Электротехника и электроника электротехника на оборудовании National Instruments. Лабораторный практикум

3.4.2.После проверки правильности сборки цепи преподавателем подать на собранную схему переменное напряжение U~ = 20 В.

3.4.3.Записать показания всех измерительных приборов в табл. 3.1 (первая строчка).

3.4.4.Отключить источник переменного напряжения.

3.4.5.Собрать электрическую схему, представленную на рис. 3.4.

Вкачестве резистора использовать тот же резистор предыдущей схемы (панель № 3). Установить емкость конденсатора 150 мкФ. Эту емкость набрать из магазина емкостей (панель № 4).

3.4.6.После проверки правильности сборки цепи преподавателем подать на собранную схему переменное напряжение U~ = 20 В.

3.4.7.Записать показания всех измерительных приборов в табл. 3.1. (вторая строчка).

3.4.8.Отключить источник переменного напряжения.

3.4.9.Собрать электрическую цепь, представленную на рис. 3.6. Индуктивная катушка та же, что в схеме рис. 3.1, конденсаторы – из

магазина емкостей. Определить значение емкости Срез, при которой в цепи возникает резонанс напряжений, расчетным путем (3.12), приняв значение Lк = 0,1 Гн.

3.4.10.Предъявить собранную схему для проверки преподавателю.

3.4.11.Установить с помощью кнопочных выключателей значение емкости конденсатора 50 мкФ (первая строчка табл. 3.2). Подать на

схему переменное напряжение U~ = 20 В. Произвести измерения для заполнения табл. 3.2.

3.4.12.Отключить источник напряжения.

3.4.13.Установить следующее значение емкости конденсатора и повторить измерения. Записать полученные данные в табл. 3.2. Повторить п. 3.4.12.–3.4.13 для всей таблицы.

Внимание! При измерении параметров цепи при Срез (третья строчка табл. 3.2) установить на комплекте К-540 предел измерения по току 2,5 А.

31

Таблица 3.2

3.5.Содержание отчета

Вотчете приводятся:

1)наименование работы;

2)необходимые расчетные формулы;

3)схемы электрических цепей, показанные на рис. 3.1, 3.4 и 3.6;

4)результаты измерений и расчетов в виде табл. 3.1 и 3.2;

5)векторные диаграммы напряжений и тока, а также треугольники сопротивлений для всех строк табл. 3.1 и 3.2;

6)в одной системе координат по данным табл. 3.2 графики зави-

симостей: I = f (C), ULк = f (C), UС = f (C), Q = f (C), cosj = f (C).

Контрольные вопросы

1.Объяснить построение векторной диаграммы тока и напряжений при активно-индуктивном характере нагрузки.

2.Объяснить построение векторной диаграммы тока и напряжений при активно-емкостном характере нагрузки.

3.Как определяется знак угла сдвига фаз между током и напряжением?

4.Почему построение векторной диаграммы напряжений рекомендуется начинать с вектора тока?

5.Что такое угол сдвига фаз между векторами тока и напряжения?

6.Как построить треугольник мощностей для R-C-цепи.

7.При каком условии возникает резонанс напряжений? Каким способом он может быть достигнут?

8.Как по показаниям приборов можно зафиксировать режим резонанса напряжений?

32

9.Напишите формулу для определения резонансной частоты

R-L-C цепи?

10.Чему равна реактивная мощность цепи при резонансе напряжений?

11.Чему равно полное сопротивление цепи при резонансе напряжений?

12.Чему равен сosj при резонансе напряжений?

33

Лабораторная работа 4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

ВЗВЕЗДУ

4.1.Цель работы

Экспериментальная проверка основных теоретических положений, развитие навыков сборки схем, проведения измерений, построение векторных диаграмм по экспериментальным данным.

4.2. Основные теоретические положения

Трехфазной системой ЭДС называют три синусоидальные изменяющиеся ЭДС, имеющие одинаковую амплитуду и частоту, но сдвину-

тые по фазе на угол 23p рад или 120° (рис. 4.1). Аналитические выражения ЭДС обмоток (фаз) имеют вид

eA (t) =Em ×sin(wt +a) =UФ ×2 ×sin(wt +a),

eC (t) =Em ×sin(wt +a-43 p) =UФ ×2 ×sin(wt +a-43 p),

где UФ – действующее значение фазного напряжения.

Из (4.1) и кривых фазных ЭДС (рис. 4.1) следует, что для любого момента времени справедливо равенство

Такую систему ЭДС дают трехфазные синхронные генераторы и трехфазные трансформаторы. Источником каждой ЭДС является обмотка генератора или трансформатора, называемая фазой. Таким образом, термин «фаза» включает два понятия: угол сдвига между двумя синусоидальными величинами и часть трехфазного электротехнического устройства (в данном случае обмотка).

34

t

2 10

3

T

Рис. 4.1

Обычно начальный момент времени выбирают так, чтобы начальная фаза ЭДС еА(t) была равна нулю (a = 0). При этом ось ординат проходит через начало синусоиды еА(t) (пунктир на рис. 4.1).

Комплексная форма записи ЭДС имеет вид

Обмотки (фазы) источника (генератора или трансформатора) электрически соединяются между собой в звезду или треугольник, образуя связную трехфазную симметричную систему.

На рис. 4.2 показана схема соединения обмоток генератора или трансформатора в звезду, а на рис. 4.3 – в треугольник.

35

Рис. 4.3

Начала обмоток (фаз) обозначаются буквами А, В, С и в некоторых случаях точкой, концы обмоток (фаз) – буквами X, Y, Z, как показано на рис. 4.2 и 4.3.

При соединении обмоток в звезду концы соединяются в общую точку (узел), обозначаемую N или 0. Эта точка называется нулевой (или нейтралью) точкой источника (генератора или трансформатора).

При соединении обмоток в треугольник конец фазы соединяется с началом следующей фазы (Х–В, Y–С, Z–А).

Векторная диаграмма ЭДС приведена на рис. 4.4, а. Обычно ее изображают повернутой на 90° против часовой стрелки, показанной на рис. 4.4, б, направляя ЕА вверх.

Рис. 4.4

На рис. 4.5 приведена эквивалентная комплексная схема трехфазного источника. Источники и потребители электроэнергии соединяются между собой линиями. Провода, идущие от начала фаз источника к потребителю, называются линейными. Провод, идущий от

36

нулевой точки источника, называется нулевым. Трехфазные системы, в которых источник и потребитель соединены четырьмя проводами (три линейных и нулевой), называются четырехпроводными, а тремя проводами (три линейных) – трехпроводными. Потребитель часто называется нагрузкой.

Напряжение между началом и концом фазы называется фазным, а между началами двух фаз – межфазным, или линейным. Очевидно, фазное напряжение будет также между линейным проводом и нулевым, а линейное (межфазное) напряжение – между двумя линейными проводами.

Поэтому при соединении звездой (см. рис. 4.2) фазными являются

напряжения UA = UA0, UВ = UB0 и UС = UC0, а линейными – напряже-

ния UAB, UBC, UCA.

При соединении треугольником (см. рис. 4.3) фазные напряжения являются и линейными, что очевидно на самой схеме соединения

(UAB, UBC, UCA).

Токи, проходящие по обмоткам (фазам) источника, называются фазными, токи в линейных проводах называются линейными. Их направляют от источника к приемнику. При соединении звездой фазные токи являются одновременно и линейными: IA, IB, IC. При соединении треугольником фазными являются токи IAB, IBC, ICA; а линейными – IA,

IB,IВC. электротехнике распространен термин (понятие) «сеть». Под электрической сетью понимают элементы от генератора до потребителя, по которым передается энергия. Сеть рассматривается как

37

источник энергии. Поэтому очень часто говорят о подключении потребителя (нагрузки) не к генератору, а к сети, подразумевая линию, идущую от генератора или трансформатора.

В электрических схемах сеть обозначают в виде шин или клемм (зажимов), к которым подключается нагрузка. Потребители в трехфазных цепях также соединяются в звезду или треугольник. При анализе режимов работы потребителей трехфазного тока оперируют теми же основными понятиями, что и при анализе источников. В данной лабораторной работе исследуются режимы потребителей, соединенных звездой и подключенных к трехфазной четырехпроводной сети (рис. 4.6). Здесь сеть обозначена клеммами А, В, С, N; указано напряжение этой сети напряжение. В данном случае подразумевается, что к клеммам А, В, С, N подходит линия от источника, изображенного на рис. 4.5, т.е. вся система получится, если соединить рис. 4.5 и

рис. 4.6.

С N' N

Рис. 4.6

В лаборатории кафедры «Электротехники и информационно-из- мерительных систем», где выполняется данная работа, используется трехфазная четырехпроводная сеть напряжением 220 В. Напряжение на стенды подается от общего трансформатора.

Активная мощность трехфазного приемника может быть определена по сумме показаний трех ваттметров, измеряющих активную мощность каждой фазы. В лабораторной работе с помощью измерительного комплекта К-540 поочередно измеряется мощность каждой фазы, а затем показания складываются.

На схеме рис. 4.7 приведена цепь с соединением фаз приемника в звезду. Здесь же показаны измерительные приборы, измеряющие

38

токи, напряжения и активные мощности, а также коммутационная аппаратура (выключатели).

В фазы нагрузки включаются сопротивления Za,­ Zb, Zc, причем

Z a = ra ± jXa = Za e± jϕa ; Z b = rb ± jXb = Zb e± jϕb ;

Z c = rc ± jXc = Zc e± jϕc .

Если эти сопротивления равны между собой Z a = Z b = Z c , то нагрузка называется симметричной. Если сопротивления различны Z a ≠ Z b ≠ Z c , то нагрузка называется несимметричной.

Для приемников понятия линейных и фазных токов и напряжений те же, что и введенные выше для источников, т.е. линейные напряже-

ния UAB, UBC, UCA; фазные напряжения UA0′, UB0′, UC0′; фазные токи IA, IB, IC являются линейными.

В работе исследуются режимы в четырех- и трехпроводных системах при симметричной нагрузке и в четырехпроводной системе при несимметричной.

При замкнутом выключателе В7 в цепи нулевого провода (см. рис. 4.7) система является четырехпроводной, а при разомкнутом – трехпроводной.

39

Рассмотрим особенности режимов работы трехфазных цепей при симметричной и несимметричной нагрузке.

А

Рис. 4.8

При симметричной нагрузке фаз Z a = Z b = Z c соотношения напряжений и токов в четырех- и трехпроводной системе одинаковые и заключаются в следующем: действующие значения линейных напряжений равны

Векторная диаграмма напряжений показана на рис. 4.8. Из векторной диаграммы и выделенного треугольника со сторонами UA0′, UB0′ и Uл следует соотношение между действующими значениями линейных и фазных напряжений:

Uл =3Uф .

Комплексные линейные и фазные напряжения, как видно из векторной диаграммы, связаны соотношениями

U AB =U A0' −U B0' ; U BC =U B0' −U C 0' ; U CA =U C 0' −U A0' .

Действующее значение тока в каждой фазе определяется по закону Ома и во всех фазах одинаково, так как напряжения и сопротивления фаз одинаковы:

40