Кафедра электротехники и электрооборудования

Кафедра электротехники и электрооборудования

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ

Часть 2

Лабораторный практикум для студентов,

обучающихся по направлениям подготовки:

140400.62 Электроэнергетика и электротехника;

210100.62 Электроника и наноэлектроника;

220700.62 Автоматизация технологических процессов и производств,

всех форм обучения

Новокузнецк

УДК 621/34(075)

Т 33

Рецензент

кандидат технических наук,

профессор кафедры автоматизированного электропривода

и промышленной электроники СибГИУ

П. Н. Кунинин

Т 33 Теоретические основы электротехники. Часть 2: лаб. практикум. / Сиб. гос. индустр. ун-т; сост. : М.В. Кипервассер, В.С. Князев, Е.С. Кузнецова. – Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2013. – 26 с. : ил.

Содержит описание четырёх лабораторных работ по курсу «Теоретические основы электротехники. Часть 2».

Предназначен для студентов, обучающихся по направлениям подготовки: 140400.62 Электроэнергетика и электротехника; 210100.62 Электроника и наноэлектроника; 220700.62 Автоматизация технологических процессов и производств, всех форм обучения.

Лабораторная работа 1

Рисунок 1.3 – Периодический разряд конденсатора

Таблица 1.2 – Результаты измерений и расчётов параметров

периодического разряда конденсатора

Результаты измерений	Результаты расчёта
С, мкФ	Rизм , Ом	m t ,	Т /, мс	w /,	a,	w0 ,	L, мГн	Rрасч, Ом

8. По графику (осциллограмма №3) определить период затухающих колебаний Т ^/ (с учётом масштаба времени осциллограммы), частоту затухающих колебаний w ^/, коэффициент затухания переходного процесса a (на основе логарифмического декремента колебаний осциллограммы), частоту незатухающих колебаний процесса w₀, значение индуктивности вариометра L, величину сопротивления цепи разрядки конденсатора R_расч :

Результаты расчета параметров процесса внести в таблицу 1.2.

9. Выключить QF-3. Не изменяя индуктивность вариометра, включить в цепь разрядки фиксированное сопротивление R₂ (убрать перемычку П). Включить QF-3 и зарисовать на кальку закон изменения напряжения на конденсаторе при предельном апериодическом процессе разрядки: сопротивление цепи разрядки будет равно критическому сопротивлению: R_изм = R_кр = R₂ + R_к (осциллограмма №4). Примерный вид зависимости показан на рисунке 1.4. Определить для осциллограммы №4 значение критического сопротивления цепи разрядки R_изм, масштаб времени и масштаб напряжения (смотри указания к пункту 4). Полученные значения записать в таблицу 1.3.

10. Подключив вертикальный вход осциллографа (зажимы “Y”) к разрядному сопротивлению R₂, получить на экране осциллографа кривую изменения тока в цепи разрядки . Зарисовать зависимость с экрана на кальку (осциллограмма №5) – рисунок 1.4. Масштабы времени, напряжения сохранить (таблица 1.3).

По известным параметрам процесса (значениям ёмкости С конденсатора и индуктивности L вариометра – таблица 1.2) рассчитать и записать в таблицу 1.3 значение критического сопротивления цепи разрядки, определить масштаб тока для осциллограммы:

; .

Рисунок 1.4 – Осциллограммы предельного апериодического

разряда конденсатора

Таблица 1.3 – Результаты измерений и расчётов при предельном апериодическом разряде конденсатора

Результаты измерений	Результаты расчёта
Rизм , Ом	m t ,	m u ,	m i ,	Rкр , Ом
		1, 25

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как формулируются законы коммутации?

2. Чему равны постоянные времени цепей R – L и R – C?

3. Как определить постоянную времени цепи разряда по графику переходного процесса?

4. От чего зависит порядок дифференциального уравнения, описывающего переходный процесс в линейной электрической цепи?

5. Какие корни может иметь характеристическое уравнение второго порядка для линейной электрической цепи? Какие этим корням соответствуют решения дифференциального уравнения?

6. Назвать виды переходных процессов, которые могут быть в цепи с последовательным соединением элементов R, L, C?

7. Как определится критическое сопротивление цепи?

8. В каком случае процесс разряда конденсатора будет иметь апериодический характер?

9. В каком случае процесс разряда конденсатора будет иметь периодический (колебательный) характер?

10. Как по осциллограмме переходного процесса определится коэффициент затухания процесса ?

11. Как по осциллограмме переходного процесса определится период и частота затухающих колебаний?

12. Чему принимается равной практическая длительность переходного процесса в электрической цепи?

13. Как величина сопротивления R влияет на длительность переходного процесса в цепи R – C?

14. Как величина сопротивления R влияет на длительность переходного процесса в цепи R – L?

15. Как будет протекать переходный процесс, если электрическая цепь содержит только сопротивления R?

Лабораторная работа 2

ФЕРРОРЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

1. Собрать электрическую цепь – рисунок 2.1 (без перемычек П₁ и П₂).

Рисунок 2.1 – Цепь для снятия ВАХ катушки с сердечником, конденсатора и исследования феррорезонансной цепи

На схеме: QF-3 – выключатель синусоидального напряжения;

РН – регулятор напряжения (автотрансформатор);

С – конденсатор ёмкостью » 2 мкФ;

R_К, L_Н – параметры катушкек с ферромагнитным сердечником (две последовательно соединённые катушки на ферромагнитном сердечнике с числом витков W » 719);

R – резистор сопротивлением 3 ¸ 18 Ом.

2. Включить осциллограф в сеть переменного тока (~220В).

3. Включить питание электроприборов (QF-1).

4. Установить регулятор напряжения РН в нулевое положение (против часовой стрелки до упора).

II. ВАХ линейного конденсатора

7. Выключить QF-3. Установить регулятор напряжения РН в нулевое положение. Убрать перемычку П₁ и установить перемычку П₂ (электрическая цепь содержит конденсатор С и сопротивление R). Включить QF-3 и записать в таблицу 2.2 значение входного напряжения цепи U₁ для одного значения тока (I » 100 мА).

Таблица 2.2 – Результаты измерений и расчёта

Параметров конденсатора

III. ВАХ феррорезонансной цепи

8. Выключить QF-3. Установить регулятор напряжения РН в нулевое положение. Убрать перемычки П₁ и П₂ – получаем электрическую цепь при последовательном соединении катушки с ферромагнитным сердечником и линейного конденсатора. Включить QF-3. Плавно изменяя напряжение на входе цепи в пределах , снять зависимость U₁(I), отражающую «релейный» эффект в цепи, и зависимость U₂(U₁), отражающую эффект стабилизации напряжения на катушке U₂. Полученные данные (» 8 точек) внести в таблицу 2.3. Примерный вид зависимостей показан на рисунке 2.3.

Указания: 1) при увеличении входного напряжения от 0 до скачка тока при напряжении U_1-1 (проявление феррорезонанса) имеем плавное увеличение тока I и напряжения U₂. При напряжении U_1-1 наблюдаются скачки тока и напряжения U₂ (точки “a”, “b”) – зафиксировать параметры скачков по приборам;

2) при уменьшении входного напряжения до напряжении U_1-2 имеем плавное уменьшение тока I и напряжения U₂. При напряжении U_1-2 наблюдаются скачки тока и напряжения U₂ (точки “c”, “d”) – зафиксировать параметры скачков по приборам.

Таблица 2.3 – Результаты измерений в феррорезонансной цепи

Точки режима			“a”	“b”	“m”	“n”	“c”	“d”
, В
, В
I, мА

Рисунок 2.3 – Экспериментальные зависимости U₁( I ) и U₂( U₁ )

Рисунок 2.4 – Расчётные ВАХ для элементов и всей цепи

15. Экспериментальную кривую тока в нелинейной электрической цепи (осциллограмма несинусоидального тока) представить в виде тригонометрического ряда Фурье.

Постоянная составляющая, амплитуды синусной и косинусной составляющих ряда Фурье находятся по точным формулам:

Коэффициенты ряда Фурье для осциллограммы тока найдём графо-аналитическим способом. Для этого период функции разбиваем на m равных интервалов (m = 18, 20, 24) и в формулах для коэффициентов ряда Фурье заменяем интегралы конечными суммами:

Здесь: , – угловая частота;

к – номер гармоники разложения;

m – число разбиений периода кривой тока;

p – текущий индекс разбиения (изменяется от 1 до m);

– значение функции в середине p-того интервала, т.е. при ;

, – значения синуса и косинуса в середи- не p-того интервала, т.е. при ;

– интервал разбиения.

Ряд Фурье для несинусоидального тока в цепи запишется:

где .

При нахождении коэффициентов ряда Фурье для тока следует учесть симметрию полученной кривой тока (кривая тока симметрична относительно оси абсцисс). Тогда, для кривой тока имеем:

А₀ = 0; к = 1, 3, 5, 7, …

Требуется для тока найти коэффициенты ряда Фурье для двух первых имеющихся гармоник разложения в ряд.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чем отличается режим феррорезонанса напряжений в электрической цепи от резонанса в линейной электрической цепи?

2. Каким образом изменяется угол сдвига фаз цепи при скачкообразных изменениях тока при плавном изменении входного напряжения (для точек: “a”–“b”, “c”–“d”)?

3. Каким образом может быть снят неустойчивый участок вольт-амперной характеристики феррорезонансной цепи?

4. Как определить из вольт-амперной характеристики резонансное значение тока, чему будет равно эквивалентное значение нелинейной индуктивности для режима феррорезонанса?

5. Чем объясняется отличие экспериментальных и расчетных вольт-амперных характеристик для электрической цепи?

6. Как с уменьшением ёмкости С будут изменяться величины общего напряжения U_1-1, при котором происходит скачок, и значение тока для режима феррорезонанса I₀ ?

7. При всякой ли ёмкости возможно изменением общего напряжения получить режим феррорезонанса напряжений?

8. Начиная с какой величины ёмкости режим феррорезонанса будет невозможен для заданной катушки?

9. Как изменится падающий участок характеристики при увеличении активного сопротивления цепи?

10. Почему при последовательном включении с исследуемой цепью достаточно большого активного сопротивления ток в цепи может изменяться плавно, без скачков?

11. Какие условия должны быть выполнены при замене нелинейной электрической цепи условно нелинейной?

12. Каковы причины появления в электрической цепи несинусоидальных токов и напряжений?

13. Как симметрия несинусоидальной периодической функции влияет на составляющие ряда Фурье для неё?

Лабораторная работа 3

Рисунок 3.1 – Ферромагнитный усилитель мощности

На схеме: QF-2 – выключатель постоянного напряжения; QF-3 – выключатель синусоидального напряжения; РН – регулятор напряжения (автотрансформатор); W₁, W₀ – катушки на ферромагнитном сердечнике

с числом витков: W₁ = 719; W₀ = 1350;

R_Н – реостат нагрузки сопротивлением 100¸150 Ом; R_рег – регулировочный реостат сопротивлением

2¸5 кОм;

А₁, V, V₁, V₂ – цифровые приборы;

А₀ – магнитоэлектрический амперметр на 120 мА.

2. Включить питание электроприборов (QF-1).

3. Установить регулятор напряжения РН в нулевое положение (против часовой стрелки до упора).

4. Сопротивление в цепи постоянного тока R_рег вывести на максимальное значение.

Таблица 3.1 – Семейство ВАХ усилителя мощности

Усилителя мощности

6. Для получения характеристики вход-выход ферромагнитного усилителя [ I₁ (I₀) ] выключить QF-2 и QF-3 и установить регулятор напряжения РН в нулевое положение. Включить источник синусоидального напряжения (QF-3) и установить регулятором напряжения (РН) входное напряжение U = 220В. Записать показания амперметра А₁ (ток I₁) при отсутствии тока управления (I₀ = 0) – отключен QF-2. Включить источник постоянного напряжения (QF-2) и, меняя реостатом R_рег ток управления I₀ от 0 до 120мА (через 20мА), снять зависи-

мость I₁(I₀). Результаты измерений внести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Опытная характеристика вход-выход усилителя

Таблица 3.4 – Расчётная характеристика вход-выход

Магнитного усилителя

10. По экспериментальным данным построить опытную зависимость I₁( I₀ ) (таблица 3.2). В тех же координатах построить расчетную зависимость I₁( I₀ ) (таблица 3.4).

11. При любом токе управления I₀ для любой точки рабочего режима (таблица 3.2) определить коэффициент усиления магнитного усилителя по мощности:

,

где I₁₀ – ток рабочей цепи при нулевом токе управления (I₀ = 0), R_у = 250 Ом – омическое сопротивление цепи управления.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каковы названия электрических цепей в схеме усилителя?

2. Из каких соображений в схеме усилителя мощности используются два сердечника?

3. Какова форма магнитного потока в сердечниках?

4. Какую роль играет обмотка управления?

5. Как изменяется индуктивность рабочих обмоток с ростом тока управления?

6. Почему выражение для рабочей цепи является приближенным?

7. Как определить рабочий режим при заданном токе управления, имея семейство характеристик и уравнение эллипса?

8. Чем объясняется отличие опытной и расчетной характеристик усилителя I₁ ( I₀ ) ?

Лабораторная работа 4

Таблица 4.1 – Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода

Таблица 4.2 – Результаты измерений в цепи однополупериодного

Выпрямителя

Таблица 4.3 – Результаты расчёта нелинейной цепи выпрямителя с реальным и идеальным вентилями

Параметры
Опытные реальные
Расчетные идеальные

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Чем отличается реальный вентиль от идеального?

2. Какой смысл имеют параметры U_доп и I_доп для полупроводникового диода?

3. Где применяются полупроводниковые диоды?

4. Почему полупроводниковый диод называют вентилем?

5. Какие материалы применяются для изготовления диодов?

6. Чем объясняется отличие показаний амперметров в схеме?

7. Почему вольтметры V₁ , V₀ показывают разные значения?

8. Как запишется баланс активной мощности для цепи?

9. Чем объясняется низкий коэффициент мощности цепи выпрямления при чисто активной нагрузке?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Основы теории цепей / Г.В. Зевеке [и др.]. – М. : Энергоатомиздат, 1989. – 528 c., ил.

2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: учебник / Л.А.Бессонов. – М.: Гардарики, 1999.– 538 c., ил.

3. Нейман Л.Р. Теоретические основы электротехники. Т.1 / Л.Р. Нейман, К.С. Демирчян. – Л.: Энергоиздат, 1981. – 533 с., ил.

4. Бычков Ю.А. Основы теории цепей / Ю.А. Бычков, В.М. Золотницкий, Э.П. Чернышёв – СПб.: Издательство «Лань», 2002, – 464с., ил.

5. Попов В.П. Основы теории цепей / В.П. Попов – М.: Высшая школа, 2005. – 575 с., ил.

6. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники, ч.2. Нелинейные цепи / Г.И. Атабеков, А.Б. Тимофеев, С.С. Хухриков – М.: Энергия, 1970. – 232 с., ил.

7. Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи: учебное пособие для вузов / П.Н. Матханов. – М.: Высшая школа, 1977.– 272 c., ил.

Учебное издание

Составители:

Кипервассер Михаил Вениаминович

Князев Валерий Семёнович

Кузнецова Елена Степановна

Часть 2

Лабораторный практикум для студентов,

обучающихся по направлениям подготовки:

140400.62 Электроэнергетика и электротехника;

210100.62 Электроника и наноэлектроника;

220700.62 Автоматизация технологических процессов и производств,

всех форм обучения

Напечатано в полном соответствии с авторским оригиналом

Подписано в печать

Формат бумаги 60´84 1/16. Бумага писчая, печать офсетная.

Усл. печ. л. . Уч.- изд. л. . Тираж экз. Заказ .

Сибирский государственный индустриальный университет.

654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, 42.

Издательский центр СибГИУ.

Кафедра электротехники и электрооборудования