1.3. Требования по технике безопасности при работе в лаборатории

При работе в лаборатории электротехники во избежание несчастных случаев, студент при выполнении лабораторных работ должен строго выполнять следующие правила техники безопасности:

1. Перед началом работы следует ознакомиться с источниками электропитания. Перед сборкой электрической схемы необходимо убедиться в том, что выключатель источника питания находится в выключенном состоянии.

2. При сборке схемы не допускается использование электроизмерительных приборов и аппаратов с неисправными клеммами, проводов с повреждённой изоляцией.

3. При сборке схемы обратить внимание на надёжность контактов соединений, не допускать пересечения и скручивания проводов. Приборы расставить так, чтобы удобно ими было пользоваться.

4. Перед началом работы необходимо проверить положения переключающей и регулировочной аппаратуры.

5. После окончания сборки электрической схемы преподаватель или лаборант обязан её проверить и дать разрешение на включение. Категорически запрещается включать стенд без разрешения.

6. При обнаружении неисправностей, появлении дыма, специфического запаха необходимо быстро выключить напряжение и сообщить преподавателю о случившемся.

7. Выполнять изменения в схеме и устранять возникающие неполадки можно только после выключения стенда от источника питания.

8. Запрещается прикасаться пальцами, карандашами и другими предметами к оголённым токоведущим частям электрической цепи, находящейся под напряжением.

9. Запрещается покидать рабочее место и оставлять наблюдения лабораторную установку.

10. По окончании измерений, полученные результаты следует показать преподавателю и, получив разрешение, приступить к разборке исследуемой электрической цепи. Запрещается разбирать цепь, если она не отключена от источника питания.

Инструктаж по технике безопасности должен быть зафиксирован в специальном журнале, в котором должен расписаться каждый студент.

2. Описания лабораторных работ

2.1. Лабораторная работа №1

«ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА»

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Научиться собирать электрические схемы включения потребителей в сеть.

1.2. Практически проверить теоретические законы при последовательном, параллельном и смешанном соединениях потребителей в цепи.

2. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

2.1. Источник переменного тока напряжением 220В.

2.2. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) типа Э378, 0…250В.

2.3. Диодный выпрямительный мост (ВМ).

2.4. Потребители электрической энергии – ламповые реостаты R1, R2,R3.

2.5. Вольтметр V магнитоэлектрической системы типа М4200 на напряжение 150В.

2.6. Амперметр А1 магнитоэлектрической системы типа М4200 на ток 3А.

2.7. Амперметры А2 и А3 магнитоэлектрической системы типа М4200 на ток 1А.

2.8. Тумблер S и соединительные провода.

3. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Сущность работы заключается в практическом подтверждении закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа для цепи постоянного тока с последовательным, параллельным и смешанным соединениями потребителей.

Последовательным называется такое соединение (рис. 1.1), при котором конец первого потребителя соединён с началом второго, конец второго с началом третьего и т.д.

Рис. 1.1.

При последовательном соединении потребителей имеем:

1. Ток в цепи постоянен и его величина определяется из закона Ома:

.

2. Эквивалентное сопротивление цепи равно арифметической сумме сопротивлений на отдельных участках цепи:

.

3. Общее напряжение на зажимах цепи равно сумме падений напряжений на участках цепи:

.

4. Напряжения на потребителях распределяется пропорционально их сопротивлениям:

Параллельным соединением потребителей называется такое соединение, при котором начала и концы всех элементов соединяются соответственно вместе, образуя общие зажимы (рис. 1.2)

Рис. 1.2

При параллельном соединении потребителей имеем:

1. Ток в неразветвленной части цепи равен алгебраической сумме токов в ветвях:

.

2. Так как токи в отдельных ветвях определяются по закону Ома соотношениями , , … , , а ток в неразветвленной части цепи

, то эквивалентное сопротивление можно определить по формуле:

.

Эта формула показывает, что эквивалентная проводимость параллельной цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей цепи:

.

Необходимо отметить, что эквивалентное сопротивление цепи при параллельном соединении будет меньше, чем самое малое из сопротивлений цепи.

3. Токи распределяются между потребителями прямо пропорционально их проводимостям:

Пример смешанного соединения потребителей показан на рис.1.3.

Рис.1.3

Для определения эквивалентного сопротивления Rэ, сначала находим эквивалентную проводимость цепи между узлами c и b:

,

затем определяем эквивалентное сопротивление параллельной цепи:

.

Ток в неразветвленной части цепи определяем по закону Ома:

,

где - эквивалентное сопротивление всей цепи.

Находим напряжение между узлами c и b:

.

Определяем токи в параллельных ветвях:

;;.

Мощностью источника постоянного тока называют работу источника, совершаемую за единицу времени:

.

Мощность потребителей:

.

Мощность потерь энергии внутри источника:

.

Единица мощности - ватт (Вт):

.

Единица электрической работы - джоуль (Дж):

.

На практике пользуются единицей мощности киловатт (кВт): и единицей работы (киловатт-час): .

При расчете параметров электрических цепей необходимо соблюдать баланс мощностей: алгебраическая сумма мощностей всех источников энергии электрической цепи равна арифметической сумме мощностей всех приемников энергии:

.

Электрические цепи делятся на неразветвленные и разветвленные цепи. Неразветвленные цепи представляют собой последовательно соединенные источники и приемники электрической энергии. При этом источники электрической энергии могут иметь либо согласное включение (одинаковое направление), либо встречное включение (направление разное).

Разветвленными называются цепи, в которых источники и приемники электрической энергии соединены параллельно или имеют смешанное соединение. Такие цепи являются сложными, и для их расчета используются либо законы Кирхгофа, либо другие методы расчёта цепей постоянного тока.

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю:

.

На схеме рис.1.4 показано параллельное соединение трёх приемников электрической энергии, указано направление токов для узла ‘‘а’’.

Рис.1.4

Будем считать направление тока к узлу положительным, а от узла отрицательным. Тогда, используя выражение (1.19), для узла “а” напишем:

или .

Второй закон Кирхгофа: во всяком замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на резистивных элементах:

,

где m - число резистивных элементов, n - число ЭДС в контуре.

При этом необходимо задаться направлением обхода контура, а также направлениями токов в ветвях контура и источников ЭДС.

На схеме рис.1.5 рассмотрим один из контуров сложной электрической цепи с указанным направлением обвода. По второму закону Кирхгофа запишем:

Рис.1.5

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Ознакомиться с правилами техники безопасности при работе в лаборатории и расписаться в журнале проведения инструктажа.

4.2. Зарисовать электрическую принципиальную схему лабораторной установки и таблицы результатов измерений и вычислений.

4.3. Собрать электрическую принципиальную схему лабораторной установки

(рис. 1.6) и предъявить её для проверки преподавателю или лаборанту.

Рис. 1.6

4.4. Подать питание на схему. С помощью ЛАТРа установить постоянное напряжение U=150В на выходе выпрямительного моста ВМ. Измерение напряжений на участках схемы производить переносным вольтметром V.

4.5. В процессе исследования электрической цепи производить изменение количества включенных ламп, а также измерение параметров напряжений и токов на участках цепи в соответствии с приведёнными таблицами измерений и вычислений.

4.6. По результатам измерений произвести вычисления указанных в таблицах параметров.

4.7. Выполнить последовательное соединение ламповых реостатов, которое заключается в отключении тумблера S, а также всех ламп лампового реостата . Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 1.1.

Таблица 1.1

4.8. Выполнить параллельное соединение ламповых реостатов, которое заключается во включении тумблера S и использовании ламповых реостатов и . Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

4.9. Выполнить смешанное соединение ламповых реостатов, которое заключается в выключении тумблера S и использовании ламповых реостатов , и . Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 1.3, где напряжение .

4.10. Результаты измерений предъявить для проверки преподавателю и с его разрешения разобрать схему. Рабочее место привести в надлежащий порядок.

Таблица 1.3

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

5.1. Номер, наименование и цель работы.

5.2. Перечень электрооборудования и приборов с указанием технических данных.

5.3. Электрическая схема лабораторной установки.

5.4. Таблицы с результатами измерений и вычислений.

5.5. Формулы расчёта электрических величин.

5.6. Выводы по работе.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

6.1. Напишите закон Ома для участка цепи и для всей цепи при последовательном соединении сопротивлений.

6.2. Напишите закон Ома для участка цепи и для всей цепи при параллельном соединении сопротивлений.

6.3. Запишите выражения эквивалентных сопротивлений для цепей, приведённых на рисунке 1.7.

6.4. Изложите сущность метода расчёта разветвлённых цепей постоянного тока с помощью законов Кирхгофа.

6.5. Изложите сущность метода эквивалентных преобразований для расчёта разветвлённых цепей постоянного тока.

6.6. Что называется электрическим узлом? Какой закон электрических цепей может быть применён к узлу? Приведите пример. Что называется электрической ветвью? Приведите пример.

Рис. 1.7

6.7. Что называется электрическим контуром? Какой закон электрических цепей может быть применён к контуру? Приведите пример.

6.8. Заданный контур входит в состав сложной цепи (рис.1.8). Составить уравнение второго закона Кирхгофа.

Рис. 1.8.

6.9. Определить число узлов, ветвей и контуров в цепях, приведённых на рис. 1.9.

Рис. 1.9

6.10. Что называется балансом мощностей? Как определить: работает ли источник ЭДС в режиме генератора или в режиме преемника?

6.11. Запишите уравнение баланса мощностей для цепи, изображённой на рис. 1.10.

6.12. Амперметры показывают, что к узлу подходят токи 3А и 8А, а отходят 5А и 7А. Сколько ветвей сходится в узле?

6.13. Какие источники ЭДС работают в режиме генератора, а какие в режиме приёмника в цепи, приведённой на рис. 1.11.

Рис.1.10

Рис.1.11

6.14. В результате расчёта для цепи, приведённой на рис. 1.11 получены следующие значения токов:

Верно ли это решение?

6.15. Определите направление тока по рис.1.12, если , .

Рис. 1.12

6.16. Рассчитать цепь (рис. 1.13) с помощью законов Кирхгофа, если

6.17. Определить эквивалентное сопротивление между точками “a” и “b” для цепи, приведённой на рисунке 1.14.

6.18. Определить эквивалентное сопротивление между точками “c” и “d” для цепи, приведённой на рисунке 1.14.

Рис. 1.13

Рис. 1.14

6.19. Определить эквивалентное сопротивление между точками “d” и “f” для цепи, приведённой на рисунке 1.14.

7. ВОПРОСЫ К ЗАЩИТЕ

7.1. Определить эквивалентное сопротивление между точками “a” и “b” для цепи, приведённой на рисунке 1.15, если

Рис. 1.15

7.2. В электрической цепи (рис.1.16) напряжение U=20В, сопротивления . Как изменятся показания амперметра до и после замыкания рубильникаS?

7.3. Как изменятся показания амперметра, если в цепи, приведённой на рис.1.17 замкнуть рубильник S?

Рис. 1.16

Рис. 1.17

7.4. Что покажет амперметр (рис. 1.18) после замыкания рубильника S, если до замыкания рубильника он показывал 9А?

Рис. 1.18

7.5. Определить ток I в цепи, изображённой на рис. 1.19, если известно, что

Рис. 1.19

7.6. Определить эквивалентное сопротивление цепи (рис. 1.20) в случаях:

а) включенных рубильников и;

б) включенных рубильников и.

Рис. 1.20

7.7. Определить сопротивление , если , а показания амперметров указаны на схеме рис.1.21.

Рис. 1.21

7.8. Используя законы Кирхгофа и матричный метод расчёта, определить с помощью компьютера токи в цепи, представленной на рис.1.22, если заданы параметры: . Решение выполнить в средеMATLAB для выражения .

Рис. 1.22

7.9. Используя законы Кирхгофа и матричный метод расчёта, определить с помощью компьютера токи в цепи, представленной на рис.1.23, если заданы параметры: . Решение выполнить в средеMATLAB для выражения .

Рис. 1.23

7.10. Используя законы Кирхгофа и матричный метод расчёта, определить с помощью компьютера токи в цепи, представленной на рис.1.24, если заданы параметры:. Решение выполнить в средеMATLAB для выражения .

Рис. 1.24

7.11. В цепи, приведённой на рис.1.25, заданы значения . Выразить через эти величины мощность, выделяемую на нагрузке.

Рис. 1.25

7.12. Чему равны показания амперметра , вольтметров(рис.1.26), если разомкнуть тумблер.

Рис. 1.26

7.13. Напишите уравнение баланса мощностей для цепи, приведённой на рис.1.25.

7.14. В какой из трёх цепей, изображённых на рис.1.27, допущено короткое замыкание?

Рис. 1.27

7.15. В цепи, изображённой на рис.1.28, определить значение сопротивления при заданных параметрах

Рис. 1.28

7.16. Как изменится ток в цепи, приведённой на рис.1.29, после замыкания ключа.

Рис. 1.29

7.17. Сколько независимых контуров имеет схема, приведённая на рис.1.30.

Рис. 1.30

7.18. В цепи, приведённой на рис.1.31, заданы значения . Выразить через эти величины мощность, выделяемую на нагрузке.

Рис. 1.31

7.19. Определить, какие из трёх источников ЭДС (рис.1.32) потребляют энергию, а какие – генерируют, если

Рис. 1.32