Костромская государственная
сельскохозяйственная академия
Кафедра ТОЭ и автоматики
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
по курсу
"Электротехника с основами электроники"
для студентов факультета
Механизации сельского хозяйства
2 цикл
Составитель: старший
преподавателькафедры ТОЭ и А
Смирнов В.Б.
Кострома — 2003
Лабораторный практикум по курсу«Электротехника с основами электроники (2 цикл). Для студентов факультетамеханизации сельского хозяйства. — Кострома: издательствоКостромской государственной сельскохозяйственной академии, 2003.
Лабораторный практикум содержатописания лабораторных работ, которые студенты факультета механизации сельскогохозяйства выполняют во втором семестре после начала изучения курса „Электротехникас основами электроники“ и включают в себя разделытрехфазных электрических цепей, электрических машин, измерения электрической энергии,электрического освещения, выпрямления переменного тока, а также общиетребования по технике безопасности при выполнении лабораторных работ.
Рекомендовано методическойкомиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства КГСХА
Протокол № 4 от 16 декабря 2002года.
Костромская государственнаясельскохозяйственная академия, 2003.Общие требования по выполнению лабораторных работ
Изучите по методическимуказаниям и конспекту лекций теоретические вопросы, относящиеся к темепредстоящей работы. Ознакомьтесь с содержанием и порядком выполнения работы.
В тетради для лабораторных работнапишите номер, название и цель работы, начертите схему исследованияэлектрической цепи и таблицу для записей результатов опытов и расчетов.
Соберите цепь по заданной схеме.Вначале рекомендуется подключить все последовательно соединенные элементы, атолько затем подключить элементы, включаемые параллельно. Проверитьправильность соединения цепи.
Включать цепь под напряжение только после разрешения преподавателя
При проведении опытов следуетвыполнять требования по технике безопасности:
перед началом сборки схемынеобходимо убедится в том, что стенд выключен;
не применяйте провода споврежденной изоляцией, наконечники
проводов надежно зажимайтеклеммами;
о включении стенда необходимопредупредить всех членов группы;
при появлении во время работыискр, запаха, дыма или других признаков ненормальной работы оборудованиянеобходимо немедленно отключить стенд и сообщить об этом преподавателю;
запрещается самовольно устранятьнеисправности электрооборудования;
при несчастном случае следуетнемедленно сообщить об этом преподавателю.
Разбирать схему следует толькопосле проверки преподавателем результатов опытов.
Произведите необходимые расчетыи графические построения и сделайте выводы по работе.
Методические указания к лабораторной работе № 6
»ИССЛЕДОВАНИЕТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ«ЗВЕЗДА»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: исследоватьцепь трехфазного тока при соединении потребителей электроэнергии по схеме«звезда» для различных режимов работы, выяснить влияние нейтральногопровода на величины фазных напряжений потребителя.
ПОРЯДОК РАБОТЫ:
1. Ознакомиться с приборами,необходимыми для выполнения работы, записать их технические характеристики.
Собрать электрическую цепь(рис.1).
/>
3. Установить симметричнуюнагрузку в фазах и записать показания приборов при наличии нейтрального проводаи без него. Убедиться, что Uл = Uф //>
4. Установить несимметричнуюнагрузку фаз (разное количество ламп в каждой фазе) и записать показанияприборов при наличии нейтрального провода и без него.
5. Установить симметричнуюнагрузку и, отключив все лампы в одной из фаз потребителя, что соответствуетобрыву в данной фазе, записать показания приборов при наличии нейтральногопровода и без него.
Установив симметричную нагрузкуфаз, отключить нейтральный провод и записать показания приборов при короткомзамыкании одной из фаз потребителя (для этого можно проводником замкнутьнакоротко зажимы любой фазы). Все данные измерений и вычислений внести втаблицу 1 и построить по этим данным векторные диаграммы для каждого пункта.
Таблица 1.Характер нагрузки
UA
UB
UC
UAB
UBC
UCA
IA
IB
IC
IN
UN 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Симметричная без нейтрального провода
Симметричная
с нейтральным проводом Несимметричная без нейтрального провода
Несимметричная
с нейтральным проводом Полная разгрузка одной фазы без нейтрального провода Полная разгрузка одной фазы с нейтральным проводом Короткое замыкание фазы без нейтрального провода
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕСВЕДЕНИЯ
Трехфазной системой переменныхтоков называется совокупность трех однофазных электрических цепей, в которыхдействуют три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 1/3периода и создаваемые одним источником электрической энергии. Обмотки фазгенератора имеют одинаковое число витков и выполняются из провода одинаковогосечения, поэтому ЭДС, индуктированные в этих обмотках, равны по величине.
Если каждая из трех фазгенератора работает на отдельную нагрузку, то в этом случае имеет местонесвязанная трехфазная система, в которой генератор соединен с нагрузкой 6-юпроводами (рис.2).
/>
Такие системы неэкономичны ипрактического применения не имеют.
Соединение фаз генератора инагрузки может осуществляться по схемам «звезда» и «треугольник».Если концы фаз генератора соединить в одну точку, а к началам подвести линейныепровода, соединяющих генератор с нагрузкой, то такое соединение называется«звездой» и условно обозначается знаком " " (рис.3).
/>
Чтобы соединить фазы нагрузки посхеме «звезда», следует все концы фаз этого потребителя соединить в однуточку, а начала фаз линейными проводами соединить с источником энергии.
Точки соединения концов фазгенератора (0) и нагрузки (0`) называются соответственно нулевыми, илинейтральными точками генератора и нагрузки.
Обе эти точки соединяютсяпроводом, называемым нулевым или нейтральным.
Таким образом, генераторсоединен с нагрузкой четырьмя проводами, поэтому такая система называетсятрехфазной четырехпроводной.
7
Токи, протекающие в фазахгенератора или нагрузки, называются фазными и обозначаются: IА;IВ; IС или в общем виде IФ.
Токи, протекающие по линейнымпроводам, называются линейными IЛ.
При соединении «звездой»фаза генератора, линейный провод и фаза нагрузки соединены последовательно,поэтому IЛ = IФ.
По нейтральному проводупротекает ток, равный геометрической сумме трех токов: IО= IА+IВ+IСили алгебраической сумме комплексов этих токов: IО=IА+IВ+IС.
Напряжения, измеренные междуначалом и концом каждой фазы, называются фазными и обозначаются: UА;UВ; UС или в общем виде UФ. Напряжения UАВ;UВС; UСА называются линейными и измеряются междулинейными проводами, т.е. между началами фаз. В линейных проводах принятосчитать положительными направления токов от генератора к нагрузке, а внейтральном — от нагрузки к генератору.
Благодаря наличиюнейтрального провода, фазные напряжения потребителя остаются неизменными какпри симметричной, так и при несимметричной нагрузке.
Если ток в нейтральном проводеравен нулю, что может иметь место при симметричной нагрузке, то трехфазнаясистема может стать трехпроводной (рис.4).
/>
Соотношения между линейными ифазными напряжениями устанавливаются на основании второго закона Кирхгофа. Приэтом уравнения для действующих значений записываются в векторной (1) иликомплексной (2) форме:
UАВ= UА — UВ UАВ = UА — UВ
UВС= UВ — UС(1) UВС = UВ — UС (2)
UСА = UС — UА UСА= UС — UА
Векторные диаграммы, построенныепо уравнениям (1), изображены на рис.5
(а, б).
/>
Векторная диаграмма рис.5 (а)называется топографической (каждая точка этой диаграммы соответствует точке насхеме).
Из векторной диаграммы рис.5 (б)видно, что «звезда» фазных напряжений отстает от «звезды» линейныхнапряжений на угол 30°. Соотношениемежду величинами фазных и линейных напряжений для симметричной нагрузки можновывести, рассматривая один из треугольников, составленных векторами фазных илинейных напряжений.
Например: />
Откуда />
Т.е., линейное напряжение вслучае симметричной нагрузки и при наличии нейтрального провода в />раз больше фазного.
UО — напряжение,измеряемое между нейтральными точками генератора и потребителя.
СЛУЧАЙ СИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.
Нагрузка, подключенная ктрехфазному генератору, может быть симметричной и несимметричной.
Симметричной называется такаянагрузка, при которой сопротивления фаз одинаковы по величине и по характеру, т.е.
ZА = ZВ =ZС = r + jx
При симметричной нагрузке токи вфазах по величине равны между собой.
IА = IВ =IС,
где />
На Рис.6 показаны векторныедиаграммы напряжений и токов для симметричной активной нагрузки (а) — приналичии нейтрального провода
(IА + IВ +IС = IО = 0), а (б) — без нейтрального провода.
/>
Рис.6
СЛУЧАЙ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКИ.
При несимметричной нагрузке ZА¹ZВ¹ZС, токи в фазах IА¹IВ¹IС.
Векторные диаграммы для данногослучая изображены на рис.7 (а, б).
На рис.7 (а) показанографическое определение тока в нейтральном проводе IО. Благодаряналичию нейтрального провода при несимметричной нагрузке напряжения на фазахпотребителя энергии остаются неизменными и равными фазным напряжениямгенератора (если пренебречь сопротивлением нейтрального провода и линейныхпроводов).
/>
Рис.7
В случае обрыванейтрального провода нулевая точка смещается в сторону более нагруженной фазы,и напряжения на фазах потребителя изменяются, что приводит к нарушениюнормальной работы приемников энергии,поэтомувнейтральный провод не рекомендуется ставить предохранитель или рубильник. Токив трехфазной цепи без нейтрального провода принимают такие значения, что ихгеометрическая сумма равна нулю.
Если в качестве нагрузкитрехфазной трехпроводной цепи используются лампы накаливания одинаковоймощности, то их накал определяется фазным напряжением, а так как напряжения нафазах различны, то лампы будут гореть с различной яркостью. Наибольший накалламп будет в той фазе, в которой включено меньшее количество ламп.
В случае обрыва одной из фаз,например, фазы «А» без нейтрального провода (отключены все лампы вэтой фазе), две другие фазы («В» и «С») оказываютсявключенными последовательно и находятся под линейным напряжением UВС.Если сопротивления одинаковы, то напряжения их будут равны, и каждое составляетполовину линейного напряжения UВС/2 (рис.8).
/>
Рис.8
В этом случае лампы, включенныев фазу «А», погаснут, а в фазах «В» и «С» будутиметь меньший накал.
Уменьшение сопротивления однойиз фаз (например, «А») до нуля, что соответствует короткому замыканиюв ней, приводит к смещению нулевой точки в вершину треугольника линейныхнапряжений, тогда UА=0, а фазные напряжения UВ и UСстановятся равными линейным: UАВ и UСА.
Векторная диаграмма токов инапряжений для данного случая показана на рис.9.
/>
Рис.9
Лампы, включенные в фазу «А»,гаснут, а в фазах «В» и «С» горят ярче обычного.
Вывод: принесимметричной нагрузке фаз нельзя применять соединение приемников по схеме«звезда» без нулевого провода.
Содержание ОТЧЕТА
1. Технические характеристикиприборов и элементов, используемых в работе.
2. Схемы и таблицы.
3. Расчетные формулы и векторныедиаграммы.
4. Выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое соединение фазгенератора и нагрузки называется «звездой»?
2. Каково соотношение междуфазными и линейными напряжениями и токами при соединении нагрузки «звездой»?
3. Объяснить назначение нулевогопровода.
4. Как определить ток в нулевомпроводе?
5. Что такое напряжение смещениянейтрали? В каких случаях оно равно нулю?
Чем опасно короткое замыканиеодной фазы при наличии и отсутствии нулевого провода?
Литература
1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1984, с.97 — 101.
2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с.109 — 111.
Методические указания к лабораторной работе № 7
"ИССЛЕДОВАНИЕТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ ПРИ СОЕДИНЕНИИ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ПО СХЕМЕ«ТРЕУГОЛЬНИК»
Цель работы: исследоватьразличные режимы работы потребителей трехфазного тока, соединенных по схеме«треугольник».
Порядок работы:
1. Ознакомиться с приборами,применяемыми в данной работе и записать их технические данные.
Собрать электрическую схему(Рис.1).
/>
Рис.1
3. Измерить фазные, линейныетоки и напряжения при симметричной нагрузке фаз. Убедиться, что IЛ =/>Iф.
4. Произвести указанные в пункте3 измерения для несимметричной нагрузки (включить разное количество ламп вфазах).
5. Установив симметричнуюнагрузку, отключить полностью лампы в одной из фаз. Записать указания приборов.
6. При симметричной нагрузке фазосуществить обрыв одного из линейных проводов. Результаты измерений ивычислений занести в таблицу 1. Для всех пунктов эксперимента построить вмасштабе векторные диаграммы.
Таблица 1Характер нагрузки
IAB, А
IBС, А
IСA, А
IA, А
IB, А
IC, А
U AB,B
UBC,B
UCA,B Симметричная Несимметричная Обрыв фазы Обрыв линейного провода
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Трехфазной системой переменныхтоков называется совокупность трех однофазных электрических цепей, в которыхдействуют синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе на 1/3периода и создаваемые общим источником электрической энергии. Обмотки фазгенератора имеют одинаковое число витков и выполняются из провода одинаковогосечения, поэтому ЭДС, индуктированные в них, равны по величине. Если каждая изтрех фаз генератора работает на автономную нагрузку, то такая трехфазнаясистема называется несвязанной, в ней генератор соединен с потребителем шестьюпроводами (рис.2).
/>
По закону Ома ток, протекающий вфазе
/>
где UФ — напряжениена зажимах фазы
ZФ — полноесопротивление фазы.
Несвязанные системы неэкономичныи практического применения не имеют. Соединение фаз генератора и нагрузки можетосуществляться по схемам «звезда» или «треугольник».
Объединяя попарно проводанесвязанной шестипроводной системы (рис.2) и соединяя фазы генератора инагрузки, можно перейти к трехпроводной трехфазной системе, соединеннойтреугольником (рис.3).
/>
Как видно, соединениетреугольником выполняется так, чтобы конец фазы «ав» был соединен сначалом фазы «вс», конец фазы «вс» соединен с началом фазы«са», конец фазы «са» соединен с началом фазы «ав».К общим точкам соединения фаз подводятся линейные провода, соединяющиегенератор с нагрузкой.
При соединении нагрузки по схеме«треугольник» линейное напряжение равно фазному: Uл = Uф.
Соотношения между фазными илинейными токами устанавливаются на основании первого закона Кирхгофа изуравнений, составленных для узловых точек «а», «в», «с»нагрузки
IА=Iав — Iса
IВ =Iвс — Iав
IС= Iса — Iвс
Таким образом, линейные токиравны алгебраической сумме векторов фазных токов. При симметричной нагрузкефазные токи одинаковы и сдвинуты по фазе на 120°. Векторная диаграмма дляданного случая изображена на рис.4
/>
Рис.4
НЕСИММЕТРИЧНАЯ НАГРУЗКА ФАЗ
Если в одну из фаз включитьдополнительное сопротивление параллельно имеющемуся, то есть, увеличитьколичество ламп, то общее сопротивление этой фазы уменьшится, а ток возрастет.
Величины токов в двух другихфазах остаются неизменными, так как их сопротивления и напряжения неизменились. Векторная диаграмма, представленная на рис.5, построена для случаяувеличения нагрузки в фазе «АВ».
/>
Рис.5 Рис.6
При увеличении сопротивленияодной из фаз, например, фазы «ВС», добесконечности, что соответствует обрыву данной фазы, ток в ней равен нулю, вдвух других фазах токи не изменятся, так как сопротивления в них остались как ипри симметричной нагрузке.
Векторная диаграмма для данногослучая изображена на Рис.6.
Лампы, включенные в фазу «ВС»,не горят. В двух других фазах накал ламп такой же, каким был при симметричнойнагрузке.
В случае обрыва одного излинейных проводов (например, провода, по которым протекает ток Iа), цепьтрехфазного тока (рис.7) можно представить в виде однофазной с двумяпараллельно включенными ветвями (рис.8)
/>
В этом случае лампы в фазе«ВС» остались под фазным напряжением.
Векторная диаграмма имеет вид рис.9.Эти фазы оказываются соединенными последовательно под напряжение фазы Uвс.
Следовательно, напряжение Uвсделится поровну между фазами «АВ» и «СА». Активная мощностьтрехфазного тока при несимметричной нагрузке фаз равна сумме активных мощностейотдельных фаз:
Р = Рав + Рвс + Рса,
где: Рав= Uaв Iав cosjав
Pвс = Uвс Iвс cosjвс
Pса = Uса Iса cosjса
При симметричной нагрузке фаз Р= 3Рф = 3UфIфcosj.
А так как при соединениинагрузки треугольником
/>
то есть, Р = />Uл Iл cosjф.
Соответственно реактивнаямощность Q = />Uл Iл sinjф.
Полная мощность S = />Uл Iл
Содержание ОТЧЕТА
1. Технические характеристикиприборов и элементов, используемых в работе.
2. Схемы и таблицы.
3. Расчетные формулы и векторныедиаграммы.
4. Выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Какое соединение фазгенератора или нагрузки называется треугольником?
2. Каковы соотношения междулинейными и фазными напряжениями и токами при симметричной нагрузке фаз,соединенных треугольником?
3. Как определяются линейныетоки?
4. Как определяется активная,реактивная и полная мощности трехфазной цепи при различных нагрузках?
5. Каковы будут напряжения нафазах приемников энергии, если перегорит предохранитель в одном из линейныхпроводов?
6. Построить векторные диаграммыдля всех случаев симметричной и несимметричной нагрузок фаз.
Литература
3. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1984, с.101 — 104.
4. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с.112 — 114.
Методические указания к лабораторной работе № 8
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГОСЧЕТЧИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.
Цель работы:изучить устройство, принцип работы однофазного счетчика, научиться включать егов сеть и производить поверку.
Теоретические сведения
Электрическая энергия равнапроизведению мощности электрической цепи на время:
/>
где Р — мощность, Вт;
t — время, с.
Единица измерения электрическойэнергии — Вт×с. На практикеприменяют более крупную единицу — кВт×ч:
1кВт×ч = 1000 ×3600= 3600000 Дж (Вт×с).
Для учета электрической энергиив цепях однофазного тока используются электрические счетчики индукционнойсистемы типа СО. Счетчик измеряет энергию, израсходованную потребителем заопределенный промежуток времени:
/>/>
где u — мгновенное значение напряжения питания приемников энергии, В,
i — мгновенное значение тока,протекающий в цепи потребителя, А
p — мгновенное значение мощности потребителя, Вт/>
t — время, с
Следовательно, электрическийсчетчик — это суммирующий прибор. Все электрические счетчики по родуизмерений величины подразделяются на две группы:
счетчики активной энергии
счетчики реактивной энергии.
Для учета энергии трехфазныхпотребителей в четырехпроводной сети применяют трех — и четырехэлементныесчетчики активной энергии (СА-3, СА-4) и реактивной энергии (СР-3, СР-4). Вданной работе исследуется индукционный однофазный счетчик электрической энергиитипа СО-2.
УСТРОЙСТВО СЧЕТЧИКА
(см. плакат и счетчик на стенде)
На стальных сердечникахсложной формы, набранных из тонких пластин электротехнической стали, установленыдве обмотки (катушки) — токовая обмотка (1) и обмотка напряжения (2).
Токовая обмоткавыполнена незначительным числом витков медного провода относительно большогосечения, соответствующего номинальному току счетчика. Она включается в сеть последовательнос нагрузкой.
Обмотка напряженияимеет 8-12 тыс. витков тонкой проволоки диаметром 0,8 или 0,12 мм и включаетсяв сеть параллельно нагрузке.
Между сердечниками установлен алюминиевыйдиск 3, который укреплен на оси 6 и свободно вращается вподпятниках.
Постоянный магнит4 необходим для создания тормозного момента. На оси 5 расположеначервячная передача 7, которая приводит в движение счетныймеханизм Все элементы счетчика укреплены на пластмассовом основании изакрываются крышкой. В нижней части основания укреплены клеммыдля включения счетчика в сеть.
На лицевой стороне счетчика подстеклом установлен паспорт, в котором указываютсяосновныеданные счетчика, например
тип — СО-2
класс точности — 2,5
передаточное число К — 1200 об/ кВт*час (или другое значение, см. счетчик)
напряжение — 220 В
номинальный ток — 5А
частота тока — 50 Гц
ГОСТ
заводской номер
год выпуска.
Принцип работы счетчика
При включении катушки напряженияв сеть по ней течет ток, который вызывает в сердечнике 1 магнитныйпоток Ф, разделенный на две части: Фр и ФL, где Фр — рабочий поток, который пронизываеталюминиевый диск и замыкается через противополюсную скобу; ФL — магнитный поток, замыкающийся через боковые стержни сердечника инепосредственного участия в создании вращающего момента счетчика непринимающий.
При включении потребителей потоковой катушке течет ток I. Этот ток создает магнитный поток ФI, который пересекает диск в двух местах. Этообеспечивается U — образной формой магнитопроводатоковой катушки.
Магнитные потоки Фр и ФI,пронизывая диск, индуктируют в нем вихревые токи.
Взаимодействие переменныхмагнитных потоков Фри ФI с индуктированными ими токамисоздает вращающий момент, действующий на диск 3.Величина этого вращающего момента определяется величиной напряжения, под которымнаходится катушка 2, величиной тока нагрузки I,протекающего по токовой катушке и коэффициентом мощности cos j цепи, в которую включен счетчик
/>
где k — коэффициентпропорциональности.
Таким образом, вращающий момент,действующий на диск счетчика, пропорционален активной мощности цепи, в которуюон включен. Под действием этого вращающего момента диск вращается.Установившаяся скорость вращения диска наступает при равенстве вращающего итормозного моментов:
МВр = МТ
Тормозной момент создаетсяпостоянным магнитом 4. Скорость вращения дискапропорциональна мощности потребителя. С осью диска связан вал счетногомеханизма. Число оборотов вала счетного механизма зависит от мощности, времении передаточного числа счетного механизмаК. Передаточное числосчетчика — это число оборотов его диска, приходящегося на 1 кВт×ч.
К=N/W= N/P*t
Энергия, потребленная из сети завремя, в течение которого диск сделал Nt оборотов, будет равна:
/>
где Wt — энергия завремя t, Вт×с(кВт×ч)
P — мощность потребителя, Вт (кВт)
t — время, за которое дисксделал n оборотов, с
Nt — число оборотовдиска за время t
Методика поверки счетчика
Счетчик будет точно учитыватьэнергию при соблюдении многих условий, которые строго выполнить практическиневозможно.
Для данного счетчика допускаютсяследующие погрешности в зависимости от величины тока при cos j = 1:
0,1Iн — ±3,5%
0,2Iн — ±2,5%
0,5Iн — ±2,5%
1,5Iн — ±2,5%
Для поверки счетчика необходимо:
Определить номинальнуюпостоянную счетчика
1 кВт*ч 1000*3600 Вт*с
CН = —, — ; Cн = -------------, ------
К об К об
Величину К берут изпаспортных данных счетчика.
Номинальная постояннаясчетчика — это величина, обратная передаточному числу. Она определяетколичество энергии в Вт×с,приходящееся на один оборот диска.
2. Определить действительнуюпостоянную счетчика
/>
/>
где U — напряжение сети, В
I — ток потребителя, А
t — время, за которое дисксделает n оборотов
n — количество оборотов диска (принятьравным 10).
3. Определить относительнуюпогрешность счетчика
/>/>/>
Если действительная постояннаябольше номинальной, счетчик дает заниженные показания — недоучитывает энергию;если действительная постоянная меньше номинальной — счетчик дает завышенныепоказания.
Согласно ГОСТ 6570-70 счетчикиэлектрической энергии выпускаются трех классов точности: 1; 2; 2,5. Цифра,обозначающая класс точности, указывает значение допустимой относительнойпогрешности счетчика при его номинальной нагрузке.
Определить чувствительностьсчетчика
/>
где I min — минимальный ток,при котором диск начинает устойчиво вращаться.
По ГОСТ 6570-60 чувствительностьне должна быть меньше 0,5 — 1,0% в зависимости от класса точности.
В данной работе чувствительностьне определяется.
Порядок выполнения работы
1. Изучить конструкцию счетчика,принцип его работы.
2. Собрать схему согласно рис.1.
3. Включением ламп установитьнагрузку, соответствующую 10%, 20%, 50%, 100%, от номинального тока, указанногов паспорте.
21
4. Для каждого значения токаопределить по секундомеру время, за которое диск делает 10 оборотов. Всеполученные данные напряжения, тока и времени занести в таблицу 1.
5. Вычислить номинальную идействительную постоянные, относительную погрешность для всех режимов работысчетчика.
Сделать выводы о пригодностиданного счетчика.
Используя принцип работыоднофазного счетчика, проанализировать работу трехфазного счетчика и на основе рис.2изобразить схему прямого включения в сеть трехфазного счетчика (т.е. исключивтрансформаторы тока ТА1… ТА3)
/>
Рис.1 Схема исследованияоднофазного счетчика активной энергии.
/>
Рис.2. Схема подключениятрехфазного счетчика электрической энергии.
Таблица 1
N
п/п Измерено Вычислено U, В I, А t, c n, об
Cн,
Вт× с/об
Cд,
Вт× с/об d, % 1 2 3 4
Содержание отчета
Схема включения однофазногосчетчика в сеть.
Схема включения трехфазногосчетчика (п.7).
Таблица с результатамиизмеренных и вычисленных значений.
3. Выводы о результатах поверкисчетчика.
Контрольные вопросы.
1. Единицы измеренияэлектрической энергии.
2. Основные части счетчика и ихназначение.
3. Принцип работы индукционногосчетчика.
4. Что указывается в паспортесчетчика?
5. Что называется передаточнымчислом счетчика?
6. Что показывает класс точностисчетчика?
7. Что называется номинальнойпостоянной счетчика? Как она определяется?
8. Что называется действительнойпостоянной счетчика?
9. Как определить погрешностьсчетчика?
Литература
1.Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с.277 — 284.
2. Яцкевич В.В. Электротехника.- Мн.: Ураджай, 1981. — 183с.
3. Прищеп Л.Г. Учебник сельскогоэлектрика. — М.: Агропромиздат, 1986. — 509с.
Методические указания к лабораторной работе № 9
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГОТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы:
1. Изучить конструкцию и принципдействия однофазного трансформатора.
2. Исследовать трансформатор врежимах холостого хода, короткого замыкания и при нагрузке.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с устройствомтрансформатора, записать его паспортные данные, технические характеристикиприборов, используемых в работе.
2. Собрать схему рис.1.
3. После проверки схемыпреподавателем включить напряжение и произвести опыт холостого хода.
4. По данным опыта вычислить:
а) коэффициент трансформации n;
б) полную мощность S;
в) коэффициент мощности cosj;
г) угол потерь в стали d.
Результаты измерений ивычислений записать в таблицу 1.
Построить векторную диаграммурежима холостого хода трансформатора.
5. Собрать схему рис.2.
6. После проверки схемыпреподавателем включить напряжение и, постепенно увеличивая нагрузку, записатьпоказания приборов в таблицу 2.
7. По результатам измерений п.6построить внешнюю характеристику трансформатора и определить процентноеизменение напряжения DU%.
8. Собрать схему рис.3.
9. После проверки схемыпреподавателем включить напряжение и произвести опыт короткого замыкания. Дляэтого к первичной обмотке трансформатора подвести такое напряжение, при которомв первичной и вторичной обмотках устанавливаются номинальные токи I1Ни I2Н.
10. По данным опыта короткогозамыкания вычислить: полное сопротивление Z2, активное сопротивлениеrК, реактивное сопротивление XК.
Pезультаты измерений ивычислений занести в таблицу 3.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Трансформатором называетсястатический электромагнитный аппарат,предназначенный для преобразованиянапряжения и тока при неизменной частоте.
Процесс преобразованияэнергии называетсятрансформацией.
Трансформатор может бытьповышающим и понижающим. По числу фаз различают трансформаторы однофазные итрехфазные. Однофазный трансформатор (двухобмоточный) состоит из двух обмоток,намотанных на сердечник, который
набирается из тонких листовэлектротехнической стали, что уменьшает потери энергии от вихревых токов. Листыизолируются друг от друга лаком или оксидной пленкой.
Обмотка, к которой подаетсянапряжение, называется первичной.
Обмотка, к которой подключаетсянагрузка, называется вторичной.
Каждый трансформатор имеетщиток, на котором указываются следующие основные номинальные данные:
номинальная мощность SН(кВА);
номинальные напряжения назажимах первичной и вторичной обмоток U1н и U2н;
номинальные токи I1ни I2н, частота f, напряжение короткого замыкания Uк.
Номинальными называются такиевеличины мощности, напряжения и тока, при которых в трансформаторе наступаеттепловое равновесие при температуре нагрева обмоток, не вызывающего разрушенияизоляции. Так, для современных силовых трансформаторов номинальные мощность иток принимаются такими, при которых тепловое равновесие наступает притемпературе окружающей среды 35°С.
ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДАТРАНСФОРМАТОРА
Холостой ход трансформатора — это такой режим его работы, при котором к зажимам первичной обмотки подводитсяноминальное напряжение, а вторичная обмотка разомкнута.
Из опыта холостого хода можноопределитькоэффициент трансформации, как отношение ЭДС первичнойобмотки к ЭДС вторичной обмотки:
/>
где W1 и W2 — число витков первичной и вторичной обмоток.
Ток холостого ходатрансформатора составляет от 2,5 до 10% от номинального, поэтому падениемнапряжения на первичной обмотке можно пренебречь и считать приближенно U1=E1,а E2=U2. Тогда
/>
где U20 — напряжение на зажимах вторичной обмотки прихолостом ходе, т.е. коэффициент трансформации — отношение напряжения назажимахобмоток трансформатора в режиме холостого хода. Мощностьтрансформатора в этом режиме затрачивается на возмещение потерь наперемагничивание магнитопровода (гистерезис) и на нагрев магнитопроводавихревыми токами:
Pо=Pг+Pвт.
Полная мощность S = U1. I1
Коэффициент мощности прихолостом ходе:
/>
Таким образом, опыт холостогохода дает возможность определить коэффициент трансформации n, потери в сталисердечника и угол потерь в стали: d= (90-j0).
ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Из опыта короткого замыканиятрансформатора можно определить сопротивление обмоток, напряжение короткогозамыкания и потери в меди (в обмотках).
Опыт короткого замыканияпроизводится следующим образом. Вторичная обмотка замыкается накоротко черезамперметр, на первичную обмотку подается напряжение, пониженное до такойвеличины, при которой токи в обмотках равны номинальным. Это напряжениеназываетсянапряжением короткого замыкания Uк. Мощность врежиме короткого замыкания расходуется на нагрев обмоток, т.е. на потери вмеди:
/> />
где rк = r1 +r2; где r2 = n2×r2 — приведенное к первичной обмотке активное сопротивление вторичной обмоткитрансформатора.
Полное сопротивление короткогозамыкания определяется
/>
Индуктивное сопротивлениекороткого замыкания:
/>
ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКАТРАНСФОРМАТОРА
Зависимость напряжения U2 назажимах вторичной обмотки трансформатора от тока нагрузки I2 принеизменном напряжении на зажимах первичной обмотки при постоянном коэффициентемощности называется внешнейхарактеристикой трансформатора. Дляснятия внешней характеристики при активной нагрузке (cosj=1) следует подвести к первичной обмотке номинальное напряжениеи при разомкнутой вторичной обмотке записать показания приборов. Затем,постепенно увеличивая нагрузку, записать показания приборов. При помощи внешнейхарактеристики можно определить процентное изменение напряжения по формуле:
/>
Здесь U20 — напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходе; U2 — напряжение при данной нагрузке.
Коэффициент полезного действиятрансформатора определяется из опытов холостого хода, короткого замыкания инагрузки. При этом потери в стали, определяемые из опыта холостого хода, независят от нагрузки.
Потери в меди, определяемые изопыта короткого замыкания, пропорциональны квадрату тока. Таким образом,
/>
где P2Н = SН× cosj- номинальная мощность трансформатора;
SН — полнаяноминальная мощность трансформатора.
Для любой нагрузки коэффициентполезного действия определяется по формуле:
/>
Здесь P2=b×SН×cosj2 — мощность, отдаваемая трансформатором;
/> -коэффициент загрузки трансформатора.
Задаваясь величиной коэффициентазагрузки, можно построить кривую зависимости:
h=f (P2)
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Устройство и принцип действиятрансформатора.
2. Что такое коэффициенттрансформации?
3. С какой целью проводятсяопыты холостого хода и короткого замыкания?
4. Какая зависимость называется внешнейхарактеристикой трансформатора?
5. Как определить КПДтрансформатора?
6. Как определить число витковвторичной обмотки при известном числе витков первичной обмотки, напряжении U1 и U2.
7. Почему сердечник трансформаторанабирают из пластин?
8. Имеется трансформатор 220/12 В. На первичную обмотку подали 220 В, но постоянногонапряжения. Чему равно напряжение на выходе вторичной обмотки?
СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Технические характеристикиприборов и элементов цепи.
2. Схемы и таблицы.
3. Pасчетные формулы.
4. Выводы по проделанной работе.
Таблица 1. Измерено Вычислено
U1, В
U20, В
I10, А
P0, Вт n
cosj0
j0 S, ВА d
Таблица 2. Измерено Вычислено
U1, В
I1, В
P1, Вт
I2, A
U2, В
cosj1 b
P2, Вт h DU,% /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Таблица 3.
/> />
Измерено Вычислено
U1K, В
I1K, A
P1K, Вт
I2, A
cosjK
ZK, Ом
rK, Ом
ÕÊ, Îì
UK,%
/>
/>
Литература
1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. — М.: Высшая школа, 1984, с.135- 160.
2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. — М.: Энергоатомиздат, 1983, с.166- 193.
Методические указания к лабораторной работе № 10
"ПУСК ТРЕХФАЗНОГОАСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ"
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1. Овладение практическиминавыками по сборке схемы управления трехфазным асинхронным двигателем (ТАД) скороткозамкнутым ротором при помощи нереверсивного магнитного пускателя.
2. Пуск ТАД в однофазном режиме.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Трехфазный асинхронный двигательс короткозамкнутым ротором является наиболее распространенным видомэлектродвигателей в сельскохозяйственном производстве.
Основная схема управления ТАД — нереверсивная схема управления при помощи магнитного пускателя (рис.1).Магнитный пускатель предназначен для ручного дистанционного илиавтоматического управления ТАД.
Он состоит из корпуса, тяговогоэлектромагнита и связанной с ним электромагнитной системой. Контактная системасостоит из силовых и вспомогательных контактов. Тяговый электромагнит (катушкамагнитного пускателя) может управляться от источника постоянного илипеременного напряжения. В магнитных пускателях переменного тока магнитопроводвыполнен из листов электротехнической стали (0,35...0,5 мм) для уменьшенияпотерь на перемагничивание. Для уменьшения вибрации сердечника в торцевой частисердечника магнитопровода установлено медное короткозамкнутое кольцо.
Наиболее распространенныемагнитные пускатели типа ПМЕ, ПМЛ, ПМА позволяют осуществить до 150 включений вчас. Катушки магнитных пускателей изготавливаются на 110, 127, 220, 380 и 660В. При выборе магнитных пускателей обращают внимание на наибольшую допустимуюмощность электродвигателя при данном напряжении и на напряжение катушки. Всетях с напряжением 380/220 В можно использовать катушки с напряжением 380 и220 В. В первом случае катушка должна включаться на линейное напряжение (двелюбые фазы), во втором — на фазное (любая фаза и нуль).
Для управления магнитнымипускателями применяются кнопочные станции. Они могут быть одно-, двух — имногопостовые.
Для защиты электродвигателя исхемы управления от коротких замыканий применяются плавкие предохранители иавтоматические выключатели.
Для защиты электродвигателя отперегрузки используют тепловые реле и автоматические выключатели с тепловымирасцепителями. Плавкие предохранители от перегрузки электродвигатели незащищают.
Рассмотрим работу схемыуправления (рис.1).
После включения автоматическоговыключателя QF при нажатии кнопки SB2 «Пуск» протекает ток поцепочке: фаза С®SB1®SB2®катушка КМ®контакт КК®нулевой провод N. Следовательно, катушка КМполучает питание и втягивает сердечник с контактной группой. Контакты КМзамыкаются, и на электродвигатель М подается трехфазное напряжение.
Для того, чтобы двигатель неостановился после отпускания кнопки SB2, параллельно ей подключаетсявспомогательный контакт КМ, шунтирующий кнопку «Пуск».
Тепловое реле КК предназначенодля защиты двигателя от перегрузок. При увеличении тока сверх допустимой нормытепловое реле срабатывает, размыкая при этом свой контакт КК в цепи питаниякатушки магнитного пускателя КМ. Повторный пуск ТАД после срабатывания пусковойзащиты возможен после ручного возврата контактов реле КК в исходное положениечерез некоторое время, необходимое для остывания теплового реле КК.
Перед пуском ТАД необходимоустранить причины, приведшие к срабатыванию тепловой защиты.
При отсутствии у потребителятрехфазного напряжения трехфазный двигатель можно запустить в однофазномрежиме. На рис.2 приведены основные схемы такого пуска.
Так как при подключении однойфазы круговое вращающееся магнитное поле отсутствует, то для пуска необходимообеспечить сдвиг токов в пусковой и рабочей обмотках относительно друг друга.Для обеспечения фазового сдвига обычно используют конденсаторы, емкость которыхрассчитывается следующим образом.
Для пуска необходима большаяемкость, чем для рабочего режима
Спуск = (2...2,5) ×Cраб
После пуска пусковыеконденсаторы отключают в целях уменьшения нагрева обмоток статора.
Рабочая емкость определяется изпаспортных данных ТАД.
Для схемы 2 а) Ср =2800 Iн /Uн;
для схемы 2 б) Ср =4800 Iн/Uн;
для схемы 2 в) Ср =1600 Iн/Uн.
Применяются конденсаторы марокБГГ, МБГ4, МБГ0 и др. на напряжение не меньше амплитудного.
Мощность двигателя в однофазномрежиме составляет примерно половину мощности, развиваемой ТАД в трехфазномрежиме.
ЗАДАНИЕ ПО РАБОТЕ
1. Изучить схему управления ТАД(рис.1).
2. Ознакомиться с устройствоммагнитного пускателя, кнопочных станций, теплового реле, записать ихтехнические данные и данные электродвигателя.
3. Собрать схему и пуститьэлектродвигатель.
4. Изменить направление вращенияэлектродвигателя.
5. Изучить схему пуска ТАД воднофазном режиме (рис.2).
6. Собрать одну из схем,рассчитать емкость конденсаторов и произвести пуск.
7. Изменить направление вращенияэлектродвигателя.
8. Составить краткие выводы поработе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Назовите элементы магнитного пускателя, его устройство и назначение.
2. Как защищаетсяэлектродвигатель от коротких замыканий?
3. Как защищаетсяэлектродвигатель от перегрузки?
Объясните принцип работы схемыпуска электродвигателя с помощью магнитного пускателя.
Для чего параллельно кнопке«Пуск» устанавливается вспомогательныйконтакт? (рис.1)
Для чего устанавливается конденсаторпри пуске однофазного электродвигателя?
Почему в сети с частотой 50Гцскорость вращения асинхронного электродвигателя не превышает 3000 об/мин.
/>
/> />
Рис.1. Схема пуска ТАД с использованием магнитного пускателя.
/>
/>
Литература
1. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника.- М.: Высшая школа, 1984, с.257 — 290.
2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника.- М.: Энергоатомиздат, 1983, с.334 — 359.
3. Прищеп Л.Г. Учебник сельскогоэлектрика. — М.: Агропромиздат, 1986, с.262 — 276.
Методические указания к лабораторной работе № 11
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИСВЕТОТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ИСТОЧНИКОВ СВЕТА.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: изучениеустройства, принципа действия ламп накаливания и люминесцентных ламп исравнение их электрических и светотехнических характеристик.
1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.
1.1 Изучить конструкцию лампынакаливания и люминесцентной лампы. Ознакомиться с оборудованием лабораторногостенда и электрическими схемами для исследования ламп.
1.2 Подготовить к работелюксметр согласно указаний раздела 3, измерить расстояние между лампой ифотоэлементом.
1.3 Собрать схему (рис.1) ипоказать ее преподавателю.
1.4 Установить напряжение налампе 240 В. Произвести измерение тока, мощности, освещенности. Данныеизмерений занести в таблицу 1. Плавно снижая напряжение на лампе, через каждые20 В снимать показания и результаты занести в таблицу.
1.5 Собрать схему (рис.2) ипоказать ее преподавателю.
1.6 Выполнить указание п.1.4 длялюминесцентной лампы (рис.2) и данные записать в таблицу 2.
Построить совмещенные графикизависимости светоотдачи от мощности для лампы накаливания и люминесцентнойлампы, аналогично графики зависимости светового КПД от мощности.
/>
/>
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ.
Лампы накаливания.
Основной частью лампынакаливания (рис.3) является тело накала 3, которое нагревается под действиемэлектрического тока до температуры 2000...2800°К и испускает электромагнитноеизлучение в виде светового (видимого) и инфракрасного (теплового) потока. Телонакала изготавливают из вольфрамовой проволоки различной конструкции и формы (нити,спирали, биспирали). Вольфрам имеет высокую температуру плавления (3663°К) ималую скорость испарения. Дополнительные присадки из окисей кремния и алюминияс добавлением калия и натрия обеспечивают большую механическую прочность теланакала при хорошей формоустойчивости.
Для подвода тока к телу накала иподдержания его в нужном положении служат электроды 6. Дополнительнымиподдерживающими элементами являются держатели 4, вставленные в утолщениестеклянного стержня 5, имеющего название штабик. Внутренние детали лампыизолированы от внешней среды колбой 1. Внутри тарелки 9 имеется откачная трубка10 с отверстием 14 для откачивания воздуха. Внутреннюю полость колбы заполняютинертными газами (аргон, криптон) для уменьшения окисления и распылениявольфрама при высокой температуре.
Для подвода питания и креплениялампы в патроне служит резьбовой цоколь 13. Лампы мощностью до 300 Вт имеютобычно цоколь Е27, а 500 Вт и более — Е40. Питание от второго проводаподводится через контактную пластину 12.
/>
Обозначение ламп накаливанияобщего назначения имеет буквенно-цифровую символику.
Например: БК215-225-100-2 — биспиральная, криптоновая, на диапазон напряжения 215...225 В,мощность 100 Вт, второй номер разработки.
Срок службы ламп накаливанияобщего пользования составляет в среднем 1000 часов.
В настоящее время широковыпускаются более эффективные — галогенные — лампы накаливания, имеющие колбу вформе трубки. Добавка галогена, например, йода, в колбу лампы накаливаниявызывает замкнутый химический цикл. В рабочем режиме частички вольфрама с теланакала испаряются и оседают на стенках колбы лампы. При температуре 570...1400°Ку стенок колбы пары йода соединяются с частичками вольфрама, образуя йодистыйвольфрам с температурой испарения 520...570°К. При температуре 520°К и болееэто газообразное соединение улетучивается и из-за повышенной концентрации устенок диффузирует в направлении раскаленной вольфрамовой спирали. Вблизивольфрамовой спирали йодистый вольфрам диссоциирует на исходные составные элементы- вольфрам и йод. Частицы вольфрама оседают на тело накала, а йод движется вобратном направлении к стенкам колбы. Таким образом осуществляется регенерацияиспарившегося вольфрама на тело накала, что приводит к увеличению срока службылампы. Вольфрамо-йодный цикл препятствует осаждению вольфрама на стенки колбылампы, сохраняя их чистыми и прозрачными на протяжении всего срока службы.
Достоинствамигалогенных ламп накаливания являются повышенный срок службы (до 10 тыс. часов),высокая световая отдача (до 29 лм/Вт). Недостатки — высокаястоимость и необходимость эксплуатации только в горизонтальном положении.
Люминесцентные лампы.
Люминесцентные лампыработают на основе люминесценции — свечения газа в трубке лампы под действиемэлектрического тока. В отличие от ламп накаливания в газоразрядных источникахсвета светящимся телом является участок межэлектродного промежутка. Довключения в сеть газоразрядная лампа является диэлектриком. Под действиемприложенного напряжения происходит ионизация газового промежутка и онстановится проводником электрического тока. Для зажигания таких ламп необходимоприложить напряжение из расчета 500...1000 В на 1 м длины трубки. Послезажигания лампы сопротивление ее значительно уменьшается, поэтому рабочий токнеобходимо ограничивать. Для этих целей служат пускорегулирующие аппараты (ПPА).
Устройство люминесцентнойлампы.
На внутреннюю поверхностьстеклянной трубки (колбы) равномерно по всей длине нанесен тонкий слойлюминофора, преобразующий ультрафиолетовую часть излучения разряда в парахртути в видимое излучение. Благодаря люминофору световая отдача влюминесцентной лампе доходит до 75 лм/Вт. В качестве люминофора влюминесцентных лампах применяется галофосфат кальция, активированный марганцеми сурьмой, изменяя соотношение которых, можно изменять цветность излучения.
Электроды, которые находятся наконцах колбы (рис.4), выполняются из вольфрама. Для улучшения термоэлектроннойэмиссии электроды покрываются веществом, состоящим из карбонатов бария,стронция и кальция. Для возникновения ультрафиолетовых лучей в лампудобавляется дозированное количество ртути. После зажигания лампы ртутьиспаряется и газовый разряд теперь идет уже в парах ртути. При движенииэлектроны сталкиваются с атомами ртути и отдают им часть кинетической энергии.При этом электроны атома ртути переходят на некоторую новую орбиту. Такаяструктура возбужденного атома нестабильна. Электрон стремится перейти в своепрежнее положение. При обратном его переходе на более низкий энергетическийуровень выделяется квант лучистой энергии, преобладающими в этом излученииявляются ультрафиолетовые лучи. Колба лампы наполнена инертным газом аргоном,который способствует надежному горению разряда в трубке, облегчению зажиганиялампы и уменьшению распыления электродов. Давление газа составляет 400 Па (3мм. рт. ст). Наиболее распространенными являются люминесцентные лампы ЛД-40,ЛБ-40, название которых расшифровывается следующим образом: люминесцентная,дневного (или белого) света, мощностью 40 Вт.
/>
Рис.4. Устройстволюминесцентной лампы.
Пускорегулирующие аппараты состартерным зажиганием.
Стартер представляет собойстеклянный баллон, наполненный газом неоном. В баллон впаяны два электрода,один из которых биметаллический. Параллельно контактам стартера включаетсяконденсатор для устранения радиопомех.
Дроссель-катушка с большимчислом витков необходим для создания импульса напряжения при зажигании лампы идля ограничения тока, протекающего через лампу.
Работа люминесцентной лампы.
При подаче напряжения на лампу(рис.2) начальный ток потечет по следующей цепи: клемма сети, дроссель,первичный электрод лампы, стартер, второй электрод лампы, клемма сети. Величинаэтого тока незначительная и составляет доли ампера. Этот ток, проходя через газмежду электродами стартера, нагревает этот газовый промежуток (т.ксопротивление этого газового слоя довольно велико). Вместе с газом нагреваютсяи электроды стартера. Биметаллический электрод при нагревании изгибается исоединяется со вторым электродом. При замыкании контактов стартера ток в цепирезко увеличивается, т.к исключается сопротивление газового промежуткастартера. Величина этого тока, в основном, определяется индуктивнымсопротивлением дросселя. Ток, который течет по цепи при замкнутых контактахстартера называется пусковым током. Пусковой ток разогревает электродылюминесцентной лампы до температуры около 1000°К. Лампа готова к зажиганию. Таккак электрическое сопротивление замкнутых электродов стартера мало, ониохлаждаются (Q=I2R) и размыкаются (биметаллический электродвозвращается в начальное положение). При размыкании контактов стартера ток вцепи резко уменьшается, такое резкое уменьшение тока вызывает быстроеуменьшение магнитного поля дросселя, что в свою очередь приводит квозникновению ЭДС самоиндукции, импульс которой достигает 500...600 В. Этонапряжение, накладываясь на напряжение сети, пробивает газовый промежуток влампе, и начинается электрический разряд в газе, а затем и в парах ртути.Невидимое для глаза ультрафиолетовое излучение, возникающее в результате этогоразряда, облучает слой люминофора и вызывает видимое свечение его.
Стробоскопический эффект.
Люминесцентные лампы, работающиена переменном токе, создают пульсирующий световой поток. Эта пульсациясветового потока значительно больше, чем у лампы накаливания.
Освещение движущихся предметовпульсирующим световым потоком приводит к так называемому стробоскопическомуэффекту, который выражается в искаженном представлении об истинном состояниидвижения. Так, при совпадении частоты пульсации светового потока и скоростивращения предмета, вращающаяся часть кажется неподвижной, что может привести ктравматизму. В других случаях предмет может казаться движущимся в обратномнаправлении. Простейшей мерой уменьшения глубины пульсаций светового потокаявляется включение соседних люминесцентных ламп в разные фазы трехфазнойсистемы тока.
Преимущества и недостаткилюминесцентных ламп.
По сравнению с лампаминакаливания люминесцентные лампы имеют следующие преимущества:
у них значительно большаясветовая отдача — до 75 лм/Вт (у ламп накаливания общего пользования — до 20лм/Вт);
более благоприятный спектризлучения;
невысокая температураповерхности трубки;
срок службы до 10000 часов (улампы накаливания — до 1000 часов).
Недостаткамилюминесцентных ламп являются:
сложная конструкция (требуетсяпуско-регулирующая аппаратура);
большие габариты;
чувствительность к температуреокружающей среды (при t°
3. Подготовка к работелюксметра.
Люксметр Ю-116 состоит изизмерителя, который представляет собой прибор магнитоэлектрической системы,обозначенный на схеме 1 буквой PL и отдельного селенового фотоэлемента BL.Фотоэлемент с насадкой, расположенный в пластмассовом корпусе, соединяется сизмерителем шнуром при помощи разъемного соединения. Прибор имеет две шкалы:0-100 и 0-30.
При нажатой правой кнопкеследует пользоваться шкалой 0-100, а при нажатой левой — шкалой 0-30. Показанияприбора в делениях по соответствующей шкале умножается на коэффициентослабления, который зависит от применяемой насадки, имеющей на своейповерхности маркировку КМ, КP и КТ и равняется соответственно 10, 100, 1000. Например,на фотоэлементе установлена насадка КP, нажата левая кнопка, стрелка показывает10 делений по шкале 0-30. Измеряемая освещенность равна 10&100= 1000 лк.
4. Световые и электрическиехарактеристики источников света.
4.1 Номинальное напряжение — это напряжение, на которое лампа рассчитана для работы. Лампы накаливанияобщего назначения выпускаются на следующие диапазоны напряжений: 215...225; 220...235;230...240; 235...245 В. Для увеличения срока службы следует приобретать лампы сс большим номинальным напряжением. Люминесцентные лампы, в основном, рассчитанына напряжение сети 220 В, причем на самой лампе, в зависимости от мощности,падение напряжения составляет 102...110 В, остальная часть напряжения падает надросселе.
4.2 Электрическая мощностьлампы указывается как средняя величина для номинального значения напряжения.Промышленность выпускает лампы накаливания общего назначения мощностью от 15 до1000 Вт.д.иапазон мощностей люминесцентных ламп меньше и составляет, восновном, 15...80 Вт.
4.3 Световой потокхарактеризует мощность видимого излучения, оцениваемого глазом человека,измеряется в люменах (лм). Световой поток можно выразить через освещенность,измеренную люксметром:
Ф = 4/>Еl2
где Е — освещенность, лк;
l — расстояние между лампой ифотоэлементом, м;
4.4 Световая отдачахарактеризует экономичность источника света и определяется отношениемизлучаемого светового потока к мощности лампы:
/> лм/Вт
где P — мощность лампы, Вт.
4.5 Световой КПД.Многочисленными измерениями установлено соотношение между мощностью и световымпотоком — ваттом и люменом: 1 Вт=683 лм при однородном излучении с длинойволны, равной 555 нм. Отсюда световой КПД
/>
4.6 Срок службы. Среднийсрок службы лампы накаливания общего назначения составляет 1000 часов. На срокслужбы значительно влияет колебание напряжения. Зависимость имеет вид:
/>
где />,UН — соответственно срок службы и напряжение по паспортным данным.Срок службы люминесцентных ламп составляет 5000...10000 часов, причем срокслужбы уменьшается как при увеличении, так и при уменьшении напряженияотносительно номинального.
Таблица 1. Измерено Вычислено
Напря-жение,
U, В
Ток,
I, А
Мощность
Р, Вт
Осве-щенность
Е, лк
Сопротив-
ление,
R, Ом
Световой поток,
F, лм
Световая отдача,
Н, лм/Вт
Световой КПД,
/>%
Таблица 2. Измерено Вычислено Напряже-ние
Ток
I, A
Мощ-ность
Р, Вт
Освещенность
Е, лк
Сопр.
Лампы
REL, Ом
Мощн.
Лампы
РEL, Вт
Мощн.
Дросс.
РL, Вт
Свет.
поток
Ф, лм
Светов.
отдача
Н, лм/Вт
Свет.
КПД
/>%
UСЕТ
UEL
Сопротивление лампы определяетсяпо закону Ома:
/> Ом
Активная мощность, потребляемаяиз сети, расходуется в дросселе и в лампе. Мощность лампы:
/>.Ки, Вт
где: Ки — коэффициент искажений (Ки =0,6...0,7)
Активную мощность дросселя можноопределить как разность показаний ваттметра и мощности лампы
/> Вт
Содержание ОТЧЕТА
1. Название, цель работы.
2. Схемы, таблицы.
3. Графики зависимости H = f (P)для лампы накаливания и люминесцентной лампы в общих координатных осях.
4. Аналогично п.3 график />= f (P).
5. Выводы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. С какой целью лампынакаливания заполняются инертным газом?
2. Чем объясняется повышенныйсрок службы галогенных ламп по сравнению с обычными лампами накаливания?
3. Как увеличить срок службыламп накаливания?
4. Назначение дросселя истартера в схеме зажигания люминесцентной лампы.
5. От чего зависит цветностьизлучения люминесцентной лампы?
6. Преимущества и недостаткилюминесцентных ламп.
7. После зажигания люминесцентнойлампы отключили стартер. Лампа будет работать или погаснет?
8. Что такое стробоскопическийэффект и как уменьшить его влияние?
9. Почему для искусственногодосвечивания растений применяют люминесцентные лампы и практически неиспользуют лампы накаливания?
Литература
1. Прищеп Л.Г. Учебник сельскогоэлектрика. — М.: Агропромиздат, 1986, с.245 — 368.
Методические указания к лабораторной работе № 12
"Исследованиеполупроводниковых выпрямителей переменного тока"Цель работы: Изучить принцип, основные схемы выпрямления переменного тока и способы сглаживания пульсаций выходного напряжения.
Теоретическиесведения/> />
Выпрямление переменного тока с помощьюполупроводниковых диодов — один изосновных процессов в электронике. Полупроводниковый диод представляет собойприбор с одним p-n переходом и двумя внешними выводами от областей кристаллас различными типами электропроводности (рис.1).
Именноp-nпереход является основой любого полупроводникового диода и определяет егосвойства, технические характеристики и параметры.
Если ккатоду присоединить «минус» источника питания, а к аноду — «плюс»,то электроны из области n будут стремиться достичь анода, а «дырки» изобласти р будут притягиваться «минусом» катода. Следовательно, через p-n переходбудет протекать ток, и диод будет открыт. Если изменить полярность, приложеннуюк выводам диода, то электроны из области n будут притягиваться«плюсом» катода, а «дырки» области р — «минусом» анода,и ток через p-n переход протекать не будет, следовательно, диод будетзакрыт.
Такимобразом, диод — это прибор, обладающий односторонней проводимостью,т.е. Через диод ток может протекать только в одном направлении. Существуютразличные схемы выпрямителей переменного тока. Простейшей является схемавыпрямителя с одним диодом (рис.2а).
/>
/>
Вданном случае через нагрузку RН протекает токтолько одной полуволны (рис.2 б). Поэтому среднее значение выпрямленногонапряжения значительно меньше входного и составляет 0,45 от действующегонапряжения на входе выпрямителя
U0= 0,45Uвх
Недостаткомданной схемы является очень высокий коэффициент пульсаций:
U~1
КП= — --
Ud
где U~1 — амплитуда переменнойсоставляющей основной гармонии выпрямленного напряжения;
Ud — среднеезначение выпрямленного напряжения.
Коэффициентпульсации показывает,насколько выпрямленное напряжение отличается от прямой линии. Для приведеннойвыше схемы КП=1,57.
Сцелью уменьшения пульсаций чаще всего применяют мостовую схему с четырьмядиодами (рис.3а):
/>
/>
Вданном случае через нагрузку протекает ток обоих полупериодов. Так, приположительной полуволне входного напряжения ток протекает по следующей цепочке:клемма 1®VD2®RH®VD3®клемма 2; при отрицательной полуволне (т.е. когда к первойклемме подводится «минус», а ко второй «плюс») токпротекает по следующей цепочке: клемма 2®VD4®RH®VD1®клемма1. Следовательно, при обеих полуволнах входного напряжения через нагрузкупротекает ток в одном направлении (рис.3б). При этом среднее значениевыпрямленного напряжения составляет 0,9 от действующего входного напряжения U0=0,9Uвх.
Коэффициентпульсации выпрямленного напряжения значительно меньше, чем у предыдущей схемы(рис.2а): КП=0,67.
Аналогичныйкоэффициент пульсации дает схема с двумя диодами, но в этом случае ещенеобходим трансформатор с нейтральной точкой, поэтому такая схема применяетсяреже, в данной работе ее рассматривать не будем.
Для выпрямлениятрехфазного тока самой распространенной является мостовая схема (рис.4а).
/>
/>
В даннойсхеме одновременно от каждой фазы ток протекает по двум цепочкам (от точки сбольшим потенциалом к точке с меньшим потенциалом):
Фаза A®VD1®RH®VD5®фаза В
Фаза A®VD1®RH®VD6®фаза С
Фаза В®VD2®RH®VD6®фаза С
Фаза В®VD2®RH®VD4®фаза А
Фаза С®VD3®RH®VD4®фаза А
Фаза С®VD3®RH®VD5®фаза В
Приэтом выходное напряжение близко к амплитудному значению линейного напряжения исоставляет:
Uâûõ = 2,34Uô.âõ
На рис.4бвидно, что пульсации выходного напряжения совсем незначительные и для даннойсистемы КП=0,05.
Дляуменьшения пульсации выходного напряжения применяют сглаживающие фильтры. Впростейшем случае в качестве фильтра в схему параллельно нагрузке включаютконденсатор (рис.5). Энергетической основой работы такого фильтра являетсянакопление энергии емкостью в моменты времени, когда возрастает ток или напряжениев нагрузке, и отдача накопленной энергии в нагрузку, когда происходит спаднапряжения или тока, при этом происходит замедление этого спада и заполнение«провалов» выходного напряжения. Чем больше емкость конденсатора, тембольше запасенной энергии и тем эффективнее сглаживаются пульсации выходногонапряжения. Также для уменьшения пульсаций последовательно с нагрузкой включаютдроссель (катушку индуктивности) (рис.5). Уменьшение пульсаций происходит засчет того, что индуктивность препятствует быстрому нарастанию тока иподдерживает ток при его уменьшении. Использование конденсаторов совместно сдросселем (на рис.5-рис.7 сглаживающий фильтр выведен пунктирной линией)позволяет получать выходное напряжение по форме, близкой к прямой линии.
Порядоквыполнения работы
1. Собрать схему рис.5.
2.Снять осциллограмму входного напряжения и зарисовать ее в масштабе.
3.Снять показания приборов и осциллограмму выходного напряжения при следующихрежимах:
КонденсаторыС1, С2 и дроссель L1 отключены;
Подключенконденсатор С1;
Подключеныконденсаторы С1 и С2;
Подключеныконденсаторы С1, С2 и дроссель L1.
Показанияприборов свести в таблицу 1.
Собратьсхему Рис.6.
Снятьосциллограмму выходного напряжения и показания приборов при замкнутом положениивыключателя S1.
6.Повторить пункт 5 при обрыве цепи диода VD1 выключателем S1.
7.Собрать схему рис.7.
8.Снять осциллограмму выходного напряжения и показания приборов при:
Замкнутомположении выключателей S1 èS2;
Разомкнутомположении S1 и замкнутом S2;
Обрыведиодов VD1 è VD3 (S1è S2 разомкнуты).
Показанияприборов свести в таблицу 2. Примечание: В каждом из опытов подключением конденсаторов и дросселя убедиться в эффективности сглаживания пульсаций выходного напряжения.
Содержаниеотчета
Название,цель работы.
Схема,таблицы.
Осциллограммывходного и выходного напряжения для всех опытов.
Краткиевыводы по работе.
Контрольныевопросы
Длячего необходимо выпрямлять переменный ток?
Почемудиод проводит ток только в одном направлении?
Назовитепреимущества и недостатки исследуемых схем.
Чтотакое коэффициент пульсации?
Почемупри подключении конденсаторов параллельно нагрузке коэффициент пульсацииуменьшается?
Какимобразом дроссель сглаживает пульсации?
Чтопроизойдет, если дроссель подключить параллельно нагрузке?
Чтопроизойдет, если дроссель подключить последовательно с нагрузкой?
Какопределить, какой диод в мостовой схеме вышел из строя?
Таблица1. Схема выпрямителя
Включение элементов
сглаживающего фильтра
Uвх, В
Uâûõ, Â Однополупериодный - С1 С1 и С2 С1, С2, L
Таблица2. Схема выпрямителя Положение выключателей
Uвх, В
Uâûõ, Â Двухполупериодный S1 включен S1 выключен Трехфазный мостовой S1 и S2 включены
S1 выключен
S2 включен S1 и S2 выключены
/>
/>
/>
Литература
1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника.- М.: Энергоатомиздат, 1983, с. 208 — 218.
2. Прищеп Л.Г. Учебник сельскогоэлектрика. — М.: Агропромиздат, 1986, с.296 — 303.