Порядок выполнения работы

3.1.Ознакомиться с лабораторной установкой (модуль ввода-вывода, набор минимодулей, наборное поле).

3.2.Собрать электрическую цепь с последовательным соединением элементов, установив минимодули резистора, батареи конденсаторов и дросселя L1 используемого в качестве индуктивного потребителя Z_k (рис.4) Подключить собранную цепь к источнику переменного напряжения (клеммы «А-N» источника питания). Для измерения тока использовать вход 5 модуля ввода-вывода (гнезда Х25 и Х26). Для измерения напряжений U_R U_K U_C и U использовать входы 1, 2, 3, 4 модуля ввода-вывода на пределе 30 В (гнезда Х9 и Х10, X11 и Х12, X13 и Х14, XI5 и Х16, соответственно). Представить схему для проверки преподавателю.

3.3.Загрузить программу автоматического управления Delta Profi.

В левом верхнем углу в окне программы выбрать меню «Работы». Одинарный щелчок левой кнопкой мыши приводит к появлению контекстного меню, в котором надо выбрать раздел «Электрические цепи - мини».

В появившемся списке работ выбрать «Работа 2-2. Электрическая цепь переменного тока с последовательным соединением элементов». На экране ПК отображается электрическая схема и набор виртуальных измерительных приборов, необходимых в данном эксперименте.

 

 

Рис. 4

 

Запустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» ► или командой главного меню «Управление - Пуск» или горячей клавишей F5.

3.4.Подсоединить параллельно конденсатору дополнительный проводник (исключив этим конденсатор из цепи). Предъявить схему для проверки преподавателю.

3.5.Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF модуля питания, который выключается только в конце лабораторной работы) и модуля ввод-вывод.

На модуле питания включить источник переменного напряжения (SA1+SA3).

Произвести измерения указанных в таблице величин в цепи с последовательным соединением резистора R и катушки Z_K. Результаты измерений занести в табл. 1.

Таблица 1

Схема	U, B	I, мA	UR, В	UK, В	UC, В	P, Вт
R, Zk					−−−−−
R, Xc				−−−−−
R, Zk, Xc1
R, Zk, Xc2
R, Zk, Xc3

 

Выключить источник переменного напряжения (SA1+SA3), убрать дополнительный проводник, подключенный к конденсатору. Подсоединить параллельно индуктивному потребителю             дополнительный проводник (исключив этим его из цепи). Установить заданное преподавателем значение емкости батареи конденсаторов. Предъявить схему для проверки преподавателю.

3.6. Произвести измерения указанных в таблице величин для цепи с последовательным соединением резистора R и конденсатора Хс. Результаты измерений занести в табл. 1. Выключить источник переменного напряжения (SA1+SA3), убрать дополнительный проводник.

3.7. Включить источник переменного напряжения (SA1+SA3). Изменяя величину емкости батареи конденсаторов, добиться наибольшего показания амперметра, т.е. обеспечить состояние цепи близкое к резонансу напряжений. Результаты измерений занести в табл. 1.

3.8.Уменьшая и увеличивая величину емкости батареи конденсаторов (от резонансного значения емкости) провести измерения указанных в таблице величин для двух состояний цепи. Результаты измерений занести в табл. 1. Выключить источник переменного напряжения (SA1+SA3).

3.9.Для цепи с последовательным соединением трех элементов (R, Z_K, С) по результатам измерений рассчитать:

полную мощность цепи S, активные мощности отдельных участков P_R. Р_к и всей цепи Р. реактивную мощность цепи Q, коэффициент мощности цепи cosφ и угол сдвига фаз φ между напряжением на входе цепи и током, а также полное Z_э- активное R_э и реактивное Х_э сопротивления всей цепи, величину емкостного сопротивления Х_с. При определении активной мощности индуктивного потребителя учесть полученное в предшествующей лабораторной работе значение активного сопротивления индуктивного потребителя R_K. Результаты занести в табл.2.

Таблица 2

S=UI BA	PR=URI Вт	PR=RKI² Вт	P=RR+PK Вт	Q= ВАр	cosφ= P/S	φ	Zэ Ом	Rэ Ом	Хэ Ом	Хс= Uс/I Ом

 

3.10.По результатам измерений построить для исследованных цепей в масштабе векторные диаграммы и сделать вывод о характере каждой исследованной цепи.

3.11.Построить зависимости потребляемого тока I, сопротивления цепи Z_э, реактивного сопротивления цепи Х_э коэффициента мощности цепи от величины емкостного сопротивления Х_с.

3.12.Сделать вывод о применении 2-го закона Кирхгофа в цепях переменного тока.

 

4. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

а) наименование работы и цель работы;

б) схему исследуемой цепи;

в) таблицы с результатами опытов и вычислений;

г) расчетные соотношения;

д) векторные диаграммы; с) выводы по работе.

5. Контрольные вопросы

1. Что такое активная, реактивная и полная мощности в цепи переменного

тока?

2. Какая взаимосвязь между полной, активной и реактивной мощностями?

3. Что такое «коэффициент мощности»?

4. Как вычислить полное сопротивление катушки, если известны её активное сопротивление, индуктивность и частота сети?

5. Как вычислить полное сопротивление цепи с последовательным соединением резистора, реальной катушки и конденсатора?

6. От чего зависит угол сдвига фаз между напряжением и током на участке электрической цепи переменного тока?

7. Что такое «треугольник сопротивлений»?

8. Чему равны реактивное сопротивление цепи и реактивная мощность цепи при резонансе?

9. В каком случае исследуемая цепь будет носить активно-индуктивный характер, и в каком - активно-емкостной характер?

 

 

Работа № 2-3. ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ.

ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

 

1. Цель работы

Ознакомиться с особенностями режимов работы цепи с параллельным соединения активных и реактивных элементов, явлением резонанса токов, повышением коэффициента мощности, применением 1-го закона Кирхгофа в цепях переменного тока.

 

Перечень минимодулей

 

Наименование минимодулей	Количество
Дроссель	1
Батарея конденсаторов	1
Резистор 2 Вт 100 Ом	1
Тумблер	3

 

Пояснения к работе

При параллельном соединении элементов получают разветвленную цепь (рис. 1). При параллельном соединении элементов токи r отдельных ветвях зависят от величины приложенного напряжения и полного сопротивления каждой ветви. При этом ток в ветви с резистором I_R совпадает по фазе с напряжением, ток в ветви с индуктивной катушкой I_K отстает по фазе от напряжения на угол φ, зависящий от активного и реактивного сопротивления реальной катушки индуктивности. Ток в ветви с конденсатором I_C опережает напряжение на 90⁰ (рис. 2). В соответствии с первым законом Кирхгофа общий ток I, потребляемый такой цепью от источника питания, определяется геометрической суммой токов отдельных ветвей:

 

Рис. 1

 

Геометрическое построение для определения величины и фазы общего тока представлено на рис. 2, где обозначено:

I_KA, I_A - активные составляющие тока в ветви с индуктивной катушкой и общего тока;

I_KP, I_P - реактивные составляющие тока в ветви с индуктивной катушкой и общего тока.

Рис. 2

 

Под активной составляющей тока понимают составляющую тока, совпадающую по фазе с приложенным напряжением. Под реактивной

составляющей тока - составляющую, расположенную под 90° к приложенному напряжению. Следует помнить, что активная и реактивная составляющие тока – это условие величины, не имеющие физического смысла в последовательной схеме замещения, но удобные для расчетов.

Из векторной диаграммы следует, что ,

Следовательно, величина общего тока I = ,

а угол сдвига фаз между общим током и приложенным напряжением

 

tgφ= / ()/().

 

Данная векторная диаграмма построена в предположении, что емкостной ток  меньше реактивной индуктивной составляющей тока в катушке . Поэтому общий ток отстает по фазе от напряжения. Такая цепь носит активно- индуктивный характер. Если бы емкостной ток  был больше реактивной индуктивной составляющей тока в катушке , то ток, потребляемый цепью из сети опережал по фазе приложенное напряжение и цепь носила бы активно- емкостной характер.

При равенстве реактивной индуктивной составляющей тока в катушке  и емкостного тока  вектор общего тока совпадает по фазе с вектором приложенного напряжения, а его величина определяется только активными составляющими токов , При этом в цепи наступает явление резонанса токов, так как цепь, содержащая реактивные элементы, ведет себя как цепь с чисто активным сопротивлением. При резонансе токов токи в ветвях с реактивными элементами могут значительно превышать ток, потребляемый от источника питания.

3. Порядок выполнения работы

3.1.  Ознакомиться с лабораторной установкой (модуль ввода-вывода, набор минимодулей).

3.2.  Собрать электрическую цепь с параллельным соединением резистора R, индуктивного потребителя Z_K и батареи конденсаторов С (рис. 3).

Рис. 3

 

Установить в заданную преподавателем позицию переключатель батареи конденсаторов С. В качестве индуктивного потребителя Z_K использовать дроссель L1. Для измерения тока использовать входы 5, 6, 7, 8 модуля ввода-вывода (гнезда Х25 и Х26. Х27 и Х28, Х29 и Х30, Х31 и Х32, соответственно). Для измерения напряжения U использовать вход I модуля ввода-вывода на пределе 30В (гнезда Х9 и Х10). Представить схему для проверки преподавателю.

3.3. Загрузить программу автоматического управления Delta Profi.

В левом верхнем углу в окне программы выбрать меню «Работы». Одинарный щелчок левой кнопкой мыши приводит к появлению контекстного меню, в котором надо выбрать раздел «Электрические цепи и основы электроники».

В появившемся списке работ выбрать «Работа № 2-3. Электрическая цепь переменного тока с параллельным соединением элементов». На экране ПК отображается электрическая схема и набор виртуальных измерительных приборов, необходимых в данном эксперименте.

Запустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск»  ► или командой главного меню «Управление - Пуск» или горячей клавишей F5.

3.4. Изучить работу электрической цепи при параллельном соединении потребителей.

Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF модуля питания, который выключается только в конце лабораторной работы) и модуля ввод-вывод.

На модуле питания включить источник переменного напряжения (SA1+SA2).

Поочередно подключая тумблерами соответствующие ветви, измерить напряжение и токи во включенных ветвях, а также ток, потребляемый от источника питания. Подключить с помощью тумблеров все ветви и измерить напряжение и токи в ветвях, а также ток, потребляемый от источника питания. Результаты измерений занести в табл. 1.

Таблица 1

Включены ветви	Измерено							Вычислено
	U, В	I, мА		, мА	, мА		, мА	φ, град	cosφ
R						-----	-----
C			-----				-----
ZK			-----			-----
R, С, ZK
ZK, С1			-----
ZK, С1			-----
ZK, С1			-----

 

 

3.5. Исследовать влияние емкости С, включенной параллельно индуктивному потребителю Z_K, на коэффициент мощности цепи и величину тока I, потребляемого от источника питания. Для этого разомкнуть ветвь с резистором R и установить такое значение емкости батареи конденсаторов, при которой от источника потребляется минимальный ток (состояние, близкое к резонансу токов).

Измерить при этом токи в ветвях и ток, потребляемый из сети. Результаты занести в табл. 1.

Изменить значение емкости конденсатора в сторону увеличения и уменьшения емкости С и снова измерить токи и напряжение. Результаты занести в табл. 1.

Выключить источник переменного напряжения (SA1+SA2).

Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп»  ▀ или командой главного меню «Управление - Стоп» или горячей клавишей F6.

В конце лабораторной работы выключить питание модуля, ввод-вывод и стенда (автоматический выключатель QF модуля питания).

3.6.   По опытным данным методом засечек построить в масштабе векторные диаграммы для каждого опыта, определив для каждого случая по векторной диаграмме угол сдвига фаз j между напряжением и потребляемым током и коэффициент мощности цепи.

3.7.  Сделать выводы

- о влиянии параллельно включенных потребителей друг на друга;

- о влиянии конденсатора, подключенного параллельно индуктивному потребителю, на величину тока, потребляемого из сети и коэффициент мощности цепи;

- о применении 1-го закона Кирхгофа в цепях переменного тока;

 

4. Содержание отчета

а) наименование работы и цель работы;

б) схему эксперимента и таблицу полученных результатов;

в) векторные диаграммы для всех проведенных опытов;

г) выводы по работе.

 

5. Контрольные вопросы

1. Как при параллельном включении потребителей определить величину тока, потребляемого из сети?

2. С какой целью повышают коэффициент мощности цепи?

3. Как можно определить коэффициент мощности цепи?

4. Как изменятся величина тока, потребляемого из сети, и активная мощность цепи, если параллельно активно - индуктивному потребителю включить конденсатор?

5. Почему уменьшается ток, потребляемый из сети, при подключении параллельно индуктивной катушке конденсатора?

6. Как применяется 1-й закон Кирхгофа в цепях переменного тока?

7. Как построить векторную диаграмму цепи, которая содержит параллельно включенные индуктивную катушку и конденсатор?

8. Что такое «резонанс токов»? При каком условии он возникает?

 

Работа № 2 - 4. ТРЕХФАЗНАЯ ЭЛЕКТ РИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ «ЗВЕЗДА»

 

1. Цель работы

 

Ознакомиться с трехфазными системами, измерением фазных и линейных токов и напряжений. Проверить основные соотношения между токами и напряжениями симметричного и несимметричного трехфазного потребителя. Выяснить роль нейтрального провода в четырехпроводной трехфазной системе. Научиться строить векторные диаграммы напряжений и токов.

Перечень минимодулей

 

Наименование минимодулей	Количество
Резистор 2 Вт 100 Ом	1
Резистор 2 Вт 120 Ом	1
Резистор 2 Вт 150 Ом	3
Тумблер	2

 

2. Пояснения к работе

Трехфазная система переменного тока имеет ряд преимуществ по сравнению с однофазным переменным током и поэтому получила широкое применение. Чаще всего электрическая энергия вырабатывается, передается и распределяется между потребителями трехфазными системами. Подавляющее большинство электродвигателей является двигателями трехфазного переменного тока.

Чтобы в трехфазной системе можно было одновременно пользоваться двумя различными напряжениями (например, 380 В  для питания электродвигателей и 220 В - для питания электрических ламп и других однофазных потребителей) применяют четырехпроводную систему электроснабжения. Четырехпроводная линия трехфазной системы имеет четыре провода: три линейных, по которым протекают линейные токи I_A, I_В, I_С и один нулевой (нейтральный) провод, предназначенный для поддержания одинаковых значений фазных напряжений на всех трех фазах потребителя. По нулевому проводу может протекать уравнительный ток I_o, называемый нулевым или нейтральным током. Такая система соединения обмоток трехфазного генератора и приемников (потребителей) называется «звездой» и показана на рис. 1.

Рис. 1

 

При соединении в звезду ток I_A, протекаемый по фазе источника питания, равен току, протекаемому по линейному проводу фазы А.. Этот же ток протекает и по фазе А потребителя. Следовательно, при соединении в звезду фазный ток I_ф равен линейному току I_л: I_ф= I_л

Напряжение между линейными проводам, называемое линейным напряжением (например, U_AB), оказывается в  √3 раз больше, чем фазное напряжение источника питания U_A, U_B или U_с,: U_Л=√3 U_ф.

      Рис. 2                                Рис. 3                            Рис. 4

 

Если трехфазная система симметричная (все сопротивления и мощности фазных потребителей одинаковы), то по всем трем фазам протекают одинаковые но величине токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120°. Ток в нейтральном проводе при этом равен нулю. Напряжения на всех фазах потребителя также отличаются друг от друга только по начальной фазе на 120^° (рис. 2).

При включении в разных фазах различных по мощности потребителей (несимметричная нагрузка), токи каждой фазы (в каждом линейном проводе) отличаются друг от друга не только начальной фазой, но и величиной. По нейтральному проводу при этом протекает ток, вектор которого на основании первого закона Кирхгофа равен геометрической сумме векторов фазных токов (рис.3):      

I_A+ I_B+ I_C= I_O

 

Обрыв нейтрального провода (трехпроводная система) при несимметричной нагрузке приводит к изменению напряжений на всех фазах потребителей и появлению напряжения смещения нейтрали U_Nn (рис. 4). Положение точки «n» на векторной диаграмме при измеренных значениях напряжений на фазах потребителей U_АП, U_ВП и U_СП может быть определено методом засечек (рис. 5) или рассчитано аналитически.

Рис. 5

 

3. Порядок выполнения работы

3.1.  Ознакомиться с лабораторной установкой (модуль питания, модуль мультиметров, набор минимодулей).

3.2.  Собрать схему для измерения напряжений источника питания (рис. б). Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF модуля питания, который выключается только в конце лабораторной работы) и модуля ввод-вывод.

Загрузить программу автоматического управления Delta Profi.

В левом верхнем углу в окне программы выбрать меню «Работы». Одинарный щелчок левой кнопкой мыши приводит к появлению контекстного меню, в котором надо выбрать раздел «Электрические цепи-мини».

В появившемся списке работ выбрать «Работа 2-4. Трехфазная электрическая цепь при соединении потребителей по схеме звезда». Выбрать вкладку «Холостой ход трехфазного источника».

На модуле питания включить трехфазный источник напряжения.

Запустить программу (кнопка «Пуск») и зарисовать осциллограммы фазных напряжений источника. На осциллограммах показать сдвиг по фазе между фазными напряжениями. Отметить соответствующие фазные напряжения. Измерить значения фазных напряжений. С помощью одного из измерителей измерить линейные напряжения. Результаты измерений занести в табл. 1. Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп».

Выключить трехфазный источник напряжения.

Рис. 6

 

Таблица 1

 

Измерено на клеммах источника питания						Вычислено
Линейные напряжения			Фазные напряжения
UАВ, В	UВС, В	UСА, В	UА, В	UВ, В	UС, В	UЛ, В	UФ, В	UЛ/ UФ

 

3.3.  Собрать симметричную трехфазную электрическую цепь (рис. 7). Для измерения токов использовать входы 5, 6, 7, 8 модуля ввода-вывода (гнезда Х25 и Х26. Х27 и Х28, Х29 и Х30, ХЗ1 и Х32, соответственно) Для измерения напряжения U использовать вход 1 модуля ввода-вывода на пределе 30 В (гнезда Х9 и X10). Замкнуть тумблеры SA1 и SA2. Предъявить схему для проверки преподавателю.

Рис. 7

 

3.4. В левом верхнем углу в окне программы выбрать меню «Работы». Одинарный щелчок левой кнопкой мыши приводит к появлению контекстного меню, в котором надо выбрать раздел «Электрические цепи-мини».

В появившемся списке работ выбрать «Работа 2-4. Трехфазная электрическая цепь при соединении потребителей по схеме звезда». Выбрать вкладку «Симметричная цепь». На экране ПК отображается электрическая схема и набор виртуальных измерительных приборов, необходимых в данном эксперименте.

На модуле питания включить трехфазный источник напряжения. Измерить токи и фазные напряжения на потребителях при включенном нейтральном проколе (тумблер SA2 замкнут). Результаты занести в табл. 2.

3.5. Разомкнуть тумблер SA2. Повторить тс же измерения при отключенном нейтральном проводе. Результаты занести в табл. 2.

3.6. Исследовать влияние обрыва линейного провода на режим работы цепи при наличии нейтрального провода. Для этого разомкнуть тумблер SA1 и замкнуть тумблер SA2. Включить источник трехфазного напряжения. Измерить токи и напряжения. Результаты занести в табл. 2. Выключит!, источник питания (SA3).

3.7. Исследовать несимметричную трехфазную цепь. Для этого собрать схему по рис. 8. Предъявить схему для проверки преподавателю.

Рис. 8

 

В левом верхнем углу в окне программы выбрать меню «Работы». Одинарный щелчок левой кнопкой мыши приводит к появлению контекстного мето, в котором надо выбрать раздел «Электрические цепи-мини».

В появившемся списке работ выбрать «Работа 2-4. Трехфазная электрическая цепь при соединении потребителей по схеме звезда». Выбрать вкладку «Несимметричная цепь». На экране ПК отображается электрическая схема и набор виртуальных измерительных приборов, необходимых в данном эксперименте.

3.8. Измерить токи и фазные напряжения на потребителях при наличии нейтрального провода. Результаты записать в табл. 2.

3.9.  Разомкнуть цепь нейтрального провода с помощью тумблера SA2 и вновь измерить токи и напряжения. Результаты записать в табл. 2. Выключить источник трехфазного напряжения.

Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп» ▀ или командой главного меню «Управление - Стоп» или горячей клавишей F6.

Таблица 2

Режим нагрузки	Токи, мА				Напряжения, В
	IA	IВ	IС	IО	Фазные
					UАП	UВП	UСП	UnN
Нейтральный провод включен, нагрузка симметричная
Нейтральный провод выключен, нагрузка симметричная
Нейтральный провод включен, обрыв линейного провода
Нейтральный провод включен, нагрузка несимметричная
Нейтральный провод выключен, нагрузка несимметричная

 

В конце лабораторной работы выключить питание модуля ввод-вывод и

 

стенда (автоматический выключатель QF модуля питания).

3.9. По результатам измерений вычислить

- среднее значение линейных напряжений U_Л источника питания;

- среднее значение фазных напряжений U_Ф источника питания;

- отношение U_Л / U_Ф;

- среднее значение тока при симметричной нагрузке.

3.11.  Для всех проведенных опытов методом засечек построить в масштабе векторные диаграммы токов и напряжений.

3.12.  Сравнить влияние нейтрального провода на работу трехфазной системы при симметричной и несимметричной нагрузке.

 

4. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

а) наименование работы и цель работы;

б) технические данные электроизмерительных приборов;

в) схему эксперимента с включенными измерительными приборами;

г) таблицы с результатами эксперимента и осциллограммы;

д) векторные диаграммы для всех проведенных опытов;

е) вывод о роли нейтрального провода в трехфазной цепи при соединении потребителя по схеме звезда.

5. Контрольные вопросы

1. Какое соединение называется звездой?

2. Каково соотношение между фазным и линейным напряжениями трехфазного источника питания при соединении его обмоток по схеме звезда?

3. Какое соотношение между фазными и линейными токами при соединении в звезду?

4. Как определить величину тока в нейтральном проводе, если известны токи

потребителя?

5. Для чего применяют нейтральный провод?

6. К каким зажимам следует подключить вольтметр, чтобы измерить фазное и линейное напряжение?

7. Какая трехфазная нагрузка называется симметричной?

8. Почему при несимметричной нагрузке обрыв нейтрального провода является аварийным режимом?

Работа № 2 - 5. ТРЕХФАЗНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ «ТРЕУГОЛЬНИК»

 

1. Цель работы

Исследовать особенности работы трехфазной цепи при соединении симметричного и несимметричного потребителей треугольником, усвоить построение векторных диаграмм по результатам эксперимента.

Перечень минимодулей

 

Наименование минимодулей	Количество
Резистор 2 Вт 150 Ом	3
Тумблер	2

 

2. Пояснения к работе

Потребители электрической энергии при питании от трехфазного источника, как и источники электрической энергии, могут быть соединены в треугольник (рис. 1). Следует помнить, что схема включения обмоток трехфазного генератора не предопределяет схему соединения нагрузки. Так, при соединении фаз генератора в звезду нагрузка может быть соединена в звезду с нейтральным проводом, є звезду без нейтрального провода или в треугольник.

При соединении в треугольник симметричной трехфазной нагрузки линейные напряжения оказываются равными фазным напряжениям U_Ф = U_Л, а линейные токи в √3 раз больше, чем токи в фазах потребителя:

I_Л=  I_Ф

Рис. 1

 

При этом все фазные токи равны по величине и отличаются друг от друга по фазе на 120°. То же самое относится и к линейным токам (рис. 2).

При несимметричной нагрузке связь между линейными и фазными токами выражается уравнениями, записанными на основании первого закона Кирхгофа в комплексной или векторной форме:

, .

При соединении в треугольник нулевой провод отсутствует, но все фазные потребители в этом случае должны быть рассчитаны па номинальное линейное напряжение.

Рис. 2

3. Порядок выполнения работы

3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой

Собрать схему для измерения линейных напряжений источника питания (рис. 3).

3.2. Включить электропитание стенда (автоматический выключатель QF модуля питания, который выключается только в конце лабораторной работы) и модуля ввод-вывод.

Загрузить       программу автоматического управления Delta Profi.

В левом верхнем углу в окне программы выбрать меню «Работы». Одинарный щелчок левой кнопкой мыши приводит к появлению контекстного меню, в котором надо выбрать раздел «Электрические цепи- мини».

В появившемся списке работ выбрать «Работа 2-5. Трехфазная цепь при соединении потребителей но схеме треугольник». Выбрать вкладку «Холостой ход трехфазного источника».

 

Рис. 3

 

На модуле питания включить трехфазный источник питания.

Выбрать закладку «Осциллограммы», запустить программу и зарисовать осциллограммы фазных напряжений источника. На осциллограммах показать сдвиг по фазе между линейными напряжениями. Отметить соответствующие линейные напряжения. Измерить их значения. Результаты измерений занести в табл. 1. Остановить программу, нажатием кнопки «СТОП»

Выключить трехфазный источник питания. Вычислить среднее значение линейного напряжения U_Лср

Таблица 1

UАВ, В	UВС, В	UСА, В	UЛср, В

 

3.3. В соответствии с рис. 4 собрать схему симметричной трехфазной цепи при соединении потребителей в треугольник. Предъявить схему для проверки.

 

3.4. Загрузить программу автоматического управления Delta Protl.

В левом верхнем углу в окне программы выбрать меню «Работы». Одинарный щелчок левой кнопкой мыши приводит к появлению контекстного меню, в котором надо выбрать раздел «Электрические цепи - мини».

В появившемся списке работ выбрать «Работа 2-5. Трехфазная цепь при соединении потребителей по схеме треугольник». Выбрать вкладку «Трехфазная цепь». На экране ПК отображается электрическая схема и набор виртуальных измерительных приборов, необходимых в данном эксперименте.

Запустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» ► или командой главного меню «Управление - Пуск» или горячей клавишей F5.

3.5. Включить источник трехфазного напряжения. Измерить фазные токи I_АВ, I_ВС, I_СА и линейный ток I_А, а также напряжения на потребителях. Результаты занести в табл. 2.

3.6. Разомкнуть с помощью тумблера SA1 линейный провод фазы «В» и измерить фазные токи I_АВ, I_ВС, I_СА и линейный ток I_А, а также напряжения на потребителях. Результаты занести в табл. 2.

Рис. 4.

 

Таблица 2

Режим нагрузки	Ток нагрузки, мА						Напряжения на фазах потребителя, В
	IА	IВ	IС	IАВ	IВС	IСА	UАВ	UВС	UСА
Симметричная нагрузка
Обрыв линейного провода «В»
Обрыв фазы потребителя «АВ»
Обрыв фазы потребителя «АВ» и обрыв линейного провода «В»

 

3.7. Выключить с помощью тумблера SA2 нагрузку в фазе потребителя «СА» и провести измерения. Результаты занести в табл. 2,

3.8. Разомкнуть с помощью тумблера SA1 цепь линейного провода фазы «В» и с помощью тумблера SA2 нагрузку в фазе потребителя «СА». Измерить фазные токи I_АВ, I_ВС, I_СА и линейный ток І_Л, а также напряжения на потребителях. Результаты занести в табл. 2.

Выключить источник трехфазного напряжения.

Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп» ▀  в или командой главного меню «Управление — Стоп» или горячей клавишей F6.

В конце лабораторной работы выключить питание модуля ввод-вывод и стенда (автоматический выключатель QF модуля питания).

3.9. Для всех опытов построить в масштабе векторные диаграммы.

3.10.  По векторным диаграммам определить для исследованных режимов линейные токи I_В и Iс.

3.11.  Сравнить результаты измерений линейных и фазных токов при соединении потребителя в треугольник для исследованных режимов.

3.12.  Проанализировать влияние обрывов линейного и фазного проводов на режимы работы потребителей.

4. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать:

а) наименование работы и цель работы;

б) технические данные электроизмерительных приборов;

в) схему эксперимента с включенными измерительными приборами:

г) таблицы с результатами эксперимента и осциллограммы:

д) векторные диаграммы для всех проведенных опытов;

е) выводы по работе.

5. Контрольные вопросы

1. Каким образом три однофазных потребителя соединяют в треугольник?

2. Куда следует подключать вольтметр, чтобы измерить фазное и линейное напряжения трехфазного потребителя?

3. В каком соотношении находятся фазные и линейные напряжения симметричного потребителя, соединенного в треугольник?

4. Какое соотношение между фазными и линейными токами симметричного потребителя, соединенного в треугольник?

Всегда ли справедливы при соединении треугольник соотношения

,

5. Всегда ли при соединении в треугольник справедливо соотношение

6. Как отразится отключение одной фазы потребителя па режим работы других фаз и на режим работы всей трехфазной цепи, соединенной в треугольник?

Как повлияет обрыв линейного провода на режим работы потребителей при их соединении по схеме треугольник?

Работа № 2-6. НЕЛИНЕЙНАЯ ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

1. Цель работы

 

Экспериментальное исследование вольтамперных характеристик катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником и конденсатора. Изучение формы кривой тока в катушке с сердечником. Исследование феррорезонанса напряжений. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными результатами. Знакомство с работой двустороннего ограничителя уровня напряжения.

 

Перечень минимодулей

 

Наименование минимодулей	Количество
Потенциометр ППБ – 3А – 150 Ом	1
Катушка индуктивности	1
Батарея конденсаторов	1
Двуханодный стабилитрон	1
Резистор 2 Вт 330 Ом	1

 

2. Пояснения к работе

 

Важным элементом конструкции различных электрических машин и аппаратов, устройств электроавтоматики является катушка индуктивности. При протекании тока по виткам катушки создастся магнитное поле, интенсивность которого характеризуется магнитной индукцией В и магнитным потоком Ф. который пропорционален намагничивающей (магнитодвижущей) силе F=Iw, которая равна произведению тока I катушки на число её витков w. Зависимость Ф(I) при отсутствии ферромагнитного магнитопровода (сердечника) является линейной.

При наличии сердечника магнитный поток, создаваемый такой катушкой при прочих равных условиях, значительно возрастает, так как в этом случае магнитный поток создастся не только проводниками с током (источником внешнего магнитного поля), но и соответствующим ферромагнитным веществом магнитопровода (источником внутреннего магнитного поля).

Магнитная индукция В катушки индуктивности связана с напряженностью Н магнитного поля и магнитной проницаемостью р известным соотношением В = μН, магнитный поток Ф = Bs - μHs, где s - поперечное сечение катушки.

Отсюда следует, что магнитный поток пропорционален магнитной проницаемости среды и, которая для ферромагнитных материалов значительно больше, чем магнитная проницаемость других материалов. Поэтому для уменьшения намагничивающей силы F, а следовательно, и для уменьшения тока, необходимого для создания требуемого магнитного потока, катушки индуктивности снабжаются магнитопроводом (сердечником) из ферромагнитного материала, чаще всего из электротехнической стали.

Рис. 1.

 

Так как зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материалов μ(Н) является нелинейной (рис. 1), то и зависимость Ф(Н) или В(Н) при наличии магнитопровода оказывается тоже нелинейной. Зависимость В(Н) – кривая намагничивания - является одной из важнейших характеристик ферромагнитных материалов (рис. 2). Кривая, проходящая через начало координат, является основной кривой намагничивания. Она снимается при одностороннем намагничивании ненамагниченного материала.

При питании катушки переменным током ферромагнитный магнитопровод из-за переменного магнитного потока циклически, с частотой тока перемагничивается по кривой гистерезиса, обусловленной наличием остаточной магнитной индукции В₀ и коэрцитивной силы Н_С (рис. 2). За несколько полупериодов переменного тока в процессе циклического перемагничивания устанавливается замкнутая симметричная петля гистерезиса.

Рис. 2.

На циклическое перемагничивание магнитопровода затрачивается мощность, выделяемая в виде теплоты, которая относится к потерям мощности в магнитопроводе. Потери мощности в магнитопроводе (потери мощности в стали) Р_СТ включают в себя потери на гистерезис Р_Г и потери от вихревых токов Р_ВТ, наводимых переменным магнитным потоком в металле магнитопровода: Р_СТ = Р_Г + Р_ВТ.

Для уменьшения потерь мощности на гистерезис в качестве материала для магнитопровода используют ферромагнитные материалы с узкой петлей гистерезиса. Уменьшение потерь мощности на вихревые токи достигается применением для магнитопровода металлов с большим удельным электрическим сопротивлением за счет повышенного содержания кремния в металле. При этом магнитопровод собирается из тонких электрически изолированных друг от друга пластин, что способствует уменьшению наводимых в каждой пластине вихревых токов и снижению потерь мощности от этих токов.

При питании синусоидальным напряжением ток в катушке с ферромагнитным сердечником искажает свою форму и является несинусоидальным во времени. На рис. 3 показано построение кривой тока я катушке с ферромагнитным сердечником с учетом магнитного гистерезиса. Из рисунка видно, что начальные фазы магнитного потока и тока не совпадают (угол сдвига δ). В связи с этим первая гармоника тока (или эквивалентный ток) отстает от приложенного напряжения на угол j < 90°. Наличие сдвига по фазе между напряжением и током меньшего, чем 90° указывает на то, что активная мощность в цепи не равна нулю даже если активное сопротивление обмотки катушки рано нулю. Поэтому ток катушки на гистерезис из-за потерь на гистерезис имеет активную составляющую I_А, а средняя мощность за период не равна нулю. Эта активная мощность характеризует расход энергии на перемагничивание ферромагнитного сердечника.

 

Рис. 3.

При наличии несинусоидальных токов для упрощения расчетов обычно переходят к эквивалентному синусоидальному току I_ЭК имеющему одинаковое с соответствующим несинусоидальным током действующее значение при одинаковой частоте и развивающему одинаковую с ним активную мощность при одинаковом значении коэффициента мощности:

 

Полное сопротивление катушки индуктивности с магнитопроводом при расчетах находят по закону Ома Z_ЭК = U/I.

Эквивалентное активное сопротивление катушки определяют при этом по значению активной мощности Р, потребляемой катушкой из питающей сети, и её току или по значению потерь мощности в сердечнике Р_СТ и активному сопротивлению R проводов катушки R_ЭК = Р/I² = P_СТ/I²+R.

Эквивалентное индуктивное сопротивление катушки

 

 

При этом индуктивность катушки L = Х_ЭК/w = Х/2pf.

При увеличении амплитуды напряжения на катушке индуктивности с ферромагнитным сердечником амплитуда и действующее значение тока в ней будут возрастать быстрее. В результате вольтамперная характеристика катушки с ферромагнитным сердечником оказывается нелинейной (рис. 4). По форме она повторяет кривую намагничивания сердечника В(Н).

Рис. 4.

В цепях, содержащих катушку с ферромагнитным сердечником и конденсатор, резонансные явления, связанные с нелинейным характером  индуктивности, называются феррорсзонансом. В отличии от линейной цепи феррорезонанс может наступить в такой цепи при изменении тока в цепи или приложенного напряжения без какой либо регулировки катушки или конденсатора. На рис. 5 показана вольтамперная характеристика последовательной цепи, в которой возможен феррорезонанс напряжений. Вольтамперная характеристика емкости (2) пересекает вольтамперную характеристику катушки (1), Точка пересечения А является точкой резонанса. В этой точке U_L и U_C одинаковы, а их разность равна нулю. При непрерывном увеличении напряжения источника ток плавно растет до I₂, затем скачком увеличивается до I₄ и далее плавно растет. При уменьшении напряжения ток плавно уменьшается до I₃, затем скачком до I₁ и снова плавно падает. Скачкообразное изменение тока сопровождается изменением на 180° фазы тока по отношению к напряжению (опрокидывание фазы).

Рис. 5.

 

Явление резкого изменения тока в цепи при незначительных изменениях напряжения на входе цепи иногда называют триггерным эффектом в последовательной феррорезонансной цепи.

При напряжениях источника, больших напряжения опрокидывания фазы, напряжение на катушке изменяется мало, что связано с переходом по характеристике намагничивания в область магнитного насыщения. Это используется в практике для стабилизации напряжения.

Ограничители амплитуды - это устройства, у которых выходное напряжение изменяется пропорционально входному до некоторого значения, называемого уровнем ограничения. После этого значение выходного напряжения не зависит от входного и остается постоянным (рис. 6). В низкочастотных устройствах часто используют ограничители на стабилитронах (рис. 7).

Вольтамперная характеристика двуханодного стабилитрона показана на рис. 8. С помощью этих устройств легко формировать трапецеидальное напряжение из синусоидального напряжения (рис. 6). Если амплитуда U_ВХ>>U_СТ можно получить напряжение, близкое по форме к прямоугольным импульсам.

 

Рис. 6.

 

Рис. 7.

 

Рис. 8.

3. Порядок выполнения работы

 

3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой. Для снятия вольтамперной характеристики катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником собрать электрическую цепь по рис. 9. В качестве источника переменного  напряжения использовать фазу А трехфазного источника питания. Представить схему для проверки преподавателю.

Рис. 9.

3.2. Включить электропитание стенда и снять вольтамперную характеристику U_K=f(I_K) катушки индуктивности L. Для этого:

Загрузить программу автоматического управления Delta Profi. В левом верхнем углу в окне программы выбрать меню «Работы». Одинарный щелчок левой кнопкой мыши приводит к появлению контекстного меню, в котором надо выбрать раздел «Электрические цели-мини».

В появившемся списке работ выбрать «Работа 2-6. Нелинейная цепь переменного тока». Выбран, вкладку «Вольтамперная характеристика». На экране ПК отображается электрическая схема и набор виртуальных измерительных приборов, необходимых в данном эксперименте.

На модуле питания включить трехфазный источник питания. Плавно вращая ручку потенциометра снять вольтамперную характеристику катушки индуктивности. Результаты измерений занести в табл. 1. Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп» или командой главного меню «Управление - Стоп» или горячей клавишей F6.

Таблица 1

U, B
I, mA

 

3.3. Для снятия вольтамперной характеристики конденсатора подключить вместо катушки с сердечником батарею конденсаторов С (минимодуль, батареи конденсаторов). Установить переключатель мини модуля батареи конденсаторов в заданную преподавателем позицию. Включить трехфазный источник питания и снять вольтамперную характеристику конденсатора. Выполнять аналогично п. 3.2. Результаты измерений занести в табл. 2. Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп» или командой главного меню «Управление - Стоп» или горячей клавишей F6.

Выключить трехфазный источник питания.

Таблица 2

U, B
I, mA

 

3.4. Используя полученные экспериментальные результаты, одной системе координат вольтамперные характеристики катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора. Для    случая последовательного соединения катушки с ферромагнитным сердечником и исследованного конденсатора построить вольтамперную характеристику такой цепи.

3.5. Собрать электрическую цепь с последовательным соединением катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора (рис. 10).

 

Рис. 10.

 

После проверки схемы преподавателем в списке работ выбрать «Работа 2-6. Нелинейная цепь переменного тока». Выбрать вкладку «Последовательное соединение катушки и конденсатора». Включить трехфазный источник питания и снять вольтамперную характеристику всей цепи при увеличении и уменьшении входного напряжения, используя рекомендации п.3.2. Результаты измерений занести в табл. 3. Обратить внимание на изменение утла сдвига фаз (Fi). Сравнить полученную характеристику с расчетной характеристикой. Выключить трехфазный источник питания.

Таблица 3

U, B
I, mA

 

3.6. Ознакомиться с работой ограничителя уровня напряжения. Для этого собрать схему по рис. 11.

В списке работ выбрать «Работа 2-6. Нелинейная цепь переменного тока». Выбрать вкладку «Ограничитель напряжения».

После проверки схемы запустить программу, включить электропитание, Плавно увеличивая входное напряжение с помощью потенциометра RP1, наблюдать осциллограммы входного и выходного напряжений, а также тока в цепи. Обратить внимание на изменение формы выходного напряжения и зарисовать осциллограммы максимального входного напряжения, максимального выходного напряжения и тока.

 

Рис. 11.

 

4. Содержание отчета

 

Отчет по работе должен содержать:

а) наименование и цель работы;

б) схемы экспериментов и таблицы с результатами измерений:

в) расчетные и экспериментальные вольтамперные характеристики;

г) осциллограммы напряжений и токов;

д) сравнение результатов расчета с экспериментальными данными; с) выводы о свойствах исследованных цепей.

Контрольные вопросы

1. Объяснить назначение ферромагнитного сердечника катушки индуктивности.

2. Пояснить влияние сердечника на величину индуктивности катушки.

3. Как изменится вольтамперная характеристика катушки индуктивности при наличии воздушного зазора в сердечнике?

4. Почему сердечник обычно выполняется из изолированных друг от друга пластин электротехнической стали?

5. Объяснить причину искажения синусоидальной формы тока при питании катушки индуктивности синусоидальным напряжением.

6. Как определить параметры схемы замещения катушки с ферромагнитным сердечником?

7. Каким образом в цени с последовательным соединением линейной катушки индуктивности и конденсатора можно обеспечить возникновение резонанса напряжений?

8. В чем особенности явления феррорезонанса напряжений?

9. Почему с увеличением емкости конденсатора возможно изменение величины питающего напряжения, при котором происходит триггерный эффект?

10. Каково практическое применение феррорезонансных явлений?

11. Объяснить причину изменения формы выходного напряжения ограничителя уровня напряжения.

 

 

Работа № 2-7 ОДНОФАЗНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР

 

1. Цель работы

 

Ознакомиться с назначением и основными характеристиками однофазного трансформатора, работой трансформатора при различном характере нагрузки.

 

Перечень минимодулей

 

Наименование минимодулей	Количество
Трансформатор	1
Батарея конденсаторов	1
Потенциометр ППБ - 3А – 150 Ом	1
Тумблер	3
Резистор 2 Вт 22 Ом	1

 

Пояснения к работе

 

Трансформатор - статический электромагнитный аппарат, преобразующий параметры электрической энергии переменного тока и передающий эту энергию из одной цепи в другую. С помощью трансформатора можно преобразовывать основные параметры электрической энергии переменного тока (ток, напряжение). Электрическая мощность при этом остается почти неизменной. В зависимости от соотношения номинальных напряжений у трансформатора различают обмотку высшего напряжения и обмотку низшего напряжения.

Коэффициент трансформации по напряжению показывает, как соотносится число витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки, а также эдс, индуктируемые в обмотках К₁₂ = w₁/w₂ = Е₁/Е₂.

Коэффициент трансформации можно определить с достаточной точностью, измерив при холостом ходе трансформатора (вторичная обмотка разомкнута) напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток.

В режиме холостого хода трансформатор потребляет из с