Методичка Электротехника укр 2013
.pdf
21
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5 ТРИФАЗНІ КОЛА ЗМІННОГО СТРУМУ
Мета роботи. Вивчити способи з'єднання трифазного навантаження за схемами зірка і трикутник. З'ясувати залежності між лінійними і фазними струмами і напругами в обох варіантах.
Прилади й устаткування Ламповий реостат, шість амперметрів, вольтметр.
Основні теоретичні положення Трифазною системою електричних кіл називається сукупність трьох кіл, в
яких діють синусоїдальні ЕРС однієї і тієї ж частоти, зсунуті одна щодо одної по фазі на кут у 120°. Кожне з цих кіл називається фазою і позначається буквами А, В, С.
Система, в якій ЕРС джерела кожної наступної (за алфавітом) фази відстає відЕРСпопередньоїфази, називаєтьсясистемоюпрямоїпослідовності. Якщовсі фазні ЕРС рівні за величиною (Еm), то їх миттєві значення виражаються формулами:
eA = Em sinωt; eB = Em sin ωt − 23π ; eC = Em sin ωt + 23π .
Тут за t = 0 прийнятий момент, коли ЕРС фази А дорівнює нулю. Затискачі обмоток генератора, в яких позитивні струми виходять з обмо-
ток, називаються початками фаз (позначаються великими літерами А, В, С). Затискачі, в яких ці струми надходять в обмотку з зовнішнього кола, називаються кінцями фаз (позначаються великими літерами X, Y, Z).
При підключенні до кожної обмотки генератора свого опору навантаження, отримують необ'єднану трьохфазну систему.
Якщо навантажувальні опори всіх трьох фаз однакові за величиною і характером, то таке навантаження навивається симетричним. У цьому випадку струми в фазах рівні (IA = IB = IC), а вектори I A , I B , I C утворюють кути в 120 °.
Схема з'єднання трьохфазного навантаження не залежить від схеми з'єднання обмоток генератора. Як правило, обмотки генератора з'єднуються зіркою. Навантаження при цьому може бути з'єднано зіркою (див. рис. 1) або трикутником (див. рис. 2).
Рис. 1
22
Рис. 2
Для з'єднання за схемою зірка кінці фазних обмоток генератора з'єднуються в загальний вузол 0. Такий же вузол (0′) утворює поєднання трьох фаз навантаження (див. рис. 1). Зворотні дроти об'єднуються таким чином в один, в якому при симетричному навантаженні струм відсутній. Тому цей провід називається нульовим або нейтральним. Нульовими або нейтральними називаються також точки 0 і 0′. Інші тридроти називаються лінійними. Напруга між початком і кінцем фази називається фазною (позначається Uф, або для конкретної фази UА, UВ, UС). Очевидно, це напруга між лінійним проводом і нульовою точкою (нульовим проводом). Напруга між лінійними проводами називається лінійною (позначається Uл, або для конкретної напруги UАВ, UВС, UСА).
Векторні діаграми напруг і струмів для активного симетричного навантаження представлені на рис. 3. Користуючись діаграмою, можна встановити,
що Uл = 3Uф.
Струм, що протікає по фазі, називається фазним (позначається Iф, або для конкретної фази IА, IВ, IС). Струм, що протікає у лінійному дроті, називається лінійним (позначається Iл, або для конкретної дроту IА, IВ, IС). Лінійні та фазні струми при з'єднанні зіркою співпадають Iл = Iф.
У разі чьотирьохдротового кола, але нерівномірного навантаження зірка напруг буде як і раніше симетричною, але фазні струми в загальному випадку не рівні. Векторна діаграма для випадку активного навантаження показана на рис. 4. Вектор струму в нейтральному дроті отримується, як геометрична сума векторів фазних струмів: I 0 = I A + I B + I C .
Рис. 3 |
Рис. 4 |
23
При нерівномірному навантаженні і відключеному нульовому проводі фазні напруги споживача стають несиметричними, виникає зміщення нейтралі – з'являється напруга U0′0 між нульовими точками навантаження і генератора. Якщо відомі величини двох фазних напруг (наприклад, UA′ і UB′ ) то знайти
третю фазну напругу, зсув нейтралі, а також струми в фазах споживача і нульовому проводі можна графічно. Для цього в масштабі будуються спочатку симетричні вектори фазних і лінійних напруг генератора (рис. 5). Потім з точок Аі В як центрів засікають дуги радіусами UA′ і UB′ . Точка перетину дуг визначає
положення нейтралі споживача 0′. Вимірюючи довжини векторів 0′С і 0′0), отримуємо у вибраному масштабі фазну напругу UC′ і зсув нейтралі U0′0 . Тепер
можуть бути визначені струми в фазах споживача:
|
|
|
|
|
′ |
|
|
|
′ |
|
′ |
||||
|
IA = |
UA |
; |
IB = |
UB |
; IC |
= |
UC |
. |
||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
zA |
|
|
|
zB |
|
zC |
|||||
Векторна діаграма струмів для випадку активного навантаження пред- |
|||||||||||||||
ставлена на рис. 6. Вектора |
|
A , |
|
B , |
|
|
C проведені з точки 0′ паралельно векто- |
||||||||
I |
I |
I |
|||||||||||||
′ |
|
′ |
|
|
′ |
|
|
|
|
|
нульовий дріт відсутній, то |
||||
рам фазних напруг UA , |
UB , |
UC . Оскільки |
|||||||||||||
I A + I B + I C = 0 .
Рис. 5 |
Рис. 6 |
На рис. 2 показано з'єднання навантаження, що складається з опорів zAB, zBC, zCA, за схемою трикутник. При такому з'єднанні фазні напруги споживача збігаються з лінійними. За позитивний напрямок лінійних струмів приймається напрямок від генератора до навантаження, а за позитивний напрямок фазних струмів – напрямок за годинниковою стрілкою. За таких умов на підставі першого закону Кірхгофа I A = I AB −I CA ; I B = I BC − I AB ; I C = I CA − I BC . Векторна діаграма кола з активним навантаженням представлена на рис. 7. У разі рі-
вномірного навантаження Iф = Iл3 .
24
Рис. 7
Практична частина 1. Включення навантаження зіркою, чотиридротова лінія.
1.1. Рівномірне навантаження фаз. Зібрати схему трифазної системи (рис. 8), включити у всіх лампових реостатах рівне навантаження. Виміряні за допомогою вольтметра лінійні та фазні напруги, а також покази амперметрів записати в таблицю 1.
Рис. 8
1.2.Нерівномірне навантаження фаз. У зібраній схемі включити різну кількість ламп в кожну фазу. Показання приладів записати в таблицю 1. Побудувати векторну діаграму напруг і струмів. З діаграми визначити струм в нульовому дроті і порівняти його з показанням амперметра.
2. Включення навантаження зіркою, тридротова лінія. Відключивши в зібраній схемі нульовий дріт, перейти до тридротової лінії.
2.1.Рівномірне навантаження. Включивши в усіх лампових реостатах рівненавантаження, виміряти лінійні та фазні напруги і струми. Результати внести
втаблицю 1. Побудувати векторну діаграму.
2.2.Нерівномірне навантаження. Включивши в фазні реостати різну кількість ламп, домогтися значної відмінності в показаннях фазних амперметрів.
25
Результати досвіду записати в таблицю 1 і пояснити, побудувавши векторну діаграму.
Таблиця 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обчислено |
|
||||||||||
Характер |
|
|
|
|
Виміряно |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
UАВ, |
UВС, |
UСА, |
UA, |
UB, |
UC, |
IA, |
IB, |
IC, |
I0, |
UAB |
UBC |
UCA |
|
Рзаг, |
|||||||
наванта- |
|
||||||||||||||||||||
ження |
В |
B |
B |
B |
B |
B |
A |
A |
A |
A |
|
UA |
|
|
UB |
|
|
UC |
|
|
Вт |
Рівномі- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рна в 4-х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дротово- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
му колі |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нерівно- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мірна в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4-х дро- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
товому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
колі |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рівномі- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
рна в 3-х |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
дротово- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
му колі |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нерівно- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
мірна в |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3-х дро- |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
товому |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
колі |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Включення навантаження трикутником. Скласти схему тридротової системи згідно рис. 9.
Рис. 9
26
3.1.Рівномірне навантаження. Результати досліду (покази шести амперметрів і фазні напруги) записати в таблицю 2. Побудувати векторну діаграму.
3.2.Нерівномірненавантаження. Записатипоказанняприладівутаблицю2
іпобудувати векторну діаграму.
Таблиця 2
Характер на- |
|
|
|
Виміряно |
|
|
|
|
|
Обчислено |
|||||||||
вантаження |
UAC |
UBC |
UCA |
IA |
IB |
|
IC |
IAB |
IBC |
ICA |
|
IA |
|
|
IB |
|
|
IC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
(з'єднання |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
IAB |
|
|
IBC |
|
|
ICA |
|
трикутником) |
B |
B |
B |
A |
A |
|
A |
A |
A |
A |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рівномірне |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Нерівномірне |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
За даними таблиці 2 побудувати векторні діаграми напруг і струмів для випадків рівномірного і нерівномірного навантажень. Співставити величини лінійних струмів, визначених графічно і в результаті досліду.
Контрольні питання 1. У яких ланцюгах і за яких умов справедливі залежності:
U л = 3Uф; Iл = 3Iф?
2.Як зміняться лінійні струми, якщо симетричний електроприймач з незмінними опорами перез'єднати зі схеми зірка на схему трикутник?
3.Що називається зсувом нейтралі і як ця величина визначається?
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 6 ВИМІР АКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ ТРЬОХФАЗНОЇ СИСТЕМИ
Ціль роботи. Оволодіти прийомами вимірювання потужності при різних характері і способі з'єднання навантаження в трифазному колі змінного струму. Прилади та устаткування.
Ламповий реостат, трифазний асинхронний двигун, два ватметра, вольтметр, амперметр, три однополюсні вимикачі.
Основні теоретичні відомості Активною потужністю (далі просто потужністю) трьохфазної схеми на-
зивають суму потужностей її окремих фаз: Р = РА + РВ + РС.
У симетричній системі РА = РВ = РС = Рф і в цьому випадку Р = 3Рф. Для кожної з фаз справедливий вираз Pф =UфIф cosϕ, де φ - зсув фаз між фазними
напругами і струмами. При з'єднанні зіркою Uф = U л |
; Iл = Iф . При з'єднанні |
|||
|
Iл |
|
3 |
|
трикутником Iф = |
; |
Uф =Uл . |
|
|
|
3 |
|
|
|
27
Тому в обох випадках після заміни фазних величин лінійними отримуємо:
P = 3UфIф cosϕ = 3U лIл cosϕ .
У разі симетричного навантаження досить виміряти потужність Рф однієї фази і, щоб визначити потужність, споживану навантаженням в цілому, помножити результат виміру на три. Для проведення вимірювань достатньо одного приладу.
Якщо симетричне навантаження з'єднане зіркою з доступною нульовою точкою, то струмову обмотку ватметра слід включити послідовно з однією з фаз навантаження, а обмотку напруги приладу - на напругу тієї фази, струм якої проходить через ватметр (див. рис. 1).
Рис. 1 |
Рис. 2 |
|
Якщо нульова точка навантаження недоступна або навантаження з'єднане трикутником, то застосовується штучна нульова точка (точка 0 на рис. 2). Це нульова точка зірки, яка складається з опору обмотки напруги (потенційної обмотки) ватметра rbt і рівних йому додаткових опорів rb і rc, що, як правило, входять в комплект приладу. Якщо реальне навантаження з'єднане зіркою, то по струмовій обмотці ватметра проходить фазний струм Iф, а потенційна обмотка знаходиться під фазною напругою Uф. При з'єднанні навантаження трикутником
в ватметрі проходить струм Iф 3 , а його потенційна обмотка знаходиться під напругою Uф 3 . Тобто, незалежно від способу з'єднання навантаження, ватметр вимірює потужність однієї її фази.
Уразі несиметричного навантаження і тридротової системи вимірювання потужності виконуються за способом двох ватметрів (рис. 3). Особливість цього способу полягає в тому, що навіть при симетричному навантаженні покази ватметрів в загальному випадку не рівні (покази одного з приладів можуть бити негативними). В останньому випадку потужність трьохфазної системи дорівнює алгебраїчній сумі показів двох ватметрів.
Уразі несиметричного навантаження і чотиридротової системи, вимірювання потужності виконуються за допомогою трьох ватметрів (рис. 4). Потужність системи визначається як арифметична сума потужностей окремих фаз:
Р = Р1 + Р2 + Р3.
28
Рис. 3 |
Рис. 4 |
|
Практична частина 1. Вимірювання потужності при рівномірному навантаженні і недоступній
нульовій точці. В якості рівномірного навантаження взяти ламповий реостат, включений за схемою рис. 5. Додаткові опори, що входять в комплект ватметра, rb = rc = 5000 Ом.
Рис. 5
Результати вимірювань внести в таблицю 1 і провести необхідні обчислення.
Таблиця 1 |
|
|
|
Обчислено |
|
|
|
|
|||
|
Виміряно |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Iл |
Uл |
Рф |
Uф |
Iф |
|
P=3Pф |
S=3IфUф |
cosϕ = |
P |
||
А |
В |
Вт |
B |
A |
|
Вт |
|
В·А |
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2. Вимірювання потужності при рівномірному активно-індуктивному завантаженні і доступній нульовій точці. Зібрати коло згідно рис. 6, де в якості навантаження використані обмотки асинхронного двигуна (АД), з'єднані зіркою.
Увага. Під час пуску АД ключі S1 та S2 повинні бути замкнуті, щоб захистити вимірювальні прилади від великого пускового струму двигуна.
29
Рис. 6
Після розгону асинхронного двигуна ключі S1 та S2 розімкнути і покази приладів внести в таблицю 2.
Таблиця 2 |
|
|
|
Обчислено |
|
|
|
|
|||
|
Виміряно |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Iл |
Uл |
Рф |
Uф |
Iф |
|
P=3Pф |
S=3IфUф |
cosϕ = |
P |
||
А |
В |
Вт |
B |
A |
|
Вт |
|
В·А |
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. Вимірювання потужності активно-індуктивного навантаження методом двох ватметрів. Як і п.2 в якості навантаження використовувати асинхронний двигун. Зібрати схему згідно рис. 7.
|
|
|
|
|
|
Рис. 7 |
|
|
|
|
|
|
|
Результати вимірів внести в таблицю 3. |
|
|
|
|
|
||||||
Таблиця 3 |
|
|
|
|
|
Обчислено |
|
|
|
|||
|
|
Виміряно |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Iл |
|
Uл |
Р1 |
Р2 |
Uф |
|
Iф |
P=Р1+Р2 |
S=3IфUф |
cosϕ = |
P |
|
А |
|
В |
Вт |
Вт |
B |
|
A |
Вт |
В·А |
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
30
Контрольні питання
1.Якими способами вимірюється потужність у три- і чотиридротовому симетричних і несиметричних колах?
2.Чому при вимірі потужності, споживаної асинхронним двигуном при холостому ході за допомогою двох ватметрів, показання одного з них негативні?
3.Пояснити призначення ключа в схемах вимірювання потужності асинхронного двигуна.
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 7 ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНИХ ТРАНСФОРМАТОРІВ
Метароботи. Оволодіти прийомами елементарних випробувань трансформатора з метою визначення його основних характеристик.
Прилади й устаткування.
Лабораторний автотрансформатор, досліджуваний однофазний трансформатор, амперметр, два вольтметра і ватметр.
Основні теоретичні положення Трансформатором називається статичний електромагнітний апарат, в
якому змінний струм однієї напруги перетворюється в змінний струм тієї ж частоти, але іншого напруги.
Струм i1 у первинній обмотці трансформатора виникає під дією первинної синусоїдальної напруги. Сила намагнічування цього струму i1W1 збуджує в сердечнику змінний магнітний потік Ф=Фmsinωt. Цей потік, зчеплений з обома обмотками трансформатора, індукує в них ЕРС, миттєві значення яких пропорційні кількості їх витків W1,2:
|
|
|
|
|
dФ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
||||
e |
= −W |
|
|
|
|
= −ωW Ф |
|
cosωt |
= 2πf Ф sin ωt − |
|
; |
||||||||||
|
dt |
|
|
||||||||||||||||||
|
1 |
1 |
|
|
|
1 m |
|
|
|
|
1 m |
|
|
|
2 |
||||||
e |
|
= −W |
|
dФ |
= −ωW Ф |
|
cosωt |
= 2πf Ф |
|
ωt − |
π |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
sin |
|
. |
|||||||||||||
|
|
dt |
|
2 |
|||||||||||||||||
|
2 |
2 |
|
|
|
2 m |
|
|
|
2 m |
|
|
|
|
|||||||
Діючі значення ЕРС: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
E1 = 4.44 fW1Фm ; E2 = 4.44 fW2Фm . |
|
|
|
|
|||||||||||||
Відношення |
e1 |
= |
E1m |
= |
E1 |
= |
W1 |
= k |
|
називається коефіцієнтом транс- |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
e2 |
|
|
E2m |
|
E2 |
|
12 |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
W2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
формації.
Нехтуючи відносно невеликим падінням напруги на внутрішньому опорі первинної обмотки, можна вважати U1≈E1. Це означає, що при незмінній первинній напрузі U1 залишається практично постійною і амплітуда основного магнітного потоку Фm.
У вторинному колі ЕРС Е2 створює струм i2, сила намагнічування якого i2W2 прагне послабити потік Фm. Але це означало б зменшення E1, а отже, порушення електричної рівноваги на стороні первинної обмотки (U1≈E1). Тому