ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ЗАДАЧА РАБОТЫ Продолжительность работы – 2 часа КРАТКИЕ...

Информация о документе:

Дата добавления: 24/04/2016 в 00:56
Количество просмотров: 524
Добавил(а): Анастасия Борисенко
Название файла: laboratornaya_rabota_1_issledovanie_lineynyh_cepey.doc
Размер файла: 1683 кб
Рейтинг: 0, всего 0 оценок

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА ЗАДАЧА РАБОТЫ Продолжительность работы – 2 часа КРАТКИЕ...



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

ЗАДАЧА РАБОТЫ

Задачейработы является экспериментальное определение параметров активного двухполюсника, определение сопротивления резистора методом вольтметра-амперметра, экспериментальная проверка законов Кирхгофа для цепи постоянного тока.


Продолжительность работы – 2 часа


КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ


Совокупность источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток, называют электрической цепью. Постоянным токомназывают ток, неизменный во времени.

Для получения тока в электрической цепи необходим источник энергии. При расчете и анализе электрических цепей его заменяют расчетным эквивалентом – источником ЭДС с последовательно включенным сопротивлением R0, равным внутреннему сопротивлению реального источника (выделенная часть рис. 1).

Выделенная часть схемы представляет собой активный двухполюсник.

Направление тока и направление падения напряжения принимают от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом.

Напряжение источника ЭДС или активного двухполюсника U= E IR0 изменяется от значения Uх= Eпри холостом ходе (сопротивление внешней цепи ) до нуля при коротком замыкании (R=0, I= Iк =E/ R0).

Зависимость напряжения источника электроэнергии от силы тока, выдаваемого им во внешнюю цепь, называется внешней характеристикой. По внешней характеристике можно определить параметры источника: ЭДС Е и внутреннее сопротивление R0. Для многих источников внешняя характеристика представляет собой прямую линию (рис. 2, а).

В случаях, когда можно пренебречь внутренним сопротивлением источника

(R0<< R), то, считая R0= 0, получим U= E, т.е. напряжение источника не зависит от силы тока I.Такой источник ЭДС называется идеальным. На практике источник ЭДС можно считать идеальным, если во всем диапазоне рабочего тока падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника мало по сравнению с ЭДС: (U0= IR0)<< E. Внешняя характеристика идеального источника ЭДС изображена на рис. 2, б.

Одним из распространенных методов измерения сопротивления является метод вольтметра-амперметра. Из закона Ома следует, что, измерив падение напряжения URна резисторе и силу тока Iв нем, можно найти сопротивление резистора R:

. (1)

Для такого измерения можно собрать два варианта схемы включения измерительных приборов (рис. 3, 4).

Надо иметь в виду, что реальные вольтметр и амперметр обладают определенным внутренним сопротивлением, соответственно RVи RA(у идеальных приборов RV= , RA= 0).

При использовании схемы рис. 3 следует учитывать, что вольтметр измеряет напряжение U= UA+ URи найденное по формуле (1) сопротивление . Отсюда . Если RA<< R, то сопротивлением амперметра можно пренебречь и считать .

При измерении сопротивления по схеме рис. 4 амперметр будет измерять силу тока IA= I+ IV. Поэтому при расчете сопротивления Rнадо учитывать ток через вольтметр: . Если RV>> R, то током вольтметра можно пренебречь.

Все электрические цепи подчиняются законам Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа:алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю:

,

где n– количество ветвей, образующих узел.

Второй закон Кирхгофа:алгебраическая сумма падений напряжений в замкнутом контуре равняется алгебраической сумме ЭДС этого контура:

,

где n– количество сопротивлений , m– количество ЭДС в контуре.


ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ


1. Лабораторная работа выполняется на универсальном стенде ЭВ4.

2. Необходимые амперметры и резисторы расположены на панели № 6. Для измерения напряжения используется цифровой вольтметр В7-38 в режиме измерения постоянногонапряжения.

3. Клеммы источника постоянного тока (0−220 В) и кнопки включения питания стенда расположены на горизонтальной панели стенда.

В Н И М А Н И Е !

ПЕРЕД ВКЛЮЧЕНИЕМ СТЕНДА УБЕДИТЬСЯ, ЧТО РУКОЯТКА ЛАТРа, РАСПОЛОЖЕННОГО НА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПАНЕЛИ СТЕНДА, ПОВЕРНУТА ДО УПОРА ПРОТИВ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ.

4. Для подачи напряжения питания необходимо:

- включить автоматический выключатель, расположенный под откидной крышкой стенда;

- нажать кнопку “Вкл”общего включения стенда;

- нажать кнопку включения источника постоянного тока, расположенную под вольтметром “Постоянное”;

  • установить заданное напряжение на зажимах цепи, плавно

вращая рукоятку ЛАТРа.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


1. Ознакомиться с описанием лабораторной установки.

2. Собрать схему (рис. 5). Предварительно выбрать амперметр

с необходимым пределом измерения, полагая напряжение U=70 В.

3. Подать напряжение на схему и при максимальном сопротивлении переменного резистора Rрустановить напряжение источника питания U= 60−70 В (по указанию преподавателя).

4. Снять внешнюю характеристику U = f(I)источника, изменяя сопротивление Rр. Результаты измерений занести в табл. 1.

Таблица 1

U, B







I, A







По данным табл. 1 изобразить внешнюю характеристику источника. Считая ее линейной, определить величину ЭДС Eи внутреннее сопротивление R0источника, начертить схему замещения источника.

5. Для схемы (рис. 5) при рассчитанных параметрах источника определить сопротивление резистора RPи ток в цепи, при котором напряжение на нем равно .

Изменением сопротивления RPустановить рассчитанное значение тока, экспериментально проверить правильность выполнения второго закона Кирхгофа. Результаты расчетов и измерений занести в табл. 2.

Параметры

I, A

Rр, Ом

R+Rр, Ом

U, B

UR, B

, B

расчетные







опытные







Таблица 2

6. Определить величину сопротивления R+ RPпри неизменном сопротивлении резистора RPметодом вольтметра-амперметра, считая измерительные приборы идеальными. Сравнить расчетное (из п. 5) и измеренное значения сопротивления резистора RP.

7. Изобразить схему замещения цепи (рис. 6) и рассчитать токи в ней при заданных значениях ЭДС и сопротивления R+ RP, считая приборы идеальными.

8. Собрать схему (рис. 6), выбрав амперметры с соответствующими пределами измерений. Расчетные и измеренные значения токов занести в табл. 3. Проверить правильность выполнения первого закона Кирхгофа.

Таблица 3

Параметры

I, А

, А

, А

расчетные




опытные






СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА


Отчет по лабораторной работе должен включать:

– схемы исследуемых электрических цепей;

– таблицы с опытными и расчетными данными;

  • схему замещения и внешнюю характеристику источника ЭДС;

  • схему замещения цепи и расчетные формулы по п. 7;

  • выводы по результатам работы.


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


1. Что называется внешней характеристикой источника ЭДС? Приведите ее уравнение.

2. Почему напряжение на зажимах ненагруженного аккумулятора больше, чем под нагрузкой?

3. Определить отношение R/R0и КПД источника энергии (рис. 7) с ЭДС Е=100В, если напряжение U=95B.

4. Для схемы (рис. 7) определить ток короткого замыкания источника, если при КПД ток I=2A, а напряжение U=10B.

5. Как изменятся показания амперметров в схеме (рис. 5) при перемещении движка реостата вверх?

6. Приведите схему, позволяющую регулировать напряжение на нагрузке от нуля до напряжения источника.

7. Назовите методы измерения сопротивления. Укажите достоинства и недостатки метода вольтметра-амперметра.


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАЗВЕТВЛЕННЫХ ЦЕПЕЙ

ПЕРЕМЕННОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

ЗАДАЧА РАБОТЫ


Задачейработы является проверка опытным путем уравнений, описывающих параметры неразветвленной цепи переменного синусоидального тока, выявление условий резонанса и его проявлений в этой электрической цепи.


Продолжительность работы – 2 часа


КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ


В цепях синусоидального переменного тока различают актив-ноеR, индуктивное XL= L= 2fL и емкостное сопротивления.

Активное сопротивление характеризует необратимый процесс преобразования электрической энергии в другие виды энергии, а индуктивность Lи емкость C– обратимый процесс преобразования энергии электромагнитного поля.

Ток в активном элементе совпадает по фазе с напряжением, ток в индуктивном сопротивлении отстает по фазе от напряжения на 90˚, а в емкостном сопротивлении – опережает напряжение на 90˚.

Реальную катушку индуктивности можно представить в виде схемы замещения последовательно включенных активного и индуктивного сопротивлений (рис.1 а, б).

Полное сопротивление катушки .

Векторная диаграмма напряжений реальной катушки индуктивности показана на рис. 2.





Составляющие напряжения на катушке:

- активная:

- реактивная:


Для неразветвленной электрической цепи переменного тока (рис. 3) действующее напряжение цепи равно геометрической сумме

напряжений на последовательно включенных элементах, т.е.

.

Векторная диаграмма (рис. 4) для неразветвленной электрической цепи является геометрическим толкованием второго закона Кирхгофа. Из векторной диаграммы следует, что модуль напряжения цепи равен

. (1)

В уравнении (1) величина

называется полным сопротивлениемцепи, в комплексной форме

(2)

По выражению (2) можно построить треугольник сопротивлений (рис. 5), из которого следует, что cos= R / Z . При XL> XCугол сдвига фаз между током и напряжением цепи положителен (> 0), т.е. ток в цепи отстает по фазе от напряжения сети (нагрузка имеет индуктивный характер). При XL< XCугол сдвига фаз между током и напряжением отрицателен (< 0), т.е. ток опережает по фазе напряжение (нагрузка имеет емкостной характер).

При XL= XCнаступает резонанс напряжений. Из формулы (1) видно, что в этом случае полное сопротивление цепи Zравно активному сопротивлению (Z = R) и ток при этом достигает максимального значения, равного I = U / R. При XL>> R и XC>> R резонанс напряжений приводит к значительному увеличению напряжений на индуктивности и емкости , что может привести к выходу из строя электротехнического оборудования.

Векторная диаграмма для неразветвленной цепи, содержащей реальную катушку индуктивности, резистор и конденсатор, приведена на рис. 6. Из векторной диаграммы можно определить действующее значение напряжения на зажимах цепи:

.

В цепи переменного синусоидального тока различают три вида мощности:

активную: ;

реактивную: ;

полную: ..


ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ


1. Лабораторная работа выполняется на универсальном стенде ЭВ4.

2. Необходимые для проведения опытов элементы: катушка индуктивности и батарея подключаемых конденсаторов расположены на панели № 4, резистор переменного сопротивления  на панели № 3.

3. Напряжение на зажимах цепи, сила тока и мощность измеряются с помощью переносного измерительного комплекта К540.

Перед проведением очередного опыта необходимо проверять правильность установки пределов измерения комплекта К540.

4. На горизонтальной панели стенда расположен источник переменного тока (~0−220 В), ЛАТР для регулирования напряжения на зажимах цепи и кнопки включения питания стенда.

5. Для подключения напряжения питания к исследуемой цепи необходимо:

– повернуть рукоятку ЛАТРа против часовой стрелки до упора;

– включить автоматический выключатель, расположенный под откидной крышкой стенда;

– нажать кнопку общего включения стенда “Вкл.”;

– нажать кнопку, расположенную под вольтметром “Переменное”;

– установить заданное напряжение на зажимах цепи,плавновращая рукоятку ЛАТРа.

В Н И М А Н И Е !

ПЕРЕД ВКЛЮЧЕНИЕМ СТЕНДА УБЕДИТЬСЯ, ЧТО РУКОЯТКА ЛАТРа, РАСПОЛОЖЕННОГО НА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПАНЕЛИ СТЕНДА, ПОВЕРНУТА ДО УПОРА ПРОТИВ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ.

ПОСЛЕ ПРОВЕДЕНИЯ КАЖДОГО ОПЫТА РУКОЯТКУ ЛАТРа НЕОБХОДИМО ВОЗВРАЩАТЬ В УКАЗАННОЕ ПОЛОЖЕНИЕ.


ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


1. Ознакомиться с лабораторным стендом ЭВ4 и измерительным комплектом К540. На панели К540 нажать кнопку UФдля измерения напряжения на нагрузке.

Установить на измерительном комплекте К540 следующие пределы измерения: по напряжению – 30 В, по току – 1 А.

2. Определить параметры катушки индуктивности (панель № 4), подключив ее к измерительному комплекту К540 (рис. 7). Установить ЛАТРом напряжение питания U = 20...25 B (по указанию преподавателя). Результаты измерений занести в табл. 1.

Изобразить последовательную схему замещения реальной катушки индуктивности, по данным табл. 1 построить в масштабе векторную диаграмму.


Параметры

опытные

расчетные

Uк ,

В

Iк ,

А

Pк ,

Вт

Zк ,

Ом

Rк ,

Ом

Xк ,

Ом

Lк ,

Гн

град

Uак,

В

Uрк ,

В












Таблица 1

3. Подключить к комплекту К540 электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных катушки индуктивности, резистора (панель № 3) и конденсатора (панель № 4) емкостью С = 40−60 мкФ (по указанию преподавателя).

Установить на комплекте К540 следующие пределы измерения: по напряжению – 75 В, по току 1 А.

Установить ЛАТРом значение тока в цепи I = Iк(из табл. 1), результаты измерений занести в табл. 2.

Таблица 2

Параметры

опытные

расчетные

U ,

В

I ,

А

P ,

Вт

Z ,

Ом

R ,

Ом

X ,

Ом

RR ,

Ом

XC ,

Ом

С , мкФ

UС ,

В

UR ,

В

Uк. ,

В














По данным табл. 2 построить в масштабе векторную диаграмму напряжений.

4. Подключить к комплекту К540 цепь, состоящую из последовательно соединенных катушки индуктивности и конденсатора.

По данным табл. 1 рассчитать емкость конденсатора Ср, при котором в рассматриваемой цепи наблюдается резонанс напряжений.

Установить на К540 пределы измерения по напряжению –15 В, по току – 2,5 А.

Исследовать работу цепи при напряжении питания U= 12...14 В (по указанию преподавателя) и изменении емкости конденсатора в пределах (Cp–50) < C < (Cp+130) мкФ (снять не менее десяти точек).

При изменении емкости конденсатора Снапряжение питания необходимо поддерживать постоянным с помощью ЛАТРа. Результаты измерений занести в табл. 3.

Таблица 3

Параметры

опытные

расчетные

C ,

мкФ

I ,

А

P ,

Вт

XC ,

Ом

UC ,

В

Uк ,

B

Uак,

В

Uрк,

В

град











При расчетах принять параметры катушки постоянными.

По данным табл. 3 на одном графике изобразить зависимости: Xк=f(C), XC = f(C), I = f(C), cos= f(C), = f(C), на другом графике: U = f(C), Uак= f(C), Uрк= f (C), UC= f(C).

На графиках отложить значение резонансной емкости и отметить характерные точки на резонансных кривых.

Построить в масштабе векторные диаграммы напряжений для C = Cp, C < Cpи C > Cp.


СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА


Отчет должен содержать:

– электрические схемы опытов, выполняемые с соблюдением ГОСТа

– таблицы с опытными, расчетными данными и расчетные формулы к ним;

– векторные диаграммы напряжений и тока (табл. 1, 2);

– резонансные кривые (табл. 3);

– векторные диаграммы напряжений при C < Cp, C = Cpи C > Cp;

–выводы по результатам проведенной работы.


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими параметрами характеризуется индуктивная катушка и как определить их опытным путем?

2. Написать выражение для закона Ома для неразветвленной цепи переменного тока, содержащего резистор, катушку индуктивности и конденсатор.

3. Пояснить порядок построения векторной диаграммы для неразветвленной цепи переменного тока.

4. Назвать условия, при которых наступает резонанс в цепи переменного тока. Чем характеризуется этот режим?

5. Какие виды мощности различают в цепях переменного тока? Как определить их опытным путем?

6. Что понимают под коэффициентом мощности цепи переменного тока? Приведите его зависимость от параметров цепи.
















ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ЦЕПЕЙ

ПЕРЕМЕННОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

ЗАДАЧА РАБОТЫ

Задачейработы является экспериментальная проверка уравнений, описывающих параметры цепи переменного синусоидального тока при параллельном соединении элементов, исследование резонансных явлений при параллельном соединении катушки индуктивности и конденсатора, исследование способа повышения коэффициента мощности.


Продолжительность работы – 2 часа

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ


Реальная индуктивная катушка обладает активным сопротивлением Rки индуктивным сопротивлением Xк. При подключении индуктивной катушки к сети с напряжением Uток в катушке отстает от напряжения по фазе на некоторый угол, величина которого определяется соотношением между активным и индуктивным сопротивлениями катушки. В идеальной индуктивной катушке Rк= 0 и угол между напряжением и током равен 900.

Реальную индуктивную катушку можно представить в виде схемы замещения последовательно включенных активного и индуктивного сопротивлений или параллельно включенных сопротивлений, величину которых удобнее характеризовать проводимостями: активной – Gк, индуктивной – Вк (рис. 1 а, б, в).

Рис. 1

При расчете по схеме (рис. 1 в) проводимости индуктивной катушки определяются

,

где PК– активная мощность, потребляемая индуктивной катушкой;

– полное сопротивление катушки;

– полная проводимость катушки.

Векторная диаграмма токов для реальной индуктивной катушки будет иметь вид (рис. 2).

Составляющие тока индуктивной катушки:

- активная:

- реактивная:

При подключении параллельно индуктивной катушки конденсатора в цепи может возникать режим резонанса токов, при котором напряжение на зажимах цепи и ток в неразветвленной цепи совпадают по фазе.

Режим резонанса токов в параллельной цепи при неизменной частоте тока возникает при условии Bк= BC= Cр, при этом Iрк.= IC, суммарный ток минимален и равен Iак.

Коэффициентом мощностинагрузки называют косинус угла сдвига фаз между питающим напряжением и током в ней. Для уменьшения потерь при передаче энергии стремятся повысить коэффициент мощности электрической цепи путем включения параллельно индуктивной нагрузке конденсатора необходимой емкости, величину которой можно рассчитать:

,

где 1– угол между током и напряжением до включения конденсатора;

2– угол между током и напряжением после включения конденсатора, величина которого регламентируется директивным коэффициентом мощности, устанавливаемым энергоснабжающей организацией.

Силу тока через емкостной элемент можно определить:

При параллельном подключении индуктивной катушки, конденсатора и резистора ток в неразветвленной части цепи определяется как геометрическая сумма токов катушки, конденсатора и резистора: ,

а векторная диаграмма, соответствующая последнему уравнению, имеет вид, показанный на рис. 3. Из приведенной диаграммы следует, что

.


ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ


1. Лабораторная работа выполняется на универсальном стенде ЭВ4.

2. Необходимые для проведения опытов элементы: катушка индуктивности и батарея подключаемых конденсаторов расположены на панели № 4, резистор переменного сопротивления  на панели № 3.

3. Напряжение на зажимах цепи, сила тока и мощность измеряются с помощью переносного измерительного комплекта К540.

Перед проведением очередного опыта необходимо обязательно проверять правильность установки пределов измерения комплекта К540.

4. На горизонтальной панели стенда расположен источник переменного тока (~0−220 В), ЛАТР для регулирования напряжения на зажимах цепи и кнопки включения питания стенда.

5. Для подключения напряжения питания к исследуемой цепи необходимо:

– повернуть рукоятку ЛАТРа против часовой стрелки до упора;

– включить автоматический выключатель, расположенный под откидной крышкой стенда;

– нажать кнопку общего включениястенда “Вкл”;

– нажать кнопку, расположенную под вольтметром “Переменное;

– установить заданное напряжение на зажимах цепи, плавновращая рукоятку ЛАТРа.

В Н И М А Н И Е!

ПЕРЕД ВКЛЮЧЕНИЕМ СТЕНДА УБЕДИТЬСЯ, ЧТО РУКОЯТКА ЛАТРа, РАСПОЛОЖЕННОГО НА ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ ПАНЕЛИ СТЕНДА, ПОВЕРНУТА ДО УПОРА ПРОТИВ ЧАСОВОЙ СТРЕЛКИ.

ПОСЛЕ ПРОВЕДЕНИЯ КАЖДОГО ОПЫТА РУКОЯТКУ ЛАТРа НЕОБХОДИМО ВОЗВРАЩАТЬ В УКАЗАННОЕ ПОЛОЖЕНИЕ.


ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


1. Ознакомиться с лабораторным стендом ЭВ4 и измерительным комплектом К540. Для измерения напряжения на нагрузке на панели К540 нажать кнопку .

Установить на измерительном комплекте К540 следующие пределы измерения: по напряжению – 30 В, по току – 1 А.

2. Определить параметры катушки индуктивности (панель № 4), подключив ее к измерительному комплекту К540(рис. 4).


Установить ЛАТРом напряжение питания U = 20−25 B (по указанию преподавателя). Результаты измерений занести в табл. 1.

Изобразить параллельную схему замещения реальной катушки индуктивности, построить в масштабе ее векторную диаграмму.


Параметры

опытные

расчетные

Uк ,

В

Iк ,

А

Pк ,

Вт

Yк ,

10-3

Gк ,

10-3

Bк ,

10-3

Lк,

Гн

Iак,

A

Iрк ,

A











Таблица 1

3. Исследовать резонансные явления при параллельном соединении катушки индуктивности и конденсатора.

Подключить параллельно катушке индуктивности конденсатор (панель № 4). Рассчитать емкость конденсатора Ср,при которой в данной цепи наблюдается явление резонанса токов.

Исследовать изменение тока в неразветвленной части цепи при напряжении питания U =25 В и изменении емкости конденсатора в пределах (Cp40)< C < (Cp+120) мкФ.

Результаты измерений занести в табл. 2.

Таблица 2


Параметры

цепи


опытные

С, мкФ













I, A














расчетные

BC, 10-3См













IC, A

























, град













По данным табл. 2 на одном графике изобразить зависимости: BC= f(C), cos= f(C), = f(C), Bк = f(C), на другом графике – I = f(C), Iак= f(C), Iрк= f (C), IC= f(C).

На графике отложить значение резонансной емкости и отметить характерные точки на резонансных кривых.

Построить в масштабе векторные диаграммы токов для значений емкостей C = Cp, C < Cp и C > Cp.

4. Исследовать электрическую цепь при параллельном соединении резистора и катушки индуктивности.

Подключить параллельно катушке индуктивности резистор с переменным сопротивлением (панель № 3).

Определить параметры цепи при напряжении питания U= 25 В.

Результаты измерений занести в табл. 3

Таблица 3

Параметры

опытные

расчетные

U ,

В

I ,

А

P,

Вт

PR ,

Вт

IR ,

A

град

25








5. По данным табл. 3 рассчитать емкость конденсатора, который необходимо включить для повышения коэффициента мощности исследуемой цепи до значения .

Подключить параллельно к исследуемой в п. 4 цепи конденсатор рассчитанной емкости.

Определить параметры цепи при напряжении питания U = 25 В.

Результаты измерений занести в табл. 4. Таблица 4

Параметры цепи

опытные

расчетные

U ,

В

I ,

А

P,

Вт

C ,

мкФ

,

град

IC ,

A

25








По данным табл. 3, 4 построить в масштабе на одной комплексной плоскости векторные диаграммы токов.


СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен включать:

– электрические схемы опытов;

– таблицы с опытными и расчетными данными, расчетные формулы;

– векторные диаграммы токов, построенные в масштабе;

– кривые зависимостей по п. 6;

– выводы по результатам выполненной работы.






КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Как по опытным данным определить параметры индуктивной катушки?

2. Как связаны параметры индуктивной катушки для последовательной схемы замещения Rк и Xк и для параллельной схемы замещения Gки Вк?

3. Что такое резонанс токов, при каких условиях он возникает?

4. Как при заданных параметрах индуктивной катушки определить емкость конденсатора, необходимого для возникновения в цепи резонанса токов?

5. Поясните на резонансных кривых зависимость тока цепи и коэффициента мощности от емкости конденсатора.

6. Для чего подключают конденсатор параллельно индуктивной катушке?

7. Чему будет равен ток в неразветвленной части цепи, если параллельно индуктивной катушке с параметрами Rк = 3Ом, Xк= 4 Ом подключить конденсатор с ХС= 25 Ом? Напряжение сети U= 50 В.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5


ИСЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ЦЕПЕЙ

ПРИ СОЕДИНЕНИИ НАГРУЗКИ В ЗВЕЗДУ


ЗАДАЧА РАБОТЫ


Задачейработы является экспериментальное исследование четырехпроводной и трехпроводной трехфазных цепей при соединении нагрузки звездой.


Продолжительность работы – 2 часа


КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ


Совокупность трех ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе относительно друг друга на треть периода, называется трехфазной системой ЭДС.

Выражения для мгновенных значений ЭДС симметричного трехфазного источника имеют следующий вид:

.

В комплексной форме ЭДС записываются в виде

Электрическая цепь, в которой действует трехфазная система ЭДС, называется трехфазной цепью.

Термин «фаза» в электротехнике имеет два значения: с одной стороны — это аргумент синусоидальной функции времени, с другой — часть многофазной цепи, по которой протекает один и тот же ток.

На рис. 1 показана схема трехфазной цепи, в которой фазы источника и приемника соединены звездой.Зажимы А, В, Систочника и зажимы a, b, cприемника называют линейнымизажимами. Провода, соединяющие линейные зажимы источника и приемника, называются линейными проводами. Точки Nи nназываются нейтральными точкамиисточника и приемника, а провод, соединяющий эти точки, — нейтральным.

Рис. 1


n

Рис. 1

Напряжения между линейными зажимами называются линейными, а напряжения между линейными и нейтральными зажимами − фазными.

Фазные напряжения источника равны соответствующим ЭДС.

При наличии нейтрального провода трехфазная цепь называется четырехпроводной(рис. 1). В четырехпроводной цепи, при пренебрежении сопротивлениями линейных и нейтрального проводов, линейные и фазные напряжения приемника равны соответствующим напряжениям источника и остаются неизменными независимо от величины и характера сопротивлений фаз приемника (Uab= UAB; Ubc= UBC; Uca= UCA; Ua= UA; Ub= UB ; Uc= UC).

Принятые положительные направления ЭДС, линейных и фазных напряжений и токов показаны на рис. 1.

Комплексные значения линейных напряжений равны разности комплексных значений соответствующих фазных напряжений. Для линейных напряжений приемника можно записать

Из векторной диаграммы (рис. 2) видно, что в этом случае действующее значение линейного напряжения .

Токи в фазах источника и приемника называются фазными, токи в линейных проводах — линейными. Как видно из рис. 1, при соединении звездой фазный ток является одновременно линейным: IФ= Iл.

При наличии нейтрального провода комплексные значения токов определяются из выражений

В соответствии с первым законом Кирхгофа ток в нейтральном проводе .

На рис. 2 показана векторная диаграмма для четырехпроводной цепи при несимметричном приемнике: в фазе а нагрузка – активно-индуктивная (а> 0), в фазе b– активно-емкостная (b< 0), в фазе с– активная (с= 0).

Вектор тока в нейтральном проводе определен путем суммирования векторов линейных токов.

При симметричном приемнике (Za=Zb=Zc) сумма комплексных значений линейных токов равна нулю , и необходимость в нейтральном проводе отпадает.

На рис. 3 показана векторная диаграмма для четырехпроводной цепи при симметричном режиме для активного характера нагрузки (= 0).

При отсутствии нейтрального провода (трехпроводная цепь) напряжение на фазах приемника зависит от величины и характера сопротивлений фаз. Поэтому соединение звездой без нейтрального провода применяется только для симметричных приемников.

Напряжение между нейтральными точками приемника и источника (напряжение смещения нейтрали) определяется по формуле узлового напряжения (по методу двух узлов)

,

где – комплексные проводимости фаз.

Комплексные значения токов

На рис. 4 показана векторная диаграмма напряжений и токов при активной неравномерной нагрузке (Ra > Rb > Rc).

Построение векторной диаграммы для трехпроводной цепи по экспериментальным данным целесообразно проводить в следующем порядке:

– в выбранном масштабе построить векторную диаграмму напряжений источника ; – засечками, по измеренным фазным напряжениям приемника Ua,Ub,Uc, из точек А, В, Ссоответственно, определить положение нейтральной точки nприемника;

– построить вектор напряжения смещения нейтрали, соединив нейтральные точки источника Nи приемника n;

– соединить нейтраль приемника nс вершинами треугольника линейных напряжений А, В, С(эти отрезки образуют векторы соответствующих фазных напряжений приемника );

– построить в выбранном масштабе векторы токов, совместив их начала с нейтралью приемника n(ориентация векторов токов относительно соответствующих векторов фазных напряжений приемника определяется характером нагрузки фаз приемника).

Правильность построения векторной диаграммы следует проверить по первому закону Кирхгофа: .

Мощности в трехфазных цепях определятся как алгебраические суммы мощностей отдельных фаз:

– активная мощность P = Pa+ Pb+ Pc ;

– реактивная мощность Q = Qa+ Qb+ Qc,

где мощности отдельной фазы: ;

.

Полная мощность трехфазной цепи .

При симметричной нагрузке


ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ


1. Лабораторная работа выполняется на универсальном стенде ЭВ4.

2. На панелях № 2, 3 расположены необходимые для проведения работы резисторы и амперметры.

3. Фазные напряжения, линейные токи и активные мощности для каждой фазы измеряются с помощью переносного измерительного комплекта К540.

Перед проведением очередного опыта необходимо обязательно проверять правильность установки пределов измерения комплекта К540.

4. На горизонтальной панели стенда расположены линейные зажимы А, В, Си зажим нейтральной точки О трехфазной системы ЭДС 3 ×220В.

5. Для подачи напряжения на зажимы трехфазной системы ЭДС необходимо:

- включить автоматический выключатель, расположенный под откидной крышкой стенда;

- нажать кнопку общего включения стенда “Вкл.”.


ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


1. С помощью цифрового вольтметра В7-38 измерить фазное UФи линейное Uлнапряжения трехфазного источника.

2. Исследовать трехфазную цепь при соединении нагрузки в звезду с нейтральным проводом.

Собрать схему в соответствии с рис. 5, сопротивления нагрузки фаз (Ra, Rb, Rc) — последовательно соединенные переменный резистор сопротивлением 150 Ом, постоянный резистор сопротивлением 100 Ом и лампа накаливания EL(панель № 2); амперметры в фазах нагрузки и нейтральном проводе – с пределом измерения 1 А (панели № 2, 3).


Рис. 5. Электрическая схема четырехпроводной линии


Установить на измерительном комплекте К540 пределы измерения по напряжению – 150 В, по току – 1 А:

- установить с помощью переменных резисторов сопротивлением 150 Ом симметричную нагрузку в фазах приемника (по показаниям комплекта К540), результаты занести в табл. 1;

- оборвать одну из фаз (по указанию преподавателя), отключив соответствующую кнопку, результаты измерений занести в табл. 1;

- установить неравномерную нагрузку в фазах приемника, для чего в одной из фаз в качестве нагрузки включить резисторы сопротивлениями 150 Ом и 100 Ом, в двух других оставить нагрузку неизменной, результаты измерений занести в табл. 1.





Таблица 1


Вид нагрузки

Параметры

опытные

расчетные

Ua ,

B

Ub ,

B

Uc ,

B

Ia ,

A

Ib ,

A

Ic ,

A

In ,

A

Pa ,

Вт

Pb ,

Вт

Pс ,

Вт

P,

Вт

Симметричная












Обрыв фазы












Неравномерная













Построить в масштабе векторные диаграммы напряжений и токов при исследованных нагрузках по данным табл. 1.

3. Исследовать трехфазную цепь при соединении нагрузки в звезду без нейтрального провода.

Собрать цепь в соответствии с рис. 6, выполнив необходимые переключения в схеме рис. 5. Для измерения напряжения смещения UnNиспользовать цифровой вольтметр В7-38.

Рис. 6. Электрическая схема трехпроводной линии


Установить на комплекте К540 пределы измерения по напряжению – 300 В, по току – 2,5 А.

Выполнить необходимые измерения при нагрузках в соответствии с табл. 2.

Для проведения опыта короткого замыкания необходимо одну из фаз А, В, С(по указанию преподавателя) соединить с нейтральной точкой приемника n.

Таблица 2


Вид нагрузки

Параметры

опытные

расчетные

Ua ,

B

Ub ,

B

Uc ,

B

Ia ,

A

Ib ,

A

Ic ,

A

UnN ,

B

Pa ,

Вт

Pb ,

Вт

Pс ,

Вт

P,

Вт

Симметричная












Обрыв фазы












Неравномерная












К. з. фазы













По данным табл. 2 построить в масштабе векторные диаграммы напряжений и токов для исследованных нагрузок.


СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА


Отчет по лабораторной работе должен включать:

– схемы исследуемых электрических цепей;

– таблицы с опытными и расчетными данными;

– векторные диаграммы напряжений и токов для исследованных нагрузок, построенные в масштабе;

– выводы по результатам выполненной работы.


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ


1. Каковы преимущества трехфазных цепей по сравнению с однофазными?

2. Какие приемники называются симметричными? Какая нагрузка называется равномерной, какая – однородной?

3. В чем преимущества четырехпроводной цепи по сравнению с трехпроводной?

4. Почему не ставится предохранитель в нейтральный провод?

5. Каково соотношение между линейными и фазными напряжениями симметричного приемника, соединенного звездой, при симметричной системе линейных напряжений?

6. Как определяются токи в фазах несимметричного приемника, соединенного звездой, в трехпроводной цепи?