Лабораторная работа №1 - edu.petrsu.ruЛабораторная работа 1...

Петрозаводский государственный университет

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Учебное методическое пособие по выполнению лабораторных работ

(Для студентов агротехнического факультета и института лесных, инженерных и строительных наук)

Составитель: Горинов Александр Сергеевич

2016 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 3

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

ПОСТОЯННОГО ТОКА ................................................................................................. 6

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ................. 12

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА .............. 17

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ИЗ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ

РЕЗИСТИВН0Г0, ИНДУКТИВНОГО И ЕМКОСТНОГО ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ

СИНУСОИДАЛЬНОМ ТОКЕ ...................................................................................... 26

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА ПРИ СОЕДИНЕНИИ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ "ЗВЕЗДОЙ" .................................................................................... 34

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА ПРИ СОЕДИНЕНИИ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ "ТРЕУГОЛЬНИКОМ" .................................................................. 42

РАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ

ТРЕХФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА..................................................................... 47

ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОМОЩНОГО ОДНОФАЗНОГО СИЛОВОГО

ТРАНСФОРМАТОРА. ИЗУЧЕНИЕ АВТОТРАНСФОРМАТОРА,

ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА, ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ ................. 59

ВВЕДЕНИЕ

Главной целью обучения является приобретение навыков самостоятельной

творческой работы. Лабораторный практикум, как самая активная форма занятий,

служит этой цели. Лабораторные работы, закрепляя теоретические знания,

позволяет экспериментально подтвердить их практическую ценность. В процессе

работ студенты приобретают практические навыки в составлении электрических

цепей, в пользовании измерительными приборами и регулировочной

аппаратурой, а также решают некоторые вопросы исследовательского характера.

Предоставление студентам, в лаборатории известной самостоятельности (наряду

с ответственностью за безопасность и безаварийность) повышает интерес как к

процессу экспериментов, так и к их результатам. Важно уметь анализировать и

оценивать результаты исследований. Поэтому в письменном отчете должны

приводиться краткие выводы, обобщающие результаты опытов.

Организация занятий и меры безопасности в лаборатории электротехники

Лаборатория электротехники является учебным помещением с повышенной

опасностью, поэтому все работающие там должны соблюдать соответствующий

порядок.

На первом занятии преподаватель знакомит студентов со спецификой

работы, с электрооборудованием и правилами техники безопасности с

оформлением в журнале проведения инструктажей

Студентам в о с п р е щ а е т с я:

1. Производить включения на главном распределительном щите лаборатории и на

коммутаторе.

2. Снимать и перевешивать предупреждающие и запрещавшие плакаты.

3. Включать собранную цепь под напряжение и приступать к измерениям без

предварительной проверки всех соединений руководителем.

4. Оставлять под напряжением свободно висящие концы проводов.

5. Касаться руками неизолированных контактов и токоведущих частей

электрической цепи, когда она находится под напряжением.

6. Прикасаться к вращающимся частям электрической машины (вал, коллектор,

соединительные муфты), а также приближаться к ним в одежде со свисающими

концами (шарф, платок).

Студенты обязаны:

1. Все пересоединения проводов в цепи производить только при отключенном

источнике.

2. Отключить электроустановку при уходе с рабочего места всех членов бригады

и после окончания эксперимента.

3. При любой неисправности, замеченной в работе электрооборудования и

приборов, немедленно отключить цепь и сообщить об этом преподавателю.

При выполнении работ рекомендуется:

1. Собирая электрическую цепь, сначала составить ее последовательную часть, а

затем подключать параллельные ветви (вольтметры, вторичные цепи измеритель-

ных трансформаторов и т.п.).

2. До подключения цепи под напряжение движки регулировочных реостатов

поставить в положение, соответствующее максимальному сопротивлению, а

движки автотрансформаторов в положение, соответствующее минимальному

напряженно или нулю.

3. Пределы измерения многопредельных приборов установить так, чтобы при

экспериментах стрелка-указатель находилась во второй половине шкалы или в ее

средней части.

4. На рабочем месте приборы и оборудование располагать так, чтобы цепь

получилась наглядной, а производство измерений и регулировки были удобными.

5.По окончании эксперимента бригада предъявляет свои результаты на проверку

преподавателю и, только убедившись в их правильности, разбирает

электрическую цепь и приступает к следующей работе.

Оформление отчетов

По каждой лабораторной работе студенты составляет отчет, в котором

необходимо отразить:

1. Подготовительную часть (название и цель работы; перечень и технические

данные приборов и оборудования, электрическую схему лабораторной

установки);

2. Результаты экспериментов (таблицу с измеренными и вычисленными

величинами, расчетные формулы, графики, векторные диаграммы, рабочие

характеристики);

3. Анализ результатов работы (контрольные вопросы и краткие выводы по

существу и содержание лабораторного эксперимента).

Отчет пишется ручкой, а схемы можно вычерчивать карандашом, а при

построении графиков (характеристик) рекомендуется использовать цветные

пасты (или карандаши).

При вычерчивании схем следует соблюдать стандартные условные обозначения, а

при построении графиков - стандартные масштабы, когда единице длины на

графике соответствует

(I; 2; 5; 10) единиц измеряемой величины, где "n" - любое целое число или нуль.

Строя графики функционально зависимых величин, значения аргумента

откладываются вдоль горизонтальной оси (абсцисс), а значения функции - вдоль

вертикальной оси (ординат). В начале координат должен быть нуль, а вдоль осей

- равномерные масштабные шкалы.

Когда в одной системе координат изображаются графики нескольких

несоизмеримых величин, то рядом с осью ординат следует нанести

соответственно несколько масштабных шкал.

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы

Выявление особенностей электрического состояния линии

передачи постоянного тока при всех возможных нагрузках и их

сравнительная оценка.

Основные теоретические положения

Электрической цепью называется совокупность элементов,

предназначенных для передачи электрической энергии или

информации. Необходимыми элементами цепи является:

источник, линия передачи и потребитель.

Рис.1. Схема цепи: источник, линия передачи и потребитель.

Схема такой простейшей электрической цепи представлена на рисунке 1.

Е

r0

rл /2

rл /2

I

rп

U1 U2

И с т о ч н и к электроэнергии является активным элементом

цепи, т.к. обладает электродвижущей силой (Е), а также

внутренним сопротивлением (r0)./

Л и н и я, соединяющая источник с потребителем, является

пассивным элементом и обладает только сопротивлением

(rл=2ℓ / S), которое зависит от длины ее двух проводов (2ℓ), их

поперечного сечения (S) и удельной проводимости материала( ).

Потребитель электроэнергии также обладает сопротивлением (rп).

Величина тока во всех элементах такой цепи одна и та же (т.к.

соединение последовательное) и определяется законом Ома:

I=E / (r0+ rп+rл)

Так как на каждом участке цепи ток вызывает падение

напряжения (Ir), то напряжение в конце линии U2 будет

меньше напряжения в ее начале U1 , т.е.

U2 -U1 = ΔU = Irл

Эту разность называют потерей напряжения .

Поддержание постоянства напряжения в начале линии U1=const

есть важнейшее условие ее нормальной работы.

Относительная потеря напряжения ε= ΔU / U, выраженная в

процентах, показывает степень отклонения напряжения от

установленной стандартной величины.

В зависимости от величины тока нагрузки в элементах цепи

возможны различные электрические состояния или режимы

работы. Для линий электропередачи выделяют:

1. Режим холостого хода.

2. Режим короткого замыкания.

3. Согласованный режим.

4. Номинальный режим.

Режим холостого хода имеет место при отключенном потребителе,

когда ток в линии отсутствует, а, следовательно, нет потерь

напряжения и мощности. Таким образом, холостой ход не опасен

для электрической цепи, но практически нецелесообразен.

Режим короткого замыкания (к.з.) возникает в линии, если

сопротивление в конце ее будет равно нулю (rп = 0). При этом ток

достигает максимальной величины, т.к. он ограничен только

сопротивлением линии ( I = U1/rл ). Всё напряжение и мощность,

поступающие от источника в линию, теряются в её проводах

U1= ΔUл = I rл; P1 = ΔРл = л .

Это может вызвать возгорание изоляции и оплавление проводов,

т.е. режим короткого замыкания - аварийный.

Согласованный режим достигается при равенстве (согласовании)

сопротивлений линии и потребителя (rл= rп). Ток при этом равен

половине тока короткого замыкания,

I = U1/(rл+ rп) = Iк.з. /2 а мощность на потребителе достигает максимума и доставляет

половину мощности, поступающей в линию (P2 = P1/2). Потери

напряжения и мощности в линии равны соответственно

напряжению и мощности потребителя

(ΔUл= U2 ; ΔРл= P2),

т.е. к.п.д. составляет 50%, т.к.

η = P2 / P1 = P2 / (P2+ ΔРл) = U2 / (U 2+ ΔUл) = = rп / (rп + rл) = 1 / (1+ rл / rп)

электропередачи как неэкономичный. Однако для слаботочных

линий связи и сигнализации (при передаче информации)

согласованный режим является оптимальным, т.к. позволяет

передать сигналы с минимальным искажением.

Номинальный режим линии осуществляется тогда, когда

напряжение, ток и мощность в ней соответствуют тем величинам,

на которые она рассчитана. При этих номинальных величинах

(Uн, IН) гарантируются наилучшие условия работы линия

(экономичность, долговечность, безаварийность).

Чтобы отклонения напряжения от номинальной величины не

превышали допустимых для потребителя значений, линии

передачи рассчитывают как на допустимый нагрев, так и на

допускаемую относительную потерю напряжения

ε =ΔUл/U1 х 100%. При проектировании линий электропередачи разного назначения

эти отклонения должны находиться в таких пределах:

1) для внутренних осветительных сетей ε = (1...3)% ,

2) для заводских силовых сетей ε = (4...6)% ,

3) для питающих магистралей ε =5... 10)% .

Необходимое лабораторное оборудование

В данной работе источник электроэнергии смоделирован

выпрямительным устройством (ВУ); линия электропередачи -

сдвоенным ползунковым реостатом (R), а потребитель (нагрузка)

- ламповым реостатом (ЛР). Для измерения величины тока и

напряжений используются амперметр и вольтметры

магнитоэлектрической системы.

Порядок выполнения работы

I. Собрать электрическую цепь и проверить вместе с

преподавателем. При этом напряжение в начале линии

поддерживается постоянным U1 = 30В, а сопротивление

потребителя изменяют от rп = ∞ (холостой ход) до rп = 0

(короткое замыкание). Между этими крайними состояниями ток

нагрузки наращивают, постепенно увеличивая число включенных

ламп от I до 6. Результаты измерений и вычислений заносят в

таблицу.

Условия опыта

(нагрузка)

Измерено Вычислено

I U1 U2 ΔU Р1 Р2 ΔР η ε

А В В В Вт Вт Вт - %

I.Холостой ход

2.Вкл. 1 лампа






8.Короткое замыкание

Методические указания

Расчетные формулы:

ΔUл= U1 - U2; Р1= U1 I; Р2= U2 I

ΔРл= Р1 - Р2; η = Р2 / Р1 = U2 / U1 ; ε =ΔUл/U1 х 100%,

где U1, U2 и ΔUл - напряжение в начале и конце линии и потеря

напряжения;

Р1 , Р2 и Рл - мощность в начале и конце линии и мощность

потерь;

η - кпд линии; ε - относительная потеря напряжения.

8 В отчете необходимо представить;

I. Технические данные приборов и оборудования.

2. Схему электрической цепи.

3. Таблицу с результатами измерений и вычислений.

4. Расчетные формулы.

5. Графики всех измеренных и вычисленных величии в

зависимости от тока нагрузки (в одной системе координатных

осей).

6. Краткие выводы.

Рис.2. Схема лабораторной установки

Контрольные вопросы

1.Что является элементами электрической цепи?

2.Дать определение терминам «падение напряжения,

«потеря напряжения».

3.Назовите возможные режимы работы линий электропередачи.

4. Какими допустимыми для потребителя значениями отклонения

напряжения от номинальной величины руководствуются

проектировщики при проектировании линий электропередач.

5.Как определяется мощность потерь, к.п.д. и относительная

потеря напряжения линии.

EL1

PV1

EL6 EL5 EL4 EL3 EL2

В1 В6 В5 В4 В3 В2 АВ

ВУ +

-

rл/2

rл/2

PA

PV2

ЛР

R

Лабораторная работа № 2

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы: Экспериментально проверить справедливость графоаналитического метода расчета нелинейных цепей.


Линейным элементом электрической цепи называет устройство, сопротивление которого не изменяется и графическая

зависимость I(U) называемая вольтамперной характеристикой (ВАХ), изображается прямой линией.

Рис.1. Вольтамперная характеристика линейного элемента

Такой характеристикой в соответствии с законом Ома обладают

резиcторы и реостаты, если их температура существенно не

меняется. У многих электротехнических устройств сопротивление

изменяется вместе с изменением тока, поэтому их вольтамперные

характеристики нелинейны. К их числу относятся обычные лампы

накаливания, нагревательные устройства, электронные и ионные

лампы, полупроводниковые приборы и др. Цепь, содержащая хотя

I

U 0

бы один нелинейный элемент, тоже будет нелинейной, т.к.

вольтамперная характеристика ее криволинейна. При синтезе и

анализе нелинейных цепей применяет графоаналитический

метод расчета. Он основан на законах Кирхгофа и peaлизуется

путем графического сложения или вычитания вольтамперных

характеристик отдельных элементов электрической цепи или его

участков. В лабораторной установке для экспериментального

исследования (в разных вариантах) представлены три вида

нелинейных элементов:

1) лампа накаливания вакуумная,

2) бареттер - устройство для стабилизации тока (лампа, нить

накала которой помещена в колбу, заполненную водородом)

3) несколько полупроводниковых приборов - транзисторов.

В качестве линейного элемента используется обычный

реостат.

В технике также широко используются термисторы в качестве

датчиков температуры. Термистор – это полупроводниковый

резистор, электрическое сопротивление которого существенно

зависит от температуры. Различают термисторы с отрицательным

(сопротивление уменьшается при нагреве), или положительным

(сопротивление увеличивается при нагреве) температурным

коэффициентом сопротивления ТКС.

Приборы и оборудование

1. Амперметр и вольтметры постоянного тока типа М45М.

2. Низковольтное выпрямительное устройство В-24.

3. Панель с набором нелинейных элементов.

4. Ползунковый реостат.


1. Соберите электрическую цепь из элементов, указанных

преподавателем.

2. Регулятор источника питания установите в положение,

соответствующее минимальному напряжению, и проверьте цепь

совместно с преподавателем.

3. Чтобы получить ВАХ цепи из последовательно соединенных

нелинейного элемента и реостата, необходимо довести

сопротивление последнего до значения, указанного

преподавателем, увеличивая напряжение на входе цепи в

допустимых пределах, записать 8-12 значений U и I .

Напряжение на ЛЭ (реостат, измеряется вольтметром РV2,

напряжение на НЭ (бареттере, лампе накаливания, цепочке

транзисторов) измеряется вольтметром РV1.

ВАХ различных элементов цепи (баретера, лампы, транзисторов)

из последовательно соединенных нелинейного элемента и

реостата получить путем замены последовательно включенного с

реостатом нелинейного элемента.

По окончании экспериментов выключите электропитание, а

результаты измерений покажите преподавателю.

4. В одной системе координат постройте полученные

экспериментально ВАХ нелинейного элемента, ВАХ реостата и ВАХ

последовательной цепи и реостата.

5. Убедиться в линейности ВАХ реостата. Путем графического

сложения ВАХ нелинейного элемента и реостата проверить

правильность результатов измерений.

Изме-

рения

Элементы схемы

Реостат Баретер Лампа Транзистор

U I R U I R U I R U I R

В А Ом В А Ом В А Ом В А Ом

1

2

3

4

5

6

7

В отчете представить:

1. Технические данные измерительных приборов и других элементов цепи. 2. Схему электрической цепи. 3. Таблицу с результатами измерений. 4. Построенные в одной системе координат вольтамперные характеристики: нелинейного элемента, реостата и их

последовательного соединения (экспериментальную и расчетную).

Рис.2.Схема лабораторной установки.

PV1

ВУ

+

-

НЭ

PA

220 В PV2

Р

Контрольные вопросы.

1.Дайте определение линейным и нелинейным элементам

электрических цепей.

2.В качестве примера приведите примеры образцов нелинейных и

линейных элементов.

3.Какими методами рассчитываются нелинейные цепи?

4.Терморезистор – дать определение.

5.Какие температурные коэффициенты характеризуют свойства

терморезисторов?


ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель работы: Научиться определять основные соотношения

электрических параметров для разветвленной цепи с помощью

векторных диаграмм. Уяснить практическую ценность режимов,

близких к резонансу токов.

Основные теоретические положения В цепях переменного тока при параллельном соединении идеальных элементов R, L, С первый закон Кирхгофа справедлив для мгновенных значений токов в ветвях:

i = iR + iL + iC

Рис.1. Схема параллельного соединения идеальных элементов R , L, С

Для действующих значений токов закон Кирхгофа выполняется в

векторной форме:

_ _ _ _ I = IR + IL + IC

R L C

IR IL IC

U

I

Действующие значения токов определяются из закона Ома:

IR = U/R = U·g; IL = U/xL = U·bL; IC = U/xC = U·bC

Для упрощения расчетов электрических цепей переменного тока

можно пользоваться векторными диаграммами токов и

напряжений.

При параллельном соединении элементов построение векторной

диаграммы начинается с вектора напряжения U, общего для всех

ветвей. При суммировании векторов каждый последующий вектор

пристраивается к концу предыдущего с учетом сдвига фаз между

U и I для каждого элемента (рис.2).

Рис.2. Векторная диаграмма идеальной разветвленной цепи переменного тока

Поэтому вектор тока IR изображаем совпадающим с вектором U,

вектор тока IL отстающим от напряжения на 90° (вниз), а вектор

тока IС опережающим напряжение на 90° (вверху, рис.2).

Ток в неразветвленной цепи является векторной суммой токов -

это вектор, направленный от начала первого вектора к концу

последнего.

При IL > IC ток I отстает от напряжения на угол φ.

φ

0

IK

IL IC

I

U

IR

φ считается положительным, цепь носит активно-индуктивный

характер.

При IL < IC φ отрицателен, цепь носит активно-емкостный

характер.

При IL = IC ток на входе цели минимален, совпадает по фазе с

напряжением (φ = 0) и цепь носит активный характер. Это состо-

яние цепи называется резонансом токов.

Реальная катушка L обладает активным и индуктивным

сопротивлением и угол сдвига фаз между напряжением и током <

90°. Фактический угол сдвига φк можно определить, если

подключить катушку к источнику и измерить U , IК , Рк.

φк = агс cos Рк / U IК При построении векторной диаграммы (рис.3) вектор тока IК

можно расположить сразу под углом φк относительно напряжения,

или разложить его на две составлявших IАК и IL,

Рис.3. Векторная диаграмма реальной разветвленной цепи

переменного тока с учетом активного сопротивления катушки. В результате построения векторных диаграмм можно убедиться ,

что результирующий вектор тока I в масштабе соответствует

φ IK

IL IC

I

U

IR Iak

измеренному значению, угол φ близок к расчетному. В

результате построения векторных диаграмм можно убедиться, что

ток в неразветвленной части цепи, полученный путем построения,

численно равен измеренному и угол φ совпадает с расчетным или

измеренным. Из треугольника токов (см.рис.2) можно получить

треугольник проводимостей, если все стороны треугольника

разделить на напряжение U. Если же стороны треугольника токов

помножить на U, получим треугольник мощностей. Из этих

треугольников имеем:

g=y∙cosφ; b=y·sinφ Рис.4.Треугольник проводимостей.

Рис.5. Треугольник мощностей

P=S∙cosφ; Q=Ix·sinφ

φ

g=IR/U

Y=I /U

b=Ix/U

φ

P=IR·U

S=I·U

Q=Ix∙U

Перечень приборов и оборудования 1. Автотрансформатор (ЛATP).

2. Фазометр.

3. Комплект измерительных приборов К-50.

(Предел измерения вольтметра - 300 В, амперметра – 1 A).

4. Амперметры для измерения токов в ветвях цепи (три).

5. Реостат ламповый (активная нагрузка).

6. Магазин емкостей.

7. Катушка активно-индуктивная.

Порядок выполнения работы 1.Ознакомьтесь с приборами и оборудованием. Запишите их

технические данные в бланк отчета.

2.Соберите электрическую цепь по схеме (рис.4). Убедитесь, что

все элементы цепи отключены, а автотрансформатор выведен в

нулевое положение. Проверьте цепь вместе с преподавателем.

3.Подайте в цепь с помощью автотрансформатора U = 200 В.

4.Подключите поочередно к источнику питания активный

потребитель, активно-индуктивный (катушку), емкостной (12

мкФ), а затем все вместе. Данные запишите в таблицу 1.

Таблица 1

Характер потреби-

теля

Измеряются Вычисляются

U В

I А

Р Вт

cosφ

IR А

IК

А IC А

cosφ

Z ом

R ом

xL

ом Xс

ом Y см

G см

bL

см bC

см L гн

C ф

1. Активная

2.Активно-индук-тивная

3. Емкост-ная

4. Смешан-ная при

соед.ветвей

По результатам измерения рассчитайте параметры всех элементов

согласно таблице 1.

5. Оставьте включенными только реактивные элементы (катушку

и магазин емкостей). Изменяя емкость от 10 до 20 мкФ ступенями

через I мкФ, измерьте величины, указанные в таблице 2. Вблизи

состояния резонанса токов (cosφ=1) изменяйте емкость через

0,5 мкФ. Результаты измерений запишите в таблицу 2.

Таблица 2.

«С» - емкость включенных конденса-торов, мкФ

Измеряется Вычисляются U В

I А

Р Вт

IК

А IC А

cosφ

sin

φ IА

А IР

А IК

А φ

град

6. Вычислите величины, указанные в таблицах I и 2.

Расчетные формулы:

Для параметров активного потребителя:

IU

Ra

a ; UI

Rg

a

a1

Для параметров активно-индуктивного потребителя:

IU

ZK

K

К ;

IP

RK

K

К 2 ; xK RZ КK

22 ;

y

g

ZR

IUPсos

K

K

K

K

KK

K

K ;

UI

Zy

K

K

KK

1

; ZRg

K

K

K 2 ;

Z

xb

K

K

K 2 ;

fL

xx LL

2 ; гцf 50 ;

Для параметров емкостного потребителя:

IU

xC

C

C ;

UI

xb

C

C

C

С

1;

fbb

xC

CC

C 21

;

Для параметров всей цепи:

I

UZ ;

IP

R 2 ; RZX

22 ;

ZR

UI

Pcos ;

U

Iy ;

Z

Rg

2 ;

Z

xb

2 .

Для параллельного соединения катушки и конденсатора: arccos ;

cosII a ; sinII Р ; IL=IC± IP

Угол φ считается положительным при активно-индуктивном

характере цепи (стрелка фазометра находится на правой

половине шкалы); угол φ отрицателен при активно-емкостной

нагрузке (стрелка фазометра на левой половине шкалы).

7. Пo указанию преподавателя для отдельных опытов постройте

векторные диаграммы токов, треугольники проводимостей и

мощностей.

8. Постройте графики зависимостей I=f(С), Ic=f(С), Ia=f(С),

IL=f(С), cosφ=f(с) при параллельном соединении R, L, C.

Содержание отчета

1.Технические данные приборов и оборудования.

2.Схема электрической цепи.

3.Расчетные формулы.

4.Таблицы результатов измерений и вычислений.

5.Векторные диаграммы токов, треугольники проводимостей и

мощностей для режимов, заданных преподавателем.

6.Графики зависимостей в одной системе координат

Рис.6. Схема лабораторной установки Контрольные вопросы

1. Как экспериментально определить полное, активное,

индуктивное сопротивление катушки, ее индуктивность?

2. Каков принцип построения векторной диаграммы для цепи с

параллельным соединением активных и реактивных элементов?

3. От чего зависит величина и знак угла сдвига фаз между током

и напряжением цепи с параллельным соединением элементов?

Cos

φ

L

R

PV PA PA PA

PA PW

С EL1 EL2

В1 В2

К-50 ЛАТР

4. При каких условиях в электрической цепи наступает состояние

резонанса токов?

5. При каких условиях токи в ветвях электрической цепи могут

превышать действующий ток в неразветвленной части этой же

цепи?

6. Почему состояние, близкое к резонансу токов, является

благоприятным для силовой электрической цепи?

7. Какими величинами надо располагать для расчета емкости

конденсаторной батареи, обеспечивающей повышение

коэффициента мощности установки до заданного значения?

8. Почему нецелесообразно доводить коэффициент мощности

промышленных установок до единицы?


ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ИЗ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫХ

РЕЗИСТИВН0Г0, ИНДУКТИВНОГО И ЕМКОСТНОГО ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ

СИНУСОИДАЛЬНОМ ТОКЕ

Цель работы:

1. Научиться определять основные соотношения электрических

параметров цепи из последовательно соединенных элементов с

помощью векторных диаграмм.

2. Уяснить особенности резонанса напряжений.

Основные теоретические положения В цепях синусоидального тока при последовательном

соединении идеальных элементов R , L , С второй закон Кирхгофа

справедлив для действующих значений падений напряжений в

векторной форме.

__ __ __ __ U = UR + UL + UC

Действующие значения напряжений определяются по закону Ома.

Рис.1. Схема последовательного соединения идеальных элементов

R , L , С UR = IR ; UL=IxL ; UC=IxC ;

R

L

UR

UL U

C

UC

Построение векторной диаграммы начинается с вектора тока,

общего для всех элементов цепи. При сложении векторов каждый

последующий вектор располагается вслед за предыдущим с

учетом сдвига фаз между током и напряжением для каждого

элемента (рис.2).

Рис.2. Векторная диаграмма цепи из последовательно соединенных резистивного, индуктивного и емкостного элементов

при синусоидальном токе

Из точки 0 строим вектор тока произвольного направления

(например, горизонтально). Вектор напряжения UR строим из

точки 0 совпадающим с вектором тока. К концу вектора UR

пристраиваем вектор UC, отстающий от вектора тока на 90°

(вниз). Далее вектор напряжения UL строим опережающим вектор

тока на 90°. Соединяем начало первого вектора с концом

последнего, получаем результирующий вектор приложенного к

цепи напряжения U. При UL >UC вектор напряжения опережает

вектор тока I, угол φ считается положительным. При UL < UC

φ

0

UL

UC

U

I

UR

вектор U отстает от тока на угол φ. Угол φ считается

отрицательным. Цепь носит активно-емкостный характер.

Если UL=UC, вектор напряжения U совпадает с вектором UR по

направлению и по величине. Цепь носит чисто активный

характер. Это явление называется резонансом напряжений.

Реальная катушка индуктивности обладает достаточно большим

активным сопротивлением, пренебречь которым нельзя. Поэтому

угол сдвига фаз между током и напряжением катушки не равен

90°. Его можно определить, подключив катушку к источнику и

измерить UК, IК, PК.

φк=arсcos PК/ UК IК При построении векторной диаграммы вектор sin φк напряжения

UК можно строить опережающим вектор тока на угол φк , или

разложить его на две составлявшие UАК и UL

UАК= UК sin φк, где UК - падение напряжения на катушке.

Векторная диаграмма для случая, когда UL < UC имеет вид

(рис.3). В результате построения векторной диаграммы

необходимо удостовериться, что полученный вектор напряжения

U численно равен поданному напряжению в цепь, а φ

соответствует расчетному значению.

Рис.3. Векторная диаграмма цепи из последовательно соединенных резистивного, индуктивного и емкостного элементов

при синусоидальном токе с учетом активного сопротивления катушки.

Из треугольника напряжений (рис.2) можно получить треугольник

сопротивлений, если все стороны разделить на ток I. Он во всех

элементах один и тот же. Если же стороны треугольника

напряжений умножить на ток, получим треугольник мощностей.

Рис.4.Треугольник сопротивлений.

φ

R=UR/I

Z=U/I

X=Ux/I

φ

UK

Uc

U

I

UR URк

UL

Рис.5. Треугольник мощностей

Из треугольников имеем следующие соотношения:

R = Z cosφ; X = Z sin φ; P=S cosφ; Q = S sin φ.

Перечень приборов и оборудования

1. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).

2. Комплект измерительных приборов К-50.

3. Реостат ламповый (активный потребитель).

4. Катушка индуктивности.

5. Магазин емкостей.

6. Вольтметр с пределом 150 В.


1. Ознакомиться с приборами и оборудованием, записать их

характеристики в бланк отчета.

2. Подключить к источнику питания через комплект

измерительных приборов К-50 одну катушку индуктивности.

Показать схему преподавателю.

3. Подать на катушку 100 В, измерить IК, РК. Рассчитать φК.

φ

P=UR·I

S=U∙I

Q=Ux∙I

4. Собрать электрическую цепь согласно рис.6. Проверить с

преподавателем. Подать напряжение в цепь U=100 В и

поддерживать его постоянным.

Включить одну лампу, катушку и емкость 8 мкФ. Измерить

падение напряжения на всех элементах цепи UR, UL, UC

переносным вольтметром и занести их значения в таблицу 1

вместе с показаниями остальных приборов.

Таблица 1.

Повторить измерения всех параметров , изменяя емкость через 4 мкФ от 8 мкФ до 32 мкФ.По данным

таблицы определить режим, близкий к резонансу напряжений.Ему будет соответствовать

максимальное значение тока и потребляемой мощности от источника

Величины емкости

мкФ

Измерено

Вычислено

U I Р UR, UК UC Z Rа X cosφ

В А Вт В В В Ом Ом Ом -

5. Повторить измерения при включенных двух лампах лампового

реостата. Данные внести в таблицу 1. Убедиться, что резонанс

напряжений наступает при том же значении емкости Срез.

6. Построить векторные диаграммы для трех значений емкости

С<Срез, С=Срез , С>Срез

для одной или двух ламп по заданию преподавателя.

Вычислить основные параметры цепи:

1. Полное сопротивление цепи Z=U/I;

2. Активное сопротивление цепи Ra =R+RК;

_______

3.Реактивное сопротивление X = XL –XC = √ - R a ;

4.Коэффициент мощности cosφ = P/UI


1. Технические данные приборов и оборудования.

2. Схема электрической цепи.

3. Расчетные формулы.

4. Таблицы с результатами измерений и вычислений.

5. Векторные диаграммы напряжений, треугольники

сопротивлений и мощностей.

6. Графики зависимостей I =f(C) , Z =f(C) , UK = f(C) , UC = f(C) ,

cosφ = f(с) в одной системе координат.

7. Краткие выводы по экспериментальным и расчетным данным.


Контрольные вопросы 1.Какой физический смысл вкладывается в понятия «активное,

«индуктивное», «емкостное» сопротивления?

2.Как определить полное, активное и индуктивное сопротивления

катушки с помощью электроизмерительных приборов?

3.Как влияет на полное сопротивление цепи изменение ёмкости

конденсатора, включенного последовательно с катушкой?

Cos

φ

L

R PV

PA PW

EL2

В1

В2

К-50 ЛАТР

PV

PV

EL1

PV

В10

В3 С8

С1

4.Каков порядок построения векторной диаграммы напряжений

при последовательном соединении R,L,C.

5.В чем заключается явление резонанса напряжений и каковы

условия его возникновения?

6.Какую опасность для силовых электроустановок представляет

состояние резонанса напряжений?

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ "ЗВЕЗДОЙ"


Проверить опытным путём соотношение между фазными и

линейными напряжениями. Уяснить роль нулевого провода.

Научиться строить векторные диаграммы напряжений и токов

трехфазных цепей. Проанализировать с помощью векторных

диаграмм изменение фазных напряжений при наличии и

отсутствии нулевого провода.


В цепях трехфазного тока всегда действует симметричная система

трехфазной э.д.с. Независимо от способа соединения обмоток

генератора систему напряжений, им вырабатываемых, можно

представить векторной диаграммой (рис.1). Если пренебречь

сопротивлением проводов линии и потерями напряжений в ней,

можно считать, что непосредственно на потребители воздействует

эта же симметричная система линейных напряжений. Режимы

работы потребителей существенно зависят от способа их

соединения и характера самих потребителей.

Рис 1.Симметричная система напряжений генератора

29

1. Соединение потребителей "звездой" с нулевым проводом.

Электрическая цепь представлена на рис.2

Рис.2.Схема соединений потребителей "звездой"

с нулевым проводом.

120°

120° 120°

UA

UB UC

UAB

UBC

UCA

А

В С

A

B

IA

I0

IB

IC

A´

B´

´

C´

0 0´

UA

UB

UC

UBC

UAB UCA

UA´

UB´ UC´

C

При наличии нулевого провода фазные напряжения на

потребителе остается неизменными и равными фазным

напряжениям генератора.

UА = U’А, UВ = U’В, UС = U’С при любых видах нагрузки.

Измерив фазные и линейные напряжения на потребителях и

линейные токи (Iл = Iф ) помощью векторных диаграмм можно

проверить выполнение первого закона Кирхгофа в трехфазных

цепях.

Построение векторных диаграмм проводится следующим образом.

Строится симметричная система фазных и линейных напряжений

(см. рис.1). Поскольку потребители, используемые в работе,

является активными, фазные токи откладывается в масштабе по

направление фазных напряжений. Затем находится их векторная

сумма. Результирующий вектор должен в масштабе

соответствовать измеренному току I0 . Принцип построения

остается неизменным во всех вариантах нагрузки.

Симметричной в трехфазной системе считается такая нагрузка,

при которой, потребители трех фаз является одинаковыми по

характеру и по величине, т.е.

ZА=ZВ=ZС; φА=φв=φС

Если хотя бы одно из этих условий не соблюдается, нагрузка яв-

ляется несимметричной.

Пример построения векторной диаграммы для несимметричной

нагрузки представлен на рис.3.

Рис.3. Векторной диаграмма для несимметричной нагрузки

2. Соединение потребителей "звездой" в трехпроводной системе.

При симметричной нагрузке в четырехпроводной линии ток в

нулевом проводе отсутствует. Если этот провод отсоединить,

режим работы потребителей не изменится. Фазные напряжения на

потребителях UA', UB' , UC' останутся одинаковыми по величине,

как и токи IA, IB , IC. Поэтому векторная диаграмма напряжений и

токов в трехпроводной системе совпадает с векторной

диаграммой в четырехпроводной системе.

При несимметричной нагрузке фазные напряжения на

потребителе могут отличаться от одноименных фазных

напряжений на генераторе и в общем случае образует

несимметричную систему векторов. Из-за отсутствия нулевого

провода потенциал нулевой точки потребителей 0' не будет

равным нулю. Однако остаются справедливыми соотношения:

__ __ __ __ __ __ __ __ __ UAВ = UA'- UB', UBС = UB '- UC' , UCА =UC' - UA'

UA

UB UC

UAB

UBC

UCA IA

IB

IC IB

IC

I0

Положение нулевой точки 0' на векторной диаграмме можно

найти следующим образом.

Измеряются фазные и линейные напряжения на потребителе и U0

между нулевыми точками потребителя и генератора. Начинается

построение векторной диаграммы с построения симметричной

системы векторов фазных и линейных напряжений генератора

(см.рис.1). Далее из вершин треугольника А, В, С раствором

циркуля, равным соответственно UA', UB', UC' делаем засечки.

Точка их пересечения соответствует потенциалу точки 0'.

Соединив точку 0' с вершинами треугольника, получим

напряжения UA', UB', UC'. Векторная диаграмма для

несимметричной нагрузки представлена на рис.4.

Рис.4. Векторная диаграмма для несимметричной нагрузки.

Вектор, соединявший точки 00' есть U0. Он в масштабе должен

соответствовать измеренному напряжении между точками 00'.

Обрыв фазы и короткое замыкание в фазе потребителя можно

считать несимметричной нагрузкой и векторные диаграммы

UA

UB

UC

UAB

UBC

UCA

0

UB´

UC´

U0

А

В С

0´

UA´

строить по принципу, описанному выше. Если по фазным

напряжениям отложить фазные токи и найти их векторную сумму,

можно убедиться, что при любой нагрузке

__ __ __ IA + IB + IC = 0.


1. Ознакомиться с приборами и оборудованием и записать их


2. Собрать электрическую цепь согласно приложенной схеме.

Проверить правильность её сборки с преподавателем.

3. Провести измерения токов и напряжений при различных

режимах нагрузки согласно таблице 1, куда внести результаты

измерений.

Таблица 1

Режим работы

Измерить

UАВ UВС UСА UА0 UВ0 UС0 U0 IА IВ IС I0

В В В В В В В А А А А

Четы

рехпроводная

система

1.Симмет-ричная нагрузка

2.Несим-метричная нагрузка

3. Обрыв фазы при симмет-ричной нагрузке

Трехпроводна

я

система

1.Симмет-

ричная нагрузка

2.Несим-метричная нагрузка

3. Обрыв фазы при

симмет-ричной нагрузке

4.Корот-кое замы-кание фазы при симмет-ричной

нагрузке

Режимы нагрузки:

1. Симметричная нагрузка: количество потребителей во всех

фазах одинаково.

2. Несимметричная нагрузка: в одной фазе три потребителя, во

второй - два, в третьей - один.

3. Обрыв фазы имитируется отключением всех потребителей в

одной фазе при симметричной нагрузке в двух других.

4. Короткое замыкание в одной фазе выполняется соединением

начала и конца этой фазы проводником при симметричной

нагрузке в двух других фазах.


1. Технические характеристики всех измерительных приборов.


3. Результаты измерений.

4. Векторные диаграммы напряжений и токов для всех режимов

нагрузки.

5. Краткие выводы по работе.

Рис.5. Схема исследования трехфазной системы при соединении

потребителей "звездой


1. Из векторной диаграммы напряжений для симметричной

нагрузки выведите соотношение между Uл и Uф.

____

2. Когда справедливо соотношение UА=√3UФ ?

3. От чего зависит величина тока в нулевом проводе?

4. Как влияет несимметричность нагрузки на величину фазных

напряжений и работу потребителей, соединенных звездой без

нулевого провода?

5. Почему в нулевом проводе нельзя устанавливать

предохранители и выключатели?

EL1

PV

EL8 EL7 EL6 EL5 EL3

В3 В8 В7 В6 В5 В4

РА РАPV PV I2PA

EL9

В9

EL2

В2

EL1

В1

А

В

0N

С

EL4

- точки приборного контроля величин напряжения и тока

Лабораторная paбота №6

ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ ТРЕХФАЗНОГО ТОКА

ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ "ТРЕУГОЛЬНИКОМ"


Проверить опытным путем соотношения между фазными и

линейными токами при симметричной нагрузке. Научиться строить

векторные диаграммы токов и напряжений при соединении

потребителей "треугольником".


При соединении потребителей треугольником каждая фаза

потребителя находится под линейным напряжением, поэтому в

этом случае Uф=Uл (рис.1).

Рис.1. Схема соединений потребителей "треугольником"

Соотношения между линейными (в линейных проводах) и

фазными (в фазах потребителя) токами в соответствии с 1

законом Кирхгофа можно представить как

A

C В

A

С

UAB UCA

UBC

ZAB

ZBC

ZCA

IAB

IBC

ICA

В

IC IB

IA

__ __ __ IА = IАВ - IСА

__ __ __ IВ= IВС - IАВ

__ __ __ IС = IАВ - IВС

В общем случае фазные токи сдвинуты относительно фазных

напряжений на углы φАВ, φВС и φСА, величины которых

определяются характером нагрузки φАВ = φВС =φСА=0.

Зная величину фазных токов, линейные токи можно определить с

помощью векторных диаграмм следующим образом. Линейные

напряжения, вырабатываемые генератором и поступающие на

потребителя, можно, изображать в виде "треугольника", как и при

соединении "звездой". Но для удобства построения и наглядности

их можно представить и в виде симметричной звезды (рис.2)

Рис.2.Векторная диаграмма симметричной «звезды» токов и

напряжений 38

Фазные токи IАВ, IВС, IСА строим совпадающими с напряжениями

UАВ, UВС, UСА Далее, используя правило сложения векторов,

UAB

UBC

IA

IB

IC

IAB

-IAB

-IBC

-IСА

IBC

ICA

находим линейные токи; Надо помнить, что вычитание вектора

соответствует сложение вектора, равного ему по величине и

обратного по направлению.

Если нагрузка симметричная, то IАВ = IВС = IСА

В результате сложения векторов получим IА = IВ = IС, сдвинутые

по фазе относительно друг друга на 120°. Причем убедимся, что

Iл =√3 Iф .

При других видах нагрузки фазные токи не будут равны между

собой. В результате построений, выполненных аналогичным

образом, получим неравные линейные токи с различным углом

сдвига фаг между ними.


1. Вольтметр переменного напряжения (150 В).

2. Амперметр переменного тока (5 А).

3. Ламповые реостаты.


1. Ознакомиться с приборами и оборудованием и записать их


2. Собрать электрическую цепь согласно приложенной схемы.

Проверить правильность ее сборки с преподавателем.

3. Провести измерение токов и напряжений при режимах

нагрузки, указанных, в таблице 1, куда внести результаты

измерений.

Таблица 1

Режимы работы

Измерить

UАВ UВС UСА IАВ IВС IСА IА IВ IС

В В В А А А А А А

1.Симметричная нагрузка

2.Несимметричная нагрузка

3.0брыв фазы при симметричной нагрузке

4.Обрыв линейного провода при симметричной нагрузке

Режимы нагрузки:

1. Симметричная нагрузка: количество потребителей во всех

фазах одинаково.

2. Несимметрична: нагрузка: в одной фазе включены три

потребителя, в другой - два, в третьей - один.

3. Обрыв фазы: в одной фазе все потребители отключены, в двух

других симметричная нагрузка.

4. Обрыв линейного провода: отключить от потребителя и

источника один из линейных проводов при симметричной

нагрузке фаз потребителя.


1. Технические характеристики измерительных приборов.


3. Результаты измерений.

4. Векторные диаграммы напряжений и токов для всех режимов

нагрузки.

5. Краткие выводы.

Рис.3. Схема исследования трехфазной системы при соединении потребителей "треугольником"


1. Каким образом надо соединить фазы потребителя, чтобы

получить соединение «треугольник»?

2. В каком соотношении находятся линейные и фазные токи при

симметричной и несимметричной нагрузке?

3. Нарушается ли нормальная работа потребителей при

несимметричной нагрузке фаз?

4. К каким последствиям для потребителей , соединенных в схему

«треугольник», приводит перегорание предохранителя в одном из

линейных проводов?

EL1

PV

EL8 EL7 EL6 EL5 EL3

В3 В8 В7 В6 В5 В4

PA

EL9

В9

EL2

В2

EL1

В1

А

В

С

EL4

- точки приборного контроля величин напряжения и тока

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

РАЗВЕТВЛЕННАЯ МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ ТРЕХФАЗНОГО

ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы — исследовать распределение магнитных потоков в

разветвленной магнитной цепи трехфазного стержневого

трансформатора в различных случаях намагничивания и

ознакомиться с особенностями его устройства.


Основными величинами, характеризующими магнитное поле,

являются магнитная индукция В и намагниченность J .

Магнитная индукция В (интенсивность магнитного поля) - это

векторная величина, определяемая по силовому воздействию

магнитного поля на ток.

Намагниченность J - магнитный момент единицы объема

вещества.

В Международной системе единиц (СИ) приняты единицы изме-

рения магнитной индукции В — тесла или вебер на квадратный

метр (тл, вб/м2).

В инженерной практике магнитную индукцию принято измерять в

гауссах (гс): 1 тл = 104 гс.

Кроме этих двух величин, магнитное поле характеризуется

напряженностью (густотой) магнитного поля H .

Магнитная индукция В и напряженность магнитного поля H

связаны соотношением

В= μ0 μ H = μа H , где:

- μа-абсолютная магнитная проницаемость, гн/м;

- μ0 - магнитная проницаемость вакуума, гн/м;

- μ- относительная магнитная проницаемость.

Для пустоты (вакуума, воздуха) абсолютная магнитная

проницаемость имеет минимальное значение и ее принято

обозначать μ0 и называть абсолютной магнитной проницаемостью

пустоты.

10 6256110 740

,πμ гн/м

Магнитной цепью называют совокупность м.д.с., ферромагнитных

тел или каких-либо иных тел или сред, по которым замыкается

магнитный поток. Магнитная система трехфазного стержневого

трансформатора представляет собой пример разветвленной

магнитной цепи. При включении хотя бы какой-нибудь одной из

первичных фазных обмоток на синусоидальное напряжение, в ней

устанавливается переменный ток. Магнитный поток, созданный

этим током, замыкается по стержню данной фазы и по остальным

двум стержням. Распределение магнитного потока по стержням

будет зависеть и от того, на каком из стержней расположена

включенная фазная обмотка. Определить установившееся

распределение магнитных потоков можно, измеряя вторичные э.

д. с, которые будут наводиться при изменении магнитных

потоков. Допуская синусоидальную форму кривой магнитного

потока, для вторичной э. д. с. существует выражение

(трансформаторная формула):

E2=4,44 w2 f Фm.

Здесь w2 — число витков вторичной фазной обмотки;

f - частота в гц; E2 — вторичная фазная э. д. с. в В ;

Фm—амплитуда магнитного потока, пронизывающего данную

фазную обмотку (в в-сек). Отсюда:

Фm= E2/4,44 w2 f

Выражение для магнитного потока запишем теперь в следующем

виде: Магнитный поток Ф=Fм/Rм, где магнитное сопротивление

Rм= ℓ /μа S, ℓ - длина контура вокруг проводника с током, μа –

абсолютная магнитная проницаемость среды, S - cечение контура.

Намагничивающая сила Fм=Iw, где I – ток в проводнике, w –

число проводников с током. Таким образом, магнитный поток Ф

пропорционален намагничивающей силе F и обратно

пропорционален магнитному сопротивлению Rм. Эту зависимость

называют законом Ома для магнитной цепи.

Благодаря свойству замкнутости магнитных линий, в каждой

узловой точке магнитной цепи соблюдается первый закон

Кирхгофа для магнитных потоков: „Сумма разветвленных

магнитных потоков после разветвления равна магнитному потоку

до его разветвления". Из принципа непрерывности магнитного

потока следует, что для узла магнитной цепи справедливо

выражение:

ΣФ=0 Уравнение является аналогом первого закона Кирхгофа для

магнитной цепи: алгебраическая сумма потоков, сходящихся в

узле цепи, равна нулю.

При намагничивании сердечника однофазным током (при

пользовании одним из линейных напряжений питающей сети)

магнитные потоки складываются алгебраически, во всех

остальных случаях — геометрически.

Из закона полного тока следует магнитный аналог второго закона

Кирхгофа: алгебраическая сумма НС (намагничивающей силы)

обмоток в замкнутом контуре магнитной цепи равна

алгебраической сумме магнитных напряжений на отдельных

участках контура.

ΣIkWk = ΣHkLk

Если направление обхода контура совпадает с направлением НС,

то эта НС записывается со знаком « + ». Если направление

магнитного потока на участке не совпадает с направление обхода

контура, то магнитное напряжение Uм = Н ℓ на этом участке

записывается со знаком « - ».

Необходимое лабораторное оборудование

1.Трехфазный трансформатор.

2.Измерительный комплект К-50

2.Вольтметры – 3 шт.

2.Амперметр.


1.Определить число витков в первичной и вторичной обмотках,

для чего используется дополнительно намотанная на стержень

трансформатора с обмоткой B-y обмотка w3 c тридцатью витками

( рис.1.). Для определения числа витков рабочих обмоток

трансформатора подадим линейное напряжение на первичную

обмотку трансформатора (выводы B-y), измерим величину

поданного напряжения U1 на первичной обмоткe w1, напряжение

U2 на вторичной обмотке и напряжение U3 на дополнительной

обмотке w3. Число витков на один вольт 30 / U3.

Тогда число витков обмотки w1= 30 U1 / U3. После измерения

напряжения U2 число витков обмотки w2=30 U2 / U3

2.Определить магнитодвижущую силу (м.д.с.) индуктируемую в

магнитную цепь трансформатора обмоткой w1 (стержень

первичной обмотки трансформатора, выводы B-y) в режиме

холостого хода.

М.д.с. Fнам.=IB·w1

3.Результаты измерений и вычисление по п.1 и п.2. занести в

табл.1

Таблица 1.

Измерения Вычисления

U1 U2 U3 I w1 w2 М.д.с.

В В В А витки витки А

3. Соединить приборы по схеме (рис.1). В ней одно из линейных

напряжений трехфазной цепи прикладывается к фазной

первичной обмотке В-y. Возникший в этой обмотке ток создает

магнитный поток, который разветвляется на две равные части,

так как магнитные сопротивления обоих ветвей магнитной цепи

равны.

Убедиться в том, что ФВ=ФА+ФС. измеряя вторичные фазные э. д. с.

ФА=ФС.

Результаты измерения записать в табл. 2. Таблица 2.

№ схемы

Измерения Вычисления Уравнения, связывающие

потоки Uах Uву Uсz Фа Фв Фс

В В В В-сек В-сек В-сек

1

2

3

4

Рис.1

PV2

PV1

PA

PW

PV3

a x b y c z

A X B Y C Z

U1

U2

U3

W1

W2

W3

K-50

А В С N

Трёхфазная сеть

Рис.2

Рис.3

a x b y c z

A X B Y C Z

W1

W2

a x b y c z

A X B Y C Z

W1

W2

Рис.4

Рис.5

a x b y c z

A X B Y C Z

W1

W2

a x b y c z

A X B Y C Z

W1

W2

4. Аналогично п. 1 приложить напряжение к фазной первичной

обмотке А-х (рис.2), затем к фазной первичной обмотке С-z (рис.3).

П р и м е ч а н и е. В дальнейших схемах для простоты чертежа

вторичные фазные обмотки не обозначены. Линейное напряжение

трехфазной питающей сети – 220 В.

Пользуясь одним из трех линейных напряжений питающей сети

прикладывать его к двум соединенным между собой (рис.4 и 5)

первичным разным обмоткам

Рис.6

a x b y c z

A X B Y C Z

W1

W2

A B C

Сеть

Рис. 6А

5. Включить первичную фазную обмотку А - x на линейное

напряжение трехфазной сети UAB, а обмотку С - z на линейное

напряжение UBC (рис.6). Убедиться, что ФА=ФС=ФВ. Построить

векторную диаграмму.

6.Соединить первичные и вторичные фазные обмотки «звездой» и

включить в трехфазную сеть (рис.7). Произвести измерение и

сравнение фазных и линейных напряжений. Результаты

измерений занести в таблицу3. Построить векторную диаграмму

напряжений трехфазного трансформатора.

Рис.7

ЕАХ

ЕCZ

ФА

Х

ФВ

Х

ФС

Х

a x b y c z

A X B Y C Z

W1

W2

A B Сеть C N

N

N

7. Соединить первичные фазные обмотки «звездой» , а вторичные

фазные обмотки «треугольником», и включить в трехфазную сеть

(рис.8). Произвести измерение и сравнение фазных и линейных

напряжений. Результаты измерений занести в таблицу 3.

Построить векторную диаграмму напряжений трехфазного

трансформатора.

Рис.8

Таблица 3.

№

Рис.

Напряжения первичных обмоток

Напряжения вторичных обмоток

UА

0 UВ0 UС0 UАВ UВС UСА Uа0 Uв0 Uс0 Uав Uвс Uса

7

8

a x b y c z

A X B Y C Z

W1

W2

A B Сеть C N

N


1.Технические данные приборов и оборудования.

2.Схема электрической цепи.

3.Таблицы с результатами измерений и вычислений.

4.Расчетные формулы.

5.Векторные диаграммы.

6.Краткие выводы.

Контрольные вопросы:

1. Магнитные проницаемости - абсолютная, относительная и

пустоты.

2. Напряженность и магнитная индукция поля.

3. Магнитный поток.

4. Сформулировать закон полного тока.

5. Что такое м.д.с.?

6. Что такое магнитное сопротивление?

7. Сформулировать закон Ома для магнитной цепи.

8. Сформулировать законы Кирхгофа для магнитной цепи.

9. Почему при приложении напряжения к первичным обмоткам

А-X и С-Z измеренные в остальных стержнях трансформатора

магнитные потоки отличаются друг от друга?

10.Как правильно производится сложение магнитных потоков в

стержнях трансформатора – алгебраически или геометрически?

11.Чем отличаются друг от друга разветвленные и

неразветвленные магнитные цепи.

12.Каковы особенности устройства и работы трехфазного

трансформатора?


ИССЛЕДОВАНИЕ МАЛОМОЩНОГО ОДНОФАЗНОГО СИЛОВОГО

ТРАНСФОРМАТОРА.

ИЗУЧЕНИЕ АВТОТРАНСФОРМАТОРА, ТРАНСФОРМАТОРА ТОКА,

ТРАНСФОРМАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы: с помощью рабочих характеристик изучить

эксплуатационные свойства исследуемого силового

трансформатора, изучить назначение, особенности конструкции,

применение в схемах электрических цепей автотрансформаторов,

трансформаторов тока и трансформаторов напряжения.

Основные теоретические положения 1.Силовой трансформатор (ТС). Рабочие характеристики (рис.1) показывают, как изменяются

напряжение на вторичной обмотке трансформатора U2 , к. п.д. η

и коэффициент мощности cosφ при увеличении тока I2 вторичной

обмотки или, что то же самое, коэффициента загрузки β= I2/ I2н

(I2н - номинальный ток вторичной обмотки).

U2

η

Cos φ

Рис.1. Рабочие характеристики трансформатора

β

U2

η

Cos φ

Коэффициент трансформации силового трансформатора

U2yjv

ном1

2

1 Uww

К тр

К. п. д. трансформатора η определяется по активной мощности

PРРк

2

02

2

м2

2

1

2

cos

cos

PS

S

РР

PP

yjv

ном

э

где:Р2 – мощность, отдаваемая трансформатором в нагрузку,

Р1 – мощность,потребляемая трансформатором от сети;

коэффициент нагрузки - IIном2

2 ;

I2 – ток нагрузки; I2ном –номинальный ток нагрузки вторичной

обмотки.

Ток , потребляемый первичной обмоткой трансформатора при

холостом ходе, называется током холостого хода и обычно

составляет 3—10% от от номинального тока трансформатора.

С ростом нагрузки напряжение U2 изменяется. Причины - падения

напряжений в активных и индуктивных сопротивлениях обмоток.

Поскольку эти сопротивления весьма малы, то мало и изменение

напряжения U2. Зависимость U2 (I2) или U2(β) называется

внешней характеристикой трансформатора.

Из-за наличия потерь в самом трансформаторе мощность Р2,

отдаваемая нагрузке, всегда меньше мощности Р1 на входе

трансформатора. Потери подразделяются на потери в сердечнике

и потери в обмотках.

Потери в сердечнике Рм (на вихревые токи и гистерезис) зависят

от величины магнитного потока в сердечнике, который остается

примерно одинаковым при постоянстве напряжения U1 на

первичной обмотке. Поэтому потери в сердечнике можно считать

неизменными и не зависящими от нагрузки. Их можно определить

из опыта холостого хода ( I2 =0), измерив активную мощность на

входе трансформатора.

Потери в обмотках Рэ зависят от токов, проходящих по обмоткам и

изменяющихся при регулировании нагрузки. Следовательно, эти

потери являются переменными и зависящими от нагрузки. Потери

в обмотках при номинальной нагрузке определяются из опыта

короткого замыкания путем измерения активной мощности,

потребляемой трансформатором.

С ростом нагрузки к.п.д. трансформатора η сначала

увеличивается, достигает максимума при равенстве постоянных и

переменных потерь и затем незначительно снижается.

Коэффициент мощности трансформатора можно вычислить по

формуле:

QP

P2

1

2

1

1

1cos

Реактивная мощность Q1 зависит от магнитного потока. Так как

при постоянстве напряжения U1 магнитный поток в сердечнике

остается примерно одинаковым, то можно считать, что Q1=const.

В этих условиях при увеличении активной мощности, то есть с

ростом нагрузки, коэффициент мощности возрастает.

2.Автотрансформатор

Автотрансформатором ( АТР) называется трансформатор с одной

обмоткой, в которой совмещены функции первичной и вторичной

обмоток. При этом при преобразовании напряжений

электрическая энергия передается со стороны ВН на сторону НН

или наоборот (в зависимости от необходимости) частично

магнитным путем, а частично электрическим путем из-за

электрической (гальванической) связи сторон ВН и НН через

обмотку трансформатора. АТР применяются в случаях, если

коэффициент трансформации равен 1,5-2 (коэффициент

выгодности). Это ограничение не относится к лабораторным

автотрансформаторам (ЛАТР), которые состоят из

кольцеобразного ферромагнитного магнитопровода с намотанной

на него однослойной обмоткой, по виткам которой скользит

специальный контакт или роликовый контакт по зачищенной от

эмалевой изоляции витков дорожке и который позволяют плавно

регулировать напряжение от нуля до 250 вольт. При этом

короткого замыкания при соединении соседних витков обмотки

ЛАТР скользящим контактом или роликом не возникает в связи с

близостью токов нагрузки и сети по величине и встречной их

направленностью.

3.Измерительный трансформатор напряжения (ТН)

Назначение и применение ТН – понижение высокого напряжения

до пропорциональных необходимых низких значений напряжения,

подаваемого в электроустановках переменного тока на приборы

учета электрической энергии, измерительные приборы, элементы

релейной защиты и автоматики. ТН могут иметь две вторичных

обмотки.

4.Трансформатор тока (ТТ)

Назначение и применение ТТ – понижение больших значений

токов до пропорциональных необходимых низких значений токов,

подаваемого в электроустановках переменного тока на приборы

учета электрической энергии, измерительные приборы, элементы

релейной защиты и автоматики. ТТ могут иметь две вторичных

обмотки. В большинстве случаев стандартное номинальное

значение тока измерительной вторичной обмотки ТТ (S) 5А, также

номинальный ток может быть 1А или 2А. ТТ могут быть

одновитковыми, т.е. магнитопровод имеет только вторичные

обмотки. Роль первичной обмотки выполняет проводник,

проходящий через контур магнитопровода и связывающий

сторону питания со стороной нагрузки.

ТТ позволяет решить следующие проблемы при эксплуатации

электрооборудования:

- отделить(изолировать) первичные силовые цепи с опасным для

человека напряжением от вторичных, безопасных для человека

цепей, и при этом электрическое разделение обеспечивается

изоляцией между первичной и вторичными обмотками ТТ;

- использовать для измерений стандартные измерительные

приборы.


1. Измерительный комплект К-50.

2. Вольтметр переменного напряжения на 15 В.

3. Амперметр переменного тока на 5 А.

4. Трансформатор тока.

5. Исследуемый маломощный силовой трансформатор 0С0-0,25,

250 ВА, 50 Гц, 220/12 В.

6. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР).

7. Трансформатор тока.

8. Трансформатор напряжения.

9. Ламповый реостат.


I. ЛАТР

Осмотреть ЛАТР, установленный на стенде. Разобраться с

особенностями его схемы (рис.2) и конструкции. Определить

точки подключения к сети и к нагрузке. Подключить ЛАТР к сети

и произвести регулирование напряжения на его выходе от нуля

до 250 вольт, одновременно наблюдая работу механики ЛАТРа и

изменение напряжения на его выходе посредством блочного

вольтметра ПВ-Б.

II. Трансформатор тока (ТТ) Ознакомиться с устройством и электрической схемой ТТ.

Определить выводы, маркировку и особенности использования

возможные коэффициенты трансформации ТТ. данного

трансформатора тока. Определить номинальные Определить у

данного ТТ возможные коэффициенты трансформации и записать

их в отчете.

В процессе производства лабораторной работы определять

значения тока в цепи на основании показаний амперметра и

выбранного коэффициента трансформации. Определить у данного

ТТ возможные коэффициенты трансформации и записать их в

отчете.

III.Измерительный трансформатор напряжения (ТН)

Ознакомиться с устройством и электрической схемой ТН.

Определить выводы, маркировку и особенности использования

данного трансформатора напряжения. Определить возможные

коэффициенты трансформации ТН и записать их в отчете.

Подключить вольтметр PV3 с помощью переключателя вольтметра

ПВ (рис.2). На основании показаний вольтметра PV3 и выбранного

значения коэффициента трансформации определить величину

напряжения на выходе ЛАТРа. Проверить правильность подсчета

величины измеренного напряжения показаниями фактически

параллельно и прямо подключенного вольтметра PV1 к выходу

ЛАТРа.

IV.Силовой трансформатор

1. По паспортным данным вычислить номинальные токи в

первичной и вторичной обмотках трансформатора.

I1н = Sн / U1н; I2н = Sн / U2н

где Sн =250 ВА; U1н =220 В, U2н =12 В.

2. Собрать электрическую цепь согласно прилагаемой схеме

(рис.2) проверить ее вместе с преподавателем. Получить

инструктаж преподавателя о производстве измерений с

использованием трансформатора тока.

3.Включить электропитание и с помощью ЛАТРа, установить на

первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение

U1н =220 В. В дальнейшем при производстве экспериментов с

лампами это напряжение поддерживать неизменным.

Регулируя нагрузку трансформатора от режима холостого хода

(все лампы выключены) до максимального числа включенных

ламп, произвести измерения всех величин и результаты занести в

таблицу 1.

Таблица 1

Условия опыта

Измеряется Вычисляется

U1 I1 P1 U2 I2 P2 η сosφ1

% β

В А Вт В А Вт - - -

Хол.ход 220

I лампа 220

2 лампа 220

4 лампа 220

6 лампа 220

8 лампа 220

I0 лампа 220

I2 лампа 220

4. Выключить электропитание и рукоятку ЛАТРа установить на

минимальное напряжение. Подготовить цепь для опыта короткого

замыкания: отключить все приборы от вторичной обмотки и

замкнуть ее накоротко автоматическим выключателем Ав.

Проверить цепь вместе с преподавателем.

Еще раз убедиться, что ЛАТР установлен на минимальное нап-

ряжение. Включить электропитание и, осторожно повышая нап-

ряжение, добиться номинальной величины тока в первичной об-

мотке. В этом состоянии произвести необходимые измерения и

результаты записать в таблицу 2. После окончания измерений

автоматический выключатель Ав выключить.

Таблица 2

U1к I1н P1к

В А Вт

58 5. По измеренным данным произвести необходимые вычисления и

построить графики U2 (β), η(β), сosφ1(β). Рабочие формулы:

P2 = U2 I2; η = P2 / P1; сosφ1 = P1 / U1I1; β = I2 / I2н 6. Сделать выводы об условиях грамотной эксплуатации

трансформатора.

В отчете представить:

1.Перечень электроизмерительных приборов и оборудования с их

техническими характеристиками.

2.Схему лабораторной установки.3.Таблицы измерений и

вычислений.

4. Графики зависимостей U2 (β), η(β), сosφ1(β).

5. Выводы по результатам работы.


Cos

φ

PW

К-50

ЛАТР

PA2

EL1

В6

PA1

PV1

PV2

В5 В4

Т Н

Т Т

Т С

В3 В1 В2 В7

PV3

Ав Н

EL2 EL3 EL4 EL5 EL6 EL7 EL8 EL9 EL10 EL11 EL12

Л1

Л2

И1

И2

ПВ

PV Б

Контрольные вопросы:

1. Назовите номинальные паспортные характеристики

исследуемого трансформатора.

2. Дайте определение коэффициента трансформации

исследуемого трансформатора.

3. Дайте определение напряжения короткого замыкания

исследуемого силового трансформатора. Какова размерность

напряжения короткого замыкания?

4. Что такое коэффициент загрузки трансформатора? Как он

определяется?

6. Как определяются магнитные потери трансформатора? От чего

они зависят?

7. Как определяются электрические потери трансформатора? От

чего они зависят?

8. Дайте определение к.п.д. трансформатора. От чего он зависит

и как?

9. Какие свойства имеют полученные опытным путем

характеристики силового трансформатора.

10. Каковы особенности устройства и работы

автотрансформатора?

11. Каково схемное назначение, характеристики и устройство

трансформатора напряжения?

12. Каково схемное назначение, характеристики и устройство

трансформатора тока?

Лабораторная работа №1 - edu.petrsu.ruЛабораторная работа 1...

Documents