Методические указания по выполнению лабораторных работ по учебной дисциплине ОП 03 Электротехника и электроника
электронный образовательный ресурс

ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«БЕЛГОРОДСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

обучающимся по выполнению лабораторных работ

ОП.03 Электротехника и электроника

специальности: 08.02.06 «Строительство и эксплуатация городских путей сообщения»

Белгород, 2019г

Разработчик: Буланович А.В., преподаватель ОГАПОУ «БСК»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по ОП.03 «Электротехника и электроника» составлены на основе рабочей программы по указанному междисциплинарного курса специальности 08.02.06 «Строительство и эксплуатация городских путей сообщения». Учебной программой предусмотрено 6 часа на лабораторные занятия.

Лабораторные работы преследуют следующие цели:

1) закрепление теоретических знаний, полученных студентами в лекционной части курса;

2) ознакомление со схемами включения;

3) получение студентами практических навыков проведения эксперимента и обработки его результатов.

Общая структура лабораторных занятий включает:

– вводную часть (объявляется тема занятия, ставятся цель к

занятию, проводится обсуждение готовности обучающихся к выполнению заданий, выдается задание,  обеспечение дидактическими материалами);

– самостоятельную работу (определяются пути выполнения задания,

разбираются основные алгоритмы выполнения задания на конкретном примере, выполняется задание, в конце работы делаются выводы.);

– заключительную часть (анализируются результаты работы, выявляются ошибки при выполнении задания и определяются причины их возникновения, проводится рефлексия собственной деятельности).

         Лабораторная работа защищается, в конце ее выполнения.

При проведении лабораторных занятий используются следующие виды

деятельности обучающихся, формирующие общие и профессиональные компетенции:

– индивидуальная работа по выполнению заданий;

– работа в паре по взаимообучению и взаимопроверке при решении заданий;

– коллективное обсуждение проблем и решение заданий под руководством преподавателя.

Перечень практических работ по дисциплине ОП.03 «Электротехника и электроника» для специальности 08.02.06 «Строительство и эксплуатация городских путей сообщения»

Критерии оценки результата

Лабораторная работа №1

Изучение последовательного соединения приемников

электрической энергии и проверка второго правила Кирхгофа

Цель работы: опытным путём изучить эквивалентное сопротивление цепи при последовательном соединении резисторов. Проверить второй закон  Кирхгофа.

Оборудование: лабораторный стенд, электроизмерительные приборы, материалы

Основные понятия и определения

Последовательное соединение резисторов — это такое соединение, когда к концу одного резистора присоединяется начало другого, к концу второго — начало третьего и т. д. и при этом образуется неразветвленная цепь или участок цепи.

Если резисторы или любые другие нагрузки соединены последовательно (рис. 1.1), по ним проходит один и тот  же ток. Величина тока определяется приложенным напряжением U и эквивалентным сопротивлением Rэкв:

I = U / Rэкв,

гдеRэкв = ΣR = R1 + R2 + R3.

Рис. 1.1.

На каждый отдельный резистор при этом приходится некоторое частичное напряжение. Сумма частичных напряжений в соответствии со вторым законом Кирхгофа равна полному приложенному напряжению:

I⋅R1 + I⋅R2 + I⋅R3 = U.

Для последовательного соединения характерно то, что во всех этих резисторах возникает одинаковый ток, а падения напряжения на них пропорциональны сопротивлениям:

Каждое сопротивление может быть найдено по формулам:

Падение напряжения на   всем участке   цепи равно сумме падений напряжений на каждом резисторе:

Эквивалентное сопротивление   участка   цепи равно сумме сопротивлений каждого резистора:

Если же к концам участка вместо трех резисторов подключить эквивалентный резистор с сопротивлением Rэкв и подать такое же напряжение U, то в участке установится ток такой же силы I, что и при последовательном соединении резисторов:

Следовательно,

Если сопротивления резисторов равны

то эквивалентное сопротивление

где n — число последовательно соединенных резисторов. Мощность   резисторов   можно   определить по формулам:

и т. д.        Мощность всего участка с последовательным соединением резисторов

Порядок выполнения работы

Технические данные приборовТаблица 1.1

Рисунок 1.2 Последовательное  соединение резисторов.

1. Заполнить таблицу 1.1. Технические данные приборов.
2. Собрать электрическую схему цепи рис. 1.2 (последовательное соединение).
3. Определить цену деления приборов исходя из установленных пределов измерений.
4. Установить заданные преподавателем параметры сопротивлений на магазинах.
5. Предъявить собранную схему для проверки преподавателю.
6. Включить автомат постоянного тока. Произвести измерение тока напряжения на каждом участке цепи. Результаты записать в таблицу 1.2.
7. Сделать вывод о проделанной работе. Ответить на контрольные вопросы.

 Последовательное соединение резисторовТаблица 1.2

Контрольные вопросы:

1. Какое соединение резисторов называют последовательным соединением?
2. Как определить общее сопротивление резисторов при последовательном соединении?
3. Чему равен общий ток цепи и напряжение на участках при последовательном соединении?

Лабораторная работа №2

Изучение параллельного соединения приемников электрической энергии и проверка  первого правила Кирхгофа

Цель работы: опытным путём изучить эквивалентное сопротивление цепи  при параллельном соединении резисторов. Проверить первый закон Кирхгофа.

Оборудование: лабораторный стенд, электроизмерительные приборы, материалы

Основные понятия и определения

При параллельном соединении нескольких приемников они включаются между двумя точками электрической цепи, образуя параллельные ветви (рис. 2.1, а). Заменяя

Рис. 2.1. Схемы параллельного соединения приемников

лампы резисторами с сопротивлениями R1, R2, R3, получим схему, показанную на рис. 2.1, б.
          При параллельном соединении ко всем резисторам приложено одинаковое напряжение U. Поэтому согласно закону Ома:

I1=U/R1; I2=U/R2; I3=U/R3.

Ток в неразветвленной части цепи согласно первому закону Кирхгофа I = I1+I2+I3, или

I = U / R1 + U / R2 + U / R3 = U (1/R1 + 1/R2 + 1/R3) = U / Rэк

Следовательно, эквивалентное сопротивление рассматриваемой цепи при параллельном соединении трех резисторов определяется формулой

1/Rэк = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 

Вводя в формулу вместо значений 1/Rэк, 1/R1, 1/R2 и 1/R3 соответствующие проводимости Gэк, G1, G2 и G3, получим: эквивалентная проводимость параллельной цепи равна сумме проводимостей параллельно соединенных резисторов:

Gэк = G1+ G2 +G3

Таким образом, при увеличении числа параллельно включаемых резисторов результирующая проводимость электрической цепи увеличивается, а результирующее сопротивление уменьшается.
           Из приведенных формул следует, что токи распределяются между параллельными ветвями обратно пропорционально их электрическим сопротивлениям или прямо пропорционально их проводимостям. Например, при трех ветвях

I1 : I2 : I3 = 1/R1 : 1/R2 : 1/R3 = G1 + G2 + G3

В этом отношении имеет место полная аналогия между распределением токов по отдельным ветвям и распределением потоков воды по трубам.
           Приведенные формулы дают возможность определить эквивалентное сопротивление цепи для различных конкретных случаев. Например, при двух параллельно включенных резисторах результирующее сопротивление цепи

Rэк=R1R2/(R1+R2)

при трех параллельно включенных резисторах

Rэк=R1R2R3/(R1R2+R2R3+R1R3)

При параллельном соединении нескольких, например n, резисторов с одинаковым сопротивлением R1 результирующее сопротивление цепи Rэк будет в n раз меньше сопротивления R1, т.е.

Rэк = R1 / n 

Проходящий по каждой ветви ток I1, в этом случае будет в n  раз меньше общего тока:

I1 = I / n

При параллельном соединении приемников, все они находятся под одним и тем же напряжением, и режим работы каждого из них не зависит от остальных. Это означает, что ток, проходящий по какому-либо из приемников, не будет оказывать существенного влияния на другие приемники. При всяком выключении или выходе из строя любого приемника остальные приемники остаются включенными. Поэтому параллельное соединение имеет существенные преимущества перед последовательным, вследствие чего оно получило наиболее широкое распространение. В частности, электрические лампы и двигатели, предназначенные для работы при определенном (номинальном) напряжении, всегда включают параллельно.
          На электровозах постоянного тока и некоторых тепловозах тяговые двигатели в процессе регулирования скорости движения нужно включать под различные напряжения, поэтому они в процессе разгона переключаются с последовательного соединения на параллельное.

Порядок выполнения работы:

Технические данные приборов             Таблица 2.1

Рис. 2.2 Параллельное  соединение резисторов.

1. Заполнить таблицу 2.1. Технические данные приборов.
2. Собрать электрическую схему цепи рис. 2.2 (параллельное соединение)
3. Определить цену деления приборов исходя из установленных пределов измерений.
4. Установить заданные преподавателем параметры сопротивлений на магазинах.
5. Предъявить собранную схему для проверки преподавателю.
6. Включить автомат постоянного тока. Произвести измерение тока напряжения на каждом участке цепи. Результаты записать в таблицу 2.2
7. Сделать вывод о проделанной работе. Ответить на контрольные вопросы.

При параллельном соединении резисторов          Таблица 2.2

Контрольные вопросы:

1. Какое соединение резисторов называют параллельным?
2. Как определить общее сопротивление резисторов при параллельном соединении?
3. Чему равен общий ток цепи и напряжение на участках при параллельном  соединении?
4. Как определяется мощность на участках цепи и всей цепи при параллельном соединении?

Лабораторная работа №3

Исследование разветвленной цепи однофазного переменного тока

Цель работы: опытным путём снять вольтамперные характеристики элементов цепи. Сравнить результаты аналитических и графических расчётов при последовательном и параллельном соединении линейных и нелинейных элементов.

Оборудование: лабораторный стенд, электроизмерительные приборы, материалы

Основные понятия и определения

Комплексная, полная, активная и реактивная проводимости.

В цепях синусоидального тока, как и в цепях постоянного тока, вводится понятие проводимости. Под комплексной проводимостью  понимают отношение комплексного действующего значения тока к комплексному действующему значению напряжения (или комплексных амплитуд )

Так как , то

Действительную часть комплексной проводимости обозначают         

и называют активной проводимостью. Важно отметить, что выражение активной проводимости при синусоидальном токе отличается от выражения проводимости при постоянном токе и зависит как от активного R, так и от реактивного сопротивления.

    Мнимую часть комплексной проводимости обозначают

и называется реактивной проводимостью. Реактивная проводимость зависит как от реактивного, так и от активного сопротивления.

Так как реактивное сопротивление , то

где

индуктивная проводимость;

ёмкостная проводимость.

Модуль и аргумент комплексной проводимости. Треугольник проводимостей.

С учётом принятых обозначений  можно записать в виде

или в показательной форме

здесь

- модуль, или полная проводимость.

- аргумент проводимости.

Записав все величины   в показательной форме, получим

откуда следует, что полная проводимость , - угол сдвига фаз между напряжением и током, равный аргументу проводимости с обратным знаком.

Формулы  и  легко получаются из так называемого треугольника проводимостей (рис. 5.1)

                                       Рис. 4.1. Треугольник проводимостей

 Изформулы следует выражение закона Ома через комплексную проводимость

Резонанс токов. Он возможен в цепи с параллельным соединением двух ветвей с параметрами , , , в параллельном контуре (рис. 4.2)

Рис. 4.2. Параллельный контур.

Из определения резонанса следует, что угол сдвига фаз при резонансе равен нулю. Так как

то при резонансе . Учитывая  и , получаем

или  

где  - циклическая частота резонанса токов.

После преобразований имеем:

Из формулы следует ряд выводов.

1. Резонансная частота  при  резонансе токов зависит не только от параметров реактивных элементов , но и от активных сопротивлений   и

2.   Резонанс токов возможен, если сопротивления  и  или больше , или меньше , в этом случае подкоренное выражение в (5.16) положительное , в противном – невозможен ( - мнимая величина.)

3. Если  и =, резонансная частота ( = ) имеет неопределённое значение, что означает существование резонанса (совпадение фаз напряжения питания и общего тока.) при любой частоте.

4. При и <<, что справедливо для многих цепей, , т.е. резонансная частота при резонансе токов равна резонансной частоте при резонансе напряжений.

Порядок выполнения работы

Технические данные приборов     Таблица 4.1

Рис. 4.3. Общая схема

   Рис. 4.4. Снятие ВАХ лампы                                           Рис. 4.5. Снятие ВАХ резистора                                                                                                                                                                                                                                                                                                            

1. Заполнить таблицу 4.1. Технические данные приборов.
2. Собрать электрическую схему и дать её проверить руководителю.
3. Подключить лампу в цепь и снять показания приборов, записать в таблицу 4.2.
4. Подключить резистор в цепь, выставляя напряжение, снять показания приборов, записать в таблицу 4.2.
5. Последовательно соединить лампу (нелинейный элемент) и резистор (линейный элемент) и снять вольтамперную характеристику.
6. Параллельно соединить линейный и нелинейный элемент, снять ВАХ и записать в таблицу 4.2.
7. Построить на миллиметровке график зависимости (ВАХ) для лампы Iл = f(Uл) и резистора IR = f(UR), а также ВАХ последовательного и параллельного соединения линейного и нелинейного элементов полученные экспериментально и подсчитанные графически.
8. Сделать вывод о проделанной работе. Ответить на контрольные вопросы.

Снятие ВАХ                                            Таблица 4.2.

Контрольные вопросы

1. Что называют проводимостью?
2. Что называется вольтамперной характеристикой?
3. Какие элементы обладают нелинейными вольтамперными характеристиками?

Список используемой литературы:

1. Н.Ю. Морозова «Электротехника и электроника».

2.М.В.Немцов, И.И. Светлакова  «Электротехника».

3. http://digteh.ru/Sxemoteh/ShVklTrz/OE/

4.http://www.mtomd.info/archives/2305

5.http://www.electroengineer.ru/2013/03/straight-chains-AC.html

Список рекомендуемой литературы:

1. Ф.Е. Евдокимов «Теоретические основы электротехники».

2.http://scbist.com/zheldor/teplovoz/teplovoz_24.html

3.http://electrono.ru/elektricheskaya-cep-i-ee-osnovnye-zakony/15-peredacha-elektricheskoj-energii-po-provodam