Работа №1 Электрические цепи

10

Лабораторная работа № 1

Измерение сопротивлений

потребителей электрической энергии

Общие сведения

Любой потребитель электрической энергии может быть охарактеризован в соответствии с законом Ома величиной полного сопротивления

, Ом,

где - напряжение источника электрической энергии, В;

– ток потребителя, А.

Рис. 1.

В потребителе происходит преобразование электрической энергии источника в другие виды энергии (механическую, световую, тепловую и т.д. в зависимости от конкретного типа потребителя). Процесс такого преобразования количественно и качественно зависит от характера полного сопротивления потребителя.

Потребление энергии от источника определяется величиной активного сопротивления R потребителя (активной составляющей полного сопротивления).

Процесс преобразования электрической энергии в потребителе связан с использованием магнитных и электрических полей, что вызывает появление индуктивной или ёмкостной составляющей полного сопротивления потребителя. Принято обозначать индуктивную составляющую полного сопротивления Х_L , а ёмкостную – Х_С и называть реактивным сопротивлением индуктивного или ёмкостного характера.

Реальные потребители электрической энергии не всегда обладают активной и реактивной составляющими полного сопротивления. Осветительные лампы накаливания, электронагревательные приборы обладают практически только активным сопротивлением. Двигатели переменного тока, трансформаторы, катушки индуктивности имеют активно – индуктивный характер полного сопротивления. Наличие конденсаторов в потребителях электрической энергии может вызвать активно – ёмкостный характер их полного сопротивления.

Любой реальный потребитель может быть представлен схемой замещения в виде последовательного соединения либо R и X_L (рис. 2а), либо R и X_C (рис. 2б) в зависимости от характера полного сопротивления.

Рис. 2.

Измерить сопротивление потребителя означает определить величину активного и реактивного сопротивления последовательной схемы его замещения. Это можно выполнить следующим образом.

Известно, что активная мощность потребителя определяется выражением

Р=I_п² · R

Отсюда , Ом.

В свою очередь в последовательной схеме замещения полное сопротивление выражается в виде

.

В общем случае не имеет значения, какова реактивность потребителя, поэтому в формуле опущен индекс «L» или «C» в обозначении реактивного сопротивления X, отсюда

, Ом.

Таким образом, для определения всех трех сопротивлений потребителя (полного, активного и реактивного) нужно измерить три параметра: напряжение источника U, ток потребителя I_п и активную мощность потребителя P. Однако по результатам этих измерений нельзя определить характер реактивного сопротивления потребителя (то ли это X_L, то ли это X_C).

Для определения характера реактивности потребителя параллельно ему подключают конденсатор (рис. 3).

Рис. 3.

Подключение конденсатора не вызовет изменения тока потребителя I_п , ток же через источник электрической I энергии изменится, т.к. в соответствии с законом Кирхгофа ток источника I (после подключения конденсатора) является векторной суммой токов потребителя I_п и конденсатора I_с , т.е.

Характер реактивности потребителя однозначно определяется на основании сравнения токов I_п и I

При выполнении условия I_с< I_п справедливы следующие положения:

1. Если при подключении конденсатора I > I_п , то реактивное сопротивление потребителя имеет ёмкостный характер.

2. Если при подключении конденсатора I < I_п , то реактивное сопротивление потребителя имеет индуктивный характер.

Действительно, при ёмкостном реактивном сопротивлении ток потребителя I_п на некоторый угол φ опережает напряжение источника U (рис. 4) и ток источника I как результат векторного суммирования будет больше тока потребителя (I > I_п).

При индуктивном же реактивном сопротивлении ток I_п на некоторый угол φ отстает от напряжения источника U (рис.5) и ток источника I как результат векторного суммирования + будет меньше тока .

Рис. 4 Рис. 5

Фазовый сдвиг φ в обоих случаях определяется выражением:

или

Таким образом, в первом случае потребитель обладает емкостным реактивным сопротивлением, которое можно выразить так:

,

где _,

C - эквивалентная емкость потребителя в последовательной схеме замещения,

Во втором случае потребитель обладает индуктивным реактивным сопротивлением, которое можно выразить так:

,

где L - эквивалентная индуктивность потребителя в последовательной схеме замещения.

Порядок выполнения работы

1. Собрать электрическую схему (рис. 6) для измерения тока потребителя I_п (амперметр pA), мощности потребителя P (ваттметр pW) и напряжения источника электрической энергии U (вольтметр pV).

Рис. 6

2. После проверки схемы преподавателем или лаборантом включить автомат А4 на щите и занести показания приборов в первую строчку таблицы результатов измерений. Выключить автомат А4.

Таблица результатов измерений

	Ток, А	U, В	P, Вт
Потребитель Iп
Потребитель с конденсатором I
Конденсатор Iс

3. Подсоединить параллельно потребителю конденсатор (рис. 7) для определения характера реактивного сопротивления потребителя. Амперметр в этой схеме фиксирует ток источника I, вызываемый включением потребителя с конденсатором.

Рис. 7

4. После проверки схемы включить автомат А4 на щите и занести показания приборов во вторую строчку таблицы результатов измерений.

Выключить автомат А4.

5. Отсоединить потребитель, оставив включенным в схему измерения (рис. 8) только конденсатор С. Амперметр в этой схеме фиксирует ток конденсатора I_с.

Рис. 8

6. После проверки схемы включить автомат А4 на щите и занести показания приборов в третью строчку таблицы результатов измерений.

Убедиться, что отсутствует активное потребление энергии конденсатором, т.к. показание ваттметра равно 0.

Выключить автомат А4.

Обработка результатов измерений

1. По результатам измерений определить полное, активное и реактивное сопротивления потребителя, воспользовавшись выражениями:

, , .

2. Определить характер реактивного сопротивления потребителя (X=X_L или X=X_c) в соответствии с указаниями теоретической части методических указаний.

3. В зависимости от характера реактивного сопротивления (X_L или X_С) определить величину индуктивности L или ёмкости C потребителя.

4. Для схем рис. 6, 7 и 8 начертить схемы замещения.

5. Построить векторные диаграммы для схем замещения.

Контрольные вопросы

1. Какова физическая сущность активного сопротивления потребителя электрической энергии?

2. Что такое реактивное сопротивление потребителя?

3. Что такое полное сопротивление потребителя?

4. Можно ли изготовить катушку индуктивности, обладающую только реактивным сопротивлением X_L?

5. Как изменится ток I источника, если уменьшить ёмкость конденсатора C, включенного параллельно потребителю?