Электротехника и промышленная электроника_лаб работы. Цель и порядок выполнения работ Лабораторные работы являются одним из видов практического обучения
 Скачать 1.12 Mb.
|
|
Цель и порядок выполнения работ Лабораторные работы являются одним из видов практического обучения. Их цель – закрепление теоретических знаний, проверка на опыте некоторых положений теории и законов электротехники, приобретение практических навыков при сборке электрических цепей, проведении эксперимента, использовании основных электроизмерительных приборов и устройств. Подготовка к лабораторным работам Серьезное отношение к лабораторной работе позволит студенту сделать правильные выводы, проанализировать результаты опытов, научиться самостоятельно решать некоторые несложные задачи исследовательского характера. Задание на проведение очередной лабораторной работы выдается заблаговременно до ее выполнения. Для качественного выполнения лабораторной работы студенту необходимо повторить теоретический материал по конспекту, учебнику или методическому пособию ознакомиться с описанием лабораторной работы записать название и номер работы, цель работы, краткие теоретические сведения, начертить все необходимые электрические схемы, в том числе, лабораторной установки, и таблицы для записи показаний приборов и результатов расчетов; после выяснения цели работы четко представить себе поставленную задачу и способы ее достижения, оценить ожидаемые результаты опытов сделать предварительный домашний расчет, если это указано в задании ответить письменно или устно на все контрольные вопросы. Ознакомление с электроизмерительными приборами и устройствами и их подбор До начала сборки электрической цепи следует выбрать необходимые электроизмерительные приборы. В описании каждой лабораторной работы дан перечень физических величин, которые подлежат измерению. При выборе приборов нужно учитывать их тип, номинальные значения измеряемой величины, род тока, класс точности. Погрешности измерения любого прибора тем меньше, чем ближе измеряемая величина к предельному значению, указанному на приборе. Поэтому предпочтительнее пользоваться приборами, у которых вовремя измерения стрелка будет находиться во второй половине шкалы. Включение измерительных приборов в цепь может вызывать заметное 2 изменение токов, напряжений, мощностей. Поэтому для более точных измерений следует учитывать внутренние сопротивления приборов, которые обычно указаны на их шкалах или в паспортах. В настоящее время широко используются цифровые приборы, хотя возможно применение и аналоговых (стрелочных) приборов. Стрелочные приборы магнитоэлектрической системы используют только для измерения на постоянном токе, а прибор электромагнитной, электродинамической, электронной могут работать как на постоянном, таки на переменном токе в диапазоне частот, указанных на шкалах. Прежде чем приступить к измерениям следует определить цену деления стрелочного прибора. Цена деления амперметров и вольтметров может быть рассчитана как частное отделения предела прибора, указанного на переключателе на число делений шкалы. При использовании цифровых приборов необходимо установить вид измеряемой величины (постоянный или переменный ток, постоянное или переменное напряжение, сопротивление и т.д.), а также возможный пределе измерения. Подключить измерительные щупы или провода к соответствующим выводам прибора. Для изучения быстроизменяющихся процессов в электрических цепях применяют электронный осциллограф. Правила эксплуатации этого прибора даются в специальном руководстве, которое следует изучить перед работой. Как в производственных испытаниях, таки в учебных опытах в отчете необходимо описать используемые измерительные приборы. Следует записать их названия, номинальное значение, тип, род тока, частоту, класс точности, принцип действия (систему, способ установки и заводской номер. Это позволяет, если возникнет потребность, повторить опыт с теми же приборами и проверить правильность полученных результатов. Сборка электрической цепи Сборку одной схемы лабораторной установки должен выполнять только один человек, другие члены бригады контролируют его, подают нужные провода, выполняют мелкие поручения. Необходимо, чтобы обязанности членов бригады менялись. Перед сборкой необходимо условиться о клеммах начала и конца прибора, например, входной клеммой реостата можно считать левую, а выходной – правую. Если же имеется обозначение зажимов «+» и «–», то входом считается положительный зажим. Это правило в значительной мере предупредит от ошибок и упростит проверку цепи. В первую очередь следует собирать последовательную (токовую) часть цепи, к которой затем подключается параллельные ветви, если они имеются в схеме. Слаботочные ветви, состоящие из вольтметров, параллельных обмоток ваттметров, осциллографов и т.п. собираются в последнюю очередь. 3 Наличие ошибок вцепи может привести к порче приборов и оборудованию или к несчастному случаю, поэтому каждый раз собранную цепь необходимо показать руководителю для проверки. Включение цепи и определение неисправностей Для обеспечения минимального тока вцепи, перед ее включением движки реостатов следует установить в такое положение, в котором их сопротивление максимально. Переключатели многопредельных приборов установить на высший предел, рукоятки регуляторов напряжения, установить на нулевую отметку. Проверить и при необходимости с помощью корректора установить все стрелки приборов на нулевую отметку. После схему включают и наблюдают за показаниями приборов, медленно регулятором увеличивают напряжение на входе схемы до нужного значения. Если стрелка амперметра не отклоняется, это означает, что в неразветвленной части цепи имеется обрыв или неправильно включен прибор. Если стрелка амперметра даже при малом напряжении отклоняется до конца или срабатывает автоматический выключатель – это указывает на короткое замыкание вцепи. В этих случаях источники питания следует отключить и еще раз проверить цепь или обратится за помощью к преподавателю. Иногда, даже при правильно собранной цепи ток отсутствует во всей цепи или в отдельной ее части. В этом случае следует найти обрыв, который может быть на контактах, соединительных проводах, амперметре или нагрузке. Для отыскания неисправностей можно воспользоваться, например, таким способом. После включения цепи вначале проверяется вольтметром наличие напряжения на зажимах источника, затем поочередно подключаются зажимы вольтметра к началу и концу каждого провода, амперметра и реостатов. Если напряжение на контролируемом участке (за исключением реостата) окажется неравном нулю, то это означает, что обрыв произошел на данном участке. Такой способ не выявляет двойного обрыва, но исключает короткое замыкание в случае неправильных действий с прибором и позволяет определить обрыв внутри реостата. Двойной обрыв можно отыскать предлагаемым способом после устранения найденного первого обрыва. Проведение опыта При исправной цепи можно приступать к проведению опытов. Вначале выполняют все действия, предусмотренные программой работы, но без записей результатов. Такое опробование необходимо, поскольку дает возможность убедится в том, что приборы выбраны правильно, а если есть необходимость, можно их заменить на более подходящие. 4 Вовремя проведения эксперимента обязанности в бригаде лучше разделить один человек измерят напряжение, сопротивление и т.п. и наблюдает за приборами, другой – записывает результаты в подготовленную заранее таблицу. В последующих работах обязанности членов бригады меняются. Входе проведения эксперимента измеряемая величина должна фиксироваться равномерно по всему своему диапазону изменения, включая начальную, конечную и точку экстремума, если последняя существует. Показания приборов нужно снимать внимательно и записывать карандашом. Если сразу трудно определить измеряемые значения в именованных единицах, то можно зафиксировать количество делений шкалы прибора, а после окончания опыта пересчитать их в именованные единицы. После эксперимента нужно проанализировать полученные результаты и проверить правильность отсчета измеренных значений 1) по закону Кирхгофа 2) балансу мощностей 3) другим теоретическим формулам. Не торопитесь разбирать цепь, покажите вначале свои результаты преподавателю, так как может быть придется проделать работу заново. Составление отчета. Защита лабораторной работы Отчет является документом о проделанном эксперименте, поэтому в нем должны содержаться все необходимые сведения для проверки результатов опыта и расчета. Составление отчета – индивидуальная работа каждого члена бригады. Отчет выполняется чернилами (пастой. Текст должен быть написан четким, понятным почерком. Схемы, таблицы, графики и другие построения выполняются карандашом с применением чертежного инструмента, специальных шаблонов или на компьютере. При начертании электрических схем должны соблюдаться требования ГОСТов на графические и буквенные обозначения их элементов (см. приложение. Водной системе координат можно изображать несколько кривых различая их, например, по цвету. Масштаб на графиках предпочтительно выбирать равным 1×10 n , 2×10 n , 5×10 n . Математическую обработку экспериментальных данных проводят в отчете полностью или частично, нов любом случае обязательно указывают расчетные формулы. Возможно расхождение между опытными и расчетными данными в пределах 5÷10 % из-за колебаний напряжения в сети, погрешности при измерениях и нестабильности параметров цепи. Такие отклонения считаются допустимыми. В заключение работы делается вывод по выполнению задач, указанных в цели работы, подтверждении опытным путем тех законов, правили формул, которые изучались в теоретическом курсе. Выводы должны быть конкретными с приведением конкретных числовых значений. 5 Каждая работа должна быть защищена студентом. Входе защиты студент должен показать знания теории по теме работы, умение собирать цепь, рассказать ход лабораторной работы, пояснять, как проводился расчет, уметь проанализировать полученные результаты и объяснить причины расхождения расчетных и опытных данных. Также защита лабораторных работ может осуществляться путем решения студентом задач на тематику соответствующей работы. Защита лабораторных работ проводится систематически в течение учебного семестра, как правило, наследующем лабораторном занятии, назначенном преподавателем или в конце семестра после выполнения всех лабораторных работ. Основные правила безопасности при работе в электрических лабораториях Согласно Правилам устройств электроустановок (ПУЭ) для помещений без повышенной опасности поражения током, к которым относятся лаборатории электротехники, безопасным считается напряжение переменного тока частотой 50 Гц до 42 В. Сопротивление тела человека определяется сопротивлением кожного покрова и равно примерно 200-500 кОм. В расчетах по электробезопасности сопротивление тела человека принимают равным 1000 Ом. Увлажнение или повреждение кожи снижает сопротивление до 600–800 Ом. Большое влияние на сопротивление тела оказывает также общее состояние организма нервной системы. Таким образом, при нормальных условиях при напряжении 42 В по телу человека будет протекать ток 0,1÷0,3 мА. Величина тока в 50 мА может привести к электротравме, а в 100 мА – смертельному исходу. Случается, что притоках даже меньше 50 мА мышцы кистей рук непроизвольно сокращаются и токоведущая часть может оказаться зажатой в кулаке, при этом самостоятельно не удается разжать кисть руки и прервать ток через тело. В лабораториях электротехники используются напряжения до 250 В, поэтому меры предосторожности следует соблюдать особенно тщательно. Основные правила по технике безопасности следующие 1. Перед началом сборки цепи следует убедиться, что выключатель находится в выключенном состоянии, а вилки вынуты из штепсельных разъемов. То есть, все оборудование должно быть обесточено и отключено от источников электрической энергии. 2. Не допускается использование приборов и аппаратов с неисправными клеммами, проводов с поврежденной изоляцией, неисправных реостатов и т.п. 3. Перед тем как, присоединить конденсатор, его необходимо разрядить, замкнув выводы проводником накоротко. 4. Собранную цепь включают, только проверив схему и получив разрешение руководителя занятия. 6 5. Пред включением цепи следует убедиться, что никто не прикасается к открытым токоведущим частям. 6. Все необходимые вносимые в схему изменения нужно производить только при снятом напряжении. 7. Запрещается самостоятельно производить какие-либо переключения на главном распределительном щите лаборатории, за исключением случаев экстренного отключения. 8. Если вовремя проведения опытов возникают повреждения, появляется дым, специфический запах горящей изоляции или накаляются реостаты – следует быстро отключить напряжение и сообщить преподавателю о случившемся. 9. Если кто-либо попадает под напряжение и не сможет самостоятельно оторваться от токоведущих частей, тоне пытайтесь оттащить его – вы сами будете поражены током. Быстро выключите напряжение на стенде или главном распределительном щите. Сообщите преподавателю о случившемся. Студентов допускают к лабораторным работам после ознакомления с настоящими правилами, что должно быть зафиксировано в специальном журнале присвоения ой группы по электробезопасности (в журнале по технике безопасности. 7 Лабораторная работа № 1 Поверка амперметра и вольтметра Цель работы ознакомиться с устройством электроизмерительных приборов изучить виды погрешностей и их расчет получить практические навыки по определению погрешностей электроизмерительных приборов. Основные понятия и определения При любом измерении результат отличается от истинного значения величины вследствие наличия погрешностей. Погрешность прибора определяет степень близости от показаний к действительному значению измеряемой величины, которое при изменениях всегда остается неизвестным. Если обозначить измеряемую величину буквой А, то за действительное значение этой измеряемой величины Ад принимают ее значение, полученное при измерении образцовым прибором. Разность между показаниями прибора А из и действительным значением измеряемой величины Ад называется абсолютной погрешностью А, имеющей размерность измеряемой величины, например, напряжение – в вольтах, и, возможно, с приставкой множителя. А = А из – А д Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, представляет собой поправку К. КА. Поправка есть та величина, которую следует алгебраически прибавить к показаниям прибора, чтобы получить действительное значение измеряемой величины. Погрешность измерений оценивается также относительной погрешностью γ 0 . Относительная погрешность γ 0 представляет отношение модуля абсолютной погрешности А к действительному значению А д измеряемой величины. % 100 0 д A A Степень точности прибора определяется по максимальной величине приведенной погрешности, представляющей собой отношение модуля абсолютной погрешности А к наибольшему значению шкалы прибора пределу измерению прибора) Ан 0 н A A Приборы непосредственной оценки по степени точности делятся на восемь классов точности 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4. Для 8 определения класса точности берется наибольшее вычисленное значение основной приведенной погрешности прибора, выраженное в процентах, при необходимости округляется в большую сторону, и сравнивается со значениями классов точности. При эксплуатации могут иметь место износ отдельных частей прибора и разного рода повреждения. Это приводит к появлению недопустимо больших погрешностей при измерениях, поэтому необходимо периодически поверять приборы вовремя их эксплуатации. Поверку производят органы Государственной и ведомственной метрологической службы. Поверка – это определение погрешностей прибора и установление его пригодности к применению. Она включает в себя внешний осмотр поверяемого прибора, выбор образцового прибора, поверку показаний прибора и оформление документов. Внешний осмотр прибора имеет целью выяснить дефекты, препятствующие дальнейшему применению прибора, например, повреждение стекла, корректора, стрелки или наличие отсоединившихся деталей и т.д. Прибор, на основе показаний которого поверяется исследуемый прибор, называется образцовым Образцовый прибор выбирают породу тока, по номинальным значениям величин к классу точности. Верхний предел измерения образцового прибора должен быть близок к верхнему пределу поверяемого прибора, а приведенная погрешность, по крайней мере, в 3 раза меньше приведенной погрешности поверяемого. Поверку технических приборов производят путем сравнения их показаний с показаниями образцовых приборов. Регулировку тока или напряжения следует вести так чтобы, показания поверяемого прибора сначала постепенно увеличивались до номинального, а затем плавно уменьшались до нуля. При этом стрелку поверяемого прибора необходимо точно устанавливать на основные деления шкалы и производить запись показаний обоих приборов (поверяемого и образцового. Для поверки амперметра и вольтметра собирают схемы в соответствии с рисунками 1.1, 1.2 или 1.3. Рисунок 1.1. Схема установки для поверки амперметра 9 Поверку амперметра производят при постоянном напряжении сети, регулируя ток в электрической цепи путем изменения сопротивления потенциометра. Рисунок 1.2. Схема установки для поверки вольтметра c нерегулируемым источником питания Рисунок 1.3. Схема установки для поверки вольтметра с регулируемым источником питания Порядок выполнения работы 1. Подобрать приборы и оборудование. 2. Собрать электрическую схему установки согласно рисунку 1.1. 3. Произвести поверку амперметра. Результаты измерений занести в таблицу 1.1. 4. Собрать электрическую схему согласно рисунку 1.2 при нерегулируемом источнике питания или схему согласно рисунку 1.3 при регулируемом источнике. 5. Произвести поверку вольтметра, результаты измерений свести в таблицу 1.2. 6. Выполнить расчет основных погрешностей, результаты вычислений занести в таблицы 1.1 и 1.2. 10 Таблица 1.1 Результаты поверки амперметра № п/п Показания прибора Погрешности Поправка К Поверяемого Образцового Абсолютная Приведенная ход вверх ход вниз среднее значение мА мА мА мА мА % мА 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Таблица 1.2 Результаты поверки вольтметра № п/п Показания прибора Погрешности Поправка К Поверяемого Образцового Абсолютная Приведенная ход вверх ход вниз среднее значение В В В В В % В 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 7. Поданным опытов к расчетным данным построить графики зависимости поправок от показаний поверяемого прибора. 8. Дать заключения о поверяемых приборах, сделать выводы по работе. 12 Контрольные вопросы 1. Что такое класс точности прибора 2. Какие виды погрешностей существуют у электроизмерительных приборов и отчего они зависят 3. Что такое поверка 4. Что такое ход вверх и ход вниз 5. Назовите условия выбора образцового прибора 6. Назовите преимущества и недостатки приборов магнитоэлектрической системы. 7. Почему прибор магнитоэлектрической системы непригоден для измерения в цепях переменного тока 8. Приборы какой системы могут работать как на постоянном, таки на переменном токе 9. Как расширить предел измерения амперметра 10. Как расширить предел измерения вольтметра 11. Как в электрическую цепь включается амперметр, каково должно быть его внутреннее сопротивление 12. Как в электрическую цепь включается вольтметр, каким должно быть его внутреннее сопротивление 13 Лабораторная работа № 2 Проверка основных законов электрических цепей Цель работы экспериментально найти распределение токов и напряжений, а также сопротивления отдельных элементов и всей цепи при последовательном, параллельном и смешанном соединении потребителей убедиться в справедливости закона Ома и законов Кирхгофа. Основные понятия и определения В электротехнике приняты условные положительные направления напряжения U, тока I и э.д.с. (ЭДС) E, которые на схемах указываются стрелками. За положительное направление напряжения принимают напряжение от точки с большим потенциалом к точке с меньшим. Если, например, потенциал точки a больше потенциала точки b (а, то напряжение направленно от а к b (рисунок 2.1). Рисунок 2.1. Простая электрическая цепь с одним источником ЭДС За положительное направление тока на участке цепи без источника принято также направление от точки с большим потенциалом к точке с меньшим. На указанном участке цепи положительное направление цепи и напряжение совпадают. Положительным направлением ЭДС источника является напряжение от точки с меньшим потенциалом к точке с большим внутри источника. Больший потенциал обозначается (+), меньший (–). Для того чтобы в электрической цепи установить положительные напряжения ЭДС напряжений токов, следует воспользоваться вольтметром магнитоэлектрической системы. Как известно, подвижная часть этого прибора отклоняется вправо, когда зажим прибора, обозначенный знаком (+), присоединен к точке электрической цепи с большим потенциалом, а зажим, обозначенный знаком (–), к точке с меньшим потенциалом. Направление тока легко определить, если учесть, что в резисторе направления тока и напряжения совпадают. 14 Соотношения между токами, напряжениями ЭДС и с сопротивлениями в электрических цепях определяются законами Ома и Кирхгофа. С помощью этих законов может быть произведен расчет режима работы любой электрической цепи. Закон Ома. На участке электрической цепи, не содержащем источника ЭДС (рисунок 2.1.), сила тока I цепи прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка R. R U I , (2.1) где I измеряется в А (ампер, U – в В (вольт, R – в Ом. Величина I·R называется также падением напряжения на резисторе R и измеряется в вольтах. Напряжение и ЭДС источника энергии. По закону Ома для полной цепи (рисунок 2.1.) сила тока прямо пропорциональна ЭДС E и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи (R + r 0 ): Е, где r 0 – внутреннее сопротивление источника. Это же выражение может быть записано в виде 0 0 r I U r I R I E (2.2) те. напряжение источника меньше его ЭДС на величину падения напряжения на его внутреннем сопротивлении. Выражение называется внешней характеристикой источника ЭДС. Из полученного для U выражения видно, что с увеличением тока напряжение на зажимах источника, вследствие большего внутреннего падения напряжения, уменьшается. Когда источник отключен от внешней цепи (холостой ход, I = 0, напряжение на его зажимах равно ЭДС. 15 Рисунок 2.2. Узел электрической цепи Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма силы токов ветвей, сходящихся в узле j равна нулю 0 1 n i i I , (2.4) где n – число ветвей, подходящих к узлу j. Токи, втекающие в узел, условно считаются отрицательными, а токи, вытекающие из узла – положительными. Для узла j (рисунок 2.2) можно записать – I 1 – I 2 + I 3 + I 4 – I 5 = 0. Второй закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма падений напряжения в ветвях любого замкнутого контура электрической цепи равна сумме э.д.с. источников энергии, действующих в этом контуре. Перед составлением уравнения по второму закону Кирхгофа необходимо произвольно выбрать направление обхода контура. Затем включить в сумму со знаком (+) все э.д.с. и токи, направления которых совпадают с направлением обхода контура, а со знаком (–) те – направления, которых противоположны направлению обхода контура. m i i i n i i E r I 1 1 (2.5) Составим уравнение по второму закону Кирхгофа для контура а б в га рисунок 2.3). На схеме условно внутренние сопротивления и э.д.с. источников энергии показаны раздельно. Пусть обход контура совпадает с направлением движения часовой стрелки. Тога по второму закону Кирхгофа имеем I 1 · (r 01 + r 1 ) – I 3 · r 03 = E 1 – Рисунок 2.3. Сложная электрическая цепь 16 Определение эквивалентного сопротивления и преобразование электрических цепей. Сопротивления в электрических цепях могут быть включены последовательно, параллельно, смешанно или поболее сложным схемам. Расчет цепей упрощается при замене нескольких сопротивлений одним эквивалентным, а также при других преобразованиях. Рассмотрим свойства различных способов соединения сопротивлений. |