Методические указания к выполнению работы

1. Собрать электрическую цепь по схеме:

2. Изменяя активную нагрузку / лампового реостата /, измерить ток, напряжение и активную мощность в 10 случаях

3. Все данные записать в таблицу и прежде всего рассчитать Z, R, cos φ.

4. Построить графики:

                           а) зависимость активной мощности от тока нагрузки P = f (I)

                           б) зависимость коэффициента мощности cos φот активного сопротивления cos φ= f( R)

5. Проанализировать графики и сделать вывод.

6. Рассчитать остальные параметры и занести в таблицу.

7. Оформить работу и сдать преподавателю.

Контрольные вопросы

1. Начертите условные обозначения приборов магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической и индукционной систем.

2. Объясните, почему амперметр включается в цепь последовательно, а вольтметр - параллельно.

3. Что произойдет в электрической цепи, если амперметр включить параллельно ее зажимам?

4. Вольтметр на номинальное напряжение 380 В ошибочно включили последовательно с потребителем, рассчитанным на то же напряжение. Почему потребитель перестанет работать?

5. Как производится расчет шунта к амперметру?

6. Как производится расчет добавочного сопротивления к вольтметру?

7. Как можно измерить мощность при постоянном токе? Укажите два способа.

8. Как определить зажимы последовательной и параллельной обмоток ваттметра?

9. Как работает прибор электродинамической системы? Почему в таком приборе необходимо пропускать ток через обе катушки?

10.Начертите схему включения электродинамического ваттметра. Какую мощность покажет такой прибор при включении в цепь переменного тока?

11.Как определить начала и концы последовательной и параллельной обмоток ваттметра?

12.Ваттметр со шкалой на 50 делений имеет переключатель токовой обмотки на 2,5 и 5 А. Определите цену деления и чувствительностьпри обоих положениях переключателя и напряжениях последователь­
ной цепи ваттметра 500, 100 и 200 В. Ответ: 25 Вт/дел; 5 Вт/дел;10 Вт/дел; 50 Вт/дел; 10 Вт/дел; 20 Вт/дел

Литература

1. Г.Н. Веденяпин, А. Н. Добкин, Ю. А. Михеев «Общая электротехника»: М. Высшая школа, 1967.(стр. 146-148, 160-163,169-173).

2. И. А. Данилов, П. М. Иванов «Общая электротехника»: М. Высшая школа, 1977.(стр. 215-221, 234-237).

3. В. С. Попов, А. С. Николаев «Общая электротехника с основами электроники»: М. Энергия, 1977.(стр. 200-204, 224-229).

4. Ф. Е. Евдокимов «Общая электротехника»: М. Высшая школа, 1987.(стр. 130-134).

5. Т. Ф. Березкина, Н. Г. Гусев, В. В. Масленников «Задачник по общей электротехнике с основами электроники»: М. Высшая школа, 1983.(стр. 291-302).

6. А. И. Раскатов «Задачник по электротехнике и электрооборудованию»: М. Высшая школа, 1964. (стр. 291-302).

7. Синдеев «Электротехника с основами электроники»: Ростов-на-Дону, Феникс, 2002 (стр 117-122).

Лабораторная работа.

ИЗМЕРЕНИЕ ТОКА, НАПРЯЖЕНИЯ И МОЩНОСТИ В ЦЕПЯХ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

Учебная цель работы:

1. Изучить устройство и принцип действия приборов электромагнитной системы.

2. Практически освоить методы измерения тока, напряжения и активной мощности в цепях трехфазного переменного тока.

Время – 2 часа.

Количество учащихся, выполняющих работу, - 3 человека.

Материальное обеспечение.

1. Многопредельные лабораторные измерительные приборы (вольтметр, три амперметра, два ваттметра).

2. Разобранные приборы или стенд приборов.

3. Реостаты ламповые (нагрузка) – три штуки.

4. Источник трехфазного переменного тока.

5. Соединительные провода.

Теоретические сведения.

При равномерной нагрузке фаз в трехфазной системе, соединенной «звездой» или «треугольником», для измерения мощности используется один ваттметр. Для этого включают ваттметр в одну из фаз трехфазной системы и, увеличив показания ваттметра в три раза, определяют мощность, расходуемую во всей трехфазной системе

.

На (рис. а) показана схема включения ваттметра в  одну из фаз трехфазной системы при соединении звездой, а на (рис. б) – треугольником.

Если трехфазная система загружена неравномерно, то для измерения мощности во всей трехфазной системе необходимо измерить мощность в каждой фазе и затем показания ваттметров сложить:

,

P – общая мощность трехфазной системы, P₁, P₂иP₃– мощности в отдельных фазах. Широко используется для измерения мощности трехфазной системы метод двух ваттметров, который применим и при неравномерной нагрузке фаз (рис. 2). Здесь неподвижные токовые катушки ваттметров включены линейные провода первой и третьей фаз системы, а подвижные (напряжения) катушки одними концами присоединены к этим же линейным проводам, другими – к свободному (второму линейному) проводу. 

В случае равномерной нагрузке фаз

 и

следовательно, ваттметры показывают мощности

 и .

При активной равномерной нагрузке  показания ваттметров будут одинаковы. При равномерной нагрузке  показание второго ваттметра равно нулю, т. к. , мощность всей цепи определяется показаниями одного первого ваттметра.

При  мощность P₂отрицательна, т. к. косинусы углов, больших чем , отрицательны. В этом стрелка второго ваттметра отклоняется в обратную сторону. Т. к. ваттметр имеет одностороннюю шкалу, то для отсчета показаний необходимо измерить направление тока в одной из обмоток ваттметра (чаще в параллельной).

Тогда для определения полной мощности из показаний первого ваттметра необходимо вычесть показания второго:

P = P₁-P₂.

При симметричных нагрузках в трехфазных цепях активная мощность вычисляется по формуле

, (Вт),

реактивная - , (ВАр),

полная - ( ).

Методические показания к выполнению работы:

1. Перед выполнением работы необходимо ознакомиться с оборудованием и приборами и расположить их в порядке, удобном для снятия показаний.

2. Собрать схему для измерения мощности в равномерно загруженной системе «звезда» с доступной нулевой точкой. Схему следует собирать в следующем порядке: сначала проводят все сведения токовой цепи, а затем собирают цепи напряжения. Такой метод позволяет получить наглядную схему и облегчает дальнейшее проведение эксперимента. Без разрешения руководителя подключать схему к сети запрещается.

3. Произвести по три замера при различных значениях нагрузки. Результаты занести в таблицу.

4. Вычислить активную мощность двумя путями:

    а) P_{нагр. 1} = 3P _{1 ,} где P_1, - мощность одной фазы, измеренная ваттметром.

    б) P_{нагр. 2} = P_Ф1 +P_Ф2 +P_Ф3  = U_AI_A+ U_BI_B+ U_CI_C, где I_A, I_B, I_C, - фазные токи, измеренные амперметрами, U_A, U_{B ,} U_C– фазные напряжения измеренные вольтметром.

5. Собрать схему для измерения мощности в трехпроводной неравномерно загруженной трехфазной системе и показать ее для проверки преподавателю.

6. Меняя нагрузку в одной фазе В, оставляя в двух других фазах нагрузку неизменной, сделать по три замера. Результаты измерения занести в таблицу.

7. Вычислить активную мощность двумя путями:

а) P_{нагр. 1} = P ₁ + P _2, где P ₁ и P ₂ – показания ваттметров.

б) P_{нагр. 2} = P_Ф1 +P_Ф2 +P_Ф3 = U_AI_A+ U_BI_B+ U_CI_C, где I_A, I_B, I_C, - фазные токи, измеренные амперметрами, U_A, U_{B ,} U_C– фазные напряжения измеренные вольтметром.

8. Сделать вывод.

Контрольные вопросы

1. В каких случаях можно измерить активную мощность в трехпроводной трехфазной цепи одним ваттметром?

2. Как устроен однофазный ваттметр?

3. Как определить цену деления ваттметра?

4. По каким формулам можно вычислить активную, реактивную и полную мощности трехфазной цепи при симметричных нагрузках?

5. Пояснить схему включения двухэлементного ваттметра.

Задание 1

Рассчитать напряжение, используя закон Ома для участка цепи, для проводника. По которому идёт ток 20 А Длина проводника составляет 3.5 метра удельное сопротивление 0.2 ом м. площадь поперечного сечения 0.001 м²

Определим удельное сопротивление проводника

 Ом

Определим падение напряжения на данном участке цепи

В

Задание 2

Дать определение постоянный ток, основные параметры

Постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся по времени и по направлению. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. В том случае, если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, направление его считают противоположным направлению движения частиц.

Наиболее распространенные источники постоянного тока — гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока и выпрямительные установки.

Для количественной оценки тока в электрической цепи служит понятие силы тока.

Сила тока — это количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Если за время I через поперечное сечение проводника переместилось количество электричества Q, то сила тока I=Q/t

Единица измерения силы тока — ампер (А).

Плотность тока — это отношение силы тока I к площади поперечного сечения F проводника δ = I/F. (12)

Единица измерения плотности тока — ампер на квадратный миллиметр (А/мм2).

В замкнутой электрической цепи постоянный ток возникает под действием источника электрической энергии, который создает и поддерживает на своих зажимах разность потенциалов, измеряемую в вольтах (В).

Зависимость между разностью потенциалов (напряжением) на зажимах электрической цепи, сопротивлением и током в цепи выражается законом Ома. Согласно этому закону для участка однородной цепи сила тока прямо пропорциональна значению приложенного напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению I = U/R,

где I — сила тока. A, U— напряжение на зажимах цепи В, R — сопротивление, Ом

Это самый важный электротехнический закон. Подробнее о нем смотрите здесь: Закон Ома для участка цепи

Работу, совершаемую электрическим током в единицу времени (секунду), называют мощностью и обозначают буквой Р. Эта величина характеризует интенсивность совершаемой током работы.

Мощность P=W/t= UI

Единица измерения мощности - ватт (Вт).

Выражение мощности электрического тока можно преобразовать, заменив на основании закона Ома напряжение U произведением IR. В результате получим три выражения мощности электрического тока P = UI= I2R= U2/R

Большое практическое значение имеет то, что одну и ту же мощность электрического тока можно получить при низком напряжении и большой силе тока или при высоком напряжении и малой силе тока. Этот принцип используют при передаче электрической энергии на расстояния.

Ток, протекая по проводнику, выделяет теплоту и нагревает его. Количество теплоты Q, выделяющейся в проводнике определяют формулой Q = I2Rt.

Эту зависимость называют законом Джоуля-Ленца.

Смотрите также: Основные законы электротехники

На основании законов Ома и Джоуля-Ленца можно проанализировать опасное явление, которое часто возникает при непосредственном соединении между собой проводников, подводящих электрический ток к нагрузке (электроприемнику). Это явление называют коротким замыканием, так как ток начинает протекать более коротким путем, минуя нагрузку. Такой режим является аварийным.

На рисунке приведена схема включения лампы накаливания EL в электрическую сеть. Если сопротивление лампы R — 500 Ом, а напряжение сети U= 220 В, то ток в цепи лампы будет I = 220/500 = 0,44 А.

Схема, поясняющая возникновение короткого замыкания

Рассмотрим случай, когда провода, идущие к лампе накаливания, соединены через очень малое сопротивление (Rст - 0,01 Ом), например толстый металлический стержень. В этом случае ток цепи, подходя к точке А, будет разветвляться по двум направлениям: большая его часть пойдет по пути с малым сопротивлением — по металлическому стержню, а небольшая часть тока Iл.н — по пути с большим сопротивлением — лампе накаливания.

Определим ток, протекающий по металлическому стержню: I = 220/0,01 =22 000 А.

При коротком замыкании (к.з) напряжение сети будет меньше 220 В, так как большой ток в цепи вызовет большую потерю напряжения, и ток, протекающий по металлическому стержню, будет несколько меньше, но тем не менее во мною раз превышать ток, потреблявшийся ранее лампой накаливания.

Как известно, в соответствии с законом Джоуля-Ленца ток, проходя по проводам, выделяет теплоту, и провода нагреваются. В нашем примере площадь поперечного сечения проводов рассчитана на небольшой ток 0,44 А.

При соединении проводов более коротким путем, минуя нагрузку, по цепи будет протекать очень большой ток - 22000 А. Такой ток вызовет выделение большого количества теплоты, что приведет к обугливанию и возгоранию изоляции, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактом выключателей, ножей рубильнике и т. п.

Источник электрической энергии, питающий такую цепь, может быть поврежден. Перегрев проводов может вызвать пожар. Вследствие этого при монтаже и эксплуатации электрических установок, чтобы предупредить непоправимые последствия короткого замыкания, необходимо соблюдать следующие условии: изоляция проводов должна соответствовать напряжению сети и условиям работы.

Площадь поперечною сечения проводов должна быть такой, чтобы нагревание их при нормальной нагрузке не достигало опасного значения. Места соединений и ответвлений проводов должны быть качественно выполнены и хорошо изолированы. В помещении провода должны быть проложены так, чтобы они были защищены от механических и химических повреждений и от сырости.

Чтобы избежать внезапного, опасного увеличения тока в электрической цепи при коротком замыкании, ее защищают с помощью предохранителей или автоматических выключателей.

Существенный недостаток постоянного тока состоит в том, что его напряжение сложно повысить. Это затрудняет передачу электрической энергии на постоянном токе на большие расстояния.

Задание 3

Определить полное сопротивление цепи, если R1 = 12 Ом R2 =  13 ом R3 = 1 Ом

Определим эквивалентное сопротивление R2 R3 которые соединены параллельно

Сопротивления R1 и эквивалентноеR23 соединены последовательно. Определим полное сопротивление цепи (Om)

Задание 4

Рассчитать мощность электрического тока Р, если работа тока по перемещению электрического заряда А = 23 дж совершается в течении времени 1.17 минут (Вт)

Мощность это скорость с которой совершается работа

Задание 5

Как изменится сила тока в цепи, если сопротивление проводника увеличится в 3 раза

Сила тока в цепи определяется законом Ома

Если считать что напряжение как параметр неизменно. Тогда рост сопротивления вызовет пропорциональное уменьшение протекающего тока. Пусть напряжение равно 230 Вольт, сопротивление 10 Ом

В цепи протекает 23 Ампера

При увеличении сопротивления в 3 раза