Методические указания по выполнению лабораторных работ
Пермский национальный исследовательский
Политехнический университет
Лысьвенский филиал
Кафедра ЕН
Методические указания
По выполнению лабораторных работ по курсу
«Теоретические основы электротехники»
Часть 1: «Линейные электрические цепи постоянного тока»
для студентов изучающих курс «Теоретические основы электротехники»
для всех направлений.
Лысьва 2015
УДК 621.3
Методические указания для выполнению лабораторных работ по курсу «Теоретические основы электротехники» Часть 1: «Линейные электрические цепи постоянного тока».
Составлены ст. преподавателем Нечаевым С.А. Лысьва, 2015. – 28 с
Методические указания по выполнению лабораторных работ составлены применительно к рабочей программе по курсу дисциплины ТОЭ.
Продолжительность каждого лабораторного занятия – 2 часа.
Домашняя подготовка 1 – час.
Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры естественнонаучных дисциплин ЛФ ПНИПУ «___» ___________ 2015_ г.,
протокол № ____.
ã «Пермский национальный исследовательский политехнический университет», 2015 г.
Содержание
1. Методические указания к выполнению лабораторных работ. 3
2. Основные положения теории. 4
3. Лабораторная работа №1. «Исследование последовательного и 8
параллельного соединения сопротивлений»
4. Лабораторная работа №2. «Эквивалентное преобразование 11
треугольник – звезда»
5. Лабораторная работа №3. «Изучение законов Кирхгофа в 14
применении к многоконтурной цепи»
6. Лабораторная работа №4. «Изучение принципа наложения 16
токов»
7. Лабораторная работа №5. «Опытная проверка расчета тока в 19
диагонали мостовой схемы по методу эквивалентного генератора»
8. Лабораторная работа №6. «Изучение потенциалов 22
электрической цепи. Построение потенциальной диаграммы цепи»
9. Рекомендованная литература. 25
ОПД.Ф.05 Теоретические основы электротехники: 340
теория линейных электрических цепей (цепи постоянного, синусоидального и несинусоидального токов), методы анализа линейных цепей с двухполюсными и многополюсными элементами; трехфазные цепи; переходные процессы в линейных цепях и методы их расчета; нелинейные электрические и магнитные цепи постоянного и переменного тока; переходные процессы в нелинейных цепях; аналитические и численные методы анализа нелинейных цепей; цепи с распределенными параметрами (установившийся и переходный режимы); цифровые (дискретные) цепи и их характеристики; теория электромагнитного поля, электростатическое поле; стационарное электрическое и магнитное поля; переменное электромагнитное поле; поверхностный эффект и эффект близости; электромагнитное экранирование; численные методы расчета электромагнитных полей при сложных граничных условиях; современные пакеты прикладных программ расчета электрических цепей и электромагнитных полей на ЭВМ.
Экзаменационные вопросы по ТОЭ
1.Электрическая цепь и ее элементы.
2.Классификация цепей по видам элементов.
3.Параметры электрической цепи.
4.Источники напряжения и тока, условия их эквивалентности.
5.Закон Ома для участка цепи. Обобщенный закон Ома.
6.Законы Кирхгофа.
7.Баланс мощностей.
8.Метод пропорциональных величин.
9.Метод контурных токов.
10.Принцип наложения и метод наложения.
11.Теорема взаимности.
12.Теорема компенсации.
13.Метод двух узлов.
14.Метод узловых потенциалов.
15.Метод преобразования звезды в треугольник и обратно.
16.Метод эквивалентного генератора.
17.SIN-ный ток и основные хар-щие его величины.
18.Среднее и действующее значения син-но изменяющейся величины.
19.Векторная диаграмма
20.Параметры .электрической цепи переменного тока.
21.Основы символического метода р-та цепей переменного тока.
22.Закон Ома для цепи переменного тока.
23.Комплексная проводимость.
24.Законы Кирхгофа в символической форме записи.
25.Топографическая диаграмма.
26.Резонанс токов.
27.Резонанс напряжений.
28.Частотные характеристики двухполюсников.
29.Согласующий трансформатор.
30.Идеальный трансформатор.
31Расчет эл. цепей при наличии в них магнитно-связных катушек.
32.Соотношения между линейными и фазовыми напряжениями.
33.Вращающееся магнитное поле.
34.Основные уравнения четырехполюсников в Z-Y-A-формах.
35.Операторный метод расчета переходных процессов.
36.Спектральный метод анализа переходных процессов.
37.Классический метод расчета переходных процессов.
Методические указания по выполнению лабораторных работ.
Лабораторные работы являются практической частью курса ТОЭ и имеют назначение на практике подтвердить основные положения теории с целью закрепления изученного материала.
Лабораторные работы в ЛФ ПГТУ выполняются с помощью лабораторных стендов “Уралочка-2”. На передней панели стенда расположены 3 мультиметра, автоматические выключатели, клеммы питания постоянного и переменного тока, реостат, лампа нагрузки. Для выполнения работ используются специальные блоки, на которых расположены магазины сопротивлений и конденсаторов, специализированные лабораторные установки.
Работы выполняются бригадами по 2 человека после прослушивания курса лекций. Приступая к выполнению лабораторных работ студент должен изучить основные положения теории к данной работе, описание работы из методического пособия, подготовить таблицы для снятия измеряемых величин.
Лабораторные работы выполняются согласно порядка выполнения работ в методическом руководстве.
Выполненные работы защищаются и их положительная оценка является одним из необходимых условий для получения зачета или сдачи экзамена.
Отчеты к лабораторным работам оформляются на листах писчей бумаги формата А4 каждым студентом в отдельности, четким почерком или машинописным текстом.
В отчете должны быть представлены:
Название и цель выполняемой работы.
Краткое описание хода работы.
Электрические схемы проведения опытов.
Таблицы сделанных измерений и вычисленных величин.
Формулы, с помощью которых определяются искомые величины и расчеты по ним (в форме представления исходных данных и окончательных результатов вычислений).
Выполненные в масштабе необходимые графики и диаграммы.
Ответы на контрольные вопросы.
Выводы, отражающие цель и результаты выполнения работы.
Титульный лист. (Допускается оформление всех лабораторных работ в одном отчете.)
Рисунки и графики помещаются по тексту в соответствующих местах или на отдельных листах и выполняются в удобном для чтения масштабе.
Все расчетные формулы и преобразования записываются сначала в буквенном виде, а затем подставляются числовые значения. Принятые обозначения должны быть пояснены и выдерживаются от начала до конца текста. Итоговые результаты подчеркиваются, либо выделяются в отдельную строку или в таблицы.
Работа должна быть подписана и датирована студентом.
Выводы к лабораторным работам должны отражать цель выполнения работы, краткий ход выполнения работы с главными числовыми результатами, анализ результатов в соответствии с целью работы.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
1.1. Эквивалентные преобразования пассивных электрических цепей.
Преобразование считается эквивалентным, если в результате замены некоторого участка цепи на эквивалентный, не изменяются токи и напряжения в не преобразованной части цепи.
Последовательно соединенные сопротивления при эквивалентной замене суммируются:
При параллельном соединении пассивных элементов суммируются их проводимости:
или 
Двум параллельным сопротивлениям эквивалентно сопротивление:
Если каждое из n сопротивлений равно R, то при последовательном их соединении: 
; при параллельном: 
.
Преобразование пассивного треугольника сопротивлений в эквивалентную звезду сопротивлений ( рис.1. ) производится по формулам:
Обратное преобразование из звезды в треугольник производится по формулам:
 |
рис. 1.
1.2. Метод наложения
На основании принципа наложения можно убедиться, что ток любой ветви и напряжение на любом участке цепи могут быть представлены в виде суммы составляющих, вызванных отдельными источниками.
Это обстоятельство позволяет определить составляющие тока (напряжения), создаваемые каждым источником в отдельности из подсхем, в каждой из которых исключены все источники кроме одного, но сохранены их внутренние сопротивления. При исключении источники ЭДС замыкаются накоротко, ветви с источниками тока размыкаются.
Искомый ток ветви, направление которого задается предварительно, находится как алгебраическая сумма его составляющих. При суммировании со знаком •+' берутся те составляющие тока, направление которых совпадает с направлением искомого тока в исходной цепи.
Мощность является квадратичной функцией тока, поэтому не может быть найдена как сумма мощностей от отдельных составляющих токов.
1.3. Метод двух узлов
Данный метод является частным случаем метода узловых потенциалов.
Если в цепи всего два узла, система уравнений. составляемая в соответствии с методом узловых потенциалов, содержит всего одно уравнение вида:
Таким образом 
и т.к. потенциал второго угла 
принят равным нулю ( = 0), следовательно, напряжение между двумя узлами:
, где
—узловой ток первого узла, определенный по формуле вида:
(k+j) - общее число источников, содержащихся в ветвях, соединенных в i-узле.
Jk- задающие токи источников тока (К - число источников тока)
Ej, Gj - произведение задающей ЭДС источников напряжения и проводимости ветви, содержащей данный источник (j - число источников напряжения).
При суммировании с •+' следует брать задающие воздействия тех источников, действие которых направлено к узлу.
-узловая проводимость первого узла, определяемая как сумма проводимостей ветвей, соединенных в данном узле. Необходимо помнить, что проводимость ветви, содержащей источник тока, равна нулю.
Определив напряжение между двумя узлами , с использованием закона Ома и обобщенного закона Ома легко определить все неизвестны» токи ветвей.
Формулировка обобщенного закона Ома: ток участка цепи, содержащей источник ЭДС (рис.2.), определяется по формуле:
 |
При суммировании с '+' берется ЭДС, направление действия которой совпадает с принятым направлением тока.
Рис.2.
1.4. Метод эквивалентного генератора.
Рассматривая сложную цепь относительно зажимов выделенной i – ветви как активный двухполюсник (рис.3), который может быть представлен в виде эквивалентного генератора (источника напряжения), ток данной ветви можно определить по формуле:
где Uхх – ЭДС эквивалентного генератора (источника напряжения); определяется как напряжение на разомкнутых выходных зажимах активного двухполюсника (режим холостого хода).
 |
Rвх – внутренне сопротивление эквивалентного генератора, равное входному сопротивлению пассивного двухполюсника, который может быть получен из рассматриваемого активного путем исключения источников. При исключении источники напряжения замыкаются накоротко; ветви содержащие источники тока размыкаются.
Рис.3. Активный двухполюсник.
Входное сопротивление Rвх можно также определить используя данные режима короткого замыкания, при котором выходные зажимы активного двухполюсника (1-1’) замкнуты накоротко (Ri = 0). Ток короткого замыкания Iкз в исследуемой ветви может быть определен:
следовательно, для определения входного сопротивления применима формула:
Лабораторная работа №1.
«Исследование последовательного и параллельного соединения сопротивлений»
Цель работы: экспериментально проверить методы расчета эквивалентных сопротивлений при последовательном и параллельном соединении исходных сопротивлений, получить навыки работы с электроизмерительными приборами и умения собирать электрические схемы.
ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ:
Повторить разделы курса ТОЭ в которых рассматривается закон Ома; последовательное и параллельное соединение сопротивлений. [ Л.1. п.п. 2.3-2.4, 2.20; стр. 31-32,53; Л.2. п.п.1.3,1.5, стр.18-21].
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Какое соединение резисторов называется последовательным а какое параллельным?
2. Как определить общее сопротивление при последовательном и параллельном соединении?
3. Что называется проводимостью и в каких единицах она измеряется?
4. Чему равен общий ток в цепи и напряжение на участках при последовательном и параллельном соединении?
5. Как определяется мощность на участках цепи и всей цепи при последовательном и параллельном соединении?
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ:
1. Собрать электрическую схему цепи с последовательным соединением сопротивлений (рис.4).
2. Определить цену деления приборов, исходя из установленных пределов измерений.
3. Установить на магазине сопротивлений заданные величины. (Перед началом работы все ключи на магазинах должны быть замкнуты, т.е. находится в крайнем верхнем положении.)
4. Предъявить схему для проверки преподавателю.
5. Включить автомат постоянного тока, установить при помощи реостата напряжение 30 вольт по вольтметру.
6. Измерить ток в цепи и напряжение на каждом сопротивлении. Результаты занести в таблицу №1.
7. Выключить автомат.
8. Собрать электрическую схему цепи с параллельным соединением сопротивлений (рис.5).
9. Установить на магазине сопротивлений заданные величины.
10. Предъявить схему для проверки преподавателю.
11. Включить автомат постоянного тока, установить при помощи реостата заданное напряжение по вольтметру.
12. Измерить ток в цепи и токи через каждое сопротивление. Результаты занести в таблицу №2.
13. Разобрать схему.
14. Произвести необходимые расчеты, баланс мощностей и сделать выводы.
15. Ответить на контрольные вопросы в письменном виде.
Рис.4. Последовательное соединение сопротивлений.
Таблица №1. (Последовательное соединение сопротивлений)
| № | Установлено | Измерено | Вычислено | |||||||||||||||
| R1 Ом | R2 Ом | R3 Ом | U В | I А | U1 В | U2 В | U3 В | Up В | R1p Ом | R2p Ом | R3p Ом | Rp Ом | P1 Вт | P2 Вт | P3 Вт | Pp Вт | ||
Обработка результатов измерений.
Расчетные формулы:
Рист = Рпотр
 |
Рис.5. Параллельное соединение сопротивлений.
Таблица №2. (Параллельное соединение сопротивлений)