ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ ПРИЁМНИКОВ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра электротехники и электрооборудования

ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ ПРИЁМНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Методические указания для выполнения лабораторной работы

Новокузнецк

2013

УДК 621 (075) Э45

Рецензент

доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированного электропривода

и промышленной электроники СибГИУ В.Ю. Островлянчик

Э45 Элементы схемы замещения приёмников электрической энергии: метод. указ. / Сиб. гос. индустр. ун-т ; сост.: В.А. Мыльников и др. – Новокузнецк, 2013. – 14с., ил.

Содержат название основных элементов электрических цепей, описывают физические явления в приёмниках электрической энергии, схемы замещения приёмников электрической энергии. Приведены рекомендации по обработке результатов измерений, вопросы для самопроверки.

Предназначены для студентов неэлектротехнических специальностей и направлений подготовки.

2

1 Теоретические сведения

1.1 Общие сведения

Электрическая цепь в общем случае содержит источники электрической энергии, приемники электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру и соединительные провода. Все реальные элементы цепи обладают набором свойств, которые в расчетах и на схемах учитываются параметрами элемента. При этом, если элементу присуще только одно главное свойство, учитываемое только одним параметром, элемент, как правило, называется идеальным. Реальные элементы обычно описываются несколькими параметрами.

Выделяют следующие элементы цепи:

-источник эдс – устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в электрическую энергию. Идеальный источник обладает только электродвижущей силой – Е, которая измеряется в вольтах (В). Условное обозначение источника эдс:

-соединительные провода обозначаются линиями; идеальный провод обладает сопротивлением R = 0;

-коммутационные аппараты – служат

для включения и отключения источника эдс. Идеальный коммутационный аппарат обладает сопротивлением R = 0 во включенном положении и R = ∞ в отключенном положении. Условное обозначение:

- измерительные приборы – служат для измерения параметров электрической цепи. Условное обозначение:

Внутри знака пишутся буквы:

рА – амперметр для измерения силы тока, обладает сопротивлением R ≈ 0;

рV – вольтметр для измерения напряжения, обладает сопротивлением R ≈ ∞;

рW – ваттметр для измерения активной мощности, содержит две измерительных цепи, одна из которых токовая – обладает сопротив-

3

лением R ≈ 0, а вторая – напряжения, обладает сопротивлением

R ≈ ∞.

При производстве опытов соединительные провода, измерительные приборы, коммутационные аппараты считаются идеальными элементами.

Приёмник электрической энергии преобразует электрическую энергию в другие виды энергии. Приёмники имеют различную конструкцию и назначение: электрический светильник, нагревательные устройства, электродвигатели и т.д.

На электрических схемах реальный приёмник электрической энергии удобно заменить элементами схемы замещения, отражающими реальные физические процессы.

Реальными физическими процессами в приёмниках являются необратимое преобразование электрической энергии в другие виды энергии, а также наличие магнитного и электрического полей.

В лабораторных работах рассматриваются цепи, получающие питание от источника эдс, которая изменяется по синусоидальному закону. Принято, что напряжение источника равно эдс и записывается:

1.2 Резистивный элемент

При наличии необратимого преобразования электрической энергии в приёмнике в схему замещения приёмника вводится резистивный элемент.

Условное обозначение элемента показано на рисунке 1а, параметр элемента – сопротивление, измеряемое в Омах (Ом).

4

10

а б в Рисунок 1 – Резистивный элемент (а), график мгновенных значений (б), векторная диаграмма тока и напряжения (в)

4

В резистивном элементе ток и напряжение изменяются по синусоидальному закону и совпадают по фазе. Угол сдвига фаз между током и напряжением φ = 0. На векторной диаграмме (рисунок 1в) ток и напряжение изображаются в виде векторов тока I и напряжения UR ,

1.3 Индуктивный элемент

При наличии в приёмнике изменяющегося магнитного поля в схему замещения приёмника вводится индуктивный элемент. Условное обозначение показано на рисунке 2а, параметр элемента – индуктивность, обозначается L и измеряется в Генри (Гн).

φ

r=2,5-4

I

T

Рисунок 2 – Индуктивный элемент (а), график мгновенных значений (б), векторная диаграмма тока и напряжения (в) Индуктивное сопротивление:

XL = ω·L , (4)

где ω – угловая частота, ω = 2π·f = 2π·50 = 314 рад/с;

f – частота напряжения промышленной сети, f = 50 Гц.

В индуктивном элементе ток I и напряжение UL синусои-

(рисунок 2б).

На векторной диаграмме (рисунок 2в) ток и напряжение изображаются в виде векторов тока I и напряжения UL, сдвинутых меж-

5

ду собой на угол 90˚. Положительный отсчет угла ведется против часовой стрелки.

1.3 Ёмкостный элемент

При наличии в приёмнике изменяющегося электрического поля в схему замещения приёмника вводится ёмкостный элемент. Условное обозначение ёмкостного элемента показано на рисунке 3а, параметр элемента – ёмкость, обозначается С и измеряется в Фарадах (Ф).

Если ёмкость С подставить в микрофарадах (мкФ), формула примет вид: XС = 106 /(ω·C).

В ёмкостном элементе ток I и напряжение UС отстаёт от

2

-

UC

Рисунок 3 – Ёмкостный элемент (а), график мгновенных значений (б), векторная диаграмма тока и напряжения (в)

На векторной диаграмме (рисунок 3в) ток и напряжение изображены в виде векторов тока I и напряжения UС, сдвинутых между собой на угол -90˚.

1.4 Реальная катушка

Перечисленные выше физические явления имеются в любом приёмнике электрической энергии. Однако, ввиду малого значения некоторых величин, ими можно пренебречь. Так, в реальной катушке можно пренебречь электрическим полем. Таким образом, катушка

6

замещается двумя элементами: резистивным элементом R, который учитывает необратимое преобразование электрической энергии в тепло, и индуктивным элементом L, который учитывает наличие магнитного поля.

Схема замещения реальной катушки показана на рисунке 4а, а векторная диаграмма на рисунке 4б.

UR I

Рисунок 4 – Схема замещения реальной катушки (а), и векторная диаграмма тока и напряжений (б)

Порядок построения векторной диаграммы.

Выбрать масштаб тока mI, [А/мм]. В произвольном направлении построить вектор тока I.

Выбрать масштаб напряжения mu, [В/мм]. Построить вектор активного напряжения UR по направлению вектора тока I. Из конца вектора UR, под углом φ = 90˚ против часовой стрелки построить вектор индуктивного напряжения UL. Сумма векторов UR и UL даёт вектор входного напряжения U. Между вектором тока I и вектором напряжения U получится угол сдвига фаз φ.

1.5Реальный конденсатор

Вреальном конденсаторе пренебрегают наличием магнитного поля и преобразованием электрической энергии в тепло. Таким образом, реальный конденсатор в расчетах и на схемах замещается только ёмкостным элементом С. Векторная диаграмма приведена на рисунке 3в.

При наличии в конденсаторе преобразования электрической энергии в тепло в схему замещения реального конденсатора вводится резистивный элемент.

Схема замещения реального конденсатора, с учетом потерь электроэнергии на нагрев, показана на рисунке 5а.

7

Рисунок 5 – Схема замещения реального конденсатора (а) и векторная диаграмма тока и напряжений (б).

Порядок построения векторной диаграммы.

Выбрать масштабы тока и напряжения. В произвольном направлении построить вектор тока I. Построить вектор активного напряжения UR по направлению вектора тока I. Из конца вектора UR под углом 90˚ по часовой стрелке построить вектор ёмкостного напряжения UC . Сумма векторов UR и UC даёт вектор входного напряжения U. Между вектором тока I и напряжения U получится угол сдвига фаз φ.

2 Выполнение работы

Цель работы – определение параметров схем замещения приёмников.

2.1 Резистор

1. Подготовить таблицу 1.

Таблица 1 – Результаты измерений

R1-5

R2

R3

8

2. Собрать электрическую цепь по схеме на рисунке 6.

B

Рисунок 6 – Схемы опытов

U – Напряжение источника через автомат QF подведено к зажимам А и В на стенде и измеряется вольтметром pV.

Активная мощность Р цепи измеряется ваттметром pW. Ток цепи I измеряется амперметром рА.

R1, R2, R3 – исследуемые резисторы.

3.После проверки преподавателем электрической цепи, включить автомат QF. Показания приборов записать в таблицу 1.

4.Определить сопротивления резисторов.

5.Вычислить среднее значение R.

6.Для одного случая построить векторную диаграмму тока и напряжения.

2.2Индуктивная катушка

1.Подготовить таблицу 2.

Таблица 2 – Результаты измерений

РН - РТ -

2.Собрать электрическую цепь в соответствии со схемой рисунка

6.Вместо резистора R необходимо включить катушку PH или РТ. Номер зажимов катушек называет преподаватель.

9

3.После проверки преподавателем электрической цепи включить автомат QF. Показания приборов записать в таблицу 2.

4.Обработка результатов измерений.

Активное напряжение UR = R·I. Индуктивное напряжение UL = XL·I.

5.Построить векторную диаграмму для индуктивного элемента (см. пункт 1.3 и рисунок 2).

6.Построить векторную диаграмму для катушки (см. пункт 1.5 и рисунок 4).

7.Отметить в отчёте:

а) Какими элементами замещается катушка; б) Чем отличается катушка от индуктивного элемента.

2.3Конденсатор

1.Подготовить таблицу 3.

Таблица 3 – Результаты измерений

10