Контрольные вопросы

1. Как обозначаются зажимы трехфазного источника и приемника?

2. Как соединяются электроприемники «звездой»?

3. Какими уравнениями выражаются мгновенные значения фазных напряжений и токов при симметричной нагрузке?

4. В каком соотношении находятся линейные и фазные напряжения при симметричной нагрузке?

5. Какой режим работы трехфазной цепи называют несимметричным?

6. Для чего используется нейтральный провод?

7. Какими уравнениями описывается электрическое состояние цепи при несимметричной нагрузке?

8. Как построить совмещенные векторные диаграммы напряжений и токов для исследованных режимов трехфазной цепи?

9. К чему приведет обрыв нейтрального провода при несимметричной нагрузке?

10. Как изменяется напряжение при обрыве одной фазы в четырехпроводной и трехпроводной сетях?

11. Как изменяется напряжение при коротком замыкании фазы в трехпроводной сети? К чему приведет короткое замыкание фазы в четырехпроводной сети?

12. К чему приводит обрыв линейного провода в трехфазной установке четырехпроводной и трехпроводной систем?

13. Как измеряют мощность трехфазной нагрузки в четырехпроводной системе?

14. В каких случаях используется метод измерения мощности двумя ваттметрами?

15. Написать уравнения для активной, неактивной и полной мощностей при симметричной и несимметричной нагрузках.

Библиографический список

1. Касаткин А.С., Немцов С.В. Электротехника. М.: Высш. шк., 2000. С.104-123.

2. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. М.: Высш.шк., 2000. С.164-181, 348-350.

3. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. М.: Высш.школа, 1984. С.94-101, 104-110, 219-222.

4. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1987. С.124-156.

5. Общая электротехника /Под ред. А.Т.Блажкина. Л.: Энергоатомиздат, 1986. С.125-137, 246-249.

6. Электротехника /Под ред. В.Г.Герасимова. М.: Высш.школа, 1985. С.104-114, 116-121, 305-310.

7. Борисов Ю.М.,Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1985. С.123-138, 284-288.

Работа № 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ СО СТАЛЬНЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

Цель работы:1) изучить особенности работы катушки со стальным сердечником в цепях переменного тока;

2) снять вольт - амперную характеристику катушки при подключению ее к источнику переменного тока;

3) определить параметры схемы замещения и построить векторную диаграмму катушки с сердечником.

Пояснения к работе

Основным элементом различных электрических приборов и машин являются стальные магнитопроводы с катушками. Физические процессы в цепях переменного тока, содержащих такие элементы, обладают рядом особенностей по сравнению с цепями, в которых магнитный поток замыкается по воздуху. Эти особенности оказывают существенное влияние на конструктивное выполнение и технические характеристики электрических машин и приборов. Рассмотрим каждую особенность в отдельности.

За счет переменного магнитного потока, создаваемой катушкой с сердечником в цепи переменного тока, в толще стального сердечника индуцируются вихревые токи, замыкающиеся в плоскостях, перпендикулярных оси потока. Для значительного уменьшения потерь энергии в стальном магнитопроводе от вихревых токов стальной сердечник обычно собирают из отдельных изолированных друг от друга листов тонкой стали толщиной 0,3-0,5 мм.

Кроме потерь от вихревых токов, в стальном магнитопроводе возникают потери, обусловленные явлением гистерезиса при периодическом перемагничивании стали. Уменьшение этих потерь достигается применением специальных сортов стали (электротехническая). Суммарные потери от вихревых токов и гистерезиса называют магнитными потерями. Величина этих потерь пропорциональна квадрату амплитуды магнитного потока в сердечнике:

.

Другой особенностью катушки с сердечником является то, что магнитный поток катушки оказывается непропорциональным протекающему в ней току. Обусловлено это явлениями магнитного насыщения и гистерезиса. Индуктивность в такой катушке оказывается величиной переменной. Изменение индуктивности приводит к изменению индуктивного, а также и полного сопротивления катушки с сердечником. В этом случае ЭДС самоиндукции следует определять, исходя из выражения , верного и для цепей содержащих катушки со стальным сердечником.

При включении катушки с сердечником в цепь переменного тока основной магнитный поток замыкается по сердечнику. Этот поток сцепляется со всеми витками катушки и создает потокосцепление . Незначительная часть общего магнитного потока замыкается по воздуху, создавая потокосцепление рассеяния. В этом случае реальную катушку с сердечником можно представить как бы состоящей из двух последовательно соединенных катушек (рис. 17а).

На схеме замещения реальной катушки (рис. 17а) одна катушка характеризуется активным сопротивлением обмотки и индуктивным сопротивлением рассеяния , а другая, идеализированная – активным сопротивлением , учитывающим потери в сердечнике и индуктивным сопротивлением , обусловленным основным магнитным потоком, замыкающимся по стальному сердечнику.

а)	б)
Рис. 17

Нелинейная зависимость магнитного потока (или потокосцепления ) от тока усложняет расчеты, поэтому вводят ряд допущений, упрощающих рассмотрение явлений, когда при подаче синусоидально напряжения ток в катушке становится несинусоидальным. Обычно реальный несинусоидальный ток катушки с сердечником заменяют эквивалентным ему синусоидальным. Тогда уравнение электрического состояния реальной катушки с сердечником можно представить в комплексной форме:

.

Этому уравнению соответствует схема замещения и векторная диаграмма, представленная на рис. 17а, б.

Параметры этой схемы замещения определяются по следующим формулам: а) полное сопротивление катушки с сердечником, Ом:

,

где - приложенное напряжение, В, - ток в цепи, А;

б) общее активное сопротивление цепи, Ом:

где - электрические потери, Вт, - магнитные потери (потери в сердечнике), Вт;

в) активное сопротивление обмотки катушки, Ом:

,

(величина указана на исследуемой катушке);

г) общее реактивное сопротивление катушки с сердечником, Ом,

где - индуктивное сопротивление, обусловленное потоком рассеяния;

д) индуктивное сопротивление, обусловленное основным магнитным потоком, Ом,

,

Активная мощность, потребляемая катушкой с сердечником, расходуется на покрытие электрических потерь в обмотке катушки и магнитных потерь в стальном сердечнике:

.

Отсюда активная мощность, идущая на покрытие магнитных потерь, определяется уравнением:

,

а реактивная мощность рассчитывается по формуле:

.

Домашнее задание

По рекомендуемой литературе и конспекту лекций проработать общие сведения о магнитных цепях, уяснить понятие магнитного сопротивления, кривой намагничивания, понятие потокосцепления и его связь с ЭДС самоиндукции. Знать и понимать уравнение электрического состояния катушки с сердечником, влияние магнитной цепи на ток в обмотке, причины потерь в сердечнике. Уметь строить векторную диаграмму катушки с сердечником. Знать методику определения параметров схемы замещения и уяснить их физический смысл. Изучить экспериментальную электрическую схему и условные обозначения ее элементов. Повторить принципы действия используемых измерительных приборов и знать их способы включения в электрическую цепь.

Приборы и оборудование

В работе используются универсальный стенд, катушка со стальным сердечником и настольный ваттметр. Электрическая цепь собирается в соответствии со схемой на рис. 18 с помощью комплекта проводов.

План работы

1. Ознакомиться со схемой и приборами, необходимыми для проведения работы: записать активное сопротивление и число витков исследуемой катушки и основные технические данные измерительных приборов.

2. Собрать цепь (рис. 18) и показать ее преподавателю. 3. Поставить ползунок автотрансформатора в положение минимального выходного напряжения.
	Рис. 18

Подать напряжение на стенд включением выключателя на лабораторном стенде.

4. Произвести опыт, для чего ползунком автотрансформатора изменить напряжение на катушке от 0 до 220 В и записать 6-8 отсчетов. Данные записать в таблице 5.

Таблица 5

Измеренные величины			Вычисленные величины
U, В	I, А	Р, Вт	Фm Вб	E, В	Рэ, Вт	Рм, Вт	Iа, А	Iм, А	Z, Ом

5. На основании опытных данных вычислить полное сопротивление Z, ЭДС E, мощность электрических Рэ и магнитных Рм потерь, активную Iа и намагничивающую Iм составляющие тока I по выражениям:

, ,

где (здесь Гц, а - берется из графика, приведенного на рабочем месте).

6. Построить зависимости ; ; ; .

7. Для напряжения, заданного преподавателем, построить в масштабе векторную диаграмму катушки с сердечником. Построение начинается с вектора . Затем изображаются векторы , , , , , , направленный параллельно вектору . Для определения величины падения напряжений из конца вектора перпендикулярно вектору проводится линия до пересечения с дугой окружности радиуса и центром в точке О.

8. Для напряжения, заданного в п. 7, определить параметры схемы замещения по рис. 18а и нарисовать ее.

Контрольные вопросы

1. Где и с какой целью применяют катушки со стальным сердечником?

2. С какой целью магнитопроводы электротехнических устройств изготавливают из ферромагнитных материалов?

3. Объяснить характер изменения индуктивного и полного сопротивления катушки с сердечником.

4. Как уменьшить потери энергии на гистерезис и вихревые токи?

5. Нарисовать и объяснить схему замещения катушки с сердечником.

6. Как определяются параметры схемы замещения и зависят ли они от подводимого напряжения?

7. Объяснить характер зависимостей ; ; ; .

Библиографический список

1. Касаткин А.С., Немцов С.В. Электротехника. М.: Высш. шк., 2000. С.170-175, 182-194.

2. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. М.: Высш.шк., 2000. С.69-73, 81-86, 108-113.

3. Электротехника /Под ред. В.Г. Герасимова. М.:Высш. шк., 1985. С. 173-186, 199-213.

4. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1987. С.233-244.

5. Общая электротехника /Под ред.А.Т.Блажкина. Л.: энергоатомиздат, 1976. С.175-186, 179-201.

6. Борисов Ю.М.,Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1975.

Работа № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

Цель работы: 1) ознакомиться с устройством и принципом действия однофазного трансформатора;

2) изучить режимы работы и методику опытного определения основных параметров трансформаторов.

Пояснения к работе

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты.

Основными конструктивными элементами трансформатора являются магнитопровод и обмотки. Магнитопровод служит для усиления основного магнитного потока и обеспечения магнитной связи между обмотками.

В работе рассматривается двухобмоточный силовой трансформатор. Первичная обмотка подключается к источнику переменного тока с напряжением , а вторичная – к потребителю. Ток , возникающий в первичной обмотке, создает переменный магнитный поток , который, сцепляясь с витками обмоток, индуцирует в них ЭДС с действующими значениями: и , где - амплитуда магнитного потока: - частота переменного тока; , - число витков обмоток.

Уравнения электрического состояния трансформатора для первичной и вторичной цепей имеют вид:

;

,

где и – активные сопротивления обмоток; и – индуктивные сопротивления рассеяния обмоток.

Уравнения магнитного состояния трансформатора имеют вид:

,

где ток первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода.

Коэффициент трансформации определяется по формуле

,

где – напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме холостого хода.

Домашнее задание

Изучить конструкцию и принцип действия однофазного трансформатора. Проанализировать уравнения электрического и магнитного состояний; уяснить принципы построения упрощенных векторных диаграмм и схем замещений. Выяснить назначение опытов холостого хода и короткого замыкания, а также, какие потери мощности при этом возникают и как рассчитывается КПД. Уметь объяснить внешние характеристики трансформатора. Ознакомиться с устройством и принципом действия автотрансформатора и измерительных трансформаторов.

Приборы и оборудование

Работа выполняется на универсальном стенде, где установлены лабораторный автотрансформатор и измерительные приборы, однофазный двухобмоточный трансформатор , реостат . Комплект электропроводов располагается на столе.

План работы

Провести опыт нагрузки. 1. Собрать электрическую цепь по предложенной схеме (рис.19).

2. Включить питание и установить с помощью автотрансформатора по вольтметру PV1 номинальное напряжение на первичной обмотке В.

Рис. 19

3. Изменяя с помощью реостата Rн ток нагрузки от нуля до номинального значения ( А) при В= , измерить токи первичной и вторичной обмоток, мощность , потребляемую трансформатором, а также напряжение вторичной обмотки . При проведении опыта ток вторичной обмотки менять с шагом 1,0 А Результаты измерений занести в табл.6.

Таблица 6

Измеренные величины					Вычисленные величины
, В	, А	, Вт	, В	, А	, Вт

4. Снизить автотрансформатором напряжение до нуля, отключить питание.

5. По данным опыта вычислить мощность нагрузки , коэффициент мощности , КПД трансформатора по формулам: , , .

6. Построить внешнюю характеристику и зависимости , .

Провести опыт холостого хода. 1. Для выполнения этого опыта отключить от вторичной обмотки нагрузку (реостат Rн) и амперметр .

2. Включить питание и установить напряжение на первичной обмотке В.

3. Измерить ток холостого хода напряжение и мощность , потребляемую трансформатором. Результаты измерений занести в табл. 7.

Таблица 7

Измеренные величины				Вычисленные величины
, В	, В	, А	, Вт

4. Снизить автотрансформатором напряжение до нуля, отключить питание.

5. По данным опыта вычислить коэффициент мощности , коэффициент трансформации . Результаты вычислений занести в табл. 7.

Провести опыт короткого замыкания.

1. Создать режим короткого замыкания трансформатора, замкнуть вторичную обмотку на амперметр (рис. 20); подключить к первичной обмотке вольтметр с меньшим пределом измерений (50 или 75 В).

2. Включить питание и установить на первичной обмотке напряжение так, чтобы ток имел номинальное значение 4 А, соответствующее данному трансформатору. Измерить , , , и занести результаты в табл.8.

3. Снизить автотрансформатором напряжение до нуля, отключить питание. 4. По данным опыта вычислить и сопротивления: полное ,
	Рис. 20

активное и реактивное . Результаты вычислений занести в табл. 8.

Таблица 8

Измеренные величины				Вычисленные величины
, В	, А	, Вт	, А	, Ом	, Ом	, Ом

Контрольные вопросы

1. Устройство и принцип действия трансформатора.

2. Записать и объяснить формулы ЭДС и уравнения электрического и магнитного состояний трансформатора.

3. Что такое «коэффициент трансформации»?

4. Нарисовать и объяснить схему замещения нагруженного трансформатора.

5. Как проводятся опыты холостого хода и короткого замыкания?

6. Объяснить причины и характер изменения напряжения вторичной обмотки при изменении нагрузки.

7. Как определяется КПД силовых трансформаторов?

8. Объяснить особенности конструкции и принципа действия автотрансформаторов.

Библиографический список

1. Касаткин А.С., Немцов С.В. Электротехника. М.: Высш. шк., 2000. С. 196-216, 222-225.

2. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. М.: Высш.шк., 2000. С. 182-188, 193-196.

3. Иванов И.И., Равдоник В.С. Электротехника. М.: Высш.школа, 1984. С.135-162, 170-174.

4. Волынский Б.А., Зейн Е.И., Шатерников В.Е. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1987. С.297-317.

5. Общая электротехника /Под ред. А.Т.Блажкина. М.: Энергоатомиздат, 1986. С.262-277, 280-289.

6. Электротехника /Под ред. В.Г.Герасимова, М.: Высш.школа, 1985. С.237-248, 251-252, 253-261.

7. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1985. С.301-321, 326-342.

Работа № 6. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ.

Цели работы: 1.Изучить устройство и принцип действия трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором;

2. Ознакомиться с методом непосредственного пуска двигателя и измерить пусковой ток;

3. Снять рабочие характеристики двигателя и на их основе дать оценку двигателя.

Пояснения к работе

Трехфазный асинхронный двигатель, предназначенный для преобразования энергии переменного тока в механическую энергию, состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Статор двигателя представляет собой полый цилиндр, собранный из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности цилиндра имеются пазы. В них уложена трехфазная обмотка, выполненная из изолированного провода. Она состоит из трех отдельных катушек – обмоток фаз, оси которых сдвинуты относительно друг друга на . Обмотки фаз соединяются между собой «звездой» или «треугольником».

Короткозамкнутый ротор представляет собой цилиндрический сердечник, собранный как и статор из листов электротехнической стали. В пазах сердечника уложена обмотка ротора, состоящая из медных или алюминиевых стержней, которые соединяются торцевыми кольцами и образуют цилиндрическую клетку – так называемую «беличью клетку». Ротор укрепляется на валу и помещается внутри статора с минимальным воздушным зазором. При включении двигателя в сеть в каждой фазе статорной обмотки будет создаваться магнитный поток, изменяющийся с частотой питающей сети. При этом потоки отдельных фаз оказываются сдвинутыми относительно друг друга на угол как во времени, так и в пространстве. В этих условиях результирующий магнитный поток оказывается вращающимся. Он вращается в пространстве с синхронной частотой вращения

, об/мин,

где - частота подводимого напряжения, Гц; - число пар полюсов двигателя (определяется по шифру двигателя). Для используемых в данной лабораторной работе асинхронных двигателей .

Результирующий магнитный поток при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора и наводит в них ЭДС. Так как обмотка ротора замкнута, в ней возникает ток, который, взаимодействуя с результирующим магнитным потоком, создает электромагнитный момент двигателя. Под действием этого момента ротор вращается в сторону вращающегося магнитного потока двигателя, причем частота вращения ротора всегда меньше синхронной частоты вращения поля .

Важнейшим показателем, характеризующим работу трехфазного асинхронного двигателя, является скольжение ротора:

.

Скольжение характеризует степень отставания частоты вращения ротора от частоты вращения магнитного поля и при номинальной нагрузке у современных двигателей составляет 2-6%. С ростом нагрузки скольжение увеличивается.

Трехфазный асинхронный двигатель имеет электромагнитный момент, величина которого определяется по формуле

,

где - подводимое к двигателю напряжение, - активное сопротивление, - приведенное активное сопротивление ротора, - индуктивное сопротивление короткого замыкания двигателя, - угловая частота вращения магнитного поля статора.

Из формулы электромагнитного момента асинхронного двигателя видно, что он пропорционален квадрату подводимого напряжения и зависит от скольжения. Причем имеется такое скольжение ротора, при котором двигатель развивает максимальный (критический) момент . Момент на валу двигателя определяется как , где - момент холостого хода двигателя, которым нередко можно пренебречь.

Свойства двигателя оценивают по механическим и рабочим характеристикам. Механическая характеристика двигателя – это зависимость частоты вращения ротора от момента (рис. 21). Она может быть построена с помощью формулы для электромагнитного момента или снята экспериментально.
	Рис. 21

Рабочие характеристики – это зависимости частоты вращения , скольжения , вращающего момента , тока статора , коэффициента мощности и КПД от полезной мощности на валу двигателя при неизменных напряжении и частоты сети . В данной работе эти характеристики снимаются экспериментально и позволяют оценить рабочие свойства двигателя в номинальном и других режимах.

Трехфазные асинхронные двигатели являются наиболее распространенными электрическими двигателями. Они просты по конструкции, дешевы, надежны в эксплуатации, экономичны. К недостаткам этих двигателей относятся, прежде всего, большой пусковой ток и трудность регулирования частоты вращения ротора.