ФГБОУ ВПО "Тольяттинский государственный университет" Кафедра "Электроснабжение и электротехника"

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по дисциплине "Теоретические основы электротехники-1"

Тольятти, 2014

УДК 621.3.01 ББК 31.211

Лабораторный практикум по дисциплине "Теоретические основы элек-тротехники".Часть 1/ С. В. Шлыков, Н.В. Шаврина. – Тольятти: ТГУ, 2014

В практикуме представлены методические указания к выполнению лабо-раторных работ по курсу "Теоретические основы электротехники".

Для студентов университета направлений бакалавра 11.03.04 "Электрони-ка и наноэлектроника", 13.03.02 "Электроэнергетика и электротехника", 27.03.04 "Управление в технических системах" очной и заочной форм обуче-ния.

Составители: Шлыков С.В., Шаврина Н.В.

Научный рецензент д.т.н., профессор Вахнина В.В.

Утверждено научно-методической комиссией института

© Тольяттинский государственный университет, 2014

2

Содержание

Введение 4

Лабораторная работа № 1 «Исследование разветвленных цепей

постоянного тока» 5

Лабораторная работа № 2 «Исследование линейных цепей

синусоидального тока» 10

Лабораторная работа № 3 «Исследование электрических цепей

синусоидального тока с индуктивно связанными катушками» 17

Лабораторная работа № 4 «Исследование режимов работы трехфазных

цепей» 24

Описание блоков учебного комплекта 33

Однофазный источник питания (218.9) 33

Блок генераторов напряжений (212.6) 35

Наборная панель (305) 40

Набор миниблоков (600.17) 41

Блок мультиметров (509.2.1) 45

Блок «ваттметр» (511) 49

3

Введение

Лабораторные работы выполняются студентами направлений подготовки бакалавра 11.03.04 «Электроника и наноэлектроника», 13.03.02 «Электроэнер­гетика и электротехника», 27.03.04 «Управление в технических системах» оч­ной и заочной форм обучения, в соответствии с учебными планами. Каждая ла­бораторная работа выполняется в течение четырех академических часов.

При подготовке к лабораторной работе необходимо:

• ознакомиться с описанием лабораторной работы, установить, в чем состоит основная цель и задача работы.

• выполнить индивидуальную расчетную часть и изучить теоретиче­ский материал, относящийся к данной лабораторной работе.

• подготовить бланк протокола лабораторной работы. Протокол дол­жен содержать: цель работы, описание лабораторной установки, схему электрическую цепи, индивидуальную расчетную часть, по­рядок выполнения экспериментальной части, необходимые табли­цы.

Задание на подготовку лабораторной работы и оформление протокола выполняются самостоятельно во внеаудиторное время. Образец оформления протокола имеется на стенде в лаборатории.

В начале занятия студенты должны получить допуск к выполнению экс­периментальной части работы. Для этого студент должен иметь бланк протоко­ла и знать: цели и последовательность выполнения эксперимента; правила под­ключения измерительных приборов; понятия прямого и косвенного измерения; предполагаемый результат проводимого эксперимента.

Защита лабораторной работы проводится индивидуально при наличии оформленного отчета по тестовым заданиям или контрольным вопросам. В протоколе необходимые для вычислений уравнения должны быть представлены в общем виде, а затем с подставленными числовыми значениями. Схемы, ри­сунки, графики, диаграммы должны быть выполнены в соответствии с ЕСКД.

4

Лабораторная работа № 1 «Исследование разветвленных це-пей постоянного тока»

Цель работы – изучение расчетных и экспериментальных методов ана-лиза разветвленных линейных цепей постоянного тока.

Программа работы

1. Выполнить индивидуальную расчетную часть.

2. Экспериментально проверить справедливость расчета законов Кирх-гофа.

3. Экспериментально проверить расчетную потенциальную диаграмму.

4. Экспериментально определить параметры эквивалентного генератора относительно заданной ветви.

5. Экспериментально проверить справедливость метода наложения.

Описание лабораторной установки

В лабораторной работе исследуется разветвленная линейная электриче-ская цепь постоянного тока с источниками ЭДС (рисунок 1.1). Величина каж-дого источника ЭДС определяется номером варианта (таблица 1.1).

n

PA1

(A)

]R1

PA2

_A

A I ₂

П R2

PA3

(a)

PV

_QR³ _V

u a

A

и С

_о

E ₁

_Ф

E₂

_О

E₃

Рисунок 1.1 - Электрическая схема исследуемой цепи

5

Приемники электрической энергии R₁,R₂ ,R₃ представляют собой ми-

ниблоки с резисторами определенных сопротивлений, заданных номером вари-антом. Последовательно в каждую ветвь включаются специальный коммутаци-онный миниблок «амперметр». С помощью двухжильного измерительного про-водника со штекером к этим миниблокам подключается мультиметр в режиме измерения тока. Схема исследуемой цепи собирается с помощью соединитель-ных проводников на наборной панели лабораторного стенда.

Установка заданных значений E₁, E₂ и E₃ осуществляется с помощью ге-нератора постоянных напряжений, предназначенного для получения стабили-зированных напряжений +15В, -15В и регулируемого напряжения от 0 до 13В. Для измерения напряжений на резисторах R₁,R₂ ,R₃ используется вольтметр из блока мультиметров.

Порядок выполнения индивидуальной расчетной части

Исходные данные, определяются номером варианта и соответствует строке в таблице 1.1. Значения источника ЭДС соответствует номеру группы в потоке.

Таблица 1.1 – Исходные данные индивидуальной расчетной части

1 2 3 4 5 6 7 8	El	E	E	El*	E*2*	E;*	R1	R2	R3
	B	B	B 0	B	B	B +12	Ом	Ом	Ом 330
	-15	-12		+15	0		220	100
	+15	0	+12	+15	+12	0	330	100	220
	+15	+12	0	+15	0	+12	330	220	100
	0	+15	+12	0	-15	-12	100	220	330
	-15	+12	0	+15	-12	0	220	470	330
	+15	0	-12	-15	0	+12	220	330	470
	0	-15	+12	0	+15	-12	330	220	470
	+12	0	-15	-12	0	+15	470	330	220

6

Содержание индивидуальной расчетной части:

1 Составьте систему уравнений для расчета токов ветвей по законам

Кирхгофа. Рассчитайте токи ветвей I ₁, I₂ и I₃ и занесите в таблицу 1.2.

2 Запишите выражения и рассчитайте потенциалы точек контура a, Ь, с, п,

приняв:

• <р_a = 0 для первого студента бригады;

• (р_п = 0 для второго студента бригады;

• (р_ь=0 для третьего студента бригады.

По полученным значениям потенциалов постройте потенциальную диаграмму расчетной электрической цепи для контура, содержащего две ЭДС. Занести значения потенциалов точек в таблицу 1.2.

3 Рассчитайте параметры эквивалентного генератора Е₀, I_КЗ и R0 отно-

сительно:

• первой ветви - выполняется первым студентом бригады;

• второй ветви - выполняется вторым студентом бригады;

• третьей ветви - выполняется третьим студентом бригады. Значения эквивалентного генератора занести в таблицу 1.2

4 По методу наложения изобразите две расчетные электрической цепи

при действии только одной ЭДС. В каждой электрической цепи рас-

' ' ' ' '' '' считайте частичные токи I ₁, I₂, I₃ и I ₁^', I₂, I3 запишите результаты в

таблицу 1.2.

Таблица 1.2 – Расчетные и экспериментальные данные

Задание	Пункт 1			Пункт 2
Электрическая величина	I1	I2	I3	<Рa	<Ръ	<Рс	(Рп
	мА	мА	мА	В	В	В	В
Расчет
Эксперимент

7

Продолжение таблицы 1.2 – Расчетные и экспериментальные данные

Задание	Пункт 3			Пункт 4
Электрическая величина	E0	R0	IК.З.	I1'	I2'	I3'	I1' '	I2' '	I3' '
	В	Ом	мА	мА	мА	мА	мА	мА	мА
Расчет
Эксперимент

Порядок выполнения экспериментальной части

Экспериментальная часть работы выполняется полностью каждым сту-дентом.

1. Ознакомьтесь с оборудованием и измерительными приборами, необхо-димыми для проведения эксперимента.

2. Выберите номиналы миниблоков с резисторами R₁,R₂ ,R₃ и соберите исследуемую цепь на макетной панели с помощью проводников. В каждую ветвь последовательно включите миниблок «амперметр» (рисунок 1.1).

3. Включите питание блоков генераторов напряжений и мультиметров. Установите регуляторами напряжения необходимые величины источников ЭДС E₁ , E₂ и E₃, согласно варианту варианта.

4. Переключите мультиметр в режим измерения постоянного тока с диа-пазоном 200 мА. Измерьте токи в ветвях I₁, I₂ и I₃ . Полученные значения зане-сите в таблицу 1.2.

Сравните экспериментальные данные с расчетными значениями и убеди-тесь в правильности законов Кирхгофа.

5 Переключите мультиметр в режим измерения постоянного напряжения с диапазоном 20 В. Измерьте потенциалы всех точек относительно заданной в расчетной индивидуальной части точки с нулевым потенциалом. Полученные значения занести в таблицу 1.2 и сравните с расчетными данными.

8

6 Измерьте величины напряжения холостого хода U_Х.Х. = E₀ и тока корот- кого замыкания I_К.З. относительно первой, второй и третьей ветвей электриче- ской цепи. Положение переключателя мультиметра должно соответствовать измеряемым величинам и их диапазонам.

Рассчитайте внутреннее сопротивление R₀ эквивалентного генератора по полученным данным U_Х.Х. и I_К.З..

7 Измерьте частичные токи ветвей I₁^' , I₂^' и I₃^' при действии одного источ- ника ЭДС и запишите результаты в таблицу 1.2.

Измерьте частичные токи ветвей I₁^{' '} , I₂^{' '} и I₃^{' '} при действии другого источ-ника ЭДС и запишите их в таблицу 1.2.

8. Объединив результаты, рассчитайте по методу наложения токи I₁, I₂ и I₃ . Сравните с токами, рассчитанными в пункте 1. Убедитесь в правильности принципа наложения линейных электрических цепей.

9. Изобразите последовательную схему замещения активного двухполюс-ника, нагрузкой которого является резистор заданной ветви. Определите ток ветви, зная параметры эквивалентного генератора, найденные эксперименталь-ным путем (пункт 6). Сравните значение тока ветви в пункте 4.

10 Сделайте выводы по результатам экспериментов.

9

Лабораторная работа № 2 «Исследование линейных цепей синусоидального тока»

Цель работы - изучение расчетных и экспериментальных методов опре­деления параметров элементов цепи и исследование резонансных режимов.

Программа работы

1. Выполнить индивидуальную расчетную часть.

1. Исследовать цепь при последовательном соединении катушки индук­тивности и резистора.

2. Исследовать цепь при последовательном соединении катушки индук­тивности и конденсатора.

3. Исследовать цепь при параллельном соединении катушки индуктивно­сти и конденсатора.

5 Снять частотные характеристики напряжений.

Описание лабораторной установки

В работе исследуются неразветвленная и разветвленная цепи синусои­дального тока. Блок генератора напряжений формирует синусоидальное, пря­моугольное или импульсное напряжение. Синусоидальное напряжение на вы­ходе генератора задается переключателем «ФОРМА». Амплитуда выходного напряжения устанавливается ручкой «АМПЛИТУДА» в диапазоне 0...9 В.

Диапазон регулирования частоты генератора специальной формы - от 0,2 Гц до 200 кГц. Частота устанавливается ручкой энкодера-потенциометра. Резисто­ры, конденсаторы и катушки индуктивности являются реальными радиоэле­ментами и установлены в наборе соответствующих миниблоках. Для измерения величин I, Uи P исследуемой цепи используют блоки мультиметров и ватт­метра. При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в выбо­ре пределов измерения I>, I<, U>, U<.

10

Порядок выполнения индивидуальной расчетной части

Исходные данные, определяются номером варианта и соответствует строке в таблице 2.1. Параметры катушки индуктивности соответствует номеру группы в потоке.

Таблица 2.1 – Исходные данные индивидуальной расчетной части

1 2 3 4 5 6 7 8	R	C0	f	Параметры катушек индуктивности
				Rk	* Lk	Rk	Lk	Jj< Jj< Jj< Rk	L Jj< Jj< Jj<
	Ом	мкФ	Гц 100	Ом	мГн	Ом	мГн	Ом	мГн
	147	0,22		64	33	128	66	188	100
	133	0,32	200	64	33	128	66	188	100
	122	0,47	300	64	33	128	66	188	100
	110	0,69	400	64	33	128	66	188	100
	147	1	500	64	33	128	66	188	100
	133	1,22	600	64	33	128	66	188	100
	122	1,47	700	64	33	128	66	188	100
	110	1,69	800	64	33	128	66	188	100

1 Используя данные U = 8 В, f, R, R_k, L_k, рассчитайте в электрической цепи (рисунок 2.1) величины I, U_R, U_K, P, (р. Постройте соответствующую векторную диаграмму. Результаты расчета занесите в таблицу 2.2. Данный

Рисунок 2.1 - Электрическая схема исследуемой R-L- цепи

11

пункт выполняется каждым студентом бригады.

Таблица 2.2 – Расчетные и экспериментальные данные последовательной

R-L- цепи

Электрическая величина	I	UR	UK	P	φ
	мA	В	B	мВт	градус
Расчет
Эксперимент

2 В последовательной R-L-C -цепи рассчитайте величину резонансной частоты f₀ (рисунок 2.2). Данный пункт выполняет каждый студент. Используя

данные U = 8 В, R_k, L_k,C₀, рассчитайте электрические величины

I,U_C,Uk,P,р, при:

• f = f₀ - выполняется первым студентом бригады;

• f = f ₁ - выполняется вторым студентом бригады;

• f = f₂ - выполняется третьим студент бригады.

Рисунок 2.2 - Электрическая схема исследуемой R-L-C- цепи

Постройте соответствующие векторные диаграммы. Результаты расчета занесите в таблицу 2.3.

12

Таблица 2.3 - Расчетные и экспериментальные данные последовательной R- L-C - цепи

Электрическая		I	UC	UK	P	φ
величина		мА	В	В	мВт	градус
f0	Расчет
	Эксперимент
f 1 = 2f 0	Расчет
	Эксперимент
f f0 Л 2	Расчет
	Эксперимент

3 В параллельной R-L-C-цепи рассчитайте величину резонансной частоты f₀ (рисунок 2.3). Данный пункт выполняет каждый студент. Используя

данные U = 8 В, R_k, L_k,C₀, рассчитайте величины I_C,I_k,I,P,<p, при:

• f - f₀ - выполняется первым студентом бригады;

• f = f1 - выполняется вторым студентом бригады;

• f - f₂ - выполняется третьим студент бригады. Постройте соответствующие векторные диаграммы. Результаты расчета

Рисунок 2.3 - Электрическая схема исследуемой R-L-C- цепи

занесите в таблицу 2.4.

13

Таблица 2.4 - Расчетные и экспериментальные данные параллельной R- L-C - цепи

Электрическая		IC	Ik	I	P	(р
величина		мА	мА	мА	мВт	градус
f0	Расчет
	Эксперимент
f 1 = 2f 0	Расчет
	Эксперимент
f f0 2 2	Расчет
	Эксперимент

4 Перед лабораторным занятием студенты обмениваются результатами расчетов и вносят их в таблицы 2.2 – 2.4.

Порядок выполнения экспериментальной части

Экспериментальная часть работы выполняется полностью каждым сту-дентом.

1. Ознакомьтесь с оборудованием и измерительными приборами, необхо-димыми для проведения эксперимента.

2. Выберите номиналы миниблоков с резистором и катушкой индуктив-ности, согласно номеру варианта. Соберите исследуемую электрическую цепь, состоящую из последовательного соединение катушки индуктивности, резисто-ра и миниблока «амперметр», на макетной панели с помощью проводников (рисунок 2.1). Переведите переключатель мультиметра в режим измерения пе-ременного тока в диапазон 200мА.

3. Подключите исследуемую цепь через промежуточный блок «ваттметр» к блоку генераторов напряжений (рисунок 2.1). Последним присоедините вольтметр параллельно входным зажимам исследуемой цепи.

14

4 Включите питание блоков генераторов напряжений и мультиметров. Установите переключателем сигналов генератора форму напряжения в положе­ ние «~», регулятор частоты f - значение по варианту, регулятор напряжения

по показанию вольтметра U = 8В .

5 Измерьте электрические величины I, P, U_R,U_k и рассчитайте по ним

R,R_k,L_k,<p. При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в

выборе пределов измерения I>, I<, U>,U<. Занесите полученные результаты в таблицу 2.2, сравните с исходными и расчетными данными.

6. Включите в качестве исследуемой цепи последовательное соединение катушки индуктивности, конденсатора и миниблока «амперметр» (рисунок 2.2). Установите напряжение U = 8В. Измерите величины P, I, U_C, U_k при f = f₀, f = f₁, f = f₂. Используя результаты измерений, рассчитайте соответствующие фазовые сдвиги ср между U и I. Занесите полученные результаты в таблицу 2.3 и сравните с расчетными.

7. Соберите в качестве исследуемой цепи схему из параллельного соеди­нения катушки и конденсатора (рисунок 2.3). Для измерения токов включите последовательно в каждую ветвь миниблоки «амперметр». Установите напря­жение U = 8В. Измерьте величины P, I,I_C, I_k при f = f₀, f = f₁, f = f₂. Ис­пользуя результаты измерений, рассчитайте соответствующие фазовые сдвиги (р между U и I. Занесите полученные результаты в таблицу 2.4 и сравните с расчетными.

8. По результатам экспериментов методом засечек постройте все вектор­ные диаграммы (Приложение).

9 Подключите цепь (рисунок 2.2) к генератору синусоидального напря­ жения, включите параллельно катушке индуктивности и конденсатору мульти- метры в режиме измерения переменного напряжения в диапазоне 20 В. Изменяя частоту от 0,2 до 2кГц, снимите частотные характеристики U_k (f) и U_C (f).

Величина U поддерживается постоянной. Значение C задается преподавате­лем. Построить полученные зависимости U_k(f) и U_C(f), определить резо-

15

нансную добротность цепи.

10 Сделайте выводы по результатам экспериментов.

Приложение

Рассмотрим пример построения векторной диаграммы методом засечек для последовательной R -L -цепи. На комплексной плоскости расположим го­ризонтально вектор тока I (рисунок 2.4), отложим параллельно нему в выбран­ном масштабе отрезок OA, равный напряжению на активном сопротивлении R (OA = U_R). Из т. А в сторону опережения тока сделать засечку радиусом АВ,

равным в масштабе напряжению на катушке U_k, а из т. О - засечку радиусом ОВ, равным в масштабе напряжению U. Точка пересечения двух засечек В оп­ределяет положение векторов U и U_k, а также угол ср сдвига фаз между векто­ром полного напряжения U и тока I. Разложив вектор U_k на две составляю­щие, получим вектор ВК, равный реактивной составляющей напряжения на ка­тушке U_k , и вектор АК, равный падению напряжения на активном сопротивле­нии катушки U_ka.

н+j

+1

Рисунок 2.4 - Векторная диаграмма напряжений последовательной R -L -цепи

При параллельном соединении аналогичным образом строится векторная диаграмма токов.

16

Лабораторная работа № 3 «Исследование электрических це-пей синусоидального тока с индуктивно связанными катушками»

Цель работы – изучение расчётных и экспериментальных методов ана-лиза электрических цепей переменного тока с взаимной индуктивностью.

Программа работы

1. Выполнить индивидуальную расчетную часть.

2. Исследовать последовательное соединение двух индуктивно-связанных катушек при согласном и встречном включении.

3. Исследовать последовательное соединение двух индуктивно-связанных катушек при согласном и встречном включении.

4. Исследовать трансформатор с линейными характеристиками (воздуш-ный трансформатор).

5. Экспериментально найти значение взаимной индуктивности M.

Описание лабораторной установки

В работе исследуются цепь синусоидального тока, содержащая две ка-тушки с взаимной индуктивностью. Катушки намотаны на общем каркасе.

Источником синусоидальной ЭДС служит сеть частотой 50 Гц. Напряже-ние сети снимается с зажимов автоматического выключателя QF и регулирует-ся с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) Т. Для измерения действующих значений тока I и напряжения U, активной мощности P, исполь-зуется комплект измерительных приборов К-505, к выходным зажимам которо-го подключается исследуемая цепь (рисунок 3.1).

17

Рисунок 3.1 - Электрическая схема исследуемой цепи

Порядок выполнения индивидуальной расчетной части

Исходные данные, определяются номером варианта и соответствует строке в таблице 3.1.Значения электрических величин соответствует номеру группы в потоке.

Таблица 3.1. Исходные данные индивидуальной расчетной части

1 2 3 4 5 6 7 8	Электрические величины						Параметры катушек
	I	U*	Rh	**	U~	Rh	R1	L1	R2	L2	М
	А	В	Ом	А	В	Ом	Ом	Гн	Ом	Гн	Гн
	0,4	40	30	0,45	45	40	24,8	0,168	50,3	0,634	0,22	11/2
	0,5	30	40	0,55	35	35	18,6	0,096	43,4	0,495	0,15	12/2
	0,6	30	50	0,65	30	45	20,8	0,357	6,2	0,049	0,07	13/1
	0,7	20	60	0,65	25	55	14,7	0,263	5	0,044	0,06	14/1
	0,55	55	45	0,6	50	50	50,5	0,56	25	0,148	0,2	16/2
	0,35	65	65	0,4	60	60	24	0,159	51,2	0,667	0,22	18/1
	0,5	35	55	0,55	30	40	20,8	0,357	6,2	0,049	0,07	13/1
	0,45	45	40	0,5	50	60	50,5	0,56	25	0,148	0,2	16/2

18

1 Используя данные R₁, L₁, R₂, L₂, M, I рассчитать для цепи (рисунок 3.2) электрические величины U1, U₂, U, P, (р при согласном и встречном вклю­чении.

Постройте соответствующие векторные диаграммы. Результаты занесите в таблицу 3.2.

Данный пункт выполняется первым студентом бригады.

Таблица 3.2. Расчетные и экспериментальные данные последовательной электрической цепи.

Электрическая величина		U	U1	U2	Р	φ
		В	В	В	Вт	градус
Согласное включение	Расчет
	Эксперимент
Встречное включение	Расчет
	Эксперимент

A

u

0

	M
•—	R1 L 1 / R2 1 1 ППГ\ □	\ L2
	u 1 *	u 2
т	i
	исследуемая цепь

Рисунок 3.2 - Последовательная электрическая цепь

2 Используя данные R₁, L₁, R₂, L₂, M, U рассчитайте для цепи (рису­нок 3.3) электрические величины I1, I₂, I, P, ср при согласном и встречном включении.

19

Постройте соответствующие векторные диаграммы. Результаты занесите в таблицу 3.3.

Данный пункт выполняется вторым студентом бригады.

Таблица 3.3. Расчетные и экспериментальные данные параллельной элек-трической цепи.

Электрическая величина		I	I1	I2	Р	φ
		А	А	А	Вт	град
Согласное включение	Расчет
	Эксперимент
Встречное включение	Расчет
	Эксперимент

Рисунок 3.3 - Параллельная электрическая цепь

3 Используя данные R₁, L₁, R₂, L₂, M, U, R_Н рассчитать для цепи (ри­сунок 3.4) электрические величины I1, I₂, UН, P, <р .

Постройте соответствующую векторную диаграмму. Результаты занесите в таблицу 3.4.

Данный пункт выполняется третьим студентом бригады.

20

Таблица 3.4. Расчетные и экспериментальные данные воздушного транс-форматора.

Электрическая величина	I1	I2	UH	Р	φ
	А	А	B	Вт	град
Эксперимент
Расчет

Рисунок 3.4 - Воздушный трансформатор

Перед выполнением экспериментального исследования студенты обмени-ваются результатами расчетов, которые вносят в таблицы, и строят все необхо-димые векторные диаграммы.

Порядок выполнения экспериментальной части

Экспериментальная часть работы выполняется полностью каждым сту-дентом.

1. Ознакомиться с оборудованием и измерительными приборами, необхо-димыми для проведения эксперимента.

2. Собрать схему (рисунок 3.1), включить в качестве исследуемой цепи последовательное соединение двух индуктивно-связанных катушек (рисунок

21

3.2). Собранную схему показать преподавателю или лаборанту. Движок лабора­торного автотрансформатора Т установить в нулевое положение. По ампермет­ру РА комплекта К-505 с помощью автотрансформатора Т установить заданную величину тока I.

При согласном и встречном включении катушек измерить электрические величины U₁, U₂, U, P и занести полученные результаты в таблицу 3.2. Рассчи­тать значение φ и сравнить с расчетными.

3 Включить в качестве исследуемой цепи параллельное соединение двух индуктивно-связанных катушек (рисунок 3.3). Для измерения токов I ₁ и I₂ включить последовательно с катушками амперметры. Собранную схему пока­ зать преподавателю или лаборанту. Движок лабораторного автотрансформатора Т установить в нулевое положение. По вольтметру РV комплекта К-505 с по­ мощью автотрансформатора Т установить заданное значение напряжения U.

При согласном и встречном включении катушек измерить электрические величины I ₁, I₂, I, P и занести полученные результаты в таблицу 3.3. Рассчитать значение φ и сравнить с расчетными.

4 Включить в качестве исследуемой цепи воздушный трансформатор (ри­ сунок 3.4), а в качестве нагрузки R_H - проволочный реостат. Собранную схему показать преподавателю или лаборанту. Движок лабораторного автотрансфор­ матора Т установить в нулевое положение. По вольтметру РV комплекта К-505 с помощью автотрансформатора Т установить заданное значение напряжения U и с помощью реостата I₂ - расчетный ток.

Измерить электрические величины I ₁, U₂, P и занести полученные ре­зультаты в таблицу 3.4. Рассчитать значения φ, RH и сравнить с расчетными.

5 Включить в качестве исследуемой цепи воздушный трансформатор (ри­ сунок 3.5) в режиме холостого хода. Измерить с помощью цифрового вольт­ метра ЭДС E₂ = U_{Х . Х}., наведенную во второй катушке, и ток первой катушки I ₁. По результатам измерений рассчитать взаимную индуктивность катушек и сравнить с заданной.

22

U\

О

Рисунок 3.5 - Воздушный трансформатор в режиме холостого хода

6 Сделайте выводы по результатам экспериментов.

23

Лабораторная работа № 4 «Исследование режимов работы трехфазных цепей»

Цель работы - изучение экспериментальных и расчётных методов опре­деления электрических величин, характеризующих различные режимы работ трехфазных цепей.

Программа работы

1. Выполнить индивидуальную расчетную часть.

2. Исследовать трёхфазный приемник, соединенный по схеме «звезда».

3. Исследовать трехфазный приемник, соединенный по схеме «треуголь­ник».

Описание лабораторной установки

В работе исследуется трехфазный приемник, содержащий активные и ре­активные сопротивления. Источником питания является симметричный трех­фазный источник ЭДС с фазным напряжением и_ф = 8 В, частотой / = 50 Гц, и

Рисунок 4.1 - Электрическая схема исследуемой цепи

выведенной нейтральной точкой. В каждый линейный и нейтральный провод включены миниблоки «амперметр». Общая схема исследуемой цепи приведена на рисунке 4.1.

24

Порядок выполнения индивидуальной расчетной части

Исходные данные, определяются номером варианта и соответствует стро-ке в таблице 4.1 и таблице 4.2.

Таблица 4.1 – Параметры элементов исследуемой цепи

№ 1 2 3 4 5 6 7 8	R*	R	R	R*	R*	R*
	Ом	Ом	Ом	Ом	Ом	Ом
	100	220	330	470	220	330
	220	100	330	330	470	100
	470	330	100	100	330	220
	330	470	220	330	100	220
	330	220	470	220	330	470
	100	470	330	470	100	330
	220	100	470	220	470	100
	470	220	100	100	470	220
	Lk = 0,979 Гн; Rk = 88 Ом; С = 4,4 мкФ.

№

Таблица 4.2 – Схемы замещения фаз исследуемой цепи

Z_b,Z

a ab

b bc

Z_a,Z

Z_c ,Z

1

-TW^_

2

-TW~^

3

.yv-v-\_

4

.yv-v-\_

5

.yv-v-\_

6

YYTL

7

8

.y-Y-v-L-

В качестве катушки индуктивности используется миниблок «трансфор­матор» с собранным [/-образным сердечником и числом витков Ж = 300.

25

1 Используя данные Z_a=R_a, Z_b=R_b, Z_c=R_c и U_ф=8В, рассчитайте для цепи (рисунок 4.2) величины I_A, I_B, I_C, I_N, а для цепи (рисунок 4.3) вели­чины I _A, I _B, I _C, U _nN, U _a, U _b, U_c .

А -

В * С*

_О—£

_<3^

<л) li—i-ch

Рисунок 4.2 – Схема цепи при соединении приемников «звезда» с нейтральным проводом

А В С

N

Z

<А) i^—CD

Zc

/5 6 £ь

iN

П

Рисунок 4.3 - Схема цепи при соединении приемников «звезда» без нейтрального провода Рассчитайте для обоих случаев мощности источника P_и и нагрузки P_н и

проверьте баланс мощностей. Результаты занесите в таблицу 4.3 и постройте векторные диаграммы.

Данный пункт выполняется первым студентом бригады.

2 Используя данные Z_a, Z_b, Z_c и U_ф = 8В, рассчитайте для цепи (рису­нок 4.2) величины I_A, I_B, I_C, I_N, а для цепи (рисунок 4.3) величины I_A, I_B, I_C,

UnN , Ua , Ub , Uc .

Рассчитайте для обоих случаев мощности источника P_и и нагрузки P_н и

26

проверьте баланс мощностей. Результаты занесите в таблицу 4.3 и постройте векторные диаграммы.

Данный пункт выполняется вторым студентом бригады.

3 Используя данные Z_a, Z_b, Z_c и U_ф=8В, рассчитайте для цепи без

нейтрального провода (рисунок 4.3) величины I_A, I_B, I_C, U_nN, U_a, U_b, U_c при холостом ходе в фазе «а» и при коротком замыкании фазы «с» приемника.

Рассчитайте для обоих случаев мощности источника P_и и нагрузки P_н и

проверьте баланс мощностей. Результаты занесите в таблицу 4.3 и постройте векторные диаграммы.

Данный пункт выполняется третьим студентом бригады.

Таблица 4.3 - Расчетные и экспериментальные данные при соединении

фаз приемников «звездой»

Режимы работы фаз

Величина

IA

IB

IC

Ua

Ub

Uc

UnN

IN

Pи

Pн

мА

мА

мА

В

В

В

В

мА

мВт мВт

«звезда» с нейтралью

Расчет

Эксперимент

«звезда» без нейтрали

Расчет

Эксперимент

«звезда» с нейтралью

Расчет

Эксперимент

«звезда» без нейтрали

Расчет

Эксперимент

«звезда» без нейтрали, х.х. фазы «а»

Расчет

Эксперимент

«звезда» без нейтрали, к.з. фазы «с»

Расчет

Эксперимент

27

4 Используя данные Z_ab = R_a, Z_bc = R_b, Z_ca = R_c и U_ф = 8В, рассчитайте для цепи (рисунок 4.4) величины токов I_A, I_B, I_C, I_ab, I_bc, I_ca.

Рисунок 4.4 - Схема цепи при соединении приемников «треугольник» Рассчитайте мощности источника P_и и нагрузки P_н и проверьте баланс

мощностей. Результаты занесите в таблицу 4.4 и постройте векторную диа­грамму.

Данный пункт выполняется вторым студентом бригады.

5. Используя данные Z_ab, Z_bc, Z_ca и U_ф=8В, рассчитайте для цепи (ри­ сунок 4.4) величины токов I_A, I_B, I_C, I_ab, I_bc, I_ca.

Рассчитайте мощности источника P_и и нагрузки P_н и проверьте баланс мощностей. Результаты занесите в таблицу 4.4 и постройте векторную диа­грамму.

Данный пункт выполняется третьим студентом бригады.

6. Используя данные Z_ab, Z_bc, Z_ca и U_ф=8В, рассчитайте для цепи (ри­ сунок 4.4) величины токов I_A, I_B, I_C, I_ab, I_bc, I_ca при обрыве линии «В».

Рассчитайте мощности источника P_и и нагрузки P_н и проверьте баланс

28

мощностей. Результаты занесите в таблицу 4.4 и постройте векторную диа-грамму.

Данный пункт выполняется первым студентом бригады.

Таблица 4.4 – Расчетные и экспериментальные данные при соединении

фаз приемников «треугольником»

Характер нагрузки	Режимы работы фаз	Величина	IA	IB	IC	Iab	Ibc	Ica	Pи	Pн
			мА	мА	мА	мА	мА	мА	мВт	мВт
Активная	«треугольник»	Расчет
		Эксперимент
Активно-реактивная	«треугольник»	Расчет
		Эксперимент
	«треугольник», обрыв линии «В»	Расчет
		Эксперимент

Порядок выполнения экспериментальной части

Экспериментальная часть работы выполняется полностью каждым сту­дентом.

1 Соберите схему (рисунок 4.2). Установите Z_a =Z_b =Z_c =R = 1 кОм.

Убедитесь, что I_A =I_B =I_C = 0, I_N = 0, U_ab = 3U_a. Отключите нейтраль (рису­нок 4.3). Убедитесь, что U_nN = 0.

2 Установите в схеме (рисунок 4.2) Z_a=R_a, Z_b=R_b, Z_c= R_c по таблице исходных данных. Измерьте токи, напряжения в схеме с нейтральным прово­ дом. Вычислите мощность в нагрузке P_н. Подключая ваттметр поочередно в фа­ зы А, В и С, измерьте мощность источника P_и. Результаты измерений занесите в таблицу 4.3 и сравните с расчетными.

При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в выборе пределов измерения I>, I<, U>,U<. Для переключения ваттметра из одной цепи в другую, также как и амперметра, используйте специальный комму­тационный миниблок «амперметр» и пару проводников с коаксиальным разъемом!

29

Схемы подключения ваттметров при измерении мощности в трехфазной цепи с нейтральным проводом и без него приведены в Приложении.

Уберите из схемы нейтральный провод (перемычку между точками N и п) и снова измерьте токи, напряжения в цепи и вычислите мощность в нагрузке P_н. Подключая токовую цепь ваттметра сначала в фазу А, а цепь напряжения -

на напряжение U_ab, затем токовую цепь в фазу С, а цепь напряжения - на на­пряжение U_cb, как показано на рисунке 4.6, измерьте мощность источника P_и.

Занесите полученные результаты в таблицу 4.3 и сравните с расчетными.

3. Повторите измерения и вычисления, заменив резисторы в фазах на кон­денсатор и катушку индуктивности согласно варианту с нейтралью и без ней­трали. Занесите полученные результаты в таблицу 4.3 и сравните с расчетными.

4. В схеме (рисунок 4.3) отключите приемник в фазе «а». Измерьте токи, напряжения и мощности согласно таблице 4.3. Затем, восстановите схему, замкните приемник в фазе «с». Измерьте те же параметры. Занесите получен­ные результаты в таблицу 4.3 и сравните с расчетными.

5. Соберите цепь с симметричной нагрузкой Z_ab =Z_bc =Z_ca =1 кОм, со­гласно принципиальной схеме (рисунок 4.4), измерьте мультиметрами токи. Убедитесь, что I_A=I_B=I_C, I_ab = I_bc = I_ca, I_A = 3 I_ab.

6. Установите несимметричную нагрузку согласно таблице данных. Из­мерьте мультиметрами токи, напряжения в соответствии с таблицей 4.4. Вы­числите мощность в нагрузке P_н. Аналогично пункту 2 измерьте мощность ис­точника P_и.

7. Повторите измерения и вычисления, заменив резисторы фаз на кон­денсатор и катушку индуктивности согласно варианту.

8. Проделайте измерения фазных и линейных токов, а также мощностей источника P_и и нагрузки P_н при обрыве линии «В».

Занесите полученные результаты в таблицу 4.4 и сравните с расчетными.

9 Сделайте выводы по результатам экспериментов.

30

Приложение

Построение векторной диаграммы напряжений методом засечек

Векторная диаграмма напряжений для соединения приёмников звездой без нулевого провода строится методом засечек. Нейтраль генератора (точка N) помещается в центр комплексной плоскости. Откладываются в выбранном мас­штабе напряжений из точки N три вектора фазных напряжений трёхфазного ге­нератора U_A, U_B, UC'-

U_A=U_ф- e^j'°° <U_B=U₀- e~^jЛЖ U_C=U_ф-ej^лж

Из концов построенных векторов делаются засечки радиусами, равными соответственно фазным напряжениям приёмника U_a, U_b, U_c. Точка пересече­ния трёх засечек с некоторой погрешностью даёт точку n, которая определяет положение вектора напряжения смещения нейтрали U_nN и положения векторов

U_a, U b, Uc. Диаграмма токов строится относительно векторов фазных напря­жений нагрузки в масштабе токов.

Схемы подключения ваттметров при измерении мощности в трех-

фазной цепи

Рисунок 4.5 – Схема подключения ваттметров при измерении мощности в трехфазной це-

пи с нейтральным проводом

31

32

Рисунок 4.6 – Схема подключения ваттметров при измерении мощности в трехфазной

цепи без нейтрального провода

Описание блоков учебного комплекта

Комплект лабораторного оборудования «Электрические и магнитные це­пи» предназначен для проведения лабораторного практикума по дисциплине «Теоретические основы электротехники». Позволяет исследовать линейные и нелинейные электрические и магнитные цепи при воздействии различных воз­действий в статических и динамических режимах.

Комплект лабораторного оборудования состоит из следующих блоков:

• однофазный источник питания;

• блок генераторов напряжений;

• наборная панель;

• набор миниблоков;

• блок мультиметров;

• ваттметр;

• электронный осциллограф;

• соединительные провода и перемычки, питающие кабели.

Однофазный источник питания (218.9)

5.1 Назначение

Предназначен для питания однофазным переменным током промышлен­ной частоты функциональных блоков учебного лабораторного комплекса. Ос-

новные параметры блока отображены в таблице 5.1. Таблица 5.1 - Технические характеристики

Параметр блока	Значение параметра
Электропитание от однофазной сети переменного
тока с нулевым и защитным проводниками:
Напряжение, В	220±22
Ток, А, не более	16
Частота, Гц	50±0,5

33

Выходные:
Напряжение, В	220±22
Ток, А, не более	16
Устройства защиты	автоматический выключа-
	тель, устройство защитного
	отключения (УЗО) с током
	срабатывания 10 мА

5.2 Устройство и принцип действия

Конструктивно источник выполнен в виде коробки с лицевой панелью и кожухом. На лицевой панели нанесена электрическая мнемосхема соединений источника. На панели размещены: два однофазных автоматических выключате­ля, устройство защитного отключения, сигнальный светодиод и три штепсель­ные розетки с заземляющими контактами. На кожухе с тыльной стороны рас­положены приборные однофазные вилка и три розетки с заземляющими кон­тактами.

Работа источника основана на передаче электрической энергии с его вхо­да на выходы к потребителям с обеспечением защиты от сверхтоков и наруше­ния изоляции.

5.3 Внешний вид и порядок работы

Порядок работы:

• включите автоматический выключатель источника и устройство защит­ного отключения, если оно отключено;

• для снятия выходных напряжений (отключения) источника отключите его автоматический выключатель.

Внешний вид блока в отключенном состоянии пердмставлен на рисунке 5.1, в состоянии включено - на рисунке 5.2.

34

Рисунок 5.1 – Состояние блока «выключено» Рисунок 5.2 – Состояние блока «включено»

Блок генераторов напряжений (212.6)

6.1 Назначение

Предназначен для формирования однофазных регулируемых сигналов различной формы, трехфазного синусоидального напряжения и постоянных на-пряжений для питания исследуемых схем. Основные параметры блока отобра-жены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 - Технические характеристики

Параметр блока	Значение параметра
Выходное напряжение нерегулируемых ис-
точников питания:
Положительной полярности, В	+15±0,3
Отрицательной полярности, В	-15±0,3
Ток от перегрузки по току, А	0,2

35

Выходное напряжение регулируемых источ- ников питания, В Ток от перегрузки по току, А	-13 … 0 … +13 0,2
Виды сигналов на выходе однофазного гене-ратора	Синусоидальный Прямоуголный двухполярный Прямоугольный униполярный Пилообразный двухполярный
Диапазон изменения амплитуды выходного напряжения однофазного генератора, В	0 … 12
Диапазон изменения частоты синусоидально- 0,2 Гц … 200 кГц го и пилообразного сигналов
Диапазон изменения частоты прямоугольных сигналов	0,2 Гц … 100 кГц
Генератор трехфазного напряжения: Количество выходов Частота выходного напряжения, Гц Амплитуда выходного напряжения, В	3 50±1 12±0,5