Трехфазные электрические цепи, электрические машины, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока

Костромская государственная

сельскохозяйственная академия

Кафедра ТОЭ и автоматики

ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ

по курсу

"Электротехника с основами электроники"

для студентов факультета

Механизации сельского хозяйства

2 цикл

Составитель: старший

преподаватель кафедры ТОЭ и А

Смирнов В.Б.

Кострома - 2003

Лабораторный практикум по курсу "Электротехника с основами электроники (2 цикл). Для студентов факультета механизации сельского хозяйства. - Кострома: издательство Костромской государственной сельскохозяйственной академии, 2003.

Лабораторный практикум содержат описания лабораторных работ, которые студенты факультета механизации сельского хозяйства выполняют во втором семестре после начала изучения курса "Электротехника с основами электроники" и включают в себя разделы трехфазных электрических цепей, электрических машин, измерения электрической энергии, электрического освещения, выпрямления переменного тока, а также общие требования по технике безопасности при выполнении лабораторных работ.

Рекомендовано методической комиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства КГСХА

Протокол № 4 от 16 декабря 2002 года.

Костромская государственная сельскохозяйственная академия, 2003.

Общие требования по выполнению лабораторных работ

Изучите по методическим указаниям и конспекту лекций теоретические вопросы, относящиеся к теме предстоящей работы. Ознакомьтесь с содержанием и порядком выполнения работы.

В тетради для лабораторных работ напишите номер, название и цель работы, начертите схему исследования электрической цепи и таблицу для записей результатов опытов и расчетов.

Соберите цепь по заданной схеме. Вначале рекомендуется подключить все последовательно соединенные элементы, а только затем подключить элементы, включаемые параллельно. Проверить правильность соединения цепи.

Включать цепь под напряжение только после разрешения преподавателя

При проведении опытов следует выполнять требования по технике безопасности:

перед началом сборки схемы необходимо убедится в том, что стенд выключен;

не применяйте провода с поврежденной изоляцией, наконечники

проводов надежно зажимайте клеммами;

о включении стенда необходимо предупредить всех членов группы;

при появлении во время работы искр, запаха, дыма или других признаков ненормальной работы оборудования необходимо немедленно отключить стенд и сообщить об этом преподавателю;

запрещается самовольно устранять неисправности электрооборудования;

при несчастном случае следует немедленно сообщить об этом преподавателю.

Разбирать схему следует только после проверки преподавателем результатов опытов.

Произведите необходимые расчеты и графические построения и сделайте выводы по работе.

Методические указания к лабораторной работе № 6

 

"ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ "ЗВЕЗДА"

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследовать цепь трехфазного тока при соединении потребителей электроэнергии по схеме "звезда" для различных режимов работы, выяснить влияние нейтрального провода на величины фазных напряжений потребителя.

ПОРЯДОК РАБОТЫ:

1. Ознакомиться с приборами, необходимыми для выполнения работы, записать их технические характеристики.

Собрать электрическую цепь (рис.1).

3. Установить симметричную нагрузку в фазах и записать показания приборов при наличии нейтрального провода и без него. Убедиться, что Uл = Uф /

4. Установить несимметричную нагрузку фаз (разное количество ламп в каждой фазе) и записать показания приборов при наличии нейтрального провода и без него.

5. Установить симметричную нагрузку и, отключив все лампы в одной из фаз потребителя, что соответствует обрыву в данной фазе, записать показания приборов при наличии нейтрального провода и без него.

Установив симметричную нагрузку фаз, отключить нейтральный провод и записать показания приборов при коротком замыкании одной из фаз потребителя (для этого можно проводником замкнуть накоротко зажимы любой фазы). Все данные измерений и вычислений внести в таблицу 1 и построить по этим данным векторные диаграммы для каждого пункта.

Таблица 1.

Характер нагрузки	UA	UB	UC	UAB	UBC	UCA	IA	IB	IC	IN	UN
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Симметричная без нейтрального провода
Симметричная с нейтральным проводом
Несимметричная без нейтрального провода
Несимметричная с нейтральным проводом
Полная разгрузка одной фазы без нейтрального провода
Полная разгрузка одной фазы с нейтральным проводом
Короткое замыкание фазы без нейтрального провода

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Трехфазной системой переменных токов называется совокупность трех однофазных электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 1/3 периода и создаваемые одним источником электрической энергии. Обмотки фаз генератора имеют одинаковое число витков и выполняются из провода одинакового сечения, поэтому ЭДС, индуктированные в этих обмотках, равны по величине.

Если каждая из трех фаз генератора работает на отдельную нагрузку, то в этом случае имеет место несвязанная трехфазная система, в которой генератор соединен с нагрузкой 6-ю проводами (рис.2).

Такие системы неэкономичны и практического применения не имеют.

Соединение фаз генератора и нагрузки может осуществляться по схемам "звезда" и "треугольник". Если концы фаз генератора соединить в одну точку, а к началам подвести линейные провода, соединяющих генератор с нагрузкой, то такое соединение называется "звездой" и условно обозначается знаком " " (рис.3).

Чтобы соединить фазы нагрузки по схеме "звезда", следует все концы фаз этого потребителя соединить в одну точку, а начала фаз линейными проводами соединить с источником энергии.

Точки соединения концов фаз генератора (0) и нагрузки (0`) называются соответственно нулевыми, или нейтральными точками генератора и нагрузки.

Обе эти точки соединяются проводом, называемым нулевым или нейтральным.

Таким образом, генератор соединен с нагрузкой четырьмя проводами, поэтому такая система называется трехфазной четырехпроводной.

7

Токи, протекающие в фазах генератора или нагрузки, называются фазными и обозначаются: I_А; I_В; I_С или в общем виде I_Ф.

Токи, протекающие по линейным проводам, называются линейными I_Л.

При соединении "звездой" фаза генератора, линейный провод и фаза нагрузки соединены последовательно, поэтому I_Л = I_Ф.

По нейтральному проводу протекает ток, равный геометрической сумме трех токов: I_О= I_А+I_В+I_С или алгебраической сумме комплексов этих токов: I_О=I_А+I_В +I_С.

Напряжения, измеренные между началом и концом каждой фазы, называются фазными и обозначаются: U_А; U_В; U_С или в общем виде U_Ф. Напряжения U_АВ; U_ВС; U_СА называются линейными и измеряются между линейными проводами, т.е. между началами фаз. В линейных проводах принято считать положительными направления токов от генератора к нагрузке, а в нейтральном - от нагрузки к генератору.

Благодаря наличию нейтрального провода, фазные напряжения потребителя остаются неизменными как при симметричной, так и при несимметричной нагрузке.

Если ток в нейтральном проводе равен нулю, что может иметь место при симметричной нагрузке, то трехфазная система может стать трехпроводной (рис.4).

Соотношения между линейными и фазными напряжениями устанавливаются на основании второго закона Кирхгофа. При этом уравнения для действующих значений записываются в векторной (1) или комплексной (2) форме:

U_АВ= U_А - U_В U_АВ = U_А - U_В

U_ВС= U_{В -} U_С (1) U_ВС = U_В - U_С (2)

U_СА = U_С - U_А U_СА= U_С - U_А

Векторные диаграммы, построенные по уравнениям (1), изображены на рис.5

(а, б).

Векторная диаграмма рис.5 (а) называется топографической (каждая точка этой диаграммы соответствует точке на схеме).

Из векторной диаграммы рис.5 (б) видно, что "звезда" фазных напряжений отстает от "звезды" линейных напряжений на угол 30°. Соотношение между величинами фазных и линейных напряжений для симметричной нагрузки можно вывести, рассматривая один из треугольников, составленных векторами фазных и линейных напряжений.

Например:

Откуда

Т.е., линейное напряжение в случае симметричной нагрузки и при наличии нейтрального провода в раз больше фазного.

U_{О -} напряжение, измеряемое между нейтральными точками генератора и потребителя.

СЛУЧАЙ СИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.

Нагрузка, подключенная к трехфазному генератору, может быть симметричной и несимметричной.

Симметричной называется такая нагрузка, при которой сопротивления фаз одинаковы по величине и по характеру, т.е.

Z_А = Z_В = Z_С = r + jx

При симметричной нагрузке токи в фазах по величине равны между собой.

I_А = I_В = I_С,

где

На Рис.6 показаны векторные диаграммы напряжений и токов для симметричной активной нагрузки (а) - при наличии нейтрального провода

(I_А + I_В + I_С = I_О = 0), а (б) - без нейтрального провода.

Рис.6

 

СЛУЧАЙ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.

При несимметричной нагрузке Z_А¹Z_В¹Z_С, токи в фазах I_А¹I_В¹I_С.

Векторные диаграммы для данного случая изображены на рис.7 (а, б).

На рис.7 (а) показано графическое определение тока в нейтральном проводе I_О. Благодаря наличию нейтрального провода при несимметричной нагрузке напряжения на фазах потребителя энергии остаются неизменными и равными фазным напряжениям генератора (если пренебречь сопротивлением нейтрального провода и линейных проводов).

Рис.7

 

В случае обрыва нейтрального провода нулевая точка смещается в сторону более нагруженной фазы, и напряжения на фазах потребителя изменяются, что приводит к нарушению нормальной работы приемников энергии, поэтому в нейтральный провод не рекомендуется ставить предохранитель или рубильник. Токи в трехфазной цепи без нейтрального провода принимают такие значения, что их геометрическая сумма равна нулю.

Если в качестве нагрузки трехфазной трехпроводной цепи используются лампы накаливания одинаковой мощности, то их накал определяется фазным напряжением, а так как напряжения на фазах различны, то лампы будут гореть с различной яркостью. Наибольший накал ламп будет в той фазе, в которой включено меньшее количество ламп.

В случае обрыва одной из фаз, например, фазы "А" без нейтрального провода (отключены все лампы в этой фазе), две другие фазы ("В" и "С") оказываются включенными последовательно и находятся под линейным напряжением U_ВС. Если сопротивления одинаковы, то напряжения их будут равны, и каждое составляет половину линейного напряжения U_ВС/2 (рис.8).

Рис.8

В этом случае лампы, включенные в фазу "А", погаснут, а в фазах "В" и "С" будут иметь меньший накал.

Уменьшение сопротивления одной из фаз (например, "А") до нуля, что соответствует короткому замыканию в ней, приводит к смещению нулевой точки в вершину треугольника линейных напряжений, тогда U_А=0, а фазные напряжения U_В и U_С становятся равными линейным: U_АВ и U_СА.

Векторная диаграмма токов и напряжений для данного случая показана на рис.9.

Рис.9

Лампы, включенные в фазу "А", гаснут, а в фазах "В" и "С" горят ярче обычного.

Вывод: при несимметричной нагрузке фаз нельзя применять соединение приемников по схеме "звезда" без нулевого провода.

Содержание ОТЧЕТА

1. Технические характеристики приборов и элементов, используемых в работе.

2. Схемы и таблицы.

3. Расчетные формулы и векторные диаграммы.

4. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какое соединение фаз генератора и нагрузки называется "звездой"?

2. Каково соотношение между фазными и линейными напряжениями и токами при соединении нагрузки "звездой"?

3. Объяснить назначение нулевого провода.

4. Как определить ток в нулевом проводе?

5. Что такое напряжение смещения нейтрали? В каких случаях оно равно нулю?

Чем опасно короткое замыкание одной фазы при наличии и отсутствии нулевого провода?

Литература

1.  Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. - М.: Высшая школа, 1984, с.97 - 101.

2.  Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983,с.109 - 111.

Методические указания к лабораторной работе № 7

 

"ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ

ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ "ТРЕУГОЛЬНИК"

Цель работы: исследовать различные режимы работы потребителей трехфазного тока, соединенных по схеме "треугольник".

Порядок работы:

1. Ознакомиться с приборами, применяемыми в данной работе и записать их технические данные.

Собрать электрическую схему (Рис.1).

Рис.1

3. Измерить фазные, линейные токи и напряжения при симметричной нагрузке фаз. Убедиться, что I_Л =Iф.

4. Произвести указанные в пункте 3 измерения для несимметричной нагрузки (включить разное количество ламп в фазах).

5. Установив симметричную нагрузку, отключить полностью лампы в одной из фаз. Записать указания приборов.

6. При симметричной нагрузке фаз осуществить обрыв одного из линейных проводов. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1. Для всех пунктов эксперимента построить в масштабе векторные диаграммы.

Таблица 1

Характер нагрузки	IAB, А	IBС, А	IСA, А	IA, А	IB, А	IC, А	U AB,B	UBC,B	UCA,B
Симметричная
Несимметричная
Обрыв фазы
Обрыв линейного провода

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Трехфазной системой переменных токов называется совокупность трех однофазных электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 1/3 периода и создаваемые общим источником электрической энергии. Обмотки фаз генератора имеют одинаковое число витков и выполняются из провода одинакового сечения, поэтому ЭДС, индуктированные в них, равны по величине. Если каждая из трех фаз генератора работает на автономную нагрузку, то такая трехфазная система называется несвязанной, в ней генератор соединен с потребителем шестью проводами (рис.2).

По закону Ома ток, протекающий в фазе

где U_Ф - напряжение на зажимах фазы

Z_Ф - полное сопротивление фазы.

Несвязанные системы неэкономичны и практического применения не имеют. Соединение фаз генератора и нагрузки может осуществляться по схемам "звезда" или "треугольник".

Объединяя попарно провода несвязанной шестипроводной системы (рис.2) и соединяя фазы генератора и нагрузки, можно перейти к трехпроводной трехфазной системе, соединенной треугольником (рис.3).

Как видно, соединение треугольником выполняется так, чтобы конец фазы "ав" был соединен с началом фазы "вс", конец фазы "вс" соединен с началом фазы "са", конец фазы "са" соединен с началом фазы "ав". К общим точкам соединения фаз подводятся линейные провода, соединяющие генератор с нагрузкой.

При соединении нагрузки по схеме "треугольник" линейное напряжение равно фазному: Uл = Uф.

Соотношения между фазными и линейными токами устанавливаются на основании первого закона Кирхгофа из уравнений, составленных для узловых точек "а", "в", "с" нагрузки

I_А= Iав - Iса

I_В = Iвс - Iав

I_С = Iса - Iвс

Таким образом, линейные токи равны алгебраической сумме векторов фазных токов. При симметричной нагрузке фазные токи одинаковы и сдвинуты по фазе на 120°. Векторная диаграмма для данного случая изображена на рис.4

Рис.4

НЕСИММЕТРИЧНАЯ НАГРУЗКА ФАЗ

Если в одну из фаз включить дополнительное сопротивление параллельно имеющемуся, то есть, увеличить количество ламп, то общее сопротивление этой фазы уменьшится, а ток возрастет.

Величины токов в двух других фазах остаются неизменными, так как их сопротивления и напряжения не изменились. Векторная диаграмма, представленная на рис.5, построена для случая увеличения нагрузки в фазе "АВ".

Рис.5 Рис.6

При увеличении сопротивления одной из фаз, например, фазы "ВС", до бесконечности, что соответствует обрыву данной фазы, ток в ней равен нулю, в двух других фазах токи не изменятся, так как сопротивления в них остались как и при симметричной нагрузке.

Векторная диаграмма для данного случая изображена на Рис.6.

Лампы, включенные в фазу "ВС", не горят. В двух других фазах накал ламп такой же, каким был при симметричной нагрузке.

В случае обрыва одного из линейных проводов (например, провода, по которым протекает ток Iа), цепь трехфазного тока (рис.7) можно представить в виде однофазной с двумя параллельно включенными ветвями (рис.8)

В этом случае лампы в фазе "ВС" остались под фазным напряжением.

Векторная диаграмма имеет вид рис.9. Эти фазы оказываются соединенными последовательно под напряжение фазы Uвс.

Следовательно, напряжение Uвс делится поровну между фазами "АВ" и "СА". Активная мощность трехфазного тока при несимметричной нагрузке фаз равна сумме активных мощностей отдельных фаз:

Р = Рав + Рвс + Рса,

где: Рав = Uaв Iав cosjав

Pвс = Uвс Iвс cosjвс

Pса = Uса Iса cosjса

При симметричной нагрузке фаз Р = 3Рф = 3UфIфcosj.

А так как при соединении нагрузки треугольником

то есть, Р = Uл Iл cosjф.

Соответственно реактивная мощность Q = Uл Iл sinjф.

Полная мощность S = Uл Iл

Содержание ОТЧЕТА

1. Технические характеристики приборов и элементов, используемых в работе.

2. Схемы и таблицы.

3. Расчетные формулы и векторные диаграммы.

4. Выводы.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:

1. Какое соединение фаз генератора или нагрузки называется треугольником?

2. Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами при симметричной нагрузке фаз, соединенных треугольником?

3. Как определяются линейные токи?

4. Как определяется активная, реактивная и полная мощности трехфазной цепи при различных нагрузках?

5. Каковы будут напряжения на фазах приемников энергии, если перегорит предохранитель в одном из линейных проводов?

6. Построить векторные диаграммы для всех случаев симметричной и несимметричной нагрузок фаз.

Литература

3.  Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. - М.: Высшая школа, 1984, с.101 - 104.

4.  Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат, 1983,с.112 - 114.

Методические указания к лабораторной работе № 8

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО СЧЕТЧИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.

Цель работы: изучить устройство, принцип работы однофазного счетчика, научиться включать его в сеть и производить поверку.

Теоретические сведения

Электрическая энергия равна произведению мощности электрической цепи на время:

 

где Р - мощность, Вт;

t - время, с.

Единица измерения электрической энергии - Вт×с. На практике применяют более крупную единицу - кВт× ч:

1кВт×ч = 1000 ×3600 = 3600000 Дж (Вт×с).

Для учета электрической энергии в цепях однофазного тока используются электрические счетчики индукционной системы типа СО. Счетчик измеряет энергию, израсходованную потребителем за определенный промежуток времени:

где u - мгновенное значение напряжения питания приемников энергии, В,

i - мгновенное значение тока, протекающий в цепи потребителя, А

p - мгновенное значение мощности потребителя, Вт

t - время, с

Следовательно, электрический счетчик - это суммирующий прибор. Все электрические счетчики по роду измерений величины подразделяются на две группы:

счетчики активной энергии

счетчики реактивной энергии.

Для учета энергии трехфазных потребителей в четырехпроводной сети применяют трех - и четырехэлементные счетчики активной энергии (СА-3, СА-4) и реактивной энергии (СР-3, СР-4). В данной работе исследуется индукционный однофазный счетчик электрической энергии типа СО-2.

УСТРОЙСТВО СЧЕТЧИКА

(см. плакат и счетчик на стенде)

На стальных сердечниках сложной формы, набранных из тонких пластин электротехнической стали, установлены две обмотки (катушки) - токовая обмотка (1) и обмотка напряжения (2).

Токовая обмотка выполнена незначительным числом витков медного провода относительно большого сечения, соответствующего номинальному току счетчика. Она включается в сеть последовательно с нагрузкой.

Обмотка напряжения имеет 8-12 тыс. витков тонкой проволоки диаметром 0,8 или 0,12 мм и включается в сеть параллельно нагрузке.

Между сердечниками установлен алюминиевый диск 3, который укреплен на оси 6 и свободно вращается в подпятниках.

Постоянный магнит 4 необходим для создания тормозного момента. На оси 5 расположена червячная передача 7, которая приводит в движение счетный механизм Все элементы счетчика укреплены на пластмассовом основании и закрываются крышкой. В нижней части основания укреплены клеммы для включения счетчика в сеть.

На лицевой стороне счетчика под стеклом установлен паспорт, в котором указываются основные данные счетчика, например

тип - СО-2

класс точности - 2,5

передаточное число К - 1200 об/ кВт_*час (или другое значение, см. счетчик)

напряжение - 220 В

номинальный ток - 5А

частота тока - 50 Гц

ГОСТ

заводской номер

год выпуска.

Принцип работы счетчика

При включении катушки напряжения в сеть по ней течет ток, который вызывает в сердечнике 1 магнитный поток Ф, разделенный на две части: Фр и Ф_L, где Фр - рабочий поток, который пронизывает алюминиевый диск и замыкается через противополюсную скобу; Ф_L - магнитный поток, замыкающийся через боковые стержни сердечника и непосредственного участия в создании вращающего момента счетчика не принимающий.

При включении потребителей по токовой катушке течет ток I. Этот ток создает магнитный поток Ф_I, который пересекает диск в двух местах. Это обеспечивается U - образной формой магнитопровода токовой катушки.

Магнитные потоки Фр и Ф_I, пронизывая диск, индуктируют в нем вихревые токи.

Взаимодействие переменных магнитных потоков Фри Ф_I с индуктированными ими токами создает вращающий момент, действующий на диск 3. Величина этого вращающего момента определяется величиной напряжения, под которым находится катушка 2, величиной тока нагрузки I, протекающего по токовой катушке и коэффициентом мощности cos j цепи, в которую включен счетчик

где k - коэффициент пропорциональности.

Таким образом, вращающий момент, действующий на диск счетчика, пропорционален активной мощности цепи, в которую он включен. Под действием этого вращающего момента диск вращается. Установившаяся скорость вращения диска наступает при равенстве вращающего и тормозного моментов:

 

М_Вр = М_Т

Тормозной момент создается постоянным магнитом 4. Скорость вращения диска пропорциональна мощности потребителя. С осью диска связан вал счетного механизма. Число оборотов вала счетного механизма зависит от мощности, времени и передаточного числа счетного механизма К. Передаточное число счетчика - это число оборотов его диска, приходящегося на 1 кВт×ч.

 

К= N/W= N/P_*t

Энергия, потребленная из сети за время, в течение которого диск сделал Nt оборотов, будет равна:

где W_t - энергия за время t, Вт×с (кВт×ч)

P - мощность потребителя, Вт (кВт)

t - время, за которое диск сделал n оборотов, с

N_t - число оборотов диска за время t

Методика поверки счетчика

Счетчик будет точно учитывать энергию при соблюдении многих условий, которые строго выполнить практически невозможно.

Для данного счетчика допускаются следующие погрешности в зависимости от величины тока при cos j = 1:

0,1Iн - ±3,5%

0,2Iн - ±2,5%

0,5Iн - ±2,5%

1,5Iн - ±2,5%

Для поверки счетчика необходимо:

Определить номинальную постоянную счетчика

1 кВт_*ч 1000_*3600 Вт_*с

C_Н = --- , ------ ; Cн = -------------, ------

К об К об

Величину К берут из паспортных данных счетчика.

Номинальная постоянная счетчика - это величина, обратная передаточному числу. Она определяет количество энергии в Вт×с, приходящееся на один оборот диска.