Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теоретические основы электротехники. Учебно-методическое пособие для СПО
.pdf
СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
_________________________________________________________________
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Оренбургский государственный университет»
Н. Г. Семенова,
Н. Ю. Ушакова, Н. И. Доброжанова
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Учебно-методическое пособие
Профобразование
Саратов 2020
УДК 621.3
ББК 31.2
С93
Рецензент:
Вакулюк В. М. — канд. техн. наук, доцент
Семенова, Н. Г.
С93
Теоретические основы электротехники : учебно-методическое пособие для СПО /
Н. Г. Семенова, Н. Ю. Ушакова, Н. И. Доброжанова ; Оренбургский государственный
университет. — Эл. изд. — Саратов : Профобразование, 2020. — 106 с. — (Среднее
профессиональное образование)
ISBN 978-5-4488-0659-9
В учебно-методическом пособии изложены краткие теоретические сведения по
темам: элементы электрической цепи постоянного тока; законы Кирхгофа; принцип
наложения; разветвленная и неразветвленная электрическая цепь синусоидального
тока; резонанс напряжений; электрические цепи с взаимной индуктивностью;
воздушный трансформатор; трехфазная цепь при соединении приемников звездой и
треугольником. В издании также представлены лабораторные работы, задания по их
выполнению, вопросы для самоконтроля.
Учебно-методическое пособие предназначено для изучения дисциплин «Теоретические основы электротехники», «Электротехника и электроника» по укрупненным
группам профессий и специальностей среднего профессионального образования
11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи», 13.00.00 «Электро- и теплоэнергетика».
Учебное электронное издание
Для создания электронного издания использовано:
Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,
ISBN 978-5-4488-0659-9
разработанное на основе Adobe Air
УДК 621.3
ББК 31.2
© Коллектив авторов, 2013
© ОГУ, 2013
© Оформление. ООО «Профобразование», 2020
Содержание
Введение......................................................................................................................... 4
1 Лабораторная работа № 1. Изучение элементов электрической цепи постоянного
тока.................................................................................................................................. 6
2 Лабораторная работа № 2. Исследование законов Кирхгофа................................ 17
3 Лабораторная работа № 3. Исследование принципа наложения .......................... 28
4 Лабораторная работа № 4. Исследование неразветвленной электрической цепи
синусоидального тока ................................................................................................... 32
5 Лабораторная работа № 5. Исследование разветвленной электрической цепи
синусоидального тока ................................................................................................... 44
6 Лабораторная работа № 6. Исследование резонанса напряжений....................... 54
7 Лабораторная работа № 7. Электрические цепи с взаимной индуктивностью ... 64
8 Лабораторная работа № 8. Исследование воздушного трансформатора ............. 75
9 Лабораторная работа № 9. Исследование трехфазной цепи при соединении
приемников звездой ...................................................................................................... 82
10 Лабораторная работа № 10. Исследование трехфазной цепи при соединении
приемников треугольником.......................................................................................... 98
Список использованных источников .......................................................................106
3
Введение
Учебно-методическое пособие предназначено для выполнения лабораторных
работ по дисциплинам «Теоретические основы электротехники», «Электротехника
и электроника» для студентов, обучающихся по укрупненным группам профессий и
специальностей среднего профессионального образования 11.00.00 «Электроника,
радиотехника и системы связи», 13.00.00 «Электро- и теплоэнергетика».
Издание содержит описания лабораторных работ по установившимся
режимам линейных электрических цепей и задания по их выполнению с учетом
специфики комплектации стендов и возможностей реализации на них цели каждой
из лабораторных работ. В начале описания каждой работы представлены краткие
теоретические сведения по данной теме, а в конце – вопросы и задания для
самоконтроля.
Общие правила работы в электротехнической лаборатории
1. В лаборатории необходимо соблюдать тишину, чистоту и порядок.
2. Перед занятием в лаборатории студенты обязаны прослушать инст-
руктаж, познакомиться с оборудованием изучить правила техники безопасно-
сти.
3. Для выполнения работ студенты объединяются в постоянные бригады по
2-3 человека.
4. К предстоящей лабораторной работе студенты готовятся заранее, озна-
комившись с описанием работы и рекомендованной литературой. Результаты
подготовки записываются в тетрадь протоколов, наличие которой обязательно для
каждого студента.
5. В тетрадь протоколов при подготовке необходимо внести цель работы,
основные соотношения, схемы, заготовки таблиц, ответы на контрольные вопро-
сы.
6. По результатам выполненной работы каждым студентом аккуратно
оформляется отчёт. В отчёте приводятся: цель работы, электрическая схема, ос-
4
новные соотношения, таблицы с результатами опытов и расчётов, примеры
расчётов, графики зависимостей, сопровождаемые пояснениями, анализ полу-
ченных результатов и выводы.
7. Преподаватель принимает отчёты по предыдущей работе и проверяет го-
товность студента к предстоящей работе. Неподготовленные студенты, у кото-
рых отсутствуют отчёты или тетрадь протоколов, к работе не допускаются.
8. Получив допуск к работе, студенты собирают цепь на закреплённом за
ними рабочем месте. Собранная цепь предъявляется на проверку преподавателю.
Н е д о п у с к а е т с я включение цепи без разрешения преподавателя.
9. После проверки цепи преподавателем студенты приступают к экспери-
ментам, которые проводят с соблюдением правил техники безопасности. Ре-
зультаты наблюдений и вычислений вносятся в таблицы протокола.
10. По окончании работы протокол предъявляется преподавателю.
11. Только после подписи протокола преподавателем, студенты разби-
рают цепь.
12. После выполнения работы электрическая цепь должна быть разобрана,
рабочее место убрано, дополнительные приборы сданы преподавателю.
13. На основании протоколов студенты производят обработку результатов
наблюдений и оформляют отчёты.
Меры безопасности
1. Сборка электрических цепей производится проводами с исправной
изоляцией при отключённом напряжении.
2. Включение собранных цепей в работу производится только с разрешения
преподавателя.
3. Касаться руками клемм, открытых токоведущих частей приборов и ап-
паратов при включённом напряжении запрещается .
4. Все переключения в электрических цепях их разборку необходимо
производить только при отключенном напряжении.
5
1 Лабораторная работа № 1. Изучение элементов электриче-
0
внА
=
ской цепи постоянного тока
1.1 Цель работы: Экспериментальное определение основных параметров
характеристик источников и приемников электрической энергии постоянного тока.
1.2 Краткие теоретические и практические сведения
Электрическим током проводимости называется явление движения заря-
женных частиц под действием электрического поля в веществе, обладающем
электропроводностью. Если величина и направление тока неизменны во времени,
то такой ток называется постоянным.
Элементами цепи постоянного тока являются источники энергии, приемни-
ки (активные сопротивления) и соединительные провода, рисунок 1.1. Кроме это-
го электрическая цепь может содержать выключатели, предохранители, электри-
ческие измерительные приборы (амперметры, вольтметры, ваттметры и пр.) и
другие элементы.
Рисунок 1.1 – Схема простейшей электрической цепи
Приборы для измерения тока – амперметры, включаются в электрическую
цепь последовательно, внутреннее сопротивление амперметров равно нулю:
r
.
6
Приборы, измеряющие напряжение – вольтметры, включаются парал-
внV
= ∞
лельно, внутреннее сопротивление вольтметров равно бесконечности:
r
.
Для измерения мощности применяются ваттметры. Ваттметры имеют две
обмотки:
- неподвижную токовую обмотку, которая включается в цепь последова-
тельно, подобно амперметру;
- подвижную обмотку напряжения, в цепь включается параллельно, подобно
вольтметру.
Зажимы токовой обмотки и обмотки напряжения, отмеченные звездочкой,
называются одноименными.
Источники электрической энергии, называемые активными элементами
цепи, преобразуют различные виды энергии (механическую, химическую, тепло-
вую и др.) в электрическую. К числу источников электрической энергии относят-
ся источники ЭДС (напряжения) и источники тока.
Источник ЭДС.
Источник ЭДС характеризуется величиной электродвижущей силы E и
внутренним сопротивлением
r
, значения которых не зависят от величины тока
0
во внешней цепи, подключенной к этому источнику. Внутреннее сопротивление
источника
r
определяет потери энергии внутри источника. Как правило, внут-
0
реннее сопротивление источника ЭДС, по сравнению с сопротивлением внешней
цепи, очень мало (
r0 << R
). Поэтому часто внутренним сопротивлением источ-
н
ника пренебрегают, что приводит к понятию идеального источника ЭДС. Иде-
альный источник ЭДС имеет лишь один параметр – электродвижущую силу E,
рисунок 1.2,а. Реальный источник ЭДС имеет внутреннее сопротивление отлич-
ное от нуля, может быть представлен в виде последовательного соединения иде-
ального источника ЭДС и внутреннего сопротивления
r
, рисунок 1.2,б.
0
7
Рисунок 1.2 – Условные графические обозначения идеального (а) и реаль-
ного (б) источников ЭДС
В зависимости от направления преобразования энергии источники могут
работать в режиме генератора или в режиме потребителя. Если различные виды
энергии в источнике преобразуются в электрическую, то данный источник рабо-
тает в режиме генератора. Направления ЭДС и тока в источнике, работающем в
режиме генератора, совпадают. Если в источнике электрическая энергия преоб-
разуется в другие виды энергии, то такой источник является потребителем элек-
трической энергии (например, аккумулятор в режиме зарядки). Направление ЭДС
и тока в источнике, работающем в режиме потребителя, противоположны.
Источник электрической энергии характеризуется графической зависимо-
стью напряжения на его зажимах от силы тока
U = f (I)
. Эта зависимость назы-
вается вольт-амперной или внешней характеристикой источника.
На рисунке 1.3 приведены две внешние характеристики: реального источника
(а) – источника напряжения; идеального источника (б) – источника ЭДС.
Рисунок 1.3 – Внешние характеристики источника напряжения (а) и источ-
ника ЭДС (б)
8
Внешняя характеристика источника напряжения имеет падающий характер,
ист
P E I
= ⋅
что следует из уравнения, составленного по второму закону Кирхгофа для про-
стейшей электрической цепи (см. рисунок 1.1).
U = E - r
где E и
U
– напряжение на зажимах источника.
r
– ЭДС и внутреннее сопротивление источника энергии;
0
I
, (1.1)
0 ·
В соответствии с (1.1) уменьшение напряжения U на зажимах источника с
увеличением тока I связано с внутренними потерями напряжения (слагаемое
∆ U
=
r
I
).
0 ·
Из уравнения (1.1) следует также вывод: значение напряжения U на за-
жимах источника при отсутствии тока (режим холостого хода) численно равно
значению ЭДС E :
Uхх = E ,
при
I = 0.
(1.2)
Соотношение (1.2) используется на практике. Если к зажимам источника в
разомкнутой цепи подключить вольтметр с большим внутренним сопротивлени-
ем, то вольтметр покажет значение ЭДС источника т.к. потребляемый вольтмет-
ром ток будет пренебрежительно мал, и слагаемым ∆ U =
r
I
можно пренеб-
0 ·
речь.
Внешняя характеристика идеального источника энергии (источника ЭДС)
имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс (рисунок 1.3,б). Такой источник не
имеет внутренних потерь (
r0 ≈
0) и значения ЭДС и напряжения на нем совпада-
ют.
Источник ЭДС отдает в цепь мощность, рассчитываемую как:
.
Единица измерения мощности P – Вт (Ватт).
9
Источник тока.
Под источником тока понимают такой активный элемент электрической
цепи, ток, на выходе которого не зависит от нагрузки. Различают идеальные ис-
точники тока и реальные. Графическое обозначение идеального источника тока
представлено на рисунке 1.4 а).
а) б)
Рисунок 1.4 - Графические обозначения идеального (а) и реального (б) ис-
точников токов
Идеализированный источник тока создает ток
J = I
, не зависящий от
сопротивления нагрузки, к которой он подсоединен. Напряжение на зажимах иде-
ального источника напряжения
бесконечности. Отношение двух бесконечных величин
UJ
и его внутренне сопротивление
U
/Rвн
J
Rвн
равны
равно конечной
величине – току J источника тока. Такой идеализированный источник спосо-
бен отдавать во внешнюю цепь неограниченную мощность. Вольт-амперная ха-
рактеристика идеального источника тока показана на рисунке 1.5 а).
а) б)
Рисунок 1.5 – Внешние характеристики идеального (а) и реального (б) ис-
точников токов
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]