Skripta laboratorní cvičení 2008

Elektrotechnika 2 - laboratorní cvičení







Garant předmětu:
doc. Ing. Jiří Sedláček, CSc.

Autoři textu:
doc. Ing. Jiří Sedláček, CSc.
Ing. Miloslav Steinbauer, Ph.D.

Brno 10.2.2008
Obsah
ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU ..............................................................................6
ÚVOD......................................................................................................................................................................6
OBECNÉ POKYNY PRO LABORATORNÍ CVIČENÍ....................................................................................6
OVLÁDÁNÍ GENERÁTORU 33120A.................................................................................................................8
OVLÁDÁNÍ MULTIMETRU 34401A.................................................................................................................9
OVLÁDÁNÍ OSCILOSKOPU GDS-820C ........................................................................................................10
PROGRAM KLINROV ......................................................................................................................................11
1 A IMPEDANCE DVOJPÓLU........................................................................................................................12
2 A ANALÝZA OBVODU V HARMONICKÉM USTÁLENÉM STAVU ...................................................19
3 A VÝKON V JEDNOFÁZOVÉM OBVODU ...............................................................................................25
4 A FÁZOROVÉ DIAGRAMY.........................................................................................................................29
5 A SÉRIOVÝ REZONANČNÍ OBVOD .........................................................................................................33
6 A PARALELNÍ REZONANČNÍ OBVOD....................................................................................................37
7 A ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI ČLÁNKŮ RC A CR ...................................................................................41
1 B TROJFÁZOVÁ SOUSTAVA.....................................................................................................................48
2 B VÝKON V TROJFÁZOVÉ SOUSTAVĚ..................................................................................................56
3 B PŘECHODNÉ DĚJE V OBVODECH RC A RLC ..................................................................................62
4 B ANALÝZA NEHARMONICKÝCH SIGNÁLŮ.......................................................................................70
5 B ŠÍŘENÍ VLN NA HOMOGENNÍM VEDENÍ..........................................................................................75
6 B PŘECHODNÉ DĚJE NA HOMOGENNÍM VEDENÍ.............................................................................83
7 B SIMULACE ELEKTRICKÝCH OBVODŮ .............................................................................................91
2
Seznam obrázků
OBR. A1.1 VZHLED ČELNÍHO PANELU GENERÁTORU 33120A................................................................................. 8
OBR. A1.2 VZHLED ČELNÍHO PANELU DIGITÁLNÍHO MULTIMETRU 34401A............................................................ 9
OBR. A1.3 VZHLED ČELNÍHO PANELU DIGITÁLNÍHO OSCILOSKOPU GDS-820C.................................................... 10
OBR. 5 VZTAH MEZI FÁZOREM (KOMPLEXNÍ ROVINA) A OKAMŽITÝM PRŮBĚHEM (ČASOVÁ ROVINA)
HARMONICKÉHO NAPĚTÍ............................................................................................................................... 13
OBR. 6 A) OBECNÝ DVOJPÓL B) FÁZOROVÝ DIAGRAM C) ČASOVÝ DIAGRAM ................................................. 15
OBR. 7 PRINCIP MĚŘENÍ IMPEDANCÍ ...................................................................................................................... 16
OBR. 8 ZAPOJENÍ PRACOVIŠTĚ RC 2000 PRO MĚŘENÍ IMPEDANCÍ ......................................................................... 16
OBR. 11 K PŘÍKLADU MUN................................................................................................................................... 21
OBR. 12 SCHÉMA MĚŘENÉHO OBVODU .................................................................................................................. 22
OBR. 13 ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ VÝKONU STŘÍDAVÉHO PROUDU............................................................................ 25
OBR. 14 ZNAČKA A ROZMÍSTĚNÍ SVOREK WATTMETRU ......................................................................................... 26
OBR. 15 A) FÁZOROVÝ DIAGRAM R B) FÁZOROVÝ DIAGRAM C C) FÁZOROVÝ DIAGRAM REÁLNÉ CÍVKY .......... 29
OBR. 16 A) PŘÍKLAD OBVODU B) JEHO FÁZOROVÝ DIAGRAM............................................................................. 29
OBR. 17 ZAPOJENÍ MĚŘENÝCH DVOJPÓLŮ; CÍVKA JE ZAKRESLENA VČETNĚ PARAZITNÍHO ODPORU VINUTÍ R
L
...... 30
OBR. 18 ZAPOJENÍ ÚLOHY ..................................................................................................................................... 30
OBR. 21 ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ SRO..................................................................................................................... 35
OBR. 23 PRINCIP MĚŘENÍ PŘENOSU ČLÁNKU S PRO .............................................................................................. 38
OBR. 24 ZAPOJENÍ PRACOVIŠTĚ RC 2000 PRO MĚŘENÍ REZONANČNÍ KŘIVKY PRO............................................... 39
OBR. 25 ČLÁNEK RC, JEHO HODOGRAF A MODULOVÁ A FÁZOVÁ PŘENOSOVÁ CHARAKTERISTIKA (MODŘE JSOU
VYZNAČENY ASYMPTOTICKÉ CHARAKTERISTIKY)........................................................................................ 42
OBR. 26 ČLÁNEK CR, JEHO HODOGRAF A MODULOVÁ A FÁZOVÁ PŘENOSOVÁ CHARAKTERISTIKA (MODŘE JSOU
VYZNAČENY ASYMPTOTICKÉ CHARAKTERISTIKY)........................................................................................ 43
OBR. 27 PRINCIP MĚŘENÍ KMITOČTOVÉ ZÁVISLOSTI PŘENOSU ČLÁNKŮ RC A CR ................................................. 44
OBR. 28 ZAPOJENÍ PRACOVIŠTĚ RC 2000 PRO MĚŘENÍ KMITOČTOVÝCH PŘENOSOVÝCH CHARAKTERISTIK ČLÁNKŮ
RC A CR 44
OBR. 29 ZAPOJENÍ PRACOVIŠTĚ RC 2000 PRO MĚŘENÍ USTÁLENÉHO PERIODICKÉHO STAVU ČLÁNKŮ RC A CR ... 45
OBR. 30 TROJFÁZOVÁ SOUSTAVA SE SOUMĚRNÝM ZDROJEM A ZÁTĚŽÍ Y(N) A ∆.................................................. 48
OBR. 31 ZAPOJENÍ PRACOVIŠTĚ RC 2000 PRO MĚŘENÍ TROJFÁZOVÉ SOUSTAVY ................................................... 51
OBR. 32 ZAPOJENÍ SOUMĚRNÉ A NESOUMĚRNÉ ZÁTĚŽE DO HVĚZDY ..................................................................... 52
OBR. 33 ZAPOJENÍ ZÁTĚŽE Y S ROZPOJENÍM RESP. ZKRATEM V 1. FÁZI ................................................................. 53
OBR. 34 ZAPOJENÍ SOUMĚRNÉ A NESOUMĚRNÉ ZÁTĚŽE DO TROJÚHELNÍKA .......................................................... 53
OBR. 35 TROJFÁZOVÁ SOUSTAVA SE SOUMĚRNÝM ZDROJEM A ZÁTĚŽÍ Y A ∆ ....................................................... 56
OBR. 36 ZAPOJENÍ PRACOVIŠTĚ PRO MĚŘENÍ VÝKONU V TROJFÁZOVÉ SOUSTAVĚ................................................. 58
OBR. 37 ZAPOJENÍ MĚŘENÉ SOUMĚRNÉ A NESOUMĚRNÉ ZÁTĚŽE DO HVĚZDY A DO TROJÚHELNÍKA ...................... 58
OBR. 38 PŘÍKLAD FÁZOROVÉHO DIAGRAMU NAPĚTÍ A PROUDŮ PRO Y A ∆ S VYZNAČENÍM FÁZOVÝCH POSUVŮ ... 59
OBR. 39 K MĚŘENÍ PŘECHODNÝCH DĚJŮ V SÉRIOVÝCH OBVODECH RC A RL........................................................ 62
OBR. 40 K MĚŘENÍ PŘECHODNÝCH DĚJŮ V SÉRIOVÉM OBVODU RLC .................................................................... 63
OBR. 41 K PŘECHODNÝM DĚJŮM V RLC OBVODU ................................................................................................. 64
3
OBR. 42 ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ PŘECHODNÝCH DĚJŮ V OBVODECH RC A RLC..................................................... 66
OBR. 43 NABÍJENÍ KONDENZÁTORU V OBVODU RC (PŘIPOJENÍ ZDROJE) – RELATIVNÍ MĚŘÍTKA............................ 67
OBR. 44 VYBÍJENÍ KONDENZÁTORU V OBVODU RC (ZKRATOVÁNÍ OBVODU) - RELATIVNÍ MĚŘÍTKA ..................... 67
OBR. 45 PŘÍKLADY AMPLITUDOVÝCH SPEKTER: VLEVO PRO SINUSOVÝ (HARMONICKÝ) PRŮBĚH, VPRAVO PRO
OBDÉLNÍKOVÝ PRŮBĚH – JE ZOBRAZENO POUZE PRVNÍCH 25. HARMONICKÝCH SLOŽEK .............................. 70
OBR. 46 K VYSVĚTLENÍ HARMONICKÉ ANALÝZY .................................................................................................. 71
OBR. 47 ZAPOJENÍ PRACOVIŠTĚ RC 2000 PRO ANALÝZU NEHARMONICKÝCH SIGNÁLŮ......................................... 72
OBR. 48 K HOMOGENNÍMU VEDENÍ........................................................................................................................ 75
OBR. 49 POSTUPNÁ VLNA NA VEDENÍ: A) NETLUMENÁ, B) TLUMENÁ .................................................................... 76
OBR. 50 VZNIK STOJATÝCH VLN NA NEPŘIZPŮSOBENÉM BEZEZTRÁTOVÉM VEDENÍ .............................................. 78
OBR. 51 ZÁVISLOST VSTUPNÍ IMPEDANCE VEDENÍ ZATÍŽENÉHO NAPRÁZDNO A NAKRÁTKO NA JEHO DÉLCE......... 80
OBR. 52 SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ PSV ....................................................................................................... 81
OBR. 53 SCHÉMA ZAPOJENÍ PRO MĚŘENÍ KMITOČTOVÉ ZÁVISLOSTI NAPĚTÍ NA VEDENÍ λ/4 .................................. 81
OBR. 54 NÁHRADNÍ SCHÉMA ELEMENTU VEDENÍ DÉLKY DX.................................................................................. 83
OBR. 55 ČASOVÝ PRŮBĚH NAPĚTÍ NA ZAČÁTKU A KONCI VEDENÍ V PŘÍPADĚ, ŽE KONEC VEDENÍ JE PŘIZPŮSOBEN
(ZATÍŽEN VLNOVÝM ODPOREM) A NEDOCHÁZÍ K ODRAZU ............................................................................ 85
OBR. 56 ČASOVÝ PRŮBĚH NAPĚTÍ NA ZAČÁTKU A KONCI VEDENÍ V PŘÍPADĚ, ŽE KONEC VEDENÍ JE NAPRÁZDNO .. 85
OBR. 57 ČASOVÝ PRŮBĚH NAPĚTÍ NA ZAČÁTKU A KONCI VEDENÍ V PŘÍPADĚ, ŽE KONEC VEDENÍ JE NAKRÁTKO.... 85
OBR. 58 PŘECHODNÝ DĚJ NA NEPŘIZPŮSOBENÉM BEZEZTRÁTOVÉM VEDENÍ, SKLÁDÁNÍ POSTUPNÝCH A ZPĚTNÝCH
VLN NAPĚTÍ A PROUDU ................................................................................................................................. 86
OBR. 59 ČASOVÝ PRŮBĚH NAPĚTÍ A PROUDU NA POČÁTKU A NA KONCI VEDENÍ ................................................... 87
OBR. 60 K MĚŘENÍ PŘECHODNÝCH DĚJŮ NA VEDENÍ.............................................................................................. 87
OBR. 61 REZONANČNÍ MĚŘENÍ CELKOVÉ INDUKČNOSTI VEDENÍ............................................................................ 88
OBR. 62 MĚŘENÍ CELKOVÉHO ÚTLUMU VEDENÍ – MV-METREM SE MĚŘÍ NEJPRVE VSTUPNÍ A POTOM VÝSTUPNÍ
NAPĚTÍ VEDENÍ ............................................................................................................................................. 88
OBR. 63 MĚŘENÍ ZPOŽDĚNÍ A ZOBRAZENÍ PŘECHODNÝCH DĚJŮ PRO RŮZNÁ ZAKONČENÍ VEDENÍ.......................... 89
OBR. 64 SCHÉMA PRO OBVOD V HUS OBR. 65 SCHÉMA PRO SÉRIOVÝ REZONANČNÍ OBVOD............................. 93
OBR. 66 SCHÉMA PRO PŘECHODNÝ DĚJ V OBVODU RC OBR. 67 SCHÉMA PRO PŘECHODNÝ DĚJ V OBVODU RLC
94
OBR. 68 A) PŘECHODNÝ DĚJ RL PŘI SEPNUTÍ SPÍNAČE B) PŘECHODNÝ DĚJ RL PŘI ROZEPNUTÍ SPÍNAČE........... 95
OBR. 69 ZAPOJENÍ SIMULOVANÉHO OBVODU RL V SIMULÁTORU MICROCAP........................................................ 96
4
Seznam tabulek
TAB. 1 VZTAHY MEZI NAPĚTÍM A PROUDEM A JEJICH FÁZOROVÉ I ČASOVÉ PRŮBĚHY PRO ZÁKLADNÍ OBVODOVÉ
PRVKY R, L, C .............................................................................................................................................. 14
TAB. 2 IMPEDANCE MĚŘENÝCH DVOJPÓLŮ............................................................................................................ 17
TAB. 3 VZOR TABULKY PRO ZOBRAZENÍ NAPĚTÍ A PROUDŮ MĚŘENÝCH DVOJPÓLŮ............................................... 18
TAB. 4 EFEKTIVNÍ HODNOTY PROUDŮ V OBVODU.................................................................................................. 23
TAB. 5 EFEKTIVNÍ HODNOTY NAPĚTÍ V OBVODU ................................................................................................... 23
TAB. 6 TEORETICKÉ HODNOTY VÝKONU STŘÍDAVÉHO OBVODU ............................................................................ 27
TAB. 7 NAMĚŘENÉ HODNOTY VÝKONU STŘÍDAVÉHO OBVODU .............................................................................. 28
TAB. 8 NAMĚŘENÉ HODNOTY NAPĚTÍ A PROUDŮ PRVKŮ DVOJPÓLŮ ...................................................................... 31
TAB. 9 IMPEDANCE MĚŘENÝCH DVOJPÓLŮ............................................................................................................ 31
TAB. 10 ZÁVISLOST U
C
A IMPEDANCE SRO NA KMITOČTU .................................................................................... 35
TAB. 11 NAMĚŘENÉ A TEORETICKÉ HODNOTY SRO.............................................................................................. 36
TAB. 12 NAMĚŘENÉ A TEORETICKÉ HODNOTY PRO.............................................................................................. 40
TAB. 13 MEZNÍ KMITOČET A ČASOVÁ KONSTANTA ČLÁNKŮ RC A CR .................................................................. 46
TAB. 14 NAPĚŤOVÝ PŘENOS ČLÁNKU RC.............................................................................................................. 46
TAB. 15 NAPĚŤOVÝ PŘENOS ČLÁNKU CR.............................................................................................................. 47
TAB. 16 FÁZOVÁ A SDRUŽENÁ NAPĚTÍ (MAXIMÁLNÍ HODNOTY) SOUMĚRNÉ TROJFÁZOVÉ SOUSTAVY................... 54
TAB. 17 VYPOČTENÉ FÁZOVÉ IMPEDANCE ZÁTĚŽE................................................................................................ 54
TAB. 18 NAPĚTÍ NA IMPEDANCÍCH ZÁTĚŽE (MAXIMÁLNÍ HODNOTY) PŘI ROZPOJENÍ A ZKRATU JEDNÉ FÁZE.......... 54
TAB. 19 FÁZOVÉ PROUDY (MAXIMÁLNÍ HODNOTY) ............................................................................................... 55
TAB. 20 SDRUŽENÉ PROUDY SOUMĚRNÉ A NESOUMĚRNÉ ZÁTĚŽE ∆ (MAXIMÁLNÍ HODNOTY) ............................... 55
TAB. 21 VYPOČTENÉ FÁZOVÉ IMPEDANCE ZÁTĚŽE................................................................................................ 60
TAB. 22 VYPOČTENÉ HODNOTY PRO SOUMĚRNOU ZÁTĚŽ ...................................................................................... 60
TAB. 23 NAMĚŘENÉ HODNOTY PRO SOUMĚRNOU ZÁTĚŽ ....................................................................................... 60
TAB. 24 VYPOČTENÉ HODNOTY PRO NESOUMĚRNOU ZÁTĚŽ.................................................................................. 61
TAB. 25 NAMĚŘENÉ HODNOTY PRO NESOUMĚRNOU ZÁTĚŽ ................................................................................... 61
TAB. 26 PŘECHODNÝ DĚJ V SÉRIOVÉM RC OBVODU.............................................................................................. 68
TAB. 27 PŘECHODNÝ DĚJ V SÉRIOVÉM RLC OBVODU PŘI PODKRITICKÉM TLUMENÍ.............................................. 68
TAB. 28 ANALÝZA SIGNÁLU OBDÉLNÍKOVÉHO PRŮBĚHU ...................................................................................... 74
TAB. 29 ČINITEL ODRAZU NA KONCI VEDENÍ A PSV PRO RŮZNÁ ZAKONČENÍ........................................................ 82
TAB. 30 NAPĚTÍ NA ZAČÁTKU VEDENÍ DÉLKY L = λ/4 ZAKONČENÉHO NAKRÁTKO A NAPRÁZDNO ........................ 82
TAB. 31 PRIMÁRNÍ A SEKUNDÁRNÍ PARAMETRY MĚŘENÉHO VEDENÍ..................................................................... 89
TAB. 32 ÚTLUM A ZPOŽDĚNÍ VEDENÍ..................................................................................................................... 90
TAB. 33 SIMULOVANÉ HODNOTY PROUDU A NAPĚTÍ V OBVODU V HARMONICKÉM USTÁLENÉM STAVU ................ 96
TAB. 34 SIMULOVANÉ HODNOTY SRO .................................................................................................................. 97
TAB. 35 SIMULOVANÉ HODNOTY PŘECHODNÉHO DĚJE OBVODU RC...................................................................... 97
TAB. 36 SIMULOVANÉ HODNOTY PŘECHODNÉHO DĚJE OBVODU RLC ................................................................... 97
TAB. 37 SIMULOVANÉ HODNOTY PŘECHODNÉHO DĚJE OBVODU RL...................................................................... 97
5

ZAŘAZENÍ PŘEDMĚTU VE STUDIJNÍM PROGRAMU
Předmět Elektrotechnika 2 (BEL2) je zařazen do druhého semestru bakalářského studijního programu všech
oborů studia na FEKT VUT v Brně. Předmět sestává z přednášek, laboratorních cvičení a počítačových cvičení.
ÚVOD
Náplň jednotlivých úloh laboratorních cvičení je volena tak, aby si studenti prakticky ověřili poznatky získané na
přednáškách, naučili se samostatné experimentální práci a získali tak průpravu pro práci jak ve vyšších ročnících
studia, tak pro budoucí praxi. Koncepce jednotlivých úloh by měla vést studenty k osvojení formální stránky
práce v laboratoři, získání správných návyků, stanovení cíle experimentu, vyhotovení záznamu o jeho průběhu
a zhodnocení vlastních výsledků s ohledem na zadání. V úlohách je kladen důraz na porovnání teoretických
hodnot s experimentem. Úlohy jsou navrženy tak, aby bylo možno zanedbat vliv měřicích přístrojů, neboť
otázka technik měření bude probírána v předmětu Měření v elektrotechnice.
OBECNÉ POKYNY PRO LABORATORNÍ CVIČENÍ
Laboratorní úlohy jsou rozděleny do dvou skupin: A pro první polovinu a B pro druhou polovinu semestru.
Úlohy jsou v laboratořích zdvojeny, takže jednu úlohu měří zároveň dvě dvojice studentů.
Laboratorní cvičení sestává z těchto částí:
• domácí příprava,
• práce v laboratoři,
• zpracování výsledků měření.
Pro laboratorní cvičení je nutné vést pracovní sešit (A4, doporučujeme čtverečkovaný), do kterého se zapisují
přípravy i zpracování úloh. Každou úlohu v sešitě označte v záhlaví názvem a číslem, dále uveďte datum, kdy
jste dané cvičení absolvovali.
Úlohy musí být psány ručně, pouze tabulky a grafy je možné vytvořit pomocí počítače.
Domácí příprava na cvičení
Příprava sestává ze zpracování teoretických poznatků, týkajících se daného cvičení a je nutné její písemné
vypracování do sešitu. Základem pro domácí přípravu je „Teoretický úvod“, který je součástí každé úlohy
v tomto skriptu. Účelem domácí přípravy je pochopení podstaty dané úlohy, které je nutné ke správnému
provedení vlastního měření. Teoretickou znalost příslušné problematiky je třeba prokázat během cvičení.
Písemná příprava v sešitě začíná na nové straně a musí obsahovat:
• Číslo úlohy a nadpis, datum měření
• Zadání (viz „Úkol“ u každé úlohy),
• Stručný výtah z teoretického úvodu (uveďte základy teorie včetně matematických vztahů, popřípadě
principiálních schémat,
• Skutečné schéma zapojení (tužkou),
• Připravené tabulky (vzory tabulek jsou uvedeny v tomto skriptu v části “Zpracování“. Pro přehlednost
jsou buňky tabulek, které se neměří, ale počítají, podbarveny šedě. V tabulkách jsou rovněž odkazy na
čísla vztahů, které se mají při výpočtech použít.)
• Vypracovaný postup podle pokynů v odstavci Domácí příprava v návodu.
Příprava má být stručná a výstižná, neopisujte celý teoretický úvod. Rovněž není účelné opisovat „Postup
měření“.
Bez znalosti teorie a bez písemné přípravy nebude posluchači umožněno cvičení absolvovat.
Práce v laboratoři
Pracoviště v laboratoři jsou pro přehlednost označena čísly, která se shodují s číslováním úloh ve skriptu. Na
pracovišti jsou připraveny v