Звезда-это такое соединение, при котором концы фаз x, y, z соединяются в один узел, который называется нейтральной или нулевой точкой. Начала фаз a, b, c соединяются с началами фаз источника A, B, C.

Провода, соединяющие приемник с источником, называются линейными; в них протекают линейные токи - iA, iB, iC.

Провод, соединяющий нейтральные точки приемника и источника, называется нейтральным или нулевым. Токи, протекающие в фазах приемника, называются фазными - iax, iby, icz.

Действующие значения фазных токов можно рассчитать, пользуясь законом Ома.

В соответствии с первым законом Кирхгофа для нейтральной точки (рис. 3.1) комплекс тока в нейтральном проводе равен сумме комплексов фазных токов, то есть

IN=Iax+Iby+Icz .

Как видно из рис.1, при соединении звездой линейные токи равны фазным, т.е.

Iф=Iл .

В соответствии со вторым законом Кирхгофа, для выделенного на рис. 3.1 контура, можно записать:

uAB+uby-uax=0.

Решая полученное уравнение относительно линейного напряжения, будем иметь:

uAB=uax-uby .

Аналогично для других контуров:

uBC=uby-ucz , uCA=ucz-uax..

Переходя к комплексной записи:

UAB=Uax-Uby, UBC=Uby-Ucz, UCA=Ucz-Uax .

Комплексы линейных напряжений равны разности комплексов фазных напряжений.

При симметричной системе фазных напряжений алгебраическая связь между действующими значениями фазных и линейных напряжений выражается формулой:

Uл=•Uф .

Треугольник - это такое соединение, при котором конец предыдущей фазы соединяется с началом последующей.

Как видно из рис. 3.2, в этом случае фазные напряжения равны линейным, т.е.

Uф=Uл .

В соответствии с первым законом Кирхгофа для узла za можно записать:

iA+icz-iax=0.

Решая это уравнение относительно линейного тока iA, получим:

iA=iax-icz.

Аналогично для узлов xb и cy

iB=iby-iax , iC=icz-iby.

Переходя к комплексной записи будем иметь:

IA=Iax-Icz, IB=Iby-Iax, IC=Icz-Iby.

Комплексы линейных токов равны разности комплексов соответствующих фазных токов.

Только для симметричных приемников, у которых комплексы полных сопротивлений фаз равны, связь между действующими значениями линейных и фазных токов выражается формулой:

Iл=•Iф.

Независимо от схемы соединения фаз приемника, при расчете действующих значений фазных токов можно пользоваться всеми соотношениями, полученными для однофазных цепей.

В случае резистивных приемников векторы фазных токов будут совпадать по фазе со своими фазными напряжениями, в случае индуктивных - отставать, а в случае емкостных - опережать векторы фазных напряжений на некоторый угол, величина которого определяется параметрами данной фазы.

Активная мощность трехфазного приемника равна сумме активных мощностей отдельных фаз:

P=Pa+Pb+Pc .

Мощность фазы определяется напряжением, током и коэффициентом мощности:

Pф=Uф•Iф•Cos.

В случае симметричного приемника, у которого все фазы идентичны, его мощность будет равна утроенной мощности одной фазы:

P=3Pф .

В соответствии с этим, для измерения мощностей симметричных приемников применяется метод одного ваттметра, а для измерения мощности несимметричного приемника - метод трех ваттметров.

При отсутствии нейтрального провода и несимметричном приемнике используется метод двух ваттметров, которые включаются таким образом, чтобы через их неподвижные катушки протекали линейные токи, а подвижные - были под линейными напряжениями. В этом случае мощность приемника будет равна сумме показаний ваттметров.

3.3 Рабочее задание

1. Соберите цепь, изображенную на рис.3.3.

2. Технические данные электроизмерительных приборов занесите в таблицу 3.1. Форма таблицы приведена на стр. 3.

3. Диапазон измерения вольтметров для измерения фазных напряжений установите равным 0-150 В.

4. Диапазон измерения амперметра в цепи нейтрального провода установите равным 0-1 А.

5. Предъявите цепь для проверки преподавателю.

6. Автоматическим выключателем АП, расположенным на панели источника питания, подайте напряжение на стенд. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

7. Магнитным пускателем, кнопки которого расположены на панели блока питания над клеммами А, В, С, 0 подайте напряжение на панель - схему. При этом на панели блока должна загореться сигнальная лампа.

9. Автоматическим выключателем АП отключите стенд от сети.

В экспериментальной схеме отключите нейтральный провод,

соединяющий точки z и 0.

Диапазон измерения фазных вольтметров установите 0-300 В.

Выполните пункты 6-7.

По указанию преподавателя для нескольких нагрузок снимите показания приборов и занесите их в таблицу 3.3.

Автоматическим выключателем АП отключите стенд от сети.

Соберите цепь, изображенную на рис. 4.3.

Выполните пункты 6-7.

Таблица 3.3 Значения токов, напряжений и мощностей резистивного приемника, включенного по схеме звезда без нейтрального провода

И З М Е Р Е Н О

В Ы Ч И С Л Е Н О

UBC В

Uax, В

Uby, В

Ucz, В

Iax, А

Iby, А

Icz, А

Pa, Вт

Pb, Вт

Pc, Вт

P, Вт

Таблица 3.4 Значения токов, напряжений и мощностей резистивного приемника, включенного по схеме треугольник

И З М Е Р Е Н О

В Ы Ч И С Л Е Н О

IA, A

Iax, A

Iby, A

Icz, A

UBC, В

Uax, В

Uby, В

Ucz, В

Pa, Вт

Pb, Вт

Pc, Вт

P, Вт

18. Автоматическим выключателем АП отключите стенд от сети.

19. По указанию преподавателя соберите цепь, изображенную на рис. 3.5. Клеммы, отмеченные знаками I*, U*, 2.5, U находятся на ваттметре.

20. Диапазон измерения ваттметра установите 0-750 Вт.

21. Выполните пункты 6-7.

22. По указанию преподавателя для нескольких нагрузок снимите показания приборов и занесите их в таблицу 3.5.

Таблица 3.5. Значения мощностей резистивного приемника, включенного по схеме звезда без нейтрального провода

Измерено	Вычислено
Р1, Вт	Р2, Вт	Р, Вт

3.4 Порядок построения векторных диаграмм напряжений и токов

Схема звезда с нейтральным проводом

1. Выберите масштабы отдельно по току и напряжению.

2. Проведите координатную сетку. При построении диаграмм трехфазных приемников, для удобства построения ось действительных величин +1 располагают вертикально.

3. В выбранном масштабе постройте векторы фазных напряжений

ax,by,cz , в соответствии с уравнениями 3.1.

4. Постройте векторы линейных напряжений ab,bc,ca в соответствии с уравнениями 3.4.

Разность двух векторов равна вектору, направленному из конца второго вектора в конец первого.

Правильно построенные векторы линейных напряжений образуют равносторонний треугольник линейных напряжений.

5. В выбранном масштабе постройте векторы фазных токов ax, by, cz, совпадающими по фазе с соответствующими векторами фазных напряжений

6. Постройте вектор тока в нейтральном проводе N путем сложения векторов фазных токов по правилу параллелограмма.

Рассмотрим пример.

Пусть

1. Диаграмму стройте в том же масштабе, что и в предыдущем случае.

2. Постройте треугольник линейных напряжений ab, bc, ca (просто скопировав его из предыдущей диаграммы).

3. Найдите центр звезды несимметричных фазных напряжений, для чего:

* из вершины А треугольника линейных напряжений проведите дугу радиусом Uax;

* из вершины В треугольника линейных напряжений проведите дугу радиусом Uby;

* из вершины С треугольника линейных напряжений проведите дугу радиусом Ucz;

* точка пересечения дуг есть центр звезды напряжений.

4. Постройте векторы фазных напряжений, соединив центр звезды с вершинами треугольника.

5. Векторы фазных токов ax, by, cz строятся, как описано выше.

Рассмотрим пример.

Пусть

1. Постройте звезду фазных напряжений, так же как это делали для приемника, включенного звездой с нейтральным проводом. Она же будет звездой линейных напряжений ab, bc, ca, т.к. в схеме треугольник фазные и линейные напряжения равны.

2. Постройте векторы фазных токов ax, by,, cz, совпадающими по фазе с векторами фазных напряжений ax, by, cz.

3. Постройте векторы линейных токов A, B, C в соответствии с уравнением 3.7.

Рассмотрим пример.

Пусть

Выводы

1. Сделайте вывод о соответствии или несоответствии значений линейных напряжений и тока в нейтральном проводе, полученными из векторной диаграммы, измеренным в эксперименте.

2. Сделайте вывод о влиянии нагрузки (симметричная или несимметричная) на соотношение линейных и фазных напряжений.

3. Сделайте вывод о применимости изученных схем для питания симметричных и несимметричных приемников.

3.5 Контрольные вопросы

1. Что называется фазой трехфазной цепи?

2. Какое соеденение приемников называется звездой?

3. Какое соединение приемников называется треугольником?

4. Какое напряжение называется фазным?

5. Какое напряжение называется линейным?

6. Как связаны линейные и фазные напряжения при включении приемника по схеме “звезда” с нейтральным проводом?

7. Как связаны линейные и фазные токи при включении приемника по схеме “звезда” с нейтральным проводом?

8. Как связаны линейные и фазные напряжения при включении приемника по схеме “треугольник”?

9. Как связаны линейные и фазные токи при включении приемника по схеме “треугольник”?

10. Каково назначение нейтрального провода?

11. Как изменятся фазные напряжения при изменении нагрузки в одной из фаз, если приемник включен по схеме “звезда” с нейтральным проводом?

12. Как изменятся фазные напряжения при изменении нагрузки в одной из фаз, если приемник включен по схеме “звезда” без нейтрального провода?

13. Как изменятся фазные напряжения при изменении нагрузки в одной из фаз, если приемник включен по схеме “треугольник”?

14. Как измерить активную мощность симметричного приемника?

15. Как измерить активную мощность несимметричного приемника?

16. Зависит ли мощность трехфазного приемника от схемы его включения?

17. Какой ток называется фазным?

18. Какой ток называется линейным?

19. Как называется напряжение, действующее между линейным и нейтральным проводами?

20. Как называется напряжение, действующее между двумя линейными проводами?

21. Какой приемник называется симметричным?

22. Как изменится режим работы симметричного приемника, включенного по схеме «звезда», при обрыве нейтрального провода?

23. Как изменится режим работы несимметричного приемника, включенного по схеме «звезда», при обрыве нейтрального провода?

24. Запишите закон изменения тока в фазе В симметричного активно-индуктивного приемника, включенного по схеме «звезда», если в фазе А ток изменяется по закону: iax=10Sin(314t-30).

25. Как найти ток в нейтральном проводе, если фазные токи известны?

Лабораторная работа 4. Испытание однофазного трансформатора

4.1 Цель работы

Произвести испытание однофазного трансформатора в режимах холостого хода, короткого замыкания и в режиме нагрузки резистивными приемниками.

Экспериментально определить коэффициент трансформации, ток холостого хода, потери мощности в сердечнике.

Экспериментально определить напряжение короткого замыкания и потери мощности в обмотках при номинальной нагрузке.

По экспериментальным данным построить внешнюю характеристику трансформатора и определить изменение напряжения при нагрузке.

По экспериментальным данным построить рабочие характеристики трансформатора.

4.2 Теоретическое введение

Трансформатор статический электромагнитный аппарат, который посредством магнитного поля преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, который набирается из отдельных листов электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. Делается это для уменьшения вихревых токов. На сердечнике располагаются две катушки, их называют обмотками, которые изолированы от сердечника и не имеют электрической связи друг с другом. Обмотка, которая подключается к источнику энергии, называется первичной. Обмотка, к которой подключается приемник энергии, называется вторичной. Начало и конец обмотки высшего напряжения обозначаются соответственно начальными и конечными буквами латинского алфавита ”А” и ”Х”. Начало и конец обмотки низшего напряжения обозначаются теми же малыми буквами латинского алфавита ”а” и ”х”. При подключении первичной обмотки, имеющей w1 витков, к источнику синусоидального напряжения - u1, в цепи первичной обмотки течет ток - i1. Намагничивающая сила этого тока i1w1 создает переменный магнитный поток Ф, основная часть которого Фосн замыкается по сердечнику, пронизывая обе обмотки. Этот поток индуцирует в обмотках электродвижущие силы:

e1=-w1 ,

e2=-w2.

Если вторичная обмотка замкнута, то под действием ЭДС ”е2” в цепи вторичной обмотки потечет ток.

Отношение электродвижущих сил определяется отношением чисел витков первичной и вторичной обмоток и для данного трансформатора есть постоянная величина, которая называется коэффициентом трансформации:

k12== .

Величина коэффициента трансформации может быть найдена экспериментально или вычислена по паспортным данным.

В паспорт трансформатора заносятся номинальная мощность S, номинальные напряжения и токи обмоток.

Номинальной полезной мощностью трансформатора называется полная мощность на зажимах вторичной обмотки - S2н.

Она приблизительно равна полной мощности потребляемой первичной обмоткой - S1н, т.е.:

S1нS2н=Sн.

Номинальным напряжением обмотки U1н, U2н называется напряжение на ее зажимах при холостом ходе трансформатора.

Номинальным током называется ток, связанный с номинальной мощностью и номинальным напряжением соотношением:

Iн=

Эксплуатационные характеристики трансформатора определяются изменением вторичного напряжения при нагрузке, потерями мощности в сердечнике и обмотках, коэффициентом полезного действия. Все эти величины могут быть рассчитаны по данным опытов холостого хода и короткого замыкания, которые характеризуют работу трансформатора в предельных режимах нагрузки: при ее отсутствии I2 = 0 и номинальной - I2 = I2н. Основным режимом работы трансформатора является режим нагрузки, когда вторичная обмотка замкнута на приемник и по ней протекает ток i2. Сила тока i2 определяется величинами ЭДС е2 и полного сопротивления вторичной цепи. При наиболее распространенной индуктивной нагрузке, ток вторичной обмотки отстает от ЭДС - е2 по фазе, при емкостной - опережает ЭДС на некоторый угол, определяемый параметрами вторичной цепи.

Появление тока во вторичной обмотке сопровождается появлением намагничивающей силы - i2w2, которая создает в сердечнике магнитный поток, направленный, в соответствии с принципом Ленца, навстречу потоку первичной обмотки, т.е. магнитный поток вторичной обмотки стремится размагнитить магнитопровод. Увеличение вторичного тока приводит к возрастанию мощности вторичной цепи - i2е2.

Согласно закону сохранения энергии это вызывает рост мощности потребляемой первичной обмоткой из сети - i1u?? и, следовательно,

при неизменной величине первичного напряжения увеличение тока вторичной обмотки приводит к возрастанию тока первичной обмотки.

Одновременно с увеличением тока первичной обмотки возрастает и намагничивающая сила - i1w??? прирост которой, компенсирует размагничивающее действие вторичного тока.

Магнитный поток в сердечнике трансформатора при нагрузках от 0 до номинальной остается неизменным.

Протекание тока во вторичной обмотке трансформатора вызывает падение напряжения в ее активном и индуктивном сопротивлениях. Поэтому ЭДС - E2 несколько отличается от напряжения U2 на зажимах вторичной обмотки.

Отклонение величины вторичного напряжения трансформатора от напряжения холостого хода, выраженное в процентах, называется изменением напряжения трансформатора при нагрузке:

?u=•100%

Эта величина может быть рассчитана по данным опыта холостого хода и опыта нагрузки , или определена по внешней характеристике, которая представляет собой зависимость вторичного напряжения от коэффициента загрузки - U2 = f(в). При индуктивной и резистивной нагрузках вторичное напряжение уменьшается с ростом вторичного тока, а при емкостной немного растет. При номинальной нагрузке уменьшение напряжения будет тем больше, чем больше полные сопротивления обмоток.

У силовых трансформаторов изменение напряжения составляет 5-10 %. Чтобы устранить нежелательное уменьшение напряжения на приемниках, трансформатор проектируют так, чтобы напряжение холостого хода U20 было на 5% больше номинального напряжения приемников, кроме того предусматривается возможность изменения числа витков одной из обмоток при возрастании нагрузки.

4.3 Рабочее задание

1. Паспортные данные трансформатора занесите в рабочий журнал.

Таблица 4.1 Паспортные данные трансформатора ОСМ-О16У3

Тип трансформатора	U1н, B	U2н, B	I1н, A	I2н, A	Sн, кВА
ОСМ-О16У3	220	110	0,727	1,54	0,160

2. Занесите в рабочий журнал технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе. Форма таблицы приведена на стр. 3.

3. Соберите схему, изображенную на рисунке 4.2. Клеммы, маркированные символами «I*; 2,5; U*; U», находятся на ваттметре.

Диапазон измерения вольтметра, включенного в цепь первичной обмотки, установите 0-300 В, диапазон измерения вольтметра, включенного в цепь вторичной обмотки, установите 0-150 В.

Диапазон измерения амперметра установите 0-1 А. Диапазон измерения ваттметра установите 0-187,5 Вт.

Предъявите цепь для проверки преподавателю.

Автоматическим выключателем ”АП”, расположенным на панели источников питания, подайте напряжение на стенд. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Магнитным пускателем, кнопки которого расположены на панели источников питания над клеммами 0~250, подайте напряжение на панель схему. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Регулятором напряжения ”ЛАТР”, расположенным на панели блока питания, установите на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение.

Показания приборов занесите в таблицу 4.3.

11. Регулятором напряжения ”ЛАТР”, расположенным на панели блока питания, снимите напряжение с первичной обмотки трансформатора.

Автоматическим выключателем ”АП”, расположенным на панели блока питания, отключите стенд от сети, при этом на панели блока питания сигнальные лампы должны погаснуть.

Соберите цепь, изображенную на рисунке 4.3.

Диапазон измерения вольтметра, включенного в цепь первичной обмотки, установите 0-75 В.

Диапазон измерения амперметра, включенного в цепь вторичной обмотки, установите 0-2,5 А.

Внимательно прочитайте условия проведения опыта короткого замыкания.

ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ОПЫТА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ ПЕРВИЧНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ УСТАНОВИТЕ ТАКИМ, ЧТОБЫ В ЦЕПИ ПЕРВИЧНОЙ ОБМОТКИ ПРОТЕКАЛ НОМИНАЛЬНЫЙ ТОК.

17. Ручку регулятора напряжения ”ЛАТР”, расположенного на панели блока питания стенда, установите в крайнее положение, по направлению противоположному движению часовой стрелки.

Предъявите цепь для проверки преподавателю.

Автоматическим выключателем ”АП”, расположенным на панели источников питания, подайте напряжение на стенд. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Магнитным пускателем, кнопки которого расположены на панели источников питания над клеммами 0~250, подайте напряжение на панель схему. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Регулятором напряжения ”ЛАТР”, расположенным на панели блока питания, установите номинальный ток на первичной обмотке трансформатора.

Показания приборов занесите в таблицу 4.4.

Таблица 4.4 Результаты испытания трансформатора ОСМ-О16У3 в режиме короткого замыкания

И З М Е Р Е Н О	В Ы Ч И С Л Е Н О
U1к, В	I1н, А	Pк, Вт	I2н, А	uк, %	zк, Ом	Rк, Ом	Xк, Ом	Cos цк

23. Регулятором напряжения ”ЛАТР”, расположенным на панели блока питания, снимите напряжение с первичной обмотки трансформатора.

Автоматическим выключателем ”АП”, расположенным на панели блока питания, отключите стенд от сети, при этом на панели блока питания сигнальные лампы должны погаснуть.

Соберите цепь, изображенную на рисунке 4.4.

Диапазон измерения вольтметра, включенного в цепь первичной обмотки, установите 0-300 В. Диапазон измерения ваттметра установите 0-375 Вт.

Предъявите цепь для проверки преподавателю.

Автоматическим выключателем ”АП”, расположенным на панели источников питания, подайте напряжение на стенд. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Магнитным пускателем, кнопки которого расположены на панели источников питания над клеммами 0~250, подайте напряжение на панель схему. При этом на панели блока питания должна загореться сигнальная лампа.

Регулятором напряжения ”ЛАТР”, расположенным на панели блока питания, установите на первичной обмотке трансформатора номинальное напряжение.

Снимите показания приборов для 4-7 значений вторичного тока. Величину тока изменяйте постепенным увеличением количества включенных резисторов.

33. Показания приборов занесите в таблицу 4.5.

Таблица 4.5 Результаты испытания трансформатора ОСМ-О16У3 под нагрузкой

И З М Е Р Е Н О	В Ы Ч И С Л Е Н О
U1, B	I1, A	P1, Вт	U2, B	I2, A	в	Дu, %	P2, Вт	з	Cos ц

Регулятором напряжения ”ЛАТР”, расположенным на панели блока питания, снимите напряжение с первичной обмотки трансформатора.

Автоматическим выключателем ”АП”, расположенным на панели блока питания, отключите стенд от сети.

Предъявите результаты экспериментов преподавателю.

4.4 Рекомендации по обработке экспериментальных данных

Опыт холостого хода

Так как в опыте холостого хода вторичная обмотка замкнута на вольтметр, можно считать, что ток вторичной обмотки I20=0, падение напряжения во вторичной обмотке также равно нулю, а ЭДС вторичной обмотки равна показанию вольтметра, т.е. Е2=U20. Ввиду малости тока холостого хода, падением напряжения в первичной обмотке можно пренебречь и считать, что E1?U10, тогда отношение электродвижущих сил в формуле (4.3) можно заменить отношением напряжений. Используя данные табл. 4.1 и 4.2, можно рассчитать i0= (I10/ I1Н)100%. Схема замещения трансформатора на холостом ходу (рис. 4.5) содержит только элементы намагничивающей цепи R12 и Х12. Для нее известны, измеренные экспериментально, напряжение U10, мощность P10 и ток холостого хода I10.

Эти данные позволяют, пользуясь законами Ома, Джоуля-Ленца и треугольником сопротивлений, определить сопротивления намагничивающей цепи: полное - z12, активное - R12, реактивное - Х12 и коэффициент мощности, также как это делали при выполнении работы ”Последовательная цепь переменного тока”.

Опыт короткого замыкания

Так как в опыте короткого замыкания напряжение, подводимое к первичной обмотке, много меньше номинального, магнитный поток в сердечнике также мал.

Схема замещения трансформатора (рис. 4.6) содержит только элементы, учитывающие потери в обмотках (Rк) и индуктивное падение напряжения (Хк). Измеренные значения напряжения короткого замыкания U1к, мощности потерь короткого замыкания Рк и тока I1н, позволяют вычислить параметры схемы замещения (Rк - активное сопротивление, Хк - индуктивное сопротивление, zк - полное сопротивление, а также коэффициент мощности при коротком замыкании), точно так же, как это делали при обработке экспериментальных данных опыта холостого хода, и при выполнении работы ”Последовательная цепь переменного тока”.

Опыт нагрузки

Коэффициентом загрузки - в называется отношение тока, протекающего в обмотках трансформатора, к номинальному току той же обмотки. Активная мощность Р2, передаваемая в нагрузку, равна активной мощности Р1, измеренной экспериментально, за вычетом всех потерь мощности:

P2=P1-PFe-PCu.

Преобразование энергии в трансформаторе сопровождается потерями энергии на перемагничивание сердечника и нагрев обмоток.

Потери в сердечнике для данного трансформатора постоянны, не зависят от нагрузки и определяются в опыте холостого хода, т.е.

PFe=P10 .

Потери в медных обмотках пропорциональны квадрату коэффициента загрузки: электрический ток резистор трансформатор

PCu=в2Pк.

Коэффициент мощности определяется соотношением активной и полной мощностей, потребляемых трансформатором из сети:

Cosц=

Коэффициент полезного действия это отношение активной мощности, передаваемой в нагрузку, к активной мощности, получаемой трансформатором из сети:

з=.

4.5 Содержание графической части и выводов

Постройте графики зависимости вторичного напряжения - U2, мощности - Р2, коэффициента мощности Cosц1 и коэффициента полезного действия - з ?от коэффициента загрузки - в. Укажите экспериментальные значения коэффициента трансформации, тока холостого хода в процентах, потерь мощности в стальном сердечнике, напряжения короткого замыкания в процентах и потерь мощности в обмотках при номинальной нагрузке.

Сделайте заключение о цели проведения опыта холостого хода.

Сделайте заключение о цели проведения опыта короткого замыкания.

Сделайте вывод о влиянии коэффициента загрузки на величину вторичного напряжения. Приведите значение изменения вторичного напряжения при нагрузке при ее изменении от 0 до номинальной.

Сделайте вывод о влиянии коэффициента загрузки на величину КПД трансформатора. Отметьте значение коэффициента загрузки, при котором КПД достигает максимальной величины. Сформулируйте условие, при котором КПД трансформатора достигает максимума.

Сделайте вывод о влиянии коэффициента загрузки на величины мощности Р2 и коэффициента мощности Cosц.

4.6 Контрольные вопросы

Какой закон физики положен в основу принципа действия трансформатора?

От каких величин зависят ЭДС первичной и вторичной обмоток трансформатора?

С какой целью проводятся опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора?

Как проводится опыт холостого хода?

Как проводится опыт короткого замыкания?

Что такое коэффициент трансформации?

Как определить коэффициент трансформации экспериментально?

Как определить потери мощности в сердечнике экспериментально?

Как определить потери мощности в обмотках трансформатора при номинальной нагрузке?

При каком условии КПД трансформатора достигает максимального значения?

Что показывает коэффициент трансформации?

Для чего предназначен сердечник трансформатора?

Как осуществляется передача энергии из первичной обмотки во вторичную?

Как изменятся потери в сердечнике при увеличении нагрузки?

С какой целью сердечник трансформатора выполняется из отдельных, изолированных листов стали?

Как вычислить потери мощности в обмотках трансформатора по паспорт- ным данным?

Что означает термин: «Ток холостого хода 5%»?

Как влияет коэффициент загрузки на КПД?

Как изменится вторичное напряжение трансформатора при уменьшении сопротивления индуктивного приемника?

Как изменится магнитный поток в сердечнике при увеличении нагрузки?

Запишите уравнение трансформаторной ЭДС.

Как вычислить изменение напряжения трансформатора при нагрузке?

Что такое полная мощность трансформатора?

Что такое номинальное напряжение трансформатора?

Как изменится вторичное напряжение при уменьшении числа витков первичной обмотки?

Лабораторная работа 5. Испытание асинхронного короткозамкнутого двигателя

5.1 Цель работы

Изучить устройство и принцип работы трехфазного асинхронного двигателя.

Снять и построить механическую и рабочие характеристики.

Ознакомиться с особенностями пуска и реверсирования, а также с работой двигателя при обрыве фазы.

5.2. Теоретическое введение.

Асинхронным двигателем называется двигатель переменного тока, у которого частота вращения ротора меньше частоты вращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки на валу.

Благодаря простоте конструкции, удобству эксплуатации и надежности асинхронный двигатель стал самым распространенным двигателем в промышленности.

Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей:

а) неподвижного статора;

б) вращающегося ротора.

Сердечники статора и ротора, разделенные небольшим воздушным зазором (0,3-1,0 мм), составляют магнитную цепь машины. Для уменьшения потерь на вихревые токи они набираются из штампованных листов (рис. 1) электротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака или окалины.

В пазы, расположенные на внутренней поверхности статора, укладывается трехфазная обмотка из изолированного медного провода. Каждая фаза обмотки занимает 1/3 пазов статора. Таким образом все три фазы А, В, С обмотки статора смещены в пространстве под углом 120 одна относительно другой (рис. 5.2). Обмотка соединяется по схеме “звезда” или “треугольник”.

При питании такой системы обмоток трехфазным переменным током в статоре создается вращающееся магнитное поле.

По устройству обмотки ротора асинхронные двигатели делятся на два типа:

а) двигатели с короткозамкнутым ротором;

б) двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами).

Рис. 5.1. Разрез сердечников статора и ротора:

Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется из медных или алюминиевых стержней, запрессованных в пазы ротора. По торцам стержни привариваются к кольцам из того же материала. В целом обмотка образует проводящую металлическую клетку, напоминающую “беличье колесо” (рис. 5.3).

В настоящее время у всех двигателей мощностью до 100 кВт “беличье колесо” делается из алюминия путем заливки под давлением в пазы ротора.

Одновременно со стержнями ротора отливаются боковые кольца и крыльчатка вентилятора.

Обмотка фазного ротора выполняется по типу трехфазной обмотки статора из изолированного медного провода и соединяется в “звезду”.

Три свободных конца обмотки подключаются к трем латунным контактным кольцам, насаженным на вал двигателя. С помощью неподвижных щеток, наложенных на контактные кольца, в цепь ротора можно включить пусковой или регулировочный резистор.

Рис. 5.2. Расположение фаз обмоток в сердечнике статора

Принцип работы асинхронного двигателя не зависит от конструктивных особенностей ротора.

При включении статорной обмотки в трехфазную сеть создается вращающееся магнитное поле с неизменной амплитудой Фm.

Частота вращения поля (синхронная скорость) n1 определяется частотой тока сети f1 и числом пар полюсов р обмотки статора:

n1=60f1/p

При стандартной частоте f1 = 50 Гц синхронная частота n1 может принимать следующие значения:

3000 об/мин (если р = 1);

1500 об/мин (если р = 2);

1000 об/мин (если р = 3) и т.д.

Вращающееся магнитное поле индуцирует в обмотке ротора ЭДС Е2:

E2=4,44w2k2f2Фm

где w2 - число витков фазы роторной обмотки;

k2 - обмоточный коэффициент, учитывающий распределение обмотки по окружности ротора (обычно k2 = 0,92-0,95);

f2 - частота ЭДС ротора;

Фm - магнитный поток на полюс.

Поскольку обмотка ротора замкнута, по ней течет ток I2. Согласно закону Ампера, ток ротора будет взаимодействовать с вращающимся магнитным полем статора. Возникает вращающийся момент, под действием которого ротор начнет вращаться в сторону вращения магнитного поля. Частота вращения ротора n2 всегда несколько меньше частоты вращения поля статора n1:

s= .

Отношение разности между частотой вращения поля статора n1 и частотой вращения ротора n2 к частоте вращения поля статора n1 называется скольжениемю

Номинальное скольжение sн, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, составляет 0,020,08.

Момент, развиваемый двигателем, определяется следующим выражением:

M=CФmI2Cosш2,

где С - постоянный коэффициент, зависящий от конструкции двигателя; ш2 - угол сдвига между ЭДС Е2 и током ротора i2.

Магнитный поток Фm пропорционален напряжению сети U1 и при различных режимах работы двигателя практические не изменяется. Следовательно, величина момента определяется только активной составляющей тока ротора:

I2a=I2Cosш2.

Ток ротора I2 и Cosш2 зависят от скольжения двигателя:

I2=

Cosш2=

где R2 - активное сопротивление фазы ротора;

X2s- индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора двигателя, работающего со скольжением s.

С увеличением скольжения s от 0 (идеальный холостой ход) до 1 (пусковой режим) ток ротора увеличивается, а Cosш2 уменьшается, поэтому зависимость момента от скольжения имеет сложную форму. Эта зависимость M=f(s) называется механической характеристикой (рис. 5. 4).

На практике чаще используют другой вид механической характеристики (рис. 5.5): зависимость частоты вращения двигателя от момента на валу n2 = f(M). Пересчет механической характеристики из одного вида в другой производится на основании выражения n2 = n1 (1 - s).

Участок “ав” (рис. 5.5) определяет зону устойчивой работы двигателя. На любой точке этого участка двигатель может работать с установившейся скоростью.

На неустойчивой части “вг” механической характеристики может происходить только разгон двигателя. Отношение максимального момента к номинальному называется перегрузочной способностью двигателя m :

лm= .

Обычно m = 1,8-2,8.

Эксплуатационные свой-ства асинхронного двигателя определяются его рабочими характеристиками. Рабочими характеристиками называют зависимости частоты вращения ротора n2, тока статора I1, момента М, потребляемой мощности Р1, коэффициента полезного действия , коэффициента мощности Cosц и скольжения s от полезной мощности Р2 на валу двигателя (рис. 5.6).

Пуск двигателя. Наиболее простым и распространенным способом пуска асинхронных двигателей является прямое включение в сеть. Однако такое включение сопровождается значительным броском тока, превышающим в 4-7 раз номинальный ток двигателя. Толчок тока обусловлен тем, что при пуске неподвижные проводники роторной обмотки пересекаются вращающимся магнитным полем с максимальной скоростью и ЭДС ротора будет наибольшей.

Рис. 5.6. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Реверсирование двигателя. Изменение направления вращения ротора (реверс) асинхронного двигателя осуществляется сменой порядка следования фаз. Для этого необходимо поменять местами два любых провода на зажимах статорной обмотки.

Маркировка двигателя содержит 10 символов, значение которых представлено на схеме:

Достоинства асинхронных короткозамкнутых двигателей:

исключительная простота устройства и, как следствие этого, низкая стоимость;

простота и удобство эксплуатации, обусловленные отсутствием трущихся токоведущих частей;

жесткость рабочего участка механической характеристики;

простота пуска двигателей небольшой мощности.

Недостатки:

-сложность и неэкономичность регулирования частоты вращения;

-малый пусковой момент;

-чувствительность к колебаниям напряжения в сети;

-низкий коэффициент мощности, особенно при малых нагрузках двигателя.

5.3 Рабочее задание

1. Паспортные данные двигателя занесите в рабочий журнал.

2. Соберите цепи лабораторной установки, представленной на рис. 5.7.

Обозначения на схеме:

АД-испытуемый асинхронный двигатель;

С1,С2,С3,

С6,С5,С4-выводы обмоток статора;

Г-якорь генератора постоянного тока, служащего нагрузкой двигателя;

ОВГ-обмотка возбуждения генератора;

Rн-нагрузочные резисторы генератора;

+Ш 0-250 -Ш клеммы подключения обмотки возбуждения генератора;

А,В,С,0-клеммы четырехпроводной питающей сети;

S2-тумблер обрыва фазы двигателя;

3. В таблицу 5.1 занесите технические данные электроизмерительных приборов, форма таблицы приведена на странице 3;

4. Отключите нагрузочные резисторы тумблерами Т1-Т9;

5. Тумблером S1 включите измеритель частоты вращения;

6. Автоматическим выключателем АП подайте напряжение на стенд, при

этом должна загореться сигнальная лампа;

7. Левым магнитным пускателем, кнопки которого расположены над клеммами 0-250, подайте напряжение на обмотку возбуждения генератора,

при этом должна загореться сигнальная лампа;

8. Регулятором напряжения ЛАТР установите ток возбуждения генератора, указанный на панели стенда (0,3 А или 0,18 А);

9. Правым магнитным пускателем запустите двигатель, при этом должна загореться сигнальная лампа;

10. Показания приборов занесите в таблицу 5.2;

11. Дальнейшее снятие рабочих характеристик производится путем включения резисторов Rн в цепь генератора Г. Постепенно увеличивая нагрузку двигателя тумблерами Т1-Т9, заносите показания приборов в таблицу 5.2;

12. Отключите тумблеры Т1-Т9. Автоматическим выключателем АП отключите двигатель от сети, при этом должны погаснуть сигнальные лампы. Во время остановки двигателя отметьте его направление вращения;

13. Поменяйте местами два любых провода, соединяющих клеммы трехфазной сети А,В,С со статорной обмоткой двигателя;

14. Запустите и остановите двигатель, во время остановки отметьте направление его вращения. Наблюдаемые изменения занесите в рабочий журнал;

15. Автоматическим выключателем АП отключите двигатель от сети;

16. Подключите линейный провод С к статорной обмотке двигателя через тумблер S2;

ПУНКТЫ 17-20 ПРОВОДЯТСЯ ПОД НАБЛЮДЕНИЕМ ПРЕПОДАВАТЕЛЯ

17. Включите тумблер S2 и запустите двигатель, зафиксируйте частоту вращения ротора и ток статора;

18. При работающем двигателе выключите тумблер S2,наблюдаемые изменения тока статора и частоты вращения ротора занесите в рабочий журнал;

19. Правым магнитным пускателем отключите двигатель от сети и дождитесь полной его остановки;

20. Выключите тумблер S2, на 10-15 секунд правым магнитным пускателем подключите двигатель к трехфазной сети. Наблюдения занесите в рабочий журнал;

21. Автоматическим выключателем АП отключите двигатель от сети;

5.4 Обработка результатов измерений и расчетные формулы

Потребляемая активная мощность двигателя:

P1=3W

где W - показание ваттметра, Вт:

Момент М на валу асинхронного двигателя определяется косвенным путем в зависимости от тока нагрузочного генератора IГ по градуировочной кривой M = F(IГ) (рис.5.8).

Мощность на валу Р2, Вт:

P2= .

КПД двигателя, %:

з=100

Коэффициент мощности:

Cosц=

Скольжение s определяется по формуле (5.3).

По данным таблицы 5.2 постройте рабочие характеристики (рис. 5.6).

Используя паспортные данные двигателя, рассчитайте и постройте механическую характеристику n2 = f(M).

Вращающий момент M:

M = .

Критическое скольжение sкр:

sкр=sн(лm+).

Номинальное скольжение:

Mн=9550.

где Рн, кВт, и nн , об/мин, указаны в паспорте двигателя.

Максимальный момент Мmax:

Задаваясь различными значениями скольжения s от 0 до 1, вычислите 8-10 точек механической характеристики.

Частоту вращения определите по выражению:

n2 = n1(1 - s).

Лабораторная работа 6. Исследование полупроводниковых выпрямителей

6.1 Цель работы

Изучить свойства маломощных полупроводниковых выпрямителей при однополупериодном и двухполупериодном выпрямлении, путем снятия осциллограмм выпрямленного напряжения и измерения среднего и амплитудного значений выпрямленного напряжения.

Изучить свойства C- и LC-фильтров при работе в схемах однофазного однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей путем снятия осциллограмм выпрямленного напряжения и измерения среднего и амплитудного значений напряжения.

6.2 Теоретическое введение

Если в кристалле полупроводника существуют области с различным типом проводимости, то граница между этими областями называется электронно-дырочным или p-n переходом.

При отсутствии внешнего напряжения основные носители заряда (электроны в n-области и дырки в p-области) диффундируют из области с одним типом проводимости в другую. Электроны, попадая в область с проводимостью типа p, становятся там неосновными носителями и рекомбинируют с дырками. Аналогично ведут себя дырки, попадая в область с проводимостью типа n. При уходе основных носителей в полупроводнике остаются нескомпенсированные ионы - положительно заряженные в полупроводнике типа n и отрицательно заряженные в полупроводнике типа p, которые лишены подвижности. Неподвижные разноименные заряды по обе стороны границы раздела создают электрическое поле, его называют диффузионным. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей, поэтому его называют потенциальным барьером. Обеднение области p-n перехода основными носителями зарядов приводит к возрастанию сопротивления этой области, поэтому p-n переход называется еще запирающим слоем (рис. 6.1б).

Если к p-n переходу подключить источник энергии положительным полюсом к p области (такое включение называется прямым), то электрическое поле, создаваемое этим источником внутри полупроводника, будет противоположно по направлению диффузионному, в результате чего бльшее количество основных носителей, чем при равновесном состоянии, перейдут через границу раздела. Так как скорость рекомбинации электронов и дырок конечна, основные носители, перешедшие через границу раздела будут уменьшать толщину запирающего слоя (рис. 6.1в), и его сопротивление, в результате чего через p-n переход потечет ток, величина которого будет быстро увеличиваться при возрастании приложенного напряжения.

Если источник энергии подключить положительным полюсом к n области (такое подключение называется обратным), то высота потенциального барьера увеличится, т.к. направление поля, создаваемого источником, будет совпадать с направлением диффузионного поля. Основные носители будут уходить от границы слоев (рис. 6.1г), а сопротивление запирающего слоя расти. В этих условиях ток через контакт определяется только движением по направлению к контакту неосновных носителей, для которых поля источника энергии и диффузионное являются ускоряющими. Однако концентрация неосновных носителей обычно много меньше концентрации основных, поэтому ток в обратном направлении на много порядков меньше тока в прямом направлении, несмотря на то, что обратное напряжение может достигать нескольких сотен вольт. Следовательно, можно считать, что электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью электрического тока.

Чрезмерное увеличение обратного напряжения приводит к пробою p-n перехода. Сущность пробоя заключается в том, что неосновные носители, двигаясь в сильном электрическом поле, могут приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника, в результате которой происходит умножение носителей в переходе и резкое увеличение обратного тока; p-n переход теряет при этом свойство односторонней проводимости.

Существование в определенном диапазоне напряжений свойства односторонней проводимости позволяет рассматривать p-n переход как нелинейный элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. При увеличении прямого напряжения сопротивление p-n перехода уменьшается, при изменении полярности приложенного напряжения сопротивление p-n перехода резко возрастает. Нелинейные свойства p-n переходов лежат в основе работы полупроводниковых диодов или вентилей, которые используются в устройствах преобразования переменного тока в постоянный, называемых выпрямителями.

Основными электрическими параметрами вентилей, характеризующими их качество и возможность работы в том или ином устройстве, являются:

-максимальный выпрямленный ток Im выпр.;

-максимальное допустимое обратное напряжение Um обр. доп.;

-амплитуда обратного тока при максимальном допустимом напряжении

Im обр.;

-прямое падение напряжения при максимальной величине выпрямленного тока Uпр.

Диоды высокого качества должны пропускать большой выпрямленный ток при малом падении напряжения в прямом направлении и малый обратный ток при высоком обратном напряжении.

Вывод вентиля, присоединенный к слою полупроводника с проводимостью типа p, маркируется знаком + и называется анодным. Вывод вентиля, присоединенный к слою полупроводника с проводимостью типа n, называется катодным.

Выпрямитель состоит: из силового трансформатора, который трансформирует напряжение сети до величины, необходимой для получения заданного напряжения постоянного тока на выходе выпрямителя; системы вентилей, преобразующих переменный ток в постоянный; сглаживающего фильтра, который уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя; стабилизатора, который поддерживает неизменным напряжение на нагрузке при изменениях напряжения сети или сопротивления нагрузки. В зависимости от требований, предъявляемых к выпрямителю условиями работы нагрузки, сглаживающий фильтр и стабилизатор могут отсутствовать.

Простейшим однофазным выпрямителем является однополупериодный, схема которого представлена на рис. 6.3. Если вентиль идеальный (его сопротивление в прямом направлении Rпр=0, а в обратном Rобр=?), то при синусоидально изменяющемся вторичном напряжении трансформатора u2, ток в резисторе Rн появится только в те полупериоды напряжения u2, когда потенциал точки 1 будет положителен относительно точки 2, т.к. при таком напряжении вентиль открыт (рис. 6.3). Когда потенциал точки 1 относительно точки 2 отрицательный, вентиль закрыт и ток в цепи вторичной обмотки трансформатора и в цепи нагрузки равен нулю. Таким образом, ток в резисторе пульсирует и появляется только в один из полупериодов напряжения u2.

Т.к. сопротивление вентиля в прямом направлении Rпр=0, в положительный полупериод напряжения падение напряжения на вентиле uпр.=iн•Rпр.=0 и как следует из второго закона Кирхгофа для контура вторичной обмотки u2 = uн. В отрицательный полупериод напряжения u2, ток нагрузки iн=0 (рис. 6.4) и, как вытекает из второго закона Кирхгофа для контура вторичной обмотки трансформатора, uобр.=u2, а максимальное значение обратного напряжения Um.обр.=U2m. Выпрямители характеризуются средними выпрямленными значениями напряжений и токов, т.е. средними арифметическими значениями из всех их мгновенных значений за период:

...