Основы электротехники и электроники (стр. 1 )

,

Основы электротехники и

электроники

(руководство

к лабораторным работам)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА

,

Основы электротехники и

электроники

(руководство

к лабораторным работам)

Учебное пособие

Допущено учебно-методическим объединением Совета директоров средних специальных учебных заведений Волгоградской области в качестве учебного пособия для образовательных учреждений среднего профессионального образования Волгоградской области

Волгоград

2009

УДК 6

С 69

Рецензенты: директор филиала и электрификации «Волгоградэнерго» Камышинские электрически сети, к. т. н. ; зав. отделением электрификации сельского хозяйства Камышинского технического колледжа

Сошинов, А. Г. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ (РУКОВОДСТВО К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ): учеб. пособие / , ; ВолгГТУ, Волгоград, 2009. – 52 с.

ISBN 0211-3

Содержится описание восьми лабораторных работ. Излагаются необходимые теоретические сведения, рассматривается порядок выполнения лабораторных работ. Представлены указания по оформлению отчёта и контрольные вопросы для проверки усвоенного материала.

Предназначено для студентов СПО специальности «Автоматизированные системы обработки информации и управления в промышленности».

Ил. 35. Табл. 11. Библиогр.: 4 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Волгоградского государственного технического университета

ISBN 0211-3 Ó Волгоградский

государственный

технический

университет, 2009

Предисловие

Учебное пособие составлено применительно к лабо­ратории электротехники и электроники, рассчитанной на одну учебную группу. Для проведения работ используются 4 стенда. Лабораторные занятия проводятся «фронтальным методом», т. е. студенты учебной группы выполняют одновременно одну и ту же работу. Приведенные в пособии теоретические материалы охватывают минимум материала, необходимого для подготовки и выполнения лабораторной работы.

Коллоквиум по проверке готовности студентов к выполнению лабораторной работы проводится в начале каждого занятия. Перед началом работы в лаборатории необ­ходимо внимательно ознакомиться с измерительными приборами, установленными на стенде, и с объектами исследования, смонтированными на съемной испытатель­ной панели, предназначенной для данной работы.

После снятия зависимостей, относящихся к данной серии измерений, необходимо построить соответствующие кривые зависимости (характеристики) и показать их преподавателю. После этого можно разобрать электрические цепи и отключить измерительные приборы.

В процессе выполнения лабораторных работ студенты решают следующие учебные задачи:

1)  убеждаются в правильности теоретических положений, рассмотренных на лекционных занятиях, повторяют и закрепляют материал этих занятий;

2)  получают практический опыт чтения и сборки электрических схем, а также работы с электрооборудованием;

3)  учатся снимать показания электроизмерительных приборов, обрабатывать полученные данные и на их основе делать выводы о характере исследуемых процессов;

4)  овладевают навыками оформления электротехнической документации;

5)  получают практические навыки по управлению электрическим оборудованием и технике безопасности при работе с ним.

Правила выполнения лабораторных работ

1.  Перед началом проведения курса лабораторных работ студенты проходят вводный инструктаж по технике безопасности.

2.  Перед выполнением лабораторных работ студент должен дома изучить основные теоретические положения, подготовить бланк отчета, нарисовать схему установки и необходимые таблицы.

3.  Выполнять лабораторную работу на одном стенде должны не менее двух человек одновременно.

4.  Перед началом работы на стенде необходимо убедиться, что все выключатели стенда находятся в положении «Выключено».

5.  При сборке электрических цепей особое внимание следует обратить на исправность изоляции соединительных проводов, наличие изолирующих держателей на штырях. Об обнаруженных неисправностях необходимо сообщить лаборанту.

6.  Категорически запрещается включать стенд без разрешения преподавателя.

7.  При проведении опытов на испытательной панели стенда, находящейся под напряжением, все переключения и регулировки с помощью переключателей и реостатов должны производиться одним человеком и только одной рукой. Вторая рука должна быть свободной и не должна касаться аппаратуры стенда.

8.  На лабораторном стенде, находящимся под напряжением, запрещается производить какие-либо переключения при помощи соединительных проводов. Перед любым изменением исследуемой цепи питание лабораторного стенда должно быть отключено.

9. При обнаружении каких-либо повреждений или неисправностей электрического оборудования стенда, а также при появлении дыма, искрения или специфического запаха перегретой изоляции необходимо немедленно обесточить стенд и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.

10. В случае поражения человека электрическим током следует немедленно обесточить стенд и сообщить об этом преподавателю.

11. Преподаватель проверяет готовность студента на рабочем месте.

12. После выполнения работы каждая группа студентов должна показать полученные результаты и выводы по работе.

13. Дома студент оформляет отчет и на следующем занятии представляет его на проверку преподавателю. На контрольные вопросы он отвечает устно.

14.Каждая лабораторная работа оценивается согласно рейтингу программы по данной дисциплине.

15. Если студент пропускает занятие по уважительной причине, то ему дается возможность выполнить ее на следующем занятии.

Описание установки или рабочего места

студента для выполнения лабораторных работ

Лабораторные работы проводятся на лабораторном устройстве по электротехнике «К 4822-2». Конструктивно устройство представляет собой лабораторный стол, в котором находятся комплекты приборов и элементов, необходимых для выполнения лабораторных работ. На крышке стола расположен блок питания и приборный штатив для установки измерительных приборов. В нижней части штатива находятся клеммы, на которые выведены все напряжения блока питания. Крышка имеет съемный вкладыш, на место которого устанавливается плата с необходимым набором для выполнения лабораторной работы.

Для выполнения лабораторной работы приборы помещаются в необходимом наборе в приборный штатив. На клеммы, находящиеся во время работы под напряжением выше 36 В, установлены предохранительные втулки.

Электрические соединения элементов схемы, измерительных приборов и подключение схемы к клеммам питания осуществляются с помощью комплекта соединительных проводов. На передней стенке блока питания размещены тумблеры, переключатели, кнопки включения и отключения с соответствующими надписями.

На задней стенке блока питания находятся держатели предохранителей и разъемы для подключения блока к трехфазной сети и к приборному штативу, а также встроен автоматический выключатель защиты сети. Стол, блок питания, приборный штатив и металлические корпуса приборов имеют клеммы для защитного заземления.

Для защиты блока питания от перегрузок и коротких замыканий служит автоматический выключатель. Для подачи регулируемых напряжений постоянного тока «0-120 В» и переменного тока «0-250 В» используется автотрансформатор.

В ходе лабораторных работ подсоединение приборов и узлов устройства должно проводиться только при отключенном напряжении питания. Перед началом проведения работы на блоке питания необходимо установить все тумблеры в отключенное положение, ручки – против часовой стрелки до упора. В стол вместо вкладыша установить плату, необходимую для проведения лабораторной работы, а на приборный штатив – приборы. Собрать схему лабораторной работы и включить на блоке питания тумблер «Схема собрана».

Устройство обеспечивает проведение следующих работ:

1)  последовательное, параллельное и смешанное соединение приемников;

2)  исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений (резонанс напряжений);

3)  исследование цепи переменного тока с параллельным соединением активного, индуктивного и емкостного сопротивлений (резонанс токов)

4)  соединение приемников трехфазного тока звездой;

5)  соединение приемников трехфазного тока треугольником;

6)  исследование режимов однофазного трансформатора;

7)  исследование биполярного транзистора;

8)  исследование работы полупроводниковых выпрямителей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Последовательное, параллельное и смешанное

соединение приемников

Цель работы: экспериментальным путем проверить основные соотношения электрических величин для цепей постоянного тока с последовательным, параллельным и смешанным соединением приемников электрической энергии.

Работа рассчитана на 4 часа.

Пояснение к работе

Существуют следующие соединения приемников: последовательное, параллельное и смешанное.

Последовательным соединением приемников называется такое, при котором начало последующего приемника соединяется с концом предыдущего (рис. 1.1, а). Часто такая цепь (или участок цепи) называется неразветвленной.

Отличительной особенностью последовательного соединения является то, что во всех приемниках протекает одинаковый ток.

При этом соединении напряжение U, приложенное к цепи, равно сумме падений напряжений на отдельных приемниках:

U = U1 + U2 + U3 = IR1 + IR2 + IR3 = I (R1 + R2 + R3) = IRЭ,

где RЭ = R1+R2+R3 – эквивалентное сопротивление всей последовательной цепи, равное сумме сопротивлений отдельных приемников.

Поделив почленно падения напряжений на приемниках, получим

U1:U2:U3 = IR1:IR2:IR3 = R1:R2:R3,

т. е. падения напряжения в отдельных приемниках пропорциональны сопротивлениям этих приемников.

Мощность, потребляемая последовательной цепью:

Р = Р1 + Р2 + Р3 = I2R1 + I2R2 + I2R3 = IU1 + IU2 + IU3 = UI.

Поделив почленно мощности отдельных приемников, получим:

Р1:Р2:Р3 = R1:R2:R3,

т. е. мощность отдельных приемников пропорциональна их сопротивлениям.

При изменении величины сопротивления одного из приемников в цепи происходит изменение тока и сопротивления, перераспределение падения напряжений между приемниками или, как говорят, изменяется режим работы всех приемников. Это является существенным недостатком последовательного соединения.

Параллельным соединением приемников называется такое, при котором начала всех приемников соединены в один узел, а концы – в другой (рис. 1.1, б).

а) б)
в)
Риc. 1.1. Схемы соединения приемников: а – последовательное соединение; б – параллельное соединение; в – смешанное соединение

При таком соединении цепь получается разветвленной, а сами приемники являются ее ветвями.

Отличительной особенностью параллельного соединения является то, что все приемники находятся под одним и тем же напряжением. Токи в них равны:

I1 = U/R1 = UG1, I2 = U/R2 = UG2, I3 = U/R3 = UG3,

где G1 = 1/R1, G2 = 1/R2, G3 = 1/R3 – проводимости отдельных приемников.

Поделив почленно токи в приемниках, получим:

I1:I2:I3 = (1/R1):(1/R2):(1/R3) = G1:G2:G3,

т. е. при параллельном соединении токи в приемниках обратно пропорциональны их сопротивлениям или прямо пропорциональны их проводимостям.

Согласно первому закону Кирхгофа, ток в неразветвленной части цепи равен:

где – величина, обратная эквивалентному сопротивлению параллельной цепи.

Переходя к проводимостям, получим: I = U (G1 + G2 + G3) = UGЭ,

где GЭ = G1 + G2 + G3 – эквивалентная проводимость параллельной цепи, равная сумме проводимостей отдельных приёмников.

Эквивалентное сопротивление параллельной цепи:

Мощность, потребляемая параллельной цепью:

Поделив почленно мощности отдельных приёмников, получим:

P1:P2:P3 = G1:G2:G3,

т. е. развиваемая в отдельных приёмниках мощность пропорциональна их проводимостям (или обратно пропорциональна их сопротивлениям).

При параллельном включении приёмников режим работы каждого из них не влияет на режим работы остальных.

Смешанное соединение приёмников представляет собой цепь, которая состоит из ряда последовательно и параллельно соединённых приёмников (рис. 1.1, в). Для расчёта таких цепей выделяют отдельные участки с последовательным или параллельным соединением приёмников и к ним применяют выше рассмотренные соотношения.

Для схемы на рисунке 1.1, в, эквивалентное сопротивление находится следующим образом. Сначала определяется эквивалентное сопротивление разветвлённой части цепи. Так как то

Сопротивление R1 включено последовательно с сопротивлением R2. Поэтому эквивалентное сопротивление всей цепи равно: RЭ = R1 + R23.

Ток в неразветвлённой части цепи:

Напряжение на сопротивлении R1: .

Напряжение на зажимах параллельных ветвей: U23 = I1R23 или U23 = U - U1.

Токи в параллельных ветвях:

Мощность, потребляемая всей смешанной цепью:

P = P1 + P2 + P3 = U1I1 + U23I2 + U23I3 = UI.

Задание

1.  Собрать схемы лабораторной работы.

2.  Снять показания с приборов.

3.  Заполнить таблицы.

Предварительная подготовка

1.  Изучить основные соотношения электрических величин для цепей постоянного тока с последовательным, параллельным и смешанным соединением приемников электрической энергии.

2.  Начертить схему установки и таблицы.

Работа в лаборатории

1. Ознакомиться с реостатами, которые используются в качестве приёмников электрической энергии, и приборами, необходимыми для выполнения работы; записать их основные технические данные.

2. С помощью омметра установить сопротивления реостатов равными: R1 = 5 Ом, R2 = 10 Ом, R3 = 15 Ом.

3. Собрать схему (рис. 1.2, а) и предъявить её для проверки преподавателю.

а)

б)

в)

Рис. 1.2. Схемы лабораторной работы для исследований: а – с последовательным соединением реостатов; б – с параллельным соединением реостатов; в – со смешанным соединением реостатов

4. Измерить U на зажимах всей цепи и U1, U2, U3 на зажимах каждого реостата; ток I в цепи. Включить источник. Установить сопротивления реостатов равными: R1 = R2 = R3 = 10 Ом. Включить источник и снова выполнить указанные измерения.

5. Вычислить сопротивление каждого реостата R1, R2, R3; эквивалентное сопротивление RЭ последовательной цепи; мощность, потребляемую отдельными реостатами R1, R2, R3; мощность, потребляемую всей цепью.

Проверить соотношения:

RЭ = R1 + R2 + R3; U = U1 + U2 + U3; P = P1 + P2 + P3; U1:U2:U3 = R1:R2:R3.

6. Результаты измерений и расчётов записать в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Условия опыта

Опытные данные

Расчетные данные

U

I

U1

U2

U3

R1

R2

R3

RЭ

P1

P2

P3

P

В

А

В

В

В

Ом

Ом

Ом

Ом

Вт

Вт

Вт

Вт

R1 ≠ R2 ≠ R3

R1 = R2 = R3

7. С помощью омметра установить сопротивления реостатов равными:

R1 = 3 Ом, R2 = 8 Ом, R3 = 12 Ом.

8. Собрать схему (рис. 1.2, б) и предъявить её для проверки преподавателю.

9. Включить источник питания. Измерить токи в параллельных ветвях I1, I2, I3 и ток I в неразветвлённой части цепи; напряжение на зажимах цепи. Включить источник. Установить сопротивления реостатов равными: R1 = R2 = R3 = 12 Ом. Включить источник и снова выполнить указанные измерения.

10.  Вычислить сопротивление каждого реостата R1, R2, R3; эквивалентное сопротивление параллельной цепи RЭ; мощность, потребляемую отдельными реостатами R1, R2, R3; мощность P, потребляемую всей цепью.

Проверить соотношения:

11.  Результаты измерений и расчетов записать в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Условия опыта

Опытные данные

Расчетные данные

U

I

I1

I2

I3

R1

R2

R3

RЭ

P1

P2

P3

P

В

А

A

A

A

Ом

Ом

Ом

Ом

Вт

Вт

Вт

Вт

R1 ≠ R2 ≠ R3

R1 = R2 = R3

12.  С помощью омметра установить сопротивления реостатов равными: