Методические рекомендации для студентов по организации лабораторного практикума по дисциплине
 Скачать 2.37 Mb.
|
|
1 МИНИ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное автономное образовательное учреждение МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ для студентов по организации ЛАБОРАТОРНОГО ПРАКТИКУМА по дисциплине ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Направление Профиль Квалификация выпускника бакалавр высшего образования СЕВЕРОКАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Ставрополь 2017 11.03.04 Электроника и наноэлектроника Промышленная электроника Микроэлектроника и твердотельная электроника 2 В настоящем учебном пособии приведены методика и порядок выполнения лабораторных работ, указания по технике безопасности и перечень вопросов для защиты работ по дисциплине Электрические машины. Учебно-методическое пособие составлено в соответствии с ФГОС ВПО и программой дисциплины « Электрические машины и предназначено для студентов направления подготовки 11.03.04 Электроника и наноэлектроника 3 Оглавление Введение ............................................................................................................................. 5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1........................................ Ошибка Закладка не определена. Исследование характеристики параметров однофазного трансформатора (4 ч) ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ................................................................................................. Определение рабочих характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (4 ч) Л АБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ................................................................................................. Внешняя характеристика генератора постоянного тока с независимым возбуждением (4ч) Введение 4 Целью дисциплины Электротехника и электроника является формирование профессиональной компетенции ПК-2 (способностью аргументировано выбирать и реализовывать на практике эффективную методику экспериментального исследования параметров и характеристик приборов, схем, устройств и установок электроники и наноэлектроники различного функционального назначения, будущего бакалавра по направлению 11.03.04 Электроника и наноэлектроника. Лабораторный практикум способствует получению навыков согласно указанных компетенций на базе теоретического материала, изучаемого на лекционных занятиях. Дисциплина относится к Вариативной части Б1.В.ОД.8 ООП ВПО. В результате изучения дисциплины у студента формируется указанная выше компетенция, приобретаются навыки расчета однофазных и трехфазных электрических машин, навыки работы с электрическими машинами и электрооборудованием, а также навыки соблюдения мер безопасности при работе с электроустановками. 5 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1 Исследование характеристики параметров однофазного трансформатора (4 ч) Цель работы 1. Исследование однофазного трансформатора методом холостого хода (опыт ХХ) и короткогозамыкания (опыт КЗ). 2. Снятие внешней характеристики трансформатора при различных типах нагрузок. В результате выполнения лабораторной работы у студента формируются компетенции ОК-7 (способность к самоорганизации и самообразованию, ПК-1 способность проектировать систему, компонент или процесс чтобы обеспечить требуемый результат).достоверности контроля, выбирать средства измерений и контроля разрабатывать локальные поверочные схемы и проводить поверку, калибровку, юстировку и ремонт средств измерений). Теоретическое обоснование Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформаторы находят широкое применение для передачи и распределения электрической энергии, в различных технологических целях, для питания различных цепей в радиоэлектронной, вычислительной и телевизионной аппаратуре, устройств связи, автоматики, телемеханики и т.д. Функционально трансформаторы бывают разных типов понижающие напряжение, повышающие напряжение, изолирующие, согласующие, выходные, и т.д. Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных обмоток (катушек, охваченных общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод из ферромагнитного материала. Различают одно- и трёхфазные трансформаторы. При подключении первичной обмотки АХ силового трансформатора к сети рисунок 6.1) первичный ток 1 i , проходя по её виткам 1 w , возбуждает в сердечнике синусоидальный магнитный поток t m sin (6.1) где m – амплитуда потока, – угловая частота питающего напряжения 1 u 6 Рисунок 6.1 – Схема двухобмоточного трансформатора Пронизывая витки первичной и витки вторичной обмоток, этот поток наводит в них ЭДС t w t dt d w dt d e cos sin 1 1 1 1 , (6.2) t w t dt d w dt d e cos sin 2 2 2 2 , (6.3) где 1 , 2 – потокосцепление первичной и вторичной обмотки, соответственно. Действующие значения этих ЭДС , 44 , 4 2 2 1 1 1 1 w f w f w E (6.4) 44 , 4 2 2 2 2 2 2 w f w f w E (6.5) Со вторичной обмотки снимается напряжение 2 u , которое подаётся потребителю электрической энергии н . Ток первичной обмотки трансформатора при отключенной нагрузке (н) является его током холостого хода Его выражают в процентах по отношению к номинальному току первичной обмотки 1Н I Ток холостого хода 0 I (%) в силовых трансформаторах составляет (2…5) %, а в маломощных трансформаторах может составить (10…20) % от номинального тока 1Н I % 100 (%) 1Н 0 Отношение ЭДС первичной обмотки трансформатора к ЭДС вторичной обмотки, равное отношению соответствующих чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации трансформатора 7 2 1 2 1 w w E E k (6.6) Для определения коэффициента трансформации k , параметров схемы замещения (рисунок 6.2) и потерь мощности в трансформаторе проводят опыты холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ). Рисунок 6.2 – Схема замещения двухобмоточного трансформатора с учетом магнитных потерь На рисунке 6.2 приняты следующие обозначения R 1 , X 1 – активное и индуктивное сопротивление первичной обмотки 2 2 2 R k R , 2 2 2 X k X , – приведенные к числу витков первичной обмотки активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки ММ активное и индуктивное сопротивление ветви намагничивания U 1 – первичное напряжение 2 2 U k U , k I I 2 2 – приведенные к числу витков первичной обмотки напряжение и ток вторичной обмотки. Опыт холостого хода К первичной обмотке с помощью регулятора напряжения (РН) подводят номинальное напряжение На ко вторичной – вольтметр (рисунок 6.3). Рисунок 6.3 – Схема исследования трансформатора в режиме холостого хода Измерив ток холостого хода 0 I и мощность 0 P можно рассчитать сопротивления 8 На также коэффициент трансформации Ни коэффициент мощности холостого хода Н 0 0 0 cos U I P (6.9) Схема замещение трансформатора (рисунок 6.4) в режиме холостого хода приводится к виду, представленному на рисунке 6.4. Рисунок 6.4 – Схема замещения трансформатора в режиме холостого хода При холостом ходе справедливы следующие соотношения ММ М 0 X X X (6.10) Учитывая, что в силовых трансформаторах 1 R и 1 X во много раз меньше Ми М, можно сказать, что ММ М) По этой же причине мощность холостого хода трансформатора 0 P равна магнитным потерям в магнитопроводе. Эти потери также называют потерями встали трансформатора. Уравнение, описывающее схему замещения трансформатора в режиме холостого хода, имеет вид 0 0 0 0 1 0 1 0 1 МН) Построим соответствующую векторную диаграмму (рисунок 6.5). 9 Рисунок 6.5 – Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода Опыт короткого замыкания Вторичные обмотки замыкаются накоротко, а к первичным обмоткам во избежание перегрева и повреждения трансформатора подводится пониженное напряжение К с таким расчетом, чтобы по обмоткам проходил номинальный ток (рисунок 6.6). В отличие от аварийного короткого замыкания трансформатора, возникающего случайно при работе при напряжении Н, такой режим работы совершенно безопасен. Рисунок 6.6 – Схема исследования трансформатора в режиме короткого замыкания Номинальные токи в первичной и вторичной обмотках можно определить по формулам 1Н Н 1Н U S I , 2Н Н 2Н U S I , где Н номинальная мощность трансформатора. Измерив напряжение К, ток К и активную мощность К, определяют параметры схемы замещения трансформатора при коротком замыкании. К К К I U Z , 2 К К К I P R , 2 К 2 К К R Z X (6.13) В паспорте трансформатора часто указывается величина напряжения короткого замыкания, выраженная в процентах % 100 (%) 1Н К К U U U Согласно схеме замещения (рисунок 6.2): 10 2 М 2 М 1 К Z Z Z Z Z Z (6.14) Так как М во много раз больше 2 Z , тов знаменателе 2 Z можно пренебречь, тогда 2 К 2 К 2 К) Обычно принимают К 1 5 , 0 Z Z Z ; К 1 5 , 0 R R R ; К 1 5 , 0 X X X (6.16) Таким образом, в режиме короткого замыкания мощность расходуется на электрические потери в обмотках трансформатора, те. на нагрев обмоток. Эти потери также называют потерями в меди трансформатора. Учитывая (6.15) схему замещения трансформатора (рисунок 6.2) в режиме короткого замыкания можно привести к виду, представленному на рисунке 6.7. Рисунок 6.7 – Схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания Согласно схемы замещения (рисунок 6.7) уравнение напряжения в режиме короткого замыкания имеет вид К К К К К I jX I R U (6.17) Соответствующая векторная диаграмма представлена на рисунке 4.8. Рисунок 6.8 – Векторная диаграмма трансформатора в режиме короткого замыкания Полные потери мощности в трансформаторе при номинальной нагрузке К) 11 Мощность, передаваемая потребителям 2 P , равна мощности, потребляемой трансформатором из сети 1 P за вычетом потерь P : К 1 1 2 P P P P P P (6.19) Тогда в номинальном режиме коэффициент полезного действия трансформатора равен К 2 2 1 2 P P P P P P (6.20) Опыт определения внешней характеристики. К первичной обмотке подводят номинальное напряжение, а ко вторичной – изменяемую нагрузку. Изменяя сопротивление нагрузки, измеряют напряжение и ток вторичной обмотки. Зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки оттока нагрузки, те. 2 2 I f U , носит название внешней характеристики трансформатора (рисунок 4.9). Вторичное напряжение равно 2 2 20 2 2 2 2 2 2 2 2 I Z U I jX R E I Z E U (6.21) При увеличении тока нагрузки вторичное напряжение уменьшается как за счет увеличения падения напряжения 2 2 I Z на его вторичной обмотке, таки за счет уменьшения ЭДС 2 E (вследствие некоторого уменьшения магнитного потока Ф при соответствующем увеличении тока 1 I ). Однако при активно-емкостной нагрузке при увеличении тока напряжение 2 U увеличивается. Рисунок 6.9 – Внешние характеристики трансформатора Оборудование и материалы Аналогично лабораторной работы 1. 12 Указания по технике безопасности Аналогично лабораторной работы 1. Задания Включение и подготовка к работе Включите платформу NI ELVIS II при помощи выключателя, расположенного на торце устройства в задней части, рядом с разъемом для подключения кабеля питания (рисунок 1.11). Затем включите выключатель питания платы (1) (рисунок 1.11), при этом должны загореться зеленый светодиод PROTOTYPING BOARD POWER (2) и красный светодиод Питание на плате. Запуск программы и проведение лабораторных работ. Запуск программы осуществляется двойным щелчком по ярлыку Electronics Engineering Board 2 на рабочем столе или через стартовое меню Windows: Пуск -> Electronics Engineering Board 2. При запуске программы на экран монитора выводится лицевая панель с элементами меню (рисунок 1.14). Регистрация и вход. Для получения доступа к лабораторным работам пользователь должен зарегистрироваться (выбрать вменю элемент Регистрация) или Войти. Нажимаем Войти. Для всех персональных компьютеров в появившемся диалоговом окне рисунок 6.10 в строке Имя пользователя необходимо написать пкХ, где Х это № компьютера указанный на мониторе в правом верхнем углу. В строке Пароль нужно указать 1111. Рисунок После входа в программу откроется главное меню (рисунок 6.11). Переход к выбранной лабораторной работе производится двойным щелчком по соответствующей строке меню. 13 Рисунок 6.11 – Окно главного меню Перед тем, как приступить к выполнению лабораторной работы, студент должен 1. Внимательно ознакомиться с требованиями по технике безопасности. 2. Ознакомиться с теоретическими материалами по теме. 4. Изучить методику проведения лабораторных работ. 5. Понимать принципы работы электрических схем. Лабораторная работа 3 Исследование характеристики параметров однофазного трансформатора будет содержать эксперимент Однофазный трансформатор из главного меню рисунок 6.11. 1 Эксперимент Однофазный трансформатор. Приборы и компоненты. Индуктивности L1 и L2 из набора Inductors; 2. Конденсаторы (зона конденсаторов на плате 3. Сопротивления из набора Resistors; 4. Источник синусоидального напряжения (функциональный генератор Е 5. Вольтметры (V1, V2); 6. Амперметры (A1, A2). Подготовка к проведению эксперимента Однофазный трансформатор. Установите переключатель PROTOTYPING BOARD POWER рисунок 1.12) на рабочей станции NI ELVIS II в положение О (выключен. 14 3. Из главного меню (рисунок 4.11) двойным щелчком выберите эксперимент Однофазный трансформатор. Нажмите кнопку Следующий (>>) на панели инструментов. Откроется заранее подготовленное изображение электрической схемы лабораторной работы с размещенными на ней полями компонентов и приборов (рисунок 6.12). Рисунок 6.12 – Схема электрической цепи опыта холостого хода 4. Соберите на макетной плате электрическую цепь в соответствии со схемой на рисунке 6.12. 5. Представьте собранную схему для проверки преподавателю. Пошаговый порядок выполнения эксперимента Однофазный трансформатор. 1. Установите переключатель PROTOTYPING BOARD POWER рисунок 1.12) на рабочей станции NI ELVIS II в положение I включен. Загорятся светодиод Питание на плате и индикатор включения питания на панели NI ELVIS II. 2. Чтобы начать измерения нажмите на панели управления кнопку (1) Старт/Стоп, затем поставьте галочку в поле (3) Смещ. 0. 3. Установите номиналы напряжения (поле Напряжение) и частоту (поле Частота) источника из таблицы 6.1. Примечание При включенном свойстве 15 измерителя PP размах синусоиды) амплитуда измеряемого сигнала равна половине отображаемого на индикаторе значения. Таблица 6.1 – Варианты (N) параметров элементов для эксперимента U1 НОМ. [В] 3,00 U2 НОМ. [В] 0.7 I1 НОМ. [мA] 4.2 I2 НОМ. [мA] 16.8 f НОМ. [кГц] 10 R (нагр.) [Ом] 20 ÷ 100 L (нагр.) [мГн] 0.47 C (нагр.) [мкФ] 1 4. Вызовите и настройте инструмент Осциллограмма для наблюдения напряжения V1, V2 и тока A1 и сохраните изображение. 5. Вызовите и настройте инструмент Векторная диаграмма для наблюдения напряжения |