Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника. Учебное пособие
.pdf
41
Конденсатор:
Полная мощность цепи находится по формуле:
Таблица 1.3.3
Определение параметров цепи
S,
ВА
SR,
ВА
SК,
ВА
SС,
ВА
PR,
Вт
PК,
Вт
QК,
Вар
QС,
Вар
R,
Ом
X,
Ом
Z,
Ом
1
2
3
3.10. На основании полученных экспериментальных данных по-
стройте векторные диаграммы напряжений для всех исследованных
цепей в удобном графическом масштабе. Диаграммы должны отражать соотношение между действующими значениями напряжений на
отдельных элементах цепи, а также учитывать фазовые сдвиги между
током и напряжением. Построение диаграмм выполните отдельно для
каждого режима работы цепи, включая резонансный, индуктивный и
емкостный.
3.11. Сформулируйте и оформите вывод о применимости второ-
го закона Кирхгофа в цепях переменного тока. Укажите, каким образом закон проявляется в векторной форме, и как это связано с геометрическим сложением напряжений на участках цепи. Обоснуйте важность его использования при анализе и расчете электрических цепей
переменного тока, особенно содержащих активные, индуктивные и
емкостные элементы.
42
Контрольные вопросы
1. Дайте определение активной, реактивной и полной мощностей
в цепях переменного тока. В чем физический смысл каждой из них, и
в каких единицах они измеряются?
2. Какова связь между активной, реактивной и полной мощно-
стями? Приведите соответствующие формулы и графическое представление этой зависимости.
3. Что понимается под коэффициентом мощности в цепи пере-
менного тока? Каково его значение с точки зрения эффективности
работы электрических установок?
4. Объясните, каким образом можно рассчитать полное сопро-
тивление катушки индуктивности, если известны ее активное сопротивление, индуктивность и частота питающей сети.
5. Как определяется полное сопротивление электрической цепи,
состоящей из последовательно соединенных резистора, реальной катушки индуктивности и конденсатора?
6. От каких параметров зависит угол сдвига фаз между напряже-
нием и током на участке цепи переменного тока? Как он влияет на
характер нагрузки?
7. Что представляет собой «треугольник сопротивлений»? Как
он используется при анализе цепей переменного тока?
8. Какие значения реактивного сопротивления и реактивной
мощности имеет место в цепи при резонансе напряжений? Какой характер нагрузки проявляется в этом режиме?
43
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
«ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ»
Цель работы: ознакомиться с особенностями функционирова-
ния электрической цепи переменного тока при параллельном соединении активных и реактивных элементов. Исследовать явление резонанса токов и изучить его основные признаки. Освоить методы повышения коэффициента мощности электрической цепи. Закрепить
практические навыки применения первого закона Кирхгофа при анализе цепей переменного тока.
Теоретическая часть
При параллельном соединении элементов электрической цепи
образуется разветвленная схема, пример которой представлен на
рис. 1.4.1. В такой конфигурации токи, протекающие в отдельных ветвях цепи, определяются исключительно напряжением источника питания и величиной полного сопротивления соответствующей ветви.
Рис. 1.4.1. Схема подключения параллельной работы RLC цепи
В одной из ветвей, содержащей резистор, ток
остается син-
фазным с напряжением, подаваемым источником. В то же время, в
44
ветви с реальной катушкой индуктивности ток
испытывает фазо-
вый сдвиг относительно этого напряжения. Угол сдвига φ зависит от
соотношения между активным и реактивным сопротивлениями катушки, что обусловлено ее индуктивными свойствами.
Ток в ветви, содержащей конденсатор, обозначаемый как
,
опережает напряжение источника питания на 90° (см. рис. 1.4.2). Это
характерно для идеального конденсатора, где ток полностью определяется скоростью изменения напряжения на его обкладках.
Согласно первому закону Кирхгофа, общий ток I, который по-
требляется всей цепью от источника питания, равен векторной (геометрической) сумме токов во всех параллельных ветвях. Данный
принцип учитывает не только амплитудные значения токов, но и их
фазовые соотношения между собой, что особенно важно при анализе
цепей переменного тока:
Геометрическое построение для определения величины и фазы
общего тока представлено на рис. 1.4.2,
Рис. 1.4.2. Векторная диаграмма токов
где обозначено: ,
— активные составляющие тока в ветви с ка-
тушкой и общего тока;
— реактивные составляющие тока в
ветви с катушкой и общего тока.
45
Активной составляющей тока называют условную часть полного
тока, которая совпадает по фазе с напряжением, приложенным к данному участку цепи. Она отражает ту долю тока, которая непосредственно связана с преобразованием электрической энергии в другие
формы — например, в тепловую или механическую.
Реактивной составляющей тока, в свою очередь, считается его
компонента, сдвинутая по фазе относительно напряжения на угол 90°.
Эта составляющая характеризует обмен энергией между источником
и реактивными элементами цепи (индуктивностью и емкостью) без ее
непосредственного потребления.
Важно понимать, что обе эти составляющие — активная и реактивная — являются расчетными величинами, используемыми для
упрощения анализа электрических цепей. В случае последовательной
схемы замещения они не имеют самостоятельного физического значения, поскольку реальные процессы в таких цепях описываются
иначе.
Из векторной диаграммы следует, что:
Следовательно, величина общего тока
, а угол сдви-
га фаз между общим током и приложенным напряжением:
Приведенная векторная диаграмма построена на основе условия,
при котором емкостной ток
меньше реактивной индуктивной со-
ставляющей тока катушки
. В этом случае общий ток, потребляе-
мый цепью от источника, отстает по фазе от приложенного напряжения, что свидетельствует о активно-индуктивном характере нагрузки.
46
Если же ситуация обратная — емкостной ток
превышает ин-
дуктивную составляющую
, — то общий ток будет опережать
напряжение, и цепь будет иметь активно-емкостной характер. Таким
образом, характер нагрузки зависит от соотношения между реактивными токами в ветвях с индуктивностью и емкостью.
Особый интерес представляет случай, когда эти реактивные со-
ставляющие уравниваются, то есть
. При таком условии реак-
тивные компоненты полностью компенсируют друг друга, и вектор
общего тока становится синфазным с вектором напряжения. Его величина определяется исключительно активными составляющими то-
ков , где — ток через резистор,
— активная со-
ставляющая тока катушки.
В этих условиях в цепи возникает явление, известное как резонанс токов. Несмотря на наличие реактивных элементов (катушки и
конденсатора), цепь ведет себя как чисто активная нагрузка, поскольку реактивная мощность компенсируется. Однако важно отметить,
что токи в отдельных ветвях, содержащих реактивные элементы, могут значительно превышать суммарный ток, потребляемый от источника питания. Это является важной особенностью режима резонанса
токов и требует учета при проектировании и эксплуатации электрических схем.
Порядок выполнения работы
4.1. Проведите ознакомление с составом и функциональным
назначением лабораторной установки. Убедитесь в наличии следующих модулей: компьютер, модуль ввода, модуль питания, модуль резисторов, модуль реактивных элементов, а также настольный измеритель мощности. Проверьте готовность оборудования к работе и соответствие его технического состояния требованиям безопасности.
4.2. Соберите электрическую цепь согласно схеме, представлен-
ной на рис. 1.4.1. Установите заданные преподавателем значения со-
47
противления резистора R₁ и емкости конденсатора С. Подключение
отдельных параллельных ветвей осуществляйте с использованием соответствующих соединительных проводов. После завершения сборки
представьте схему преподавателю для проверки.
4.3. Включите питание лабораторного стенда, установив во
включенное положение выключатели QF, SA2 и SA1 модуля питания. Проведите исследование собранной цепи, измерив следующие
параметры:
• напряжение на входе цепи U;
• активную мощность Р;
• токи в отдельных ветвях: IR, IK, IC;
• общий ток I, потребляемый от источника.
С помощью осциллограмм определите приблизительное значение угла сдвига фаз между входным напряжением U и суммарным
током I. Сделайте вывод о характере нагрузки в данном режиме. Результаты измерений занесите в табл. 1.4.1. По завершении работы отключите электропитание.
4.4. Переведите переключатель SA1 модуля реактивных элемен-
тов в нейтральное положение («0»), тем самым разомкнув соответствующую ветвь. Включите питание стенда (выключатели QF1, SA2,
SA1) и исследуйте цепь с параллельным соединением резистора R и
реальной катушки индуктивности Zк. Измерьте: напряжение на входе U, активную мощность Р, токи в ветвях: IR, IK, общий ток I.
4.5. По осциллограммам определите угол сдвига фаз между напряжением U и током I. Сделайте вывод о характере цепи. Результаты зане-
сите в табл. 1.4.1. После завершения измерений отключите питание.
4.6. Установите заданное значение емкости конденсаторной батареи и разомкните ветвь с катушкой индуктивности Zк, удалив один
из ее соединительных проводов. Включите питание стенда (выключатели QF1, SA2, SA1) и проведите исследование цепи с параллельным
соединением резистора R и конденсатора С. Измерьте: напряжение на
входе U, активную мощность Р, токи в ветвях: IR, IC, общий ток I.
48
4.7. Исследуйте влияние емкости, включенной параллельно ин-
дуктивной катушке, на величину тока, потребляемого от источника.
Для этого разомкните ветвь с резистором R, удалив один из соединительных проводов. Включите питание стенда (выключатели QF1,
SA2, SA1) и подберите такое значение емкости С, при котором ток I,
потребляемый из сети, будет минимальным — это соответствует режиму, близкому к резонансу токов. Измерьте: токи в ветвях: IR, IC,
общий ток I, активную мощность P.
4.8. По указанию преподавателя измените значение емкости
конденсатора С и повторите измерения токов, напряжения и активной
мощности. По осциллограммам определите угол сдвига фаз между
напряжением U и током I, а также характер нагрузки. Полученные
данные занесите в табл. 1.4.1.
Таблица 1.4.1
Результаты проведенных испытаний
Ветви
U, В
I, А
IR, A
IK, A
IC, A
P, Вт
R, ZK, C
R, ZK
R, C
ZK, C1
ZK, C2
ZK, C3
По опытным данным построить в масштабе векторные диаграм-
мы для каждого опыта.
Сделать выводы: по результатам исследования цепи перемен-
ного тока, касающиеся особенностей применения первого закона
Кирхгофа при анализе разветвленных электрических схем, взаимного
влияния потребителей, включенных параллельно, а также зависимости величины тока, потребляемого из сети, от емкости конденсатора,
подключенного к цепи.
49
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте методику определения величины тока, по-
требляемого из сети при параллельном подключении электрических
нагрузок, и укажите, какие параметры цепи необходимо учитывать
при этом расчете.
2. Обоснуйте важность и практическую необходимость повыше-
ния коэффициента мощности электрической цепи, а также опишите
способы его улучшения в цепях переменного тока.
3. Предложите способы определения коэффициента мощности
цепи на основе как прямых измерений, так и расчетных соотношений,
и укажите, какие параметры цепи при этом необходимо знать.
4. Опишите, каким образом изменяются ток, потребляемый це-
пью из сети, и ее активная мощность при подключении конденсатора
параллельно к активно-индуктивному потребителю, и объясните физические причины этих изменений.
5. Расскажите, по какой причине происходит уменьшение тока,
отбираемого из сети, при параллельном подключении конденсатора к
индуктивному потребителю, и как это связано с компенсацией реактивной мощности.
6. Покажите, каким образом применяется первый закон Кирхго-
фа при анализе цепей переменного тока, и объясните особенности его
использования в векторной и комплексной форме.
7. Охарактеризуйте методику построения векторной диаграммы
для цепи, в которой параллельно соединены индуктивная катушка и
конденсатор, и укажите, каким образом отражаются фазовые соотношения между токами и напряжением.
8. Дайте определение явлению резонанса токов и опишите его ос-
новные признаки, включая условия возникновения, характер изменения
токов и напряжения, а также практическое значение этого режима.
50
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5
«ТРЕХФАЗНАЯ ЦЕПЬ ПРИ СОЕДИНЕНИИ
ПО СХЕМЕ “ЗВЕЗДА”»
Цель работы: ознакомиться с принципами построения и осо-
бенностями функционирования трехфазных систем электрических
цепей. Освоить методику измерения фазных и линейных токов и
напряжений в трехфазной цепи. Экспериментально проверить соотношения между токами и напряжениями для симметричного и
несимметричного трехфазного потребителя. Исследовать влияние
нейтрального провода на распределение напряжений и токов в четырехпроводной трехфазной системе. Приобрести навыки построения и
анализа векторных диаграмм напряжений и токов для различных режимов работы трехфазной цепи.
Теоретическая часть
Трехфазная система переменного тока обладает значительными
преимуществами по сравнению с системами постоянного и однофазного переменного тока, что обуславливает ее повсеместное применение в современной электроэнергетике. Электрическая энергия, как
правило, производится, передается и распределяется именно в трехфазном исполнении. Более того, подавляющее большинство промышленных электродвигателей работает именно на основе трехфазного переменного тока.
Для обеспечения возможности одновременного использования
двух различных уровней напряжения — например, 380 В для питания
мощных потребителей, таких как электродвигатели, и 220 В для менее
мощных устройств, включая осветительные приборы и бытовую технику — применяется четырехпроводная система электроснабжения.
Четырехпроводная линия трехфазной системы включает четыре
проводника: три линейных провода, по которым протекают линейные
токи
и один нулевой (нейтральный) провод. Последний необ-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]