Электротехника Л.Р.№4
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
методические указания к лабораторной работе по курсу «Электротехника» для студентов инженерно-строительных специальностей.
Составители:
Н.Д. Самсоненко, профессор С.Н. Самсоненко, доцент Н.И. Носанов, доцент
Макеевка - 2002 г. МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И
АРХИТЕКТУРЫ
КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И АВТОМАТИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к лабораторной работе по курсу «Электротехника»
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. для студентов инженерно-строительных специальностей
всех форм обучения
УТВЕРЖДЕНО на заседании кафедры электротехники и автоматики
Протокол № 73 от 08.02.2002 г.
Макеевка ДонГАСА 2002 г.
2
УДК 621-/07/
Методические указания к лабораторной работе по курсу «Электротехника». Лабораторная работа №4 «Исследование неразветвленной цепи переменного тока» для студентов инженерно-строительных специальностей. / Составители: С.Н. Самсоненко, Н.Д. Самсоненко, Н.И.Носанов - Макеевка: ДонГАСА, 2002. -14с.
Методические указания составлены в соответствии с программой курса «Электротехника» для студентов инженерно-строительных специальностей. В лабораторной работе №4 студенты изучают свойства неразветвленной цепи однофазного переменного тока состоящего из активного, индуктивного и емкостного сопротивлений. Методические указания содержат описание лабораторного стенда, краткое изложение теоретического материала, перечень необходимого оборудования, необходимые схемы и таблицы, а также контрольные вопросы.
Составители: С.Н. Самсоненко, доцент Н.Д. Самсоненко, профессор Н.И.Носанов, доцент
Рецензент: В.И. Решетников, доцент
Ответственный за выпуск: В.И.Тимченко, доцент
С.Н.Самсоненко, Н.Д.Самсоненко, Н.И.Носанов 2002 ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ.
3
Студенты обязаны заблаговременно подготовиться к предстоящей работе по лекционным записям, учебной литературе и соответствующим методическим указаниям. Для выполнения лабораторной работы необходимо подготовить в рабочей тетради бланк отчета по лабораторной работе. В заголовке отчета указывается номер лабораторной работы, полное ее наименование. В отчет необходимо включить цель проведения работы, задачи проведения лабораторной работы, перечень используемого оборудования и электроизмерительных приборов, электрические схемы, таблицы и расчетные формулы. Неподготовленные студенты к выполнению лабораторной работы не допускаются. После выполнения лабораторной работы отчет дополняется результатами расчета и в случае необходимости векторными диаграммами,
а также основными выводами. Векторные диаграммы вычерчивать в соответствии с выбранным масштабом.
Лабораторные работы выполняются на лабораторном стенде представленном на Рисунке 1.
Рисунок 1. Лабораторный стенд.
Лабораторный стенд включает в себя три источника питания: 1 - постоянного напряжения 220 В; 2 - трехфазного переменного напряжения 220 В; 3 - трехфазного переменного напряжения 36 В. Все источники питания включаются автоматическими выключателями. На лабораторном стенде имеются электроизмерительные приборы
4
постоянного тока: 4,5,6 - амперметры, 7 - вольтметр и переменного тока: 8 - киловаттметр переменного трехфазного тока, 9,10,11,12, 13, 14, 15, 16, 17, 19 - амперметры, 18 - вольтметр, 20 - трехфазный электрический счетчик, 21 - однофазный электрический счетчик. Для сборки узлов используется «наборное поле» - 23 (белые линии указывают на соединение между собой соответствующих гнезд). Для исследования свойств электрических цепей на стенде имеется различная нагрузка: 22, 24, 27 - резисторы; 25 - индуктивная катушка со стальным сердечником; 26 - конденсатор. В стенд также встроены трансформаторы: 28 - однофазный и
29 - трехфазный. К клеммам 30 подведена дополнительная обмотка трехфазного трансформатора состоящая из 35 витков провода. Позиция 31 (на стенде красная кнопка)
соответствует кнопке аварийного одновременного отключения всех стендов в лаборатории.
При выполнении лабораторной работы необходимо строго следовать правилам техники безопасности.
Собранные электрические схемы должны быть обязательно проверены преподавателем.
Переключения и исправления в собранной электрической цепи разрешается проводить только при отключенном источнике питания. При обнаружении повреждений электрического оборудования и приборов на стенде, а также при появлении дыма, специфического запаха или искрения необходимо отключить источник питания стенда и сообщить о произошедшем преподавателю. После проведения лабораторной работы схемы с разрешения преподавателя должны быть разобраны.
5
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.
Цель проведения работы.
Целью проведения лабораторной работы является проверка закона Ома для неразветвленной цепи однофазного переменного тока состоящего из активного, индуктивного и емкостного сопротивлений.
Задачи проведения лабораторной работы.
Врезультате проведения лабораторной работы студенты должны:
знать закона Ома и основные свойства неразветвленной цепи однофазного переменного тока состоящего из активного, индуктивного и емкостного сопротивлений;
уметь собирать простейшие электрические схемы, выбирать электроизмерительные приборы, измерять основные электрические величины, проводить вычисления и делать выводы.
Перечень наглядных пособий, оборудования и электроизмерительных приборов.
При выполнении этой лабораторной работы используются: источник переменного трехфазного тока с напряжением 220 В (2), проволочный резистор (24), катушка индуктивности (25), конденсатор (26), амперметр (9, 15) и вольтметр (18) электромагнитной системы, ваттметр электродинамической системы, соединительные провода.
Теоретический материал.
Электрическая цепь с последовательным соединением активных, индуктивных и емкостных элементов называется последовательным колебательным контуром.
Будем считать, что под действием Э.Д.С. источника электрической энергии в
6
рассматриваемой цепи протекает синусоидальный ток:
i = im sin t.
Напряжение на активном сопротивлении:
uR = uRm sin t.
Напряжение на катушке индуктивности:
uL = uLm sin ( t + /2 ).
Напряжение на конденсаторе:
uC = uCm sin ( t - /2 ).
Падение напряжения на всех элементах рассматриваемого контура определяется как сумма напряжений на всех элементах:
u = uR + uL + uC
Построим векторную диаграмму при условии, что XL < XC, то есть UL < UC..
Векторная диаграмма строится для действующих значений:
UR=IR , UL=IXL,, UC=IXC
Вектор результирующего напряжения U замыкает многоугольник векторов UR, UL, UC.
Вектор (UL + UC) определяет напряжение на индуктивности и емкости. Как видно из диаграммы, это напряжение может быть меньше напряжения на индуктивности и емкости. Это объясняется процессом обмена энергией между индуктивностью и емкостью.
Получим закон Ома для рассматриваемой цепи. Модуль вектора рассчитывается как разность действующих значений (UL - UC). Из векторной диаграммы следует, что
U = ( UR2 + ( UL - UC )2 )1/2.
Но UR = IR, а UС = IXС и UL = IXL, следовательно
U = I ( R2 + ( XL - XC )2 )1/2 ,
7
откуда
I = U / ( R2 + (XL - XС)2 )1/2.
Введем обозначение ( R2 + ( XL - XС )2 )1/2 = Z, где Z - полное сопротивление цепи. Закон Ома для этой цепи:
I = U / Z.
Разность между индуктивным и емкостным сопротивлением (XL - XС) называют реактивным сопротивлением цепи.
Прямоугольный треугольник образованный векторами напряжений UR, (UL + UC), U
называется треугольником напряжений. Поскольку все элементы в рассматриваемой цепи соединены последовательно, то через все элементы цепи протекает один и тот же ток, то уравнение, связывающее напряжения U = ( UR2 + ( UL - UC )2 )1/2 , переходит в уравнение:
Z2 = [ R2 + ( XL - XС )2 ]2.
Этому уравнению можно сопоставить прямоугольный треугольник, называемый треугольником сопротивлений:
реактивное сопротивление положительно и сопротивление носит активно-
индуктивный характер. При XL < XС реактивное сопротивление отрицательно и сопротивление цепи носит активно-емкостной характер. Знак сдвига фаз между током и напряжением получим автоматически, так как реактивное сопротивление - величина алгебраическая:
tg = X / R .
Таким образом, при XL XС преобладает или индуктивное или емкостное сопротивление, то есть с энергетической точки зрения цепь с R, L и C сводится к цепи с R, L или R, C.
Мгновенная мощность:
p = ui = UI cos - UI cos (2 t + ).
Знак определяется из tg = X / R. Активная, реактивная и полная мощность такой цепи определяется равенствами:
8
P = UI cos , Q = U I sin , S = UI = ( P2 + Q2 )1/2.
Треугольник мощности для этой цепи имеет вид:
На современных промышленных предприятиях большинство потребителей электрической энергии переменного тока представляют собой активно-индуктивную нагрузку в виде асинхронных электродвигателей, силовых трансформаторов, сварочных трансформаторов, преобразователей и так далее. В такой нагрузке в результате протекания переменного тока индуктируются э.д.с. самоиндукции, обуславливающие сдвиг по фазе между током и напряжением. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а cos уменьшается при малой нагрузке. Например, если cos двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75 - 0,8, то при малой нагрузке он уменьшается до 0,2 - 0,4.
Если мощность потребляемая всеми приемниками в данных цепях, является вполне определенной, то при неизменном напряжении на зажимах приемника их ток:
I= P / (U cos )
Суменьшением cos ток нагрузки электростанций и подстанций будет увеличиваться
при одной и той же отдаваемой мощности.
Вместе с тем электрические генераторы, трансформаторы и линии электропередач рассчитываются на определенное напряжение и ток. Увеличение тока потребителя при снижении cos не должно превышать определенных пределов, так как питающие их генераторы рассчитываются на определенную номинальную мощность Sном = Uном Iном,
вследствие чего они не должны оказаться перегруженными. Для того чтобы ток генератора не превышал номинального значения при снижении cos потребителя, необходимо снижать его активную мощность. Таким образом, понижение cos потребителей вызывает неполное использование мощности синхронных генераторов, трансформаторов и линий электропередач.
Они бесполезно загружаются за счет индуктивного реактивного тока
Величину cos , характеризующую использование активной мощности, часто называют
9
коэффициентом мощности.
Коэффициентом мощности называют отношение активной мощности к полной:
cos = P/S
Коэффициент мощности показывает, какая часть электрической энергии необратимо преобразуется в другие виды энергии и, в частности, используется на выполнение полезной работы. Нормальным считается cos 0,85 - 0,9. При низком коэффициенте мощности на предприятия, потребляющие электроэнергию, накладывается штраф, при высоком -
предприятия премируются.
Для улучшения коэффициента мощности проводится ряд мероприятий:
заменяются двигатели переменного тока, нагруженные относительно мало, двигателями меньшей мощности;
включаются параллельно приемникам конденсаторы.
Вэлектротехнике под резонансным режимом работы цепей переменного тока понимают режим, при котором сопротивление цепи является чисто активным. По отношению к источнику питания элементы цепи ведут себя в резонансном режиме как активное сопротивление, поэтому ток и напряжение в неразветвленной части цепи совпадают по фазе. Реактивная мощность цепи при этом равна нулю.
Возможны два основных случая резонанса: при последовательном соединении реактивных элементов контура с источником возможен резонанс напряжений, а при параллельном соединении - резонанс токов.
Резонансом напряжений называют явление в цепи с последовательным соединением элементов, когда ток в цепи совпадает по фазе с напряжением источника.
Найдем условия резонанса напряжений. Для того чтобы ток в цепи совпадал по фазе с напряжением, реактивное сопротивление должно равняться нулю, так как
tg = X / R = ( XL - XC ) / R.
Таким образом, условием резонанса напряжений является равенство реактивного сопротивления цепи нулю, или
XL = XC.
Но XL = L, а XC = 1 / С, где - частота источника питания. В результате можно
10