Электротехника Лабораторная работа

Голые звезды без трусов 24-info.info.
Физика
Оптоэлектроника
Полупроводниковый лазер
Волоконно-оптический световод
Электронно-дырочный переход
Изучение законов внешнего фотоэффекта
Электротехника
Общая электротехника
Лабораторные работы
Расчет выпрямителей
Однофазный переменный ток
Трехфазные цепи
Машины постоянного и переменного тока
Трансформаторы и выпрямители
Электроника
Теория электросвязи
Графика
Начертательная геометрия
Машиностроительное черчение
Расчетно-графическая работа по черчению
Системы автоматизированного
проектирования (САПР)
История искусства
Живопись
Фотография
Скульптура и архитектура
Энергетика
Экология
Мировые тенденции в сфере энергетике
Нетрадиционные виды энергетики
Солнечная коллектор
Обзор зарубежного опыта строительства
АЭС
Реакторная установка БН-600
Экологические проблемы гидроэнергетики
Экологические преимущества атомной
энергетики
Воздействие радиации на ткани живого
организма
Пути воздействия радиоактивных отходов
АЭС на человека
Альтернативные технологии
Альтернативой ядерной энергетики
Наиболее мощной в мире АЭС является
Kashiwazaki Kariva (Япония)
Термоядерная энергия
Конструкция реакторной установки
БРЕСТ-1200
Химические аккумуляторы
Реакторы на быстрых нейтронах
Нанопористые материалы
Космические материалы атомной отрасли
Машиностроение для энергетики
Радиологические лечебные технологии
Создание отраслевой электронной библиотеки
Подготовка руководителей и специалистов
Аппаратура систем контроля и управления
Неразрушающий контроль
Математика

Курс лекций по математике

Метод Гаусса решения систем
линейных уравнений

Элементы теории матриц

Приведем примеры перемножения
матриц
Определители
Вычисление обратной матрицы
Дифференциальное и интегральное
исчисление
Производная
Дифференциал функции
Неопределенный интеграл
Формула интегрирования по частям
Определенный интеграл
Производная по направлению
Экстремум функции двух переменных
Дифференциальные уравнения
первого порядка
Решить уравнение

Исследование трансформаторов

1 Назначение и принцип действия трансформаторов.

2 Однофазные двухобмоточные трансформаторы.

 3 Трехфазные трансформаторы.

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока

На рисунке 1.1, а) изображена электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора, а на рисунке 1.1, б) – его условное графическое обозначение.

Трансформатор состоит из двух обмоток, первичной 1 и вторичной 2, размещенных на замкнутом ферромагнитном магнитопроводе 3, который для уменьшения потерь от вихревых токов набран из листов электротехнической стали толщиной (0,350,5) мм, легированной кремнием. Магнитопровод служит для усиления магнитной связи между обмотками трансформатора, т. е. для уменьшения магнитного сопротивления контура, через который проходит магнитный поток трансформатора.

Обмотка трансформатора 1 (рисунок 1.1, а), к которой подводится электрическая энергия от источника питания, называется первичной. Обмотка 3, от которой отводится энергия к приемнику (нагрузке), называется вторичной. Величины (напряжение, ЭДС, ток, число витков и т. д.), относящиеся к первичной обмотке, называются первичными, и их буквенные обозначения снабжаются индексом 1 (например ), а величины, относящиеся к вторичной обмотке, называются вторичными и имеют индекс 2 ( и т. д.).

Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере однофазного двухобмоточного трансформатора, так как рабочие процессы, протекающие в нем, характерны и для других типов трансформаторов. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику переменного напряжения , то в ней возникнет ток , который возбуждает в ферромагнитном магнитопроводе переменный магнитный поток . Магнитный поток, замыкающийся по магнитопроводу, пересекает первичную и вторичную обмотки и индуцирует в них ЭДС  и  соответственно.

 


  а) б)

Рисунок 1.1 – Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора (а) и его условное графическое обозначение (б)

При подключении к зажимам вторичной обмотки нагрузки с сопротивлением   под воздействием ЭДС  через нее будет протекать переменный ток , и энергия из цепи первичной обмотки будет передаваться в цепь вторичной обмотки за счет переменного магнитного потока . Вторичный ток  образует в сердечнике трансформатора свой собственный магнитный поток , который накладывается на поток первичной обмотки. В результате в магнитопроводе создается общий магнитный поток , который сцепляется с витками обеих обмоток. Этот поток называют основным или рабочим потоком трансформатора. Наряду с основным магнитным потоком в трансформаторе существуют переменные магнитные потоки рассеяния  и , создаваемые токами его обмоток и замыкающиеся вокруг витков первичной и вторичной обмоток в основном через воздух. Значения этих потоков прямо пропорциональны токам обмоток. Переменные ЭДС   и  пропорциональны количеству витков  и  первичной и вторичной обмоток, а также скорости изменения потока  (закон Максвелла):

 (1.1)

где  и  – число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Так как ЭДС  и  наводятся одним и тем же магнитным потоком, то при синусоидальном напряжении  действующие значения этих ЭДС запишется:

 (1.2)

где – частота переменного тока; – амплитудное значение магнитного потока трансформатора.

Из (1.1) и (1.2) можно получить выражение для коэффициента трансформации трансформатора:

 (1.3) 

Таким образом, коэффициент трансформации трансформатора есть отношение ЭДС его обмоток или отношение чисел витков этих обмоток. В паспорте трансформатора обычно указывают отношение номинальных напряжений в режиме холостого хода , которое практически равно отношению ЭДС, так как при разомкнутой вторичной обмотке напряжение, приложенное к первичной обмотке, почти целиком уравновешивается ее ЭДС (), а вторичное напряжение равно вторичной ЭДС (). Поэтому выражение для коэффициента трансформации можно переписать в виде:

 (1.4)

Следовательно, коэффициент трансформации равен отношению напряжений на обмотках при холостом ходе трансформатора.

При работе трансформатора, в первичной обмотке электрическая энергия, потребляемая из сети, преобразуется в энергию магнитного поля, а во вторичной обмотке, наоборот, энергия магнитного поля преобразуется в электрическую, отдаваемую затем (в основном) потребителю (нагрузке). Небольшая часть мощности теряется в самом трансформаторе. При номинальном режиме мощность потерь в обмотках и магнитопроводе трансформатора невелика, поэтому трансформаторы обычно имеют высокий КПД, достигающий (98—99) %.

Таким образом, в трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же (из-за малых потерь на нагревание обмоток и магнитопровода трансформатора) практически остается постоянной, т. е. можно считать, что  Следовательно,

 (1.5) 

Итак, токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям.

Ток первичной обмотки трансформатора при отключенном потребителе электроэнергии является током холостого хода. Значение напряжения, подводимого к трансформатору в режиме холостого хода, в соответствии со вторым правилом Кирхгофа для первичной обмотки, может быть представлено как сумма 

,

где – активное сопротивление первичной обмотки;  – индуктивное сопротивление первичной обмотки, обусловленное потоками рассеяния.

На рисунке 1.2 построена векторная диаграмма трансформатора для режима холостого хода.

 


Рисунок 1.2 – Векторная диаграмма трансформатора для режима холостого хода

Опыт холостого хода трансформатора проводится с целью определения коэффициента трансформации k, магнитного потока , а также потерь мощности  в сердечнике магнитопровода при номинальном режиме.

Для этого к первичной обмотке трансформатора подводится напряжение, равное номинальному . Вторичная обмотка трансформатора при этом разомкнута, так как в цепи её отсутствует нагрузка. Ток во вторичной обмотке оказывается равным нулю, в то время как в цепи первичной обмотке трансформатора будет ток холостого хода . С увеличением номинальной мощности трансформатора относительное значение тока холостого хода снижается.

Воспользовавшись вторым правилом Кирхгофа для первичной и вторичной цепи трансформатора в режиме холостого хода, можно получить уравнения электрического состояния

Определим коэффициент трансформации по показаниям приборов при опыте холостого хода как отношение первичного напряжения к вторичному напряжению:


Полученное выражение позволяет вычислить магнитный поток , а также магнитную индукцию , если известно сечение сердечника магнитопровода , так как .

Активная мощность, потребляемая трансформатором в режиме холостого хода , затрачивается на потери мощности в магнитопроводе и электрические потери мощности в первичной обмотке: .

Так как активное сопротивление первичной обмотки, также как и ток холостого хода трансформатора , обычно незначительно, электрические потери в этой обмотке оказываются небольшими и ими можно пренебречь. В результате этого можно принять, что мощность, потребляемая трансформатором в опыте холостого хода и измеряемая ваттметром, расходуется на потери в магнитопроводе, обусловленные гистерезисом и вихревыми токами .

При нагрузке трансформатора к вторичной его обмотке подключается потребитель электроэнергии. Ток во вторичной обмотке нагруженного трансформатора согласно закону Ома определяется выражением:

,

где  – полное сопротивление потребителя.

В соответствии со вторым правилом Кирхгофа уравнения для первичной и вторичной обмоток нагруженного трансформатора запишутся:

где – ток первичной обмотки нагруженного трансформатора; – ток вторичной обмотки нагруженного трансформатора; – активное сопротивление первичной и вторичной обмоток соответственно; – индуктивное сопротивление первичной и вторичной обмоток соответственно, обусловленное потоками рассеяния.

Так как падение напряжения на первичной обмотке трансформатора  в пределах номинального тока нагрузки обычно мало по сравнению с ЭДС , то можно приближенно считать, что напряжение  Из этого следует, что при неизменном напряжении питающей сети  при нагрузке трансформатора ЭДС   можно считать постоянной. Так как ЭДС наводится результирующим магнитным потоком, то, следовательно, этот поток должен также оставаться практически постоянным в пределах от холостого хода до номинальной нагрузки трансформатора, т. е. .

Исследование работы трансформатора при нагрузке удобно производить на основе векторных диаграмм, построенных для приведенного трансформатора, заменяющего реальный трансформатор, у которого параметры вторичной обмотки приведены к напряжению и числу витков первичной обмотки. Поэтому приведенный трансформатор должен иметь коэффициент трансформации, равный единице.

В процессе определения параметров вторичной обмотки приведенного трансформатора все параметры первичной обмотки остаются неизменными. При замене реального трансформатора на приведенный активные, реактивные и полные мощности, а также коэффициент мощности вторичной обмотки трансформатора должны оставаться постоянными.

Значение вторичной приведенной ЭДС  можно найти из выражения для коэффициента трансформации . Аналогично можно записать выражение и для вторичного приведенного напряжения трансформатора .

Значение приведенного вторичного тока  можно получить из соотношения, записанного из условия сохранения постоянства мощности вторичной обмотки трансформатора:

.

С учетом этого, а также того, что , получим выражение для приведенного вторичного тока .

Приведенное активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора  можно определить исходя из условия постоянства электрических потерь во вторичной обмотке трансформатора в процессе приведения параметров . С учетом выражения для тока   получим выражение для приведенного активного сопротивления вторичной обмотки  

Аналогично можно получить выражения для приведенного реактивного индуктивного и приведенного полного сопротивлений вторичной обмотки трансформатора:

При этом, так же как и для катушки индуктивности с магнитопроводом, ЭДС , равную , можно заменить векторной суммой активного и реактивного индуктивного падений напряжения в соответствии с уравнением:

,

где  – индуктивное сопротивление, обусловленное основным потоком трансформатора;  – активное сопротивление, обусловленное магнитными потерями мощности в магнитопроводе трансформатора, т. е. некоторое условное активное сопротивление, в котором выделяется мощность , равная магнитным потерям мощности в магнитопроводе.

С учетом полученных уравнений для  и , используя приведенные параметры вторичной обмотки трансформатора, запишем уравнение электрического состояния для вторичной обмотки . Принимая во внимание, что , составим схему замещения трансформатора (рисунок 1.3, а) и для нее построим векторную диаграмму (рисунок 1.3, б).

Опыт короткого замыкания трансформатора проводится в процессе исследований трансформатора для определения электрических потерь мощности в проводах обмоток и параметров упрощенной схемы замещения трансформатора. Этот опыт проводится при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора. При этом напряжение на вторичной обмотке равно нулю.

 


 

 а) б)

Рисунок 1.3 – Схема замещения трансформатора (а) и ее векторная диаграмма (б)

Замыкание вторичной обмотки трансформатора накоротко в процессе эксплуатации приводит к тому, что при номинальном напряжении, подводимом к первичной обмотке, в обмотках трансформатора возникают весьма значительные токи, которые могут вывести трансформатор из строя.

Трехфазные трансформаторы. Наиболее часто применяемая конструкция магнитной цепи трехфазного трансформатора состоит из трех стержней, объединенных сверху и снизу прямыми ярмами, по которым замыкаются магнитные потоки

Лабораторная работа 1

Цель работы: изучить устройство, принцип работы, назначение однофазного и трехфазного трансформаторов; установить зависимость между напряжениями и токами в первичной и вторичной обмотках трансформатора; определить коэффициент трансформации однофазного трансформатора; ознакомиться с возможностью расширения пределов измерения электроизмерительных приборов с помощью трансформаторов; освоить методику построения векторных диаграмм и определения групп соединения трехфазных трансформаторов.

Исследование магнитных цепей

Для различных материалов петля гистерезиса имеет различную форму.

Рассмотрим катушку индуктивности с магнитопроводом

Катушки индуктивности с магнитопроводом, имеющим регулируемый воздушный зазор (дроссели), используются в качестве регулируемых сопротивлений в цепях переменного тока. Это связано с тем, что при увеличении воздушного зазора при неизменном действующем напряжении магнитное сопротивление магнитопровода и ток дросселя возрастают за счет уменьшения полного сопротивления катушки вследствие уменьшения её реактивного сопротивления в результате уменьшения индуктивности. Изменяя величину воздушного зазора в магнитопроводе, можно регулировать ток катушки индуктивности при включении её в цепь переменного тока при неизменном подводимом напряжении. 

Лабораторная работа 2 Цель работы: изучить основные свойства электротехнических материалов (ферритов); изучить физические процессы, возникающие в цепях переменного тока, содержащих катушку с ферромагнитным сердечником и методику измерения основных параметров дроссельных катушек.

Исследование выпрямителей

Лабораторная работа 3 Цель работы: изучить различные схемы, принцип работы и основные характеристики выпрямителей; изучить схемы сглаживающих фильтров и их влияние на снижение пульсаций выпрямленного напряжения.

Исследование  электрических реле

Лабораторная работа 4 Цель работы: изучить устройство, назначение электрических реле; ознакомиться с принципами работы фотореле, электронного реле, теплового реле.

Универсальный лабораторный стенд предназначен для выполнения лабораторных работ по курсам «Электротехника», «Основы электротехники». В состав лабораторного стенда входит блок питания, генератор трехфазного напряжения, набор элементов. Для выполнения лабораторных работ используются цифровые мультиметры типа DT-58, осциллограф универсальный типа С1-101.

Методические указания по выполнению контрольной работы

Указания к решению задач 2, 3 и 4. mЭти задачи относятся к неразветвлённым и разветвленным цепям и перемоткам, трёхфазным цепям переменного тока. Перед их решениям необходимо изучить соответствующие разделы. Ознакомитесь с методикой построения векторных диаграмм.

Пример 2. Катушка с активным сопротивлением R1 = 4 Ом и индуктивным  Ом соединена параллельно с конденсатором, ёмкостное сопротивление которого  Ом и активным сопротивлением R2 =6 Ом. К цепи приложено напряжение U=60 В. Определить: 1.Токи в ветвях и в неразветвленной части цепи; 2. Активные и реактивные мощности каждой ветви и всей цепи. 3.Полную мощность цепи; 4. Углы сдвига фаз между током и напряжением в каждой ветви и во всей цепи. Начертить в масштабе векторную диаграмму.

Пример 3. В трёхфазную четырехпроводную сеть включили звездой несимметричную нагрузку: в фазу А - активное сопротивление RA =11 Ом, в фазу В - емкостное сопротивление XB=10 Ом, в фазу С - активное сопротивление RС=8 Ом и индуктивное XС=6 Ом. Линейное напряжение сети UН=380 В.

 Однофазный понижающий трансформатор номинальной мощностью Sном = 500 ВА служит для питания ламп местного освещения металлорежущих станков. Номинальные напряжения обмоток  Uном 1 = 380 В; Uном 2 = 24 В. К трансформатору присоединены десять ламп накаливания мощностью 40 Вт каждая, их коэффициент мощности cosφ2 = 1,0. Магнитный поток в магнитопроводе Фm = 0,005 Вб. Частота тока в сети ƒ = 50 Гц. Потерями в трансформаторе пренебречь. Определить: 1) номинальные токи в обмотках; 2) коэффициент нагрузки трансформатора; 3) токи в обмотках при действительной нагрузке; 4) числа витков обмоток; 5) коэффициент трансформации.

 Задача №7 относится к расчету выпрямителей переменного тока, собранных на полупроводниковых диодах. Подобные схемы широко применяются в различных электронных устройствах и приборах. При решении задач следует помнить, что основными параметрами полупроводниковых диодов являются допустимый ток Iдоп, на который рассчитан данный диод, и обратное напряжение Uобр, выдерживаемое диодом без пробоя в непроводящий период.

ТРАНСФОРМАТОРЫ Трансформатором называется статическое устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.

УСТРОЙСТВО ТРАНСФОРМАТОРОВ

КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ ТРАНСФОРМАТОРА Режимом короткого замыкания трансформатора называется такой режим, когда выводы вторичной обмотки замкнуты токопроводом с сопротивлением, равным нулю (Zн = 0). Короткое замыкание трансформатора в условиях эксплуатации создает аварийный режим, так как вторичный ток, а следовательно, и первичный увеличиваются в несколько десятков раз по сравнению с номинальным. Поэтому в цепях с трансформаторами предусматривают защиту, которая при коротком замыкании автоматически отключает трансформатор.

Цепи постоянного тока

Эквивалентные преобразования схем. Во всех случаях преобразования замена одних схем другими, им эквивалентными, не должна привести к изменению токов или напряжений на участках цепи, не подвергшихся преобразованию.

Примеры решения задач

Три резистора с сопротивлением R=10 Ом соединены последовательно. Определить эквивалентное сопротивление цепи. Как изменится эквивалентное сопротивление цепи, если эти резисторы соединить параллельно

По законам Кирхгофа составить систему уравнений для определения токов. Решение Выберем условно положительное направление токов в ветвях.

ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Синусоидальные токи, напряжения и ЭДС.

Временная диаграмма напряжения на зажимах резистора с сопротивлением R=2 Ом. Определить значение тока в моменты t1=0,25 c, t2=0,5 c, t3=1 c. Составить уравнение мощности в промежутках времени (0–0,5) с и (0,5–1) с, построить временную диаграмму мощности. Найти количество тепла, выделяемого в резисторе в течение одной секунды

Задача 2 Цепь питается от источника ЭДС  В и источника тока  А [9]. Найти токи , , , если  Ом.

Приборы, подключенные к пассивному двухполюснику, при разомкнутом контакте S показали напряжение  В, ток  А, мощность  Вт. Для определения характера реактивного сопротивления двухполюсника параллельно ему был подключен конденсатор (контакт S замкнут), емкостное сопротивление которого  Ом. При этом приборы показали напряжение  В, ток  А, мощность   Вт. Определить эквивалентные параметры двухполюсника.

Резонансные явления Реактивные сопротивления и проводимости электрических цепей могут быть как положительными, так и отрицательными величинами и, следовательно, могут взаимно компенсироваться. Поэтому возможны случаи, когда, несмотря на наличие в цепи индуктивных катушек и конденсаторов, входное реактивное сопротивление или входная реактивная проводимость всей цепи оказываются равными нулю. При этом ток и напряжение на входе цепи совпадают по фазе, и эквивалентное сопротивление всей цепи будет активным. Такое явление называют резонансным.

Цепь состоит из последовательно соединенных конденсатора без потерь и индуктивной катушки. В резонансном режиме при напряжении источника питания 90 В напряжение на конденсаторе 180 В.

В цепи  мГн,  В,  Ом,  мГн,  мкФ. Определить резонансные частоты, для каждой резонансной частоты токи в ветвях и ток в неразветвленной части цепи. Для каждой резонансной частоты показать в общем виде, что максимальные значения энергии магнитного и электрического полей равны между собой.

Цепи со взаимной индуктивностью Явлением взаимной индукции называется наведение ЭДС в электрической цепи при изменении потокосцепления взаимной индукции, обусловленного током в другой электрической цепи. Цепи, в которых наводятся ЭДС взаимной индукции, называются индуктивно связанными цепями.

ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ

Приемник соединен звездой: , линейное напряжение источника  В. Определить токи, активную, реактивную и полную мощности приемника. Построить векторную диаграмму напряжений и токов.

Определить линейные и фазные токи, построить векторную диаграмму.

Определить показания амперметра в цепи

ЦЕПИ С НЕСИНУСОИДАЛЬНЫМИ ТОКАМИ И НАПРЯЖЕНИЯМИ

Найти разложение напряжения в ряд Фурье

На вход цепи подаётся напряжение  В.

ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ Классический метод решения задач на переходные процессы в разветвленных цепях с постоянными параметрами, в которых осуществляется коммутация (включение, выключение, переключение, изменение параметров цепи и т.п.), сводится к следующему

В схеме найти ток и напряжение на катушке в момент коммутации.

В схеме найти токи , ,  операторным методом.

В цепи ток  мгновенно прерывается выключателем. Определить , если  В,  Ом,  Ом,  Гн.

Определить ток, напряжение на катушке и конденсаторе в идеальном последовательном LC-контуре

На главную