Методические указания по выполнению практических заданий По теме: Расчет электрических цепей постоянного тока. дисциплина ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Югорский государственный университет» (ЮГУ)

СУРГУТСКИЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИКУМ

(филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего образования «Югорский государственный университет»

(СНТ (филиал) ФГБОУ ВО «ЮГУ»)

Методические указания по выполнению практических заданий  

 По теме: Расчет электрических цепей постоянного тока.

дисциплина

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Разработала: Н.В. Крживицкая

2016

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

При освоении дисциплины ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА студенты знакомятся с процессами, происходящими в электрических цепях постоянного и переменного тока; изучают устройство и принципы действия электроизмерительных приборов, электрических машин и трансформаторов; полупроводниковых приборов. Изучают дисциплину общепрофессионального цикла «Электротехника и электроника» на 2 курсе.

Методические указания к выполнению практических работ включают перечень практических работ, обязательных для выполнения; критерии оценивания; методические указания и примеры решения типовых задач; а также список рекомендуемых источников информации

Задания на практическую работу содержат варианты практических работ. Каждая практическая работа составлена в 30 вариантах и состоит в решении задач расчетного характера.

Самостоятельное выполнение расчетов является одним из важнейших этапов усвоения дисциплины «Электротехника и электроника», на котором приобретаются навыки пользования соответствующими расчетными зависимостями и, что особенно важно, достигается отчетливое понимание их физического смысла.

Цель индивидуальной практической работы.

 

Целью индивидуальной работы является развитие у студентов самостоятельного творческого мышления в области теории и расчета электромеханических преобразователей энергии.

Знание и понимание дисциплины, умение применять свои знания на практике, а главное, самостоятельное творческое мышление студента наиболее полно выявляется при решении им специально подобранных задач. Поэтому для каждого студента умение решать задачи является одним из главных требований при  изучении дисциплины.

К решению каждой задачи следует приступать только после изучения соответственного раздела теоретического курса в объеме учебной программы по одному из рекомендованных в ней источников.

Перед самостоятельным решением задачи практического задания рекомендуется разобрать ход решения нескольких типовых задач.

При таком подходе к изучению дисциплины знание и понимание предмета трансформируется в специфическое сознание и развивается самостоятельное аналитическое творческое мышление.

 Требования к оформлению практических работ:

1.            Вариант практической работы определяется порядковым номером студента в журнале учебных занятий.

2.            Практическая работа выполняется в тетради для домашних индивидуальных практических заданий  в клетку. На титульном листе должны быть написаны: название работы, дата выполнения и номер  варианта студента.

3.            Приступая к решению задачи, студент должен изучить ее условие; уяснить, какие величины являются заданными и какие искомыми; кратко записать условие задачи; вычертить электрическую схему, соответствующую условию задачи, и показать на ней заданные и искомые величины, а также направление токов. Графическая часть задания (схемы, кривые, векторные диаграммы) – карандашом с применением чертежных инструментов. При выполнении схем необходимо пользоваться условными графическими обозначениями, установленными ГОСТами.

4.            Выполнение заданий должно сопровождаться краткими пояснениями.

5.             При выполнении заданий следует принимать Международную систему единиц измерения - СИ. Буквенные обозначения единиц измерения ставятся только возле окончательного результата и в скобки не заключаются, например, 120 В; 13 А; 100 Вт.

Критерии оценивания

 Каждая работа оценивается по универсальной шкале. Процент результативности по количеству баллов и критерии оценивания приводится на каждое практическое задание.

Технология оценивания направлена на измерение освоенных отдельных знаний и умений и предполагает индивидуальный подход к оцениванию подготовленности обучающегося по критериям соответствия освоенным компетенциям:

- обучающийся может выполнять конкретную деятельность (1 балл);

- может, но выполняет не в полном объеме (0,1 -0,9 баллов);

- еще не может выполнять (0 баллов).

Учитываются следующие основные требования - уровень знаний и умений, позволяющий решать практические задачи, уровень практических навыков и отношение к объекту деятельности.

На оценку влияют также уровень (полнота и аккуратность) оформления работы, владение Международной системой единиц измерения - СИ.

Критерии пятибалльной оценки:

- оценка «5» (отлично) выставляется за задание, выполненное на 90 – 100 % при условии методически и арифметически верного решения, четкого и аккуратного оформления работы;

- оценка «4» (хорошо) выставляется за задание, выполненное на 80 – 89,9 %, при условии методически верного решения, при наличии незначительных ошибок;

- оценка «3» (удовлетворительно) выставляется за задание, выполненное на 70 – 79,9 %, при наличии незначительных ошибок в методике расчетов, которые, однако, искажают результат работы;

- оценка «2» (неудовлетворительно) выставляется за выполнение задания с существенными ошибками в методике расчетов. Либо при неполном (менее 69,9 %) решении, не дающим представления о системности знаний студента по данному вопросу.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К РЕШЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ № 1 по теме: Расчет электрических цепей постоянного тока.

Практическая работа №1 проводится после изучения раздела:         ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Данная работа дает возможность проверить

знания:

- закона Ома для участка цепи;

- законов Кирхгофа для узла и для контура;

- свойств последовательного и параллельного соединения резисторов.

умения:

- применять свойства последовательного и параллельного соединения резисторов при определении эквивалентного сопротивления;

- применять закон Ома и законы Кирхгофа при определении тока и напряжения на участках цепи;

     - рассчитывать мощность потребителей;

- составлять баланс мощности для определения правильности решения

                           КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕМЕ

На рис. 1 изображен резистор, представляющий участок электрической цепи, где: U - электрическое  напряжение на резисторе (участке цепи); R - электрическое сопротивление резистора (участка цепи); I - сила тока на резисторе (участке цепи).

  Рис. 1

                                   Закон Ома для участка цепи

Между этими электрическими величинами существует строго определенная связь. Она устанавливается законом Ома: Сила тока I на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению U на его зажимах и обратно пропорциональна сопротивлению R этого участка цепи, т.е.

, тогда  , а,

Единицы измерения:  тока I - А (ампер), напряжения U- В (вольт), сопротивления R - Ом Примечание:

Единицы измерения всех электрических величин, получивших название в честь ученых, пишутся с прописной (заглавной) буквы.

 Мощность, потребляемая цепью

Мощность - это скорость, с которой происходит преобразование энергии. Для участка цепи, изображенного на рисунке 1, электрическая мощность может быть определена по формулам:

;  ;   Единица измерения мощности Р - Вт (ватт).

Первый закон Кирхгофа

На рис. 2 показана часть электрической схемы с электрическим узлом или точкой разветвления А. Это такая точка электрической схемы, где соединены три или большее число проводов (на  рис. 2 таких проводов 5).

Первый закон Кирхгофа устанавливает соотношение между токами в узле. Он формулируется так: Сумма токов, направленных к узлу, равна сумме токов, направленных от него. Для узла А можно написать:

 или так , а в общем виде  т. е.

алгебраическая сумма токов в узле равна нулю. При этом токи, направленные от узла, считаются отрицательными.

Рис. 2

Второй закон Кирхгофа

В ветвях, образующих контур эл. цепи, алгебраическая сумма э.д.с. равна алгебраической сумме падений напряжений на отдельных участках этого контура. 

Второй закон Кирхгофа  является следствием закона сохранения энергии, применяется к контурам электрических цепей.

Последовательное соединение резисторов (рис. 3)

   Рис. 3

Свойства этого вида соединения:

1.           На всех резисторах (участках) этой цепи протекает один и тот же ток:

2.     Эквивалентное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений ее
резисторов (участков):   

3.     Напряжение на зажимах цепи равно сумме падений напряжений на ее отдельных резисторах (участках):

4.  Мощность, потребляемая цепью, равна сумме мощностей потребляемых каждым из резисторов (участков):  

При решении задач, содержащих последовательное соединение элементов, следует учитывать не только вышеперечисленные свойства, но и правильно применять закон Ома и формулы мощности, необходимость использования которых может возникнуть как на отдельном участке, так и для всей цепи в целом. Для схемы, изображенной на рисунке 3, они должны быть записаны в виде:

Параллельное соединение резисторов (рисунок 4)

  Рис. 4

Свойства этого вида соединения:

1.      На всех резисторах (участках) такой цепи действует одно и тоже напряжение: 

2.    Ток в неразветвленной части цепи равен сумме токов её ветвей    (это следует из 1 закона Кирхгофа).

3.  Полная (эквивалентная) проводимость цепи равна сумме проводимостей ее резисторов (участков):  или

4.  Мощность, потребляемая цепью, равна сумме мощностей потребляемых каждым из резисторов (участков):  

Примечание:

·                    При определении эквивалентного сопротивления трех и большего числа резисторов рекомендуется вначале найти проводимость цепи, а затем ее сопротивление.  ;   

·                    При определении эквивалентного сопротивления двух резисторов рекомендуется применять формулу:    

При решения задач, содержащих параллельное соединение элементов, следует учитывать не только выше перечисленные свойства, но и правильно применять закон Ома и формулы мощности, необходимость использования которых может возникнуть как на отдельном участке, так и для всей цепи в целом. Для схемы, изображенной на рисунке 4 они должны быть записаны в виде:

Пример 1

Для схемы, приведенной на рисунке 5 и представляющей смешанное соединение сопротивлений,  известно, что

 U = 250 В,

R₁ = 14 Ом 

R₂ = 20 Ом 

R₃ =50 Ом

 R₄ =200 Ом

 R₅ =40 Ом,

 R₆ =15 Ом   

R₇ =60 Ом. 

 Определить эквивалентное сопротивление    R этой   цепи, ток I и мощность Р, потребляемые цепью, а так же токи  I₁ ,  I₂ ,  I₃ ,  I₄ ,  I₅ ,  I₆,  I₇ ,  , напряжения  U₁  ,  U₂ ,  U₃ ,  U₄ ,  U₅ ,  U₆ ,  U₇   и мощность Р₁ ,  Р₂, Р₃, Р₄, Р₅, Р₆, Р₇  на каждом резисторе.   Проверьте   решение   задачи методом баланса мощностей.

Перед  решением  практического  задания  1 необходимо внимательно прочитать общие методические указания к решению задачи 1 и только после этого приступить к  решению.

В этом примере и в задачах задания 1 индекс тока, протекающего через резистор, индекс напряжения на нем и индекс мощности, потребляемой резистором, соответствуют индексу резистора. Например, на рисунке 5 резистор R₃ характеризуется током I₃, напряжением U₃, мощностью Р₃ .

Схема электрической цепи, изображенная на рисунке 5, представляет собой смешанное соединение резисторов (оно состоит из последовательных и параллельных соединений элементов схемы), эквивалентное сопротивление такой цепи находится путем постепенного упрощения схемы и "свертывания" её так, чтобы получить одно сопротивление. При расчете токов в отдельных ветвях схему "развертывают" в обратном порядке.

Рис. 5

Решение:

1. Резисторы  R₃ и R ₄ соединены параллельно, поэтому их общее сопротивление:      

-------

Теперь схема принимает вид, показанный на рисунке  6. 

Рис. 6

На этой схеме выделены буквами три участка (АВ, ВС, СД), которые соединены друг с другом последовательно.

2. Резисторы R₂ и R₃₄ (см. рис. 6) соединены последовательно, их общее сопротивление R_2-4 = R₂ + R₃₄ = 20 + 40 = 60 Ом. Соответствующая схема приведена на рис. 7

 Рис. 7 

3. Резисторы R₂₃₄ и R₅ соединены параллельно, их общее сопротивление        

-----

Теперь схема цепи примет вид, приведенный на рис. 8.

Рис. 8

4. Резисторы R₆ и  R₇ соединены параллельно, их общее сопротивление

======

Схема принимает вид, приведенный на рис. 9.

Рис. 9

5. Находим эквивалентное сопротивление цепи, учитывая, что R_AB = R₁, рис. 10:

Рис.10

-------

6. Для схемы изображенной на рис. 10 нетрудно найти ток, потребляемый цепью, который одновременно является током неразветвленной части цепи. На основании закона Ома 

7.  Переходя от схемы к схеме в обратном порядке, найдем остальные токи. Так как схема, изображенная на рис. 9, представляет последовательное соединение участков АВ, ВС, СД, то на основании первого свойства этого вида соединения следует, что ;

Используя закон Ома, найдем падение напряжения на участках  АВ, BC и CD   

       

По ходу решения задачи можно проверять правильность ее решения. Так, на основании третьего свойства последовательного соединения следует, что , что соответствует заданному напряжению. Зная напряжения на участках ВС и СД, определим токи в ветвях (см рис. 7)

8. На участке ВС резисторы R_2-4 и R₃ включены параллельно. На основании первого свойства этого вида соединения следует, что . Применяя закон Ома, находим токи ветвей участка ВС:

;   

9. На участке СД резисторы R₆ и R₇ также включены параллельно, поэтому

 и   ;  

На сновании второго свойства параллельного соединения можно убедиться ни этом этапе в правильности решения задачи, применив первый закон Кирхгофа Из схемы (рис. 7) следует, что:    и 

Действительно:   и  

10. На рис. 8 видно, что на участке ВС верхняя ветвь представляет собой последовательное соединение резисторов R₂ и R₃₄ поэтому  (cм. первое свойство данного вида соединения).

11. Для определения токов резисторов R₃ и R₄  предварительно найдем напряжение на резисторе R₃₄ (рисунок 6), которое эквивалентно им

Так как резисторы R₃ и R₄ на реальной схеме (см. рисунок 5) соединены параллельно и , то:  ;   

Проверка:  (см. первый закон Кирхгофа и второе свойство

цепи с параллельным соединением).

12. При определении токов резисторов на каждом из них, кроме R₂, было определено напряжение, что требуется также по условно задачи. Осталось найти напряжение на резисторе R₂ .

Это можно сделать двумя способами: на основании закона Ома U₂ = I₂ × R₂ = 2-20 = 40 В или на основании третьего свойства последовательного соединения. На участке ВС верхняя ветвь представляет собой последовательное соединение резисторов R₂ и R₃₄ (см рис. 6), поэтому U_BC = U₂ + U₃₄, отсюда U₂ = U_ВС –U₃₄= 120 - 80 = 40 В.    Переходим к определению мощности, потребляемой цепью и каждым резистором в отдельности.

13. Мощность, потребляемая цепью ------

Мощности, потребляемые каждым резистором

            

   

   

---------

14 Проверим правильность решения задачи на основании баланса мощностей, а это значит, что Р=Р₁+Р₂ +Р₃+Р₄+Р₅+Р₆ +Р₇=350+80+128+32+360+240+60=1250Вт

Вывод:

Определение мощности цепей на основании баланса мощностей подтверждает значение мощности, полученной по формуле Р = U×I. Значит задача решена правильно.

В рассмотренном примере пояснительный текст дан достаточно подробно для того, чтобы студент мог самостоятельно разбираться в решении задач, подобных примеру. При решении задач контрольной работы пояснения следует давать в обязательном порядке, но делать это более кратко.

Например, пункт. 6 примера при оформлении может быть записан так:

6) Ток, потребляемый цепью, ;

ЗАДАНИЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ

 «Расчет электрических цепей постоянного тока».

Практическая работа составлена в 30 вариантах и ее выполнение обучающимися рассчитано на 2 учебных часа.

Таблица № 2 - Критерии оценивания практического задания

Оцениваемый параметр	Максимальный балл
Вычертил схему для решения задачи и указал на ней направление токов через каждый резистор	2
Записал условие задачи с указанием единиц измерения физических величин	2
Указана цель каждого этапа решения задания	5
Приведены эквивалентные схемы после преобразования заданной электрической схемы	2
Определил эквивалентное сопротивление схемы.	2
Определил ток I и мощность Р, потребляемые цепью	2
Рассчитал токи I1, I2, I3, I4 на каждом из резисторов.	4
Рассчитал напряжение U1, U2, U3, U4 на каждом из резисторов.	4
Рассчитал мощность Р1, Р2, Р3, Р4  на каждом из резисторов.	4
Составил баланс мощности	2
Сделан вывод по работе	1
ИТОГО:	30

Оценка результатов выполнения задания производится в соответствии с универсальной шкалой:

Процент результативности (правильных ответов)	Кол-во баллов	Качественная оценка индивидуальных образовательных достижений
		балл (отметка)	вербальный аналог
90 ÷ 100	27 - 30	5	отлично
80 ÷ 89,9	24 - 26	4	хорошо
70 ÷ 79,9	21 - 23	3	удовлетворительно
менее 70	менее 21	2	не удовлетворительно

Задача 1 (Перед решением задачи изучите методические указания к решению задач задания и пример 1)

На рисунке 11 приведена схема электрической цепи постоянного тока со смешанным соединением резисторов R₁, R₂, R₃ и R₄, к которым подведено напряжение U. Определить эквивалентное сопротивление R этой цепи, ток I и мощность Р, потребляемые цепью, а также токи I₁, I₂, I₃, I₄, напряжение U₁, U₂, U₃, U₄, и мощность Р₁, Р₂, Р₃, Р₄  на каждом из резисторов. Проверить, что Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ + Р₄. Данные для своего варианта взять из таблицы 3.

Рис. 11

Таблица 3 - Исходные данные к задаче 1

Известная величина	Номер варианта
	1	2	3	4	5	6
U, B	120	125	150	160	180	200
R1 , Ом	8	28	6	24	25	16
R2 , Ом	20	60	110	140	120	25
R3 , Ом	16	120	100	60	180	35
R4 , Ом	18	120	15	50	60	40

Задача 2 (Перед решением задачи изучите методические указания к решению задач задания и пример 1)

На рисунке 12 приведена схема электрической цепи постоянного тока со смешанным соединением резисторов R₁, R₂, R₃ и R₄, к которым подведено напряжение U. Определить эквивалентное сопротивление R этой цепи, ток I и мощность Р, потребляемые цепью, а также токи I₁, I₂, I₃, I₄, напряжение U₁, U₂, U₃, U₄, и мощность Р₁, Р₂, Р₃, Р₄  на каждом из резисторов. Проверить, что Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ + Р₄. Данные для своего варианта взять из таблицы 4.

 

Рис. 12

Таблица 4- Исходные данные к задаче 2

Известная величина	Номер варианта
	7	8	9	10	11	12
U, B	90	130	156	180	210	234
R1 , Ом	36	100	30	24	300	24
R2 , Ом	18	25	45	12	60	36
R3 , Ом	45	10	300	30	60	240
R4 , Ом	30	15	75	20	30	60

Задача 3 (Перед решением задачи изучите методические указания к решению задач задания и пример 1)

На рисунке 13 приведена схема электрической цепи постоянного тока со смешанным соединением резисторов R₁, R₂, R₃ и R₄, к которым подведено напряжение U. Определить эквивалентное сопротивление R этой цепи, ток I и мощность Р, потребляемые цепью, а также токи I₁, I₂, I₃, I₄, напряжение U₁, U₂, U₃, U₄, и мощность Р₁, Р₂, Р₃, Р₄  на каждом из резисторов. Проверить, что Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ + Р₄. Данные для своего варианта взять из таблицы 5.

Рис. 13  

Таблица 5 - Исходные данные к задаче 3

Известная величина	Номер варианта
	13	14	15	16	17	18
U, B	60	90	120	150	165	195
R1 , Ом	3,2	4	8	5,6	2	32
R2 , Ом	12	60	200	40	30	100
R3 , Ом	40	24	50	60	15	150
R4 , Ом	10	240	60	36	40	30

Задача 4 (Перед решением задачи изучите методические указания к решению задач задания и пример 1)

На рисунке 14 приведена схема электрической цепи постоянного тока со смешанным соединением резисторов R₁, R₂, R₃ и R₄, к которым подведено напряжение U. Определить эквивалентное сопротивление R этой цепи, ток I и мощность Р, потребляемые цепью, а также токи I₁, I₂, I₃, I₄, напряжение U₁, U₂, U₃, U₄, и мощность Р₁, Р₂, Р₃, Р₄  на каждом из резисторов. Проверить, что Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ + Р₄. Данные для своего варианта взять из таблицы 6.

Рисунок 14 - Схема электрической цепи постоянного тока со смешанным соединением резисторов

Таблица 6 - Исходные данные к задаче 4

Известная величина	Номер варианта
	19	20	21	22	23	24
U, B	48	75	90	120	180	240
R1 , Ом	8	10	45	20	15	48
R2 , Ом	4	12,6	12	24	22	24
R3 , Ом	10	4	40	10	24	180
R4 , Ом	40	6	60	15	12	120

Задача 5 (Перед решением задачи изучите методические указания к решению задач задания и пример 1)

На рисунке 15 приведена схема электрической цепи постоянного тока со смешанным соединением резисторов R₁ R₂, R₃ и R₄  к которым подведено напряжение U. Определить эквивалентное сопротивление R этой цепи, ток I и мощность Р, потребляемые цепью, а также токи I₁ I₂, Iз, I₄, напряжения, U₁ U₂, Uз, U₄ и мощности Р₁ Р₂, Рз, Р₄ на каждом из резисторов. Проверить, что Р = Р₁ + Р₂ + Р₃ + Р_4. Данные для своего варианта взять из таблицы 7.

Рисунок 15 - Схема электрической цепи постоянного тока со смешанным соединением резисторов

Таблица 7 - Исходные данные к задаче 5

Известная величина	Номер варианта
	25	26	27	28	29	30
U, B	90	120	156	220	195	200
R1 , Ом	8	10	20	12	14	8
R2 , Ом	40	15	45	40	60	150
R3 , Ом	60	10	30	60	30	100
R4 , Ом	4	14	40	8	18	12

Рекомендуемые источники информации:

Основные источники:

1.                 Морозова Н.Ю. Электротехника и электроника: учебник /Н.Ю. Морозова. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. -256с.

2.                 Алиев И.И. Электрические аппараты: справочное пособие. / И.И. Алиев, М.Б. Абрамов, - М.: «РадиоСофт», 2014. – 256с.

3.                 Евдокимов Ф.Е. Общая электротехника: учебн. пособие / Ф.Е. Евдокимов. - М.: Энергия, 2010. -  352с.

4.                 Иванов И.И.. Электротехника. Основные положения, примеры, задачи: учебник / И.И. Иванов, А.Ф. Лукин, Г.И. Соловьев. - СПб.: Издательство «Лань». – 2010. - 193с.

5.                      Кацман М.М. Сборник задач по электрическим машинам: Учеб. пособие для студентов учреждений сред. проф. образования. - /Марк Михайлович Кацман. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. - 160с.

6.                 Кацман М.М. Электрические машины: справочник / М.М. Кацман. - М.: Aкадемия, 2011. - 496с.

7.                 Кацман М.М. Электрические машины: Учеб. для учащихся электротехн. спец. техникумов. - /М.М. Кацман. - М.: Высшая школа, 2012. - 463с.

8.                 Кацман М.М.Сборник задач по электрическим машинам: учебн. пособие / М.М. Кацман. - М.: Aкадемия, 2013. - 164с.

Дополнительные источники:

9.                 http://elektroinf.narod.ru/ Библиотека электроэнергетика

10.             http://www.elektroshema.ru/  Электричество и схемы

11.             http://city-energi.ru/about.html  Все о силовом электрооборудовании - описание, чертежи, руководства по эксплуатации

12.             www.ElectricalSchool.info Школа для электрика. Статьи, советы, полезная информация по устройству, наладке, эксплуатации и ремонту электрооборудования