методичка по лабораторкам электротехники

УДК 621.3

ББК 31.2 Е30

Е30 Электрические цепи переменного тока: Методические указания к лабораторным работам для студентов всех направлений подготовки /Сост.: Л.Я. Егоров, Г.И. Захватов, Ю.В. Никитин.– Казань: Изд-во Казанск. гос. архитект.-строит. ун-та, 2012. – 40 с.

Печатается по решению Редакционно-издательского совета Казанского государственного архитектурно-строительного университета

В работе даны методические указания по выполнению лабора-

торных работ по теме «Электрические цепи переменного тока».

Работа предназначена для студентов всех направлений подготовки

Табл. 8; рис. 27.

Рецензент Кандидат технических наук,

доцент кафедры ТМП КНИТУ (КАИ) им. А.Н.Туполева

П.А. Поликарпов

УДК 621.3 ББК 31.2

Казанский государственный архитектурно-строительный университет, 2012

Егоров Л.Я., Захватов Г.И., Никитин Ю.В., 2012

2

ОБЩИЕ ПРАВИЛА ПРОВЕДЕНИЯ И ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

1.Для выполнения лабораторных работ студенты подразделяются на бригады по 3−4 человека. Бригады выполняют все работы, предусмотренные планом, по определенному графику.

2.Каждый студент обязан ознакомиться с инструкцией по технике безопасности.

3.Студент должен явиться в лабораторию подготовленным к выполнению предстоящей работы по лекционным записям, учебной литературе и по настоящему руководству: ознакомиться с содержанием и целью работы.

4.Готовность студентов к выполнению лабораторных работ проверяется преподавателем. Неподготовленные студенты к работе не допускаются.

5.Студенту следует ознакомиться с электрической схемой и измерительными приборами лабораторной установки.

6.Необходимо собрать схему, но не подключать ее к сети до проверки преподавателем.

7.Собранную схему проверяет преподаватель. Включить установку можно только после разрешения преподавателя. Всякие пересоединения в схеме должны производиться при выключенных установках, причем после каждых изменений схема обязательно проверяется преподавателем.

8.Студенты, нарушившие это правило, несут административную, а в случае порчи приборов и оборудования, материальную ответственность.

9.Обнаружив неисправность приборов или аппаратуры, студент должен сообщить об этом преподавателю. При выполнении лабораторной работы нельзя оставлять рабочее место.

10.После окончания опыта, необходимо данные измерений показать преподавателю. При получении неправильных данных опыт следует повторить. Только после проверки правильности результатов можно приступить к разборке схемы, предварительно отключенной от сети.

11.Рабочее место нужно привести в порядок.

12.По выполненной работе каждый студент должен составить отчет, который будет содержать: наименование и цель работы, схему установки, результаты измерений и вычисленные величины в виде таблицы, графики, векторные диаграммы, выводы, поставить дату и подпись.

13.На очередном занятии каждый студент обязан предъявить оформленный отчет о предыдущей работе и сдать ее. При сдаче отчета студент должен ответить на поставленные преподавателем вопросы по существу выполненной работы, позволяющие судить о степени усвоения студентом явлений, исследуемых в данной лабораторной работе.

3

ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ЗАДАНИЯ

Графическая часть задания строится на основании полученных результатов вычислений (либо измерений) и должна строго соответствовать полученному экспериментальному материалу. Графический отчет должен быть четким, кратким и выполняться в соответствии с выбранным масштабом.

Построение заданных кривых выполняется согласно правилам построения функций – по оси абсцисс откладывается шаг аргумента, а по оси ординат – шаг функции и согласно полученным результатам вычислений (измерений) определяется положение точек кривой на плоскости. По осям должны быть проставлены их наименования и размерности откладываемых величин.

При необходимости совместить несколько кривых от одного аргумента на одном рисунке, экспериментальные точки каждой кривой должны иметь различные обозначения – кружки, квадратики, крестики и т.д.

Построение векторных диаграмм должно проводиться в соответствии с выбранным масштабом. Студент должен знать, что любые векторные диаграммы строятся согласно векторным уравнениям. Далее выбирается вектор, который является постоянным для рассматриваемой электрической цепи и относительно которого строится векторная диаграмма.

Студент должен знать, что векторные диаграммы являются графическим отражением режима работы рассматриваемой электрической цепи.

РАБОТА № 1

КАТУШКА СО СТАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

Цель работы: Ознакомиться с процессами, происходящими в цепи переменного тока, содержащей катушку без стали и со сталью, установить влияние стального сердечника на изменение параметров катушки.

Общие сведения

На практике часто встречаются электрические цепи, содержащие в себе устройства типа катушки (соленоида) с введенным в нее стальным сердечником (магнитопроводом). К таким устройствам относятся электрические машины (трансформаторы, двигатели, генераторы), элементы автоматики (дроссели, реле) и др. В них при прохождении по

4

катушке электрического тока создается магнитный поток, который значительно усиливается с использованием стального сердечника, что объясняется его высокой магнитной проницаемостью. Магнитный поток является носителем энергии и лежит в основе принципа действия указанных устройств, определяя их технические характеристики; к примеру, величину ЭДС – в генераторах, вращающийся момент – в двигателях, коэрцитивную силу – в реле.

Величина магнитного потока Ф (измеряется в Веберах) в катушке со стальным сердечником определяется согласно:

Ф = L · I (Вб),

где L – индуктивность катушки (измеряется в Генри); I – ток через катушку ( A ).

Индуктивность катушки с введенным в нее сердечником может быть определена:

l l

где W, ℓ, S – параметры катушки, соответственно, число витков, длина (мм) и поперечное сечение магнитопровода (мм2);

µ0, µа, µ – магнитные проницаемости, соответственно, вакуума (1,26 10-6 Гн/м), абсолютная и магнитная проницаемость материала сердечника.

Известно, что вводимый в катушку стальной сердечник является магнитопроводом, через который (большей частью) замыкается магнитный поток, создаваемый током катушки. Материал сердечника обладает малым магнитным сопротивлением по сравнению с воздухом, поэтому магнитный поток в катушке резко возрастает по сравнению с катушкой без сердечника и индуктивность катушки увеличивается в μ раз. Следовательно, сердечник в катушке выполняет роль магнитного усилителя. Катушка, включенная в цепь переменного тока, вносит в нее активное и индуктивное сопротивление. Величина индуктивного сопротивления катушки XL, определяется ее индуктивностью:

XL L (Ом),

где = 2π·ƒ, а и ƒ – угловая и техническая (ƒ = 50 Гц) частоты, соответственно.

Эквивалентное сопротивление катушки представляет собой последовательное соединение r и XL сопротивлений (рис.1а). Активное сопротивление катушки без сердечника определяется сопротивлением медных проводов обмотки. Величина полного сопротивления катушки Z может быть определена из треугольника сопротивления (рис.1б) как:

План работы

1. Изучить и собрать схему (рис. 3).

Рис. 3. Схема электрическая принципиальная

2.Установить сердечник в крайнее левое положение (катушка без сердечника).

3.Установить требуемое значение тока в цепи с помощью резистора.

4.Снять показания приборов, полученные данные записать в таблицу.

5.Ввести сердечник в катушку на половину, установить требуемое значение тока, данные записать в таблицу.

6.Ввести сердечник в катушку полностью, установить требуемое значение тока, данные записать в таблицу.

Таблица

7. Построить векторные диаграммы, вычислить значения, указанные в таблице.

7

U – полное активное напряжение в цепи;

Ur – напряжение на резисторе;

Uк – напряжение на катушке;

UL – индуктивная составляющая напряжения на катушке;

Urк – активная составляющая напряжения на катушке;

UL, Urк – находят из векторной диаграммы (рис. 4).

8. Сравнить параметры катушки без сердечника и со стальным сердечником и сделать заключения.

Контрольные вопросы

1.Какими сопротивлениями обладает катушка со стальным сердечником?

2.Как влияет стальной сердечник на величину индуктивности катушки?

3.Как влияет введение в катушку стального сердечника на величину ее активного сопротивления?

4.Влияет ли стальной сердечник на угол сдвига фаз между током и напряжением?

5.Какие потери существуют в катушке со сталью?

6.Дать определение активной, реактивной и полной мощности.

7.Назовите единицы измерения мощностей.

8.Объясните порядок построения векторной диаграммы напряжений.

8

РАБОТА № 2

РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

Цель работы: Исследование цепи, состоящей из последовательно соединенных катушки индуктивности и конденсатора, получение резонанса напряжений в этой цепи путем изменения емкости конденсатора.

Общие сведения

Исследуемая цепь состоит из последовательно соединенных катушки индуктивности и конденсатора (рис.1).

Рис. 1

Так как катушка помимо индуктивности обладает также активным сопротивлением, то цепь можно рассматривать как последовательное

соединение активного сопротивления r, индуктивности L и емкости С. Для рассматриваемого соединения приложенное напряжение U равно векторной сумме составляющих на отдельных участках (2 закон

Кирхгофа):

_ _ _ _ _ _

U UK UC Ua UL UC ,

где Uа = I r – активная составляющая напряжения;

UL = I XL = I L – индуктивная составляющая напряжения;

XL = L – индуктивное сопротивление;

UC = I XC = I/( C) – емкостная составляющая напряжения;

XC = 1/( C) – емкостное сопротивление;

9

Угол представляет собой угол сдвига фаз между векторами напряжения сети и тока.

Это выражение является законом Ома для цепи переменного тока. Величина Z называется полным сопротивлением, а величина X –

реактивным сопротивлением:

напряжений. Равенство индуктивного и емкостного сопротивлений является обязательным условием возникновения резонанса напряжений. Векторная диаграмма в этом случае, представлена на рис. 3.

10