Методические рекомендации по выполнению практических работ по дисциплине «Основы электротехники»

Главная цель практических занятий (ПЗ) – формирование у обучающихся умений, связанных с основой деятельности будущего рабочего

Деятельность в условиях современного производства требует от квалифицированного рабочего применения самого широкого спектра человеческих способностей, развития неповторимых индивидуальных физических и интеллектуальных качеств, которые формируются в процессе непрерывной практической работы. Навыки, необходимые для будущей профессии, приобретаются в процессе практических занятий. Практические задания к занятиям составлены таким образом, чтобы способствовать развитию творческих способностей обучающихся и предназначены для формирования умений, навыков, профессиональных компетенций, необходимых для учебной работы, а также для выполнения различных трудовых заданий в учебных мастерских и производственной деятельности.

Общая структура практических 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 по предложенным критериям, выявляются ошибки при выполнении задания и определяются причины их возникновения, проводится рефлексия собственной деятельности).

ПЗ защищается, в конце ее выполнения.

При проведении практических 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.

Критерии оценки результата

Практическая работа № 1

Тема: «Исследование последовательного или параллельного соединения резисторов. Проверка законов Ома и Кирхгофа»

Цель:«рассчитать эквивалентное сопротивление цепи в рабочем режиме и при коротком замыкании одного из резисторов. Практически убедится в физической сущности закона Ома и Кирхгофа для участка цепи».

Оборудование: методические указания, учебник [1], микрокалькулятор, линейка.

Краткие теоретические сведения

Сопротивления в электрических цепях постоянного тока чаще всего могут быть соединены последовательно, параллельно или смешанно. Расчет цепи сводится к определению эквивалентного сопротивления цепи, величине тока на сопротивлениях.

Эквивалентное сопротивление цепи определяют методом «свертывания» или преобразования цепи.

При расчете необходимо использовать формулы определения эквивалентного сопротивления при различных способах соединения. Последовательным является соединение, при котором к концу одного потребителя присоединяется начало другого, к концу второго – начало третьего и т. д. и при этом образуется неразветвленная цепь. Узлы в цепи последовательного соединения отсутствуют.

Полную информацию смотрите в файле. 

ОБЛАСТНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«БЕЛГОРОДСКИЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ КОЛЛЕДЖ»

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ

по дисциплине: «Основы электротехники»

для студентов специальности

08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и

сооружений»

2015 г

Одобрена Предметно-цикловой комиссией

общепрофессиональных дисциплин

Разработана на основе

ФГОС по специальности

08.02.01 «Строительство и эксплуатация зданий и сооружений»,

рабочей программы учебной

дисциплины

«Основы электротехники»

Протокол № _____

от «__» _____________2015 г.

Председатель предметной

(цикловой) комиссии

______________________

подпись Ф.И.О.

______________________

Заместитель директора по учебно-

методической работе

______________________

подпись Ф.И.О.

______________________

Составитель: Ногина А.В., преподаватель ОГАПОУ «БСК»

СОДЕРЖАНИЕ

Практическая работа №1

Тема: «Исследование последовательного или параллельного соединения резисторов. Проверка Ома и Кирхгофа».

Практическая работа №2

Тема: «Исследование не разветвленной цепи переменного тока».

Практическая работа №3

Тема: «Исследование работы трехфазной цепи при соединении приемников

треугольником и звездой».

Практическая работа №4

Тема: «Расчет параметров однофазного трансформатора».

Практическая работа №5

Тема: «Изучение принципа действия выпрямителей и сглаживающих фильтров».

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

         Главная цель практических занятий (ПЗ)  – формирование у обучающихся умений, связанных с  основой деятельности будущего рабочего

Деятельность в условиях современного производства требует от квалифицированного рабочего применения самого широкого спектра человеческих способностей, развития неповторимых индивидуальных физических и интеллектуальных качеств, которые формируются в процессе непрерывной практической работы. Навыки, необходимые для будущей профессии, приобретаются в процессе практических занятий. Практические задания к занятиям составлены таким образом, чтобы способствовать развитию творческих способностей обучающихся  и предназначены для формирования умений, навыков, профессиональных компетенций, необходимых для учебной работы, а также для выполнения различных трудовых заданий в учебных мастерских и  производственной деятельности.

Общая структура практических 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 по предложенным критериям, выявляются ошибки при выполнении задания и определяются причины их возникновения, проводится рефлексия собственной деятельности).

ПЗ защищается, в конце ее выполнения.

При проведении практических 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.

 

Критерии оценки результата

Оценки	Критерии оценок
«5»	- обучающийся подбирает необходимые для выполнения предлагаемых работ источники знаний (литература, материалы, инструменты), показывает необходимые для проведения практической работы теоретические знании . Правильно оформлена практическая часть работы -аккуратно выполнен эскиз, соблюдена технологическая последовательность выполнения данного вида работ, правильно подобраны инструменты, инвентарь, приспособления; конкретна описана техника безопасности при выполнении данного вида работ. Работа оформлена аккуратно.
«4»	- практическая работа выполняется обучающимся в полном объёме и самостоятельно. Обучающийся использует указанные преподавателем источники информации. Могут быть неточности и небрежность в оформлении работы. Работа показывает знания обучающимися основного теоретического материала, но имеются незначительные ошибки при оформлении практической части роботы.
«3»	- обучающийся выполняет и оформляет практическую работу полностью с помощью преподавателя или хорошо подготовленных и уже выполнивших на «отлично» данную работу других обучающихся
«2»	- практическая работа не выполнена полностью за отведенное время по неуважительной причине.

ПЕРЕЧЕНЬ ПРАКТИЧЕСКИХ РАБОТ
№ п/п	Наименование тем учебной дисциплины	Темы практических работ	Количество часов
1.	Тема 1.1 Основы электротехники	Практическая работа № 1 « Исследование последовательного или параллельного соединения резисторов. Проверка Ома и Кирхгофа».	2
2.	Тема 1.1 Основы электротехники	Практическая работа № 2 « Исследование не разветвленной цепи переменного тока»	2
3.	Тема 1.1 Основы электротехники	Практическая работа № 3 « Исследование работы трехфазной цепи при соединении приемников треугольником и звездой ».	2
4.	Тема 1.2. Электрические машины	Практическая работа № 4 «Расчет параметров однофазного трансформатора»	2
5.	Тема 2.2. Полупроводниковые приборы	Практическая работа № 5 «Изучение принципа действия выпрямителей и сглаживающих фильтров »	2
		ВСЕГО :	2

Практическая работа № 1

Тема: «Исследование последовательного или параллельного соединения резисторов. Проверка законов Ома и Кирхгофа»

Цель:«рассчитать эквивалентное сопротивление цепи в рабочем режиме и при коротком замыкании одного из резисторов.Практически убедится в физической сущности закона Ома и Кирхгофа для участка цепи».

Оборудование: методические указания, учебник [1], микрокалькулятор, линейка.

Краткие теоретические сведения

Сопротивления в электрических цепях постоянного тока чаще всего могут быть соединены последовательно, параллельно или смешанно. Расчет цепи сводится к определению эквивалентного сопротивления цепи, величине тока на сопротивлениях.

Эквивалентное сопротивление цепи определяют методом «свертывания» или преобразования цепи.

При расчете необходимо использовать формулы определения эквивалентного сопротивления при различных способах соединения. Последовательным является соединение, при котором к концу одного потребителя присоединяется начало другого, к концу второго – начало третьего и т.д. и при этом образуется неразветвленная цепь. Узлы в цепи последовательного соединения отсутствуют.

Рисунок 1. Схема цепей последовательного соединения

Для последовательного соединения характерно то, что по всем потребителям проходит одинаковый ток, т.е.

(1)

Напряжения на потребителях распределяются пропорционально величине сопротивления, т.е. чем больше сопротивление потребителя, тем больше падение напряжения на нём. Общее напряжение цепи определяется суммой падений напряжений на каждом сопротивлении

(2)

Эквивалентное сопротивление цепи увеличивается с числом последовательно соединенных потребителей и определяется по формуле

(3)

Параллельным является соединение, при котором все потребители включаются между двумя точками электрической цепи, образую ветви (рисунок 2).

Рисунок 2. Схема цепи последовательного соединения

При параллельном соединении ко всем потребителям приложено одинаковое напряжение

(4)

Токи в ветвях распределяются обратно пропорционально величине сопротивления потребителей, т.е. чем больше сопротивление потребителя, тем меньше величина тока в нём. Ток в неразветвленной части цепи определяется по первому закону Кирхгофа

(5)

Эквивалентное сопротивление цепи уменьшается с числом параллельно соединенных потребителей и определяется по формуле

(6)

Для определения эквивалентного сопротивления цепи смешанного соединения используют метод «преобразования».

Ток на участке цепи прямо пропорционально напряжении на этом участке цепи и обратно пропорционально сопротивлении того же участка -это закон Ома

(7)

Порядок выполнения расчета

1 Выписать исходные данные (таблица 1) и вычертить схему цепи согласно варианту (рисунок 1 - 6).

2 Рассчитать эквивалентное сопротивление цепи, используя метод преобразования и законы последовательного и параллельного соединения.

3 Определить величину тока каждого резистора, учитывая распределение тока и напряжения при последовательном и параллельном соединениях.

4 Определить эквивалентное сопротивление цепи при коротком замыкании одного из резисторов. Для этого необходимо выяснить путь прохождения тока при замыкании и составить новую схему цепи. Методом «свертывания» рассчитать эквивалентное сопротивление цепи при коротком замыкании.

5 Сравнить величину эквивалентного сопротивления цепи в рабочем и аварийном режимах.

Исходные данные для расчета Таблица 1

Содержание отчета

1 Тема и цель занятия.

2 Исходные данные для расчета.

3 Схема электрической цепи смешанного соединения согласно варианту.

4 Расчет эквивалентного сопротивления цепи.

5 Расчет токов резисторов.

6 Расчет эквивалентного сопротивления цепи при коротком замыкании одного резистора.

7 Вывод по результатам расчета.

Контрольные вопросы

1 Сформулируйте первый и второй законы Кирхгофа.

2 Поясните, как влияет короткое замыкание одного из резисторов в цепи последовательного и параллельного соединения на величину общего сопротивления цепи?

Практическая работа №2

Тема: «Неразветвленная цепь переменного тока с активно-индуктивным сопротивлением»

Цель: рассчитать неразветвленную цепь переменного тока.

Оборудование: методические указания, учебник [1], микрокалькулятор, транспортир.

Краткие теоретические сведения

При последовательном соединении на всех участках цепи проходит один ток. На каждом сопротивлении величина падения напряжения зависит от величины сопротивления.

Общее напряжение цепи при последовательном соединении определяется суммой напряжений на каждом участке. Но, поскольку, между током цепи и напряжениями на сопротивлениях разный угол сдвига по фазе, то сумма может быть только векторная, например, для последовательного соединения активного, индуктивного и емкостного сопротивлений

(5.1)

Для определения численного значения напряжения цепи необходимо построить векторную диаграмму. При построении векторной диаграммы необходимо учитывать, что на активном сопротивлении ток и напряжение совпадают по фазе, на индуктивном – напряжение опережает ток на 90°, на емкостном – ток опережает напряжение на 90°.

Порядок выполнения расчета

1. Выписать исходные данные и вычертить схему цепи согласно варианту (таблица 5.1).

Таблица 5.1 – Исходные данные для расчета

Рисунок 5.1 – Схема цепи «А»

Рисунок 5.2 – Схема цепи «Б»

Рисунок 5.3 – Схема цепи «В»

2. Определить реактивные сопротивления катушек и конденсаторов при частоте f= 50 Гц

3. Определить полное сопротивление всей цепи

где

4. Определить действующее значение тока в цепи

5 Для построения векторной диаграммы рассчитать действующее значение напряжения на каждом элементе цепи

и т.д.

Выбрать масштаб и по рассчитанным значениям построить векторную диаграмму. При построении векторной диаграммы за базисный вектор принять вектор тока, т.к. величина тока на всех сопротивления при последовательном соединении одинакова. На активном сопротивлении напряжение совпадает с током, на индуктивности напряжение опережает ток, на емкости – отстает от тока.

Проверить правильность решения:

-измерить угол сдвига фаз между током и напряжением всей цепи и сравнить его значение с рассчитанным по формуле

где R, ХL и ХС рассчитаны по формулам (5.5), (5.6), (5.7);

-измерить длину вектора общего напряжения цепи, умножить её на масштаб и сравнить с заданным значением.

6. Определить мощности цепи

-активную

Р = U·I·cos φ, Вт (5.13)

-реактивную

Q = U·I·sinφ, вар (5.14)

-полную

S = U·I, ВА (5.15)

7. Объяснить физическую сущность активного, индуктивного и емкостного сопротивлений в цепи переменного тока; указать на возможность применения второго закона Кирхгофа в цепях переменного тока.

Содержание отчета

1. Тема и цель занятия.

2. Исходные данные для расчета.

3. Схема электрической цепи согласно варианту.

4. Расчет параметров цепи.

5. Векторная диаграмма тока и напряжений.

6. Вывод.

Контрольные вопросы

1. Поясните, почему ток на индуктивности отстает на 90 от напряжения?

2. Объясните принцип построения векторной диаграммы.

3. Какой угол сдвига по фазе между током и напряжением на активном сопротивлении?

Практическая работа №3

Тема: «Расчет трехфазной цепи при соединении приемников «звездой» и «треугольником».

Цель: рассчитать трехфазную цепь при соединении потребителей «звездой» и «треугольником» в случае неравномерной нагрузки.

Оборудование: методические указания, учебник [1], микрокалькулятор, транспортир.

Краткие теоретические сведения

Соединение «звездой» заключается в том, что концы фаз потребителей X, Y, Z соединяют в одну общую точку, которая называется нулевой 0 или нейтральной N. К началам фаз A, B, C присоединяют линейные провода.

Напряжения между началом и концом фазы, т.е. между линейным проводом и нулевым называются фазными:

Напряжения между двумя линейными проводами называются линейными Uл:

При соединении фаз «звездой» фазное напряжение меньше линейного Uл в 1,73 раза

Ток фазный равен току линейному

В нулевом проводе ток равен векторной сумме токов фаз, т.е.

При равномерной нагрузке, когда сопротивления фаз равны между собой, токи фаз равны между собой и поэтому ток в нулевом проводе отсутствует. При неравномерной нагрузке ток в нулевом проводе определяется по векторной диаграмме (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Векторная диаграмма при соединении «звездой»

Порядок выполнения работы (звезда)

1.Выписать исходные данные согласно варианту (таблица 6.1) и вычертить схему цепи (рисунок 6.3)

Таблица 6.1 – Исходные данные для расчета

Окончание таблицы 6.1

Рисунок 6.3 – Схема трехфазной цепи при соединении «звездой»

1. Определить полное сопротивление фаз

3. Определить фазное напряжение по формуле (6.1).

4. Определить фазные токи. При соединении «звездой» они равны линейным,

5. Построить векторную диаграмму токов и напряжений цепи. Для этого под углом 120 расположить векторы фазных напряжений UА, UВ, UС. Соединив концы векторов фазных напряжений, получить векторы линейных напряжений UАВ, UВС, UСА. Для построения векторов токов фаз определить угол между фазными токами и напряжениями

При построении диаграммы учитывать тот факт, что на активном сопротивлении напряжение совпадает с током, на индуктивности напряжение опережает ток, на емкости – отстает от тока.

С помощью векторной диаграммы определить ток в нулевом проводе векторной суммой токов фаз, используя формулу (6.3).

Для определения численного значения измерить длину вектора тока нулевого провода и умножить её на масштаб.

6 Определить полную мощность трехфазной цепи

где-полные мощности отдельных фаз, рассчитанные по формуле

7. Указать на необходимость использования нулевого провода при неравномерной нагрузке.

При соединении «треугольником» конец первой фазы Х соединяется с началом второй В, конец второй фазы У с началом третьей С, конец третьей фазы Z с началом первой А. Из точек соединения выводят линейные провода (рисунок 7.1).

При этом соединении фазные напряжения становятся равными линейным Uл=Uф (7.1)

По линейным проводам проходят линейные токи По фазам проходят фазные токи

При равномерной нагрузке фазные токи меньше линейных токов в 1,73 раза

При неравномерной нагрузке линейные токи определяют по векторной диаграмме (рисунок 11.2) разностью фазных токов

Рисунок 7.2 – Векторная диаграмма при соединении «треугольником»

Порядок выполнения работы (треугольник)

1. Выписать исходные данные (таблица 7.1) и вычертить схему цепи согласно варианту (рисунок 7.1).

Таблица 7.1 – Исходные данные для расчета

Рисунок 7.3 – Схема трехфазной цепи при соединении «треугольником»

1. Определить полное сопротивление фаз

3. Определить фазное напряжение по формуле (7.1)

4. Определить фазные токи

5. Построить векторную диаграмму токов и напряжений цепи. Для этого под углом 60 расположить векторы фазных (линейных) напряжений UАВ, UВС, UСА. Для построения векторов токов фаз определить угол между фазными токами и напряжениями

При построении диаграммы учитывать тот факт, что на активном сопротивлении напряжение совпадает с током, на индуктивности напряжение опережает ток, на емкости – отстает от тока.

С помощью векторной диаграммы определить линейные токи векторной разностью токов фаз по формулам (7.3)-(7.5)

Для определения численного значения измерить длину каждого вектора линейного тока и умножить её на масштаб.

6.Определить полную мощность трехфазной цепи

где-полные мощности отдельных фаз, рассчитанные по формуле

7. Пояснить способ определения линейных токов при неравномерной нагрузке.

Содержание отчета

1. Тема и цель занятия

2. Задание

3. Исходные данные

4. Схема электрической цепи

5. Расчетная часть

6. Векторная диаграмма тока и напряжений

7.Вывод

Контрольные вопросы

1. Как называется нагрузка трехфазной цепи, если величина сопротивлений фаз различна?

2. Поясните построение векторной диаграммы.

3. Каково соотношение между фазным и линейным напряжением при соединении «треугольником»?

4. Как называется напряжение, измеряемое меду двумя линейными проводами?

5. Как определить ток в нейтральном (нулевом) проводе?

6. Каково соотношение между линейными и фазными токами и напряжениями?

Практическая работа №4

Тема: «Расчет параметров однофазного трансформатора»

Цель: рассчитать основные параметры однофазного трансформатора.

Оборудование: методические указания, учебник [2], микрокалькулятор, линейка.

Краткие теоретические сведения

Трансформатором называют статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Работа трансформатора основана на явлении взаимоиндукции. Простейший трансформатор состоит из стального сердечника (магнитопровода) и двух расположенных на нем обмоток (рисунок 8.1 а).

Рисунок 1 – Принципиальная схема включения однофазного трансформатора с потребителем а), изображение трансформатора на схеме б)

Одна обмотка подсоединяется к источнику переменного тока и называется первичной. К другой обмотке, называемой вторичной, подключают потребители.

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике образуется переменный магнитный поток. Этот поток пересекает витки вторичной обмотки и наводит в них переменную ЭДС взаимоиндукции. Если вторичная обмотка замкнута на потребитель, то по цепи потребителя начинает проходить переменный ток.

Если во вторичной обмотке число витков больше чем в первичной, то напряжение вторичной обмотки превышает напряжение первичной обмотки и трансформатор будет повышающий. Если в первичной обмотке число витков больше чем во вторичной, то напряжение вторичной обмотки меньше напряжения первичной обмотки и трансформатор будет понижающий.

Основные параметры трансформатора

1. Номинальная мощность –это полная мощность, которую трансформатор может непрерывно отдавать н течение своего срока службы при номинальном напряжении и номинальных температурных условиях

2. Номинальное первичное напряжение – напряжение, на которое рассчитана первичная обмотка.

3. Номинальное вторичное напряжение – напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостого хода трансформатора при номинальном первичном напряжении.

4 .Коэффициент трансформации

где ω- число витков первичной и вторичной обмоток;

Е – действующее значение ЭДС электромагнитной индукции в обмотках трансформатора.

5. Номинальный первичный и вторичный токи в обмотках трансформатора при номинальной мощности и номинальных напряжениях обмоток

6. Коэффициент нагрузки трансформатора. Трансформатор чаще всего работает с нагрузкой, меньше номинальной, поэтому

где S2- фактическая полная мощность нагрузки,

7. Токи в обмотках трансформатора при фактической нагрузке S2

8. Общая мощность потерь энергии в трансформаторе:

- при номинальной нагрузке

- при фактической нагрузке

где - мощность потерь в стали сердечника;

- мощность потерь в обмотках трансформатора при фактической нагрузке;

- мощность потерь в обмотках при номинальной нагрузке.

Если известно сопротивление меди первичной (R1) и вторичной (R2) обмоток трансформатора, то при любой нагрузке можно определить мощность потерь в обмотках

9. Коэффициент мощности нагрузки

где-активная, реактивная и полная мощность нагрузки, питаемой от вторичной обмотки трансформатора.

10. Коэффициент полезного действия трансформатора

- при номинальной нагрузке

- при фактической нагрузке

Порядок выполнения расчета

1. Выписать исходные данные согласно варианту (таблица 1) и вычертить схему цепи (рисунок 1 а).

2. Ознакомиться с параметрами однофазного трансформатора.

3. Выполнить расчет неизвестных параметров, отмеченных в таблице 1 прочерками.

4. В заключении кратко описать принцип действия и виды трансформаторов.

Пример расчета

Дано:

-номинальная мощность =100 ВА;

-номинальное первичное напряжение=220 В;

-номинальное вторичное напряжение=22 В;

-активная мощность нагрузки=48 Вт

-реактивная мощность нагрузки=36 вар;

-мощность потерь в стали сердечникаРст=7,3 Вт;

-мощность потерь в обмотках при номинальной нагрузкеРмн=5,66 Вт.

Определить:

-коэффициент трансформации трансформатора;

-полную мощность нагрузки;

-коэффициент мощности нагрузки;

-коэффициент нагрузки трансформатора;

-КПД трансформатора при номинальной нагрузке;

-номинальные токи в обмотках трансформатора;

-токи в обмотках трансформатора при фактической нагрузке;

-потери мощности в трансформаторе при фактической нагрузке;

-КПД трансформатора при фактической нагрузке.

Порядок расчета

1. Коэффициент трансформации трансформатора

Таблица 1 – Исходные данные для расчета

1. Полная мощность нагрузки, питающейся энергией от вторичной обмотки трансформатора

1. Коэффициент мощности нагрузки

1. Коэффициент нагрузки трансформатора

1. КПД трансформатора при номинальной нагрузке

1. Номинальные токи в обмотках трансформатора

1. Токи в обмотках трансформатора при фактической нагрузке

1. Потери мощности в трансформаторе при фактической нагрузке

1. КПД трансформатора при фактической нагрузке

Содержание отчета

1. Тема и цель занятия

2. Задание

3. Исходные данные

4.Схема включения трансформатора

5. Расчетная часть

6. Вывод

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип работы однофазного трансформатора

2. Почему трансформатор работает только на переменном токе?

3. Как практически определить коэффициент трансформации?

Практическая работа №5

Тема: «Изучение принципа действия выпрямителей и сглаживающих фильтров»

Цель: «практически изучить принцип действия и конструкцию приборов»

Оборудование: прибор выпрямитель, прибор сглаживающий фильтр.

Краткие теоретические сведения

Электрическая энергия подается к потребителям в виде трехфазного или однофазного переменного тока. Однако для питания различных электронных приборов, автоматических устройств, а также для электрифицированного транспорта используется постоянный ток, который получают выпрямлением переменного тока. С этой целью чаще всего используются полупроводниковые выпрямители. Выпрямитель - это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное напряжение (одной полярности).

Их основу составляют полупроводниковые диоды (вентили) (обозначение на схемах рис.1а), пропускающие ток только в одном направлении – когда потенциал анода А положительнее потенциала катода К.

а)

б)

Рис.1 Блок-схема и осциллограммы напряжения на входе/выходе отдельных блоков двухполупериодного полупроводникового выпрямителя

В состав выпрямителя рис.1б обычно входит трансформатор Тр, обеспечивающий заданную величину напряжения, вентильная группа ВГ, состоящая из одного или нескольких диодов, сглаживающий фильтр СФ и стабилизатор напряжения СН. Выпрямители могут применяться и без фильтра и без стабилизатора напряжения.

Вентильная группа ВГ осуществляет непосредственное выпрямление переменного тока, сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения, а стабилизатор напряжения СН поддерживает величину этого напряжения неизменной, независимо от тока нагрузки.

В простейшем случае вентильная группа состоит из одного диода, при этом достигается однополупериодное выпрямление (см., например, верхняя ветвь выпрямителя на рис.3, осциллограмма – рис.4б). Достоинством этого выпрямителя является его простота (используется один диод), однако существенный недостаток такого выпрямителя ограничивающий его применение – большой коэффициент пульсации р = 1, 57.

Коэффициент пульсации определяется как: ,

где U_m – максимальное (амплитудное) значение переменной составляющей выпрямленного напряжения;

U_Н.СР. - среднее значение выпрямленного напряжения за один период (для однополупериодного выпрямления равно 0,45).

Большое применение нашли двухполупериодные выпрямители на базе двух схем: мостовой (рис.2) и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.3).

Рис. 2 Схема мостового выпрямителя

Мостовой выпрямитель состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме, где нагрузка R_Н включена в диагональ моста. Каждая пара диодов VD1,VD3 и VD2, VD4 работает попеременно в зависимости от знака напряжения на вторичной обмотке U₂ в тот или иной полупериод переменного напряжения.

Например, при положительном полупериоде сетевого напряжения (на верхнем выводе трансформатора «+») ток проходит по цепи: верхний вывод вторичной обмотки трансформатораа – диод VD1 – нагрузка – диод VD3 – нижний вывод вторичной обмотки b – обмотка (на схеме стрелками указано направление в данный полупериод).

При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения (на нижнем выводе трансформатора «+») ток проходит через нагрузку в том же направлении, но через диоды VD4, VD2.

В выпрямителе со средней точкой (рис.3), в отличие от мостовой схемы, выпрямление в каждый из полупериодов осуществляется одним из диодов – VD1 или VD2. Каждый из диодов работает совместно с частью вторичной обмотки трансформатора (VD1 – c верхней, VD2 – c нижней), например, когда точка а имеет положительный потенциал ток потечет по цепи: точка а – диод VD1 – сопротивление нагрузки R_Н – средний вывод обмотки – обмотка, когда направление тока изменится – по цепи: точка b – диод VD2 – сопротивление нагрузки R_Н – средний вывод обмотки – обмотка.

Каждую из ветвей можно рассматривать как однополупериодный выпрямитель.

Напряжение и ток сохраняют свое направление на нагрузке в течение всего периода. Закрашенными стрелками на схеме указано направление тока для положительного полупериода, незакрашенными – для отрицательного.

Осциллограммы в различных точках показаны на рис. 4.

Как видно из диаграмм, в двухполупериодных выпрямителях достигается выпрямление в обе половины периода, тогда как в однополупериодном работа выпрямителя осуществляется только в течение одного полупериода.

а)

Ток первичной обмотки

ωt

Выпрямление тока

в ветви VD1

б)

ωt

Выпрямление тока

в ветви VD2

в)

ωt

Осциллограмма

двухполупериодного

выпрямленного тока

на нагрузке

ωt

г)

Рис. 3 Схема выпрямителя с выводом Рис.4 Осциллограммы выпрямителясредней точки трансформатора

Коэффициент пульсации у двухполупериодного выпрямителя заметно ниже, чем у однополупериодном (р = 0,67).

По характеристикам двухполупериодные мостовые выпрямители и выпрямители со средней точкой близки. Достоинством мостового выпрямителя является максимальное использование вторичного напряжения. Выпрямленное напряжение выпрямителя со средней точкой (с тем же общим количеством витков вторичной обмотки) в два раза ниже, чем у мостового выпрямителя, т.к. в каждый полупериод на нагрузку действует напряжение, снимаемое с половины вторичной обмотки (верхней или нижней на схеме рис.3). Преимуществом здесь является меньшее (в два раза) количество используемых диодов, недостатком – нерациональное использование провода и железа трансформатора.

Для выпрямления трехфазного тока используются в основном две схемы: с нейтральным выводом В. Миткевича и мостовая, разработанная А.Ларионовым.

Мостовой выпрямитель по всем показателям превосходит первый, хотя в нем используются большее количество диодов – 6, а не 3 как в первом. Схемы и вид ЭДС трехфазных выпрямителей приведены на рис.5.

ωt

а) б)

Рис. 5 Схема и вид ЭДС трехфазных выпрямителей

а) выпрямитель с «нулевым выводом» В. Миткевича

б) мостовой выпрямитель А. Ларионова

(жирными линиями показана форма сигнала на выходе выпрямителя)

Выпрямитель с «нулевым выводом» представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три диода имеют общую нагрузку.

Недостатки: так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления – низкий КПД, нерациональное использование трансформатора.

Мостовой трехфазный выпрямитель можно представить как мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку.

Диоды VD1,VD3, VD5 мостового выпрямителя образуют одну группу, а диоды VD2, VD4 и VD6 другую. Общие точки диодов первой группы образуют положительный полюс на нагрузке R_H, а общая точка второй группы – отрицательный полюс.

Достоинством мостового трехфазного выпрямителя является то, что он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью. Коэффициент пульсации в таком выпрямителе всего 0,057.

Недостаток – увеличенное количество диодов.

Слаживающие фильтры

Для сглаживания пульсаций используется сглаживающие фильтры, без них работа электронных устройств резко ухудшается. Основными элементами сглаживающих фильтров являются конденсаторы, катушки индуктивности, иногда транзисторы.

Основными параметрами сглаживающего фильтра являются коэффициент пульсации р и коэффициент сглаживания q.

Коэффициент пульсации – отношение амплитуды напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока.

Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра р_вх и коэффициент пульсаций на выходе фильтра р_вых.

Коэффициент сглаживания равен отношению коэффициента пульсации на входе р_вх и выходе р_выхфильтра: .

Наиболее эффективно использование комбинаций из индуктивного и емкостного элементов (L , С – фильтры), а лучшей эффективностью, с точки зрения сглаживания пульсации, обладают многозвенные фильтры: Г-образные, П-образные и мостовые, а также электронные.

Коэффициент сглаживания многозвенных фильтров лежит в пределах 100-1000. Некоторые типы сглаживающих фильтров приведены на рис.6.

Чем меньше коэффициент пульсации, тем выше действующее значение выпрямленного напряжения (в идеальном случае – равное амплитудному).

а) б) в) Рис.6. Типы сглаживающих фильтров: а) Г-образные, б) П-образные, в) электронные

Порядок выполнения расчета

1. Выписать исходные данные согласно варианту (таблица 1) и вычертить схему цепи (рисунок 4).

2. Ознакомиться с параметрами выпрямителя.

3. Выполнить расчет неизвестных параметров, отмеченных в таблице 1 прочерками.

4. В заключении кратко описать принцип действия и виды выпрямителей и сглаживающих фильтров.

Пример расчета схемы выпрямителя

В качестве примера рассмотрим расчет схемы однофазного мостового выпрямителя.

Произвести расчет мостового выпрямителя (рис. 4), если заданы:

– выпрямленное напряжение U_d = 35 В;

– ток нагрузки I_d = 500 мА;

– напряжение и частота сетевого напряжения U₁ = 127 В; f = 50 Гц.

 

 

Рис. 4. Мостовая схема выпрямителя с C-фильтром

Таблица 1-Рабочие формулы для расчета схем выпрямителей

 

Расчетные величины	Выпрямитель с нулевым выводом	Мостовой выпрямитель
Выпрямленное напряжение : – для чисто активной и активно-индук­тивной нагрузки – для активно-емкостной нагрузки
Максимальное обратное напряжение вентиля Uобр
Средний ток вентиля Iв
Ток вторичной обмотки трансформатора I2
Ток первичной обмотки трансформатора I1
Габаритная мощность трансформатора Sт: – для чисто активной нагрузки – для активно-индуктивной нагрузки	1, 488  1,341	1,234  1,111

 

В соответствии с табл.1 для активно-емкостной нагрузки выпрямителя соотношение между выпрямленным напряжением U_d и действующим значением напряжения вторичной обмотки трансформатора U₂ имеет вид:

.

Отсюда необходимое значение напряжения U₂ определим как

 В.

Габаритная мощность трансформатора

17,5 Вт.

Для выбора типа диодов определяем обратное напряжение , прикладываемое к нему в обратном направлении:

 В.

Средний ток, протекающий через диод,

I_ср = 0,5 I_d = 0,5 · 500 = 250 мА.

Из прил. выбираем диоды типа КД109А с

U_обр = 100 В; I_ср = 300 мА,

параметры которых превышают рассчитанные значения  и .

Содержание отчета

1. Тема и цель занятия

2. Задание

3. Исходные данные

4.Схема включения выпрямителя

5. Расчетная часть

6. Вывод

Контрольные вопросы

1. Объясните блок-схему выпрямителя. Что такое одно и двухполупериодное выпрямление?

2. Объясните работу мостового выпрямителя и выпрямителя со средней точкой?

3. Объясните работу мостового 3х-фазного выпрямителя?

4. Сглаживающие фильтры: назначение, типы?

5. Что такое внешняя характеристика выпрямителя? Как влияет фильтр на внешнюю характеристику?