ПОДГОТОВКА К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Рекомендовано к изданию методической комиссией энергетического факультета протокол №6 от 15.09.03

Учебно-методическое пособие включает методические указания к лабораторным работам по курсу «Теоретические основы электротехники», часть 2, выполняемые студентами очного и заочного отделений, обучающихся по направлению подготовки 660300 – Агроинженерия, дипломированного специалиста по специальности 311400 – Электрификация и автоматизация сельского хозяйства и ее специализациям: 311401, 311403, 311404, 311405, 311406.

Изложен необходимый теоретический материал по изучаемым в лабораторном практикуме темам, а также приведены индивидуальные задания для более прочного усвоения студентами знаний по второй части курса ТОЭ и организации их самостоятельной работы.

Содержание работ соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования к минимуму содержания и уровню подготовки инженеров по специальности 311400 - Электрификация и автоматизация сельского хозяйства.

Рецензент: к.т.н., доцент кафедры «Применения электрической энергии в сельском хозяйстве» (АЧГАА) Калинин А.Э.

Лабораторные работы являются одним из видов практического обучения. Их цель - закрепить теоретические знания, проверить на опыте некоторые положения теории и законы электротехники, приобрести практические навыки в сборке электрических цепей, в проведении эксперимента, научить пользоваться простейшими электроизмерительными приборами и аппаратами.

Вдумчивое отношение к лабораторной работе позволит студенту сделать правильные выводы, проанализировать результаты опытов, научиться разрешать некоторые несложные задачи исследовательского характера.

Чтобы успешно выполнить лабораторные работы, студенту необходимо качественно подготовиться к ним. При подготовке к лабораторной работе студент должен выполнить следующее:

- подготовить теоретический материал по конспекту и учебнику (см. список литературы);

- ознакомиться с описанием лабораторной работы, в специальной рабочей тетради записать номер и название работы, вычертить таблицы для записи показаний приборов и результатов расчета, схемы исследуемых электрических цепей, а также подготовить миллиметровую бумагу для графических построений;

- уяснив цель работы, четко представить себе поставленную задачу и способы ее достижения, продумать ожидаемые результаты опытов;

- сделать предварительные расчеты, если это необходимо согласно заданию, или только записать необходимые формулы;

- ответить устно или письменно на контрольные вопросы.

Прежде чем приступить к сборке электрической цепи, следует выбрать необходимые приборы и аппараты. В описании каждой лабораторной работы приводится порядок проведения опыта и перечень необходимой аппаратуры. При выборе измерительных приборов следует учитывать их тип, предел измерений, род тока, класс точности.

Выбрав предел измерений прибора, необходимо определить цену деления и только тогда приступить к измерениям.

ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ

Согласно правилам устройства электроустановок (ПУЭ) для помещений без повышенной опасности поражения током, к которым относится лаборатория теоретических основ электротехники, безопасным считается напряжение до 42 В.

Сопротивление тела человека определяется главным образом сопротивлением кожного покрова и может составлять 200...500 кОм. Увлажнение или повреждение кожи снижает сопротивление до 600..800 Ом (большое влияние на снижение сопротивления оказывает также общее состояние организма и нервной системы). Таким образом, при указанном напряжении через человека, находящегося в нормальном состоянии, протекает ток 0,1..0,3 мА. Известно, что ток в 50 мА может привести к травме, а в 100 мА - к смертельному исходу.

Следует иметь в виду, что при токе даже менее чем 50 мА мышцы кистей рук непроизвольно сокращаются и токоведущая часть может оказаться зажатой в кулаке. В этом случае иногда не удается разжать руку и прервать ток через тело.

Приведем основные правила техники безопасности при выполнении лабораторных работ в лаборатории теоретических основ электротехники.

1. Перед началом сборки электрической цепи следует убедиться в том, что автоматический выключатель на лабораторном столе находится в выключенном состоянии.

2. Не допускается использование приборов и аппаратов с неисправными клеммами, проводов с поврежденной изоляцией, неисправных реостатов, тумблеров и др.

3. Собранная электрическая цепь должна быть проверена преподавателем или лаборантом и может включаться только с его разрешения.

4. Перед включением электрической цепи необходимо убедиться, что никто не прикасается к оголенным токоведущим частям.

5. Все необходимые изменения в электрических цепях нужно производить только при выключенном напряжении. Всякие изменения в электрической цепи должны быть проверены преподавателем.

6. Учащимся не разрешается производить какие-либо переключения на главном распределительном щите лаборатории.

7. Если во время работы возникает аварийная ситуация, в результате чего появляется дым, специфический запах или нагреваются проводники, то следует немедленно выключить напряжение и сообщить преподавателю о случившемся.

8. Если кто-либо попадет под напряжение и не сможет сам оторваться от токоведущих частей цепи, то не пытайтесь его оттащить - вы сами будете поражены током. Немедленно отключите напряжение! Сообщите о случившемся преподавателю.

9. Учащиеся допускаются к работам в лаборатории теоретических основ электротехники после ознакомления с настоящими правилами, что должно быть зафиксировано в журнале по технике безопасности.

Отчет по лабораторной работе является документом о проделанной работе, поэтому он должен иметь все необходимые сведения для проверки результатов опытов и расчета. Составление отчета является индивидуальной работой каждого члена бригады. Отчет должен содержать название и номер лабораторной работы, ее цель, перечень приборов и оборудования, оформленный в виде таблицы 1в, схемы электрических цепей, программу работы, расчетные формулы и сами расчеты, таблицы результатов измерений и расчетов, графики полученных зависимостей и выводы.

Таким образом, нагрузка цепи стала неоднородной. Построим векторную диаграмму токов и напряжений при Х_С = Z (рис.9.2) при прямом (а) и обратном (б) порядке чередования фаз, используя уравнения: I _A = I _AB– I _CA; I _B = I _BC– I _AB; I _C = I _CA – I _BC.

Из векторной диаграммы (рис. 9.2а) следует, что при увеличении емкостного тока I _к линейный ток I _А сначала уменьшается, а затем снова возрастает. При некотором сочетании параметров катушки и емкости С может оказаться, что I _А = 0, то есть линейные токи при неоднородной нагрузке могут резко отличаться по значению, даже если фазные токи почти одинаковы.

При обратном чередовании фаз уменьшается другой линейный ток (I _В). Следовательно, такую схему можно использовать для определения порядка чередования фаз.

Активная мощность, поступающая из сети, может отличаться по фазам, но в любом случае она равна сумме мощностей, потребляемых в активных сопротивлениях фаз:

Выразим эту мощность через комплексы соответствующих напряжений и токов

Отсюда следует, что активная мощность трехфазной системы при любой нагрузке (симметричной или несимметричной, однородной или неоднородной) может быть измерена двумя однофазными ваттметрами, если их включить в соответствии с полученной формулой (рис.9.3)

Для симметричной цепи активную мощность можно вычислить по известной формуле

По показаниям тех же двух ваттметров можно также определить реактивную мощность, но только для симметричной цепи, что следует из векторной диаграммы (рис.9.4).

Линейными называют напряжения между соединительными проводами трехфазной цепи (U _A_В, U _ВС, и U _СА). Положительные направления линейных напряжений показаны на рис.10.1. При соединении источника питания или потребителя по схеме “звезда” фазные напряжения не будут равны линейным. Связаны фазные и линейные напряжения уравнениями, полученными по второму закону Кирхгофа:

При симметричной системе фазных напряжений их комплексы записываются в следующем виде:

При этом, начальная фаза U _A не всегда равна нулю.

Подставив эти выражения в приведенную выше систему уравнений, получим более простую связь между действующими значениями фазных и линейных напряжений для симметричной цепи.

При питании однородной нагрузки, соединенной по схеме “звезда”, симметричной системой напряжений наблюдается ряд особенностей.

При равенстве модулей сопротивлений однородной нагрузки токи в фазах устанавливаются симметричными, то есть действующие значения токов равны и вектора их сдвинуты друг относительно друга на одинаковый угол в 120 электрических градусов:

Фазные напряжения на нагрузке также симметричны и, если пренебречь сопротивлениями соединительных проводов, совпадают с фазными напряжениями источника питания:

Пример векторной диаграммы такого режима представлен на рис.10.2.

Топографическая диаграмма напряжений, совмещенная с

Если модули сопротивлений однородной нагрузки не равны друг другу, то система токов будет уже несимметрична. Симметрия фазных напряжений на нагрузке зависит от того, какая цепь используется: трехфазная трехпроводная или трехфазная четырехпроводная.

В случае применения трехфазной трехпроводной цепи потенциал нейтральной точки “звезды” потребителя становится отличным от потенциала нейтральной точки “звезды” источника питания. В результате этого между ними появляется напряжение, называемое напряжением смещения нейтрали:

За положительное направление напряжения смещения нейтрали принимают направление от нейтральной точки “звезды” потребителя к нейтральной точке “звезды” источника питания. Рассчитывается напряжение смещения нейтрали по методу двух узлов:

здесь Y _a, Y _b и Y _c - комплексные проводимости фаз нагрузки.

Фазные напряжения на нагрузке, равные по второму закону Кирхгофа геометрической разности между фазными напряжениями источника питания и напряжением смещения нейтрали, устанавливаются несимметричными:

Вследствие этого система токов в трехпроводной цепи также будет несимметричной:

Пример векторной диаграммы такого режима при активной нагрузке приведен на рис.10.3.

Топографическая диаграмма напряжений, совмещенная с

При использовании трехфазной четырехпроводной цепи появляется возможность уменьшить разность потенциалов между нейтральной точкой “звезды” потребителя и нейтральной точкой “звезды” источника питания, тем самым снизить несимметрию фазных напряжений на нагрузке. При подключении к нейтральной точке “звезды” потребителя нулевого провода напряжение смещения нейтрали уже рассчитывается как

здесь Y _N - комплексная проводимость нулевого провода.

Из данной формулы видно, что при уменьшении сопротивления нулевого провода (увеличении его проводимости) напряжение смещения нейтрали также уменьшается. В идеальном случае, при нулевом значении сопротивления нулевого провода, напряжение смещения нейтрали также равно нулю. При этом потенциал нейтральной точки “звезды” потребителя равен потенциалу нейтральной точки “звезды” источника питания и фазные напряжения на нагрузке равны симметричным фазным напряжениям источника питания.

Однако токи в этом случае остаются несимметричными, так как из-за отличия модулей сопротивлений в фазах нагрузки их действующие значения также различны. При подключении нулевого провода в нем будет протекать ток, равный геометрической сумме токов в фазах нагрузки. Его положительное направление совпадает с положительным направлением напряжения смещения нейтрали. Пример векторной диаграммы такого случая приведен на рис.10.4. На ней пунктиром показано геометрическое суммирование токов в фазах нагрузки.

Топографическая диаграмма напряжений, совмещенная с

При выполнении лабораторной работы требуется соблюдать общие правила по технике безопасности при работе в лаборатории ТОЭ.

1. Изучить теорию вопроса, обратить внимание на особенности трехфазных цепей при трехпроводной и четырехпроводной системе питания.

2. Ознакомиться с приборами и оборудованием исследуемой цепи и записать паспортные данные в таблицу 1в.

3. Собрать цепь по схеме (рис.10.5). Провести исследование трехфазной цепи при соединении однородной нагрузки звездой (рис.10.5):

а) в трехпроводном режиме выключатель S4 выключен;

б) в четырехпроводном режиме выключатель S4 включен.

В качестве однородных потребителей использовать активные сопротивления, указанные преподавателем.

4. После проверки собранной цепи преподавателем или лаборантом включить ее под напряжение, измерить напряжения и токи для случаев, указанных в таблице 10.1.

5. По данным измерений для всех случаев построить векторные диаграммы.

6. Пользуясь результатами наблюдений, найти отношение среднеарифметических значений линейных напряжений к фазным для случая симметричной нагрузки фаз и сравнить его с теоретическим значением этой величины.

7. По построенной векторной диаграмме токов для случая наличия нейтрального провода найти графическим способом ток в нем и сравнить его с экспериментально полученным током I_N.

8. Выполнить индивидуальное задание № 10. Номер варианта принимается по заданию преподавателя.

Отчет должен содержать электрическую схему исследуемой цепи, таблицы приборов и опытных данных, построенные в масштабе топографические диаграммы напряжений, совмещенные с векторными диаграммами токов, и выводы. К отчету прилагается выполненное индивидуальное задание №10.

1. Какое соединение называется соединением звездой и каковы его особенности?

2. Как строится векторная диаграмма для токов и напряжений при соединении звездой?

3. В каком случае отсутствует ток в нейтральном проводе и почему?

4. Какова роль нейтрального провода при четырехпроводной системе питания трехфазных потребителей?

5. Какие особенности режима работы потребителей, соединенных звездой, при неравномерной нагрузке фаз с нейтральным проводом и без него?

6. Почему в нейтральном проводе не ставят предохранитель?

7. Какая трехпроводная система называется симметричной (однородной, неоднородной)?

8. Каковы соотношения между линейным и фазным напряжением?

9. Когда возникает напряжение смещения нейтрали?

Приведенным выше уравнениям соответствует векторная диаграмма, представленная на рис.11.2.

Как видно из диаграммы, звезда линейных напряжений смещена относительно звезды фазных напряжений на угол 30^о в сторону опережения.

При симметричных линейных и фазных напряжениях между их величинами существует зависимость

Симметричный режим: U _А + U _В+ U _С = 0 и I _А + I _В+ I _С = 0.

то, следовательно, при симметричной нагрузке необходимость в нейтральном проводе отпадает.

При симметричной нагрузке комплексные сопротивления фаз равны между собой:

Нагрузка, у которой сопротивления фаз не равны или носят различный характер, является нагрузкой несимметричной или неравномерной. Неоднородная нагрузка, у которой сопротивления отличаются по фазе, даже при равенстве модулей, всегда несимметрична.

нарушается равенство фазных токов I _А, I _В и I _С и в нейтральном проводе появляется ток I _N:

На рис.11.3 представлена векторная диаграмма для случая неравномерной нагрузки и графическим способом определен ток в нейтральном проводе по известным фазным токам I _А, I _В и I _С.

При неравномерной нагрузке фаз и наличии нейтрального провода все электроприемники находятся под одинаковым фазным напряжением

В случае обрыва нейтрального провода нормальный режим работы установки нарушается.

Фазные токи при прежней неравномерной нагрузке изменяются и устанавливаются такими, чтобы их сумма была равна нулю.

В результате этого происходит искажение симметрии фазных напряжений: фаза с меньшим сопротивлением оказывается под сниженным, а фаза с большим сопротивлением под повышенным напряжением по сравнению с нормальным значением фазного напряжения. Возникает так называемый перекос фаз, между нейтральной точкой генератора и нейтральной точкой потребителя возникает напряжение, которое называется напряжением смещения нейтрали (рис.11.4).

Так как подобные ненормальности при эксплуатации недопустимы, то на целостность нейтрального провода обращают особое внимание. Выключатели, предохранители и прочие устройства, способные вызвать отключение его от нейтральной точки, не должны включаться в нейтральный провод.

При обрыве линейного провода потребители этой фазы остаются без энергии, а потребители двух других фаз продолжают питаться от трехфазной системы. Если при этом есть нейтральный провод, то на них обрыв “чужого” линейного провода практически не сказывается, а при отсутствии его происходит перераспределение напряжений на зажимах обоих электроприемников пропорционально величинам их сопротивлений.

Построение топографической диаграммы по опытным данным производится в следующей последовательности: сначала в масштабе m_U строят треугольник линейных напряжений U _АВ, U _ВС и U _СА методом засечек из вершин этого треугольника А В С радиусами, равными фазным напряжениям U _А, U _В и U _С описывают дуги, пересечение которых определяет нейтральную точку N¢, а затем под углами j_a, j_в и j_с к фазным напряжениям проводят в масштабе m_I токи I _А, I _В и I _С.

При выполнении лабораторной работы требуется выполнять общие правила по технике безопасности при выполнении лабораторных работ по ТОЭ.

1.Изучить теорию вопроса, обратить внимание на особенности трехфазных цепей при четырехпроводной системе питания неоднородной нагрузки.

2.В рабочей тетради подготовить таблицы для записи технических данных измерительных приборов и опытных данных. Начертить электрическую схему опытов.

3.Ознакомиться с приборами и оборудованием исследуемой цепи и записать паспортные данные в табл. 1в.

4. Собрать цепь по схеме (рис.11.5). В качестве нагрузки использовать активное сопротивление, катушку индуктивности и конденсатор. Параметры нагрузки задаются преподавателем.

5. После проверки собранной цепи преподавателем подключить ее к питающей сети и провести исследование трехфазной цепи при соединении неоднородной нагрузки звездой:

а) в трехпроводном режиме выключатель SА2 выключен;

б) в четырехпроводном режиме выключатель SА2 включен.

Измеренные токи и напряжения записать в табл. 11.1.

6. По данным измерений для всех случаев построить векторные диаграммы. Все диаграммы строятся в масштабе.

7. По построенной топографической диаграмме при наличии нейтрального провода найти графическим способом ток I_N и сравнить его с экспериментально полученным I_N.

8. Выполнить индивидуальное задание № 11. Номер варианта принимается по заданию преподавателя.

К отчету прилагается выполненное индивидуальное задание №11.

1. Что называется соединением звездой и каковы его особенности?

2. Как строится векторная диаграмма для токов и напряжений при соединении звездой?

3. В каком случае отсутствует ток в нейтральном проводе и почему?

4. Какова роль нейтрального провода при четырехпроводной системе питания?

5. Почему в нейтральный провод не ставят предохранитель?

6. Каковы особенности режима работы потребителей, соединенных звездой, при неравномерной нагрузке фаз с нейтральным проводом и без него?

7. Каков режим обрыва фаз и его особенности при соединении потребителей звездой с нейтральным проводом и без него?

8. Каков режим короткого замыкания одной из фаз и его особенности при соединении потребителей звездой с нейтральным проводом и без него?

Известно, что несимметричная система линейных напряжений U _АВ, U _ВС, U _СА, может быть разложена на симметричные составляющие прямой U₁ и обратной U₂ последовательностей. Это разложение проводится по формулам:

а также графическим построением. Кроме того, симметричные составляющие U₁ и U₂ можно измерить вольтметром, входящим в исследуемый в настоящей работе фильтр симметричных составляющих, показания которого будут пропорциональны U₁, если Z _c = a Z _a, и U₂, если Z _а = a Z _с. Действительно, показания вольтметра – это модуль комплекса

где Y _а, Y _в, Y _с – проводимости соответствующих ветвей фильтра. Имея в виду, что U _АВ = U _АВ1 + U _АВ2, U _ВС = а² U _АВ1 + а U _АВ2, получим для U _В следующее выражение:

Из последней формулы видно, что U _В будет зависеть только от U ₁, если а Y _с – Y _а = 0, или только от U ₂, если а² Y _с – Y _а = 0. В первом случае цепь, изображенная на рис.12.1, будет фильтром прямой последовательности, во втором – фильтром обратной последовательности несимметричной системы линейных напряжений.

Условие, что цепь рис.12.1 будет фильтром прямой последовательности, можно выразить так: Z _с = a Z _а, а условие, что эта цепь является фильтром обратной последовательности – так: Z _а = a Z _с.

Сопоставляя оба эти условия, можно заметить, что по модулю сопротивления Z _a и Z _c одинаковы, а их фазовые углы отличаются на 120^о (так как

Если фазовый угол сопротивления Z _c больше фазового угла сопротивления Z _а, то цепь является фильтром прямой последовательности, в противном случае – фильтром обратной последовательности. Следовательно, один раз подобранные сопротивления Z _a и Z _c могут служить элементами фильтра прямой и обратной последовательности. Для превращения фильтра прямой последовательности в фильтр обратной последовательности достаточно Z _a и Z _c поменять местами.

В качестве сопротивления Z _a возьмем чисто емкостное сопротивление

Тогда сопротивление Z _c будет активно-индуктивным:

Это активно-индуктивное сопротивление может быть сопротивлением катушки индуктивности, в которой

В условиях лаборатории поступают следующим образом. Берут катушку с индуктивным сопротивлением Х_k и активным R_k. Так как обычно

, то с помощью реостата добавляют активное сопротивление R_д к катушке так, чтобы общее активное сопротивление

Катушка с добавочным сопротивлением будет одним элементом фильтра. Для другого берут конденсатор такой емкости, чтобы его сопротивление было в два раза больше индуктивного сопротивления катушки, X_С= 2X_L. Третьим элементом фильтра является вольтметр, сопротивление которого должно быть известно.

При выполнении лабораторной работы следует соблюдать общие правила по технике безопасности в лаборатории ТОЭ. После отключения цепи следует разрядить батарею конденсаторов.

1. Ознакомиться с приборами, оборудованием и записать их паспортные данные в таблицу 1в.

2. С помощью амперметра, вольтметра и ваттметра определить параметры R_k, X_L реактивной катушки.

3. Рассчитать и подобрать емкость конденсатора С и добавочное сопротивление R_д для составления фильтра симметричных составляющих.

4. Рассчитать коэффициент пропорциональности между показаниями вольтметра и значениями симметричных составляющих прямой U₁ и обратной U₂ последовательностей.

5. Собрать электрическую цепь фильтра (рис.12.2) и после проверки ее преподавателем подать напряжение.

6. С помощью лабораторного автотрансформатора создать несимметричную систему линейных напряжений и фазоуказателем определить порядок чередования фаз.

7. Снять показания приборов при U₁ = 0,5 U₂ и записать в таблицу произвольной формы.

8. Выполнить индивидуальное задание № 12. Номер варианта принимается по заданию преподавателя.

По измеренным U_AB, U_BC, U_CA определить графически U₁ и U₂ и сравнить их с U₁ и U₂ _, измеренными по показаниям вольтметра в пункте 7, определив тем самым погрешность фильтра. Сделать выводы по проделанной работе.

Отчет должен содержать название работы, цель работы; электрическую схему исследуемой цепи; таблицы; топографические диаграммы; расчетные формулы и результаты вычислений; анализ результатов и выводы. К отчету прилагается выполненное индивидуальное задание №12.

1. Что такое симметричные составляющие прямой, обратной и нулевой последовательности?

2. Может ли несимметричная система линейных напряжений содержать симметричную составляющую нулевой последовательности?

3. Как составить схему фильтра токов нулевой последовательности?

4. Как составить схему фильтра напряжения нулевой последовательности?

5. Как аналитически выделить симметричную составляющую прямой (обратной, нулевой) последовательнтсти несимметричной трехфазной системы напряжения?

6. Как графически выделить симметричную составляющую прямой (обратной, нулевой) последовательнтсти несимметричной трехфазной системы напряжения?

При параллельном соединении двух нелинейных элементов (рис.13.5а) с заданными вольтамперными характеристиками в виде кривых I₁(U) и I₂(U) (рис.4.5) напряжение U одинаково для обеих ветвей, а ток в неразветвленной части цепи равен сумме токов в ветвях: I =I₁+I₂.

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: