К выполнению лабораторных работ

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К выполнению лабораторных работ

по дисциплине “Электротехника и электроника”

для студентов специальностей:

Геофизические методы поисков и разведки полезных ископаемых»,

Геология нефти и газа»,

Технология машиностроения»,

Автомобили и автомобильное хозяйство»,

Организация перевозок и управления на транспорте»,

Организация и безопасность движения»,

Стандартизация и сертификация»,

Автоматизированные системы обработки информации и управления»,

Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»,

Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники»,

Пищевые биотехнологии»,

Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий»,

Технология мяса и мясных продуктов»,

Технология молока и молочных продуктов»,

Технология продуктов общественного питания»,

Технология консервов и пищеконцентратов»,

Машины и аппараты пищевых производств»,

Промышленное и гражданское строительство»,

Городское строительство и хозяйство»,

Теплогазоснабжение и вентиляция»,

Экспертиза и управление недвижимостью»,

Защита в чрезвычайных ситуациях»,

Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Ставрополь 2005

Методические указания к выполнению лабораторных работ составлены в соответствии с требованиями ГОСВПО, программ дисциплины «Электротехника и электроника» для студентов специальностей: 130201 (080400) «Геофизические методы поисков и разведки полезных ископаемых», 130304 (080500) «Геология нефти и газа», 151001 (120100) «Технология машиностроения», 190601 (150200) «Автомобили и автомобильное хозяйство», 190701 (240100) «Организация перевозок и управления на транспорте», 190702 (240400) «Организация и безопасность движения», 200503 (072000) «Стандартизация и сертификация», 230102 (220200) «Автоматизированные системы обработки информации и управления», 240403 (250400) «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов», 240306 (251000) «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники», 240902 (271500) «Пищевые биотехнологии», 260202 (270300) «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий»,

260301 (270900) «Технология мяса и мясных продуктов», 260303 (271100) «Технология молока и молочных продуктов», 260501 (271200) «Технология продуктов общественного питания», 260504 (270800) «Технология консервов и пищеконцентратов», 260601 (170600) «Машины и аппараты пищевых производств», 270102 (290300) «Промышленное и гражданское строительство»,

270105 (290500) «Городское строительство и хозяйство», 270109 (290700) «Теплогазоснабжение и вентиляция», 270115 (291500) «Экспертиза и управление недвижимостью», 280103 (330600) «Защита в чрезвычайных ситуациях», 280201 (320700) «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Методические указания включают в себя методику и порядок выполнения лабораторных работ, указания по технике безопасности и перечень вопросов для защиты работ.

Составители: Л. В. Воронцова, А. Ф. Кочнева, О. Р. Киркоров,

Ю. А. Ларионов, Морозова, А. Ф. Шаталов, О. И. Юдина

Рецензент: А. И. Гринь

Содержание:

Лабораторная работа №1

«Исследование линейных цепей постоянного тока»

Цель и содержание

Цель работы: Экспериментальное исследование линейных резистивных цепей, содержащих источники напряжения, с помощью метода наложения.

Содержание работы:

1. Экспериментально проверить выполнение законов Кирхгофа для линейных цепей постоянного тока.

2. Исследовать разветвленную цепь методом наложения.

Теоретическое обоснование

Аппаратура и материалы

Для выполнения работы необходимы лабораторные стенды «Электротехника», включающие в себя:

– встроенные источники ЭДС;

– набор резисторов;

– измерительные приборы (амперметры и вольтметры постоянного тока).

Методика и порядок выполнения работы

Содержание отчета и его форма

Каждый студент, выполнивший лабораторную работу, должен оформить отчет и предоставить его преподавателю.

Отчет должен содержать:

1. Название и цель работы.

2. Принципиальную схему исследуемой цепи.

3. Таблицы и диаграммы, заполненные и построенные по результатам

измерений и аналитических расчетов.

4. Выводы по результатам работы, в которых должна быть дана оценка исследуемых явлений, подтверждение в выполнении законов, объяснение характера кривых.

Отчет должен иметь титульный лист с указанием Ф.И.О. студента, номера группы и даты выполнения работы.

Вопросы для защиты лабораторной работы

1. Понятие электрическая цепь, ее элементы, схема замещения и топология электрической цепи: ветвь, контур, узел.

2. Сформулировать законы Кирхгофа для цепей постоянного тока.

3. Сколько независимых уравнений необходимо составить по первому и второму законам Кирхгофа для определения токов в ветвях?

4. Величины, каких ЭДС и падений напряжений в контурах схемы следует считать положительными, а каких – отрицательными при составлении уравнений по второму закону Кирхгофа?

5. Как производится расчет сложной электрической цепи постоянного тока методом непосредственного применения законов Кирхгофа?

6. Записать уравнения по первому и второму законам Кирхгофа для электрических схем по заданию преподавателя.

7. Каковы основные соотношения при последовательном и параллельном соединении потребителей постоянного тока?

8. Запишите уравнение энергетического баланса для цепей постоянного тока.

9. Представьте алгоритм расчета электрических цепей по «методу наложения».

10. Что отражает потенциальная диаграмма и как по ней определяется токи в ветвях электрической схемы?

11. В какой последовательности необходимо откладывать сопротивления резистивных элементов при построении потенциальной диаграммы?

12. Можно ли определить направление тока через резистивный элемент, зная величины потенциалов на его зажимах?

13. Может ли оказаться, что несколько точек электрической цепи имеют нулевой потенциал, если заземлена только одна точка?

14. Измениться ли токораспределение в цепи электрической схемы, если заземлить одну из ее точек?

15. Построить потенциальную диаграмму для контуров схемы по заданию преподавателя.

Защита лабораторной работы производится в виде устного опроса при наличии отчета. Подготовка к защите осуществляется по методическим указаниям и приведенной литературе.

Лабораторная работа №2

«Последовательное соединение потребителей однофазного

Теоретическое обоснование

Электрические цепи, в которых ЭДС, напряжения и токи изменяются во времени по синусоидальному закону, называются цепями переменного синусоидального тока. Элементами схем замещения цепей синусоидального тока являются источники синусоидального тока, источники синусоидальной ЭДС, активное сопротивление, индуктивный и емкостной элементы.

Термин «сопротивление» для цепей синусоидального тока включает в себя резистивные элементы, в которых выделяется энергия в виде тепла (активные сопротивления), и элементы, в которых энергия запасается в электрическом и магнитном полях. Сопротивления таких элементов называются реактивными. Реактивными сопротивлениями обладают индуктивный (Х_L=ωL) и емкостный ( ) элементы. Отсюда, модуль полного сопротивления цепи синусоидального тока определяется выражением

. (6)

Эквивалентные преобразования в электрических цепях синусоидального тока аналогичны цепям постоянного тока и для исследуемой в работе схемы с последовательным соединением элементов величина протекающего тока будет одинакова во всех элементах, а напряжение на зажимах цепи (рисунок 3) определяться суммой падений напряжений на каждом из элементов

. (7)

Реактивные элементы исследуемой цепи можно представить их схемами замещения:

а) любая реальная катушка (обмотка) обладает индуктивностью L и активным сопротивлением R, поэтому ее представляют в виде последовательно соединенных индуктивности и сопротивления ;

б) если диэлектрик, разделяющий пластины конденсатора, идеальный

(без потерь энергии) или конденсатор вакуумный, то схемой замещения такого конденсатора является изображение емкости. Но если требуется учесть потери энергии в реальном конденсаторе, заполненном диэлектриком, то составляют схему замещения конденсатора, где параллельно емкости включают активное сопротивление, которое имитирует потери энергии в реальном диэлектрике.

Фазовые соотношения между током и напряжением на резистивном, индуктивном и емкостном элементах цепи синусоидального тока приведены в таблице 4.

В качестве критерия режима «резонанс» в электрических цепях, содержащих катушки индуктивности и конденсаторы, принимается совпадение по фазе тока и напряжения на входных зажимах, т.е. фазовый резонанс.

Таблица 4 – Фазовые соотношения на элементах схемы

Характеристика

Связи между напряжениями и токами на элементах

Во временной области

Компонентное уравнение

Действующие величины тока и напряжения

Сопротивление и проводимость

Угол сдвига фаз между напряжением и током

Векторные диаграммы напряжений и токов

Комплексное представление

Комплексное действующее значение напряжения

Комплексное сопротивление

Возможны два основных типа резонанса: при последовательном соединении катушки индуктивности и конденсатора – резонанс напряжений и при их параллельном соединении – резонанс токов. В данной лабораторной работе будет исследоваться явление «резонанса напряжений».

Резонанс напряжений возможен на неразветвленном участке электрической цепи, который содержит индуктивный L, емкостной С и резистивный R элементы, т.е. в последовательном колебательном контуре (рисунок 3).

Рисунок 3 – Схема последовательного контура

По закону Ома комплексная величина тока определяется

, (8)

где и - комплексное и полное сопротивления контура соответственно;

- угол сдвига фаз между напряжением и током, т.е. аргумент комплексного сопротивления;

– действующее значение тока. (9)

Режим работы неразветвленного участка цепи, при котором ее ток и напряжение совпадают по фазе , т.е. , называется резонансом напряжений. При резонансе напряжений возникает равенство действующих значений напряжений на емкостном и индуктивном элементах, которые находятся в противофазе (см. векторную диаграмму рисунка 4).

Рисунок 4 – Векторная диаграмма для режима резонанса напряжений

Из вышеприведенных соотношений следует, что условие, при котором наблюдается резонанс, определяется равенством .

Резонанса можно достичь, изменяя частоту приложенного к цепи напряжения или параметры цепи: индуктивность катушки или емкость конденсатора. При этом величины угловой частоты, индуктивности и емкости, при которых наступает резонанс, определяются формулами

(10)

где ω₀ - резонансная угловая частота.

Если напряжение U на зажимах цепи и активное сопротивление R цепи не изменяются, то ток при резонансе имеет наибольшее значение, равное и не зависящее от величин реактивных сопротивлений. Отношение – добротность контура, которая определяет кратность превышения напряжения на зажимах индуктивного и емкостного элементов над напряжением на зажимах всей цепи (напряжением питания).

Практическое значение имеют зависимости действующих или амплитудных значений токов и напряжений от частоты для цепей, в которых возможен резонанс. Эти зависимости называются резонансными кривыми.

Между параметрами электрической цепи синусоидального тока существуют соотношения, необходимые при расчете данной лабораторной работы:

(11)

Аппаратура и материалы

Для выполнения работы необходимы лабораторные стенды «Электротехника», включающие в себя:

– элементы, обладающие активными и реактивными сопротивлениями (катушку индуктивности, батарею конденсаторов и реостат);

– переносной ваттметр для измерения активной мощности;

– измерительные приборы переменного тока.

Потребители

1.1 Исследовать цепь с последовательно соединенным активным и индуктивным элементами, для чего собрать цепь согласно рисунку 5. Для измерения падений напряжений на элементах цепи можно использовать переносной вольтметр или стационарные вольтметры стенда.

Рисунок 5 – Схема для определения параметров катушки индуктивности

1.2 Установить ЛАТР напряжение на входе схемы, не превышающее 100 В. Измерить величины протекающего тока в цепи и падений напряжений на катушке индуктивности и реостате. Измерить активные мощности источника питания, катушки индуктивности и реостата. Результаты измерений занести в таблицу 5. Убедиться, что суммарная потребляемая мощность реостата и катушки равняется мощности сети.

Таблица 5 – Измерения и расчет параметров катушки индуктивности

Измерено

Вычислено

Параметры

параметры элементов цепи

Ист. питания

Элементов цепи

U, В

I, А

Р, Вт

U_R, В

U_L, В

P_R, Вт

Р_К, Вт

Z, Ом

R_р, Ом

R_к, Ом

Х _L _к , Ом

U_Ка, В

U_Кр, В

1.3 Исследовать цепь с активно-емкостным элементом, для чего:

– отключив от зажимов ав катушку индуктивности, подключить к ним батарею конденсаторов (все емкости должны быть включены);

– установить напряжение сети не более 70 В и повторить опыт по п. 1.2 методики. Результаты измерений и расчетов занести в таблицу 6.

Убедиться, что суммарная потребляемая мощность равна мощности реостата, т.к. активная мощность батареи конденсаторов равна нулю.

1.4 По данным измерений пп. 1.2 и 1.3 и аналитических расчетов построить в масштабе векторные диаграммы с учетом фазовых соотношений, а также треугольники напряжений и сопротивлений.

Таблица 6 – Измерения и расчет параметров емкостного элемента

Измерено

Вычислено

Параметры

параметры элементов цепи

ист. питания

элементов цепи

U, В

I, А

Р, Вт

U_R, В

U_С, В

P_R, Вт

Р_С, Вт

Z, Ом

R_р, Ом

Х_С, Ом

S, ВА

cosφ

С, мкФ

Содержание отчета и его форма

Каждый студент, выполнивший лабораторную работу, должен оформить отчет и предоставить его преподавателю.

Отчет должен содержать:

1. Название и цель работы.

2. Принципиальные схемы исследуемых цепей.

3. Таблицы и графики, заполненные и построенные по результатам

измерений и аналитических расчетов.

4. Выводы по результатам работы, в которых должна быть дана оценка исследуемых явлений, объяснение характера кривых.

Отчет должен иметь титульный лист с указанием Ф.И.О. студента, номера группы и даты выполнения работы.

Вопросы для защиты работы

1. Почему построение векторной диаграммы для цепей переменного тока с последовательным соединением приемников рекомендуется начинать с вектора тока?

2. Что такое сдвиг фаз между током и напряжением. Чему равна разность фаз между током и напряжением на индуктивном, емкостном и резистивном элементах. Нарисуйте векторные диаграммы.

3. Запишите закон Ома для цепи переменного тока с последовательным соединением R, L и С.

4. Нарисуйте схемы замещения катушки индуктивности и реального конденсатора. Почему в исследуемой цепи (лабораторная работа) не учитывается активное сопротивление конденсатора?

5. Напишите формулу для расчета активной мощности в цепи с активно-индуктивной нагрузкой и формулу для расчета реактивной мощности в цепи с активно-емкостной нагрузкой.

6. Изобразите треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей для цепей с активно-индуктивной и активно-емкостной нагрузками. В чем их отличие?

7. Можно ли непосредственно измерить активное и реактивное напряжения катушки индуктивности? Что такое ЛАТР и как с его помощью можно регулировать напряжение?

8. Дать определение цепи синусоидального переменного тока. Какими величинами определяется синусоидально изменяющаяся функция?

9. Что понимается под действующими значениями синусоидального тока. Какие величины тока и напряжения измеряют электродинамические приборы, используемые в лабораторных работах?

10. Какие явления, происходящие в цепи переменного тока, отражаются в схемах замещения активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью?

11. Можно ли катушку индуктивности, рассчитанную на работу в цепи переменного тока включить в цепь постоянного тока при одной и той же величине напряжения?

12. Что означает понятие колебательный контур. Нарисуйте схему замещения колебательного контура. Какое явление в цепях синусоидального тока называют резонансным?

13. Какой режим работы цепи синусоидального тока носит название «резонанса токов»? Условие возникновения резонанса в параллельной цепи. Нарисуйте векторные диаграммы режима резонанса токов.

14. Какой режим работы цепи синусоидального тока носит название «резонанса напряжения»? Условие возникновения резонанса в последовательном контуре. Нарисуйте векторные диаграммы режима резонанса напряжений.

15. Напишите формулы для определения резонансной угловой частоты параллельного и последовательного контуров.

16. Что означают понятия добротность контура и полоса пропускания; их взаимосвязь? Понятие характеристического сопротивления для R, L и C – цепи.

17. Изменения каких параметров от частоты носят название «частотные характеристики» и «резонансные кривые»?

18. Каковы величины действующего значения тока в условиях возникновения резонанса напряжений и резонанса токов по отношению к режиму до резонанса?

Лабораторная работа №3

«Трехфазные цепи. Исследование цепи трехфазного тока при

Теоретическое обоснование

Совокупность синусоидальных ЭДС (токов или напряжений) одной частоты, сдвинутых относительно друг друга по фазе и действующих в многофазной системе электрических цепей, называют многофазной системой ЭДС. Из многофазных систем наибольшее применение получили трехфазные системы, где источниками электрической энергии являются трехфазные генераторы.

Трехфазные системы ЭДС (напряжений и токов) делятся на симметричные и несимметричные. Под трехфазной симметричной системой ЭДС понимают систему ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе на угол 120⁰ (рисунок 7).

Несимметричными системами называют системы (рисунок 8), не удовлетворяющие указанным условиям симметрии (например, ЭДС не равны по величине или сдвинуты относительно друг друга на угол, не равный 120⁰).

Трехфазной цепью называют совокупность трехфазной системы ЭДС, трехфазной нагрузки и соединительных проводов.

Рисунок 7– Симметричная система ЭДС

Рисунок 8 – Несимметричная система ЭДС

Токи, протекающие по отдельным участкам трехфазных цепей, сдвинуты относительно друг друга по фазе. Под фазой трехфазной цепи понимают участок цепи, по которому протекает одинаковый ток (рисунок 9).

Рисунок 9 – Фазы трехфазной цепи

Фазы трехфазного генератора принято обозначать большими буквами латинского алфавита (рисунок 9): А, В и С. Начала и концы фаз потребителя обозначают маленькими буквами (а, х и т.д.).

Основными видами соединения являются соединения «треугольником» и «звездой». На рисунке 10 показан способ соединения фаз «звездой». При этом начала обмоток генератора объединяют в нейтральную точку 0 генератора. Провод, соединяющий нейтральные точки генератора 0 и нулевую точку 0^’приемника, называют нейтральным проводом, а провода, идущие от концов фаз генератора к приемнику, - линейными проводами. При симметрии токов в фазах, ток в нейтральном проводе равен нулю, и его можно удалить (в этом случае получаем трехпроводную сеть без нулевого провода).

Рисунок 10 – Схема четырехпроводной цепи при соединении

фаз генератора и нагрузки по схеме «звезда»

Напряжения между зажимами фаз генератора (А, В и С), потребителя (а, в и с) и нейтральными точками (0 и 0^’), а также токи в фазах генератора и потребителя называют фазными токами и напряжениями. Напряжения между линейными проводами и токи в этих проводах – линейными напряжениями и токами.

При возникновении несимметрии токов в фазах нагрузки по нейтральному проводу протекает ток i ₀ , амплитуда которого меньше амплитуды токов в линейных проводах. Поэтому сечение нулевого провода принимают на ступень меньше сечения линейных проводов.

Обмотки трехфазных генераторов, которые устанавливаются на электростанциях, всегда соединяют «звездой», что позволяет выполнять изоляцию обмоток на фазное напряжение, которое меньше линейного в раза.

На рисунке 11 показано соединение фаз генератора и нагрузки по схеме «треугольник». При этом в генераторе конец обмотки каждой фазы соединяется с началом обмотки следующей фазы. Геометрическая сумма ЭДС в замкнутом треугольнике равна нулю. Поэтому, если к зажимам А, В, С не присоединена нагрузка, то по обмоткам генератора не будет протекать ток.

Рисунок 11 – Схема трехпроводной цепи при соединении фаз

генератора и нагрузки по схеме «треугольник»

Преимуществом соединения фаз приемника «треугольником» является взаимная независимость фазных токов.

Способы соединения генератора и приемника независимы друг от друга, если нет нейтрального провода.

При построении векторных диаграмм рекомендуется выбирать положительные направления ЭДС, токов и напряжений так, чтобы соблюдалась их симметрия. Этому положению удовлетворяет выбор положительных токов и напряжений, показанных на рисунке 12.

Рисунок 12 – Векторные диаграммы напряжений и токов при

различных схемах соединения фаз нагрузки

Таблица 8 - Соотношения между фазными и линейными токами и напряже-

ниями при различном соединении фаз для симметричной цепи

Соединение Y	Соединение ∆

Приемники, включаемые в трехфазную цепь, могут быть однофазными и трехфазными. К однофазным приемникам относятся осветительные приборы, бытовые электрические приборы и однофазные двигатели. К трехфазным – трехфазные асинхронные двигатели и индукционные печи.

В четырехпроводную сеть включают однофазные несимметричные приемники, режимы работы которых не зависят друг от друга, а нулевой провод обеспечивает симметрию фазных напряжений приемника.

Осветительные приборы, являющиеся типичными несимметричными приемниками включаются или по схеме «звезда» в четырехпроводную сеть или по схеме «треугольник» в трехпроводную.

Симметричные трехфазные приемники можно включать в трехпроводную цепь, как по схеме «звезда», так и по схеме «треугольник». Поэтому на щитках трехфазных электродвигателей указывается два напряжения (одно – при включении фаз «звездой», другое – «треугольником») и имеется шесть выводов. Например, Y - 380/220 -∆:

а) если U _Л = 380 В, то фазы обмотки двигателя включают «звездой» и

U _Ф =220В, т.к ;

б) если U _Л = 220 В, то фазы обмотки двигателя включают «треугольником», так как U _Ф = U _Л =220В.

Соединение фаз приемника по схеме «треугольник» часто переключают на соединение «звезда» для уменьшения пусковых токов трехфазных двигателей. Это следует из соотношения

> . (12)

Активная и реактивная мощности трехфазной системы – это сумма соответствующих мощностей фаз нагрузки и мощностей в сопротивлении нулевого провода: ; .

Активная и реактивные мощности трехфазной системы при симметрии и системы токов, и системы напряжений, определяются выражением

; , (13)

которое справедливо как для соединения «звездой, так и «треугольником».

При включении нагрузки по схеме «треугольник» линейные напряжения будут равны фазным , а токи в фазах приемника определяются как . При нагрузка симметричная, а при несоблюдении одного из равенств – несимметричная. Токи в линейных проводах определяются при любой нагрузке как разность фазных токов , а сумма линейных токов равна нулю .

Аппаратура и материалы

Для выполнения работы необходимы лабораторные стенды «Электротехника», включающие в себя:

– набор регулируемых реостатов (активная нагрузка трехфазной цепи);

– измерительные приборы (амперметры и вольтметры переменного тока; киловаттметр).

Содержание отчета и его форма

Каждый студент, выполнивший лабораторную работу, должен оформить отчет и предоставить его преподавателю.

Отчет должен содержать:

1. Название и цель работы.

2. Принципиальную схему исследуемой цепи.

3. Таблицы и векторные диаграммы, заполненные и построенные по результатам измерений и аналитических расчетов.

4. Выводы по результатам работы, в которых должна быть дана оценка исследуемых явлений, подтверждение в выполнении законов, объяснение диаграмм.

Отчет должен иметь титульный лист с указанием Ф.И.О. студента, номера группы и даты выполнения работы.

Вопросы для защиты работы

1. Какие соотношения между фазными и линейными токами и напряжениями при соединении фаз нагрузки по схемам «звезда» и «треугольник»?

2. Изобразите схему соединения потребителей в «треугольник» с указанием положительных направлений фазных и линейных токов. Включить в схему вольтметры для измерения напряжений.

3. Чему равен угол сдвига фаз между фазными и линейными токами при симметричной нагрузке?

4. От каких факторов зависит угол сдвига фаз между фазными напряжениями и токами?

5. Взаимосвязь между действующими значениями линейных и фазных токов при симметричной нагрузке.

6. Как влияет «обрыв» линейного провода на работу трехфазного потребителя, включенного по схеме «треугольник»?

7. При каком режиме работы цепи при соединении нагрузки по схеме «треугольник» фазные токи равны линейным?

8. Как изменится схема и режим работы цепи, собранной по схеме «треугольник», при «обрыве» фазного провода?

9. Достоинства режима цепи с «обрывом» одной фазы по сравнению с другими несимметричными режимами. Как практически может быть использован этот режим?

10. Можно ли осветительную нагрузку соединять в «треугольник»?

11. Перечислите методы измерения активной мощности трехфазной системы?

Лабораторная работа № 4

«Трехфазные цепи. Исследование цепи трехфазного тока при

Теоретическое обоснование

Основные теоретические положения изложены в лабораторной работе № 3. В данной работе приведен дополнительный материал, необходимый для расчета трехфазной цепи при соединение фаз нагрузки по схеме «звезда».

Нагрузка трехфазной системы называется симметричной, если выполняется равенство . (14)

При соединении потребителей трехфазного тока «звездой» при любой нагрузке справедливы выражения

; ;

; .

При симметричной нагрузке модули линейных токов и напряжений определяются . (15)

Напряжение между нейтральными точками генератора (0) и нагрузки (0’) определяется зависимостью , (16)

где проводимости фаз;

Z _A , Z _B , и Z _C – комплексные сопротивления фаз,

Z _OO _’ – комплексное сопротивление нулевого провода;

– комплексная проводимость нулевого провода.

Активные сопротивления нагрузки определяются

(17)

Значения мощности определяются из выражений

; (18)

а мощность всей цепи (19)

Аппаратура и материалы

Для выполнения работы необходимы лабораторные стенды «Электротехника», включающие в себя:

– набор регулируемых реостатов (активная нагрузка трехфазной цепи);

– измерительные приборы (встроенные амперметры и вольтметры переменного тока).

Содержание отчета и его форма

Каждый студент, выполнивший лабораторную работу, должен оформить отчет и представить его преподавателю.

Отчет должен содержать:

1. Название и цель работы.

2. Принципиальную схему исследуемой цепи.

Отчет должен иметь титульный лист с указанием Ф.И.О. студента, номера группы и даты выполнения работы.

Вопросы для защиты работы

1. Изобразить трехфазную четырехпроводную систему, содержащую генератор и потребитель, включить вольтметры для измерения фазных и линейных напряжений.

2. Изобразить трехфазную четырехпроводную систему, содержащую генератор и потребитель. Включить амперметры для измерения токов.

3. Что такое симметричная нагрузка?

4. Какое соотношение выполняется между фазными и линейными напряжениями при соединении потребителей звездой при любой нагрузке?

5. Какое соотношение выполняется между фазными и линейными напряжениями при симметричной нагрузке?

6. Какое соотношение между фазными и линейными токами при соединении нагрузки звездой, при несимметричной нагрузке?

7. Какое соотношение между фазными и линейными токами при симметричной нагрузке, соединенной звездой?

8. Чему равен ток в нулевом проводе при симметричной и несимметричной нагрузках?

9. Какую роль выполняет нейтральный провод при несимметричной нагрузке?

10. По какой формуле можно рассчитать напряжение смещения нейтрали?

11. В каком случае в трехфазной трехпроводной цепи фазное напряжение равно половине линейного?

12. В каком случае в трехфазной трехпроводной цепи фазное напряжение равно линейному?

13. Объяснить, следует или не следует ставить предохранитель в нулевом проводе?

14. Объяснить, почему для освещения применяется четырехпроводная система?

15. Объяснить, почему нельзя осуществить опыт короткого замыкания фазы в четырехпроводной цепи?

Лабораторная работа № 5

«Исследование характеристик и параметров

Однофазного трансформатора»

Цель и содержание

Цель работы: Экспериментальное исследование режимов работы однофазного трансформатора и определение его параметров.

Содержание работы:

1. Экспериментальное исследование трансформатора в опытных режимах холостого хода и короткого замыкания.

2. Экспериментальное исследование трансформатора в режиме активной нагрузки.

Теоретическое обоснование

Режим нагрузки

В этом режиме напряжение первичной обмотки близко к номинальному , ток первичной обмотки I ₁ определяется нагрузкой трансформатора, а ток вторичной обмотки ее номинальным током .

По данным измерений аналитически определяют коэффициенты мощности и полезного действия трансформатора соответственно по формулам

и , (21)

где Р₁ – активная мощность первичной обмотки трансформатора, а мощность Р₂, которая отдается в цепь питания вторичной обмоткой трансформатора определяется как Р₂=Р₁- Р_ХХ-Р_КЗ.

Изменением (потерей) напряжения трансформатора называется арифметическая разность между вторичным напряжением трансформатора при холостом ходе и напряжением вторичной обмотки в режиме нагрузки

∆ U = U _2ХХ - U ₂ .

Или в процентном выражении ∆U ,%= . (22)

Опыт холостого хода

Для проведения опыта собирают электрическую цепь, в которой подводимое к первичной обмотке трансформатора напряжение изменяют в пределах от 0 до 1,1 . Вторичная обмотка разомкнута, к ее зажимам присоединен вольтметр для измерения напряжения . Со стороны первичной обмотки измеряют напряжение , ток холостого хода и мощность, которую потребляет трансформатор в режиме холостого хода .

По данным измерений можно построить зависимости и (рисунок 16).

Номинальные величины тока холостого хода и потерь мощности указываются в паспортных данных трансформатора (I_XX в процентах от номинального тока первичной обмотки, а потери холостого хода – в киловаттах). Значение этих параметров характеризует качество стали и сборки магнитопровода. В трансформаторах малой мощности I _ХХ ≤10% I _1НОМ , а у трансформаторов большой мощности он уменьшается до (2,5-3)%.

Рисунок 16 – Характеристики холостого хода

На основании этого опыта по показаниям измерительных приборов определяют коэффициент трансформации и мощности потерь в магнитопроводе трансформатора. Так как при холостом ходе ток , то потери мощности, затрачиваемые на нагрев обмоток, малы. Мощность Р_ХХ, потребляемая в этом случае трансформатором идет на покрытие потерь в стали магнитопровода (они пропорциональны квадрату напряжения ).

Коэффициент мощности холостого хода трансформатора определяется

. (23)

Опыт короткого замыкания

В режиме короткого замыкания витки вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением Z_Н =0. В условиях эксплуатации – это аварийный режим, когда токи первичной и вторичной обмоток увеличиваются в десятки раз по сравнению с .

В лабораторных условиях проводят испытательное короткое замыкание, при котором накоротко замыкают вторичные обмотки. К первичной обмотке подводят такое напряжение , при котором ток вторичной обмотки не превышает номинального тока . Выраженное в процентах напряжение короткого замыкания – называют напряжением короткого замыкания и указывают в паспортных данных трансформатора:

. (24)

Напряжение короткого замыкания зависит от высшего напряжения (ВН) обмоток трансформатора: с повышением ВН напряжение короткого замыкания увеличивается.

Так как в режиме короткого замыкания , то потери холостого хода в стали магнитопровода малы. Измеряемая ваттметром в этом режиме мощность – это потери мощности в проводах первичной и вторичной обмоток. При токе получаем номинальные потери мощности на нагрев обмоток, которые называют электрическими потерями или потерями короткого замыкания.

По показания приборов строят характеристики короткого замыкания, которые представляют собой зависимости тока , мощности и cosφ от напряжения (рисунок 17). Расчет коэффициента трансформации в опыте короткого замыкания определяется отношением токов в первичной и вторичной цепях . А коэффициент мощности трансформатора определяется по формуле . (25)

Рисунок 17 – Характеристики короткого замыкания

Аппаратура и материалы

Для выполнения работы необходимы лабораторные стенды «Электротехника», включающие в себя:

– встроенный однофазный понижающий трансформатор с номинальным параметрами по напряжению 220/127 В и полной мощностью 270 ВА;

– реостат;

– измерительные приборы (амперметры и вольтметры переменного тока, переносной ваттметр).

Опыт холостого хода

1.1.1 Ознакомиться с лабораторной установкой и измерительными приборами. Записать паспортные данные трансформатора и рассчитать номинальные токи первичной и вторичной обмоток трансформатора по формулам

, (26)

где S – номинальная полная мощность трансформатора, ВА;

U _1НОМ , U _2НОМ – соответственно номинальные напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора, В.

1.1.2 Собрать схему по рисунку 18. С помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР) установить на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение 220В (вольтметр V ₁). Показания приборов занести в таблицу, отметить, что ток холостого хода I _ХХ ≤10% I _1НОМ.

Рисунок 18 – Схема опыта холостого хода трансформатора

1.1.3 По результатам измерений рассчитать коэффициенты мощности и трансформации. Результаты вычислений занести в таблицу 13.

Таблица 13 – Испытательный режим холостого хода

Измерено				Вычислено
U _1Н , В	U _2ХХ , В	I _{1 ХХ} , А	Р_ХХ, Вт	k	С osφ _{1 ХХ}

Опыт короткого замыкания

1.2.1 Собрать схему по рисунку 19. Изменяя напряжение первичной обмотки с помощью ЛАТР, установить на амперметре А₂ значение тока, не превышающего номинальную величину . При этом напряжение короткого замыкания U _КЗ должно составлять до 10% от U _1Н, что приблизительно равно 22В. Результаты измерений занести в таблицу 14.

Рисунок 19 – Схема опыта короткого замыкания трансформатора

1.2.2 По результатам измерений аналитически рассчитать коэффициенты мощности и трансформации в режиме короткого замыкания. Результаты вычислений занести в таблицу 14.

Таблица 14 – Испытательный режим короткого замыкания

Измерено				Вычислено
U _1КЗ , В	I _1Н , А	I _{2 КЗ} , А	Р_КЗ, Вт	k	С osφ _КЗ

Активной нагрузки

2.1 Собрать схему по рисунку 20. С помощью ЛАТР установить на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение 220 В.

2.2 Изменяя величину сопротивления реостата во вторичной цепи трансформатора, снять показания приборов для (5-6) режимов в пределах (10-100)% I _2НОМ. Результаты измерений занести в таблицу 15.

R_Н

Рисунок 20 – Схема опыта рабочего режима трансформатора

Таблица 15 – Режим активной нагрузки трансформатора

Измерено					Вычислено
U₁ , В	U ₂ , В	I ₁ , А	I ₂ , А	Р, Вт	∆U ,В	∆U ,%	Р₂,Вт	S ₁ ,ВА	С osφ ₁	η, %
1
2
3
4
5
6

2.3 По результатам измерений аналитически рассчитать активную мощность цепи вторичной обмотки, коэффициенты мощности и полезного действия, а также потери напряжения в режиме нагрузки. Результаты вычислений занести в таблицу 15.

2.4 По результатам измерений и расчетов построить графики зависимости: .

Содержание отчета и его форма

Каждый студент, выполнивший лабораторную работу, должен оформить отчет и предоставить его преподавателю.

Отчет должен содержать:

1. Название и цель работы.

2. Принципиальные схемы исследуемых режимов трансформатора.

3. Результаты измерений и аналитических расчетов в виде таблиц и графиков по всем пунктам методики выполнения работы.

4. Выводы по результатам работы, в которых должна быть дана оценка исследуемых явлений, объяснение характера кривых на графиках. На графиках следует проставлять все точки, полученные в экспериментах.

Отчет должен иметь титульный лист с указанием Ф.И.О. студента, номера группы и даты выполнения работы.

Вопросы для защиты работы

1. Назначение и принцип действия трансформатора.

2. Изобразите схему замещения однофазного трансформатора.

3. Запишите уравнения напряжений трансформатора.

4. Почему магнитный поток трансформатора практически не

зависит от нагрузки?

5. Каково выражение действующих ЭДС, наводимых в первичной и вторичной обмотках трансформатора?

6. Какие величины определяются в опытах холостого хода и короткого замыкании?

7. Как опытным путем определить коэффициент трансформации?

8. Изобразите векторную диаграмму трансформатора в режиме

холостого хода.

9. Изобразите векторную диаграмму трансформатора в нагрузочном режиме.

10. Что отображает энергетическая диаграмма трансформатора?

11. Какие режимы работы трансформатора являются рабочими, а какие аварийными?

12. Что означает деление трансформаторов по группам и видам соединений?

13. Назовите области применения трансформаторов напряжения и тока.

14. Что произойдет с обмоткой и магнитопроводом трансформатора, если при разомкнутой вторичной обмотке его первичную обмотку включить на напряжение 220 В вместо номинального 127В?

15. В чем отличие трансформаторов одинаковых номинальных мощностей, напряжений, числа витков и амплитуд магнитной индукции в магнитопроводе, изготовленные:

а) для работы на промышленной частоте (50 Гц);

б) для работы на частоте 400 Гц?

Список рекомендуемой литературы

Основная учебная литература

1. Электротехника и электроника: Учеб. пособие для вузов /под ред. Кононенко В.В. Ростов н/Д: «Феникс», 2004. 752с.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. для вузов. М.: «Академия», 2003. 544с.

3. Нейман Л.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники.: Учеб. для вузов. Т.1. СПб.: Энергоиздат, 2003. 467с.

4. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 2000. 542с.

5. Сборник задач по теоретическим основам электротехники: Учеб. пособие для энерг. и приборост. спец. вузов/ Л.А.Бессонов, И.Г.Демидова, М.Е.Заруди и др.; под ред. Л.А.Бессонова. М.: Высшая школа, 2000. 528с.

6. Новгородцев А.Б. ТОЭ₁. 30 лекций по теории электрических цепей; Учеб. для вузов. СПб.: Политехника, 1995. 519с.

Дополнительная литература

1. И.И.Алиев. Справочник по электротехнике и электрооборудованию/ Серия «Справочники». Ростов н/Д: «Феникс», 2004. 480с.

2. Электротехнический справочник: в 4 т. Т.1. / под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г.Герасимова и др. (гл. ред. А.И.Попов. – 8-е изд., испр. и доп. – М.: Издательство МЭИ, 2002. 488 с.

3. Кацман М.М. Электрические машины. М.: Высшая школа. 1990. 463с.

4. Основы теории цепей: Учеб. для вузов / Зевеке Г.В., Ионкин П.А. и др. М.: Энергоатомиздат, 1989. 528с.

5. Сергеенков Б.Н., Киселев В.М., Акимова Н.А. Электрические машины. Трансформаторы: Учеб. для вузов. М.: Высшая школа, 1989. 352с.

6. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника: Учеб. пособие для неэлектротехн. спец. вузов. М.: Высшая школа. 1984. 375с.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине “Электротехника и электроника”

для студентов специальностей:

130201 (080400) «Геофизические методы поисков и разведки полезных ископаемых»,

130304 (080500) «Геология нефти и газа»,

151001 (120100) «Технология машиностроения»,

190601 (150200) «Автомобили и автомобильное хозяйство»,

190701 (240100) «Организация перевозок и управления на транспорте»,

190702 (240400) «Организация и безопасность движения»,

200503 (072000) «Стандартизация и сертификация»,

230102 (220200) «Автоматизированные системы обработки информации и управления»,

240403 (250400) «Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов»,

240306 (251000) «Химическая технология монокристаллов, материалов и изделий электронной техники»,

240902 (271500) «Пищевые биотехнологии»,

260202 (270300) «Технология хлеба, кондитерских и макаронных изделий»,

260301 (270900) «Технология мяса и мясных продуктов»,

260303 (271100) «Технология молока и молочных продуктов»,

260501 (271200) «Технология продуктов общественного питания»,

260504 (270800) «Технология консервов и пищеконцентратов»,

260601 (170600) «Машины и аппараты пищевых производств»,

270102 (290300) «Промышленное и гражданское строительство»,

270105 (290500) «Городское строительство и хозяйство»,

270109 (290700) «Теплогазоснабжение и вентиляция»,

270115 (291500) «Экспертиза и управление недвижимостью»,

280103 (330600) «Защита в чрезвычайных ситуациях»,

280201 (320700) «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов»

Составители: Л. В. Воронцова, А. Ф. Кочнева, О. Р. Киркоров, Ю. А. Ларионов,

Т. Ф. Морозова, А. Ф. Шаталов, О. И. Юдина

Редактор:

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––

Подписано печать

Формат 60Х80 1/16 Усл.п. л. – Уч.-изд.л. –

Бумага газетная. Печать офсетная. Заказ Тираж 200 экз.

ГОУВПО «Северо-Кавказский государственный технический университет»

355029, г. Ставрополь, пр.Кулакова, 2

__________________________________________________________________ Издательство Северо-Кавказского государственного технического университета

Отпечатано в типографии СевКавГТУ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторных работ

по дисциплине “Электротехника и электроника”

для студентов специальностей:

Дата: 2019-07-24, просмотров: 268.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒