Теоретические основы электротехники

 

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС» 

ИНСТИТУТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ И АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ 
УПРАВЛЕНИЯ 

 

 
 
 

 

 

 

 
 

№ 3077 

Кафедра электротехники  
и информационно-измерительных систем 

 
О.Л. Дудченко 
Г.Б. Федоров 
 

Теоретические основы 
электротехники 

Лабораторный практикум 

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета 

Москва 2017 

 

 

УДК 
621.3 
 
Д81 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. Ф.С. Вознесенский 

Дудченко О.Л. 
Д81  
Теоретические основы электротехники : лаб. практикум / 
О.Л. Дудченко, Г.Б. Федоров. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2017. – 90 с. 
 
Лабораторные работы по первой части ТОЭ выполняются в 4-м семестре и имеют своей целью глубокое усвоение важных для понимания разделов курся: «Цепи постоянного и переменного тока», «Резонансные явления 
в линейных электрических цепях» и «Магнитно-связанные цепи». 
Приведены краткое описание миниатюрной электрической лаборатории, а также описание электронной портативной лаборатории и методика 
работы с ней. В каждой работе представлены основные положения теории 
и методика выполнения физического эксперимента. К защите каждой работы приведены тестовые задачи и вопросы. 
Практикум по ТОЭ предназначен для студентов направления 21.05.04 
«Горное дело» специализации «Электрификация и автоматизация горного 
производства». 

УДК 621.3 

 

 

 

 
 
© О.Л. Дудченко 
Г.Б. Федоров, 2017 
 
© НИТУ «МИСиС», 2017 

СОДЕРЖАНИЕ 

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МИНИАТЮРНОЙ  
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ. ................................................. 4 

Лабораторная работа 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНОЙ 
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ..................................... 15 

Лабораторная работа 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ 
ПАРАМЕТРОВ ПАССИВНЫХ ДВУХПОЛЮСНИКОВ ............................... 32 

Лабораторная работа 3. ИЗМЕРЕНИЕ КОМПЛЕКСНЫХ  
ПОТЕНЦИАЛОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ................................................ 40 

Лабораторная работа 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА 
В ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ R, L, C ЦЕПИ  
(РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ) ......................................................................... 46 

Лабораторная работа 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСА 
В ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ R, L, C ЦЕПИ (РЕЗОНАНС ТОКОВ) ........................... 60 

Лабораторная работа 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ЯВЛЕНИЯ PЕ30HAHCA 
В СЛОЖНОЙ ЦЕПИ.......................................................................................... 73 

Лабораторная работа 7. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ  
ЦЕПЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ МАГНИТНО-СВЯЗАННЫЕ КАТУШКИ ........... 80 

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МИНИАТЮРНОЙ 
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ 

Миниатюрная электротехническая лаборатория выполнена в корпусе с габаритными размерами 50×35×17 см. Эскиз наборного поля 
показан на рис. 1. Наборное поле разделено на шесть полей: 
1. Линейные и нелинейные цепи постоянного тока; 
2. Переменный ток, частотные характеристики, фильтры, четырехполюсники, переходные процессы; 
3. Длинная линия; 
4. Функциональный генератор; 
5. Трехфазные цепи; 
6. Выпрямитель. 
Миниатюрная электротехническая лаборатория имеет два независимых регулируемых источника постоянного напряжения с изолированными выводами, защитой от перегрузки и звуковой сигнализацией, дополнительные источники питания электронных блоков и операционных усилителей. 

 

Рис. 1. Миниатюрная электротехническая лаборатория 

Миниатюрная электротехническая лаборатория содержит встроенный функциональный генератор, формирующий сигналы синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы и имеющий плавную 
перестройку частоты в диапазоне от 20 Гц до 1 МГц с возможностью 

частотной модуляции для снятия амплитудно-частотных характеристик, и цифровой частотомер, работающий в том же диапазоне. 
Трехфазные синусоидальные сигналы формируются внутренним 
генератором. Внешними приборами могут служить двухканальный 
осциллограф, мультиметр, позволяющий измерять постоянные и переменные напряжения и токи в диапазоне частот до 50 кГц, или электронный вольтметр постоянного и переменного тока. На высоких 
частотах измерения проводятся осциллографом. 
Источники питания включаются тумблером «Сеть» на первой панели. Включение питания следует производить после сборки схемы. 

При эксплуатации стенда необходимо выполнять 
следующие требования: 

1. Соблюдать рекомендованные в методических указаниях диапазоны частот и уровни напряжений сигналов для обеспечения предусмотренных значений сопротивлений индуктивных элементов и токов в них; 
2. Не подключать индуктивные элементы и звенья длинной линии 
к постоянным источникам напряжений; 
3. Не подключать мультиметры, установленные в режим измерения тока, к источникам напряжений. Все измерения напряжений и 
токов мультиметром начинать с наибольших пределов; 
4. Всегда выключать мультиметры после окончания работы; 
5. Не допускать механических повреждений наборного поля и 
корпуса стенда; 
6. Не применять излишних усилий при вращении ручек в стенде. 
Особенно аккуратно обращаться с магнитно-связанными катушками; 
7. Не допускать попадания внутрь стенда через контактные клеммы металлических частиц; 
8. Выключать стенд после окончания работ; 
9. Установить персональную ответственность студентов за сохранность стенда и измерительных приборов. 

Описание встроенных приборов 

Функциональный генератор 
Блок функционального генератора сигналов (ГС) содержит специализированную микросхему генератора, буферный операционный 
усилитель, схему генератора линейного пилообразного напряжения 
(ГЛПН). Эскиз лицевой панели ГС показан на рис. 2. ГС имеет пере

ключатель диапазонов, переключатель формы сигналов, клеммы соединения с внешними цепями. Частота устанавливается ручками регулировки «Грубо» и «Плавно» и контролируется частотомером. В 
режимах генерации прямоугольных и треугольных сигналов ручкой 
«Скважность» можно регулировать отношение длительностей импульса и паузы или прямого и обратного ходов пилы. Ручкой «Амплитуда» регулируется уровень выходного напряжения. 

 

Рис. 2. Эскиз лицевой панели генератора сигналов с частотомером 

Режим девиации частоты включается поворотом ручки «Девиация» со щелчком из крайнего левого положения. При этом сигнал 
имеет линейную частотную модуляцию относительно среднего значения, относительно отключенной девиации. Размах девиации регулируется поворотом ручки «Девиация». Этот режим может быть использован для наблюдения на осциллографе формы амплитудночастотных характеристик контуров. В остальных случаях режим девиации должен быть отключен поворотом ручки в крайнее левое положение со щелчком. 
Номинальная нагрузка генератора должна составлять не менее 
50 Ом при выходном напряжении не более 1 В. Максимальное выходное напряжение при исследовании выпрямительных диодов составляет 3 В. 

Частотомер 
Частотомер предназначен для измерения частоты периодического 
сигнала любой формы на выходе ГС. При измерении частоты выходной сигнал ГС поступает на вход фильтра нижних частот с полосой 
1 МГц, далее на вход усилителя-ограничителя, который в свою очередь усиливает сигнал по напряжению и одновременно ограничивает 
его уровнем +5 В. С выхода усилителя-ограничителя сигнал прямоугольной формы поступает на вход микроконтроллера (МК), в котором измерение частоты выполняется методом заполнения. Для сохранения заданной погрешности измерения частоты 0,1% на частотах 
выше 100 кГц подсчет импульсов происходит за несколько периодов 
повторения. После того как частота будет измерена, МК выводит ее 
на индикатор. Индикатор состоит из 4 разрядов семисегментного индикатора. Диапазон измерения частоты составляет от 20 Гц до 1 Мгц. 
Для обеспечения необходимой точности и соответствующего вывода 
на экран весь диапазон разбивается на поддиапазоны (такие же, как и 
у генератора сигналов), на каждом из которых обеспечиваются своя 
точность и соответствующее отображение. 

Фазометр 
Стенд имеет встроенный фазометр, работающий в диапазоне частот от 20 Гц до 50 кГц. Для установки нуля на два входа надо подать 
один сигнал амплитудой около 1 В. В режиме измерений опорный 
сигнал подают на вход 
0
U , измеряемый сигнал на вход 
c
U . 

Генератор трехфазного напряжения 
Генератор трехфазного напряжения выполнен на аналоговых 
микросхемах и транзисторах. Генератор формирует три напряжения 
с частотой 50 Гц, амплитудой 2 В, сдвинутых по фазе на 120°. Фазные источники напряжения можно соединять только звездой. Фазные 
нагрузки можно соединять звездой (с нулевым проводом и без него) 
или треугольником. 

Описание работы с портативной лабораторией 

Внешний вид портативной лаборатории 
Ознакомиться и изучить основные составляющие и компоненты 
портативной лаборатории, используя рис. 3. 

Рис. 3. Портативная лаборатория 
А – индикатор рабочего режима; B – первый канал (в программе синий);  
C – второй канал (в программе красный); D – генератор. 

Ярлык портативной лаборатории на рабочем столе 
Двойным щелчком запустить программу с ярлыком, как на рис. 4. 

 

Рис. 4. Ярлык портативной лаборатории 

Внешний вид окна программы портативной лаборатории 
Изучить открывшееся окно программы, которое изображено на 
рис. 5. 

Тестовый запуск 
Нажатием кнопки «Run» устроить тестовый запуск. На рис. 6 показан осциллограф в демо-режиме. Для работы в лаборатории требуется переключиться в рабочий режим (работа непосредственно 
с устройством). 

Рис. 5. Внешний вид портативной лаборатории после открытия 

 

Рис. 6. Деморежим 

Рабочий режим 
Для 
переключения 
в 
рабочий 
режим 
зайти 
в 
меню 
«Options»/«Hardware Setup», как показано на рис. 7. 

Рис. 7. Переход в рабочий режим 

В появившемся окне, которое изображено на рис. 8, выбрать 
PCSGU250 и нажать «OK». 

 

Рис. 8. Окно выбора режима 

Отображение сигнала 
Теперь при запуске на экране осциллографа будет отображаться 
произвольный сигнал с каналов, как на рис. 9. 

 

Рис. 9. Осциллограф в рабочем режиме 

Генератор и осциллограф 
Для работы требуется определить «горячий» конец и землю генератора и каналов осциллографа. Для этого нажатием кнопки «Run», 
запустим лабораторию. Взять в руки провод с первого канала осциллографа, зажать пальцами одну из двух клемм. Если на экране осциллографа появятся возмущения, клемма является «горячим» концом. В случае если возмущения на экране не наблюдаются, то клемма является «землей» осциллографа. Аналогично определяется «земля» и «горячий» конец для второго канала осциллографа. Для определения «горячего» конца и «земли» генератора требуется подключить генератор и осциллограф на схему, на панели сбоку выбрать 
одну из форм входного сигнала, которые показаны на рис. 10. 

 

Рис. 10. Варианты схем сигнала 

В случае соответствия «земли» генератора и «земли» осциллографа на экране появится выбранный сигнал. В противном случае генератор и осциллограф подключены встречно, и на экране появятся 
только помехи. Пометим «землю» на клеммах, как на рис. 11. 

 

Рис. 11. Правильное подключение осциллографа для определения «земли» 
генератора 

Получение выходного сигнала для схемы RC-фильтра 
Для начала требуется собрать схему RC-фильтра. После чего приступить к настройке лаборатории. Для удобства анализа полученных 
данных требуется: 
1. Выбрать оптимальную развертку по времени (горизонтальной 
оси), как на рис. 12. Одна клетка сетки экрана осциллографа равна 
выбранному значению развертки.