Методические указания к выполнению лабораторных работ по теоретической электротехнике Часть
1 чел. помогло. | скачать Министерство образованя и науки Украины Донецкий НАЦИОНАЛЬНЫЙ Технический Университет Кафедра электромеханики и ТОЭ Методические указанияк выполнению лабораторных работ по теоретической электротехникеЧасть II Донецк –ДонНТУ- 2004 УДК 621.3.01 (07) Методические указания к выполнению лабораторных работ по теоретической электротехнике. Часть II / Под общей редакцией проф. В.Ф. Денника. – Донецк: ДонНТУ, 2003. – 72 с. Настоящие методические указания предназначены для студентов электротехнического факультета, факультета ФЭМА и частично для студентов других факультетов, выполняющих лабораторные работы по дисциплинам, которые могут быть объединены понятием «Теоретическая электротехника» (ТОЭ, теория электрических и магнитных цепей, теория электромагнитного поля и др.). Они являются продолжением аналогичных методических указаний по первой части выше указанных дисциплин. В указаниях приведено описание лабораторных работ по исследованию нелинейных электрических цепей постоянного и переменного токов, цепей с распределенными параметрами, четырехполюсников, а также электростатического и магнитостатического полей. Составители: В.Ф. Денник, проф. В.А. Эсауленко, проф. М.М. Фёдоров, проф. В.Ю. Черников, доц. А.В. Корощенко, доц. В.П. Чорноус, доц. В.Х. Антамонов, доц. В.Е. Михайлов, доц. Е.А. Журавель, ст.пр. М.В. Апухтин, асс. Л.Г. Немолякина, асс. Отв. за выпуск В.Ф. Денник, проф. CОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа 12 …………………………………………………..15 Лабораторная работа 13……………………………………………….….20 Лабораторная работа 14…………………………………………………. 24 Лабораторная работа 15…………………………………………………. 30 Лабораторная работа 16…………………………………………………. 35 Лабораторная работа 17…………………………………………………. 39 Лабораторная работа 18…………………………………………………. 45 Лабораторная работа 19…………………………………………………. 50 Лабораторная работа 20…………………………………………………. 55 Лабораторная работа 21. ……………………………………………….. 60 Лабораторная работа 22 ……………………………………………….. 67 Литература …………… Лабораторная работа 12 ^ Цель работы - исследование вольтамперных характеристик нелинейных сопротивлений, а также графического метода расчета электрических цепей, содержащих нелинейные элементы (НЭ). ^ Сопротивления, для которых не сохраняется прямая пропорциональная зависимость между током и напряжением, называются нелинейными. Если в электрической цепи имеется хотя бы один нелинейный элемент, она называется нелинейной. В настоящей работе исследуются следующие элементы: лампа накаливания, нелинейное полупроводниковое сопротивление (НПС) и линейное сопротивление. П  римерный вид вольтамперных характеристик лампы накаливания и нелинейного полупроводникового сопротивления приведен соответственно на рис. 12.1 и 12.2.Д  ля снятия вольтамперных характеристик нелинейных элементов последние подключаются к реостату, включенному по схеме делителей напряжения (рис.12.3). При отсчете показаний приборов необходимо помнить, что некоторые нелинейные элементы являются инерционными. Поэтому каждый последующий отсчет необходимо делать спустя 5-10с после установления режима. Снимая вольтамперные характеристики нелинейных элементов, следует учитывать максимально допустимые напряжения и токи элементов, указанные на рабочем щитке.^ 2.1. Снять ВАХ каждого нелинейного элемента в соответствии со схемой (рис.12.3). Результаты измерений свести в табл. 12.1. Таблица 12.1 Вольтамперные характеристики резисторных элементов
2.2. Для каждого значения тока I (табл.12.1) вычислить величину статического сопротивления элемента. 2.3. По данным табл. 12.1 в одной и той же системе координат построить ВАХ нелинейных элементов. 2.4. В той же системе координат расчетным путем на основании данных табл.12.1 построить вольтамперные характеристики: а) последовательного соединения лампы накаливания и НПС; б) параллельного соединения лампы накаливания и НПС; в) смешанного соединения трех нелинейных элементов при условии, что в общей части цепи включено НПС или лампа накаливания (по указанию преподавателя). Результаты графического расчета свести в табл. 12.2. Таблица 12.2 Вольтамперные характеристики цепи при различных схемах соединения нелинейных элементов
2.5. Собрать схемы, соответствующие п.2.4,а,б,в и экспериментально проверить результаты графического расчета. Ток IЭ измерить для тех же значений напряжений, для которых расчетным путем получены токи IР. Результаты измерений также свести в табл. 12.2. 2.6. В одной системе координат построить зависимости статических сопротивлений нелинейных элементов от напряжения. ^ 3.1. При оформлении отчета, кроме схемы рис.12.3, привести схемы, соответствующие исследованиям п.2.5. 3.2. При графическом расчете нелинейных цепей для наглядности желательно воспользоваться цветными карандашами или фломастерами. ^ 4.1.Какие цепи называются нелинейными? 4.2. Что называется ВАХ? 4.3. Как определяется статическое и дифференциальное сопротивления НЭ? 4.4. В чем заключается графический расчет при последовательном, параллельном и смешанном соединении НЭ? 4.5. Как изменяется статическое сопротивление лампы накаливания с ростом напряжения? 4.6. Назовите область применения исследуемых в работе нелинейных элементов. Лабораторная работа 13 ^ Цель работы - исследование зависимости параметров схемы замещения и потерь в стали катушки от длины воздушного зазора и напряжения сети. ^ Синусоидальное напряжение на зажимах катушки со стальным сердечником уравновешивается ЭДС, индуктируемой основным магнитным потоком в сердечнике, а также падениями напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях ее обмотки, т.е.  , (1.1)где: r - активное сопротивление обмотки (сопротивление меди); хs - индуктивное сопротивление обмотки, обусловленное магнитным потоком рассеяния; Z - комплекс полного сопротивления обмотки; Е - ЭДС самоиндукции от основного магнитного потока  , (1.2)где: ^ - число витков катушки; f - частота сети; Фm - амплитуда основного магнитного потока. Для определения ЭДС Е используется дополнительная обмотка с числом витков Wд, помещенная на том же сердечнике, что и основная. Измерив напряжение на зажимах этой обмотки Uд, и зная число витков W и Wд, нетрудно определить ЭДС:  , (1.3)и амплитудное значение магнитной индукции  , (1.4)где Sc - поперечное сечение сердечника катушки. Схема замещения катушки со стальным сердечником показана на рис. 13.1. Здесь: ro - активное сопротивление, характеризующее тепловые потери в стали; хо - индуктивное сопротивление, обусловленное основным потоком. Общее активное сопротивление катушки  , (1.5)а общее реактивное сопротивление  . (1.6)Т  епловые потери в стали , (1.7)где: Pг - потери на гистерезис; PВ - потери от вихревых токов. При частоте f =50 Гц потери в стали обычно определяются по формуле  , (1.8)где: ^ 1/50 - удельные потери (в 1 кг стали ) при f =50 Гц и Вm=1Тл (зависят от сорта стали и толщины листов шихтованного сердечника); G - масса сердечника. В катушке со стальным сердечником обычно падение напряжения I·Z значительно меньше ЭДС Е. Поэтому можно считать, что U»E. Следовательно, Вm пропорционально U, и при постоянной частоте потери в стали будут примерно пропорциональны квадрату напряжения сети, т.е. Рс≡U2. Параметры катушки определяют из выражений:  ;  ;  ;  ;  ;   ;  . (1.9)Коэффициент мощности катушки  .При изменении воздушного зазора сердечника d или напряжения сети U cопротивления ro и хо катушки не будут оставаться постоянными, а следовательно, будет изменяться полное сопротивление Z, коэффициент мощности cosj, ток I и потребляемая мощность Р. Т  ак, например, при увеличении длины воздушного зазора происходит возрастание тока катушки при неизменной величине напряжения сети. Это объясняется тем, что воздушный зазор из-за очень малой, по сравнению со сталью, магнитной проницаемостью оказывает большое сопротивление магнитному потоку. В связи с этим, при увеличении длины зазора падает индуктивность Lo (коэффициент пропорциональности между потокосцеплением и током) и индуктивное сопротивление хо основного магнитного потока. Это приводит к уменьшению полного сопротивления цепи Z, в составе которого хо имеет наибольший удельный вес, и как следствие - к возрастанию тока. Этот факт может быть объяснен и на основании закона полного тока ,если учесть, что амплитуда магнитной индукции Вm, а значит и напряженности магнитного поля в сердечнике Нс и в воздухе Нв поддерживаются подведенным напряжением (1.2) и уменьшаются незначительно, а lв возрастает. Векторная диаграмма катушки со стальным сердечником строится следующим образом (рис.13.2). Заменив несинусоидальные функции времени эквивалентными синусоидами, в выбранном масштабе произвольно указывают положение вектора основного магнитного потока Фm. ЭДС самоиндукции Е отстает по фазе на 900 от основного магнитного потока. Активная составляющая тока Ia (Ia = Pc/Е) совпадает с напряжением U`=-Е, а реактивная составляющая тока IP (IP =  ) отстает от этого напряжения (совпадает с Фm).Затем, построив вектор тока I=Ia+Ip, находят положение вектора напряжение сети U по формуле (1.1). ^ 2.1. Ознакомиться с конструкцией катушки со стальным сердечником и записать в табл.13.1 ее основные характеристики: число витков основной W и дополнительной WД обмоток, поперечное сечение сердечника Sc, и активное сопротивление основной обмотки r. Таблица 13.1 Основные характеристики катушки со сталью
2.2. Собрать схему (рис.13.3). 2.3. Провести исследования катушки со стальным сердечником при постоянной величине напряжения U на ее зажимах и переменном воздушном зазоре d. 2  .3.1. Установить и затем поддерживать в процессе проведения экспериментов постоянное значение напряжения на зажимах катушки U = 60-80B. 2.3.2. Изменяя воздушный зазор d в сердечнике катушки от 0 до 50 мм, провести 6-7 измерений тока I, мощности Р и напряжения UД на дополнительной обмотке. При этом нужно следить за тем, чтобы ток в катушке не превышал 3,5 А. По данным измерений определить параметры катушки R, x, Z, r0, x0, Z0, xs, а также Рс, Е, соsj и Вm. Результаты измерений и вычислений записать в табл. 13.2. Таблица 13.2 Исследование параметров катушки при изменении длины воздушного зазора
2.3.3. По данным табл.13.2 в одной и той же системе координат построить графики зависимостей: I (d); Z0 (d); Bm (d) при U=const. Объяснить характер графиков. 2.4. Исследовать катушку со стальным сердечником при постоянном воздушном зазоре d и изменяющемся напряжении U, для чего: а) установить постоянный воздушный зазор в сердечнике d=0; б) изменяя с помощью автотрансформатора напряжение U от нуля до максимально возможного значения, произвести 5-6 измерений тока I, мощности Р и напряжения UД. По данным измерения определить параметры катушки. Результаты измерений и вычислений записать в табл.13.3. Таблица 13.3 Исследование параметров катушки при изменении величины напряжения источника
в) по данным табл.13.3 в одной и той же системе координат построить кривые: Рс(U); I (U); Z0 (U); Bm(U) при d = const. Объяснить характер кривых. г) последовательно с основной обмоткой включить реостат, на котором установить небольшое сопротивление (3-5^ ). К зажимам этого реостата подключить вход электронного осциллографа. При напряжении U, равном 240В, 160В и 80В с экрана осциллографа снять кривую напряжения на реостате, которая повторяет кривую тока катушки. Указанные осциллограммы привести в отчете. Сделать заключение о влиянии напряжения на форму кривой тока катушки. 2.5. Для одного из отсчетов по данным табл.13.3 построить векторную диаграмму (с соблюдением масштабов) и схему замещения катушки со стальным сердечником. ^ 3.1. Каково назначение стальных сердечников трансформаторов и электрических машин? 3.2. Почему сердечники трансформаторов и электрических машин выполняются шихтованными из отдельных, изолированных друг от друга, тонких листов? 3.3. Начертите схему замещения и векторную диаграмму катушки со стальным сердечником. Объясните физическую сущность каждого элемента схемы. 3.4. Как и почему изменяется ток катушки при увеличении воздушного зазора в сердечнике? 3.5. Объясните характер вольтамперной характеристики катушки со стальным сердечником. 3.6. Как и почему изменяется реактивное сопротивление катушки при увеличении питающего напряжения? 3.7. Какие виды потерь имеются в стали? Как зависят потери в стали от частоты? От подведенного напряжения? Лабораторная работа 14 ^ И КОНДЕНСАТОРА Цель работы - изучение основных свойств цепи переменного тока с последовательным соединением нелинейной индуктивности и емкости: явление феррорезонанса напряжений и стабилизации напряжения. ^ Свойства цепи, состоящей из последовательно соединенных катушки со стальным сердечником и конденсатора (рис.14.2), следует изучать на основании их вольтамперных характеристик. Д   ля снятия вольтамперных характеристик катушки и конденсатора можно воспользоваться схемой (рис. 14.1). Вольтамперная характеристика катушки с насыщающимся стальным сердечником близка по форме к кривой намагничивания. Так как для цепи, состоящей из последовательно включенных катушки и конденсатора, напряжения на индуктивности UL и на емкости UC находятся в противофазе, то при построении вольтамперных характеристик значения UL откладываются вверх относительно оси абcцисс (оси тока I), а значение - UC - вниз (рис. 14.3). Напряжение на зажимах этой цепи (для эквивалентных синусоид)  , (1.1)где: Uа и UL - активное и индуктивное падение напряжений на катушке; UC - падение напряжения на конденсаторе. Напряжение на катушке  . (1.2)Часто в катушках со стальными сердечниками активное сопротивление значительно меньше индуктивного, поэтому в таких случаях можно принять  . (1.3)Вольтамперная характеристика U(I) цепи (рис. 14.2) представляет собой сложную кривую. При увеличении напряжения U от нуля до значения UА ток будет плавно увеличиваться от нуля до IА (рис. 14. 3). Как только напряжение U станет больше UА, режим цепи переходит из точки "А" характеристики U(I) в точку "Д", чему соответствует скачок тока от IА до IД. При дальнейшем увеличении напряжения ток будет плавно увеличиваться по кривой ДК. Таким образом, в точке А происходит скачок тока, сопровождающийся "опрокидыванием" его фазы, так как до скачка UL > UC, а после скачка UL < UC. Если теперь начать уменьшать напряжение U, то ток плавно будет уменьшаться до значения IВ (при этом напряжение U = UВ). При дальнейшем, даже незначительном уменьшении напряжения ^ ток скачкообразно уменьшается до значения IE. Вместе с обратным скачком тока происходит обратное изменение его фазы. При дальнейшем уменьшении напряжения ток плавно будет уменьшаться до нуля. В точке "В" характеристики U(I) индуктивное сопротивление катушки становится равным емкостному сопротивлению конденсатора xL = xC, при этом UL » UC, UB = I.R, j » 0. Точка "В" на вольтамперной характеристике U(I) характеризует феррорезонансный режим (феррорезонанс напряжений). П  ри питании цепи (рис. 14.2) от автотрансформатора (от источника ЭДС) участок ВАХ АВ (рис. 14.3) является неустойчивым и практически быть снятым экспериментально не может. Нелинейные свойства цепи (рис.14.2) дают возможность использовать ее как простейший стабилизатор напряжения. Приемник энергии при этом подключается параллельно катушке с насыщающимся стальным сердечником.На рис. 14.4 пояснены действия стабилизатора напряжения в режиме холостого хода: изменение напряжения на приемнике Δ^ 2 оказывается значительно меньшим изменения входного напряжения ΔU1. Однако следует заметить, что при нагружении стабилизатора его стабилизирующие свойства ухудшаются. Стабилизация выходного напряжения имеет место после "скачка" тока, когда ток достигает значительной величины.  ^ 2.1. Исследовать феррорезонанс напряжений. 2.1.1. Собрать схему (рис. 14.1). 2.1.2. Изменяя напряжение U с помощью автотрансформатора АТ, снять вольтамперную характеристику катушки со стальным сердечником (рекомендуется характеристику снимать при токах 0,2; 0,3; 0,4; 0,5; 0,7; 1; 1,5; 2; 2,5; 3 А). Результаты измерений внести в табл. 14.1. 2.1.3. Заменив в схеме рис. 14.1 катушку конденсатором, снять вольтамперную характеристику конденсатора. Для этого достаточно взять 2-3 отсчета напряжения и тока, так как конденсатор является линейным элементом. Результаты измерений записать в табл.14.1. 2.1.4. По данным табл. 14.1 в общей системе координат построить вольтамперные характеристики катушки UК(I), конденсатора UС(I) и последовательного соединения катушки со стальным сердечником и конденсатора U(I)расч, которая получается в результате алгебраического суммирования характеристик UК(I) и UС(I). UК принять равным UL. 2.1.5. Собрать схему (рис. 14.2). 2.1.6. Снять ВАХ последовательного соединения катушки и конденсатора U(I)эксп. Делать это рекомендуется в таком порядке: начиная с нуля, с помощью автотрансформатора АТ повысить напряжение U и определить, при каком напряжении (UA) происходит прямой скачок тока. При этом напряжении определить токи IA и IД (рис. 14.3). Затем снизить напряжение, определить, при каком U происходит обратный скачок тока (UВ) и при этом напряжении определить токи IВ и IЕ. Кроме того, снять еще по две точки на участках ВАХ ЕА, ДК и ВД. Результаты измерений внести в табл. 14.1. Таблица 14.1 Вольтамперные характеристики цепи и составляющих ее элементов
2.1.7. По данным измерений п.2.1.6 построить экспериментальную характеристику U(I)эксп и сравнить ее с расчетной характеристикой U(I)расч, для чего указанные характеристики должны быть построены в одной и той же системе координат. Неустойчивый участок экспериментальной характеристики изобразить пунктирной линией. 2.1.8. На характеристиках цепи U(I) четко обозначить точку, характеризующую феррорезонансный режим. 2.1.9. Объяснить причины некоторого несовпадения характеристик U(I)расч и U(I)эксп. 2.2. Выполнить исследование стабилизатора напряжения. 2.2.1. Параллельно катушке (рис.14.2) подключить вольтметр электромагнитной системы. 2.2.2. Изменяя входное напряжение U1, снять зависимость между U1 и U2. При этом следить, чтобы ток в цепи не превышал 3А. Результаты измерений записать в табл. 14.2. Таблица 14.2
2.3. Построить графическую зависимость U2 (U1). 2.4. Сделать выводы о стабилизирующих свойствах схемы (рис. 14.2). ^ 3.1. Чем объясняется нелинейность характеристики UК(I)? 3.2. Каково принципиальное отличие способа достижения феррорезонанса напряжений от способов достижения резонанса в линейной цепи r, L, C? 3.3. Какой участок ВАХ последовательного соединения катушки и конденсатора является неустойчивым и как его можно получить экспериментально? 3.4. Как изменяется фазовый угол при прямом, а также при обратном скачках тока? 3.5. Каковы причины отличия теоретической ВАХ последовательного соединения катушки со сталью и конденсатора экспериментальной? 3.6. Начиная с какого напряжения U1, происходит нормальная работа простейшего стабилизатора напряжения? Лабораторная работа 15 ^ Цель работы - исследование свойств трехфазных цепей, содержащих нелинейные элементы на примере ферромагнитного утроителя частоты. ^ Если к зажимам катушки со стальным сердечником приложить синусоидальное напряжение достаточной величины, то вследствие нелинейного характера ее сопротивления ток, протекающий через обмотку катушки, принимает несинусоидальную форму. В составе тока появляются высшие нечетные гармоники, из которых наиболее ярко выделяется третья гармоника. Кривая тока имеет, в сравнении с синусоидой, заостренную форму, из-за чего максимумы первой и третьей гармоник совпадают. Магнитный поток в сердечнике имеет синусоидальную форму вследствие того, что наводимая им ЭДС самоиндукции в обмотке катушки должна уравновесить приложенное к катушке синусоидальное напряжение сети. Если же катушка со стальным сердечником питается от источника синусоидального тока, то поток в сердечнике принимает несинусоидальную, уплощенную форму из-за насыщения сердечника, поэтому напряжение на зажимах катушки в этом случае также имеет несинусоидальную форму. Сказанное выше иллюстрируется построениями, выполненными для двух случаев: при питании катушки со стальным сердечником синусоидальным напряжением (рис. 15.1, а) и синусоидальным током (рис. 15.1,б). Если три одинаковые катушки включить звездой, то при наличии нулевого провода, к каждой катушке будет приложено синусоидальное фазное напряжение сети. При этом токи, протекающие через обмотки, будут иметь несинусоидальную форму. Через нулевой провод будут замыкаться токи третьей и кратным трем гармоник каждой фазы. Если же отключить нулевой провод, то фазные токи станут практически синусоидальными, так как указанные гармоники тока не могут замыкаться по цепи. Следовательно, магнитные потоки всех катушек примут несинусоидальную форму, поэтому и ф  азные ЭДС катушек будут несинусоидальными и иметь ярко выраженную третью гармонику. Это явление положено в основу устройства электромагнитного утроителя частоты. Утроитель частоты представляет собой три одинаковых насыщенных однофазных трансформатора, первичные обмотки которых соединены в звезду без нулевого провода. Напряжение утроенной частоты снимается с вторичных обмоток, соединенных в открытый (разомкнутый) треугольник (рис. 15.2). При таком способе соединения вторичных обмоток сумма напряжений всех гармоник, не кратным трем, обращается в нуль, а третья гармоника, образующая нулевую последовательность, суммируется, и напряжение на вторичных зажимах Uaz равно сумме напряжений третьей гармоники каждой фазы (без учета высших гармоник, кратных трем). Е  сли звезда, составленная из нелинейных элементов, питается от трехфазного источника с выведенной нулевой точкой, то утроение частоты можно получить, не прибегая к трансформации напряжений. При синусоидальных ЭДС источника питания с частотой f между нейтральными точками генератора и трансформаторов возникает напряжение, изменяющееся с частотой 3f, амплитуда которого тем больше, чем сильнее насыщение сердечника. ^ 2.1. Собрать схему рис. 15.2. 2.2. Снять на кальку с экрана осциллографа кривую фазного тока первичной цепи утроителя, подключив вход осциллографа параллельно зажимам реостата r: а) при включенном нулевом проводе; б) при выключенном нулевом проводе. Дать объяснение различию форм полученных кривых. 2.3. При одном и том же усилении осциллографа снять на кальку кривые фазного напряжения Uф = Uах, подключив вход осциллографа к зажимам ах: а) при выключенном нулевом проводе; б) при включенном нулевом проводе. 2.4. При выключенном нулевом проводе снять на кальку кривую напряжения Uaz, подключив вход осциллографа к зажимам a-z. Охарактеризовать полученную кривую. 2.5. При том же усилении осциллографа, что и в п.2.4, снять на кальку кривую напряжения Uaz при включенном нулевом проводе. Дать краткую характеристику полученной кривой. Указание: на каждой из осциллограмм, снятых в п.2.2 и п.2.5, должны быть приведены масштабы по напряжению mU и по времени mt, определяемые положением переключателей осциллографа. 6. По осциллограмме (п.2.3а) графо-аналитическим методом рассчитать амплитуду третьей гармоники напряжения Uax и сравнить ее с амплитудой напряжения Uaz (осциллограмма п.2.4). ^ 3.1. На чём основан принцип действия ферромагнитного утроителя частоты? 3.2. Какие гармоники содержат токи первичных обмоток исследуемой схемы утроителя частоты: а) при включенном нулевом проводе; б) при выключенном нулевом проводе. 3.3. Какие гармоники тока замыкаются через нулевой провод рассматриваемого утроителя? 3.4. Какие гармоники содержатся в фазных напряжениях вторичных обмоток утроителя? 3.5. Присутствует ли на выходе утроителя напряжение первой гармоники? Если нет, то почему? 3.6. Каково назначение стального сердечника в утроителе частоты? Лабораторная работа 16 ^ Цель работы - экспериментальное определение основных соотношений напряжений, токов и мощностей в схемах неуправляемых выпрямителей переменного тока и анализ временных зависимостей напряжений на различных участках цепи.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
W
отлично
1 