Лабораторные работы по электротехнике и электронике

Электрические цепи постоянного тока Цель работы Определение выходного сопротивления источника питания; собрать схему делителя напряжения с рассчитанными параметрами схемы.

ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ. СОЕДИНЕНИЕ НАГРУЗКИ ТРЕУГОЛЬНИКОМ Цель работы: изучить цепь трехфазного тока при соединении приемника треугольником в симметричном и несимметричном режимах.

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА Цель работы - исследование вольтамперных характеристик нелинейных сопротивлений, а также графического метода расчета электрических цепей, содержащих нелинейные элементы (НЭ).

ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ СО СТАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ Цель работы - исследование зависимости параметров схемы замещения и потерь в стали катушки от длины воздушного зазора и напряжения сети.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ПРИ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОМ СОЕДИНЕНИИ КАТУШКИ СО СТАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ И КОНДЕНСАТОРА Цель работы - изучение основных свойств цепи переменного тока с последовательным соединением нелинейной индуктивности и емкости: явление феррорезонанса напряжений и стабилизации напряжения.

ИССЛЕДОВАНИЕ УТРОИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ Цель работы - исследование свойств трехфазных цепей, содержащих нелинейные элементы на примере ферромагнитного утроителя частоты.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ОДНОФАЗНОГО И ТРЕХФАЗНОГО ТОКОВ Цель работы - экспериментальное определение основных соотноше­ний напряжений, токов и мощностей в схемах неуправляемых выпрямите­лей переменного тока и анализ временных зависимостей напряжений на различных участках цепи.

УЛУЧШЕНИЕ ФОРМЫ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ СХЕМ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Цель работы - экспериментальное исследование основных соотношений напряжений, токов и мощностей в схемах неуправляемых выпрямителей переменного тока с улучшенным выходным напряжением и анализ временных зависимостей этих напряжений.

Лабораторная работа 8

ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ. СОЕДИНЕНИЕ НАГРУЗКИ ЗВЕЗДОЙ

 Цель работы: изучить цепь трехфазного тока при соединении приемника звездой в симметричном и несимметричном режимах. Определить роль нейтрального (нулевого) провода.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 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. Трехфазная система была изобретена и разработана во всех деталях талантливым русским инженером М.О.Доливо-Добровольским в 1891 году.

 Источником энергии в трехфазной системе служит трехфазный генератор. В пазах его статора размещены три электрически изолированные друг от друга обмотки (фазные обмотки или просто фазы) генератора. Если ротор генератора двухполюсный, то оси фазных обмоток генератора повернуты в пространстве относительно друг друга на угол 2p/3. При вращении ротора в фазных обмотках статора индуктируются синусоидальные фазные ЭДС. Вследствие симметрии конструкции генератора максимальные Em и действующие Е значения ЭДС во всех фазах одинаковы.

  Соединение фаз (обмоток) генератора может осуществляться по схеме “звезда” или “треугольник”. Фазы трехфазного генератора принято обозначать первыми буквами латинского алфавита: A, B, C. Чередование фаз генератора строго определенное и определяется изменением во времени фазных ЭДС, т.е. в очередности максимумов ЭДС: сначала фазы А, затем через 1/3Т фазы В и через 2/3Т фазы С. Такая последовательность чередования называется прямой.

 Мгновенные значения ЭДС трехфазных обмоток генератора равны:

 eA=Emsinwt eB=Emsin(wt-2/3p) eC=Emsin(wt-4/3p) (1)

 На рис.8.1 показаны графики мгновенных значений фазных ЭДС и три вектора соответствующих им действующих значений ЭДС.

Рис. 8.1

 3 

 Как видно из рис.8.1 сумма мгновенных значений ЭДС в любой момент времени равна нулю, следовательно, геометрическая сумма действующих значений фазных ЭДС генератора также равна нулю:

  eA+eB+eC=0 (2)

 EA+EB+EC=0 

 Согласно рис.8.1, выразим комплексные значения ЭДС трехфазного генератора через одинаковое для всех трех фаз действующее значение E, тогда

 EA=E∙ej0

 ЕB=Е•е-j2/3p  (3)

 EC=Е •е2/3p

 Для получения трехфазной системы необходимо определенным образом соединить также фазы приемника, обычно по схеме “звезда” или “треугольник”.

 B настоящее время трехфазная система является основной для передачи и распределения энергии.

 Фазные обмотки трехфазного генератора можно соединить с тремя приемниками по схеме “звезда”. “Звездой” называется такое соединение, при котором концы фаз соединены в одну общую точку N называемую нейтральной или нулевой, а к началам фаз А, B, C подведены линейные провода. В «звезду» соединяют и фазы нагрузки с нулевой точкой n и началами фаз a, b, c (Рис.8.2).

 

Рис.8.2

 Провод, соединяющий точки N-n, называется нейтральным или нулевым. Провода, соединяющие точки А-а, В-в и С-с, называют линейными.

 Приняв сопротивления всех проводов равным нулю, можно определить токи трех фаз приемника и генератора :

IA=EA/ZA ; IB=EB/ZB ; IC=EC/ZC. (4)

 Токи IA, IB, IC, протекающие по линейным проводам, называют

4

линейными (IЛ). Токи протекающие в фазах генератора и в фазах нагрузки называются фазными токами (Iф). Для соединения “звездой” линейные токи равны фазным, то есть

IЛ=Iф (5)

 Ток в нейтральном проводе по первому закону Кирхгофа равен:

IN=IA+IB+IC (6)

 Приемники с одинаковым сопротивлением всех трех фаз Za=Zb=Zc называются симметричными. При симметричном приемнике IA=IB=IC  и ток в нейтральном проводе IN=0

 Напряжение между началом и концом фазы генератора (или фазы нагрузки) или напряжение между линейным и нулевым проводом называется фазным напряжением. Для генератора и линии электропередачи фазные напряжения (их три) обозначаются так: UA, UB, UC или Uф. Фазные напряжения нагрузки обозначаются так: Ua, Ub, Uc .

 Напряжения между двумя началами фаз генератора (или двумя началами фаз нагрузки) или между двумя линейными проводами называются линейными и обозначаются для генератора и линии электропередачи: UAB, UBC, UCA, или Uл, для нагрузки Uab, Ubc, Uca.

 Рассматривая поочередно контуры abn, bcn, can (рис.8.2) по второму закону Кирхгофа линейные напряжения равны :

UAB = UA - UB

 UBC = UB - UC (7) 

UCA = UC - UA

 Пользуясь этим соотношением, построим векторную диаграмму (рис.8.3а) напряжений для симметричной нагрузки. 

  

 Из рис.8.3а видно, что “звезда” линейных напряжений опережает “звезду” фазных напряжений на 30°. Отсюда из Dnkb:

 UBC/2UB=30° UBC=Ö3*UB, т.е. Uл=Ö3*UФ (8)

 При наличии нейтрального провода условие (8) выполняется как при симметричном, так и при несимметричном приемнике. На Рис.8.3b приведены векторная диаграмма фазных напряжений и топографическая диаграмма линейных напряжений.

 Фазные коэффициенты мощности равны:

  cos φа=Ra/Za ; cos φв=Rb/Zb ; cos φс=Rc/Zc (9)

где φа, φв, φс углы сдвига фаз между фазными напряжениями и фазными токами. 

 При симметричной нагрузке :

 Ia=Ib=Ic=Iф=UФ/Zф (10)

 cos φа= cos φв= cos φс=Rф/Zф

 Ток в нейтральном проводе IN=0, поэтому для подключения трехфазных симметричных установок (нагревательных печей, сушильных установок , электродвигателей и других симметричных установок) применяется трехпроводная цепь. Для осветительной нагрузки наличие нейтрального провода обязательно, так как почти постоянно сохраняется несимметрия. В нейтральном проводе в четырехпроводной осветительной сети запрещена установка предохранителей или выключателей, так как при отключении нейтрального провода фазные напряжения могут стать неравными. В одних фазах напряжение будет больше номинального, в других – меньше номинального. В обоих случаях возможен выход приемника из строя. При этом нарушается цепь защитного зануления.

 Векторная диаграмма напряжений и токов при симметричной активно-индуктивной нагрузке приведена на рис.8.4

 

 

Рис.8.4

 При несимметричном приемнике, например : Za¹Zb¹Zc соотношение IЛ=IФ сохраняется, а соотношение Uл=Ö3*UФ нарушается.

 На рис.8.5 показана векторная диаграмма при увеличении нагрузки в фазе «а», то есть при Za<Zb=Zc, нагрузка активная.

 На рис.8.6 - векторная диаграмма короткого замыкания фазы “а”, что соответствует перемещению нейтральной точки n в точку а, и UA=0, Za=0.

 На рис.8.7 - векторная диаграмма для случая обрыва фазы А, что соответствует Za=¥ нейтральная точка n переместится на середину линейного напряжения вектора Ubc (n1), тогда напряжения на фазах “b” и “c” будут

 Ub=Uc=Ubc/2=Ua/2 (11) 

 Активная мощность фазы при соединении нагрузки “звездой” например, фазы а, равна:

Pa=UaIacosφ.

Активная и реактивная мощности приемников трехфазной цепи при несимметричной нагрузке равны:

P=Pa+Pb+Pc

  Для реактивной мощности знак + при индуктивном характере нагрузки, знак – при емкостном характере нагрузки.

Полная мощность трехфазной цепи при несимметричной нагрузке равна:

 S =

 При симметричной нагрузке полная, активная и реактивная мощности приемников трехфазной цепи соответственно равны:

S = Ö3*UЛ*IЛ ; P=Ö3*UЛ *IЛ *cosφФ ; Q=Ö3*UЛ *IЛ *sinφФ

Или S=3SФ = 3UФ*IФ ; P=3PФ=3UФ *IФ *cosφФ ; Q=Ö3*UЛ *IЛ *sinφФ 

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

 В работе измерения электрических величин проводятся с помощью 

приборов непосредственной оценки. На стендах установлены амперметры для включения в каждую фазу. Для измерения тока в нулевом проводе на стендах установлены отдельные приборы. На рис.8.8 приведена принципиальная схема лабораторной работы.

  К клеммам A, B, C и N подводится напряжение 36 В от трехфазного понижающего трансформатора, соединенного по схеме “звезда”/ “звезда” с нулевой точкой с напряжением 380/36 B.

 Приборы A1..А7 и V измеряют линейные и фазные токи и напряжения. В качестве нагрузки трехфазной цепи служат лампы накаливания с Uном=36 В, Рном=40 Вт, включаемые тумблерами SA1-SA3.

 Изменение нагрузки регулируется числом включенных ламп накаливания в каждой фазе. Обрыв фазы осуществляется отключением тумблера SA4. Короткое замыкание проводится путем соединения проводом начала и конца одной из фаз только в трехпроводной цепи. Изучение трехфазной цепи проводится по схеме стенда. 

 Рис.8.8

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА.

Включать стенд в сеть только с разрешения преподавателя.

Во время работы стенда не прикасаться к клеммам.

Не проводите никаких ремонтных работ на стенде, о неисправности доложите преподавателю.

Не касайтесь ламп накаливания во время и после их работы.

Не оставляйте работающий стенд без присмотра.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 Приборы и принадлежности.

Выключение стенда осуществляется пакетным выключателем QS, Рис.8.8.

Назначение приборов :

A4 – амперметр для измерения силы тока в нулевом проводе;

A5, А6, A7 – амперметры для измерения силы тока в фазах а, b, c;

V – вольтметр для измерения линейных и фазных напряжений цепи;

Ознакомьтесь с лабораторным стендом. Найдите сетевой выключатель, тумблеры дополнительных нагрузок.

Соберите схему соединения нагрузки звездой с нулевым проводом. Монтажные схемы опыта приведены на стенде. Покажите собранную схему для проверки преподавателю или лаборанту.

Запишите технические данные применяемых приборов. Выключите стенд и установите симметричную нагрузку фаз. Тумблеры SA1, SA2, SA3 должны быть отключены, тумблер SA4 в исходном состоянии должен быть включен.

 По показаниям амперметров в фазах убедитесь в равенстве токов в фазах, а так же в отсутствии тока в нулевом проводе. Измерьте фазные и линейные напряжения.

 Исследуйте нагрузку в четырехпроводной цепи в несимметричных режимах, проделав следующие опыты:

увеличьте (уменьшите) нагрузку в одной из фаз (например, “a”) ;

то же в двух фазах;

обрыв одной из фаз.

 Исследуйте трехпроводную цепь, то есть без нейтрального провода. Для этого выключите автоматический выключатель QF4 в цепи нулевого провода и проделайте следующие опыты:

симметричная нагрузка ( так же, как пункт 3 );

увеличьте (уменьшите) нагрузку в одной из фаз (например, “a”) ;

то же в двух фазах;

короткое замыкание одной из фаз.

 В соответствии с данными табл. 8.1 для всех опытов постройте векторные диаграммы токов и напряжений. Сделайте выводы по работе

по форме, приведенной в лабораторной работе №10 настоящего 

руководства.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА.

  В работе проводятся прямые, однократные измерения, точность которых оценивается классом точности измерительного пробора (UФ, UЛ, UNn, IФ, IЛ, IN). Результат измерения выражаем двумя числами, например: I=4.00 ± 0,05 A, где 4.00 А – значение измеряемой величины, 0,05 А – абсолютная погрешность измерения. Оценку точности минимальных значений UNn, INn провести по формуле относительной погрешности:

d = ± K(XN/x) ;

где К – класс точности прибора ;

 ХN – нормирующие значения измеряемой величины (верхний предел шкалы прибора);

 x – значение измеряемой величины.

Вычерчивание электрических схем производится в соответствии с ГОСТом.

Построение векторных и топографических диаграмм производится в масштабе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ.

Какова цель работы и каков порядок ее выполнения ?

Изобразить схему опыта с включением всех приборов. Указать назначение всех приборов.

Написать формулы связи линейных токов и напряжений с их фазными значениями при симметричной нагрузке при соединении в “звезду”. Как определяются величины cos φa, cos φb, cos φc, PФ, PA, PB, PC, P, Q, S?

Рассказать о порядке построения векторной диаграммы напряжений и токов для активной нагрузки.

Каково назначение нулевого провода? В каких случаях по нулевому проводу протекает ток и как он определяется?

Изобразить схему соединения нагрузки “звездой” и включить приборы для измерения фазных и линейных токов, тока в нейтральном проводе.

Почему в нулевой провод никогда не ставят предохранитель?

Изобразите векторную диаграмму напряжений и токов при увеличении нагрузки одной из фаз четырехпроводной цепи.

Изобразите векторную диаграмму напряжений и токов при увеличении нагрузки в двух фазах четырехпроводной цепи.

Изобразите векторную диаграмму напряжений и токов при обрыве одного из линейных проводов в четырехпроводной цепи.

Литература

Касаткин А.С. Электротехника: учебник для вузов / А.С. Касаткин,М.В. Немцов. М.: Издательский центр «Академия, 2005. 542 с.

Методика решения задач