Практикум по дисциплине «электротехника»

Киселёвский горный техникум

О.И. Масленникова

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»


О.И. Масленникова

Рекомендовано в качестве учебного пособия

Издательство Киселёвский горный техникум

С79 Лабораторный практикум по дисциплине «Электротехника»: учебное пособие /О.И. Масленникова; Киселёвский горный техникум 2014. – 169 с.

В учебном пособии содержатся лабораторные работы по основным разделам дисциплины «Электротехника». Для каждой лабораторной работы кратко изложен теоретический материал и даются методические указания к ее вы-полнению.

Учебное пособие предназначено для обучающихся среднего профессионального образования заведений по направлениям подготовки «150709,02 Сварщик (электросварочных и газосварочных работ» «130405,05 Электрослесарь подземный»

«13040101 Ремонтник горного оборудования»

Рецензенты

Заместитель директора по УМР , отличник профтехобразования лауреат межрегионального конкурса учебного и методического обеспечения.

Л.М.Кобец

Директор ООО» Рудник» кандидат технических наук

В.А.Лисовой.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................... 4

Методические указания к выполнению лабораторных работ .................... 5

1. Организация проведения лабораторных работ ........................................ 5

2. Правила техники безопасности при выполнении

лабораторных работ ........................................................................................ 5

3. Обработка результатов и оформление отчетов ....................................... 7

Лабораторная работа № 1. Исследование эквивалентного генератора ... 10

Лабораторная работа № 2. Последовательное соединение

приемников однофазного переменного тока ............................................. 17

Лабораторная работа № 3. Резонанс напряжений ..................................... 33

Лабораторная работа № 4. Однофазная цепь с параллельным соединением элементов. Резонанс токов.................................................... 42

Лабораторная работа № 5. Соединение трехфазной цепи «Звездой» ..... 53

Лабораторная работа № 6. Трехфазная цепь переменного тока

при соединении приемников «треугольником» ....................................... 65

Лабораторная работа № 7. Релаксационные процессы в RC-цепи .......... 73

Лабораторная работа № 8. Измерение электрических сопротивлений ... 83

Лабораторная работа № 9. Исследование однофазного

трансформатора ............................................................................................. 90

Лабораторная работа № 10. Исследование полупроводникового

диода ............................................................................................................. 103

Лабораторная работа № 11. Исследование биполярного транзистора.. 112

Лабораторная работа № 12. Исследование триодного тиристора ......... 125

Лабораторная работа № 13. Исследование полупроводниковых выпрямителей .............................................................................................. 134

Лабораторная работа № 14. Исследование параметрического стабилизатора .............................................................................................. 147

Лабораторная работа № 15. Инвертирующий

и неинвертирующий усилители ................................................................ 155

Приложение А ............................................................................................. 165

Приложение Б ............................................................................................ 1656

4

ВВЕДЕНИЕ

Лабораторные занятия по курсу «Электротехника» являются важнейшим элементом учебного процесса в плане приобрете-ния студентами навыков в планировании эксперимента, использования измерительных приборов и аппаратуры, в экспериментальном исследо-вании схем, устройств и электронных элементов, а также в усвоении и практической конкретизации лекционного материала.

В практикум входят лабораторные работы по всем разделам дисци-плины «Электротехника». Для каждой лабораторной ра-боты сформулированы цель исследований, дан перечень необходимых приборов и оборудования, определены конкретные задания и порядок выполнения работы, а также приведены контрольные вопросы и указан объем отчетных материалов. Краткое изложение теоретических сведе-ний по исследуемому вопросу поможет студентам в подготовке к лабо-раторным работам и их выполнению.

Особенность лабораторного практикума в том, что работы имеют учебно-исследовательский характер. Они развивают у студентов навыки проведения экспериментальных исследований, знакомят с методами ис-следований процессов в электрических цепях и техникой измерения их параметров, обращения с электротехническими устройствами и элек-троизмерительной аппаратурой.

5

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ

К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, про-шедшие инструктаж по технике безопасности.

Каждый студент должен четко понимать цель лабораторной работы и отчетливо представлять назначение, принцип работы и основные ха-рактеристики исследуемой схемы, устройства или прибора. Поэтому перед выполнением каждой работы необходима предварительная подго-товка, в процессе которой студент повторяет пройденный теоретиче-ский материал, готовит таблицы наблюдений и изучает последователь-ность необходимых операций.

После проверки степени готовности студента к выполнению лабо-раторной работы он допускается к сборке схемы, указанной в задании.

Лабораторные работы выполняются бригадами по 2–4 человека. За каждой бригадой закрепляется определенный стенд. Члены бригады должны знать тему лабораторной работы за несколько дней до ее вы-полнения.

После проверки собранной схемы преподавателем студенты при-ступают к выполнению лабораторной работы. Работа считается закон-ченной в том случае, если результаты в виде записей, таблиц представ-лены преподавателю, им проверены и утверждены, после чего студенты разбирают схему и приводят рабочее место в исходное состояние.

Лабораторные стенды являются действующими электроустановка-ми и в некоторых случаях могут стать источниками опасности пораже-ния электрическим током. Известно, что тело человека обладает элек-тропроводностью и при соприкосновении с двумя неизолированными элементами установки, находящейся под напряжением, оно становится звеном электрической цепи. Возникший вследствие этого в теле челове-ка электрический ток может вызвать ожог кожи или нанести тяжелые поражения нервной, дыхательной и сердечной системам человека. По-этому при выполнении лабораторных работ студенты должны помнить о возможности поражения электрическим током и соблюдать следую-щие правила техники безопасности.

1. К проведению лабораторных работ допускаются только сту-денты, знающие правила техники безопасности. Инструктаж по технике

6

безопасности проводит преподаватель, что фиксируется в специальном журнале по ТБ.

3. Перед началом сборки схемы измерений необходимо убедить-ся в том, что выключатели находятся в положении «Выключено».

4. При монтаже схем используются только изолированные про-вода. Пользоваться оголенными проводами или с поврежденной изоля-цией запрещается.

5. При сборке схемы следует обратить внимание на высокую надежность контактов всех разъемных соединений и по возможности не допускать пересечения проводов.

6. Студенту категорически запрещается включать схему без про-верки ее преподавателем.

7. Напряжение к рабочему месту подается только преподавате-лем.

8. Устранение замеченных в рабочей цепи неисправностей, а также все пересоединения, необходимые по ходу работы, производятся только при отключенном напряжении. Повторное включение схемы после этих пересоединений допускается только после разрешения пре-подавателя.

9. Во время работы запрещается прикасаться к оголенным частям электрической цепи.

10. Запрещается покидать рабочее место и оставлять без наблюде-ния включенную лабораторную установку.

11. При возникновении неисправностей в работе лабораторного оборудования или несчастного случая лабораторную установку следует немедленно обесточить, оказать пострадавшему первую медицинскую помощь и немедленно доложить преподавателю.

12. По окончании работы напряжение у рабочего места необходи-мо немедленно отключить.

13. Смена перегоревших предохранителей и т.п. производится только обслуживающим персоналом лаборатории.

14. Не следует загромождать свое рабочее место на стенде веща-ми, не относящимися к данной работе.

15. Запрещается во время работы загромождать подходы к стен-дам стульями, скамейками и т.п. Доступ к стендам, включенным под напряжение, должен быть свободен.

7

3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТОВ

Каждый студент должен самостоятельно обработать данные изме-рений и подготовить отчет о проделанной работе.

В отчете на титульном листе указывается название учебного заве-дения, номер и наименование лабораторной работы, фамилия и инициа-лы студента, выполнившего работу, а также фамилия, инициалы и должность преподавателя, проверяющего лабораторную работу. Пример оформления титульного листа показан в приложении А.

Отчет должен содержать следующие разделы.

1. Цель лабораторной работы.

2. Краткая характеристика и основные соотношения объекта исследо-вания.

3. Электрическая схема.

4. Таблицы: технические сведения об используемых приборах; результаты измерений; результаты проведенных расчетов.

5. Формулы, по которым определялись расчетные данные.

6. Графики (диаграммы).

7. Выводы и обоснования по проделанной работе.

8. Ответы на контрольные вопросы.

9. Отчет подписывается исполнителем, указывается дата оформления отчета.

Примечание

1. Электрические схемы выполняются аккуратно с помощью ка-рандаша и чертежного инструмента, с соблюдением принятых стан-дартных условных обозначений в соответствии с СТО ТПУ 2.5.01-2006.

2. Электрические схемы, графики должны иметь подписи.

3. Таблицы (диаграммы) должны иметь заголовки, поясняющие зависимости, которые они характеризуют.

4. При построении экспериментальных и расчетных кривых должно приниматься во внимание следующее.

Начало осей координат и нулевые значения параметров должны быть совмещены; численные значения параметров, отличные от нуле-вых, откладываются в масштабе на осях координат.

Следует обращать внимание на правильный выбор масштаба. Масштабы шкал по осям (как правило, на разных осях разные масшта-бы) следует выбирать из условия максимального использования всей площади графика. Для определения масштаба по оси абсцисс делят

8

наибольшее значение аргумента X на предполагаемую ширину графика,

лении оси абсцисс (b – ширина графика). Аналогично определяют мас-

штаб по оси ординат mY = Ymax/h, где h – предполагаемая высота графи-

ка. Масштабы округляют до ближайших целых значений (желательно

в одном из следующих диапазонах: 1∙10n, 2∙10n, 5∙10n, где n=-2, -1, 0, 1,

2,… и т.п.).

Масштаб на осях координат наносится короткими рисками. Число-

вые значения масштаба шкал осей координат пишут за пределами гра-

фика (левее от оси ординат и ниже оси абсцисс). Если кривая, изобра-

женная на рисунке, занимает небольшое пространство, то для экономии

места числовые деления на осях координат можно начинать не с нуля,

а ограничивать теми значениями, в пределах которых рассматривается

данная функциональная зависимость. Допускается также разрывы мас-

штабных осей и шкал с целью уменьшения площади графика.

Численные значения параметров, полученные из опыта или в ре-

зультате расчета, на оси координат наноситься не должны.

5. В процессе построения графиков значения физических вели-

чин, полученные экспериментально или в результате расчетов по экспе-

риментальным данным, в виде точек четко наносятся в координатных

осях; по этим точкам проводятся плавные усредненные зависимости

(рис. 1).

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

20

40

60

100

0,7

мкА

6. Если в зависимости от одного параметра, например полезной

9

мощности 2 P , предполагается построение графиков нескольких физиче-

сти 1 P , коэффициента полезного действия , то для большей наглядно-

сти изображения численные значения каждой физической величины

следует откладывать в индивидуальном масштабе, указываемом на до-

полнительной оси ординат (рис. 2).

7. Если в одной системе координат строится несколько графиков,

то экспериментальные или расчетные значения каждой физической ве-

личины рекомендуется отмечать различными значками (рис. 2).

,

о.е.

Вт

I,

U,

В

0,6

0

1000

400

150

50

0

2,0

0

100 Р2 200 300 400 , Вт

I

P1

8. Векторные диаграммы строятся с соблюдением следующих

требований:

все векторы строят в определенном масштабе, масштабы выбирают

в соответствии с пунктом 4;

углы между векторами откладывают по транспортиру.

10


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОГО ГЕНЕРАТОРА

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментально проверить возможности замены сложной элек-трической цепи эквивалентным генератором (активным двухполюсни-ком) с параметрами ЕЭГ и RЭГ, для чего:

1) исследовать работу эквивалентного генератора в различных режи-мах;

2) научиться определять параметры эквивалентного генератора двумя методами;

3) зная параметры эквивалентного генератора, определить ток в ис-следуемой цепи.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

При работе и исследовании линейных электрических цепей часто необходимо знать режим работы какой-нибудь одной ветви с сопро-тивлением RН, а не всех элементов сложной электрической цепи. В этом случае нецелесообразно производить расчет всей схемы. Исследуемую ветвь можно выделить, а всю оставшуюся часть схемы независимо от её структуры и сложности условно изобразить некоторым прямоугольни-ком с двумя выводами (рис 1.1).

По отношению к выделенной ветви 1–RH –2 вся схема, обозначен-ная прямоугольником, называется двухполюсником, т.к. имеет два вывода (выходных зажима). Если в двухполюснике имеются источники

11

электрической энергии, то его называют активным двухполюсником.

то такой двухполюсник называется пассивным.

В общем случае исследуемая ветвь с нагрузкой RH присоединяется

к активному двухполюснику в точках 1 и 2. Следовательно, двухполюс-

ник может рассматриваться относительно исследуемой ветви к а к и с -

т о ч н и к с некоторой электродвижущей силой ЕЭГ и некоторым эквива-

лентным внутренним сопротивлением RЭГ (рис. 1.2). Такой условный

источник энергии называется э к в и в а л е н т н ы м г е н е р а т о р о м .

К зажимам генератора подключена ветвь электрической цепи с сопро-

тивлением RН, в которой нужно определить величину тока.

Метод замены линейной электрической цепи эквивалентным гене-

ратором (активным двухполюсником) называется м е т о д о м э к в и в а -

л е н т н о г о г е н е р а т о р а (активного двухполюсника).

После такой замены ток в исследуемой ветви можно определить из

закона Ома для полной цепи

,

ЭГ H

где EЭГ и RЭГ – э.д.с. и внутреннее сопротивление эквивалентного гене-

ратора.

Рис. 1.2. Представление активного двухполюсника в виде

эквивалентного генератора с параметрами ЕЭГ и RЭГ

П е р в ы й э т а п а н а л и з а работы исследуемой ветви по методу

эквивалентного генератора сводится к определению параметров актив-

12

ного двухполюсника. При известных параметрах всей заданной элек-

определены аналитически. Если же параметры рассматриваемой элек-

трической цепи неизвестны, то параметры эквивалентного генератора

определяются экспериментально.

В данной лабораторной работе параметры эквивалентного генера-

тора определяются э к с п е р и м е н т а л ь н о двумя способами: методом

двух нагрузок и методом холостого хода и короткого замыкания.

По м е т о д у х о л о с т о г о х о д а и к о р о т к о г о з а м ы к а н и я

электродвижущая сила эквивалентного генератора определяется

ЭГ XX E U , (1.2)

где UХХ – напряжение холостого хода на участке 1–2 (RН = , т.е. от-

ключенная нагрузка). Это следует из того, что электродвижущая сила

эквивалентного генератора равна напряжению между точками 1 и 2 при

отключенной нагрузке, т.е. напряжению холостого хода (рис. 2).

Сопротивление эквивалентного генератора RЭГ по методу холосто-

го хода и короткого замыкания равно сопротивлению цепи между точ-

ками 1 и 2 в режиме короткого замыкания. Из закона Ома

где IКЗ – ток короткого замыкания (RН = 0, т.е. закороченная нагрузка).

Параметры EЭГ и RЭГ м е т о д о м д в у х н а г р у з о к определяются

выражениями

1 2

2 1 1 2

1 2

где U1 и U2 – показания вольтметра при первой и второй нагрузках; I1 и

Таким образом, выполнив измерения в режиме холостого хода

и короткого замыкания, можно экспериментально определить парамет-

ры эквивалентного генератора. Однако необходимо отметить, что дан-

ный метод холостого хода и короткого замыкания можно применять не

ко всем цепям, т.к. не во всех цепях можно производить опыт коротко-

После определения параметров генератора в т о р о й э т а п а н а -

л и з а в е т в и состоит в определении тока в исследуемой ветви. Ток

ветви рассчитывают либо по формуле Тевенина-Гельмгольца

13

ЭГ Н

ЭГ

Т Г R R

E

I (1.6)

либо по формуле Поливанова

,

1 ЭГ Н

где qЭГ = 1/RЭГ – проводимость эквивалентного генератора.

Зная напряжение и ток для нескольких значений нагрузки, можно

построить внешнюю характеристику генератора. Зависимость U f (I )

называется в н е ш н е й х а р а к т е р и с т и к о й эквивалентного генерато-

ра. Она даёт возможность графически определить ток в исследуемой

ветви при заданном её сопротивлении.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Схема электрической цепи, которая используется в данной работе,

представлена на рис. 1.3. Часть цепи, обведённая прямоугольником, со-

держит элементы с неизвестными параметрами и подлежит замене эк-

вивалентным генератором.

Рис. 1.3. Схема исследуемой электрической цепи

Первым этапом работы определяются параметры эквивалентного

генератора методом холостого хода и короткого замыкания, а также ме-

тодом двух нагрузок. Холостой ход осуществляется отключением

нагрузки – сопротивления RН. При коротком замыкании нагрузки необ-

14

ходимо проводником закоротить сопротивления RН. При методе двух нагрузок показания приборов в цепи осуществляются при двух разных сопротивлениях нагрузки.

1. Подготовить отчет, изучить теоретический материал и полу-чить допуск на выполнение лабораторной работы у преподавателя.

2. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и изме-рительными приборами.

3. Записать в таблицу 1.1 технические данные измерительных приборов, используемых при выполнении работы.

Таблица 1.1

Сведения об измерительных приборах

PA

PV

Наименование прибора

Тип и номер прибора

Система измерительного

механизма (наименов. и обозн.)

Предел измерений

(номинальное значение)

Класс точности

Род тока

Цена деления прибора

Абсолютная погрешность измере-ния

4. Собрать схему электрической цепи согласно рис. 1.3 и предо-ставить для проверки преподавателю.

5. Выполнить режим холостого хода, т.е. разомкнуть ветвь с нагрузкой (при этом RН = ). Снять показания приборов и результаты измерений записать в таблицу 2.

6. Осуществить режим короткого замыкания, т.е. закоротить нагрузку (при этом RН = 0). Снять показания приборов и записать их в таблицу 1.2.

15

7. Для определения параметров эквивалентного генератора м е -

личных сопротивлениях нагрузки RН, подобрав их величину таким об-

разом, чтобы токи отличались друг от друга не менее чем в два раза. Ре-

зультаты измерений записать в таблицу 1.2.

Таблица 1.2

Определение параметров генератора

Режимы

величины

А В Ом В Ом

Холостой ход

Короткое

Метод двух

нагрузок

8. Исследовать работу генератора при различных нагрузках (про-

вести 7–8 измерений). При этом осуществить нагрузочный режим,

при котором ток КЗ I 0,5 I (остальные токи выбрать меньше и больше

данного значения). Значение тока короткого замыкания IКЗ взять из

табл. 1.2. Данные всех опытов занести в таблицу 1.3.

Таблица 1.3

Исследование генератора при различных нагрузках

№

п/п

величины

А В Ом Вт А А

1

2

3

5

6

8

16

1. Заполнить таблицу 1.3, для чего рассчитать RН по закону Ома,

мощность P U I , и определить токи нагрузки в исследуемой ветви для

тех же значений сопротивлений нагрузки по формулам Тевенина-

Гельмгольца (1.6) и Поливанова (1.7).

2. Построить в масштабе графики зависимостей P f (I ) и

3. Определить ток по внешней характеристике эквивалентного

генератора при заданном сопротивлении RН, указанном преподавателем.

4. Оформить отчет в соответствии с методическими указаниями.

5. Ответить на контрольные вопросы и защитить выполненную

лабораторную работу.