В В Е Д Е Н И Е

Методические указания составлены в соответствии с программами курсов «Электротехника и основы электроники» и «Электротехника» для студентов неэлектротехнических специальностей.

Руководство состоит из двух частей, издаваемых отдельно. В первой части приведены описания лабораторных работ по электрическим цепям и электрическим измерениям.

Настоящие методические указания содержат описания лабораторных работ по электрическим машинам и аппаратам. Нумерация лабораторных работ принята единой для обеих частей указаний.

Описания лабораторных работ включают цель работы, домашнее задание, порядок выполнения работы, контрольные вопросы и содержание отчетов.

Очередность выполнения работ соответствует графику и порядковому номеру данного руководства. Продолжительность лабораторной работы 4 часа.

Ограниченный объем указаний не позволяет приводить теоретическую часть работы, поэтому в работе даны только основные положения, а детальное изучение материала предлагается студентам выполнить в процессе самостоятельной подготовки в соответствии с домашним заданием по литературе, приведенной в конце каждой работы.

Отчет по работе выполняется в соответствии с общими правилами оформления отчетов и графиков, принятыми для лабораторий электроэнергети-ческого факультета.

Правила допуска студентов к проведению лабораторной работы и оформление отчета по лабораторному практикуму изложены во введении к первой части методических указаний.

УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ

В лаборатории электротехники питание схем осуществляется при напряжении источников до 220 В.

ПОМНИТЕ! - ЭТИ НАПРЯЖЕНИЯ МОГУТ БЫТЬ ОПАСНЫМИ ДЛЯ ЖИЗНИ ПРИ НЕОСТОРОЖНОМ И НЕКВАЛИФИЦИРО-ВАННОМ ОБРАЩЕНИИ СО СХЕМОЙ.

Все студенты перед началом работы проходят инструктаж о правилах безопасной работы в лаборатории в соответствии с утвержденной инструкцией.

При выполнении экспериментальной части лабораторных работ следует выполнять следующие правила:

1. Сборку схем производить при отключенном источнике питания.

2. Подавать напряжения на схему разрешается только после проверки и кратковременного пробного включения преподавателем.

3. При проведении работы недопустимы касания руками неизолированных токоведущих частей установки.

4. Все изменения в схеме должны производиться только при отключенных источниках питания.

5. При возникновении каких-либо ненормальностей в режиме работы (нагрев, запах горелой изоляции, дым, искры и т.д.) следует немедленно отключить цепь от источника питания и сообщить об этом преподавателю.

ПОМНИТЕ! - ПОСЛЕ ОТКЛЮЧЕНИЯ СХЕМ ОТ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

НЕОБХОДИМО РАЗРЯДИТЬ ВСЕ КОНДЕНСАТОРЫ В ЦЕПИ.

В ПРОТИВНОМ СЛУЧАЕ ВОЗМОЖЕН РАЗРЯД КОНДЕНСА-

ТОРА НА ТЕЛО ЧЕЛОВЕКА, ЧТО ГРОЗИТ ОПАСНОСТЬЮ.

6. Особую осторожность следует соблюдать при работе с резонансными цепями, содержащими реактивные катушки и конденсаторы, так как при этом напряжения на отдельных участках цепи могут значительно превышать напряжение источника.

7. Металлические корпуса осциллографов должны быть заземлены.

8. Нельзя оставлять без присмотра находящуюся под напряжением установку.

9. По окончании работы установка должна быть отключена от источника питания.

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Одной из задач учебно-исследовательской работы в лаборатории является оценка погрешности, имевшей место при измерении какой-либо величины.

Погрешности измерений подразделяются на три группы:

- грубые погрешности – результат невнимательности или недостаточной квалификации исследователя. Результаты измерений с грубой погрешностью, как правило, исключаются из данных наблюдений;

- систематические погрешности – погрешности, величина и знак которых либо известен, либо может быть определен. К ним относятся погрешности измерительных приборов, методов измерения, влияния внешних факторов, субъективные;

- случайные погрешности – погрешности, величина и знак которых при данном измерении не могут быть предсказаны.

1. Основные определения

1. Абсолютная погрешность измерения:

где - результат измерения,

- измеряемая величина

1.2. Относительная погрешность измерения:

1.3. Относительная приведенная погрешность

где - конечное значение диапазона измерения (шкалы).

Приведенная погрешность показывает, какую можно ожидать погрешность при соблюдении инструкции завода-изготовителя.

1.4. Класс точности прибора:

- показывает, как велика может быть погрешность в самом неблагоприятном случае.

1.5. Интервал достоверных значений измеряемой величины

где - максимально допустимые значения погрешности.

1. Измерение и расчет погрешностей измерения

Результат измерения состоит из оценки измеряемой величины (ее действительного значения) и погрешности измерения, характеризующей точность измерения.

Прежде чем приступить к измерению, нужно отнести его к определенному виду точности. Точность измерения должна быть соотнесена с его задачей.

В случае применения простых измерительных устройств в лабораторной практике случайные погрешности значительно меньше систематических, и случайными погрешностями можно пренебречь.

При проведении лабораторных работ в курсе ОЭ большинство измерений относится к техническим измерениям, которые выполняют однократно, и их погрешность определяется погрешностью измерительного прибора. В этом случае показания прибора принимают за результат измерения с максимальной абсолютной погрешностью, определяемой классом точности прибора.

2.1. Расчет погрешности результата прямого измерения

В практике расчетов наиболее целесообразна форма предъявления результата измерения в виде наибольшей относительной погрешности.

2.1.1. Определение наибольшей относительной погрешности по классу точности прибора производится по формуле:

2.1.2.Определение наибольшей относительной погрешности по приведенной погрешности прибора производится по формуле:

Пример 1. Измеренное с помощью вольтметра (

на диапазоне напряжение составляет .

Максимальная относительная погрешность измерения равна

Измеренное тем же вольтметром ( но на диапазоне напряжение составило

Максимальная относительная погрешность измерения равна

Из сравнения результатов видно, что значение относительной погрешности измерения возрастает с увеличением предела шкалы .

2.2. Расчет погрешности результата косвенного измерения

При косвенных измерениях измеряемая величина функционально связана с другими величинами х, y, например:

где - результаты прямых измерений.

2.2.1 Определение наибольшей относительной погрешности измерения , являющейся функцией измеренных значений и , производится по формуле:

Пример 2. Напряжение генератора намерено вольтметром с на диапазоне и составило 75В. Измеренное значение тока амперметром с на диапазоне составило 0,7А. Найти наибольшую относительную погрешность определения мощности .

Решение:

Мощность определяется соотношением

Тогда ; ;

;

Метрологическая карта средств измерения, имеющихся на лабораторном стенде, представлена в таблице 1, в которой приведены все необходимые сведения о приборах для расчета погрешностей результатов измерения.

Метрологическая карта средств измерения к лабораторному стенду

Таблица 1

Наимено-вание прибора.	Пределы измерения	Диапа-зон показа-ний шкалы прибора.	Цена деления шкалы прибора.	Чувствитель-ность прибора.	Класс точнос-ти.	Погреш-ность измере-ния приведен.
Комплект измери-тельный К-505	Напряже-ние 30-600 В	30;75; 150;300; 450;600В	0,2;0,5; 1;2;3;4 В/дел	5;2;1; 0,5;0,33; 0,25 дел/В	75-600В- 0,5 30В-1,0	75-600В-0,5% 30В-1,0%
	Ток 0,5-10А	0.5;1;2,5; 5;10А	0,005; 0,01; 0,025; 0,05; 0,1В/дел	200;100; 40;20; 10 дел/В	0,5	0,5%
	Мощность 15-6000Вт	15;30; 37,5;75; 150;187,5 225;300; 375;450; 600;750; 125;1500; 2250;3000 4500; 6000Вт	0,1;0,2; 0,25;0,5; 1;1,25; 1,5;2;2,5 3,5;5;7,5 10;15;2030;40 Вт/дел	10;5;4; 2;1;0,8; 0,67;0,5; 0,4;0,33; 0,25;0,2; 0,13;0,1; 0,67;0,05 0,033; 0,025 дел/Вт	75-600В-0,5 30В-1,0	75-600В- 0,5% 30В-1,0%
Ампер-метр Э377	Перемен-ный ток 5А	5А	0,2А/дел	5 дел/А	1,5	1,5%
Ампер-метр М330	Постоян-ный ток 500мА	500 мА	20,0 Ом/А/дел	0,05 дел/А	1,5	1,5%
Вольтметр Э337	Переменное напряж.50В	50В	2 В/дел	0,5дел/В	1,5	1,5%

Лабораторная работа № 5

Исследование режимов однофазного трансформатора

1. Цель работы

Ознакомление с устройством трансформатора. Опытное определение параметров трансформатора. Опытное снятие характеристик холостого хода и эксплуатационных характеристик. Расчет эксплуатационных характеристик по параметрам трансформатора.

2. Теоретические сведения

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, действие которого основано на явлении взаимной индукции. Он предназначен для преобразования электрической энергии переменного тока с параметрами U₁ и I₁ в энергию переменного тока с параметрами U₂ и I₂ той же частоты. Конструктивно трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного магни-топровода, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором расположены две обмотки, выполненные из медного или алюминиевого провода. Обмотку, подключенную к источнику питания, принято называть первичной, а обмотку, к которой подключены приемники (нагрузка), - вторичной.

Переменный магнитный поток, возбужденный в магнитопроводе, наводит в обмотках трансформатора э.д.с., действующие значения которых

, ,

где - частота переменного тока;

- число витков обмотки;

- амплитуда магнитного потока.

Если цепь вторичной обмотки трансформатора разомкнута (режим холостого хода), то напряжение на зажимах обмотки равно ее э.д.с.: ; а напряжение источника питания почти полностью уравновешивается э.д.с. первичной обмотки: .

Если к вторичной обмотке, полное сопротивление которой Z₂, присоединен приемник, то во вторичной цепи возникает ток I₂ , а на зажимах приемника установится напряжение . Это напряжение зависит от параметров приемника и может быть определено по внешним характеристикам трансформатора.

3. Методика измерений

Различают три режима работы трансформатора: режим холостого хода, режим короткого замыкания и режим нагрузки.

Для определения параметров и эксплуатационных электрических величин проводят анализ режимов работы трансформатора.

1. Работа трансформатора в режиме холостого хода

Режимом холостого хода называется такой режим, при котором к первичной обмотке подведено напряжение, а вторичная обмотка разомкнута. Исследование трансформатора в режиме холостого хода позволяет определить следующие величины: K, I₁₀, P_cт, cos φ₀, φ₀, δ, Z_μ, r_μ, x_μ .

Коэффициент трансформации

.

Ток холостого хода I₁₀ для современных трансформаторов составляет 3+10% номинального тока.

В трансформаторе существует 2 вида потерь мощности: потери в стали (магнитные потери) и потери в меди (электрические потери).

Потери в стали практически не зависят от нагрузки трансформатора и зависят от частоты и максимального магнитного потока.

Величина магнитного потока определяется приложенным напряжением, значит, и потери в стали зависят от величины приложенного напряжения.

Поскольку при холостом ходе нагрузка отключена, а U₁ = U_1н, то все потери мощности можно считать потерями в стали: Р₀ Р_ст .

Коэффициент мощности при холостом ходе

.

Угол магнитных потерь

Параметры намагничивающего контура:

.

2. Работа трансформатора при опытном коротком замыкании

Следует различать режим короткого замыкания в эксплуатационных условиях и опыт короткого замыкания. Первый представляет собой аварийный режим трансформатора I_к.з. = (10 + 20)I_н . трансформатор сильно нагревается и перегрев может вызвать его разрушение.

Опыт короткого замыкания в лабораторных условиях проводится с целью определения параметров трансформатора. Его проводят при значительно пониженном напряжении на первичной обмотке, когда ток в ней достигнет величины I_1Н,.а вторичная обмотка замкнута накоротко.

В современных трансформаторах U_к% =(5 + 10)%. При этом напряжении токи в обмотках будут иметь номинальное значение.

Опыт короткого замыкания позволяет определить: U_к%, Р_м , cos φ_к , r_к , х_к , r₁, r₂, x₁, x₂ .

Напряжение короткого замыкания:

; .

В связи с тем, что приложенное напряжение к трансформатору мало, а токи в первичной обмотке имеют номинальное значение, можно считать, что в режиме к.з. вся потребляемая трансформатором мощность идет на потери в обмотках (потери меди),

, где .

Коэффициент мощности в режиме к.з.

Параметры обмоток трансформатора

, ,

.

3. Работа трансформатора в режиме нагрузки

Режимом нагрузки называется такой режим, при котором к первичной обмотке подведено номинальное напряжение, вторичная включена на нагрузку.

Режим нагрузки позволяет экспериментально снять внешнюю характеристику и зависимость коэффициента полезного действия от коэффициента загрузки трансформатора .

Режим холостого хода

Рис.1

режим короткого замыкания

Рис.2

режим нагрузки

Рис.3

Режим холостого хода

Измерено				Вычислено
U1н	I10	P0	U20	K	Pст	сosφ0	δ	zμ	rμ	xμ	φ0
В	А	Вт	В	-	Вт	-	град	Ом	Ом	Ом	град

Режим короткого замыкания

Измерено

Вычислено

Iк

U1к

Pк

Uк %

Pм

zк

rк

xк

r1 = r21

х1=х21

Uка

Uкр

cosφк

А

В

Вт

%

Вт

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

%

%

-

Режим нагрузки

Измерено					Вычислено
U1	I1	P1	U2	I2	β	Zн	P2	сosφ1	сosφ2	ηэксп	ηрасч
В	А	Вт	В	А	-	Ом	Вт	-	-	%	%

К.п.д. можно определить расчетным путем, исходя из данных всех 3-х опытов по формуле:

, где

- коэффициент нагрузки;

- номинальная мощность трансформатора;

- коэффициент мощности нагрузки.

4. Программа выполнения работы

4.1. Записать паспортные данные оборудования и используемых приборов, в том числе и номинальные данные испытуемого трансформатора

Номинальная мощность связана с напряжениями и током формулами:

или

4.2. Собрать схему, изображенную на рис. 1 и снять характеристики холостого хода трансформатора:

Следует иметь ввиду, что допустимый верхний предел повышения напряжения при холостом ходе U₁₀ равен 1,1U_1н. Данные эксперимента записывать в таблицу по форме 2. По данным измерения произвести соответствующие вычисления.

4.3. Собрать схему, изображенную на рис. 2, и произвести измерения. Следует учесть, что при опыте к.з. вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко, а к первичной подводится пониженное напряжение U_1К, но токи при этом в первичной и вторичной обмотках будут равны номинальным.

Для понижения напряжения пользуются ЛАТРом. Последний устанавливают в нулевое положение, затем увеличивают напряжение до значения ~5% от номинального напряжения U_1к ≈ 0,05U_1н.

Данные опыта и результаты вычислений занести в таблицу по форме 3.

4.4. Режим нагрузки трансформатора

Собрать схему, изображенную на рис. 3.

В первой строчке таблицы значения приборов записывают при разомкнутой вторичной цепи и номинальном первичном напряжении (холостой ход), замыкаем ключ К во вторичной цепи, постепенно нагружая трансформатор при помощи реостата токами 25, 50, 75, 100 и 125% от номинального тока.

Данные опытов и результаты вычислений заносятся в таблицу по форме 4.

5. Содержание отчета

5.1. Цель и содержание работы

5.2. Перечень оборудования и приборов, их паспортные данные

5.3. Электрические схемы установки

5.4. Таблицы экспериментальных результатов

5.5. Основные расчетные формулы с числовым параметром расчета

5.6. Построить характеристики холостого хода

5.7. Построить внешнюю характеристику по данным опыта

5.8. Построить экспериментальную и расчетную зависимость

5.9. Выводы по работе

5.10. Дата выполнения. Подпись студента.

6. Контрольные вопросы

6.1. Как устроен однофазный трансформатор?

6.2. Как устроен трехфазный трансформатор?

6.3. В чем заключается анализ режимов работы трансформатора?

6.4. В чем разница между анализом режима работы однофазных и трехфазных трансформаторов?

6.5. Для чего производится анализ режимов работы трансформаторов?

6.6. Для чего используют приведенные величины в трансформаторе?

6.7. Что из себя представляет схема замещения трансформатора?

6.8. Как определить параметры схемы замещения?

Лабораторная работа № 6