Контрольные вопросы

1. На каком явлении основан принцип работы индукционного счетчика энергии?

2. Какова роль постоянного магнита в индукционном счетчике?

3. Какие регулировки имеет индукционный счетчик?

4. Как устранить „самоход" счетчика?

5. Объяснить поведение счетчика при изменении направления тока в одной из обмоток.

Литература

1. А.С.Касаткин. Электротехника. М., Энергия, 1974, стр. 354— 362.

2. А.С.Касаткин, М.В.Немцов. Электротехника. М., Высшая школа, 2000, стр. 358 – 364.

3. В. В. Яцкевич. Электротехника. Минск, Ураджай, 1981. стр. 70, 74—75.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКТ К-50

Цель работы

Изучение устройства и правил пользования измерительным комплектом К-50.

Назначение и устройство комплекта

Переносный измерительный комплект К-50 предназначен для измерения силы тока, напряжения и мощности в однофазных и трехфазных цепях переменного тока при равномерной и неравномерной нагрузках.

Комплект применяется для наладки и эксплуатационного электрического контроля за электроустановками - генераторами, трансформаторами, двигателями и электрическими сетями.

В комплект встроены: амперметр и вольтметр электромагнитной системы, ваттметр - ферродинамической систе­мы, фазоуказатель, отдельный трансформатор тока, устанавливаемый в специальную ячейку.

Противодействующий момент подвижной части приборов создается растяжками. Успокоение их - жидкостное. Отсчет показаний - по стрелочным указателям и зеркальной шкале.

Отдельный трансформатор тока УТТ-5М предназначен для расширения пределов измерения по току. Он подклю­чается при помощи отдельных проводников, поставляемых с комплектом. Первичная обмотка создается путем на­вивки через центральное отверстие трансформатора тока УТТ-5М витков проводом, соединяющим зажимы комплек­та „Генератор" и „Нагрузка" (см. схему подключения на крышке комплекта). Для токов 15; 50А подключение про­изводится на зажимах трансформатора тока.

Для измерения в трехпроводных цепях трехфазного тока схема комплекта имеет искусственный нуль. Две ветви образуются специальными сопротивле- ниями, третья ветвь - параллельными цепями вольтметра и ваттметра.

Амперметр и последовательная цепь ваттметра подключены к вторичной обмотке встроенного трансформатора тока с номинальным током вторичной

обмотки 5А.

На лицевой панели комплекта помещены таблицы цен делений приборов по току, напряжению и мощности в соот­ветствии с принятыми номинальными величинами и с учетом коэффициента трансформации измерительного транс­форматора тока УТТ-5М.

При выполнении измерений комплектом и его ремонте обслуживающий персонал должен соблюдать общие требо­вания по технике безопасности и правила эксплуатации электроизмерительных приборов.

Подготовка и порядок работы

Установить комплект в рабочее положение и стрелки приборов на нулевые отметки шкал корректорами.

А. Измерение величины тока до 10А, напряжения - до 600 В и соответственно активной мощности.

1. Установить переключатель номинальных токов „В1" в положение 10А, переключатель „В2" работы комплекта с отдельным трансформатором тока и без него в положение „Без Тр.2", переключатель фаз „ВЗ" в положение „0", переключатель полярности ваттметра и номинальных напряжений „В4" в положение „+" и «600».

Зажим заземления комплекта соединить с заземляющим устройством (в данных условиях с „0" сети).

2. Включить комплект в схему для измерений (схема включения приведена в табличке, укрепленной на крышке комплекта) -источник питания (от зажимов А,В,С и N рядом с автоматом) к группе зажимов „Генератор" и нагрузку - к группе зажимов „Нагрузка" в соответствии с маркировкой зажимов фаз.

При испытании однофазной нагрузки использовать сопротивление R_А (между клеммами А и N на стенде); в ка­честве трехфазной 3-х проводной нагрузки - асинхронный двигатель АД (клеммы двигателя С₁, С₂ ,С₃ также выведены на стенд) и в качестве трехфазной 4-х проводной нагрузки — три сопротивления R _А , R_В, R_С, соединенные звездой с нулем N.

3. Перед измерениями комплектом установить переключатель фаз „ВЗ" в положение фазы, в которой требуется произвести измерения.

4. При малых отклонениях стрелок приборов переключением пределов измерений выберите нужный предел, используя по возможности вторую половину шкалы.

5. Результаты измерений записать в таблицу.

Наимено-вание прибора	Фа зы	Однофазная цепь			Трехфазная трехпров. цепь			Трехфазная 4-х провод, цепь
		Число делен.	Цена дел.	Дейст велич.	Число делен.	Цена дел.	Действ велич.	Число делен.	Цена делен.	Действ. велич.
Амперметр	А В С
Ваттметр	А В С С
Вольтметр	А В С

Примечание. При измерениях мощности следует иметь в виду, что при коэффициенте мощности меньше единицы мо­жет возникнуть недопустимая перегрузка ваттметра даже при мощности, меньше номинальной. Поэтому при изме­рении следите за показаниями А и V и не перегружайте их.

6. Для проверки правильности чередования фаз фазоуказатель включите кратковременным нажатием кнопки (длительная работа фазоуказателя не допускается).

Последовательность фаз соответствует принятому обозначению на комплекте, если направление вращения диска совпадает с направлением стрелки на нем. Б. Измерение величины тока от 15 до 600А, напряжений до 600В

и соответственно активной мощности.

1. Измерительный трансформатор тока УТТ-5М подключается согласно

схеме на крышке комплекта поочередно в каждую фазу.

2. Переключатель „В1" комплекта устанавливается в положение „5А", переключатель „В2" в положение «С тр. 2», переключатель „ВЗ"- в положение „О", переключатель „В4" - в положение „+" и „600 ". Зажим заземления комплекта соединяется с заземляющим устройством.

3. Контролируемые величины измеряются в той же последовательности, как и без трансформатора тока, кроме положения переключателя „В1", остающегося в положении „ 5А" постоянно.

Примечание. В данной работе измерения с трансформатором тока не производятся.

Измерения в трехфазных цепях до 10А, 600В производятся путем переключения приборов комплекта (ампер­метра, вольтметра, ваттметра) из одной фазы в другую переключателем „ВЗ" без разрыва токовой цепи. Измерения до 600А, 600В производятся с разрывом цепи переключением трансформатора тока УТТ-5М из одной фазы в другую (соответственно переключается и „ВЗ").

Указания к вычислению измеряемых величин

1. Действительные значения измеряемого тока в амперах, напряжения в вольтах и мощности в ваттах определить по формулам:

I = С_А ·_А , (1)

U = С_V ·_V , (2)

Р = С_Р ·_Р , (3)

где С_А, С_V , С_Р - цена деления амперметра, вольтметра и ваттметра соответственно А/дел., В/дел, Вт/дел (таблицы помещены на лицевой панели комплекта);

_А, _V, _Р - число делений по шкале амперметра, вольтметра, ваттметра, показываемые приборами во время из­мерений .

2. Мощность в трехфазной цепи определить путем сложения измеренных мощностей в каждой фазе:

Р _3ф = Р_А + Р_В + Р_С ( 4 )

Полная трехфазная мощность вычисляется по формуле:

S_3Ф = S_А + S_В + S_С ( 5 ), где S_А = I_ФА U_ФА ( 6 )

3 . Вольтметр измеряет фазное напряжение U_ф . Линейное напряжение определить по формуле: U_Л = √ 3· U_Ф ( 7 ).

4. Коэффициенты мощности в трехфазных цепях определить по формуле:

сos =

Содержание отчета

1. Название и цель работы.

2. Назначение комплекта и его краткая характеристика.

3. Таблица с результатами измерений и расчетных величин.

4. Расчет соs  для 3-х проводной и четырехпроводной трехфазной нагрузок.

Контрольные вопросы

1. Каковы пределы измерений тока, напряжения и мощности комплекта?

2. Какой системы измерительные механизмы приборов и какого класса точности?

3. Каким успокоителем они снабжены?

4. Как измерить токи нагрузки более 50А?

5. Для чего нужен фазоуказатель?

6. В чем особенность отсчета показаний стрелочных приборов с зеркальной шкалой?

Литература

1. В.В.Яцкевич. Электротехника. Минск, «Ураджай», 1981. Стр. 72-74, 76-80. 2. А.С.Касаткин, М.В.Немцов. Электротехника. М., Высшая школа, 2000, стр. 338 – 356.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ ОДНОФАЗНОГО ТОКА

Цель работы

Изучить устройство и принцип работы полупроводниковых вентилей. Снять вольт-амперную характеристику вен­тиля . Изучить схемы выпрямления переменного тока на диодах.

Общие сведения

В чистом монокристаллическом виде полупроводниковые материалы близки к диэлектрикам, так как не содер­жат свободных электронов (носителей тока). Носители тока в полупроводниках возникают лишь при поглощении энергии— тепловой, лучистой, электрической и т. д. Полупроводники можно сделать электропроводными, введя в их состав очень малое количество примесей (10 ^-5 – 10 ^{- 6} %) других элементов. Например, если в чистый германий, который является четырехвалентным элементом, добавить примесь пятивалентной сурьмы или мышьяка, то в нем увеличится число свободных электронов. Такой полупроводник называют полупроводником с отрицательным типом проводимости (n - тип). Если же введена примесь трехвалентных элементов (индия, галлия или алюминия), то в гер­мании окажется недостаток электронов, или, как говорят, в нем образуются ,дырки",которые стремятся принимать электроны, то есть ведут себя как положительно заряженные носители тока. Такой полупроводник называют полу­проводником с положительным типом проводимости (р - тип). Полупроводниковый диод состоит из полупроводников с электронной (п- типа) и ,дырочной" (р - типа) проводи­мостью. Область на границе этих полупроводников называют п-р - переходом. Здесь образуется слой, который способен хорошо пропускать электрический ток в одном направлении: когда минус источника соединён с n – слоем, а плюс – с р – слоем. При этом под действием электрического поля свободные электроны из п - слоя и ,дырки" из р - слоя будут перемещаться навстречу друг другу.

Рис.1.

Электрическое сопротивление п-р перехода в этом случае мало. В цепи возникает электрический ток, ограни­ченный в основном сопротивлением нагрузки R_Н (рис.1а). Если поменять полярность батареи питания (рис.1.6), то электроны из п-слоя устремятся к положительному электроду батареи, а „дырки" — к отрицательному: и те и другие удаляются от п-р — переходов. Сопротивление за­порного слоя в этом случае настолько велико, что практически ток в цепи отсутствует.

Направление тока от р-слоя к п-слою называется прямым I_пр, а направле-ние тока от п-слоя к р - слою — обратным — I_обр . Таким образом, рассмотрен-ная цепь обладает малым сопротивлением в прямом направлении и большим — в обратном. Приборы, обладающие свойством односторонней проводимости, называются вентилями.

Отношение прямого тока к обратному току, полученным при одном и том же напряжении, называется коэффи­циентом выпрямления вентиля:

К = I_пр / I_обр . ( 1 )

Выпрямляющее свойстве вентиля проявляется при подведении переменного напряжения к п – р - переходу (рис. 1, в). При этом в цепи появится пульсирующий ток одного направления.

Зависимость тока, протекающего через вентиль, от приложенного к нему напряжения в прямом и обратном направлении выражается вольт-амперной характеристикой (рис. 2).

Напряжение, при котором вентиль начинает проводить ток одинаково в обе стороны, то есть выходит из строя, называется пробивным. В технике находят применение различные полупроводниковые вентили: меднозакисные, селеновые, германие­вые и кремниевые.

Рис. 2. График V-А характеристики диода

Меднозакисный вентиль состоит из медной пластины, покрытой слоем закиси меди. Медная пластина обладает электронной проводимостью, закись меди - „дырочной". Меднозакисные вентили обладают большой стабильностью характеристик, что позволяет использовать их в электроизмерительных приборах. Допустимое обратное напряжение небольшое – 8-12 В на один элемент.

В селеновом вентиле в качестве полупроводника с р - проводимостью используется селен, а в качестве электрода с п - проводимостью — сплав висмута, кадмия и олова. Допустимое напряжение на селеновый вентиль составляет 20-40 В, наибольшая допустимая плотность тока - 0,05 А/см², U_проб = 60 – 80 В.

Наиболее совершенными полупроводниковыми вентилями являются германиевые и кремниевые. Кристаллы германия и кремния, используемые в этих вентилях, обладают электронной проводимостью. Однако, путем введе­ния в них некоторых примесей им придают свойство дырочной проводимости. Тогда р-п - переход в этих вентилях со­здается между кристаллом германия или кремния и металлом. Конструктивно они изготовляются точечными или плоскостными, из которых первые имеют относительно малую площадь п-р - перехода и применяются в слаботочных цепях, а вторые - большую площадь п-р - переходов и позволяют выпрямлять большие токи (до нескольких сотен ампер). Они способны выдерживать U_обр до 600 В, температуру на п-р -переходе до 200°С, имеют высокий к.п.д.- до 99% при малых размерах, большой надежности и большом сроке службы.

Схемы выпрямления переменного тока на диодах

Выпрямитель обычно состоит из повышающего или понижающего трансформатора, вентилей и сглаживающего фильтра. Последний представляет собой сочетание индуктивных и емкостных сопротивлений и служит для уменьше­ния пульсаций выпрямленного напряжения и тока. Наиболее простым является схема однополупериодного выпря­мителя, представленная на рис.За.

В этой схеме используется всего лишь один вентиль, но в цепи нагрузки течет пульсирующий ток с частотой пуль­саций — 50 раз. в сек., U_ср ~ 0,45 U_{Ф .} Значительно меньше пульсаций при выпрямлении однофазного тока дают двухполупериодные выпрямители — рис. 3.б и рис. З.в. В первом используется трансформатор со средним выводом вторичной обмотки; каждая половина которой выдает энергию на R_Н поочередно через Д ₁ и Д ₂. При этом U_ср ~ 0,9 U_В , но вторичная обмотка загружена только на 50%.

Во втором выпрямителе по мостовой схеме используется 4 диода, но U_В = U_Ф. Обе обмотки трансформатора загружаются в течение всего периода. Принципиально мостовая схема может быть использована для выпрямления переменного тока и без трансформатора.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться и записать параметры исследуемого диода Д 246.

2. Собрать электрическую схему по рис. 4 для снятия вольтамперной характеристики диода Д при прямом токе и, осторожно повышая напряжение, записать величину тока в таблицу 1.

Таблица 1.

Uпрям ( В )	0,5	0,7	0,9
I прям ( А )

Рис.3. Схемы выпрямления однофазного тока на диодах.

Рис.4.

3. Собрать электрическую схему по рис.5, провести замеры обратного тока и записать в таблицу 2.

Рис.5.

Таблица 2.

Uобр ( В )	150	200	240
Iобр ( А )

По результатам опытов построить вольтамперную характеристику диода

I = f ( U ) .

5. Собрать однополупериодный выпрямитель, используя вольтметры на

250 В (рис.6). Установив автотрансформатором действующее напряжение 175 В на V замерить и записать выпрямленное сред­нее напряжение при отсоединенном и подключенном R_Н. Объяснить, почему получаются разные результаты.

Рис.6.

6. Провести все опыты, описанные в предыдущем пункте, с двухполупериодным выпрямителем, собран­ным по мостовой схеме (рис. 7), установив действующее напряжение 85 В. Дать оценку достоинств мостовой схемы выпрямления.

.

Рис.7.

Содержание отчёта

1. Название и цель работы.

2. Параметры исследуемого диода и типы диодов, установленных на стенде.

3. Электрическая схема и опытные данные.

4. Вольтамперная характеристика диода.

5. Анализ результатов исследований.

Контрольные вопросы

1. Какие полупроводниковые материалы используются для изготовления диодов?

2. Что характеризует коэффициент выпрямления?

3. Почему меднозакисные и селеновые диоды не используются для выпрямления переменного тока высокой частоты?

4. Для чего применяются сглаживающие фильтры и из каких элементов они состоят?