Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева

Кафедра электротехники и электрооборудования

Сборник методических указаний к лабораторным работам

по дисциплине

Электротехника и электроника

 

Часть первая «Электрические цепи»

 

Тула 2010 г.

Содержание:

 

Введение. 3

Общие требования к выполнению и оформлению лабораторных работ. 3

Техника безопасности. 4

Лабораторная работа № 1. Исследование линейных
электрических цепей постоянного тока с последовательным
и параллельным соединением резисторов. 5

Лабораторная работа № 2. Исследование линейной
электрической цепи постоянного тока со смешанным
соединением резисторов. 13

Лабораторная работа №3. Исследование нелинейных
электрических цепей постоянного тока. 20

Лабораторная работа № 4. Исследование индуктивной
катушки и конденсатора. 27

Лабораторная работа № 5. Исследование линейной
неразветвлённой электрической цепи синусоидального тока. 37

Лабораторная работа № 6. Исследование линейной
разветвлённой электрической цепи синусоидального тока. 46

Лабораторная работа № 7. Исследование трёхфазной
электрической цепи с активной нагрузкой, соединённой
по схеме «звезда». 56

Лабораторная работа № 8. Исследование трёхфазной
электрической цепи с активной нагрузкой, соединённой
по схеме «треугольник». 65

 

 

Разработали: Илюшин В.С., к.т.н., доцент,

Кирпа А.В., к.т.н.,

Климов С.А., к.т.н., доцент.

 

Рассмотрено и утверждено на заседании Нормоконтролёр

кафедры ЭиЭО «____» _______ 20___ г. ____________ Баженов В.И.

протокол № _____. «____» _____ 20___ г.

Зав. кафедрой ___________ Сухинин Б.В.

Введение.

 

Настоящие методические указания предназначены для студентов дневного, вечернего и заочного обучения всех неэлектротехнических специальностей, изучающих дисциплины «Электротехника и электроника», «Общая электротехника», «Электротехника» и т. п.

Успешное освоение электротехнических дисциплин предполагает приобретение навыков и умений экспериментальных исследований электрических цепей, машин и приборов, что является основной целью лабораторных занятий. Кроме того, при оформлении отчёта студент получает также практические навыки анализа электрических цепей.

Настоящий сборник содержит методические указания к восьми лабораторным работам по разделу «Теория электрических и магнитных цепей» различных электротехнических дисциплин. Объём каждой лабораторной работы таков, что студент за одно лабораторное занятие имеет возможность полностью выполнить задание и составить отчёт по работе при условии наличия заранее заготовленных бланков протокола испытаний и расчётно-графической части.

Работы № 1, 2, 7 составил доцент Илюшин В.С., работы № 3, 4 – Кирпа А.В., работы № 5, 6, 8 – доцент Климов С.А.

 

Общие требования к выполнению
и оформлению лабораторных работ.

 

Прохождение лабораторного практикума включает в себя три этапа:

1) самостоятельную подготовку к работе,

2) проведение экспериментов в лаборатории,

3) обработку результатов экспериментов и оформление отчёта.

1. В процессе самостоятельной подготовки студенты обязаны:

а) изучить или повторить основные теоретические положения по теме, которую отражает лабораторная работа, для чего использовать конспект лекций и рекомендованные преподавателем учебные пособия. Качество своей подготовки можно оценить с помощью контрольных вопросов и задач, приведённых в методических указаниях;

б) подготовить бланки протокола испытаний и расчётно-графической части отчёта, формы которых даны в методических указаниях;

в) уяснить цель работы и изучить порядок её выполнения. Неподготовленный студент к выполнению работы не допускается.

2. Проведение экспериментов осуществляется фронтальным методом на универсальных лабораторных стендах в составе бригад по 2–3 человека в соответствии с графиком, составленным преподавателем. Электрические цепи собирают на стендах с помощью проводников со штекерами. После сборки цепи, её необходимо предъявить для проверки преподавателю или лаборанту. Подачу напряжения на собранную цепь можно производить, только получив на это разрешение. Самовольное включение напряжения категорически запрещается. Предоставлять электрическую цепь для проверки необходимо также после любого, даже незначительного изменения цепи. Если невыполнение указанных требований повлекло за собой выход из строя приборов и оборудования, виновный несёт материальную ответственность.

Применяя электронные измерительные приборы, следует внимательно знакомиться с передней панелью прибора, назначением ручек, переключателей и гнёзд. При необходимости следует обратиться за помощью к преподавателю или лаборанту.

В процессе выполнения лабораторной работы протокол испытаний заполняют экспериментальными данными, снимаемыми с электроизмерительных приборов. После завершения работы, не разбирая электрическую цепь, протокол испытаний предъявляют для проверки преподавателю, который своей подписью удостоверяет правильность результатов. После этого электрическую цепь следует разобрать. Время проведения экспериментов должно составлять не более 30–35 минут.

3. Обработка результатов измерений, оформление и защита отчётов производится в лаборатории непосредственно после выполнения работы. Отчёт по лабораторной работе включает в себя:

– подписанный преподавателем протокол испытаний,

– расчётно-графическую часть,

– краткие выводы по работе.

Содержание расчётно-графической части отчёта указано в методических указаниях.

При оформлении отчёта необходимо руководствоваться требования ЕСКД, особенно это касается графических обозначений элементов цепей и буквенных обозначений электрических величин.

Если студент не успел на занятии оформить отчёт до конца, он заканчивает оформление дома с предъявлением отчёта на следующем занятии.

 

 

Техника безопасности.

 

На вводном занятии преподаватель знакомит студентов с инструкцией по технике безопасности при эксплуатации электроустановок, где изложены основные правила, которые необходимо соблюдать при работе в лаборатории. Студенты, прошедшие инструктаж, должны расписаться в журнале и строго следовать положениям инструкции.

Лабораторная работа № 1.

Исследование линейных электрических цепей
постоянного тока с последовательным
и параллельным соединением резисторов.

 

Цель работы:

1. Приобрести навыки сборки простейших электрических цепей.

2. Научиться пользоваться электроизмерительными приборами.

3. Закрепить теоретические сведения о методах анализа электрических цепей с последовательным и параллельным соединением потребителей.

 

Объекты и средства исследования.

Объектами исследования являются последовательная и параллельная цепь, состоящие из резисторов R ₁– R ₆, смонтированных на плате № 4. Указанные на схеме стенда соединения выполнены при монтаже стенда. В качестве последовательной цепи берётся цепь, состоящая из элементов R ₁, R ₂, R ₃, R ₄, а в качестве параллельной цепи – цепь, состоящая из двух ветвей, одна из которых включает в себя последовательно соединенные R ₂ и R ₃, а другая – R ₅ и R ₆.

Источником питания служит источник постоянного тока с регулируемой величиной ЭДС. Выходные гнёзда источника расположены на центральной панели стенда и обозначены «+» и «–». Внутреннее сопротивление источника не учитывается, т. е. источник ЭДС полагается идеальным.

В качестве электроизмерительных приборов используются многопредельные миллиамперметры Э377, а также цифровой или стрелочный многопредельный электронный вольтметр. Выбор предела измерения миллиамперметра осуществляется нажатием одной из клавиш, размещённых под прибором. Цифра под клавишей указывает предел измерения в миллиамперах.

Список рекомендуемой литературы.

1. [1], с. 5–27.

2. [2], с. 9–26.

3. [3], с. 4–24.

Протокол испытаний к лабораторной работе № 1.

Исследование линейных электрических цепей
постоянного тока с последовательным
и параллельным соединением резисторов.

 

 

Экспериментальная часть.

 

 

 

Таблица 1.П.1
Измеренные параметры	Участок цепи
ab	bc	ce	ef	af
U, В
I, A
R, Ом

 

 

Таблица 1.П.2
Измеренные параметры
U, B	I, A	I 1, A	I 2, A

 

 

Расчётно-графическая часть.

 

1. Последовательная цепь.

Таблица 1.П.3
Рассчитанные параметры.	Участок цепи
ab	bc	ce	ef	аf
R, Ом
P, Вт

 

Расчётные формулы:

 

Расчёт последовательной цепи.

Дано: U_af = ______, R ₁= ______, R ₂= ______, R ₃= ______, R ₄= ______.

Определить: I, U_ab, U_{bc ,} U_ce, U_ef.

 

 

2. Параллельная цепь.

Таблица 1.П.4
Рассчитанные параметры
G 1, См	G 2, См	G эк, См	R эк, Ом

 

Уравнение по первому закону Кирхгофа:

 

Краткие выводы по работе:

 

 

Группа __________. Студент _________________. Дата __________.

 

Преподаватель ______________________.

Лабораторная работа № 2.

Исследование линейной электрической цепи
постоянного тока
со смешанным соединением резисторов.

 

Цель работы:

1. Усовершенствовать навыки сборки электрических цепей и пользования электроизмерительными приборами.

2. Закрепить теоретические сведения о методах анализа электрических цепей со смешанным соединением потребителей.

 

Список рекомендуемой литературы.

1. [1], с. 5–27.

2. [2], с. 9–33.

3. [3], с. 4–24, 95–96.

 

Экспериментальная часть.

 

 

Таблица 2.П.1
Измеренные параметры	Участок цепи
ab	bc	ce	bd	de	ef	be	af
I, A
U, B
R, Ом

 

Расчётно-графическая часть.

 

Таблица 2.П.2
Рассчитанные параметры	Участок цепи
ab	bc	ce	bd	de	ef	be	af
R, Ом
P, Вт

Расчётные формулы:

 

 

Уравнение по первому закону Кирхгофа для узла «b»:

 

Уравнения по второму закону Кирхгофа

– для контура abcefa:

 

– для контура bdecb:

 

Уравнение баланса мощностей:

 

Вычисление эквивалентных сопротивлений R_be и R_af:

 

Расчёт цепи.

Дано: U = ______, R ₁ = ______, R ₂ = ______, R ₃ = ______, R ₄ = ______
R ₅ = ______, R ₆ = ______.

Определить I ₁, I ₂, I ₃.

 

 

Краткие выводы по работе:

 

 

Группа __________. Студент _________________. Дата __________.

 

Преподаватель ______________________.

Лабораторная работа №3.

Исследование нелинейных электрических цепей
постоянного тока.

 

Цель работы:

1. Получить экспериментальным путём и проанализировать зависимости тока от напряжения для лампы накаливания и полупроводникового стабилитрона.

2. Освоить методы графического анализа нелинейных последовательных цепей с использованием ампер-вольтных характеристик элементов.

 

Список рекомендуемой литературы.

1. [1], с. 137–154.

2. [2], с. 26–39.

3. [3], с. 156–160.

Экспериментальная часть.

 

 

 

Таблица 3.П.1
Прямая ветвь ампер-вольтной характеристики
UEL, В
IEL, В
Обратная ветвь ампер-вольтной характеристики
UEL, В
IEL, В

 

Таблица 3.П.2
Прямая ветвь ампер-вольтной характеристики
I, A
U, B
UVD, В
UR, B
Обратная ветвь ампер-вольтной характеристики
I, A
U, B
UVD, В
UR, B

 

Расчётно-графическая часть.

 

 

 

 

Краткие выводы по работе:

 

 

Группа __________. Студент _________________. Дата __________.

 

Преподаватель ______________________.

Лабораторная работа № 4.

Список рекомендуемой литературы.

1. [1], с. 41–51.

2. [2], с. 39–58, 144–154.

3. [3], с. 36–49, 56–60, 167–178.

 

Экспериментальная часть.

 

Таблица 4.П.1
Uк п., В	Iк п., А	Uк, B	Iк, A

 

 

Таблица 4.П.2		Таблица 4.П.3
Uконд. п., В	Iконд. п., А	№ опыта
		С, мкФ
	UC, В
	IC, A

 

Расчётно-графическая часть.

Таблица 4.П.4
ZK, Ом	R, Ом	XL, Ом	L, Гн	φ к, град.	cos(φ к)
UR, B	UL, B	Sк, BA	P, Вт	QL, ВАр

Расчётные формулы:

 

 

Векторная диаграмма тока и напряжений на катушке (mI = __ А/см, mU = __ В/см).

Треугольники сопротивлений и мощностей индуктивной катушки (mZ = __ Ом/см, mS = __ ВА(Вт,ВАр)/см).

 

 

Таблица 4.П.5
№ опыта
C, мкФ
XC, Ом

 

Векторная диаграмма тока и напряжения на конденсаторе (mI = __ А/см, mU = __ В/см).

График зависимости IC (С).

 

 

 

Краткие выводы по работе:

 

 

Группа __________. Студент _________________. Дата __________.

 

Преподаватель ______________________.

Лабораторная работа № 5.

Исследование линейной неразветвлённой
электрической цепи синусоидального тока.

 

Цель работы:

1. Исследовать явление резонанса напряжений.

2. Установить связи между током, напряжениями на элементах и ёмкостью конденсатора в цепи с последовательным соединением активного, индуктивного и ёмкостного элементов.

3. Получить навыки построения векторных диаграмм и научиться их использовать для анализа электрических цепей.

 

Список рекомендуемой литературы.

1. [1], с. 50–63.

2. [2], с. 58–85, 93–98.

3. [3], с. 72–91, 95–96.

Экспериментальная часть.

 

 

Таблица 5.П.1
№ опыта	С, мкФ	I, A	U, B	Uк, B	UC, B

 

Расчётно-графическая часть.

 

Таблица 5.П.2
№ опыта	P, Вт	S, ВА	cos(φ)	Z, Ом	UR, B	UL, B

 

Расчётные формулы:

 

Графики зависимостей Z (C), I (С), cos φ (С).

 

Векторные диаграммы тока и напряжений: а) для опыта № ___,
б) для опыта № ___ (m_I = __ А/см, m_U = __ В/см).

 

 

Краткие выводы по работе:

 

 

Группа __________. Студент _________________. Дата __________.

 

Преподаватель ______________________.

Лабораторная работа № 6.

Исследование линейной разветвлённой
электрической цепи синусоидального тока.

 

Цель работы:

1. Исследовать явление резонанса токов.

2. Установить связи токов цепи с ёмкостью конденсатора при параллельном соединении индуктивной катушки и конденсатора.

3. Получить навыки построения векторных диаграмм и научиться их использовать для анализа электрических цепей.

 

Список рекомендуемой литературы.

1. [1], с. 64–71.

2. [2], с. 85–101, 103–104.

3. [3], с. 75–78, 86–91.

 

Экспериментальная часть.

 

 

Таблица 6.П.1
№ опыта	С, мкФ	I, A	Iк, B	IC, B	U, B

 

 

Расчётно-графическая часть.

 

Таблица 6.П.2
№ опыта	P, Вт	S, ВА	cos(φ)	Y, См

 

Расчётные формулы:

 

 

Графики зависимостей Y (C), I (С), cos φ (С).

 

Векторные диаграммы токов и напряжения: а) для опыта № ___,
б) для опыта № ___ (m_I = __ А/см, m_U = __ В/см).

 

 

Краткие выводы по работе:

 

 

Группа __________. Студент _________________. Дата __________.

 

Преподаватель ______________________.

Лабораторная работа № 7.

Исследование трёхфазной электрической цепи с
активной нагрузкой, соединённой по схеме «звезда».

 

Цель работы:

1. Исследовать свойства трёхфазной цепи с симметричной и несимметричной нагрузкой, соединённой по схеме «звезда».

2. Определить роль нейтрального привода в различных режимах работы цепи.

3. Освоить методы анализа трёхфазных цепей с помощью векторных диаграмм.

 

Список рекомендуемой литературы.

1. [1], с. 87–100.

2. [2], с. 123–144.

3. [3], с. 101–106, 110–120.

Экспериментальная часть.

 

Таблица 7.П.1
Фазные напряжения генератора	Линейные напряжения
UA, В	UB, В	UC, В	UAB, В	UBC, В	UCA, В

 

Таблица 7.П.2
№ опыта	Режим работы цепи	Токи нагрузки, А	Напряжения нагрузки, В
Ia	Ib	Ic	IN	Ua	Ub	Uc	UnN
	Симмет-ричный
	Несимметрич. с нейтральным проводом
	Несимметрич. без нейтрального провода

 

Расчётно-графическая часть.

 

Таблица 7.П.3
UфГ, В	Uл, В	Uл / UфГ

Векторные диаграммы токов и напряжения: а) для опыта № 1,
б) для опыта № 2, в) для опыта № 3 (m_I = __ А/см, m_U = __ В/см).

 

 

 

Краткие выводы по работе:

 

Группа __________. Студент _________________. Дата __________.

 

Преподаватель ______________________.

Лабораторная работа № 8.

Исследование трёхфазной электрической цепи
с активной нагрузкой, соединённой
по схеме «треугольник».

 

Цель работы:

1. Исследовать свойства трёхфазной цепи с симметричной и несимметричной нагрузкой, соединённой по схеме «треугольник».

2. Освоить методы анализа трёхфазных цепей с помощью векторных диаграмм.

 

Список рекомендуемой литературы.

1. [1], с. 87–100.

2. [2], с. 101–120.

3. [3], с. 4–24.

 

Экспериментальная часть.

 

 

Таблица 8.П.1
Линейные напряжения
UAB, В	UBC, В	UCA, В

 

Таблица 8.П.2
№ опыта	Режим работы цепи	Фазные токи нагрузки
Iab, А	Ibc, А	Ica, А
	Симметричный
	Несимметричный

 

Расчётно-графическая часть.

 

Таблица 8.П.3
№ опыта	Режим работы цепи	Линейные токи
IA, А	IB, А	IC, А
	Симметричный
	Несимметричный

 

Таблица 8.П.4
Uл, В	IфП, A	Iл, A	Iл / IфП

 

 

Векторные диаграммы токов и напряжения: а) для опыта № 1,
б) для опыта № 2, (m_I = __ А/см, m_U = __ В/см).

 

а) б)

 

Рис. 8.П.2

 

Краткие выводы по работе:

 

Группа __________. Студент _________________. Дата __________.

 

Преподаватель ______________________.

Библиографический список.

 

Основной.

1. Жаворонков М.А., Кузин А.В. Электротехника и электроника. М., «Академия», 2008.

2. Иванов И.И., Соловьёв Г.И. Электротехника. С-Петербург, изд. «Лань», 2009.

3. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. М., «Академия», 2008.

4. Гальперин М.В. Электротехника и электроника. М., «Форум-Инфра», 2007. 479 с.

5. Полещук В.И. Задачник по электротехнике и электронике. М., «Академия», 2008.

 

Дополнительный.

1. Электротехника. / Под ред. В.Г. Герасимова. М. Высшая школа, 1985.

2. Борисов Ю.M., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1985.

3. Волынский Е.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1987.

4. Основы теории цепей. Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. М., Энергия, 1989. 528 с.

Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева