Міністерство освіти і науки України

Запорізька державна інженерна академія

______________________________________

... Турба М.М.,

Юдачов А.В.,

Багаєв Р.А.

ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ І ЕЛЕКТРОННИХ КІЛ, ч. I

Методичні вказівки до виконання лабораторного практикуму

для студентів ЗДІА спеціальності 6.90804 «Фізична та

біомедична електроніка» денної та заочної форм навчання

Запоріжжя

2006

Міністерство освіти і науки України

Запорізька державна інженерна академія

ТЕОРІЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ І ЕЛЕКТРОННИХ КІЛ, ч. I

Методичні вказівки до виконання лабораторного практикуму

для студентів ЗДІА спеціальності 6.90804 «Фізична та

біомедична електроніка» денної та заочної форм навчання

Рекомендовано до видання

на засіданні кафедри ФБМЕ,

протокол № 15 від 01.06.06

Теорія електричних і електронних кіл, ч. I. Методичні вказівки до виконання лабораторного практикуму для студентів ЗДІА спеціальності 6.090804 «Фізична та біомедична електроніка»..денної та заочної форм навчання / Укл. Турба М.М., Юдачов А.В., Багаєв Р.А. – Запоріжжя, 2006 - 62 с

Методичні вказівки призначені для студентів спеціальності «Фізична та біомедична електроніка».для керівництва при виконанні лабораторного практикуму. Вказівки містять теоретичні відомості та перелік контрольних запитань.

Укладачі: М.М.Турба, професор

А.В. Юдачов, ст. викладач

Р.А. Багаєв, асистент

Відповідальний за випуск: зав. кафедрою ФБМЕ

професор Є.Я. Швець

ЗМІСТ

Вступ

1.

1. 3

Лабораторна робота № 1 ПЕРЕВІРКА ЗАКОНІВ КІРХГОФА ТА ПРИНЦИПУ НАКЛАДЕННЯ ДЛЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ 5

Лабораторна робота №2 ДОСЛІДЖЕННЯ ЛІНІЇ ПЕРЕДАЧІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ 10

Лабораторна робота №3 ДОСЛІДЖЕННЯ ЛАНЦЮГІВ, ЩО МІСТЯТЬ РЕАКТИВНІ ЕЛЕМЕНТИ 15

Лабораторна робота № 4 ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗОНАНСУ НАПРУГИ У ЛАНЦЮЗІ ЗМІННОГО СТРУМУ 33

Лабораторна робота № 5 ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЗОНАНСУ СТРУМУ У ЛАНЦЮЗІ ЗМІННОГО СТРУМУ 39

5.1 Мета роботи: Дослідження характеристик і режимів роботи ланцюга змінного струму в режимі резонансу струмів. 39

Лабораторна робота № 6 ДОСЛІДЖЕННЯ КІЛ З ДВОМА СТОРОНАМИ ЗА ДОПОМОГОЮ ТЕОРІЇ ЧОТИРИПОЛЮСНИКА 44

Лабораторна робота № 7 ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИФАЗНИХ КІЛ ЗМІННОГО СТРУМУ, З'ЄДНАНИХ ЗА СХЕМОЮ «ЗІРКА-ЗІРКА» 50

Лабораторна робота № 8 ДОСЛІДЖЕННЯ ТРИФАЗНИХ КІЛ ЗМІННОГО СТРУМУ, З'ЄДНАНИХ ЗА СХЕМОЮ «ТРИКУТНИК-ТРИКУТНИК» 58

ВСТУП

Згідно вимог освітньо-професійної програми за напрямком «Комп’ютерні науки» та робочої програми курсу “Теорія електричних і електронних кіл, ч. I» студенти напрямку 0908 «Електроніка» спеціальності 6.90804 «Фізична та біомедична електроніка» після вивчення зазначеної дисципліни повинні вміти провести аналіз і розрахунок електричних кіл постійного, змінного та трифазного струмів та опанувати навиками проведення вимірювань електричних величин, побудови і аналізу функціональних залежностей останніх.

З цією метою студентам пропонуються для самостійного виконання лабораторні роботи, поставлені на спеціальних стендах та змодельовані за допомогою навчальної програми Electronics Workbench на персональних комп’ютерах в комп’ютерному класі кафедри ФБМЕ.

Завдання лабораторного практикуму студенти виконують згідно варіантів, які визначаються відповідно до порядкового номеру в академічному журналі обліку успішності та відвідувань занять студентами групи.

Студент допускається до виконання чергової роботи практикуму після підтвердження (у формі комп’ютерного тестування) наявності необхідних знань теоретичного матеріалу та порядку виконання роботи.

Для зарахування виконаної лабораторної роботи студент повинен пред’явити викладачу і захистити індивідуальний звіт з виконаної роботи, обґрунтувавши отримані результати та побудовані функціональні залежності.

Згідно модульно-рейтингової системи організації навчального процесу у робочій навчальній програмі приведено розподіл максимальних балів рейтингу за усіма видами навчальної роботи з даної дисципліни. Лектор конкретизує (в залежності від запланованої кількості лабораторних робіт, виду індивідуальних завдань та ін.) розподіл рейтингових балів на поточний семестр, про що студентів інформують на початку семестру.

Звіти з лабораторного практикуму виконуються згідно з загальними правилами оформлення науково-технічних звітів і відповідно до вимог держстандартів і міжнародної системи одиниць СІ. Для написання чи віддрукування роботи використовуються аркуші паперу формату А4, діаграми та графіки розміщують на міліметровому або спеціально розлінованому папері. Зараховані роботи зберігаються на кафедрі упродовж навчального року.

Лабораторна робота № 1 ПЕРЕВІРКА ЗАКОНІВ КІРХГОФА ТА ПРИНЦИПУ НАКЛАДЕННЯ ДЛЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

1.1 Мета роботи: засвоєння законів основного методу аналізу електричних кіл постійного струму, оволодіння навичками роботи з електровимірювальними приладами.

1.2 Зміст роботи: для заданого електричного кола (рис.1.1):

- встановити задані (за варіантами) параметри джерел живлення електричного кола;

- провести необхідні вимірювання величин струмів та напруги (табл. 1.2);

- оцінити похибки вимірювань та зробити висновки щодо підтвердження.. законів Кірхгофа та принципу накладення. При оцінці похибок вимірювань вважати межею вимірювань Iмах = 1А (для амперметрів), Vмах = 50 В (для вольтметрів), а за клас точності прийняти для всіх приладів δ = 0,1.

Рисунок 1.1 – Принципова електрична схема кола лінійного струму

1.3 Теоретичні відомості: аналіз електричного кола постійного струму за методом рівнянь Кірхгофа:

Метод рівнянь Кірхгофа, який застосовують для аналізу електричних кіл, є найбільш універсальним і зрозумілим з фізичної точки зору методом; щоправда, і найбільш громіздким, особливо кіл з великою кількістю гілок та контурів. На рівняннях Кірхгофа засновані всі інші методи аналізу кіл, більш практичні у випадках кіл, наприклад, з відносно невеликою кількістю вузлів (чи контурів) і т.п.

Відповідно до першого закону Кірхгофа (що витікає із закону збереження заряду) алгебраїчна сума струмів гілок, що підходять до даного вузла, дорівнює нулю:

.

Як умовно позитивний при цьому вибирається будь-який напрям струму, водночас, для узгодження з методом вузлових потенціалів, доцільніше позитивним вважати струм, що підходить до вузла.

Кількість рівнянь стану електричного кола, які можна записати згідно з першим законом Кірхгофа, дорівнює кількості лінійно незалежних вузлів N_Н.В., тобто загальній кількості вузлів схеми N_В., крім одного:

N^{(I)  =}  N_Н.В. = N_В. – 1.

Сенс приведеного рівняння у тому, що фізичний зміст має тільки різниця потенціалів (напруга), так що потенціал будь-якого одного з вузлів схеми можна взяти за відправний і умовно вважати відомим (як правило, рівним потенціалу земної поверхні, тобто нулю). Вузол, фактично чи умовно з’єднаний із земної поверхнею, називається «заземленим»

Згідно з другим законом Кірхгофа (що витікає із закону збереження енергії), алгебраїчна сума падінь напруги на елементах даного замкненого контура повинна дорівнювати алгебраїчній сумі діючих в контурі ЕРС:

.

Кількість рівнянь, які можна і необхідно скласти для аналізу електричного кола на основі другого закону Кірхгофа, розраховується як різниця між загальним числом необхідних рівнянь (рівним числу невідомих струмів в N_Г гілках кола) і кількістю рівнянь N^(I), складених на основі 1-го закону Кірхгофа

N^(IІ) = N_Г. – N^(I) = N_Г – (N_B. – 1) = N_Г. – N_B. + 1.

Для аналізу електричних кіл постійного струму (як лінійних кіл), часто застосовують, особливо при необхідності знаходження струму лише однієї гілки, принцип накладення (суперпозиції).

Згідно принципу суперпозиції, струм (I_k) k-ої гілки кола з декількома джерелами (електрорушійної сили, стуму) можна знайти як алгебраїчну суму так званих часткових струмів I_k’’, I_k^’’, I_k^’’’ , які розраховуються чи вимірюються за умови урахування, відповідно, тільки 1-го джерела, тільки 2-го, тільки 3-го і т.д.

I_k = I_k’ + I_k^’’ + I_k^’’’ .

1.4 Порядок виконання роботи:

1. Зібрати (на екрані монітору ПК) у програмі Electronics Workbench за допомогою стандартизованих елементів схему заданого електричного кола відповідно до варіанту (табл. 1.1),.

2. Задати початкові значення напруги джерел живлення згідно таблиці 1.1.

3. Включити зібрану схему за допомогою перемикача , або натиснувши на клавіатурі ПК кнопки Ctrl+G.

4. Після стабілізації показів вимірювальних приладів зробити передбачені заміри цих показів і занести дані до таблиці 1.2.

5. Вимкнути схему за допомогою того ж перемикача , або натиснувши на клавіатурі ПК Ctrl+Т.

При проведенні вимірювань необхідно пам'ятати, що потовщена клема вимірювальних приладів відповідає негативному полюсу.

Таблиця 1.1 – Початкові значення напруги джерел живлення за варіантами

№. варіанта	Е01, В	Е02, В	Е03, В	Е04, В
1	6	12	24	0
2	6	12	24	0
3	6	12	24	0
4	6	12	24	0
5	18	12	24	0
6	18	12	24	0
7	18	12	6	24
8	18	12	6	24
9	18	12	6	24
10	18	12	6	24
11	18	12	6	24
12	18	12	6	24

6. Для перевірки 1-го закону Кірхгофа необхідно співставити алгебраїчні величини струмів (табл. 1.2) гілок, які підходять, відповідно, до вузлів «а», «б» схеми з урахуванням похибок, наведених у паспортних даних електровимірювальних приладів. на підставі цих зіставлень робиться висновок про підтвердження правильності 1-го закону Кірхгофа.

Таблиця 1.2 – Числові дані характеристик електричного кола для перевірки 1-го закону Кірхгофа

	Вузол «а»				Вузол «б»
Величина	I1	I2	I3	∑ Ik ± ΔI	I1	I2	I3	∑ Ik ± ΔI
Приклад:	0.52±0.10	1.34± 0.10	-1.82± 0.10	0.03 ± 0.10	0.52±0.10	1.34± 0.10	-1.82±0.10	0.03 ± 0.10
Дані замірів:

7. Для перевірки методу накладення (суперпозиції) необхідно встановити величини напруги джерел живлення (батарей) рівним нулю окрім одного джерела (наприклад Е1). Для того, щоб змінити величину (номінал) будь-якого елементу схеми слід навести курсор на даний елемент натиснути праву клавішу миші і у вікні, що з'явилося, вибрати «Component Properties», після чого у вікні, що з'явилося, на вкладці «Value» в полі номінала вказаного компоненту вказати необхідну величину і розмірність. За допомогою кнопки «ОК» закінчити введення даних. На електричній схемі будуть відбиті нові параметри елементу. Провести дії згідно п.3, і записати величини струмів в різних гілках схеми до таблиці 1.3. Провести аналогічні дії з іншими джерелами.

8. Для перевірки методу суперпозиції необхідно співставити алгебраїчні величини токов (табл. 1.3) з урахуванням похибок, наведених у паспортних даних електровимірювальних приладів. на підставі цих зіставлень робиться висновок про підтвердження правильності методу суперпозиції.

Таблиця 1.3 - Числові дані характеристик електричного кола для перевірки методу суперпозиції

Напруга джерел живлення	Струми в гілках схеми
Е1=Еном; Е2= 0; Е3=0;	I11=	I21=	I31=
Е1= 0; Е2= Еном; Е3= 0;	I12=	I22=	I32=
Е1= 0; Е2= 0; Е3= Еном;	I13=	I23=	I33=
Е1= Еном; Е2=Еном; Е3= Еном;	I1=∑ I1k ± ΔI = =	I2=∑ I2k ± ΔI= =	I3=∑ I3k ± ΔI= =

9. для отримання результатів, на підставі яких є можливість перевірити правильність 2-го закону Кірхгофа, необхідно вибрати контур, на елементах якого вимірюватимуться падіння напруг і вибрати напрямок обходу контуру (повинно бути показано на схемі в звіті). По черзі підключаючи вольтметр до всіх елементів контуру, провести вимірювання напруги на кожному елементі контура згідно вказаної методики.

Заміри показів вольтметрів занести до таблиці 1.4.

Таблиця 1.4 - Числові дані характеристик електричного кола для перевірки 2-го закону Кірхгофа

Найменування елементу контуру	Величина падіння напруги на елементі контуру Ui, В	Найменування елементу контуру	Величина падіння напруги на елементі контуру Ui, В
Е1		R3
Е2		R4
Е3		R5
R1		R6
R2

Для перевірки 2-го закону Кірхгофа необхідно співставити алгебраїчні величини падіння напруг (табл. 1.4) гілок, які входять до складу вибраного контуру з урахуванням похибок, наведених у паспортних даних електровимірювальних приладів. на підставі цих зіставлень робиться висновок про підтвердження правильності 2-го закону Кірхгофа.

1.5 Зміст звіту

До звіту заносять:

- тему і мету роботи;

- принципову схему електричного кола, яке аналізується;

- результати вимірювання струмів та напруг на окремих ділянках досліджуваного кола;

- результати розрахунку суми струмів для вузлів електричного ланцюга та суми падінь напруг для замкнених контурів електричного кола;

- результати розрахунку струмів гілок за методом накладення (суперпозиції);

- висновки по роботі.

1.6 Контрольні питання

1. Фізичне поняття електричного струму.

2. Види електричного струму.

3. Чим відрізняються джерело струму від джерела напруги.

?

4. Як підтвердити справедливість першого закону Кірхгофа?

5. Вимірювання параметрів яких величин необхідно провести для перевірки другого закону Кірхгофа?

6. Які методи застосовуються для розрахунків величин струмів в окремих гілках розгалуженого кола?

7. У чому полягає метод накладення?

8. Як обчислити похибку приладу за його класом точності?

Лабораторна робота №2 ДОСЛІДЖЕННЯ ЛІНІЇ ПЕРЕДАЧІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

2.1 Мета роботи: Дослідження параметрів і режимів роботи лінії передачі постійного струму при зміні опору навантаження приймача.

2.2 Зміст роботи:

Для заданого електричного кола (рис.2.1):

- встановити задані параметри джерела живлення електричного кола;

- провести необхідні вимірювання величин струмів та напруги;

- розрахувати параметри роботи лінії постійного струму;

- оцінити похибки вимірювань та зробити висновки щодо режимів роботи лінії. При оцінці похибок вимірювань вважати межею вимірювань Iмах = 0.1А (для амперметрів), Vмах = 15 В (для вольтметрів), а за клас точності прийняти для всіх приладів δ = 0,1.

Рисунок 2.1– Принципова електрична схема кола для дослідження режимів роботи лінії передачі постійного струму

2.3 Теоретичні відомості:

1. Режим роботи електричного ланцюга, тобто її електричний стан, визначається величинами струмів, напруг і потужністю джерел і окремих елементів.

2. Найбільш характерні режими електричних ланцюгів розглянемо на прикладі простого ланцюга із змінним опором приймача електричної енергії (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Електрична схема кола з змінним опором приймача

Номінальний режим

Джерела і приймачі електричної енергії, дроти, а також допоміжні прилади характеризуються номінальними величинами струму I_Н, напруги U_H, потужності Р_Н, на які ці пристрої розраховані для нормальної роботи. Номінальні величини вказуються у паспорті приладу.

Режим роботи, при якому дійсні струми, напруги, потужності елементів електричного ланцюга відповідають їх номінальним величинам, називається номінальним (нормальним).

Відхилення від номінального режиму небажані, а перевищення номінальних величин в більшості випадків неприпустимо, оскільки при цьому не можуть бути гарантовані розрахункові тривалість і економічність роботи електричних приладів і установок.

Для забезпечення нормальних умов роботи приймачів електричної енергії необхідно дотримуватися відповідності напруг: дійсна напруга на затискачах приладу повинна бути рівна його номінальній напрузі.

Робочий режим

Режими електричного ланцюга з різних причин можуть відрізнятися від номінального режиму.

Якщо в електричному ланцюзі дійсні характеристики режиму відрізняються від номінальних величин її елементів, але відхилення знаходяться в допустимих межах, то режим називається робочим. На схемі (рис. 2.2) опір сполучних дротів віднесений до приймача. Згідно закону збереження енергії складемо для цього ланцюга рівняння енергетичного балансу за деякий час:

W_Д=W_В – W_П,

де W_Д = EIt – енергія джерела;

W_П = PRt – енергія приймача;

W_В = енергія втрат в джерелі.

За аналогією з енергією приймача енергію втрат виразимо у вигляді W_В = Prt, де r – внутрішній опір джерела. У цьому випадку енергетичний баланс має вигляд:

EI= I²r + I²R,

Або, у вигляді рівняння балансу напруг:

Е = Ir + IR = U_o + U,

де U₀ – внутрішнє падіння напруги в джерелі;

U – напруга на зовнішніх затисках джерела.

Струм у простому замкненому ланцюзі згідно закону Ома:

.

Напруга U на зовнішніх затисках джерела дорівнює в цьому випадку напрузі на приймачі і менше джерела Е.Р.С. на величину внутрішнього падіння напруги:

U = IR =Е – Ir.

Відношення потужності Р_П приймача до потужності Р_Д джерела називається коефіцієнтом корисної дії джерела (К.К.Д):

.

Режим холостого ходу

При R = ∞ струму в ланцюзі не буде. Цей випадок відповідає розмиканню ланцюга. Режим електричного ланцюга або окремих джерел, при якому струм у них рівний нулю, називається режимом холостого ходу. При холостому ході напруга на зовнішніх затисках джерела рівна його Е.Р.С.:

U = Е.

Режим короткого замикання.

При R=0, I=Е/r =I_к, а напруга на затисках приймача і джерела U=0.

Режим електричного ланцюга, при якому накоротко замкнуто ділянку з одним або декількома елементами, у зв'язку з чим напруга на цій ділянці рівна нулю, називається режимом короткого замикання. Відповідно, струм I_к у ланцюзі називається струмом короткого замикання.

Короткі замикання в електричних установках небажані, оскільки струми короткого замикання, як правило, у декілька разів перевищують номінальні величини, що веде до різкого збільшення виділення тепла в токоведучих частинах і, отже, до псування електричних установок.

Напруга на затисках джерела зменшується від U=Е до U=0, і струм навантаження збільшується від нуля до струму короткого замикання Iк.