ТОЭ. Лабы

32

Определить параметры катушек (R, L), установив в цепи значение тока, равное номинальному. Результаты измерений и расчетов внести в таблицу 1.

Таблица 1. Определение параметров катушки.

Рис. 3. Исследование взаимоиндукции катушек.

Произвести измерения при согласном и встречном включении последовательно соединенных катушек (для изменения характера включения поменять местами концы одной из катушек), установив значения тока не больше номинального.

По данным измерений рассчитать параметры цепи, а также взаимную индуктивность. Результаты занести в таблицу 2.

33

4.Собрать цепь для исследования трансформатора без ферромагнитного сердечника по схеме рис. 4.

Рис. 4. Исследование трансформатора.

Устанавливая переключатель в соответствующие положения, при напряжении на входе цепи, при котором токи в обеих обмотках не будут превышать номинальных значений, исследовать трансформатор в режимах холостого хода, активной и емкостной нагрузки. Измерить токи, напряжения и активную мощность.

Результаты занести в таблицу 3.

Таблица 3. Данные исследования трансформатора.

5.Используя параметры индуктивно связанных катушекR1, L1, R2, L2, M, определенные по результатам опытов, построить векторную диаграмму (в масштабе) токов и топографическую диаграмму напряжений для встречного включения последовательно соединенных катушек. Сравнить опытные значения напряжений U1, U2, U с их значениями, полученными в векторной диаграмме.

6.Построить в масштабе по данным таблиц1 и 3 векторную диаграмму токов и топографическую диаграмму напряжений трансформатора для емкостной нагрузки.

34

УИРС.

Собрать схему по варианту, выбранному по номеру бригады. Предусмотреть приборы для измерения токов, мощностей во всех ветвях и напряжения питания согласно рис. 5.

Рис.5 УИРС. Полное исследование разветвленной цепи с взаимнойиндук-

тивностью.

Установить напряжение на входе схемы, при котором токи в катушках и сопротивлениях были бы близки к номинальным значениям. Результаты измерений занести в таблицу, составленную самостоятельно. При измерении мощностей необходимо иметь в виду, что при определенных соотношениях между параметрами катушек стрелка ваттметра при правильном его включении может отклониться в обратную сторону. В этом случае для измерения мощности необходимо поменять концы у обмотки напряжения ваттметра и измеренную -мощ ность записать со знаком «минус».

По результатам измерений токов в цепи и параметрам элементов схемыпо строить топографическую диаграмму, по которой вычислить активные мощности, получаемые ветвью, и мощность, передаваемую от одной обмотки к другой через магнитное поле. Полученные результаты сравнить с показаниями ваттметра.

35

Задание по УИРС.

Содержание отчета.

1.Цель работы, технические данные приборов.

2.Определение параметров катушек, схема рис. 2, таблица 1, расчетные формулы для определения R и L индуктивно связанных катушек.

3.Определение параметров последовательной цепи при согласном и встречном включении катушек: схема 3, таблица 2; расчетные формулы для определения величин, входящих в таблицу 2; построить в масштабе по данным таблиц 1 и 2 топографическую диаграмму напряжений для встречного включения катушек.

4.Исследование трансформатора: схема рис. 4, таблица 3; расчетные формулы для определения величин, входящих в таблицу 3; уравнения и топографиче-

36

ская диаграмма напряжений трансформатора для емкостной нагрузки, построенная по опытным данным таблиц 1 и 3.

5.Исследование разветвленной цепи с индуктивно связанными элементами (УИРС). Схема, таблица, расчетные формулы для определения мощности в ветвях, построенная в масштабе векторная диаграмма.

6.Ответить на контрольные вопросы к зачету.

Вопросы к зачету.

Что такое емкостный эффект в индуктивно связанных катушках? При каких условиях он возможен? Как он проявляется на топографической диаграмме?

1.Каков принцип определения одноименных зажимов двух индуктивно -свя занных катушек по показаниям двух вольтметров схемы?

2.Каковы принципы определения взаимной индуктивности катушек по методам, применяемым в данной лабораторной работе?

3.Как строится топографическая диаграмма трансформатора в режиме емкостной нагрузки? Индуктивной, активной нагрузки?

4.Построить топографическую диаграмму трансформатора для режима короткого замыкания вторичной цепи при нормальном значении тока.

5.Построить векторную диаграмму для исследуемой цепи УИРС. Определить мощность, передаваемую от одной обмотки к другой через магнитное поле.

Методические указания.

Ознакомившись с содержанием работы и стендом, записав технические данные приборов, выполнение работы начинают с разметки выводов индуктивно связанных катушек. Для этого вначале определяют зажимы каждой -ка тушки с помощью вольтметра, подключая к сети последовательно соединенные между собой вольтметр и катушку.

Для определения одноименных зажимов катушек собирают цепь по схеме 1. Обозначив один из зажимов одной катушки, по показаниям вольтметров можно определить одноименный ему зажим другой катушки.

Если U2<U1, одноименными будут зажимы а и с и наоборот(рис. 1). Результаты этого опыта используются в последующих схемах.

Необходимо понять смысл и механизм примененного выше правила -оп ределения одноименных зажимов на основе явлений электромагнитной индукции.

Расчет активных сопротивлений и индуктивности обеих катушек производиться по результатам измерений напряжения, тока катушек и активной мощности, теряемой в них, по схеме 2.

37

Измерение данных и последующие расчеты величины взаимной индуктивности исследуемых катушек производится дважды: при исследовании последовательно соединенных катушек и исследовании трансформатора.

При согласном и последовательном включении катушек:

При встречном и последовательном включении катушек:

Эквивалентное реактивное сопротивление всей цепи с последовательно соединенными катушками всегда индуктивно, однако при встречном включении на той катушке, у которой L < M напряжение отстает по фазе от тока, т.е. имеет место емкостный характер. Проверьте это на топографической диаграмме.

Основными уравнениями, характеризующими работу трансформатора, являются

где ZH – сопротивление нагрузки трансформатора.

Для режима холостого хода(ХХ) трансформатора (ZH = ¥; I2 = 0) легко определить взаимную индуктивность катушек, измерив ток в первичной катушке и напряжение на вторичной.

M = U 2 XX

wI1XX .

Для анализа режимов исследуемых цепей применяются векторные, топографические диаграммы. В отличие от других цепей для цепей с взаимными индуктивностями топографические диаграммы целесообразно строить по уравнениям, составленным на основании законов Кирхгофа.

Построение топографической диаграммы цепей с последовательно -со единенными катушками не вызывает затруднений вследствие простоты цепи. Они приведены в учебниках.

38

Для различных режимов трансформатора построение топографических диаграмм начинают с построения тока вторичной цепи, полученного в опыте. По величине измеренного напряжения и характера нагрузки(активный, емкостный), вычисленных ранее активных и индуктивных сопротивлений катушек и т.д. строят согласно уравнения по второму закона Кирхгофа вторичной цепи векторы всех напряжений, зависящих от тока вторичной обмотки. При построении напряжения взаимной индукции используют условие равенства этого уравнения нулю (отсутствие источника во вторичной цепи). Определив по последнему вектору величину и фазу тока первичной цепи, продолжают построение диаграммы для первичной цепи также по уравнению закона Кирхгофа. Все построения ведутся в масштабе.

Векторная диаграмма разветвленной цепи, содержащая элементы цепи с индуктивной связью строятся как совокупность векторной диаграммы токов и

опографиической диаграммы напряжений.

В нашем случае построение диаграммы выполняют по измеренным токам разветвленной цепи (УИРС), характеру нагрузки и параметрам элементов цепи

(R1, R2, L1, L2, M).

На основе первого закона Кирхгофа по измеренным значениям токов строится векторная диаграмма токов при помощи циркуля. В результате получается треугольник токов, по которому определяется направление векторов токов.

Топографическую диаграмму цепи строят по уравнениям, составленным по второму закону Кирхгофа. Проверку правильности построения проверяют по совпадению величины напряжения сети на диаграмме и опыте. Если совпадение не произошло, то необходимо поменять токи в треугольнике векторной диаграммы.

Из векторной диаграммы можно определить мощность, которая передается от одной катушки к другой. Например, активная мощность, которую получает первая ветвь схемы рис. 6а.

39

Рис. 6. Схема замещения и топографическая диаграмма исследуемой цепи

(УИРС).

P1 = Re(U&ab I&1 ) =U ab × I1 ×cos(y ab -y I1 ) =U ab I1 cosj1

Проекция напряжения Uab на направление тока I1, т.е. Uabcosj состоит из двух отрезков: падения напряжения I1R1 и проекции напряжения – jωMI2 на направление векторов тока I1.

U ab cosj1 = I1 R1 +wMI 2 cos(90o +a) = I1 R1 - X M I 2 sina

где a - угол между векторами токов I1 и I2.

P1 = U ab I1 cos j1 = I1 (I1R1 - X M I2 sin a) = I12 R1 - X M I2 I1 sin a

Первая ветвь получает от источника мощность меньшую, чем требуется на нагревание сопротивления R1 на величинуXMI2I1sina. Эту недостающую мощность первая ветвь получает от второй через магнитное поле.

Если аналогичным путем подсчитать мощность, получаемую второй ветвью от источника, то получим

где I22R2 – мощность теряемая в активном сопротивлении, I1I2XMsina - мощность, приходящая от цепи и передающаяся в первую ветвь через магнитное поле. Общая мощность, получаемая от сети

P = P1 + P2 + P3 = I12 R1 + I 22 R2 + I 32 R3

При самостоятельном изучении учебного материала по этой теме предлагаем воспользоваться компьютерной программой. На рис.7 представлена топографическая диаграмма двух последовательно соединённых индуктивно связанных катушек. На лицевой панели прибора имеется программа, выполнение которой позволит получить представление об особенностях электрических явлений в рассматриваемой цепи.

40

Рис. 7 Топографическая диаграмма двух последовательно соединённых индуктивно связанных катушек