«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ» 1 страница

Стр 1 из 4Следующая ⇒

Научно-производственное предприятие

«Учебная техника-Профи»

«ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ»

Методические указания

к проведению лабораторных работ

Челябинск

2011 г.

Бородянко В. Н. Электрические цепи: Методические указания к проведению лабораторных работ. – Челябинск: Учтех-Профи, 2010.

Методические указания предназначены для студентов средних и высших учебных заведений, в которых предусмотрено изучение курса «Электротехника основы электроники». Методические указания также могут быть использованы для обучения учащихся профессионально-технических училищ и слушателей отраслевых учебных центров повышения квалификации инженерно-технических работников.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Электрические цепи с.

1. Работа № 1. Электроизмерительные приборы и измерения 4

2. Работа № 2. Линейная и нелинейная электрические цепи постоянного

тока 9

3. Работа № 3. Экспериментальное определение параметров элементов

цепей переменного тока 13

4. Работа № 4. Электрическая цепь переменного тока с последователь-

ным соединением элементов 20

5. Работа № 5. Электрическая цепь переменного тока с параллельным со- единением элементов 24

6. Работа № 6. Трехфазная цепь при соединении потребителей по схеме

«звезда» 28

7. Работа № 7. Трехфазная цепь при соединении потребителей по схеме

«треугольник» 32

8. Работа № 8. Нелинейная цепь переменного тока 36

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

1. Работа № 1. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И ИЗМЕРЕНИЯ

1. Цель работы

Изучение электроизмерительных приборов, используемых в лабораторных работах, выполняемых на стенде. получение навыков работы с цифровыми измерительными приборами, знакомство с применением программы Delta Profi.

2. Пояснения к работе

Контроль работы электрооборудования осуществляется с помощью разнообразных электроизмерительных приборов. Наиболее распространенными электроизмерительными приборами являются приборы непосредственного отсчета. По виду отсчетного устройства различают аналоговые (стрелочные) и цифровые измерительные приборы.

При проведении измерений в электрических цепях широкое применение получили цифровые мультиметры – комбинированные цифровые измерительные приборы, позволяющие измерять постоянное и переменное напряжение, постоян- ный и переменный ток, сопротивления, проверять диоды и транзисторы. Для про- ведения конкретного измерения необходимо установить переключателем предпо- лагаемый предел измерений измеряемой величины (ток, напряжение, сопротивле- ние) с учетом рода тока (постоянный или переменный). Представление результата измерения происходит на цифровом отсчетном устройстве в виде обычных удоб- ных для считывания десятичных чисел. Наибольшее распространение в цифровых отсчетных устройствах мультиметров получили жидкокристаллические индикато- ры. На передней панели такого прибора находится переключатель функций и диа- пазонов. Этот переключатель используется как для выбора функций и желаемого предела измерений, так и для выключения прибора. Для продления срока службы источника электропитания прибора переключатель должен находиться в положе- нии «OFF»в тех случаях, когда прибор не используется.

К основным техническим характеристикам цифровых приборов, которые необходимо учитывать при выборе относятся:

– диапазон измерений (обычно прибор имеет несколько поддиапазонов);

– разрешающая способность, под которой часто понимают значение изме- ряемой величины, приходящееся на единицу дискретности, то есть один квант;

– входное сопротивление, характеризующее собственное потребление при- бором энергии от источника измерительной информации;

– погрешность измерения, часто определяемая как ±(% от считываемых данных + количество единиц младшего разряда).

Мультиметр часто имеет батарейное питание 9В, поэтому перед использо- ванием прибора необходимо проверить батарею электропитания путем включения прибора. Если батарея разряжена, то на дисплее возникнет условное изображение батареи. Используемые в стенде «Электротехника» мультиметры питаются от вы- прямительного устройства, вмонтированного в модуль. Для использования прибо- ров необходимо подключить с тыльной стороны кабель питания к источнику пере- менного напряжения 220В. Перед проведением измерения необходимо переключа-

тель пределов установить на требуемый диапазон измерений. Для предотвращения повреждения схемы прибора входные токи и напряжения не должны превышать указанных величин. Если предел измеряемого тока или напряжения заранее неиз- вестен, следует установить переключатель пределов на максимум, и затем пере- ключайте его вниз по мере необходимости. При возникновении на дисплее «1» (перегрузка) необходимо переключиться на верхний предел измерений.

Для измерения постоянного напряжения подключите черный провод к разъему COM, а красный – к разъему «V/Ù », установите переключатель пределов в положение «V=» и подсоедините концы щупов к измеряемому источнику напря- жения. Полярность напряжения на дисплее при этом будет соответствовать поляр- ности напряжения на красном щупе. Некоторые характеристики используемого мультиметра при измерении постоянного напряжения представлены в табл. 1.

Таблица 1

Поддиапазон измерений	Погрешность измерения	Разрешающая способность
4 В	±0. 5% of rdg ± 3 digits	1 мВ
40 В		10 мВ
400 В		0, 1 В
1000 В	±0. 8% of rdg ± 3 digits	1 В

Некоторые характеристики используемого мультиметра при измерении пе- ременного напряжения представлены в табл. 2.

Для измерения сопротивлений подключите один щуп к разъему «COM», а второй – к разъему «V/Ù », установите переключатель функций на «Ù » и подсое- дините концы щупов к измеряемому сопротивлению.

Таблица 2

Поддиапазон измерений	Погрешность измерения	Разрешающая способность
4 В	±1, 2 % of rdg ± 5 digits	1 мВ
40 В		10 мВ
400 В		0, 1 В
750 В	±1, 5 % of rdg ± 5 digits	1 В

Когда цепь разомкнута, на индикаторе будет индицироваться «0. L».

Некоторые характеристики используемого мультиметра при измерении со- противлений представлены в табл. 3

Таблица 3

Поддиапазон измерений	Погрешность измерения	Разрешающая способность
400 Ом	±1, 2 % of rdg ± 3 digits	0. 1 Ом
4 кОм		1 Ом
40 кОм		10 Ом
400 кОм		100 Ом
4 МОм		1 кОм
40 МОм	±3, 0 % of rdg ± 5 digits	10 кОм

В программное обеспечение лабораторного комплекса входят виртуальные измерительные и регистрирующие приборы. Для этого используется модуль ввода, который обеспечивает ввод 6 аналоговых сигналов. Входы А1 и А2 модуля ввода являются входами датчиков напряжения ДН1 и ДН2, которые выполняют функцию вольтметров. При этом вход А1 служит для осциллографирования и измерения по-

стоянного или переменного напряжения низкого уровня (до 30 В). Вход А2 служит для осциллографирования и измерения напряжения высокого постоянного или пе- ременного напряжения до 500 В и имеет соответствующий делитель напряжения. При необходимости измерения в процессе выполнения лабораторной работы не- скольких напряжений необходимо осуществлять поочередное подключение соот- ветствующего входа датчика напряжения (А1 или А2) к соответствующим клем- мам модулей стенда.

Входы А3, А4, А5 и А6 являются входами датчиков тока ДТ1, ДТ2, ДТ3, ДТ4 соответственно и служат для осциллографирования и одновременного измерения четырех постоянных или переменных токов до 2А.

Для осциллографирования и измерений в лабораторном комплексе разра- ботано программное обеспечение для выполнения каждой лабораторной работы.

3 Порядок выполнения работы

Изучение применения мультиметра.

Ознакомиться с лицевой панелью мультиметра и зарисовать её.

Подготовить мультиметр для измерения постоянного напряжения. Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF1 модуля пита- ния). Включить выключатель SA2 модуля питания и мультиметром измерить зна- чения выходных напряжений модуля питания на клеммах «+5 В», «+12 В», «–12 В». Результаты измерений занести в табл. 4. Выключить выключатель SA2.

Таблица 4

Клеммы	+5 В	+12 В	–12 В	~ 12 В
Измерено

Подготовить мультиметр для измерения переменного напряжения. Включить выключатель SA1 «Модуля питания» и мультиметром измерить значе- ния выходного напряжения на клеммах «~12 В». Результаты измерений занести в табл. 4. Выключить выключатель SA1.

Подготовить мультиметр для измерения сопротивлений. Измерить значения сопротивлений модуля резисторов. Величину сопротивления резистора изменять переключателем SA1. Результаты занести в табл. 5.

Таблица. 5

Сопротивление, Ом
Измерено, Ом

Изучение применения цифровых амперметров и вольтметров.

Собрать электрическую цепь по рис. 1, ис- пользуя модуль питания, модуль измерительный и модуль резисторов. Установить заданное преподавателем значение сопротивления резистора. Установить режим работы цифровых приборов «=» (постоянный ток). После проверки цепи преподавателем включить электропитание стенда (автоматический воздушный выключатель QF) и выключа-

+ 12 В

РА R1

РV

тель SA2. Измерить значения тока в цепи и напряжения на резисторе. Рис. 1

Результаты измерений занести в табл. 6. Используя результаты измерений опре- делить величину сопротивления резистора R.

Таблица 6

№ опыта	U, B	I, A	R, Ом

3. 2. 2. Подключить собранную цепь к источнику переменного напряжения ~ 12В. Установить у цифровых приборов режим измерения переменного тока (~). После проверки цепи преподавателем включить электропитание (выключатель SA1). Измерить значения тока в цепи и напряжения на резисторе. Результаты изме- рений занести в табл. 6. Выключить ‘электропитание стенда (переключатель SA1 и выключатель QF).

Изучение применения виртуальных приборов.

В соответствии с приведенной на рис. 1 схемой сборки нарисовать электрическую схему цепи. Собрать электрическую цепь, используя модуль пита- ния, модуль ввода, модуль резисторов. Установить заданное преподавателем зна- чение резистора R1.

После проверки преподавателем собранной схемы включить компью- тер и открыть программу Delta Profi. В окне лабораторных работ выбрать «Элек- трические цепи – Работа № 1. Электроизмерительные приборы и измерения». За- пустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» или командой главного меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5.

				ДН1	А1
20 B			= 220 B		А4	ДТ2
					ПК
U		= U
					А5
						ДТ3
	+ 5B		- 12B	ДН2	А2
~ 12B			SA 2		А6	ДТ4

Рис. 2

Включить электропитание стенда (выключатели QF1, SA2 и SA1 моду- ля питания) и измерить величины действующих значений тока и напряжения. По осциллограммам напряжения и тока определить их амплитуды и период. Результа- ты измерений занести в табл. 7. Выключить электропитание стенда.

Таблица 7

U, B	I, A	U_m, B	I_m, A	T, c	U_m/U	I_m / I	f=1/T, Гц

Вычислить отношения амплитуд тока и напряжения к их действующим зна- чениям и частоту переменного напряжения (тока).

4. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

а) наименование работы и цель работы; б) схемы экспериментов;

в) результаты измерений и осциллограммы; г) выводы по работе.

5. Контрольные вопросы

1. Каков принцип действия приборов магнитоэлектрической и электромагнитной систем?

2. Что такое предел измерения?

3. Как определяется цена деления прибора?

4. Что такое абсолютная и относительная погрешности измерения?

5. Что характеризует класс точности прибора?

6. В какой части шкалы прибора измерение точнее и почему?

7. Каковы основные достоинства цифровых измерительных приборов?

2. Работа № 2. ЛИНЕЙНАЯ И НЕЛИНЕЙНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Цель работы

Получение навыков сборки простых электрических цепей, включения в электрическую цепь измерительных приборов. Научиться измерять токи и напря- жения, убедиться в соблюдении законов Ома и Кирхгофа в линейной и нелиней- ной цепи.

2. Пояснения к работе

Электрическая цепь, состоящая из элементов, вольтамперные характеристи- ки которых являются прямыми линиями, называется линейной электрической це- пью, а элементы, из которых состоит цепь, – линейными элементами.

Соединение в электрической цепи, при котором через все элементы проте- кает один и тот же ток, называется последовательным соединением. Эквивалентное сопротивление R_Э последовательной цепи постоянного тока равно сумме сопро- тивлений отдельных участков: R_Э = R₁ + R₂ .

Напряжение на отдельном участке в соответствии с законом Ома пропор- ционально сопротивлению этого участка: U₁ = I R₁; U₂ = IR₂ .

Напряжение U на входе последовательной цепи в соответствии со вторым законом Кирхгофа равно сумме напряжений на отдельных участках:

U = U₁ +U₂.

При параллельном соединении двух или нескольких элементов напряжение на них одно и тоже, так как выводы этих элементов подключены к одним и тем же узлам. Токи в отдельных элементах определяются по закону Ома:

I₁ = U / R₁; I₂=U / R₂.

В соответствии с первым законом Кирхгофа ток I в неразветвленной части цепи равен сумме токов всех параллельных ветвей: I = I₁ + I₂.

Проводимость параллельного соединения равна сумме проводимостей от- дельных участков: 1/R_Э = 1/R₁ +1/R₂ .

Под нелинейной электрической цепью понимают электрическую цепь, со- держащую нелинейные элементы (нелинейные сопротивления, нелинейные индук- тивности, нелинейные емкости). Нелинейные сопротивления в отличии от линей- ных обладают нелинейными вольтамперными характеристиками. К нелинейным цепям применимы законы Кирхгофа, хотя методы анализа, основанные на методе наложения (на постоянстве параметров элементов цепи) чаще всего неприменимы. В таких цепях сопротивление и проводимость нелинейного элемента являются не- линейной функцией мгновенного значения тока (напряжения) на этом элементе. Следовательно, они представляют собой переменные величины, а поэтому для расчета малопригодны.

Для нелинейных электрических цепей часто применяют графический метод, при котором последовательность операций сохраняется примерно той же, что и при расчетах линейных цепей, только вместо сложения и вычитания напряжений и токов в соответствии с законами Кирхгофа производится сложение или вычитание абсцисс или ординат соответствующих вольтамперных характеристик.

3. Порядок выполнения работы

Ознакомиться с лабораторной установкой (компьютер, модуль питания, модуль резисторов, модуль диодов, модуль ввода, модуль мультиметров). В соот- ветствии со схемой по рис. 1 нарисовать электрическую схему исследуемой цепи, собрать линейную электрическую цепь с последовательным соединением резисто- ров. Установить заданные преподавателем значения сопротивлений резисторов R1, R2. Представить схему для проверки преподавателю.

Рис. 1

Включить компьютер и открыть программу Delta Profi. В окне лабора- торных работ выбрать «Электрические цепи» – «Работа № 2. Линейные и нелиней- ные цепи постоянного тока». Выбрать вкладку «Последовательное соединение». Запустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» или командой главно- го меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5.

Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF1 моду- ля питания и выключатель SA2 этого же модуля). Подключая вход датчика напря- жения ДН1 поочередно к соответствующим клеммам, измерить величину напря- жения питания U и напряжения U1 и U2 на резисторах R1 и R2 в схеме с последо- вательным соединением резисторов R1 и R2, а также ток в цепи. Результаты изме- рений занести в табл. 1.

Изменить по указанию преподавателя величину сопротивления резисто- ра R2 и снова провести измерения по п. 3. 2. Выключить источник постоянного на- пряжения (выключатель SA2). Объяснить изменение режимов работы резисторов R1 и R2.

В соответствии со схемой по рис. 2 нарисовать принципиальную элек- трическую схему исследуемой цепи со смешанным соединением резисторов. Со-

брать цепь (рис. 2). Установить заданные значения резисторов R1, R2 и R3. После проверки цепи преподавателем в окне лабораторных работ выбрать «Электриче- ские цепи» – «Работа № 2. Линейные и нелинейные цепи постоянного тока». Вы- брать вкладку «Смешанное соединение». Запустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» или командой главного меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5. Включить питание и измерить напряжения и токи на всех участках цепи. Результаты занести в табл. 1.

Изменить по указанию преподавателя величину сопротивления резистора

R2 и снова провести измерения по п. 3. 4.

Выключить источник постоянного напряжения (выключатель SA2). Остано- вить программу, нажатием кнопки «Стоп» или командой главного меню

«Управление – Стоп» или горячей клавишей F6.

Объяснить изменение режимов работы резисторов R1, R2 и R3, используя законы Ома и Кирхгофа.

Выключить источник питания постоянного тока.

Рис. 2

Используя мультиметр в режиме измерения сопротивления измерить значения сопротивлений резисторов R1, R2 и R3. Результаты измерений занести в табл. 2.

Таблица. 1

Последовательное соединение				Смешанное соединение
U, В	U1, B	U2, B	I, A	U, B	U1, B	U23, B	I1, A	I2, A	I3, A	P, Вт

Таблица 2

	Измерено омметром
R1, Ом
R2, Ом
R3, Ом

Собрать нелинейную электрическую цепь с резистором и нелинейным элементом – полупроводниковым стабилитроном (рис. 3), используя модуль диодов. В качестве амперметра и вольтметра использовать мультиметры в соответ- ствующих режимах работы. Представить схему для проверки преподавателю.

Рис. 3

Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF1 модуля питания и выключатель SA2 этого же модуля) и модуль диодов (переключатель SA1). Изменяя с помощью потенциометра RP1 модуля полупро- водниковых приборов величину входного напряжения от нуля измерять величину тока I в цепи, напряжение на входе цепи U_ВХ, напряжение на резисторе U_R и напряжение на стабилитроне U_СТ при каждом значении входного напряжения. Результаты занести в табл. 3.

Таблица 3

U_ВХ, В
U_R, В
U_СТ, В
I, мА

По экспериментальным результатам (п. 3. 8) построить вольтамперные характеристики резистора I=f(U_R) и полупроводникового стабилитрона I=f(U_СТ). Используя полученные вольтамперные характеристики резистора и стабилитрона в соответствии с вторым законом Кирхгофа U_ВХ=U_R+U_СТ построить вольтамперную характеристику всей цепи I=f(U_ВХ). Сравнить её с экспериментальной вольтамперной характеристикой цепи I=f(U_ВХ).

Сделать вывод об особенностях применения законов Кирхгофа в нелинейной цепи постоянного тока.

3 Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

а) наименование работы и цель работы;

б) схемы экспериментов и таблицы полученных данных; в) результаты расчетов;

г) выводы по работе.

4 Контрольные вопросы

1. Что такое линейный и нелинейный элемент в электрической цепи?

2. Привести примеры линейных и нелинейных элементов электрических це- пей и вид их вольтамперных характеристик.

3. На основании какого закона по показаниям амперметра и вольтметра можно определить величину сопротивления участка электрической цепи постоян- ного тока?

4. В каких единицах измеряются сила тока, напряжение и сопротивление?

5. Нарисуйте схемы для измерения методом амперметра и вольтметра больших и малых электрических сопротивлений.

6. Для исследуемых электрических цепей запишите уравнения по законам Кирхгофа.

7. Почему для нелинейной цепи удобно применять графический метод?

3. Работа № 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1. Цель работы

Приобретение навыков определения параметров элементов в цепях пере- менного тока по результатам измерений, включения в цепь измерительных прибо- ров, измерения токов и напряжений, применения закона Ома в цепи переменного тока.

2. Пояснения к работе

При расчете цепей переменного тока, в отличие от цепей постоянного тока, необходимо учитывать не один, а три простейших пассивных элемента: резистив- ный, индуктивный и емкостной, которые характеризуются соответственно пара- метрами: активным сопротивлением R, индуктивностью L (индуктивным сопро- тивлением X_L = wL) и емкостью C (емкостным сопротивлением X_С = 1/wС), где

w – угловая частота.

В реальной цепи сопротивлением обладают не только резистор или реостат как устройства, предназначенные для использования их электрических сопротив- лений, но и любой проводник, катушка, конденсатор, обмотка любого электромаг- нитного элемента и др. Общим свойством всех устройств, обладающих электриче- ским сопротивлением, является необратимое преобразование электрической энер- гии в тепловую энергию. При токе i в резисторе, обладающим сопротивлением r за время dt в соответствии с законом Джоуля – Ленца выделяется энергия dw= ri²dt.

Тепловая энергия, выделяемая в сопротивлении, полезно используется или рассеивается в пространстве. Но поскольку преобразование электрической энергии в тепловую энергию в пассивном элементе носит необратимый характер, то в схеме замещения во всех случаях, когда необходимо учесть необратимое преобразование энергии, включается сопротивление. В реальном устройстве, например, в электро- магните, электрическая энергия может быть преобразована в механическую энер- гию (притяжение якоря), но в схеме замещения это устройство заменяется сопро- тивлением, в котором выделяется эквивалентное количество тепловой энергии. И при анализе схемы нам уже безразлично, что в действительности является потре- бителем энергии электромагнит или электроплитка.

В цепях переменного тока сопротивление называют активным, которое из- за явления поверхностного эффекта больше, чем электрическое сопротивление по- стоянному току. Однако при низких частотах этой разницей обычно пренебрегают.

Напряжение, подведенное к активному сопротивлению, по фазе совпадает с током, то есть напряжение, и ток одновременно достигают максимальных значений и одновременно переходят через нуль. Если мгновенное значения тока имеет вид i(t)=I_M sin 2pft, то мгновенное значение напряжения будет u_R(t)=U_M sin 2pft.

Индуктивность L характеризует свойство участка цепи или катушки накап- ливать энергию магнитного поля. В реальной цепи индуктивностью обладают не только индуктивные катушки как элементы цепи, предназначенные для использо- вания их индуктивности, но и провода, и выводы конденсаторов, и реостаты. В це- лях упрощения обычно считают, что энергия магнитного поля сосредотачивается только в катушках.

12 3 4 Следующая ⇒