Лабораторные работы ЭиЭ-2 2019

Министерство транспорта Российской Федерации Федеральное агентство железнодорожного транспорта Омский государственный университет путей сообщения

Т. В. Ковалева, А. В. Пономарев, А. Ю. Тэттэр

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»

Часть 2

Утверждено методическим советом университета

Омск 2019

1

УДК 621.3(075.8)

ББК 31.2я73

К56

Учебно-методическое пособие к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника». Часть 2 / Т. В. Ковалева,

А. В. Пономарев, А. Ю. Тэттэр; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2019. 39 с.

Разработано в соответствии с программой дисциплины «Электротехника и электроника». Включает в себя краткие теоретические сведения, порядок выполнения и оформления лабораторных работ по темам «Переходные процессы в линейных электрических цепях» и «Нелинейные цепи», а также контрольные вопросы к их защите.

Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения специализаций «Электрический транспорт железных дорог» и «Высокоскоростной наземный транспорт» специальности «Подвижной состав железных дорог».

Библиогр.: 7 назв. Табл. 6. Рис. 27.

Рецензенты: доктор техн. наук, доцент К. И. Никитин; канд. техн. наук, доцент Р. В. Сергеев.

__________________________

© Омский гос. университет путей сообщения, 2019

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Общие указания и правила выполнения лабораторных работ

Выполнение лабораторных работ – важная часть учебного процесса, целью которой является более глубокое усвоение теоретических положений изучаемой дисциплины и приобретение навыков исследовательской работы.

Во втором семестре изучения дисциплины «Электротехника и электроника» выполняются лабораторные работы по темам «Переходные процессы в линейных электрических цепях» и «Нелинейные цепи».

Настоящее учебно-методическое пособие разработано в соответствии с методическими указаниями к проведению лабораторных работ на стенде «Теория электрических цепей» [3].

Перед началом выполнения лабораторных работ студенты должны пройти первичный инструктаж на рабочем месте по технике безопасности и пожарной безопасности с обязательной отметкой в журнале регистрации инструктажа на рабочем месте.

Прежде чем приступить к выполнению работы, студент должен ознакомиться с соответствующими методическими указаниями, изучить теоретический материал темы, к которой относится данная работа, ясно представлять поставленную в работе задачу, способы ее решения и ожидаемые результаты, а также заранее подготовить протокол измерений к лабораторной работе.

Вся экспериментальная часть работы выполняется под наблюдением преподавателя в полном объеме и той последовательности, как это предусмотрено данными методическими рекомендациями.

Соединяя элементы цепи, следует обратить внимание на соответствие включения зажимов приборов собираемой схеме. В работах, содержащих источники постоянного напряжения или нелинейные элементы, необходимо обращать внимание на полярность подключения приборов. При соединении элементов цепи и измерительных приборов рекомендуется подключать к гнездам не более двух проводников.

Обращение с приборами и оборудованием требует большой осторожности и внимательности. Подавать напряжение для выполнения опыта можно только после проверки собранной схемы преподавателем.

5

В.2. Составление протокола измерений

После выполнения каждой работы студент подписывает протокол измерений у преподавателя. Подписанный преподавателем протокол измерений хранится у студента до момента сдачи отчета по лабораторной работе. Протокол измерений надо вести с особой тщательностью, так как он является единственным документом, остающимся после окончания экспериментов.

Если проведение опыта требует выполнения предварительных расчетов, то в протоколе должны быть указаны формулы, по которым они производились, и числовые значения, подставленные в формулы.

После выполнения каждого пункта работы рекомендуется производить требуемые расчеты и построения для оценки правильности проведения опыта.

Результаты измерений предъявляются для просмотра преподавателю до разборки схемы исследуемой цепи. Если результаты наблюдений оказываются некорректными, то опыт необходимо повторить. Корректные результаты подписываются преподавателем.

В.3. Составление отчета

Содержание отчета по выполненной работе приведено в описании каждой лабораторной работы и обязательно включает в себя все необходимые вычисления и построения. Отчет оформляется на основе данных из протокола измерений, который обязательно прилагается к отчету, и в соответствии со стандартом СТП ОмГУПС-1.2-2005 – «Общие требования и правила оформления текстовых документов».

На осциллограммах и векторных диаграммах обязательно должны быть указаны масштабы соответствующих величин (по току, по напряжению или по времени). Масштаб обозначается указанием масштабного коэффициента. Например, если на векторной диаграмме напряжений отрезку 1 см соответствует 5 В, то следует писать: mU 5 В/см; если на осциллограмме одному делению по оси абсцисс соответствует время 5 мс, то следует писать: mt = 5 мс/дел.

Отчет с обязательными ответами на контрольные вопросы и подписанным ранее протоколом измерений представляется к следующему лабораторному занятию.

6

Лабораторная работа 1

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В R-C- И R-L-ЦЕПЯХ

Це л ь р а б о т ы: экспериментальное исследование переходных процессов

вцепи с одним накопителем энергии электрического или магнитного поля.

1.1. Общие сведения

Переходный процесс – это переход электрической цепи (ЭЦ) из одного установившегося состояния в другое, который возникает при любых изменениях параметров электрической цепи.

Мгновенные изменения параметров ЭЦ называют коммутациями. Как правило, это включение или выключение всей ЭЦ или отдельных ее участков. Момент коммутации принято совмещать с моментом времени t = 0. При этом токи и напряжения могут либо оставаться непрерывными, либо изменяться скачком. Поэтому при анализе режима работы схемы различают два момента времени: момент времени, непосредственно предшествующий коммутации t(0–),

имомент времени непосредственно после коммутации t(0+).

Вмомент коммутации ток в ветви с индуктивностью не может измениться скачком или мгнонвенно, т. е. iL(0+) = iL(0–).

Напряжение на емкости в момент коммутации не может измениться скачком или мгновенно, т. е. uC(0+) = uC(0–).

Значения uC(0+) и iL(0+) называются независимыми начальными условия-

ми. Ток в емкости и напряжение на индуктивности могут изменяться скачком,

т. е. в общем случае iC (0+) ≠ iC (0–), uL(0+) ≠ uL(0–). Значения iR(0+), iC(0+), uR(0+), uL(0+) называются зависимыми начальными условиями.

Впереходном процессе мгновенные значения напряжений и токов не являются периодическими функциями времени. Уравнения для идеальных элементов имеют вид:

7

Переходный процесс в цепи с одним накопителем энергии и источником постоянного напряжения (тока) описывают линейным неоднородным (F ≠ 0) дифференциальным уравнением вида

В уравнении (1.4) x(t) = uC(t) для R-C-цепи, x(t) = iL(t) – для R-L-цепи; F – постоянная, зависящая от величин напряжения или тока источников; a и b – не зависящие от времени коэффициенты.

Общее решение этого уравнения имеет вид: x(t) = хпр(t) + хсв(t). Свободная составляющая решения хсв(t) определяется как общее решение однородного дифференциального уравнения

ная составляющая уменьшается в е ≈ 2,72 раза. Длительность переходного процесса tпп можно принять в диапазоне от 4τ до 5τ.

Величина хпр (установившееся значение напряжения или тока) является частным решением уравнения

Общее решение приобретает вид: x(t) = хпр(t) + Аеpt. Постоянная интегрирования А определяется из начальных условий. При t = 0 получаем уравнение x(0+) = xпр(0+) + A, откуда A = x(0+) – xпр(0+).

Электронный осциллограф позволяет наблюдать периодические процессы. Поэтому в работе исследуются повторяющиеся с периодом Т переходные процессы подключения к источнику напряжения и закорачивания R-C- и R-L-ветвей. Для этого на вход исследуемой цепи подаются однополярные прямоугольные импульсы с периодом повторения Т (рис. 1.1). В этом случае расчетную схему для R-C-цепи удобно представить в виде рис. 1.2, а, а для R-L-цепи – рис. 1.2, б.

8

Вмомент времени t = 0+ на рассматриваемую ветвь подается постоянное напряжение U (рис. 1.1). На рис. 1.2 это эквивалентно тому, что ключ переходит из положения «1-3» в «1-2» и схема подключается к источнику постоянного напряжения (конденсатор начинает заряжаться, а катушка индуктивности накапливать энергию магнитного поля).

Вмомент времени t = T/2 напряжение на входе цепи становится равным нулю (см. рис. 1.1). В этот момент времени ключ возвращается из положения «1-2» в «1-3» (см. рис. 1.2), что эквивалентно закорачиванию рассматриваемой ветви (конденсатор начинает разряжаться, а катушка индуктивности рассеивает накопленную энергию магнитного поля). Затем процесс повторяется.

Рис. 1.2. Расчетная схема для R-C- (а) и R-L-ветви (б)

За время, равное половине периода, переходный процесс должен завершиться (tп.п = 0,5Т). Если принять tп.п = 5τ, то частота следования импульсов

должна быть не больше f T1 101 .

1.2. Порядок выполнения работы

В лабораторной работе источником напряжения является модуль Функциональный генератор. Для наблюдения зависимостей от времени используют осциллограф. Пассивные элементы электрической схемы выбирают из блоков

9