ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Руководство по выполнению базовых экспериментов
ЭЦПЕТ.001 РБЭ (902)
2006
Беглецов Н.Н., Галишников Ю.П., Сенигов П.Н. Электрические цепи переменного тока. Руководство по выполнению базовых экспериментов. ЭЦПЕТ.001 РБЭ (902) - Челябинск: ООО «Учебная техника», 2006. - 138 с.
Описаны базовые эксперименты, выполняемые в лабораторных работах по курсам «Теория электрических цепей и основы электроники», «Теоретические основы электротехники» и «Электротехника и основы электроники». Приведены общие сведения, электрические схемы соединений и порядок выполнения каждого эксперимента.
Руководство предназначено для использования при подготовке к проведению лабораторных работ в высших и средних профессиональных образовательных учреждениях.
 |
ã ООО «Учебная техника», 2006
Содержание
Введение. 7
1. Описание комплекта типового лабораторного оборудования «Теоретические основы электротехники» 10
1.1. Общие сведения. 10
1.1.1. Компоновка оборудования. 10
1.1.2. Блок генераторов напряжений. 11
1.1.3. Наборная панель. 12
1.1.4. Набор миниблоков по теории электрических цепей и основам электроники. 13
1.1.5. Набор трансформаторов. 14
1.1.6. Блок мультиметров. 14
1.1.7. Ваттметр. 16
1.1.8. Набор миниблоков по теории электромагнитного поля. 16
1.1.9. Набор планшетов для моделирования электрических и магнитных полей. 20
1.1.10. Набор устройств для моделирования поверхностного эффекта и эффекта близости. 21
1.1.11. Коннектор. 22
1.1.12. Порядок работы с виртуальными амперметрами и вольтметрами. 23
1.1.13. Измерение сопротивлений, мощностей и углов сдвига фаз с помощью виртуальных . приборов 24
1.1.14. Виртуальный осциллограф.. 26
1.1.15. Виртуальный псевдоаналоговый прибор. 28
1.1.16. Виртуальный прибор «Ключ». 29
1.2. Экспериментальная часть. 30
2. Параметры синусоидального напряжения (тока) 32
2.1. Общие сведения. 32
2.2. Экспериментальная часть. 34
3. Активная мощность цепи синусоидального тока. 36
3.1. Общие сведения. 36
3.2. Экспериментальная часть. 37
4. Цепи синусоидального тока с конденсаторами.. 39
4.1. Напряжение и ток конденсатора. 39
4.1.1. Общие сведения. 39
4.1.2. Экспериментальная часть. 39
4.2. Реактивное сопротивление конденсатора. 41
4.2.1. Общие сведения. 41
4.2.2. Экспериментальная часть. 41
4.3. Последовательное соединение конденсаторов. 44
4.3.1. Общие сведения. 44
4.3.2. Экспериментальная часть. 44
4.4. Параллельное соединение конденсаторов. 46
4.4.1. Общие сведения. 46
4.4.2. Экспериментальная часть. 46
4.5. Реактивная мощность конденсатора. 48
4.5.1. Общие сведения. 48
4.5.2. Экспериментальная часть. 49
5. Цепи синусоидального с катушками индуктивности.. 51
5.1. Напряжение и ток катушки индуктивности. 51
5.1.1. Общие сведения. 51
5.1.2. Экспериментальная часть. 51
5.2. Реактивное сопротивление катушки индуктивности. 53
5.2.1. Общие сведения. 53
5.2.2. Экспериментальная часть. 53
5.3. Последовательное соединение катушек индуктивности. 55
5.3.1. Общие сведения. 55
5.3.2. Экспериментальная часть. 55
5.4. Параллельное соединение катушек индуктивности. 57
5.4.1. Общие сведения. 57
5.4.2. Экспериментальная часть. 57
5.5. Реактивная мощность катушки индуктивности. 59
5.5.1. Общие сведения. 59
5.5.2. Экспериментальная часть. 60
6. Цепи синусоидального тока с резисторами, конденсаторами и катушками индуктивности.. 62
6.1. Последовательное соединение резистора и конденсатора. 62
6.1.1. Общие сведения. 62
6.1.2. Экспериментальная часть. 64
6.2. Параллельное соединение резистора и конденсатора. 66
6.2.1. Общие сведения. 66
6.2.2. Экспериментальная часть. 67
6.3. Последовательное соединение резистора и катушки индуктивности. 69
6.3.1. Общие сведения. 69
6.3.2. Экспериментальная часть. 70
6.4. Параллельное соединение резистора и катушки индуктивности. 72
6.4.1. Общие сведения. 72
6.4.2. Экспериментальная часть. 73
6.5. Последовательное соединение конденсатора и катушки индуктивности. Понятие о резонансе напряжений 75
6.5.1. Общие сведения. 75
6.5.2. Экспериментальная часть. 76
6.6. Параллельное соединение конденсатора и катушки индуктивности. Понятие о резонансе токов. 78
6.6.1. Общие сведения. 78
6.6.2. Экспериментальная часть. 79
6.7. Частотные характеристики последовательного резонансного контура. 81
6.7.1. Общие сведения. 81
6.7.2 Экспериментальная часть. 82
6.8. Частотные характеристики параллельного резонансного контура. 85
6.8.1. Общие сведения. 85
6.8.2 Экспериментальная часть. 87
6.9. Мощности в цепи синусоидального тока. 90
6.9.1. Общие сведения. 90
6.9.2. Экспериментальная часть. 91
Задание. 91
Порядок выполнения работы.. 91
7. Трансформаторы.. 93
7.1. Коэффициент магнитной связи. 93
7.1.1. Общие сведения. 93
7.1.2. Экспериментальная часть. 94
7.2. Коэффициент трансформации. 96
7.2.1. Общие сведения. 96
7.2.2. Экспериментальная часть. 96
7.3. Преобразование сопротивлений с помощью трансформатора. 98
7.3.1. Общие сведения. 98
7.3.2. Экспериментальная часть. 98
7.4. Определение параметров схемы замещения и построение векторной диаграммы трансформатора. 100
7.4.1. Общие сведения. 100
7.4.2. Экспериментальная часть. 101
7.5. Внешняя характеристика и коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора. 104
7.5.1. Общие сведения. 104
7.5.2. Экспериментальная часть. 104
8. Трехфазные цепи синусоидального тока. 106
8.1. Напряжения в трехфазной цепи. 106
8.1.1. Общие сведения. 106
8.1.2. Экспериментальная часть. 107
8.2. Трехфазная нагрузка, соединенная по схеме «звезда». 109
8.2.1. Общие сведения. 109
8.2.2. Экспериментальная часть. 110
8.3. Трехфазные нагрузки, соединенные по схеме «треугольник». 112
8.3.1. Общие сведения. 112
8.3.2. Экспериментальная часть. 113
8.4. Аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду. 115
8.4.1. Общие сведения. 115
8.4.2. Экспериментальная часть. 117
8.5 Аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник. 121
8.5.1. Общие сведения. 121
8.5.2. Экспериментальная часть. 122
9. Расчёт и экспериментальное исследование цепи при несинусоидальном приложенном напряжении 125
9.1. Общие сведения. 125
9.2. Экспериментальная часть. 126
9.3. Приложение. 129
10. Переходные процессы в линейных электрических цепях. 130
10.1. Переходный процесс в цепи с конденсатором и резисторами. 130
10.1.1 Общие сведения. 130
10.1.2. Экспериментальная часть. 130
10.2. Процессы включения и отключения цепи с катушкой индуктивности. 133
10.2.1 Общие сведения. 133
10.2.2. Экспериментальная часть. 133
10.3. Затухающие синусоидальные колебания в R-L-C контуре. 135
10.3.1. Общие сведения. 135
10.3.2. Экспериментальная часть. 136
Литература. 138
Введение
Комплект типового лабораторного оборудования «Теория электрических цепей и основы электроники» предназначен для проведения лабораторного практикума по одноимённым разделам курсов «Теоретические основы электротехники», «Теория электрических цепей», «Электротехника и основы электроники», «Общая электротехника» и т.п. в профессиональных высших и средних учебных учреждениях.
Основными компонентами компьютеризованного варианта комплекта «Теория электрических цепей и основы электроники» являются:
· блок генераторов напряжений;
· наборная панель;
· набор миниблоков;
· набор трансформаторов;
· блок мультиметров;
· коннектор;
· соединительные провода и перемычки, питающие кабели.
….В «ручной» (т.е. некомпьютеризованный) вариант вместо коннектора входит
В зависимости от варианта исполнения в комплект может входить также либо лабораторный стол с выдвижными ящиками и рамой для установки оборудования (стендовый вариант), либо просто настольная рама, которая может быть установлена на любой стол (настольный вариант).
Эти же компоненты наряду с другими входят в комплект «Электротехника и основы электроники»
Комплект типового лабораторного оборудования «Теоретические основы электротехники», кроме перечисленных выше компонентов, содержит:
· дополнительный набор миниблоков для исследования электромагнитных полей;
· набор планшетов для моделирования электрических и магнитных полей;
· набор устройств для исследования поверхностного эффекта и эффекта близости.
В первой главе данного руководства описано устройство составных частей комплекта «Теоретические основы электротехники», даны рекомендации по их использованию и приведены некоторые технические характеристики. В последующих главах описаны базовые эксперименты по разделу «Электрические цепи постоянного тока».
Описание каждого эксперимента содержит
· Общие сведения,
· Экспериментальную часть.
Раздел «Общие сведения» содержит краткое введение в теорию соответствующего эксперимента. Для более глубокого изучения теоретического материала учащемуся следует обратиться к учебникам и компьютерным программам тестирования для проверки усвоения теории и оценки готовности к лабораторно - практическим занятиям.
В разделе «Экспериментальная часть» сформулированы конкретные задачи эксперимента, представлены схемы электрических цепей, таблицы и графики для регистрации и представления экспериментальных данных. В ряде случаев поставлены вопросы для более полного осмысления результатов эксперимента.
Настоящее руководство предназначено для быстрого освоения комплекта преподавателями кафедр и разработки ими необходимых материалов для проведения лабораторного практикума в соответствии с рабочими планами и традициями кафедр. На первом этапе внедрения рассматриваемых комплектов типового лабораторного оборудования в учебный процесс данное руководство или его отдельные фрагменты могут непосредственно использоваться студентами при выполнении лабораторных работ.
Условные обозначения основных элементов электрических цепей приведены в табл. В.1. В табл. В.2 представлены базовые электрические величины и их единицы измерения.
Таблица В.1
| Наименование элемента | Условное обозначение | Наименование элемента | Условное обозначение | |||
          Источники электрической энергии:
источник напряжения (ЭДС) постоянного тока (идеальный)
источник постоянного тока (идеальный)
гальванический элемент или аккумулятор
 источник напряжения (ЭДС) синусоидального тока
| Проводники электрической цепи: одиночный пересекающиеся, несоединенные пересекающиеся, соединенные | |||||
            Резисторы:
Постоянный линейный
Переменный линейный
Нелинейный
| Выключатели: однополюсные двухполюсные | |||||
| Индуктивности: Линейная С разомкнутым магнитопроводом С магнитопроводом |
| Конденсаторы Общее обозначение Полярный (электролитический) Нелинейный |
| |||
| Трансформатор | 
| Диоды и тиристоры: Выпрямительный диод
Стабилитрон
Диодный тиристор
Триодный тиристор
|
| |||
| Транзисторы: Биполярный Униполярный (полевой) | 
| |||||
 Лампы накаливания:
осветительная
сигнальная | Измерительные приборы: амперметр вольтметр ваттметр |
Таблица В.2
| Величина | Обозначение | Единица измерения | Другие используемые величины |
| Заряд | Q | 1 К = 1 Кулон | мК |
| Ток | I | 1 А = 1 Ампер | мА, мкА |
| Напряжение/ЭДС | U/E | 1 В = 1 Вольт | мВ, кВ |
| Сопротивление | R | 1 Ом | кОм, МОм |
| Проводимость | G | 1 См = 1 Сименс | |
| Индуктивность | L | 1 Гн = 1 Генри | мГн, мкГн |
| Ёмкость | С | 1 Ф = 1 Фарада | мкФ, нФ, пФ |
1. Описание комплекта типового лабораторного оборудования «Теоретические основы электротехники»
Общие сведения
Компоновка оборудования
Общая компоновка типового комплекта оборудования в стендовом исполнении показано на рис. 1.1. На лабораторном столе закреплена рама, в которой устанавливаются отдельные блоки. Расположение блоков жёстко не фиксировано. Оно может изменяться для удобства проведения того или иного конкретного эксперимента. Наборная панель, на которой собирается электрическая цепь из миниблоков может устанавливаться и непосредственно на столе.
Рис.1.1
В выдвижных ящиках хранятся наборы миниблоков и устройств, соединительные провода, перемычки и кабели, методические материалы. Один из наборов миниблоков показан на рис. 1.1 на столе. Ящики имеют встроенные замки.
Блок генераторов напряжений
Лицевая панель блока генераторов напряжений показана на рис. 1.2. Генератор состоит из источника синусоидальных напряжений, генератора напряжений специальной формы и генератора постоянных напряжений.
Все генераторы включаются и выключаются общим выключателем «СЕТЬ» и защищены от внутренних коротких замыканий плавким предохранителем с номинальным током 2 А
.
Рис.1.2
На лицевой панели блока указаны номинальные напряжение и ток каждого источника напряжения, а также диапазоны изменения регулируемых выходных величин. Все источники напряжений гальванически изолированы друг от друга и от корпуса блока и защищены от перегрузок и внешних коротких замыканий самовосстанавливающимися предохранителями с номинальным током 0,2 А. О срабатывании предохранителя свидетельствует индикатор «I >».
Генератор синусоидальных напряжений содержит однофазный источник напряжения 24 В (вторичная обмотка питающего трансформатора 220/24 В) и трёхфазный стабилизированный по амплитуде выходного напряжения преобразователь однофазного напряжения в трёхфазное. Выходное сопротивление трёхфазного источника в рабочем диапазоне токов близко к нулю.
Генератор напряжений специальной формы вырабатывает на выходе синусоидальный, прямоугольный двухполярный или прямоугольный однополярный сигнал в зависимости от положения переключателя «ФОРМА». Выходное сопротивление генератора в рабочем диапазоне токов также близко к нулю. Между гнездами «СИНХР» и «0 В» генератора при любом положении переключателя «ФОРМА» вырабатываются однополярные прямоугольные импульсы амплитудой 5 В, которые можно использовать для внешней синхронизации осциллографа. Частота сигнала регулируется десятиоборотным потенциометром «ЧАСТОТА» и не зависит как от формы и амплитуды сигнала, так и от тока нагрузки.
Генератор постоянных напряжений содержит три источника стабилизированного напряжения 15 В, гальванически изолированных друг от друга. Выходное напряжение одного из этих источников регулируется от 0 до 15 В десятиоборотным потенциометром. Выходные сопротивления этих источников также близки к нулю и все они допускают режим работы с обратным током (режим потребления энергии). Для получения постоянных напряжений больше 15 В они могут соединяться последовательно. Для исключения источников из собранной схемы цепи используются переключатели (тумблеры).
Наборная панель
Наборная панель (рис. 1.3) служит для расположения на ней миниблоков в соответствии со схемой данного опыта.
Рис.1.3
Гнёзда на этой панели соединены в узлы, как показано на ней линями. Поэтому часть соединений выполняется автоматически при установке миниблоков в гнёзда панели. Остальные соединения выполняются соединительными проводами и перемычками. Так на фрагменте цепи, показанной на рис.1.3, напряжение подаётся проводами через выключатель к одной из обмоток трансформатора. К другой обмотке подключены резистор и конденсатор, соединённые последовательно.
Для измерения токов в ветвях цепи удаляется одна из перемычек и вместо неё в образовавшийся разрыв включается амперметр. Для измерения напряжений на элементах цепи параллельно рассматриваемому элементу включается вольтметр.
1.1.4. Набор миниблоков по теории электрических цепей и основам
электроники
Миниблоки представляют собой отдельные элементы электрических цепей (резисторы, конденсаторы, индуктивности диоды, транзисторы и т.п.), помещённые в прозрачные корпуса, имеющие штыри для соединения с гнёздами наборной панели. Некоторые миниблоки содержат несколько элементов, соединённых между собой или более сложные функциональные блоки. На этикетках миниблоков изображены условные обозначения элементов или упрощённые электрические схемы их соединения, показано расположение выводов и приведены основные технические характеристики. Миниблоки хранятся в специальном контейнере.
Большинство миниблоков комплекта «Теория электрических цепей и основы электроники» содержат по одному элементу электрических цепей. Состав этого набора приведён в табл. 1.1.
Таблица 1.1
| Наименование и характеристики | Кол. | Наименование и характеристики | Кол. |
| Резисторы МЛТ, 2 Вт, ±5% 10 Ом 22 Ом 33 Ом 47 Ом 100 Ом 150 Ом 220 Ом 330 Ом 470 Ом 680 Ом 1 кОм 2,2 кОм 4,7 кОм 10 кОм 22 кОм 33 кОм 47 кОм 100 кОм 1 Мом Потенциометры СП4-2М 1 кОм 10 кОм Конденсаторы К-73-9, 100 В 0,01 мкФ 0,1 мкФ Конденсаторы К73-17, 63 В 0,22 мкФ 0,47 мкФ 1 мкФ Конденсаторы электролитические SR-63 В, 10 мкФ SR-63 В, 100 мкФ SR-35 В, 470 мкФ | 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 2 1 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 | Индуктивности 10 мГн, 90 мА 40 мГн, 65 мА 100 мГн, 50 мА Тумблер МТД-1, 250 В, 2 А Лампа сигнальная СМН-10 55 Термистор РТС 50 Ом Термистор NТС 6,8 кОм Варистор S07K11, 18 В, 1 мА Фоторезистор СФ3-4Б Диоды КД 226 (1N5408) 1А, 100 В Стабилитрон КС510А, 10 В Светодиод АЛ 307 Б Варикап КВ 105А, 20 мА Динистор (диодный тиристор) КН 102Б Тиристор триодный КУ 101Е Транзисторы биполярные КТ502 Г (pnp) КТ503 Г (npn) Транзисторы униполярные КП 303Е (с каналом n-типа) КП101Е (с каналом р-типа) Транзистор однопереходный КТ117Г Операционный усилитель КР 140 УД 608А | 1 1 2 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 |
Набор трансформаторов
Набор трансформаторов включает в себя четыре разборных трансформатора, выполненных на разъёмных U-образных сердечниках из электротехнической стали с толщиной листа 0,08 мм. Сечение сердечника 16´12 мм. На трёх трансформаторах установлены катушки 900/300 витков, на четвёртом 100/100 витков, однако, они легко переставляются. Номинальные параметры трансформаторов при частоте 50 Гц приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
| W | UH, B | IH, мА | R, Ом | SH, ВА |
| 100 | 2,33 | 600 | 0,9 | 1,4 |
| 300 | 7 | 200 | 4,8 | 1,4 |
| 900 | 21 | 66,7 | 37 | 1,4 |
Блок мультиметров
Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока представлен на рис. 1.4. В нём установлены 2 серийно выпускаемых мультиметра MY60, MY62 или MY64. Подробная техническая информация о них и правила применения приводится в руководстве по эксплуатации изготовителя. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителей защиты токовых цепей мультиметров.
Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров соблюдайте следующие правила:
· Не превышайте допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого рода работы
· Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливайте переключатель пределов измерения на наибольшую величину.
· Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы (не для изменения предела измерения!), отключайте щупы от проверяемой цепи.
· Не измеряйте сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение.
· Не измеряйте ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они разряжены.
· Будьте внимательны при измерении тока мультиметрами МY62 и МY64. Предохранитель 0,2 А этих мультиметов может перегореть от источников напряжения имеющихся в данном стенде. Мультиметр МY60 защищён предохранителем 2 А, который не может перегореть от токов, создаваемых источниками данного стенда.
Рис. 1.4
До подключения мультметра к цепи необходимо выполнить следующие операции:
· выбор измеряемой величины: - V, ~ V, - A, ~ A или W;
· выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату измерений;
· правильное подсоединение зажимов мультиметра к исследуемой цепи.
Присоединение мультиметра как вольтметра, амперметра и омметра показано на рис. 1.5.
Рис. 1.5
Ваттметр
Ваттметр входит только в ручной вариант комплекта. Общий вид ваттметра изображён на рис. 1.6.
Его принцип действия основан на перемножении мгновенных значений тока и напряжения и отображении среднего значения этого произведения на дисплее прибора в цифровом виде.
Прибор включается в цепь согласно приведённой на лицевой панели схеме. Для измерения активной мощности, гнёзда, помеченные символом «·», должны быть соединены перемычкой. После сборки схемы необходимо включить выключатель «Сеть» и установить необходимые пределы измерения по току и по напряжению тумблерами. Если выбран заниженный предел измерения, то включается сигнализация перегрузки I > или (и) U >. Если, наоборот, предел завышен, то включается сигнализация I < или (и) U <. Справа от окошка цифровых индикаторов включаются автоматически светодиоды сигнализации размерности Вт или мВт.
