Аппаратура, оборудование и материалы

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

УТВЕРЖДАЮ

Проректор по учебной работе

________________

       (подпись)

«___»_________________201_ г.

Электротехника и электроника

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К лабораторным работам

Направление подготовки 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств

Профиль «Технология машиностроения»

Квалификация выпускника бакалавр

Изучается в 5 семестре

Ставрополь

2014

МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное

Образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Данилов М.И., Романенко И.Г., Ястребов С.С.

Электротехника и электроника

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

К лабораторным работам

Направление подготовки 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств

Профиль «Технология машиностроения»

Квалификация выпускника бакалавр

Ставрополь

2014

Печатается по решению

Учебно-методического совета

Северо-Кавказского федерального

университета

Рецензенты:      к-т техн. наук, доцент Мамаев В.А.

Данилов М.И., Романенко И.Г., Ястребов С.С. Электротехника и электроника:учебно-методическое пособие. – Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2014. – 127 с.

В настоящем учебном пособии приведены методика и порядок выполнения лабораторных работ, указания по технике безопасности и перечень вопросов для защиты работ по дисциплине «Электротехника и электроника». Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и программой дисциплины «Электротехника и электроника» и предназначено для студентов направления подготовки 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» профиля «Технология машиностроения».

© ФГАОУ ВПО «Северо-Кавказский

федеральный университет», 2014

Содержание

Предисловие. 5

Учебно-тематический план дисциплины.. 6

Лабораторная работа 1. 7

Исследование линейных цепей постоянного тока (4 ч) 7

Лабораторная работа 2. 40

Последовательное соединение потребителей однофазного переменного тока. Резонанс напряжений и токов в цепях синусоидального тока (4 ч) 40

Лабораторная работа 3. 75

Трехфазные цепи. Исследование цепи трехфазного тока при различных схемах соединения нагрузки (4 ч) 75

Лабораторная работа 4. 98

Определение рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (4 ч) 98

Лабораторная работа 5. 105

Исследование характеристик диодов, стабилитронов, тиристоров (2ч) 105

Список рекомендуемой литературы.. 116

Предисловие

Целью дисциплины «Электротехника и электроника» является формирование согласно ООП ВПО набора профессиональных компетенций   ПК-3, ПК-7, ПК-8, ПК-13 будущего бакалавра по направлению 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». Дисциплина относится к профессиональному циклу Б3.Б.8 ООП ВПО и предполагает знание студентами следующих дисциплин: «Математика» (Б2.Б.1), «Физика» (Б2.Б.2), «Информатика» (Б2.Б.4). В результате изучения дисциплины у студента формируются указанные выше компетенции, приобретаются знания основных положений теории и практики расчета однофазных и трехфазных электрических цепей, а также знания устройства и принципа работы электрических машин, электрооборудования и систем их управления, основ информационно-измерительной техники и электроники.

Учебно-тематический план дисциплины

Лабораторная работа 1

Исследование линейных цепей постоянного тока (4 ч)

Цель работы: Формирование у студента компетенции ПК-3. В связи с этим выполняются следующие задачи:

1. Измерить ток и напряжение в цепи, экспериментально убедиться в верности закона Ома.

2. Экспериментально убедиться в верности первого и второго законов Кирхгофа.

3. Построить потенциальную диаграмму для контура.

4. Экспериментально определить внутренние сопротивления источника постоянного напряжения и источника тока. Построить графики их внешних характеристик.

Теоретическое обоснование

Закон Ома для участка цепи между зажимами a и b (рисунок 1.1) позволяет найти ток  участка по разности потенциалов  и сопротивлению  этого участка:

.                                (1.1)

Рисунок 1.1 – Участок цепи

Законы Кирхгофа.

Законы Кирхгофа позволяют составить систему уравнений для расчета электрической цепи любой сложности.

Для формулировки законов Кирхгофа в электрической цепи выделяются узлы и ветви. Ветвь можно определить, как участок цепи, заключенный между двумя узлами, включающий в себя один или несколько последовательно соединенных элементов, по которым протекает один и тот же ток. Узел – это точка цепи, в которой сходятся не менее трех ветвей.

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю.

.                                     (1.2)

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма падений напряжений на элементах контура (под контуром здесь понимается замкнутая последовательность ветвей) равна алгебраической сумме ЭДС, действующих в этом же контуре:

 или .                    (1.3)

Рассмотрим применение законов Кирхгофа для электрической цепи изображенной на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Схема линейной электрической цепи постоянного тока

Определим количество уравнений для расчета электрической цепи постоянного тока. В качестве неизвестных определим токи в ветвях, а известными будем считать параметры элементов электрической цепи. Так, по первому закону Кирхгофа записывают уравнений на одно меньше, чем узлов в электрической цепи. На основании первого закона Кирхгофа для узла а схемы, изображенной на (рисунке 1.1), можно составить следующее уравнение:

.                                       (1.4)

По второму закону Кирхгофа записывается столько уравнений, сколько неизвестных токов в ветвях, минус количество уравнений по первому закону Кирхгофа. Уравнения записываются для контуров, не содержащих источники тока. Согласно второму закону Кирхгофа, для первого и второго контуров цепи, соответственно, можно записать следующие уравнения:

,                                    (1.5)

.                                    (1.6)

Таким образом, число уравнений по двум законам Кирхгофа должно быть столько, сколько неизвестных токов в ветвях цепи. Уравнения (1.4)-(1.6) представляют собой систему линейных уравнений, которая полностью описывает рассматриваемую цепь.

Примером применения второго закона Кирхгофа является построение потенциальной диаграммы. Под потенциальной диаграммой понимают график распределения потенциала на каком-либо участке цепи или в замкнутом контуре. По оси абсцисс на нем откладывают сопротивления вдоль контура, начиная с какой-либо произвольной точки, а по оси ординат – потенциалы соответствующих точек. Каждой точке участка цепи или замкнутого контура соответствует своя точка на потенциальной диаграмме.

В качестве примера рассмотрим контур E1, R1, R3, E2 (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Потенциальная диаграмма

В качестве начальной точки для построения потенциальной диаграммы примем узел b. Для построения потенциальной диаграммы нужно определить падение напряжения на каждом сопротивлении, входящем в выбранный контур. На участке с сопротивлением потенциал увеличивается, если обход осуществляется против направления тока, и понижается, если направление обхода совпадает с направлением тока.

На участке с источником ЭДС потенциал изменяется на величину ЭДС – повышается в случае, когда переход от одной точки к другой осуществляется по направлению ЭДС и понижается, когда переход осуществляется против направления ЭДС (рисунок 1.2).

Рассмотрим виды источников электрической энергии.

Идеальным источником постоянного напряжения является такой источник электрической энергии, у которого разность потенциалов между выводами не зависит от тока, проходящего через источник (внутреннее сопротивление такого источника равно нулю). Ввиду конструктивных особенностей реальные источники напряжения обладают ненулевым внутренним сопротивлением, в результате чего выходное напряжение зависит от тока нагрузки.

Поскольку у реального источника постоянного напряжения внутреннее сопротивление не равно нулю, разность потенциалов между его выводами зависит от протекающего через источник тока. Эта зависимость называется внешней характеристикой источника.

Приведенному описанию источника постоянного напряжения соответствует электрическая схема замещения, состоящая из источника ЭДС и соединенного последовательно с ним сопротивления, представленная на рисунке 1.3.

Рисунок 1.3 – Схема замещения неидеального источника напряжения

Величина  называется электродвижущей силой (ЭДС) источника и определяется как работа, затрачиваемая сторонними силами на перемещение единицы положительного заряда от отрицательного контакта к положительному. Компоненты схемы замещения реального источника постоянного напряжения, ЭДС, и внутреннее сопротивление источника физически неразделимы.

График внешней характеристики источника напряжения при подключенной нагрузке R показан на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 – Внешняя характеристика источника напряжения

В большинстве случаев внешняя характеристика источника питания имеет почти линейный вид.

Выражение для внешней характеристики источника:

.                                              (1.7)

Идеальным источником постоянного тока является такой источник электрической энергии, у которого выходной ток постоянен и не зависит от нагрузки (внутреннее сопротивление такого источника равно бесконечности). Напряжение на выходе идеального источника тока также может изменяться до бесконечности, в зависимости от сопротивления нагрузки, обеспечивая постоянство выходного тока. Ввиду конструктивных особенностей в реальном источнике выходной ток находится в некоторой зависимости от сопротивления нагрузки.

Вольтамперная характеристика идеального источника тока представляет собой вертикальную линию (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Внешняя характеристика источника тока

В общем случае зависимость напряжения на выводах от тока источника нелинейна (кривая 1 на рисунке 1.6). Зависимость между выходным напряжением и током называется внешней характеристикой источника тока и определяется двумя характерными точками, соответствующими: режиму холостого хода ( ) и режиму короткого замыкания .

Рисунок 1.6 – Аппроксимация внешней характеристики источника тока

Токи и напряжения реального источника обычно могут изменяться в определенных пределах, ограниченных сверху значениями, соответствующими номинальному режиму (режиму, при котором изготовитель гарантирует допустимые в пределах спецификации отклонения выходных параметров, наряду с оптимальной экономичностью и долговечностью устройства).

Для упрощения расчетов, в ряде случаев нелинейная вольтамперная характеристика на выбранном рабочем участке m-n, определяемом рабочими интервалами изменения напряжения и тока, может быть аппроксимирована прямой линией.

Для большинства источников тока и напряжения подобная линеаризация правомерна. Также следует отметить, что, в отличие от источников напряжения, для большинства источников тока длительная работа в режиме короткого замыкания является допустимой.

Прямая 2 на рисунке 1.6 описывается линейным уравнением

,                                      (1.8)

где  – напряжение на зажимах источника при отключенной нагрузке, .

Реальный источник тока замещается эквивалентной схемой (рисунок 1.7), состоящей из идеального источника ( ) и параллельно включенного резистора с очень высоким сопротивлением .

Рисунок 1.7 – Схема замещения неидеального источника тока

Компоненты схемы замещения реального источника – идеальный источник постоянного тока и внутренняя проводимость (или сопротивление) – физически не разделимы.

Аппаратура, оборудование и материалы

1. Лабораторная работа выполняются на специально разработанной макетной плате «Теоретические основы электротехники» для рабочей станции NI ELVIS II,сопряженной с ПЭВМ. В дальнейшем будем эту систему называть лабораторный стенд (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 –Лабораторный стенд, подключаемый к ПЭВМ: 1 – персональный компьютер (ПЭВМ); 2 – макетная плата; 3 – контрольно-измерительное оборудование NI ELVIS II, подключаемое к (1) по USB; 4 – блок питания, обеспечивающий электропитание NI ELVIS II и макетной платы

2. В стандартной комплектации лабораторного стенда имеются соединительные провода (17 шт.).

3. Для работы лабораторного стенда необходимо также иметь следующее оборудование и программное обеспечение. Системные требования к персональному компьютеру: Рentium-4 и выше, ОЗУ минимум 256МБ, свободное пространство на жестком диске не менее 200МБ; видеокарта и монитор, поддерживающие разрешение экрана не менее 1024х768 точек. Необходимое программное обеспечение: операционная система: MS Windows 7/Microsoft Office 2010; для чтения документации: Adobe Reader 9.0 или выше; программное обеспечение NI ELVIS II+ (или «NI ELVIS II»); программное обеспечение Electronics Engineering Board 2 для проведения лабораторных работ.