Трехфазные электрические цепи, электрические машины, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока

Костромская государственная сельскохозяйственная академия Кафедра ТОЭ и автоматики

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсу

" Электротехника с основами электроники"

для студентов факультета Механизации сельского хозяйства

2 цикл Составитель: старший

преподаватель кафедры ТОЭ и, А Смирнов В.Б.

Кострома — 2003

Лабораторный практикум по курсу «Электротехника с основами электроники (2 цикл). Для студентов факультета механизации сельского хозяйства. — Кострома: издательство Костромской государственной сельскохозяйственной академии, 2003.

Лабораторный практикум содержат описания лабораторных работ, которые студенты факультета механизации сельского хозяйства выполняют во втором семестре после начала изучения курса «Электротехника с основами электроники» и включают в себя разделы трехфазных электрических цепей, электрических машин, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока, а также общие требования по технике безопасности при выполнении лабораторных работ.

Рекомендовано методической комиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства КГСХА Протокол № 4 от 16 декабря 2002 года.

Костромская государственная сельскохозяйственная академия, 2003.

Общие требования по выполнению лабораторных работ

Изучите по методическим указаниям и конспекту лекций теоретические вопросы, относящиеся к теме предстоящей работы. Ознакомьтесь с содержанием и порядком выполнения работы.

В тетради для лабораторных работ напишите номер, название и цель работы, начертите схему исследования электрической цепи и таблицу для записей результатов опытов и расчетов.

Соберите цепь по заданной схеме. Вначале рекомендуется подключить все последовательно соединенные элементы, а только затем подключить элементы, включаемые параллельно. Проверить правильность соединения цепи.

Включать цепь под напряжение только после разрешения преподавателя

При проведении опытов следует выполнять требования по технике безопасности:

перед началом сборки схемы необходимо убедится в том, что стенд выключен;

не применяйте провода с поврежденной изоляцией, наконечники

проводов надежно зажимайте клеммами;

о включении стенда необходимо предупредить всех членов группы;

при появлении во время работы искр, запаха, дыма или других признаков ненормальной работы оборудования необходимо немедленно отключить стенд и сообщить об этом преподавателю;

запрещается самовольно устранять неисправности электрооборудования;

при несчастном случае следует немедленно сообщить об этом преподавателю.

Разбирать схему следует только после проверки преподавателем результатов опытов.

Произведите необходимые расчеты и графические построения и сделайте выводы по работе.

Методические указания к лабораторной работе № 6

" ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ " ЗВЕЗДА"

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследовать цепь трехфазного тока при соединении потребителей электроэнергии по схеме «звезда» для различных режимов работы, выяснить влияние нейтрального провода на величины фазных напряжений потребителя.

ПОРЯДОК РАБОТЫ:

1. Ознакомиться с приборами, необходимыми для выполнения работы, записать их технические характеристики.

Собрать электрическую цепь (рис.1).

3. Установить симметричную нагрузку в фазах и записать показания приборов при наличии нейтрального провода и без него. Убедиться, что Uл = Uф /

4. Установить несимметричную нагрузку фаз (разное количество ламп в каждой фазе) и записать показания приборов при наличии нейтрального провода и без него.

5. Установить симметричную нагрузку и, отключив все лампы в одной из фаз потребителя, что соответствует обрыву в данной фазе, записать показания приборов при наличии нейтрального провода и без него.

Установив симметричную нагрузку фаз, отключить нейтральный провод и записать показания приборов при коротком замыкании одной из фаз потребителя (для этого можно проводником замкнуть накоротко зажимы любой фазы). Все данные измерений и вычислений внести в таблицу 1 и построить по этим данным векторные диаграммы для каждого пункта.

Таблица 1.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Трехфазной системой переменных токов называется совокупность трех однофазных электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 1/3 периода и создаваемые одним источником электрической энергии. Обмотки фаз генератора имеют одинаковое число витков и выполняются из провода одинакового сечения, поэтому ЭДС, индуктированные в этих обмотках, равны по величине.

Если каждая из трех фаз генератора работает на отдельную нагрузку, то в этом случае имеет место несвязанная трехфазная система, в которой генератор соединен с нагрузкой 6-ю проводами (рис.2).

Такие системы неэкономичны и практического применения не имеют.

Соединение фаз генератора и нагрузки может осуществляться по схемам «звезда» и «треугольник». Если концы фаз генератора соединить в одну точку, а к началам подвести линейные провода, соединяющих генератор с нагрузкой, то такое соединение называется «звездой» и условно обозначается знаком «» (рис.3).

Чтобы соединить фазы нагрузки по схеме «звезда», следует все концы фаз этого потребителя соединить в одну точку, а начала фаз линейными проводами соединить с источником энергии.

Точки соединения концов фаз генератора (0) и нагрузки (0`) называются соответственно нулевыми, или нейтральными точками генератора и нагрузки.

Обе эти точки соединяются проводом, называемым нулевым или нейтральным.

Таким образом, генератор соединен с нагрузкой четырьмя проводами, поэтому такая система называется трехфазной четырехпроводной.

Токи, протекающие в фазах генератора или нагрузки, называются фазными и обозначаются: I_А; I_В; I_С или в общем виде I_Ф.

Токи, протекающие по линейным проводам, называются линейными I_Л.

При соединении «звездой» фаза генератора, линейный провод и фаза нагрузки соединены последовательно, поэтому I_{Л = IФ.}

По нейтральному проводу протекает ток, равный геометрической сумме трех токов: I_О= I_А+I_В+I_С или алгебраической сумме комплексов этих токов: I_О=I_А+I_В +I_С.

Напряжения, измеренные между началом и концом каждой фазы, называются фазными и обозначаются: U_А; U_В; U_С или в общем виде U_Ф. Напряжения U_АВ; U_ВС; U_СА называются линейными и измеряются между линейными проводами, т. е. между началами фаз. В линейных проводах принято считать положительными направления токов от генератора к нагрузке, а в нейтральном — от нагрузки к генератору.

Благодаря наличию нейтрального провода, фазные напряжения потребителя остаются неизменными как при симметричной, так и при несимметричной нагрузке.

Если ток в нейтральном проводе равен нулю, что может иметь место при симметричной нагрузке, то трехфазная система может стать трехпроводной (рис.4).

Соотношения между линейными и фазными напряжениями устанавливаются на основании второго закона Кирхгофа. При этом уравнения для действующих значений записываются в векторной (1) или комплексной (2) форме:

U_АВ= U_А — U_В U_АВ = U_А — U_В

U_ВС= U_В — U_С (1) U_ВС = U_В — U_С (2)

U_СА = U_С — U_А U_СА= U_С — U_А

Векторные диаграммы, построенные по уравнениям (1), изображены на рис.5

(а, б).

Векторная диаграмма рис. 5 (а) называется топографической (каждая точка этой диаграммы соответствует точке на схеме).

Из векторной диаграммы рис. 5 (б) видно, что «звезда» фазных напряжений отстает от «звезды» линейных напряжений на угол 30. Соотношение между величинами фазных и линейных напряжений для симметричной нагрузки можно вывести, рассматривая один из треугольников, составленных векторами фазных и линейных напряжений.

Например:

Откуда

Т.е., линейное напряжение в случае симметричной нагрузки и при наличии нейтрального провода в раз больше фазного.

U_О — напряжение, измеряемое между нейтральными точками генератора и потребителя.

СЛУЧАЙ СИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.

Нагрузка, подключенная к трехфазному генератору, может быть симметричной и несимметричной.

Симметричной называется такая нагрузка, при которой сопротивления фаз одинаковы по величине и по характеру, т. е.

Z_А = Z_В = Z_С = r + jx

При симметричной нагрузке токи в фазах по величине равны между собой.

I_А = I_В = I_С,

где

На Рис. 6 показаны векторные диаграммы напряжений и токов для симметричной активной нагрузки (а) — при наличии нейтрального провода

(I_А + I_В + I_С = I_О = 0), а (б) — без нейтрального провода.

Рис.6

СЛУЧАЙ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.

При несимметричной нагрузке Z_АZ_ВZ_С, токи в фазах I_АI_ВI_С.

Векторные диаграммы для данного случая изображены на рис. 7 (а, б).

На рис. 7 (а) показано графическое определение тока в нейтральном проводе I_О. Благодаря наличию нейтрального провода при несимметричной нагрузке напряжения на фазах потребителя энергии остаются неизменными и равными фазным напряжениям генератора (если пренебречь сопротивлением нейтрального провода и линейных проводов).

Рис.7

В случае обрыва нейтрального провода нулевая точка смещается в сторону более нагруженной фазы, и напряжения на фазах потребителя изменяются, что приводит к нарушению нормальной работы приемников энергии, поэтому в нейтральный провод не рекомендуется ставить предохранитель или рубильник. Токи в трехфазной цепи без нейтрального провода принимают такие значения, что их геометрическая сумма равна нулю.

Если в качестве нагрузки трехфазной трехпроводной цепи используются лампы накаливания одинаковой мощности, то их накал определяется фазным напряжением, а так как напряжения на фазах различны, то лампы будут гореть с различной яркостью. Наибольший накал ламп будет в той фазе, в которой включено меньшее количество ламп.

В случае обрыва одной из фаз, например, фазы «А» без нейтрального провода (отключены все лампы в этой фазе), две другие фазы («В» и «С») оказываются включенными последовательно и находятся под линейным напряжением U_ВС. Если сопротивления одинаковы, то напряжения их будут равны, и каждое составляет половину линейного напряжения U_ВС/2 (рис.8).

Рис.8

В этом случае лампы, включенные в фазу «А», погаснут, а в фазах «В» и «С» будут иметь меньший накал.

Уменьшение сопротивления одной из фаз (например, «А») до нуля, что соответствует короткому замыканию в ней, приводит к смещению нулевой точки в вершину треугольника линейных напряжений, тогда U_А=0, а фазные напряжения U_В и U_С становятся равными линейным: U_АВ и U_СА.

Векторная диаграмма токов и напряжений для данного случая показана на рис. 9.

Рис.9

Лампы, включенные в фазу «А», гаснут, а в фазах «В» и «С» горят ярче обычного.

Вывод: при несимметричной нагрузке фаз нельзя применять соединение приемников по схеме " звезда" без нулевого провода.

Содержание ОТЧЕТА

1. Технические характеристики приборов и элементов, используемых в работе.

2. Схемы и таблицы.

3. Расчетные формулы и векторные диаграммы.

4. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какое соединение фаз генератора и нагрузки называется «звездой» ?

2. Каково соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами при соединении нагрузки «звездой» ?

3. Объяснить назначение нулевого провода.

4. Как определить ток в нулевом проводе?

5. Что такое напряжение смещения нейтрали? В каких случаях оно равно нулю?

Чем опасно короткое замыкание одной фазы при наличии и отсутствии нулевого провода?

1. Иванов И. И., Равдоник В. С. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1984, с. 97 — 101.

2. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 109 — 111.

Методические указания к лабораторной работе № 7

" ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ " ТРЕУГОЛЬНИК"

Цель работы: исследовать различные режимы работы потребителей трехфазного тока, соединенных по схеме «треугольник» .

Порядок работы:

1. Ознакомиться с приборами, применяемыми в данной работе и записать их технические данные.

Собрать электрическую схему (Рис.1).

Рис.1

3. Измерить фазные, линейные токи и напряжения при симметричной нагрузке фаз. Убедиться, что I_Л =Iф.

4. Произвести указанные в пункте 3 измерения для несимметричной нагрузки (включить разное количество ламп в фазах).

5. Установив симметричную нагрузку, отключить полностью лампы в одной из фаз. Записать указания приборов.

6. При симметричной нагрузке фаз осуществить обрыв одного из линейных проводов. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1. Для всех пунктов эксперимента построить в масштабе векторные диаграммы.

Таблица 1

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ Трехфазной системой переменных токов называется совокупность трех однофазных электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 1/3 периода и создаваемые общим источником электрической энергии. Обмотки фаз генератора имеют одинаковое число витков и выполняются из провода одинакового сечения, поэтому ЭДС, индуктированные в них, равны по величине. Если каждая из трех фаз генератора работает на автономную нагрузку, то такая трехфазная система называется несвязанной, в ней генератор соединен с потребителем шестью проводами (рис.2).

По закону Ома ток, протекающий в фазе где U_Ф — напряжение на зажимах фазы

Z_Ф — полное сопротивление фазы.

Несвязанные системы неэкономичны и практического применения не имеют. Соединение фаз генератора и нагрузки может осуществляться по схемам «звезда» или «треугольник» .

Объединяя попарно провода несвязанной шестипроводной системы (рис.2) и соединяя фазы генератора и нагрузки, можно перейти к трехпроводной трехфазной системе, соединенной треугольником (рис.3).

Как видно, соединение треугольником выполняется так, чтобы конец фазы «ав» был соединен с началом фазы «вс», конец фазы «вс» соединен с началом фазы «са», конец фазы «са» соединен с началом фазы «ав». К общим точкам соединения фаз подводятся линейные провода, соединяющие генератор с нагрузкой.

При соединении нагрузки по схеме «треугольник» линейное напряжение равно фазному: Uл = Uф.

Соотношения между фазными и линейными токами устанавливаются на основании первого закона Кирхгофа из уравнений, составленных для узловых точек «а», «в», «с» нагрузки

I_А= Iав — Iса

I_В = Iвс — Iав

I_С = Iса — Iвс Таким образом, линейные токи равны алгебраической сумме векторов фазных токов. При симметричной нагрузке фазные токи одинаковы и сдвинуты по фазе на 120°. Векторная диаграмма для данного случая изображена на рис.4

Рис.4

НЕСИММЕТРИЧНАЯ НАГРУЗКА ФАЗ Если в одну из фаз включить дополнительное сопротивление параллельно имеющемуся, то есть, увеличить количество ламп, то общее сопротивление этой фазы уменьшится, а ток возрастет.

Величины токов в двух других фазах остаются неизменными, так как их сопротивления и напряжения не изменились. Векторная диаграмма, представленная на рис. 5, построена для случая увеличения нагрузки в фазе «АВ» .

Рис. 5 Рис.6

При увеличении сопротивления одной из фаз, например, фазы «ВС», до бесконечности, что соответствует обрыву данной фазы, ток в ней равен нулю, в двух других фазах токи не изменятся, так как сопротивления в них остались как и при симметричной нагрузке.

Векторная диаграмма для данного случая изображена на Рис. 6.

Лампы, включенные в фазу «ВС», не горят. В двух других фазах накал ламп такой же, каким был при симметричной нагрузке.

В случае обрыва одного из линейных проводов (например, провода, по которым протекает ток Iа), цепь трехфазного тока (рис.7) можно представить в виде однофазной с двумя параллельно включенными ветвями (рис.8)

В этом случае лампы в фазе «ВС» остались под фазным напряжением.

Векторная диаграмма имеет вид рис. 9. Эти фазы оказываются соединенными последовательно под напряжение фазы Uвс.

Следовательно, напряжение Uвс делится поровну между фазами «АВ» и «СА». Активная мощность трехфазного тока при несимметричной нагрузке фаз равна сумме активных мощностей отдельных фаз:

Р = Рав + Рвс + Рса, где: Рав = Uaв Iав cosав

Pвс = Uвс Iвс cosвс

Pса = Uса Iса cosса При симметричной нагрузке фаз Р = 3Рф = 3UфIфcos.

А так как при соединении нагрузки треугольником то есть, Р = Uл Iл cosф.

Соответственно реактивная мощность Q = Uл Iл sinф.

Полная мощность S = Uл Iл Содержание ОТЧЕТА

1. Технические характеристики приборов и элементов, используемых в работе.

2. Схемы и таблицы.

3. Расчетные формулы и векторные диаграммы.

4. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Какое соединение фаз генератора или нагрузки называется треугольником?

2. Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами при симметричной нагрузке фаз, соединенных треугольником?

3. Как определяются линейные токи?

4. Как определяется активная, реактивная и полная мощности трехфазной цепи при различных нагрузках?

5. Каковы будут напряжения на фазах приемников энергии, если перегорит предохранитель в одном из линейных проводов?

6. Построить векторные диаграммы для всех случаев симметричной и несимметричной нагрузок фаз.

3. Иванов И. И., Равдоник В. С. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1984, с. 101 — 104.

4. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 112 — 114.

Методические указания к лабораторной работе № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО СЧЕТЧИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.

Цель работы: изучить устройство, принцип работы однофазного счетчика, научиться включать его в сеть и производить поверку.

Теоретические сведения

Электрическая энергия равна произведению мощности электрической цепи на время:

где Р — мощность, Вт;

t — время, с.

Единица измерения электрической энергии — Втс. На практике применяют более крупную единицу — кВт ч:

1кВтч = 1000 3600 = 3 600 000 Дж (Втс).

Для учета электрической энергии в цепях однофазного тока используются электрические счетчики индукционной системы типа СО. Счетчик измеряет энергию, израсходованную потребителем за определенный промежуток времени:

где u — мгновенное значение напряжения питания приемников энергии, В,

i — мгновенное значение тока, протекающий в цепи потребителя, А

p — мгновенное значение мощности потребителя, Вт

t — время, с

Следовательно, электрический счетчик — это суммирующий прибор. Все электрические счетчики по роду измерений величины подразделяются на две группы:

счетчики активной энергии

счетчики реактивной энергии.

Для учета энергии трехфазных потребителей в четырехпроводной сети применяют трех — и четырехэлементные счетчики активной энергии (СА-3, СА-4) и реактивной энергии (СР-3, СР-4). В данной работе исследуется индукционный однофазный счетчик электрической энергии типа СО-2.

УСТРОЙСТВО СЧЕТЧИКА

(см. плакат и счетчик на стенде)

На стальных сердечниках сложной формы, набранных из тонких пластин электротехнической стали, установлены две обмотки (катушки) — токовая обмотка (1) и обмотка напряжения (2).

Токовая обмотка выполнена незначительным числом витков медного провода относительно большого сечения, соответствующего номинальному току счетчика. Она включается в сеть последовательно с нагрузкой.

Обмотка напряжения имеет 8−12 тыс. витков тонкой проволоки диаметром 0,8 или 0,12 мм и включается в сеть параллельно нагрузке.

Между сердечниками установлен алюминиевый диск 3, который укреплен на оси 6 и свободно вращается в подпятниках.

Постоянный магнит 4 необходим для создания тормозного момента. На оси 5 расположена червячная передача 7, которая приводит в движение счетный механизм Все элементы счетчика укреплены на пластмассовом основании и закрываются крышкой. В нижней части основания укреплены клеммы для включения счетчика в сеть.

На лицевой стороне счетчика под стеклом установлен паспорт, в котором указываются основные данные счетчика, например

тип — СО-2

класс точности — 2,5

передаточное число К — 1200 об/ кВт_*час (или другое значение, см. счетчик)

напряжение — 220 В

номинальный ток — 5А

частота тока — 50 Гц

ГОСТ

заводской номер

год выпуска.

Принцип работы счетчика

При включении катушки напряжения в сеть по ней течет ток, который вызывает в сердечнике 1 магнитный поток Ф, разделенный на две части: Фр и Ф_L, где Фр — рабочий поток, который пронизывает алюминиевый диск и замыкается через противополюсную скобу; Ф_L — магнитный поток, замыкающийся через боковые стержни сердечника и непосредственного участия в создании вращающего момента счетчика не принимающий.

При включении потребителей по токовой катушке течет ток I. Этот ток создает магнитный поток Ф_I, который пересекает диск в двух местах. Это обеспечивается U — образной формой магнитопровода токовой катушки.

Магнитные потоки Фр и Ф_I, пронизывая диск, индуктируют в нем вихревые токи.

Взаимодействие переменных магнитных потоков Фр и Ф_I с индуктированными ими токами создает вращающий момент, действующий на диск 3. Величина этого вращающего момента определяется величиной напряжения, под которым находится катушка 2, величиной тока нагрузки I, протекающего по токовой катушке и коэффициентом мощности cos цепи, в которую включен счетчик

где k — коэффициент пропорциональности.

Таким образом, вращающий момент, действующий на диск счетчика, пропорционален активной мощности цепи, в которую он включен. Под действием этого вращающего момента диск вращается. Установившаяся скорость вращения диска наступает при равенстве вращающего и тормозного моментов:

М_{Вр = МТ}

Тормозной момент создается постоянным магнитом 4. Скорость вращения диска пропорциональна мощности потребителя. С осью диска связан вал счетного механизма. Число оборотов вала счетного механизма зависит от мощности, времени и передаточного числа счетного механизма К. Передаточное число счетчика — это число оборотов его диска, приходящегося на 1 кВтч.

К= N/W= N/P_*t

Энергия, потребленная из сети за время, в течение которого диск сделал Nt оборотов, будет равна:

где W_t — энергия за время t, Втс (кВтч)

P — мощность потребителя, Вт (кВт)

t — время, за которое диск сделал n оборотов, с

N_t — число оборотов диска за время t

Методика поверки счетчика

Счетчик будет точно учитывать энергию при соблюдении многих условий, которые строго выполнить практически невозможно.

Для данного счетчика допускаются следующие погрешности в зависимости от величины тока при cos = 1:

0,1Iн — 3,5%

0,2Iн — 2,5%

0,5Iн — 2,5%

1,5Iн — 2,5%

Для поверки счетчика необходимо:

Определить номинальную постоянную счетчика

1 кВт_*ч 1000_*3600 Вт_*с

C_Н = —-, ——— ; Cн = ——————-, ———

К об К об

Величину К берут из паспортных данных счетчика.

Номинальная постоянная счетчика — это величина, обратная передаточному числу. Она определяет количество энергии в Втс, приходящееся на один оборот диска.

2. Определить действительную постоянную счетчика

где U — напряжение сети, В

I — ток потребителя, А

t — время, за которое диск сделает n оборотов

n — количество оборотов диска (принять равным 10).

3. Определить относительную погрешность счетчика

Если действительная постоянная больше номинальной, счетчик дает заниженные показания — недоучитывает энергию; если действительная постоянная меньше номинальной — счетчик дает завышенные показания.

Согласно ГОСТ 6570–70 счетчики электрической энергии выпускаются трех классов точности: 1; 2; 2,5. Цифра, обозначающая класс точности, указывает значение допустимой относительной погрешности счетчика при его номинальной нагрузке.

Определить чувствительность счетчика

где I min — минимальный ток, при котором диск начинает устойчиво вращаться.

По ГОСТ 6570–60 чувствительность не должна быть меньше 0,5 — 1,0% в зависимости от класса точности.

В данной работе чувствительность не определяется.

Порядок выполнения работы

1. Изучить конструкцию счетчика, принцип его работы.

2. Собрать схему согласно рис. 1.

3. Включением ламп установить нагрузку, соответствующую 10%, 20%, 50%, 100%, от номинального тока, указанного в паспорте.

4. Для каждого значения тока определить по секундомеру время, за которое диск делает 10 оборотов. Все полученные данные напряжения, тока и времени занести в таблицу 1.

5. Вычислить номинальную и действительную постоянные, относительную погрешность для всех режимов работы счетчика.

Сделать выводы о пригодности данного счетчика.

Используя принцип работы однофазного счетчика, проанализировать работу трехфазного счетчика и на основе рис. 2 изобразить схему прямого включения в сеть трехфазного счетчика (т.е. исключив трансформаторы тока ТА1… ТА3)

Рис. 1 Схема исследования однофазного счетчика активной энергии.

Рис. 2. Схема подключения трехфазного счетчика электрической энергии.

Таблица 1

Содержание отчета

Схема включения однофазного счетчика в сеть.

Схема включения трехфазного счетчика (п.7).

Таблица с результатами измеренных и вычисленных значений.

3. Выводы о результатах поверки счетчика.

Контрольные вопросы.

1. Единицы измерения электрической энергии.

2. Основные части счетчика и их назначение.

3. Принцип работы индукционного счетчика.

4. Что указывается в паспорте счетчика?

5. Что называется передаточным числом счетчика?

6. Что показывает класс точности счетчика?

7. Что называется номинальной постоянной счетчика? Как она определяется?

8. Что называется действительной постоянной счетчика?

9. Как определить погрешность счетчика?

1. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 277 — 284.

2. Яцкевич В. В. Электротехника. — Мн.: Ураджай, 1981. — 183с.

3. Прищеп Л. Г. Учебник сельского электрика. — М.: Агропромиздат, 1986. — 509с.

Методические указания к лабораторной работе № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы:

1. Изучить конструкцию и принцип действия однофазного трансформатора.

2. Исследовать трансформатор в режимах холостого хода, короткого замыкания и при нагрузке.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с устройством трансформатора, записать его паспортные данные, технические характеристики приборов, используемых в работе.

2. Собрать схему рис. 1.

3. После проверки схемы преподавателем включить напряжение и произвести опыт холостого хода.

4. По данным опыта вычислить:

а) коэффициент трансформации n;

б) полную мощность S;

в) коэффициент мощности cos;

г) угол потерь в стали .

Результаты измерений и вычислений записать в таблицу 1.

Построить векторную диаграмму режима холостого хода трансформатора.

5. Собрать схему рис. 2.

6. После проверки схемы преподавателем включить напряжение и, постепенно увеличивая нагрузку, записать показания приборов в таблицу 2.

7. По результатам измерений п. 6 построить внешнюю характеристику трансформатора и определить процентное изменение напряжения U%.

8. Собрать схему рис. 3.

9. После проверки схемы преподавателем включить напряжение и произвести опыт короткого замыкания. Для этого к первичной обмотке трансформатора подвести такое напряжение, при котором в первичной и вторичной обмотках устанавливаются номинальные токи I_1Н и I_2Н.

10. По данным опыта короткого замыкания вычислить: полное сопротивление Z₂, активное сопротивление r_К, реактивное сопротивление X_К.

Pезультаты измерений и вычислений занести в таблицу 3.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования напряжения и тока при неизменной частоте.

Процесс преобразования энергии называется трансформацией.

Трансформатор может быть повышающим и понижающим. По числу фаз различают трансформаторы однофазные и трехфазные. Однофазный трансформатор (двухобмоточный) состоит из двух обмоток, намотанных на сердечник, который

набирается из тонких листов электротехнической стали, что уменьшает потери энергии от вихревых токов. Листы изолируются друг от друга лаком или оксидной пленкой.

Обмотка, к которой подается напряжение, называется первичной.

Обмотка, к которой подключается нагрузка, называется вторичной.

Каждый трансформатор имеет щиток, на котором указываются следующие основные номинальные данные:

номинальная мощность S_Н (кВА);

номинальные напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток U_1н и U_2н;

номинальные токи I_1н и I_2н, частота f, напряжение короткого замыкания U_к.

Номинальными называются такие величины мощности, напряжения и тока, при которых в трансформаторе наступает тепловое равновесие при температуре нагрева обмоток, не вызывающего разрушения изоляции. Так, для современных силовых трансформаторов номинальные мощность и ток принимаются такими, при которых тепловое равновесие наступает при температуре окружающей среды 35С.

ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА

Холостой ход трансформатора — это такой режим его работы, при котором к зажимам первичной обмотки подводится номинальное напряжение, а вторичная обмотка разомкнута.

Из опыта холостого хода можно определить коэффициент трансформации, как отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки:

где W₁ и W₂ — число витков первичной и вторичной обмоток.

Ток холостого хода трансформатора составляет от 2,5 до 10% от номинального, поэтому падением напряжения на первичной обмотке можно пренебречь и считать приближенно U₁=E₁, а E₂=U₂. Тогда

где U_{20 -} напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе, т. е. коэффициент трансформации — отношение напряжения на зажимах обмоток трансформатора в режиме холостого хода. Мощность трансформатора в этом режиме затрачивается на возмещение потерь на перемагничивание магнитопровода (гистерезис) и на нагрев магнитопровода вихревыми токами:

Pо=P_г+P_вт.

Полная мощность S = U_1. I₁

Коэффициент мощности при холостом ходе:

Таким образом, опыт холостого хода дает возможность определить коэффициент трансформации n, потери в стали сердечника и угол потерь в стали: = (90-₀).

ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Из опыта короткого замыкания трансформатора можно определить сопротивление обмоток, напряжение короткого замыкания и потери в меди (в обмотках).

Опыт короткого замыкания производится следующим образом. Вторичная обмотка замыкается накоротко через амперметр, на первичную обмотку подается напряжение, пониженное до такой величины, при которой токи в обмотках равны номинальным. Это напряжение называется напряжением короткого замыкания U_к. Мощность в режиме короткого замыкания расходуется на нагрев обмоток, т. е. на потери в меди:

где r_к = r₁ + r₂; где r₂ = n²r₂ — приведенное к первичной обмотке активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора.

Полное сопротивление короткого замыкания определяется

Индуктивное сопротивление короткого замыкания:

ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТРАНСФОРМАТОРА

Зависимость напряжения U₂ на зажимах вторичной обмотки трансформатора от тока нагрузки I₂ при неизменном напряжении на зажимах первичной обмотки при постоянном коэффициенте мощности называется внешней характеристикой трансформатора. Для снятия внешней характеристики при активной нагрузке (cos=1) следует подвести к первичной обмотке номинальное напряжение и при разомкнутой вторичной обмотке записать показания приборов. Затем, постепенно увеличивая нагрузку, записать показания приборов. При помощи внешней характеристики можно определить процентное изменение напряжения по формуле:

Здесь U₂₀ — напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе; U₂ — напряжение при данной нагрузке.

Коэффициент полезного действия трансформатора определяется из опытов холостого хода, короткого замыкания и нагрузки. При этом потери в стали, определяемые из опыта холостого хода, не зависят от нагрузки.

Потери в меди, определяемые из опыта короткого замыкания, пропорциональны квадрату тока. Таким образом,

где P_2Н = S_Н cos — номинальная мощность трансформатора;

S_Н — полная номинальная мощность трансформатора.

Для любой нагрузки коэффициент полезного действия определяется по формуле:

Здесь P₂=S_Нcos₂ — мощность, отдаваемая трансформатором;

— коэффициент загрузки трансформатора.

Задаваясь величиной коэффициента загрузки, можно построить кривую зависимости:

=f (P₂)

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Устройство и принцип действия трансформатора.

2. Что такое коэффициент трансформации?

3. С какой целью проводятся опыты холостого хода и короткого замыкания?

4. Какая зависимость называется внешней характеристикой трансформатора?

5. Как определить КПД трансформатора?

6. Как определить число витков вторичной обмотки при известном числе витков первичной обмотки, напряжении U₁ и U₂.

7. Почему сердечник трансформатора набирают из пластин?

8. Имеется трансформатор 220/12 В. На первичную обмотку подали 220 В, но постоянного напряжения. Чему равно напряжение на выходе вторичной обмотки?

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Технические характеристики приборов и элементов цепи.

2. Схемы и таблицы.

3. Pасчетные формулы.

4. Выводы по проделанной работе.

Таблица 1.

Таблица 2.

Таблица 3.

1. Иванов И. И., Равдоник В. С. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1984, с. 135 — 160.

2. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 166 — 193.

Методические указания к лабораторной работе № 10

" ПУСК ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ"

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

1. Овладение практическими навыками по сборке схемы управления трехфазным асинхронным двигателем (ТАД) с короткозамкнутым ротором при помощи нереверсивного магнитного пускателя.

2. Пуск ТАД в однофазном режиме.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является наиболее распространенным видом электродвигателей в сельскохозяйственном производстве.

Основная схема управления ТАД — нереверсивная схема управления при помощи магнитного пускателя (рис.1). Магнитный пускатель предназначен для ручного дистанционного или автоматического управления ТАД.

Он состоит из корпуса, тягового электромагнита и связанной с ним электромагнитной системой. Контактная система состоит из силовых и вспомогательных контактов. Тяговый электромагнит (катушка магнитного пускателя) может управляться от источника постоянного или переменного напряжения. В магнитных пускателях переменного тока магнитопровод выполнен из листов электротехнической стали (0,35…0,5 мм) для уменьшения потерь на перемагничивание. Для уменьшения вибрации сердечника в торцевой части сердечника магнитопровода установлено медное короткозамкнутое кольцо.

Наиболее распространенные магнитные пускатели типа ПМЕ, ПМЛ, ПМА позволяют осуществить до 150 включений в час. Катушки магнитных пускателей изготавливаются на 110, 127, 220, 380 и 660 В. При выборе магнитных пускателей обращают внимание на наибольшую допустимую мощность электродвигателя при данном напряжении и на напряжение катушки. В сетях с напряжением 380/220 В можно использовать катушки с напряжением 380 и 220 В. В первом случае катушка должна включаться на линейное напряжение (две любые фазы), во втором — на фазное (любая фаза и нуль).

Для управления магнитными пускателями применяются кнопочные станции. Они могут быть одно-, двух — и многопостовые.

Для защиты электродвигателя и схемы управления от коротких замыканий применяются плавкие предохранители и автоматические выключатели.

Для защиты электродвигателя от перегрузки используют тепловые реле и автоматические выключатели с тепловыми расцепителями. Плавкие предохранители от перегрузки электродвигатели не защищают.

Рассмотрим работу схемы управления (рис.1).

После включения автоматического выключателя QF при нажатии кнопки SB2 «Пуск» протекает ток по цепочке: фаза СSB1SB2 катушка КМконтакт ККнулевой провод N. Следовательно, катушка КМ получает питание и втягивает сердечник с контактной группой. Контакты КМ замыкаются, и на электродвигатель М подается трехфазное напряжение.

Для того, чтобы двигатель не остановился после отпускания кнопки SB2, параллельно ей подключается вспомогательный контакт КМ, шунтирующий кнопку «Пуск» .

Тепловое реле КК предназначено для защиты двигателя от перегрузок. При увеличении тока сверх допустимой нормы тепловое реле срабатывает, размыкая при этом свой контакт КК в цепи питания катушки магнитного пускателя КМ. Повторный пуск ТАД после срабатывания пусковой защиты возможен после ручного возврата контактов реле КК в исходное положение через некоторое время, необходимое для остывания теплового реле КК.

Перед пуском ТАД необходимо устранить причины, приведшие к срабатыванию тепловой защиты.

При отсутствии у потребителя трехфазного напряжения трехфазный двигатель можно запустить в однофазном режиме. На рис. 2 приведены основные схемы такого пуска.

Так как при подключении одной фазы круговое вращающееся магнитное поле отсутствует, то для пуска необходимо обеспечить сдвиг токов в пусковой и рабочей обмотках относительно друг друга. Для обеспечения фазового сдвига обычно используют конденсаторы, емкость которых рассчитывается следующим образом.

Для пуска необходима большая емкость, чем для рабочего режима

С_пуск = (2…2,5) C_раб

После пуска пусковые конденсаторы отключают в целях уменьшения нагрева обмоток статора.

Рабочая емкость определяется из паспортных данных ТАД.

Для схемы 2 а) С_р = 2800 I_н /U_н;

для схемы 2 б) С_р = 4800 I_н/U_н;

для схемы 2 в) С_р = 1600 I_н/U_н.

Применяются конденсаторы марок БГГ, МБГ4, МБГ0 и др. на напряжение не меньше амплитудного.

Мощность двигателя в однофазном режиме составляет примерно половину мощности, развиваемой ТАД в трехфазном режиме.

ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ

1. Изучить схему управления ТАД (рис.1).

2. Ознакомиться с устройством магнитного пускателя, кнопочных станций, теплового реле, записать их технические данные и данные электродвигателя.

3. Собрать схему и пустить электродвигатель.

4. Изменить направление вращения электродвигателя.

5. Изучить схему пуска ТАД в однофазном режиме (рис.2).

6. Собрать одну из схем, рассчитать емкость конденсаторов и произвести пуск.

7. Изменить направление вращения электродвигателя.

8. Составить краткие выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Назовите элементы магнитного пускателя, его устройство и назначение.

2. Как защищается электродвигатель от коротких замыканий?

3. Как защищается электродвигатель от перегрузки?

Объясните принцип работы схемы пуска электродвигателя с помощью магнитного пускателя.

Для чего параллельно кнопке «Пуск» устанавливается вспомогательный контакт? (рис.1)

Для чего устанавливается конденсатор при пуске однофазного электродвигателя?

Почему в сети с частотой 50Гц скорость вращения асинхронного электродвигателя не превышает 3000 об/мин.

Рис. 1. Схема пуска ТАД с использованием магнитного пускателя.

1. Иванов И. И., Равдоник В. С. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1984, с. 257 — 290.

2. Касаткин А. С., Немцов М. В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 334 — 359.

3. Прищеп Л. Г. Учебник сельского электрика. — М.: Агропромиздат, 1986, с. 262 — 276.

Методические указания к лабораторной работе № 11

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И СВЕТОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ СВЕТА.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучение устройства, принципа действия ламп накаливания и люминесцентных ламп и сравнение их электрических и светотехнических характеристик.

1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

1.1 Изучить конструкцию лампы накаливания и люминесцентной лампы. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и электрическими схемами для исследования ламп.

1.2 Подготовить к работе люксметр согласно указаний раздела 3, измерить расстояние между лампой и фотоэлементом.

1.3 Собрать схему (рис.1) и показать ее преподавателю.

1.4 Установить напряжение на лампе 240 В. Произвести измерение тока, мощности, освещенности. Данные измерений занести в таблицу 1. Плавно снижая напряжение на лампе, через каждые 20 В снимать показания и результаты занести в таблицу.

1.5 Собрать схему (рис.2) и показать ее преподавателю.

1.6 Выполнить указание п. 1.4 для люминесцентной лампы (рис.2) и данные записать в таблицу 2.

Построить совмещенные графики зависимости светоотдачи от мощности для лампы накаливания и люминесцентной лампы, аналогично графики зависимости светового КПД от мощности.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.

Лампы накаливания.

Основной частью лампы накаливания (рис.3) является тело накала 3, которое нагревается под действием электрического тока до температуры 2000…2800°К и испускает электромагнитное излучение в виде светового (видимого) и инфракрасного (теплового) потока. Тело накала изготавливают из вольфрамовой проволоки различной конструкции и формы (нити, спирали, биспирали). Вольфрам имеет высокую температуру плавления (3663°К) и малую скорость испарения. Дополнительные присадки из окисей кремния и алюминия с добавлением калия и натрия обеспечивают большую механическую прочность тела накала при хорошей формоустойчивости.

Для подвода тока к телу накала и поддержания его в нужном положении служат электроды 6. Дополнительными поддерживающими элементами являются держатели 4, вставленные в утолщение стеклянного стержня 5, имеющего название штабик. Внутренние детали лампы изолированы от внешней среды колбой 1. Внутри тарелки 9 имеется откачная трубка 10 с отверстием 14 для откачивания воздуха. Внутреннюю полость колбы заполняют инертными газами (аргон, криптон) для уменьшения окисления и распыления вольфрама при высокой температуре.

Для подвода питания и крепления лампы в патроне служит резьбовой цоколь 13. Лампы мощностью до 300 Вт имеют обычно цоколь Е27, а 500 Вт и более — Е40. Питание от второго провода подводится через контактную пластину 12.

Обозначение ламп накаливания общего назначения имеет буквенно-цифровую символику.

Например: БК 215−225−100−2 — биспиральная, криптоновая, на диапазон напряжения 215…225 В, мощность 100 Вт, второй номер разработки.

Срок службы ламп накаливания общего пользования составляет в среднем 1000 часов.

В настоящее время широко выпускаются более эффективные — галогенные — лампы накаливания, имеющие колбу в форме трубки. Добавка галогена, например, йода, в колбу лампы накаливания вызывает замкнутый химический цикл. В рабочем режиме частички вольфрама с тела накала испаряются и оседают на стенках колбы лампы. При температуре 570…1400°К у стенок колбы пары йода соединяются с частичками вольфрама, образуя йодистый вольфрам с температурой испарения 520…570°К. При температуре 520°К и более это газообразное соединение улетучивается и из-за повышенной концентрации у стенок диффузирует в направлении раскаленной вольфрамовой спирали. Вблизи вольфрамовой спирали йодистый вольфрам диссоциирует на исходные составные элементы — вольфрам и йод. Частицы вольфрама оседают на тело накала, а йод движется в обратном направлении к стенкам колбы. Таким образом осуществляется регенерация испарившегося вольфрама на тело накала, что приводит к увеличению срока службы лампы. Вольфрамо-йодный цикл препятствует осаждению вольфрама на стенки колбы лампы, сохраняя их чистыми и прозрачными на протяжении всего срока службы.

Достоинствами галогенных ламп накаливания являются повышенный срок службы (до 10 тыс. часов), высокая световая отдача (до 29 лм/Вт). Недостатки — высокая стоимость и необходимость эксплуатации только в горизонтальном положении.

Люминесцентные лампы.

Люминесцентные лампы работают на основе люминесценции — свечения газа в трубке лампы под действием электрического тока. В отличие от ламп накаливания в газоразрядных источниках света светящимся телом является участок межэлектродного промежутка. До включения в сеть газоразрядная лампа является диэлектриком. Под действием приложенного напряжения происходит ионизация газового промежутка и он становится проводником электрического тока. Для зажигания таких ламп необходимо приложить напряжение из расчета 500…1000 В на 1 м длины трубки. После зажигания лампы сопротивление ее значительно уменьшается, поэтому рабочий ток необходимо ограничивать. Для этих целей служат пускорегулирующие аппараты (ПPА).

Устройство люминесцентной лампы.

На внутреннюю поверхность стеклянной трубки (колбы) равномерно по всей длине нанесен тонкий слой люминофора, преобразующий ультрафиолетовую часть излучения разряда в парах ртути в видимое излучение. Благодаря люминофору световая отдача в люминесцентной лампе доходит до 75 лм/Вт. В качестве люминофора в люминесцентных лампах применяется галофосфат кальция, активированный марганцем и сурьмой, изменяя соотношение которых, можно изменять цветность излучения.

Электроды, которые находятся на концах колбы (рис.4), выполняются из вольфрама. Для улучшения термоэлектронной эмиссии электроды покрываются веществом, состоящим из карбонатов бария, стронция и кальция. Для возникновения ультрафиолетовых лучей в лампу добавляется дозированное количество ртути. После зажигания лампы ртуть испаряется и газовый разряд теперь идет уже в парах ртути. При движении электроны сталкиваются с атомами ртути и отдают им часть кинетической энергии. При этом электроны атома ртути переходят на некоторую новую орбиту. Такая структура возбужденного атома нестабильна. Электрон стремится перейти в свое прежнее положение. При обратном его переходе на более низкий энергетический уровень выделяется квант лучистой энергии, преобладающими в этом излучении являются ультрафиолетовые лучи. Колба лампы наполнена инертным газом аргоном, который способствует надежному горению разряда в трубке, облегчению зажигания лампы и уменьшению распыления электродов. Давление газа составляет 400 Па (3 мм. рт. ст). Наиболее распространенными являются люминесцентные лампы ЛД-40, ЛБ-40, название которых расшифровывается следующим образом: люминесцентная, дневного (или белого) света, мощностью 40 Вт.

Рис.4. Устройство люминесцентной лампы.

Пускорегулирующие аппараты со стартерным зажиганием.

Стартер представляет собой стеклянный баллон, наполненный газом неоном. В баллон впаяны два электрода, один из которых биметаллический. Параллельно контактам стартера включается конденсатор для устранения радиопомех.

Дроссель-катушка с большим числом витков необходим для создания импульса напряжения при зажигании лампы и для ограничения тока, протекающего через лампу.

Работа люминесцентной лампы.

При подаче напряжения на лампу (рис.2) начальный ток потечет по следующей цепи: клемма сети, дроссель, первичный электрод лампы, стартер, второй электрод лампы, клемма сети. Величина этого тока незначительная и составляет доли ампера. Этот ток, проходя через газ между электродами стартера, нагревает этот газовый промежуток (т.к сопротивление этого газового слоя довольно велико). Вместе с газом нагреваются и электроды стартера. Биметаллический электрод при нагревании изгибается и соединяется со вторым электродом. При замыкании контактов стартера ток в цепи резко увеличивается, т. к исключается сопротивление газового промежутка стартера. Величина этого тока, в основном, определяется индуктивным сопротивлением дросселя. Ток, который течет по цепи при замкнутых контактах стартера называется пусковым током. Пусковой ток разогревает электроды люминесцентной лампы до температуры около 1000°К. Лампа готова к зажиганию. Так как электрическое сопротивление замкнутых электродов стартера мало, они охлаждаются (Q=I²R) и размыкаются (биметаллический электрод возвращается в начальное положение). При размыкании контактов стартера ток в цепи резко уменьшается, такое резкое уменьшение тока вызывает быстрое уменьшение магнитного поля дросселя, что в свою очередь приводит к возникновению ЭДС самоиндукции, импульс которой достигает 500…600 В. Это напряжение, накладываясь на напряжение сети, пробивает газовый промежуток в лампе, и начинается электрический разряд в газе, а затем и в парах ртути. Невидимое для глаза ультрафиолетовое излучение, возникающее в результате этого разряда, облучает слой люминофора и вызывает видимое свечение его.