Лабораторные работы по электротехнике
методическая разработка на тему

Департамент  образования города  Москвы

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение города Москвы

 «Московский образовательный комплекс имени Виктора Талалихина»

Евдокимов П.Е.

Москва

2014

      В данном сборнике содержатся инструкции по проведению лабораторных работ по электротехнике студентами. Преподаватель указывает цель работы, приводит краткие теоретические сведения, ход работы, дает указания по ее выполнению, оформлению и отчету.

Автор: Евдокимов Павел Евгеньевич, преподаватель физики и специальных дисциплин.

Рецензент: Камина Валентина Николаевна, преподаватель специальных дисциплин

Редактор: Малькова Людмила Алексеевна, методист

Рукопись рассмотрена на заседании цикловой комиссии специальных дисциплин и холодильной техники, протокол № 2 от 20.10. 2014.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

ЗАКОНЫ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО И  ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ РЕЗИСТОРОВ.

I.        Цель работы:

Исследовать законы последовательного и параллельного соединения резисторов.

Воспитывать бережное отношение к оборудованию.

Развивать навыки по сборке электрических цепей, способствовать приобретению практического опыта.

      Рассматривая  электрическую цепь, мы предполагаем, что источник энергии замкнут на один или несколько потребителей. Потребители могут быть соединены несколькими способами:

1. Последовательным.

2. Параллельным.

3. Смешанным.

       Рассмотрим эти способы более подробно.

Последовательный способ соединения приёмников электроэнергии  очень удобно рассматривать  на примере соединения  резисторов. Резистор – готовое изделие, обладающее чисто активным сопротивлением выполненное в виде керамического цилиндра на который нанесён слой вещества, обладающего высоким удельным сопротивлением. С торца выведены соединительные проводки. Таким образом, последовательное соединение это соединение потребителей  в непрерывную цепочку один за одним. Количество потребителей может быть разным и ограничивается только мощностью источника тока. Формулы необходимые для проведения лабораторной работы приведены непосредственно в описании работы.

Параллельное соединение  выглядит следующим образом: к двум параллельно идущим шинам подсоединены резисторы способом, при котором расположение резисторов  напоминает  перекладины лестницы. Количество потребителей может быть разным.

Смешанное соединение резисторов предполагает наличие в цепи участков с параллельным и последовательным соединениями. При нахождении общего сопротивления цепи необходимо использовать для каждого участка цепи отдельно формулы последовательного и  параллельного соединений.

Физический смысл активного сопротивления проводника следующий. Все вещества состоят из атомов и молекул. При прохождении  электрического тока сквозь тело проводника носители заряда сталкиваются с молекулами и атомами вещества, из которого состоит проводник. Строение вещества, т.е. взаимное расположение частиц, агрегатное состояние вещества (твёрдое вещество, жидкое или газообразное), температура и т.д. влияют на сопротивление проводника. Некоторые вещества сильно изменяют своё сопротивление в зависимости от температуры. Это следует учитывать при расчётах электрических цепей.

Проверку правильности законов и свойств последовательного и параллельного соединений  позволит провести предлагаемая лабораторная работа. Оборудование и расчётные формулы, приведённые в описании, рассчитаны на качественное проведение исследования цепи и более полного усвоения материала по дисциплине электротехника

II.        Оборудование:

1. Амперметр   Э - 30   на 5А        З шт.
2. Вольтметр    Э - 30   на 250В
3. Вольтметр    Э-30   на 150В        2 шт.
4. Реостат  3шт.
5. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)
6. Соединительные провода.

III.        Схема установки:

IV. Ход выполнения работы:

1. Проверить оборудование.
2. Собрать схему согласно рис. 1.1.
3. Включить блок питания, нажав кнопку "пуск".
4. Включить реостат с малой нагрузкой.
5. Снять показания с вольтметров VI ^2 ^з и амперметров И ;12 ;1з. Записать показания в таблицу измерений и вычислений.
6. Увеличить нагрузку и снять показания аналогично п.5.
7. Увеличить нагрузку и снять показания аналогично п.5.
8. Рассчитать напряжение на входе 1)1, ток I, сопротивления Р1; Р2; Рз; эквивалентное сопротивление Р2-з, и общее сопротивление К, мощность во всех ветвях Р1; Р2; Рз и общую мощность Р.
9. Данные измерений записать в таблицу.

Расчётные формулы:

1Л =1)2+1)3;        Р2=Уз/12;        Р1 =1)2/11 ;        Р1 =!г 1)2 ;       Рз=1з-1)з ;

И =12+13 ;        РЗ =1)3/13 ;        Р =1)1/1^",        Р2 =1)3*12;        Р2-3 =(Р2'РЗ)/(Р2+Р3) ;

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чему равно общее напряжение?
2. Чему равно напряжение при параллельном соединении?
3. Чему равна мощность цепи?
4. Как меняется мощность при увеличении нагрузки?
5. Чему равен ток при последовательном соединении?

10. Составить отчёт по результатам выполненной работы.

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА №2

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРИ НАПРЯЖЕНИЯ В ЛИНИИ ПЕРЕДАЧ.

1. Цель работы:

-  исследовать влияние величины нагрузки в конце линии в отношении потери напряжения в проводах, потери мощности и коэффициента полезного действия.

-  Воспитывать бережное отношение к расходованию электрической энергии.

-  Развить навыки по сборке электрических цепей, способствовать приобретению практического опыта.

     При передаче электроэнергии на большие расстояния возникает проблема потерь электрической  энергии в проводах. Огромные расстояния требуют прокладки линий электропередач высокого напряжения как воздушных, так и кабельных, т.е. уложенных под землей специально сконструированных проводников электроэнергии.

Воздушные линии электропередачи представляют собой систему, состоящую  из специально сконструируемых  мачт, на которых с помощью стеклянных или фарфоровых изоляторов подвешиваются медные провода.  Сечение провода подбирают с помощью расчётов по величине передаваемого напряжения. Удельное сопротивление меди

0,0175 ом. мм// м, а температурный коэффициент  0,0004. Казалось бы, величины небольшие, но, учитывая протяжённость линии электропередачи,  (в данном случае одной) общее активное сопротивление такой линии может достигать большой величины.

Наличие активного сопротивления приводит к потерям напряжения в линии электропередачи и, как  следствие, до потребителя доходит электрическая энергия меньшего напряжения, что недопустимо  так как приводит к выходу из строя потребителей электроэнергии   Допустимая величина  падения напряжения определяется нормативным документом ГОСТом и не должна превышать 4% от величины напряжения, на зажимах генератора.  Поэтому для поддержания заданной величины напряжения, подаваемого потребителю через определённые промежутки

устанавливаются трансформаторные подстанции, которые повышают напряжение до необходимой величины и передают его дальше по линии электропередачи  потребителю.

     Предлагаемая лабораторная работа позволяет сымитировать процессы, происходящие в реальной линии электропередачи.  Переменные реостаты имитируют электрические провода. Ламповый реостат  имитирует  нагрузку в цепи.  Контроль за режимами работы осуществляется с помощью электроизмерительных приборов.

Вольтметр  V1 – показывает величину напряжения  получаемую из питающей сети.

Вольтметр V2 – показывает величину падения напряжения в проводах (потери).

Амперметр А -  показывает силу тока протекающего через группу потребителей.

Проделав предложенные опыты и замеры можно сделать выводы о потерях электроэнергии в проводах.

II. Оборудование:

1. Амперметр; Э - 30 на 5 А.
2. Вольтметр; Э - 30 на 150 В 2шт.
3. Ламповый реостат.
4. Провода, линии передач.
5. Соединительные провода.
6. Реостат (модель линии).

III. Схема установки:

Рис. 1.1.

IV. Ход выполнения работы:   

1.  Проверить оборудование.
2.  Собрать схему согласно рис.1.1.
3.  Установить реостат, соответствующий Кпр / 2. Меняя нагрузку при помощи лампового реостата, провести три измерения. Показания измерений снимать с вольтметра \Л,\/2и амперметра А. Данные измерений занести в таблицу.
4.  Установить реостат, соответствующий Кпр. Меняя нагрузку при помощи лампового реостата, провести три измерения. Показания измерений снимать с вольтметра \Л,\/2"и амперметра А. Данные измерений занести в таблицу.
5.  Провести расчет потери напряжения   ЛII, потери мощности АР, сопротивления
   проводов Рпр и коэффициента полезного действия
6.  Данные вычислений записать в таблицу измерений и вычислений.

7) Построить графики    11 = т ( I) при Рпр 2 и   Рпр.       Составить отчет по результатам выполненной работы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Как меняются потери напряжения, потери мощности и КПД при увеличении длины проводов ?
2. Как меняются потери напряжения, потери мощности и КПД при увеличении нагрузки?
3. Что необходимо сделать для повышения КПД?

ЛАБОРАТОРНАЯ     РАБОТА №3

ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С АКТИВНЫМ И ИНДУКТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ.

I. Цель работы :

Исследовать работу цепи переменного тока с активно-индуктивной загрузкой. Воспитать бережное отношение к оборудованию. Развивать навыки по сборке электрических схем.                                   

Прохождение  электрического т ока по  проводнику или катушке индуктивности сопровождается появлением магнитного поля Переменный электрический ток создаёт переменный магнитный поток. который пересекает  витки собственной катушки. При этом наводится встречная ЭДС самоиндукции согласно правилу Ленца. Препятствие, которое она оказывает прохождению электрического тока,  учитывается при расчётах

посредством индуктивного сопротивления, которое измеряется в омах  и обозначается Х.

                            Х =     L

X -  индуктивное сопротивление  (ом)

    -   угловая частота переменного  тока  рад/ сек

L -  индуктивность катушки (гн)

Встречная ЭДС «мешает» увеличения  тока я цепи и тем самым создаёт условия для отставания электрического т ока от напряжения приложенного к катушке индуктивности.

В катушке происходит сдвиг по фазе между током и напряжением на угол 90 градусов.

Векторная диаграмма будет выглядеть следующим образом:

 Эта  диаграмма соответствует идеальной катушке индуктивности, в которой отсутствует активное сопротивление. В реальной катушке всегда присутствует сопротивление материала, из которого сделан намоточный провод. Таким образом, в реальной катушке присутствует как активное, так и реактивное сопротивления. Поэтому реальная диаграмма электрической цепи, содержащей катушку индуктивности и резистор (готовое изделие обладающее активным  сопротивлением) будет  выглядеть, как два вектора, расположенных под углом друг к другу. В этом легко убедиться,  построив

диаграмму по результатам опытов, занесённых в таблицу.

II. Оборудование

1. Катушка индуктивности
2. Реостат 3 Ом и 5 А.
3. Вольтметр Э - 30 на 250 В.
4. Амперметр Э - 30 на 5 А.
5. Фазометр на 250 В и на 5 А.
6. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР)
7. Соединительные провода.

Рис 1.1.

IV. Ход выполнения работы :

1. Проверить оборудование.
2. Собрать схему согласно рис. 1.1.
3. Включить питание, нажав кнопку "пуск".
4. Установить напряжение на входе 65 В.
5. Полностью закоротить реостат. По фазометру определить коэффициент мощности Сos φ и угол φ  , по амперметру определить силу тока. Показания записать в таблицу.
6. Включить реостат, установив его на середине. По фазометру определить коэффициент мощности Соs φ и угол у, по амперметру определить силу тока. Показания записать в таблицу.
7. Включить реостат полностью. По фазометру определить коэффициент мощности Соs φ и угол φ, по амперметру определить силу тока. Показания записать в таблицу.
8. Произвести расчёт Зт у7 , полного сопротивления 2, активного сопротивления Р, индуктивного сопротивления X c , напряжения на активном сопротивлении 11а, напряжение на реактивном участке 11р; полной, активной и реактивной мощности.
9. Данные вычислений записать в таблицу.

Расчётные формулы:

2 = Ш;        Хр=2-8т)^;        Ур^-гт^;        Р = 5-Со5у>;

Р = 2-Соз^;        иа=1)-С05р;        5 = I-У ;        0 = 3-5тУ>;

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какая из величин, ток или напряжение, являются опережающими и на какой угол?
2. При возрастании какой составляющей в электрической цепи Соз у3 увеличивается?
3. Чему равно полное сопротивление цепи?

10. Построить векторные диаграммы тока и напряжения.
11. Составить отчёт по результатам выполненной работы.