Електротехнічних систем

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

 

 

Затверджено

на засідання кафедри

електротехнічних систем

протокол № 8 від 01.02.2013 р.

Тираж 70

 

 

Вимогам, що ставляться до

навчально-методичних видань,

відповідає

 

Зав. кафедри ЕТС О.О.Ситник

 

 

Теоретичні основи електротехніки

Лабораторний практикум

 

для студентів напряму підготовки

6.050701 „Електротехніка та електротехнології”

 

 

Весь цифровий і фактичний матеріал та бібліографічні

    Зав. кафедри ЕТС Ситник Олександр Олексійович, к.т.н., професор

Відповідальний редактор

    Черкаси   Лабораторний практикум з дисципліни “Теоретичні основи електротехніки” для…  

ЗМІСТ

Вступ.........................................................................................................................
Лабораторна робота №1.Вивчення електровимірювальних приладів та техніки вимірювання електричних величин..........................................................
Лаб Лабораторна робота №2.Дослідження розгалужених кіл методом вузлових потенціалів і методом накладання……………………………...……..
Лабораторна робота №3.Дослідження однофазних кіл синусоїдного струму..............................…………………………..................................................
Лабораторна робота №4.Дослідження кола однофазного синусоїдного струму з послідовним з’єднанням активного та реактивних опорів...................
Лабораторна робота №5.Дослідження кола однофазного синусоїдного струму з паралельним з’єднанням активного опору, індуктивності та ємності ..............................…………………………...............................................
Лабораторна робота №6.Дослідження електричних кіл з індуктивними зв’язками……………………………………...........................................................
Лабораторна робота №7.Дослідження трифазних кіл...................................... Лабораторна робота №8.Дослідження однофазних кіл несинусоїдного струму...........................………………………......................................................... Лабораторна робота №9.Дослідження нелінійних кіл на постійній напрузі……………………………………............................................................... Лабораторна робота №10.Дослідження перехідних процесів у лінійних колах…………………………………….................................................................. Лабораторна робота №11.Дослідження пасивного чотириполюсника........... Лабораторна робота №12.Дослідження котушки з феромагнітним осердям в колі змінного струму.............................................................................. Лабораторна робота №13.Дослідження однофазного трансформатора......... Лабораторна робота №14.Дослідження електричного кола з розподіленими параметрами…….…...................................................................... Література ………………………………..............................................................

ВСТУП

Мета лабораторних робіт — закріпити основні теоретичні положення і навчитися користуватись сучасною вимірювальною технікою, набути навичок самостійної обробки та узагальнення експериментальних даних.

 

ОРГАНІЗАЦІЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

Лабораторні роботи виконують бригади з 2-3 осіб. У процесі підготовки кожен студент повинен засвоїти теоретичну частину і підготувати звіт із схемами всіх дослідів і таблицями для занесення результатів.

Завдання до лабораторної роботи вибирають згідно з номером бригади за відповідними таблицями, які містяться в рекомендаціях до роботи.

До лабораторної роботи допускаються студенти, які підготували звіт про виконувану роботу, добре уявляють програму роботи, мають оформлений звіт про роботу, виконану на попередньому занятті.

Кожен студент оформляє звіт про виконану лабораторну роботу на аркушах формату А4 (210×197) згідно з ГОСТ 9327-60. У кінці кожної роботи потрібно ставити дату виконання й підпис.

Лабораторні роботи захищають в індивідуальному порядку. Студенти, які розпочали виконувати наступний цикл лаборатор­них робіт, зобов’язані досконало вивчити правила техніки безпеки при роботі з діючими електротехнічними установками і суворо їх дотримуватися.

 

УНІВЕРСАЛЬНИЙ ЛАБОРАТОРНИЙ СТЕНД УЛС-ЛПИ

Усі лабораторні роботи виконують на універсальному лабораторному стенді УЛС-ЛПИ (надалі — стенд). Перед початком робіт потрібно ознайомитись з будовою стенду, порядком вмикання-вимикання, заміною знімних блоків, навчитися користуватися електро­вимірювальними приладами, розміщеними на стенді, а також електронно-променевим осцилографом.

Електроживлення стенду здійснюється трифазною напругою 380/220 В.

 

ПОРЯДОК РОБОТИ НА СТЕНДІ

Перед початком роботи встановити на робоче місце потрібний знімний блок (за вказівкою викладача).

УВАГА. Виймати й вставляти блоки при ввімкненій напрузі живлення категорично забороняється.

Робота трифазного блоку живлення:

- увімкнути тумблер "СЕТЬ", при цьому засвітяться світлодіоди, що вказують на наявність трьох фаз;

- натиснути кнопку "ВКЛ" джерела живлення випрямленої постій­ної напруги 24 В;

- при відпусканні кнопки починає світитися світлодіод;

- вимкнути джерело живлення ±24 В, натиснувши кнопку "ВИКЛ";

- аналогічно вмикається і вимикається джерело живлення 12 В і трифазної напруги. При цьому починають світитися відповідні світлодіоди.

 

Робота однофазного блоку живлення:

- увімкнути тумблер "СЕТЬ";

- натиснути кнопку "ВКЛ"— засвітиться світлодіод;

- ручкою регулятора напруги регулюється напруга змінна та випрямлена одночасно, а їхні виводи розділені;

- тумблером А2 до виходу постійної напруги підключити згладжуючу ємність;

- вимкнути джерело живлення тумблером "СЕТЬ".

 

Робота блока генератора:

- увімкнути блок генератора тумблером "СЕТЬ";

- вибрати потрібний піддіапазон частот, натиснувши одну з кно­пок піддіапазонів;

- встановити необхідну частоту поворотом "ГРУБО" або "ТОЧНО";

форму вихідного сигналу вибрати, натиснувши одну з трьох кнопок: " ", " ", " ";

- рівень вихідного сигналувстановити ручкою " ".

 

Робота блока фазометра:

- увімкнути блок фазометра тумблером "СЕТЬ";

- блок фазометра мав струмові 0-U1, 0-U2 і потенціальні 0-U1, 0-U2 входи;

- вхід φ₁ гальванічно від’єднати від входу φ₂.

 

Робота блока амперметра:

- підімкнути в схему клеми блока амперметрів (можливо шість одночасних підімкнень);

- увімкнути на передній панелі блока кнопку "СЕТЬ";

- підімкнути до клем потрібні точки (кіл)і за допомогою перемикачів підімкнути амперметр у необхідне коло. У вимкненому стані перемикачі служать перемичками;

- за допомогою кнопки "±" можна змінити полярність вимірювання постійного струму.

 

Робота блока мультиметра:

- мультиметром можна вимірювати частоту і амплітуду сигналів;

- увімкнути тумблер "СЕТЬ" на панелі мультиметра;

- увімкнути живлення блока мультиметра тумблером "ВКЛ";

- за допомогою з’єднувальних проводів підімкнути прилади до вимірюваних кіл;

- вимірювальними приладами користуватися за вказівкою викладача.

 

Робота блока опорів:

- під’єднати з’єднувальними проводами схему до клем блоку;

- виставити ручками перемикачів потрібний опір від 1 до 9999 Ом;

- увімкнути джерела живлення й провести вимірювання.

 

Робота блока живлення і ємностей:

- під’єднати з’єднувальними проводами схему до клем блока;

- виставити ручками перемикачів 0,0001...0,0099 Гн; 0,1...99,9 мкф;

- увімкнути джерела живлення й провести вимірювання.

 

 

 

Лабораторна робота №1

 

ВИВЧЕННЯ ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНИХ ПРИЛАДІВ

ТА ТЕХНІКИ ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ВЕЛИЧИН

Мета роботи: 1) ознайомитися з класифікацією електровимірювальних приладів; 2) вивчити будову, умовні знаки на шкалах приладів та умови вмикання приладів у коло для вимірювання струму, напруги, потужності й інших електричних величин; 3) перевірити справедливість закону Ома для розгалуженого кола постійного та змінного струму.

 

Короткі теоретичні відомості

Вимірювання електричних величин здійснюються прямими і посередніми способами. Прямими називаються такі вимірювання, за яких вимірювану фізичну величину… Метод безпосередньої оцінки – це вимірювання невідомої величини безпосередньо за показами вимірювальної величини,…

Таблиця 1.1 - Умовні позначення приладів безпосередньої оцінки

Умовне позначення	Пояснення умовного позначення	Умовне позначення	Пояснення умовного позначення
	Вольтметр показувальний		Омметр показувальний
	Вольтметр із цифровим відліком		Вольтметр із неперервною реєстрацією
	Амперметр показувальний		Вольтметр реєструючий
	Ватметр показувальний		Амперметр реєструючий
	Фазометр показувальний		Ватметр реєструючий
	Частотомір показувальний		Лічильник ват-годин

Таблиця 1.2 – Умовні позначення на шкалах електровимірювальних приладів

Позначення знака	Пояснення	Позначення знака	Пояснення
	Магнітоелектричний прилад із рухомою рамкою		Феродинамічний прилад
	Магнітоелектричний логометр із рухомими рамками		Індукційний прилад
	Прилад із випрямною системою		Магнітоіндукцій-ний прилад
	Електромагнітний прилад		Прилад з електронною системою
Продовження таблиці 1.2
	Електродинамічний прилад		Прилад з електронною системою
	Постійний струм	1,5	Клас точності в разі нормування похибки в процентному діапазоні вимірювання
	Змінний однофазний струм		Негативний полюс джерела
	Постійний і змінний струм		Позитивний полюс джерела
	Трифазний струм (загальне позначення)		Генераторний затискач для ватметрів, а також амперметрів
	Горизонтальне положення шкали		Затискач (гвинт, шпилька) для заземлення
	Вертикальне положення шкали		Захист від зовнішнього магнітного поля
	Вимірювальне коло ізольоване від корпусу і випробуване при напрузі 2 кВ		Захист від зовнішнього електричного поля

 

Програма роботи

1. Оглянути шкали приладів і умовні позначення на них, визначити ціну поділки та з’ясувати призначення затискачів. 2. Набути навичок вмикання в електричне коло електровимірювальних приладів та… 3. Виміряти потужність, напругу і струм в разі живлення схеми постійним та змінним струмом.

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з приладами і обладнанням та записати їх технічну характеристику в таблицю 1.3.

 

Таблиця 1.3 – Технічна характеристика електровимірювальних приладів

Назва приладу

Тип

Заводський номер

Система

Клас точності

Межі вимірювань

Ціна поділки

Характер шкали

Примітка

 

2. Скласти схему вимірювання напруги, сили струму та потужності при змінному та постійному струмі (рисунок 1.1).

V

A

W

F

R1

R2

*

*

A

B

C

~220 В

Рисунок 1.1 – Схема для вимірювання напруги, сили струму

Та потужності

3. Після перевірки схеми викладачем увімкнути напругу в схему, виміряти силу струму в колі та потужність при вказаних викладачем значеннях напруги джерела живлення та різних положеннях повзунка реостата

 

Результати вимірювань занести до таблиці 1.4

 

Таблиця 1.4

Номер вимірювання та номер напруги	Виміряно	Обчислено
, В	, А	, Ом	, Ом	, Вт	, В	, А	, Ом	, Ом	, Вт	, Ом

 

4. Вимкнути напругу, роз’єднати затискачі 1, 2 та під’єднати схему до затискачів 3, 4 містка постійного струму. Ввімкнути напругу, виміряти силу струму, потужність та інші параметри при тих самих значеннях напруги і опору, що були задані у випадку живлення схеми змінною напругою. Результати вимірювань занести до таблиці 1.4.

5. На основі одержаних результатів обчислити напругу, струм, опір, потужність, користуючись відомими формулами закону Ома та потужності. Результати обчислення занести до таблиці 1.4. Порівняти одержані результати при живленні схеми змінним та постійним струмом, зробити висновки.

6. Скласти звіт про виконану роботу. До протоколу слід включити використані основні формули та обчислення.

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Електрична схема, за якою проводились дослідження.

3. Таблиця вимірювань та обчислень.

4. Висновки.

 

Контрольні питання

1. Що називають вимірюванням і які основні методики вимірювання?

2. Назвіть системи електровимірювальних приладів та наведіть їх умовні позначення.

3. Яких класів точності виготовляють електровимірювальні прилади та що означає клас точності?

4. Зарисуйте схему вмикання ватметра в коло однофазного струму.

5. Як визначити ціну поділки шкали ватметра, вольтметра, амперметра?

 

Лабораторна робота №2

 

ДОСЛІДЖЕННЯ РОЗГАЛУЖЕНИХ КІЛ

МЕТОДОМ ВУЗЛОВИХ ПОТЕНЦІАЛІВ І МЕТОДОМ НАКЛАДАННЯ

 

Мета роботи— експериментально перевірити розрахунок ліній­ного електричного кола методом вузлових потенціалів і методомнакладання.

 

Короткі теоретичні відомості

Найтиповішою задачею розрахунку електричного кола є така, в якій за заданою конфігурацією схеми, параметрами її пасивних елементів і джерел електроенергії визначають струми віток, напру­ги на ділянках, споживані потужності. Для розв’язання поставленої задачі можна використовувати різні методи. Розглянемо два з них: метод вузлових потенціалів і метод накладання.

Метод вузлових потенціалів

Кількість незалежних рівнянь, складених за методом вузлових потенціалів, буде (n—кількість вузлів у схемі). Задамо довільним числом потенціал вузла n схеми (зручно ) і складемо ( )… В загальному випадку gkk— власна провідність k-го вузла, тобто сума провідностей усіх віток, що сходяться у k-му…

Метод накладання

Метод розрахунку, що базується на визначенні струму в тій самій вітці при почерговому впливі джерел енергії і наступному алгебраїчному додаванні цих… При розрахунку кіл методом накладання діють наступним чином: почергово… Зауваження. Метод вузлових потенціалів і метод накладання можна застосовувати для розрахунку й аналізу лінійних…

Програма роботи

1. Виміряти потенціали всіх вузлів у конкретному електричному колі та струми в усіх вітках.

2. Задаючись почергово значеннями та , виміряти струми в усіх вітках кола.

3. Розрахувати коло методом вузлових потенціалів і методом накладання, порівняти з результатами експериментів.

 

Порядок виконання роботи

R2 R1 I1 a …

Рисунок 2.1 - Схема блока № 1

2. Зібрати коло (рисунрк 2.1), задати параметри джерел ЕРС відповідно до таблиці 2.1, виміряти потенціали всіх вузлів відносно базисного, наведеного в таблиці 2.1, а також струми в пасивних вітках. Дані записати в таблицю 2.2.

 

Таблиця 2.1

Параметр	Номер досліду
Е1, В
Е2, В
Базисний вузол	a	b	a	b

 

3. Встановити послідовно та у кожному випадку виміряти струми в пасивних вітках, дані записати в таблицю 2.2.

4. У результаті обробки експериментальних даних розрахувати коло методом вузлових потенціалів при заданих E₁ і E₂ та базисному вузлі (див. таблицю 2.1), занести результати розрахунків до таблиці 2.2, порівняти з результатами експериментів і зробити висновки.

 

Таблиця 2.2

Метод	Результати	Потенціал вузлів, В	Струм віток, мА
φa	φb	І1	І2	І3
Вузлових потенціалів	Дослідні
Розраховані
Накладання	Від Е1	Дослідні
Розраховані
Від Е2	Дослідні
Розраховані
сума	Дослідні
Розраховані

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Схеми дослідів.

3. Перелік використаних приладів.

4. Таблиці заданих параметрів.

5. Таблиці дослідних і розрахункових значень.

6. Основні розрахункові співвідношення.

7. Висновки по роботі.

 

 

Контрольні питання

2. Структура розрахункових рівнянь за методом вузлових потенціалів. 3. Розрахункові рівняння для схем, які мають одну і більше віток з ідеальними… 4. Вибір базисного вузла і його вплив на потенціали інших вузлів.

Лабораторна робота №3

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНИХ КІЛ СИНУСОЇДНОГО СТРУМУ

 

Мета роботи:набути навичок роботи з електровимірювальними приладами, експериментально перевірити основні розрахункові спів­відношення в простих однофазних колах синусоїдного струму; навчи­тися будувати векторні діаграми.

Короткі теоретичні відомості

Основний метод розрахунку кіл синусоїдного струму — комплекс­ний (символічний); він полягає в переході від пасивних елементів R, L, С, джерел ЕРС ( ) іджерела струму ( ) до комплексних зображень (до комплексних опорів, ЕРС, струмів) відповідно до таблиці 3.1.

 

Таблиця 3.1

Назва елемента	Схемне позначення	Комплексне зображення
Опір (резистор)	R
Індуктивність	L
Продовження таблиці 3.1
Ємність	C
Джерело ЕРС		Комплексна амплітуда
Комплексне діюче значення
Джерело струму		Комплексна амплітуда
Комплексне діюче значення

 

Подальший розрахунок виконують на основі:

- закону Ома

— для комплексних амплітуд;

— для комплексних діючих значень;

- І закону Кірхгофа

— для будь-якого вузла;

- ІІ закону Кірхгофа

— для будь-якого замкненого контуру.

Об’єкти дослідження в цій роботі: індуктивна котушка, схе­му заміщення якої показано на рисунку 3.1; нерозгалужене коло — на рисунку 3.2; розгалужене коло — на рисунку 3.3 а,б.

Для індуктивної котушки (див. рисунок 3.1) використовують такі співвідношення:

для комплексних відповідно струму, напруги, опору

; (3.1)

Lк

Rк

Рисунок 3.1 - Схема заміщення індуктивної котушки

C

E·sin(ω·t)

Lк

R

Rк

UC

Рисунок 3.2 - Нерозгалужене коло змінного струму

 

UR = UC

C

E·sin(ω·t)

Lк

R

Rк

а)

 

UR = Uk

C

E·sin(ω·t)

Lк

R

Rк

UC

б)

Рисунок 3.3 - Розгалужене коло змінного струму

для модулів відповідно струму, напруги, опору

; . (3.2)

За експериментальними даними вимірювань P, U, I можна визначити параметри R_к, L_к котушки:

;

. (3.3)

Для нерозгалуженого кола (див. рисунок 3.2):

(3.4)

Для розгалуженого кола (див. рисунок 3.3, а):

(3.5)

Для розгалуженого кола (див. рисунок 3.3 б):

 

(3.6)

Векторні діаграми ілюструють закони Ома і Кірхгофа для контрольного кола. Векторні діаграми зображують на міліметрівці, суворо дотримуючись обраного масштабу, після визначення всіх струмів і напруг у комплексній формі.

 

Програма роботи

1. Експериментально визначити параметри різних котушок індуктивностей на універсальному лабораторному стенді УЛС-ЛПИ.

2. Побудувати в масштабі векторні діаграми струмів і напруг при послідовному та змішаному з’єднанні опорів R, Х_L і Х_C.

 

Порядок виконання роботи

O1 * * Lк …

Рисунок 3.4 - Просте електричне коло змінного струму

 

Таблиця 3.2

Котуш-ка

Номер

Експериментальні дані

Розрахункові дані

U, B

I, A

φ, o

f, Гц

R, Ом

L, Гн

Z, кОм

Р, Вт

Rk, Ом

Хk, Ом

Lk, Гн

 

Таблиця 3.3

Номер бригади	Котушка 1	Котушка 2	U, B
Rk, Ом	Lk, мГн	Rk, Ом	Lk, мГн
		69,9

2. Зібрати нерозгалужене коло змінного струму (рисунок 3.5), виміряти струм і напругу на вході та на окремих елементах кола. Заповнити таблицю 3.4.

С

R

O1

*

*

Lk

Rk

A

V

φ

O2

U1

ЛАТР

Uk

UR

UC

Рисунок 3.5 - Нерозгалужене коло змінного струму

 

Таблиця 3.4

Вихідні дані згідно з номером бригади за табл. 3.6	Дані	U, B	I, A	UR, B	Uk, B	UC, B	φ, O	P, Вт
	Експеримен-тальні
Розрахункові

 

3. При обробці експериментальних даних визначити покази всіх приладів, занести до таблиці 3.2, побудувати векторну діаграму, вважаючи заданими вхідні напруги U і параметри R, R_k, L_k, С. Порівняти експериментальні та розрахункові дані, зробити висновки.

4. Зібрати розгалужене коло (рисунок 3.6 або 3.7 згідно з варіантом таблиці 3.6), виміряти струми і напруги на елементах, за­нести значення до таблиці 3.5.

С

R

O1

*

*

Lk

Rk

A

V

φ

O2

U1

ЛАТР

UR=Uk

UC

Рисунок 3.6 - Розгалужене коло змінного струму

 

С

R

O1

*

*

Lк

Rk

A

V

φ

O2

U1

ЛАТР

URk

UR=UC

 

Рисунок 3.7 - Розгалужене коло змінного струму

Таблиця 3.5

Вихідні дані згідно з номером бригади за табл. 3.6	Дані	U, B	I, A	UR, B	Uk, B	UC, B	φ, O	P, Вт
	Експеримен-тальні
Розрахункові

 

5. При обробці експериментальних даних визначити покази всіх приладів, вважаючи заданими U і параметри кола. Заповнити таблицю 3.5, порівняти експериментальні та розрахункові дані, зробити висновки, побудувати векторну діаграму.

Таблиця 3.6

Номер бригади	R, Ом	Rk, Ом	Lk, мГн	С, мкФ	U, B	Рисунок до таблиці 3.5
			69,9			3.6
						3.7
						3.6
						3.7
						3.6

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Схеми експериментів.

3. Таблиці результатів вимірювань і розрахунки.

4. Векторні діаграми.

5. Висновки.

Контрольні питання

1. Що таке послідовне (паралельне) з’єднання елементів кола?

2. Пояснити порядок розрахунку кіл синусоїдного струму.

3. Записати закони Ома й Кірхгофа в комплексній формі.

4. Перелічити основні параметри синусоїдних напруг (струмів).

5. Записати розрахункові співвідношення для простих нерозгалужених кіл.

6. Пояснити побудову векторних діаграм.

 

Лабораторна робота №4

ДОСЛІДЖЕННЯ КОЛА ОДНОФАЗНОГО СИНУСОЇДНОГО СТРУМУ З ПОСЛІДОВНИМ З’ЄДНАННЯМ АКТИВНОГО ТА РЕАКТИВНИХ ОПОРІВ

Мета роботи:1) вивчити метод обчислення нерозгалуженого електричного кола однофазного синусоїдного струму; 2) побудувати векторні діаграми напруг та струмів для різних видів навантаження; 3) визначити параметри окремих елементів електричного кола, а також коефіцієнт потужності установки; 4) вивчити явища резонансу напруг; 5) зарисувати осцилограми напруг на різних елементах кола та визначити зсув фаз між напругою та струмом.

Короткі теоретичні відомості

I R E …

Рисунок 4.1 – Нерозгалужене коло однофазного синусоїдного струму

На рисунку 4.1 зображене нерозгалужене коло однофазного синусоїдного струму. В такому колі, якщо підвести напругу

(4.1)

виникає синусоїдний або гармонічний струм

(4.2)

де і - відповідно миттєве та амплітудне значення напруги;

та - відповідно миттєве та амплітудне значення струму;

- кутова швидкість;

- час;

- кут зсуву фаз між напругою та струмом.

Кутову швидкість можна визначити за формулою

(4.3)

а кут зсуву фаз між напругою і струмом визначають так:

(4.4)

де - частота однофазного синусоїдного струму.

Величини, що входять до формули (4.4),

(4.5)

(4.6)

називають відповідно індуктивним та ємнісним опорами, а їх різницю

(4.7)

реактивним опором кола.

Залежно від співвідношення та у колі можливі три режими роботи.

Перший режим роботи . Якщо , то переважатиме індуктивне навантаження, і кут зсуву фаз між напругою і струмом буде додатним, тобто струм відставатиме в часі від напруги. Залежно від співвідношення опорів та кут зсуву фаз буде змінюватися в межах .

Другий режим роботи . Якщо ж , то переважатиме ємнісне навантаження, і кут буде від’ємним, тобто струм випереджатиме в часі напругу, підведену до електричного кола. Кут зсуву фаз буде змінюватися в межах .

Побудову векторних діаграм електричного кола з послідовним з’єднанням активного опору, конденсатора та котушки за виміряними напругами на їх затискачах зображено на рисунку 4.2 а, б. При цьому треба враховувати, що у котушці без осердя повний опір активний опір індуктивний опір та індуктивність залишаються сталими у випадку зміни струму у колі при сталій частоті.

I

а)

б)

 

Рисунок 4.2 – Векторна діаграма напруг та струму для послідовного з’єднання активного опору, котушки і конденсатора при різному характері навантаження (а) індуктивне навантаження; б) ємнісне навантаження)

Третій режим роботи . У колі однофазного змінного струму з послідовно з’єднаним активним опором , активним опором котушки , індуктивним і ємнісним опорами за умови, коли настає рівність між індуктивним і ємнісним опорами, тобто , виникає резонанс напруг. При резонансі

(4.8)

тобто зсуву фаз між напругою і струмом немає,

Повний опір у цьому випадку

 

(4.9)

а струм у колі

(4.10)

досягає максимального значення і називається резонансним.

Отже, таке коло має властивості кола з активним опором. Проте явища, що відбуваються у ньому, відрізняються від процесів, які відбуваються у колі тільки з активним опором.

Реактивні опори і не впливають на струм у колі, а їх значення Спади напруг на опорах і також не дорівнюють нулю, вони зсунуті за фазою на половину періоду і взаємно компенсують одна одну, як це зображено на рисунку 4.3.

Рисунок 4.3 – Векторна діаграма напруг і струму при резонансі напруг

Діючі значення цих напруг

 

(4.11)

 

називаються резонансними напругами.

У колі, для якого ці напруги більші від прикладеної напруги у стільки разів, у скільки реактивний опір або більший від активного апору ; такі напруги можуть бути небезпечними для технічних установок.

Реактивна складова потужності у колі дорівнює нулю, але на ділянках з опорами і вона не дорівнює нулю. Реактивні потужності пульсують із подвоєною частотою, протилежні за фазою і обмінюється місцями на ділянці кола. Обміну потужностями між котушкою і мережею (генератором), а також між конденсатором і мережою живлення не буде.

Отже, ділянка кола з і утворює коливальний контур, в якому відбувається обмін енергією; частоту обміну можна знайти із рівності , тобто

 

(4.12)

 

Ця частота називається власною, або резонансною частотою коливального контуру.

Резонанс у колі настає тоді, коли власна частота контуру збігається з частотою струму живлення (частотою вимушених коливань).

Математичні залежності між електричними величинами в колі з послідовним з’єднанням активного та реактивних опорів можна одержати із трикутників напруг, опорів та потужностей (рисунок 4.4). Одержані рівняння наведені в таблиці 4.1.

а)

в)

б)

Рисунок 4.4 – Трикутники напруг (а), опорів (б) та потужностей (в) у випадку X_L > X_C

В енергетичному відношенні кожний з елементів кола змінного струму R, L і C зумовлює характерне явище, що належить тільки цьому елементу. В активному опорі R відбувається необоротний процес перетворення електричної енергії у теплову, реактивні елементи L і C характеризують властивості кола змінювати енергію магнітного поля котушки на енергію електричного поля конденсатора:

 

(4.13)

 

де , - максимальна енергія відповідно магнітного кола котушки та електричного поля конденсатора, Дж; - індуктивність котушки, Гн; - амплітудне значення сили струму, А; - ємність конденсатора, Ф; - амплітудне значення напруги, В.

 

Таблиця 4.1

Рівняння, одержані з трикутника напруг	Рівняння, одержані з трикутника опорів	Рівняння, одержані з трикутника потужностей
	де - активний опір котушки

 

Враховуючи, що електровимірювальні прилади показують діючі значення змінного струму та напруги, їх максимальне значення визначають за формулами

 

(4.14)

 

Програма роботи

2. Для трьох режимів роботи зняти покази всіх електровимірювальних приладів при заданій викладачем напрузі живлення. 3. За допомогою електронного осцилографа визначити зсув фаз на опорах,… 4. Виконати необхідні обчислення.

Порядок виконання роботи

2. Скласти схему послідовного з’єднання активного опору котушки індуктивності L та ємності C (рисунок 4.5). …

Рисунок 4.5 – Електрична схема експериментальної установки

3. Після перевірки схеми викладачем подати напругу на автотрансформатор, відрегулювати напругу і струм довільної величини, але в межах номінального значення для котушки, реостата і вимірювальних приладів.

4. Вмикаючи вимикачі В₁, В₂, …, приєднати по черзі щупи вольтметра V₂ до затискачів котушки L та ємності C, встановити спад напруги U_L > U_C, що відповідатиме нерівності X_L> X_C. Дані вимірювань занести до таблиці 4.2.

5. Змінюючи значення С, зробити те саме, встановити спад напруги таким чином, щоб U_L< U_C, дані вимірювань занести до таблиці 4.2.

6. Для дослідження резонансу напруг у колі необхідно встановити автотрансформатором напругу на затискачах кола в межах 25-50 В і надалі підтримувати її сталою. Змінюючи ємність С (або індуктивність L), встановити рівність , дані вимірювань занести до таблиці 4.2 (під час резонансу); зменшуючи ємність С від резонансу, зробити не менше чотирьох вимірювань і занести їх до таблиці 4.2 (вимірювання до резонансу); потім, збільшуючи ємність конденсаторної батареї С від резонансу, теж зробити не менше ніж чотири вимірювання і занести їх до таблиці 4.2 (вимірювання після резонансу).

7. За допомогою осцилографа, як зображено на рисунку 4.5, зняти осцилограми з екрана та зарисувати їх у звіті, позначивши зсув фази відносно напруги, прикладеної до затискачів кола.

8. За даними таблиці 4.2 обчислити всі величини, наведені в таблиці 4.3. При цьому необхідно користуватися формулами таблиці 4.1.

Таблиця 4.2

№ пп	Виміряно	Умови вимірювання
U, В	I, А	UR, В	UL, В	UC, В	P, Вт	L, Гн	C, мкФ
									під час резонансу
									До резонансу
									Після резонансу

 

Таблиця 4.3

Умови вимірю-вання

U, В

R, Ом

RK, Ом

XK, Ом

XC, Ом

Z, Ом

I, А

C, Ф

L, Гн

cosj

j, град

S, ВА

P, Вт

Q, вар

We, Дж

Wм, Дж

Wм - We

Примітки

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Електрична схема експериментальної установки.

3. Таблиці 4.2 та 4.3.

4. Побудовані за даними досліду в масштабі векторні діаграми та трикутники напруг, опорів і потужностей для трьох випадків: ; ; .

5. Побудовані резонансні криві I(C), Z(C) в одній системі координат.

6. Порівняння дослідних та розрахованих результатів.

7. Осцилограми напруг на різних опорах.

8. Висновки з роботи.

 

 

Контрольні питання

2. Як визначити ємність конденсатора за даними вимірювання струму, напруги і частоти в колі конденсатора? 3. Чому дорівнює повний опір кола з послідовно з’єднаними активним,… 4. Від яких факторів залежить коефіцієнт потужності в колі і за якої умови він дорівнюватиме одиниці?

Лабораторна робота № 5

ДОСЛІДЖЕННЯ КОЛА ОДНОФАЗНОГО СИНУСОЇДНОГО СТРУМУ З ПАРАЛЕЛЬНИМ З’ЄДНАННЯМ АКТИВНОГО ОПОРУ, ІНДУКТИВНОСТІ ТА ЄМНОСТІ

Мета роботи: 1) дослідити, як впливає зміна індуктивності та ємності на струм, потужність, коефіцієнт потужності в розгалуженому колі однофазного змінного струму за сталої напруги живлення; 2) дослідити резонанс струмів; 3) навчитися будувати векторні діаграми струмів, провідностей і потужностей; 4) зарисувати осцилограми струмів, перевірити на досліді можливість компенсації реактивної потужності, тобто підвищення .

 

Короткі теоретичні відомості

  (5.1)  

Рисунок 5.1 – Електрична схема експериментальної установки у випадку паралельного з’єднання опорів

Цей струм збігається за фазою з прикладеною до кола напругою. Струм у другій паралельній гілці (у котушці індуктивності):

(5.3)

або з урахуванням активного опору котушки та одержимо

(5.4)

Цей струм відстає за фазою від напруги на кут :

(якщо ). (5.5)

Струм у третій паралельній гілці (в конденсаторі):

(5.6)

(5.7)

 

Струм випереджає за фазою прикладену напругу на кут близько 90^о. Опори слід вибрати такими, щоб

 

За законом Кірхгофа, струм у нерозгалуженій частині кола дорівнює геометричній сумі струмів у гілках:

(5.8)

Як і у випадку послідовного з’єднання опорів при паралельному з’єднанні може бути три режими:

У першому випадку загальне навантаження буде індуктивне (рисунок 5.2), у другому – ємнісне (рисунок 5.3), у третьому – при повній компенсації настає резонанс струмів (рисунок 5.4).

Умова виникнення резонансу струмів у розгалуженому колі визначається з рівняння

(5.9)

У цьому випадку реактивні провідності однакові між собою, тобто , реактивна складова струму в колі дорівнює нулю, а

(5.10)

як це зображено на рисунку 5.4.

U

U

 

 

Рисунок 5.2 – Векторна діаграма Рисунок 5.3 – Векторна діаграма

Струмів та напруг для випадку струмів та напруг для випадку

      …

Рисунок 5.4 – Векторна діаграма струмів та напруг для випадку

 

З (5.9) видно, що резонанс струмів можна отримати зміною однієї з чотирьох величин: та або їх комбінацій.

У досліджуваній схемі можна змінювати як ємність, так і індуктивність (виймаючи осердя котушки).

Обчислюючи параметри елементів схеми, необхідно використовувати такі співвідношення:

повний опір індуктивної вітки, Ом,

індуктивність котушки, Гн, де - активний опір котушки;

реактивний опір котушки, Ом,

реактивна провідність котушки, 1/Ом,

повний опір ємнісної вітки, Ом,

оскільки , то можна вважати, що

ємність конденсатора, мкФ,

реактивна провідність ємнісної вітки, См,

повна реактивна провідність, См = Ом^-1,

повна провідність кола, См, .

Математичні залежності між електричними величинами в колі з паралельним з’єднанням індуктивності та ємності можна одержати із трикутників струмів, провідностей та потужностей (рисунок 5.5).

 

а)

б)

в)

Рисунок 5.5 – Трикутники струмів (а), провідностей (б), потужностей (в) для випадку

Програма роботи

1. Набути навичок збирання електричних схем. Виміряти напруги, струми та потужності для трьох режимів роботи кола: Виконати необхідні обчислення.

2. Зарисувати осцилограми струмів згідно з рисунком 5.1. Побудувати в масштабі векторні діаграми для всіх режимів роботи.

3. Скласти звіт.

 

Порядок виконання роботи

1. Ознайомитися з обладнанням та вимірювальними приладами. Записати паспортні дані вимірювальних приладів та обладнання (див. лабораторну роботу №1).

Таблиця 5.1

№ пп	Виміряти дані	Умови вимірювання
U, В	I1, А	IR, А	IL, А	IC, А	P, Вт	L, Гн	C, мкФ	R, Ом
										Для випадку, коли
										Для випадку, коли
										Для випадку, коли
										До резонансу
										Після резонансу

 

2. Зібрати схему паралельного з’єднання активного опору, котушки індуктивності та ємності (див. рисунок 5.1).

3. Після перевірки схеми викладачем ввімкнути задану напругу і протягом усього досліду підтримувати її незмінною; змінюючи або , установити струми такими, щоб (за показами амперметрів).

4. Зарисувати осцилограми струмів у цьому випадку. Дані вимірювань занести до таблиці 5.1.

5. Змінюючи або , установити струми такими, щоб (за показами амперметрів).

6. Зарисувати осцилограми струмів. Дані вимірювань занести до таблиці 5.1.

7. Змінюючи ємність індуктивність , добитися резонансу, щоб струм в нерозгалуженій частині кола був мінімальним.

8. Зарисувати осцилограми струмів. Дані вимірювань занести до таблиці 5.1.

9. Для побудови резонансних кривих необхідно від величини ємності , (при якій виник резонанс) змінювати ємність вниз від резонансу (не змінюючи і ), а потім вверх від резонансу таким чином, щоб одержати не менше ніж чотири значення в кожний бік, результати спостережень записати до таблиці 5.1.

10. За даними таблиці 5.1 обчислити величини, вказані в таблиці 5.2.

 

Таблиця 5.2

Умови

Обчислені дані

Z1, Ом

g1, Ом

вL, Ом

вC, Ом

Y, Ом

I1, А

C, Ф

L, Гн

cosj

j, град

S, ВА

P, Вт

Q, вар

We, Дж

Wм, Дж

Wм-We

RK, Ом

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Електрична схема експериментальної установки (рисунок 5.1).

3. Таблиці 5.1, 5.2.

4. Побудовані за дослідними даними в масштабі трикутники струмів, провідностей і потужностей, векторні діаграми та осцилограми для трьох випадків:

5. Побудовані резонансні криві в одній системі координат , , , .

6. Порівняння дослідних та обчислених даних.

7. Висновок про вплив активної провідності на різницю енергій .

 

Контрольні питання

2. Показати, як обчислюється та , використовуючи покази вимірювальних приладів. 3. Пояснити побудову векторних діаграм. 4. Пояснити, як за осцилограмами можна визначити кут зсуву фаз.

Лабораторна робота №6

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ З ІНДУКТИВНИМИ ЗВ’ЯЗКАМИ

 

Мета роботи : дослідно перевірити розрахункові співвідношення в колах з індуктивними зв’язками.

 

Короткі теоретичні відомості

Потокозчепленням самоіндукції називається сумарний потік, що пронизує окремі витки контуру і зумовлений струмом того самого контуру:   де L — індуктивність контуру;

Рисунок 6.1 - Магнітозв’язані контури

 

Потокозчепленням взаємоіндукції називається сумарний потік, який пронизує витки контуру і зумовлений струмом сусіднього контуру:

 

де — потокозчеплення взаємоіндукції другого контуру;

М₂₁ — коефіцієнт взаємоіндукції між першим і другим контурами;

і₁ — струм першого контуру.

Коефіцієнт взаємоіндукції залежить від розмірів і взаємного розміщення контурів, а також від магнітної проникності середо­вища, в якому вони розміщені.

Якщо потокозчеплення взаємоіндукції змінюється в часі, виникає ЕРС взаємоіндукції.

Наприклад, ЕРС взаємоіндукції другого контуру

 

якщо

 

Аналогічні співвідношення можна дістати, якщо струм проходить в другому контурі, а ЕРС наводиться в першому. Для магнітних кіл

Коли і сумарне потокозчеплення контуру складається з потокозчеплення самоіндукції і взаємоіндукції.

Залежно від взаємного напряму потоків самоіндукції та взаємоіндукції розрізняють узгоджене і зустрічне вмикання контурів. За узгодженого вмикання контурів потокозчеплення самоіндукції та взаємоіндукції збігаються за напрямом. Затискачі, що належать до різних індуктивно зв’язаних котушок, називаються однойменними, якщо струми, однаково спрямовані відносно цих затискачів, забезпечують додавання потоків самоіндукції та взаємоіндукції. Однойменні затискачі позначають однаково. На рисунку 6.2 показано однойменні затискачі попарного взаємоіндуктивного зв’язку трьох котушок, позначених зірочкою.

 

*

*

*

 

Рисунок 6.2 - Маркування затискачів котушок

 

Взаємоіндуктивний зв’язок впливає на результуюче потокозчеплення котушок при зміні результуючого потокозчеплення в часі змінюється ЕРС котушки, тобто її результуючі параметри.

У ході розрахунків індуктивно зв’язаних елементів необхідно враховувати напруги на індуктивностях як від самоіндукції, так і від взаємоіндукції.

Напруги від самоіндукції:

в диференційній формі

 

в комплексній формі

 

Вони спрямовані так, як і струм, що зумовив їх (рисунок 6.3, а).

Напруги від взаємоіндукції:

в диференційній формі

 

в комплексній формі

 

 

 

Вони спрямовані так, як і струми, що їх спричинили, відносно одноймен­них затискачів (рисунок 6.3, б). Очевидно, правила знаків для U_L і U_m однакові.

L

а)

 

і1

L1

L2

і2

M

б)

Рисунок 6.3 - Напрям стру­мів і напруг від індукції та самоіндук­ції

 

Для складання рівнянь необхідно користуватися рисунком 6.3. Наприклад, у колі (рисунок 6.4) рівняння за законами Кірхгофа мають вигляд

(6.1)

Із (6.1) можна визначити струми і

Якщо на схемі взаємозв’язаних індуктивних котушок (рисунок 6.4) другу обмотку розімкнути, то наведена напруга на другій обмотці Випрямивши цю напругу вольтметром ( ), легко визначити коефіцієнт взаємної індуктивності (при ):

(6.2)

 

R2

M

L1

R1

L2

ZH

 

Рисунок 6.4 - Взаємозв’язані індуктивні котушки

 

При послідовному з’єднанні індуктивно зв’язаних котушок (рисунок 6.5) і прикладеній синусоїдній напрузі коло описується рівнянням

(6.3)

або

(6.4)

де

 

Знак "+" перед доданком, який містить коефіцієнт взаємної індуктивності М, відповідає узгодженому вмиканню котушок, знак "−" — зустрічному.

Еквівалентні індуктивності відповідно при узгодженому і зустрічному вмиканні будуть:

 

 

звідки

(6.5)

Досліджуючи коло (рисунок 6.5), можна визначити взаємну індуктивність котушок, а також розмітити однойменні затискачі.

При паралельному з’єднанні індуктивно зв’язаних котушок (рисунок 6.6) рівняння Кірхгофа мають вигляд:

(6.6)

де

 

Знак "+" відповідає узгодженому вмиканню котушок.

 

L2

L1

R2

R1

M

Рисунок 6.5 - Послідовне з’єднання індуктивно зв’язаних котушок

 

M

L1

R1

R2

L2

 

Рисунок 6.6 - Паралельне з’єднання індуктивно зв’язаних котушок

 

Рівняння (6.6) можна перетворити до такого вигляду:

(6.7)

 

За (6.7) можна накреслити схему без індуктивних зв’язків (рисунок 6.7). Перехід від схеми з індуктивними зв’язками до схеми без індуктивних зв’язків називається розв’язкою.

 

R1

R2

Рисунок 6.7 - Схема без індуктивних зв’язків

 

Програма роботи

1. Визначити параметри R₁, R₂, L₁ і L₂ двох індуктивно зв’язаних котушок.

2. Визначити взаємну індуктивність двох котушок із різними з’єднаннями.

3. Побудувати векторні діаграми для узгодженого і зустрічного з’єднань котушок.

4. Дослідити роботу котушок в режимі трансформатора при холостому ході і в режимі навантаження.

 

Порядок виконання роботи

2. Зібрати схему (рисунок 6.8), визначити параметри R1, R2, L1 і L2 двох індуктивно зв’язаних котушок. Виміряти дві різні напруги (з метою…   O2 * * Lk, Rk …

Рисунок 6.8 - Схема для визначення параметрів котушки

 

Таблиця 6.1

Номер коту-шки	Номер дослі- ду	Напруга на виході, В	Струм на виході, А	φ, ...о	, Ом	Вт	R, Ом	X, Ом	Rсер, Ом	Lсер, Гн

 

4. Визначити взаємну індуктивність М двох котушок за результатами послідовного узгодженого і зустрічного вмикання, для чого потрібно зібрати коло (рисунок 6.9), виконати вимірювання при узгодженому і зустрічному послідовному з’єднанні котушок, занести результати вимірювань до таблиці 6.2.

 

O2

*

*

L1

І1

A

V

φ

O1

U2

ЛАТР

L2

a)

 

 

O2

*

*

L1

І1

A

V

φ

O1

U2

ЛАТР

L2

б)

 

Рисунок 6.9 - Схема для визначення взаємоіндуктивності

 

Таблиця 6.2

Вид вмикання	Напруга на вході, В	Струм на вході, А	φвх, …о	Zвх, Ом	Р, Вт	Rпосл, Ом	Lпосл, Гн	Взаємоіндук-тивність М, Гн
Узгоджене
Зустрічне

 

4. При обробці дослідних даних побудувати векторні діаграми для узгодженого і зустрічного з’єднань котушок.

5. Визначити взаємну індуктивність М цих самих котушок у режимі трансформатора при холостому ході, для чого зібрати коло (рисунок 6.10), виконати вимірювання, дані занести до таблиці 6.3.

Таблиця 6.3

Режим роботи	Вхідна напруга, В	Вхідний струм, А	Напруга другої обмотки, В	φ, … о	Потужність, Вт	Взаємоіндук-тивність М, Гн

 

6. Дослідити роботу трансформатора при навантаженні, для чого зібрати коло (рисунок 6.11), виконати вимірювання, дані занести до таблиці 6.4.

O2

*

*

L1

І1

A

V

φ

O1

U2

ЛАТР

L2

V

Рисунок 6.10 - Режим трансформатора при холостому ході

O2

*

*

L1

І1

A

V1

φ

O1

U2

ЛАТР

L2

A

ZH

V2

Рисунок 6.11 - Режим трансформатора при навантаженні

Таблиця 6.4

Режим	Вхідна напру-га, В	Вхідний струм, А	φ, … о	Потуж-ність P, Вт	Наванта-ження	Напру-га другої обмот-ки, В	Струм другої обмот-ки, А	Резуль-тати
Трансфор-матор при наванта-женні								Досліду
							Розра-хунку

 

7. При обробці результатів розрахувати коло в режимі роботи при

навантаженні, вважаючи заданими U₁, параметри трансформатора R₁, L₁, R₂, L₂, M і навантаження зняти покази приладів, порівняти з експериментальними даними, зробити висновки. Побудувати векторну діаграму всіх струмів і напруг у колі.

Вихідні дані до лабораторної роботи наведено в таблиці 6.5.

Таблиця 6.5

Номер варіанта	Положення вимикачів блока №5
L1, мГн	L2, мГн

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Схеми дослідів, таблиці розрахункових і дослідних даних.

3. Розрахунки.

4. Векторні діаграми.

5. Висновки по роботі.

 

Контрольні питання

2. Як визначити ЕРС взаємоіндукції? 3. Що таке коефіцієнт взаємоіндукції та від чого він залежить? 4. Яке вмикання називається узгодженим, а яке зустрічним?

Таблиця 7.1

Режим роботи

Вихідні дані

UAB, В

UBC, В

UCA, В

UA, В

UB, В

UC, В

IA, А

IB, А

IC, А

φA, град

φB, град

φC, град

PA, Вт

PB, Вт

PC, Вт

PЗАГ, Вт

Несиметричний з нульовим проводом

Дослідні

Розраховані

Обрив у фазі з нульовим проводом

Дослідні

Розраховані

Несиметричний без нульового проводу

Дослідні

Розраховані

Обрив у фазі без нульового проводу

Дослідні

Розраховані

 

6. При обробці дослідних даних кожний студент виконує роз­рахунок одного режиму згідно із завданням за таблицею 7.2. Побу­дувати векторну діаграму струмів і напруг, порівняти розрахункові та експериментальні дані, зробити висновки.

Таблиця 7.2

Номер варіанта	Вид з’єднання	Положення перемикачів	З’єднати контакти блока № 8	Під’єднати до мережі живлення контакти блока № 8	Режим роботи
		Будь-яке	X-Y-Z	1,3,5	З’єднання зіркою, несиметрич­-не навантажен-ня
		1,2 - розімкнене	X-Y-Z	1,2,4
		1,2- замкнене	X-Y-Z	1,2,4
		1 - замкнене, 2 - розімкнене	X-Y-Z	1,2,4
		1 - замкнене, 2 - розімкнене	X-Y-Z	1,2,4
Продовження таблиці 7.2
	Δ	Будь-яке	1 - 2, 3 - X, 5 - Y	1,3,5	З’єднання трикутни­-ком, неси­метричне наванта­жен-ня
	Δ	1,2- замкнене	1 - 2, 2 - X, 4 - Y	1,2,4
	Δ	1,2 - розімкнене	1 - 2, 2 - X, 4 - Y	1,2,4
	Δ	1 - розімкнене, 2 - замкнене	1 - 2, 2 - X, 4 - Y	1,2,4
	Δ	1 - замкнене, 2 - розімкнене	1 - 2, 2 - X, 4 - Y	1,2,4

 

Таблиця 7.3

Режим роботи

Вихідні дані

UAB, В

UBC, В

UCA, В

UA, В

UB, В

UC, В

IA, А

IB, А

IC, А

φA, град

φB, град

φC, град

PA, Вт

PB, Вт

PC, Вт

PЗАГ, Вт

Несиметричне навантаження

Дослідні

Розраховані

Обрив у фазі

Дослідні

Розраховані

Обрив у лінії

Дослідні

Розраховані

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Порядок виконання роботи.

3. Схеми дослідів.

4. Розрахунки.

5. Таблиці результатів вимірювань і розрахунків.

6. Векторні діаграми.

 

Контрольні питання

 

1. У чому перевага трифазного кола перед однофазним?

2. Як визначити порядок проходження фаз дослідним шляхом?

3. Зв’язок між симетричними системами фазних і лінійних на­пруг для трифазного кола при з’єднанні джерела і приймачів зіркою.

4. Зв’язок між фазними напругами приймача і фазними ЕРС дже­рела для зірки без нульового і з нульовим проводом.

5. Роль нульового проводу в трифазних колах при з’єднанні дже­рела і приймачів зіркою.

6. Чи змінюються режими роботи інших фаз при зміні опору на­вантаження в одній фазі для зірки з нульовим проводом і без нього?

7. Зв’язок між симетричними системами лінійних і фазних стру­мів у трифазному колі при з’єднанні приймачів трикутником.

8. Як змінюються режими роботи інших фаз, якщо приймачі з’єд­нано трикутником?

9. Чому дорівнює активна потужність, що виділяється на трифаз­ному приймачі?

10. Як виміряти активну потужність трипровідного трифазного ко­ла двома ватметрами?

11. Як виміряти реактивну потужність у симетричному трифазному колі за допомогою ватметра для вимірювання активної потуж­ності?

12. Як виміряти режим роботи кола, якщо стався обрив лінійного проводу?

13. Як розрахувати трифазне коло при з’єднанні трикутником, якщо опір лінійних проводів і фаз генератора не дорівнює

нулю?

 

Лабораторна робота №8

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНИХ КІЛ НЕСИНУСОЇДНОГО СТРУМУ

 

Мета роботи : дослідно перевірити методику розрахунку елект­ричних кіл при періодичних негармонічних впливах.

 

Короткі теоретичні відомості

Кожну періодичну функцію що задовольняє умові Діріхле (всі реальні сигнали цю умову задовольняють), можна рос­класти в ряд Фур’є:    

Таблиця 8.1

Графік функції	Розкладання в ряд Фур’є
Аm T0 T t
T t Аm
T t Аm

 

Подання ЕРС і струмів джерел енергії у вигляді рядів Фур’є еквівалентне заміні одного несинусоїдного джерела одним постійним джерелом, яке відповідає нульовій гармоніці А₀, і синусоїдними джерелами.

Використовуючи принцип накладання, тобто розглядаючи дію кожної гармоніки джерела ЕРС (струму) окремо, можна знайти власні реакції кола, тобто струми (напруги), які відшукуємо в колі у вигляді окремих гармонічних складових.

Повна реакція кола при цьому дорівнює сумі гармонічних складових струмів (напруг), які шукаємо.

Таким чином, розрахунок лінійного кола з несинусоїдними джерелами енергії зводиться до п-кратного розрахунку кола (п — кількість гармонік, які враховують, включаючи нульову).

При п-кратному розрахунку потрібно врахувати, що індук­тивні та ємнісні опори кола залежать від номера гармоніки:

 

 

Розрахунок для кожної гармоніки подають у комплексній формі з використанням найбільш зручних методів.

 

Програма роботи

1. Увімкнути джерело несинусоїдної напруги, осцилографувати напругу на виході джерела напруги, виміряти його нульову гармо­ніку і діюче значення.

2. Під’єднати до джерела коло, яке досліджуємо, згідно з номером бригади (таблиця 8.2), осцилографувати напругу на кожному елементі електричної схеми (рисунок 8.1).

Таблиця 8.2

Номер бригади	№ п/п у бригаді	Елемент для розрахунку	Схема, рисунок
		R	8.1, а)
	L
	C
	VD
		R	8.1, б)
	L
	C
		R	8.1, в)
	L
	C
		R	8.1, г)
	L
	C

 

3. Нанести вісі на осцилограми, вказати масштаби за вісями напруги і часу.

4. Кожному члену бригади визначити значення напруги на відповідному елементі схеми, вказаному викладачем, від дії чотирьох гармонік; побудувати графік напруги, яку досліджуємо, порівняти з осцилограмою, зробити висновки.

5. Розрахувати діюче значення напруги на вході, порівняти з показами приладів у п. 1.

 

 

С

L

R

VD

ЛАТР

ГІ

C

L

R

а) б)

 

ГІ

C

L

R

ГІ

C

L

R

в) г)

Рисунок 8.1 - Досліджувані електричні схеми

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Схеми дослідів.

3. Таблиця вимірювань напруги на вході.

4. Розрахунок діючого значення напруги на вході.

5. Осцилограми напруги на вході і напруг на елементах схеми, яку досліджують.

6. Розрахунок напруги на виході на чотирьох гармоніках.

7. Графік напруги на виході за результатами розрахунку.

8. Висновки.

 

Контрольні питання

1. Методика розрахунку кіл несинусоїдного струму.

2. Вимірювання несинусоїдних сигналів.

3. Розкладання в ряд Фур’є.

4. Потужність у колах несинусоїдного струму.

 

Лабораторна робота №9

 

ДОСЛІДЖЕННЯ НЕЛІНІЙНОГО КОЛА НА ПОСТІЙНІЙ НАПРУЗІ

 

Мета роботи — набути навичок знімання вольт-амперних харак­теристик (ВАХ) нелінійних елементів; експериментально перевірити графічний метод розрахунку нелінійних кіл при послідовно-пара­лельному з’єднанні віток і метод ітерації; дослідити стабіліза­тор напруги.

 

Короткі теоретичні відомості

За визначенням НЕ випливає, що ВАХ НЕ в cистемі координат U, I має нелінійний характер. Отримати ВАХ можна дослідним шляхом, для чого на НЕ подають… Залежно від вигляду ВАХ розрізняють НЕ з симетричною та несиметричною… Нелінійні елементи в робочій точці ВАХ характеризуються статичним Rст і динамічним Rд опорами.

Рисунок 9.1 - ВАХ нелінійного елемента

 

Нелінійні струми постійного струму в усталених режимах описуються системою рівнянь за законами Кірхгофа, але в цьому разі, на відміну від лінійних кіл, система рівнянь нелінійна і, як правило, не має аналітичного розв’язку. В зв’язку з цим практичне застосування мають чисельні методи з використанням ЕОМ, графічні та графоаналітичні методи. Графічний метод — аналог методу еквівалентних перетворень, який використовується в лінійних колах, застосовується в основному в колах з послідовно-паралельним з’єднанням елементів і зводиться до побудови еквівалентних ВАХ усього кола чи окремих його частин.

При послідовному з’єднанні елементів (нелінійних і лінійних) для побудови еквівалентних ВАХ складають напруги на ВАХ окремих елементів при однакових струмах, при паралельному з’єднанні - стру­ми на ВАХ окремих елементів при однакових напругах.

Чисельні методи розрахунку нелінійних кіл мають, як прави­ло, ітераційну суть. Ітераційні рівняння складають заміною НЕ невідомими статичними опорами і знаходженням у загальному вигляді напруг і струмів на НЕ (як у звичайному лінійному колі). При цьому для НЕ, ВАХ яких нахиляється до вісі струмів, знаходять струм НЕ, а для НЕ, ВАХ яких нахиляється (загинається) до вісі напруг, — нап­ругу. В протилежному випадку не забезпечується конвергенція ітераційного процесу. Наприклад, для кола (рисунок 9.2) ітераційні рівняння мають вигляд:

 

 

де R_cm1, R_cm2 — статичні опори НЕ1, НЕ2 (ВАХ нелінійних елементів показано на рисунку 9.3).

 

НЕ1

НЕ2

I1

I2

IН

RН

А

В

Рисунок 9.2 - Досліджувана електрична схема

 

I

U

Рисунок 9.3 - ВАХ нелінійних елементів

Розрахунок здійснюють у такому порядку.

Задаються значеннями і нульового наближення. За ВАХ НЕ1 і НЕ2 визначають , і статичні опори для ітераційних рівнянь, знаходять і першого наближення і переходять з новими даними до попереднього пункту.

Розрахунок виконують доти, доки не будуть виконуватись умови

 

 

 

Програма роботи

1. Зняти вольт-амперні характеристики нелінійних елементів, які досліджуються.

2. Розрахувати вхідний струм і напруги на резисторах елект­ричної схеми, що досліджується, для значення вхідної напруги, заданої викладачем.

3. Перевірити дослідно отримані результати.

 

Порядок виконання роботи

1. Встановити на лабораторний стенд блок №12.

2. Зняти ВАХ НЕ в 6-8 точках робочого діапазону напруг (струмів). Результати занести до таблиці 9.1.

УВАГА! Максимальний струм схеми, яку досліджуємо, не по­винен перевищувати 500 мА.

Таблиця 9.1

№ п/п	Нелінійний елемент
НЕ1	НЕ2
U1, B	I1, мA	U2, B	I2, мA

 

4. Зняти ВАХ електричної схеми з нелінійними елементами (див. рисунок 9.2). Дані занести до таблиці 9.2.

 

Таблиця 9.2

№ п/п	U, B	I, мA

Таблиця 9.3

№ п/п	Навантаження RH, Ом	Навантаження RH, Ом	Напруга, B
Дослід 1	Дослід 2

 

 

6. При обробці дослідних даних побудувати на одному графіку в узгоджених масштабах: ВАХ окремих НЕ і еквівалентну ВАХ схеми, яку досліджуємо.

7. Побудувати залежність для двох зна­чень навантаження, наведених у таблиці 9.3 (графи 1-3).

8. За заданими значеннями навантаження й напруги на вході розрахувати струми і напруги схеми методом ітерації (таблиця 9.3, графи 4, 5). Розрахунок виконувати за таблицею 9.4.

 

Таблиця 9.4

Номер ітера-ції	U1, B	I2, мА	ВАХ НЕ	Rcm1, Ом	Rcm2, Ом	Із ітераційних рівнянь
I1, мА	I2, мА	U1, B	I2, мА

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Схеми дослідів.

3. Таблиці з результатами дослідів і розрахунків.

4. Розрахункові вирази.

5. Графіки.

6. Висновки.

 

Контрольні питання

1. Які електричні кола називаються нелінійними?

2. Особливості розрахунку нелінійних кіл постійного струму.

3. Приклади використання НЕ.

4. Особливості розрахунку кіл з НЕ.

5. Суть графічного розрахунку нелінійних кіл.

6. Суть ітераційного розрахунку нелінійних кіл.

 

Лабораторна робота №10

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕХІДНИХ ПРОЦЕСІВ У ЛІНІЙНИХ КОЛАХ

 

Мета роботи — вивчити перехідні процеси в електричних колах першого та другого порядку.

 

 

Короткі теоретичні відомості

Процеси, які спостерігаються в колі при переході від одного усталеного режиму до іншого, називаються перехідними. Перехід реального електричного…    

Програма роботи

 

1. За заданим критичним опором визначити параметри поолідовного RLC-контуру.

2. Зняти осцилограми напруг на елементах RLC-контуру при і

3. Порівняти результати досліду та теоретичні розрахунки.

 

Порядок виконання роботи

  С R …

Рисунок 10.1 - Досліджувані кола першого порядку

 

До входу досліджуваного кола під’єднати генератор імпульсів напруги прямокутної форми. Встановити тривалість імпульсів напруги генератора t_i і період повтору Т від­повідно до завдання (він має бути більшим за час згасання перехідних процесів у дослід­жуваних колах). Рівень імпульсів встановити 1 В. Імпульси напруги на вході і виході кола слід спостерігати за допомогою осцилографа.

2. Зарисувати осцилограми напруг на елементах досліджуваних схем.

3. Визначити тривалість перехідного процесу і порівняти отримані результати з дослідними.

4. Згідно з варіантом (таблиця 10.1) дослідити електричне коло другого порядку (рисунок 10.2).

RК

R

C

L

RК

R

C

L

а) б)

R

C

L

RК

RК

R

C

L

в) г)

Рисунок 10.2 - Досліджувані кола другого порядку

Таблиця 10.1

Номер варіанта	f, Гц	L, мГн	С, мкф	Схема, рисунок
				10.2, а)
				10.2, а)
				10.2, а)
				10.2, б)
				10.2, б)
				10.2, б)
				10.2, в)
			0,1	10.2, в)
			0,5	10.2, в)
			0,1	10.2, г)
			0,1	10.2, г)

Зауваження. Опір R вибрати самостійно з умови, щоб пере­хідний процеc на ємності С закінчувався за час, який дорівню­вав 3/4 тривалості імпульсу.

 

5. Зарисувати осцилограми напруг на елементах схеми. За ними визначити частоту вільних коливань контуру, час згасання пере­хідного процесу, кількість періодів вільних коливань, логарифмічний декремент згасання, добротніcть контуру.

6. Порівняти дослідні дані з розрахунковими.

7. Визначити мінімальний опір, який необхідно ввести в послі­довний контур, щоб отримати аперіодичний характер перехідних про­цесів.

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Схеми дослідів.

3. Параметри досліджуваних кіл.

4. Розрахунки величин, які необхідно знайти.

5. Графіки розрахункових напруг.

6. Осцилограми напруг у досліджуваних колах.

7. Висновки.

 

Контрольні питання

2. Пояснити застосування законів комутації для дослідження перехідних процесів класичним методом. 3. На прикладі одного з досліджуваних перехідних процесів показати його вільну… 4. Суть операторного методу аналізу перехідних процесів і його переваги й недоліки.

Лабораторна робота №11

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ПАСИВНОГО ЧОТИРИПОЛЮСНИКА

 

Мета роботи:експериментально дослідити первинні параметри пасивних чотириполюсників і розрахувати еквівалентні параметри їх Т- і П-подібних схем заміщення.

 

Короткі теоретичні відомості

Чотириполюсники поділяють на активні й пасивні, лінійні та нелінійні, симетричні й несиметричні. Активним називається чотириполюсник, у якого напруги на розімкнених вхідних і… Нелінійним називається чотириполюсник, схема якого має не­лінійні елементи, ввімкнені таким чином, що залежність між…

Таблиця 11.1

Еквівалентна схема	Параметри еквівалентної схеми залежно від параметрів чотириполюсника	Параметри чотириполюсника залежно від параметрів еквівалентної схеми
Т-подібна
П-подібна

 

Отримані співвідношення дають змогу визначити А-параметри чотириполюсника, а також з урахуванням великої кількості дослідів перевірити вірогідність експериментальних даних:

 

 

Далі можна розрахувати будь-який режим роботи даного чотириполюсника, знаючи його і Z_H.

 

Програма роботи

1. Провести дослід холостого ходу і короткого замикання для дослідного чотириполюсника.

2. Визначити параметри схеми заміщення.

3. Для заданого навантаження визначити струми і напруги чотириполюсника.

 

Порядок виконання роботи

  1′ …

Рисунок 11.1 - Електрична схема дослідження чотириполюсника

 

Результати вимірювань і розрахунків занести до таблиці 11.2

 

Таблиця 11.2

Дослід х.х. 1

Дослід к.з. 1

Дослід х.х. 2

Дослід к.з. 2

 

2. Перевірити вірогідність експериментальних даних за умовою

 

Якщо похибка перевищує 5%, досліди повторити.

3. За даними таблиці 11.2 розрахувати А-параметри чотириполюс­ника.

Перевірити правильність розрахунків за умовою

 

4. За знайденими сталими чотириполюсника за таблицею 11.1 роз­рахувати параметри однієї із схем заміщення (за вказівкою викла­дача) і показати її у звіті.

5. Дослідити чотириполюсник у режимі навантаження. Дані за­нести до таблиці 11.3.

 

Таблиця 11.3

Дані	U1	I1	φ1	U2	I2
Дослідні
Розрахункові

 

6. Використовуючи дані п.3 (сталі чотириполюсника), напру­гу і опір навантаження Z_H, визначити струми І₁ і І₂, напругу U₂ і кут φ. Отримані результати занести до таблиці 11.3 у рядок "Розрахункові дані" і порівняти їх з результатами досліду.

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Схеми дослідів.

3. Розрахунки заданих величин.

4. Таблиці дослідних і розрахункових величин.

5. Висновки по роботі.

 

Контрольні питання

1. Записати основні рівняння чотириполюсника у формі А і пояснити фізичний зміст А-параметрів.

2. Що визначає вибір рівнянь чотириполюсника в тій чи іншій формі (A, Z, Y, G, B, Н)?

3. Дати означення характеристичних параметрів чотириполюс­ника.

4. Вивести формулу для визначення А-параметрів чотириполюсника.

 

Лабораторна робота №12

 

ДОСЛІДЖЕННЯ КОТУШКИ З ФЕРОМАГНІТНИМ

ОСЕРДЯМ В КОЛІ ЗМІННОГО СТРУМУ

 

Мета роботи: ознайомитися з будовою котушки із осердям; пересвідчитися, що котушка є нелінійним елементом; навчитися визначати за дослідними даними параметри еквівалентної схеми та будувати векторну діаграму; експериментально дослідити закономірності зміни параметрів котушки з осердям при зміні підведеної напруги та повітряного зазору.

 

Короткі теоретичні відомості

Застосування феромагнітного осердя в реактивній котушці дозволяє не тільки багаторазово підсилити магнітне поле, але й надати їй нові властивості:… Нелінійність котушки з феромагнітним осердям перевіряють по формі струму на… При аналізі електромагнітних процесів в такій котушці доцільно загальний магнітний потік, зчеплений з її обмоткою,…

Рисунок 12.1 - Схема заміщення котушки з феромагнітним осердям

Рівняння електричної рівноваги для схеми заміщення може бути записане для миттєвих значень

(12.3)

Параметри схеми заміщення залежать від струму, а відповідно і від прикладеної напруги. Лише в тому випадку, коли струм без великої похибки можливо замінити синусоїдним, рівняння (12.3) можна записати в символічній або векторній формі

або

(12.4)

і тоді можна побудувати векторну діаграму.

Дослідне визначення параметрів схеми заміщення котушки з осердям пов’язано з певними труднощами та вимагає постановки спеціальних експериментів, так як, вимірюючи напругу, струм та активну потужність, можливо отримати лише еквівалентні опори

(12.5)

При цьому активний опір r_е враховує втрати в міді γ та втрати в осерді g₀, а реактивний опір х_е — відповідно L_s та L₀. Якщо активний опір обмотки можна виміряти на постійному струмі, що дозволяє отримати активну провідність, то більш простого способу визначення індуктивності розсіяння не існує.

Тому для спрощення задаються відношенням:

(12.6)

де

Нижня межа відноситья до реактивних котушок малої потужності, а верхня — до потужних. Задаючись величиною k, усі параметри визначаються без складності: з досліду на змінному струмі можна отримати r_е та x_е, з досліду на постійному струмі — опір обмотки

(12.7)

Задаючись величиною k, можна визначити по (12.6) після чого розрахувати параметри намагнічуючого контуру g₀ та L₀ по відомим формулам

(12.8)

Рисунок 12.2

Рекомендовано векторну діаграму будувати в такій послідовності: обрати масштаби для напруги та струму m_U та m_I відкласти вертикально вектор напруги а під кутом φ в сторону відставання вектор струму підрахувати cпад напруги на активному та реактивному опорах обмотки и відкласти їх як показано на рис. 12.2 та отримати вектор ЕРС Е₀.

Під кутом 90° в сторону відставання побудувати основний потік за напрямком.

Експериментальне дослідження котушки при зміні напруги U дозволяє встановити закономірність зміни струму та еквівалентних опорів (рисунок 12.3, а).

Графік залежності аналогічний до кривої намагнічування, оскільки

а

(12.9)

Дослідження котушки зі сталевим осердям при зміні повітряного зазору в осерді при дозволяє встановити характер зміни еквівалентних опорів та коефіцієнта потужності

І А

Z, x, r Ом

U B

a)

Z Ом

б)

в.од.

δ мм

Рисунок 12.3 - Графіки залежності зміни напруги,

Струму та еквівалентних опорів

Залежність індуктивності близька до гіперболічної. Так як активний опір при постійності В_т не дуже змінюється, зміна повного опору буде аналогічна зміні індуктивності.

Збільшення повітряного зазору призводить до випрямлення вольт-амперної характеристики котушки. На рисунку 12.3, б зображені криві зміни повного еквівалентного опору та від величини повітряного зазору.

Програма роботи

2. По дослідним даним п.7 розрахувати повний Ze, активний re та реактивний xe опори, а також коефіцієнт потужності cosφ котушки. Результати… 3. По даним таблиці 12.3 побудувати в одній системі координат графіки… 4. Привести осцилограми миттевих значень напруги та струму

Порядок виконання роботи

1. Провести зовнішній огляд котушки зі сталевим осердям, ознайомитися з конструкцією магнітопроводу, розташуванням обмотки, занести в таблицю 12.1 паспортні дані котушки.

 

Таблиця 12.1

№ п/п	Наймену-вання приладів та апаратів	Позна-чення на схемі	Вимірю-вальний механізм	Клас точ-ності	Межі вимір-ювання або номінальні параметри	Шка-ла	Ціна поділ-ки	При-мітки

 

2. Ознайомитися з приладами та апаратами, які застосовуються в роботі, встановити їх відповідність та записати в таблицю 12.1 їх паспортні дані.

3. Зібрати схему з’єднання згідно рис. 12.4.

 

L

R

A

V

+ -

FU

B

 

Рисунок 12.4 - Схема установки 1

4. Виміряти опір обмотки котушки r при постійному струмі, для трьох-чотирьох значень напруги та двох-трьох значень δ. Результати вимірювань занести в таблицю 12.2.

Таблиця 12.2

Результати вимірювань	Результати розрахунків	Примітки
δ, мм	U, діл/В	І, діл/А	r, Ом

 

Y2

B

*

*

L

Rш

A

V

W

FU

ЛАТР

OE

Y1

N

5. Зібрати схему з’єднань, показану на рисунку 12.5.

 

 

Рисунок 12.5 - Схема установки 2

 

6. При експериментальному дослідженні впливу режиму роботи котушки з феромагнітним осердям на її параметри отримати на екрані осцилографу криві миттєвих значень напруги та струму котушки. Перенести осцилограми з екрану осцилографу на прозору бумагу.

7. Дослідити електричні параметри котушки зі сталевим осердям при змінних значеннях напруги:

а) встановити величину повітряного зазору в сталевому осерді котушки від нуля до значення, вказаного викладачем;

б) движок автотрансформатора ЛАТР встановити в нульове положення, увімкнути вимикач В та встановити напругу на затискачах котушки в межах, вказаних викладачем, з таким розрахунком, щоб отримати п’ять-шість точок. Результати вимірювань занести в таблицю 12.3.

 

Таблиця 12.3

Номер відліку	Дані вимірювань	Результати розрахунків	При-мітки
U, діл/В	I, діл/А	P, діл/Вт	cosφ, діл/од.	φ, град.	Ze, Ом	re, Ом	xe, Ом

 

8. Провести дослідження електричних параметрів котушки зі сталевим осердям, змінюючи повітряний зазор δ:

а) встановити, за вказівкою викладача, напругу на затисках котушки, підтримуючи її під час досліду незмінною;

б) змінити повітряний зазор в оседі котушки від нуля до величини, вказаної викладачем, з таким розрахунком, щоб отримати три-чотри точки.

Дані вимірювань записати в таблицю 12.4.

 

Таблиця 12.4

Номер відліку	Дані вимірювань	Результати розрахунків	При-мітки
I, діл/А	P, діл/Вт	δ, діл/мм	cosφ, діл/од.	φ, град.	Ze, Ом	re, Ом	xe, Ом

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Схеми дослідів.

3. Розрахунки заданих величин.

4. Таблиці дослідних і розрахункових величин.

5. Висновки по роботі.

 

Контрольні питання

1. Пояснити нелінійний характер вольт-амперної характеристики котушки зі сталевим осердям. 2. Що називається основним магнітним потоком та магнітним потоком розсіяння… 3. Чим обумовлена індуктивність розсіяння та чому дорівнює індуктивний опір розсіяння?

Лабораторна робота №13

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

 

Мета роботи:ознайомитися з будовою однофазного трансформатора та методами його випробувань; з’ясувати принцип дії; навчитися знімати, будувати та аналізувати зовнішню характеристику трансформатора для різного по характеру навантаження; навчитися визначати параметри еквівалентної схеми та будувати векторні діаграми.

 

Короткі теоретичні відомості

Основні частини трансформатора — замкнуте феромагнітне осердя та обмотки. Принципово осердя відрізняється від котушки наявністю ще однієї обмотки.… Сталеве осердя зменшує магнітний опір для основного магнітного потоку та… В залежності від конструкції магнітопроводу трансформатори можна поділити на стрижневі, броневі та спеціальні. Зразки…

Рисунок 13.1 - Схема однофазного двообмоткового трансформатора

 

Якщо до вторинної обмотки під’єднати навантаження, то під дією ЕРС е₂₀ в ній буде протікати струм і₂. Таким чином відбувається передача електричної енергії змінного струму з первинного ланцюга до вторинного.

Відношення ЕРС, яке дорівнює відношенню кількості витків обмоток, називається коефіцієнтом трансформації

(13.2)

Струми і₁ та і₂ створюють первинну та вторинну МРС та спільна дія яких дорівнює МРС х.х. та пов’язана рівнянням рівноваги МРС

(13.3)

Електромагнітні процеси в трансформаторі описуються рівняннями Кірхгофа для первинного та вторинного кола

(13.4)

де r₁, r₂ — активні опори обмоток; L_S1, L_S2 — індуктивності розсіяння обмоток.

Для зручності розрахунку та порівняння величин, які характеризують процеси в первинному та вторинному колах, обмотки трансформатора часто приводять до однієї кількості витків, отримуючи приведений трансформатор. Замінивши істинні величини приведеними, можна записати рівняння електричного стану приведеного трансформатора (13.5). Цим рівнянням відповідає еквівалентна схема заміщення трансформатора, зображена на рисунку 13.2.

 

(13.5)

 

І1х

xS1

g0

r1

b0

U1

I1

Рисунок 13.2 - Еквівалентна схема заміщення трансформатора

 

Параметри схеми заміщення знаходять з двох дослідів — х.х. та короткого замикання по формулам (13.6) – (13.10).

(13.6)

Коефіцієнт трансформації трансформатора можна визначити із співвідношень

(13.7)

Досліди х.х. та короткого замикання трансформатора дозволяють визначити його ККД при номінальному навантаженні

(13.8)

та в проміжних значеннях

(13.9)

де — втрати потужності х.х., які дорівнюють втратам в сталі, Вт;

— втрати потужності короткого замикання, які дорівнюють втратам в міді, Вт; — коефіцієнт навантаження, — номінальна потужність трансформатора.

Зміна струму навантаження трансформатора призводить до зміни вторинної напруги U₂ в порівнянні з напругою х.х. U_2х. Ця зміна характеризується у відсотках:

(13.10)

Розрахунки ілюструють будовою векторної діаграми, на якій наочно можна бачити струми і напруги на вході та виході трансформатора.

Рисунок 13.3

Будову векторної діаграми трансформатора за дослідними даними необхідно починати з вектора первинної напруги який відкладають вертикально, після чого під кутом φ₁ відкласти вектор первинного струму розрахувати спади напруг на опорах первинної обмотки та відкласти їх відповідно від кінця вектора за допомогою засічок побудувати рівняння рівноваги струмів, що дозволяє визначити напрямок струму х.х. і струму за відомомим напрямком струму та куту φ₂ відкласти вектор напруги а розрахувавши спади напруг на активному та реактивному опорах вторинної обмотки, прибудувати їх до кінця вектора і отримати в сумі ЕРС Точність експерименту та правильність побудови перевіряється тим, що отримані при побудові та повинні бути рівними. Приклад векторної діаграми навантаженого трансформатора показаний на рисунку 13.3.

 

Опис установки

 

Програма роботи

2. По даним досліду х.х. визначити коефіцієнт трансформації, струм х.х., %. 3. По даним режиму активного навантаження побудувати зовнішню характеристику… 4. По даним досліду короткого замикання визначити коефіцієнт трансформації та напругу короткого замикання.

Порядок виконання роботи

1. Провести зовнішній огляд трансформатора, ознайомитися з розташуванням обмоток високої та низької напруги, конструкцією магнітопроводу. Паспортні дані записати в таблицю 13.1 та, користуючись ними, розрахувати номінальні струми.

 

Таблиця 13.1

Інвентарний номер	S, В·А	U1,В	U2, В	Розрахувати
І1н, А	І2н, А

 

2. Ознайомитися з апаратурою та вимірювальними приладами, які використовуються в роботі. Встановити їх відповідність роботі та записати паспортні дані в таблицю 13.2.

 

 

Таблиця 13.2

№ п/п	Наймену-вання приладів та апаратів	Позна-чення в схемі	Вимірю-вальний механізм або тип	Клас точ-ності	Межі вимі-рювання – но-мінальні пара-метри	Шка-ла	Ціна поділки	При-мітки

 

3. Зібрати ланцюг згідно рисунку 13.4.

*

*

B1

*

*

rн

A1

V1

W1

FU

Т

V2

W2

B2

A2

Рисунок 13.4 - Схема установки 1

 

4. Провести дослід х.х. Для чого при розімкнутому вимикачі В2 на первинну обмотку подати номінальну напругу. Покази приладів записати в графу „Холостий хід” таблиця 13.3.

Таблиця 13.3

Режим роботи трансфор-матора	Номе-ра відлі-ків	Данні вимірювань	Результати розрахунків
І2, діл/А	U2, діл/B	P2, діл/Вт	І1, діл/А	U1, діл/В	Р1, діл/Вт	cosφ1, діл/од.	η, %	cosφ2, діл/од.
Х.х.
Наванта-ження
Дослід коротко-го замикан-ня

 

5. Дослідити трансформатор при активному навантаженні. Для проведення даного досліду увімкнути вимикач В₂ при найбільшому опорі навантаження r_н. Струм навантаження збільшувати починаючи з 0,25·І_2н до з таким розрахунком, щоб отримати п’ять-шість точок, серед яких повинна бути точка для Данні вимірювань занести в графу „Навантаження” таблиці 13.3 (І_2н — номінальний струм вторинної обмотки трансформатора).

6. Зібрати коло згідно рисунку 13.5.

Движок трансформатора ЛАТР встановити в нульове положення. Увімкнути вимикач В та, плавно підвищуючи напругу вторинної обмотки автотрансформатора, довести її до напруги короткого замикання U_к, при якому струм первинної обмотки трансформатора досягне свого номінального значення І_1н. Данні вимірювань занести в графу „Дослід короткого замикання” таблиці 14.3.

B

*

*

A1

V1

W1

FU

Т

А2

ЛАТР

Рисунок 13.5 - Схема установки 2

 

Зміст звіту

1. Мета роботи.

2. Схеми дослідів.

3. Розрахунки заданих величин.

4. Таблиці дослідних і розрахункових величин.

5. Висновки по роботі.

 

Контрольні питання

1. Пояснити принцип дії трансформатора. 2. Як впливає сталеве осердя на величину струму х.х. І1х та магнітний зв’язок… 3. Як здійснюється дослід х.х. і з якою метою?

Лабораторна робота № 14

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО КОЛА

З РОЗПОДІЛЕНИМИ ПАРАМЕТРАМИ

 

Мета роботи: експериментально визначити первинні параметри однорідної лінії без втрат, дослідити вплив навантаження на розподіл напруги уздовж лінії.

Короткі теоретичні відомості

  U Початок лінії   …   У моделі, що показана на рисунку 14.1, R0 - питомий опір проводів одиничної довжини лінії, Ом/м; L0 - індуктивність…

Програма роботи

1. Експериментально визначити параметри лінії з розподіленими параметрами.

2. Визначити значення узгодженого навантаження.

3. Дослідити роботу лінії під навантаженням.

Порядок виконання роботи

 

1. Встановити на лабораторний стенд лінію затримки (відповідний блок)

2. До виходу лінії під’єднати активне навантаження 0,3 ... 3 кОм, попередньо вимірявши його значення за допомогою цифрового омметра. На вхід лінії під’єднати генератор синусоїдних сигналів і встановити U = 5 В, кГц (за вказівкою викладача), виміряти напругу в контрольних точках лінії; результати вимірювань при цьому і у всіх подальших дослідах занести до таблиці 14.1.

 

Таблиця 14.1

Режим роботи

Параметри навантаження

 

3. За даними п. 2 побудувати графік , визначити .

4. За результатами розрахунків під’єднати до виходу лінії узгоджене навантаження, встановивши його з максимально можливою точністю. Зняти залежність , результати занести в таблицю 14.1.

5. Зняти залежність в двох режимах без споживання реактивної потужності: холостий хід; коротке замикання; ємнісне навантаження; індуктивне навантаження.

6. Побудувати графіки для всіх досліджуваних режимів; розрахувати для кожного режиму напругу в трьох контрольних точках, рівномірно розподілених уздовж лінії; нанести результати розрахунків на побудовані графіки; зробити висновки.

 

Зміст звіту

 

1. Мета роботи.

2. Схема експерименту.

3. Таблиця експериментальних даних.

4. Розрахунок вторинних і первинних параметрів.

5. Графіки для всіх режимів.

6. Розрахунки напруг в трьох контрольних точках для кожного режиму.

7. Висновки про збіг розрахунків з експериментом.

 

Контрольні питання

 

1. Яка лінія називається однорідною?

2. Дати визначення довжини хвилі, фазової швидкості, первинних і вторинних параметрів лінії.

3. Дати визначення лінії без спотворень, лінії без втрат.

4. За яких умов у лінії виникають стоячі хвилі?

 

 

ЛІТЕРАТУРА

2. Нейман Л.Р. Демирчян К.С.: Теоретические основы электротехники. Т.1. – Л.: Энергоиздат, 1981. - 536 с. 3. Нейман Л.Р. Демирчян К.С.: Теоретические основы электротехники. Т.2. – Л.:… 4. Бессонов Л.А.: Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Ч.1. М.: Высшая школа, 1978. – 528 с.