ВІННИЦЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ПЕДАГОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА КОЦЮБИНСЬКОГО

Інститут математики, фізики і технологічної освіти

Кафедра машинознавства, організації і економіки

виробництва та безпеки життєдіяльності

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА

Навчально-методичний посібник

Вінниця – 2012

УДК 621.3(07)

ББК 31.2я7

М33

Рецензенти:

І.П. Паламарчук доктор технічних наук, професор, декан факультету механізації сільського господарства – Вінницького національного аграрного університету

О.В. Мозговий кандидат технічних наук доцент, заступник з навчальної роботи – перший заступник директора інституту математики, фізики і технологічної освіти – Вінницького державний педагогічний університету імені Михайла Коцюбинського

Рекомендовано до друку методичним семінаром кафедри машинознавства, основ виробництва та безпеки життєдіяльності Вінницького державного педагогічного університету імені Михайла Коцюбинського (протокол № 6 від 01.02.2012р.)

Наведені теоретичні відомості та методичні рекомендації щодо виконання лабораторних робіт з електротехніки. Лабораторні заняття з розділів «Електричні кола і їх параметри» та «Електровимірювальні прилади» подані в електронному варіанті на основі комп’ютерної програми EWB.

Призначений для студентів вищих педагогічних закладів освіти не електротехнічних спеціальностей напряму підготовки: «Технологічна підготовка», код напряму 6.010103, освітньо-кваліфікаційний рівень – бакалавр; «Фізика», код напряму 6.040203, освітньо -кваліфікаційний рівень – бакалавр. Може бути корисний для студентів технічних коледжів і ліцеїв, учнів ПТНЗ.

Матвійчук А.Я. Електротехніка: навчально-методичний посібник / Матвійчук А.Я., В.Л. Стінянський; Вінницький державний педагогічний університет ім. М.Коцюбинського. – Вінниця, 2012. -143 с.

© Матвійчук А.Я., Стінянський В.Л., 2012

З М І С Т

Зміст			3
Передмова			4
Вступ			6
Зразок звіту лабораторної роботи			7
Лабораторна робота № 1	Вимірювання основних параметрів електричного кола – напруги та сили струму. Розширення меж вимірювання приладів.	10
Лабораторна робота № 2	Вимірювання потужності та енергії в електричних колах змінного струму	21
Лабораторна робота № 3	Вимірювання опорів	30
Лабораторна робота № 4	Дослідження характеристик електричних джерел освітлення	35
Лабораторна робота № 5	Аналіз та розрахунок нерозгалуженого кола однофазного струму	44
Лабораторна робота № 6	Дослідження трифазного електричного кола змінного струму при з’єднанні споживачів зіркою та трикутником	56
Лабораторна робота № 7	Дослідження лінійного електричного кола постійного струму	64
Лабораторна робота № 8	Дослідження роботи однофазного силового трансформатора.	71
Лабораторна робота № 9	Дослідження параметрів трифазного асинхронного двигуна.	78
Лабораторна робота № 10	Дослідження генератора постійного струму паралельного та змішаного збуджень	90
Лабораторна робота № 11	Дослідження роботи двигуна постійного струму з послідовним та паралельним збудженням	101
Лабораторна робота № 12	Дослідження універсального двигуна	112
Лабораторна робота № 13в	Дослідження параметрів змінного струму за допомогою ПК.	117
Лабораторна робота № 14в	Дослідження параметрів електричного кола при паралельному з’єднанні двох або більше генераторів змінного струму на основі програми EWB.	123
Лабораторна робота № 15в	Дослідження лінійного електричного кола постійного струму.	128
Лабораторна робота № 16в	Дослідження трифазного електричного кола змінного струму при з’єднанні споживачів зіркою та трикутником	131
Лабораторна робота № 17в	Дослідження напівпровідникових випрямлячів за допомогою ПК.	135
Список літератури			143

Передмова

Мабуть, немає потреби переконувати сучасну людину в тім, що елементарні умови життя і побуту неможливі без електрики. Електрична енергія на теперішній час є такою ж складовою нашого існування як вода, повітря, їжа, тепло тощо. Проте, прості, на перший погляд, речі пов’язані з використанням електрики, пройшли довгий і тривалий шлях свого розвитку.

Перші наукові узагальнення про магнітні та електричні явища, про існування магнітного поля Землі здійснено У. Гілбертом у 1600 році у праці «Про магніт, магнітні тіла та про великий магніт Землю».

У1650 році Отто Геріке побудував першу електростатичну машину. Приблизно через століття Дюфе відкрив існування двох родів електричних зарядів: скляного і смоляного, а Е.Ю. фон Клейст і П. ван Мушенбрук створили лейденську банку (перший конденсатор).

Найбільше фундаментальних відкриттів здійснено у 19 сторіччі плеядою науковців різних країн, у тому числі й вітчизняних. У 1785 році Кулон винайшов крутильну вагу, завдяки якій встановив закон взаємодії електричних зарядів (Закон Кулона), Вольта створив гальванічний елемент. 1820 рік можна відзначити цікавими публікаціями Эрстеда про дію магнітного поля на магнітну стрілку; Ампера про взаємодію струмів (закон Ампера); Араго про створення магнітного поля провідником, у якому протікає струм та ін. Фундаментальні відкриття Фарадея, Ома, Ленца, Якобі, Джоуля, Кірхгофа , Максвела, Зеєбека та ін. створили теоретичне підґрунтя для використання електромагнітних явищ у практичних цілях.

Саме практичному застосуванню законів електромагнетизму присвятили низку відкриттів вітчизняні науковці та інженери, до яких можна віднести Б.С. Якобі, А.Г. Столєтов, А.Н. Лодигін, П.Н. Яблочков, М.О. Доліво-Добровольский та ін. Так, Доліво-Добровольський уперше в 1988-1989 р.р. здійснив відкриття системи трифазного струму, створив трифазний трансформатор та асинхронний двигун, якими користується людство по цей день.

Електроенергія має переваги серед інших видів енергії завдяки зручності її виробництва, передачі, керуванню, екологічності та ін. Її використовують у промисловості, сільському господарстві, транспорті, побуті, соціальній сфері тощо. Без електрики неможливі успіхи в медицині, біології, екології інших галузях науки.

Одним з критеріїв за якими визначають рівень розвиненості країни є кількість споживаної електричної енергії. Останніми роками виробництво електричних потужностей на особу в США становить 10 кВт., у світі 5 кВт., в Україні – приблизно 7 кВт., а до кінця століття, за прогнозами фахівців, цифри подвояться.

Виробництво електроенергії здійснюється на електростанціях, що працюють переважно на невідновлювальних джерелах: вугільних, мазутних, газових, газо-мазутних, атомних. Природне паливо вичерпується досить швидкими темпами, тому перспектива за електростанціями, що працюють на відновлювальних джерелах енергії: вітер, Сонце, вода, біовідходи тощо.

Від електростанцій до споживачів електричну енергію доставляють лініями електропередач (ЛЕП). ЛЕП являє собою складну систему керування, розподілу та передачі енергії. До її складу входять провідники, трансформатори та система керування.

Наука, що вивчає питання практичного застосування електромагнітних явищ у процесі виробництва, передачі, розподілу та використання електричної енергії, називається електротехнікою.

Вступ

Мета лабораторного практикуму – поглибити теоретичні знання студентів, майбутніх вчителів фізики і технологічної освіти з фізичними основами електротехніки, можливостями застосування комп’ютерних програм при розрахунках та дослідженнях параметрів електричних кіл, розвинути практичні навички в цій галузі під час виконання лабораторних робіт.

Основні завдання практикуму – навчити майбутніх учителів:

• читати електричні схеми та складати за ними електричні кола;

• користуватися електровимірювальними приладами;

• розраховувати параметри електричних кіл постійного та змінного струму;

• застосовувати комп’ютерні програми при дослідженні простих електричних кіл;

• досліджувати основні характеристики електричних машин постійного і змінного струму;

• досліджувати характеристики трансформаторів;

• виконувати розрахунки, будувати графіки та векторні діаграми електричних параметрів кіл, трансформаторів та електричних машин;

• ставити досліди в школі при викладанні розділу «Електротехнічні роботи» на уроках трудового навчання.

Більшість лабораторних досліджень пропонується до виконання традиційно, з використанням реальних приладів, пристроїв, машин тощо. Інша частина робіт виконується віртуально, завдяки комп’ютерній програмі EWB. Насамперед, це стосується дослідження параметрів електричних кіл постійного та змінного струмів.

Виконанню лабораторних робіт передує самостійна домашня підготовка, у процесі якої студент з’ясовує мету і зміст роботи, знайомиться з робочим завданням, опрацьовує теоретичний матеріал за даним посібником та іншою літературою, розв’язує свій варіант задачі, виконує робочу схему і готує таблицю для занесення результатів вимірювань.

На початку заняття викладач перевіряє готовність кожної бригади до виконання відповідної лабораторної роботи і дає дозвіл на складання електричного кола та виконання вимірювань. Допускаються до роботи ті студенти, які добре знають необхідний теоретичний матеріал, усвідомили практичне завдання і послідовність його виконання, ознайомились з особливостями техніки безпеки і пожежної безпеки при виконанні даної лабораторної роботи. Захист лабораторної роботи відбувається на наступних заняттях або у спеціально відведений час після занять. До захисту допускаються роботи виконані та оформлені відповідно до наведеного зразку.

Зразок звіту лабораторної роботи

Лабораторна робота №1

Тема: Дослідження нерозгалуженого електричного кола змінного струму.

Мета: навчитися визначати основні параметри електричного кола при активному, реактивному та активно-реактивному навантаженнях.

1. Один і той же провідик матиме різні значення опору залежно від характеру струму, що протікає по ньому. У колах змінного струму провідник матиме більше значення опору, ніж у колах постійного струму завдяки поверхневому ефекту. У першому випадку опір називають активним і позначають літерою r, у другому випадку – омічним і позначають літерою R. При частоті електричного струму згадані опори суттєво не відрізняються, а тому їх різницю не враховують.

2. Величина напруги, прикладеної до не розгалуженого кола змінного струму, визначатиметься так:

; ; ;

; ; ; .

3. Величину повного опору нерозгалуженого кола визначають таким чином:

; ; ; .

4. Резонанс напруг у нерозгалуженому колі виникає при умові, коли індуктивний опір X_L дорівнює ємнісному опору X_C. При цьому:

; ; ; ; , а величина струму в колі набуває максимального значення.

5. Задача: U=100 B; r = 8 Oм; X_L=10 Oм; X_c = 4 Oм; f = 50 Гц.

1. Повний опір кола: Ом.

2. Струм у колі: A.

3. Коефіцієнт потужності в колі: .

4. Активна потужність кола: Вт.

5. Реактивна потужність кола: Вт.

6. Повна потужність кола: ВА.

7. Падіння напруги на окремих ділянках кола:

В, В, В.

8. Резонансна частота: Гц.

9. Індуктивність катушки: Гн.

10. Ємність конденсатора: Ф.

Електрична схема до лабораторної роботи

Результати вимірів та розрахунків

	У В І М К Н Е Н О
	Резистор	Котушка	Конденсатор	Резистор та котушка	Резистор та конденсатор	Резистор, котушка та конденсатор
U(В)	44	44,4	44,8	43,6	44	44,6	42	42,8
UA(В)	41,2	–	–	5,2	35,6	4,7	11,5	40,4
UL(В)	–	43,2	–	36	–	34	30	27,6
UC(В)	–	–	44	–	20	2,5	7,3	28
I(А)	0,44	0,48	0,81	0,08	0,38	0,075	0,09	0,07
P(Вт)	17,5	5	1	2,5	14,5	2,5	2	1,5
cosφ	0,94	0,23	0,03	0,72	0,81	0,8	0,52	0,5
sinφ	–	0,97	0,97	0,71	0,45	0,75	0,54	0,01
r(Ом)	93,64	2,5	–	–	93,68	58,75	127,7	577,1
XC(Ом)	–	–	54,32	–	52,63	33,3	81,1	400,0
XL(Ом)	–	90	–	450,0	–	453,3	333,3	394,2
Zкола(Ом)	100,0	92,5	55,3	545,0	115,79	554,6	466,6	611,4
Q(Вар)	–	20,1	35,5	2,48	7,56	2,34	2,04	0,03
S(ВА)	19,36	21,31	35,64	3,49	16,72	3,12	3,78	3,00

Діаграма

Висновки: Зі збільшенням ємності в нерозгалуженому колі змінного струму коефіцієнт потужності збільшується. Наявність резонансу напруги можна виявити при співвідношенні спадів напруг - U_L=U_C.

Лабораторна робота № 1