Указания по технике безопасности. Аналогично лабораторной работы 1

Аналогично лабораторной работы 1.

Задания

Описание макетной платы лабораторного стенда.

На плате установлены электронные компоненты и контактные площадки измерительных приборов, но нет заранее собранных электрических схем (рисунок 3.11).

Рисунок 3.11 – Макетная плата «Силовая электроника»

В лабораторной работе будут использоваться только отдельные зоны (рисунок 3.12).

а)	б)	г)
в)

Рисунок 3.12 – Зоны на макетной плате: а) зона трехфазной сети; б) зона амперметров; в) зона вольтметров; г) зона нагрузочных резисторов

Работа с макетной платой лабораторного стенда.

Электрические подключения производятся при помощи соединительных проводов, вставляемых в контактные гнезда на плате согласно схеме, приведенной на лицевой панели каждой лабораторной работы.

Включение и подготовка к работе. Аналогично лабораторной работе 1.

Запуск программы и проведение лабораторных работ. Запуск программы осуществляется двойным щелчком по ярлыку Power Electronics на рабочем столе или через стартовое меню Windows: Пуск -> Power Electronics -> Power Electronics.

При запуске программы на экран монитора выводится лицевая панель с элементами меню Регистрация и Выход (рисунок 3.13).

Рисунок 3.13 – Начальное окно программы

Перед тем, как начать выполнение лабораторных работ студент может зарегистрироваться (выбрать в меню элемент Регистрация). В этом случае после проведения лабораторной работы результаты могут быть сохранены вместе с регистрационными данными студента.

При выборе этого пункта меню откроется окно регистрации (рисунок 3.14). Введите в соответствующие поля курс, группу, кафедру, имя и фамилию, а затем нажмите кнопку РЕГИСТРАЦИЯ. Недопустимо использовать в полях тексты в юникоде, а также символы ‘?’, ‘/’, ‘\’, ‘|’, ‘*’, ‘&’, ‘<’, ‘>’, ‘+’, ‘=’, ‘:’, ‘ ” ’.

Рисунок 3.14 – Окно регистрации

В случае, если питание платформы NI ELVIS II не было включено, программа выведет сообщение ошибки. Проверьте состояние выключателя, расположенного на торце устройства в задней части платформы NI ELVIS II.

Перед тем, как приступить к выполнению лабораторной работы, студент должен:

1. Внимательно ознакомиться с требованиями по технике безопасности.

2. Ознакомиться с теоретическими материалами по теме.

4. Изучить методику проведения лабораторных работ.

5. Понимать принципы работы электрических схем.

Лабораторная работа 3 «Трехфазные цепи. Исследование цепи трехфазного тока при различных схемах соединения нагрузки» будет содержать два эксперимента из главного меню рисунок 3.13: «Исследование работы трехфазной цепи при соединении потребителей энергии в звезду», «Исследование работы трехфазной цепи при соединении приемников энергии в треугольник». Объем измерений для различных схем задается преподавателем.

1 эксперимент: «Исследование работы трехфазной цепи при соединении потребителей энергии в звезду». Приборы и компоненты:

1. Трехфазная сеть;

2. Нагрузки;

3 Амперметры (A1, A2, A3);

4. Вольтметр (V1, V2, V3).

Подготовка к проведению эксперимента «Исследование работы трехфазной цепи при соединении потребителей энергии в звезду».

1. Убедитесь, что рабочая станция NI ELVIS II включена (выключатель питания станции находится в положении I, см. Рисунок 1.11).

2. Установите переключатель PROTOTYPING BOARD POWER (рисунок 1.12) на рабочей станции NI ELVIS II в положение О (выключен).

3. Из главного меню (рисунок 3.14) двойным щелчком выберите эксперимент «Исследование работы трехфазной цепи при соединении потребителей энергии в звезду». На рисунке 3.15 показан пример окно данного эксперимента, в правом нижнем углу открывшейся лицевой панели представлены подробные инструкции по выполнению.

Рисунок 3.15 – Окно эксперимента измерения №1 симметричного режима

Кнопка Старт приводит систему в состояние готовности, на лицевую панель выводится электрическая схема выбранной лабораторной работы.

Кнопка Измерить начинает выполнение опыта. При этом формируются необходимые входные сигналы для подачи на входы электрической схемы, после чего проводятся соответствующие измерения в определенных точках схемы. Результаты измерений записываются в соответствующие поля таблицы на лицевой панели; на основании полученных значений строятся графики.

Кнопка Отменить отменяет последнее выполненное действие.

На лицевой панели имеются измерительные приборы – амперметры (обозначаются символом A) и вольтметры (обозначаются символом V). При наведении курсора мыши на соответствующий индикатор на экране появляется изображение соответствующей стрелочной панели с показаниями прибора. Кроме показаний стрелочных приборов, также существует возможность вывода на экран осциллограмм соответствующих величин. Это возможно, на измерительных приборах у которых изначально более темный цвет. При щелчке мышью по измерительному прибору темного цвета в процессе выполнения лабораторной работы (после нажатия кнопки старт), его цвет изменяется на светлый, а на лицевой панели появляется осциллограмма с соответствующими показаниями. При последующем щелчке мышью по измерительному прибору светлого цвета состояние лицевой панели возвращается в исходное положение.

В лабораторной работе имеется круговой регулятор, при помощи которого можно выставить напряжение исследуемой трехфазной сети.

Окна осциллограмм и векторных диаграмм имеют поля для выбора масштаба.

4. При помощи соединительных проводов произведите подключения на плате в соответствии с рисунком 3.15, приведенным на экране для схемы измерения №1 симметричного режима.

5. Представьте собранную схему для проверки преподавателю.

Пошаговый порядок выполнения эксперимента «Исследование работы трехфазной цепи при соединении потребителей энергии в звезду».

1. Установите переключатель PROTOTYPING BOARD POWER (рисунок 1.12) на рабочей станции NI ELVIS II в положение I (включен). Загорятся светодиод Питание на плате и индикатор включения питания на панели NI ELVIS II.

2. Выставите круговой регулятор напряжения трехфазной сети на величине заданной преподавателем.

3. Нажмите кнопку Измерить, при этом формируются необходимые входные сигналы для подачи на входы электрической схемы, после чего проводятся соответствующие измерения в определенных точках схемы.

4. Для отображения значений измерительных приборов, необходимо нажать на их изображение на лицевой панели эксперимента. Для схемы измерения №1 симметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.15.

5. Выбрать из Меню на лицевой панели, элемент Сохранить, предназначенный для сохранения результатов эксперимента (включая образ лицевой панели и регистрационные данные студента, дату и время). В этом случае на основании регистрационных данных и наименования проведенной лабораторной работы формируется название файла, который сохраняется в папке My Documents\Power Electronics\.

6. Установите переключатель PROTOTYPING BOARD POWER (рисунок 1.12) на рабочей станции NI ELVIS II в положение О (выключен).

7. Выберите схему измерения №1 несимметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.16

Рисунок 3.16 – Окно эксперимента схемы измерения №1 несимметричного режима

8. Измените схему на плате в соответствии с рисунком 3.16.

Внимание! Любые электрические соединения должны производиться при отключенном питании платы (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы).

9. Представьте собранную схему для проверки преподавателю.

10. Установите круговой регулятор напряжения трехфазной сети на величине, заданной преподавателем.

11. После завершения монтажа включите питание платы и следуйте инструкциям на экране, в правом нижнем углу лицевой панели.

12. Повторите действия, указанные в пунктах 3-6.

13. Выберите схему измерения №2 симметричного режима, окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.17. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-6.

Рисунок 3.17

14. Выберите схему измерения №2 несимметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.18. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-6.

Рисунок 3.18

15. Выберите схему измерения №3 симметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.19. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-6.

Рисунок 3.19

16. Выберите схему измерения №3 несимметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.20. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-6.

Рисунок 3.20

17. Выберите схему измерения №4 симметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.21. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-6.

Рисунок 3.21

18. Выберите схему измерения №4 несимметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.22. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-6.

Рисунок 3.22

2 эксперимент: «Исследование работы трехфазной цепи при соединении приемников энергии в треугольник». Приборы и компоненты:

1. Трехфазная сеть;

2. Нагрузки;

3 Амперметры (A1, A2, A3);

4. Вольтметр (V1, V2, V3).

Подготовка к проведению эксперимента «Исследование работы трехфазной цепи при соединении приемников энергии в треугольник».

2. Установите переключатель PROTOTYPING BOARD POWER (рисунок 1.12) на рабочей станции NI ELVIS II в положение О (выключен).

3. Из главного меню (рисунок 3.14) двойным щелчком выберите эксперимент «Исследование работы трехфазной цепи при соединении приемников энергии в треугольник». На рисунке 3.23 показан пример окно данного эксперимента.

Рисунок 3.23 – Окно эксперимента измерения №1 симметричного режима

4. При помощи соединительных проводов произведите подключения на плате в соответствии с рисунком 3.23, приведенным на экране для схемы измерения №1 симметричного режима.

5. Представьте собранную схему для проверки преподавателю.

Пошаговый порядок выполнения эксперимента «Исследование работы трехфазной цепи при соединении приемников энергии в треугольник».

2. Выставите круговой регулятор напряжения трехфазной сети на величине заданной преподавателем.

3. Нажмите кнопку Измерить. Для отображения значений измерительных приборов, необходимо нажать на их изображение на лицевой панели эксперимента. Для схемы измерения №1 симметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.23.

4. Сохранить результаты эксперимента в папке My Documents\Power Electronics\.

5. Установите переключатель PROTOTYPING BOARD POWER (рисунок 1.12) на рабочей станции NI ELVIS II в положение О (выключен).

6. Выберите схему измерения №1 несимметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.24.

Рисунок 3.24 – Окно эксперимента схемы измерения №1 несимметричного режима

7. Измените схему на плате в соответствии с рисунком 3.24.

8. Представьте собранную схему для проверки преподавателю.

9. Установите круговой регулятор напряжения трехфазной сети на величине, заданной преподавателем.

10. После завершения монтажа включите питание платы и следуйте инструкциям на экране, в правом нижнем углу лицевой панели.

12. Повторите действия, указанные в пунктах 3-5.

13. Выберите схему измерения №2 симметричного режима, окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.25. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-5.

Рисунок 3.25

14. Выберите схему измерения №2 несимметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.26. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-5.

Рисунок 3.26

15. Выберите схему измерения №3 симметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.27. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-5.

Рисунок 3.27

16. Выберите схему измерения №3 несимметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.28. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите действия, указанные в пунктах 3-5.

Рисунок 3.28

17. Выберите схему измерения №4 симметричного режима, окно эксперимента как на рисунке 3.29. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено (выключатель питания платы (1) на рисунке 1.12 должен находиться в положении «выключено», не горит красный светодиод в левом нижнем углу платы). Повторите пункты 3-5.

Рисунок 3.29

18. Выберите схему измерения №4 несимметричного режима окно эксперимента должно принять вид как на рисунке 3.30. Измените на плате схему, проверив, что питание платы отключено. Повторите действия, указанные в пунктах 3-5.

Рисунок 3.30

Обработка экспериментальных данных

Для 1 эксперимента необходимо:

1. По данным 1 эксперимента рассчитайте нагрузочные сопротивления. Результаты расчетов занести в таблицу 3.1.

2. Определите общую активную мощность всей цепи во всех заданных режимах, активную мощность каждой фазы. Результаты занести в таблицу 3.1

Таблица 3.1 – Результаты исследования режимов трехфазной цепи

№ режима	Сопротивление фаз, Ом	Мощность фаз, Вт	Мощность всей цепи, Вт
R _A	R _B	R _C	P _A	P _B	P _C	P
1 симметричный
1 не симметричный
2 симметричный
2 не симметричный
3 симметричный
3 не симметричный
4 симметричный
4 не симметричный

Для 2 эксперимента необходимо:

1. По данным 2 эксперимента рассчитайте нагрузочные сопротивления. Результаты расчетов занести в таблицу 3.2.

2. Определите общую активную мощность всей цепи во всех заданных режимах, а также активную мощность каждой фазы. Результаты расчетов занести в таблицу 3.2.

Таблица 3.2 – Результаты исследования режимов трехфазной цепи

№ режима	Сопротивление фаз, Ом	Мощность фаз, Вт	Мощность всей цепи, Вт
R _AB	R _BC	R _CA	P _AB	P _BC	P _CA	P
1 симметричный
1 не симметричный
2 симметричный
2 не симметричный
3 симметричный
3 не симметричный
4 симметричный
4 не симметричный

Содержание отчета

Аналогично лабораторной работы 1.

Контрольные вопросы

1. Какие соотношения между фазными и линейными токами и напряжениями при соединении фаз нагрузки по схемам «звезда» и «треугольник»?

2. Изобразите схему соединения потребителей в «треугольник» с указанием положительных направлений фазных и линейных токов. Включить в схему вольтметры для изменения напряжений.

3. Чему равен угол сдвига фаз между фазными и линейными токами при симметричной нагрузке?

4. От каких факторов зависит угол сдвига фаз между фазными напряжениями и токами?

5. Запишите в комплексной форме симметричную трехфазную систему ЭДС?

6. Что такое напряжение смещения нейтрали и как его рассчитывать?

7. Как производится расчет трехфазных электрических цепей в общем случае?

8. Как строятся векторные диаграммы трехфазных электрических цепей?

9. Как влияет «обрыв» линейного провода на работу трехфазного потребителя, включенного по схеме «треугольник».

Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме

Основная учебная литература

1. Немцов М.В. Электротехника и электроника (6-е изд., стер.) учебник. –М: Академия, 2013. – 480 с. – ISBN: 9785446804320.

2. Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов / В.В. Кононенко [и др.]; под ред. В.В. Кононенко. – Изд. 6-е – Ростов н/Д: Феникс, 2010. – 784 с. (Серия «Высшее образование». – ISBN 978-5-222-17568-2.

Дополнительная литература

2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Углубленный курс. Учебник для бакалавров. Изд.12, испр., доп., 2014. – 701 с. – ISBN 978-5-9916-3210-2.

Лабораторная работа 4

Исследование характеристик и параметров однофазного трансформатора (4 ч)

Цель работы:

1. Исследование однофазного трансформатора методом холостого хода (опыт ХХ) и короткогозамыкания (опыт КЗ).

2. Снятие внешней характеристики трансформатора при различных типах нагрузок.

В результате выполнения практического занятия у студента формируются компетенции ПК-10 (владение основами проектирования деталей и конструкций в соответствии с техническим заданием с использованием стандартных прикладных расчетных и графических программных пакетов), ПК-21 (навыки опытной проверки оборудования и средств технологического обеспечения).

Теоретическое обоснование

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

Трансформаторы находят широкое применение для передачи и распределения электрической энергии, в различных технологических целях, для питания различных цепей в радиоэлектронной, вычислительной и телевизионной аппаратуре, устройств связи, автоматики, телемеханики и т.д.

Функционально трансформаторы бывают разных типов: понижающие напряжение, повышающие напряжение, изолирующие, согласующие, выходные, и т.д.

Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных обмоток (катушек), охваченных общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод из ферромагнитного материала. Различают одно- и трёхфазные трансформаторы.

При подключении первичной обмотки А - Х силового трансформатора к сети (рисунок 4.1) первичный ток , проходя по её виткам , возбуждает в сердечнике синусоидальный магнитный поток .

(4.1)

где – амплитуда потока, – угловая частота питающего напряжения .

Рисунок 4.1 – Схема двухобмоточного трансформатора

Пронизывая витки первичной и витки вторичной обмоток, этот поток наводит в них ЭДС:

, (4.2)

, (4.3)

где , – потокосцепление первичной и вторичной обмотки, соответственно.

Действующие значения этих ЭДС:

(4.4)

(4.5)

Со вторичной обмотки снимается напряжение , которое подаётся потребителю электрической энергии .

Ток первичной обмотки трансформатора при отключенной нагрузке () является его током холостого хода . Его выражают в процентах по отношению к номинальному току первичной обмотки . Ток холостого хода (%) в силовых трансформаторах составляет (2…5) %, а в маломощных трансформаторах может составить (10…20) % от номинального тока . .

Отношение ЭДС первичной обмотки трансформатора к ЭДС вторичной обмотки, равное отношению соответствующих чисел витков обмоток, называют коэффициентом трансформации трансформатора

(4.6)

Для определения коэффициента трансформации , параметров схемы замещения (рисунок 4.2) и потерь мощности в трансформаторе проводят опыты холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ).

Рисунок 4.2 – Схема замещения двухобмоточного трансформатора с учетом магнитных потерь

На рисунке 5.2 приняты следующие обозначения: R ₁, X ₁ – активное и индуктивное сопротивление первичной обмотки; , , – приведенные к числу витков первичной обмотки активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки; , – активное и индуктивное сопротивление ветви намагничивания; U ₁ – первичное напряжение; , – приведенные к числу витков первичной обмотки напряжение и ток вторичной обмотки.

Опыт холостого хода. К первичной обмотке с помощью регулятора напряжения (РН) подводят номинальное напряжение , а ко вторичной – вольтметр (рисунок 4.3).

Рисунок 4.3 – Схема исследования трансформатора в режиме холостого хода

Измерив ток холостого хода и мощность можно рассчитать сопротивления:

, , , (4.7)

а также коэффициент трансформации

(4.8)

и коэффициент мощности холостого хода

. (4.9)

Схема замещение трансформатора (рисунок 4.4) в режиме холостого хода приводится к виду, представленному на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 – Схема замещения трансформатора в режиме холостого хода

При холостом ходе справедливы следующие соотношения:

; ; . (4.10)

Учитывая, что в силовых трансформаторах и во много раз меньше и , можно сказать, что

; ; . (4.11)

По этой же причине мощность холостого хода трансформатора равна магнитным потерям в магнитопроводе. Эти потери также называют потерями в стали трансформатора.

Уравнение, описывающее схему замещения трансформатора в режиме холостого хода, имеет вид:

. (4.12)

Построим соответствующую векторную диаграмму (рисунок 4.5).

Рисунок 4.5 – Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода

Опыт короткого замыкания. Вторичные обмотки замыкаются накоротко, а к первичным обмоткам во избежание перегрева и повреждения трансформатора подводится пониженное напряжение с таким расчетом, чтобы по обмоткам проходил номинальный ток (рисунок 4.6). В отличие от аварийного короткого замыкания трансформатора, возникающего случайно при работе при напряжении , такой режим работы совершенно безопасен.

Рисунок 4.6 – Схема исследования трансформатора в режиме короткого замыкания

Номинальные токи в первичной и вторичной обмотках можно определить по формулам:

, ,

где – номинальная мощность трансформатора.

Измерив напряжение , ток и активную мощность , определяют параметры схемы замещения трансформатора при коротком замыкании.

, , . (4.13)

В паспорте трансформатора часто указывается величина напряжения короткого замыкания, выраженная в процентах:

Согласно схеме замещения (рисунок 4.2):

. (4.14)

Так как во много раз больше , то в знаменателе можно пренебречь, тогда

; ; . (4.15)

Обычно принимают

; ; . (4.16)

Таким образом, в режиме короткого замыкания мощность расходуется на электрические потери в обмотках трансформатора, т.е. на нагрев обмоток. Эти потери также называют потерями в меди трансформатора.

Учитывая (4.15) схему замещения трансформатора (рисунок 4.2) в режиме короткого замыкания можно привести к виду, представленному на рисунке 4.7.

Рисунок 4.7 – Схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания

Согласно схемы замещения (рисунок 4.7) уравнение напряжения в режиме короткого замыкания имеет вид:

. (4.17)

Соответствующая векторная диаграмма представлена на рисунке 4.8.

Рисунок 4.8 – Векторная диаграмма трансформатора в режиме короткого замыкания

Полные потери мощности в трансформаторе при номинальной нагрузке:

. (4.18)

Мощность, передаваемая потребителям , равна мощности, потребляемой трансформатором из сети за вычетом потерь :

. (4.19)

Тогда в номинальном режиме коэффициент полезного действия трансформатора равен:

. (4.20)

Опыт определения внешней характеристики. К первичной обмотке подводят номинальное напряжение, а ко вторичной – изменяемую нагрузку. Изменяя сопротивление нагрузки, измеряют напряжение и ток вторичной обмотки.

Зависимость напряжения на зажимах вторичной обмотки от тока нагрузки, т.е. , носит название внешней характеристики трансформатора (рисунок 4.9).

Вторичное напряжение равно:

. (4.21)

При увеличении тока нагрузки вторичное напряжение уменьшается как за счет увеличения падения напряжения на его вторичной обмотке, так и за счет уменьшения ЭДС (вследствие некоторого уменьшения магнитного потока Ф при соответствующем увеличении тока ). Однако при активно-емкостной нагрузке при увеличении тока напряжение увеличивается.

Рисунок 4.9 – Внешние характеристики трансформатора

Оборудование и материалы

Аналогично лабораторной работы 1.