3

Лабораторна робота № 14

Тема: Дослiдження лічильника електроенергії.

Мета: Ознайомитись з принципом дії лічильника електроенергії. Визначити

залежність швидкості обертання диска лічильника від потужності активного навантаження.

Дослідити співвідношення між струмом, напругою і потужністю для реактивного навантаження. Розрахувати значення cos(φ). Визначити ємність невідомого конденсатора.

Обладнання: Стенд з лічильником електроенергії, мультиметр з можливістю

виміру змінного струму, блок живлення змiнного струму, секундомер або годинник.

Загальні відомості.

Електромеханічний лічильник електроенергії можна з певним спрощенням розглядати як асінхронний двигун змінного струму. Зичайний асінхронний двигун переважно працює в області малих значень коефіциента ковзання, тобто в умовах, коли швидкість обертання ротора близка до швидкості обертання магнітного поля. Для двополюсного двигуна масимальна швидкість обертання становить 3000 обертів на минуту для частоти мережі 50 Hz (50·60=3000). На відміну від звичайного двигуна, ротор лічильника працює в області великих значень ковзання, тобто швидкість обертання ротора значно менша швидкості обертання магнітного поля. Наприклад, побутовий лічильник розрахований на максимальну потужність наватаження 1.5KW робить 2500 обертів за годину для потужності 1KW. Тобто максимальна швидкість ротора лише 62 обертів на минуту (2500·1.5/60=62.5), або майже у 50 разів повільніше швидкості обертання магнітного поля.

Щоб забезпечити такі умови, за яких швидкість обертання ротора лічильника n пропорційна активній потужності P_a=U·I·cos(φ), у конструкції личильника використовуються особливі конструктивні рішення:

1. Обертаючеся магнітне поле утворюєтся двома електромагнітами (напруги – Ф_U і струму – Ф_I) магнітні поля котрих зсунуті на кут 90º. Для цього:

- обмотка напруги виконується таким чином, щоб вона мала великий індуктивний опір. Тоді струм і магнитне поле цієї обмотки пропорційні напрузі навантаження і зсунуті видносно напруги на кут 90º;

- обмотка струма виконується за схемою трансформатора з короткозамкненую вторинною обмоткою. Тоді опір обмотки струму має переважно активну складову і відносно малий опір. Тобто магнітне поле цієї обмотки пропорцийне струму навантаження і немає зсуву відносно напруги для активного навантаження.

2. Осереддя електромагнітів ротора виконано так, що струми Фуко індуковані у роторі токовою обмоткою взаємодіють з магнітним полем обмотки напруги, а струми індуковани обмоткою напруги взаємодіють з магнітним полем обмотки струму, таким чином, що моменти сил кожної пари M_i= F_i·R_i=ΔL_i·B_i·I_i пропорційні активній потужності P_a=U·I·cos(φ). Тобто обертаючий момент ротора M_I=k_P·P_a.

3. Ротор рухається повз магнітне поле постійного магніту Ф_S, що виконує функції динамічного гальма. Момент гальмування M_S= F_S·R_S пропорційний швидкості обертання n, тобто M_S=k_S·n.

Таким чином на ротор одночасно діють моменти сил, такі що, з одного боку, намагаються прискорити обертання - M_I=k_P·P_a, а з другого боку, загальмувати - M_S=k_S·n У сталому режимі ці моменти урівноважуються M_I= M_S. Тобто k_P·P_a = k_S·n, або n =K·P_a= K·U·I·cos(φ) – швидкість обертання пропорційна активній потужності. Коефіціент K залежить від конструктивних особливостей лічильника.

Для забезпечення можливості роботи учбового лічильника з небезпечними (низькими) напругами до конструкції лічильника було внесено деякі зміни:

• обмотка напруг живиться від підвищуючого трансформатора;

• обмотку струму перемотано на більшу кількість витків, щоб підвищити чутливість до малих струмів;

• для зменшення індуктивного навантаження на джерело живлення ( лічильник є істотним додатковим навантаженням для малопотужного джерела) до вторинної обмотки трансформатора, паралельно обмотці напруг лічильника під’єднано узгоджуючий конденсатор, такий, шоб збільшити cos(φ) лічильника.

План роботи

1. Дослідження лічильника з активним навантаженням

Під’єднати до лічильника змінний опір за наведеною схемою.

Джерело змінного струму E під’єднується до гнізда паралельно точкам 1, 2.

1. Під’єднати змінний опір до точок 3, 4.

2. Під’єднати блок живлення.

3. Виміряти швидкість обертання диска (ротора) лічильника в залежності від потужності, що споживає змінний опір R для декілька значень опору від максимального до мінімального значень. Результати вимирів занесіть до таблиці. Для цього, для кожного значення опору:

1. Виставити потрібне значення опору R за шкалою на опорі.

2. Виміряти напругу на опорі U_R.

3. Виміряти час t потрібний для певної кількості обертів диску N. Для забезпечення відповідної точності кількість обертів N повинна бути не менше 5, а час t не менше 20 секунд.

Таблиця “Активне навантаження”

R, Ω
UR, V
N, об.
t, сек
n, об/хвилину
P, W
K, об/хвил/W
δK, %

4. Розрахувати потужність P за значенням напруги U_R і опором R. Резульати занести до таблиці. Навести формулу розрахунку

P =

5. Розрахувати швидкість обертання n у обертах за хвилину

6. Розрахувати коефіціент швидкості обертання лічильника K= n/P

7. Визначити відносну похибку δK_i=K_i/K_min відносно мінімального значення коефіціент швидкості обертання K_min

2. Дослідження лічильника з реактивним навантаженням

Під’єднати до лічильника конденсатор C і амперметр A за наведеною схемою.

Увага! Струм у цій схемі може перебільшувати 200mA. Тому, щоб не пошкодити мультиметр, необхідно під’єднувати вимірювальні щупи до гнізда 20A.

Виміряти швидкість обертання лічильника n, напругу на конденсаторі U_C, і струм I.

1. Під’єднати конденсатор C до точок 3, 5.

2. Під’єднати амперметр A до точок 4, 5 ( у розрив кола).

3. Під’єднати блок живлення.

4. Виміряти струм I.

5. Виміряти час t потрібний для певної кількості обертів диску N.

6. Від’єднати блок живлення.

7. Вилучити амперметр зі схеми. Перемкнути щупи мультиметра на вимір напруги.

8. Під’єднати конденсатор C до точок 3, 4.

9. Під’єднати блок живлення.

10. Виміряти напругу на конденсаторі U_C

11. Результати вимирів занести до таблиці

Таблиця “Реактивне навантаження”

I, A	N, об.	t, сек	UC, V	n, об/хв	Pa, W	PX, W

12. Розрахувати кількість оборотів за хвилину n

13. Розрахувати активну потужність P_a за значеннями коефіциенту K таблиці “Активне навантаження”для найближчої швидкості обертання.

14. Розрахувати “уявну” потужність P_X =U_C·I

15. Розрахувати cos(φ) і кут φ

cos(φ) =

φ =

16. Розрахувати ємність конденсатора C за відомими значеннями напруги U_C, струму I і частоти мережі живлення f = 50Hz. Навести формули розрахунку

X_C= C=

C =