Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ
Государственное автономное образовательное учреждение
среднего профессионального образования
«Орский индустриальный колледж»
г. Орска Оренбургской области
|
СОГЛАСОВАНО |
УТВЕРЖДАЮ |
|
Заместитель директора по УР ______________ С.В. Селезнева |
Директор ГБОУ СПО «ОИК» |
|
«____» _______________ 2013 г. |
___________ Г.А. Вереницина |
Методические указания по выполнению лабораторных работ
для студентов 2 курса
по дисциплине ОП 05. Теория электрических цепей
для специальности: 210723 Сети связи и системы коммутации с направлением углубленной подготовки «Цифровые технологии в сетях связи и системах коммутации».
Разработал преподаватель: О.А.Нецветаева
Одобрено предметной (цикловой) комиссией электротехнических дисциплин и связи.
Протокол № ____ от «___» ______________ 2013 года
Председатель ____________ __ М.А. Махеня _
2013
Лабораторная работа №1 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Электрические цепи».
Цель работы: Изучение электрических цепей, видов, их элементов.
Оснащение
1. Электрическая цепь,
2. Схема электрической цепи.
Основные теоретические положения
Электрическая цепь – это совокупность устройств и объектов, образующих путь электрического тока. Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определенную функцию, называется элементом электрической цепи.
Электрические цепи можно классифицировать: по виду тока – цепи постоянного и переменного тока; по составу элементов – цепи активные и пассивные. Цепи линейные и нелинейные; по характеру распределения параметров – цепи с сосредоточенными и распределенными параметрами.
Электрические цепи переменного тока, кроме того различают по числу фаз – однофазные, многофазные (в основном трехфазные).
Простейшая электрическая цепь (рис.1) состоит из трех основных элементов: источника энергии 1, приемника электрической энергии 2, соединительных проводов 3.
Рис.1
Кроме основных элементов в электрические цепи входят различные вспомогательные элементы для управления, защиты, регулирования, контроля. Они так же как и основные, включаются в цепь с помощью проводов.
Источник электрической энергии – это преобразователь какого- либо вида неэлектрической энергии в электрическую. В настоящее время основной вид такого преобразователя –электромеханический генератор, преобразующий механическую энергию в электрическую.
На ТЭС работают турбогенераторы – электрические машины, приводимые в движение тепловыми (паровыми и газовыми турбинами). На ГЭС установлены гидрогенераторы - электрические машины, с приводом от гидравлических турбин. Турбогенераторы и гидрогенераторы – машины переменного тока.
Для цепей постоянного тока применяются электромеханические генераторы постоянного тока. Преобразователи химической энергии в электрическую – гальванические элементы и аккумуляторы.
Приемники электрической энергии преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую, химическую (аккумуляторы при зарядке).
В электрических цепях и их схемах различают последовательное (рис.2а) и параллельное (рис.2б) соединения элементов.
На схемах:
- гальванический элемент (аккумуляторная батарея), - генератор, - резистор,
- регулируемый резистор (с переменным сопротивлением).
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задания.
Задание 1. Составить схему электрической цепи, в которой к аккумуляторной батарее присоединены три резистора. Один регулируемый, включен последовательно к группе из двух нерегулируемых, соединенных между собой параллельно. В схеме предусмотрен выключатель, измерение общего тока в цепи и напряжения на зажимах батареи.
Задание 2. Составить схему электрической цепи, в которой четыре резистора (один из них регулируемый) образуют замкнутый контур в виде четырехугольника. В одной диагонали четырехугольника – гальванический элемент, присоединенный к цепи через выключатель, в другой находится лампа, тоже присоединенная через выключатель.
Задание 3. Составить схему электрической цепи, в которой последовательно включены два нерегулируемых резистора, аккумуляторная батарея и генератор постоянного тока. В схеме предусмотрено измерение тока, измерение напряжения на зажимах батареи и генератора одним вольтметром с помощью переключателя.
Задание 4. Составить схему электрической цепи, в которой генератор постоянного тока и аккумуляторная батарея, включенные параллельно, снабжают внешнюю часть цепи, состоящей из трех нерегулируемых резисторов, включенных также параллельно. Каждый элемент цепи присоединяется к остальной цепи переключателем. В схеме предусмотреть измерение общего U, тока в каждом источнике и общего тока приемников энергии.
Контрольные вопросы
Лабораторная работа №2 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Режимы работы электрической цепи».
Цель работы: Изучение режимов работы электрических цепей.
Оснащение
1. Электрическая цепь,
2. Схема электрической цепи.
Основные теоретические положения
Режим работы электрической цепи, т.е. ее электрическое состояние, определяется величинами токов, напряжений и мощностей ее отдельных элементов. Источники и приемники электрической энергии, провода и т.д. характеризуются номинальными величинами Iн, Uн, Pн и т.д., на которые эти устройства рассчитаны заводами- изготовителями для нормальной работы. Режим работы, при котором действительные токи и т.д. элементов электрической цепи соответствуют их номинальным величинам, называется номинальным (нормальным)
Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных величин ее элементов, но отклонения находятся в допустимых пределах, то режим называется рабочим.
Рис.1 Схема цепи с переменным сопротивлением приемника энергии.
Применяя к цепи рис.1 закон сохранения энергии уравнение энергетического баланса имеет вид: (1)
где - энергия источника, - энергия приемника, - энергия потерь источника (, где r – внутреннее сопротивление источника). И тогда уравнение энергетического баланса имеет вид: (2)
уравнение баланса мощностей: (3)
уравнение баланса напряжений: (4)
где - внутреннее падение напряжения в источнике, - напряжение на внешних зажимах источника.
Ток в цепи: (5)
Напряжение на внешних зажимах источника меньше э.д.с. источника на величину внутреннего падения напряжения : (6)
Отношение мощности Рп приемника к мощности Ри источника называется коэффициентом полезного действия источника или через отношение напряжения на зажимах источника к его э.д.с.:
(7)
При , тока в цепи не будет (цепь разомкнута). Режим электрической цепи, при котором ток равен нулю, называется режимом холостого хода. При этом режиме напряжение на внешних зажимах источника равно его э.д.с.: .
При , , а напряжение на зажимах источника и приемника: .
Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами. В связи с чем напряжеие на этом участке равно нулю, называется режимом короткого замыкания.
При режиме к.з.токи, как правило, в несколько раз превышают номинальные величины, что ведет к резкому увеличению выделения тепла в токоведущих частях.
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание. На схеме цепи рис.1 э.д.с. источника Е=24 В, его внутреннее сопротивление
r=1 Ом. Вычислить, заполнить таблицу 1 и построить графики зависимости от тока в цепи: U на зажимах источника, мощности Ри, мощности приемника Рп, мощности потерь Ро, к.п.д. ή источника, если будем изменять R реостата согласно варианта:
Таблица 1
|
1 вариант |
2 вариант |
|||||||||
|
R, Ом |
∞ |
23 |
11 |
7 |
5 |
3 |
2 |
1 |
0,2 |
0 |
|
I, А |
||||||||||
|
U, В |
||||||||||
|
Ри, Вт |
||||||||||
|
Рп, Вт |
||||||||||
|
Ро, Вт |
||||||||||
|
ή , % |
Контрольные вопросы
Лабораторная работа №3 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Индуктивные элементы цепи».
Цель работы: Изучение параметров катушки индуктивности.
Оснащение
1. Электрическая цепь с катушкой индуктивности,
2. Схемы эл. цепи с катушкой индуктивности при постоянном и переменном токе.
Основные теоретические положения
Все катушки, линии электропередачи и другие устройства, кроме индуктивности L имеют и активное сопротивление. Но в отдельных случаях активным сопротивлением и емкостью можно пренебречь из-за их малости. Например, ненагруженный трансформатор в схеме замещения в ряде случаев может быть представлен только своей индуктивностью.
В катушке при изменении тока возникает э.д.с. самоиндукции, пропорционально скорости изменения тока di / dt. Она противодействует изменению тока, т.е. при увеличении тока препятствует его росту, а при уменьшении задерживает его падение. Но это противодействие зависит не только от скорости изменения тока, но и от конструкции электромагнитного устройства – индуктивности этого устройства.
При отсутствии активного сопротивления приложенное к катушке напряжение уравновешивается только э.д.с. самоиндукции, поэтому в соответствии со вторым законом Кирхгофа в любой момент времени:
И напряжение:
Действующая величина напряжения определяется из уравнения:
,
Где и - максимальные величины (амплитуды).
Реактивное сопротивление катушки будет определяться по формуле: ХL = ωL (Ом). По закону Ома:
Мгновенная мощность цепи будет определяться по формуле: ,
или: .
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание 1. Катушка имеет индуктивность L= 15,9 мГн. Активное сопротивление R=0.
Заполнить таблицу и построить график зависимости индуктивного сопротивления и тока в катушке от частоты приложенного напряжения, если действующее значение напряжения U=100 В остается неизменным. Изменение частоты дано в таблице №1.
Таблица №1
|
, Гц |
0,25 |
50 |
100 |
500 |
1000 |
10000 |
|
ХL, Ом |
||||||
|
I, А |
Задание 2. К катушке с индуктивностью L= 25,5 мГн приложено переменное напряжение
. Определить мгновенную мощность в цепи через промежуток времени 0,025с после начала отсчета.
Задание 3. Для определения параметров катушки R и L ее включили сначала в цепь постоянного тока схема рис.1(а), а затем в цепь переменного тока с частотой =50 Гц схема рис.1(б).
При постоянном токе I1=4 А, вольтметр показал U1=12 В, а при переменном I2=5 А, вольтметр показал U2=25 В. Определить активное сопротивление и индуктивность катушки. А при переменном токе активную, реактивную и полную мощности.
Рис.1
Контрольные вопросы
1.Какие свойства проявляет катушка при подключении в цепь постоянного тока?
2.Как соотносятся амплитуда гармонической величины напряжения (тока) и действующее значение величины?
Лабораторная работа №4 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Цепи переменного тока».
Цель работы: Изучение цепи переменного тока при последовательном соединении элементов R, L и С.
Оснащение
1. Электрическая цепь с последовательным соединением элементов R, L и С.
2. Схемы замещения эл. цепи.
Основные теоретические положения
При последовательном соединении катушки и конденсатора на расчетной схеме каждый из этих элементов цепи может быть представлен активным и реактивным сопротивлениями или активной и реактивной проводимостями.
Рис.1. Схемы замещения катушки и конденсатора при последовательном соединении.
Для определения напряжения на участках цепи и мощности при известных параметрах катушки R1, L и конденсатора R1, С, если ток в цепи ,определим величину общего напряжения как сумму мгновенных напряжений на отдельных элементах схемы:
Учитывая, что по фазе активные и реактивные напряжения не совпадают, общее напряжение получается векторным сложением:
.
Определяем величины векторов:
В зависимости от соотношения величин реактивных сопротивлений индуктивности и емкости могут быть три случая.
Для случая ХL>Хс векторная диаграмма будет иметь вид рис.2.
Рис.2.
Векторная сумма напряжений дает общее напряжение в цепи. Вместе с тем вектор U является гипотенузой прямоугольника напряжений. Катеты которого – активное и реактивное напряжения цепи (Uа и Uр). Т.к. векторы активных составляющих напряжения направлены в одну сторону, их численные значения складываются:
Uа = U1R + U2R.
Векторы реактивных составляющих напряжения направлены по одной прямой в противоположные стороны, поэтому им придают разные знаки: реактивное напряжение индуктивности считают положительным, а напряжение емкости – отрицательным:
Uр = UL - UС.
При одинаковом токе во всех элементах цепи UL > UС. Ток отстает от общего напряжения по фазе на угол φ. Из треугольника напряжений следует:
, или U =
или ,
где - полное сопротивление цепи.
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание 1. В схеме рис.1 включены: конденсатор емкостью С = 3,4 мкФ, катушка с активным сопротивлением R=50 Ом и индуктивностью L=29,8 мГн подключены последовательно к генератору с напряжением U =200 В и частотой 250 Гц. Определить ток, активную, реактивную и полную мощности катушки, конденсатора и всей цепи,
Рис.1.
1.Находим реактивные сопротивления катушки индуктивности и емкости, а затем и полное сопртивление ( по формуле ). После чего по закону Ома вычислим ток в цепи.
Вычислим угол сдвига фаз между током и напряжением:
,
Активную мощность вычислим по формуле :
Реактивная мощность емкости:
Реактивная мощность индуктивности:
Реактивная мощность цепи:
Контрольные вопросы
1.Какие три случая соотношения величин реактивных сопротивлений индуктивности и емкости могут быть?
2.В чем отличие схем замещения рис.1, какие параметры на них показаны?
3.По каким формулам вычисляются реактивные мощности?
Лабораторная работа №5 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Цепи переменного тока».
Цель работы: Изучение цепи переменного тока при последовательном соединении нескольких элементов R, L и С.
Оснащение
1. Электрическая цепь с последовательным соединением нескольких элементов R, L и С,
2. Схема электрической цепи.
Основные теоретические положения
Векторы активного, реактивного и полного напряжений цепи образуют прямоугольный треугольник, из которого: , или
В этой формуле - общее активное сопротивление, равное арифметической сумме всех активных сопротивлений, входящих в неразветвленную цепь; - общее реактивное сопротивление, равное алгебраической сумме всех реактивных сопротивлений, входящих в неразветвленную цепь. Здесь индуктивные сопротивления считаются положительными, а емкостные – отрицательными. Полное сопротивление неразветвленной цепи: .
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание 1. Для схемы рис.1 определить ток и составить баланс мощностей. Известно:
R1 = 3 Oм; R2 = 8 Oм; R3 = 9 Oм; X1L = 4 Oм; X2L = 6 Oм; X1C = 15 Oм; X2C = 10 Oм
Рис.1.
Предварительно выбрав условно положительное направление (фазовый угол сдвига покажет истинное направление э.д.с. и тока), согласно второму закону Кирхгофа уравнение напряжения в векторной форме:
, (1)
или:
Общее активное сопротивление: .
Общее реактивное сопротивление: . (2)
По результату ∑Х можно сделать вывод, что оно носит емкостной характер.
Полное сопротивление цепи
Действующие величины э.д.с.: , .
Суммарная э.д.с. рис.2 (учитывая, что Е1 и Е2 взаимно перпендикулярны) будет.
Ток будет: .
Подсчитаем напряжения на участках схемы, входящие в выражение (1).
Рис.2. Топографическая диаграмма э.д.с.
Исходя из диаграммы рис.2 углы сдвига между током и э.д.с. Е1 и Е2:
Тогда мощности участков приемника: (Вар); (Вт), аналогично для , , , ,
Мощности источников:
Составим и проверим баланс мощностей нашими расчетами:
и
Контрольные вопросы
1.Как получено выражение (1)?
2.Почему сделан вывод из формулы (2), что ∑Х носит емкостной характер?
3.Откуда можно сделать вывод, что Е1 и Е2 взаимно перпендикулярны?
4.В каких единицах измеряется реактивная мощность?
Лабораторная работа №6 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Цепи переменного тока».
Цель работы: Изучение цепи переменного тока с параллельным соединением ветвей.
Оснащение
1. Электрическая цепь с параллельным соединением ветвей,
2. Схема электрической цепи.
Основные теоретические положения
В электрической цепи при параллельном соединении катушки и конденсатора на схеме их можно представить активными и реактивными проводимостями рис.1.
Рис.1.
Но рис. а) предпочтительнее, т.к. в ней все элементы соединены параллельно, а в б) элементы соединены смешанно.
По первому закону Кирхгофа мгновенный общий ток будет равен:
(1)
Т.к. активные и реактивные токи по фазе не совпадают, то общий ток находится векторным сложением:
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание 1. Для схемы рис.2 определить ток, активную, реактивную и полную мощность катушки, конденсатора и всей цепи при неизменном напряжении U = 200 В и частоте источника f = 100 Гц, R1 = 10 Ом, L= 55,2 мГн, С= 138 мкФ, R2 = 0.
Рис.2
Индуктивное сопротивление первой ветви равно .
Проводимости активная и реактивная равны: ; (См)
Полная проводимость катушки: (См).
Проводимости второй ветви активная и реактивная равны: (См)
Полная проводимость .
Токи:
в неразветвленной части цепи ,
в конденсаторе , в катушке
Коэффициент мощности цепи: ;
Реактивные мощности:
катушки , конденсатора , цепи
Активная мощность цепи
Полные мощности:
катушки , конденсатора , цепи .
Контрольные вопросы
1.Объясните выражение (1).
2.Как обозначаются проводимости?
Лабораторная работа №7 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Цепи переменного тока».
Цель работы: Изучение цепи переменного тока с параллельным соединением катушки и конденсатора.
Оснащение
1. Электрическая цепь с параллельным соединением катушки и конденсатора,
2. Схема электрической цепи.
Основные теоретические положения
При построении топографических диаграмм схем цепей с параллельным соединением катушки и конденсатора реактивные составляющие векторов токов перпендикулярны вектору напряжения, причем индуктивные токи направлены в одну сторону, а емкостные – в другую. Поэтому реактивная составляющая общего тока в цепи определяется их алгебраической суммой, в которой индуктивные токи считаются положительными, а емкостные – отрицательными. Векторы активного, реактивного и полного тока в цепи образуют прямоугольный треугольник, из которого следует:
Через напряжение и проводимости:
Мощности определяются по формулам
Активную мощность цепи можно представить как арифметическую сумму активных мощностей ветвей.
Реактивная мощность цепи равна алгебраической сумме мощностей ветвей. В этом случае индуктивная мощность берется положительной, а емкостная – отрицательной:
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание 1. В схеме рис.1 R1 = 6 Ом, L1= 25,5 мГн, R2 = 20 Ом, R3 = 15 Ом, L3= 47,9 мГн, С2 = 159 мкФ, Определить ток в неразветвленной части цепи, активную, реактивную и полную мощность всей цепи.
Рис.1
Реактивные сопротивления ветвей , .
, .
Полные сопротивления ветвей: , , .
Действующее напряжение: .
Токи в ветвях: , , .
Составляющие токов ветвей:
активные , , ;
реактивные , , .
Общий ток: активный ,
реактивный , в неразветвленной части цепи .
Активные мощности: ветвей , , ;
всей цепи .
Реактивные мощности: ветвей , , :
всей цепи .
Полная мощность цепи: .
Проверка правильности подсчета мощности: ,, , ,
Контрольные вопросы
1.В каких единицах измеряется мощность?
2. В каких единицах измеряется проводимость?
Лабораторная работа №8 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Цепи переменного тока».
Цель работы: Изучение цепи переменного тока с взаимной индуктивностью.
Оснащение
1. Электрические цепи с индуктивно-связанными катушками,
2. Схемы электрических цепей.
Основные теоретические положения
Элементы электрической цепи могут быть между собой связаны общим магнитным полем и тогда изменение тока в одном из элементов являются причиной наведения э.д.с. в другом элементе. Такое взаимное влияние элементов цепи называется их индуктивной связью. Катушки с индуктивной связью могут быть включены согласно и встречно.
При согласном включении магнитные потоки самоиндукции и взаимоиндукции в обеих катушках по направлению совпадают, поэтому э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции в каждой катушке также направлены одинаково.
Рис.1 Согласное и встречное включение индуктивно-связанных катушек.
При встречном включении магнитные потоки, а также э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции по направлению противоположны.
На схемах замещения взаимная индуктивность обозначается буквой М и дугой, объединяющей два индуктивно-связанных элемента. Начала индуктивно-связанных катушек отмечают точками (звездочками).
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание. В схеме (рис.2) нет изначальных сведений о расположении концов и начал намотки витков.
В схему входят аккумулятор (гальванический элемент) и гальванометр. Одна из катушек через ключ присоединили к аккумулятору, к зажимам другой подключили гальванометр.
Рис.2
В момент замыкания ключа К возникают токи в обеих катушках, причем ток создает магнитный поток, направленный навстречу потоку первой катушки (правило Ленца). Поэтому при включении гальванического элемента токи и направлены противоположно относительно одноименных зажимов. Направление тока известно, т.к. известна полярность источника питания, а направление тока определяется по отклонению гальванометра. Ток направлен к положительному зажиму гальванометра, если стрелка его отклоняется по шкале. Одноименными зажимами катушек являются зажимы, к которым присоединены положительные зажимы источника и гальванометра; другие два зажима тоже одноименны.
Таким образом разметка одноименных зажимов выглядит так: рис.3.
Рис.3
Контрольные вопросы
1.По схемам (рис.1) объяснить согласное и встречное включение катушек.
Лабораторная работа №9 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Цепи переменного тока».
Цель работы: Изучение цепи переменного тока с резонансом.
Оснащение
1. Электрическая цепь, содержащая индуктивность и емкость (колебательный контур),
2. Схема электрической цепи с колебательным контуром.
Основные теоретические положения
Электрический резонанс возникает при определенных условиях в электрических цепях переменного тока, содержащих индуктивности и емкости.
В колебательном контуре, состоящем из идеальных катушки и конденсатора (т.е. в контуре без потерь), колебательный процесс заключается во взаимном преобразовании электрического и магнитного полей. Энергетический процесс имеет периодический характер с периодом Т. Колебания в электрической цепи, не связанной с источником энергии, называют собственными или свободными.
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задания.
Задание 1. У электрической цепи (с колебательным контуром без потерь) частота собственных колебаний fо=2 ·Гц, а индуктивность L=0,25 мГн. Определить емкость, включенную в схему контура.
Задание 2.Определить диапазон частот, в котором может работать радиоприемник, если индуктивность приемного контура 0,32 мгн. А емкость конденсатора может изменяться от 31 до 260 пФ.
Задание 3.Определить резонансную частоту и добротность параллельного контура, состоящего из катушки с R = 160 Ом, L= 4 мГн и конденсатора с С=0,1 мкФ.
Задание 4.Определить емкость конденсатора и общий ток в цепи при резонансе, если в схеме соединены параллельно катушка с R = 4 Ом, L= 0,01 Гн и конденсатор. В цепи возник резонанс при частоте f=150Гц, а напряжение на зажимах катушки U=100 В.
Контрольные вопросы
1.Какой формулой связаны частота собственных колебаний в колебательном контуре, емкость конденсатора и индуктивность катушки?
2.По какой формуле определяется добротность контура?
3.Как определить общее сопротивление катушки, если катушка не идеальна?
4.По какому закону Кирхгофа можно определить ток в ветви с конденсатором при параллельном соединении его с катушкой?
5.Что такое конденсатор, для чего он служит?
6.Что такое катушка индуктивности?
Лабораторная работа №10 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Трехфазные цепи».
Цель работы: Изучение несимметричных трехфазных цепей при соединении их треугольником.
Оснащение
1. Трехфазная электрическая цепь, соединенная треугольником.
2. Схема электрической цепи.
Основные теоретические положения
При соединении треугольником из трех обмоток источника образуется замкнутый на себя контур рис.1. Такой же замкнутый контур создается из трех фаз приемника. Общие точки двух фаз источника и двух фаз приемника соединяются между собой линейными проводами. Каждый линейный провод обеспечивает связь в двух смежных фазах.
Рис.1
Каждая фаза приемника при соединении треугольником находится под линейным напряжением. Этим обусловлено наличие в приемнике фазных токов.
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание 1.
Фазы приемника подключены треугольником в сеть с линейным напряжением 120 В, рис.2(а). Сопротивления фаз: RAB= 5 Ом; RBС= 6 Ом; ХBС= 8 Ом (инд.); ХСА= 10 Ом (емк.)
Определить фазные и линейные токи, активную, реактивную и полную мощности в каждой фазе и всей цепи.
Токи в фазах: , ,.
Линейные токи определим графически с помощью векторной диаграммы. Для этого найдем активные и реактивные токи фаз.
В фазе АВ включено активное сопротивление, поэтому IаАВ =IАВ, IрАВ = 0 А.
В фазе ВС последовательно соединены R и ХL, поэтому:
IаВС = IВС cosφВС ( у нас cosφВС= 6/10); IрВС = IВС sin φВС ( у нас sin φВС= 8/10).
В фазе СА включено емкостное сопротивление, поэтому IаСА = 0 А, IрСА = IСА.
Общий вид векторной диаграммы рис.2(б). Построить свою векторную диаграмму в масштабе Мтока =6 А/см.
По итогу после построения линейные токи должны получиться: IА = 34.5 А, IВ = 35.4 А, IС = 5.7 А.
Рис.2
Мощности фаз:
активные РАВ = UАВ · I аАВ; РВС = UВС · I аВС; РСА = UСА · IаСА. (Вт)
реактивные QАВ = UАВ · I рАВ; QВС = UВС · I рВС; QСА = UСА · IрСА. (Вар)
полные SАВ= РАВ (В·А); SВС = UВС · I ВС (В·А) ; SСА = QСА (В·А).
Мощность всей цепи:
активная Р = РАВ + РВС + РСА (Вт);
реактивная Q = QАВ + QВС - QСА (Вар)
Полученный знак реактивной мощности показывает характер реактивной мощности цепи.
Контрольные вопросы
1.Какой формулой определяется общее сопротивление ветви с активным и реактивным сопротивлением?
2.Почему при определении реактивной мощности у реактивной мощности QСА проставлен знак минус?
3.Почему на векторной диаграмме рис.2(б) вектора UАВ, UВС, UСА так расположены?
Лабораторная работа №11 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Нелинейные цепи переменного тока».
Цель работы: Изучение нелинейных цепей.
Оснащение
1. Электрическая цепи переменного тока с нелинейным выпрямительным элементом.
2. Схема электрической цепи, диаграммы вольт-амперных характеристик.
Основные теоретические положения
В цепях постоянного и переменного токов широко применяют элементы с нелинейной вольт-амперной характеристикой u(t). Их активное сопротивление R зависит от тока и напряжения. При переменном токе можно использовать и нелинейные реактивные элементы. Например, катушки с ферромагнитным сердечником, имеющие нелинейную зависимость магнитного потока от тока Ф(ι).
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание 1. В схеме рис.1(а) с выпрямительным элементом и нагрузочным сопротивлением
Rн=1000 Ом, переменная э.д.с. выражается уравнением e = 100 sin (314t).
Построить график зависимости постоянной составляющей тока от величины постоянной
э.д.с. Ео. Вольт-амперная характеристика выпрямительного элемента - кривая ι(uв) рис.1(б), которую для упрощения заменим на идеальную (штриховая ломаная линия).
Рис.1
Здесь же: прямая ι(uн) - вольт-амперная характеристика нагрузочного сопротивления, и вольт-амперная характеристика цепи ι(u) (из которой следует, что общее сопротивление цепи Rн + Rв = 5000 Ом.
По общей вольт-амперной характеристике цепи приведены кривые тока при двух величинах постоянной э.д.с.: Ео = 0: Ео = -40В.
При Ео = 0 в течение первого полупериода кривая тока – синусоидальная функция
а во вторую половину периода ток равен нулю.
При Ео = -40В кривая тока в течении части периода (от ) также синусоидальная функция, но относительно другой оси абсцисс ωt´, отстоящей от первоначальной оси на - ιо. Величина .
Рис.2
Угол φо (угол отсечки) зависит от величины Ео. И из графиков напряжений следует, что
и .
Для нахождения выражения постоянной составляющей тока, в первоначальных осях координат, уравнение тока:
Постоянная составляющая тока определяется выражением:
.
В этом выражении Im – амплитуда синусоидального тока при однополупериодном выпрямлении, т.е. при Ео = 0 и φо =0.
Подсчитаем: 1)
(1)
2)
При φо = π/2 Iо = 0.
Вычислить Iо при различных φо:
Контрольные вопросы
1.Как по вольт-амперной характеристике цепи ι(u) сделан вывод, что общее сопротивление цепи 5000 Ом?
2. Как определены Rн и Rв для получения числа 5000 Ом?
3.Как получили выражение (1)?
4.Почему на рис.2 ток существует только над осью абсцисс, хотя э.д.с. источника носит синусоидальный характер?
Лабораторная работа №12 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Цепи с нелинейной индуктивностью».
Цель работы: Изучение цепей с нелинейной индуктивностью.
Оснащение
1. Электрическая цепь переменного тока с нелинейной индуктивностью.
2. Схема катушки со съемным сердечнико, диаграмма вольт-амперной характеристики.
Основные теоретические положения
Катушка с ферромагнитным сердечником рис.1 является нелинейным элементом. Т.к. магнитный поток и намагничивающий ток катушки связаны между собой нелинейной характеристикой Ф (ι) (магнитная проницаемость ферромагнитных материалов не постоянна). Что является причиной различия по форме кривой намагничивающего тока и кривой напряжения.
Рис.1
Если не учитывать магнитных потерь в сердечнике и обмотке, действующий ток будет определяться по формуле:
,
Где ιmax – амплитуда основной кривой тока. А коэффициент kп для катушек с сердечником из трансформаторной стали находится по кривой рис.2. При В <1 Тл коэффициент kп близок к единице, а при В >1,4 Тл быстро увеличивается.
Рис.2
Ток в идеализированной катушке является реактивным. Он не сопровождается преобразованием энергии одного вида в другой вид. Но создает магнитное поле в сердечнике. Поэтому его называют намагничивающим током.
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание 1. Дана катушка со съемным стальным сердечником, которую можно на него одеть или снять. В катушке N = 300 витков. В сети переменного тока напряжением 220В и частота f = 50Гц. Определить э.д.с. Е, амплитуду магнитного потока Фм, коэффициент мощности cosφ, мощность потерь в обмотке Р, мощность потерь в сердечнике Рм.
При отсутствии стального сердечника активная мощность катушки Р1 = 500 Вт,
а ток I1 = 12А. При наличии стального сердечника Р2 = 500 Вт, а ток I2 = 12А.
Магнитный поток рассеяния Фs (ведь магнитное поле существует и в пространстве, окружающем сердечник), при наличии стального сердечника, принимать во внимание не будем, т.к., большая часть линий магнитной индукции катушки замыкается по ферромагнитному сердечнику, образуя магнитный поток Ф.
При отсутствии стального сердечника, коэффициент мощности cosφ1 = Р1 / ( U1 · I1 )
Активное сопротивление R = (U · cosφ) / I1
Падение напряжения в активном сопротивлении Uа1 = I1 R
Напряжение 1, уравновешивающее ЭДС в катушке Е1, определяется из треугольника напряжений 1 = , Е1 = 1
Амплитуда магнитного потока Фм = Е1 / (4,44 N f ) Вб.
При отсутствии стального сердечника мощность магнитных потерь Рм = 0.
А мощность потерь в витках катушки равна общей активной мощности катушки
Рм = Р1 = 500Вт.
Составляющая тока, обусловленная потерями в стали Iа=0, а намагничивающая составляющая тока совпадает с полным током катушки Iμ= I1=12 А.
При наличии стального сердечника cosφ2 = Р2 / ( U2 · I2 )
Мощность потерь в обмотке Рм2 =2 · R
Мощность потерь в стали Рм = Р2 - Рм2
Падение напряжения в активном сопротивлении U2а= I · R .
Контрольные вопросы
1.Что значит: ток в катушке реактивный?
2.В каких единицах измеряется магнитный поток?
3.Почему катушка с ферромагнитным сердечником является нелинейным элементом?
Лабораторная работа №13 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Электрические машины».
Цель работы: Изучение первичных двигателей.
Оснащение
1. Устройство для взаимного преобразования механической энергии и электрической.
2. Диаграмма.
Основные теоретические положения
Электромеханическое действие магнитного поля и электромагнитная индукция используются для преобразования механической энергии в электрическую и обратно с помощью электрических машин.
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал. 2.Выполнить задание.
Задание 1. Рамка (виток медного провода) укреплена на роторе - стальном цилиндре (рис.1), длина которого l=30см и диаметром d=20см, вращается с частотой n=1500 об/мин в радиальном магнитном поле. Концы рамки присоединены к двум половинкам разрезанного медного кольца (коллектора), вращающегося вместе с ротором. К щеткам, наложенным на коллектор, присоединен приемник энергии с сопротивлением R=0,9 Ом; сопротивление самой рамки и соединительных проводов r=0,1 Ом. Максимальная магнитная индукция в воздушном зазоре Вm=1,2 Тл (диаграмма рис.2).
Рис.1 Рис.2
Определить: величину и направление силы, действующей на провода рамки; механический момент, развиваемый двигателем, вращающем рамку; электрическую мощность в рамке.
Задание 2. Устройство рис.1 переведем в режим двигателя. Для чего вместо приемника
энергии включим аккумуляторную батарею с э.д.с. Ео=12 В и внутренним сопротивлением rа=0,2 Ом.
Определить: окружное усилие, вращающий момент и скорость рамки, и составить баланс мощностей (когда ток в рамке установится 10А).
1.Для определения э.д.с., индуктированную в рамке по формуле: (1) (здесь учитывается, что рамка имеет два проводника, в которых идуктируются э.д.с.), предварительно найдем линейную скорость проводника: υ = (π·d·n) / 60 (2).
Ток в цепи: I = E / (r + R).
Тормозная сила, действующая на одну сторону рамки, и механический момент:
Fм = B·I·l ; M = Fм ·d.
Этот момент, будучи тормозным, при постоянной частоте вращения равен движущему моменту двигателя.
Электрическая мощность, развиваемая в рамке, Р = Е·I
Баланс электрической мощности: Е·I = I²·r + I² ·R.
Механическая мощность двигателя: Рмх =2 Fм· υ.
Т.о. механическая энергия, подводимая к рамке от первичного двигателя полностью превращается в электрическую, что подтверждается равенством механической и электрической мощностей. А электрическая энергия, полученная в рамке, превращается в тепло в самой рамке (I²·r) и в приемнике (I² ·R).
2. Определим э.д.с. в рамке согласно второму закону Кирхгофа: Ео= Е + I·(r + rа);
Е = Ео - I·(r + rа);
Линейная скорость вращения рамки: υ = Е / (B ·l).
Частота вращения: n = (60· υ) / (π·d).
Окружное усилие на цилиндре: Fм = B·I·l ;
Вращающий момент: M = Fм ·d.
Механическая мощность: Рмх =2 Fм· υ.
Баланс мощностей: мощность батареи равна сумме механической мощности и мощности потерь в электрической цепи: Ео ·I = I² (r + rа) + Рмх. (3)
Контрольные вопросы
1.Какая машина называется двигателем, а какая генератором?
2.Поясните формулу (1).
3. Поясните формулу (2).
4.Как определить механический момент, в каких единицах он измеряется?
5.Где в формуле (3) мощности потерь в электрической цепи?
6.Объяснике конструкцию устройства (рис.1).
Лабораторная работа №14 по дисциплине ОП 05. Теория ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Тема: «Электрические машины».
Цель работы: Изучение принципа действия синхронных и асинхронных двигателей.
Оснащение
1. Устройство для взаимного преобразования механической энергии и электрической.
2. Диаграмма.
Основные теоретические положения
С помощью вращающегося магнитного поля электрическая энергия преобразуется в механическую энергию. Для чего служат электрические трехфазные двигатели – синхронные и наиболее распространенные асинхронные.
Если поместить во вращающееся магнитное поле замкнутый виток в виде прямоугольной рамки, то при вращении поля проводники рамки пересекаются линиями магнитной индукции, в силу чего в них наводится э.д.с. Направление э.д.с. определено по правилу правой руки (крестики и точки в витках).
Рис.1 Рис.2
Но применяя правило правой рук, нужно учитывать относительное движение проводников рамки против вращающегося поля. Под действием э.д.с. в рамке образуется ток такого же направления. Но проводники с током в магнитном поле испытывают действие электро-магнитных сил, направленных в соответствии с правилом левой руки. Относительно оси рамки электромагнитные силы образуют момент, под действием которогорамка вращается в сторону вращения поля.
Частота вращения рамки всегда меньше скорости поля: n < nо (рамка «скользит» относительно поля). Благодаря скольжению в рамке наводится э.д.с., образуется ток и электромагнитные силы. Скольжение оценивается в процентах:
Вращение рамки с частотой поля невозможно, т.к. при n = nо поле не пересекает проводников рамки, не наводится э.д.с., отсутствуют ток и электромагнитные силы.
Электрические двигатели, работающие по этому принципу, называют асинхронными.
Если вместо короткозамкнутой рамки в магнитное поле поместить постоянны магнит или электромагнит с постоянным током в его обмотке, то благодаря взаимодействию вращающегося поля с полем постоянного магнита образуется вращающий момент, также направленный в сторону вращения поля рис.2.
Постоянный магнит в постоянном магнитном поле стремиться занять положение, при котором ось полюсов магнита в направлении от южного полюса к северному совпадает с направлением внешнего поля. Постоянный магнит «увлекается» за вращающимся полем, т.е. вращается в ту же сторону и с той же частотой, что и поле: n = nо.
Электрические двигатели, работающие по этому принципу, называют синхронными.
Порядок выполнения работы
1.Изучить теоретический материал.
2.Выполнить задание.
Задание 1. Определить частоту вращения магнитного поля трехфазной системы обмоток с числом полюсов 2р = 6 при частоте тока f = 50 Гц.
Задание 2. Обмотка статора трехфазного асинхронного двигателя образует две пары магнитных полюсов при токе в ней частотой 50 Гц. Определить скольжение ротора, который совершает 1460 об/мин.
Задание 3. Определить частоту вращения ротора асинхронного двигателя, если обмотка статора имеет 8 полюсов, частота тока 50 Гц, скольжение 4%.
Контрольные вопросы
1.Как определить какой из полюсов магнита южный, а какой северный?
2.Чем отличаются синхронные двигатели от асинхронных?