Файл: Т.М. Черникова Однофазные электрические цепи переменного синусоидального тока.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 27.06.2024
Просмотров: 100
Скачиваний: 0
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра общей электротехники
ОДНОФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА
Методические указания к лабораторным работам по курсу «Теоретические основы электротехники» для студентов направления 552900 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств»
Составители Т.М. Черникова
И.И. Романенко
Утверждены на заседании кафедры Протокол № 3 от 6.11.01
Рекомендованы к печати методической комиссией направления 552900
Протокол № 11 от 3.12.01
Электронная копия находится в библиотеке главного корпуса ГУКузГТУ
Кемерово 2001
1
Введение Лабораторные занятия позволяют студентам лучше усвоить теоре-
тический материал курса «Теоретические основы электротехники», дают практические навыки работы с электрическими цепями переменного синусоидального тока: сборки электрических схем, проведения экспериментов, оценки электрического состояния приемников, выполнения измерений основных электрических величин, обработки экспериментальных данных.
На лабораторных занятиях студенты вносят соответствующие коррективы в свои представления о процессах и явлениях, возникающих в электрических цепях переменного синусоидального тока.
Программа лабораторных занятий включает подготовку к работе, ее выполнение на лабораторных стендах, оформление отчета и защиту лабораторной работы.
Подготовка к лабораторному занятию
При самостоятельной подготовке к выполнению лабораторной работы следует:
1)уяснить цель работы;
2)изучить основные теоретические положения, соответствующие лабораторной работе, по учебнику и конспекту лекций;
3)изучить последовательность выполнения лабораторной работы;
4)понимать сущность проводимых замеров и опытов;
5)знать, какие электроизмерительные приборы необходимы для выполнения лабораторной работы;
6)подготовить бланки отчета, содержащие название лабораторной работы, цель работы, электрические схемы и таблицы.
Выполнение лабораторной работы
Каждая работа выполняется бригадой из 2-4 студентов за определенным стендом, который содержит все необходимые электроизмерительные приборы (вольтметры, амперметры и ваттметры), независимые источники регулируемого напряжения (Т3 и Т4), регулируемые реостаты (R1, R2 и R3), конденсаторы (С), катушку с переменной индуктивностью (L).
2
Для подачи напряжения и защиты от перегрузки и токов короткого замыкания применяются автоматические пускатели типа АП-25 с тепловой и максимальной токовой защитой.
Перед сборкой схемы необходимо проверить исходное состояние АП-25 (должен быть выключен), источников напряжения Т3 и Т4 (автотрансформаторы Т3, Т4 должны быть выведены), реостатов (R1, R2, R3 должны быть введены), многопредельных электроизмерительных приборов (вольтметры, амперметры и ваттметры должны быть установлены на соответствующие пределы).
При сборке электрической схемы необходимо использовать проводники соответствующей длины, а их штекеры должны свободно входить в разъемы панели стенда.
Напряжение на стенд подается только после проверки схемы преподавателем. По окончании выполнения опыта или всей лабораторной работы напряжение с помощью автотрансформаторов Т3, Т4 снижается до нуля, стенд отключается и электрическая цепь после проверки данных измерений разбирается.
Оформление отчета о проделанной работе
Отчет о проделанной лабораторной работе составляется каждым студентом и должен содержать:
1)титульный лист с указанием номера и наименования работы, фамилии и инициалов студента, номера его академической группы;
2)описание цели работы;
3)электрические схемы опытов;
4)таблицы с экспериментальными и расчетными данными;
5)графики и векторные диаграммы;
6)основные выводы, полученные в результате исследования.
Порядок проведения защиты
Перед защитой проделанной лабораторной работы студент должен сдать отчет для проверки преподавателю. Защита лабораторной работы производится с помощью вопросно-ответных упражнений с использованием или без использования ТСО. Перечень контрольных вопросов приведен в конце описания каждой лабораторной работы. Он охваты-
3
вает ту часть материала теоретического курса, которая непосредственно относится к данной работе.
Студенты, не подготовившиеся по неуважительным причинам к очередному занятию и не представившие отчета по ранее выполненной работе, к выполнению следующей работы не допускаются.
Основные правила техники безопасности
1.Запрещается при сборке схемы использовать проводники с поврежденной изоляцией.
2.Запрещается оставлять включенный стенд без надзора.
3.Запрещается проводить переключения в электрической цепи под напряжением.
4.Запрещается при включенном пускателе собирать электрическую схему.
5.Запрещается проводить опыты, если наблюдаются отклонения от нормальных явлений (зашкаливание стрелок приборов, отсутствие показаний, искрение и сильный нагрев в контактных соединениях, появление дыма или характерного запаха).
6.Запрещается при включенном напряжении прикасаться к неизолированным токоведущим элементам схемы.
7.Перед включением стенда необходимо предупредить окружающих сигналом «Подаю напряжение».
Лабораторная работа №1
ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ РЕОСТАТА, КАТУШКИ И КОНДЕНСАТОРА
Цель работы
Выработка умения анализировать электрическое состояние цепи переменного синусоидального тока с последовательным соединением приемников различного характера.
Основные теоретические положения Цепи переменного синусоидального тока могут включать в себя
активную нагрузку, например реостаты; индуктивность – катушки, ем-
4
кость – конденсаторы, а также различное сочетание из данных нагрузок, последовательно соединенных, например реальная катушка. Для того чтобы выработать умение анализировать электрическое состояние цепей с последовательным соединением активного сопротивления R, индуктивности L и емкости С, необходимо хорошо представлять особенности состояния отдельных элементов цепи при протекании переменного синусоидального тока.
Электрическое состояние цепи с активным сопротивлением
R
Ur
U
Рис.1.1
по тому же закону:
Активное сопротивление R в цепи переменного тока обозначается прямоугольником (рис.1.1). При протекании через сопротивление R переменного тока, изменяющегося по синусоидальному закону i=Imsin(ωt+ψi), напряжение UR изменяется
UR = iR = ImRsin(ωt+ψi) = Umsin(ωt+ψu), |
(1.1) |
где Um= ImR – амплитудное значение напряжения, ω=2 πƒ – угловая частота.
Начальная фаза напряжения |
|
Ψu = Ψi. |
(1.2) |
Угол сдвига начальных фаз напряжения и тока |
|
φ= uR^i = ψu-ψi = 0. |
(1.3) |
Мощность, потребляемая сопротивлением R, называется активной, так как происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в другие виды: тепловую, световую, механическую и т.п. Значение мощности равно
|
Im |
P = I2R = UI, |
(1.4) |
где I = |
- действующее значение тока. |
|
|
|
2 |
|
|
5
Коэффициент мощности активного сопротивления
cosϕ = |
P |
=1, |
(1.5) |
|
S |
||||
|
|
|
где S=UI – полная мощность.
Векторная диаграмма тока и напряжения для цепи с активным сопротивлением представлена на рис.1.2.
U I
Рис.1.2
Электрическое состояние цепи с индуктивностью Индуктивность L в цепи переменного тока обозначается тремя полу-
|
|
витками (рис.1.3). При подключении |
|
|
индуктивности к источнику переменной |
|
|
ЭДС будет протекать синусоидальный |
U |
|
ток i=Imsin(ωt+ψi). В результате по за- |
eL |
u L кону электромагнитной индукции воз- |
|
|
|
никает ЭДС самоиндукции eL = −L di , |
|
|
dt |
|
Рис.1.3 |
направление которой всегда встречное |
|
|
направлению тока. |
Напряжение на индуктивности |
|
uL = −eL = L di . |
(1.6) |
dt |
|
После дифференцирования (1.6) получим |
|
uL = Umsin(ωt+ψu), |
(1.7) |
где Um = ImLω – амплитудное значение напряжения, XL = Lω = 2πƒL – индуктивное сопротивление.
6 |
|
|
Начальная фаза напряжения |
|
|
ψu =ψi + |
π |
(1.8) |
|
2 |
|
Угол сдвига начальных фаз напряжения и тока
ϕ =ψU −ψi = |
π . |
(1.9) |
|
2 |
|
При протекании тока через индуктивность за время, равное первой четверти периода, возникает магнитное поле, энергия которого зависит
от индуктивности WЭ = L I22 . Энергия WЭ, запасенная в магнитном
поле за вторую четверть периода, возвращается источнику переменной ЭДС, т.е. происходит обратимый процесс обмена энергиями между источником и приемником. В результате возникает индуктивная мощность, которая носит реактивный характер:
QL = I2XL. |
(1.10) |
Коэффициент мощности индуктивности
cosϕ = |
P |
= 0, |
(1.11) |
|
S |
||||
|
|
|
где P=0 – активная мощность,
UL
S=QL – полная мощность.
Векторная диаграмма тока и напряжения для цепи с L представлена
на рис.1.4, где |
U&L |
= U m |
e j90° |
- ком- |
|
|
2 |
|
|
ϕ |
I |
плексное действующее значение на- |
|
пряжения. |
|
|
|
Рис.1.4
|
|
7 |
|
|||
I& |
|
Электрическое состояние цепи с емкостью |
||||
|
Цепь переменного тока с емкостью С представ- |
|||||
|
|
|
||||
|
|
|
лена на рис.1.5. При подключении емкости к источ- |
|||
UC |
|
|
нику переменной ЭДС в цепи протекает синусои- |
|||
|
|
|||||
|
|
|||||
U |
|
дальный ток i=Imsin(ωt+ψi). В результате будет заря- |
||||
|
жаться конденсатор, величина заряда которого |
|||||
Рис.1.5 |
|
|||||
|
|
dq = idt |
или dq = cduc. |
|||
|
|
|
|
|||
Напряжение на емкости |
|
|||||
|
|
|
duc = |
1 |
idt . |
(1.12) |
|
|
|
||||
|
|
|
|
C |
|
|
После интегрирования выражения (1.12) получим
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
C ∫ |
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
duC = |
1 |
|
idt, |
|
|
|
|||
откуда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Im |
|
|
|
||||||
uC = |
1 |
|
idt = |
1 |
|
Im sin(ωt +ψi )dt = |
|
sin(ωt +ψi )dt = |
||||||||||
C ∫ |
C ∫ |
C |
∫ |
|||||||||||||||
|
Im |
|
|
|
Im |
|
|
|
|
π ) = Im X c sin(ωt +ψu ) = |
||||||||
= |
|
[−cos(ωt +ψi )] = |
|
sin(ωt +ψi − |
||||||||||||||
|
|
C2πf |
||||||||||||||||
|
Cω |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|||||
=U m sin(ωt +ψu ), |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.13) |
||||||||
где Um = ImXc – амплитудное значение напряжения на конденсаторе,
ψu =ψi − |
π |
- начальная фаза напряжения. |
|
2 |
|
Если поделим амплитудное значение напряжения на 2 , то получим действующее значение напряжения:
U = IXC, |
(1.14) |