Лабораторный практикум по дисциплине "Основы электротехники"

Министерство образования и науки Самарской области

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение

среднего образования

                          «Тольяттинский индустриально-педагогический колледж»

                         (ГАПОУ СО «ТИПК»)

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по дисциплине «Основы электротехники»

для студентов специальности

09.02.03. Компьютерные системы и комплексы.

Тольятти 2016 г.

Еремеева В.В.. Лабораторный практикум по дисциплине «Основы электротехники» для студентов специальности среднего профессионального образования 09.02.03.  Компьютерные системы и комплексы. Тольятти, Изд-во ТИПК, 2016.- 29 с.

Практикум содержит методические рекомендации для студентов к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Электротехника и электроника». Раскрывает методы сборки и тестирования реальных и виртуальных электрических схем, способы измерений электротехнических величин, методы учета погрешностей измерений с помощью лабораторного оборудования и виртуальных схем, описывает использование инновационных педагогических технологий при проведении лабораторных работ в лаборатории «Электротехники, электроники и автоматизации производства».

Рассмотрено

протокол заседания отделения технического профиля

№____ от «____»______________ 2016г.

Руководитель ОПОП  Лысенко И.В.___________________/

Утверждено

протокол заседания научно-методического совета ГАПОУ СО «ТИПК»

№____ от «____»______________ 2016 г.

Председатель Чернова С.Н.___________________ /

© ГАПОУ СО «ТИПК»

Содержание

Введение. 4

Лабораторная работа №1 «Исследование неразветвленной цепи переменного тока с R и L». 5

Лабораторная работа №2 «Исследование неразветвленной цепи переменного тока с R и С». 9

Лабораторная работа №3 «Исследование разветвленной цепи переменного тока». 14

Лабораторная работа №4 «Исследование трехфазной цепи переменного тока при соединении приёмников «звездой»». 19

Лабораторная работа №5 «Исследование трехфазной цепи переменного тока при соединении приёмников «треугольником»». 24

Список источников и литературы. 29

Список оборудования. 29

Введение

Цель проведения лабораторного практикума по дисциплине «Основы электротехники» - выработка практических навыков и умений по измерению, расчетам электрических параметров различных схем и устройств, по сборке электрических схем, по проектированию, измерению и расчетам электронных устройств.

В результате  выполнения лабораторного практикума  обучающийся должен уметь:

применять основные определения и законы теории электрических цепей;

учитывать на практике свойства цепей с распределёнными параметрами и нелинейных электрических цепей;

различать непрерывные и дискретные сигналы и их параметры;

должен знать:

основные характеристики, параметры и элементы электрических цепей при гармоническом воздействии в установившемся режиме;

свойства основных электрических RC и RLC цепочек, цепей с взаимной индукцией;

трёхфазные электрические цепи;

основные свойства фильтров;

непрерывные и дискретные сигналы;

методы расчёта электрических цепей;

спектр дискретного сигнала и его анализ;

цифровые фильтры.

методы и способы автоматизации измерений тока, напряжения и мощности.

Общие компетенции, формируемые в результате выполнения лабораторного практикума:

-       ОК-2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.

-       ОК-3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.

-       ОК-6. Работать в коллективе и в команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.

-       ОК.7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчинённых), за результат выполнения заданий.

-       ОК.9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.

Лабораторный практикум рассчитан на 10 часов аудиторных занятий.

Занятия проводятся в специально оборудованной лаборатории, оснащение которой позволяет провести все виды указанных работ.

Перед выполнением лабораторных работ необходимо ознакомиться с инструкцией по технике безопасности, проверить рабочее место на наличие опасных факторов, подготовить рабочее место к работе, подготовить ручку и бланк отчета по лабораторной работе.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.

Тема  «Исследование неразветвленной цепи переменного тока с R и L».

Цель лабораторной работы: исследование процессов, происходящих в неразветвленной цепи однофазного переменного тока с R и L, построение векторных диаграмм.

Содержание работы.

1.1. Исходные данные

Заданы:

1) эквивалентная схема исследуемой цепи, состоящая из источника ЭДС, резистора R и катушки индуктивности L (рис.1.1).

2) расчетные параметры элементов схемы E_m, R_p, L_p (табл. 1.1).

3) рабочая схема исследуемой цепи и схема включения измерительных приборов (рис. 1.2).

 
 

Таблица 1.1-Варианты заданий

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Еm , В	50	55	60	65	70	50	55	60	65	70
f,  Гц	150	150	150	150	150	150	150	150	150	150
Rр , Ом	50	55	60	65	70	75	80	85	90	95
Lр , мГн	150	165	185	200	215	235	250	265	285	300

1.2. Теоретические сведения и методические указания

Переходным называется процесс в электрической цепи или схеме, возни­кающий в ней при переходе от одного (старого) установившегося состояния к другому (новому) установившемуся состоянию. Переходные процессы в цепи возникают в результате различных коммутаций, следствием которых являются скачкообразные изменения параметров отдельных элементов или структуры схемы цепи. Так как запасы энергии в реактивных элементах схемы не могут измениться скачкообразно, то для перехода схемы в новое энергетическое со­стояние требуется некоторое время, называемое временем переходного про­цесса Т_п.

Независимыми начальными условиями называются значения токов в ка­тушках i_L(0) и напряжений на конденсаторах u_С(0) в момент коммутации при
t = 0, которые определяют начальные запасы энергии в реактивных элементах схемы.

При включении схемы R, L с нулевыми начальными условиями  i_L(0) = 0 к источнику постоянной ЭДС  e(t) = Е_m = const напряжения на отдельных элемен­тах будут изменяться во времени по закону:

u_R(t) =E·(1 – e ^pt),   u_L(t) = E·e ^pt.

Здесь p = –R / L - есть коэффициент затухания (корень характеристиче­ского уравнения), характеризующий скорость затухания переходного процесса. Постоянная времени  , практическая продолжительность переходного про­цесса Т_п = 4t = 4L / R.

При включении схемы R, L с нулевыми начальными условиями  i_L(0) = 0 к источнику синусоидальной ЭДС e(t) =E_m·sin(wt+a) напряжение на резисторе будет изменяться во времени по закону:

u_R(t) = u_Rу(t) + u_Rсв(t) = U_Rm·sin(wt + a) + A·e^pt.

Амплитуда и начальная фаза установившейся составляющей напряжения u_Rу(t) = U_Rm·sin(wt + a - j) определяются из расчета схемы в установившемся синусоидальном режиме:

,    I_m = E_m / Z,    U_Rm = I_m·R,    j = arctg(X_L / R).

Амплитуда свободной составляющей напряжения А определяет интен­сивность переходного процесса. Она зависят от параметров элементов схемы и от начальной фазы источника ЭДС: A = - U_Rm·sin(a - j).

При значении начальной фазы (a - j) = ± 90° амплитуда свободной со­ставляющей на­пряжения максимальна, переходной процесс протекает с макси­мальной интен­сивностью. При значении начальной фазы (a - j)= 0°  амплитуда свободной составляющей на­пряжения равна нулю, включение цепи происходит без переходного процесса.

1.3. Расчетная часть

1. Определить в общем виде функции u_R(t) и u_L(t) в переходном режиме при включении схемы с нулевыми начальными условиями к источнику постоянной ЭДС e(t) = Е_m = const. Для 3-х сочетаний значений параметров элементов [а) R = R_р , L = L_р ; б) R = 2R_р , L = L_р ;  в) R = R_р , L = 2L_р] определить для исследуемых функций коэффициент затухания р, постоянную времени t и продолжительность переходного процесса Т_п. Результаты расчетов внести в табл. 1.2.

2. В выбранных масштабах m_u  и m_t построить в одной системе координат семейство графических диаграмм для исследуемых функций u_R(t)  и u_L(t)  в пере­ходном режиме для 3-х сочетаний значений параметров элементов а), б), в). По­строение графических диаграмм выполнить на ЭВМ.

1)  Определить графически постоянную времени переходного процесса t  для каждого из 3-х сочетаний значений параметров элементов а), б), в). Результаты расчетов внести в табл. 1.2.

2)  Определить в общем виде функцию u_R(t)  и в переходном режиме при включении схемы с нулевыми начальными условиями к источнику синусоидальной ЭДС e(t) = E_m·sin(w t + a).

3)  Для значений параметров элементов R = R_р, L = L_р определить амплитуды установившейся и свободной составляющих напряжения на резисторе U_Rm и А_m в переходном режиме, а также значения начальной фазы источника a, при которых амплитуда свободной составляющей переходного процесса: а) макси­мально положительна, б) равна нулю, в) максимально отрицательна. Резуль­таты расчетов внести в табл. 1.3.

4)   В выбранных масштабах m_u  и m_t построить в одной системе координат семейство графических диаграмм для исследуемых функций u_R(t) в переходном режиме для значений начальной фазы источника a согласно а), б), в). Построение диаграмм выполнить на ЭВМ.

5)  Определить графически на диаграммах п. 7 свободные составляющие переходного процесса для заданных значений начальной фазы источника a со­гласно а), б), в).

Таблица 1.2-Таблица для заполнения результатов работы

Параметры	р, с-1	t, с	Тп, с	t, с (граф.)
а) R= Rр, L=Lр
б) R=2Rр, L= Lр
в) R=Rр,L=2Lр

Таблица 1.3-Таблица для заполнения результатов работы

URm, В	Аm, В	а) a, гр	б) a, гр	в) a, гр

1.4. Экспериментальная  часть

Собрать электрическую цепь по рабочей схеме рис. 1.2. Установить заданные параметры отдельных элементов. Для каждого из заданных значений параметров элементов получить на экране электронного осциллографа исследуемую функцию напряжения u_R(t). Сравнить полученные осциллограммы с расчетными графическими диаграммами.

рис. 1.2 - Рабочая схема исследуемой цепи и схема включения измерительных приборов

1.5. Анализ результатов работы

Сравнить результаты эксперимента с данными расчета и дать заключение о степени их соответствия. В случае их существенного расхождения указать возможные причины.

1.6. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1) титульный лист по стандартной форме;

2) цель работы;

3) исходные данные (эквивалентные схемы исследуемых цепей и параметры их элементов);

4) таблицы с результатами вычислений и измерений;

5) основные расчетные формулы и уравнения;

6) графические диаграммы функций;

7) выводы и заключение о степени соответствия расчетных и экспери­ментальных результатов.

Контрольные вопросы

1. Что называется переходным процессом в электрической цепи? Какими уравнениями можно описать переходной процесс? Запишите уравнение для ис­следуемой цепи.

2. Что такое коэффициент затухания, постоянная времени и продолжи­тельность переходного процесса? Напишите формулы для названных величин для исследуемой цепи.

3. Как по графической диаграмме функции определить постоянную времени переходного процесса?

4. Почему интенсивность переходного процесса в цепи при включении ее к источнику синусоидальной ЭДС зависит от начальной фазы, т.е. от момента включения?

5. Какие методы расчета переходного процесса вы знаете? Назовите их.

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2.

Тема «Исследование неразветвленной цепи переменного тока с R и С.»

Цель лабораторной работы:  научиться исследовать процессы, происходящие в неразветвленной цепи однофазного переменного тока с R и С, строить векторные диаграммы токов и напряжений.

Содержание работы.

2.1. Исходные данные

Заданы:

1.Эквивалентная схема исследуемой цепи, состоящая из источника ЭДС, резистора R и конденсатора C (рис. 2.1).

  2.Расчетные параметры элементов схемы E_m, R_p, C_p  (табл. 2.1).

3.Рабочая схема исследуемой цепи и схема включения измерительных приборов (рис 2.2).

                                                            Рис. 2.1 - Эквивалентная схема исследуемой цепи

Таблица 2.1- варианты заданий.

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Еm ,  В	70	65	60	55	50	45	40	35	30	25
f, Гц	150	150	150	150	150	150	150	150	150	150
Rр,  Ом	20	25	30	35	40	45	50	55	60	65
Ср, мкФ	150	120	100	85	75	65	60	55	50	45

2.2. Теоретические сведения и методические указания

Переходным называется процесс в электрической цепи или схеме, возни­кающий в ней при переходе от одного (старого) установившегося состояния к другому (новому) установившемуся состоянию. Переходные процессы в цепи возникают в результате различных коммутаций, следствием которых являются скачкообразные изменения параметров отдельных элементов или структуры схемы цепи. Так как запасы энергии в реактивных элементах схемы не могут измениться скачкообразно, то для перехода схемы в новое энергетическое состояние требуется некоторое время, называемое временем переходного процесса Т_п.

Независимыми начальными условиями называются значения токов в катушках i_L(0) и напряжений на конденсаторах u_С(0) в момент коммутации при
t = 0, которые определяют начальные запасы энергии в реактивных элементах схемы.

При включении схемы R, C с нулевыми начальными условиями u_C(0) = 0 к источнику постоянной ЭДС e(t) = Е_m = const напряжения на отдельных элементах будут изменяться во времени по закону:

u_R(t) =E·e ^pt ,      u_С(t) = E·(1 - e ^pt).

Здесь p = –1 / RС - есть коэффициент затухания (корень характеристического уравнения), характеризующий скорость затухания переходного процесса. Постоянная времени ,  практическая продолжительность переходного процесса Т_п = 4t = 4×RC.

При включении схемы R, C с нулевыми начальными условиями u_C(0) = 0 к источнику синусоидальной ЭДС e(t) = E_m·sin(wt+a) напряжение на конденсаторе будет изменяться во времени по закону:

u_С(t)  = u_Су(t)  + u_Ссв(t)  = U_Сm·sin(w t + a - j + 90°) + A·e ^pt.

Амплитуда и начальная фаза установившейся составляющей напряжения u_Су(t) = U_Сm·sin(w t+a - j + 90°) определяются из расчета схемы в установившемся синусоидальном режиме:

 ,   I_m = E_m / Z,   U_сm = I_m·X_С,   j = arctg(-X_С / R).

Амплитуда свободной составляющей напряжения А определяет интенсивность переходного процесса. Она зависит от параметров элементов схемы и от начальной фазы источника ЭДС:

A = - U_Сm·sin(a - j + 90°).

При значении начальной фазы (a - j + 90^о) = ±90°  амплитуда свободной составляющей напряжения максимальна, переходной процесс протекает с мак­симальной интенсивностью. При значении начальной фазы (a - j + 90°) = 0°  амплитуда свободной составляющей напряжения равна нулю, включение цепи происходит без переходного процесса.

2.3. Расчетная часть

1. Определить в общем виде функции u_R(t)  и u_С(t)  в переходном режиме при включении схемы с нулевыми начальными условиями к источнику постоянной ЭДС e(t) = Е_m = const.

2. Для 3-х сочетаний значений параметров элементов: [а) R = R_р, С = С_р;
б) R = 2R_р,  С = С_р;   в) R = R_р,  С = С_р/2 ]  определить для исследуемых функций коэффициент затухания р, постоянную времени t и продолжительность переходного процесса Т_п. Результаты расчетов внести в табл. 2.2.

3.  В выбранных масштабах m_u  и m_t построить в одной системе координат семейство графических диаграмм для исследуемых функций u_R(t)  и u_C(t)  в пере­ходном режиме для 3-х сочетаний значений параметров элементов а), б), в). По­строение диаграмм выполнить на ЭВМ.

4. Определить графически постоянную времени переходного процесса t  для 3-х сочетаний значений параметров элементов а), б), в). Результаты расчетов внести в табл. 2.2.

5. Определить в общем виде функцию u_C(t)  в переходном режиме при включении схемы с нулевыми начальными условиями к источнику синусоидальной ЭДС  e(t) =E_m·sin(w t + a).

6. Для значений параметров элементов R = R_р , С = С_р определить амплитуды установившейся и свободной составляющих напряжения на конденсаторе U_Сm и А_m в переходном режиме, а также значения начальной фазы источника a, при которых амплитуда свободной составляющей переходного процесса а) максимальна, положительна, б) равна нулю, в)максимальна, отрицательна. Результаты расчетов внести в табл. 2.3.

7. В выбранных масштабах m_u  и m_t построить в одной системе координат семейство графических диаграмм для исследуемых функций u_С(t) в переходном режиме для значений начальной фазы источника a согласно а), б), в). Построе­ние диаграмм выполнить на ЭВМ.

8. Определить графически на диаграммах п. 7 свободные составляющие переходного процесса  для заданных значений начальной фазы источника a со­гласно а), б), в).

Таблица 2.2 - Таблица для заполнения результатов работы

Параметры	р, с-1	t, с	Тп, с	t,  с (граф.)
а) R = Rр,  C= Cр
б) R = 2Rр, C= Cр
в) R= Rр, С= Ср/2

Таблица 2.3- Таблица для заполнения результатов работы

UСm, В	Аm, В	а) a, гр	б) a, гр	в) a , гр

2.4. Экспериментальная часть

Собрать электрическую цепь по рабочей схеме рис. 2.2. Установить заданные параметры отдельных элементов. Для каждого из заданных значений параметров элементов получить на экране электронного осциллографа исследуемую функцию напряжения u_R(t). Сравнить полученные осциллограммы  расчетными графическими диаграммами.

Рис. 2.2 - Рабочая схема исследуемой цепи и схема включения измерительных приборов

2.5. Анализ результатов работы

Сравнить результаты эксперимента с данными расчета и дать заключе­ние о степени их соответствия. В случае их существенного расхождения ука­зать возможные причины.

2.6. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1) титульный лист по стандартной форме;

2) цель работы;

3) исходные данные (эквивалентные схемы исследуемых цепей и пара­метры их элементов);

4) таблицы с результатами вычислений и измерений;

5) основные расчетные формулы и уравнения;

6) графические диаграммы функций;

7) выводы и заключение о степени соответствия расчетных и эксперимен­тальных результатов.

Контрольные вопросы

1. Что называется переходным процессом в электрической цепи? Какими уравнениями можно описать переходной процесс? Запишите уравнение для ис­следуемой цепи.

2. Что такое коэффициент затухания, постоянная времени и продолжи­тельность переходного процесса? Напишите формулы для названных величин для исследуемой цепи.

3. Как по графической диаграмме функции определить постоянную вре­мени переходного процесса?

4. Почему интенсивность переходного процесса в цепи при включении ее к источнику синусоидальной ЭДС зависит от начальной фазы, т.е. от момента включения?

5. Какие методы расчета переходного процесса вы знаете? Назовите их.

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.

Тема «Исследование разветвленной цепи переменного тока».

Цель лабораторной работы: научиться исследовать процессы, происходящих в неразветвленной цепи однофазного переменного тока с R, L и С, строить векторные диаграммы.

Содержание работы.

3.1. Исходные данные

Заданы:

1) эквивалентная схема исследуемой сложной цепи (рис. 3.1).

2) параметры элементов схемы в комплексной форме: E = Е×е^ja, Z=R + jX (табл. 3.1).

3) рабочая схема исследуемой цепи (рис. 3.3) и схемы включения измери­тельных приборов (рис. 3.4).

Рис. 3.1 Эквивалентная схема

Таблица 3.1 -Варианты заданий

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Е1, В	50	55	60	65	60	45	50	55	60	65
a1, гр	-120	0	0	0	-120	120	0	0	120	-120
Е2, В	60	65	60	55	50	60	65	60	55	50
a2, гр	0	120	-120	120	0	0	120	-120	0	0
R1, Ом	45	35	40	30	50	45	35	40	45	50
X1, Ом	0	-30	35	0	-30	40	0	25	-35	0
R2, Ом	40	50	45	35	55	30	40	60	45	30
X2, Ом	35	0	-30	40	0	-35	25	0	20	-40
R3, Ом	30	25	35	40	30	45	25	40	50	35
X3, Ом	-45	40	0	-35	40	0	-30	-35	0	25

3.2.Теоретические сведения и методические указания

Электрическое состояние любой сложной схемы (цепи) определяется системой уравнений, составленных для нее  по 1-му и 2-му законам Кирхгофа в комплексной форме.

1-ый  закон Кирхгофа: алгебраическая сумма комплексных токов в узле схемы (цепи) равна нулю или åI=0.

2-ой  закон Кирхгофа: алгебраическая сумма комплексных падений на­пряжений в замкнутом контуре схемы (цепи) равна алгебраической сумме ком­плексных ЭДС, или åU=åE.

Для любой сложной схемы в соответствии с законом сохранения энергии должен выполняться баланс (равенство) отдельно для активных  мощностей ис­точников и приемников энергии SР_ист= SР_пр, и отдельно для реактивных  мощностей источников и приемников энергии SQ_ист= SQ_пр.

 Расчет токов в сложной схеме с двумя комплексными источниками ЭДС  следует выполнять одним из методов расчета сложных схем по выбору (метод законов Кирхгофа, метод контурных токов, метод двух узлов), при этом уравнения следует составлять в комплексной форме. При расчете схемы в комплексной форме за базовый вектор (начало отсчета значений углов) рекомендуется принять фазное напряжение фазы А в трехфазной системе, т. е.  U_A = U_ф×e^j0.

При выполнении экспериментальной части работы комплексные ЭДС с заданной начальной фазой через интервал в 120^о получаются от симметричного трехфазного генератора. Комплексные сопротивления ветвей Z = R ± jX при сборке цепи реализу­ются путем последовательного включения регулируемого резистора R и регули­руемой катушки L при Х > 0 или регулируемого конденса­тора  C  при Х<0.

Для измерения токов и мощностей в нескольких ветвях цепи применяется коммутатор токовых цепей, позволяющий включать приборы (амперметр и ваттметр) поочередно в любую ветвь цепи.

Показание фазометра равно углу сдвига фаз между вектором напряже­ния U = U×e^ja и  вектором тока  I = I×e^jb, которые подведены к обмоткам прибора, т.е. j = a - b. Если к фазометру подведен один из базовых векторов с начальной фазой, равной нулю, то показание фазометра будет численно равно начальной фазе (аргументу) второго вектора. Начальные фазы токов (аргументы комплексных величин) измеряются фазометром по отношению к базовому вектору напряжения U_о = U×e^j0 (рис. 3.2 а), а начальные фазы напряжений - по отношению к базовому вектору тока I_о = I×e^j0 (рис. 3.2 б). Базовый вектор тока, совпадающий с началом отсчета углов (I_о = I_о×e^j0), на стенде получается от специального источника (рис. 3.2 б).

3.3. Расчетная часть

1. Выполнить расчет схемы в комплексной форме одним из методов по выбору (метод законов Кирхгофа, метод контурных токов, метод двух узлов). В результате расчета определить токи в ветвях схемы  I₁,  I₂,  I₃, напряжения на отдельных элементах U₁, U₂, U₃, активные и реактивные мощности отдельных источников и приемников энергии. Результаты расчета для токов и напряжений записать в виде комплексных чисел (U = U×e^ja,  I = I×e^ja ) в табл. 3.2, 3.3, 3.4.

2. По результатам расчета в выбранных масштабах построить топографи­ческую диаграмму потенциалов (напряжений) и векторную диаграмму токов, при этом потенциал точки n принять равным нулю.

3. По результатам расчета проверить балансы активных (SР_ист = SР_пр) и ре­активных (SQ_ист = SQ_пр) мощностей.

Таблица 3.2-Таблица для заполнения результатов работы

Величины	Е1, В	Е2, В	I1, А	I2, А	I3, А	U1, В	U2, В	U3, В
Вычис.
Измер.

Таблица 3.3 -Таблица для заполнения результатов работы

Величины	РЕ1, Вт	РЕ2, Вт	Р1, Вт	Р2, Вт	Р3, Вт	S Рис, Вт	SPпр, Вт
Вычис.
Измер.

Таблица 3.4-Таблица для заполнения результатов работы

Величины	QE1, вар	QE2, вар	Q1, вар	Q2, вар	Q3, вар	SQис, вар	SQпр, вар
Вычис.

3.4. Экспериментальная часть

1. Собрать электрическую цепь согласно рабочей схеме рис. 3.3. Установить заданные параметры элементов цепи.

2. Собрать цепь измерительных приборов по схеме рис. 3.4а. Включить источники энергии (ЭДС) и установить заданные напряжения на их выводах. Из­мерить комплексные токи в ветвях цепи I₁,  I₂,  I₃. Модули комплексных токов измерить амперметром, а начальные фазы - фазометром (см. метод. указания). Результаты измерений в виде комплексных чисел (I = I×e^ja ) внести в табл. 3.3.

3. Собрать цепь измерительных приборов по схеме рис. 3.4б. Выполнить измерения комплексных ЭДС Е₁, E₂ и комплексных напряжений на отдельных участках цепи U₁, U₂, U₃. Модули комплексных напряжений измерить вольтметром, а начальные фазы - фазометром. Результаты измерений в виде комплексных чисел (U = U×e^ja) внести в табл. 3.2.

4. Собрать цепь измерительных приборов по схеме рис. 3.4в. Выполнить измерения активных мощностей отдельных источников и отдельных приемников энергии. Результаты измерений внести в табл. 3.3.

3.5. Анализ результатов работы

1. Для расчетной схемы проверить баланс токов в узле в соответствии с 1-м законом Кирхгофа (SI = 0), баланс напряжений и ЭДС в контурах в соответ­ствии со 2-м законом Кирхгофа ( SU = SE), а также баланс активных (SР_ист = SР_пр) и реактивных (SQ_ист = SQ_пр) мощностей источников и приемников энер­гии. Проверить выполнение этих балансов для экспериментальных результатов измерений.

2. Сопоставить результаты измерений с соответствующими данными расчета, в случае их существенного различия установить возможные причины.

                                                                                         

                                                                                                     Рабочая схема

                           Схемы включения

3.5. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1) титульный лист по стандартной форме;

2) цель работы;

3) исходные данные (эквивалентную схему исследуемой цепи и параметры ее элементов);

4) таблицы с результатами вычислений и измерений;

5) основные расчетные формулы и уравнения;

6) векторную диаграмму токов и топографическую диаграмму потенциалов;

7) выводы и заключение о степени соответствия расчетных и эксперимен­тальных результатов.

Контрольные вопросы

1. В чем сущность комплексного метода расчета цепей переменного тока? Как выражаются параметры отдельных элементов в комплексной форме?

2. Как составить систему уравнений для расчета токов в сложной схеме по законам Кирхгофа? по методу контурных токов? по методу узловых потенциалов?

3. Как строится топографическая диаграмма потенциалов и векторная диаграмма токов для сложной цепи переменного тока?

4. Как составляется баланс активных мощностей? Как составляется баланс реактивных мощностей?

5. Как измеряются комплексные токи и напряжения?

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4.

Тема «Исследование трехфазной цепи переменного тока при соединении приёмников «звездой»».

Цель лабораторной работы: исследование процессов, происходящих в цепи трехфазного переменного тока, при соединении приемников «звездой», построение векторных диаграмм токов и напряжений.

Содержание работы.

4.1. Исходные данные

Заданы:

1)  эквивалентная схема исследуемой трехфазной цепи с нагрузкой, соеди­нённой звездой без нулевого провода (рис. 4.1). На входе схемы действует сим­метричный трехфазный генератор с напряжением U_л / U_ф = 127/73В.

2)  комплексные сопротивления фаз для 3 типов нагрузки:

1) симметричная нагрузка R_А = R_В = R_С = R_ф;

2) несимметричная однородная нагрузка R_А ¹ R_В ¹ R_С;

3)несимметричная неоднородная нагрузка Z_А=R_А, Z_В=R_В+jX_В, Z_C=R_С+jX_С (табл. 12.1).

3) рабочая схема исследуемой цепи и схемы включения измерительных приборов (рис. 4..2).

                    

Рис. 4.1 - Эквивалентная схема исследуемой трехфазной цепи с нагрузкой

Таблица 4.1-Варианты заданий

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1)Rф, Ом	80	90	100	110	120	85	95	105	115	125
2)RА, Ом	80	90	100	110	120	85	95	105	115	125
RВ , Ом	75	140	85	160	95	130	70	150	80	160
RС , Ом	130	70	150	80	160	75	140	85	150	95
3)RА, Ом	80	90	100	110	120	85	95	105	115	125
RВ, Ом	46	75	64	83	65	72	62	79	71	105
ХВ, Ом	66	-50	77	-72	101	-45	72	-69	91	-68
RС, Ом	68	81	79	63	98	57	75	60	94	79
ХС, Ом	-42	39	-62	90	-69	63	-58	86	-66	97

4.2. Теоретические сведения и методические указания

Симметричный трехфазный генератор обеспечивает на выходе два уровня напряжения - линейное U_Л и фазное U_ф, соотношение между которыми составляет U_Л/U_ф=. В промышленных условиях номинальное напряжение трехфазного генератора U_Л/U_ф=380/220В, в лаборатории ТОЭ уровень этого напряжения снижен по соображениям техники безопасности до U_Л/U_ф=127/73В. Наличие двух уровней напряжения в трехфазном генераторе позволяет подключать к нему приемники с различными номинальными напряжениями, что обеспечивается способом соединения фаз приемника между собой. Если отдельные фазы приемника рассчитаны на фазное напряжение генератора, то они соединяются по схеме звезды (с нулевым проводом или без него).

 При отсутствии нулевого провода симметрия фазных напряжений на приемнике нарушается и  зависит от характера нагрузки. При несимметричной нагрузке между нулевыми точками приемника и генератора возникает напряжение U_n (напряжение смещения нейтрали), в результате чего фазные напряжения на приемнике перекашиваются, становятся несимметричными.

 Расчет токов и напряжений в фазах приемника выполняется, как правило, по методу двух узлов. Фазные напряжения генератора принимаются симметричными: U_А=U_ф·e ^j0, U_B=U_ф·e ^-j120, U_C=U_ф·e^j120, а потенциал его нейтрали равным нулю j_N=0. Определяется напряжение (потенциал) нейтрали приемника

,

а затем находятся его фазные напряжения:

U _{A n} = U _A  - U_n;   U _Вn = U _В  - U_n;   U_Cn = U_C  - U_n.

Линейные (фазные) токи определяются по закону Ома:

I _A  = U _An/Z _A ;     I _В = U _Вn/Z _В ;    I_C = U_Cn/Z_C .

Для измерения токов в нескольких ветвях цепи применяется коммутатор токовых цепей, позволяющий включать измерительные приборы (амперметр, ваттметр, фазометр) поочередно в любую ветвь цепи.

Показание фазометра равно углу сдвига фаз между вектором напряжения U = U·e^ja и  вектором тока  I = I·e^jb, которые подведены к обмоткам прибора, т.е. j = a - b. Если к фазометру подведен базовый вектор напряжения U_О=U·e ^j0 с начальной фазой, равной нулю, и измеряемый вектор тока I = I·e^jb, то показание фазометра будет численно равно на­чальной фазе (аргументу) вектора тока со знаком минус, т.е. j = 0 - b = -b.. В качестве базового вектора напряжения принимается фазное напряжение фазы А генератора U₀=U_А=U_ф·e^j0. Если к фазометру подведен базовый вектор тока I₀=I·e ^j0 с на­чальной фазой, равной нулю, и измеряемый вектор напряже­ния U=U·e^ja, то показание фазо­метра будет численно равно начальной фазе (аргументу) вектора напряжения, т.е. j = a - 0 = a.. Базовый вектор тока, совпадающий с началом отсчета углов (I_о = I_о×e^j0), на стенде получается от спе­циального источника.

4.3. Расчетная часть

1.    Произвести расчет схемы трехфазной цепи для каждого из заданных видов нагрузки (п. 1, 2, 3) в комплексной форме. В результате расчета определить напряжение смещения нейтрали U_n, напряжения на фазах нагрузки U_an, U _Вn,, U _Сn, линейные (фазные) токи I_А,  I_B,  I_С. Результаты расчета записать в виде комплексных чисел (U = U×e^ja,  I = I×e^ja ) в табл. 4.2.

2.    Для каждого из заданных видов нагрузки (п. 1, 2, 3) определить активные мощности каждой из фаз генератора Р_ЕА, Р_ЕB, Р_ЕС и каждой из фаз приемника Р_НА, Р_НB, Р_НС , а также мощность всей цепи Р_S. Результаты расчета записать в табл. 4.3.

3.    По результатам расчета для каждого вида нагрузки построить векторные диаграммы токов и напряжений.

Таблица 4.2-Таблица для заполнения результатов работы

Тип на­грузки	Uл / Uф	UAn, B	UBn, В	Ucn, В	Un, В	IА , А	IB , А	IС , А
1)вычис.
1)измер.
2)вычис.
2)измер.
3)вычис.
3)измер.

Таблица 4.3-Таблица для заполнения результатов работы

Тип нагр.	РЕА , Вт	РЕB , Вт	РЕС , Вт	РНА , Вт	РНB , Вт	РНС , Вт	РS, Вт
1) вычис.
1) измер.
2) вычис.
2) измер.
3) вычис.
3) измер.

4.4. Экспериментальная часть

1. Собрать электрическую цепь в соответствии с рабочей схемой рис. 4.2. Включить источник энергии. Измерить линейные (U_АВ , U_ВС , U_СА) и фаз­ные (U_А , U_В , U_С) напряжения на зажимах трехфазного генератора. Среднеариф­метиче­ские значения этих напряжений записать в табл. 4.2.

2. Установить параметры нагрузки согласно п. 1 исходных данных и про­извести измерения комплексных линейных (фазных) токов I_А , I_B , I_С. Модули комплексных токов измерить амперметром, а начальные фазы - фазометром по схеме рис. 4.2. Результаты измерений записать в табл. 4.2. Измерить (вольтметром) фазные напряжения (U_Аn , U_Вn , U_Сn) на фазах нагрузки. Результаты измерений записать в табл. 4.2. Измерить (ваттметром) активные мощности фаз генератора Р_ЕА, Р_ЕB, Р_ЕС и фаз нагрузки Р_НА, Р_НB, Р_НС . Результаты измерений записать в табл. 4.3.

3. Установить параметры нагрузки согласно п. 2 исходных данных и про­извести измерения комплексных линейных (фазных) токов I_А , I_B , I_С , фазных напряжений (U_Аn , U_Вn , U_Сn) на фазах нагрузки, активных мощностей фаз генератора Р_ЕА, Р_ЕB, Р_ЕС и фаз нагрузки Р_НА, Р_НB, Р_НС. Результаты измерений записать в табл. 4.2 и в табл. 4.3.

4. Установить параметры нагрузки согласно п. 3 исходных данных и про­извести измерения комплексных линейных (фазных) токов I_А , I_B , I_С, фазных напряжений (U_Аn , U_Вn , U_Сn) на фазах нагрузки, активных мощностей фаз генератора Р_ЕА, Р_ЕB, Р_ЕС и фаз нагрузки Р_НА, Р_НB, Р_НС. Результаты измерений записать в табл. 4.2 и в табл. 4.3.

Рис 4.2 – Рабочая схема

4.5 .Анализ результатов работы

1.    Сравнить результаты эксперимента с данными расчета и дать заключение о степени их соответствия. В случае их существенного расхождения указать возможные причины.

2.    На основе анализа результатов работы определить, как влияет не симметрия нагрузки и ее характер на симметрию фазных напряжений.

3.    Сделать вывод о роли нулевого провода для обеспечения нормальной работы несимметричной трехфазной цепи.

4.6. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1)   титульный лист по стандартной форме;

2)   цель работы;

3)   исходные данные (эквивалентную схему исследуемой цепи и параметры ее элементов);

4)   таблицы с результатами вычислений и измерений;

5)   основные расчетные формулы и уравнения;

6)   векторные диаграммы токов и напряжений;

7)   выводы и заключение о степени соответствия расчетных и экспери­ментальных результатов.

 Контрольные вопросы

1.    В каких случаях трехфазная нагрузка включается по схеме звезды без нулевого провода?

2.     Какова роль нулевого провода в трехфазной цепи?

3.    Могут ли напряжения на отдельных фазах нагрузки в несимметричном режиме: 1) увеличиться до линейного? 2) быть равными нулю? 3) быть симмет­ричными?

4.    По какой схеме включаются  в трехфазную сеть асинхронные электро­двигатели?

5.    Какие напряжения (токи) приемника называются линейными, а какие -фазными? Назовите их.

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5.

Тема «Исследование трехфазной цепи переменного тока при соединении приёмников «треугольником»».

Цель лабораторной работы  Исследование процессов, происходящих в цепи трехфазного переменного тока, при соединении приемников «треугольником», построение векторных диаграмм токов и напряжений.

Содержание работы.

5.1. Исходные данные.

Заданы:

1.     Эквивалентная схема исследуемой трехфазной цепи с нагрузкой, соеди­нённой треугольником (рис. 5.1). На входе схемы действует симметричный трехфазный генератор с напряжением U_л / U_ф = 127/73В.

2.     Комплексные сопротивления фаз для 3 типов нагрузки:

3.     Симметричная нагрузка R_АВ = R_ВС = R_СА = R_ф;

4.     Несимметричная однородная нагрузка R_АВ ¹ R_ВС ¹ R_СА;

5.                 Несимметричная неоднородная нагрузка Z_АВ=R_АВ, Z_ВС=R_ВС+jX_ВС, Z_CА=R_СА+jX_СА (табл. 5.1).

6. Рабочая схема исследуемой цепи и схемы включения измерительных приборов (рис. 5.2).

                  Рис. 5.1- Эквивалентная схема исследуемой трехфазной цепи с нагрузкой

Таблица 5.1-Варианты заданий

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
1)Rф, Ом	140	150	160	170	180	145	155	165	175	185
2)RАВ, Ом	140	150	160	170	180	145	155	165	175	185
RВС , Ом	120	190	130	210	150	125	195	145	205	155
RСА , Ом	180	130	200	140	220	185	135	205	155	215
3)RАВ, Ом	140	150	160	170	180	145	155	165	175	185
RВС, Ом	112	88	134	105	138	116	102	125	110	185
ХВС, Ом	-84	121	-87	134	-116	87	-117	108	-136	146
RСА, Ом	95	129	105	126	95	81	125	97	145	112
ХСА, Ом	102	-86	121	-114	153	-120	91	-133	98	-157

5.2. Теоретические сведения и методические указания

Симметричный трехфазный генератор обеспечивает на выходе два уровня напряжения - линейное U_Л и фазное U_ф, соотношение между которыми составляет U_Л/U_ф=. В промышленных условиях номинальное напряжение трехфазного генератора U_Л/U_ф=380/220В, в лаборатории ТОЭ уровень этого напряжения снижен по соображениям техники безопасности до U_Л/U_ф=127/73В. Наличие двух уровней напряжения в трехфазном генераторе позволяет подключать к нему приемники с различными номинальными напряжениями, что обеспечивается способом соединения фаз приемника между собой. Если отдельные фазы приемника рассчитаны на линейное напряжение генератора, то они соединяются по схеме треугольника.

 При соединении фаз приемника по схеме треугольника его фазные на­пряжения равны соответствующим линейным напряжениям генератора и не зависят от характера нагрузки: U_АВ=U_Л·e ^j30, U_BС=U_Л·e ^-j90, U_CА=U_Л·e ^j150. Фазные токи для каждой фазы определяются по закону Ома: I_АВ=U_АВ/Z_АВ, I_BС=U_BС/Z_BС,  I_CА=U_CА/Z_CА, а линейные токи - по 1-му закону Кирхгофа для вершин треугольника:  I_А = I_АВ -  I_CА,  I_В = I_ВС - I_АВ,  I_С = I_СА -  I_ВС .

Для измерения токов в нескольких ветвях цепи применяется коммутатор токовых цепей, позволяющий включать приборы (амперметр, ваттметр, фазометр) поочередно в любую ветвь цепи.

Показание фазометра равно углу сдвига фаз между вектором напряжения U = U·e^ja и  вектором тока  I = I·e^jb, которые подведены к обмоткам прибора, т.е. j = a - b. Если к фазометру подведен базовый вектор напряжения U_О=U·e ^j0 с начальной фазой, равной нулю, и измеряемый вектор тока I = I·e^jb, то показание фазометра будет численно равно начальной фазе (аргументу) вектора тока со знаком минус, т.е. j = 0 - b = -b.. В качестве базового вектора напряжения принимается фазное напряжение фазы А генератора U_o=U_А=U_ф·e^j0.

5.3. Расчетная часть

1. Произвести расчет схемы трехфазной цепи для каждого из заданных видов нагрузки (п. 1, 2, 3) в комплексной форме. В результате расчета определить фазные  токи I_АВ ,  I_BС ,  I_СА и линейные токи I_А , I_B , I_С . Результаты расчета записать в виде комплексных чисел ( I = I×e^ja )  в табл. 5.2.

2. Для каждого из заданных видов нагрузки (п. 1, 2, 3) определить активные мощности каждой из фаз генератора Р_А, Р_B, Р_С и каждой из фаз приемника Р_АВ, Р_BС, Р_СА, а также мощность всей цепи Р_S. Результаты расчета записать в табл. 5.3.

3. По результатам расчета для каждого вида нагрузки построить векторные диаграммы токов и напряжений.

Таблица 5.2 - Таблица для заполнения результатов работы

Тип нагр.	Uл / Uф	IАВ , А	IBС , А	IСА , А	IА , А	IB , А	IС , А
1)вычис.
1)измер.
2)вычис.
2)измер.
3)вычис.
3)измер.

Таблица 5.3 - Таблица для заполнения результатов работы

Тип нагр.	РАВ , Вт	РBС , Вт	РСА , Вт	РА , Вт	РB , Вт	РС , Вт	РS, Вт
1) вычис.
1) измер.
2) вычис.
2) измер.
3) вычис.
3) измер.

5.4. Экспериментальная часть

1.    Собрать электрическую цепь в соответствии с рабочими схемами рис. 5.2 и 5.4. Включить источник энергии. Измерить линейные (U_АВ , U_BС , U_СА) и фазные (U_А, U_B, U_С) напряжения на зажимах генератора. Среднеарифметические значения этих напряжений записать в табл. 5.2.

5. Установить параметры нагрузки согласно п.1 исходных данных. Измерить комплексные фазные  токи I_АВ ,  I_BС ,  I_СА. Модули комплексных токов измерить амперметром, а начальные фазы  фазометром по схеме рис. 5.4. Результаты измерений записать в табл.5.2. Измерить (ваттметром) активные мощности фаз нагрузки Р_АВ, Р_BС, Р_СА . Результаты измерений за­писать в табл. 5.3.

6. Установить параметры нагрузки согласно п. 2 исходных данных и из­мерить фазные токи I_АВ ,  I_BС ,  I_СА. Результаты измерений записать в табл. 5.2. Измерить активные мощности фаз нагрузки Р_АВ, Р_BС, Р_СА. Результаты измерений за­писать в табл. 5.3.

7. Установить параметры нагрузки согласно п. 3 исходных данных и из­мерить фазные токи I_АВ ,  I_BС ,  I_СА. Результаты измерений записать в табл. 5.2. Измерить активные мощности фаз нагрузки Р_АВ, Р_BС, Р_СА. Результаты измерений за­писать в табл. 5.3.

8. Собрать электрическую цепь в соответствии с рабочими схемами рис. 5.3 и 5.4, установить параметры нагрузки согласно заданию п.1. Измерить комплексные линейные токи I_А,  I_B,  I_С . Результаты измерений записать в табл. 5.2. Измерить активные мощности фаз генератора Р_А, Р_B, Р_С. Результаты измерений записать в табл. 5.3.

9. Установить параметры нагрузки согласно заданию п.2. Измерить ком­плексные линейные токи I_А,  I_B,  I_С . Результаты измерений записать в табл. 5.2. Измерить активные мощности фаз генератора Р_А, Р_B, Р_С. Результаты изме­рений за­писать в табл. 5.3.

10. Установить параметры нагрузки согласно заданию п.3. Измерить ком­плексные линейные токи I_А,  I_B,  I_С . Результаты измерений записать в табл. 5.2. Измерить активные мощности фаз генератора Р_А, Р_B, Р_С. Результаты изме­рений за­писать в табл. 5.3.

Рис. 5.2 - Рабочая схема исследуемой цепи

Рис. 5.3 - Рабочая схема исследуемой цепи

Рис. 5.4 - Рабочая схема подключения приборов

5.5. Анализ результатов работы

1. Сравнить результаты эксперимента с данными расчета и дать заключение о степени их соответствия. В случае их существенного расхождения указать возможные причины.

2.  На основе анализа результатов работы определить, как влияет не симметрия нагрузки и ее характер на симметрию фазных напряжений и линейных токов.

5.6. Содержание отчета

Отчет по данной лабораторной работе должен содержать:

1) титульный лист по стандартной форме;

2) цель работы;

3) исходные данные (эквивалентную схему исследуемой цепи и параметры ее элементов);

4) таблицы с результатами вычислений и измерений;

5) основные расчетные формулы и уравнения;

6) векторные диаграммы токов и напряжений;

7) выводы и заключение о степени соответствия расчетных и эксперименталь­ных результатов.

Контрольные вопросы

1. В каких случаях трехфазная нагрузка включается по схеме треугольника?

2. Какие напряжения (токи) приемника называются линейными, а какие  фазными? Назовите их.

3. Как определяются фазные и линейные токи в схеме треугольника? В каком случае верно отношение I_л/I_ф = ?

4. Можно ли включать по схеме треугольника осветительную нагрузку? асинхронные электродвигатели?

5. Зависят ли напряжения на отдельных фазах нагрузки от ее симметрии?

6. Как определяются активные мощности отдельных фаз генератора и при­емника?

7. Почему активные мощности отдельных фаз генератора и приемника не равны между собой?

Примечание.

Лабораторная работа рассчитана на 2часа.

Список источников и литературы

1. Берёзкина Т.Ф., Гусев Н.Г.  Масленников В.В. Задачник по общей электротехнике с основами электроники: Учебное пособие для студентов неэлектротехнических специальностей средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа, 2001.

2. Данилов И.А., Иванов П.М.  Общая электротехника с основами электроники: Учебное пособие для студентов неэлектротехнических специальностей средних специальных учебных заведений. – М.: Высшая школа, 2000.

3. Касаткин А.С. Основы электротехники: Учебное пособие для средних профессионально-технических училищ. – М.: Высшая школа, 2001.

4. Синдеев Ю.Г. Электротехника (с основами электроники): Учебное пособие для профессиональных училищ и колледжей. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2001.

Список оборудования

- мультимедийный учебный комплекс по темам:

«Цепи постоянного тока», «Цели переменного тока», «Электронные устройства», «Цифровая электроника», «Операционные усилители».

- стационарные лабораторные стенды;

- набор измерительных приборов и оборудования стендов;

- комплект приборов по направлению «Физические основы электротехники и электроники;

- комплект экспериментальных панелей по направлению «Электротехника и электроника»;

- педагогические программные средства вычислительной техники:

встроенные персональные компьютеры;

- оверхед-проектор «Горизонт»-250 Х.