СЛР_ ТОЭ часть1Константинова(ЭЛЭИ)

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Дальневосточный государственный университет путей сообщения»

Кафедра «Электротехника, электроника и электромеханика»

Е.В. Константинова

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Сборник лабораторных работ

В 3 частях

Часть 1

Рекомендовано Методическим советом ДВГУПС

в качестве учебного пособия

Хабаровск Издательство ДВГУПС

2012

УДК 621.3 (075.8)

ББК З 21я73

К 650

Рецензенты:

Кафедра «Электротехника и электроника» ТОГУ (заведующий кафедрой доктор технических наук,

профессор В.В. Корчевский)

Доцент кафедры «Электротехника и электроника» Новосибирской государственной академии водного транспорта

Б.З. Кузнецов

Константинова, Е.В.

Теоретические основы электротехники: сб. лабораторных ра-

К650 бот. В 3 ч. Ч. 1 / Е. В. Константинова. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2012. – 41 с. : ил.

Сборник лабораторных работ содержит теоретический материал, описания и рекомендации по последовательности выполнения лабораторных работ.

Предназначен для студентов 2–3-го курсов всех форм обучения, изучающих дисциплины «Теоретические основы электротехники», «Основы теории цепей».

УДК 621.3 (075.8)

ББК З 21я73

© ДВГУПС, 2012

2

ВВЕДЕНИЕ

Электротехника – наука о теории и практическом применении электрических и магнитных явлений. Ни одна отрасль современного производства не обходится без применения электротехнических устройств, таких как трансформаторы, двигатели, генераторы.

Без знания законов электротехники, принципов работы электротехнических устройств и приборов невозможно стать полноценным специалистом в областях, связанных с электроэнергетикой и электротехнологиями.

Основой глубоких и долговременных знаний является систематическая самостоятельная работа студента над курсом в течение всего семестра. Студент должен не только знать содержание курса, но и уметь применить теорию к решению и анализу практических инженерных задач.

Лабораторные работы имеют большое значение при изучении курса теоретических основ электротехники (ТОЭ), так как их выполнение способствует более глубокому усвоению основных теоретических положений, приобретению навыков в пользовании измерительными приборами и электрооборудованием, развитию критического подхода к результатам теории и эксперимента. Проводимые в лаборатории относительно несложные исследования дают возможность непосредственно наблюдать явления и процессы, теория к которым изучается на лекциях и представлена в учебной литературе.

Понимание теории электрических процессов требует знания многих разделов курсов математики и физики. Из курса математики студенты должны знать алгебру комплексных чисел, решение простейших дифференциальных уравнений, операции с векторами, свободно пользоваться соответствующим математическим аппаратом. Из курса физики студенты должны знать основные электрические и магнитные величины (ток, напряжение, потенциал, магнитную индукцию, напряженность магнитного поля и др.) и законы (законы Ома, Кирхгофа, электромагнитной индукции, электромагнитной силы и др.).

Впервой части сборника приведены семь лабораторных работ по курсу ТОЭ, составленные в соответствии с программой курса для -на правления подготовки «Электроэнергетика и электротехника» профиля «Электропривод и автоматика».

Всборник вошли материалы по лабораторным работам, облегчающие подготовку, выполнение и оформление работ студентами. Описания лабораторных работ включают краткие теоретические сведения, основные формулы, необходимые электрические схемы лабораторных установок и план отчетности по результатам выполненных работ.

Помимо описания лабораторных работ, пособие содержит правила техники безопасности и выполнения экспериментов в лаборатории «Теоретические основы электротехники», требования к оформлению отчетов по выполненным работам. Приведены основные рекомендации по правилам обработки результатов измерений.

3

При написании пособия учтены требования нормативных документов и стандартов по оформлению текстовых документов и графических -ра бот. При разработке пособия были использованы издания: Заволока О.Г., Матющенко В.С., Сайфутдинов Р.Х., Темченко И.Н. «Сборник лабораторных работ по ТОЭ. Ч. 1 : Линейные цепи постоянного и переменного синусоидального тока», а также аналогичные разработки других вузов.

ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1.Начиная работу, студенты должны убедиться в том, что на лабораторном стенде нет напряжения.

2.При сборке схемы запрещается пользоваться неисправными инструментами и присоединять провода с нарушенной изоляцией.

3.Категорически запрещается касаться руками неизолированных проводов, закреплять зажимы, менять проводники или приборы, когда цепь находится под напряжением.

4.Запрещается включать вновь собранную или измененную схему без предварительной проверки ее преподавателем.

5.Перед включением напряжения следует предупредить об этом всех участников работы. Необходимо убедиться, что никому из них не угрожает опасность попасть под напряжение.

6.Если до работы или в ходе работы обнаружена неисправность оборудования, следует прекратить работу, отключить напряжение и сообщить преподавателю или инженеру о неполадках в работе. Устранять неполадки собственными силами запрещается.

7.Запрещается оставлять без надзора стенды, приведенные в рабочее состояние.

8.При работе с цепями переменного тока, содержащими конденсаторы и катушки индуктивности, следует соблюдать особую осторожность, так как в этих цепях напряжение на зажимах катушек и конденсаторов может быть значительно больше, чем напряжение сети.

9.Если схема содержит конденсатор, после её отключения необходимо разрядить конденсатор.

10.Если кто-либо попадает под напряжение – быстро отключить напряжение. Сообщить преподавателю о случившемся.

11.При сборке схемы нужно надёжно зажимать проводники под -за жимы для создания хороших контактов и предотвращения опасности произвольного отсоединения проводников во время опыта.

Студенты допускаются к лабораторным работам после ознакомления с настоящими правилами, что фиксируется в специальном журнале под роспись.

4

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Общие положения

Экспериментальные задачи, предлагаемые на лабораторных работах, могут быть успешно решены в отведенное в соответствии с расписанием занятий время только при условии тщательной предварительной подготовки к каждой из них. Подготовку к лабораторной работе следует начинать с изучения ее описания. Так как в описании даются только основные теоретические сведения, необходимо соответствующие разделы изучить и по учебной литературе [1–3].

Для самостоятельной проверки студентами усвоения теоретического материала в конце описания каждой лабораторной работы приводятся контрольные вопросы. К выполнению лабораторной работы студенты допускаются после проверки преподавателем выполнения подготовительного задания (при его наличии), знаний теоретического материала и порядка выполнения работы.

Студент должен самостоятельно выполнить лабораторную работу, произвести необходимые расчеты и построения, убедиться в соответствии результатов экспериментов теоретическим положениям, оформить и защитить отчет по выполненной работе.

Все лабораторные работы должны выполняться в следующей последовательности:

–ознакомиться с применяемыми электроизмерительными приборами

иоборудованием, записать их паспортные данные;

–собрать рабочую схему лабораторного исследования;

–получить разрешение у преподавателя или лаборанта на включение цепи под напряжение;

–произвести требуемые измерения;

–предварительно проанализировать полученные результаты, дать их на утверждение преподавателю;

–разобрать электрическую цепь и привести рабочее место в порядок;

–оформить отчет по лабораторной работе и защитить его на -сле дующем занятии.

Правила сборки электрических цепей и выполнения измерений

В описании каждой лабораторной работы приведены электрические схемы цепей, на которых указаны применяемые в эксперименте приборы и оборудование. Графические изображения некоторых, наиболее часто встречающихся элементов, приведены в табл. 1.

5

Таблица 1

Условные графические обозначения элементов схем

При сборке схемы следует сначала выделить и собрать последовательную (токовую) цепь. Затем, определив точки, к которым нужно присоединить параллельные ветви, осуществить эти соединения. Этот прием позволяет сознательно подойти к оценке назначения каждого -эле мента цепи, тем самым правильно осуществить её сборку. Приборы и оборудование, по возможности, следует расставить так, чтобы было соответствие принципиальной схеме.

Перед включением следует установить движки реостатов в такое положение, чтобы сопротивление было максимальным; рукоятку лабораторного автотрансформатора, если он предусмотрен схемой, установить на нулевую отметку. Переключатели многопредельных приборов поставить на максимальный предел измерения. Если после подачи напряже-

ния стрелки приборов магнитоэлектрической системы или ваттметров отклоняются влево от нулевой отметки шкалы, то следует, проверив правильность сборки, поменять местами присоединенные проводники.

6

Нельзя приступать к измерениям, не будучи совершенно уверенным, что цепь собрана правильно.

После включения схемы и установки рекомендованного в описании работы режима можно приступать к записи показаний приборов. Положение переключателей многопредельных приборов выбирают таким образом, чтобы стрелка в приборе находилась по возможности во второй половине шкалы. Показания приборов определяются произведением цены деления прибора и количества делений, на которое отклоняется стрелка прибора:

I = CI ×n ; U = CU × n ; P = CP × n ,

где n – число делений, на которое отклоняется стрелка измерительного прибора.

Для многопредельных приборов цену деления определяют как частное от деления предела измерения, указанного на переключателе, на число делений шкалы прибора, обозначенное числом в конце шкалы, используя следующие формулы:

– цена деления амперметра CI = In ;

nmax

– цена деления вольтметра CU = Un ,

nmax

где I n , U n – пределы измерения по току и напряжению; nmax – макси-

мальное число делений по шкале прибора.

Сложнее определяется цена деления многопредельных ваттметров. Мощность, измеряемая ваттметром, определяется по формуле P = I ×U , т. е. ваттметр должен фиксировать напряжение и ток в цепи. Измерительные механизмы ваттметров имеют две обмотки: токовую (последовательную) и обмотку напряжения (параллельную). Звездочками на приборах и схемах обозначают генераторные зажимы, которые обычно соединяют между собой проводником. На рис. 1, а приведена принципиальная схема включения ваттметра, на рис. 1, б – схема соединений клемм ваттметра.

* U I *

R

Рис. 1. Схемы включения ваттметра в электрическую цепь: а – принципиальная; б – соединений клемм ваттметра

7

Цена деления ваттметра равна произведению пределов напряжения и тока, деленному на число делений шкалы

CP = Un × In .

nmax

В ходе проведения эксперимента измерения необходимо проводить равномерно по всему диапазону изменения тока и напряжения, следует убедиться в том, что по точкам, полученным на основании измерений, можно построить кривую исследуемой зависимости со всеми её характерными особенностями (максимумы, минимумы, резкое изменение крутизны).

После эксперимента нужно проанализировать полученные результаты и проверить правильность отсчета измеренных значений. Электрическую цепь следует разобрать только после проверки и утверждения результатов преподавателем.

Обработка результатов эксперимента и оформление отчета

Отчет о лабораторной работе является документом о проделанном эксперименте, поэтому он должен содержать все необходимые сведения для проверки результатов опыта и расчета.

В отчете на титульном листе указываются название учебного заведения, кафедра, номер и наименование работы, фамилия и инициалы студента, выполнившего работу, номер его академической группы. Вид титульного листа представлен в прил. А.

В отчете должны быть представлены:

–цель работы;

–перечень электроизмерительных приборов и их характеристики в виде таблицы;

–рабочая электрическая схема испытаний;

–основные расчетные формулы;

–таблицы с записью результатов эксперимента и расчетов;

–графики зависимостей и векторные диаграммы;

–краткие выводы по работе.

Перечень используемых приборов сводится в метрологическую таблицу (табл. 2), в которой записываются наименования приборов, заводской номер, система прибора, его класс точности и пределы измерения. Для многопредельных приборов записываются только те пределы, которые применялись при измерениях. Система прибора приводится на шкале, условные обозначения на шкалах основных систем приборов приведены в табл. 3.

8

Далее в отчете следует рабочая электрическая схема испытаний. Каждая схема должна быть сопровождена соответствующей таблицей записей результатов измерений. В таблице обязательно следует указывать, в каких единицах измерены исследуемые величины.

Математическую обработку экспериментальных данных приводят в отчете полностью или частично, но в любом случае обязательно указываются все расчетные формулы по порядку расчета. Не исключено расхождение опытных и расчетных данных в пределах5–10 % из-за погрешностей измерений. Результаты вычислений заносятся в соответствующие колонки таблицы.

Построение графиков и векторных диаграмм следует выполнять на миллиметровой бумаге, формат миллиметровой бумаги должен соответствовать формату отчета. Масштаб для построения графиков и векторных диаграмм следует выбирать из ряда10±n, 2·10±n или 5·10±n ед./cм,

n = 0,1,2,3,… . При построении графиков по осям приводят стандартные буквенные обозначения величин и единиц их измерения, указывают деления с одинаковыми интервалами, соответствующие откладываемым величинам в принятых единицах измерения.

При построении графиков можно изображать несколько кривых в одной системе координат. Если эти кривые показывают изменения различных физических величин, то для каждой из них должна быть проведена своя ось со своим масштабом и указанием единицы измерения.

При вычерчивании графиков надо учитывать, что всякое измерение имеет случайные погрешности. Поэтому не следует проводить кривые

9

через все экспериментальные точки. На графике необходимо проводить плавные непрерывные линии, отступление некоторых точек от плавной линии называют «разбросом точек». Величина разброса при наблюдении закономерных явлений определяет тщательность проведения эксперимента. Однако линия должна правильно отражать усредненные результаты измерений и правильно отражать характер изменения исследуемой величины.

При наличии нескольких кривых на одном графике точки, относящиеся к различным кривым, должны быть помечены условными значками (крестиками, кружками и т. п.), возможно использование цветов. Пример оформления графиков приведен на рис. 2.

Все рисунки (схемы, графики) и таблицы, приводимые в отчете, должны иметь порядковый номер и наименование. Схемы соединений, таблицы, диаграммы и графики зависимостей следует выполнять карандашом с помощью линейки с обязательным соблюдением требований государственного стандарта на условные обозначения элементов схем (табл. 1) и на обозначения единиц измерения.

В последнем разделе отчёта должен быть сделан вывод о подтверждении законов, правил, расчетных формул и теоретических сведений. Вывод должен содержать анализ полученных результатов.

Отчет в целом составляется таким образом, чтобы для понимания содержания и результатов проведенной работы не требовалось дополнительных устных пояснений. Составление подобных отчетов – первый шаг к оформлению технических отчетов по экспериментальным исследованиям, и другой технической документации.

10