МУ ЭЦ для УПИ- ред-окончат_100311

3.7. Разомкнуть цепь нейтрального провода (удалить соответствующий проводник). Включить модуль трехфазного трансформатора и вновь измерить токи и напряжения. Результаты записать в табл. 2. Остановить программу, нажатием кнопки «Стоп». Выключить модули и электропитание.

3.8.Для всех опытов построить в масштабе векторные диаграммы.

3.9.Сделать вывод о влиянии нейтрального провода на режим работы трехфазной цепи при симметричной и несимметричной нагрузке.

Таблица 2

Режим нагрузки

Ток нагрузки, А

Фазные напряжение

Межузловое

на потребителях, В

напряжение

Ia

Ib

Ic

In

UaП

UbП

UсП

UnN

Нейтральный

провод

включен, нагрузка сим-

метричная

Нейтральный

провод

вы-

ключен, нагрузка симмет-

ричная

Нейтральный

провод

включен, нагрузка несим-

метричная

Нейтральный

провод

вы-

ключен, нагрузка несим-

метричная

4.Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать: а) наименование работы и цель работы;

б) технические данные электроизмерительных приборов; в) схему эксперимента с включенными измерительными приборами; г) таблицы с результатами эксперимента; д) векторные диаграммы для всех проведенных опытов;

е) вывод о роли нейтрального провода в трехфазной цепи при соединении потребителя по схеме звезда.

5Контрольные вопросы

1.Какое соединение называется звездой?

2.Каково соотношение между фазным и линейным напряжениями трехфазного источника питания при соединении его обмоток по схеме звезда?

3.Какое соотношение между фазными и линейными токами при соединении в звезду?

4.Как определить величину тока в нейтральном проводе, если известны токи потребителя?

5.Для чего применяют нейтральный провод?

6.К каким зажимам следует подключить вольтметр, чтобы измерить фазное

илинейное напряжение?

7.Какая трехфазная нагрузка называется симметричной?

8.Почему при несимметричной нагрузке обрыв нейтрального провода является аварийным режимом?

31

7 Работа № 7. ТРЕХФАЗНАЯ ЦЕПЬ ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ «ТРЕУГОЛЬНИК»

1. Цель работы Исследовать особенности работы трехфазной цепи при соединении симмет-

ричного и несимметричного потребителей треугольником, усвоить построение векторных диаграмм по результатам эксперимента.

2. Пояснения к работе Потребители электрической энергии при питании от трехфазного источни-

ка, как и источники электрической энергии,
могут быть соединены в треугольник (рис.		IA		IAB	ZAB
1). Следует помнить, что схема включения	A
обмоток трехфазного генератора не предо-		IB		IBC	ZBC
пределяет схему соединения нагрузки. Так,	B
при соединении фаз генератора в звезду на-
грузка может быть соединена в звезду с ней-		IC		ICA	ZCA
тральным проводом, в звезду без нейтраль-	C
ного провода или в треугольник.
При соединении в треугольник сим-	N
метричной трехфазной нагрузки линейные			Рис. 1
напряжения оказываются равными фазным

напряжениям UФ = UЛ, а линейные токи в √3 раз больше, чем токи в фазах потребителя:

IЛ = 3 IФ .

При этом все фазные токи равны по величине и отличаются друг от друга

по фазе на 120°. То же самое относится и к линейным токам (рис. 2).
При несимметричной нагрузке связь ме-			UАВ
жду линейными и фазными токами выражается
уравнениями, записанными на основании перво-			IАВ	го
закона Кирхгофа в комплексной или векторной		IA		IB
форме:
IА = IАВ – IСА , IВ = IВС – IАВ , IС = IСА – IВС .	U			UВС
При соединении в треугольник нулевой		СА IСА IC
провод отсутствует, но все фазные потребители в				IВС
этом случае должны быть рассчитаны на номи-

нальное линейное напряжение.	Рис. 2

3.Порядок выполнения работы

3.1.Ознакомиться с лабораторной установкой (компьютер, модуль ввода, модуль питания, модули трехфазного напряжения, модуль трехфазного трансформатора, модуль резисторов,).

3.2.В соответствии со схемой по рис. 3 нарисовать принципиальную электрическую схему исследуемой цепи.

32

3.3. Собрать электрическую цепь (рис. 3). Установить переключатели значений сопротивлений резисторов в позицию «~». Включить компьютер и открыть окно «Электрические цепи – Лабораторная работа № 7. Трехфазная цепь при соединении потребителей по схеме «треугольник».

МОДУЛЬТРЕХФАЗНОГОТРАНСФОРМАТОРА

n

а

в

с

МОДУЛЬ	ВВОДА	МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ
		R1
А3	ДТ1
А1		SA1

ДН1		R2
А4	ДТ2
ПК
А5	ДТ3	R3
А2
ДН2
А6	ДТ4

Рис. 3 3.4. Установить на модуле трехфазного напряжения частоту питающего на-

пряжения 50 Гц (потенциометр RP1 – в крайнее правое положение). Переключатели SA1, SA2, SA3 модуля резисторов установить в позицию «∞». Включить компьютер, запустить программу Delta Profi, открыть окно «Электрические цепи. – Работа № 6. Трехфазная цепь при соединении потребителей по схеме треугольник».

Запустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» или командой главного меню «Управление – Пуск» или горячей клавишей F5.

После проверки схемы преподавателем включить модуль питания стенда (выключатели QF1 и SA2), модуль трехфазного напряжения (выключатель SA1). Установить тумблер SA2 в позицию «Вперед». Включить модуль трехфазного трансформатора (выключатель QF). Измерить линейные напряжения UАВ, UВС, UСА трехфазного источника питания (трехфазного трансформатора) в режиме холостого хода. Для этого подключать входы датчика напряжения ДН1 к соответствующим гнездам модуля трехфазного трансформатора. Результаты измерений занести в табл. 1. Выключить модуль трехфазного трансформатора.

33

Таблица 1

UАВ, В	UВС, В	UСА, В

3.5.Установить заданные преподавателем одинаковые значения сопротивлений резисторов (симметричную нагрузку). Включить модуль трехфазного трансформатора.

Измерить фазные токи IВС, IСА и линейные токи IА, IВ. Результаты измерений занести в табл. 2. Выключить модуль трехфазного трансформатора. Рассчитать по первому закону Кирхгофа (графически или комплексным способом) линейный ток

IС. и фазный ток IАВ Результаты вычислений занести в табл. 2 и сравнить их значения с измеренными значениями фазных и линейных токов.

3.6.Разомкнуть линейный провод фазы «А», включить модуль трехфазного трансформатора и провести измерения фазных и линейных токов (табл. 2). Сделать

вывод о величине тока IС. Результаты занести в табл. 2. Выключить модуль трехфазного трансформатора.

3.7.Выключить нагрузку в фазе потребителя «АВ» (переключатель величи-

ны сопротивления RАВ установить в позицию «∞») и включив питание провести измерения фазных и линейных токов. Сделать вывод о величине тока IС. Результаты занести в табл. 2. Выключить питание.

3.8.По указанию преподавателя установить несимметричную нагрузку в фазах потребителя. Включив питание и провести измерения фазных и линейных токов. Результаты измерений записать в табл. 2. Выключить модуль трехфазного

трансформатора.. Рассчитать по первому закону Кирхгофа (графически или комплексным способом) линейный ток IС. и фазный ток IАВ. Результаты вычислений занести в табл. 2. Выключить электропитание стенда. Остановить программу, нажа-

тием кнопки «Стоп» или командой главного меню «Управление – Стоп» или горячей клавишей F6.

3.9.Для всех опытов построить в масштабе векторные диаграммы.

3.10.Сравнить результаты измерений линейных и фазных токов при соединении в треугольник при симметричной и несимметричной нагрузке.

3.11.Проанализировать влияние обрыва линейного провода на режим работы потребителей.

3.12.Сравнить режимы работы при включении потребителей в звезду и треугольник при симметричной и несимметричной нагрузке.

Таблица 2

Режим нагрузки			Токи, А
	IА	IВ	IС	IАВ	IВС	IСА
Симметричная нагрузка
Обрыв линейного провода «А»
Обрыв фазы потребителя «АВ»
Несимметричная нагрузка

34

4. Содержание отчета

Отчет по работе должен содержать: а) наименование работы и цель работы;

б) технические данные электроизмерительных приборов; в) схему эксперимента с включенными измерительными приборами; г) таблицы с результатами эксперимента; д) векторные диаграммы для всех проведенных опытов; е) выводы по работе.

5. Контрольные вопросы

1.Каким образом три однофазных потребителя соединяют в треугольник?

2.Куда следует подключать вольтметр, чтобы измерить фазное и линейное напряжения трехфазного потребителя?

3.В каком соотношении находятся фазные и линейные напряжения симметричного потребителя, соединенного в треугольник?

4.Какое соотношение между фазными и линейными токами симметричного потребителя, соединенного в треугольник?

5.Всегда ли справедливы при соединении в треугольник соотношения

IА = IАВ – IСА ,	IВ = IВС – IАВ ,	IС = IСА – IВС .
6. Всегда ли	при соединении в	треугольник справедливо соотношение

IА + IВ + IС = 0?

7. Как отразится отключение одной фазы потребителя на режим работы других фаз и на режим работы всей трехфазной цепи, соединенной в треугольник?

35

8.Работа № 1-8 НЕЛИНЕЙНАЯ ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1.Цель работы

Экспериментальное исследование вольтамперных характеристик катушки индуктивности с ферромагнитным сердечником и конденсатора. Изучение формы кривой тока в катушке с сердечником. Исследование феррорезонанса напряжений. Сравнение экспериментальных результатов с расчетными результатами. Знакомство с работой двустороннего ограничителя уровня напряжения.

2. Пояснения к работе

Важным элементом конструкции различных электрических машин и аппаратов, устройств электроавтоматики является катушка индуктивности. При протекании тока по виткам катушки создается магнитное поле, интенсивность которого характеризуется магнитной индукцией В и магнитным потоком Ф, который пропорционален намагничивающей (магнитодвижущей) силе, равной произведению тока I катушки на число её витков ω: F=Iω, Зависимость Ф(I) при отсутствии ферромагнитного магнитопровода (сердечника) является линейной.

При наличии сердечника магнитный поток, создаваемый такой катушкой, при прочих равных условиях значительно возрастает, так как в этом случае магнитный поток создается не только проводниками с током (источником внешнего магнитного поля), но и соответствующим ферромагнитным веществом магнитопровода (источником внутреннего магнитного поля).

Магнитная индукция В катушки индуктивности связана с напряженностью Н магнитного поля и магнитной проницаемостью μ известным соотношением В = μН, магнитный поток Ф = Вs = μНs, где s – поперечное сечение катушки.

Отсюда следует, что магнитный поток пропорционален магнитной проницаемости среды μ, которая для ферромагнитных материалов значительно больше, чем магнитная проницаемость других материалов. Поэтому для уменьшения намагничивающей силы F, а следовательно, и для уменьшения тока, необходимого для создания требуемого магнитного потока, катушки индуктивности снабжаются магнитопроводом (сердечником) из ферромагнитного материала, чаще всего из электротехнической стали.

Так как зависимость магнитной проницаемости ферромагнитных материа-

лов μ(Н) является нелинейной (рис. 1), то и зависи-	В, μ	В
мость Ф(Н) или В(Н) при наличии магнитопровода
оказывается тоже нелинейной. Зависимость В(Н) –
кривая намагничивания – является одной из важней-		μ
ших характеристик ферромагнитных материалов (рис.
2). Кривая, проходящая через начало координат, явля-		Н
ется основной кривой намагничивания. Она снимается
		Рис. 1.
при одностороннем намагничивании размагниченного
материала.

При питании катушки переменным током ферромагнитный магнитопровод из-за переменного магнитного потока циклически, с частотой тока перемагничивается по кривой гистерезиса, обусловленной наличием остаточной магнитной ин-

36

дукции В0 и коэрцитивной силы НС (рис. 2). В процессе			В
циклического перемагничивания за несколько полупе-
риодов переменного тока устанавливается замкнутая			В0
симметричная петля гистерезиса.			-Нс	Нс	Н
На циклическое перемагничивание магнитопро-			-В0
вода затрачивается мощность, выделяемая в виде тепло-
ты, которая относится к потерям мощности в магнито-
проводе. Потери мощности в магнитопроводе (потери
мощности в стали) РСТ включают в себя потери на гис-			Рис. 2.
терезис РГ и потери от вихревых токов РВТ, наводимых
переменным магнитным потоком в металле магнитопровода, :
		РСТ = РГ + РВТ.
Для уменьшения потерь мощности на гистерезис в качестве материала для
магнитопровода используют ферромагнитные материалы с узкой петлей гистерези-
са. Уменьшение потерь мощности на вихревые токи достигается применением для
магнитопровода металлов с большим удельным электрическим сопротивлением за
счет повышенного содержания кремния в металле. При этом магнитопровод соби-
рается из тонких электрически изолированных друг от друга пластин, что способ-
ствует уменьшению наводимых в каждой пластине вихревых токов и снижению
потерь мощности от этих токов.
При питании синусоидальным напряжением ток в катушке с ферромагнит-
ным сердечником искажает свою форму и является несинусоидальным во времени.
На рис. 3 показано построение кривой тока в катушке с ферромагнитным сердеч-
ником с учетом магнитного гистерезиса. Из рисунка видно, что начальные фазы
магнитного потока и тока не совпадают (угол сдвига δ). В связи с этим				первая гар-
моника тока (или эквивалентный ток) отстает от приложенного напряжения на
угол ϕ < 90°. Наличие сдвига по фазе между напряжением и током меньшего, чем
90° указывает на то, что активная мощность в цепи не равна нулю даже если ак-
тивное сопротивление обмотки катушки рано нулю. Поэтому ток катушки из-за
потерь на гистерезис имеет	Ф i	i		Ф
активную составляющую IА, а
средняя мощность за период		Ф
не равна нулю. Эта активная			ωt
мощность характеризует рас-					i
ход энергии на перемагничи-	δ
вание ферромагнитного сер-
дечника.
При наличии несину-		Рис. 3.
соидальных токов для упро-
щения расчетов обычно переходят к эквивалентному синусоидальному току					IЭК,
имеющему одинаковое с соответствующим несинусоидальным током действующее
значение при одинаковой частоте и развивающему одинаковую с ним активную
мощность при одинаковом значении коэффициента мощности
I=	1/T T∫i2dt = IЭК = I mЭК /√2;
		0
		37

cosϕ =Р/UI = сosϕ ЭК= P/U IЭК
Полное сопротивление катушки индуктивности с магнитопроводом при
расчетах находят по закону Ома
ZЭК= U/I.
Эквивалентное активное сопротивление катушки определяют при этом по
значению активной мощности Р, потребляемой катушкой из питающей сети, и её
току или по значению потерь мощности в сердечнике РСТ и активному сопротивле-
нию R проводов катушки
RЭК =Р/I2 =PСТ/I2 +R.
Эквивалентное индуктивное сопротивление катушки
ХЭК= √Z2ЭК –R2ЭК.
При этом индуктивность катушки L= ХЭК/ω =Х/2πf.
При увеличении амплитуды напряжения на катушке индуктивности с фер-
ромагнитным сердечником амплитуда и действующее значение тока в ней будут
возрастать быстрее. В результате вольтамперная характеристика катушки с ферро-
магнитным сердечником оказывается нелинейной (рис. 4). По форме она повторяет
кривую намагничивания сердечника В(H).
В цепях, содержащих катушку с ферромагнитным сердечником и конденса-
тор, резонансные явления, связанные с нелинейным характером индуктивности,
называются феррорезонансом. В отличии от линейной
цепи феррорезонанс может наступить в такой цепи при		U		I
изменении тока в цепи или приложенного напряжения
без какой либо регулировки катушки или конденсатора.
На рис. 5 показана вольтамперная характеристика после-
довательной цепи, в которой возможен феррорезонанс
напряжений. Вольтамперная характеристика емкости (2)			Рис. 4.
пересекает вольтамперную характеристику катушки (1).
Точка пересечения А является точкой резонанса. В этой
точке UL и UC одинаковы, а их разность равна нулю. При непрерывном увеличе-
нии напряжения источника ток плавно растет до
I2, затем скачком увеличивается до I4 и далее	U		2	1
плавно растет. При уменьшении напряжения ток			A
плавно уменьшается до I3 , затем скачком до I1 и
снова плавно падает. Скачкообразное изменение
тока сопровождается изменением на 180° фазы то-
ка по отношению к напряжению (опрокидывание				I
фазы).	I1	I2	I3	I4
Явление резкого изменения тока в цепи при		Рис. 5.
незначительных изменениях напряжения на входе
цепи иногда называют триггерным эффектом в последовательной феррорезонанс-
ной цепи.
При напряжениях источника, больших напряжения опрокидывания фазы,
напряжение на катушке изменяется мало, что связано с переходом по характери-
стике намагничивания в область магнитного насыщения. Это используется в прак-
тике для стабилизации напряжения.

38

Ограничители амплитуды – это устройства, у которых выходное напряжение изменяется пропорционально входному до некоторого значения, называемого уровнем ограничения. После этого значение выходного напряжения не зависит от входного и остается постоянным (рис. 6). В низкочастотных устройствах часто ис-

пользуют ограничители на стабили-	U
тронах (рис. 7). Вольтамперная харак-				Uвх
теристика двухфазного стабилитрона							+Uст
показана на рис. 8. С помощью этих
устройств легко формировать трапе-
цеидальное напряжение из синусои-
дального (рис. 6). Если амплитуда							-Uст
Uвх>>Uст можно получить напряже-
ние, близкое по форме к прямоуголь-							+Uст
ным импульсам.
				Uвых
R

t

t

VD	-Uст
Uвх	Uвых
	Рис. 6.
Рис. 7.	Uвых

Uвх

3. Порядок выполнения работы

3.1. Ознакомиться с лабораторной установкой (модуль

питания, модуль нелинейных элементов, модуль автотранс-

Рис. 8.

форматора, модуль реактивных элементов, модуль мульти-

метров).

3.2. Для снятия вольтамперной характеристики

А

катушки с сердечником собрать электрическую цепь

по рис. 9. В качестве амперметра и вольтметра ис-

L

пользовать мультиметры в соответствующих режимах

~0…12 B

V

работы или стрелочные приборы. В качестве регули-

руемого источника переменного напряжения исполь-

R1

зовать выход пониженного переменного напряжения

автотрансформатора 0…12В (модуль автотрансформа-

тора). Подключить параллельно добавочному резисто-

к осциллографу

ру выводы осциллографа. Установить ручку регуля-

Рис. 9.

тора модуля автотрансформатора в крайнее левое по-

ложение. Включить модуль питания (выключатель QF) и модуль автотрансформатора (выключатель SA1). Изменяя величину выходного напряжения автотрансформатора от нуля, снять вольтамперную характеристику катушки с ферромагнитным сердечником. Результаты измерений занести в табл. 11. При проведении измерений

39

наблюдать с помощью осциллографа форму кривой тока в цепи. Зарисовать вид кривой тока для последней точки. Выключить электропитание модулей.

Таблица 1

UК, B

IК, A

3.3. Для снятия вольтамперной характеристики конденсатора подключить к выходу пониженного напряжения автотрансформатора вместо катушки с сердечником батарею конденсаторов модуля реактивных элементов. Величину емкости батареи конденсаторов установить по указанию преподавателя (например, 250 мкФ). Снять вольтамперную характеристику конденсатора, изменяя выходное напряжение автотрансформатора от нуля. Результаты измерений занести в табл. 2. Выключить электропитание модулей.

Таблица 2

UС, B

IС, A

3.4.Используя полученные экспериментальные результаты, построить в одной системе координат вольтамперные характеристики катушки с ферромагнитным сердечником и конденсатора. Для случая последовательного соединения катушки с ферромагнитным сердечником и исследованного конденсатора построить вольтамперную характеристику такой цепи и по ней определить величину напряжения, при котором будет наблюдаться триггерный эффект.

3.5.Собрать электрическую цепь с последовательным соединением катушки

сферромагнитным сердечником и конденсатора (рис. 10). Плавно изменяя величину входного напряжения, снять вольтамперную харак-

теристику всей цепи при увеличении и уменьшении						L
входного напряжения. Обратить внимание на скачок
тока при увеличении и уменьшении напряжения. Ре-										С
зультаты измерений занести в табл. 3	~0…12 B
			V
Таблица 3

Uувел,B

Iувел, A

Uуменьш,B

Iуменьш, A

А

Рис. 10.

3.6. По экспериментальным результатам построить ВАХ цепи с последовательным соединением катушки с ферромагнитным

сердечником и конденсатора. Сравнить полученную характеристику с расчетной характеристикой.

3.7. Ознакомиться с работой ограничителя уровня напряжения. Для этого собрать схему по рис. 11. Подключить параллельно двуханодному стабилитрону осциллограф.

40