Методические указания по выполнению практических работ по электротехнике. МУ к выполнению лабораторных работ по электротехнике. Методические указания к выполнению лабораторных работ по электротехнике
 Скачать 1.66 Mb.
|
|
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ ПРЕДИСЛОВИЕ В современных условиях инженер любого профиля не может активно содействовать совершенствованию технологических процессов без достаточно глубоких знаний основ электротехники и промышленной электроники. В связи с этим в учебных программах, для учереждений среднего профессионального образования, предусмотрен курс электротехники, при изучении которого значительное внимание уделено лабораторным работам, которые помогают учащимся лучше усвоить пройденный материал, связать теорию с практикой, осуществить межпредметные связи и закрепить полученные знания. Особое место в подготовке квалифицированных кадров занимает изучение электротехники. Студенты на этих занятиях приобретают определенный комплекс практических навыков в эксплуатации электротехнического оборудования, сборке электрических схем, включению различных электроизмерительных приборов и аппаратов и управлению их работой. Выполняя лабораторные работы по электротехнике, студенты имеют возможность в полной мере применить и те знания, которые получены при изучении других предметов. Наряду с этим в ходе выполнения лабораторных работ у студентов накапливается определенный опыт экспериментирования. ПРАВИЛА ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Подготовка к лабораторным работам. Лабораторные работы в группах проводятся в соответствии с расписанием учебных занятий. Для выполнения лабораторных работ студент должен руководствоваться следующими положениями: 1. Предварительно ознакомиться с темой лабораторной работы; 2. Внимательно ознакомиться с описанием соответствующей лабораторной работы и установить, в чем состоит основная цель и задача этой работы; 3. По лекционному курсу и соответствующим литературным источникам изучить теоретическую часть, относящуюся к данной лабораторной работе; 4. До проведения лабораторной работы подготовить в рабочей тетради соответствующие схемы, миллиметровку для построения графиков, таблицы наблюдений и расчетные формулы; 5. Неподготовленные к работе студенты к выполнению лабораторной работы не допускаются. Выполнение лабораторных работ. Успешное выполнение лабораторных работ может быть достигнуто в том случае, если экспериментатор отчетливо представляет себе цель эксперимента и ожидаемые результаты, поэтому важным условием обстоятельности проводимых исследований является тщательная подготовка к лабораторной работе. При этом необходимо соблюдение следующих требований. 1. Перед сборкой электрической цепи студенты должны предварительно ознакомиться с электрическим оборудованием и его номинальными данными (значение тока, напряжения и мощности, на которые рассчитаны соответствующие электротехнические устройства), а также с измерительными приборами, предназначенными для проведения соответствующей лабораторной работы. 2. Сборку электрической цепи необходимо производить в точном соответствии с заданием. целесообразно сначала соединить все элементы цепи, включаемые последовательно, а затем – параллельно. Электрические цепи, включаемые параллельно, рекомендуется соединять проводами другого цвета. 3. После окончания сборки электрическая цепь должна быть предъявлена для проверки. Включать цепь под напряжением можно только с разрешения преподавателя или дежурного лаборанта. 4. Запись показаний всех приборов в процессе выполнения лабораторной работы следует производить по возможности одновременно и быстро. 5. Результаты измерений заносятся студентом в свою рабочую тетрадь для лабораторных работ. 6. После выполнения отдельного этапа лабораторной работы результаты опыта вместе с простейшими контрольными расчетами предъявляются для проверки преподавателю до разборки электрической цепи. 7. Разбирая электрическую цепь, а также переходить к сборке новой можно только по разрешению преподавателя. 8. После окончания работы в лаборатории рабочее место должно быть приведено в порядок. 9. В течение всего времени занятий в лаборатории студенты обязаны находиться на своих рабочих местах. Выходить из помещения лаборатории во время занятий можно только с разрешением преподавателя. Оформление отчета по лабораторным работам. Составление отчета о проведенных исследованиях является важнейшим этапом выполнения лабораторной работы. По каждой выполненной работе в рабочей тетради составляют отчет, руководствуясь следующими положениями: 1. Указать название и порядковый номер лабораторной работы, а так же краткое сформулировать цель работы; 2. Схемы и графики вычертить с соблюдением принятых стандартных условий обозначений; 3 Графические зависимости дать в прямоугольной системе координат в масштабе, с равномерными шкалами; произвольный перенос начала координат не допускается; на графиках необходимо наносить экспериментальные точки; 4. Отчет по каждой лабораторной работе должен содержать основные выводы. В заголовке отчета указывают номер работы и ее полное наименование. При составлении отчета нужно кратко описать цель работы, ее содержание, указать использованные аппаратуру и оборудование, приложить вычерченные электрические схемы, таблицы и графи. 5.При выполнении лабораторной работы необходимо строго следовать правилам техники безопасности. 6.Измерительные приборы и специальную аппаратуру каждая бригада получает у преподавателя и, окончив работу, сдает обратно. О порче прибора студенты должны сообщить преподавателю. 7. При выполнении лабораторных работ обучающиеся должны научиться: - использовать измерительные приборы для измерения параметров электрических цепей; - прогнозировать направление тока исходя из полярности напряжения, измеренной с помощью измерительного прибора. Критерии оценки выполнения и защиты лабораторных работ «Зачет» выставляется в случае выполнения лабораторной работы в полном объеме: схема собрана верно; сняты показания измерительных приборов; произведены расчеты; построены графики характеристик; проведена процедура защиты лабораторной работы преподавателю. «Незачет» выставляется в случае невыполнения одного из перечисленных требований. Лабораторная работа №1 ТЕМА: Определение эквивалентного сопротивления Цели работы: закрепить практические навыки применения метода расчета электрических цепей, развивать умение самостоятельно мыслить и делать выводы Ход работы: 1.Выполнить расчет электрической цепи 1.1 Рассчитать эквивалентное сопротивление цепи. 1.2 Определить ток каждого участка цепи. 2. Сдать отчет по работе. Общие сведения Метод «свертывания» применяется для расчета цепей, содержащих только один источник питания и группу сопротивлений соединенных по смешанной схеме. Метод «свертывания» позволяет определить эквивалентное сопротивление цепи, рассчитать ток и напряжение каждого участка цепи. Сущность метода: при расчете эквивалентного сопротивления – рассчитываются наиболее сложные блоки цепи и с каждым шагом расчета схема упрощается («сворачивается»); расчет участков цепи выполняется в обратном направлении; проверить расчет составлением уравнения баланса мощностей. Различают: Последовательное соединение сопротивлений: особенностью является – сила тока одинакова на каждом участке цепи.  Rэкв = R1 + R2 + R3 I1 = I2 = I3 = I U = U1 + U2 + U3 По закону Ома: I*Rэкв = I*R1 + I*R2 + I*R3 2. Параллельное соединение сопротивлений: особенностью является – напряжение одинаково на каждом участке цепи.  U1= U2 = U I = I1 + I2 По закону Ома: U/Rэкв = U/R1 + U/R2 1/Rэкв = 1/R1 + 1/R2  – два резистора  – три резистора3. Смешанное соединение: – рассчитывается на основании формул последовательного и параллельного соединения. Расчет следует начинать с последнего соединения по отношению к источнику питания. Расчет смешанного соединения рассмотрим на примере. Баланс мощностей рассчитывается по формуле: ∑ Ри = ∑ Рп + ∑ Р0 Ри = Е*I = U*I Рп1 = I12*R1 Pп2 = I22*R2 Pп3 = I32*R3 Pп4 = I42*R4 и т.д. P0 = I2*r При расчетах индексы соответствующих параметров совпадают. Пример расчета: Для данной электрической цепи определить эквивалентное сопротивление цепи Rэкв, ток и напряжение каждого участка цепи, ток цепи, напряжение, приложенное к цепи. Проверить расчет с помощью моделирования электрической цепи в программе Electronic Workbench. Рассчитать баланс мощностей. Дано: R1 = 5 Ом; R2 = 6 Ом; R3 = 6 Ом; R4 = 10 Ом; E = 36 В. Найти: ток и напряжения каждого участка цепи; рассчитать баланс мощностей.  Решение: 1. Обозначим направление тока в каждом резисторе. 2. Рассчитаем эквивалентное сопротивление (методом «свертывания»): а).  – параллельное соединениеб).  – последовательное соединение3. Определим ток в цепи: U = E = 36 В  4. Рассчитываем участки цепи (цепь «разворачиваем»): а). т.к. сопротивления R1, R23, R4 соединены последовательно, имеем: I = I1 = I23 = I4 = 2 А б).    в). т.к. сопротивления R2 и R3 соединены параллельно, имеем: U2 = U3 = U23 = 6 Ом  
Вывод: Закон сохранения мощности выполняется. Задание: Выполнить расчет электрической цепи постоянного тока методом «свертывания». Цепь постоянного тока содержит несколько резисторов, соединённых смешанно. Индекс тока и напряжения совпадают с индексом резистора, по которому проходит этот ток или на котором действует это напряжение. Определить эквивалентное сопротивление цепи, ток и напряжение на каждом участке, ток в цепи, напряжение, приложенное к цепи. R  1 = 2 ОмR2 = 4 Ом R3 = 12 Ом R4 = 3 Ом R5 = 6 Ом Рис.1 Схема электрической цепи 2.Ток и напряжение на каждом участке, ток в цепи, напряжение, приложенное к цепи определить с помощью расчетов. 3.Рассчитать баланс мощности. 4.Сделать вывод по работе. Ответить на контрольные вопросы:
Контрольные вопросы: 1.При построении электрических цепей применяют несколько потребителей. Какие типы соединения проводников вы знаете? 2.Как образуется последовательное соединение проводников? Какая особенность последовательного соединения? 2. Как образуется параллельное соединение проводников? Какая особенность параллельного соединения? 3.Как образуется смешанное соединение проводников? 4.Какие приборы применяют для измерения силы тока и напряжения в электрических цепях? Лабораторная работа №2 ТЕМА: Изучение зависимости сопротивления реальных проводников от их геометрических параметров и удельных сопротивлений материалов Цель: определить удельное сопротивление проводника и сравнить его с табличным значением. 1. Краткое теоретическое описание Немецкий физик Георг Ом (1787-1854) в 1826 году обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:  (1)Эту величину R называют электрическим сопротивлением проводника. Электрическое сопротивление измеряется в Омах. Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:   Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади S поперечного сечения проводника:  (2)Постоянный для данного вещества параметр называется удельным электрическим сопротивлением вещества. Удельное сопротивление измеряется в Ом м. 2. Порядок выполнения работы  Рис.1 Электрическая цепь 2.1. Соберите на монтажном столе электрическую схему, показанную на рисунке: 2.2. Выберите материал проводника – никель, установите значения длины и площади поперечного сечения: L = 100 м; S = 0.1 мм2; 2.3. Определите экспериментально с помощью мультиметра напряжение на проводнике. Для этого необходимо подключить параллельно проводнику мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения, соблюдая полярность. Запишите показания мультиметра. 2.4. Определите экспериментально с помощью мультиметра силу тока в цепи. Включите мультиметр в режиме измерения постоянного тока последовательно в цепь, соблюдая полярность. Запишите показания мультиметра. 2.5. Рассчитайте сопротивление проводника по формуле (1). 2.6. Определите удельное сопротивление никеля по формуле (2). 2.7. Проделайте пункты 2.3 – 2.6. изменяя длину, но, не меняя площадь поперечного сечения и материал проводника. 2.8. Результаты измерений занесите в таблицу:
2.9. Найдите среднее значение удельного сопротивления и сравните его с табличным значением. 2.10. Измерьте сопротивление проводника непосредственно с помощью омметра. Сравните полученные результаты. Сформулируйте выводы по проделанной работе. 3. Контрольные вопросы. 3.1. Что называют удельным сопротивление проводника? 3.2. Как зависит сопротивление проводника от его длины? 3.3. По какой формуле можно рассчитать удельное сопротивление проводника? 3.4. В каких единицах измеряется удельное сопротивление проводника? Лабораторная работа №3: Исследование сложных цепей постоянного электрического тока. Цель: изучить приемы расчета сложных электрических цепей постоянного тока. 1. Краткое теоретическое описание. Сложные цепи не всегда удается представить в виде блоков последовательно и параллельно соединенных сопротивлений. Как же находить сопротивление таких цепей? Иногда эту задачу можно существенно упростить, если схема обладает симметрией.  Рис.1. Рассмотрим в качестве примера такой цепи участок металлической сетки с одинаковыми сопротивлениями r: Каково сопротивление между точками А и В? Представить эту цепь в виде блоков последовательно и параллельно соединенных сопротивлений не удается. Как же быть?  Рис.2. Пусть к точкам А и В подключен источник тока. Посмотрим на токи, которые будут течь через элементы металлической сетки.  Рис.3. Из симметрии ясно, что токи через элементы CO и DO должны быть одинаковы и равны токам, текущим через элементы OF и OE. А раз так, то в точке О цепь можно разорвать, при этом токи через элементы сетки не изменятся:  Рис.4 Последнюю схему уже можно представить в виде блоков последовательно и параллельно соединенных сопротивлений: и определить полное сопротивление RAB цепи:  2. Порядок выполнения работы. 2.1. Соберите на монтажном столе схему, показанную на рис. 3. Предусмотрите выключатель, соединяющий точки О и О'. Выберите значения сопротивлений одинаковыми и равными 1 кОм. 2.2. Измерьте с помощью омметра сопротивление между точками А и В при замкнутом и разомкнутом положении выключателя. Объясните результаты измерений. 2.3. Подключите батарейку с ЭДС 1.5 вольта и последовательно с ней амперметр между точками А и В собранной Вами схемы. Измерьте силу тока при разомкнутом и замкнутом ключе. Измерьте напряжение между точками О и О' при разомкнутом ключе и подключенной батарейке к точкам А и В. Точки схемы, напряжение между которыми равно нулю, можно соединять и такое соединение не изменит токов, текущих по элементам схемы. Иногда такое соединение может существенно упростить схему. 3. Контрольные вопросы. 3.1. Какие свойства схемы могут оказаться полезными при расчете сложных схем? 3.2. Между какими точками схемы, изображенной на рис.3, напряжение равно нулю? 3.3. Исследуйте аналогичным способом сопротивление между противоположными вершинами проволочного куба? Чему равно сопротивление между этими точками? Лабораторная работа №4: Исследование работы плавких предохранителей в электрических цепях. Принципы работы плавких предохранителей в электрических цепях Цель: рассчитать предохранители для защиты электрической сети с напряжением 220 В, питающей осветительные и электронагревательные приборы. Краткое теоретическое описание. Цель: рассчитать предохранители для защиты электрической сети с напряжением 220 В, питающей осветительные и электронагревательные приборы. Краткое теоретическое описание. Электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Если по той или иной причине сила тока в цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция – воспламениться. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например электрических плиток, или короткое замыкание. Коротким замыкание называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители. Назначение предохранителей – сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы. Рассмотрим устройство предохранителей, применяемых в квартирной проводке. Главная часть предохранителя - проволока из легкоплавкого металла (например, из свинца), проходящая внутри фарфоровой пробки. Пробка имеет винтовую нарезку и центральный контакт. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовой проволокой. Пробку ввинчивают в патрон, находящийся внутри фарфоровой коробки. Свинцовая проволока представляет, таким образом, часть общей цепи. Толщина свинцовых проволок рассчитана так, что они выдерживают определенную силу тока. Если сила тока превысит допустимое значение, то свинцовая проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой. Предохранители с плавящимся проводником называют плавким предохранителем. В установке переменного и постоянного тока с напряжением до 1 кВ плавкие предохранители применяют для защиты линий, электродвигателей и других приемников электроэнергии от действия токов КЗ и перегрузки. Предохранители с закрытыми разборными патронами типа ПР-2 изготавливаются на номинальные токи 15 ÷ 1000 А (рис. 1). Патрон предохранителя состоит из фибровой трубки 2 с латунными контактными держателями 1, закрепляющих контактных ножей 4, к которым присоединяется плавкая вставка 3. Для отвода избыточного тепла в месте соединения плавкой вставки и ножа установлена массивная медная шайба 5, предотвращающая произвольный поворот контактных ножей. Патрон вставляют в неподвижные контактные стойки, закрепленные на изолированной плите.  Рисунок1-Предохранитель-типа-ПР-2: а)конструкция предохранителя; б)формаплавкихвставок; 1 - контактные держатели, 2 - фибровая трубка, 3 - плавкая вставка, 4-контактный нож, 5-медная-шайба Плавкие вставки изготавливаются из цинка в виде пластины с вырезами. На суженных участках выделяется больше тепла, чем на широких, но при номинальном режиме избыточное тепло, благодаря теплопроводности цинка, передается широким частям, поэтому вся вставка имеет примерно одинаковую температуру. При перегорании плавкой вставки от действия протекающих токов КЗ и перегрузки образуется электрическая дуга. В основу гашения дуги заложен принцип деления ее на части - разрывы, что обеспечивается самой конструкцией вставки. Нагрев узких участков идет быстрее, чем широких. Вставка перегорает во всех суженных местах. Широкие части под собственной массой падают вниз патрона, улучшая эффективность разрыва электрической дуги. Высокая температура электрической дуги, воздействуя на стенки фибрового патрона, вызывает образование газов. Давление газов до 4…8 МПа способствует быстрому охлаждению и гашению электрической дуги. Достоинством предохранителей является простота смены сгоревшей вставки. Предохранители типа ПН-2 выполняются на номинальные токи 100…600 А (рис. 4), широко применяются для защиты силовых цепей до 500 В переменного и 440 В постоянного тока.  Рисунок2.-ПредохранительПН-2: 1 - корпус, 2 - крышка, 3 - контактные ножи, 4 - плавкая вставка, 5 - прорези, 6 – шарики Корпус1 фарфоровый, квадратный, имеет резьбовое отверстие для винтов, с помощью которых крепятся крышка 2 с контактными ножами 3, плавкая вставка 4, приваренная к шайбам ножей. Корпус заполнен наполнителем - сухим кварцевым песком и герметически закрыт крышками с асбестовыми прокладками. Плавкие вставки изготовлены из тонких медных лент толщиной 0,15…0,35 мм и шириной до 4,4 мм; на вставке сделаны прорези 5, уменьшающие сечения вставки в два раза. Для снижения температуры плавления центральной части используется металлургический эффект - на полоски меди напаиваются шарики - 6, температура плавления в этом случае не превышает 475С. Металлургический эффект заключается в том, что многие легкоплавкие металлы (олово, свинец) способны в расплавленном состоянии растворять некоторые тугоплавкие металлы (медь, серебро). Для ускорения плавления вставки при перегрузках и токах КЗ на проволоки напаиваются небольшие оловянные шарики. Когда температура вставки достигает температуры плавления олова, шарик расплавляется и растворяет часть металла, на котором он напаян. Происходит местное увеличение сопротивления вставки и снижение температуры плавления металла в этом месте. Вставка 6 перегорает в том месте, где был наплавлен шарик. При этом температура всей вставки оказывается намного ниже температуры плавления металла, из которого она выполнена. В номинальном режиме шарик практически не влияет на температуру нагрева вставки. Этот способ получения требуемой (защитной) характеристики может применяться при тонких вставках, например, диаметром шарика 1 мм для проволок 0,3 мм и диаметром шарика 2 мм, при более толстых проволоках. При возрастании диаметра вставки металлургический эффект резко снижается и практически не сказывается. Применение металлургического эффекта позволяет значительно уменьшить ток срабатывания предохранителя при неизменном номинальном токе, т.к. номинальный ток будет зависеть только от сечения плавкой вставки. При перегорании вставки электрическая дуга гасится в узких щелях кварцевого песка. Для уменьшения эффекта токоограничения и, следовательно, перенапряжений используются прорези на плавкой вставке (узкие места), сгорая в которых дуга разделяется на части. Предохранители НПН подобны ПН, но имеют неразборный патрон без контактных ножей и рассчитываются на токи до 60 А. Предельный отключаемый ток в предохранителях ПН-2 достигает 60 кА. Плавкие предохранители должны обеспечивать нормальную работу электроприемников при длительном прохождении по ним номинального тока и немедленно отключать их при перегрузках и коротких замыканиях. Поэтому предохранители выбирают с учетом следующих обстоятельств: Номинальный ток плавкой вставки должен удовлетворять требованию Iвст. ˃ Iр, где Iр – расчетный ток на защищенном участке цепи; Каждый предохранитель должен срабатывать лишь тогда, когда произойдет короткое замыкание на участке цепи, который он защищает, т.е. предохранители должны работать избирательно (селективно). Электрические цепи всегда рассчитаны на определенную силу тока. Если по той или иной причине сила тока в цепи становится больше допустимой, то провода могут значительно нагреться, а покрывающая их изоляция – воспламениться. Причиной значительного увеличения силы тока в сети может быть или одновременное включение мощных потребителей тока, например электрических плиток, или короткое замыкание. Коротким замыкание называют соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи. Сопротивление цепи при коротком замыкании незначительно, поэтому в цепи возникает большая сила тока, провода при этом могут сильно накалиться и стать причиной пожара. Чтобы избежать этого, в сеть включают предохранители. Назначение предохранителей – сразу отключить линию, если сила тока вдруг окажется больше допустимой нормы. Рассмотрим устройство предохранителей, применяемых в квартирной проводке. Главная часть предохранителя - проволока из легкоплавкого металла (например, из свинца), проходящая внутри фарфоровой пробки. Пробка имеет винтовую нарезку и центральный контакт. Нарезка соединена с центральным контактом свинцовой проволокой. Пробку ввинчивают в патрон, находящийся внутри фарфоровой коробки. Свинцовая проволока представляет, таким образом, часть общей цепи. Толщина свинцовых проволок рассчитана так, что они выдерживают определенную силу тока. Если сила тока превысит допустимое значение, то свинцовая проволока расплавится и цепь окажется разомкнутой. Предохранители с плавящимся проводником называют плавким предохранителем. Плавкие предохранители должны обеспечивать нормальную работу электроприемников при длительном прохождении по ним номинального тока и немедленно отключать их при перегрузках и коротких замыканиях. Поэтому предохранители выбирают с учетом следующих обстоятельств: номинальный ток плавкой вставки должен удовлетворять требованию Iвст. Iр, где Iр – расчетный ток на защищенном участке цепи; 2) каждый предохранитель должен срабатывать лишь тогда, когда произойдет короткое замыкание на участке цепи, который он защищает, т.е. предохранители должны работать избирательно (селективно). Порядок выполнения работы: Соберите электрическую цепь, изображенную на рисунке:.   Рис.1. Выберите напряжение генератора сети равным 220 В, мощности электрических лампочек – 60 и 150 Вт, а рабочее напряжение – 240 В. Выберите мощности электронагревательных приборов – 600 и 1000 Вт, а рабочее напряжение – 240 В. Определите расчетный ток для каждого электроприемника по формуле  . Результаты занесите в таблицу.Рассчитайте номинальные значения токов плавких предохранителей, защищающих отдельно электроосветительную сеть (Пр.3) и сеть, питающую электронагревательные приборы (Пр.2), а также ток для общего предохранителя (Пр.1), защищающего все электрические приборы. Замкните ключи К1 и К4, К5. Убедитесь, что лампы загорелись, а предохранители Пр.1 и Пр.3 не перегорают. Замкните ключи К1 и К2, К3. Убедитесь, что нагреватели включились, а предохранители Пр.1 и Пр.2 не перегорают. Замкните все ключи. Убедитесь, что все электроприборы включились, а все предохранители не перегорают. 3. Контрольные вопросы. 3.1. Какова цель установки предохранителей в электрических цепях? 3.2. Как рассчитывается номинальный ток плавкой вставки предохранителя? 3.3. Почему правилами техники безопасности запрещается установка так называемых "жучков" - случайно выбранных проводников вместо целых предохранителей? Лабораторная работа № 5 Определение параметров магнитных цепей. Цель: сформулировать основные законы для магнитных цепей, повторить определения основных параметров магнитных цепей; -произвести расчет магнитной цепи, размеры и материалы которой, а также расположение обмоток с токами известны. Основные формулы: Решение задачи требует знания основных законов теории магнитных цепей. Прямая задача По заданному магнитному потоку и габаритам магнитопровода определяем магнитную индукцию на участке цепи , где Ф – магнитный поток, S – площадь поперечного сечения магнитопровода. По кривой намагничивания В = f(Н) для данного материала по величине магнитной индукции В определяем соответствующую напряженность Н (рис.1) Тогда искомая сила по закону полного тока:  , (1.3)где L – длина средней магнитно-силовой линии. Обратная задача По заданной МДС F = I·W и габаритам магнитопровода определяем напряженность магнитного поля по закону полного тока  , (1.4)По вычисленной напряженности по кривой намагничивания для заданного материала определяем магнитную индукцию В. Определяем искомый магнитный поток, зная сечение магнитопровода S, (1.5) Определяем относительную магнитную проницаемость:  (1.6)где μ0 = 125∙10-8 Гн/м – магнитная проницаемость воздуха.  нн  Рис 1. Кривая намагничивания и таблица зависимости индукции В от напряженности Н Вариант 1. 1.Сформулируйте и запишите математическое выражение закона Ампера. Для чего применяется правило левой руки? Сформулируйте это правило. 2.Что называют магнитной цепью? Какие цепи называют разветвленными? Неразветвленными? 3. Решите задачу: Магнитопровод неразветвленной однородной магнитной цепи составлен из 100 листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Размеры магнитопровода указаны в мм. Определить намагничивающую силу F =Hl, при которой магнитный поток в магнитопроводе Ф= 3∙10-3 Вб.  Рис. 2 – Эскиз магнитопровода к задаче 3 варианта 1. Вариант 2. 1. Дайте понятие абсолютной магнитной проницаемости. Приведите её численное значение. Что понимают под относительной магнитной проницаемостью среды. На какие группы можно разделить все вещества, используя понятие относительной магнитной проницаемости. 2.Сформулируйте закон Ома для магнитной цепи. Для расчета, какого типа цепей он применяется. 3. Решите задачу: Определить ток в катушке, имеющей 250 витков, и магнитную проницаемость сердечника, на котором расположена катушка, выполненном из литой стали, если магнитный поток, созданный током катушки в сердечнике,Ф= 8∙10-4Вб. Размеры однородной магнитной цепи даны в мм.  Рис. 3 – Эскиз магнитопровода к задаче 3 варианта 2. Вариант 3. 1.Что называют магнитным потоком? Назовите основную единицу измерения магнитного потока Ф. 2.Что понимают под магнитным сопротивлением? В каких единицах измеряется магнитное сопротивление? Почему в магнитных цепях целесообразно сокращать воздушные зазоры? 3. Решите задачу: По катушке с числом витков W = 300 проходит ток 2 А. Катушка расположена на сердечнике из электротехнической стали, размеры которого даны в мм. Определить магнитный поток Ф в магнитопроводе однородной магнитной цепи.  Рис. 4 – Эскиз магнитопровода к задаче 3 варианта 3. Вариант 4. 1.Дайте определение вектора магнитной индукции В. Опишите способы определения направления вектора В. Назовите основную единицу измерения для вектора В. 2. Что называют магнитным напряжением? Намагничивающей силой? В каких единицах они измеряются. Сформулируйте закон полного тока. 3. Решить задачу: Однородная магнитная цепь из листовой электротехнической стали имеет две обмоткиW1= 200 иW2=150, подключенных согласно к зажимамaиb.Сопротивление обмоток соответственноR1= 0,52 Ом иR2= 0,38 Ом. К зажимамaиbприложено напряжениеU= 6 В. Определить магнитный поток в магнитной цепи, пренебрегая рассеянием. Размеры магнитопровода даны в мм. Расчет произвести по закону полного тока для магнитной цепи.  Рис. 5 – Эскиз магнитопровода к задаче 3 варианта 4. Лабораторная работа №6 Элементы цепей переменного тока Цель: изучить зависимость емкостного и индуктивного сопротивлений от частоты переменного тока и параметров элементов. 1.Краткое теоретическое описание В цепи переменного тока кроме резисторов могут использоваться катушки индуктивности и конденсаторы. Для постоянного тока катушка индуктивности имеет только активное сопротивление, которое обычно невелико (если катушка не содержит большое количество витков). Конденсатор же в цепи постоянного тока представляет "разрыв" (очень большое активное сопротивление). Для переменного тока эти элементы обладают специфическим реактивным сопротивлением, которое зависит как от номиналов деталей, так и от частоты переменного тока, протекающего через катушку и конденсатор. 1.1. Катушка в цепи переменного тока. Рассмотрим, что происходит в цепи, содержащей резистор и катушку индуктивности. Колебания силы тока, протекающего через катушку:  вызывают падение напряжения на концах катушки в соответствии с законом самоиндукции и правилом Ленца:  т.е. колебания напряжения опережают по фазе колебания силы тока на /2. Произведение LIm является амплитудой колебания напряжения:  Произведение циклической частоты на индуктивность называют индуктивным сопротивлением катушки:  (1)поэтому связь между амплитудами напряжения и тока на катушке совпадает по форме с законом Ома для участка цепи постоянного тока:  (2)Как видно из выражения (1), индуктивное сопротивление не является постоянной величиной для данной катушки, а пропорционально частоте переменного тока через катушку. Поэтому амплитуда колебаний силы тока Im в проводнике с индуктивностью L при постоянной амплитуде UL напряжения убывает обратно пропорционально частоте переменного тока:  .1.2. Конденсатор в цепи переменного тока. При изменении напряжения на обкладках конденсатора по гармоническому закону:  заряд q на его обкладках изменяется также по гармоническому закону: .Электрический ток в цепи возникает в результате изменения заряда конденсатора, поэтому колебания силы тока в цепи будут происходить по закону:  Видно, что колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазе от колебаний силы тока на I /2. Произведение I CUm является амплитудой колебаний силы тока:  Аналогично тому, как было сделано с индуктивностью, введем понятие емкостного сопротивления конденсатора:  (3)Для конденсатора получаем соотношение, аналогичное закону Ома:  (4)Формулы (2) и (4) справедливы и для эффективных значений тока и напряжения. 2.Порядок выполнения работы 1.Соберите цепь показанную на рисунке 1. Установите следующие значения параметров: Генератор – напряжение (эффективное) 100 В, частота 100 Гц; Конденсатор – рабочее напряжение 400 В, емкость 10 мкФ; Резистор – рабочая мощность 500 Вт, сопротивление 100 Ом. 2.Изменяя емкость конденсатора от 5 до 50 мкФ (через 5 мкФ), запишите показания 3.Рассчитайте эффективное значение токов, текущих в цепи, в зависимости от значения емкости конденсатора (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление). 4.Определите значения емкостных сопротивлений конденсатора для соответствующих значений его емкости и сравните их с рассчитанными по формуле (3). 5.Установите емкость конденсатора 10 мкФ. Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторите измерения и расчеты емкостного сопротивления в зависимости от частоты переменного тока. Соберите цепь показанную на рисунке 2.   Рис.1. Рис.2. 6.Установите следующие значения параметров: Генератор – напряжение (эффективное) 100 В, частота 100 Гц; Катушка - индуктивность 50 мГн; Резистор – рабочая мощность 500 Вт, сопротивление 100 Ом. 7.Изменяя индуктивность катушки от 50 до 500 мГн (через 50 мГн), запишите показания вольтметров (напряжение на катушке и на резисторе). 8.Рассчитайте эффективное значение токов, текущих в цепи, в зависимости от значения индуктивности катушки (для этого надо напряжение на резисторе разделить на его сопротивление). 9.Определите индуктивные сопротивления катушки для соответствующих значений ее индуктивности и сравните их с рассчитанными по формуле (1). 0.Установите индуктивность катушки 100 мГн. Изменяя частоту генератора от 20 до 100 Гц через 10 Гц, повторите измерения и расчеты индуктивного сопротивления в зависимости от частоты переменного тока.. 11.Постройте графики зависимостей индуктивного и емкостного сопротивлений от частоты переменного тока. 3. Контрольные вопросы. 3.1. Почему емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты переменного ток а, индуктивное сопротивление – увеличивается? 3.2. Каковы разницы фаз между током и напряжением для катушки и конденсатора? 3.3. В каких единицах измеряются емкостное и индуктивное сопротивления? 3.4. Как записывается аналог закона Ома для максимальных (эффективных) значений тока и напряжения для реактивных элементов – конденсатора и катушки индуктивности? Лабораторная работа № 7 «Определение активных и реактивных сопротивлений в цепи переменного тока ». Цель: Изучение способов расчета сопротивлений в цепи переменного тока. |
