати 25.05.2002 г. Формат 60х84 1/16.

Печать офсетная. Уч.- изд. л. 2,7. Усл. печ. л. 2,8. Тираж 300.
Заказ №

 

Отпечатано с готового оригинал-макета

на полиграфической базе ОрелГТУ,

302030, г. Орел, ул. Московская, 65.

 

© ОрелГТУ, 2002

© Свидченко С.Ю.,

Королева Т.Г., 2002

 

Содержание

 

Стр.

 

Лабораторная работа №1. Методы анализа электрических
цепей............................................................................................................... 4

Лабораторная работа №2. Линейная неразветвлённая цепь
синусоидального тока............................................................................... 14

Лабораторная работа №3. Линейная разветвлённая цепь

синусоидального тока............................................................................... 24

Лабораторная работа №4. Трёхфазные цепи синусоидального
тока................................................................................................................ 35

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

 

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Цели работы

1.1 Экспериментальная проверка справедливости эквивалентных преобразований схем электрических цепей.

1.2 Закрепление практических навыков использования методов анализа электрических цепей. Экспериментальная проверка результатов расчёта.

 

 

Теоретические сведения

- наличие только одного источника энергии (сигнала); - возможность до расчётов указать истинные направления токов во всех ветвях; … - соединение элементов цепи выполнено по правилам последовательного, параллельного и смешанного соединений.

Описание установки

В п. 4.2 (см. далее) не для всех вариантов заданий возможно использование источников э.д.с. данного модуля. В этих случаях в качестве и используются…  

Программа работы

4.2 Подключить к заданным входным зажимам полученной цепи один из источников э.д.с. Причём, для вариантов 1 - 4 следует брать источник (при этом…   (1.5)

Контрольные вопросы

1. Что физически выражают 1-й и 2-й законы Кирхгофа?

2. Каковы отличительные признаки простых цепей?

3. В чём сущность метода свёртки схемы?

4. Каково главное условие эквивалентного преобразования схем?

5. В чём достоинство МКТ по сравнению с методом составления полной системы уравнений Кирхгофа?

6. Каков общий порядок применения МКТ для расчёта схем?

7. Чем определяется количество уравнений, записываемых по МКТ?

^{______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________}

^*) только для студентов специальностей 150200, 181300, 190100, 190600, 200800, 220500.

8. Возможно ли измерение контурного тока или же это исключительно расчётная абстракция?

9. Что такое собственное и общее (взаимное) сопротивление?

10. Как на основе контурных токов определяются токи реальные?

 

Дополнительные вопросы для студентов специальностей 150200, 181300, 190100, 190600, 200800, 220500:

11. В чём достоинство МУН по сравнению с методом составления полной системы уравнений Кирхгофа?

12. Возможно ли преимущество МУН перед МКТ?

13. Каков общий порядок использования МУН для расчёта схем?

14. Каково правило знаков в МУН?

15. Чем определяется количество уравнений, записываемых по МУН?

16. Можно ли записывать уравнение для опорного узла? Каковы критерии выбора опорного узла?

17. Что такое собственная и взаимная (общая) проводимость?

 

 

Литература

1. Теоретические основы электротехники. Т.1. Основы теории
линейных цепей. Под ред. Ионкина П.А. – М.: Высш. шк., 1976.
- С. 19-62, 100-105.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М.: ЭАИ, 1983. -
С. 20-34.

3. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линей-
ные цепи. - М.: Высш. шк., 1990. - С. 28-42, 45-58.

4. Иванов А.А. Электротехника. Лабораторные работы. - Киев:
Вища шк., 1976.- С. 30-39.

5. Попов В.П. Основы теории цепей: Учебник для вузов.- 2-е изд.
- М.: Высш. шк., 1998.- С. 39, 41-46, 51-54, 120-124, 129-131,
229-248.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

 

ЛИНЕЙНАЯ НЕРАЗВЕТВЛЁННАЯ ЦЕПЬ
СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

Цель работы

1.1 Исследовать электрическое состояние линейной неразветвлённой цепи синусоидального тока при различных параметрах реактивных элементов.

1.2 Убедиться в наличии сопротивлений у индуктивного и ёмкостного элементов при протекании через них переменного тока.

1.3 Освоить метод представления синусоидальных величин векторами и метод построения векторных диаграмм напряжения.

1.4 Убедиться в возможности возникновения резонанса напряжения. Определить условия его возникновения.

Основные теоретические положения

  (2.1)  

Описание лабораторной установки

Установка комплектуется из элементов электрооборудования стенда ЛСЭ-2 (рисунок 2.3). Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) имеет регулируемое выходное напряжение 0 … 250 В и выходной вольтметр на тот же предел. ЛАТР снабжён предохранителем и тумблером подключения к сети. Каждая из трёх, имеющихся на стенде ЛСЭ-2, катушек индуктивности обладает следующими параметрами:

 

 

Допустимый ток катушки – не более 0,7 А. В процессе работы сердечник сильно разогревается. Сразу после выполнения экспериментальной части работы напряжение следует снять, а сердечник не вытаскивать. В лабораторной работе рекомендуется использовать третью катушку (L₃ на рисунке 2.3).

Батарея конденсаторов , в которой отдельные конденсаторы соединены параллельно, имеет суммарную ёмкость 31,5 мкФ. Конденсаторы снабжены индивидуальными тумблерами отключения, не показанными на схеме рисунка 2.3.

В испытуемую схему элементы соединяются монтажными проводами. Их следует получить у преподавателя или лаборанта.

Рисунок 2.3 – Вариант монтажа испытуемой схемы на стенде ЛСЭ-2. Пунктиром указаны монтируемые проводники

 

Порядок выполнения работы

4.2 Установить ручку ЛАТРа в положение «0» и включить тумблер . 4.3 Установить ёмкость конденсаторной батареи 14 … 16 мкФ и поднять напряжение… 4.4 Зафиксировать во второй строке таблицы 2.1 установленную ёмкость конденсаторной батареи - , показания приборов: -…

Обработка результатов

Таблица 2.1 – Экспериментальные данные № п/п С, мкФ U, В I, А , В , В   …    

Контрольные вопросы

1. Каково соответствие синусоидальной величины, например тока, и изображающего его вектора?

2. Каковы основные особенности функционирования неразветвлённой цепи при питании синусоидальным напряжением или током по сравнению с питанием постоянным выражением или током?

3. Как отличаются режимы работы цепи при различных соотношениях параметров реактивных элементов?

4. Как экспериментально определяются активное и реактивное сопротивления катушки индуктивности?

5. Изменяется ли активная составляющая полного напряжения цепи при изменении ёмкости?

6. Почему момент резонанса напряжений регистрируется по максимальному току цепи?

7. Активное сопротивление идеальной катушки индуктивности отсутствует. Каким будет резонансное сопротивление цепи при соединении такой катушки последовательно с конденсатором необходимой емкости?

8. В работе резонанс напряжений достигался изменением ёмкости конденсаторной батареи. Имеются ли другие возможности достижения резонанса?

9. Всегда ли в момент резонанса напряжений на реактивных элементах цепи больше полного напряжения цепи?

10. Каково практическое значение резонанса напряжений?

Дополнительные вопросы для студентов специальностей

150200, 181300, 190100, 190600, 200800, 220500:

11. В чём заключается информационная ценность векторных диаграмм?

12. Всегда ли резонанс напряжений представляет опасность для элементов неразветвлённой цепи?

13. Можно ли по данным таблицы 2.2 построить частотные характеристики цепи?

14. Записать комплекс полного сопротивления цепи для первой строки таблицы 2.2.

15. Влияет ли величина активного сопротивления катушки на резонансную частоту последовательной цепи?

16. В чём состоит достоинство высокодобротной резонансной цепи?

17. Потребляет ли цепь реактивную мощность в момент резонанса?

18. По любой из построенных векторных диаграмм записать приложенное к цепи напряжение в виде комплексной величины (в алгебраической или показательной форме) и в виде синусоидальной величины.

 

Литература

1. Иванов А.А. Электротехника. Лабораторные работы.- Киев: Вища шк., 1976. – С. 53-60.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – С. 57-78.

3. Теоретические основы электротехники. Т. I. Основы теории линейных цепей. Под ред. П.А. Ионкина. – М.: Высш. шк., 1976. –
С. 166-167, 169-171.

4. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи. – М.: Высш.шк., 1990. – С. 181-187, 190-195.

5. Попов В.П. Основы теории цепей: Учебн. для вузов. – 2-е изд. – М: Высш.шк., 1998. – С. 65-105, 108-116, 175-184.

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ЛИНЕЙНАЯ РАЗВЕТВЛЁННАЯ ЦЕПЬ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

 

 

Цели работы

1.1 Исследовать электрическое состояние линейной разветвлённой цепи синусоидального тока при различных параметрах реактивных элементов.

1.2 По опытным данным построить векторные диаграммы токов, убедиться в возможности установления резонанса токов и определить условия его возникновения.

 

 

Основные теоретические положения

  Рисунок 3.1 - Исходная схема Согласно одному из них [1] ток в каждой ветви можно представить в виде суммы ортогональных… Это позволяет считать, что активное сопротивление конденсатора не влияет на… сопротивление конденсатора

Описание лабораторной установки

Лабораторная установка собирается из лабораторного автотрансформатора (ЛАТР), являющегося источником регулируемого синусоидального напряжения В стандартной частоты 50 Гц, приборов: вольтметра с пределом 250 В -и амперметра с пределом , переключателя контроля токов и пассивных элементов: катушки индуктивности и батареи конденсаторов
(рисунок 3.3). Все эти элементы выбираются из состава лабораторного стенда ЛСЭ-2 и монтируются с помощью проводов, которые следует получить у преподавателя или лаборанта. На схеме (рисунок 3.3) эти проводники показаны пунктиром.

Катушка индуктивности имеет следующие параметры:

 

 

Батарея конденсаторов набрана из параллельно соединенных элементов с ёмкостью 16, 8, 4, 2, 1, 0,5 мкФ, имеющих индивидуальные переключатели, не показанные на схеме. Пятиплатный переключатель на три позиции переключения позволяет одним амперметром измерять токи последовательно в трёх разных ветвях. При измерении тока в одной ветви две другие ветви не разрываются. В момент включения прибора в одну из ветвей на место включения прибора в других ветвях включается закорачивающая перемычка.

Вариант монтажной схемы, представленный на рисунке 3.3, эквивалентен принципиальной схеме (рисунок 3.4).

Рисунок 3.4 - Принципиальная схема исследуемой цепи

Обозначение означает, что ток регистрируется прибором в положении «3» переключателя . Аналогично интерпретируются и другие обозначения. Подключение ЛАТРа к однофазной сети осуществляется внутренним монтажом ЛСЭ-2 через двухполюсный тумблер .

 

Порядок выполнения работ

4.2 Повернуть ручку ЛАТРа в положение «0» и включить тумблер . 4.3 Установить ёмкость конденсаторной батареи С =16… 20 мкФ. Переключатель… 4.4 Зафиксировать в таблице 3.1 величину ёмкости , установленное напряжение , ток конденсаторной батареи .…

Обработка результатов

Таблица 3.1 – Экспериментальные данные № п/п , мкФ , В , А , А , А   …   5.1 По данным измерений построить три векторные диаграммы токов, пользуясь уравнением (3.8) и методом засечек.…

Контрольные вопросы

1. Каковы основные особенности функционирования разветвлённой цепи при питании её синусоидальным напряжением или током по сравнению с питанием постоянным напряжением или током?

2. Как отличаются режимы работы цепи при различных соотношениях параметров пассивных элементов?

3. Как определить активное и реактивное сопротивление катушки индуктивности?

4. Изменяется ли активная составляющая полного тока цепи при изменении ёмкости?

5. Почему момент резонанса регистрируется по минимальному полному току цепи?

6. Активное сопротивление идеальной катушки индуктивности отсутствует. Каким будет резонансное сопротивление цепи при включении такой катушки параллельно конденсатору?

7. При каких условиях полный ток цепи становится меньше тока в отдельных ветвях?

8. В работе резонанс токов достигался изменением ёмкости конденсаторов. Имеются ли другие возможности достижения резонанса?

9. Для чего и как производится компенсация индуктивного тока?

10. В чём недостаток перекомпенсации?

 

Дополнительные задания и вопросы для студентов специальностей 150200, 181300, 190100, 190600, 200800, 220500:

 

11. Получить значение полной, активной и реактивной мощности по одной из векторных диаграмм.

12. При каких условиях в параллельно соединённых реактивных элементах резонанс токов не возникает?

13. В чем достоинство высокодобротных резонансных цепей?

14. В чем недостаток высокодобротных резонансных цепей?

15. Потребляет ли цепь реактивную мощность в момент резонанса? Потребляют ли реактивную мощность отдельные элементы?

16. Можно ли по данным таблицы 3.2 построить частотные характеристики цепи?

17. Записать комплекс полного сопротивления цепи для первой строки таблицы 3.2.

18. Что покажет амперметр в неразветвлённой части цепи, если идеальная катушка индуктивности и конденсатор находятся в состоянии резонанса?

19. В чем отличия параллельного и последовательного резонансов?

20. Влияет ли величина добротности цепи на вид её частотной характеристики?

 

Литература

1. Иванов А.А. Электротехника. Лабораторные работы. – Киев: Вища шк., 1976. – С. 60-67.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1983. – С. 84-87, 92-98.

3. Теоретические основы электротехники. Т. 1. Основы теории линейных цепей. /Под ред. П.А. Ионкина. – М.: Высш. шк., 1976. –
С. 176-178.

4. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи. – М.: Высш. шк., 1990. – С. 187-195, 228-229, 216-222.

5. Попов В.П. Основы теории цепей. Учебник для вузов. 2-е изд. – М.: Высш. шк., 1998. – С. 198-204.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

 

ТРЁХФАЗНЫЕ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

 

 

1 Цели работы

1.1 Получить на дисплее виртуального осциллографа временную развёртку напряжений трёхфазного генератора.

1.2 Проверить опытным путем соотношения между линейными и фазными токами и напряжениями при соединении электроприёмников по схемам «звезда» и «треугольник».

Исследовать электрическое состояние трехфазной цепи при симметричной и несимметричной резистивных нагрузках, а также обрыве линий.

Теоретические сведения

Основные теоретические положения Трёхфазную систему напряжений можно получить, соединив в одной цепи три… Генерирование имеющих фазовые сдвиги синусоидальных напряжений осуществляется посредством трёхфазного генератора с…

Описание лабораторной установки

Лабораторная работа выполняется на универсальном стенде, укомплектованном:

- генератором синусоидальных напряжений, предназначенным для питания потребителей трёхфазным переменным током с нулевым выводом промышленной частоты. Напряжение генератора - 7/12 В;

- набором мини-блоков, который содержит резисторы, используемые в качестве нагрузки;

- коннектором К-1, обеспечивающим возможность присоединения внешних устройств через контактные гнезда к входам/выходам платы сбора данных типа Lab-PC-1200, встроенной в системный блок персонального компьютера, а также для усиления сигналов цифровых выходов этой платы;

- соединительными проводами.

Для измерения электрических величин напряжения U и тока I используется мультиметр. До его подключения к цепи необходимо выполнить следующие настройки:

Ø установка рода тока (постоянный/переменный);

Ø выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату измерений;

Ø правильное подсоединение зажимов мультиметра к измеряемой цепи.

Для получения кривых изменения во времени мгновенных значений напряжений трёхфазного источника используется виртуальный осциллограф.

Порядок выполнения работы

4.2 Собрать цепь согласно схеме (рисунок 4.6). Подключить при помощи соединительных проводов выходы трехфазного генератора напряжений (панель №203)… - выход L1 к входу АСН0; - выход L2 к входу АСН2;

Обработка результатов

- численный коэффициент, связывающий линейное и фазное напряжения между собой в «звезде»:   ;

Контрольные вопросы

1. Как соединить фазы нагрузки в «звезду» и «треугольник»?

2. Для чего предназначен нейтральный провод между генератором и приёмником в четырёхпроводной цепи? Что понимают под нейтральной точкой трёхфазного генератора или приёмника?

3. Каковы соотношения между линейными и фазными токами и напряжениями для симметричной нагрузки, соединённой по схемам «звезда» и «треугольник»?

4. В чём заключается преимущество четырёхпроводной трёхфазной цепи по сравнению с трёхпроводной?

5. В каком случае ток в нейтральном проводе четырёхпроводной цепи равен нулю?

6. Какая нагрузка в цепи трёхфазного тока называется равномерной?

7. Что понимают под трёхфазной симметричной системой?

8. Каков вид выражений мощности для трёхфазного тока для случая равномерной и неравномерной нагрузок?

9. В чём преимущество приёмников, соединённых по схеме «треугольник»?

10. Как изменятся токи в фазах симметричного приёмника, соединённого «звездой», при обрыве линейного провода?

11. Как изменится активная мощность, если трёхфазный симметричный резистивный приёмник, соединённый «звездой», будет переключён в «треугольник» (при неизменном напряжении генератора)?

 

Литература

1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учеб. пособие для неэлектротехн. спец. вузов. – М.: Высш. шк., 1984. - С. 94-110.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - С. 107-120.

3. Электротехника: Программир. учеб. пособие для неэлектротехнич. спец. вузов/ Герасимов В.Г., Зайдель Х.Э., Коген-Далин В.В.
и др.; Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1983. – С. 121-139.