ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА
ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА»
Е. Н. Иванов
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Методические указания к лабораторно-пракическим
занятиям по общей электротехнике
Санкт – Петербург
УДК 621.3
ББК 31.2
И20
Рецензент:
Сахаров В.В., д.т.н., проф., зав. кафедрой электротехники и автоматики ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»,
Иванов Е.Н. Электрические цепи:
Учебно-методическое пособие. ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова», 2013. – 42 с.
Учебно-методическое пособие «Электрические цепи» составлено в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и предназначено для студентовФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»,обучающихся по техническим специальностям.
УДК 621.3
ББК 31.2
© Иванов Е.Н., 2013,
© ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»,, 2013
ВВЕДЕНИЕ
Лабораторные работы закрепляют и углубляют теоретические знания, полученные на лекциях и во время самостоятельных занятий, дают возможность научиться правильно, подбирать электрические измерительные приборы, позволяют получить практические знания по сборке электротехнических схем.
Перед выполнением каждой лабораторной работы необходимо провести следующую подготовительную работу:
1. Ознакомиться с описанием лабораторной работы и приборами, необходимыми для её выполнения.
2. Записать краткое содержание работы, расчётные формулы и основные данные приборов.
4. Подготовить таблицы измерений и вычислений результатов лабораторных исследований.
5. Повторить по учебнику и конспекту лекций теоретический материал, касающийся данной работы.
6. Уяснить цели и задачи, поставленные в лабораторной работе.
Знания студентом перед допуском к лабораторной работе будут проверены преподавателем.
Студенты, не подготовившиеся к выполнению лабораторной работы, к занятиям в лаборатории не допускаются и выполняют их в часы, указанные преподавателем.
Каждая лабораторная работа выполняется бригадой в составе трёх-четырёх человек.
После проверки собранной схемы всеми студентами бригады, схема обязательно предъявляется для окончательной проверки преподавателю или лаборанту. Если схема собрана правильно, то в присутствии преподавателя или лаборанта цепь включается под напряжение. В момент включения цепи под напряжение необходимо всё внимание сосредоточить на показаниях измерительных приборов. При ненормальном отклонении стрелок приборов (в обратную сторону, чрезмерно большие отклонения) цепь должна быть немедленно выключена от питающей сети. Работать в лаборатории необходимо с соблюдением правил техники безопасности, во время работы запрещается отходить от работающей схемы, подключать без разрешения преподавателя неиспользованную электрическую аппаратуру.
После выполнения работы, студенты обязаны представить результаты измерений преподавателю. В случае удовлетворительного выполнения работы с разрешения преподавателя схема отключается от сети и затем разбирается.
Отчёт по лабораторной работе должен быть выполнен каждым студентом либо на компьютере, либо аккуратно схемы, таблицы, графики и векторные диаграммы должны быть изображены карандашом. Отчёт о проделанной работе предъявляется преподавателю на следующем занятии. Не сдавшие отчёт по предыдущей работе по неуважительной причине, к выполнению следующей работы не допускаются. Следует бережно относиться к оборудованию лаборатории.
1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
1.1. ПРАВИЛА СБОРКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ И ПОЛЬЗОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ
Для проведения лабораторных работ по электротехнике используются стенды СОЭ-1. Каждый стенд питается трёхфазным синусоидальным напряжением 220В с частотой 50Гц с выводом нулевой клеммы. В состав стенда входят: лабораторный автотрансформатор, блок выпрямителей, блок электроизмерительных приборов, блок ламповых реостатов, блок конденсаторов, катушка индуктивности, элементы коммутации. При необходимости в состав стенда включают дополнительные приборы и оборудование.
При сборке электрических схем следует определиться с состоянием электрических цепей. Для цепей постоянного тока используют электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы, зажимы которых имеют определённую полярность (+) и (-). Зная полярность источника питания, следует сначала собрать основную последовательную цепь схемы, соблюдая полярность электроизмерительных приборов, затем присоединить её параллельные ветви. При проведении работ на переменном токе используют электроизмерительные приборы электромагнитной и электродинамической систем. Условное обозначение каждой системы показано на шкале прибора. Все стрелки электроизмерительных приборов в обесточенном состоянии должны быть установлены на нуле.
Категорически запрещается производить сборку схемы под напряжением. Включая приборы в схему, следует заранее знать приблизительно величину тока и напряжения в данной цепи, чтобы протекающий ток и напряжение не превышали допустимого для прибора значения во избежание порчи последнего.
Все студенты должны получить навыки в сборке схемы. Поэтому при сборке схемы распределяются обязанности между членами бригады. Например, один студент собирает цепь, а другой – контролирует. Каждый студент бригады обязан проверить всю схему после её сборки.
Собранная схема предъявляется для проверки преподавателю. Включать схему под напряжение без разрешения преподавателя или лаборанта запрещается.
1.2. ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ, СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЁТА ПО РАБОТЕ И ЕЁ ЗАЩИТА
После разрешения на включение схемы, цепь включается под напряжение, при этом обращается внимание на поведение приборов. При выполнении работы обязанности между членами бригады должны быть распределены. Например, один студент записывает показания приборов, другой - наблюдает за показаниями приборов, третий – производит переключение или регулирование режимов работы. При выполнении следующей работы обязанности должны меняться.
Снятие характеристик функциональных зависимостей необходимо производить для 6 – 8 точек, расположенных на равных расстояниях.
После выполнения работы результаты исследования необходимо показать преподавателю. Пункты работы, выполненные неверно студентами переделываются, а затем, с разрешения преподавателя, схема разбирается, и рабочее место приводится в надлежащее состояние.
Отсутствующие на занятии в лаборатории обязаны выполнить лабораторную работу в другое время до начала последующего посещения лаборатории учебной группой. Выполнение работы производится под наблюдением лаборанта или преподавателя.
Отчёт выполняется либо в компьютерном виде, либо в тетради и защищается каждым студентом в отдельности. Отчёт должен содержать: титульный лист, название и цель работы, основные теоретические положения с расчётными формулами, перечень электрооборудования и приборов, используемых в работе, принципиальную схему лабораторной установки, таблицы измерений и вычислений, графики, векторные диаграммы с указанием масштаба, выводы по работе.
В процессе защиты студент должен уметь объяснить характер полученных зависимостей и оценить полученные результаты. Кроме того, студент должен быть подготовлен для ответа на теоретические вопросы и к решению практических задач, приведённых в конце описания каждой лабораторной работы. Для подготовки к защите лабораторных работ студентам рекомендуется повторить теоретический материал по конспекту или учебнику, прорешать задачи, указанные в методичке.
1.3. ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В ЛАБОРАТОРИИ
При работе в лаборатории электротехники во избежание несчастных случаев, студент при выполнении лабораторных работ должен строго выполнять следующие правила техники безопасности:
1. Перед началом работы следует ознакомиться с источниками электропитания. Перед сборкой электрической схемы необходимо убедиться в том, что выключатель источника питания находится в выключенном состоянии.
2. При сборке схемы не допускается использование электроизмерительных приборов и аппаратов с неисправными клеммами, проводов с повреждённой изоляцией.
3. При сборке схемы обратить внимание на надёжность контактов соединений, не допускать пересечения и скручивания проводов. Приборы расставить так, чтобы удобно ими было пользоваться.
4. Перед началом работы необходимо проверить положения переключающей и регулировочной аппаратуры.
5. После окончания сборки электрической схемы преподаватель или лаборант обязан её проверить и дать разрешение на включение. Категорически запрещается включать стенд без разрешения.
6. При обнаружении неисправностей, появлении дыма, специфического запаха необходимо быстро выключить напряжение и сообщить преподавателю о случившемся.
7. Выполнять изменения в схеме и устранять возникающие неполадки можно только после выключения стенда от источника питания.
8. Запрещается прикасаться пальцами, карандашами и другими предметами к оголённым токоведущим частям электрической цепи, находящейся под напряжением.
9. Запрещается покидать рабочее место и оставлять наблюдения лабораторную установку.
10. По окончании измерений, полученные результаты следует показать преподавателю и, получив разрешение, приступить к разборке исследуемой электрической цепи. Запрещается разбирать цепь, если она не отключена от источника питания.
Инструктаж по технике безопасности должен быть зафиксирован в специальном журнале, в котором должен расписаться каждый студент.
2. ОПИСАНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ
2.1. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1
«ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА»
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1.1. Научиться собирать электрические схемы включения потребителей в сеть.
1.2. Практически проверить теоретические законы при последовательном, параллельном и смешанном соединениях потребителей в цепи.
2. ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ
2.1. Источник переменного тока напряжением 220В.
2.2. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) типа Э378, 0…250В.
2.3. Диодный выпрямительный мост (ВМ).
2.4. Потребители электрической энергии – ламповые реостаты R1, R2,R3.
2.5. Вольтметр V магнитоэлектрической системы типа М4200 на напряжение 150В.
2.6. Амперметр А1 магнитоэлектрической системы типа М4200 на ток 3А.
2.7. Амперметры А2 и А3 магнитоэлектрической системы типа М4200 на ток 1А.
2.8. Тумблер S и соединительные провода.
3. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Сущность работы заключается в практическом подтверждении закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа для цепи постоянного тока с последовательным, параллельным и смешанным соединениями потребителей.
Последовательным называется такое соединение (рис. 1.1), при котором конец первого потребителя соединён с началом второго, конец второго с началом третьего и т.д.
Рис. 1.1.
При последовательном соединении потребителей имеем:
1. Ток в цепи постоянен и его величина определяется из закона Ома:
.
2. Эквивалентное сопротивление цепи 
равно арифметической сумме сопротивлений на отдельных участках цепи:
.
3. Общее напряжение на зажимах цепи равно сумме падений напряжений на участках цепи:
.
4. Напряжения на потребителях распределяется пропорционально их сопротивлениям:
Параллельным соединением потребителей называется такое соединение, при котором начала и концы всех элементов соединяются соответственно вместе, образуя общие зажимы (рис. 1.2)
Рис. 1.2
При параллельном соединении потребителей имеем:
1. Ток 
в неразветвленной части цепи равен алгебраической сумме токов в ветвях:
.
2. Так как токи в отдельных ветвях определяются по закону Ома соотношениями 
, 
, …, 
, а ток в неразветвленной части цепи
, то эквивалентное сопротивление можно определить по формуле:
.
Эта формула показывает, что эквивалентная проводимость параллельной цепи равна сумме проводимостей отдельных ветвей цепи:
.
Необходимо отметить, что эквивалентное сопротивление цепи при параллельном соединении будет меньше, чем самое малое из сопротивлений цепи.
3. Токи распределяются между потребителями прямо пропорционально их проводимостям:
Пример смешанного соединения потребителей показан на рис.1.3.
Рис.1.3
Для определения эквивалентного сопротивления Rэ, сначала находим эквивалентную проводимость цепи между узлами c и b:
,
затем определяем эквивалентное сопротивление параллельной цепи:
.
Ток в неразветвленной части цепи определяем по закону Ома:
,
где 
- эквивалентное сопротивление всей цепи.
Находим напряжение между узлами c и b:
.
Определяем токи в параллельных ветвях:
; 
; 
.
Мощностью источника постоянного тока называют работу источника, совершаемую за единицу времени:
.
Мощность потребителей:
.
Мощность потерь энергии внутри источника:
.
Единица мощности - ватт (Вт):
.
Единица электрической работы - джоуль (Дж):
.
На практике пользуются единицей мощности киловатт (кВт): 
и единицей работы (киловатт-час): 
.
При расчете параметров электрических цепей необходимо соблюдать баланс мощностей: алгебраическая сумма мощностей всех источников энергии электрической цепи равна арифметической сумме мощностей всех приемников энергии:
.
Электрические цепи делятся на неразветвленные и разветвленные цепи. Неразветвленные цепи представляют собой последовательно соединенные источники и приемники электрической энергии. При этом источники электрической энергии могут иметь либо согласное включение (одинаковое направление), либо встречное включение (направление разное).
Разветвленными называются цепи, в которых источники и приемники электрической энергии соединены параллельно или имеют смешанное соединение. Такие цепи являются сложными, и для их расчета используются либо законы Кирхгофа, либо другие методы расчёта цепей постоянного тока.
Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю:
.
На схеме рис.1.4 показано параллельное соединение трёх приемников электрической энергии, указано направление токов для узла ‘‘а’’.
Рис.1.4
Будем считать направление тока к узлу положительным, а от узла отрицательным. Тогда, используя выражение (1.19), для узла “а” напишем:
или 
.
Второй закон Кирхгофа: во всяком замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на резистивных элементах:
,
где m - число резистивных элементов, n - число ЭДС в контуре.
При этом необходимо задаться направлением обхода контура, а также направлениями токов в ветвях контура и источников ЭДС.
На схеме рис.1.5 рассмотрим один из контуров сложной электрической цепи с указанным направлением обвода. По второму закону Кирхгофа запишем:
Рис.1.5
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
4.1. Ознакомиться с правилами техники безопасности при работе в лаборатории и расписаться в журнале проведения инструктажа.
4.2. Зарисовать электрическую принципиальную схему лабораторной установки и таблицы результатов измерений и вычислений.
4.3. Собрать электрическую принципиальную схему лабораторной установки
(рис. 1.6) и предъявить её для проверки преподавателю или лаборанту.
Рис. 1.6
4.4. Подать питание на схему. С помощью ЛАТРа установить постоянное напряжение U=150В на выходе выпрямительного моста ВМ. Измерение напряжений на участках схемы производить переносным вольтметром V.
4.5. В процессе исследования электрической цепи производить изменение количества включенных ламп, а также измерение параметров напряжений и токов на участках цепи в соответствии с приведёнными таблицами измерений и вычислений.
4.6. По результатам измерений произвести вычисления указанных в таблицах параметров.
4.7. Выполнить последовательное соединение ламповых реостатов, которое заключается в отключении тумблера S, а также всех ламп лампового реостата 
. Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 1.1.
Таблица 1.1
4.8. Выполнить параллельное соединение ламповых реостатов, которое заключается во включении тумблера S и использовании ламповых реостатов 
и . Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 1.2.
Таблица 1.2
4.9. Выполнить смешанное соединение ламповых реостатов, которое заключается в выключении тумблера S и использовании ламповых реостатов 
, и . Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 1.3, где напряжение 
.
4.10. Результаты измерений предъявить для проверки преподавателю и с его разрешения разобрать схему. Рабочее место привести в надлежащий порядок.
Таблица 1.3
5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
5.1. Номер, наименование и цель работы.
5.2. Перечень электрооборудования и приборов с указанием технических данных.
5.3. Электрическая схема лабораторной установки.
5.4. Таблицы с результатами измерений и вычислений.
5.5. Формулы расчёта электрических величин.
5.6. Выводы по работе.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
6.1. Напишите закон Ома для участка цепи и для всей цепи при последовательном соединении сопротивлений.
6.2. Напишите закон Ома для участка цепи и для всей цепи при параллельном соединении сопротивлений.
6.3. Запишите выражения эквивалентных сопротивлений для цепей, приведённых на рисунке 1.7.
6.4. Изложите сущность метода расчёта разветвлённых цепей постоянного тока с помощью законов Кирхгофа.
6.5. Изложите сущность метода эквивалентных преобразований для расчёта разветвлённых цепей постоянного тока.
6.6. Что называется электрическим узлом? Какой закон электрических цепей может быть применён к узлу? Приведите пример. Что называется электрической ветвью? Приведите пример.
Рис. 1.7
6.7. Что называется электрическим контуром? Какой закон электрических цепей может быть применён к контуру? Приведите пример.
6.8. Заданный контур входит в состав сложной цепи (рис.1.8). Составить уравнение второго закона Кирхгофа.
Рис. 1.8.
6.9. Определить число узлов, ветвей и контуров в цепях, приведённых на рис. 1.9.
Рис. 1.9
6.10. Что называется балансом мощностей? Как определить: работает ли источник ЭДС в режиме генератора или в режиме преемника?
6.11. Запишите уравнение баланса мощностей для цепи, изображённой на рис. 1.10.
6.12. Амперметры показывают, что к узлу подходят токи 3А и 8А, а отходят 5А и 7А. Сколько ветвей сходится в узле?
6.13. Какие источники ЭДС работают в режиме генератора, а какие в режиме приёмника в цепи, приведённой на рис. 1.11.
Рис.1.10
Рис.1.11
6.14. В результате расчёта для цепи, приведённой на рис. 1.11 получены следующие значения токов:
Верно ли это решение?
6.15. Определите направление тока 
по рис.1.12, если 
, 
.
Рис. 1.12
6.16. Рассчитать цепь (рис. 1.13) с помощью законов Кирхгофа, если
6.17. Определить эквивалентное сопротивление между точками “a” и “b” для цепи, приведённой на рисунке 1.14.
6.18. Определить эквивалентное сопротивление между точками “c” и “d” для цепи, приведённой на рисунке 1.14.
Рис. 1.13
Рис. 1.14
6.19. Определить эквивалентное сопротивление между точками “d” и “f” для цепи, приведённой на рисунке 1.14.
7. ВОПРОСЫ К ЗАЩИТЕ
7.1. Определить эквивалентное сопротивление между точками “a” и “b” для цепи, приведённой на рисунке 1.15, если 
Рис. 1.15
7.2. В электрической цепи (рис.1.16) напряжение U=20В, сопротивления 
. Как изменятся показания амперметра до и после замыкания рубильника S?
7.3. Как изменятся показания амперметра, если в цепи, приведённой на рис.1.17 замкнуть рубильник S?
Рис. 1.16
Рис. 1.17
7.4. Что покажет амперметр (рис. 1.18) после замыкания рубильника S, если до замыкания рубильника он показывал 9А?
Рис. 1.18
7.5. Определить ток I в цепи, изображённой на рис. 1.19, если известно, что 
Рис. 1.19
7.6. Определить эквивалентное сопротивление цепи (рис. 1.20) в случаях:
а) включенных рубильников 
и 
;
б) включенных рубильников и 
.
Рис. 1.20
7.7. Определить сопротивление , если 
, а показания амперметров указаны на схеме рис.1.21.
Рис. 1.21
7.8. Используя законы Кирхгофа и матричный метод расчёта, определить с помощью компьютера токи в цепи, представленной на рис.1.22, если заданы параметры: 
. Решение выполнить в среде MATLAB для выражения 
.
