Методические указания к выполнению лабораторных работ
Для студентов факультетов КФ, ФЛЭ, ИТФ и ЗФ всех специализаций
Санкт-Петербург
Одобрено и рекомендовано к изданию
Методическим советом Университета ГА
Ш37(03)
Электротехника. Электроника. Часть 1. Электротехника: Методические указания к выполнению лабораторных работ/ Университет ГА. С.-Петербург, 2011.
Методические указания составлены в соответствии с новыми образовательно-профессиональными программами по дисциплине "Электротехника и электроника".
Предназначены для студентов факультетов КФ, ФЛЭ, ИТФ и ЗФ всех специализации.
Содержат шесть лабораторных работ.
Приведены краткие теоретические сведения, облегчающие подготовку студентов к занятиям в лаборатории и защиту выполненных работ.
Ил.24, табл.9.
Составители:
Рецензент
Университет гражданской авиации 2009
ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
Лабораторные работы составлены в соответствии с программой курса "Электротехника". Выполнение одной работы рассчитано на два академических часа.
В лабораторных стендах используется напряжение 24...380 В, поэтому при выполнении работы необходимо неукоснительно выполнять требования техники безопасности.
Перед выполнением лабораторной работы студент должен по конспекту лекций, дополнительной литературе, изучить принцип действия и принципиальные электрические схемы исследуемой аппаратуры, подготовить протокол работы, куда должны войти: цель и задание к работе, краткие теоретические сведения, таблицы экспериментальных данных.
По методике, изложенной в каждой лабораторной работе, студенту необходимо последовательно выполнить все пункты задания, занеся в протокол паспортные данные изучаемой аппаратуры, ее принципиальные схемы, результаты эксперимента.
К защите лабораторной работы следует окончательно оформить отчет, построить необходимые графики и сделать выводы по работе.
При подготовке к защите целесообразно использовать контрольные вопросы, приведенные в конце каждой работы.
Лабораторная работа №1
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОЙ ЦЕПИ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ
СОЕДИНЕНИЕМ РЕЗИСТОРА, КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ И
КОНДЕНСАТОРА
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование явления резонанса напряжений и условий его возникновения в неразветвленной цепи переменного тока с последовательным соединением Р, L,С.
При этом необходимо:
- снять показания приборов при изменении значения емкости в цепи;
- рассчитать параметры электрической цепи до резонанса и в момент резонанса;
- построить кривые I,ν0, νL, cosφ=f(C)
- составить отчет.
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Известно, что при подключении к зажимам цепи с последовательным соединением элементов R,L,С (рис. 1.1) синусоидального напряжения в ней потечет синусоидальный ток, мгновенное значение которого равно i =Im∙ sinω∙t. Для простоты начальная фаза тока Ψi=0$
ω=2π∙f,
где f- частота источника питания промышленной частоты. f=50 Гц.
Реактивные сопротивления цепи определятся как
ΧL= ω∙L=2π∙f;Χc= = ; Χ= ΧL- ΧC.
Если ХL > ХС, то в цепи преобладает индуктивная нагрузка, а угол сдвига фаз между током в цепи и напряжением
будет положительным, т.е. напряжение, подведенное к цепи, будет опережать ток в цепи.
Если ХС> ХL , то в цепи преобладает емкостная нагрузка и угол сдвига фаз между током в цепи и приложенным напряжением будет отрицательным, т.е. приложенное напряжение будет отставать по фазе от тока в цепи.
В частности, когда ХL= ХСсдвига фаз между током и напряжением цепи будет равен нулю,т.е. ток в цепи и приложенное напряжение совпадает по фазе.
Равенство этих сопротивлений может быть достигнуто изменением емкости или индуктивности. В данной работе явление резонанса достигается изменением емкости конденсатора до резонансного значения Срез. Резонанс в цепи с последовательным соединением элементов R,L,C называют резонансом напряжения.
Действующее значение тока в цепи определяется законом Ома:
;где = =Ζ
Ζ -полное сопротивление цепи; U - действующее значение напряжения, прикладываемое к цепи.
Напряжения на элементах цепи:
UR=I∙R; UL=I∙ω∙L=I∙XL ; UС=I =I∙XС
Когда реактивные сопротивления становятся равными друг другу ХL = ХCили 2π∙f∙L = s w:ascii="Cambria Math" w:h-ansi="Cambria Math" w:cs="Courier New CYR"/><wx:font wx:val="Cambria Math"/><w:b/><w:i/><w:sz w:val="18"/><w:sz-cs w:val="18"/></w:rPr><m:t>ПЂfc</m:t></m:r></m:den></m:f></m:oMath></m:oMathPara></w:p><w:sectPr wsp:rsidR="00000000"><w:pgSz w:w="12240" w:h="15840"/><w:pgMar w:top="1134" w:right="850" w:bottom="1134" w:left="1701" w:header="720" w:footer="720" w:gutter="0"/><w:cols w:space="720"/></w:sectPr></w:body></w:wordDocument>"> наступает взаимная компенсация ХL и ХC(по фазе они противоположны) и возникает явление резонанса напряжений. В этом случае ток в цепи достигает своего максимального значения, определяемого Imax= , где R-активное сопротивление цепи.
Из условия резонанса можно определить резонансную частоту ωp:
ωp∙L=1/ωp∙С
Делаем преобразование LC=1; отсюда получаем ωp==, или fp=
Напряжения на реактивных элементах UL и UС могут оказаться больше напряжения U, приложенного к цепи. Это будет тогда, когда реактивные сопротивления ХL= ХCпревышают активное R, то есть
R<XLp=ωp∙L=L = =ρ.
Величина ρ= называется волновым характеристическим сопротивлением цепи.
Отношение напряжения на реактивных элементах цепи к напряжению на входе называется добротностью контура (цепи):
Qk= =
Явление резонанса напряжений достаточно опасно для электрической цепи. Если заранее не учитывать явление резонанса напряжений, то это мелет привести к авариям или повреждениям приборов и элементов цепи из-за резких "бросков" тока.
При анализе электрических цепей принято строить векторные диаграммы токов и напряжений ( рис.1.2;1.3,а,б,в ).
Если по горизонтали направить вектор общего для всех элементов цепи тока I, то напряжение на активном сопротивлении R будет совпадать по фазе с током, и его мгновенное значение будет определяться соотношением
UR=i·R
Если ток изменяется по синусоидальному закону I=Im·sinω·t ,то UR=R·Im·sinω·tили для действующего значения в комплексной форме:
К=R∙
Напряжение на катушке индуктивности
UL=L =ω·L·Im·sin(ωt+ или L=jωLI,
а напряжение на конденсаторе
UC= = Im·sin(ω·t- или L=-j I.
Для комплексных значений токов и напряжений векторная диаграмма на комплексной плоскости будет иметь вид, показанный на рис.1.2. А для действующих значений напряжений при различных соотношениях реактивных элементов L и С векторные диаграммы представлены на рис 1.3,а,б,в.
3. ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Произвести измерение тока в цепи и напряжений на элементах R,L,C при изменении емкости конденсатора.
2. Отметить значения электрических величин при достижении в цепи явления резонанса, когда ток достигает максимальной величины.
3. Построить векторные диаграммы тока и напряжений до резонанса, когда преобладает индуктивная нагрузка, при наступлении резонанса и после резонанса, когда преобладает емкостная нагрузка.
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Электрическая схема лабораторной установки приведена на рис.1.4
1. Установить движок ЛАТРа в крайнее левое положение.
2. Подать питание на лабораторный стенд, установив переключатель В1 в положение "Вкл."'. Движком ЛАТРа установить входное напряжение на схему U=80 В.
3. Последовательно, набирая тумблерами на магазине емкостей значение C=0,2,4... Мкф, снять показания приборов и занести их в табл.1.1.
4. Настроить электрическую цепь в резонанс путем изменения емкости цепи. Определить значение резонансной емкости Срез. Измеренные величины при резонансе занести в табл.1.1. Момент резонанса, определить по достижению значения Imax - максимального тока в цепи.
5. Установку привести в исходное положение.
6. Рассчитать величины, указанные в табл. 1.1. Расчеты производить по формулам;
а) емкостное сопротивление конденсатора
XC= = ,где f=50Гц; Xcp= ;
б) сопротивление R1= ;
в) индуктивное сопротивление цепи находится из условия резонанса
XL= Xcp= = ;
г) полное сопротивление катушки индуктивности
Ζk= ;
д) активное сопротивление катушки индуктивности
Rk= ;
е) активное сопротивление цепи
R=R1+Rk ;
ж) индуктивность цепи
L= = ;
з) угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи
5. Векторные диаграммы для трех режимов работы цепи
6. Графики зависимости I,UL,UC,φ=f(C)
7. Краткие выводы
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сформулировать закон Ома для цепи с последовательным соединением R,L,C,
2. По каким формулам определяются величины цепи?
3. Назовите условие резонанса напряжений в цепи.
4. Как определить резонансную частоту?
5. Почему при резонансе напряжений ток в цепи достигает максимального значения?
6. Чему равны угол сдвига фаз между напряжением и током и коэффициент мощности цепи при резонансе?
Лабораторная работа №2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЗВЕЗДОЙ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование трехфазной цепи при соединении потребителей звездой в различных режимах ее работы.
При этом необходимо:
- произвести измерения токов и напряжений в цепи при подключении симметричной и несимметричной активной нагрузки;
- проверить соответствие между фазными и линейными величинамипри подключении симметричной активной нагрузки;
- построить по опытным данным векторные диаграммы токов и напряжений при симметричной и несимметричной нагрузке фаз;
- установить влияние обрыва нулевого и линейного провода на работу трехфазной цепи.
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
При соединении трехфазных приемников звездой концы фаз соединены в один узел и образуют нулевую или нейтральную точку О' (рис.2.1). Если источник (генератор) трехфазной ЭДС тоже соединен звездой, то у него концы фаз также соединены в один узел и образуют нейтральную или нулевую точку 0 генератора.
Обычно нулевые точки генератора и приемника соединяются "нулевым" (его еще называют "нейтральным") проводом, в общем случае обладающим сопротивлением .
Начала фаз генератора соединяются с началами фаз приемника линейными проводами. При таком соединении фазные токи равны соответственно линейным токам, а ток в нулевом проводе
= +
Фазные напряжения генератора сдвинуты по фазе относительно друг друга на угол или на 1/3 периода.
Комплексы линейных напряжений выражаются через комплексы фазных напряжений:
; = - ; = - (2.1)
Линейные напряжения (2.1) всегда сохраняют симметричный характер и практически всегда остаются постоянными, т.к. мощность генератора практически всегда больше мощности, потребляемой приемником электрической анергии.
В такой трехфазной системе нагрузка может быть симметричной, когда = =
и несимметричной, когда ≠ ≠
При таком соединении фаз интересно рассмотреть следующие случаи.
А. Соединение звездой с нулевым проводом, когда его сопротивление и сопротивления линейных проводов малы и ими можно пренебречь ( т.е. можно предположить, что сопротивления всех проводов равны нулю).
В этом случае фазные напряжения приемника будут равны фазным напряжениям источника
= ; = ; =
и представляют собой симметричную систему.
Токи в фазах, они же токи в линиях, будут определяться в соответствии с законом Ома:
= = ; = = ; = =
В этом случае нулевой провод, не имеющий сопротивления, обеспечивает независимую работу фаз как при симметричной, так и при несимметричной нагрузках.
Векторные диаграммы напряжений и токов, когда нагрузка чисто активная (угол сдвига между током в фазе и фазным напряжением равен нулю), приведены на рис.2.2,а (в случае симметричной нагрузки) и на рис.2.2,б (в случае несимметричной нагрузки).
Б. Соединение звездой с нулевым проводом, имеющим сопротивление ( 0 ), или без нулевого провода ( ) .
При симметричной нагрузке все остается, как и в предыдущем случае.
При несимметричной нагрузке в фазах между нулевыми точками генератора О и приемника О' возникает напряжение
= (2.2)
Напряжения на фазах приемника будут отличаться от фазных напряжений генератора на величину :
- ; - ; - (2.3)
Токи в фазах приемника или в линиях определятся как
= = = ; = = = ;
= = = (2-4)
В случае обрыва нулевого провода токи нагрузки распределятся таким образом, чтобы их сумма равнялась 0:
+ + =0.
В случаях, когда нулевой провод обладает сопротивлением (или без него), в трехфазной системе не обеспечивается независимость работы фаз.
При изменении нагрузки в любой из фаз изменяются (2.2), а, следовательно, и напряжения на фазах приемника (2.3) и фазные токи (2.4). Это сразу же приводит к искажению симметрии фазных напряжений приемника электрической энергии. Напряжение на фазах с большей нагрузкой (т.е. с меньшим сопротивлением фазы) понижается и наоборот.
Векторная диаграмма напряжений в этом случае может иметь вид, изображенный на рис.2.2,в. Это обстоятельство вынуждает все время контролировать целостность нулевого провода.
3, ПРОГРАММА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Схема лабораторной установки приведена на рис.2.3.
1. Пакетный выключатель В1 поставить в положение "Вкл.". На все три фазы приемника (нагрузки) будет подано напряжение.
2. Выключатель Кn поставить в положение "Вкл." (нулевой провод включен).
3. Выключателями К1... К5 в фазах нагрузки установить по амперметрам АА, АB, АC одинаковые токи (симметричная активная нагрузка). Переносным вольтметром V замерить фазные и линейные напряжения.
Замеренные величины занести в табл.2.1в графу "Активная симметричная нагрузка с нулевым проводом"
4. Выключатель K n поставить в положение "Выкл.". Переносным вольтметром V замерить фазные и линейные напряжения,
Замеренные величины занести в табл.2.1 в графу "Активная симметричная нагрузка без нулевого провода".
5. Выключателями К1... К5 в фазах нагрузки установить по амперметрам неодинаковые активные нагрузки (несимметричная нагрузка). Переносным вольтметром V замерить фазные и линейные напряжения. Замеренные величины занести в табл.2.1 в графу "Активная несимметричная нагрузка без нулевого провода".
6. Выключатель Кn поставить в положение "Вкл." (подключен нулевой провод). Переносным вольтметром замерить фазные и линейные напряжения. Замеренные величины занести в табл.2.1 в графу "Активная несимметричная нагрузка с нулевым проводом".
7. Выключатели К1...К5 в нагрузке фазы А поставить в положение "Выкл." (имитируется обрыв линейного провода). Выключателями К1...К5 в двух других фазах по амперметрам Аb, Ас установить одинаковые токи. Переносным вольтметром замерить линейные и разные напряжения. Замеренные величины записать в графу "Активная несимметричная нагрузка с нулевым проводом при обрыве линейного провода" табл.2.1.
8. Выключатель Кn поставить в положение "Выкл." Замерить величины линейных и фазных напряжений. Замеренные величины записать в графу "Активная несимметричная нагрузка без нулевого провода при обрыве линейного провода" табл.2.1.
9. Используя данные измерения, рассчитать величины, указанные в табл. 2.1 по формулам:
PA = VA∙ IA , PB = VB∙ IB, PC = VC∙IC, P = PA + PB + PC
10. По полученным данным построить векторные диаграммы токов и напряжений для случаев 1,3,4,5,6 (табл.2.1).
11. Составить отчет о проделанной работе.
4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА (см.раб.№3 с.20)
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое соединение приемников электрической энергии называется звездой?
2. Чем отличается симметричная нагрузка от несимметричной?
3. Какова роль нулевого провода в четырехпроходной системе?
4. Как определяется ток в нулевом проводе через токи в фазах?
5.
Таблица 2.1
Каково соотношение между линейными и фазными величинами при схеме звезда и симметричной нагрузке?
Лабораторная работа №3
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ТРЕУГОЛЬНИКОМ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование трехфазной цепи типа треугольник в различных режимах ее работы. При этом необходимо:
- провести измерения токов и напряжений в трехфазной цепи при соединении потребителей электроэнергии треугольником;
- проверить соответствие между линейными и фазными токами при подключении симметричной активной нагрузки;
- по опытным данным построить векторные диаграммы напряжений и токов при симметричной и несимметричной нагрузке фаз;
- установить влияние обрыва линейного провода на работу потребителей.
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
При соединении потребителей треугольником конец одной фазы соединяют с началом другой так, что все три фазы образуют замкнутый треугольник (рис. 3.1).
При включении потребителей электроэнергии треугольником в трехфазную сеть обеспечивается полная независимость работы отдельных фаз друг от друга, так как к фазам подводятся напряжения, равные линейным. Эти напряжения можно считать равными и симметричными при разных токах в фазах потребителя ≠ ≠ в пределах нормальной нагрузки (нормальная нагрузка устанавливается в определенных пределах относительно номинальной). Поэтому даже значительные изменения тока в одной из фаз практически не отражаются на напряжениях и токах в других фазах, В случае, если нагрузка всех фаз одинакова = = (при = = ), то система фазных токов являемся симметричной.
Втрехфазной сети типа треугольник линейные (фазные) напряжения приемника также образуют симметричную систему. Поэтому они могут быть представлены на векторной диаграмме равносторонним треугольником (рис.3.2).
Токи в фазах нагрузки могут быть определены:
= ; = ; = (3.1)
Линейные токи определяются по первому закону Кирхгофа для узлов А, В, С:
= - ; = - ; = - ; (3.2)
При симметричной нагрузке фаз фазные сопротивления приемника равны:
= = ,
следовательно, по (3.1) и фазные токи одинаковы по величине (см.рис.3.2, а) :
= = =
Видно, что векторы линейных токов образуют симметричную систему, и токи в линии равны друг другу
= = =
Численное значение линейного и фазного токов связано между собой как
=
При несимметричной нагрузке фаз приемника фазные сопротивления не равны друг другу
≠ ≠
В связи с этим фазные токи (3.1) не будут образовывать симметричную систему. У них разные модули ≠ ≠ и разные углы сдвига фаз между током и напряжением
≠ ≠
Значения линейных токов (3.2) тоже будут различны (см.рис.3.2,б):
≠ ≠
В практике эксплуатации трехфазных цепей бывают случаи обрыва одного из линейных проводов. При таком обрыве две фазы нагрузки, к которым подходил этот линейный провод, окажутся соединенными последовательно и под действием линейного напряжения. То есть при условии симметричной нагрузки фаз
= =
каждая из них окажется под напряжением, равным половине линейного. Режим же работы третьей фазы останется без изменений. Таким образом, соединение в треугольник исключает опасность появления повышенных напряжений на фазах потребителя при обрыве одного из линейных проводов.
3. ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Провести опыт при одинаковой активной нагрузке в фазах приемника (определить токи и напряжения при симметричной нагрузке).
2. Провести опыт при неодинаковой нагрузке фаз приемника (определить токи и напряжения при несимметричной нагрузке).
3. Определить соотношения между линейными и фазными параметрами цепи (для токов и напряжений).
4. Провести опыт при отключении (обрыве) одного из линейных проводов (исследовать влияние обрыва линейного провода на режим работы трехфазной цепи).
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Схема лабораторной установки представлена на рис.3.3.
1. Пакетный выключатель В1 поставить в положение “Вкл.”. На все три фазы приемника будет подано напряжение.
2. Выключателями ламп (активная нагрузка) Kl...К5 установить одинаковые показания амперметров АAB, ABC, АCA, т.е. сделать нагрузку фаз приемника симметричной (одинаковой).
3. Переносным вольтметром V контролировать (при равенстве токов фаз) фазные (линейные) напряжения.
4. Замеренные данные занести в табл.3.1 в графу "Активная симметричная нагрузка".
5. Выключателями ламп нагрузки установить в фазах приемника разные нагрузки, включив произвольное количество ламп, т.е. сделать разные показания амперметров в фазах. Переносным вольтметром замерить фазные (линейные) напряжения. Показания приборов записать в графу 3 табл.3.1.
6. Выключателями ламп К1...К5 установить одинаковые токи в фазах нагрузки (активная, симметричная нагрузка). Размыканием ключа К отключить линейный провод от нагрузки. Переносным вольтметром контролировать фазные и линейные напряжения нагрузки. Показания приборов записать в табл.3.1 в графу "Активная нагрузка с обрывом линейного провода".
7. Привести лабораторную установку в исходное положение.
8. По полученным данным проверить соотношение между линейными и фазными величинами.
9. В выбранном масштабе построить векторные диаграммы токов и напряжений.
10. Составить отчет о проделанной работе.
5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Цель работы.
2. Электрическая схема лабораторной установки.
3. Таблица наблюдаемых величин.
4. Векторные диаграммы для исследованных режимов работы схемы.
5. Краткие выводы.
6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие соотношения существуют между линейными токами и напряжениями при соединении фаз приемника треугольником в случае симметричной нагрузки?
2. Как изменяются значения линейных и фазных токов при обрыве одного из линейных проводов при равномерной нагрузке?
3. Как измерить активную мощность приемника, фазы которого соединены треугольником при симметричной и несимметричной нагрузках?
Лабораторная работа №4
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Практическое усвоение приемов лабораторного исследования однофазного трансформатора и определение его параметров.
Необходимо:
- проделать опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора;
- исследовать работу трансформатора под нагрузкой;
- определить параметры трансформатора;
- по опытным и расчетным данным построить графики;
- составить отчет о проделанной работе.
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Трансформатор предназначен для преобразования электрической анергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения той же частоты. Однофазный трансформатор состоит из магнитопровода и двух обмоток, электрически изолированных друг от друга: первичной (вход) и вторичной (выход). Обмотки расположены на общем ферромагнитном сердечнике и связаны между собой общим магнитным потоком Φ(рис.4.1), замыкающимся по магнитопроводу (сердечнику).
В реальном трансформаторе кроме основного потока Φ есть еще так называемые потоки рассеяния Φp1 и Φp2 Они связаны (пересекают витки) с витками обмоток W1 и W2 соответственно и замыкаются частично через магнитопровод (сердечник) и частично через воздух. Эти потоки определяют потери в трансформаторе.
Различают три основных режима работы трансформатора: режим холостого хода, режим короткого замыкания, режим работы трансформатора под нагрузкой.
При режиме холостого хода (XX) к первичной обмотке трансформатора подведено напряжение U1, соответствующее его номинальному значению (U1 = Uном), а вторичная обмотка трансформатора разомкнута, т.е. ток I2= 0. При этом ток в первичной обмотке трансформатора достигает значения I1X =(5...8) %I1ном.
Физика явлений в трансформаторе при холостом ходе следующая.
Синусоидальное напряжение U1, приложенное к первичной обмотке, вызывает появление переменного тока I1Xв этой обмотке. Ток создает намагничивающую силу I1XW1 первичной обмотки, которая создает в магнитопроводе переменный магнитный поток.
Изменяясь по синусоидальному закону, поток Ф, пересекая витки обмоток W1 и W2 , наводит в них ЭДС:
I1X - ток в первичной обмотке трансформатора при режиме XX.
В режиме холостого хода вся подводимая к первичной обмотке трансформатора мощность расходуется на компенсацию потерь в магнитопроводе (потери в стали), так как при этом режиме ток во вторичной обмотке равен 0, а ток в первичной обмотке составляет лишь 5...8% от I1НОМ .
При работе трансформатора под нагрузкой по вторичной обмотке его протекает ток I2(ключ К1 на рис.4.1 замкнут), а на первичную обмотку, как и при холостом ходе, подано напряжение U1=U1НОМ.
Магнитный поток Φ в этом случае будет создаваться намагничивающими силами обеих обмоток трансформатора.
ВАЖНО ЗАПОМНИТЬ! Всегда от режима XX до полной нагрузки трансформатора намагничивающая сипа первичной обмотки I1XW1 должна оставаться постоянной (то есть Φ должен оставаться const).
Тогда
При работе трансформатора под нагрузкой уравнения в комплексной форме, описывающие процессы в нем, имеют вид:
;
;
где
r2 - активное сопротивление вторичной обмотки;
Xp2-индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, определяемое потоком рассеяния.
При режиме короткого замыкания (КЗ) выводы (клеммы) вторичной обмотки замкнуты накоротко. Режим короткого замыкания бывает эксплуатационным и опытным. Эксплуатационный режим КЗ может привести к серьезным повреждениям трансформатора за счет больших по величине токов, возникающих в обмотках (при поданном на первичную обмотку U1=U1НОМ).
Опытное КЗ, как и режим XX, проводят для определения параметров трансформатора. Обязательное условие при проведении опыта КЗ - на первичную обмотку трансформатора подают такое пониженное напряжение U1X, при котором ток в первичной и вторичной обмотках достигает своего номинального значения.
Обычно
При режиме короткого замыкания подводимая к первичной обмотке трансформатора мощность расходуется на нагревание проводов первичной и вторичной обмоток (потери в меди), так как потери в магнитопроводе при незначительном U1 напряжении составляют незначительную величину.
Параметры трансформатора (коэффициент трансформации, потери в стали и проводах, сопротивления обмоток и т.д.) определяют по результатам опытов холостого хода и короткого замыкания.
Исследование работы трансформатора в рабочем режиме под нагрузкой позволяет получить данные для построения его внешней характеристики и определения коэффициента его полезного действия.
3. ПРОГРАММА РАБОТЫ
1. Провести опыт холостого хода (ХХ).
2. Провести опыт короткого замыкания (КЗ).
3. Провести испытание трансформатора под нагрузкой.
4. Рассчитать параметры трансформатора. 5. Построить графики зависимостей.
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДА (XX)
1. Проконтролировать: ключи К1 и К2 выключены, В1 выключен. Движок ЛАТРа - в крайнем левом положении.
2. Подать напряжение на лабораторный стенд, установив выключатель В1 в положение "Вкл.".
3. Вращая движок ЛАТРа по часовой стрелке, установить напряжение на первичной обмотке трансформатора U1=U1НОМ=220В.
4. Снять по показаниям приборов: I1X (ток в первичной обмотке), Р1Х(мощность в первичной обмотке) и U2 (напряжение на вторичной обмотке).
Показания занести в таблицу 4.1.
5. Привести лабораторную установку в исходное положение (риc.4.2)
ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ (КЗ)
1. Проконтролировать: ключи К1, К2, выключатель В1 находятся в положении "Выкл.". Движок ЛАТРа - в крайнем левом положении.
2. Ключи К1 и К2 замкнуть.
3. Подать напряжение на лабораторный стенд, установив В1 в положение "Вкл.".
4. Вращая движок ЛАТРа по часовой стрелке добиться, чтобы прибор А1 показал значение номинального тока первичной обмотки.
5. Снять показания приборов, соответствующих I1K - току в первичной обмотке, U1K- напряжению на первичной обмотке, P1K - мощности в первичной обмотке, I1K - току во вторичной обмотке. Показания приборов записать в табл.4.2.
6. Привести лабораторную установку в исходное положение.
ИСПЫТАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА ПОД НАГРУЗКОЙ
1. Проконтролировать: ключи К1, К2, выключатель В1 находятся в положении "Выкл.". Движок ЛАТРа – в крайнем левом положении.
2. Подать напряжение на лабораторный стенд, установив выключатель В1 в положение "Вкл.".
3. Вращая движок ЛАТРа по часовой стрелке, установить по прибору напряжение на первичной обмотке трансформатора U1НОМ=220В.
4. Снять показания приборов и записать значения I1,I2,P1,U2 в табл.4.3.
5. Замкнуть ключ К1. Уменьшая реостатом сопротивление RН,тем самым. увеличивая ток I2 , для 3...4 значений I2 снять по показаниям приборов значения I1,P1,U1 и записать их в табл. 4.3.
6. Привести установку в исходное положение.
Расчеты в таблицах произвести по формулам:
для XX:
- полное сопротивление первичной обмотки
- активное сопротивление первичной обмотки
Таблица 4.1
Измерено
Вычислено
U1
I1Х
P1X
U2X
Z
r1
X1
K
Cos φX
B
А
Вт
В
Ом
Ом
Ом
Таблица 4.2
Измерено
Вычислено
I1K
U1K
P1X
I2K
ZКЗ
rКЗ
XКЗ
Cos φКЗ
А
В
Вт
А
Ом
Ом
Ом
Таблица 4.3
Измерено
Вычислено
I1
I2
P1
U2
P2
Рпот
Cos φ1
η
А
А
Вт
В
Вт
Вт
- реактивное сопротивление первичной обмотки
- коэффициент трансформации
- коэффициент мощности
для КЗ:
- полное сопротивление трансформатора
- активное сопротивление трансформатора
- индуктивное сопротивление трансформатора
- коэффициент мощности
По данным рабочего режима:
- мощность, потребляемая приемником электрической энергии
( ) -активная нагрузка;
- коэффициент мощности трансформатора
- коэффициент полезного действия трансформатора
- мощность потерь
По данным таблиц в выбранном масштабе строятся графики зависимостей.
5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА
1. Цель работы.
2. Электрическая схема лабораторной установки.
3. Таблицы наблюдаемых и вычисленных величин.
4. Эквивалентная схема замещения трансформатора с указанием значений параметров.
5. График зависимостей U1,η,cosφ,P2,P2=f(I2)
6. Краткие выводы по работе.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое трансформатор? Где применяются трансформаторы?
2. Почему трансформаторы применяются лишь в цепях переменного тока?
3. Объяснить устройство и принцип действия однофазного трансформатора.
6. Как проводят опыт XX трансформатора и какие параметры трансформатора определяют при этом?
7. Как определить активные и индуктивные сопротивления обмоток трансформатора?
8. Как проводится опыт КЗ трансформатора и чем он отличается от эксплуатационного КЗ?
9. Какие параметры схемы замещения определяются из опыта КЗ?
10. Как определяется КПД трансформатора?
11. Какие потери энергии существуют в трансформаторе и от чего они зависят?
12. Что такое внешняя характеристика трансформатора?
13. Как зависит внешняя характеристика от характера нагрузки трансформатора ?
Лабораторная работа №5
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Исследование способов регулирования скорости двигателя постоянного тока параллельного возбуждения; снятие рабочих характеристик двигателя.
При этой необходимо:
- снять механическую характеристику двигателя;
- экспериментально подтвердить возможность регулирования скорости вращения двигателя путем изменения тока возбуждения и изменения подводимого напряжения питания.
2. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Цепи якоря и обмотка возбуждения у двигателя с параллельным возбуждением соединены между собой параллельно (рис.5.1). Обмотка возбуждения ОВ двигателя с параллельным возбуждением имеет большое число витков из тонкого провода и, благодаря этому, обладает значительным сопротивлением.
В этом случае ток возбуждения IB во много раз меньше тока якоря IЯ (IВ = (0,05-0,01) IЯ), а подводимое напряжение питания U одно и то же.
Следовательно, ток возбуждения IВ такого двигателя не зависит от тока якоря IЯи от нагрузки двигателя (механического момента на валу двигателя).
Двигатели постоянного тока с параллельным возбуждением обладает весьма ценными качествами, основными из которых является следующие:
- значительный пусковой момент, позволяющий осуществлять ток двигателя при полной нагрузке;
- жесткая скоростная характеристика, то есть практически постоянная скорость при изменении нагрузки в широких пределах;
- возможность широкого и плавного регулирования скорости.
В тех случаях, когда авиационный электрический привод, где электродвигатель является исполнительным элементом, должен обладать указанными качествами, применение двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением становится весьма желательным (например, в электролебедке вертолета, работающего с внешней подвеской, при выпуске (уборке) шасси, закрылков, интерцепторов, тормозных щитков и т.д.).
Важной характеристикой, позволяющей оценить технические возможности электродвигателя, является его механическая характеристика, представляющая собой зависимость скорости вращения якоря двигателя n от вращающего момента Мн при постоянном питающем напряжении (U = const):
n = f (МН).
Данная зависимость позволяет также определить мощность на валу двигателя при изменении момента нагрузки от нуля при холостом ходе до предельно допустимой величины (рис.5.2) .
Ток якоря при работе двигателя равен IЯ= ( U – ЕЯ )/ RЯ.
Так как электродвижущая сила ЕЯ=СЕΦN, то чистота вращения двигателя
где Се - постоянный для данного электродвигателя коэффициент;
Rя- активное сопротивление якорной обмотки (на рис.5.1 обозначена " М ").
Вращающий момент на валу двигателя можно определить по формуле:
МН = СМ IЯ Ф,
где СМ – СЕ·60/2π - величина постоянная для данного электродвигателя.
Так как
,
формулу скорости двигателя можно записать в следующем виде:
.
Если принять, что Ф=const, уравнение скорости можно представить в следующем упрощенном виде: n=А-В·МН, где А и В постоянные коэффициенты, введенные для упрощения записи уравнения для n.
;
Полученное упрощенное уравнение для скорости вращения двигателя показывает, что механическая характеристика n = f (МН) в виде n = А - В·МН графически представляет собой прямую, несколько наклоненную к оси абсцисс МН (рис.5.2). Угол наклона механической характеристики будет тем больше, чем больше значение сопротивления, включенного в цепь якоря. Такой вид механической характеристики свидетельствует о том, что она имеет жесткий характер, то есть скорость вращения якоря двигателя практически остается постоянной от холостого хода двигателя (без нагрузки на валу) до предельно допустимой нагрузки. Очевидно, что указанные двигатели с параллельным возбуждением целесообразно применять в тех системах ВС и аэропорта, где по условиям работы необходимо добиваться постоянства скорости отработки механизма (выпуск шасси и других взлетно-посадочных средств ВС, подъемные устройства и транспортеры в аэропорту и т.п.).
Важным качеством электродвигателя является возможность регулирования скорости в широком диапазоне. Регулирование скорости вращения якоря двигателя осуществляется тремя способами:
- изменением тока возбуждения IВ;
- изменением подводимого напряжения U;
- изменением сопротивления в цепи якоря двигателя RЯ (изменением величины тока в цепи якоря IЯ).
Изменение указанных параметров меняет вид механической характеристики, то есть наклон характеристики по отношению к осям координат. Если, например, уменьшить ток возбуждения IВ (т.е. изменить магнитный поток, создаваемый ОВ в сторону у
= 
; Χ= ΧL- ΧC.
;где 
= 
=Ζ
=I∙XС
наступает взаимная компенсация ХL и ХC(по фазе они противоположны) и возникает явление резонанса напряжений. В этом случае ток в цепи достигает своего максимального значения, определяемого Imax= 
, где R-активное сопротивление цепи.
LC=1; отсюда получаем ωp= 
= 
, или fp= 
=ρ.
= 
К=R∙ 
=ω·L·Im·sin(ωt+ 
или 
L=jωLI,
= 
Im·sin(ω·t- 
или 
= 
,где f=50Гц; Xcp= 
;
;
= 
;
;
;
= 
;
;
.
= 
+ 
или на 1/3 периода.
; 
= 
- 
; 
= 
(2.1)
= 
= 
= 
; 
= 
; 
= 
= 
= 
; 
= 
= 
; 
= 
= 
0 ), или без нулевого провода ( 
) .
= 
(2.2)
:
- 
; 
- 
- 
= 
= 
; 
= 
= 
;
= 
= 
(2-4)
+ 
+ 
=0.
(2.2), а, следовательно, и напряжения на фазах приемника (2.3) и фазные токи (2.4). Это сразу же приводит к искажению симметрии фазных напряжений приемника электрической энергии. Напряжение на фазах с большей нагрузкой (т.е. с меньшим сопротивлением фазы) понижается и наоборот.
≠ 
≠ 
в пределах нормальной нагрузки (нормальная нагрузка устанавливается в определенных пределах относительно номинальной). Поэтому даже значительные изменения тока в одной из фаз практически не отражаются на напряжениях и токах в других фазах, В случае, если нагрузка всех фаз одинакова 
= 
= 
= 
), 
то система фазных токов являемся симметричной.
; 
= 
; 
= 
(3.1)
= 
- 
; 
= 
- 
; 
= 
- 
; (3.2)
= 
= 
= 
= 
≠ 
≠ 
≠ 
; 
; 
; 
, где:
- комплексное значение ЭДС первичной обмотки;
;
;
) -активная нагрузка;
,
.
; 