ЭлТехн-МетУказV1_00

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Алтайский государственный технический университет

им. И.И. Ползунова

Сучкова Л.И., Якунин А.Г.

АППАРАТНО-ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА ПО КУРСУ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»

Учебное пособие

Барнаул, 2008

УДК 621.3 (075.8)

Сучкова Л.И. Аппаратно-программное обеспечение лабораторного практикума по курсу «Электротехника и электроника»: учебное пособие для студентов специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» / Сучкова Л.И., Якунин А.Г. Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул, 2008. - 204 с., ил.

Настоящее пособие предназначено для студентов специальности «Вычислительные машины, комплексы, системы и сети» при выполнении ими лабораторного практикума по первой части курса «Электротехника и электроника». Основу выполняемых работ представляют специально разработанные для их выполнения стенды. Особенностью практикума является применение при выполнении большинства работ наряду с реальными электронными приборами и измерительным оборудованием виртуальной лаборатории, в качестве которой выступает приложение MultiSIM фирмы National Insruments. Выполняемые в рамках практикума лабораторные работы отражают содержание наиболее важных с точки зрения практической значимости теоретических разделов электротехники. В то же время специфика работ и характер выполняемых в них заданий ориентированы на подготовку специалиста по электронно-вычислительным машинам и информационно – вычислительным и измерительным комплексам, а не на инженера – электрика.

Пособие может оказаться полезным для студентов, занимающихся НИРС, а также аспирантам кафедры автоматики и вычислительной техники, поскольку в нем приведено описание измерительной техники, используемой на кафедре автоматики и вычислительных систем АлтГТУ не только в учебном процессе, но и для научных исследований.

Рекомендовано к изданию заседанием кафедры "Автоматика и вычислительные системы» Алтайского государственного технического университета. Протокол № 1 от 02.09.08 г.

Рецензенты: к.т.н., профессор, зав.кафедрой вычислительной техники и электроники физико-технического факультета ГОУ ВПО «Алтайский государственный университет» Шатохин А.С.; д.т.н., профессор кафедры общей электротехники ГОУ ВПО «Алтайский государственный технический университет» Тищенко А.И.

2

СОДЕРЖАНИЕ

3

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника – это отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, получения и изменения химического состава веществ, производства и обработки материалов, передачи информации, охватывающая вопросы получения, преобразования и использования электрической энергии в практической деятельности человека.

Возникновению электротехники предшествовал длительный период накопления знаний об электричестве и магнетизме, в течение которого были сделаны лишь отдельные попытки применения электричества в медицине, а также для передачи сигналов. В 17-18 вв. исследованию природы электрических явлений были посвящены труды М.В.Ломоносова. Т. В.Рихмана, Б.Франклина, Ш.О.Кулона, П.Дивиша и др.

Для становления электротехники решающее значение имело появление первого источника непрерывного тока - вольтова столба (А. Вольта, 1800), а затем более совершенных гальванических элементов, что позволило в первой трети 19 века провести многочисленные исследования химических, тепловых, световых и магнитных явлений, вызываемых электрическим током (труды В.В.Петрова, X.К.Эрстеда, Д.Ф.Араго, М.Фарадея, Дж.Генри, А.М.Ампера, Г.С.Ома и др.). В этот период были заложены основы электродинамики, открыт важнейший закон электрической цепи - закон Ома. Среди попыток практического использования результатов этих достижений наиболее значительными были работы в телеграфии (электромагнитный телеграф П.Л.Шиллинга, 1832), в военном деле (гальваноударные морские мины Б.С.Якоби, 1840-е гг.), в области электрических измерений (индикатор электрического тока австрийского учёного И.К.Швейгера, 1820). Открытие электромагнитной индукции (1831-32) предопределило появление электрических машин - двигателей и генераторов. Поскольку все первые потребители электроэнергии использовали постоянный ток (как наиболее изученный), первые электрические машины были машинами постоянного тока, причем электродвигателями, поскольку в первой трети 19 в. гальванические элементы как источники тока уже удовлетворяли требованиям практики. Период совершенствования конструкции электродвигателя - от лабораторных приборов Фарадея 1821 г. до машин промышленного типа - охватывает приблизительно 50 лет. При этом первый двигатель с вращающимся якорем, получившим практическое применение, был двигатель, разработанный Якоби

(1834--38).

4

Прообразом первого, не гальванического, более экономичного, источника электроэнергии стала униполярная машина Фарадея (1831). Первыми практически пригодными электромашинными генераторами были магнитоэлектрические генераторы, в которых магнитное поле создавалось постоянными магнитами, а якорями служили массивные индуктивные катушки (Якоби, 1842). Промышленное производство генераторов было начато в 1870 в Париже после того, как З.Т.Грамм впервые применил в генераторе с самовозбуждением кольцевой шихтованный якорь, принципиальная конструкция которого была предложена для электродвигателя в 1860 А. Пачинотти. Последующее совершенствование машин постоянного тока шло по пути улучшения их конструктивных элементов. К 80-м годам XIX века электрические машины постоянного тока приобрели основные конструктивные черты современных машин. Их совершенствованию способствовало открытие закона о направлении индукционных токов (правило Ленца), обнаружение и исследование противо-ЭДС (Якоби, 1840), разработка методов расчёта электрических цепей (Г.Р.Кирхгоф, 1847) и методов расчёта магнитных цепей (английский учёный Дж. Гопкинсон, нач. 80-х годов), изучение магнитных свойств железа (А.Г.Столетов, 1871) и др.

К концу 1870-х годов относятся работы Дж. К. Максвелла, сформулировавшего уравнения, названные его именем и являющиеся основой современного учения об электромагнитном поле. Наряду с электромашинными генераторами продолжали совершенствоваться химические источники тока. Значительным шагом в этом направлении было изобретение свинцового аккумулятора (французский физик Г.Планте, 1859). Усовершенствованная конструкция этого аккумулятора к 80-м гг. уже имела все основные элементы современных аккумуляторов.

Создание надёжных источников тока сделало возможным удовлетворение возросших потребностей в электрической энергии для практических целей. Дальнейшее развитие электротехники связано с возникновением электротехнической промышленности и массовым распространением электрического освещения, которое в 50-70-х годах XIX века заменило газовое. Идея применения электрической энергии для освещения была высказана Петровым в 1802 после открытия электрической дуги. Первыми электрическими источниками света были разнообразные дуговые угольные лампы, среди которых наиболее дешёвой и простой была "свеча Яблочкова" (П.Н.Яблочков, 1876). В 1870-75 А. Н. Лодыгин разработал несколько типов ламп накаливания, усовершенствованных позднее Т. А. Эдисоном и получивших преимущественное распространение к 90 м годам XIX века. Достижения в создании и применении электрических источников света оказали су-

5

щественное влияние на становление и развитие светотехники. С распространением электрического освещения связано создание электроэнергетических систем. Уже в первых осветительных устройствах Яблочкова имелись все основные элементы энергосистем: первичный двигатель, генератор, линия электропередачи, трансформатор, приёмник энергии. Начало применению электроэнергии для технологических целей положили ещё работы Якоби (1838), предложившего использовать электрический ток для получения металлических копий и для нанесения металлических покрытий.

Расширение области практического использования электрической энергии стало возможно лишь в 70-80-е годы XIX века с решением проблемы передачи электроэнергии на расстояние. В 1874 Ф. А. Пироцкий пришёл к выводу об экономической целесообразности производства электроэнергии в местах, где имеются дешёвые топливные или гидроэнергетические ресурсы, с последующей передачей её к потребителю. В 1880-81 Д. А. Лачинов и М. Депре независимо друг от друга предложили для уменьшения потерь электроэнергии в линии электропередачи (ЛЭП) использовать ток высокого напряжения. Первая линия электропередачи на постоянном токе была построена Депре в 1882 между городами Мисбахом и Мюнхеном (длина линии 57 км, напряжение в ней 1.5-2 кв). Однако попытки осуществить электропередачу на постоянном токе оказались неэффективными, т. к., с одной стороны, технические возможности получения постоянного тока высокого напряжения были ограничены, а с другой - было затруднено его потребление. Поэтому наряду с использованием для передачи электроэнергии постоянного тока велись работы по применению в тех же целях однофазного переменного тока, напряжение которого можно было изменять (повышать и понижать) с помощью однофазного трансформатора. Создание промышленного типа такого трансформатора (О. Блати, М. Дери, К. Циперновский, 1885, и др.) по существу решило проблему передачи электроэнергии. Однако широкое распространение однофазного переменного тока в промышленности было невозможно из-за того, что однофазные электродвигатели не удовлетворяли требованиям промышленного электропривода, и поэтому применение однофазного переменного тока ограничивалось лишь установками электрического освещения.

В 70-80-е годы XIX века электроэнергию начали использовать в технологических процессах: при получении алюминия, меди, цинка, высококачественных сталей: для резки и сварки металлов; упрочнения деталей при термической обработке и т. д. В 1878 Сименс создал промышленную конструкцию электроплавильной печи. Методы дуговой

6

электросварки были предложены Н.Н.Бенардосом (1885) и Н.Г.Славяновым (1891).

К концу 70-х годов относятся также первые попытки использования электроэнергии на транспорте, когда Пироцкий провёл испытания вагона, на котором был установлен электрический тяговый двигатель. В 1879 Сименс построил опытную электрическую дорогу в Берлине. В 80-е годы трамвайные линии были открыты во многих городах Западной Европы, а затем в Америке (США). В России первый трамвай был пущен в Киеве в 1892. В 90-е гг. электрическая тяга была применена и на подземных железных дорогах (в 1890 в Лондонском метрополитене,

в1896 - в Будапештском), а затем на магистральных железных дорогах.

Вконце XIX века промышленное использование электроэнергии превратилось в важнейшую комплексную технико-экономическую проблему - наряду с экономичной электропередачей необходимо было иметь электродвигатель, удовлетворяющий требованиям электропривода. Решение этой проблемы стало возможным после создания многофазных, в частности трёхфазных, систем переменного тока. Над этой проблемой работали многие инженеры и учёные (Н.Тесла, американский учёный Ч. Брэдли, немецкий инженер Ф.Хазельвандер и др.), но комплексное решение предложил в конце 80-х гг. М.О.ДоливоДобровольский, который разработал ряд промышленных конструкций трёхфазных асинхронных двигателей, трёхфазных трансформаторов, и

в1891 построил трёхфазную линию электропередачи Лауфен - Франкфурт (длина линии 170 км).

Современное состояние электротехники.

Практическое применение трёхфазных систем положило начало современному этапу развития электротехники. Увеличение потребления электроэнергии обусловило строительство мощных электростанций, электрических сетей, создание новых и расширение действующих электроэнергетических систем. Строительство мощных ЛЭП высокого напряжения привело к разработке разнообразного высоковольтною оборудования, электроизоляционных материалов, средств электроизмерительной и преобразовательной техники и т. д., а также стимулировало улучшение конструкций электрических машин и аппаратов, разработку методов анализа процессов в цепях переменного тока (работы Ч. П. Штейнмеца и др.). Совершенствование электротехнических устройств способствовало формированию таких научных дисциплин, как высоких напряжений техники, теория электрических цепей, теория электрических машин, электропривод и др. Успехи электротехники оказали существенное влияние на развитие радиотехники и электрони-

7

ки, телемеханики и автоматики, а также вычислительной техники, кибернетики и информатики.

Один из важных разделов электротехники - электромеханика охватывает вопросы преобразования энергии, практическое решение которых на широкой научной основе потребовало разработки специальных методов, связанных с анализом и описанием процессов, протекающих именно в электротехнических устройствах. Математическое описание таких процессов основано на решении уравнений Максвелла. При этом их дополняют уравнениями, описывающими конкретный процесс, или используют вариационные принципы механики. Так, на основе принципа возможных перемещений разработаны различные формализованные методы, среди которых наибольшее практическое применение при исследовании процессов, протекающих в электрических системах, машинах и аппаратах, находят методы: исключения уравнений с периодическими коэффициентами для взаимно перемещающихся цепей; выбора наиболее целесообразных систем обобщённых координат, анализа переходных процессов в электрических цепях; определения устойчивости работы нерегулируемых и регулируемых электрических машин, связанных линиями электропередачи, и др. Значительный вклад в развитие этих методов сделали А.А.Горев, П.С.Жданов, С.А.Лебедев, американский учёный Р.X.Парк, английские учёные О. Хевисайд, Г. Крон и др. Их труды легли в основу математической теории электрических машин и открыли возможность применения сложного математического аппарата (тензорного исчисления, теории графов, теории матриц, операционного исчисления) при решении разнообразных прикладных задач, в частности связанных с изучением сложных электромеханических систем, переходных электромеханических и электромагнитных процессов, Использование тензорного исчисления привело к появлению такого приёма исследования, как диакоптика, при котором данные, характеризующие всю сложную систему (например, электрическую цепь, содержащую сотни и тысячи узлов и ветвей), можно получать, рассматривая поведение её отдельных частей. Особенно эффективным стало употребление формализованных методов в сочетании с машинным проектированием, являющимся одним из перспективных направлений при рассмотрении современных задач электромеханики (в частности, задач синтеза, решаемых на основе алгебры логики и теории направленных графов). Формализованные методы используют при исследовании многих проблемных задач электротехники, например таких, как изучение нелинейных цепей (а также возникающих в них гармонических и субгармонических колебаний), проводимое на основе методов анализа и син-

8

теза, разработанных ранее для линейных цепей и трудах А.М.Ляпунова, Н.М.Крылова, Н.Н.Боголюбова, Л.И.Мандельштама, Н.Д.Папалекси, А.А.Андронова и др. Важное направление современной электротехники - разработка теоретических и экспериментальных методов исследований, основывающихся на теории подобия, аналоговом и физическом моделировании, теории планирования эксперимента и позволяющих решать ряд принципиальных научно-технических проблем электротехники. К ним, в частности, относятся вопросы совершенствования существующих способов передачи электроэнергии и разработка новых. В круг этих вопросов входят: исследования процессов, протекающих в линиях электропередачи и преобразовательных устройствах; разработка и совершенствование управляемых элементов коммутационной аппаратуры; создание полупроводниковых преобразователей, способных эффективно работать в сочетании с электромеханическими устройствами, а также изучение возможности использования гиперпроводников и сверхпроводников в линиях электропередачи.

Большое практическое значение имеет разработка способов оптимального управления сложными электроэнергетическими системами и повышения их надёжности. Решение этих задач основывается на использовании методов моделирования и теории вероятности. Необходимое условие для повышения устойчивости и надёжности работы электроэнергетических систем - создание мощных симметрирующих устройств, статических регуляторов и другой аппаратуры, обеспечивающей оптимальные режимы работы систем.

Важные направления электротехники - создание сложных электромагнитных полей с заданными свойствами, требующее разработки методов расчёта и моделирования электрических и магнитных полей в ферромагнитных, плазменных и других нелинейных и анизотропных средах, а также исследование и определение оптимальной конфигурации систем (в частности, сверхпроводящих), создающих сильные магнитные поля; разработка теории управления электромагнитными полями и методов синтеза систем, создающих эти поля.

Значительный интерес представляет изучение импульсных полей высокой интенсивности, в т. ч. разработка методов анализа взаимодействия таких полей с веществом, исследование тепловых и электродинамических процессов в электроэнергетических устройствах предельных параметров. Результаты этих работ находят применение при создании магнитопроводов для сверхмощных трансформаторов электрических и реакторов электрических.

9

Теоретические и экспериментальные методы электротехники нашли своё развитие в ряде других отраслей науки и техники, связанных, в частности, с исследованием свойств вещества (полупроводников, плазмы), с разработкой и созданием средств ядерной и лазерной техники, изучением явлений микромира и жизнедеятельности живых организмов, освоением космического пространства.

Достижения электротехники используются во всех сферах практической деятельности человека - в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту и т. д. Электротехническая промышленность выпускает машины и аппараты для производства, передачи, преобразования, распределения и потребления электроэнергии; разнообразную электротехническую аппаратуру и технологическое оборудование; электроизмерительные приборы и средства электросвязи: регулирующую, контролирующую и управляющую аппаратуру для систем автоматического управления; электробытовые приборы и машины, медицинское и научное оборудование и др. Без электротехники было бы немыслимо развитие электроники, а без электроники – современной компьютерной техники.

Большую роль в развитии электротехники играют международные организации: Международная электротехническая комиссия (МЭК), Международная конференция по большим системам (СИГРЭ), Международная конференция по применению вычислительных методов в электротехнике (ПИИСИСИ), Международная организация по электротехнике (Интерэлектро), Всемирная электротехническая конференция (ВЭлК).

Вопросы электротехники освещаются на страницах многочисленных периодических изданий, из которых за рубежом наиболее извест-

ны "EEI Bulletin" (N. Y., с 1933), "Energi International" (S. F., с 1963), "Revue de l’energie" (P., с 1949), "Electrical Review" (L., с 1872).

10