ПК
А1
А2
А3
А4
А5
А6
ДН1
ДН2
ДТ1
ДТ4
QF
SA 1
ДТ2
ДТ3
SA 2
R1
R2
R3
SA1
SA1
МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ
Рис. 4 3.5. Включить источник электропитания и произвести измерения указанных в таблице 1 величин для цепи с последовательным соединением резистора R и кон- денсатора С. По осциллограммам определить угол сдвига фаз между приложенным на входе цепи напряжением U и током I и сделать вывод о характере цепи. Резуль- таты измерений занести в табл. 1. Зарисовать осциллограммы. Выключить элек- тропитание, убрать дополнительный проводник.
3.6. В цепи с последовательным соединением резистора R1, индуктивной катушки Z
K
и конденсатора C изменяя величину емкости конденсатора с помощью переключателя SA1 модуля реактивных элементов, добиться наибольшего значе-
23 ния тока I, т.е. обеспечить состояние цепи близкое к резонансу напряжений. По ос- циллограммам определить угол сдвига фаз φ между приложенным на входе цепи напряжением U и током I и сделать вывод о характере цепи. Зарисовать осцилло- граммы. Результаты измерений занести в табл. 1.
3.7. Уменьшая и увеличивая величину емкости конденсатора C (от резонанс- ного значения) провести измерения указанных в таблице величин для двух состоя- ний цепи. По осциллограммам определить угол сдвига фаз φ между приложенным на входе цепи напряжением U и током I и сделать вывод о характере цепи. Резуль- таты измерений занести в табл. 1. Зарисовать осциллограммы. Выключить элек- тропитание стенда. Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп» или ко- мандой главного меню «Управление – Стоп» или горячей клавишей F6.
3.8. Для цепи с последовательным соединением трех элементов
(R, ZK, C) по результатам измерений определить величины, указанные в табл. 2.
Таблица 2
S,
ВА
S
R
,
ВА
S
K
,
ВА
S
C
,
ВА
P,
Вт
P
R
,
Вт
P
K
,
Вт
Q
K
,
ВАр
Q
C
,
ВАр
R
Э
,
Ом
X
Э
,
Ом
Z,
Ом
3.9. По результатам измерений построить для исследованных цепей в мас- штабе векторные диаграммы.
3.10. Сделать вывод о применении 2-го закона Кирхгофа в цепях перемен- ного тока.
4. Содержание отчета
Отчет по работе должен содержать: а) наименование работы и цель работы; б) схему исследуемой цепи; в) осциллограммы; г)
таблицы с результатами опытов и вычислений; в) расчетные соотношения; е) векторные диаграммы; ж) выводы по работе.
5. Контрольные вопросы
1. Что такое активная, реактивная и полная мощности в цепи переменного тока?
2. Какая взаимосвязь между полной, активной и реактивной мощностями?
3. Что такое «коэффициент мощности»?
4. Как
вычислить полное сопротивление катушки, если известны её актив- ное сопротивление, индуктивность и частота сети?
5. Как вычислить полное сопротивление цепи с последовательным соедине- нием резистора, реальной катушки и конденсатора?
6. От чего зависит угол сдвига фаз между напряжением и током на участке электрической цепи переменного тока?
7. Что такое «треугольник сопротивлений»?
8. Чему равны реактивное сопротивление цепи и реактивная мощность цепи при резонансе? Каков при этом характер цепи?
24 5. Работа № 5. ЭЛЕКТРИЧЕСКА ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ
1. Цель работы
Ознакомиться с особенностями электрической цепи с параллельным соеди- нением активных и реактивных элементов, явлением резонанса токов, способом повышением коэффициента мощности индуктивного потребителя, применением 1- го закона Кирхгофа в цепях переменного тока.
2. Пояснения к работе
При параллельном соединении элементов получают разветвленную цепь (рис. 1). При параллельном соеди- нении элементов токи в отдельных вет- вях, зависят только от напряжения ис- точника питания и полного сопротив- ления каждой ветви. При этом ток в ветви с резистором I
R
совпадает по фазе с напряжением источника, ток в ветви с катушкой I
K
отстает по фазе от напря- жения источника питания на угол
ϕ
, за- висящий от активного и реактивного сопротивления реальной катушки ин- дуктивности. Ток в ветви с конденсатором I
C
опережает напряжение источника пи- тания на 90° (рис. 2). В соответствии с первым законом Кирхгофа общий ток I, по- требляемый такой цепью от источника питания, определя- ется геометрической суммой токов отдельных ветвей:
⎯
I =
⎯
I
R
+
⎯
I
K
+
⎯
I
C
.
Геометрическое построение для определения вели- чины и фазы общего тока представлено на рис. 2, где обо- значено
I
КА
, I
А
– активные составляющие тока в ветви с ка- тушкой и общего тока;
I
КР
, I
Р
– реактивные составляющие тока в ветви с катушкой и общего тока.
Под активной составляющей тока понимают ус- ловную составляющую этого тока, совпадающую по фазе с приложенным к этому участку напряжением. Под реак- тивной составляющей тока – составляющую, расположен- ную под 90° к приложенному напряжению. Следует пом- нить, что активная и реактивная составляющие тока – это условные величины, не имеющие физического смысла в последовательной схеме замещения.
Из векторной диаграммы следует, что
I
А
= I
R
+ I
КА
, I
Р
= I
КР
– I
C
Следовательно, величина общего тока
,
2 2
P
A
I
I
I
+
=
R
C
I
R
I
K
I
I
C
U
L
К
R
К
Z
K
Рис. 1
I
A
ϕ
Κ
ϕ
U
I
I
C
I
R
I
K
I
Р
I
KР
Рис. 2
25 а угол сдвига фаз между общим током и приложенным напряжением
tgϕ
= IР / IА= (IКР – IC) / (IR + IКА).
Данная векторная диаграмма построена в предположении, что емкостной ток
IC оказался меньше реактивной индуктивной составляющей тока в катушке
IКРПоэтому общий ток отстает по фазе от напряжения. Такая цепь носит активно- индуктивный характер. Если бы емкостной ток
IC был больше реактивной индук- тивной составляющей тока в катушке
IКР, то ток, потребляемый цепью из сети опережал по фазе приложенное напряжение и цепь носила бы активно-емкостной характер.
При равенстве реактивной индуктивной составляющей тока в катушке
IКР и емкостного тока
IC вектор общего тока совпадает по
фазе с вектором приложенного напряжения, а его величина определяется только активными составляющими токов
IА = IR + IКА , При этом в цепи наступает явление резонанса токов, так как цепь, со- держащая реактивные элементы, ведет себя как цепь с чисто активным сопротив- лением. При резонансе токов токи в ветвях с реактивными элементами могут зна- чительно превышать ток, потребляемый от источника питания.
3. Порядок выполнения работы
3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой (компьютер, модуль ввода, модуль питания, модуль резисторов, модуль реактивных элементов). В соответст- вии со схемой по рис. 3 нарисовать принципиальную электрическую схему иссле- дуемой цепи с параллельным соединением резистора R1, индуктивной катушки Z
к и конденсатора С.
3.2. Собрать электрическую цепь (рис. 3), установив заданные преподавате- лем значения сопротивления резистора R1 и емкости конденсатора С. Подключе- ние отдельных ветвей осуществлять с помощью соответствующих проводников.
Схему предъявить для проверки преподавателю.
3.3. Включить компьютер, запустить программу Delta Profi, открыть окно
«Электрические цепи. Работа № 5. Электрическая цепь переменного тока с парал- лельным соединением элементов». Запустить программу в работу, нажатием кноп- ки «Пуск» или командой главного меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5.
Включить электропитание стенда (выключатель QF, SA2 и SA1 модуля пи- тания) исследовать цепь. Для этого измерить напряжение на входе цепи U, токи в ветвях I
R
, I
K
, I
C
и ток I, потребляемый от источника питания. По осциллограммам приложенного напряжения U и тока I, потребляемого от источника питания опре- делить приближенно угол сдвига фаз
ϕ между приложенным на входе цепи напря- жением и потребляемым током и сделать вывод о характере цепи. Результаты из- мерений занести в табл. 1. Зарисовать осциллограммы напряжения и потребляемо- го тока, отметив на них угол сдвига фаз. Выключить электропитание. Рассчитать активную мощность Р, потребляемую цепью.
3.4. Установить переключатель SA1 модуля реактивных элементов в пози- цию «0» (разомкнуть эту ветвь). Включив электропитание (выключатели QF1, SA2 и SA1 модуля питания) исследовать цепь с параллельным соединением резистора R и индуктивной катушки Z
к
. Для этого измерить напряжение U на входе цепи, токи
26 в ветвях I
R
, I
K
и ток I, потребляемый от источника питания. По осциллограммам приложенного напряжения U и тока I определить угол сдвига фаз φ между прило- женным на входе цепи напряжением U и потребляемым током I и сделать вывод о характере цепи. Результаты измерений занести в табл. 1. Выключить электропита- ние. Рассчитать активную мощность Р, потребляемую цепью.
МОДУЛЬ ПИТАНИЯ
МОДУЛЬ ВВОДА
ПКА1А2А3А4А5А6ДН1ДН2ДТ1ДТ4QF
SA 1
ДТ2ДТ3SA 2
R1
R2
R3
SA1
SA1
МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ
Рис. 3 3.5. Установить заданное значение емкости батареи конденсаторов и уда- лить один проводник в ветви с индуктивной катушкой Z
к
(разомкнуть ее). Вклю- чить электропитание (выключатели QF1, SA2 и SA1 модуля питания) и исследо- вать цепь с параллельным соединением резистора R и конденсатора C. Для этого измерить напряжение на входе цепи U, токи в ветвях I
R
, I
C
и ток I, потребляемый от источника питания. По осциллограммам приложенного напряжения U и тока I определить угол сдвига фаз φ между приложенным на входе цепи напряжением U и потребляемым током I и сделать вывод о характере цепи. Результаты измерений занести в табл. 1. Выключить источник питания. Рассчитать активную мощность Р, потребляемую цепью.
3.6. 3.6. Исследовать влияние емкости С,
включенной параллельно индук- тивной катушке, на величину потребляемого от источника питания тока и коэффи- циент мощности цепи. Для этого удалить один проводник в ветви с резистором R
(разомкнуть эту ветвь). Включить питание стенда (выключатели QF1, SA2 и SA1 модуля питания) и установить такое значение емкости С, при котором угол сдвига фаз между приложенным напряжением и потребляемым током будет близок к ну- лю. Измерить при этом токи в ветвях I
K
, I
C
, ток I, потребляемый из сети. По осцил-
27 лограммам приложенного напряжения U и потребляемого тока I определить угол сдвига фаз φ между приложенным на входе цепи напряжением и потребляемым то- ком и сделать вывод о характере цепи. Результаты измерений занести в табл. 1.
Рассчитать активную мощность Р, потребляемую цепью.
Изменить по указанию преподавателя значение емкости конденсатора C и измерить токи, напряжение и активную мощность. По осциллограммам приложен- ного напряжения U и тока I определить угол сдвига фаз φ между приложенным на входе цепи напряжением и потребляемым током и сделать вывод о характере цепи.
Результаты занести в табл. 1. Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп» или командой главного меню «Управление – Стоп» или горячей клавишей F6. Рас- считать активную мощность Р, потребляемую цепью.
Таблица 1 3.7. По опытным данным построить в масштабе векторные диаграммы для каждого опыта.
3.8. Сделать выводы
– о применении 1-го закона Кирхгофа в цепях переменного тока.
– о влиянии параллельно включенных потребителей друг на друга,
– о влиянии емкости конденсатора на величину потребляемого цепью тока и активной мощности, а также коэффициент мощности цепи.
4 Содержание отчета а) наименование работы и цель работы; б) схему эксперимента и таблицу полученных результатов; в) векторные диаграммы; г) выводы по работе.
5
Контрольные вопросы
1. Как при параллельном включении потребителей определить величину то- ка, потребляемого из сети?
2. С какой целью повышают коэффициент мощности цепи?
3. Как можно определить коэффициент мощности цепи?
4. Как изменятся величина тока, потребляемого из сети, и активная мощ- ность цепи, если параллельно активно-индуктивному потребителю включить кон- денсатор?
5. Почему уменьшается ток, потребляемый из сети, при подключении па- раллельно индуктивному потребителю конденсатора?
6. Как применяется 1-й закон Кирхгофа в цепях переменного тока?
7. Как построить векторную диаграмму для цепи, содержащей параллельно включенные индуктивную катушку и конденсатор?
8. Что такое «резонанс токов»?
Включены ветви U, В I,
А
I
R
, А
I
C
, А
I
K
, А
±
ϕ, град Р, Вт
R, Z
k
, C
R, Z
k
-------
R,C
-------
Z
k
, C1
-------
Z
k
, C2
-------
Z
k
, C3
-------
28 6. Работа № 6. ТРЕХФАЗНАЯ ЦЕПЬ ПРИ СОЕДИНЕНИИ
ПО СХЕМЕ «ЗВЕЗДА»
1. Цель работы
Ознакомиться с трехфазными системами, измерением фазных и линейных токов и напряжений. Проверить основные соотношения между токами и напряже- ниями симметричного и несимметричного трехфазного потребителя. Выяснить роль нейтрального провода в четырехпроводной трехфазной цепи. Научиться стро- ить векторные диаграммы напряжений и токов для трехфазной цепи.
2. Пояснения к работе
Трехфазная система переменного тока имеет ряд преимуществ по сравне- нию с постоянным током и однофазным переменным током и поэтому получила широкое применение.
Чаще всего электрическая энергия вырабатывается, переда- ется и распределяется между потребителями трехфазными системами. Подавляю- щее большинство электродвигателей является двигателями трехфазного перемен- ного тока.
Чтобы в трехфазной системе можно было одновременно пользоваться двумя различными напряжениями (например, 380В – для питания электродвигателей и
220В – для питания электрических ламп и других однофазных потребителей) при- меняют четырехпроводную систему электроснабжения. Четырехпроводная линия трехфазной системы имеет четыре провода: три линейных, по которым протекают линейные токи
IA, IB, IC и один нулевой (нейтральный) провод, предназначенный для поддержания одинаковых значений фазных напряжений на всех трех фазах по- требителя. По нулевому проводу может протекать уравнительный ток
I0, называе- мый нулевым или нейтральным током. Такая система соединения обмоток трех- фазного генератора и приемников (потребителей) называется «звездой» и показана на рис. 1.
При соединении в звезду ток
IA, протекаемый по фазе источника питания, равен току, протекаемому по линейному проводу фазы
А. Этот же ток протекает и по фазе
А потребителя. Следовательно, при соединении в звезду фазный ток
IФ равен линейному току
IЛ :
IФ = IЛ Напряжение между линейными проводам, называемое линейным напряже- нием (например,
UAВ), оказывается в
√3 раз больше, чем фазное напряжение источника питания
UA, UВ или
UС,:
UЛ =√
3 UФ Если трехфазная система симметричная (все сопротивления и мощности фазных потребителей одинаковы), то по всем трем фазам протекают одинаковые по величине токи, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 120°. Ток в ней- тральном проводе при этом равен нулю. Напряжения на всех фазах потребителя также отличаются друг от друга только по начальной фазе на 120° (рис. 2).
Z
A
Рис. 1.
С
А
В
Z
В
Z
С
I
A
I
0
I
B
I
С
U
A
U
В
U
C
29
При включении в разных фазах различных по мощности потребителей (не- симметричная нагрузка), токи каждой фазы (в каждом линейном проводе) отлича- ются друг от друга не только начальной фазой, но и величиной. По
нейтральному проводу при этом протекает ток, вектор которого на основании первого закона
Кирхгофа равен геометрической сумме векторов фазных токов (рис. 3)
⎯
IA + ⎯
IB + ⎯
IC = ⎯
I0 . Обрыв нейтрального провода (трехпроводная система) при несимметричной нагрузке приводит к изменению напряже- ний на всех фазах потребителей и появле- нию напряжения смещения нейтрали U
Nn
(рис. 4). Положение точки «n» на вектор- ной диаграмме при измеренных значениях напряжений на фазах потребителей
UAП, UВП и
UСП может быть определено мето- дом засечек (рис. 5) или рассчитано анали- тически.
3. Порядок выполнения работы
3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой (компьютер, модуль ввода, модуль питания, модуль трехфазного напряжения, модуль трехфазного трансфор- матора, модуль резисторов).
3.2. В соответствии со схемой по рис. 6 нарисовать электрическую схему исследуемой цепи. Установить на модуле трехфазного напряжения частоту пи- тающего напряжения 50 Гц (потенциометр RP1 - в крайнее правое положение).
Установить переключатели значений сопротивлений резисторов в позицию «».
Предъявить схему для проверки преподавателю.
3.3. Включить компьютер, запустить программу Delta Profi, открыть окно
«Электрические цепи. – Работа № 6. Трехфазная цепь при соединении по схеме звезда». Запустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» или коман- дой главного меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5.
3.4. Включить модуль питания стенда (выключатель
QF1и SA2), модуль трехфазного напряжения (выключатель
SA1). Установить тумблер
SA2 в позицию
«Вперед». Включить модуль трехфазного трансформатора (выключатель
QF). Из- мерить линейные напряжения
U
АВ,
U
ВС,
U
СА
и фазные напряжения
U
А,
U
В,
U
С
трех- фазного источника питания (трехфазного трансформатора) в режиме холостого
I
С
I
В
Рис. 2
U
С
N
I
А
I
В
I
С
I
В
I
С
U
А
U
В
U
СА
U
A
B
U
ВС
U
А
U
В
I
А
N
I
U
С
U
А
U
B
I
А
I
С
I
В
N
U
n
N
I
С
I
В
ϕ
А
n
U
b
U
c
U
С
Рис. 3
Рис..4
ВП R3 = UРис. 5
СПR1 = UАП R2 = Un
N
30 хода. Для этого подключать поочередно вход датчика напряжения ДН1 модуля ввода к выводам «а» и «b», «b» и «c», «c» и «а», «n» и «а», «n» и «b», «n» и «c» мо- дуля трехфазного напряжения. Результаты измерений занести в табл. 1, вычислив при этом среднеарифметические значения напряжений
U
ЛCР
. и
U
ФСР.
Выключить модуль трехфазного трансформатора (выключатель
QF1).
Скачать 0.54 Mb.