Методические указания по выполнению практических работ по электротехнике. МУ к выполнению лабораторных работ по электротехнике. Методические указания к выполнению лабораторных работ по электротехнике
 Скачать 1.66 Mb.
|
Векторная диаграмма тока и напряжения Треугольник сопротивлений  Задание: В цепь переменного тока, частотой 50 Гц включены последовательно: два резистора R1 и R2, катушка индуктивности и конденсатор . К цепи приложено напряжение U (действующее значение). Задание: 1. Начертить электрическую схему заданной цепи, используя известные обозначения элементов цепи. 2. Определить: сопротивление катушки, конденсатора, полное сопротивление цепи Z, ток цепи I; напряжения на каждом сопротивлении.(Согласно варианта).
3.Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи. 4. Ответить на контрольные вопросы. Контрольные вопросы 1. Какими параметрами характеризуются синусоидальный ток или напряжение? 2. Каково соотношение между амплитудным и действующим значениями величин, изменяющихся во времени по синусоидальному закону? 3. С какими физическими процессами связаны понятия активного сопротивления, активной мощности? Построить векторную диаграмму напряжения и тока для участка цепи. 4. С какими физическими процессами связаны понятия реактивного сопротивления, реактивной мощности? Как величина индуктивного и емкостного реактивных сопротивлений зависит от частоты питающего напряжения? 5. Построить векторные диаграммы для участков цепи с идеальной индуктивностью и идеальной емкостью. 6. Как определяют активное, реактивное и полное сопротивления цепи, содержащей несколько последовательно включенных элементов? Лабораторная работа № 8 Определение мощности и коэффициента мощности в цепи переменного тока. Цель работы: Научиться подключать одноэлементные ваттметры в однофазную цепь переменного тока, научиться производить измерение мощности методом амперметра – вольтметра и методом ваттметра. В результате изучения темы обучающийся должен: знать: о способах измерения мощности; об устройстве и принципе действия ваттметра; схемы включения амперметров, вольтметров и ваттметров; формулы для расчёта мощности. уметь: собрать электрическую схему;измерить силу тока, напряжение, мощность;рассчитать мощность;определить погрешности измерений. Теоретическая часть Когда речь идет о переменном токе, то здесь различают: 1) Активную мощность P; 2) Реактивную мощность Q; 3) Полную (кажущуюся) мощность S. Активная мощность P вычисляется по формуле:  где φ - угол сдвига фаз между напряжением и током; cos φ - коэффициент мощности, который всегда меньше единицы. Активная мощность проявляется в приемниках тока, таких как электрическая печь, лампа накаливания, мотор, преобразуясь там в механическую энергию, в тепловую и т. п. Реактивная мощность Q может быть найдена по формуле:  Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр или кВАр, если речь о киловольт-амперах реактивных). Реактивная мощность загружает линию между приемником и генератором, просто циркулируя по проводам между ними. Она проявляется при создании и разрушении магнитных и электрических полей при индуктивном или емкостном характере нагрузки. Трансформаторы, асинхронные электродвигатели - вот лишь пара примеров, где реактивная мощность значительно проявляется, особенно при работе устройств вхолостую. Таким образом, чем ниже реактивная мощность, тем эффективнее используются электрические установки. Полная мощность (или кажущаяся мощность) выражается формулой:  Полная мощность измеряется в вольт-амперах. Эта мощность включает как активную, так и реактивную составляющие.  Коэффициентом мощности, или cosφ («косинусом фи»), цепи переменного тока, называется отношение активной мощности к полной мощности.  Коэффициент мощности, обычно, меньше единицы, но в случае когда нагрузка полностью активная, вся мощность является активной мощностью, и тогда коэффициент мощности равен единице. В общем случае, чем большую долю полной мощности составляет непосредственно активная мощность, тем более коэффициент мощности приближен к единице. И задача состоит в том, чтобы по линии к потребителю протекала только минимально необходимая величина реактивной энергии. Уменьшить реактивную мощность можно путем уменьшения сдвига фаз между напряжением и током. Низкий cosφ (коэффициент мощности) имеет следствием неполное использование электрического оборудования установок и снижение общего коэффициента полезного действия. Поэтому, необходимо добиваться поддержания cosφ установок на приемлемо высоком уровне. Для повышения Cosφ применяют специальные компенсирующие установки (синхронные компенсаторы, статические конденсаторы) или добиваясь полной загрузки трансформаторов и электродвигателей. Мощность может определяться путём проведения двух прямых измерений: измерения напряжения на нагрузке «U» с помощью вольтметра и тока в нагрузке «I» с помощью амперметра, а затем по формуле Р=U·I. Несмотря на кажущуюся простоту и доступность, этот метод измерения на практике применяется очень редко. Это объясняется тем, что этот метод требует одновременного отсчёта показаний двух приборов и последующего вычисления мощности. Наиболее просто и с необходимой точностью измерение мощности производится непосредственно с помощью одноэлементного ваттметра. Включение такого ваттметра (рисунок 1) необходимо осуществлять при соблюдении правильности соединения генераторных зажимов обмотки цепи тока и напряжения Перечень приборов Источник электроэнергии постоянного тока-1шт; Магазины сопротивлений (резисторов)- 2шт. Амперметр - 3шт; Вольтметр -1шт. Ваттметры – 3 шт.  Рисунок 1 – Схема подключение ваттметра.  Рисунок 2 – Подключение ваттметров в трехфазную цепь Для измерения мощности в трёхфазной и четырёхфазной цепях необходимо применить метод трёх приборов.Каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы: PW1= PAPW2= PBPW3= PC. Для нахождения мощности трёхфазной и четырёхфазной цепей необходимо взять алгебраическую сумму показаний всех ваттметров: Р =РА+ РВ+ Рс = PW1+ PW2+ PW3. Выполнение работы 1. Определить цену деления приборов, исходя из установленных пределов измерения. 2. Собрать схему на рис 12.1.Схему включать только после проверки преподавателем 3. Установить равномерную нагрузку и записать показания приборов в таблицу 12.1. Вольтметром измерить напряжение, занести данные в таблицу 12.1. 4. Измерить мощность ваттметром, Р. 5. Повторить опыт при других значениях нагрузки. 6. Определить мощность всей системы:Р′ = UI Таблица 12.1 – Результаты измерений
12. 3 Вопросы для самопроверки Указать способы измерения мощности в цепях постоянного тока. Описать схемы включение ваттметров в трёхфазную, трёхпроводную и четырёхпроводную цепь. Лабораторная работа № 9 «Исследование трехфазной цепи при соединении нагрузки в звезду» Цель работы – исследование трех однофазных приемников, соединенных в звезду с нейтральным и без нейтрального провода при различных режимах работы цепи. Краткие теоретические сведения Трехфазная цепь представляет собой совокупность трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, амплитуды, сдвинутые друг относительно друга на 1200 и создаваемые общим источником энергии. Такая трехфазная система называется симметричной. Каждую цепь трехфазной системы, характеризующуюся одним током, называют фазой. Трехфазные цепи имеют ряд преимуществ перед однофазными цепями: возможность получения от одного генератора двух различных эксплуатационных напряжений – фазного и линейного; экономичность передачи энергии на дальние расстояние (экономится цветной металл на изготовление ЛЭП); возможность получения вращающегося магнитного поля, необходимого для работы электродвигателей переменного тока. Трехфазная цепь состоит их трех основных частей: трехфазного генератора, линии передачи и приемников.  Рис. 1. Условные обозначения обмоток трехфазных генераторов Фазы трехфазного генератора (см. рис. 1), приемника могут соединяться звездой (λ) или треугольником (Δ). Звездой называют соединение, при котором концы фаз генератора X, Y, Z или приемника x, y, z соединяются в один большой узел N или n, называемый нейтральной точкой или нейтралью генератора или приемника (см. рис. 2). Провод N-n, соединяющий нейтральные точки генератора и приемника, называют нейтральным или нулевым.  Рис. 2. Схема четырехпроводной трехфазной цепи Звезду с нейтральным проводом называют четырехпроводной, а без нейтрального провода – трехпроводной. Провода, соединяющие начала фаз генератора и приемника, называют линейными. По линейным проводам A-a, B-b, C-c протекают линейные токи IA, IB, IC. В фазах генератора и приемника протекают фазные токи Ia, Ib, Ic. Фаза генератора, линейный провод и фаза приемника соединяются последовательно, поэтому линейный ток одновременно является фазным: IA= Ia, IB= Ib, IC= Ic, т.е. IЛ = IФ(1) Уже отмечалось. Что важной особенностью трехфазных цепей является наличие двух напряжений – фазного и линейного. Фазным UФназывают напряжение между началом и концом каждой фазы генератора или приемника. UA, UB, UC – фазные напряжения генератора. Ua, Ub, Uс - фазные напряжения приемника. Линейным UЛназывают напряжение между началами двух фаз. UAB, UBC, UCA – линейные напряжения. Соотношения между линейными и фазными напряжениями можно определить из уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа для контуров ANBA, BNCB, CNAC (рис. 2). ŮAB=ŮA - ŮB ŮBC=ŮB - ŮC (2) ŮCA= ŮC - ŮA На рис. 3.а и 3.б представлены векторная и топографическая векторная диаграмма фазных и линейных напряжений, построенных по этим уравнениям.  Рис. 3. Векторная (а) и топографическая векторная (б) диаграммы напряжений трехфазного генератора. Из диаграммы напряжений на рис. 3.а можно определить как количественные, так и фазовые соотношения между фазными линейными напряжениями симметричной системы. Векторы линейных напряжений ŮAB, ŮBC, ŮCA, сдвинуты относительно друг друга на 1200 и опережают соответственно векторы фазных напряжений ŮA, ŮB, ŮC на 300. Из заштрихованного треугольника следует:  ;  т.е.  (3)ГОСТом предусмотрены линейные и фазные напряжения, связанные соотношением (3) для цепей низкого напряжения: UФ=127В, UЛ=127  =220В;UФ=220В, UЛ=220 =380В;UФ=380В, UЛ=380 =660В.Ůа= ŮА, Ůв=ŮВ, Ůс=ŮС. Если комплексные сопротивления фаз приемника равны соответственно Za, Zв, Zc, то токи в каждой фазе можно определить по закону Ома: İа=  İв= İc= (4)На схеме рис. 2. Показаны условно положительные направления, принятые для всех токов и напряжений трехфазной цепи. В соответствии с первым законом Кирхгофа для узла «n» ток в нейтральном проводе İn= İa+ İb+ İc (5) В трехфазной цепи различают основные режимы работы. Симметричный режим, при котором комплексные сопротивления фаз трехфазных приемников равны между собой: Za=Zb=Zc, т.е Ra=Rb=Rc и Xa=Xb=Xc. Токи в фазах будут равны между собой Ia= Ib= Ic и сдвинуты по фазе относительно соответствующих фазных напряжений на один и тот же угол φa=φb=φc. На рис. 4.а изображена векторная диаграмма фазных напряжений и токов для случая, когда нагрузка каждой фазы приемника носит активно-индуктивный характер, например электродвигатель. Из векторной диаграммы рис. 4.б видно, что геометрическая сумма всех токов равна нулю İa+ İb+ İc=0 Из сравнения (5) и (6) следует, что İn=0. Отсюда вывод: при симметричной нагрузке фаз ток в нейтральном проводе отсутствует, поэтому необходимость в нем отпадает. Получается трехпроводная цепь. В нее включаются симметричные трехфазные приемники, например, трехфазные электродвигатели, электрические печи.  Рис. 4 Несимметричный режим, при котором комплексные сопротивления фаз не равны между собой Za≠Zb≠Zc. В цепи с нейтральным проводом фазные напряжения приемника равны фазным напряжениям генератора, поэтому изменение режима работы одной из фаз не оказывает влияния на режим работы двух других фаз. Нейтральный провод обеспечивает равенство фазных напряжений приемника при несимметричной нагрузке. Для несимметричного приемника векторы токов уже не образуют симметричную систему и ток в нейтральном проводе İn= İa+ İb+ İc ≠0. В четырехпроводную цепь включают однофазные несимметричные приемники (лампы накаливания). При включении несимметричных приемников в трехпроводную трехфазную цепь из-за разных потенциалов точек N и n между ними возникает напряжение UnN, называемое напряжением между нейтралями. В этом случае векторы фазных напряжений приемника образуют несимметричную систему (см. рис. 5.) и определяют из соотношений: Ůa= ŮA - ŮnN, Ůb= ŮB – ŮnN, Ůc= ŮC – ŮnN. Напряжение UnN определяется по формуле междуузлового напряжения, т.к. трехпроводная цепь представляет собой схему с двумя узлами n и N:  где  - комплексные проводимости фаз. Рис. 5. Векторная диаграмма напряжений и токов несимметричного приемника без нейтрального провода Токи при этом образуют также несимметричную систему, но вследствие смещения нейтрали приемника их векторная сумма (см. рис. 5) равна нулю. İa+ İb+ İc=0 где İa=YaŮa; İb=YbŮb; İc=YcŮc. При несимметричной нагрузке в случае обрыва нейтрального провода величина UnN будет максимальной и на фазах нагрузки могут возникнуть значительные перенапряжения. По этой причине плавкий предохранитель не включают в нейтральный провод. Активная мощность каждой фазы определяется по формуле:  Активная мощность трехфазного приемника равна арифметической сумме активных мощностей отдельных фаз  Активная мощность симметричного трехфазного приемника:  Аналогично выражается и реактивная мощность:    Так как за номинальные величины обычно принимают линейные напряжения и токи, то мощности удобней выражать через UЛ и IL. При соединении мощность симметричного трехфазного приемника будет равна:  | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||