Электротехника с основами электроники

Костромская государственная

сельскохозяйственная академия

Кафедра ТОЭ и автоматики

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторным работам по курсу

"Электротехника с основами электроники"

для студентов факультета

Механизации сельского хозяйства

1 цикл

Составители: ст. преподаватель

Смирнов В. Б.,

доцент, к. т. н. Смирнов Л.А.

Кострома - 2000

Методические указания к лабораторным работам по электротехнике с основами электроники (1 цикл). Для студентов факультета механизации сельского хозяйства. - Кострома: издательство Костромской государственной сельскохозяйственной академии, 2000.

Методические указания содержат описания лабораторных работ, которые студенты факультета механизации сельского хозяйства выполняют в первом семестре после начала изучения курса "Электротехника с основами электроники" и включают в себя разделы электрических цепей постоянного тока, однофазного переменного тока и некоторые вопросы магнитных цепей.

Рекомендовано методической комиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства КГСХА

Протокол № 2 от 15.12.99

Костромская государственная сельскохозяйственная академия, 2000.

Общие требования по выполнению лабораторных работ

Изучите по методическим указаниям и конспекту лекций теоретические вопросы, относящиеся к теме предстоящей работы. Ознакомьтесь с содержанием и порядком выполнения работы.

В тетради для лабораторных работ напишите номер, название и цель работы, начертите схему исследования электрической цепи и таблицу для записей результатов опытов и расчетов.

Соберите цепь по заданной схеме. Вначале рекомендуется соединить все последовательно соединенные элементы, а только затем подключить элементы, включаемые параллельно. Проверить правильность соединения цепи. Включать цепь под напряжение только после разрешения преподавателя.

При проведении опытов следует выполнять требования по технике безопасности:

перед началом сборки схемы необходимо убедится в том, что стенд выключен;

не применяйте провода с поврежденной изоляцией, наконечники

проводов надежно зажимайте клеммами;

о включении стенда необходимо предупредить всех членов группы;

при появлении во время работы искр, запаха, дыма или других признаков ненормальной работы оборудования необходимо немедленно отключить стенд и сообщить об этом преподавателю;

запрещается самовольно устранять неисправности электрооборудования;

при несчастном случае следует немедленно сообщит об этом преподавателю.

Разбирать схему следует только после проверки преподавателем результатов опытов.

Произведите необходимые расчеты и графические построения и сделайте выводы по работе.

Методические указания к лабораторной работе № 1

ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ОБОРУДОВАНИЕМ И ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ. СБОРКА СХЕМ И ПОИСК НЕИСПРАВНОСТЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ

Цель работы:

получить практические навыки по чтению схем, сборке электрических цепей, контролю технического состояния электротехнических изделий.

1. Основные теоретические положения.

Электрическая цепь представляет собой совокупность отдельных элементов, соединенных между собой определенным образом, и предназначена для протекания электрического тока.

Соединение элементов между собой может производиться безразборными (пайка, сварка, прессование) и разборными (болтовое, штепсельное, клеммное и т.д.) методами в зависимости от поставленной задачи и требований технологии. В электрической цепи происходит преобразование электрической энергии: механическая и химическая переходят в электрическую, а электрическая в тепловую, световую., механическую и т.д. В состав цепи могут входить источники электрической энергии, потребители, соединительные провода, аппараты управления, защиты и сигнализации, электроизмерительные приборы, преобразующие устройства и т.д.

Электрические цепи могут быть неразветвленными и разветвленными. Узлом называют такую точку электрической цепи, где соединяется более двух проводников. Ветвью называют участок цепи, заключенный между двумя узлами, на протяжении которого сила тока имеет одно и то же значение. Все элементы электрической цепи имеют графические и условные буквенные обозначения на схемах, выполняемые в соответствии с требованиями ГОСТ.

2. Электрические цепи обязательно содержат источники электрической энергии. Часто на схемах сами источники не изображаются, но обозначаются клеммы электрической сети, от которой питается цепь. Стандартная электрическая сеть имеет трехфазное напряжение 380/220 В и не всегда пригодна для нормальной работы исследуемой цепи. Поэтому могут применять дополнительно трансформаторы и различные регуляторы напряжения. Для регулирования переменного однофазного напряжения часто используют лабораторный автотрансформатор (ЛАТР). Перемещая движок по его обмотке, можно изменять выходное напряжение от 0 до 250В (рис.1).

Рис.1 Схема подключения автотрансформатора

Если в лаборатории требуется постоянное напряжение, то можно использовать аккумуляторы и выпрямители. Постоянное регулируемое напряжение можно получить, если применить ЛАТР и выпрямитель.

Часто для лабораторных работ используют пониженное трехфазное и однофазное напряжение, а также источники энергии с регулируемой частотой напряжения. На табличках оборудования указываются их номинальные данные.

3. В качестве потребителей электрической энергии могут быть использованы реостаты, лампы накаливания. На табличке (бирке) реостатов и ламп накаливания указаны их номинальные данные: напряжение, ток, мощность, сопротивление. Следует иметь ввиду, что действительные значения параметров могут отличаться от номинальных в пределах ±10... 20%.

В цепях переменного напряжения в качестве нагрузки используются также конденсаторы, катушки индуктивности с плавным или дискретным регулированием параметров (изменением площади пластин конденсатора, расстояния между обкладками и т.д.; изменением числа витков катушки индуктивности, воздушного зазора магнитопровода, изменением взаимного расположения катушки и магнитопровода). В качестве нагрузки можно использовать электродвигатели, преобразователи и т.д.

4. Для защиты от перегрузок и коротких замыканий применяют автоматические выключатели, предохранители и специальные электронные устройства. Они разрывают цепь нагрузки при отклонении условий работы от номинальных. В схемах лабораторных работ защитные устройства обычно не указываются. Питание цепей постоянного тока для полупроводниковых устройств производится от блоков с электронной защитой, срабатывающей за тысячные доли секунды и возвращающейся в исходное состояние после устранения ненормального режима.

5. Для контроля электрических параметров цепей применяют амперметры, вольтметры, ваттметры, омметры, осциллографы, комбинированные приборы и т.д. Приборы бывают щитовые и переносные, предназначенные для измерений на постоянном или переменном токе. Они могут быть одно - и многопредельными, могут иметь различные конструктивные особенности.

Согласно ГОСТ 23217-78 для электроизмерительных аналоговых приборов с непосредственным отсчетом установлены следующие условные обозначения, наносимые на них.

Основные единицы измерения и их кратные и дольные значения: например, килоампер - кА, ампер - А, миллиампер - мA, микроампер - мкА.

Род тока: постоянный, обозначается знаком " - ", переменный - " ~ ", постоянный и переменный - " - ", трехфазный - " ".

Безопасность. Внутри пятиконечной звездочки указана цифра испытательного напряжения в киловольтах. Если стоит цифра 0, то это означает, что прибор испытанию прочности изоляции не подлежит. Если внутри звездочки не указана цифра, то это означает, что испытательное напряжение равно 500 В.

Используемое положение. Прибор применять при вертикальном положении шкалы - ^; прибор применять при горизонтальном положении шкалы - ; прибор применять при наклонном положении (под углом, например 60°) - Р 60°; прибор должен ориентироваться в направлении внешнего магнитного поля "p®N".

Класс точности. Класс точности указывают на приборе соответствующей цифрой, например: 0,5; 1,0; 1,5 и т.д.

Общие условные обозначения принципа действия электроизмерительных приборов:

Для измерения электрических величин в широких пределах используют многопредельные электроизмерительные приборы. Для перевода с одного предела измерений на другой такие приборы снабжены переключателями (поворотными или кнопочными) или дополнительными клеммами. Пределы измерений следует устанавливать в зависимости от ожидаемого значения электрической величины таким образом, чтобы прибор не оказался перегруженным. В то же время нельзя завышать предел измерения, так как в этом случае стрелка прибора будет отклоняться на малый угол и точность измерения снизится. Например, вольтметр имеет пределы измерения: 75, 150, 300, 450 В, а напряжение источника - 220 В. Следовательно на приборе необходимо установить предел измерения 300 В.

Цена деления многопредельного прибора (С) определяется как частное от деления предела, указанного на переключателе, на число делений, обозначенное цифрой на конце шкалы. Например, у амперметра, имеющего на шкале 100 делений, на пределе 2 А цена деления составит 0,02 А, а у вольтметра, имеющего 150 делений, цена деления на пределе 75 В составит 0,5 В.

Цена деления многопредельного ваттметра равна произведению пределов измерения напряжения и силы тока, деленному на число делений шкалы прибора. Так, ваттметр, имеющий шкалу на 150 делений, с пределами по току 5 А и по напряжению 300 В, будет иметь цену деления, равную 10 Вт. Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться со всеми приборами стенда. Записать технические характеристики нескольких приборов (по указанию преподавателя) и определить их цену деления.

2. Ознакомиться с аппаратурой стенда, записать технические характеристики.

3. Измерить ЭДС всех источников.

4. Составить схему с последовательным соединением нескольких резисторов. В схеме предусмотреть приборы для измерения тока, напряжения и мощности. После проверки правильности составленной схемы преподавателем собрать ее на лабораторном стенде и произвести необходимые измерения электрических величин.

5. Повторить п.4 с параллельным соединением резисторов.

6. Повторить п.4 со смешанным соединением резисторов.

Пример составленной схемы представлен на рис.2.

Рис.2. Варианты подключения измерительных приборов и нагрузки

Чтобы быстро и правильно собрать на стенде электрическую цепь, не запутавшись в ней, необходимо собрать сначала все последовательные цепи, а уже затем присоединить все параллельные цепи.

7. Результаты измерений, а также технические характеристики приборов и оборудования, представить в виде таблиц произвольной формы.

8. После окончания работы отключить питание стенда, разобрать схему.

9. Составить краткие выводы по работе.

3. Контрольные вопросы

1. Из каких элементов состоит электрическая цепь и каково их назначение?

2. Что называют узлом и ветвью электрической цепи?

3. Каков порядок сборки электрической цепи?

4. Какие системы электроизмерительных приборов вы знаете?

5. Как условно изображают системы электроизмерительных приборов?

6. Какие условные обозначения наносят на шкалы приборов?

7. Начертите схему включения амперметра, вольтметра, ваттметра.

8. Как поступить, если стрелка прибора в отключенном состоянии отклонилась влево (вправо) от нулевой отметки?

Как поступить, если стрелка прибора отклонилась за максимальное деление шкалы?

10. Как поступить, если стрелка ваттметра отклонилась влево от нулевой отметки?

11. Как определить цену деления комбинированного (многопредельного) прибора?

12. Как измерить ЭДС аккумулятора?

13. Два одинаковых сопротивления соединены последовательно (параллельно). Чему равно результирующее сопротивление?

14. Что будет, если в исследуемой цепи поменяли местами амперметр и вольтметр?

Методические указания к лабораторной работе №2

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АККУМУЛЯТОРОВ

Цель работы

Изучить режимы работы аккумулятора как источника постоянного тока, определить его внутренне сопротивление, проанализировать энергетические соотношения и особенности работы аккумуляторов при их последовательном и параллельном соединении.

1. Основные теоретические положения.

Аккумулятор является химическим источником энергии. Его основными параметрами являются электродвижущая сила (ЭДС) Е и его внутреннее сопротивление RВ. ЭДС характеризует способность источника энергии создать ток в электрической цепи, она численно равна напряжению между его зажимами при отсутствии тока (холостой ход, нагрузка отключена), и внутри источника направлена от отрицательного зажима к положительному (рис.1).

Если к аккумулятору подключить нагрузочный реостат с сопротивлением R, то в цепи возникает ток, величина которого определяется по закону Ома для электрической цепи с ЭДС

(1)

Преобразуем это выражение и получим формулу зависимости напряжения на зажимах приемника от тока нагрузки (рис.1)

Так как IR=U, то U=E-IRB. (2)

Величина внутреннего сопротивления аккумулятора RB практически постоянна и составляет сотые доли Ом, поэтому падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора IRB растет пропорционально току нагрузки. Таким образом, величина напряжения на зажимах аккумулятора (приемника) будет уменьшаться с увеличением тока нагрузки. При этом внутри аккумулятора теряется часть мощности, . Величина выделившейся тепловой энергии определяется по закону Джоуля-Ленца.

ч, (3)

где t - время прохождения тока, ч.

Следовательно, внутреннее сопротивление - параметр, характеризующий тепловые потери в источнике и влияющий на его энергетические характеристики. Внутреннее сопротивление аккумулятора может быть определено на основании закона Ома по данным режимов холостого хода и какого-либо рабочего режима

(4)

или по эмпирической формуле для 100% заряженного аккумулятора (кислотного) при температуре 20°С

, (5)

где Uном - напряжение на зажимах аккумулятора при номинальном разрядном токе, В;

Q - емкость аккумулятора, АЧч.

Величина внутреннего сопротивления аккумулятора может быть определена по его внешней характеристике - зависимости напряжения на зажимах аккумулятора от тока нагрузки. Напряжение на зажимах аккумулятора линейно зависит от силы тока и нагрузки и графически изображается в виде прямой линии, пересекающей оси I и U (рис.2). Точка пересечения с осью U (I=0, RҐ, режим холостого хода) дает величину ЭДС, а точка пересечения с осью I (U=0, R=0, режим короткого замыкания) дает величину тока в нагрузке при сопротивлении внешней нагрузки, равной нулю. В этом случае:

E=IKЧRB и , (6)

где IK - ток короткого замыкания.

Если известна только часть внешней характеристики (рис.2), то внутреннее сопротивление аккумулятора можно определить по формуле

, Ом (7)

Важнейшими эксплуатационными параметрами аккумулятора являются также его зарядный и разрядный токи, максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку и коэффициент полезного действия. Эти величины указываются в паспортных данных аккумулятора. При практических расчетах величина зарядного тока принимается

, А - кислотные аккумуляторы (8)

, А - щелочные аккумуляторы (9)

Величина разрядного тока зависит от мощности нагрузки, а его номинальное значение равно примерно зарядному току. Максимальное значение разрядного тока Iраз. max=3ЧQ для кислотных стартерных аккумуляторных батарей (пуск стартера). Коэффициент полезного действия h равен отношению полезной мощности приемника Р2 ко всей мощности источника Р:

(8)

Или

Отсюда следует, что при холостом ходе (R=Ґ) КПД приближается к единице, при коротком замыкании (R=0) он равен нулю, в согласованном режиме (R=RB) он равен 0,5. При режиме отдачи максимальной мощности, т.е. I=E/2RВН, получим:

(9)

Такой низкий КПД недопустим в электрических установках большой мощности. Поэтому стремятся, чтобы внутреннее сопротивление источника было значительно меньше сопротивления приемника. В ряде случаев один аккумулятор не обеспечивает нормальную работу потребителя. В этом случае используют последовательное, параллельное или смешанное соединение аккумуляторов. При последовательном соединении величина тока в нагрузке равна

, А (10)

Напряжения на зажимах источников соответственно равны:

U1=E1-IRB1; U2=E2-IRB2; Un=En-IRBn.

Напряжение на зажимах потребителя можно определить по формулам:

U (11)

Из формул видно, что при последовательном соединении аккумуляторов в батареи режимы эксплуатации (ток разряда и заряда) в значительной степени зависят от внутреннего сопротивления наихудшего элемента. Увеличение внутреннего сопротивления приводит к увеличению потерь в аккумуляторе, DP=I2RВН и невозможности создания необходимых зарядных и разрядных токов.

При параллельном соединении аккумуляторы соединяются между собой зажимами одинаковой полярности и ток в нагрузке определяется по первому закону Кирхгофа:

I=I1+ I1+... + In,

где I - ток в нагрузке, А;

I1... In - токи источников, А.

При параллельном соединении аккумуляторов анализ их работы следует вести, используя метод узловых потенциалов. Напряжение на зажимах приемников равно:

(12)

где Ei - ЭДC i-го источника, В;

Gi - проводимость i-й параллельной ветви.

Токи в ветвях определяются по закону Ома:

(13)

Из формулы видно, что токи в ветвях распределяются обратно пропорционально сопротивлениям ветвей. Поэтому, если параллельно соединены два аккумулятора с равными ЭДС и разными внутренними сопротивлениями (различное техническое состояние аккумуляторов), то ток нагрузки будет распределяться между ними обратно пропорционально их внутренним сопротивлениям:

(14)

При неравных ЭДС один из источников может работать в режиме приемника электрической энергии (ток со знаком “минус”), что приведет к саморазряду аккумулятора-источника даже при отключенной нагрузке.

Данные теории и практики указывают на то, что ЭДС аккумулятора не зависит от размера пластин, но изменяется в зависимости от плотности электролита согласно эмпирической формуле:

Е=0,84 + g (15)

где g - плотность электролита при 15°, г/см3;

Е - ЭДС аккумулятора, В.

Поскольку процессы заряда и разряда аккумулятора сопровождаются изменением плотности электролита, ЭДС и напряжение аккумулятора тоже должны изменяться. В процессе разряда начальное значение ЭДС аккумулятора при плотности электролита 1, 28 г/см3 составляет 2,1 В. Разряд аккумулятора следует прекращать, когда напряжение будет на 10...15% ниже номинального значения, что соответствует 1, 7 В при плотности электролита 1, 16 г/см3.

В стационарных условиях заряд аккумуляторных батарей проводят или при постоянном напряжении или при постоянном токе. При этом в конце заряда допускают предельное значение напряжения, равное 2,5...2.6 В на аккумулятор или 15...15.6 В на батарею из шести элементов. Следовательно, напряжение зарядного устройства должно быть 15...16 В. На автомобиле в нормальных условиях величина напряжения генератора не превышает 14,4 В и ограничивает заряд в указанных пределах. Общее напряжение для заряда шестивольтовых батарей 7,5 В. Для подсчета наибольшего возможного числа аккумуляторных батарей m, которое можно соединить последовательно в группу, следует учитывать напряжение зарядной сети и напряжение на один аккумулятор 2,7 В в конце заряда m=C/2,7 (16)

Достоинствами заряда при постоянном напряжении являются:

возможность заряжать аккумуляторы различной емкости;

заряд происходит быстрее (для получения 90-95% емкости требуется 4-5 часов);

большой ток в начале заряда батарее не вредит, т.к величина его быстро уменьшается;

газообразование в конце заряда меньше, что благоприятно сказывается на пластинах;

регулировочный резистор в зарядной цепи позволяет заряжать сульфатированные аккумуляторы (рис.3)

(17)

В процессе эксплуатации техническое состояние аккумуляторной батареи может быть проверено аккумуляторным пробником, например Э107, Ф108. Если напряжение отдельных аккумуляторов батареи отличается более чем на 0,1 В или в течение 5 сек. проверки оно падает, батарею следует зарядить или отправить в ремонт.

Степень разряженности батареи определяется также пробником.

Напряжение на аккумуляторе, В	Разрядка аккумулятора,%
1,7...1,8	0 (полностью заряжен)
1,6...1,7	25
1,5...1,6	50
1,4...1,5	75

2. Задание по работе

Измерить ЭДС исследуемых источников.

Определить номинальные зарядный и разрядный токи источников.

Составить схему исследований и снять внешнюю характеристику:

3.1 Двух источников, соединенных последовательно;

3.2 Двух источников, соединенных параллельно.

4. Определить внутреннее сопротивление, потери мощности и КПД источников при номинальном разрядном токе.

5. Составить схему исследований, выполнить необходимые расчеты и обследовать режимы зарядки:

5.1. Одного аккумулятора;

5.2. Двух аккумуляторов, соединенных последовательно;

5.3. Двух аккумуляторов, соединенных параллельно.

6. На основании результатов исследований составить краткие выводы по соответствующим пунктам задания, обосновав их необходимыми расчетами, графическими зависимостями.

7. Ответить на вопросы самоконтроля знаний.

8. Составить отчет по лабораторной работе.

3. Методические указания по выполнению работы

Составить план проведения исследований, таблицы регистрации расчетных и экспериментальных данных.

Произвести внешний осмотр измерительных приборов, устройств и оборудования. Написать в отчет их технические данные.

Составить и собрать схемы экспериментальных исследований.

При работе с кислотными и щелочными аккумуляторами соблюдать инструкции по охране труда.

Определение внутреннего сопротивления аккумулятора по его внешней характеристике производить в следующей последовательности:

5.1. Составить схему исследований;

5.2. составить таблицу для регистрации экспериментальных и расчетных данных;

5.3. при нескольких положениях движка реостата зафиксировать показания амперметра и вольтметра;

5.4. построить внешнюю характеристику аккумулятора (соединить несколько полученных точек прямой линией и продолжить ее до пересечения с осями координат);

5.5. определить значения ЭДС и тока короткого замыкания аккумулятора;

5.6. определить внутреннее сопротивление одного аккумулятора, двух аккумуляторов при последовательном и параллельном соединениях.

4. Вопросы самоконтроля

Какие системы электроизмерительных приборов могут быть использованы при измерениях в цепях постоянного тока?

Как измерить ЭДС и напряжение на зажимах источника?

Как определить внутреннее сопротивление источника?

Как рассчитать потери и КПД источника?

Как определить напряжение на зажимах потребителя при параллельном соединении аккумуляторов?

При каких условиях два аккумулятора, включенные параллельно, будут саморазряжаться при отключенной нагрузке?

Как определить зарядный ток аккумуляторов при их последовательном соединении к зарядному устройству?

Приведите начальные и конечные значения плотности электролита ЭДС одного элемента кислотного аккумулятора.

Приведите предельное значение напряжения на одном элементе кислотного аккумулятора в конце заряда.

Как рассчитать величину добавочного сопротивления при заряде 12-вольтового аккумулятора от 24-вольтового?

Как определить полярность клемм аккумуляторной батареи?

При каких значениях напряжений батарея не допускается к эксплуатации?

Какие правила техники безопасности нужно соблюдать при работе с аккумуляторной батареей?

Охарактеризуйте режим зарядки аккумулятора при постоянном напряжении.

Охарактеризуйте режим зарядки аккумулятора при постоянном токе.

Какие электроизмерительные приборы применяются при проверке работоспособности аккумулятора?

Как определить номинальный разрядный ток аккумулятора?

Приведите несколько марок аккумуляторов и дайте их расшифровку.

Как рассчитать сопротивление нагрузки потребителя?

Как рассчитать количество тепла, выделяющееся в аккумуляторе при его работе?

Приведите выражение законов Ома и Кирхгофа для исследуемой схемы.

Какие источники электрической энергии вы знаете? Какие виды энергии они используют?

Какие режимы работы источников вам известны?

Каковы характерные особенности режима холостого хода?

Каковы характерные особенности режима короткого замыкания?

Что такое внешняя характеристика источника и каково ее значение?

№	Из опыта	Из расчета
	E	U	I	IRB	RB	P1	P2	DP	h
	B	B	A	B	Ом	Вт	Вт	Вт
1
2
3
4

pА