Електротехніка та електроніка

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Київський національний університет

технологій та дизайну

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА ТА ЕЛЕКТРОНІКА

Методичні вказівки для самостійної підготовки та виконання лабораторних робіт для бакалаврів напряму підготовки 6.050101 «Комп’ютерні науки»;

6.120201 «Фармація»;

6.051301 «Хімічна технологія»;

6.051602 «Технологія виробів легкої промисловості»

КИЇВ КНУТД 2012

Електротехніка та електроніка : методичні вказівки для самостійної підготовки та виконання лабораторних робіт для бакалаврів напряму підготовки 6.050101 «Комп’ютерні науки»; 6.120201 «Фармація»; 6.051301 «Хімічна технологія»; 6.051602 «Технологія виробів легкої промисловості» . / упор. Г. П. Росінська, В.В. Бєлєнікін. – К.: КНУТД, 2012. – 44 с.

Упорядники: Г.П. Росінська, к.т.н., доцент В.В. Бєлєнікін

Відповідальний за випуск завідувач кафедри електроніки та електротехніки д.т.н., професор Каплун В.В.

Затверджено на засіданні кафедри електроніки та електротехніки Протокол № 16 від 10 травня 2012р.

Зміст

Лабораторна робота №1

Дослідження електричних кіл постійного струму

Мета роботи – придбати навики використання і експериментальної перевірки основних законів при аналізі електричних кіл постійного струму.

План і порядок виконання роботи

Ознайомитися з вимірювальними приладами і резисторами.

1. Зібрати схему (рис. 1.1). Виміряти струми і напруги на всіх елементах кола. Розрахувати значення всіх опорів, результати занести до таблиці 1.1.

Рис. 1.1.

Таблиця 1.1

2.Впевнитись в виконанні законів Кірхгофа:

Скласти рівняння балансу потужностей:

UI1= Р1+ Р2+Р3+Р4+Р5= I12R1+I22R2+I32R3+I42R4+I52R5.

3.Впевнитись в вірності розрахунків, перевіривши отримане значення

3

Короткі теоретичні відомості

При послідовному з’єднанні приймачів електричної енергії (рис.1.2.) через них проходить один і той самий струм. Прикладена до кола напруга рівна сумі падінь напруг на окремих струмоприймачах:

U=U1+U2+U3=ІR.

Рис.1.2.

За законом Ома напруга на кожній ділянці кола: U1=ІR1; U2=ІR2; U3=ІR3.

Тоді

Загальний опір кола R=R1+R2+R3. Потужність всього ланцюга Р=UІ=Р1+Р2+Р3.

При паралельному з’єднанні приймачів електричної енергії всі приймачі знаходяться під однією і тією ж напругою (рис. 1.3).

Рис. 1.3

За першим законом Кірхгофа загальний струм І=I1+I2+I3, тобто сума струмів, що протікає в вузловій точці, рівна сумі струмів, що витікають з неї.

Струми в гілках прямопропорційні опорам гілок, загальний струм прямопропорційний загальному опору кола:

Загальна провідність паралельно ввімкнених резисторів знаходиться як сума окремих провідностей:

4

Звідси можна знайти загальний опір, який буде завжди менше опору будь-якого з паралельно ввімкнених резисторів.

Для перевірки вірності рішення задач по розрахунку електричних ланцюгів використовують рівняння балансу потужностей:

n m

EkIk Ik2Rk ,

k 1 k 1

n

де EkIk – сумарна потужність всіх джерел електричної енергії;

k 1

m

Ik2Rk – сумарна потужність всіх приймачів електричної енергії.

k 1

Контрольні питання для самоперевірки

1.Як визначити ціну поділки амперметра, вольтметра?

2.Як визначити загальний опір при послідовному, паралельному, змішаному з’єднанні резисторів в схемі?

3.Як записати закон Ома для ділянок ланцюга, що включають і не включають джерело ЕДС?

4.Як записати вираз і перевірити для конкретного ланцюга перший і другий закони Кірхгофа?

5.Як визначити провідність для різних схем з’єднань резисторів? Одиниці провідності.

6.Як складається баланс потужностей для різних електричних

ланцюгів?

Лабораторна робота №2

Дослідження кола однофазного змінного струму з послідовним з’єднанням резистора, котушки індуктивності і конденсатора

Мета роботи – експериментально дослідити коло змінного струму з послідовним з’єднанням трьох типів споживачів; придбати практичні навички по розрахунку електричних кіл змінного струму.

План і порядок виконання роботи

1.Зібрати схему для експериментального дослідження ланцюга, зображеного на рис. 2.1. Для цього в якості джерела напруги U використати будь-яке з фазних напруг блоку трифазної напруги 50 Гц. Значення параметрів U, R, L,C задає викладач. Для вимірювання струмів і напруг використовувати комбінований вимірювальний прилад.

2.Після перевірки схеми викладачем ввімкнути джерело наруги. Встановити прилад в режим вимірювання струму, виміряти струм в колі.

5

Перевести прилад в режим вимірювання напруги. По черзі виміряти: напругу джерела живлення U, падіння напруги на резисторі UR, на котушці індуктивності UL, на конденсаторі UС. Дані вимірювань занести до таблиці 2.1 (дослідження 1). Вимкнути джерело. Розрядити конденсатор.

Рис. 2.1

Таблиця 2.1

Де РВ – результат вимірювання; С – ціна поділки; α – відхилення стрілки приладу.

3.В схемі (рис. 2.1) видалити конденсатор, а на його місце встановити закорочуючу вилку. Провести вимірювання аналогічно п. 2. дані вимірювання занести до табл. 2.1 (дослідження 2).

4.Підключити конденсатор. Видалити котушку індуктивності, на її місце встановити закорочуючу вилку. Провести вимірювання аналогічно п. 2. дані вимірювання занести до табл. 2.1 (дослідження 3). Вимкнути джерело напруги. Конденсатор розрядити.

5.За даними вимірювань в пп.. 2-4 провести розрахунки для всіх трьох досліджень. Результати розрахунків занести до табл. 2.1.

6.За результатами вимірювань для всіх трьох випадків побудувати в масштабі векторні діаграми.

6

Короткі теоретичні відомості

В відповідності до другого закону Кірхгофа в колі змінного струму, що складається з послідовно з’єднаних резистора, котушки індуктивності і конденсатора, діючі значення напруги джерела енергії дорівнюють геометричній сумі діючих значень напруг на ділянках кола:

Ū=ŪR+ŪL+ŪC.

Даному рівнянню відповідає векторна діаграма, що показана на рис. 2.2, де ŪR=ĪR – вектор напруги на активному опорі резистора, що співпадає по фазі з вектором струму Ī; ŪL=ĪXL – вектор напруги на котушці індуктивності, що випереджає вектор струму на кут 90º; ŪС=ĪXС – вектор напруги на конденсаторі, що відстає від вектора струму на кут 90º.

Рис. 2.2

На відміну від кіл постійного струму в колах змінного струму окрім активного опору R введені наступні опори: XL L 2 fL – реактивний індуктивний опір, де f1 – частота мережі, Гц; L – індуктивність котушки, Гн;

Тоді закон Ома для ланцюга змінного струму I U .

Z

Кут зсуву фаз між векторами струму Ī і напруг Ū в колі змінного струму (див. рис. 2.1) визначається з виразу

arctg X , R

Якщо ХL>ХC, то кут φ додатній і коло носить індуктивний характер (рис. 2.2), якщо ХL<ХC, то кут φ від’ємний і коло носить ємнісний характер (рис. 2.3), якщо ХL=ХC, то кут φ=0 і в колі виникає явище резонансу напруг

(рис. 2.4).

7

Рис. 2.3

Рис.2.4

При резонансі індуктивна і ємнісна напруги рівні по величині, але знаходяться в противофазі, тобто взаємно врівноважують одна одну напруга джерела живлення, прикладена до кола, чисельно рівна падінню напруги на активному опорі R. Вектор струму Ī співпадає по фазі з вектором напруги Ū і досягає максимального значення

U

IРЕЗ R .

При малих значеннях R на індуктивності і ємності виникають великі напруги (UL IРЕЗ XL і UC IРЕЗ XC ), що може привести до аварійних режимів.

В колі змінного струму існують наступні потужності:

Коефіцієнт потужності, що характеризує ефективність використання електротехнічного обладнання, визначається за виразом

cos P R .

S Z

За даними вимірювань з допомогою приведених раніше виразів можуть бути розраховані параметри, вказані в правій частині табл. 2.1, для кожного з трьох досліджень окремо.

Побудова векторних діаграм

Векторні діаграми слід будувати в масштабі. Масштаб вказує, яка кількість одиниць електричних величин (вольт, ампер) відповідає одиниці довжини вектора (напруги, струму).

Наприклад, UR=8 В, МU=2 В/см, тоді довжина вектора напруги

8

lUR UR 8 4см.

MU 2

Масштаби вибирають в відповідності до значень експериментальних даних і формату листа, на якому розташовується векторна діаграма.

Розглянемо побудову векторних діаграм, що відповідають табл. 2.1. Дослідження №1. вибираємо масштаби струмів МІ і напруг МU. В

вільному направленні з початку координат відкладаємо вектор струму Ī. З точки початку вектора струму в направленні, що співпадає з вектором струму, відкладаємо вектор напруги на активному опорі ŪR. З кінця вектора ŪR під кутом 90º до вектора струму Ī в сторону випередження (в електротехніці при побудові векторних діаграм за позитивне прийнято направлення проти часової стрілки) відкладаємо вектор напруги на котушці індуктивності ŪL.

З кінця вектора ŪL піл кутом 90º до вектора струму Ī в сторону відставання відкладаємо вектор напруги на конденсаторі ŪС. З’єднавши початки вектора ŪR з кінцем вектора ŪС, отримуємо вектор напруги Ū на затискачах ланцюга (див. рис. 2.1). в залежності від відношення значень реактивних опорів ХL і ХC векторна діаграма може мати вигляд, як на одному з рис. 2.2 – 2.4.

Якщо довжину вектора Ū помножити на масштаб МU, то отримане значення напруги повинно з визначеним степенем точності відповідати експериментальному значенню U з табл.. 2.1 (дослідження №1).

Дослідження №2. Векторна діаграма будується аналогічно і відрізняється від векторної діаграми дослідження №2 тим, що вектор напруги на конденсаторі ŪС відсутній, а кут φ завжди додатній.

Дослідження №3. В векторній діаграмі відсутній вектор напруги на котушці індуктивності ŪL, а кут φ завжди від’ємний.

Контрольні запитання для самоперевірки

1.Використовуючи результати вимірювань, показати, як виконується закон Кірхгофа для діючих значень напруг.

2.Напишіть закон Ома для кола змінного струму, що включає елементи R, L, C.

3.Поясніть, розраховані параметри R, XL, XC за показаннями вимірювальних приладів.

4.Поясніть побудову векторних діаграм по експериментальних даних досліджень і довести їх коректність.

5.Як визначити параметри R, L, C?

6.Назвіть умови виникнення резонансу. Які явища виникають при

резонансі?

7.Поняття активної, реактивної і повної потужності в ланцюзі змінного струму. Одиниці їх вимірювання.

8.Що таке коефіцієнт потужності в ланцюзі змінного струму?

9

Лабораторна робота №3

Дослідження кола трифазного змінного струму при з’єднанні споживачів електричної енергії по схемі «зірка»

Мета роботи – експериментально дослідити коло трифазного змінного струму при симетричному і несиметричному навантаженнях; визначити роль нейтрального проводу; ознайомитися з особливостями розрахунку трифазних кіл при різноманітних режимах навантаження.

План і порядок виконання роботи

1. Зібрати схему для експериментального дослідження ланцюга, зображену на рис. 3.1. Для цього необхідно початки обмоток фаз А, В, С (виводи позначені зірочкою) блоку трифазної напруги об’єднати на набірному полі стенду в одну точку, що відповідає нейтралі генератора N. Кінці обмоток фаз А, В, С через розетки, замкнуті перемички, підключити до виводів трьох споживачів zа, zв, zс. Другі виводи споживачів об’єднати в одну точку, що відповідає нейтралі навантаження n. Точки N і n схеми (див. рис. 3.1) з’єднати через розетку, замкнуту перемичку, нейтральним проводом. В якості навантажень використовувати елементи блоку змінного опору і навісні елементи комплекту, що входить в склад стенду. Значення фазних напруг генератора UAN, UВN, UСN і параметри навантажень zа, zв, zс задає викладач. Для вимірювання струмів і напруг використовувати комбінований вимірювальний прилад.

Рис. 3.1

2. Після перевірки схеми викладачем ввімкнути блок трифазної напруги. Встановити режим симетричного навантаження з замкнутим нейтральним проводом. Ввімкнути прилад в режим вимірювання струму. По черзі виміряти лінійні струми ІA, ІB, ІС і струм в нейтральному проводі ІN.

10