Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электротехника. Учебное пособие
.pdf
51
ходим для обеспечения равенства фазных напряжений на всех трех фазах нагрузки. По нулевому проводу может протекать уравнительный
ток
, который также называют нейтральным или нулевым током.
Такое соединение обмоток как у трехфазного генератора, так и у
приемников электрической энергии получило название соединения
«звездой». Принципиальная схема данной конфигурации изображена
на рис. 1.5.1.
Рис. 1.5.1. Соединение трехфазного генератора
и приемников «звездой»
При соединении элементов трехфазной системы по схеме «звезда» ток, протекающий в фазе источника питания, совпадает с током,
идущим по соответствующему линейному проводу и нагрузке. Таким
образом, в этой конфигурации величина фазного тока IФ становится
равной линейному току IЛ, что можно записать в виде соотношения:
В то же время линейное напряжение, измеряемое между двумя
линейными проводами, например UAB, превышает фазное напряжение, подведенное к отдельной фазе источника (UA, UB, UC), в √3 раза.
Это соотношение выражается следующей формулой:
52
В случае, когда трехфазная система является симметричной, то
есть все фазные потребители обладают одинаковыми сопротивлениями и мощностями, через каждую из трех фаз протекают токи равной
величины, смещенные друг относительно друга по фазе на 120°. В такой ситуации ток в нейтральном проводе отсутствует, поскольку
суммарный вектор всех фазных токов равен нулю. Напряжения на
каждой из фаз нагрузки также совпадают по амплитуде и отличаются
только начальной фазой на тот же угол — 120° (см. рис. 1.5.2).
Однако при подключении в разные фазы потребителей различной мощности, что приводит к возникновению несимметричной
нагрузки, токи в фазах уже не будут одинаковыми ни по величине, ни
по фазе. В этом случае нейтральный провод играет важную роль, поскольку по нему начинает протекать уравнительный ток. Согласно
первому закону Кирхгофа, его вектор равен геометрической сумме
векторов токов всех трех фаз. Пример такого распределения токов
представлен на рис. 1.5.3.
Таким образом, наличие нейтрального провода позволяет сохранить симметрию напряжений на стороне потребителя даже при
несимметричной нагрузке, обеспечивая стабильное и безопасное
функционирование электрической системы:
Рис. 1.5.2. Векторная диаграмма
синхронной нагрузки
Рис. 1.5.3. Векторная диаграмма
асинхронной нагрузки
53
Порядок выполнения работы
5.1. Ознакомьтесь с составом и функциональным назначением
модулей лабораторной установки. Убедитесь в наличии следующих
компонентов: модуль питания, модуль трехфазного напряжения, модуль трехфазного трансформатора, модуль резисторов. Проверьте готовность оборудования к проведению лабораторной работы и соблюдение требований электробезопасности.
5.2. Соберите электрическую цепь согласно схеме, представлен-
ной на рис. 1.5.1. Установите на модуле трехфазного напряжения частоту питающего напряжения 50 Гц, для чего переведите потенциометр RP1 в крайнее правое положение. После завершения сборки
представьте схему преподавателю для проверки и утверждения.
5.3. Включите модуль питания лабораторного стенда, активи-
ровав выключатели QF1 и SA2, затем подключите модуль трехфазного напряжения, установив выключатель SA1 и тумблер SA2 во
включенное положение. Также включите модуль трехфазного
трансформатора, переведя выключатель QF1 в рабочее состояние.
Измерьте линейные напряжения UAB, UBC, UCA, а также фазные
напряжения UA, UB, UC трехфазного источника питания в режиме
холостого хода. Результаты измерений занесите в табл. 1.5.1 и вычислите среднеарифметические значения линейного и фазного
напряжений U
л.ср
и U
ф.ср
. После завершения измерений отключите
модуль трехфазного трансформатора.
Таблица 1.5.1
Результаты измерения напряжений
Линейные напряжения
Фазные напряжения
Вычислено
54
5.4. Установите в фазах исследуемого потребителя одинаковые
значения сопротивлений резисторов, заданные преподавателем, тем
самым создав симметричную нагрузку. Включите электропитание лабораторного стенда и проведите измерения токов, а также фазных и
линейных напряжений при подключенном нейтральном проводе. Для
измерения напряжений используйте мультиметр, подключая его к соответствующим контактным гнездам. Результаты эксперимента занесите в табл. 1.5.2. По окончании измерений отключите модуль трехфазного трансформатора.
5.5. Разомкните цепь нейтрального провода, удалив соедини-
тельный проводник. Вновь включите модуль трехфазного трансформатора и выполните аналогичные измерения токов и напряжений в
условиях отсутствия нейтрального провода. Полученные данные
также занесите в табл. 1.5.2. После завершения измерений отключите
модуль трехфазного трансформатора.
5.6. По указанию преподавателя измените сопротивления рези-
сторов в отдельных фазах потребителя, создав несимметричную
нагрузку. Замкните цепь нейтрального провода, установив соответствующий проводник. Включите модуль трехфазного трансформатора и произведите измерения токов, а также линейных и фазных
напряжений в каждой фазе при наличии нейтрального провода. Результаты измерений зафиксируйте в табл. 1.5.2. По окончании работы
отключите модуль трехфазного трансформатора.
5.7. Удалите проводник, подключенный к нейтральному прово-
ду, тем самым разомкнув его. Вновь включите модуль трехфазного
трансформатора и повторите измерения токов и напряжений в условиях несимметричной нагрузки и отсутствия нейтрального провода.
Полученные данные запишите в табл. 1.5.2. По завершении эксперимента отключите модуль трехфазного трансформатора, а также модули трехфазного напряжения и питания.
5.8. Для всех выполненных опытов постройте векторные диа-
граммы напряжений и токов в выбранном масштабе. Диаграммы
должны наглядно отражать фазовые соотношения между измеренны-
55
ми величинами и соответствовать различным режимам работы цепи,
исследованным в ходе работы.
5.9. Сформулируйте и запишите выводы о влиянии нейтрально-
го провода на режим функционирования трехфазной цепи как при
симметричной, так и при несимметричной нагрузке. Обоснуйте его
роль в обеспечении устойчивости фазных напряжений и равномерного распределения токов по фазам.
Таблица 1.5.2
Результаты проведенных испытаний
Режим нагрузки
Ток
нагрузки, А
Напряжение
на потребителях, В
фазные
линейные
Нейтральный провод включен,
нагрузка симметричная
Нейтральный провод выключен, нагрузка симметричная
Нейтральный провод включен,
нагрузка несимметричная
Нейтральный провод выключен, нагрузка несимметричная
Контрольные вопросы
1. Дайте определение соединения фазных элементов трехфаз-
ной системы по схеме «звезда». Каким образом соединяются между
собой выводы источника или потребителя в данной конфигурации?
2. Объясните, как связаны между собой фазное и линейное
напряжения в трехфазной системе при соединении обмоток источника питания по схеме «звезда», и приведите соответствующее
соотношение.
56
3. Укажите и обоснуйте зависимость между фазным и линей-
ным токами при соединении элементов трехфазной системы по схеме
«звезда». Как это соотношение используется при анализе и расчете
цепей?
4. Охарактеризуйте методику определения тока, протекающего
в нейтральном проводе, при известных значениях токов в отдельных
фазах нагрузки. Какой закон лежит в основе этого расчета?
5. Опишите функциональное назначение нейтрального провода
в четырехпроводной трехфазной системе и объясните его роль при
симметричной и несимметричной нагрузке.
6. Укажите, к каким выводам или контактам следует подклю-
чить вольтметр для измерения фазного и линейного напряжений в
трехфазной цепи, и поясните, чем отличаются эти величины по физическому смыслу и способу измерения.
7. Дайте определение понятию «симметричная трехфазная
нагрузка». Перечислите условия, при которых нагрузка может считаться симметричной, и поясните, как это влияет на режим работы
цепи.
8. Обоснуйте, почему обрыв нейтрального провода в цепи с
несимметричной нагрузкой приводит к аварийному режиму работы
системы. Как это отражается на значениях фазных напряжений и
токов?
57
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6
«ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ»
Цель работы: ознакомиться с принципом действия, основными
электрическими характеристиками и особенностями практического
применения различных типов полупроводниковых диодов, включая
выпрямительные диоды, стабилитроны, диоды Шотки и светоизлучающие диоды. Исследовать их поведение в электрической цепи,
изучить вольт-амперные характеристики и рассмотреть области использования в современных электронных устройствах.
Описание лабораторного модуля
В рамках данной лабораторной работы проводится исследование
вольт-амперных характеристик и основных параметров различных
типов полупроводниковых диодов, используемых в современной
электронике. В качестве объектов исследования выбраны следующие
приборы: выпрямительный диод 1N4007, стабилитрон КС168А, светоизлучающий диод L-5013 и диод Шотки 1N5819.
Эти устройства отличаются как по конструктивным особенностям, так и по функциональному назначению, что обусловливает их
применение в различных электронных схемах — от источников питания до индикаторных и высокочастотных устройств.
Основные технические характеристики исследуемых диодов
представлены в табл. 1.6.1, 1.6.2 и 1.6.3, где приведены ключевые параметры, необходимые для анализа их работы и построения соответствующих графиков.
Рис. 1.6.1. Диод 1N4007
58
Таблица 1.6.1
Характеристики выпрямительного диода
Тип прибора
1N4007
Прямой выпрямленный ток, А
1
Постоянное обратное напряжение, В
1 000
Постоянное прямое напряжение, В
0,6–0,8
Рис. 1.6.2. Стабилитрон КС168А
Таблица 1.6.2
Характеристики стабилитрона
Тип прибора
КС168А
Напряжение стабилизации,
6,12–7,48
Минимальный ток стабилизации,
, мА
3
Максимальный ток стабилизации,
, мА
45
Максимальная рассеиваемая мощность,
, мВт
300
Рис. 1.6.3. Диод Шотки КС168А
59
Таблица 1.6.3
Характеристики диода Шотки
Тип прибора
1N5819
Прямой выпрямленный ток, А
1
Постоянное обратное напряжение, В
20–40
Постоянное прямое напряжение, В
0,45–0,6
Передняя панель лабораторного модуля, изображенная на
рис. 1.6.4, содержит мнемосхему исследуемых электрических цепей.
На панели расположены гнезда, предназначенные для подключения
измерительных приборов и соединительных проводников, что позволяет собирать различные схемы в ходе выполнения работы.
Рис. 1.6.4. Передняя панель модуля «Диоды»
Среди всего многообразия полупроводниковых диодов выпрямительные диоды находят наиболее широкое применение. Их работа основана на свойстве односторонней проводимости p-n перехода, что позволяет
использовать их для преобразования переменного тока в постоянный.
60
Полупроводниковый стабилитрон — это специальный тип диода, напряжение на котором в области электрического пробоя остается
практически неизменным независимо от изменения протекающего
через него тока. Это свойство делает его незаменимым в устройствах
стабилизации напряжения и тока, а также в источниках опорного
напряжения и защитных цепях.
Нормальный режим функционирования стабилитрона предполагает его включение с обратной полярностью, при которой p-n переход
работает в области электрического пробоя. Основным рабочим параметром такого режима является напряжение пробоя, остающееся
практически постоянным при изменении тока через прибор. Участок
вольт-амперной характеристики (ВАХ), на котором осуществляется
стабилизация напряжения, представляет собой почти горизонтальный
отрезок на обратной ветви графика — это область, где увеличение
тока почти не влияет на величину напряжения.
Для предотвращения перегрева и выхода из строя стабилитрон
включают последовательно с ограничительным резистором, который
обеспечивает контроль за величиной протекающего тока. При правильном выборе номинала этого резистора режим пробоя может поддерживаться длительное время без ущерба для устройства.
Конструктивно стабилитроны изготавливаются на основе кремния с высокой концентрацией легирующих примесей — примерно на
два–три порядка выше, чем у выпрямительных диодов. Это приводит
к образованию очень тонкого запирающего слоя, что создает благоприятные условия для возникновения электрического пробоя при относительно небольших значениях напряжения.
Принцип действия простейшего параметрического стабилизатора напряжения основан на способности стабилитрона сохранять стабильное напряжение на своем участке цепи при определенном диапа-
зоне изменения тока. Например, если входное напряжение
воз-
растает при постоянной нагрузке, то согласно ВАХ стабилитрона,
даже небольшое увеличение напряжения на нем вызывает значитель-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]