Как составить электрическую цепь по схеме представленной на рисунке

Из прошлых уроков вы уже знаете, что для возникновения электрического тока должны выполняться определенные условия.

Во-первых, необходимо наличие зарядов в проводнике — свободных электронов или ионов. А во-вторых, обязательно наличие источника тока, который создает в проводнике электрическое поле, что и приводит к возникновению тока.

Все ли это необходимые условия? Нет, нам осталось изучить всего еще одно — наличие электрической цепи. Именно о ней и пойдет речь на данном уроке.

Необходимые части электрической цепи

Итак, первое, что должно обязательно присутствовать в электрической цепи — это источник тока.

Он создаст электрическое поле и будет его поддерживать, возникнет электрический ток. Мы же можем использовать его энергию.

Каким образом? Для этого нам нужен потребитель или приемник электрической энергии. Так называют все электрические приборы, которые мы используем, начиная от простых лампочек и фонариков, заканчивая компьютерами, электродвигателями, различной бытовой техникой.

Источник тока и его потребитель необходимо соединить друг с другом проводами. По ним ток от источника будет достигать потребителя.

Обозначения частей электрической цепи

Электрические цепи принято изображать с помощью специальных схем. На них все элементы обозначаются специальными условными знаками.

На рисунке 1 изображены такие знаки для источников тока и их систем, таких потребителей тока, как лампа и электрический звонок.

Также на рисунке 1 изображен условный знак для ключа. Его (а также рубильники, кнопки и различные выключатели) используют для того, чтобы включать или выключать приемники электрической энергии. Такие устройства называют замыкающими или размыкающими устройствами (рисунок 2).

В ходе изучения материала данного раздела вы будете знакомиться с различными новыми устройствами, которые используют в электричестве. При этом для каждого так же будет специальный условный знак. Так, вы познакомитесь с реостатами, конденсаторами, электрическими лампами и предохранителями.

Схема простейшей электрической цепи

Итак, самый простой вариант электрической цепи изображен на рисунке 3.

Из каких частей она состоит?

1. Источник тока
2. Приемник тока
3. Замыкающее устройство
4. Соединяющие провода

В данном случае источником тока является гальванический элемент или аккумулятор, приемником — лампочка, замыкающим устройством — ключ. Все эти элементы соединены между собой проводами.

Замкнутость электрической цепи

Чтобы в цепи был ток, она должна быть замкнутой.

Что это означает? Цепь должна состоять только из проводников электричества.

Если в каком-то месте соединительный провод будет поврежден или оборван, то тока в цепи не будет. Именно на этом основывается действие замыкающих устройств.

Упражнения

Что будет отвечать в цепи за включение звонка? Ключ. А так как у нас два звонка и каждый нужно включать независимо от другого, то и ключа должно быть два (рисунок 4).

Обратите внимание на расположение звонков. Если мы соединим их просто один друг за другом, это будет неверным вариантом решения. Ведь если тогда выключим один звонок, он будет являться для второго своеобразным «оборванным проводом», и второй звонок работать не будет. 

Чтобы звонить из двух разных мест мы можем разместить кнопки, как показано на рисунке 5.

Второй ключ (кнопку) можно разместить и с другой стороны цепи похожим способом.

Обратите внимание, таким способом изображают ключипереключатели, связанные между собой. Т.е. при замыкании одного замыкается и другой, и наоборот.

Такую проводку удобно использовать в больших помещениях. Например, заходя в длинный коридор, вы включаете свет рядом с дверью. Идете в другой конец коридора до другого помещения, и нужно выключить за собой свет. Рядом с вами находится вторая кнопка. Нажав на нее, вы выключаете свет.

Также можно использовать такой вариант электрической цепи, если включать/выключать свет необходимо разным людям из разных мест помещения.

На рисунке 6 под цифрой 1 обозначены два источника тока (гальванических элемента или аккумулятора). Цифрой 2 обозначена лампа, а цифрой 3 — кнопка включения/выключения (замыкающее устройство).

Нарисуем схему цепи такого фонаря (рисунок 8).

На схеме у нас расположены все вышеперечисленные элементы, соединенные между собой проводами.

Тип урока: формирование навыков и умений.

Цель урока: научиться читать, чертить схемы
электрических цепей, собирать по схемам
электрические цепи.

Оборудование: интерактивная доска,
мультимедиа проектор, источники тока, лампочки,
ключи, соединительные провода.

1. Орг. момент.

2. Актуализация знаний.

• Какую тему мы изучали на предыдущем уроке.
• Что вы знаете: электрический ток, условия
  существования тока, проводники и диэлектрики,
  схема электрической цепи, условные обозначения
  приборов, способы соединения проводников.
• Для чего нам надо это знать?
• Как вы думаете, что сегодня на уроке мы будем
  изучать?

Для того, чтобы научиться правильно изображать
и собирать электрические цепи нам необходимо
повторить условные обозначения электрических
приборов.

3. Физический диктант

1 вариант

1. Гальванический элемент
2. Кнопка
3. Соединение проводов
4. Электрическая лампа
5. Резистор

2 вариант

1. Батарея элементов
2. Ключ
3. Пересечение проводов
4. Электрический звонок
5. Нагревательный элемент

4. Проверка.

Поменяйтесь листочками с соседом по парте.
Сравните ответы с правильными на доске.

Оцените работу соседа:

• “5” — нет ошибок;
• “4” — одна ошибка;
• “3” — две ошибки.

5. Решение задач.

Задание 1. Укажите основные составные
элементы, входящие в электрическую цепь.

Задание 2. Перед вами схемы электрических
цепей. Назовите, из каких приборов они состоят, и
найдите “дефект” в каждой из схем.

 Задание 3. На рисунке представлена
простейшая электрическая цепь. Перечислите её
составные части. Начертите схему этой
электрической цепи.

Задание 4. Нарисуйте принципиальную
схему электрической цепи, изображенной на
рисунке.

Задание 5. Начертите схему электрической
цепи, состоящей из источника тока, звонка,
лампочки и двух ключей так, чтобы лампочку и
звонок включались отдельно.

Задание 6. Нарисуйте схему соединения
батареи элементов, двух лампочек и двух ключей, в
которой каждая из лампочек включается и
выключается независимо друг от друга.

Задание 7. Нарисуйте схему соединения
аккумулятора, двух выключателей и одного звонка,
при которой позвонить можно было бы из двух
разных мест. Где на практике можно использовать
такую схему?

Задание 8. Нарисуйте схему соединения
батарейки, двух лампочек и трех ключей, в которой
каждой из лампочек управляет свой ключ, а
размыкание третьего ключа приводит к выключению
обеих лампочек.

Задание 9. Нарисуйте схему соединения
батарейки, лампочки, звонка и двух ключей.
Лампочка включается всякий раз, когда звенит
звонок, но может работать и при выключенном
звонке.

Задание 10. Начертите схему установки,
состоящей из аккумулятора и двух звонков, у
каждого из них своя кнопка.

Задание 11. Начертите схему электрической
цепи, содержащей источник тока, две
электрические лампы, два ключа и один
электрический звонок, так, чтобы звонок звонил,
когда какая-нибудь лампа горит.

6. Практическая работа.

Перед выполнением следующего задания хочется
напомнить китайскую мудрость:

Расскажи – и я забуду…
Покажи – и я запомню…
Дай мне возможность действовать самому – и я
научусь.

Вам предстоит выполнить практическую работу.
Какие правила техники безопасности вы будите
соблюдать?

Памятка по технике безопасности при работе с
электрическим током.

• Не используйте при сборке электрических цепей
  провода с повреждённой изоляцией с видимыми
  повреждениями.
• Следите за исправностью всех креплений в
  приборах и приспособлениях.
• При сборке электрических цепей избегайте
  пересечения проводов.
• Источники тока подключайте в последнюю очередь.
• Все исправления в цепях проводите при
  отключенном источнике тока.
• Не определяйте наличие тока в цепи на ощупь.

Практическая работа.

Цель: собрать электрическую цепь из приборов,
которые есть у каждого на столах так, чтобы
лампочка загорелась.

Задание 1. На рисунке представлена
электрическая цепь. Перечислите её составные
части. Начертите схему этой электрической цепи.

Задание 2. Соберите электрическую цепь по
этой схеме.

Задание 3. Сделайте вывод.

7. Домашнее задание. Параграф 33, задачи
доделать.

8. Рефлексия.

Вот и закончился наш урок. Возьмите листочки.
Подпишите на них фамилию. Проведите стрелочки к
тем утверждениям, которые соответствуют вашему
состоянию в конце урока.

Использовать электрическую энергию возможно, лишь подключив потребитель к источнику тока. При этом к одному источнику часто подключают несколько потребителей.

Чтобы правильно соединять приборы между собой, нужно разбираться в схемах и уметь составлять электрическую цепь из используемых элементов.

Обычно сначала рисуют электрическую схему цепи на бумаге. На такой схеме указывают, как именно должны соединяться между собой всевозможные элементы, включаемые в цепь.

Затем на нарисованной схеме проверяют правильность соединений. И, только затем подключают различные потребители, соединительные провода и прочие части цепи к источнику тока.

Умение составлять электрические схемы на бумаге позволит избежать ошибок, коротких замыканий и выхода из строя различных звеньев цепи.

Из каких частей состоит простейшая электрическая цепь

Простейшая электрическая цепь содержит:

• источник тока;
• соединительные провода;
• приемники тока (потребители электроэнергии);
• ключ;

Примечание: Источник создает и поддерживает электрическое поле для длительного протекания тока.

Виды потребителей тока

Среди потребителей, используемых в быту, можно выделить:

• электрические двигатели;
• осветительные приборы – лампы, люстры, бра, торшеры и т. п.;
• обогреватели, электроплиты, утюги;
• холодильники;
• и другие сложные электронные приборы – радио, телевизоры, плееры, компьютеры, принтеры, мобильные телефоны, планшеты;

Функции различных частей цепи

Каждый элемент электрической цепи выполняет свои специфические функции.

Источник тока снабжает энергией приемники тока – потребители.

Соединительные провода доставляют энергию от источника к потребителям.

Всевозможные кнопки, выключатели, рубильники, применяют в нужные моменты времени для подключения потребителей к источнику тока, а, так же, их отключения от источника.

Чтобы по электрической цепи циркулировал ток, эта цепь должна быть замкнутой.

Поэтому любая замкнутая цепь состоит из элементов, способных проводить электрический ток — проводников.

Если разомкнуть (разорвать) цепь в какой-либо ее части, то электрический ток перестанет по ней протекать. Разрывают цепь в нужные моменты времени с помощью всевозможных выключателей.

Как элементы электрической цепи обозначают на схемах

Для наглядности способы соединения элементов изображают графически. Такие чертежи называют принципиальными электрическими схемами (рис. 6). Чтобы не рисовать элементы в подробностях, для них придумали упрощенные обозначения.

Обозначение каждого элемента стандартизировали. Благодаря стандартам, схема цепи, составленная в какой-либо стране, может быть прочитана и воспроизведена в другой части мира.

На рисунке 7 приведены обозначения, принятые в странах СНГ и некоторых странах Европы.

Рядом с графическим символом указывают буквенные обозначения. Элементы на схемах принято обозначать латинскими буквами так:

• гальваническую батарею GB или B. В качестве источника тока для компактных электронных устройств часто применяют аккумуляторы, или батарейки;
• выключатель – SA, кнопка —  SB; Для кнопок и выключателей иногда используют только одну букву S;
• проводник, обладающий сопротивлением – R;
• соединительные клеммы — буквами XT;
• символом FU — плавкий предохранитель. Он служит для защиты схемы и из строя первым, как только ток превысит определенный порог, указанный на таком предохранителе;
•  нагревательный элемент электроплит и других обогревателей — символом EK;
• лампу накаливания – HL или HA;
• разъем вилка-розетка – XS;
• электродвигатель постоянного тока – M;
• электромеханический звонок – HA.

Часто бывает так, что на схемах присутствуют элементы, обозначаемые одинаковыми графическими значками. Чтобы различать их, дополнительно вводят цифровую нумерацию (рис. 8).

Например, первую лампу обозначают HL1, вторую – HL2, и так далее.

Примечание: В Северной Америке и Японии графические обозначения некоторых элементов отличаются.

Существует еще одно, полезное для составителя схем, правило.

Элемент цепи можно передвигать по схеме вдоль соединительного проводника, если это не изменяет электрические соединения.

Благодаря такому правилу, одну и ту же схему можно нарисовать различными способами (рис. 9).

Для чего рисуют точки на схемах

Чтобы обозначить соединение элементов на схемах, используют точки. Нарисованная точка указывает на наличие контакта между токоведущими проводниками (рис. 10).

Если в каком-либо месте цепи соединяются три или более проводящих линии, их соединение обозначают точкой.

На следующем рисунке приведен пример использования точек на простых схемах, состоящих из батареек и лампочек. Рисунок 11а содержит соединение нескольких проводящих дорожек. Благодаря соединениям заряды во время протекания тока могут перемещаться из одного проводника в другой.

При построении электрических схем применяют различные способы соединения элементов, наиболее распространенные — последовательное и параллельное соединение, а так же, смешанное.

А на рисунке 11б представлено пересечение изолированных проводников. Соединений между такими проводниками нет и, ток из одного проводника во второй проводник проникать не будет.

Обязательно на схемах обозначайте точками соединения проводников. Если точку на схеме не поставить, то другие люди, читающие ваши схемы, подумают, что проводники не соединяются, а скрещиваются без соединения.

Выводы

1. Простейшая электрическая цепь содержит источник тока, соединительные провода, приемники тока и ключ.
2. Источник тока снабжает цепь энергией. Эта энергия к приемникам поступает по соединительным проводам. А выключатели используют для подключения и отключения приемников от источника.
3. Чтобы по электрической цепи циркулировал ток, эта цепь должна быть замкнутой.
4. На электрических схемах указывают, как соединяются между собой всевозможные элементы, включаемые в цепь.
5. Умение составлять на бумаге электрические схемы избавляет от коротких замыканий и выхода из строя различных звеньев цепи.
6. Обозначение каждого элемента цепи стандартизировали. Рядом с графическим символом указывают буквенно-цифровые обозначения. Для одинаковых элементов вводят цифровую нумерацию.
7. Графические обозначения некоторых элементов в Японии и Северной Америке отличаются от принятых в Европе.
8. Элемент цепи можно передвигать по схеме вдоль соединительного проводника, если это не изменяет соединения элемента. Благодаря этому, одну и ту же схему можно нарисовать по-разному.
9. Нарисованная на схеме точка указывает на наличие контакта между проводниками.

2. Установить в начале линии напряжение
U₁согласно варианту в табл.
2.2 и поддерживать его неизменным. Изменяя
сопротивление реостатаR₂,
получить режимы, рассчитанные в п.1
предварительного задания. Результаты
измерений записать в табл. 2.3.

3. Изменяя напряжение U₁согласно
расчетным значениям в табл. 2.4, исследовать
режимы линии приP₂= U₂I
= const. Результаты измерений записать
в табл. 2.4.

4. Проанализировать характерные режимы
работы линии, указать на графиках
возможный рабочий диапазон линий
электропередачи большой мощности и
слаботочных линий.

5. По допустимому нагреву и допустимой
потере напряжения рассчитать сечение
медных проводов для питания указанной
в табл. 2.5 нагрузки.

Таблица 2.5

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
P2, кВт	3,0	6,3	11	18,5	30	110	200	315
U2, В	60	110	220	220	380	380	660	3000
l, м	100	100	250	500	500	500	1000	1000
Нагрузка	Осветительная	Силовая

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема исследованной электрической
цепи (рис. 2.2).

3. Таблицы вычислений и измерений (табл.
2.3 и 2.4).

4. Графики зависимостей U₂,U,P₁, P₂, P,=f(I);=f(U₂).

5. Расчет сечения проводов для питания
заданной нагрузки.

6. Выводы о практическом использовании
режимов работы линии и влияния величины
передаваемого напряжения на экономичность
линий электропередачи.

Контрольные вопросы

1. Каковы характерные режимы работы
линий электропередачи?

2. При каком условии потребитель получает
максимальную мощность, каков при этом
КПД линии?

3. С каким КПД работают реальные линии
электропередачи, линии связи?

4. Каковы пути повышения КПД линии
электропередачи?

5. Почему выгодно передавать энергию на
большие расстояния при высоком напряжении?

6. Каково уравнение баланса мощности
для линии?

7. Как определить необходимое сечение
проводов линии?

8. Как изменится сечение проводов линии,
если при неизменной передаваемой
мощности повысить напряжение
электропередачи?

9. Дайте анализ зависимостей, изображенных
на графиках.

Лабораторная работа 1.4

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОДНОФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ

СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

Цель работы:1)
определение параметров последовательной
схемы замещения приемников электроэнергии;
2) экспериментальное исследование и
расчет цепей однофазного синусоидального
тока с последовательным, параллельным
и смешанным соединением приемников.

Общие сведения

При расчете цепей синусоидального тока
любой приемник электроэнергии или
участок электрической цепи, не содержащий
источников, независимо от сложности
внутреннего строения, может быть заменен
эквивалентной схемой замещения,
составленной из идеализированных
элементов: активных сопротивлений R,
индуктивностейLи
емкостейС. Применяют два вида схем
замещения: последовательную и параллельную.

Рассмотрим последовательную схему
замещения приемника (рис. 4.1в). Сопротивления
этой схемы – активное R,
реактивноеXи полноеZ– определяют на
основе разложения вектораUна две составляющие (рис. 4.1б): активнуюU_a
=Ucosи реактивнуюU_p
=Usin.

Значения R, ХиZвычисляют как отношение соответствующего
напряжения к току цепи

Зависимость между R,
ХиZв наглядной
форме изображает треугольник сопротивлений
(рис. 4.1г). Угол сдвига фаз между напряжением
и током приемника

При использовании комплексного метода
расчета векторы напряжения Uи токаIвыражают
комплексными числами

и называют комплексными действующими
напряжением и током.

Отношение UкIдает комплексное сопротивление

Комплексную проводимость
представляет обратное отношение

Приведенные соотношения справедливы
как для приемников активно-индуктивного
характера (0), так и активно-емкостного (0). В последнем
случае ток опережает по фазе напряжение
и в схему замещения (рис.4.1в) вместо
индуктивности включается емкость.

Основными законами цепей синусоидального
тока являются закон Ома и два закона
Кирхгофа.

Закон Омаиспользуют в двух формах:

а) для действующих значений напряжения
и тока

б) в комплексной форме

Законы Кирхгофав цепях синусоидального тока действительны
для мгновенных значений токов, напряжений
и ЭДС. В комплексной форме эти законы
выражаются следующим образом:

Первый закон Кирхгофа:
алгебраическая сумма комплексных
действующих токов ветвей, образующих
узел электрической цепи, равна нулю

.

Второй закон Кирхгофа:
в любом замкнутом контуре электрической
цепи алгебраическая сумма комплексных
действующих ЭДС равна алгебраической
сумме комплексных падений напряжения

Если ЭДС, напряжения, токи и сопротивления
выражаются комплексными числами, то к
линейным электрическим цепям
синусоидального тока применимы все
методы расчета цепей постоянного тока,
основанные на законах Ома и Кирхгофа:
эквивалентного преобразования цепей,
непосредственного использования
уравнений Кирхгофа, контурных токов,
узлового напряжения, эквивалентного
генератора.

На рис. 4.2 показаны схема замещения и
векторная диаграмма цепи с двумя
последовательно соединенными приемниками,
первый из которых имеет активно-индуктивный,
а второй – активно-емкостный характер.
Ток Iобоих
приемников одинаков, и комплексные
напряжения

Комплексное входное напряжение Uсогласно второму закону Кирхгофа

где
–
комплексное сопротивление

цепи;

– полное сопротивление цепи

(модуль комплексного сопротивления);

– аргумент или угол сдвига фаз между
напряжением и током.

Схема электрической цепи с двумя
параллельно включенными приемниками
и векторная диаграмма токов и напряжения
приведены на рис. 4.3.

К приемникам приложено одинаковое
напряжение U,
комплексные токи приемников определяются
законом Ома

а ток Iна входе
цепи, согласно первому закону Кирхгофа

Мощность синусоидального тока

В цепи синусоидального тока периодические
изменения напряжения uи токаi вызывают
периодические изменения мгновенной
мощностиp = u
i. В этих условиях
основной величиной, характеризующей
поступление энергии в цепь, является
средняя за период мощностьР,
называемаяактивной
мощностью.

Величина Ропределяет энергию,
которая поступает в цепь за единицу
времени и необратимо преобразуется в
другие виды энергии. Активная мощность
измеряется в ваттах (Вт) и вычисляется
по формуле

P = U
Icos.

Помимо активной мощности в цепях
синусоидального тока пользуются понятием
реактивной мощности

Q = U
Isin,

которая характеризует интенсивность
обмена энергией между генератором и
реактивными элементами цепи LиС. Она измеряется в вольт-амперах
реактивных (вар).

Полная мощностьS=U
Iприменяется для
характеристики нагрузочной способности
генераторов и трансформаторов, на щитках
которых она указывается в качестве
номинальной мощности. Она изменяется
в вольт-амперах (ВА).

Соотношение между мощностями Р,
Q, Sотражает прямоугольный треугольник
мощностей (рис. 4.4), из которого следует
что

В комплексном методе пользуются понятием комплекса полной мощности где– сопряженный комплекс токаI. Действительная часть комплекса полной мощности представляет активную мощность Р, а мнимая – реактивнуюQ.

Для активных и реактивных мощностей в
любой цепи выполняется баланс: сумма
мощностей источников равна сумме
мощностей приемников

 Р_ист=Р_пр;Q_ист=Q_пр =Q_L
–Q_C.

Баланс имеет место также для комплексов
полных мощностей, но не выполняется для
их модулей:
.

Предварительное задание к эксперименту

По заданным параметрам приемников и
входному току I(табл.
4.1) для цепи со смешанным соединением
приемников (рис. 4.5 в) вычислить входное
напряжениеU, сдвиг
фазмежду напряжениемUи токомI,
напряжениеU_BCна зажимах параллельно включенных
приемников, активную, реактивную и
полную мощности на входе цепи. Для
расчета воспользоваться ПЭВМ, программа
«CEPI». Результаты вычислений
записать в табл. 4.5.

Таблица 4.1

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
Входной ток I, А	1,2	1,6	1,4	1,0	1,5	1,8	1,6	2,0
Приемник А	Z, Ом	35	90	120	80	100	50	35	70
, 	0	–56	68	0	–60	60	0	–45
Приемник В	Z, Ом	120	80	90	160	130	80	50	35
, 	68	0	–56	–72	0	–51	60	0
Приемник С	Z, Ом	80	120	130	90	70	80	70	50
, 	–51	68	0	66	64	0	–45	60

Порядок выполнения эксперимента

1. Собрать электрическую цепь по схеме
рис. 4.5

2. Поочередно подключить к зажимам Л₁–Л₂приемникиА, В, С. Установить их
параметрыZис помощью переключателя параметров
согласно варианту (табл. 4.1). Результаты
измерений и вычислений записать в табл.
4.2.

Примечание. Рекомендуется для
каждого приемника установить напряжениеU, численно равноеZ(приZ ≤ 50 Ом
установить напряжениеUравное 2Z), и, изменяя
положение переключателя параметров,
добитьсяI=1 А (приU=2ZтокI= 2A).
В найденном положении переключателя
проверить угол.

Таблица 4.2

Приемники	Измерено	Вычислено
U, В	I, А	,	Характер нагрузки	Z, Ом	R, Ом	Х, Ом
A
В
С

3. Подключить к зажимам Л₁– Л₂последовательно соединенные приемникиВиС(рис. 4.5а). Установить
напряжениеU= 80…120 В
и измерить токI, угол
сдвига фаз, напряжения
на приемникахВиС. Результаты
записать в табл. 4.3.

Таблица 4.3

	U, В	I, А	, 	UВ, В	UС, В	P, Вт	Q, вар	S, ВА
Измерено								
Вычислено

4. Подключить приемники ВиСпараллельно к зажимам Л₁– Л₂(рис. 4.5б). Установить в цепи токIсогласно табл. 4.1. Измерить напряжениеUи угол сдвига фаз.
Результаты записать в табл. 4.4.

Таблица 4.4

Измерено	Вычислено
U, В	I, А	,	IВ, А	IС, А	I, А	,	P, Вт	Q, вар	S, ВА

5. Подключить к зажимам Л₁– Л₂цепь со смешанным соединением приемниковА,В,С(рис. 4.5в). Установить
в цепи токI, заданный
в табл. 4.1. По измеренным значениямU,
I,вычислить активнуюР, реактивнуюQи полнуюSмощности.
Величины, полученные экспериментально,
сопоставить с результатами расчета
предварительного задания (табл. 4.5)

Таблица 4.5

	I, А	U, В	UВС, В	,	P, Вт	Q, вар	S, ВА
Измерено							
Вычислено

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схема замещения цепи со смешанным
соединением приемников и полный расчет
предварительного задания (в соответствии
с данными варианта в табл. 4.1).

3. Электрическая схема экспериментальной
установки (рис. 4.5).

4. Таблицы измерений и вычислений
(4.2–4.5), расчетные формулы. Расчет цепей
с последовательным и параллельным
соединением приемников выполнять,
считая заданными измеренные напряжения
(табл. 4.3, 4.4) и параметры приемников ВиС(Z,из табл. 4.2).

5. Векторные диаграммы токов и напряжений
для последовательной и параллельной
цепей.

Контрольные вопросы

1. Как по опытным данным определены
сопротивления Z,R,Xприемников и как установлен
характер нагрузки? Начертите схему
включения приборов для определения
сопротивлений приемников. Постройте
треугольник сопротивлений.

2. Как выражаются комплексное сопротивление
и комплексная проводимость?

3. Как выражается полное сопротивление
цепи с последовательным, параллельным
и смешанным соединением приемников?

4. Запишите закон Ома для цепи синусоидального
тока.

5. Сформулируйте и запишите законы
Кирхгофа в комплексной форме.

6. По каким формулам вычисляют активную,
реактивную и полную мощности? Что они
характеризуют? Постройте треугольник
мощностей.

7. Как выражается комплекс полной
мощности?

8. Как выполняется баланс мощностей в
цепях синусоидального тока?

9.Каковы условные
обозначения приборов электромагнитной
и электродинамической систем? Каковы
их устройство, принцип действия и
основные свойства? Какие электрические
величины можно измерять с помощью этих
приборов?

Лабораторная работа 1.7

ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ

Цель работы:
исследование режимов работы четырех–
и трехпроводных трехфазных цепей при
соединении приемников звездой и
треугольником.

Общие сведения

Трехфазной называют
совокупность трех электрических цепей,
в которых действуют синусоидальные ЭДС
одинаковой частоты и амплитуды, но
сдвинутые по фазе одна относительно
другой на угол 120.

Одним из преимуществ трехфазных цепей
является возможность получения в одной
электротехнической установке двух
эксплуатационных напряжений – фазного
и линейного, отличающихся друг от друга
в
раз. Это позволяет применять две схемы
соединения трехфазных приемников:звезда(рис. 7.1
а) итреугольник(рис.
7.1 б).

Приемники соединяются звездой в том
случае, когда их номинальное напряжение
равно фазному напряжению источника.
При соединении приемников по схеме
звезды концы трех фазX,Y, Zобъединяются в одну общую точкуn,
называемую нейтральной. Нейтральная
точкаNисточника
питания может быть соединена с нейтральной
точкойnприемника.
Провод, соединяющий нейтральные точкиNиn,
называется нейтральным, а трехфазная
цепь при наличии нейтрального провода
– четырехпроводной. Она применяется
для питания несимметричных приемников
().
Нейтральный провод обеспечивает
симметрию фазных напряжений приемника
при несимметричной нагрузке. Благодаря
ему, изменение нагрузки в любой из фаз
приемника приводит к изменению токов
только в данной фазе и в нейтральном
проводе, а в других фазах режим работы
не меняется.

Из схемы (рис. 7.1 а) видно, что при соединении
приемников звездой фазные токи равны
соответствующим линейным токам: I_ф=I_л. По первому
закону Кирхгофа ток нейтрального провода
равен геометрической сумме фазных
токов:

Линейные напряжения определяются
геометрической разностью соответствующих
фазных напряжений

При наличии нейтрального провода фазные
напряжения приемников равны по величине
и определяются

Токи в каждой фазе приемника определяются
по формулам:

Векторная диаграмма напряжений и токов
изображена на рис. 7.2а.

При симметричной нагрузке ()
токи равны по величине и сдвинуты по
фазе на угол 120друг
относительно друга. Ток в нейтральном
проводе отсутствует (I_N
= 0), и необходимость в этом проводе
отпадает. Трехфазная цепь в этом случае
выполняется трехпроводной (без
нейтрального провода). В трехпроводную
цепь при соединении нагрузки «звездой»
включаются только симметричные трехфазные
приемники: электрические двигатели,
электрические печи и др.

При несимметричной нагрузке в трехфазной
трехпроводной цепи между нейтральными
точками приемника nи источникаNпоявляется
напряжение,
называемое напряжением относительно
нейтрали или напряжением смещения
нейтрали (рис.7.2 б). Напряжение смещения
нейтрали рассчитывается по методу двух
узлов:

где
– фазные напряжения источника,

– комплексные проводимости фаз приемника.

Фазные напряжения приемников находят
на основании второго закона Кирхгофа:

.

Токи определяют по закону Ома

По схеме треугольника соединяются
приемники, номинальное напряжение
которых равно линейному напряжению
источника. В этой схеме конец предыдущей
фазы соединяется в одну точку с началом
следующей (рис. 7.1 б) и каждая фаза
приемника оказывается включенной на
линейное напряжение источника, т.е.
фазные напряжения приемника равны
соответствующим линейным напряжениям
источника питания: U_ф=U_л.

Так как линейные напряжения источника
практически не изменяются, то каждая
фаза приемника работает независимо
друг от друга, и треугольником соединяют
как симметричную, так и несимметричную
нагрузки.

Записав фазные напряжения приемника в
комплексной форме

,

фазные токи определяют по закону Ома:

Линейные токи определяют как геометрическую
разность соответствующих фазных токов
из уравнений, составленных согласно
первому закону Кирхгофа для узлов a,bиc(рис. 7.1б):

Векторная диаграмма напряжений и токов
для нагрузки, соединенной треугольником,
изображена на рис. 7.3.

При симметричной нагрузке ()
фазные токи равны по величине, а углы
сдвига фаз токов по отношению к
соответствующим напряжениям одинаковы
(_ab
=_bc
=_ca)
. Линейные токи будут враз больше фазных токов

.

Предварительное задание к эксперименту

1. Начертить схему четырехпроводной
трехфазной цепи (сопротивления приемников
заданы в табл. 7.1).

2. Записать в комплексной форме фазные
напряжения трехфазной цепи, если линейное
напряжение U_л= 220 В. Рассчитать в четырехпроводной
трехфазной цепи фазные токи приемников
и ток в нейтральном проводе. Результаты
расчета записать в табл. 7.2. Для проверки
результатов расчета воспользоваться
ПЭВМ (программа «cepi.exe»).

3. Начертить схему трехфазной цепи при
соединении заданных в табл. 7.1 приемников
треугольником. Записать в комплексной
форме линейные напряжения и рассчитать
фазные и линейные токи трехфазной цепи.
Результаты расчета проверить на ПЭВМ
(программа «cepi.exe»)
и записать в табл. 7.3.

4. По результатам расчетов пунктов 2 и 3
построить векторные диаграммы напряжений
и токов для каждой цепи.

Таблица 7.1

Вариант	1	2	3	4	5	6	7	8
, Ом	100	100	-j100	200	100	-j100	-j100	67
, Ом	100	-j100	100	100	-j100	200	100	-j100
, Ом	-j100	100	100	-j100	200	100	67	100

Порядок выполнения эксперимента

1.Собрать четырехпроводную трехфазную
цепь, используя приемники
согласно табл. 7.1. Включить амперметры
для измерения фазных токов и тока
нейтрального провода.

2. Включить цепь под напряжение и измерить
фазные (линейные) токи и напряжения
приемников, ток I_N, напряжениеU_nN. Результаты измерений записать в табл.
7.2. Сравнить их с результатами расчета.

3. Отключить нейтральный провод и провести
исследование режима трехпроводной цепи
согласно пункту 2. Сделать вывод о роли
нейтрального провода.

4. В трехпроводной цепи выполнить опыты
холостого хода фазы А()
и короткого замыкания ().
Измерить и записать в табл. 7.2 напряжения
и токи в этих режимах.

5. По результатам измерений пункта 4
построить две векторные диаграммы
напряжений и токов ( при
).

Таблица 7.2

Схема цепи

Режим цепи

Uab, В

Ubc, В

Uca, В

Ua, В

Ub, В

Uc, В

UnN, В

Ia , А

Ib, А

Ic, А

IN, А

Вычислено

(табл.7.1)

220

220

220

127

127

127

0

Измерено

Измерено

(табл.7.1)

Измерено

6. Собрать трехфазную цепь при соединении
приемников
,,
(табл. 7.1) треугольником.

7. Включить цепь под напряжение и измерить
фазные и линейные токи и напряжения.
Результаты измерений записать в табл.
7.3. Сравнить их с результатами расчета.

Таблица 7.3

	Uab, В	Ubc, В	Uca, В	Iab, А	Ibc, А	Ica, А	IA, А	IB, А	IC, А
Вычислено	220	220	220
Измерено

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Схемы четырехпроводной и трехпроводной
трехфазных цепей. Полный расчет заданного
в предварительном задании режима работы
этих цепей.

3. Таблицы вычислений и измерений.

4. Векторные диаграммы (две по результатам
расчета и две по экспериментальным
данным).

5. Сравнительный анализ изученных
трехфазных цепей.

Контрольные вопросы

1. Каковы преимущества и недостатки
трехпроводных и четырехпроводных цепей.

2. Каково соотношение между линейными
и фазными напряжениями и токами в
четырехпроводной цепи ? При каком условии
эти соотношения сохраняются в трехпроводной
цепи при соединении приемников звездой?

3. Каково назначение нейтрального провода
в четырехпроводной цепи?

4. Когда приемники соединяются звездой,
треугольником?

5. Что такое напряжение смещения нейтрали,
когда оно появляется и как его определить
?

6. Что происходит в трехпроводной
симметричной цепи при обрыве и коротком
замыкании одной из фаз ? Пояснить с
помощью векторных диаграмм.

7. Каковы соотношения между фазными и
линейными напряжениями и токами при
соединении симметричного приемника
треугольником?

8. Как строятся векторные диаграммы
напряжений и токов для исследованных
цепей?

9. Как изменится мощность приемника при
переключении его фаз со звезды на
треугольник?

ЛИТЕРАТУРА

1. Электротехника /Под ред. проф. В. Г.
Герасимова, – М.: Высшая школа, 1985.– 477
с.

2. Борисов Ю. М.,Липатов Д. Н.,
Зорин Ю.Н. Электротехника. – М.: Высшая
школа, 1985. – 537 с.

3. Общая электротехника /Под ред. А. Т.
Блажкина. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. –592
с.

4. Бессонов Л. А.
Теоретические основы электротехники.
Электрические цепи. – М.: Высшая школа,
1996. – 263 с.

5. Сборник задач по электротехнике и
основам электроники / Под ред.

Л. А. Бессонова. –М.: Высшая школа, 2000. –
528 с.

6. К а с а т к и н А. С. , Н е м ц о в М. В.
Электротехника. –М.:Высшая школа , 2002.
— 542 с.

Содержание

Правила работы в лаборатории электротехники

Работа 1.1. Анализ
сложной электрической цепи

постоянного
тока…………………………………………………………………………..

Работа 1.2 Линия
электропередачи постоянного тока……….

Работа 1.3 Исследование
нелинейных электрических

цепей постоянного
тока…………………………………………………………………

Работа 1.4 Исследование
и расчет однофазных цепей

синусоидального
тока……………………………………………………………………

Работа 1.5 Исследование
резонансных явлений в

электрических
цепях……………………………………………………………………..

Работа 1.6 Компенсация
реактивной мощности………………

Работа 1.7 Исследование
трехфазных цепей…………………..

Работа 1.8 Исследование
переходных процессов при

разряде
конденсатора…………………………………………………………………..

Работа 1.9 Однофазный
индукционный счетчик

активной
энергии………………………………………………………………………….

Работа 1.10 Измерение
активной и реактивной

мощности в трехфазных
цепях………………………………………………………

Работа 1.11 Исследование
четырехполюсника………………..

Работа 1.12 Вращающееся
магнитное поле……………………..

Иван Владимирович НОВАШ

Юрий Витальевич БЛАДЫКО

Таисия Терентьевна РОЗУМ и др.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсу «Электротехника и основы
электроники»

для студентов неэлектротехнических
специальностей

25

Эта статья для тех, кто только начинает изучать теорию электрических цепей. Как всегда не будем лезть в дебри формул, но попытаемся объяснить основные понятия и суть вещей, важные для понимания. Итак, добро пожаловать в мир электрических цепей!

Хотите больше полезной информации и свежих новостей каждый день? Присоединяйтесь к нам в телеграм.

Электрические цепи

Электрическая цепь – это совокупность устройств, по которым течет электрический ток.

Рассмотрим самую простую электрическую цепь.  Из чего она состоит? В ней есть генератор – источник тока, приемник (например, лампочка или электродвигатель), а также система передачи (провода). Чтобы цепь стала именно цепью, а не набором проводов и батареек, ее элементы должны быть соединены между собой проводниками. Ток может течь только по замкнутой цепи. Дадим еще одно определение:

Электрическая цепь – это соединенные между собой источник тока, линии передачи и приемник.

Конечно, источник, приемник и провода – самый простой вариант для элементарной электрической цепи. В реальности в разные цепи входит еще множество элементов и вспомогательного оборудования: резисторы, конденсаторы, рубильники, амперметры, вольтметры, выключатели, контактные соединения, трансформаторы и прочее.

Кстати, о том, что такое трансформатор, читайте в отдельном материале нашего блога.

По какому фундаментальному признаку можно разделить все цепи электрического тока? По тому же, что и ток! Есть цепи постоянного тока, а есть – переменного. В цепи постоянного тока он не меняет своего направления, полярность источника постоянна. Переменный же ток периодически изменяется во времени как по направлению, так и по величине.

Сейчас переменный ток используется повсеместно. О том, что для этого сделал Никола Тесла, читайте в нашей статье.

Элементы электрических цепей

Все элементы электрических цепей можно разделить на активные и пассивные. Активные элементы цепи – это те элементы, которые индуцируют ЭДС. К ним относятся источники тока, аккумуляторы, электродвигатели. Пассивные элементы – соединительные провода и электроприемники.

Приемники и источники тока, с точки зрения топологии цепей, являются двухполюсными элементами (двухполюсниками). Для их работы необходимо два полюса, через которые они передают или принимают электрическую энергию. Устройства, по которым ток идет от источника к приемнику, являются четырехполюсниками. Чтобы передать энергию от одного двухполюсника к другому им необходимо минимум 4 контакта, соответственно для приема и передачи.

Резисторы – элементы электрической цепи, которые обладают сопротивлением. Вообще, все элементы реальных цепей, вплоть до самого маленького соединительного провода, имеют сопротивление. Однако в большинстве случаев этим можно пренебречь и при расчете считать элементы электрической цепи идеальными.

Существуют условные обозначения для изображения элементов цепи на схемах.

Кстати, подробнее про силу тока, напряжение, сопротивление и закон Ома для элементов электрической цепи читайте в отдельной статье.

Вольт-амперная характеристика – фундаментальная характеристика элементов цепи. Это зависимость напряжения на зажимах элемента от тока, который проходит через него. Если вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию, то говорят, что элемент линейный. Цепь, состоящая из линейных элементов – линейная электрическая цепь. Нелинейная электрическая цепь – такая цепь, сопротивление участков которой зависит от значений и направления токов.

Какие есть способы соединения элементов электрической цепи? Какой бы сложной ни была схема, элементы в ней соединены либо последовательно, либо параллельно.

При решении задач и анализе схем используют следующие понятия:

• Ветвь – такой участок цепи, вдоль которого течет один и тот же ток;
• Узел – соединение ветвей цепи;
• Контур – последовательность ветвей, которая образует замкнутый путь. При этом один из узлов является как началом, так и концом пути, а другие узлы встречаются в контуре только один раз.

Чтобы понять, что есть что, взглянем на рисунок:

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Классификация электрических цепей

По назначению электрические цепи бывают:

• Силовые электрические цепи;
• Электрические цепи управления;
• Электрические цепи измерения;

Силовые цепи предназначены для передачи и распределения электрической энергии. Именно силовые цепи ведут ток к потребителю.

Также цепи разделяют по силе тока в них. Например, если ток в цепи превышает 5 ампер, то цепь силовая. Когда вы щелкаете чайник, включенный в розетку, Вы замыкаете силовую электрическую цепь.

Электрические цепи управления не являются силовыми и предназначены для приведения в действие или изменения параметров работы электрических устройств и оборудования. Пример цепи управления – аппаратура контроля, управления и сигнализации.

Электрические цепи измерения предназначены для фиксации изменений параметров работы электрического оборудования.

Расчет электрических цепей

Рассчитать цепь – значит найти все токи в ней. Существуют разные методы расчета электрических цепей: законы Кирхгофа, метод контурных токов, метод узловых потенциалов и другие. Рассмотрим применение метода контурных токов на примере конкретной цепи.

Сначала выделим контуры и обозначим ток в них. Направление тока можно выбирать произвольно. В нашем случае – по часовой стрелке. Затем для каждого контура составим уравнения по 2 закону Кирхгофа. Уравнения составляются так: Ток контура умножается на сопротивление контура, к полученному выражению добавляются произведения тока других контуров и общих сопротивлений этих контуров. Для нашей схемы:

Полученная система решается с подставкой исходных данных задачи. Токи в ветвях исходной цепи находим как алгебраическую сумму контурных токов

Какую бы цепь Вам ни понадобилось рассчитать, наши специалисты всегда помогут справится с заданиями. Мы найдем все токи по правилу Кирхгофа и решим любой пример на переходные процессы в электрических цепях. Получайте удовольствие от учебы вместе с нами!