Лабораторно-практична робота «Дослідження кола змінного струму з послідовним з’єднанням приймачів електроенергії»

Краматорське вище професійне училище

ПІДГОТОВКА ТА ПРОВЕДЕННЯ

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНОЇ РОБОТИ

«ДОСЛІДЖЕННЯ КОЛА ЗМІННОГО СТРУМУ З ПОСЛІДОВНИМ З’ЄДНАННЯМ ПРИЙМАЧІВ ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ»

Укладачка Катерина Нестюркіна, викладачка електротехніки

м. Краматорськ

1. ЗАГАЛЬНІ ВКАЗІВКИ

Перед кожним заняттям учень зобов’язаний підготуватися до виконання лабораторної роботи по даному методичному керівництву. Перед початком роботи викладач перевіряє знання учнів за змістом виконуваної роботи. Учні, які погано підготувалися, до занять не допускаються.

1.            До виконання лабораторної роботи слід приступати лише після повного з’ясування її вмісту.
2.            Починати роботу слід з ознайомлення з приладами й устаткуванням, які використовуються в даній роботі.
3.            На лабораторному столі повинні знаходиться лише предмети, необхідні для виконання даної роботи.
4.            Розташування апаратури на робочому столі має бути таким, щоб схема з’єднань вийшла найбільш простою, наочною і робота з апаратурою була зручною.
5.            Після того, як схема буде зібрана, необхідно переконатися в правильній установці движків реостатів, автотрансформаторів і рукояток інших регулюючих пристроїв.
6.            Зібрана схема обов’язково має бути перевірена викладачем і лише з його дозволу може бути під’єднана до напруги.
7.            При ввімкненні схеми особливу увагу слід звернути на показники амперметрів та інших вимірювальних приладів. В разі різкого руху стрілки амперметра до кінця шкали схему необхідно негайно вимкнути від джерела струму.
8.            Після виконання роботи учень зобов’язаний не розбираючи схеми показати отримані дані викладачеві. Якщо результати вимірів вірні, то викладач їх підписує. Експеримент з неправильними результатами слід повторити.
9.            Схему розбирати лише після її від’єднання  від мережі.

2. ОПИС ПРИЛАДІВ ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАНЬ

Лабораторні роботи виконують на учбових лабораторних стендах.

Для виміру електричних величин призначені прилади:

•     амперметри  магнітоелектричної  системи – для  виміру  постійного  струму;
•     вольтметри магнітоелектричної системи – для виміру постійної напруги;
•     амперметри і міліамперметри електромагнітної системи – для виміру  змінного  струму;
•     вольтметри  електромагнітної  системи  –  для виміру змінної напруги;
•     ватметри електродинамічної системи –  для  виміру  активної  модності;
•     електронно-променевий  осцилограф  –  для спостереження і реєстрації напруги, що змінюється в часі.

На панелі приладу електровимірювання вказані умовними позначеннями   його   основні   характеристики, а також товарний знак заводу-постачальника, рік випуску і заводський номер приладу.

Умовні позначення основних систем приладів:

магнітоелектрична електромагнітна електродинамічна

Найважливішою характеристикою вимірювального приладу є його точність. Число, що характеризує клас точності приладу, є величиною його допустимої основної погрішності в робочій частині шкали. Клас точності вказаний цифрою на панелі приладу.

Живлення  осцилографа  здійснюється  від  мережі  напругою  220  В.

Рукоятки  управління  осцилографа  згруповані  на  лицьовій  панелі,  їх  функції чітко позначені написами і умовними значками.

Обертаючи ручки регулювання яскравості і фокусування, на екрані встановлюють яскраву тонку горизонтальну лінію.

Ручками  з  позначеннями  X  і  Y  переміщають  зображення  на  екрані  вгору і вниз або вправо і вліво. Ручкою «Посилення Y» змінюють амплітуду вхідного сигналу. Досліджувана напруга подається на «Вхід Y» і на заземлену  точку  вимірювальної  схеми.  Ручкою  «Тривалість»  можна  плавно змінювати розміри зображення по горизонтальній осі, тобто змінювати масштаб часу для даних кривих. Обертаючи ручку «Стабільність», вибирають режим роботи генератора розгортки.

3. ОХОРОНА ПРАЦІ ПРИ РОБОТІ З ЕЛЕКТРИЧНИМИ УСТАНОВКАМИ

Тіло людини володіє властивістю електропровідності і при зіткненні з двома неізольованими елементами установки, що знаходиться під напругою, стає ланкою електричного ланцюга. Встановлено, що  як постійний, так і змінний електричні струми при величині 0,05 А небезпечні для життя, а при величині 0,1 А – смертельні. Навіть напруга в декілька  десятків  вольт   (40–60  В)  при  несприятливому  збігу  обставин  може  викликати  ураження  електричним  струмом.  Про  це  слід завжди пам’ятати і дотримувати наступні запобіжні засоби:

1.            Перш ніж приступити до з’єднання пристроїв, розташованих на   стенді,  переконайтесь,  що  контакти  автоматів  мереж  розімкнені,  а  показники положення  елементів  регулювання  лабораторних  автотрансформаторів  і джерел живлення розташовані в позиції «Нуль».
2.            Вмикайте  автомати  мереж  і  проводьте  перше  випробування  ланцюгів   лише з дозволу керівника лабораторного заняття.
3.            Переконайтесь  в  справності  ізоляції  сполучних  дротів.  Не   користуйтеся дротами без наконечників або штирів.
4.            При збірці ланцюгів уникайте пересічення дротів і забезпечте високу щільність контактів всіх роз’ємних з’єднань. Невикористані дроти приберіть з монтажних панелей у відведене для них місце.
5.            Не  торкайтеся  до  неізольованих  елементів  пристроїв,  що знаходяться під напругою.
6.            Особливої обережності дотримуйтеся при дослідженні ділянок ланцюгів   з послідовним з’єднанням дроселів і конденсаторів. Пам’ятаєте, що відключений конденсатор може зберегти небезпечний залишковий заряд, і не забувайте розрядити його до включення в ланцюг.
7.            Не залишайте без спостереження ланцюг, що знаходиться під напругою.
8.            При роботі з дротяними реостатами і амперметрами потрібно стежити за тим, щоб струм в них не перевищував допустимого значення   в них, переконаєтеся, що контакти автоматів мережі розімкнені, джерела живлення відключені.

Виявивши будь-яку несправність в електротехнічному пристрої,  що знаходиться  під  напругою,  негайно  відключите  автомат мережі і повідомите про це керівника лабораторного заняття.

СТИСЛІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ ДЛЯ ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНОЇ РОБОТИ

У лінійних колах змінного струму синусоїдально перемінні струми і напруги визивають періодичні зміни енергії, що були припасені в електричному полі конденсаторів та в магнітному полі котушок . Отже, в колах протікають струми і є напруги, що змінюють ці енергії, і всі процеси стають значно складнішими, ніж в колах постійного струму. При цьому елементи з параметрами  L і C обмінюються енергіями між собою та з джерелом, і частина енергії використовується на активних опорах.

Таким чином, режим роботи визначається сукупністю   режимів трьох ідеальних елементів: R, L і C, особливості поведінки яких в колах синусоїдального  струму наведено в табл. 1.

Таблиця 1

Результати замірів

Елементи з параметрами L і C називають реактивними елементами.

Помітим, що кут зсуву фаз є алгебраїчною величиною і його знак визначає характер навантаження: індуктивний, якщо φ>0, і ємнісний при φ<0.

При послідовному з’єднанні трьох вищеназваних ідеальних елементів (рис.1) для миттєвих значень за другим законом Кірхгофа маємо

 і в геометричній формі  -

де Z – комплекс повного опору кола,

,

де - модуль повного опору;

φ – кут зсуву фаз, що визначається для заданої частоти параметрами кола,

де - реактивні опори кола, визначають характер кола.

Рис. 1 – Послідовне з’єднання RLC – елементів

 Якщо X_L>X_C, кажуть, що індуктивність домінує в колі, коло має індуктивний характер і φ>0.

 Якщо X_L<X_C, φ<0, коло носить ємнісний характер (рис.2).

Рис. 2 – Векторні діаграми струму та напруги

 Розклавши вектор напруги на складові, одна з яких збігається зі струмом, а друга йому перпендикулярна, одержують активну і реактивну складові напруги при цьому.

Таким чином, для будь якого кола мають векторну діаграму напруг (трикутник напруг). Поділивши усі сторони цього трикутника на загальний для всіх елементів струм, чи перемножив їх на той же струм, одержують ще два подібних трикутника, сторони яких у відповідному масштабі будуть у першому випадку опору і в другому – потужності. Наприклад, для індуктивного характеру навантаження ці трикутники подані на рис. 3.

    а)    б)    в)

а) трикутник напруг; б) трикутник опорів; в)трикутник навантаження

Рис.  3 – Векторні діаграми

Аналіз послідовного з’єднання має на увазі справедливість другого закону Кірхгофа та інших співвідношень для електричних кіл, але в геометричній формі. Аналіз проводиться звичайно при розкладі напруг на активні і реактивні складові, які з урахуванням характеру відрізків (індуктивний чи ємнісний) будуються на векторній діаграмі.

Векторні діаграми підвищують наочність результатів аналізу. При розрахунку цих складових необхідно знати параметри приймачів.

Якщо приймач має тільки один параметр (наприклад резистор, що має тільки активний опір), то величина визначається за законом Ома чи , тобто для визначення параметру необхідно заміряти струм і напругу чи струм і потужність приймача.

У приймачі двох параметрів, наприклад котушки параметрів R і L, останні визначаються експериментально двома методами.

Перший полягає у визначенні опору R_к в колі постійного струму. Для цього котушку вмикають в коло постійного струму і замірюють опір котушки  і вважають його надалі активним опором котушки. На низьких частотах, де поверхневий ефект та ефект близькості проявляються слабо, це допускається.

Визнавши R_к, вмикають в коло змінного струму і визначають повний опір котушки . Далі вираховують:

та .

Другий метод використовується частіше, але для цього методу потрібен ватметр. Вмикають котушку в коло змінного струму відомої частоти та заміряють напругу U_к, струм I_к і потрібну активну потужність P_к.

Відомо, що

де cosφ_к визначають з формули потужності .

Тоді , а .

 Далі .

Окремим випадком є режим кола, в якому X_L=X_C, тобто або . У такому випадку X=X_L-X_C=0, відповідно φ=0 та Z=R, тобто коло веде себе як активний опір. Такий режим кола називається резонансом напруг. При цьому в колі на окремих елементах мають місце реактивні потужності Q_L=I²X_L і Q_C=I²X_C, але реактивна потужність, що вживається з сіті дорівнює нулю.  Зазначимо, що при X=0 повний опір Z=Rє мінімальним. Звідси струм має максимальне значення і реактивні напруги U_L=IX_L і U_C=IX_C можуть бути значними і навіть перевищувати напругу джерела. При умові X_L=X_C>>R напруга на реактивних елементах U_L=U_C>>U_R=U, і в такому випадку говориться про перенапругу на елементах з параметрами L і C. Описаний режим, при якому ω²LC=1,може бути одержаний шляхом зміни параметрів L або C або зміною частоти постачальної напруги до величини називають власною частотою кола.

У лабораторних умовах про проходження точки резонансу при зміні параметрів, наприклад С, роблять висновок про змін  струму.

ЛАБОРАТОРНО-ПРАКТИЧНА РОБОТА

Тема: «Дослідження кола змінного струму з послідовним з’єднанням приймачів електроенергії»

Мета: навчитися визначати параметри кіл, досліджувати послідовне з’єднання споживачів в колі змінного струму, будувати векторні діаграми напруг і струмів, досліджувати виникнення резонансу напруг.

Опис лабораторного обладнання

Лабораторна установка збирається за схемою (рис.1).

Рис.  1 – Схема лабораторної установки

 Вона містить такі елементи:

– магазин резисторів в блоку резисторів;

– магазин конденсаторів в блоку конденсаторів;

– котушку індуктивності: в роботі дві котушки, з’єднані послідовно;

– амперметр і вольтметр на вимірювальних блоках стенда;

– переносний ватметр електродинамічної системи.

Відповідно до схеми кола обмотки напруги ватметра і вольтметра для зручності заміру включені паралельно. У цьому випадку, коли мають один і той же струм на відрізках кола, на будь-якому відрізку чи всьому колі одночасно замірють напругу і потужність.

Порядок проведення експерименту

1.            Експериментально визначити параметри котушки методом ватметра, вольтметра і амперметра.

Підключивши електричне коло (див.рис. 1) до джерела змінної напруги, виміряти струм, напругу і потужність, що споживають котушки. Результати замірів записати в табл.1.

Таблиця 1

Результати замірів

Обробка результатів експерименту

За результатами замірів (п.1) вирахувати параметри котушки, активний та індуктивний опір, а також індуктивність котушки. Вирахувати активну і реактивну складові напруги котушки. Результати цих обчислень занести до табл.2.

Таблиця 2

Результати розрахунків

2.            Дослідити явище резонансу напруг. Включати до кола максимальну  кількість конденсаторів, а потім ступенево зменшувати ємність конденсаторної батареї до нуля. При цьому зробити  4-.5 замірів струму в колі, напруги на котушці U_к і конденсаторній батареї U_C. Результати замірів занести до табл. 3.

Таблиця 3

Результати замірів

Обробка результатів експерименту

За результатами замірів (п.2) вирахувати для кожного досліду ємнісний опір X_C=U_C/I та ємність C=1/ωX_C. Результати цих обчислень занести до табл.4.

Таблиця 4

Результати розрахунків

Розрахунки