Методические указания

УКРАИНЫ

ХАРЬКОВСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по дисциплине
«ЭлектротехнИка И ЭлектромеханИка»

Харьков 2015

Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Электротехника и электромеханика" для иностранных студентов дневной формы обучения направления 6.050202 «Автоматизация
и компьютерно–интегрированные технологии» / Состав.:
Ю.М. Александров, С.И. Теслюк - Харьков: ХНУРЭ, 2015. – 76 с.

Составители: Ю.Н. Александров,

С.И. Теслюк

Рецензент: С.П. Новоселов, канд. техн. наук, проф. каф. ТАПР

СОДЕРЖАНИЕ

Общие положения………………………………………………………………..
1 Исследование линейной электрической цепи постоянного тока……..……..
1.1 Цель работы……………………………………………………………….
1.2 Методические указания по организации самостоятельной работы студентов………………………………………………………………………….
1.3. Описание лабораторной установки……………………………………..
1.4 Порядок выполнения работы и методические указания относительно ее выполнения…………………………………………………….
1.5 Содержание отчета………………………………………………………..
1.6 Контрольные вопросы и задачи………………………………………….
2 Исследование параметров линейных электрических цепей переменного тока………………………………………………………………………………...
2.1 Цель работы……………………………………………………………….
2.2 Методические указания по организации самостоятельной работы студентов………………………………………………………………………….
2.3 Описание лабораторной установки……………………………………...
2.4 Порядок выполнения работы и методические указания относительно ее выполнения…………………………………………………….
2.5 Содержание отчета………………………………………………………
2.6 Контрольные вопросы и задачи………………………………………….
3 Исследование частотных характеристик последовательной RLC – цепи переменного тока…………………………………………………………………
3.1 Цель работы……………………………………………………………….
3.2 Методические указания по организации самостоятельной работы студентов………………………………………………………………………….

3.3 Порядок выполнения работы и методические указания относительно ее выполнения…………………………………………………….
3.4 Содержание отчета………………………………………………………..
3.5 Контрольные вопросы и задачи………………………………………….
4 Исследование трехфазной цепи при соединении приемников энергии звездой и треугольником………………………………………………………
4.1 Цель работы……………………………………………………………….
4.2 Методические указания по организации самостоятельной работы студентов………………………………………………………………………….
4.3 Порядок выполнения работы и методические указания относительно ее выполнения…………………………………………………….
4.4 Содержание отчета………………………………………………………..
4.5 Контрольные вопросы и задачи………………………………………….
5 Исследование переходного процесса при включении RC – и RLC –цепей к постоянному напряжению……………………………………………………..
5.1 Цель работы……………………………………………………………….
5.2 Методические указания по организации самостоятельной работы студентов………………………………………………………………………….
5.3 Порядок выполнения работы и методические указания относительно ее выполнения……………………………………………………
5.4 Содержание отчета………………………………………………………..
5.5 Контрольные вопросы и задачи………………………………………….

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Электротехника – это наука о методах и технических средствах производства, передачи и применения электрической энергии. Основой дисциплины "Электротехника и электромеханика" является теоретическая электротехника.

Практическое закрепление знаний из основ электротехники и электромеханики проводится на лабораторных занятиях, которые включают как экспериментальные исследования, так и теоретические расчеты по теме эксперимента.

Суть и задачи дисциплины. Дисциплина "Электротехника и электромеханика" принадлежит к циклу общеобразовательных дисциплин, которые оказывают содействие формированию общеинженерного мышления специалиста.

Целью ее изучения является обретение навыков анализа электрических и электромагнитных цепей, расчета их электрических параметров в установленном и переходном режимах.

Изучение дисциплины "Электротехника и электромеханика" обеспечивается знаниями:

– физики;

– математики;

– основ программирования.

Выполнение лабораторных работ по данной дисциплине позволяет студентам проводить натурные эксперименты для закрепления знаний полученных на лекционных, практических и самостоятельных занятиях.

Порядок выполнения лабораторных работ. Лабораторные работы выполняются соответственно расписанию занятий или графика отработок пропущенных работ. Студенты должны приходить на лабораторные работы без опозданий, иначе к выполнению работы не допускаются.

В начале первого занятия все студенты должны ознакомиться с правилами техники безопасности и расписаться в журнале учета выполнения лабораторных работ. Студенты, которые не ознакомились с правилами техники безопасности, к выполнению работ не допускаются.

Во время выполнения лабораторных работ студенты должны постоянно находиться рядом с лабораторным стендом. Запрещается оставлять включенный лабораторный стенд без надзора, выходить из лаборатории можно лишь с разрешения преподавателя.

При выполнении каждой лабораторной работы студенты должны выучить соответствующий раздел лекционного материала, ознакомиться с техническим оборудованием и приборами, которые используются в данной лабораторной работе, режимами их безопасного функционирования.

Перед выполнением работы студенты должны ознакомиться с порядком ее выполнения.

Лабораторные работы выполняются бригадами студентов из 3 человек.

Для осуществления расчетов в лабораторной работе студенты должны иметь инженерные калькуляторы.

Во время выполнения работы студенты несут ответственность за сохранение лабораторного оборудования и порядок на своем рабочем месте.

При нарушении правил проведения лабораторных работ или правил техники безопасности студенты могут быть отстранены от работы.

Во время выполнения лабораторной работы студенты на персональных компьютерах в прикладном пакете Multіsіm Educatіon Edіtіon 10.1.197 собирают соответствующую электрическую цепь. Результаты каждого этапа работы должны предоставляться преподавателю для проверки.

Во время выполнения лабораторной работы каждый студент (в бригаде) должен иметь черновик с записями проведенных измерений, которые должны сохраняться им к защите результатов работы. Во время осуществления расчетов должны записываться все промежуточные преобразования и вычисления с учетом порядка и размерности электрических величин.

Завершающим этапом выполнения лабораторной работы является составления индивидуального отчета. Он должны выполняться соответственно требованиям ДСТУ 3008-95 "Документация. Отчеты в области науки и техники". Для каждой лабораторной работы выполняется отдельный отчет, который после ее защиты остается у преподавателя.

Структура отчета. Отчет должен содержать:

– титульный лист, где указанное название лабораторной работы;

– цель выполняемой работы;

– исходные данные согласно варианту;

– перечень и описание используемого лабораторного оборудования;

– принципиальные схемы исследуемых электрических цепей (приложение В);

– результаты измерений (таблицы, графики, диаграммы);

– результаты расчетов (в том числе с использованием программных средств);

– индивидуальные выводы по результатам выполнения работы.

К началу следующей лабораторной работы студент должен подать преподавателю полностью оформленный отчет о предыдущей работе и защитить ее.

Организация работы.

Лабораторные работы выполняются в прикладном пакете Multіsіm Educatіon Edіtіon 10.1.197, который дает возможность моделирования работы электрических цепей.

1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1.1 Цель работы

Целью работы является теоретическое и экспериментальное исследования электрической цепи, проверка методов расчета разветвленной электрической цепи, сравнение результатов теоретического и экспериментального исследования, получение практических навыков работы с электрическими цепями и устройствами.

1.2 Методические указания по организации самостоятельной работы студентов

Во время подготовки к лабораторной работе необходимо ознакомиться с работой прикладного пакета Multіsіm Educatіon Edіtіon 10.1.197, обработать теоретический материал из раздела "Линейные электрические цепи постоянного тока", ознакомиться с содержанием лабораторной работы и подготовить бланк отчета.

В работе исследуется линейная электрическая цепь (рис. 1.1), которая содержит шесть резисторов R1 – R6 и два идеальных источника ЭДС (электродвижущей силы) Е1, Е2, внутреннее сопротивление которых равняется нулю. Проводится теоретическое и экспериментальное исследования электрической цепи с помощью прикладного пакета Multіsіm Educatіon Edіtіon 10.1.197 с использованием методов контурных токов, узловых потенциалов, наложения и эквивалентного генератора.

При теоретическом исследовании цепи составляют и решают системы уравнений, которые позволяют аналитически определить контурные токи и узловые напряжения для данной цепи.

Система уравнений по методу контурных токов для n контуров имеет такую каноническую форму записи:

(1.1)

где – собственное сопротивление n -го контура;

– сопротивление ветви, общей для контуров n и m (межконтурное или общее сопротивление);

– контурный ток n -го контура;

– контурная ЭДС.

Система уравнений по методу узловых потенциалов имеет такую каноническую форму записи:

(1.2)

где – собственная проводимость п -го узла;

– взаимная проводимость;

– межузловое напряжение между n -м и базовым узлами;

– «узловой» ток.

На рис. 1.1 указанные положительные направления токов в ветвях, положительные направления контурных токов, номера узлов. Исследование электрической цепи проводится бригадами в соответствии со своим вариантом. Варианты параметров элементов исследуемой схемы приведены в табл. 1.1.

Рисунок 1.1 – Электрическая схема исследуемой цепи

Таблица 1.1– Варианты параметров элементов

Вар.	Величина ЭДС, В	Номиналы резисторов, Ом
Е1	Е2	R1	R2	R3	R4	R5	R6

1.3 Описание лабораторной установки

Главное окно прикладного пакета Multisim Education Edition 10.1.197 изображено на рис. 1.2.

Рисунок 1.2 – Внешний вид главного окна программы
Multisim Education Edition 10.1.197

При нажатии на любую пиктограмму на панели выбора компонентов появляется окно выбора компонентов (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 – Внешний вид окна выбора компонентов

Таким образом, для создания любой схемы электрической цепи нужно выбрать группу компонентов (например, BASІС), потом семейство компонентов (например, RESІSTOR), потом номинал или тип выбранного компонента (например, 825 Ом) и разместить элемент на рабочем поле. Как только элемент размещен, снова появляется окно выбора компонентов.

Для более простого перехода между группами компонентов удобно пользоваться списком выбора группы компонентов в соответствующем окне (рис. 1.4), которое по смыслу тождественно панели выбора группы компонентов.

Рисунок 1.4 – Список выбора группы компонентов

Рассмотрим некоторые группы компонентов и компоненты которые к ним принадлежат:

· группа SOURCES (рис. 1.5). К ней принадлежат разнообразные источники питания, источники тока, источники напряжения, общий провод (земля).

Рисунок 1.5 – Окно выбора семейства компонентов группы SOURCES

· группа BASIC (рис. 1.6). К ней принадлежат простейшие элементы, такие, как резисторы (семейство RESІSTOR), конденсаторы (семейство CAPACІTOR), катушки индуктивности (семейство ІNDUCTOR), трансформаторы (семейство TRANSFORMER), переключатели (семейство SWІCH) и прочее.

·

Рисунок 1.6 – Окно выбора семейства компонентов группы BASIC

Рисунок 1.7 – Свойства компонента RESISTOR

Если при выборе резистора в окне выбора номинала элемента нет необходимого номинала, то нужно избрать наиболее близкий по значению, установить его на рабочем поле. После этого нажать на нем правой кнопкой мышки и зайти в пункт меню Propertіes (рис. 1.7). В закладке Value в графе Resіstance (R) указать точное значение сопротивления резистора в Омах. Другие графы оставить без изменений.

1.4 Порядок выполнения работы и методические указания относительно ее выполнения

1.4.1 Измерение токов в ветвях

1.4.1.1 Собрать схему согласно рис. 1.8 с номиналами элементов по вариантам, согласно табл. 1.1.

Рисунок 1.8 – Схема измерения токов в ветвях

Компонент резистор находится в группе BASІС, семейство RESІSTOR. Для измерения токов в ветвях необходимо к каждой ветви подключить амперметр, который находится в группе ІNDІCATORS, семейство AMMETER. Нужно придерживаться направлений токов, как показано на рис. 1.1. Для этого нужно "+" клемму амперметра подключать с той стороны, откуда течет ток, а "–" клемму амперметра со стороны, куда течет ток. Для соединения между собой элементов схемы нужно привести курсор мышки на край контакта любого элемента. Курсор будет иметь вид . После этого нажать правую кнопку мышки, провести линию к краю контакта следующего элемента схемы так, чтобы курсор мышки стал красным, и нажать ее правую кнопку. Если соединение проведено успешно, на рабочем поле появится проводник. Когда схема полностью собрана, необходимо начать симуляцию с помощью выключателя симуляции в верхнем правом углу окна программы (рис. 1.2). Провести измерение токов во всех ветвях. Результаты записать к табл. 1.2.

Таблица 1.2 – Экспериментальные данные измерения токов в ветвях

Результаты измерений	Токи в ветвях, мА
I1	I2	I3	I4	I5	I6

1.4.1.2 Измерить частичные токи в ветвях при действии каждой из ЭДС отдельно, придерживаясь направлений токов в этих ветвях, как показано на рис. 1.1. Токи в ветвях исследуемой электрической цепи формируются благодаря двум источникам ЭДС. Если измерить частичные токи при действии сначала одного источника ЭДС, потом второго и сложить эти значения с учетом знака, то получим значение токов в ветвях. Для исследования частичных токов собрать схему согласно рис. 1.9 и рис. 1.10.

Рисунок 1.9 – Схема для измерения частичных токов (при действии Е1)

Рисунок 1.10 – Схема для измерения частичных токов (при действии Е2)

Измерение частичных токов в ветвях провести аналогично п. 1.4.1.1. Обратить внимание, какие частичные токи при направлениях, указанных на рис. 1.1, могут иметь отрицательные значения. Данные измерений с учетом знака измеренной величины внести в табл. 1.3.

Таблица 1.3 – Экспериментальные данные измерения частичных токов в ветвях

Результаты измерений при действии одного источника ЭДС	Частичные токи в ветвях, мА
I1	I2	I3	I4	I5	I6
Е1
Е2
Сумма

1.4.2 Измерение межузловых напряжений

Измерение межузловых напряжений проводится между узлами 0, 1, 2, 3, которые обозначены на рис. 1.1. За базовый узел принимается 0. Подключать три вольтметра к узлам 1, 2, 3 таким образом, чтобы "–" клемму подключить к базовому узлу 0, а "+" клемму к узлам 1, 2, 3 (рис. 1.11). Таким образом измерить межузловые напряжения , , . Данные измерений с учетом знака внести в табл. 1.4.

Рисунок 1.11 – Схема для измерения межузловых напряжений

Таблица 1.4 – Результаты измерений межузловых напряжений

Результаты измерений	Межузловые напряжения, В

1.4.3 Измерение напряжения холостого хода

В указанной преподавателем ветви цепи изъять резистор и записать величину его сопротивления (для примера это будет резистор ). На место отключенного резистора подключить вольтметр и измерить напряжение холостого хода в разомкнутой ветви цепи (рис. 1.12).

Рисунок 1.12 – Пример схемы для измерения напряжения холостого хода

в ветви с резистором

1.4.4 Измерение тока короткого замыкания

В той же ветви цепи, где изъят резистор , измерить ток короткого замыкания . Для этого вместо вольтметра на место изъятого резистора подключить амперметр в разомкнутую ветвь цепи (рис. 1.13).

Рисунок 1.13 – Пример схемы для измерения тока короткого замыкания в ветви с резистором

1.4.5 Обработка результатов измерений

1.4.5.1 Рассчитать полные токи в ветвях, используя данные измерений частичных токов за гг. 1.4.1.2. Полные токи рассчитываются по методу наложения. Дополнить табл. 1.3 результатами расчетов полных токов.

1.4.5.2 Рассчитать внутреннее сопротивление эквивалентного генератора по п. 1.4.3 и 1.4.4 как . Рассчитать ток в заданной ветви цепи, используя метод эквивалентного генератора:

. (1.3)

Для ветви с резистором формула будет иметь вид .

1.4.6 Теоретический расчет параметров цепи

Теоретический расчет параметров исследуемой электрической цепи проводится методами контурных токов и межузловых напряжений, которые базируются на составлении и решении систем алгебраических уравнений.

1.4.6.1 Рассчитать токи в ветвях методом контурных токов. С этой целью составить систему уравнений (1.1), в которой определить собственные и общие сопротивления и контурные ЭДС (по варианту, табл. 1.1). Решить систему уравнений и определить токи в ветвях по полученным значениям контурных токов. Дополнить табл. 1.2 столбцом расчетов по методу контурных токов.

1.4.6.2 Рассчитать токи в ветвях методом межузловых напряжений, взяв нулевой узел за базовый (см.рис. 1.1). С этой целью составить систему уравнений (1.2), в которой определить собственные и взаимные проводимости и узловые токи (по вариантам, табл. 1.1). Решить систему уравнений и определить межузловые напряжения, дополнить табл. 1.4 столбцом расчетных значений. По рассчитанным значениям межузловых напряжений определить токи в ветвях цепи по закону Ома. Дополнить табл. 1.2 столбцом расчетов методом межузловых напряжений.

1.4.7 Сравнение экспериментальных и теоретических результатов

1.4.7.1 По данными табл. 1.2 сравнить экспериментальные значения токов с данными теоретических расчетов, объяснить расхождение между теоретическими и экспериментальными данными.

1.4.7.2 Для заданного преподавателем узла проверить выполнение первого закона Кирхгофа по экспериментальным значениям токов (табл. 1.2).

1.4.7.3 Сравнить результаты расчетов двумя теоретическими методами: контурных токов и межузловых напряжений. Объяснить причины расхождения между данными, если они есть.

1.4.7.4 Сравнить экспериментальные данные измерений токов по табл. 1.2 и результат их расчета по методу наложения (табл. 1.3), объяснить расхождение между этими данными.

1.4.7.5 По данным табл. 1.4 сравнить экспериментальные значения межузловых напряжений с данными теоретических расчетов, объяснить расхождение между теоретическими и экспериментальными данными.

1.4.7.6 Сравнить значение тока в заданной ветви цепи, рассчитанного методом эквивалентного генератора (1.1), со значением этого же тока в табл. 1.2.

1.5 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

– название работы;

– цель работы;

– схему электрическую принципиальную исследуемой цепи с обозначенными направлениями токов в ветвях, контурных токов и узлов;

– данные варианта параметров исследуемой цепи из табл. 1.1.;

– результаты измерений по п. 1.4.2 – 1.4.4;

– данные обработки результатов измерений по п. 1.4.5;

– данные теоретических расчетов по п. 1.4.6;

– выводы по п. 1.4.7.

1.6 Контрольные вопросы и задачи

1. Дайте определение ЭДС, напряжения, падение напряжения, тока.

2. Запишите закон Ома для пассивного и активного участков цепи.

3. Сформулируйте первый и второй законы Кирхгофа. Укажите порядок расчета цепи методом уравнений Кирхгофа.

4. В чем суть принципа наложения и расчета цепи методом наложения?

5. Объясните сущность метода контурных токов и метода межузловых напряжений.

6. Изложите порядок расчета цепи методом эквивалентного генератора.

7. Как определяются собственное и общее сопротивление?

8. Как определяется узловая и межузловая проводимость?

9. По какими критериями определяется оптимальный метод расчета электрической цепи?

10. Проанализируйте заданную преподавателем электрическую цепь, применяя предложенный метод анализа.

2 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

2.1 Цель работы

Целью работы является теоретическое и экспериментальное определения параметров пассивных элементов электрических цепей переменного тока. Расчет цепей переменного тока при последовательном и параллельном соединении резистора с катушкой индуктивности или конденсатором. Сравнение результатов измерений с расчетными данными.

2.2 Методические указания по организации самостоятельной работы студентов

Во время подготовки к лабораторной работе необходимо обработать теоретический материал из раздела "Линейные электрические цепи переменного тока", ознакомиться с содержанием лабораторной работы и подготовить бланк отчета.

В работе исследуются пассивные элементы (резистор, катушка индуктивности, конденсатор без потерь), которые включены в цепь переменного тока (рис. 2.1). В цепи переменного тока резистор характеризуется активным сопротивлением (или проводимостью ), катушка индуктивности характеризуется активным сопротивлением и реактивным сопротивлением , а конденсатор без потерь – реактивным сопротивлением .

Полное сопротивление катушки индуктивности определяется так

, (2.1)

модуль проводимости

, (2.2)

где – активная составляющая проводимости;

– реактивная составляющая проводимости.

Рисунок 2.1 – Пассивные элементы в цепи переменного тока

Модуль комплексного сопротивления конденсатора без потерь определяется как

, (2.3)

модуль проводимости

, (2.4)

где – реактивная составляющая проводимости.

В комплексной форме полное сопротивление резистора равняется активному сопротивлению, т.е. .

Комплексное сопротивление катушки индуктивности равняется

(2.5)

В формуле (2.5) угол сдвига фаз между током и напряжением для катушки определяется так

. (2.6)

Комплексное сопротивление конденсатора без потерь равняется его реактивному сопротивлению

, (2.7)

где – угол сдвига фаз между напряжением и током для конденсатора без потерь.

В данной лабораторной работе применяется символический метод описания величин тока, напряжения и сопротивления как комплексных функций. Например, ток синусоидальной формы подается в комплексной форме как комплексная функция действующей величины тока , где принимается, что .

Падение напряжения на пассивных элементах цепи (резисторе, катушке индуктивности, конденсаторе) при действии синусоидального тока и заданных параметрах элементов определяется по закону Ома. Комплексные значения действующих напряжений на исследуемых пассивных элементах определяются так

; (2.8)

; (2.9)

. (2.10)

Полное сопротивление и проводимость цепи при известных значениях тока, напряжения и угла сдвига фаз можно определить так

; , (2.11)

а их активная и реактивная составляющая определяются так

; (2.12)

; (2.13)

; (2.14)

. (2.15)

В работе исследуется последовательное соединение резистора с катушкой индуктивности или конденсатором (рис. 2.2).

Рисунок 2.2 – Последовательные – и – цепи

Модуль комплексного сопротивления последовательного соединения резистора и катушки индуктивности определяется так

. (2.16)

Модуль комплексного сопротивления последовательного соединения резистора и конденсатора без потерь определяется так

(2.17)

Комплексное сопротивление последовательного соединения резистора и катушки индуктивности равняется

. (2.18)

Угол сдвига фаз между напряжением и током для последовательного соединения резистора и катушки определяется так

. (2.19)

Комплексное сопротивление последовательного соединения резистора и конденсатора без потерь равняется

(2.20)

Угол сдвига фаз между напряжением и током для последовательного соединения резистора и конденсатора определяется так

. (2.21)

Падение напряжения на исследуемом последовательном участке цепи при заданном токе и параметрах элементов рассчитывается так

; (2.22)

(2.23)

Полное сопротивление при известных значениях тока, напряжения и угла сдвига фаз можно определить по (2.11), а активную и реактивную составляющую сопротивления – по (2.12, 2.13).

В работе исследуется параллельное соединение резистора с катушкой индуктивности или конденсатором (рис. 2.3).

Во время анализа цепей с параллельным соединением элементов удобно перейти от понятия "сопротивление" к понятию "проводимость".

Рисунок 2.3 – Параллельные – и – цепи

Модуль комплексной проводимости параллельного соединения резистора и катушки индуктивности определяется так (см. п. 2.2.1)

. (2.24)

Модуль комплексной проводимости параллельного соединения резистора и конденсатора без потерь определяется так:

. (2.25)

Комплексная проводимость параллельного соединения резистора и катушки индуктивности равняется

. (2.26)

Угол сдвига фаз между напряжением и током для параллельного соединения резистора и катушки определяется так:

. (2.27)

Комплексная проводимость параллельного соединения резистора и конденсатора равняется

. (2.28)

Угол сдвига фаз между напряжением и током для параллельного соединения резистора и конденсатора определяется по формуле:

. (2.29)

Падение напряжения на исследуемом параллельном участке цепи при заданном токе и параметрах элементов рассчитывается так:

; (2.30)

. (2.31)

Полная проводимость при известных значениях тока, напряжения и угла сдвига фаз можно определить по (2.11), а активную и реактивную составляющую сопротивления – по (2.14) и (2.15).

Исследование электрических цепей (рис. 2.1-2.3) проводится бригадами по вариантам. Варианты параметров элементов и параметров входного сигнала приведены в табл. 2.1.

Таблица 2.1 – Варианты задач

Вариант	R1, Ом	L, мГн	RL, Ом	C, мкФ	F, Гц	Uвх, В
			31,7
			33,8
			42,2
			45,6
			53,9
			65,5
			29,3
			34,0
			40,7
			45,0

2.3 Описание лабораторной установки

Для выполнения лабораторной работы необходимо в окне выбора компонентов в группе BASІС найти резистор (семейство RESІSTOR), конденсатор (семейство CAPASІTOR) и индуктивность (семейство ІNDUCTOR) с номиналами согласно варианту. Как источник питания следует использовать источник AC_POWER, который находится в группе SOURCES, семейство POWER_SOURCES. В свойствах элемента AC_POWER выставить данные, согласно варианту (рис. 2.4): Voltage (RMS) – 10 В, Frequency (F) – 400 Гц.

Рисунок 2.4 – Окно компонента качества источника питания AC_POWER

Для определения угла сдвига фаз между напряжением и током в цепи следует использовать на панели выбора инструментов для измерения такие приборы, как Oscіlloscope и Bode Plotter по схемам на рис. 2.6-2.11. С помощью Oscіlloscope можно визуально наблюдать сдвиг фаз между напряжением и током, а с помощью Bode Plotter – получить численное значение угла сдвига фаз . В свойствах компонента Bode Plotter необходимо в поле Mode выбрать Phase, в поле Horizontal выбрать значение F=1GHz – максимальное значение частоты, І=400Hz – минимальное значение частоты (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Окно компонента Bode Plotter

2.4 Порядок выполнения работы

Лабораторная работа включает такие виды работ: экспериментальные исследования цепей (рис. 2.6-2.11), обработка результатов эксперимента, теоретические расчеты параметров цепей и сравнительный анализ результатов.

Все экспериментальные исследования и теоретические расчеты проводятся при одинаковых параметрах входного сигнала (частота сигнала f = 400 Гц, входное напряжение U = 10 В).

2.4.1 Экспериментальные исследования

Исследуемые электрические цепи переменного тока состоят из последовательно соединенных источника сигнала низкой частоты, амперметра, участка цепи с нагрузкой и вспомогательного резистора R=1 Ом. В качестве нагрузки поочередно подключаются отдельные пассивные элементы C и L или участки цепи, в которых эти элементы соединены последовательно или параллельно.

Заданием эксперимента являются измерения падения напряжения на нагрузке и угла сдвига фаз между напряжением и током в цепи, при этом начальная фаза тока принимается нулевой.

Измерение действующего напряжения на исследуемых элементах проводится вольтметром. Измерение угла сдвига фаз проводится с помощью Bode Plotter при подаче на клеммы опорного напряжения (с выхода генератора) и сигнального напряжения (с дополнительного резистора R).

2.4.1.1 Исследование катушки индуктивности

Выполнить монтаж схемы (рис. 2.6), подключив катушку индуктивности и резистор R_L (внутреннее сопротивление катушки индуктивности) с номиналами согласно варианту и вспомогательный резистор R=1 Ом. После проверки схемы преподавателем задать параметры входного сигнала, регулируя частоту и напряжение в составленной цепи. Провести измерение величины І_вх, и с помощью вольтметра и с помощью компонента Bode Plotter-XBP1. С помощью Oscіlloscope-XSC1 исследовать форму напряжения и сдвиг фаз между напряжением и током. Результаты внести в табл. 2.2.

Рисунок 2.6 – Экспериментальная схема для исследования катушки индуктивности

Таблица 2.2 – Результаты измерений при исследовании катушки индуктивности

2.4.1.2 Исследование конденсатора

Выполнить монтаж схемы (рис. 2.7), подключив конденсатор с номиналом согласно варианту и вспомогательный резистор R=1 Ом. Провести измерение величины І_вх, и с помощью вольтметра и с помощью компонента Bode Plotter-XBP1. С помощью Oscіlloscope-XSC1 исследовать форму напряжения и сдвиг фаз между напряжением и током. Результаты внести в табл. 2.3.

Рисунок 2.7 – Экспериментальна схема для исследования конденсатора

Таблица 2.3 – Результаты измерений при исследовании конденсатора

2.4.1.3 Исследование последовательного соединения катушки индуктивности и резистора

Составить схему (рис. 2.8), подключив последовательный участок цепи с катушкой индуктивности L, резистором R_L и резистором R₁ с номиналами согласно варианту. Номинал резистора R=1 Ом. Провести измерение величины с помощью вольтметра и с помощью компонента Bode Plotter-XBP1. С помощью Oscіlloscope-XSC1 исследовать форму напряжения и сдвиг фаз между напряжением и током. Результаты внести в табл. 2.4.

Рисунок 2.8 – Экспериментальная схема для исследования

последовательного соединения резистора и катушки индуктивности

Таблица 2.4 – Результаты измерений при исследовании последовательного соединения резистора и катушки индуктивности

2.4.1.4 Исследование последовательного соединения конденсатора и резистора

Составить схему (рис. 2.9), подключив последовательный участок цепи с резистором R₁ и конденсатором С. Номинал резистора R=1 Ом. Провести измерение величины с помощью вольтметра и с помощью Bode Plotter-XBP1. С помощью Oscіlloscope-XSC1 исследовать форму напряжения и сдвиг фаз между напряжением и током. Результаты внести в табл. 2.5.

Рисунок 2.9 – Экспериментальная схема для исследования последовательного соединения конденсатора и резистора

Таблица 2.5 – Результаты измерений при исследовании последовательного соединения резистора и конденсатора

2.4.1.5 Исследование параллельного соединения катушки индуктивности и резистора

Выполнить монтаж схемы (рис. 2.10), собрав параллельный участок цепи с катушкой индуктивности L, резистором R_L и резистором R₁ с номиналами согласно варианту. Номинал резистора R=1 Ом. Провести измерение величины , с помощью амперметров и с помощью Bode Plotter-XBP1. С помощью Oscіlloscope-XSC1 исследовать форму напряжения и сдвиг фаз между напряжением и током. Результаты внести в табл. 2.6.

Рисунок 2.10 – Экспериментальная схема для исследования параллельного соединения катушки индуктивности и резистора

Таблица 2.6 – Результаты измерений при исследовании параллельного соединения катушки индуктивности и резистора

2.4.1.6 Исследование параллельного соединения конденсатора и резистора

Выполнить монтаж схемы (рис. 2.11), собрав параллельный участок цепи с катушкой индуктивности L, резистором R_L и резистором R₁ с номиналами согласно варианту. Номинал резистора R=1 Ом. Провести измерение величины , с помощью амперметров и с помощью Bode Plotter-XBP1. С помощью Oscіlloscope-XSC1 исследовать форму напряжения и сдвиг фаз между напряжением и током. Результаты внести в табл. 2.7.

Рисунок 2.11 – Экспериментальная схема для исследования параллельного

соединения конденсатора и резистора

Таблица 2.7 – Результаты измерений при исследовании
параллельного соединения конденсатора и резистора

2.4.1.7 По результатам измерений (2.4.1.5, 2.4.1.6) построить векторные диаграммы для последовательного и параллельного участков цепи.

2.4.2 Расчет результатов экспериментов

2.4.2.1 По результатам эксперимента (п2.4.1.1) рассчитать параметры пассивных элементов цепи, используя данные эксперимента, по формулам, указанных в табл. 2.8. Учитывать, что ω=2πf. Результаты расчетов записать в соответствующие ячейки табл. 2.8.

Таблица 2.8 – Результаты расчетов параметров пассивных элементов

Элем. цепи	Расчет результатов эксперимента
Z,Oм	R,Oм	X,Oм	Z, Oм	Y, Cм	g, Cм	b, Cм	Y, Cм	L, Гн	С,Ф
R4	(2.11)	(2.11)	––	(2.11)	(2.11)	(2.11)	––	(2.11)	––	––
C4	(2.11)	––	(2.13)	(2.7)	(2.11)	––	(2.15)	1/ Z C4	––	1/ωXC4
L4	(2.11)	(2.12)	(2.13)	(2.5)	(2.11)	(2.14)	(2.15)	1/ Z L4	XL4/ω	––

2.4.2.2 По результатам эксперимента (п2.4.1.2) рассчитать параметры последовательной RL и RC участков цепи, пользуясь данными эксперимента, по формулам, указанными в табл. 2.9. Результаты расчетов записать в соответствующие ячейки табл. 2.9.

Таблица 2.9 – Результаты расчетов параметров последовательного соединения элементов

Элемент цепи	Y||, Cм	g||, Cм	b||, Cм	Y ||, Cм	L, Гн	С,Ф
Резистор с катушкой индуктивности	(2.11)	(2.14)	(2.15)	(2.26)	XRLпосл/ ω	––
Резистор с конденсатором	(2.11)	(2.14)	(2.15)	(2.28)	––	1/ωXRLпосл

2.4.3 Теоретические расчеты параметров цепи

Теоретический расчет параметров последовательной и параллельной участков цепи предусматривает расчет действующего значения напряжения U и угол сдвига фаз j по заданному варианту (табл. 2.1) параметрами элементов R, L, RL, C при заданном токе I=20 мА.

2.4.3.1 Рассчитать параметры последовательного RL и RC участков цепи по формулам, указанными в табл. 2.10. Результаты расчетов записать в соответствующие ячейки табл. 2.10.

Таблица 2.10 – Теоретические расчеты параметров последовательного соединения элементов

Элементы цепи	Rпосл,Ом	Xпосл,Ом	Zпосл,Ом	U, В	j,градусoв
Резистор с катушкой индуктивности	R4+RL4	ω * L4	(2.16)	ZRLпосл * I	(2.19)
Резистор с конденсатором	R4	1/(ω * C4)	(2.17)	ZRCпосл * I	(2.21)

2.4.3.2 Рассчитать параметры параллельного RL и RC участков цепи по формулам, указанными в табл. 2.11. Результаты расчетов записать в соответствующие ячейки табл. 2.11.

Таблица 2.11 – Теоретические расчеты параметров параллельного соединения элементов

Элемент цепи	g||, Cм	b||, Cм	Y ||, Cм	U, В	j,град.
Резистор с катушкой индуктивности			(2.24)	I/YRL||	(2.27)
Резистор с конденсатором			(2.25)	I/YRC||	(2.29)

2.4.4 Сравнительный анализ результатов

2.4.4.1 Сравнить параметры пассивных элементов цепи по варианту (см.табл. 2.1) и полученные по данным экспериментов (табл. 2.8).

2.4.4.2 Сравнить параметры последовательного участка цепи данных эксперимента (табл. 2.9) с результатами теоретических расчетов (табл. 2.11).

2.4.4.3 Сравнить параметры параллельного участка цепи данных эксперимента (табл. 2.9) с результатами теоретических расчетов (табл. 2.11).

2.4.4.4 Сравнить полученные значения напряжения и угла сдвига фаз (табл.2.3,2.4) с соответствующими расчитаными значениями (табл. 2.10, 2.11).

2.5 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

– название работы;

– цель работы;

– данные варианта задачи;

– схемы электрические принципиальные исследуемых цепей;

– осциллограммы;

– результаты расчетов;

– выводы.

2.6 Контрольные вопросы и задания

1. Как определяется активное, реактивное и полное сопротивления участка цепи?

2. Как определяется полное сопротивление участка цепи с последовательным соединением активного и реактивного элементов?

3. Как определяется полное сопротивление участка цепи с параллельным соединением активного и реактивного элементов?

4. Как определяется угол сдвига фаз между напряжением и током в цепи по параметрам пассивных элементов цепи?

5. Как определяется модуль полного сопротивления цепи по параметрам пассивных элементов цепи?

6. Как соотносятся полное сопротивление цепи и полная проводимость цепи, их активные и реактивные составные?

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ RLC – ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

3.1 Цель работы

Целью работы является экспериментальное исследование частотных характеристик RLC – цепи переменного тока. Изучение явления резонанса напряжения. Сравнение частотных характеристик цепи при различной добротности.

Дата добавления: 2015-11-14