Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Электротехника и электроника»

349

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра электрооборудования

А. Н. Шпиганович, Е. В. Чуркина

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по дисциплине «Электротехника и электроника»

Липецк Липецкий государственный технический университет

2013

3

Лабораторная работа № 1

Исследование цепи с последовательным соединением элементов и

резонанса напряжений

Цель работы – исследование соотношений между напряжениями при последовательном соединении элементов.

1. Объект и средства исследования

Схема исследуемой цепи представлена на рис.1. Цепь содержит индуктивную катушку, имеющую активное сопротивление RL и индуктивность

Lk, батарею конденсаторов C1 - C19, резисторы R1 и R2. Все элементы соединены последовательно.

Электрическая цепь получает питание от источника регулируемого напряжения (РН), в качестве которого используется лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) с вольтметром во вторичной цепи. Движок ЛАТРа и вольтметр установлены на горизонтальной панели лабораторного стенда ЭВ-4. Цепь РН подключают через измерительный комплект К 505. Все элементы цепи расположены на вертикальных панелях стенда. Силу тока и активную мощность цепи измеряют приборами измерительного комплекта К

505.

Напряжение на всех элементах цепи измеряют с помощью одного цифрового вольтметра В7-22 А, который подключают с помощью щупов к соответствующим точкам цепи.

2.Последовательность выполнения работы

1.Убедиться в отключенном состоянии РН (сигнальные лампы не должны гореть).

2.Поставить движок РН в крайнее положение, соответствующее нулевому значению выходного напряжения (повернуть движок против часовой стрелки до упора).

4

3. Кнопочными выключателями SВ1 - SВ19 отключить конденсаторы

С1 - С19.

4. Посредством переключателей В1 и В4 измерительного комплекта К 505

выбрать предел измерений: амперметра 0,5 А, вольтметра 30 В.

5.Переключатель В3 измерительного комплекта К 505 установить в положение А.

6.Собрать электрическую цепь по схеме, указанной на рисунке,

присоединив её к зажимам «А» и «О» комплекта К 505.

7. Установить кнопочный переключатель вольтметра В7-22 А в положение для измерения переменного напряжения « ». Установить с помощью кнопочного переключателя предел измерения напряжения «2000».

Измерительные щупы подключить к гнёздам «О – 300 V» и «*» (соответственно первое и третье гнездо слева). Включить тумблер «Сеть» вольтметра В7-22 А.

ВНИМАНИЕ! Неправильное подключение вольтметра может вывести его из строя!

8.Установить движок сопротивления R1 = 68 Ом в крайнее положение против часовой стрелки.

9.Представить собранную схему лаборанту и по его разрешению подключить РН к сети кнопочными выключателями (должны загореться обе сигнальные лампы).

10.Движком РН установить напряжение U на входе цепи в соответствии

сзаданным преподавателем вариантом (табл. 1) и поддерживать его неизменным, наблюдая за соответствующим прибором измерительного комплекта К 505.

Таблица 1

Исходные данные

11. Ступенчато увеличивая кнопочными выключателями SВ1 - SВ19

емкость батареи конденсаторов от 10 до 220 мкФ, измерить напряжение на всех

5

элементах цепи (прибором В7-22 А), общий ток и мощность (приборами измерительного комплекта К 505).

Количество опытов должно быть не менее 3. Результаты измерений занести в табл. 2.

5 Ом 0,1 Гн

Рис. 1. Схема с последовательным соединением элементов

12. При отключенном напряжении питания исключить из схемы резисторы R1 и R2 . Установить вновь напряжение на входе цепи и, изменяя ёмкость батареи конденсаторов, добиться режима резонанса, при котором ток в цепи максимален. При этом напряжение на катушке индуктивности должно быть примерно равно (а точнее несколько больше) напряжению на конденсаторах. Результаты измерения тока, мощности и напряжений на индуктивности и ёмкости записать в табл. 2.

Изменяя величину ёмкости от 10 до 220 мкФ, записать показания приборов для шести опытов с таким расчетом, чтобы было сделано по три измерения до и после резонанса.

Таблица 2

Измеренные и рассчитанные значения

6

3.Обработка результатов измерений и их анализ

1.По результатам измерений п. 11 для каждого значения емкости следует вычислить параметры:

XС = UС/I ; R1 + R2 = UR/I; RK =P/I² - (R1 + R2 ); ZK = UK/I; XK= √ZK²- RK² ; Z =U/I ; cosφ = P/UI; URK = IRK; UXK = IXK.

2.По результатам измерений п. 12 построить для каждого опыта в выбранном масштабе топографические векторные диаграммы напряжений.

3.По результатам измерений п. 12 вычислить необходимые параметры,

учитывая, что R1 + R2 = 0 и UR = 0, а также построить на одном графике зависимости: I = f(XC); UС = f(XC); UK = f(XC); cosφ= f(XC); Z=f(XC). На графиках четко обозначить экспериментальные точки. Построить в выбранном масштабе векторную диаграмму для случая резонанса напряжений.

4. По данным графика определить резонансное сопротивление ХC и

ёмкость Сэксп.. Рассчитать резонансную емкость Срез, учитывая параметры катушки индуктивности (L = 0,1 Гн). Сравнить экспериментальное значение ёмкости Срез с расчётным. Определить относительную погрешность.

Контрольные вопросы и задания

-В чем заключается явление резонанса напряжений и каковы условия его осуществления?

-Какими путями можно добиться резонанса напряжений?

-Могут ли быть равны напряжения на конденсаторе и на зажимах катушки индуктивности при резонансе?

-Могут ли напряжения на конденсаторе и на зажимах катушки индуктивности превышать напряжение на входе цепи?

-Почему при изменении величины емкости блока конденсаторов изменяется напряжение на катушке индуктивности?

-Почему при изменении величины емкости блока конденсаторов изменяется ток в цепи?

7

-Почему при увеличении величины емкости блока конденсаторов полное сопротивление цепи сначала уменьшается, а затем увеличивается?

-Почему при изменении сопротивления ХC изменяется cos ?

-Определите напряжение на входе цепи, содержащей последовательно соединенные элементы R, L и С, если известны напряжения на каждом из элементов.

-Определите напряжение на входе цепи, содержащей последовательно соединенные элементы R, L и С, если известны значение тока в цепи и параметры R, L и С.

-Как изменяется ток и напряжение на элементах цепи, если для опыта,

соответствующего моменту резонанса, увеличить (уменьшить) сопротивление

R1?

-Напишите закон Ома для исследуемой цепи в комплексной форме.

-Как определить полное комплексное сопротивление исследуемой цепи и его модуль при известных параметрах R, L и С?

-Как построить треугольник сопротивлений?

-Начертите зависимости сопротивлений R, ХL, ХC, Z для исследуемой цепи от частоты тока.

-Начертите зависимости напряжений UL, UR, UС для исследуемой цепи от частоты тока.

-Как изменяются показания приборов, если в катушку индуктивности будет введен стальной сердечник? Как изменится векторная диаграмма?

-Будет ли изменяться активная мощность цепи при изменении емкости блока конденсаторов?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Кононенко, В. В. Электротехника и электроника [Текст]: учеб. пособие

/В. В. Кононенко. – Ростов н/Д.: Феникс, 2005. – 752 с.

2.Иванов, И. И. Электротехника [Текст]: учеб. пособие /И.И. Иванов,

В.С. Равдоник. – М.: Высш. шк., 1984. – 375 с.

8

Лабораторная работа № 2

Исследование цепи с параллельным соединением элементов и

резонанса токов

Цель работы – исследование соотношений между токами,

напряжениями, проводимостями при параллельном соединении элементов.

1. Объект и средства исследования

Схема исследуемой цепи представлена на рис. 2. Цепь содержит две параллельно включенные ветви: с индуктивной катушкой, имеющей активное сопротивление RK и индуктивность LK, и с батареей конденсаторов С1 - С19.

Параметры элементов цепи указаны на схеме.

Рис 2. Схема с параллельным соединением элементов

Электрическая цепь получает питание от источника регулируемого напряжения (РН), в качестве которого используется лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) с вольтметром во вторичной цепи. Движок ЛАТРа и вольтметр установлены на горизонтально расположенной панели стенда ЭВ-

4. Цепь к РН подключают через измерительный комплект К 505. Все элементы цепи и амперметр А1 расположены на панели 4 стенда. В качестве амперметра А2 следует использовать прибор с диапазоном 0 1 А, расположенный на панели 2.

9

2.Последовательность выполнения работы

1.Убедиться в отключенном состоянии РН (сигнальные лампы не должны гореть).

2.Поставить движок РН в крайнее положение, соответствующее нулевому значению выходного напряжения (повернуть движок против часовой стрелки до упора).

3.Кнопочными выключателями SВ1 - SВ19 отключить конденсаторы С1 -

присоединив её к зажимам «А» и «О» комплекта К 505.

6.Представить собранную схему лаборанту и по его разрешению подключить РН к сети кнопочным выключателем.

7.Движком РН установить напряжение U на ветвях цепи в соответствии

сзаданным преподавателем вариантом (табл. 3) и поддерживать его неизменным.

Таблица 3

Напряжение на входе цепи

8. Изменяя кнопочными выключателями SВ1, SВ2 и т.д. ёмкость батареи конденсаторов от 0 до 130 мкФ, добиться резонансного значения тока I (то есть его минимального значения) и, ориентируясь на него, снять не менее 3-х

показателей до резонанса и не менее 3-х показателей после резонанса, а также измерить напряжение U, мощность Р (приборами комплекта К 505); токи в ветвях I1, I2. Результаты измерений занести в табл. 4.

Таблица 4

Измеренные и рассчитанные значения

10