close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Rukobratskiy Elektrotehnika1

код для вставкиСкачать
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Факультет инженерной экологии и городского хозяйства
Кафедра электроэнергетики и электротехники
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Часть I
Санкт-Петербург
2014
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Факультет инженерной экологии и городского хозяйства
Кафедра электроэнергетики и электротехники
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Часть I
Методические указания
Санкт-Петербург
2014
1
УДК 621.311.1; 621.314.042.52; 621.314.222.6
Рецензент канд. техн. наук, доцент В. В. Резниченко (СПбГАСУ)
ВВЕДЕНИЕ
Электротехника: метод. указания. Ч. I / сост. Н. И. Рукобратский, И. С. Сезина; СПбГАСУ. – СПб., 2014. – 52 с.
Общие положения о работе лаборатории
Методические указания к лабораторным работам разработаны для всех
специальностей очного, вечернего и заочного обучения, могут быть использованы при подготовке к экзаменам.
Содержат все сведения, необходимые для выполнения лабораторных
работ.
Табл. 11. Ил. 13.
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет, 2014
Учебное издание
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Часть I
Составители: Рукобратский Николай Иванович,
Сезина Инна Семеновна
Методические указания
Редактор В. А. Преснова
Корректор М. А. Молчанова
Компьютерная верстка И. А. Яблоковой
Подписано к печати 26.12.14. Формат 60 84 1/16. Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 3,0. Тираж 100 экз. Заказ 146. «С» 101.
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет.
190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 4.
Отпечатано на ризографе. 190005, Санкт-Петербург, 2-я Красноармейская ул., д. 5.
2
До начала лабораторных работ студенты обязаны ознакомиться
с организацией их выполнения, правилами техники безопасности
в лаборатории электротехники и пройти инструктаж по технике безопасности с распиской об этом в соответствующем журнале.
Работы в лаборатории могут проводиться только с разрешения
профессорско-преподавательского состава кафедры.
На рабочем месте во время лабораторной работы могут находиться только материалы, необходимые для данной работы: инструкции, руководства и черновые записи по проводимой работе.
При выполнении работ в лаборатории студенты обязаны: бережно обращаться с лабораторным имуществом, знать правила пользования измерительными приборами, применять приборы и аппараты
только по прямому назначению в пределах допустимых величин тока
и напряжения.
За повреждение приборов и аппаратов студенты несут материальную ответственность.
Правила техники безопасности при работе в лаборатории
общей электротехники
1. Проводить работу на стенде разрешается только группе студентов (не менее двух человек). Один студент может работать на стенде в порядке исключения и только в присутствии преподавателя или
лаборанта.
2. Перед сборкой схемы на рабочем месте студенты обязаны
убедиться, что стенд лабораторной установки отключен от сети электропитания.
3. Сборку схемы разрешается производить только исправными
изолированными проводами с наконечниками.
4. Подключать схему к электросети разрешается только с разрешения преподавателя или лаборанта.
3
5. Перед подключением схемы к электросети студенты должны
обязательно убедиться, что никто не прикасается к токоведущим частям установки.
6. В случае необходимости каких-либо переключений или отключений элементов экспериментальной установки, находящейся под
напряжением, установка должна быть отключена от сети.
7. Включение и отключение стенда от электросети должно производиться одним и тем же лицом. В случае ненормальной работы
установки или угрозы поражения электрическим током кого-либо из
работающих отключение стенда от сети должно быть произведено
немедленно любым из участников работы. О случившемся должно
быть доложено руководителю работ или кому-либо из персонала лаборатории. Повторное включение установки может быть допущено
только руководителем работ после ее проверки и устранения неисправностей.
8. При временном прекращении работ лабораторный стенд должен быть отключен от сети.
Подготовка к проведению эксперимента
При подготовке к лабораторным работам и составлении отчета
рекомендуется использовать материал лекций и рекомендованную
учебную литературу. До начала выполнения работ каждый студент
обязан:
а) ознакомиться с содержанием предстоящей работы и получить
указания преподавателя по всем неясным вопросам;
б) подробно ознакомиться со схемой лабораторной установки,
номинальными данными приборов и аппаратов, смонтированных на
лабораторном стенде, и особенно с расположением выключателей,
подающих питание установке;
в) подготовить предварительные черновые записи по предстоящей работе, принципиальную схему, таблицу для записи паспортных
данных приборов, таблицы для записи экспериментальных данных,
расчетные формулы и т. п.
Перед началом работы студенты опрашиваются руководителем работ по
содержанию предстоящей лабораторной работы. Студенты, не подготовленные к проведению лабораторной работы, не допускаются к ее выполнению.
Для проведения лабораторных работ учебная группа делится на бригады численностью в два – четыре человека.
Из числа студентов бригады, выполняющей лабораторную работу, один
назначается старшим и следит за соблюдением техники безопасности и настоящего положения во время проведения эксперимента.
Порядок проведения работ
Учебно-лабораторные работы выполняются студентами в соответствии с данными методическими указаниями и требованиями руководителя занятиями. При ознакомлении со схемой установки и лабораторным стендом студенты должны определить назначение каждого из приборов, аппаратов, смонтированных на стенде, и их место
в схеме выполняемой лабораторной работы с учетом назначения, пределов измерения приборов и измеряемых ими величин. Паспортные
данные приборов, используемые в данной работе, записать в табл. 1.
Данные приборов указаны на их шкалах.
Собрать схему лабораторной установки. Сборку схемы разрешается производить только исправными проводниками с исправными наконечниками и обязательно при отключенном электропитании.
При сборке схемы вначале, как правило, следует включать главные
токовые цепи, затем – параллельные измерительные цепи и цепи сигнализации и блокировки. Присоединение проводников к клеммам
приборов и аппаратов должно быть надежным и обеспечивать хороший электрический контакт. К каждому зажиму электроизмерительных приборов и реостатов разрешается подключать не более двух
проводников.
Собранную схему студенты обязаны показать преподавателю или
лаборанту для проверки правильности ее сборки и получения разрешения на выполнение эксперимента.
Порядок окончания работ
Примечание. Изучение теоретического материала, описание выполняемой лабораторной работы, подготовка черновых записей (схем, таблиц, формул и т. п.) производятся студентом до прихода в лабораторию.
По окончании работы студенты обязаны отключить схему от
электросети.
4
5
Отчет по выполненной работе составляется лично каждым студентом и предъявляется руководителю работы на следующем занятии. Студенты, не сдавшие отчеты по предыдущей лабораторной работе, к выполнению следующей работы не допускаются.
Отчет должен содержать:
а) титульный лист;
б) принципиальную электрическую схему с необходимыми пояснениями к ней;
в) таблицу с записью паспортных данных применяемых в работе измерительных приборов;
г) таблицы с экспериментальными данными и результатами вычислений;
д) графики и векторные диаграммы;
е) основные формулы, по которым производилась обработка
экспериментальных данных, и примеры расчетов.
Отчет оформляется на листах бумаги формата А4 или двойных
листах из тетради в клетку и подписывается студентами с указанием
даты оформления отчета. Текст, таблицы, формулы в отчете должны
быть написаны чернилами.
Принципиальная электрическая схема лабораторной установки
должна быть выполнена с обязательным соблюдением требований
ГОСТ ЕСКД в части условных графических обозначений и правил
выполнения электрических схем.
Паспортные данные приборов рекомендуется записывать в табл. 1.
Формы таблиц для записи экспериментальных данных и вычисленных величин приведены в методических указаниях к каждой конкретной работе.
6
Примечание
Цена
деления
Пределы
измерения
Класс
точности
Система
Тип прибора
Обозначение
по схеме
Заводской
номер
Таблица 1
Паспортные данные прибора
Наименование
прибора
Отчет по выполненной лабораторной работе
Графики и векторные диаграммы должны быть выполнены
с указанием на них принятых масштабов.
Номер
п/п
Каждый студент обязан предъявить руководителю работ на
проверку и подпись черновик записей результатов экспериментов,
после чего руководитель разрешает произвести разборку схемы.
Разобрав схему, студенты обязаны: аккуратно сложить все проводники, использованные при работе, и убрать их в стол лабораторного стенда; привести в порядок свое рабочее место и возвратить
персоналу лаборатории приборы, полученные на время выполнения
работы.
На титульной странице отчета по работе в правом верхнем углу
должны быть указаны специальность, группа, фамилия и инициалы
студента. Ниже должны быть указаны номер и наименование лабораторной работы, приведена схема лабораторной установки. Все другие материалы отчета разместить на следующих страницах.
Краткое описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд предназначен для проведения лабораторных
работ по электротехнике.
Схема лабораторной работы собирается студентом на стенде
с помощью соединительных проводников.
Конструктивно стенд выполнен в виде приборного щита
(рис. 1), на котором расположены электроизмерительные приборы,
элементы включения и питания стенда и другое электрооборудование. На лабораторном столе установлен также блок реостатов и выключателей и могут находиться дополнительное оборудование и измерительные приборы, необходимые для проведения конкретной лабораторной работы.
Все элементы, необходимые для сборки исследуемых лабораторных схем, выведены на клеммы передних панелей блоков.
На лабораторном стенде представлены блоки:
конденсаторов;
однофазного счетчика;
7
Рис. 1. Общий вид приборного щита:
1 – блок конденсаторов; 2 – блок однофазного счетчика; 3 – блок питания; 4 – блок измерительных приборов; 5 – блок
выпрямителя и лабораторного автотрансформатора (ЛАТР); 6 – блок ламп накаливания
8
питания;
электроизмерительных приборов;
выпрямителя с автотрансформатором;
ламповых реостатов.
Блок конденсаторов состоит из двух групп конденсаторов переменной и постоянной емкости. Группа конденсаторов переменной
емкости набирается путем суммирования отдельных емкостей. Суммирование производится при включении тумблеров блока с указанием номинала подключаемой емкости.
Группа конденсаторов постоянной емкости состоит из трех отдельных конденсаторов емкостью 10, 20 и 30 мкФ.
Блок однофазного счетчика энергии предназначен для определения потребляемой энергии.
Блок питания имеет следующие выводы на панели стенда:
две розетки для подключения стенда к сети с однофазным
напряжением 127, 220 В;
клеммы 0, А, В, С – для подключения трехфазного напряжения с нулевым проводом;
три предохранителя на 5 А каждый;
три сигнальные лампы.
Блок измерительных приборов представлен амперметрами, миллиамперметрами и вольтметрами постоянного и переменного тока.
На панели блока выпрямителя и автотрансформатора (ЛАТР)
размещены следующие элементы:
клеммы для подключения первичной обмотки автотрансформатора к сети с напряжением 127, 220 В;
маховик для установки заданного выходного напряжения;
клеммы вторичной обмотки автотрансформатора;
клеммы выпрямленного напряжения (+) и (–);
два тумблера включения выпрямителя.
Блок ламповых реостатов имеет три группы ламп, которые через клеммы А и Х, В и Y, С и Z подключаются к сети. Сопротивления
в каждой группе зависят от количества включенных ламп. Включение лампы производится тумблером, установленным под лампой.
9
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Цель работы
Измерение и вычисление параметров последовательной цепи.
Приобретение навыков в построении векторных диаграмм.
б) предел измерения амперметра определяется величиной максимального тока в цепи (1 А).
2. При сборке схемы использовать ламповый реостат, который
обладает только активным сопротивлением rр; катушку индуктивности со стальным сердечником zк, которая обладает активным сопротивлением rк и реактивным (индуктивным) сопротивлением xк; переменный конденсатор с дискретным изменением емкости, который
обладает реактивным (емкостным) сопротивлением xс (активным сопротивлением конденсатора можно пренебречь).
а)
Программа работы
1. Ознакомиться с лабораторным стендом и выбрать необходимые измерительные приборы и электрооборудование.
2. Собрать измерительную цепь (рис. 1.1, а) и после проверки
ее преподавателем записать паспортные данные используемых приборов в таблицу «Паспортные данные приборов».
3. Подключить к измерительной цепи последовательно соединенные катушку индуктивности и конденсатор. Снять резонансную
кривую зависимости тока цепи от емкости конденсатора.
4. Исследовать работу неразветвленной цепи, содержащей:
а) последовательно соединенные катушку индуктивности и конденсатор;
б) катушку индуктивности;
в) конденсатор;
г) ламповый реостат.
5. НИРС: снять резонансную кривую зависимости тока цепи от
частоты напряжения питания, используя звуковой генератор переменной частоты.
б)
Методические указания по выполнению работы
1. Выбор пределов измерения измерительных приборов производится исходя из следующих условий:
а) предел измерения вольтметров и обмотки напряжения ваттметра зависит от величины измеряемого напряжения (250 В);
10
Рис. 1.1. Принципиальные схемы:
а – измерительная цепь; б – нагрузки, подключаемые к зажимам измерительной цепи (последовательное соединение катушки индуктивности и конденсатора, катушка индуктивности, конденсатор, ламповый реостат)
11
Таблица 1.1
Зависимость тока цепи от емкости конденсатора при
последовательном соединении катушки индуктивности и конденсатора
где r – активное сопротивление всей цепи; x – реактивное сопротивление всей цепи.
Результаты измерений в неразветвленной цепи
№ п/п
3. Для снятия резонансной кривой подключить к точкам ХТ3,
ХТ4 измерительной цепи (см. рис. 1.1, а) последовательно соединенные катушку индуктивности и конденсатор.
Изменяя емкость конденсатора от 0,5 до 10 мкФ с шагом
0,5 мкФ, записать в табл. 1.1 значения емкости и тока.
По полученным экспериментальным данным построить резонансную кривую I = f(C). Определить резонансную емкость конденсатора Ср, соответствующую максимальному значению тока. Провести прямую, параллельную оси абсцисс, на уровне 0,7 Imax и определить емкости конденсатора Cmin и Cmax, соответствующие точкам
пересечения этой прямой и резонансной кривой.
1
2
3
4
C, мкФ
I, A
5
4. Для исследования работы неразветвленной цепи к точкам ХТ3,
ХТ4 измерительной цепи (см. рис. 1.1, а) поочередно подключить нагрузки, приведенные на рис. 1.1, б: последовательно соединенные катушку индуктивности и конденсатор; катушку индуктивности; конденсатор; ламповый реостат. Произвести измерения тока, мощности
и напряжений. Результаты измерения записать в табл. 1.2.
При последовательно соединенных катушке индуктивности
и конденсаторе измерения произвести при трех емкостях конденсатора Cmin , Ср и Cmax , определенных ранее.
Обработка результатов измерений и составление отчета
по работе
При последовательном соединении участков электрической цепи
полное сопротивление всей цепи
z = r 2 + x2
U
и определяется из выражения z = ,
I
12
(1.1)
(1.2)
Характер
нагрузки
Измеренные величины
U, B I, A
P, Вт Uк, B
Таблица 1.2
Примечание
Uc, B
xк < xc (Cmin = )
Катушка
индуктивности
и конденсатор
xк = xc (Cp =
)
xк > xc (Cmax = )
Катушка
индуктивности
Cmin=
Конденсатор
Ламповый
реостат
6
Активное сопротивление катушки вычисляется по формуле
Pк
rк =
I2
,
(1.3)
где Рк – активная мощность, потребляемая катушкой индуктивности,
в опытах 1–4 равная активной мощности всей цепи Р.
Реактивное (индуктивное) сопротивление катушки определяется следующим образом:
xк = zк2 − rк2 ,
где zк =
(1.4)
Uк
– полное сопротивление катушки индуктивности.
I
Индуктивность катушки вычисляется по формуле
L=
xк
ω
=
13
xк
2π f
,
(1.5)
где , с–1 – круговая частота напряжения питания; f = 50 Гц –
циклическая частота напряжения питания.
Реактивное (емкостное) сопротивление конденсатора можно
вычислить следующим образом:
Uc
.
I
(1.6)
Емкость конденсатора определяется по формуле
1 .
2π f xc
(1.7)
Коэффициенты мощности всей цепи cos
ности cos к вычисляются по формулам:
и катушки индуктив-
Рис. 1.2. Пример построения векторной диаграммы
для последовательного соединения катушки
индуктивности и конденсатора
Составляющие напряжения катушки Uа.к – активная и реактивная
Uр.к – определяются по формулам:
rр =
U
.
I
14
Катушка индуктивности
rк, Ом
Ламповый
реостат
Активное сопротивление лампового реостата определяется по
данным опыта 6:
rр, Ом
(1.10)
№ п/п
 U а.к = I rк

U р.к = I xк
Таблица 1.3
Параметры неразветвленной цепи
(1.11)
15
Вся цепь
cos φ
(1.9)
z,Ом
.
x, Ом
Uк I
r, Ом
Pк
Конденсатор
zк
=
C, мкФ
rк
(1.8)
xc, Ом
cos ϕк =
r P
;
=
z UI
Uр.к, B
cos ϕ =
Uа.к, B
ωxc
L, мГн
=
cos φк
1
zк, Ом
С=
Рассчитанные значения параметров цепи записывают в табл. 1.3.
По результатам измерений и расчетным данным строятся векторные диаграммы. На рис. 1.2 приведен пример построения векторной диаграммы.
xк, Ом
xc =
Реактивное сопротивление всей цепи при последовательном
соединении катушки индуктивности и конденсатора можно определить
по формуле
x = xк − xc .
(1.12)
При построении векторных диаграмм для последовательного
соединения элементов электрической цепи за исходный вектор принимается вектор тока. Векторы напряжений откладываются в масштабе, общем для всех напряжений. Вектор U r совпадает по направлению с вектором тока, а вектор U с отстает от вектора тока на угол /2.
Вектор напряжения U к строится как векторная сумма вектора активной составляющей U а.к, совпадающего по фазе с вектором тока,
и вектора индуктивной составляющей U р.к, опережающего вектор
тока на угол /2.
Вектор приложенного к схеме напряжения U равен векторной
сумме векторов напряжений на отдельных элементах цепи.
При последовательном соединении катушки индуктивности
и конденсатора и условии
хк = хс
(1.13)
наступает резонанс напряжений.
В этом режиме цепь ведет себя как активное сопротивление:
 z = r 2 + ( x − x ) 2 = r;
к
c

r

cos ϕ = z = 1;

ϕ = 0;
 U U
I = = ;
z r

U р.к = U c .

В отчете привести:
принципиальные схемы с необходимыми пояснениями;
паспортные данные приборов;
таблицы и расчетные формулы;
резонансную кривую;
векторные диаграммы для режимов, указанных преподавателем.
Вопросы для самоконтроля
1. Как зависят хк и хс от частоты?
2. Как найти полное сопротивление последовательной цепи, если
известно сопротивление отдельных элементов?
3. Что такое коэффициент мощности?
4. Как можно изменить коэффициент мощности всей цепи?
5. Вследствие чего ток в цепи при резонансе напряжений имеет
наибольшее значение?
6. Что такое резонанс напряжений и каковы его характерные
особенности?
7. Каков знак при хк > хс , хк < хс?
(1.14)
При резонансе напряжений, если реактивные сопротивления
катушки индуктивности и конденсатора значительно больше активного сопротивления цепи, на катушке индуктивности и конденсаторе
возникают перенапряжения, величина которых существенно больше
напряжения питания, что может привести к пробою изоляции и выходу из строя этих элементов.
16
17
Лабораторная работа № 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ПРИ ВКЛЮЧЕНИИ НАГРУЗОК, СОЕДИНЕННЫХ
ПАРАЛЛЕЛЬНО
Цель работы
Измерение и вычисление параметров цепи переменного тока при
параллельном соединении нагрузок. Приобретение навыков в построении векторных диаграмм.
Программа работы
1. Ознакомиться с лабораторным стендом и выбрать необходимые измерительные приборы и электрооборудование.
2. Собрать электрическую цепь (рис. 2.1) и после проверки ее
преподавателем записать паспортные данные используемых приборов в таблицу «Паспортные данные приборов».
Рис. 2.1. Принципиальная электрическая схема для исследования цепи
с параллельным соединением нагрузок
18
3. Исследовать работу разветвленной цепи при параллельном
включении двух нагрузок:
а) лампового реостата и катушки индуктивности;
б) лампового реостата и конденсатора.
4. Исследовать работу разветвленной цепи при параллельном
включении трех нагрузок: лампового реостата, катушки индуктивности и конденсатора.
5. НИРС. Снять резонансные кривые зависимостей общего тока
и реактивной мощности от емкости конденсатора.
Методические указания по выполнению работы
1. Выбор предела измерения измерительных приборов производится исходя из следующих условий:
а) предел измерения вольтметра и обмотки напряжения ваттметра определяется величиной напряжения, на которое включена цепь
(127 В);
б) пределы измерения амперметров, включенных в параллельные ветви, зависят от напряжения и сопротивления ветвей. В работе
приемники подобраны таким образом, что полное сопротивление
каждого из них составляет величину порядка 150 Ом. Пределы измерения амперметра РА1 и токовой обмотки ваттметра, включенных
в общую цепь, зависят от тока, который определяется векторной суммой токов ветвей (~1 А).
2. При сборке схемы использовать ламповый реостат, который
î áëàäàåò òî ëüêî àêòèâí û ì ñî ï ðî òèâëåí èåì rр; катушку индуктивности со стальным сердечником, которая обладает активным сопротивлением rк и индуктивным сопротивлением xк; набор конденсаторов,
который обладает только емкостным сопротивлением xc (активным
сопротивлением конденсатора можно пренебречь).
3. Измерение произвести для режимов, указанных в табл. 2.1.
При параллельном соединении лампового реостата и катушки индуктивности (режим 1) выключатели S1 и S2 замкнуты, а S3 – разомкнут,
а при параллельном соединении лампового реостата и конденсатора
(режим 2) выключатели S1 и S3 замкнуты, а S2 – разомкнут. При включении всех нагрузок все выключатели замкнуты. Результаты измерений для всех режимов записать в табл. 2.1. Изменение параметров
19
Для построения векторной диаграммы необходимо вычислить
величины составляющих общего тока и тока катушки. На рис. 2.2
показан пример построения векторной диаграммы, соответствующей
режиму, при котором включены все три нагрузки.
Таблица 2.1
Результаты измерений при параллельном соединении нагрузок
3
4
5
C, мкФ
Ic, А
Iк, A
Iр, A
2
Ламповый
реостат
и конденсатор
P, Вт
1
Ламповый
реостат
и катушка
индуктивности
I, A
Характер
нагрузки
U, B
№ п/п
Измеренные величины
Таблица 2.2
Параметры цепи при параллельном соединении нагрузок
Iр, A
I а, A
cos φ
y, См
b, См
g, См
bс, См
C, мкФ
Iрк, A
В соответствии со схемой (см. рис. 2.1) для ветви с ламповым реостатом активная проводимость этой ветви рассчитывается по формуле
gр =
Примечание
1 Iр
= ,
rр U
(2.1)
где gр – активная проводимость лампового реостата; Iр – ток, проходящий через ламповый реостат; U – напряжение.
Для ветви с катушкой индуктивности активная проводимость
вычисляется следующим образом:
Iк > I c
Iк
Ic
Iк < I c
20
Вся цепь
1
…
5
gк =
Ламповый
реостат,
катушка
индуктивности
и конденсатор
Iа.к, A
L, мГн
cos φ
yк, См
bк, См
gк, См
Отдельные ветви
gр, См
Обработка результатов измерений
и составление отчета по работе
При параллельном соединении нагрузок расчет цепи проводят
обычно через проводимости отдельных ветвей. Результаты расчетов
записать в табл. 2.2.
Номер опыта
цепи в режимах 3…5 производится изменением емкости конденсатора С. В режиме 3 установить емкость конденсатора С такой, чтобы
ток катушки был больше тока конденсатора. Затем, постепенно увеличивая емкость (уменьшая емкостное сопротивление), следует добиться такого увеличения тока конденсатора, при котором ток катушки
примерно равен току конденсатора (режим 4), при этом цепь будет
находиться в режиме, близком к режиму резонанса токов. Дальнейшее увеличение емкости приведет к увеличению тока конденсатора,
и он будет больше тока катушки (режим 5).
rк
zк2
=
rк
rк2 + xк2
=
Pк
U2
,
(2.2)
где gк – активная проводимость катушки индуктивности; rк – активное сопротивление катушки индуктивности, zк – полное сопротивление катушки; Рк – активная мощность, потребляемая катушкой индуктивности.
21
Активная проводимость всей цепи:
Зная реактивные проводимости катушки индуктивности и конденсатора, можно определить соответственно индуктивность катушки:
g = gр + gк .
(2.3)
Активная мощность, потребляемая катушкой индуктивности,
определяется на основании баланса мощностей:
Pк = P – Pр ,
(2.4)
где Pр = U Iр – активная мощность, потребляемая ламповым реостатом (Iр – ток, проходящий через ламповый реостат); Р – активная мощность, потребляемая всей цепью.
Реактивная проводимость лампового реостата равна нулю.
Полная проводимость катушки индуктивности:
yк =
I
1
= g к2 + bк2 = к ,
U
zк
(2.5)
где Iк – ток, проходящий через катушку индуктивности.
Реактивная (индуктивная) проводимость катушки индуктивности рассчитывается по формуле
bк =
xк
zк2
=
xк
rк2 + xк2
=
yк − g к .
2
2
(2.6)
где Iс – ток, проходящий через конденсатор.
Реактивная проводимость всей цепи:
b = bк − bc .
22
C=
где
(2.8)
ω
=
bк
yк2 ω
,
(2.9)
b
1
= c,
xc ω ω
(2.10)
= 2 f – круговая частота.
Полная проводимость всей цепи:
1
y = g 2 + b2 = ,
z
(2.11)
а коэффициенты мощности катушки индуктивности cos cos вычисляются по формулам:
rк
zк
cos ϕ =
(2.7)
xк
и емкость конденсатора:
cos ϕк =
Реактивная (емкостная) проводимость конденсатора будет:
1 I
bc = = c ,
xc U
L=
=
gк
yк
=
Pк
U Iк
r g
P
= =
.
z y UI
,
к
и всей цепи
(2.12)
(2.13)
Расчетные значения параметров цепи записать в табл. 2.2.
По результатам измерений и расчетным данным строятся векторные диаграммы. На рис. 2.2 приведен пример построения векторной диаграммы. За исходный вектор на диаграмме принять вектор
напряжения. Векторы токов откладываются в масштабе, общем для
всех токов. Величины токов Iр и Ic получены в результате измерений,
а направления этих векторов определяются характером нагрузки,
т. е. вектор Iр по направлению совпадает с вектором напряжения,
23
а вектор Iс опережает вектор напряжения на угол /2. Вектор тока Iк
строится как векторная сумма вектора активной составляющей тока,
проходящей через катушку Iа.к, которая по направлению совпадает
с вектором напряжения, и вектора реактивной составляющей этого
тока Iр.к, которая по направлению отстает на угол /2 от вектора напряжения.
В этом режиме цепь будет вести себя как активное сопротивление:
y = g 2 + (bc − bк ) 2 = g ;
cos ϕ =
g
= 1;
y
ϕ = 0;
I = U y = U g;
(2.16)
I р.к = I c .
В отчете привести:
принципиальную схему с необходимыми пояснениями;
паспортные данные приборов;
таблицы и расчетные формулы;
векторные диаграммы для режимов, указанных преподава–
телем.
Вопросы для самоконтроля
Рис. 2.2. Пример построения векторной диаграммы
при параллельном соединении нагрузок
При этом
 I а.к = I к cos ϕк = U g к ;

 I р.к = I к sin ϕк = U bк .
(2.14)
Активная Iа и реактивная Iр составляющие общего тока I соответственно будут:
 I а = I р + I а.к ;

 I р = I c − I р.к .
(2.15)
1. Как связаны активная, реактивная и полная проводимости
с активным, реактивным и полным сопротивлениями отдельных
ветвей?
2. Как найти активную проводимость всей цепи, если известны
активные проводимости отдельных ветвей? (Аналогично для реактивной и полной проводимостей.)
3. Как изменить коэффициент мощности всей цепи?
4. Почему при включении параллельно нагрузке емкости изменяется реактивная мощность?
5. Что такое резонанс токов и каковы его характерные особенности?
6. Почему потребители электрической энергии, как правило,
включаются в сеть переменного тока параллельно, а не последовательно?
При параллельном соединении катушки индуктивности и конденсатора и условии bк = bc наступает резонанс токов.
24
25
Лабораторная работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ТРЕХФАЗНОГО
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ПРИ СОЕДИНЕНИИ
НАГРУЗОК ПО СХЕМЕ «ЗВЕЗДА»
Цель работы
а) предел измерения вольтметра определяется величинами линейных напряжений, на которые включается исследуемая трехфазная цепь (220 В);
б) при сборке схемы в качестве нагрузок фаз использовать ламповые реостаты (А – Х, В – Y, С – Z), обладающие активными сопротивлениями, равными приблизительно 300 Ом. Поэтому пределы измерений амперметров, включенных в фазные цепи, следует выбрать
равными 0,5 А;
Изучение режимов работы трехфазной цепи переменного тока
при соединении нагрузок по схеме «звезда». Приобретение навыков
в построении векторных диаграмм.
Программа работы
1. Ознакомиться с лабораторным стендом и выбрать необходимые измерительные приборы и электрооборудование.
2. Собрать измерительную цепь (рис. 3.1) и после проверки ее
преподавателем записать паспортные данные используемых приборов в таблицу «Паспортные данные приборов».
3. Исследовать работу цепи, состоящей из трехфазной симметричной активной нагрузки, соединенной звездой с нейтральным
и без нейтрального провода.
4. Исследовать работу цепи, состоящей из трехфазной несимметричной активной нагрузки, соединенной звездой с нейтральным
и без нейтрального провода.
5. Исследовать аварийные режимы (при обрыве линейного провода) работы цепи, состоящей из трехфазной несимметричной активной нагрузки, соединенной звездой с нейтральным и без нейтрального провода.
6. НИРС. Исследовать работу цепи, состоящей из трехфазной
несимметричной разнохарактерной нагрузки, соединенной звездой.
Рис. 3.1. Принципиальная электрическая схема при исследовании
трехфазной системы нагрузок, соединенных звездой
1. Выбор пределов измерительных приборов производится исходя из следующих условий:
в) предел измерения амперметра, включенного в нейтральный
(нулевой) провод, выбирается исходя из того, что ток в нейтральном
проводе равен векторной сумме фазных токов. При несимметричной
нагрузке, когда сопротивления фаз значительно отличаются друг от
друга, ток в нейтральном проводе не превосходит 0,5 А.
2. Измерения произвести для режимов, указанных в табл. 3.1:
а) для получения симметричной нагрузки включить все лампы
в реостатах A – X, B – Y, C – Z;
26
27
Методические указания по выполнению работы
1
(3.1)
где U AX ;U BY ;U CZ – векторы соответствующих фазных напряжений
на нагрузке; U AB ;U BC ;U CA – векторы соответствующих линейных
напряжений на нагрузке.
Ток в нейтральном проводе согласно первому закону Кирхгофа
равен векторной сумме фазных токов:
I N = I AX + I BY + I CZ ,
(3.2)
2
где I N – вектор тока в нейтральном проводе; I AX ; I BY ; I CZ – векторы
соответствующих фазных токов.
28
Вычислено
9
29
UЛ/UФ
8
UN, B
7
IN, A
UCZ, B
6
ICZ, A
UBY, B
5
IBY, A
UAX, B
4
IAX, A
UCA, B
3
UBC, B
2
UAB, B
1
Измерено
С нейтральным
проводом
Режим
работы
цепи
Без нейтрального провода
U AB = U AX − U BY ,

U BC = U BY − U CZ ,
U = U − U ,
CZ
AX
 CA
Bид нагрузки
Обработка результатов измерений включает в себя построение
векторных диаграмм напряжений и токов, а также расчет соотношений линейных и фазных напряжений.
При соединении нагрузок звездой векторы линейных напряжений в соответствии со вторым законом Кирхгофа равны векторной
разности фазных напряжений:
Таблица 3.1
Экспериментальные данные исследования цепи трехфазного
переменного тока при соединении нагрузок звездой
Симметричная
Обработка результатов измерений
и составление отчета по работе
Если сопротивления нагрузок, включенных в отдельные фазы,
равны по абсолютной величине и имеют один и тот же характер (активные, индуктивные или емкостные), то нагрузка считается симметричной.
Номер опыта
б) для получения несимметричной нагрузки в фазе A – X оставить включенными все лампы, в фазе B – Y включить четыре лампы,
а в фазе C – Z – три лампы, при этом амперметры РА1, РА2, РА3 должны показывать разные, значительно отличающиеся друг от друга, токи;
в) для получения аварийного режима следует отключить линейный провод от фазы А выключателем S1. Во всех перечисленных случаях измерение токов производить при отключенном вольтметре.
Величины линейных и фазных напряжений измерять между соответствующими клеммами ламповых реостатов.
Результаты измерений записать в табл. 3.1.
10 11 12 13 14 15
Окончание табл. 3.1
6
5
6
7
8
9
10 11 12 13 14 15
U Л = 3 ⋅ U Ф ≅ 1,73 ⋅ U Л ,
С нейтральным
проводом
4
(3.3)
Без нейтрального
провода
где Uл и UФ – соответственно линейное и фазное напряжение.
При симметричной нагрузке фазные токи равны между собой.
Их векторная сумма равна нулю, в нейтральном проводе ток отсутствует. Вследствие этого при симметричной нагрузке, соединенной
звездой, нейтральный провод не нужен.
При несимметричной нагрузке величины фазных напряжений
зависят от наличия или отсутствия нейтрального провода.
При наличии нейтрального провода величины фазных и линейных напряжений остаются такими же, как и при симметричной нагрузке. Фазные токи, вследствие различных сопротивлений фаз, имеют разные значения, по нейтральному проводу протекает ток IN , определяемый уравнением (3.2).
С нейтральным проводом
при обрыве линейного
провода
5
Несимметричная
4
3
Без нейтрального
провода при обрыве
линейного провода
3
2
Несимметричная
1
При соединении приемников звездой с нейтральным и без нейтрального провода и симметричной нагрузке линейные напряжения:
Рис. 3.2. Векторная диаграмма напряжений
и токов при симметричной активной нагрузке
с нейтральным и без нейтрального провода
Векторные диаграммы напряжений и токов строятся на основании уравнений (3.1) и (3.2). На рис. 3.2 приведен пример построения
векторной диаграммы для симметричной активной нагрузки.
Пример векторной диаграммы для несимметричной активной
нагрузки представлен на рис. 3.3, а. При несимметричной нагрузке,
соединенной звездой без нейтрального провода, изменение тока какой-нибудь фазы вызывает такое изменение токов двух других фаз,
при котором сумма векторов трех токов всегда равна нулю.
30
31
Возникновение несимметричности нагрузки в схеме «звезда»
без нейтрального провода сопровождается перераспределением или,
как называют, перекосом фазных напряжений. Фазные напряжения
различны по величине, и сдвиг между ними отличен от 120°. Пример
векторной диаграммы напряжений и токов для случая несимметричной активной нагрузки без нейтрального провода представлен на
рис. 3.3, б, где пунктиром показаны фазные напряжения источника
электропитания (сети).
а)
Из векторной диаграммы следует, что фазные напряжения по
своему абсолютному значению и по фазе отличаются от фазных напряжений сети, так как между нейтральными точками N – N существует напряжение UN , зависящее от величины и характера нагрузки
отдельных фаз.
При обрыве линейного провода (аварийный режим) и при наличии нейтрального провода напряжения на подключенных к действующим линейным проводам фазах и линейное напряжение между этими линейными проводами остаются такими же, как и при наличии
всех трех линейных проводов.
Векторная диаграмма напряжений и токов для случая активной
нагрузки при обрыве линейного провода, питающего фазу А, представлена на рис. 3.4, а.
При обрыве линейного провода и отсутствии нейтрального провода в несимметричной нагрузке, соединенной звездой, величины
фазных напряжений становятся существенно различными (рис. 3.4, б).
а)
б)
б)
Рис. 3.3. Векторные диаграммы напряжений и токов
при несимметричной нагрузке, соединенной звездой:
а – при наличии нейтрального провода, активная нагрузка;
б – при отсутствии нейтрального провода, активная нагрузка
32
Рис. 3.4. Векторные диаграммы напряжений
и токов при обрыве линейного провода:
а – при наличии нейтрального провода, активная нагрузка;
б – при отсутствии нейтрального провода, активная нагрузка
33
Векторы фазных напряжений U BY и U CZ принимают значения
U BY и U CZ . Нейтральная точкаа N перемещается в точку N , линейное напряжение U = U ′ − U ′ остается прежним, как и при наBC
BY
CZ
личии нейтрального провода. Сумма векторов токов I B + I C = 0 . Изза отсутствия нейтрального провода между нейтральными точками
источника электропитания и нагрузки появляется напряжение UN.
В отчете привести:
принципиальную электрическую схему с необходимыми пояснениями;
паспортные данные приборов;
векторные диаграммы для режимов, указанных преподавателем.
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое симметричная нагрузка?
2. Каково соотношение между линейными и фазными напряжениями при симметричной нагрузке, соединенной звездой?
3. Каково соотношение между фазными и линейными токами
при нагрузке, соединенной звездой?
4. Какую роль выполняет нейтральный провод?
5. Как определить ток, проходящий по нейтральному проводу?
6. Какие особенности работы цепи наблюдаются при несимметричной нагрузке, соединенной звездой без нейтрального провода?
Лабораторная работа № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА ПРИ СОЕДИНЕНИИ НАГРУЗОК
ПО СХЕМЕ «ТРЕУГОЛЬНИК»
Цель работы
Изучение режимов работы трехфазной цепи переменного тока
при соединении нагрузок по схеме «треугольник». Приобретение навыков в построении векторных диаграмм.
Программа работы
1. Ознакомиться с лабораторным стендом и выбрать необходимые измерительные приборы и электрооборудование.
2. Собрать электрическую цепь (рис. 4.1) и после проверки ее
преподавателем записать паспортные данные используемых приборов в таблицу.
Рис. 4.1. Принципиальная электрическая схема для исследования трехфазной
системы нагрузок, соединенных треугольником
34
35
Результаты измерений записать в табл. 4.1.
36
2
3
Симметричная активная
нагрузка
1
Методические указания по выполнению работы
4
5
6
Номинальный
При
отключенной
фазе
При
оборванном
линейном
проводе
(аварийный
режим)
При
отключенной
фазе
При
оборванном
линейном
проводе
(аварийный
режим)
37
rФ, Ом
IC, A
IB, A
IA, A
ICA, A
IBC, A
IAB, A
UCA, B
UBC, B
UAB, B
Режим работы
IЛ/IФ
Вычисленные
Измеренные величины
Номинальный
Несимметричная
активная нагрузка
1. Выбор пределов измерительных приборов производится из
следующих условий:
а) предел измерения вольтметра определяется величинами линейных напряжений, на которые включается исследуемая трехфазная цепь (220 В);
б) при сборке схемы в качестве нагрузок фаз использовать ламповые реостаты (А – Х, В – Y, С – Z), обладающие активными сопротивлениями, равными приблизительно 500 Ом, поэтому пределы измерений фазных амперметров следует выбрать 0,5 А, а линейных
амперметров – 1 А.
2. Измерения произвести для режимов, указанных в табл. 4.1:
а) для получения симметричной нагрузки в реостатах А – Х,
В – Y и С – Z включить по четыре лампы;
б) для получения несимметричной нагрузки в фазе А – Х оставить включенными четыре лампы, в фазе В – Y включить три лампы,
а в фазе C – Z две лампы, при этом амперметры РА4, РА5, РА6 должны
показать разные, значительно отличающиеся друг от друга, токи;
в) обрыв линейного провода и обрыв фазы имитируются с помощью выключателей S2 и S1.
Во всех перечисленных случаях измерения токов производить
при отключенном вольтметре. Величины линейных напряжений измерять между соответствующими клеммами ламповых реостатов.
Вид нагрузки
Таблица 4.1
Экспериментальные данные исследования цепи трехфазного
переменного тока при соединении нагрузок треугольником
Номер опыта
3. Исследовать работу цепи, состоящей из трехфазной симметричной активной нагрузки, соединенной треугольником, в режимах:
а) номинальном;
б) при отключении нагрузки в одной из фаз;
в) при обрыве линейного провода (аварийный режим).
4. Исследовать работу цепи, состоящей из трехфазной несимметричной активной нагрузки, соединенной треугольником в режимах:
а) номинальном;
б) при отключении нагрузки в одной из фаз;
в) при обрыве линейного провода (аварийный режим).
5. НИРС. Исследовать работу цепи, состоящей из трехфазной несимметричной разнохарактерной нагрузки, соединенной треугольником.
Обработка результатов измерений и составление
отчета по работе
Сопротивление нагрузки в фазе рассчитывается по формуле
rФ =
UФ
,
IФ
(4.1)
где UФ , IФ – соответствующие фазные напряжение и ток.
На рис. 4.2 представлена упрощенная схема трехфазной цепи
при соединении нагрузок треугольником. В соответствии с этой схемой при соединении нагрузок треугольником линейные и фазные
напряжения одинаковы:
UЛ = UAB = UBC = UCA = UФ .
 I A = I AB − I CA ,

 I B = I BC − I AB ,
 I C = I CA − I BC ,

(4.3)
где I AB , I BC , I CA – векторы соответствующих фазных токов; I A , I B , I C –
векторы соответствующих линейных токов.
В соответствии с указанными закономерностями строится векторная диаграмма, за исходные векторы в которой берутся три вектора напряжений:U AB , U BC , U CA .
Пример построения векторной диаграммы токов и напряжений
для номинального режима трехфазной цепи при соединении активных нагрузок треугольником приведен на рис. 4.3.
(4.2)
Отсутствие четвертого провода при постоянстве приложенного
к нагрузкам напряжения и, как следствие этого, взаимная независимость фазных токов является некоторым относительным преимуществом соединения треугольником перед соединением звездой.
Рис. 4.3. Векторная диаграмма токов
и напряжений для трехфазной цепи,
содержащей соединенную треугольником
симметричную активную нагрузку
Рис. 4.2. Трехфазная цепь при соединении нагрузок треугольником
Если принять направления токов такими, как указано на рис. 4.2,
то, применяя первый закон Кирхгофа к трем узловым точкам А, В и С,
можно выразить линейные токи цепи как векторные разности
соответствующих фазных токов:
38
Угол сдвига между фазным током и напряжением, знак и величина которого зависят от характера и величины фазной нагрузки,
определяется по формуле
ϕ = arctg
39
xФ
rФ
,
(4.4)
где хФ, rФ – соответственно реактивное и активное сопротивления
нагрузки в фазе.
Векторы линейных токов I A , I B , I C находятся как разности векторов соответствующих фазных токов по уравнениям (4.3).
Просуммировав уравнения (4.3), можно убедиться, что векторная сумма линейных токов независимо от величины фазных токов
равна нулю:
I A + I B + I C = 0.
(4.5)
Если нагрузка симметричная, то фазные, а как следствие, и линейные токи, равны между собой, причем линейные токи в 3 раз
больше фазных.
При отключенной фазе подводимые к фазам напряжения не изменяются, поэтому построение векторной диаграммы для этого режима работы следует также начинать с построения векторов напряжений U AB , U BC , U CA .
Построение векторов фазных и линейных токов ведется так же,
как и в номинальном режиме.
При обрыве линейного провода (аварийный режим работы) питание цепи становится однофазным и равным линейному напряжению. Вследствие этого на двух соединенных последовательно нагрузках происходит перераспределение линейного напряжения пропорционально величинам сопротивлений нагрузок. В третьей фазе
сохраняются нормальные условия питания нагрузки.
Нарушение режима работы нагрузок в двух фазах при обрыве
одного линейного провода является основным недостатком соединения нагрузок по схеме «треугольник».
В отчете привести:
принципиальную электрическую схему с необходимыми пояснениями;
паспортные данные приборов;
таблицу с экспериментальными данными;
векторные диаграммы для режимов, указанных преподавателем.
40
Вопросы для самоконтроля
1. Сохраняется ли постоянство фазных напряжений при несимметричной нагрузке?
2. Какое преимущество имеет схема соединения нагрузок треугольником по сравнению с соединением звездой, звездой с нулевым
проводом?
3. Влияет ли изменение нагрузки в одной из фаз на величины
токов в остальных фазах?
4. Отчего зависит угол сдвига фаз между фазными напряжениями и соответствующими фазными токами?
5. Сохраняются ли одинаковыми соотношения между линейными и фазными токами при симметричной и несимметричной нагрузке?
6. Влияет ли на режим работы остальных нагрузок отключение
одной, двух фаз?
7. Какие недостатки имеются у схемы соединения нагрузок треугольником?
41
Лабораторная работа № 5
автотрансформатор Т2. Нагрузкой rн трансформатора является реостат (15 Ом; 50 Вт):
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО СИЛОВОГО
ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы
Определение основных параметров и характеристик однофазного силового трансформатора.
Программа работы
1. Ознакомиться с лабораторным стендом и выбрать необходимые измерительные приборы и электрооборудование.
2. Собрать схему (рис. 5.1) и после проверки ее преподавателем
записать паспортные данные используемых приборов и оборудования.
3. Провести опыт холостого хода трансформатора.
4. Провести опыт короткого замыкания.
5. Исследовать трансформатор в нагрузочном режиме.
6. НИРС:
а) снять характеристики холостого хода;
б) снять характеристики холостого хода трансформатора с неизолированным и изолированным ярмом и оценить качество магнитопровода;
в) рассчитать к.п.д. трансформатора, используя данные холостого хода и опыта короткого замыкания, и сравнить с экспериментальными значениями.
Методические указания по выполнению работы
Рис. 5.1. Принципиальная схема установки для исследования однофазного
трансформатора
Выбор пределов измерений измерительных приборов производится исходя из номинальных данных трансформатора, приведенных
на принципиальной схеме (см. рис. 5.1).
Для выполнения опыта холостого хода выключить выключатель S1.
С помощью автотрансформатора Т2 установить на первичной
обмотке номинальное напряжение 220 В. Результаты измерений записать в табл. 5.1.
Таблица 5.1
Результаты опыта холостого хода трансформатора
Вычисленная
величина
Измеренные величины
U1xx, B
U2xx, B
I1xx, A
P1xx, Вт
К
Принципиальная схема установки для исследования однофазного трансформатора приведена на рис. 5.1. Исследуемый трансформатор Т1 представляет собой две катушки (первичная и вторичная
обмотки), надетые на стальной сердечник с закрепленным сверху
ярмом. В качестве регулируемого источника напряжения применен
Для выполнения опыта короткого замыкания рукоятку автотрансформатора Т2 поставить в нулевое положение. Движок реостата rн
поставить в нулевое положение. Включить выключатель S1. Плавно
42
43
увеличивая автотрансформатором напряжение на первичной обмотке трансформатора Т1, установить в этой обмотке номинальный ток
0,3 А. Результаты измерений записать в табл. 5.2.
Результаты опыта короткого замыкания
Вычисленные
величины
Измеренные величины
U1кз , В
I1кз , А
Р1кз , Вт
Таблица 5.2
I2кз , А
cos φ1кз
U1кз , %
Для исследования трансформатора под нагрузкой движок
реостата rн поставить на максимум. С помощью автотрансформатора
Т2 установить на первичной обмотке номинальное напряжение
220 В. Плавно уменьшая сопротивление реостата r н, изменять
вторичный ток от 1,5 до 4,5 А через 0,5 А. Результаты измерений для
каждого значения вторичного тока записать в табл. 5.3.
Таблица 5.3
Результаты исследования работы трансформатора под нагрузкой
№
п/п
Измеренные величины
Вычисленные величины
U1, B I1, A P1, Bт U2, B I2, A P2, Вт η, %
cos φ1
Холостым ходом трансформатора называется такой режим, при
котором напряжение на первичной обмотке равно номинальному, вторичная обмотка разомкнута, и ток в ней равен нулю.
Мощность Р1хх называется мощностью холостого хода. Эта мощность почти целиком расходуется на потери в стали сердечника, состоящие из потерь на гистерезис при циклическом перемагничивании стали и потерь на вихревые токи. Потерями в проводнике первичной обмотки из-за малого по величине тока холостого хода I1xx
обычно пренебрегают.
Коэффициентом трансформации К называется отношение э.д.с.
первичной обмотки Е1 к э.д.с. вторичной обмотки Е2. Действующие
значения этих э.д.с. определяются выражениями:
Е1 = 4,44 f ·W1· Фm ,
(5.1)
Е2 = 4,44 f ·W2 · Фm ,
(5.2)
где f – частота, Гц; W1 и W2 – число витков первичной и вторичной
обмоток трансформатора; Фm – амплитудное значение магнитного потока, Вб. В соответствии с выражениями (5.1) и (5.2) можно записать:
β
К=
1
2
3
…
E1 W1
.
=
E2 W2
(5.3)
При холостом ходе можно пренебречь падением напряжения
в первичной обмотке и считать, что:
Обработка результатов измерений и составление
отчета по работе
Трансформатором называется статический (без движущихся
частей) электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток
одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте. Обмотка трансформатора, соединенная с источником электроэнергии, называется первичной. Обмотка, отдающая электроэнергию потребителям, называется вторичной.
44
U1xx =E1 .
(5.4)
Из-за отсутствия тока во вторичной обмотке
U2xx = E2 .
(5.5)
Учитывая, что исследуемый трансформатор является понижающим, коэффициент трансформации К в данной работе рассчитывается по формуле
45
К=
E1 U1xx
.
=
E2 U 2 xx
(5.6)
Рассчитанное по формуле (5.6) значение коэффициента трансформации К записать в табл. 5.1.
Коротким замыканием трансформатора называется такой режим,
при котором вторичная обмотка замкнута накоротко. Следует различать короткое замыкание в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания. Эксплуатационное короткое замыкание является
аварийным режимом, так как приводит к значительному увеличению
токов в первичной и вторичной обмотках и может вызвать разрушение трансформатора.
Опытом короткого замыкания называется искусственный режим
трансформатора, когда вторичная обмотка замкнута накоротко, а на
зажимы первичной подается относительно малое напряжение, при
котором по первичной обмотке протекает номинальный ток.
Мощность Р1кз тратится в основном на нагрев обмоток трансформатора и характеризует так называемые потери в меди обмоток.
Напряжение короткого замыкания является важным параметром
трансформатора. По ГОСТ напряжение короткого замыкания указывается в паспортных данных трансформатора, на основании этого напряжения можно оценить внешнюю характеристику трансформатора.
Значение cos 1кз и напряжения короткого замыкания в процентах от номинального, рассчитанные по формулам (5.7) и (5.8), записать в табл. 5.2.
P1кз
,
U1кз ⋅ I1кз
(5.7)
U1кз
100 %.
U1хх
(5.8)
cos ϕ1кз =
U1кз =
Нагрузочным режимом называется такой, при котором на первичной обмотке поддерживается номинальное напряжение, а нагрузка на вторичной обмотке может быть в пределах от нуля до номинальной.
46
При активном характере нагрузки rн:
Р2 = U2 I2 ,
η=
P2
.
P1
(5.9)
(5.10)
Коэффициент загрузки трансформатора рассчитывается по
формуле
I
β= 2 ,
(5.11)
I 2ном
где I2ном – номинальный ток вторичной обмотки трансформатора
(4,5 А).
Рассчитанные значения мощности Р2, к.п.д. , коэффициента загрузки и cos 1 записать в табл. 5.3.
Одной из важнейших зависимостей, определяющих работу
трансформатора под нагрузкой, является внешняя характеристика.
Внешней характеристикой трансформатора называется зависимость
напряжения на вторичной обмотке от тока вторичной обмотки (тока
нагрузки) при номинальном напряжении на первичной обмотке
и неизменном cos 2 цепи вторичной обмотки.
На основании второго закона Кирхгофа для цепи вторичной обмотки можно записать:
(5.12)
U 2 = E2 − (I 2 r2 ) − (I 2 x2 ),
где r2, x2 – соответственно активное и индуктивное сопротивления
вторичной обмотки.
Выражение (5.12) показывает, что при неизменной э.д.с.
вторичной обмотки при увеличении тока нагрузки возрастают падения
напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях вторичной
обмотки, а напряжение на зажимах вторичной обмотки при активноиндуктивной нагрузке уменьшается. Иногда внешнюю характеристику
трансформатора строят в относительных величинах:
47
U2
= f (β ).
U 2 xx
Нагрузочный режим трансформатора характеризируется также
зависимостями к.п.д. и cos 1 от тока нагрузки.
В отчете привести:
принципиальную схему установки для исследования однофазного трансформатора с необходимыми пояснениями;
паспортные данные приборов и электрооборудования;
таблицы и расчетные формулы;
графики зависимостей: U2 = f1(I2), = f2( ), cos 1 = f3( ).
Вопросы для самоконтроля
1. Почему можно пренебречь потерями в меди при опыте холостого хода?
2. Почему можно пренебречь потерями в стали при опыте короткого замыкания?
3. Какая разница между эксплуатационным коротким замыканием и опытом короткого замыкания?
4. Почему в нагруженном трансформаторе вторичное напряжение отличается от вторичной э.д.с.?
5. Что такое внешняя характеристика трансформатора?
6. Что такое коэффициент загрузки трансформатора?
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Условные обозначения величин
При оформлении отчетов следует использовать следующие обозначения
электрических величин с учетом характера и схемы соединения нагрузки.
1. Параметры всей цепи:
U – напряжение сети;
Uа – падение напряжения на активном сопротивлении
цепи;
Uр – падение напряжения на реактивном сопротивлении
цепи;
I – общий ток цепи;
Iа – активная составляющая тока всей цепи;
Iр – реактивная составляющая тока всей цепи;
z – полное сопротивление всей цепи;
r – активное сопротивление всей цепи;
х – реактивное сопротивление всей цепи;
у – полная проводимость всей цепи;
g – активная проводимость всей цепи;
b – реактивная проводимость всей цепи;
Р – активная мощность всей цепи;
Q – реактивная мощность всей цепи;
S – полная мощность всей цепи;
cos – коэффициент мощности всей цепи.
2. Параметры активной нагрузки:
Ur – падение напряжения;
Ir – ток;
Рr – мощность;
rr – сопротивление;
gr – проводимость.
3. Параметры активно-индуктивной нагрузки (катушки):
Uк – полное падение напряжения на катушке;
Uа.к – падение напряжения на активном сопротивлении катушки;
Uр.к – падение напряжения на реактивном сопротивлении
катушки;
Iк – общий ток катушки;
Iа.к – активная составляющая общего тока катушки;
48
49
Iр.к – реактивная составляющая общего тока катушки;
zк – полное сопротивление катушки;
rк – активное сопротивление катушки;
xк – реактивное сопротивление катушки;
yк – полная проводимость катушки;
gк – активная проводимость катушки;
bк – реактивная проводимость катушки;
Pк – активная мощность катушки;
Qк – реактивная мощность катушки;
Sк – полная мощность катушки;
cos к – коэффициент мощности катушки.
4. Емкостная нагрузка (конденсатор):
Uс – падение напряжения на конденсаторе;
Iс – ток конденсатора;
xс – сопротивление конденсатора;
bс – проводимость конденсатора;
Qс – реактивная мощность конденсатора;
cos c = cos 90° = 0° – коэффициент мощности конденсатора.
5. Схема соединения нагрузки по схемам «звезда» и «треугольник»:
UAB, UBC, UCA – линейные напряжения;
UAX, UBY, UCZ – фазные напряжения;
IA, IB, IC – линейные токи;
IAX, IBY, ICZ – фазные токи.
6. Параметры обмоток однофазного трансформатора:
U1 – напряжение первичной обмотки;
U2 – напряжение вторичной обмотки;
Ixx – ток режима холостого хода трансформатора;
W1 – число витков первичной обмотки трансформатора;
W2 – число витков вторичной обмотки трансформатора;
Е1 – э.д.с. первичной обмотки;
Е2 – э.д.с. вторичной обмотки.
50
Приложение 2
Единицы электрических и магнитных величин
Наименование величин
Сила электрического тока (сокращенно – тока, электрический ток, ток)
Электродвижущая сила
Электрическое напряжение
Электрическое сопротивление (сокращенно –
сопротивление)
Электрическая проводимость (сокращенно –
проводимость)
Электрическая емкость (сокращенно –
емкость)
Индуктивность
Частота электрического тока (сокращенно –
частота)
Магнитный поток
Активная мощность электрической цепи
(сокращенно – активная мощность)
Реактивная мощность электрической цепи
(сокращенно – реактивная мощность)
Полная мощность электрической цепи
(сокращенно – полная мощность)
Наименование
единицы
Обозначение
ампер
А
вольт
вольт
ом
В
В
Ом
сименс
См
фарада
Ф
генри
герц
Гн
Гц
вебер
ватт
Вб
Вт
вар
ВАр
вольт–ампер
ВА
Приложение 3
Приставки для образования десятичных и дольных единиц
Приставка
гига
мега
кило
милли
микро
нано
пико
Множитель
109
106
103
10–3
10–6
10–9
10–12
51
Обозначение
Г
М
к
м
мк
н
п
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...................................................................................................................3
Общие положения о работе лаборатории ....................................................... 3
Правила техники безопасности при работе в лаборатории
общей электротехники ..................................................................................... 3
Подготовка к проведению эксперимента ....................................................... 4
Порядок проведения работ .............................................................................. 5
Порядок окончания работ................................................................................ 5
Отчет по выполненной лабораторной работе ................................................ 6
Краткое описание лабораторного стенда ....................................................... 7
Лабораторная работа № 1. Исследование последовательной цепи
переменного тока ............................................................................................... 10
Лабораторная работа № 2. Исследование цепи переменного тока при
включении нагрузок, соединенных параллельно ............................................ 18
Лабораторная работа № 3. Исследование цепи трехфазного ...................... 26
переменного тока при соединении нагрузок по схеме «эвезда» .................... 26
Лабораторная работа № 4. Исследование цепи трехфазного переменного
тока при соединении нагрузок по схеме «теугольник» ................................... 35
Лабораторная работа № 5. Исследование однофазного силового
трансформатора .................................................................................................. 42
Приложения ........................................................................................................ 49
52
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
3 311 Кб
Теги
rukobratskiy, elektrotehniki
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа