Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Введение
Лабораторные работы по курсам "Электротехника" и "Теоретические основы электротехники, ч I" имеют учебно-исследовательский характер. Они развивают у студентов навыки в обращении с электротехническими устройствами, электроизмерительной аппаратурой, знакомят с методами исследований процессов в электрических цепях и техникой измерений их параметров.
Методическое руководство построено по принципу двух уровней сложности выполнения лабораторных работ, обработки и анализа получаемых результатов. Студенты ряда специальностей с большим объемом изучаемого курса выполняют лабораторные работы по полной программе, а студенты, изучающие сокращенный курс – по сокращенной программе. По предложению преподавателя в полном объеме лабораторные работы могут выполняться бригадами из наиболее подготовленных и способных студентов и тех групп, которые изучают сокращенный курс электротехники.
Перед выполнением каждой лабораторной работы студенты должны изучить соответствующий раздел учебной литературы, уяснить основные теоретические положения, ознакомиться с методическим руководством к данной работе, описанием лабораторной аппаратуры и исследуемых электрических цепей, с порядком обработки полученных результатов. Началу работ в лаборатории предшествует знакомство с основными организационными положениями и инструктаж по правилам безопасной эксплуатации электроустановок.
Рекомендуемая учебная литература
Основная
1. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1985. 552 с.
2. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники: Учеб. для энергетич. электротехн. спец. техникумов. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1975. 496 с.
3. Зайдель Х.Э., Коген-Долин В.В., Крымов В.В. и др. Электротехника: Учеб. для неэлектротехн. спец. вузов 3-е изд., перераб. и доп./Под ред. В.Г. Герасимова. М.: Высшая школа, 1985. 480 с.
Дополнительная
4. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника: Учеб пособие для вузов. 4-е изд., перераб. М.: Энергоатомиздат. 1983. 440 с.
5. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника: Учеб. пособие для студентов неэлектротехн. спец. вузов. М.: Энергоатомиздат, 1987. 528 с.
6. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп./Под ред. В.С. Пантюшина. М.: Высшая школа, 1976. 560 с.
Правила выполнения работ
в лаборатории электрических цепей
Общие положения
1. Лабораторные работы выполняются фронтальным методом, т.е. все студенты одновременно выполняют одну и ту же работу.
2. Работы производятся бригадами по 2-4 человека. За каждой бригадой закрепляется определенный стенд.
3. К выполнению лабораторных работ допускаются студенты, прошедшие инструктаж по технике безопасности. Студенты, опоздавшие к началу занятий, к работе не допускаются.
4. Студенты должны быть теоретически подготовлены к выполнению очередной лабораторной работы, поэтому перед приходом в лабораторию необходимо изучить соответствующие разделы методического руководства, конспекта лекций и учебника.
5. Каждый студент должен иметь рабочую тетрадь, в которую в ходе выполнения работы заносится следующая информация:
|
№ |
Наименование прибора |
Заводской номер |
Тип |
Система |
Класс точности |
Пределы измерений |
Цена деления |
Примечание |
6. К выполнению очередной работы студент допускается лишь после сдачи отчета по предыдущей работе.
7. Студентам запрещается без разрешения преподавателя переходить со стенда на стенд, переносить приборы с соседних стендов.
8. Бесцельные хождения по лаборатории, вход и выход из лаборатории во время работы без разрешения преподавателя не допускаются.
Сборка электрической цепи
1. Перед сборкой электрической цепи по схеме, приведенной в методическом руководстве, необходимо выбрать нужные приборы из числа, имеющихся на стенде, ознакомиться с ними и записать паспортные данные в рабочую тетрадь. На ваттметрах, имеющих несколько пределов измерения, выбираются и устанавливаются требуемые пределы.
2. При использовании в работе переносных измерительных приборов последние на стенде располагаются так, чтобы электрическая цепь была простой и наглядной, а снятие показаний приборов не требовали лишних и сложных движений от работающего.
3. Во избежание ошибок сборку электрической цепи производят в следующем порядке: сначала в исследуемой схеме собирают главную токовую цепь, начиная с одного зажима источника питания и кончая другим зажимом. Затем по схеме подключают параллельные токовые цепи потребителей и, завершая сборку цепи, производится подключение вспомогательных параллельных ветвей, в частности вольтметры и катушки напряжения ваттметров. Для надежности соединения коммутацию цепей следует осуществлять так, чтобы одной клеммой зажималось не более 2-х проводников.
4. По окончании сборки члены бригады проверяют электрическую цепь и предъявляют преподавателю или лаборанту для получения разрешения на включение. Без разрешения включение цепи под напряжение запрещается.
5. При обнаружении в процессе сборки цепи неисправностей в приборах или проводах необходимо сообщить об этом преподавателю или лаборанту.
Выполнение эксперимента
1. Перед снятием какой-либо характеристики необходимо предварительно (без записи показаний приборов) быстро провести опыт, чтобы определить ее границы и интервалы между отдельными замерами. Число точек должно быть достаточным для построения и анализа кривой.
2. Показания приборов во время эксперимента записывают только в рабочей тетради. На основании экспериментальных данных строят соответствующие графики и векторные диаграммы. Результаты эксперимента необходимо проанализировать и сопоставить с теоретическими.
3. Если работа состоит из нескольких опытов, требующих изменения схемы цепи, то после выполнения каждого опыта необходимо убедиться в правильности полученных результатов эксперимента и только после этого получить разрешение преподавателя на выполнение следующего опыта.
Завершение работы и сдача отчета
1. После завершения работы рабочая тетрадь со всеми материалами по данной работе предъявляется преподавателю для окончательного просмотра.
2. Разборку цепи производят только с разрешения преподавателя после просмотра и подписи преподавателем рабочих тетрадей.
3. После разборки цепи все оборудование и провода убирают на свои места и на стенде наводят порядок.
4. По работе на основе записей в рабочей тетради каждый студент составляет отчет, который должен полностью соответствовать требованиям, изложенным ниже.
5. Отчет представляется преподавателю вместе с рабочей тетрадью, подписанной преподавателем. Без рабочей тетради отчеты не принимаются.
6. Отчеты, признанные преподавателем неудовлетворительными, возвращаются для переделки и исправления.
Оформление отчета
1. Отчет о выполненной работе должен содержать:
2. Отчеты выполняются чернилами на стандартных листах бумаги, чисто и аккуратно. Каждый отчет должен иметь титульный лист.
3. Графическую часть отчета (схемы, графические зависимости, векторные диаграммы) следует выполнять только на миллиметровой или клетчатой бумаге обязательно с помощью линейки, циркуля и лекала. Выполнение схем и графиков от руки не допускается.
4. При построении экспериментальных и расчетных кривых должно приниматься во внимание следующее:
а) начала осей координат и нулевые значения параметров должны быть совмещены; численные значения параметров, отличные от нулевых, откладываются на осях координат в одном из следующих масштабов: 1∙10n, 2∙10n, 5∙10n, где n=-2, -1, 0, 1, 2;
б) если в зависимости от одного параметра, например полезной мощности , предполагается построение графиков нескольких физических величин, например напряжения , тока , потребляемой мощности , коэффициента полезного действия , то для большей наглядности изображения численные значения каждой физической величины следует откладывать в индивидуальном масштабе, указываемом на дополнительной оси ординат (рис. 1);
в) численные значения параметров, полученные из опыта или в результате расчета, на оси координат наноситься не должны;
г) в процессе построения графиков значения физических величин, полученные экспериментально или в результате расчетов по экспериментальным данным, в виде точек четко наносятся в координатных осях; по этим точкам проводятся плавные усредненные зависимости (рис. 1);
Рис.
е) если в одной системе координат строится несколько графиков, то экспериментальные или расчетные значения каждой физической величины рекомендуется отмечать различными значками (рис. 1).
5. Векторные диаграммы строятся с соблюдением следующих требований:
Правила техники безопасности
Следует помнить, что напряжения в лаборатории электрических цепей опасны для жизни. Поэтому во избежание несчастных случаев необходимо строго соблюдать следующие правила техники безопасности:
1. Запрещается включать под напряжение без проверки и разрешения преподавателя или лаборанта цепь после ее сборки, а также после каких-либо переключений в ней.
2. Не разрешается касаться руками неизолированных частей цепи, когда она находится под напряжением.
3. Всякие переключения и изменения в электрической цепи следует производить только при снятом напряжении.
4. При повреждении во время работы прибора или аппарата, а также при возникновении отклонений от нормального режима работы цепи следует немедленно отключить ее от источника напряжения и сообщить об этом преподавателю или лаборанту.
5. Особую осторожность следует соблюдать при работе с резонансными цепями, содержащими индуктивные катушки и конденсаторы, так как при резонансе напряжения на отдельных участках цепи могут значительно превышать напряжение источника питания.
6. На конденсаторах, включенных в цепь, после отключения их от источника напряжения может остаться заряд. Поэтому после окончания работы все конденсаторы следует разрядить.
7. Нельзя оставлять без присмотра цепь, включенную под напряжение.
8. Не следует загромождать свое рабочее место на стенде вещами, не относящимися к данной работе.
9. Запрещается во время работы загромождать подходы к стендам стульями, скамейками и т.п. Доступ к стендам, включенным под напряжение, должен быть свободен.
Работа № 1
Исследование режимов работы линии электропередачи
с помощью схемы замещения
Цель работы. Изучение энергетического процесса и распределения напряжений в схеме замещения 2-х проводной линии электропередачи при постоянной величине напряжения в начале линии в зависимости от тока в линии, определяемого количеством включенных потребителей электрической энергии.
Всякий потребитель электрической энергии получает ее от генератора по воздушной или кабельной линии передачи, выполненной из металлического (медного, алюминиевого или стального) провода и обладающей определенным сопротивлением. Это сопротивление обуславливает падение напряжения и потерю мощности в линии.
При изменении числа включенных потребителей электрической энергии изменяется величина тока в линии, что обуславливает изменение падения напряжения и потерь мощности в линии и отражается на работе потребителей.
Для теоретического и экспериментального изучения процессов в двухпроводной линии электропередачи пользуются эквивалентной схемой замещения (рис. 2), где - сопротивление линии; - эквивалентное сопротивление всех подключенных потребителей; - ток в линии; - напряжение в начале линии; - напряжение в конце линии (у потребителя).
Рис.
С учетом принятых обозначений
|
; |
(1) |
|
; |
(2) |
|
; |
(3) |
|
. |
(4) |
Энергетический процесс в схеме характеризуется следующим соотношением мощностей:
мощность, отдаваемая генератором в линию
|
; |
(5) |
мощность потерь электрической энергии в линии
|
; |
(6) |
мощность, отдаваемая линией потребителю (мощность нагрузки)
|
. |
(7) |
Коэффициент полезного действия линии определяется как отношение мощностей и :
|
. |
(8) |
Если в формуле (7) ток выразить через отношение мощности потребителя к напряжению у потребителя и подставить это выражение для тока в формулу (6), то для мощности потерь электрической энергии в линии получается следующее выражение:
|
. |
(9) |
Согласно (9), при постоянной мощности нагрузки величина потерь в линии обратно пропорциональна квадрату напряжения, т.е. электрическую энергию экономично передавать при высоких напряжениях. Однако с ростом напряжения увеличивается стоимость изоляции линии. На практике применяют тем большее напряжение, чем больше передаваемая мощность и дальность передачи.
Заменив в формуле (8) и их выражениями по (5) и (7), получим новую форму записи выражения для расчета коэффициента полезного действия линии:
|
. |
(10) |
Домашнее задание
1. Изучить теоретический материал по режимам работы электрических цепей /Л1, с. 24-25; Л2, с. 57-60; Л5, с. 30-32; Л6, с. 25-26; конспект лекционного курса/.
2. Проработать содержание и порядок выполнения работы, изложенные в разделе "Рабочее задание". В рабочей тетради подготовить табл. 2, а также табл. 1 паспортных данных приборов (см. п. 5 общих положений).
3. Подготовить ответы на контрольные вопросы к данной работе.
Рабочее задание
1. Работу следует выполнять по схеме, показанной на рис. 3.
В качестве потребителей используются лампы накаливания, включенные параллельно. При увеличении числа включенных ламп их эквивалентное сопротивление будет уменьшаться, а ток в цепи увеличиваться.
Рис.
В качестве аналога линии электропередачи используются два проволочных реостата. Общее сопротивление линии .
Максимальный ток будет при коротком замыкании в конце линии (выключатель В замкнут, напряжение на потребителях и токи в них равны нулю). Ток короткого замыкания
.
Сопротивление нужно установить такой величины (положением движков проволочных реостатов), чтобы ток был близок к пределу измерения амперметра и не превышал номинального тока проволочных реостатов.
2. Включить цепь под напряжение и, замкнув выключатель В, измерить ток короткого замыкания .
3. Изменяя величину тока от нуля до снять показания для 7 точек. Интервал между точками . Показания приборов записать в табл. 2.
|
Измерено |
Вычислено |
||||||||
|
А |
В |
В |
Ом |
Вт |
Ом |
о.е. |
|||
4. По ранее приведенным формулам вычислить для всех режимов (исключая режим холостого хода) , и занести их в правую часть табл. 2. Вычислить величину и также занести ее в табл. 2.
Примечание. Работа выполнена правильно, если сопротивление проводов линии в каждом опыте отличается от среднего значения не более чем на 10 %.
Обработка результатов эксперимента
(указания к самостоятельной работе)
1. По результатам эксперимента вычислить для всех режимов значения , , , , и занести их в табл. 2. Численное значение коэффициента полезного действия рассчитывается по формуле (10).
2. По данным табл. 2 построить в общей системе координат зависимости , , , , , от тока . Образец для построения графиков приведен на рис. 1.
3. Проанализировать зависимости , , , , , от тока . При анализе выявить и обосновать области возрастания (убывания) этих величин, установить их экстремумы.
Используя экспериментальные данные, установить, при каком соотношении сопротивлений линии электропередачи и нагрузки и при каком значении коэффициента полезного действия мощность нагрузки является максимальной. Отметить особенности режимов: холостого хода, номинальной работы, короткого замыкания. Выявить рациональные по величинам и режимы работы для мощных линий и слаботочных цепей связи, телемеханики и автоматики. Сделать выводы по работе.
4. Студенты ряда специальностей (по указанию преподавателя) дополнительно к изложенному в п. 3, должны получить аналитическую зависимость , исследовать ее на максимум и выявить, при каких условиях значение максимально и какое значение при этом имеет коэффициент полезного действия . Результаты аналитических исследований сопоставить с экспериментальными данными и сделать соответствующие выводы. Материал по данному вопросу можно найти в /Л5, с. 31-32/.
Контрольные вопросы
1. Из каких элементов состоит электрическая цепь?
2. В чем состоит цель расчета электрической цепи и как она достигается?
3. Сформулируйте законы Ома и Кирхгофа. Расскажите о методике применения их к расчету простых цепей постоянного тока.
4. Расскажите о тепловом действии электрического тока. Сформулируйте закон Джоуля-Ленца. Запишите и объясните уравнение баланса мощностей в любой электрической цепи.
5. Какой режим электрической цепи называется номинальным и какой рабочим?
6. Почему уменьшается напряжение на зажимах источника при увеличении его нагрузки (тока в цепи)?
7. В чем особенности режимов холостого хода и короткого замыкания электрической цепи? Укажите признаки режимов холостого хода и короткого замыкания.
8. Какой режим электрической цепи является согласованным и где он используется?
9. Что называется внешней характеристикой источника?
10. В чем недостаток круто падающей внешней характеристики источника с точки зрения условий работы приемников?
11. Как изменится напряжение в конце линии электропередачи, если в середине линии произойдет короткое замыкание?
12. Объясните, почему при больших мощностях передача энергии на большие расстояния производится при высоких напряжениях?
13. Укажите величину допустимых потерь напряжения в проводах линии электропередачи.
14. Объясните пути уменьшения потерь напряжения в проводах линии электропередачи.
Работа № 2
Исследование цепи переменного тока с последовательным
соединением активного сопротивления, индуктивности
и емкости. Резонанс напряжений
Цель работы. Исследование влияния величины индуктивности катушки на электрические параметры цепи однофазного синусоидального напряжения, содержащей последовательно соединенные катушки индуктивности и конденсатор. Опытное определение условий возникновения в данной цепи резонанса напряжения.
Общие сведения
Цепь с последовательным соединением конденсатора и катушки с подвижным ферромагнитным сердечником изображена на рис. 4, а схема замещения этой цепи на рис. 5.
|
Рис. |
Рис. |
Для данной цепи справедливы следующие соотношения:
; ; ; ;
; ; ,
|
где |
, |
- действующие значения напряжения источника питания и тока; |
|
- полное сопротивление цепи; |
||
|
- активное сопротивление катушки, обусловленное активным сопротивлением провода катушки и потерями в стали ферромагнитного сердечника; |
||
|
- реактивное сопротивление; |
||
|
- индуктивное сопротивление катушки; |
||
|
- емкостное сопротивление конденсатора; |
||
|
- угол сдвига фаз между напряжением на катушке и током в ней; |
||
|
- угол сдвига фаз между напряжением источника и током цепи; |
||
|
- частота тока источника; |
||
|
- индуктивность катушки; |
||
|
- емкость конденсатора. |
Ток отстает по фазе от напряжения при и опережает по фазе напряжение при .
При равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений в цепи возникает резонанс напряжений, который характеризуется следующим:
1. Реактивное сопротивление цепи . Полное ее сопротивление , т.е. имеет минимальную величину.
2. Ток совпадает по фазе с напряжением источника, так как при
; .
3. Ток имеет максимальную величину, так как сопротивление цепи является минимальным
.
4. Падение напряжения на активном сопротивлении катушки равно приложенному напряжению, так как при
.
5. Напряжения на индуктивности и емкости равны, так как
.
При относительно малом по величине активном сопротивлении катушки (, ) напряжения на индуктивности и на емкости будут превышать напряжение на активном сопротивлении, а следовательно, и напряжение источника. Действительно, при и
,
где , т.е. и аналогично .
Таким образом, напряжения на индуктивной катушке и конденсаторе при резонансе напряжений могут значительно превысить напряжение источника, что опасно для изоляции катушки и конденсатора.
6. Энергетический процесс при резонансе напряжений можно рассматривать как наложение двух процессов: необратимого процесса преобразования потребляемой от источника энергии в тепло, выделяемое в активном сопротивлении цепи, и обратимого процесса, представляющего собой колебания энергии внутри цепи: между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. Первый процесс характеризуется величиной активной мощности , а второй – величиной реактивной мощности .
Колебаний энергии между источником питания и участком цепи, включающим катушку и конденсатор, не происходит и поэтому реактивная мощность всей цепи
.
Из условий возникновения резонанса или следует, что практически резонанс напряжений можно получить изменением:
а) индуктивности катушки;
б) емкости конденсатора;
в) частоты тока.
В данной работе резонанс напряжений получается за счет изменения индуктивности катушки перемещением ее ферромагнитного сердечника.
Домашнее задание
1. Изучить теоретический материал по теме лабораторной работы /Л1, с. 84-88, 90-95; Л2, с. 272-276, 297-300; Л6, с. 108-111; конспект лекций/.
2. Подготовить ответы на контрольные вопросы.
3. Внимательно прочитать методические указания к данной работе. Ознакомиться с электрической схемой проведения работы (рис. 6). Обдумать порядок проведения опыта. Начертить в рабочей тетради табл. 3.
Рис.
|
Номер опыта |
||||||
|
А |
Кол-во дел. |
Вт |
В |
|||
Рабочее задание
1. Работа выполняется по схеме, показанной на рис. 6.
В качестве источника питания используется источник однофазного синусоидального напряжения с действующим значением 36 В.
На каждом стенде размещена катушка индуктивности, конструктивно представляющая собой совокупность трех отдельных катушек и подвижного ферромагнитного сердечника. Начала и концы каждой из трех катушек выведены на клеммную панель. При проведении данной работы для увеличения диапазона изменения величины индуктивности необходимо все три катушки соединить между собой последовательно. В качестве емкости используется установленная на каждом стенде батарея конденсаторов.
2. Процессы в цепи исследуются при постоянной емкости С=40 мкФ и переменной индуктивности. В начале работы следует полностью ввести сердечник в катушки, что соответствует наибольшему значению индуктивности.
3. Включив цепь под напряжение и постепенно выдвигая сердечник определить максимальное значение тока , после чего установить сердечник в исходное состояние.
4. Медленно выдвигая сердечник, снять показания приборов для трех точек до резонанса, точки резонанса и трех точек после резонанса. Интервал между точками . Точки до резонанса и после резонанса снимать при одних и тех же значениях тока.
Показания приборов занести в табл. 3.
5. Проверить значение коэффициента мощности цепи в точке резонанса
.
Это значение должно быть близко к единице. Если получена величина, существенно отличающаяся от 1, то это означает, что работа или расчет выполнены неправильно.
|
Номер опыта |
||||||||||
|
Ом |
Гн |
В |
Ом |
мкФ |
о.е. |
|||||
6. Вычислить величины, указанные в табл. 4, по формулам:
полное сопротивление цепи
;
полное сопротивление катушки
;
активное эквивалентное сопротивление катушки, учитывающее потери энергии в обмотке и стальном сердечнике катушки
;
индуктивное сопротивление катушки
;
индуктивность катушки
,
где и частота Гц;
активная составляющая напряжения на катушке
;
индуктивная составляющая напряжения на катушке
;
емкостное сопротивление
;
емкость конденсатора (для проверки)
.
7. Построить в общей системе координат зависимости , , , , как функции . Используя данные опыта и расчета, построить в масштабе векторные диаграммы напряжений и тока при: а), б), в).
8. Проанализировать кривые , , , , как функции от и написать выводы по работе. Выводы должны отражать основную суть физических процессов в цепи переменного тока с последовательным соединением разных по характеру элементов; содержать анализ вида кривых (, , , , )= и оценку значений указанных величин при резонансе напряжений.
9. Студенты ряда специальностей (по указанию преподавателя) проводят углубленные экспериментальные и теоретические исследования режима резонанса напряжений.
Для этого следует использовать вольтметры VK, VC и амперметр A более высокого класса точности. Измерения в околорезонансной области (до и после точки резонанса) проводить более тщательно: по 3-4 дополнительных опыта в дорезонансной и послерезонансной областях. Четко зафиксировать максимумы напряжений , и тока при резонансе.
Используя опытные данные, показать, что максимум достигается при , а максимум - при , где - индуктивность катушки для точки резонанса напряжений.
Величину определяют из формулы:
и сравнивают со значением , полученным из графиков, согласно п. 6.
Контрольные вопросы
1. В чем основные различия физических явлений в цепях переменного и постоянного тока?
2. Чем физически объясняется отставание тока в цепи индуктивной катушки от напряжения, приложенного к ее зажимам?
3. Чем объяснить опережение тока в цепи конденсатора относительно напряжения, приложенного к его обкладкам?
4. Сформулируйте закон Ома для цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости.
5. В какой цепи и при каком условии наступает резонанс напряжений? Объясните энергетические процессы, протекающие в электрической цепи при резонансе напряжений.
6. Объясните, почему при резонансе напряжений ток в цепи максимален.
7. Как изменится резонансная частота в цепи с последовательным соединением , , , если емкость увеличить в 4 раза?
8. На каком участке цепи (рис. 7) напряжение при резонансе равно напряжению источника питания?
|
Рис. |
Рис. |
9. Как изменится ток (увеличится, уменьшится, останется без изменения) в цепи, показанной на рис. 8, при замыкании выключателя В, если .
10. Оцените величину коэффициента мощности при резонансе напряжений по сравнению с коэффициентом мощности до резонанса.
11. Каким электроизмерительным прибором можно определить состояние резонанса в неразветвленной цепи, если настройка в резонанс ведется при неизменном действующем значении входного напряжения?
12. К каким аварийным последствиям может привести резонанс напряжений в электрических цепях?
Работа № 3
Исследование цепи однофазного синусоидального
напряжения с параллельным соединением приемников
электрической энергии. Резонанс токов
Цель работы. Изучение процессов в электрической цепи с параллельным соединением приемников, содержащих индуктивные и емкостные элементы, при различном соотношении их параметров. Опытное определение условий достижения в данной цепи явления резонанса токов.
Общие сведения
На рис. 9 представлена электрическая цепь однофазного синусоидального напряжения с параллельным соединением двух приемников, один их которых на схеме замещен последовательным соединением резистора и емкостного элемента, а второй – последовательным соединением резистора и индуктивного элемента. Токи в приемниках определяются по закону Ома:
; ,
|
где |
- действующее значение напряжения источника электрической энергии; |
|
|
, , |
- активное, емкостное и полное сопротивления первого приемника; |
|
|
, , |
- активное, индуктивное и полное сопротивления второго приемника; |
, .
Вектор тока источника электрической энергии равен сумме векторов токов приемников:
.
Векторная диаграмма напряжения и токов для рассматриваемой схемы приведена на рис. 10.
|
Рис. |
Рис. |
Энергетические процессы в электрической цепи характеризуются величинами активной , реактивной и полной мощности, а также коэффициентом мощности .
Для первого приемника
, , , .
Для второго приемника
, , , .
Для двух приемников
, , , .
В соответствии с балансом активной и реактивной мощностей под , , , следует понимать также активную, реактивную и полную мощности источника электрической энергии и его коэффициент мощности.
При исследовании процессов в цепях с параллельным соединением приемников вектор тока в каждой ветви условно представляют в виде суммы векторов активной и реактивной составляющих тока. Вектор активной составляющей тока совпадает по направлению с вектором напряжения , а вектор реактивной составляющей перпендикулярен этому вектору.
Величины активной и реактивной составляющих токов приемников (см. рис. 10)
; ;
; ,
где и - углы сдвига фаз между вектором напряжения и векторами токов и .
Представление токов активными и реактивными составляющими позволяет путем их сложения найти активную и реактивную составляющие тока источника и по ним определить ток источника .
; ; .
Из векторной диаграммы рис. 10, следует:
; ; .
Косинус угла сдвига фаз между вектором тока источника и вектором напряжения источника определяется из выражения
.
В электрических цепях с параллельным соединением приемников, содержащих индуктивные и емкостные элементы, может, при определенных условиях, возникать явление резонанса токов. Резонансом токов называется режим, при котором ток источника электрической энергии совпадает по фазе с напряжением источника, т.е. . Следовательно, условием резонанса токов является равенство нулю реактивной мощности цепи и реактивной составляющей тока источника электрической энергии.
Применительно к электрической цепи, изображенной на рис. 9,
; .
Из условия резонанса токов следует, что
; .
При резонансе токов коэффициент мощности цепи
.
Ток в ветви с источником электрической энергии содержит только активную составляющую, является минимальным по величине и может оказаться значительно меньше токов в каждом из параллельно включенных приемников:
.
Домашнее задание
1. Проработать теоретический материал по теме лабораторной работы /Л1, с. 95-104; Л2, с. 287-292, 300-306; Л4, с. 108-114, 118-121; конспект лекций/.
2. Изучить порядок проведения работы и начертить в рабочей тетради табл. 5.
Рабочее задание
1. Собрать электрическую цепь, изображенную на рис. 11. В первую ветвь включаются последовательно одна секция лампового реостата с сопротивлением и батарея конденсаторов с емкостным сопротивлением . Во вторую – катушка индуктивности с подвижным ферромагнитным сердечником и последовательным соединением всех трех обмоток, ее образующих. Катушка в целом обладает активным и индуктивным сопротивлениями. Ветви соединены параллельно и подключены к источнику электрической энергии с действующим значением напряжения , равным 220 В (данное напряжение берется с зажимов А и В или В и С, или А и С трехфазного источника электрической энергии).
2. Записать паспортные данные электроизмерительных приборов.
3. Ферромагнитный сердечник катушки установить в положение, при котором ее индуктивность будет наибольшей по величине.
Рис.
4. Включить схему под напряжение и исследовать влияние величины индуктивности катушки на параметры цепи, измеряемые приборами. Для этого, выдвигая сердечник, т.е. уменьшая величину индуктивности, проделать семь опытов, три из которых соответствуют области до резонанса, один – в околорезонансной области с минимальным значением тока источника электрической энергии, три – в области после резонанса. Данные, полученные при проведении опытов, занести в табл. 5.
Таблица 5
|
Номер |
|||||||
|
В |
А |
Кол-во дел. |
Вт |
||||
5. По результатам опытов вычислить величины, входящие в табл. 6.
|
Номер опыта |
||||||||||||
|
Вт |
ВА |
ВАр |
о.е. |
ВА |
ВАр |
о.е. |
Ом |
Вт |
ВА |
о.е. |
Гн |
|
Формулы для расчета
; ; ; ;
; ; ; ;
; ; ; .
6. Используя данные табл. 5 и табл. 6 рассчитать активные и реактивные составляющие токов всех ветвей.
Расчетные формулы
; ; ; ;
; .
Данные расчета занести в табл. 7. В эту же таблицу перенести численные значения индуктивности из табл. 6.
|
Номер опыта |
|||||||
|
Гн |
А |
||||||
7. Построить в общей системе координат зависимости , , , как функции от .
8. Построить в масштабе три векторные диаграммы, одна из которых соответствует условию , вторая , третья . На каждой диаграмме должны быть изображены векторы напряжения , токов , , , , , , , , , а также углы , , , значения которых рассчитываются через косинусы этих углов посредством отыскания функции arccos.
9. Проанализировать полученные зависимости и векторные диаграммы и сделать выводы по работе, которые должны отражать особенности физических процессов в цепи с параллельным соединением ветвей, содержащих индуктивные и емкостные элементы.
10. Студенты ряда специальностей (по указанию преподавателя) дополнительно к п.п. 1-9 по данным табл. 5, 6, взятым для опытов 2, 4, 6, рассчитывают активные, реактивные и полные проводимости отдельных ветвей, активную, реактивную и полную проводимость параллельного соединения, через которые определяют величины эквивалентных активного, индуктивного, емкостного и полного сопротивлений параллельного соединения.
Формулы для расчета
; ; ; ;
; ; ; ;
; ; ; ;
; ; ; .
Данные расчета заносятся в табл. 8.
|
Номер опыта |
||||||||||||
|
Сим |
Ом |
|||||||||||
11. С учетом данных табл. 8 нарисовать схемы электрических цепей, эквивалентные исходной электрической цепи (рис. 11). Сделать выводы.
Контрольные вопросы
1. В каких цепях и при каких условиях может возникнуть резонанс токов?
2. Изменением каких параметров можно достичь резонанса токов в цепи, изображенной на рис. 11.
3. По каким выражениям рассчитываются активные и реактивные составляющие токов ветвей?
4. Напишите формулу резонансной частоты для цепи, представленной на рис. 11.
5. Постройте векторную диаграмму для цепи (рис. 11), если выполняется условие .
6. Для электрических цепей, изображенных на рис. 12, 13, нарисовать графики изменения действующих значений токов во всех ветвях в зависимости от частоты напряжения источника электрической энергии.
|
Рис. |
Рис. |
Рис. |
7. Определить значение емкостного сопротивления , при котором в цепи (рис. 14) возникает резонанс токов, если Ом, Ом.
8. Построить векторные диаграммы при резонансе токов для цепей, представленных на рис. 12, 13, 14.
9. Для цепей, представленных на рис. 12, 13, 14, написать формулы резонансной частоты, считая известными , и .
10. Приведите примеры практического использования явления резонанса токов в технике.
11. Определите индуктивное сопротивление , если при резонансе токов в цепи (рис. 15) А, А, Ом.
|
Рис. |
Рис. |
12. В цепи (рис. 16) резонанс токов. Как изменятся показания приборов и сохранится ли резонанс, если увеличить сопротивление ?
Работа № 4
Исследование влияния подключения емкости параллельно
приемникам электрической энергии на коэффициент
мощности цепи однофазного синусоидального
напряжения без учета и при учете сопротивления линии,
соединяющей источник и приемники
Цель работы. Опытным путем установить влияние включения конденсатора параллельно приемникам электрической энергии на величину коэффициента мощности цепи и ток источника электрической энергии. Научиться определять параметры электрической цепи с параллельным и последовательно-параллельным соединением ветвей. Закрепить навыки построения векторных диаграмм и анализа процессов в электрических цепях с их помощью.
Общие сведения
Большинство потребителей электрической энергии переменного тока (асинхронные двигатели, индукционные печи, электромагниты и т.д.) при работе, наряду с активной мощностью, потребляют значительную реактивную индуктивную мощность. Эту мощность вырабатывают источники электрической энергии, установленные на электрических станциях. Процесс передачи реактивной мощности от источников к приемникам сопровождается дополнительной загрузкой по току всех элементов системы электроснабжения (генераторы и трансформаторы электрических станций, провода линий электропередачи, трансформаторы понизительных подстанций, воздушные и кабельные линии, идущие к потребителям), обуславливает рост электрических потерь и снижение величины напряжения, что негативно сказывается на энергетических показателях системы и рабочих характеристиках потребителей.
Для снижения реактивной мощности генераторов электрических станций и уменьшения негативных последствий от ее передачи параллельно приемникам с активно-индуктивным характером нагрузки включаются батареи статических конденсаторов.
Реактивная мощность, вырабатываемая генераторами электрических станций в случае включения конденсаторов параллельно приемникам активно-индуктивной мощности
,
|
где |
- реактивная мощность генераторов; |
|
|
- реактивная индуктивная мощность приемников; |
||
|
- реактивная емкостная мощность конденсаторов. |
Согласно данного выражения, включение конденсаторов обуславливает уменьшение реактивной мощности генераторов электрических станций на величину . Коэффициент мощности генераторов при этом возрастает, что видно из следующего соотношения:
Рост коэффициента мощности генераторов станции при неизменной величине отдаваемой ими активной мощности обуславливает уменьшение полной мощности генераторов и тока, при котором энергия от генераторов передается к приемникам. Это следует из выражений:
; .
Уменьшение тока в элементах системы электроснабжения приводит к снижению потерь энергии и напряжения, что способствует повышению энергетических показателей и улучшает работу потребителей.
Домашнее задание
1. Изучить теоретический материал по теме лабораторной работы /Л2, с. 303-308; Л4, с. 120-121; Л6, с. 119-122; конспект лекций/.
2. Подготовить ответы на контрольные вопросы.
3. Продумать порядок проведения данной работы и начертить в рабочей тетради табл. 9.
|
Номер |
|||||||||
|
В |
А |
Кол-во дел. |
Вт |
||||||
Рабочее задание
1. Собрать электрическую схему, представленную на рис. 17.
На схеме источник электрической энергии представлен двумя зажимами, между которыми, при включении выключателя (на схеме не показан), возникает напряжение, действующее значение которого , равно 220 В. В качестве зажимов использовать клеммы А и В или В и С, или А и С трехфазного источника электрической энергии. Линия электропередачи, посредством которой энергия от источника передается приемникам, замещена на схеме резистором , в качестве которого используется проволочный реостат 30 Ом. В лабораторной работе используются два параллельно включенных приемника электрической энергии.
Один из приемников представлен резистором , в качестве которого используется одна секция лампового реостата, а вторым приемником является одна обмотка катушки индуктивности, замещенная на схеме последовательным включением резистора и индуктивности . Параллельно потребителям подключается батарея конденсаторов, в цепь которой включен однополюсный выключатель К.
Рис.
2. Записать паспортные данные электроизмерительных приборов, используемых при проведении исследований.
3. Посредством перемещения движка резистора вправо установить его сопротивление равным нулю.
4. Включить схему под напряжение. Изменяя величину сопротивления путем регулирования числа включенных ламп лампового реостата, установить ток равным () А. Перемещением ферромагнитного сердечника катушки установить ток на уровне () А. Исследовать работу данной электрической цепи в двух режимах:
Показания приборов занести в табл. 9.
5. Переместить движок резистора влево на длины проволочного реостата и исследовать работу электрической цепи в двух режимах:
Показания приборов занести в табл. 9.
6. По данным, полученным при проведении опытов, рассчитать величины, указанные в табл. 10.
|
Номер |
|||||||||
|
Вт |
ВАр |
ВА |
о.е. |
град |
|||||
Расчетные формулы
; ; ; ; ; ; ; ; ; ,
|
где |
- мощность потерь в проводах линии электропередачи; |
|
|
- активная мощность, потребляемая лампами лампового реостата; |
||
|
- мощность потерь в активном сопротивлении обмотки и ферромагнитном сердечнике катушки индуктивности; |
||
|
- полная мощность обмотки катушки индуктивности; |
||
|
- реактивная индуктивная мощность обмотки катушки индуктивности; |
||
|
- реактивная емкостная мощность батареи конденсаторов; |
||
|
, , |
- активная, реактивная и полная мощности исследуемой электрической цепи. Согласно баланса активных и реактивных мощностей под , , следует понимать также активную, реактивную и полную мощности, отдаваемые в цепь источником электрической энергии. |
7. Используя данные табл. 9, 10, рассчитать значения параметров, указанных в табл. 11.
8. По данным табл. 9, 10, 11 построить в масштабе векторные диаграммы токов и напряжений для всех режимов работы, указанных в п.п. 4, 5.
|
Номер |
|||||||||||
|
Ом |
о.е. |
град |
|||||||||
Формулы для расчета
; ; ; ; ; ;
; ; ; ; ,
|
где |
, |
- полное и индуктивное сопротивления обмотки катушки индуктивности; |
|
- емкостное сопротивление конденсаторов; |
||
|
, , |
- эквивалентные полное, активное и реактивное сопротивления всей электрической цепи; |
|
|
- угол сдвига фаз между напряжением и током в обмотке катушки индуктивности. |
На векторной диаграмме, соответствующей первому опыту, строятся вектор напряжения источника и векторы токов , , . Построение диаграммы рекомендуется начинать с построения вектора напряжения , относительно которого под углами и строятся векторы токов и , где ; . Построение вектора тока источника производится на основании 1-го закона Кирхгофа по уравнению:
.
Векторная диаграмма, построение которой производится по данным второго опыта, должна включать в себя вектор напряжения и векторы токов , , , . Построение следует выполнять в той же последовательности, что и в первом опыте. Вектор тока проводится под углом к вектору напряжения , где , а построение вектора тока источника производится согласно уравнения
.
Векторная диаграмма, соответствующая третьему опыту, должна включать построение векторов напряжения , , и векторов токов , , , а векторная диаграмма для четвертого опыта, наряду с векторами , , , , , , должна содержать вектор тока . Построение этих векторных диаграмм рекомендуется начинать с построения вектора напряжения . Далее строятся векторы токов , , (опыт 3) и векторы токов , , , (опыт 4). Векторы токов , , проводят под углами , , по отношению к вектору напряжения , а векторы тока строятся по уравнениям, составленным по 1-му закону Кирхгофа. Вектор напряжения проводится из конца вектора напряжения параллельно вектору тока . Вектор напряжения источника электрической энергии строится на основании уравнения, составленного по 2-му закону Кирхгофа:
9. Используя данные первого опыта, приведенные в табл. 9, 10, рассчитать величину емкости батареи конденсаторов, при которой коэффициент мощности электрической цепи равен единице. Для расчета воспользоваться формулой
,
где - частота напряжения источника электрической энергии; Гц.
10. На основании анализа полученных результатов сделать выводы по работе, в которых необходимо отразить влияние параллельного подключения конденсаторов на коэффициент мощности цепи и ток источника электрической энергии.
Контрольные вопросы
1. Построить векторные диаграммы напряжений и токов для электрических цепей, представленных на рис. 18, 19, 20.
|
Рис. |
Рис. |
2. Используя символический метод, рассчитать в общем виде эквивалентные значения активного, реактивного и полного сопротивлений электрических цепей, изображенных на рис. 18, 19, 20.
3. Объяснить необходимость подключения батарей статических конденсаторов параллельно приемникам электрической энергии однофазного синусоидального напряжения, в конструкции которых используются катушки индуктивности.
4. Определить показания амперметра (рис. 21), если Ом; мГн; Гц; В.
|
Рис. |
Рис. |
5. Амперметры (рис. 22) соответственно показывают: А; А. Каково будет показание амперметра, включенного в ветвь с источником электрической энергии, если в цепи имеет место резонанс токов? Построить векторную диаграмму.
6. Какой элемент нужно включить в цепь (рис. 23) и какой величины должно быть его сопротивление, чтобы цепь носила чисто активный характер, если Ом; Ом?
|
Рис. |
Рис. |
7. Записать формулу для определения емкости конденсаторной батареи, подключаемой параллельно к активно-индуктивной нагрузке с активной мощностью и коэффициентом мощности с целью повышения коэффициента мощности до значения . Напряжение переменного тока - и частота тока - .
8. Определить параметры эквивалентной схемы замещения электрической цепи (рис. 24), если Ом; Гц.
|
Рис. |
Рис. |
9. Коэффициент мощности установки (рис. 25), содержащей и , равен . Напряжение сети В, ток установки А, частота Гц. Определить емкость батареи конденсаторов для повышения коэффициента мощности установки до .
10. Определить характер нагрузки цепей, представленных на рис. 26 а, б, если .
|
а |
б |
|
Рис. |
11. Определить потери мощности в проводах линии электропередачи при работе промышленного предприятия с коэффициентом мощности , если при потери мощности составляли кВт. Активная мощность потребителей предприятия не меняется.
12. Нарисовать последовательную схему замещения электрической цепи (рис. 24) и рассчитать ее эквивалентные параметры.
Работа № 5
Исследование симметричных и несимметричных режимов
работы трехфазной цепи переменного напряжения
при соединении фаз источника и приемника
по схеме "звезда".
Цель работы. Приобретение практических навыков соединения фаз приемников по схеме "звезда"; опытное исследование распределения токов, линейных и фазных напряжений при симметричных и несимметричных режимах работы трехфазной цепи; выяснение роли нейтрального провода.
Общие положения
Отдельные фазы трехфазных источников и приемников электрической энергии принято на практике соединять по схеме "звезда" или схеме "треугольник". Для получения соединения "звезда" концы отдельных фаз источника (приемника) электрически соединяют между собой. Образующаяся при таком соединении общая точка называется нейтралью источника (приемника). На электрических схемах нейтраль источника принято обозначать буквой N, а нейтраль приемника буквой n.
Передача электрической энергии от трехфазного источника, обмотки фаз которого соединены по схеме "звезда", к трехфазному приемнику, фазы которого также соединены по схеме "звезда", может осуществляться посредством трехпроводной (рис. 27) или четырехпроводной (рис. 28) воздушной или кабельной линии.
|
Рис. |
|
Рис. |
В трехфазной трехпроводной системе (рис. 27) начала фаз источника A, B, C соединяются с помощью трех проводов линии электропередачи с начала ми фаз a, b, c трехфазного приемника. Нейтраль источника N и нейтраль приемника n при этом между собой непосредственно не соединены. В трехфазной четырехпроводной системе (рис. 28), наряду с тремя проводами, соединяющими начала фаз источника и приемника, используется четвертый провод, соединяющий нейтраль источника N с нейтралью приемника n, получивший название нейтрального.
Трехфазные источники электрической энергии вырабатывают симметричную систему фазных напряжений, т.е. три одинаковых по величине фазных напряжения, сдвинутых по фазе во времени на одну треть периода. Симметрия фазных напряжений источника обуславливает симметрию его линейных напряжений, т.е. линейные напряжения, действующие между началами фаз источника, равны по величине и сдвинуты по фазе во времени на одну треть периода.
Напряжения на фазах трехфазного приемника, токи и мощности фаз, углы сдвига фаз между фазными напряжениями, фазными токами, между напряжениями и токами одноименных фаз зависят от величины активных, индуктивных и емкостных сопротивлений фаз приемника и от числа проводов линии, соединяющей трехфазный источник и трехфазный приемник.
В случае симметричного трехфазного приемника, для которого справедливы следующие три равенства: , , , в трехфазной цепи, как трехпроводной, так и четырехпроводной, устанавливается симметричный режим работы. В этом режиме напряжения на фазах приемника, токи в фазах, активные, реактивные и полные мощности фаз, углы сдвига фаз между фазными напряжениями, фазными токами, между напряжениями и токами одноименных фаз равны по величине. В нейтральном проводе ток отсутствует, т.е. нейтральный провод не используется и поэтому необходимость в нем в симметричном режиме работы трехфазной системы отпадает. Другими словами, передачу энергии от трехфазного источника симметричному трехфазному приемнику целесообразно осуществлять с помощью трехпроводной линии.
Если трехфазный приемник является несимметричным, т.е. сопротивления фаз отличаются или по величине, или по характеру, или одновременно и по величине и по характеру, то в трехфазной системе, как трехпроводной, так и четырехпроводной, устанавливается несимметричный режим работы. В несимметричном режиме работы как трехфазной трехпроводной системы, так и трехфазной четырехпроводной системы токи в фазах приемника, активные, реактивные и полные мощности фаз, углы сдвига фаз между токами, между токами и напряжениями одноименных фаз в общем случае различны по величине. Напряжения на фазах приемника в трехфазной трехпроводной цепи обрузуют несимметричную систему. Степень несимметрии напряжений фаз приемника определяется параметрами его фаз, т.е. величинами активных, индуктивных и емкостных сопротивлений. Несимметрия напряжений фаз приемника негативно сказывается на его работе и является недопустимой. Применение нейтрального провода, т.е. переход к трехфазной четырехпроводной системе, позволяет устранить несимметрию напряжений фаз приемника и, как следствие, улучшить рабочие характеристики приемника. Поэтому передача энергии от трехфазного источника несимметричному трехфазному приемнику осуществляется посредством четырехпроводной линии электропередачи.
Домашнее задание
1. Изучить теоретический материал по теме лабораторной работы /Л1, с. 127-138; Л2, с. 348-354, 358-367; Л6, с. 148-160; конспект лекций/. Особое внимание при этом уделить построению векторных диаграмм для симметричного и несимметричных режимов работы трехфазной трехпроводной и трехфазной четырехпроводной систем.
2. Ознакомиться с методическими указаниями к данной лабораторной работе, в частности, с электрической схемой, приведенной на рис. 29. Обдумать назначение всех элементов электрической цепи и порядок проведения опытов. Подготовить в рабочей тетради табл. 1 паспортных данных электроизмерительных приборов, табл. 12 с программой исследований и табл. 13 опытных данных.
Рабочее задание
1. Собрать электрическую схему по рис. 29.
Рис.
В качестве источника питания используется источник трехфазного переменного напряжения. Действующие значения напряжений фаз , , равны 127 В, а действующие значения линейных напряжений , , равны 220 В. Функции приемников электрической энергии выполняют лампы накаливания трех ламповых реостатов. На схеме (рис. 29) ламповые реостаты замещены регулируемыми по величине активными сопротивлениями , , , соединенными в "звезду". Напряжения на фазах потребителя измеряются вольтметрами электромагнитной системы с пределом измерения 300 В. Напряжение между нейтралью источника N и нейтралью приемника n измеряется вольтметром электромагнитной системы с пределом измерения 150В. Токи в фазах потребителя и ток в нейтральном проводе измеряются амперметрами электромагнитной системы с пределом измерения 5 А. Однополюсный выключатель К в цепи нейтрального провода позволяет исследовать режимы работы трехфазной трехпроводной системы (выключатель К отключен) и режимы работы трехфазной четырехпроводной системы (выключатель К включен). Сопротивления проводов, соединяющих источник и приемник, в лабораторных условиях могут быть приняты равными нулю. При этом линейные напряжения на зажимах потребителя , , по величине становятся равными линейным напряжениям источника и образуют в совокупности симметричную трехфазную систему с действующим значением 220 В.
2. Исследовать работу электрической цепи в режимах, указанных в табл. 12. Показания электроизмерительных приборов, снятые при проведении опытов, занести в табл. 13.
3. Рассчитать, используя полученные данные, сопротивления фаз потребителя по формулам:
, , .
Результаты расчета записать в табл. 13.
Таблица 12
|
Номер опыта |
Режим работы |
Положение |
Число включенных ламп |
|||
|
откл. |
вкл. |
фаза a-x |
фаза b-y |
фаза c-z |
||
|
1 |
Симметричный режим трехфазной трехпроводной системы. |
х |
6 |
6 |
6 |
|
|
2 |
Симметричный режим трехфазной четырехпроводной системы. |
х |
6 |
6 |
6 |
|
|
3 |
Несимметричный режим работы трехфазной трехпроводной системы. |
х |
6 |
4 |
3 |
|
|
4 |
Несимметричный режим работы трехфазной четырехпроводной системы. |
х |
6 |
4 |
3 |
|
|
5 |
Несимметричный режим работы трехфазной трехпроводной системы, обусловленный обрывом фазы a-x потребителя. |
х |
- |
6 |
6 |
|
|
6 |
Несимметричный режим работы трехфазной четырехпроводной системы, обусловленный обрывом фазы a-x потребителя. |
х |
- |
6 |
6 |
|
|
7 |
Несимметричный режим работы трехфазной трехпроводной системы, обусловленный коротким замыканием фазы a-x потребителя. |
х |
- |
4 |
4 |
|
|
8* |
Несимметричный режим работы трехфазной трехпроводной системы, обусловленный включением в фазу b-y потребителя батареи конденсаторов. |
х |
4 |
Батарея конденсаторов, емкостью 40 мкФ |
4 |
|
|
9* |
Несимметричный режим работы трехфазной четырехпроводной системы, обусловленный включением в фазу b-y потребителя батареи конденсаторов. |
х |
4 |
Батарея конденсаторов, емкостью 40 мкФ |
4 |
Таблица 13
|
Номер опыта |
Напряжения |
Токи |
Напряжение |
Ток в |
Сопротивления |
|||||||
|
В |
А |
В |
А |
Ом |
||||||||
4. Построить векторные диаграммы токов и напряжений для всех исследованных режимов работы трехфазной цепи. Построение векторных диаграмм рекомендуется производить с использованием следующих масштабов: по напряжению 20 В/см, по току 1 А/см.
Порядок построения:
Примечание: указанные выше построения являются общими и выполняются для всех исследованных режимов работы.
При наличии нейтрального провода, т.е. в трехфазной четырехпроводной системе, длина вектора напряжения равняется нулю и нейтрали приемника и источника совпадают и располагаются в центре тяжести треугольника линейных напряжений, а длина вектора, равного геометрической сумме векторов токов фаз, будучи умноженной на масштаб тока, должна дать величину, равную току , указанному в табл. 13 для данного режима работы.
5. Студенты ряда специальностей (по указанию преподавателя) проводят дополнительные исследования несимметричных режимов работы электрической цепи (см. табл. 12, опыты 8* и 9* ). С этой целью вместо лампового реостата, включенного в фазу b-y приемника, включается, установленная на стенде, батарея конденсаторов емкостью 40мкФ. Программа дополнительных исследований включает проведение в измененной схеме электрической цепи двух опытов. Первый опыт относится к несимметричному режиму работы трехфазной трехпроводной системы (выключатель К отключен), а второй опыт проводится при включенном выключателе К, т.е. исследуется несимметричный режим работы трехфазной четырехпроводной системы. При проведении этих опытов в фазы a-x и c-z приемника рекомендуется включать по 4-е лампы. Данные опытов заносятся в табл. 13.
По полученным данным рассчитываются активные сопротивления и , емкостное сопротивление и строятся векторные диаграммы. При расчете емкостного сопротивления используется выражение:
.
6. В выводах по работе отразить роль нейтрального провода в симметрировании системы фазных напряжений на зажимах трехфазных несимметричных потребителей и проанализировать влияния вида несимметрии в трехфазной трехпроводной системе на величину напряжения, возникающего между нейтралью источника и нейтралью приемника.
Контрольные вопросы
1. Дать определение трехфазной электрической цепи.
2. Из каких элементов состоит реальная электрическая цепь трехфазного переменного напряжения?
3. Как устроен источник электрической энергии трехфазного переменного напряжения?
4. За счет проведения каких мероприятий получают синусоидальную форму кривых ЭДС в фазах трехфазного источника?
5. Каковы способы изображения трехфазной симметричной системы ЭДС, напряжений, токов?
6. Каковы способы соединения фаз трехфазных источников электрической энергии?
7. Какое напряжение называется фазным, какое линейным? Каково соотношение между линейным и фазным напряжениями источника при соединении его фаз в "звезду"?
8. Какой источник электрической энергии трехфазного переменного напряжения называется симметричным?
9. Какой трехфазный приемник электрической энергии называется симметричным, какой несимметричным?
10. Для питания каких приемников электрической энергии используются трехпроводные и четырехпроводные линии?
11. В каком режиме работы трехфазной четырехпроводной системы ток по нейтральному проводу не проходит и почему?
12. В каких режимах работы трехфазной системы возникает необходимость в использовании нейтрального провода?
13. Почему в цепь нейтрального провода не устанавливается предохранитель?
14. Во сколько раз увеличивается напряжение на фазах a-x, c-z симметричного трехфазного приемника, питаемого по трехпроводной линии, если в фазе b-y произойдет короткое замыкание?
15. Построить векторную диаграмму напряжений и токов для симметричного трехфазного приемника, в фазы которого включены только емкостные сопротивления.
16. Построить векторную диаграмму напряжений и токов для симметричного трехфазного приемника, в фазы которого включены индуктивные сопротивления.
17. В фазе c-z симметричного трехфазного приемника, питаемого по трехпроводной линии, произошел обрыв. Как изменятся напряжения на фазах a-x, b-y по сравнению с нормальным режимом их работы?
Работа № 6
Исследование симметричных и несимметричных режимов
работы трехфазной электрической цепи
переменного напряжения при соединении фаз приемника
по схеме "треугольник"
Цель работы. Приобретение практических навыков соединения фаз трехфазных потребителей электрической энергии по схеме "треугольник". Экспериментальное исследование распределения напряжений, фазных и линейных токов при симметричных и несимметричных режимах работы трехфазной цепи. Углубление знаний в области использования метода векторных диаграмм для анализа процессов в трехфазных электрических цепях переменного напряжения.
Общие положения
При эксплуатации трехфазных электрических цепей переменного напряжения фазы потребителей электрической энергии довольно часто соединяют между собой по схеме "треугольник". Для этого конец x фазы a-x электрически соединяют с началом b фазы b-y, конец y этой фазы электрически соединяют с началом c фазы c-z, а конец z этой фазы электрически соединяют с началом a фазы a-x (см. рис. 30, 31).К вершинам образовавшегося при этом треугольника подключаются три провода линии электропередачи, посредством которых электрическая энергия от трехфазного источника передается приемнику. При этом фазы источника могут быть соединены по схеме "треугольник" (рис. 30) или "звезда" (рис. 31).
Характерной особенностью соединения фаз приемника по схеме "треугольник" является то, что к каждой фазе приемника подключаются два линейных провода, между которыми действует линейное напряжение. Поэтому для соединения фаз в "треугольник" характерно равенство фазных и линейных напряжений:
; ; ,
|
где |
, , |
- действующие значения фазных напряжений; |
|
, , |
- действующие значения линейных напряжений. |
Токи, протекающие по фазам потребителя, называются фазными токами. На рис. 30, 31 действующие значения фазных токов обозначены через , , .
|
Рис. |
|
Рис. |
Токи, протекающие по проводам линии электропередачи, называются линейными токами. На схемах (рис. 30, 31) действующие значения линейных токов обозначены через , , .
Трехфазные источники электрической энергии, установленные на электрических станциях, вырабатывают симметричные системы фазных и линейных напряжений. Поэтому в рабочем режиме трехфазной системы, когда нет обрыва проводов линии электропередачи, система фазных (линейных) напряжений на зажимах трехфазного приемника также является симметричной, т.е. напряжения на фазах потребителя равны по величине и сдвинуты по фазе во времени на . Если при этом и трехфазный приемник является симметричным, т.е. выполняются равенства
, , ,
то в трехфазных системах (рис. 30, 31) устанавливается симметричный режим работы. В этом режиме работы трехфазной системы
, , ,
, ,
|
где |
, , |
- активные мощности фаз; |
|
, , |
- индуктивные реактивные мощности фаз; |
|
|
, , |
- емкостные реактивные мощности фаз; |
|
|
, , |
- углы сдвига фаз между фазными напряжениями и фазными токами. |
В симметричном режиме работы токи в фазах приемника и токи в проводах линии электропередачи связаны следующим соотношением
,
|
где |
- ток в проводах питающей линии; |
|
|
- ток в фазе потребителя. |
В случае, когда сопротивления фаз потребителя отличаются или по величине, или по характеру, или одновременно и по величине и характеру, или же имеет место обрыв одной из фаз потребителя или обрыв одного из линейных проводов, то в трехфазных системах (рис. 30, 31) устанавливается несимметричный режим работы. В несимметричном режиме работы трехфазной системы токи в фазах потребителя, токи в проводах линии электропередачи, активные, индуктивные, емкостные и полные мощности фаз, углы сдвига между напряжениями и токами соответствующих фаз в общем случае отличаются по величине. Токи в линейных проводах рассчитываются через токи в фазах потребителя по формулам:
, , .
Домашнее задание
Изучить материал по трехфазным электрическим цепям при соединении фаз потребителя по схеме "треугольник" /Л1, с. 138-143; Л2, с. 348-349, 354-359, 367-369; Л6, с. 148-151, 156-158, 160-163; конспект лекций/. Начертить в рабочей тетради табл. 1 паспортных данных электроизмерительных приборов, табл. 14 режимов работы трехфазной электрической цепи и табл. 15 для опытных данных, полученных в процессе экспериментальных исследований.
|
Номер |
Режим работы трехфазной цепи |
Количество ламп |
||
|
a-x |
b-y |
c-z |
||
|
1. |
Симметричный режим работы |
5 |
5 |
5 |
|
2. |
Несимметричный режим работы, обусловленный различным числом ламп, включенных в фазах потребителя |
4 |
3 |
5 |
|
3. |
Несимметричный режим работы, обусловленный обрывом фазы a-x потребителя |
- |
5 |
5 |
|
4. |
Несимметричный режим работы, обусловленный обрывом провода A-a линии электропередачи |
4 |
4 |
4 |
|
5.* |
Несимметричный режим работы, обусловленный различным характером сопротивлений фаз приемника |
6 |
Батарея конденсаторов, емкостью 40 мкФ |
3 |
* - данный режим проводится только по указанию преподавателя.
|
Номер опыта |
Напряжения |
Токи |
Токи в проводах линии |
Сопротивления |
|||||||||
|
В |
А |
А |
Ом |
||||||||||
Рабочее задание
1. Собрать электрическую схему, представленную на рис. 32. В качестве источника питания используется источник трехфазного переменного напряжения с действующим значением линейного напряжения 220 В. Функции приемника электрической энергии выполняют лампы накаливания трех ламповых реостатов, соединенных по схеме "треугольник". На электрической схеме (рис. 32) ламповые реостаты замещены регулируемыми по величине активными сопротивлениями , , . Напряжения на фазах потребителя измеряются с помощью трех вольтметров электромагнитной системы с пределами измерения 300 В. Токи в фазах потребителя и токи в проводах линии электропередачи измеряются амперметрами электромагнитной системы с пределами измерения соответственно 5 А и 7,5 А.
|
Рис. |
2. Исследовать работу электрической цепи в режимах, указанных в табл. 14. Показания электроизмерительных приборов для всех исследованных режимов работы заносятся в табл. 15.
3. На основании данных табл. 15 произвести построение векторных диаграмм напряжений и токов. Построение выполнить с использованием следующих масштабов: по напряжению 20 В/см, по току 1 А/см. Порядок построения:
4. По экспериментально полученным данным произвести расчет сопротивлений фаз потребителя. При расчете использовать следующие формулы:
, , .
Данные расчета для всех режимов работы занести в табл. 14.
5. Для студентов ряда специальностей (по указанию преподавателя) программа исследований несимметричных режимов работы трехфазных цепей должна быть расширена. С этой целью ламповый реостат в фазе b-y отключается, а вместо него в эту фазу включается батарея конденсаторов емкостью 40 мкФ. В фазы a-x и c-z приемника при этом включается соответственно 6 и 3 лампы.
Показания электроизмерительных приборов, зафиксированных при проведении данного опыта, заносятся в табл. 15. На основании этих данных строится векторная диаграмма токов и напряжений и рассчитываются сопротивления фаз приемника. Величины и рассчитываются по приведенным выше выражениям, а емкостное сопротивление конденсатора определяется по формуле:
Результаты расчета сопротивлений заносятся в табл. 14.
6. В выводах по работе отразить особенности симметричных и несимметричных режимов работы трехфазной цепи, в которой фазы приемника включены по схеме "треугольник".
Контрольные вопросы
1. В чем заключается отличие соединения фаз потребителя по схеме "треугольник" от соединения фаз по схеме "звезда"?
2. В каком соотношении находятся фазные и линейные напряжения при соединении фаз потребителя электрической энергии по схеме "треугольник"?
3. В каком случае отношение справедливо? В каком случае несправедливо?
4. По каким выражениям рассчитываются токи в проводах линии электропередачи при несимметричном режиме работы трехфазной цепи, в которой фазы потребителя соединены по схеме "треугольник"?
5. В фазе a-x симметричного трехфазного приемника активной энергии произошел обрыв. Как изменятся токи в фазах приемника и в проводах линии электропередачи в возникшем при этом несимметричном режиме по сравнению с симметричным режимом, имевшем место до обрыва? Построить векторную диаграмму для несимметричного режима.
6. В симметричной трехфазной цепи, в которой фазы потребителя соединены по схеме "треугольник", произошел обрыв провода B-b линии электропередачи. Построить векторную диаграмму токов и напряжений для несимметричного режима работы трехфазной цепи. Определить, в каком соотношении находятся напряжения на фазах a-x и b-y?
7. В электрической цепи (рис. 33) Ом, Ом, Ом, Ом, Ом. Величина линейного напряжения В. Рассчитать величины токов в фазах приемника и углы сдвига фаз между напряжениями фаз и токами фаз. Построить в масштабе векторную диаграмму, из которой определить токи в проводах линии электропередачи.
8. В электрической цепи (рис. 34) Ом, Ом, Ом. Величина линейного напряжения 380 В. Рассчитать величины токов в фазах приемника. Построить в масштабе векторную диаграмму, из которой определить токи в проводах линии электропередачи.
9. В схеме (рис. 34) произошел обрыв в фазе c-z. Используя данные, приведенные в п. 8, рассчитать токи в фазах a-z, b-y и построить в масштабе векторную диаграмму напряжений, фазных и линейных токов. Найти величину тока в линейном проводе A-a.
|
Рис. |
Рис. |
10. В схеме (рис. 34) произошел обрыв линейного провода B-b. Используя данные п. 7, рассчитать токи в фазах потребителя, активные, реактивные и полные мощности фаз.
11. Какие элементы и с какой величиной сопротивления надо ввести в фазы потребителя, приведенного на рис. 34, чтобы потребитель стал симметричным?
12. Рассчитать активную, реактивную и полную мощности трехфазного источника электрической энергии в схеме, представленной на рис. 33.
51