Электротехнический практикум. Ч. 2

Российский государственный педагогический 

университет им. А. И. Герцена

М. А. Горяев,  В. В. Маслов,
И. О. Попова,  А. П. Смирнов

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ

ПРАКТИКУМ

ЧАСТЬ 2

Учебно-методическое пособие

Санкт-Петербург

Издательство РГПУ им. А. И. Герцена

2019

ББК 22.3

Г 71

Печатается по рекомендации совета факультета 
физики РГПУ им. А. И. Герцена

Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор В. Т. Аванесян

д-р пед. наук, профессор И. И. Хинич

Горяев М. А., Маслов В. В., Попова И. О., Смирнов А. П.

Г 71
Электротехнический практикум. Ч. 2: учебно-методическое пособие /
под общ. ред. М. А. Горяева. — СПб.: Изд-во РГПУ им. А. И. Герцена, 2019. — 79 с.

ISBN 978–5–8064–2759–6

Учебно-методическое пособие состоит из описания пяти лабораторных работ, ко
торые содержат как теоретические сведения, так и экспериментальные задания по изучаемым темам.

Пособие подготовлено на основе курса «Физическая электроника. Основы элек
трорадиотехники и электроники», преподаваемого в РГПУ им. А. И. Герцена на факультете физики (направление «Физика», профиль «Физика конденсированного состояния вещества» и направление «Педагогическое образование», профиль «Физическое 
образование») в соответствии с ФГОС. Оно также может быть полезно преподавателям 
и студентам смежных направлений и других вузов.

ISBN 978–5–8064–2759–6

ББК 22.3

© М. А. Горяев, В. В. Маслов,

И. О. Попова, А. П. Смирнов, 2019

© В. С. Лебединский, дизайн обложки, 2019
© Издательство РГПУ им. А. И. Герцена, 2019

СОДЕРЖАНИЕ

Введение .....................................................................................................................4

Лабораторная работа № 6: Изучение однофазного трансформатора ......................6

Лабораторная работа № 7: Исследование схем выпрямления на полу
проводниковых вентилях..........................................29

Лабораторная работа № 8: Поверка счетчика электрической энергии .................46

Лабораторная работа № 9: Испытание генератора постоянного тока...................55

Лабораторная работа № 10: Испытание трехфазного асинхронного дви
гателя  с короткозамкнутым ротором.......................67

Литература .............................................................................................................79

ВВЕДЕНИЕ

Одним из важнейших показателей достижения нового качества подго
товки современного учителя выступает профессиональная компетентность 
выпускника университета. Сложность формирования этой компетентности 
учителя состоит в многоуровневости процесса. Профессиональные знания 
должны формироваться одновременно на четырех уровнях: методологическом, теоретическом, методическом и технологическом. Первые два 
уровня отражают теоретическую готовность учителя к профессиональной деятельности, а вторые — его практическую подготовленность к самообучаемости, самоопределению, к восприятию и реализации инновационных идей, новой информации, умение владеть новой техникой и 
технологией. Переход на новую модель образования исключает пассивную 
роль участников образовательного процесса, так как только активная позиция в получении знаний позволит сформировать у обучающихся необходимые навыки и умения, чтобы стать успешными в профессиональной 
сфере деятельности. Именно формированию практической подготовленности учителя способствует выполнение работ практикума по электротехнике.

Модернизация высшей школы призвана обеспечить современное ка
чество образования на основе сохранения его фундаментальности.
Эф
фективная деятельность и высокое качество жизни современного человечества немыслимы без активного использования электроэнергии. Ввиду 
этого является чрезвычайно актуальным освоение студентами профильных 
факультетов дисциплин «Электричество» и «Электротехника». Настоящее 
учебное пособие предназначено для студентов естественнонаучных факультетов, которые освоили общий курс электродинамики. Электротехника, как прикладная наука, позволяет углубить понимание многих явлений и 
процессов, которые были рассмотрены при изучении дисциплин «Электричество» и/или «Электродинамика». Более того, освоение электротехни

ки обучающимися позволяет им глубоко понимать принципы работы различных электрических приборов и их компонентов. Данное пособие в развитие работ, изложенных в пособии «Электротехнический практикум. 
Ч. 1», рассматривает несколько лабораторных работ по изучению действия 
однофазного трансформатора, схем выпрямления и умножения напряжения, рассматривает устройство и принцип работы различных счетчиков 
электрической энергии, устройство и принцип работы генератора постоянного тока, а также трехфазного асинхронного двигателя.

Лабораторная работа № 6, которая посвящена исследованию работы 

однофазного трансформатора, позволяет продемонстрировать такие фундаментальные законы, как закон электромагнитной индукции, закон Ома, 
закон Джоуля — Ленца, а также такие явления, как вихревые токи, потери 
на гистерезис. В процессе выполнения лабораторной работы № 7 обучающиеся знакомятся со схемами выпрямления, применяемыми на практике, 
принципами работы их отдельных компонентов (в частности, полупроводниковых диодов), а также со схемами умножения напряжения. Лабораторная работа № 8 посвящена счетчикам электрической энергии. При выполнении данной работы обучающиеся знакомятся как с принципом работы и 
устройством индукционного счетчика электрической энергии, так и с работой и устройством современных (электронных) счетчиков электрической 
энергии. В лабораторных работах № 9 и № 10 рассматриваются генераторы 
постоянного тока и трехфазные асинхронные двигатели соответственно. 
В процессе выполнения этих лабораторных работ обучающиеся приобретают навыки испытаний различных электрических машин.

После проведения необходимых измерений на завершающем этапе 

выполнения работ производится обработка экспериментальных результатов, которую целесообразно выполнять с применением современных
компьютерных методов обработки, либо с использованием стандартных 
программ систем MathCAD, MathLAB, либо путем составления простейших программ в оболочке Pascal.

Учебное пособие составлено с учетом многолетнего опыта проведения 

лабораторных работ по электротехнике на естественнонаучных факультетах РГПУ им. А. И. Герцена.

Лабораторная работа № 6

ИЗУЧЕНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель данной работы — изучение принципа действия однофазного 

трансформатора и методов его испытания.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Принцип действия трансформатора

Трансформатором называется статическое электротехническое 

устройство, преобразующее одно переменное напряжение в другое 
переменное напряжение той же частоты.

Трансформатор является обратимым устройством, то есть может 

служить как для увеличения (повышающий трансформатор), так и для 
уменьшения напряжения (понижающий трансформатор).

Принцип действия трансформатора основан на явлении электро
магнитной индукции. Обычно трансформатор состоит из двух изолированных друг от друга обмоток, размещенных на стальном замкнутом 
сердечнике 
(рис. 6.1). 
Если 
одну 
обмотку 
(первичную) 

подключить к сети переменного синусоидального напряжения 

)
sin(
0
t
U
U



, то по обмотке будет протекать переменный ток i. Этот 

ток создает в стальном сердечнике переменный поток Ф, который, 
пронизывая первичную и вторичную обмотки, создает в каждой из 
них переменные электродвижущие силы (ЭДС). Как правило, поток Ф
меняется по синусоидальному закону, то есть 
)
sin( t
Ф
Ф
m



. Величи
на ЭДС, индуктируемой этим потоком в одном витке первичной обмотки, определяется на основании закона электромагнитной индукции:

)
2
sin(
)
cos(











t
Ф
t
Ф
dt
dФ
e
m
m
.

Рис. 6.1. Общая структура трансформатора

Приняв произведение 
m
Ф

за амплитудное значение ЭДС в од
ном витке m
e , имеем 
)
2
sin(

 

t
e
e
m
. Отсюда видно, что ЭДС отстает 

по фазе от потока Ф на угол .

Определим действующее значение ЭДС в первичной обмотке, 

имеющей n1 витков:

1

1
1
1

1
44
,4

2

2

2
2

n
fФ
n
fФ
n
Ф
n
e
e
m

m
m
m






.
(6.1)

Таким образом, действующее значение ЭДС e1 пропорционально 

частоте f, амплитуде магнитного потока Фm и числу витков n1.

Аналогично действующее значение ЭДС во вторичной обмотке 

e2,имеющей число витков n2, равно:

2
2
44
,4
n
Ф
f
е
m

.
(6.2)

Разделив (6.1) на (6.2), имеем:

K
n
n

e
e



2

1

2

1
.
(6.3)

Коэффициент К называется коэффициентом трансформации.
Физический смысл и роль электродвижущих сил e1 и e2 в транс
форматоре различны. ЭДС e1 появляется как реакция обмотки на изменение тока в ней и, являясь ЭДС самоиндукции, противодействует 
приложенному к обмотке напряжению U1. ЭДС e2 рассматривается 

U1 n1
U2 n2
Ф1S

как электродвижущая сила источника тока для цепи, присоединяемой 
к вторичной обмотке.

Следует отметить, что правильное физическое понимание работы 

трансформатора возможно только при рассмотрении работы индуктивно связанных контуров (обмоток) с учетом индуктивности каждого контура L1 и L2 и взаимной индуктивности контуров M12. Такой 
подход изложен, например, в книге И. Е. Тамма «Основы теории 
электричества» для случая воздушного трансформатора. Однако аналогичное рассмотрение работы трансформатора, содержащего железный сердечник, становится чрезвычайно сложным, так как в этом 
случае индуктивности обмоток не являются постоянными величинами (из-за изменения магнитной проницаемости железа), а также 
вследствие учета потерь энергии в железе.

Обычно для понимания явлений, происходящих в трансформато
ре, его работу рассматривают в различных режимах: холостой ход, 
работа под нагрузкой, короткое замыкание.

Работа трансформатора
в режиме холостого хода

При холостом ходе вторичная обмотка остается разомкнутой, а в 

первичной обмотке при этом идет ток холостого хода I0. Этот ток создает магнитный поток, который для удобства рассматривают состоящим из двух частей: главного магнитного потока Ф, замыкающегося 
по стальному магнитопроводу, пронизывающего первичную и вторичную обмотки и создающего в них ЭДС индукции, и потока рассеяния Ф1S, частично или полностью проходящего по воздуху, не 
пронизывающего витки вторичной обмотки и создающего дополнительную ЭДС e2S только в первичной обмотке.

Магнитный поток Ф, проходя по сердечнику, наводит в нем вих
ревые токи и вызывает перемагничивание железа. При этом происходят активные потери энергии. Можно представить, что эти потери 
происходят в некотором активном сопротивлении r10 (рис. 6.2), присоединенном параллельно некоторой катушке индуктивности L, с которой связан основной поток Ф. Тогда ток I0, проходящий по первичной обмотке, можно рассматривать в виде двух составляющих: 
намагничивающего тока Iµ, проходящего через катушку индуктивности L, и тока Ir, проходящего через сопротивление r10 и создающего 
активные потери, равные потерям в сердечнике. Величина тока I0
определяется по формуле 

2
2

0
I
I
I
r 

, так как токи Iµ и Ir сдвинуты 

по фазе на , поток Ф совпадает по фазе с током Iµ и, следовательно, 
отстает от тока I0 на некоторый угол  (угол потерь), зависящий 
от соотношения токов Iµ и Ir. Обычно угол  составляет несколько 
градусов.

Рис. 6.2. Упрощенная эквивалентная схема трансформатора,

работающего в режиме холостого хода

Векторная диаграмма для токов Iµ, Ir, I0, магнитного потока Ф и 

ЭДС e, наведенной потоком Ф, изображена на рисунке 6.3. Поток Ф1S
мал по сравнению с потоком Ф и практически не создает активных 
потерь энергии, так как проходит в основном по воздуху. Можно считать, что он совпадает по фазе с током I0.

Рис. 6.3. Векторная диаграмма для токов Iµ, Ir, I0,

магнитного потока Ф и ЭДС e, наведенной потоком

Электродвижущая сила самоиндукции, которая создается этим 

потоком в первичной обмотке, отстает от потока на  и пропорциональна ему по величине. Следовательно, можно представить, что трансформатор состоит как бы еще из одной катушки индуктивности 
S
L1 , 

по которой проходит ток, и создает поток 
S
Ф1 . Эту индуктивность на 

U1
r10
L

I0

Ir
Iµ

Ф

e

Iµ

Ir
I0

α

эквивалентной схеме следует включить последовательно с разветвлением на L и r. Если к тому же учесть активное сопротивление первичной обмотки 1r , то получим полную эквивалентную схему первичной 
обмотки трансформатора (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Эквивалентная схема

первичной обмотки трансформатора

Напряжение U1, приложенное к первичной обмотке, равно век
торной сумме:

S
L
I
r
I
Z
I
U
1
0
1
0

/

0
1










,
(6.4)

где 

/

0Z
I

— падение напряжения на участке цепи r10L, 
1
0r
I

— падение 

напряжения на активном сопротивлении, 
S
L
I
1
0

— падение напряже
ния на индуктивном сопротивлении x1S эквивалентной катушки L1S.

Векторная диаграмма для этой эквивалентной схемы представле
на на рисунке 6.5. За основу обычно принимают вектор основного потока Ф. Вектор тока I0 опережает вектор Ф на угол  . Вектор е1 отстает от вектора потока на угол /2. Вместо вектора е1 можно 
отложить в противоположном направлении падение напряжения на 
участке CD, равное 
L
I 

. Вектор этого напряжения опережает вектор 

тока 

I
на угол /2. Падение напряжения на активном сопротивлении 

1r совпадает по фазе с током 
0I , а на индуктивном сопротивлении 

опережает ток 0I на угол /2.

U1
r10
L

r1
L1S

Рис. 6.5. Векторная диаграмма

для эквивалентной схемы первичной обмотки трансформатора

На векторной диаграмме (рис. 6.5) векторы 
1
0r
I


и 
S
x
I
1
0


для 

наглядности сильно преувеличены. Обычно они составляют сотые 
доли от напряжения U1. Пренебрегая этими падениями напряжения,
можно приближенно считать, что 
1
1
е
U 
. Тогда из соотношения (6.1) 

следует, что магнитный поток 
m
Ф
пропорционален приложенному 

напряжению U1, то есть:

1

1

44
.4
fn

U
Фm 
.
(6.5)

Однако это соотношение остается справедливо только при 

напряжении U1, не сильно превышающем номинальное напряжение 
первичной обмотки U1НОМ. Дело в том, что сечение железного сердечника и число витков обмотки подбирают таким образом, чтобы при 
номинальном напряжении происходило насыщение сердечника. При 
изменении напряжения, подводимого к первичной обмотке от 0 до 
U1НОМ, ток холостого хода I0 и поток Фm увеличиваются монотонно с 
ростом напряжения (рис. 6.6).

При значительном превышении номинального напряжения в сер
дечнике трансформатора происходит насыщение, его магнитная проницаемость изменяется незначительно, и для небольшого дополнительного увеличения потока Фm необходим большой прирост тока. 
В этом случае величинами 
r
I 0


и 
S
x
I
1
0


уже нельзя пренебрегать, и

α

Ф

I0

Iµ

I0Z/
I0r1

I0ωL1S

U1

e1