II . Основные теоретические положения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

к лабораторным работам по курсу "Электротехника и электроника"

Часть ІІ

 

Ростов-на-Дону

2006

 

 

УДК 621.3(076.5)

 

Методические указания к лабораторным работам по курсу "Электротехника и электроника". Часть ІІ. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2006. – 32 с.

 

     Предназначены для выполнения лабораторных работ № 7-11 по изучению работы электрических машин переменного тока и постоянного тока.

     Могут быть использованы студентами всех форм обучения при изучении курса электротехники.

 

Составители:

канд. техн. наук В.В. Кононенко

д-р.  техн. наук П.М. Чеголин

канд. техн. наук В.И Мишкович

канд. техн. наук В.В. Муханов

 

 

© Ростовский государственный

строительный университет, 2006

 

 

 

Лабораторная работа №7

Исследования однофазного трансформатора

 

I. Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия однофазного двухобмоточного трансформатора и исследовать его работу в режиме холостого хода и под нагрузкой.

IV. Порядок выполнения работы

1. Изучить конструкцию и принцип действия однофазного трансформатора и записать отчет в его паспортные данные.

2. Собрать схему в соответствии с рис.3 и дать проверить ее преподавателю или учебному мастеру.

3. Провести опыт холостого хода, подключив напряжение сети к первичной обмотке трансформатора с помощью рубильника Р₁. Цепь вторичной обмотки должна быть при этом разомкнута (тумблеры Р₂¸Р₆ должны стоять в положении «ВЫКЛ»).

4. Записать в таблице показания приборов и вычисления значений коэффициента трансформации К (3) и коэффициента мощности:

 

                            ,                                              (6)

где Р ₁₀, U ₁₀, I ₁₀ – значения мощности, напряжения и тока на первичной обмотке в режиме холостого хода.

5. Включая по одному тумблеру Р₂¸Р₆, увеличивать ступенчато ток (нагрузку) во вторичной обмотке трансформатора и записывать для каждой ступени показания приборов в таблицу.

6. Для каждой ступени нагрузки вычислить и записать в таблицу значения

а) коэффициента мощности трансформатора

 

                               ;                                             (7)

 

б) активной мощности, потребляемой нагрузкой

 

                ,    ;                                           (8)

 

в) коэффициента полезного действия трансформатора

 

                            100%;                                             (9)

 

г) изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора

 

                      100%,                                        (10)

где U₂₀ – напряжение на вторичной обмотке трансформатора, работающего в режиме холостого хода (первый опыт лабораторной работы).

 

Лабораторная работа №8

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

в режиме пуска и холостого хода

 

Цель работы: ознакомиться с конструкцией, принципом действия и способами запуска асинхронных двигателей (АД) с короткозамкнутым ротором, изучить работу таких двигателей в режиме холостого хода.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Ознакомиться с паспортными данными асинхронного двигателя.

2. Собрать схему лабораторной установки, включающей в себя АД, однофазный ваттметр W, предназначенный для измерения активной мощности в одной из фаз этого двигателя, вольтметр V, измеряющий фазное напряжение сети, двухпредельный амперметр А, позволяющий измерять пусковой ток и ток холостого хода. Мнемоническая схема этой установки показана на рис.2 в.

 

Таблица 1

Паспортные данные двигателя

 

Тип

Заводской номер

n об./мин

IН, А

Р2Н, кВт

r, %

cos jН

 

3. Нажав кнопку "Измерения при пуске", подготовить схему к включению (включается шунт, расширяющий пределы измерения амперметра, и закорачивается, для предохранения от перегорания, токовая обмотка ваттметра).

4. Включить рубильник "Р", нажав кнопку "Пуск" силового ящика и отметить пусковой ток Iп, по показаниям амперметра.

5. Нажать кнопку "Измерения при холостом ходе" (отключается шунт у А и раскорачивается токовая обмотка W). Снять показания А, V, и W, измерить число оборотов тахометром (n'), записать эти данные в табл. 2.

 

Таблица 2

Результаты измерений

 

Iп, А	Iхх, А	Uф, В	PO, кВт	n', об./мин

 

6. Реверсировать двигатель, поменяв местами клеммы В и С сети.

7. По показаниям ваттметра, измеряющего мощность одной фазы трехфазного симметричного приемника, каким является двигатель, определить активную мощность, потребляемую из сети,

p = 3p_o.

8. Вычислить значение коэффициента мощности двигателя, работающего в режиме х.х.

.

9. По паспортным данным АД и результатам измерений определить:

а) скорость вращения магнитного поля статора (синхронную скорость)

,

где f – частота питающей сети, Гц (f = 50 Гц);

Р – число пар полюсов АД (для данного случая Р = 1);

б) скольжение в режиме пуска Sп (n = 0), холостого хода Sх (n = nх), а также при номинальной нагрузке Sн (n = nн)

;

в) номинальный и пусковой моменты АД

;

г) кратность пускового I_П и номинального I_H токов

.

10. Результаты вычислений свести в табл. 3.

 

Таблица 3

Результаты расчетов

 

Р, кВт	no, об./мин	SП, %	SХ, %	SХ, %	SUХ, %	SH, %	MH, H×м	MП, H×м	КП, H×м

 

11. По данным, полученным в п. 10 б, построить зависимость скольжения от числа оборотов ротора  S = f (n').

12. Сделайте выводы о величине cos j двигателя, работающего на холостом ходу, об изменении скольжения, о способах запуска и регулирования числа оборотов.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Расскажите об устройстве АД с короткозамкнутым ротором.

2. Каковы особенности конструкции двигателя с фазным ротором?

3. Поясните принцип действия асинхронного двигателя.

4. Как запускаются асинхронные двигатели?

5. Что такое скольжение? Нарисуйте график зависимости

S = f (n'').

6. Расскажите о способах регулирования числа оборотов АД.

7. Как осуществляется реверсирование АД?

8. Где применяются асинхронные двигатели? Расскажите о достоинствах и недостатках АД.

9. Как определить направление ЭДС, наведенной в проводнике, перемещающемся в магнитном поле?

10. Расскажите о правиле левой руки.

11. Как выполняется лабораторная работа?

 

Лабораторная работа № 9

 

Коэффициент полезного действия и коэффициент

мощности асинхронного двигателя

 

Цель работы: познакомиться с понятиями "коэффициент полезного действия" и "коэффициент мощности" АД, определить характер изменения этих коэффициентов в зависимости от нагрузки и способы их увеличения.

Порядок выполнения работы

 

1. Собрать схему лабораторной установки (рис. 7), используя для определения напряжения, тока и мощности на стороне переменного тока измерительный комплект К-505 (К-50). Записать паспортные данные асинхронного двигателя и генератора постоянного тока.

Таблица 6

Лабораторная работа №10

Испытание генератора постоянного тока параллельного

возбуждения

 

Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия генератора постоянного тока параллельного возбуждения; экспериментальное получение и построение характеристики холостого хода и внешней характеристики генератора.

 

Порядок выполнения работы

         

1. Ознакомиться с устройством генератора и записать его паспортные данные.

2. Собрать схему для испытания генератора, изображенную на рис.11, и предъявить ее для проверки преподавателю.

Рис. 11. Схема установки для испытания генератора постоянного

тока параллельного возбуждения

 

3. Разомкнув предварительно выключатели Р₁ и Р₂  , включить в работу выключателем АВ асинхронный электродвигатель, который подает механическую мощность на генератор и приводит якорь во вращение с постоянной скоростью.

4. Снять характеристику холостого хода генератора Е = f (I_В) для чего:

     а) при разомкнутых выключателях Р₁ и Р₂ записать в табл. 8 значение тока возбуждения I_В  (показание амперметра А₁) и значение ЭДС Е_ОСТ (показание вольтметра V);

     б) замкнуть выключателем Р₁ цепь обмотки возбуждения ОВ и, перемещая ручку регулирующего реостата R_РB, ступенями только увеличивать ток возбуждения I_В от нуля до наибольшего значения  I_{В MAX}, при котором напряжение на зажимах генератора достигнет величины U_O = 1,2U_H. Записать в табл. 8 6-8 значений тока I_В и соответствующие им величины ЭДС Е;

     в) не производя переключений в схеме, с помощью реостата R_PB только уменьшать ток возбуждения I_В от значения I_{В MAX} до нуля (разомкнуть выключатель Р₁). Также записать в табл. 8 6-8 значений тока I_В и ЭДС Е, соответствующие уже размагничиванию магнитной системы генератора;

 

Таблица 8

I = 0;  n = const

 

	1	2	3	4	5	6	7	8
IВ, А от 0 до IВ MAX
Е, В
IВ, А от IВ MAX до 0
Е, В

 

     г) по полученным данным (табл. 8) в масштабе построить характеристику холостого хода генератора (см. рис. 9).

6. Снять внешнюю характеристику генератора U = f (I),  для чего:

     а) не отключая установку при замкнутом выключателе Р₁  установить с помощью реостата R_PB такой ток возбуждения I_В, чтобы напряжение на зажимах генератора стало U_O = 1,2U_H  при I = 0, и записать показания амперметра А₂  и вольтметра V  в табл. 9.

В дальнейшем реостат не трогать!

     б) замкнуть выключателем Р₂ цепь нагрузки генератора и, уменьшая ступенями величину сопротивления нагрузки R_H, увеличивать ток нагрузки  I  от нуля до  I_H. Снять и записать в табл. 9 6-8 значений тока I и напряжения U.

 

Таблица 9

R_B = const; n = const

 

I, А
U, В
P, Вт

     в) по данным (табл. 9) построить в масштабе внешнюю характеристику генератора (см. рис. 10);

     г) рассчитать величину электрической мощности Р, отдаваемой генератором нагрузке, и записать ее значения в табл. 9.

7) По результатам работы сделать выводы:

     а) о полученной характеристике холостого хода генератора;

     б) о внешней характеристике генератора.

 

Контрольные вопросы и задания

1. Какие электрические машины называются генераторами?

2. Каково устройство и назначение основных частей генератора постоянного тока?

3. От чего зависит величина ЭДС генератора постоянного тока?

4. Что называется характеристикой холостого хода генератора и как она снимается?

5. Объясните возникновение ЭДС Е_ОСТ в генераторе при отключенной обмотке возбуждения?

6. Каково назначение регулировочного реостата R_Р.В. в цепи обмотки возбуждения генератора?

7. Как и почему влияет на величину ЭДС генератора ток обмотки возбуждения?

8. Объясните причины снижения напряжения на зажимах генератора при увеличении тока нагрузки?

9. Почему с увеличением тока нагрузки уменьшается ток обмотки возбуждения генератора?

10. Почему исследуемый генератор называется генератором параллельного возбуждения или самовозбуждением?

11. Как можно определить величину сопротивления нагрузки R_H?

12. Расскажите об электрической схеме лабораторной установки.

 

 

Лабораторная работа №11

Испытание схемы управления и защиты электродвигателя

 

Цель работы: изучить устройство и работу схемы управления и защиты асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; произвести испытание магнитного пускателя и теплового реле.

 

Порядок выполнения работы

 

1. Изучить конструкцию магнитного пускателя.

2. Подключить измерительные приборы и реостат в схему магнитного пускателя, собранного на стенде.

3. После разрешения преподавателя включить рубильник (1).

4. Нажать на кнопку "Пуск" (SB2) и, удерживая ее рукой, постепенно увеличить напряжение, подводимое к цепи управления при помощи потенциометра R. Установить по вольтметру, при каком напряжении произойдет включение двигателя, т.е. определить напряжение включения якоря.

5. Уменьшая с помощью потенциометра напряжение, определить напряжение отпадания якоря и отключения двигателя.

6. Увеличивая нагрузку двигателя с помощью тормоза, определить ток, при котором срабатывает тепловое реле. Измерить время срабатывания, т.е. интервал времени от начала торможения до полного отключения двигателя.

7. Все измеренные величины занести в табл. 10.

8. Сделать выводы о работе магнитного пускателя.

Таблица 10

Результаты измерений

 

Испытания электромагнитного  реле пускателя		Испытание теплового реле Пускателя
Напряжение притяжения якоря, В	Напряжение отпадания якоря, В	Ток срабатывания, А	Время срабатывания, А

Контрольные вопросы и задания

 

1. Расскажите об устройстве магнитного пускателя.

2. Для чего предназначен магнитный пускатель?

3. Из каких элементов состоит и как работает электромагнитное реле пускателя?

4. Объясните устройство теплового реле пускателя. Как оно работает?

5. Для чего предназначены: блокировочный контакт, главные контакты?

6. Из каких элементов состоит цепь управления АД?

7. Какие элементы включаются в силовую цепь?

8. Для чего в схему включены предохранители?

9. Расскажите о работе схемы управления:

     а) при запуске асинхронного двигателя?

     б) при остановке АД, в т.ч. и при остановки от перегрузки.

10. Как выполняется лабораторная работа?

 

Литература

 

1. Электротехника /Под ред. Герасимова. - М.: Высшая школа, 1985.

2. ГОСТ 11828-75. Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний.

3. Методические указания к лабораторным работам по курсу "Общая электротехника" /Сост. Г.С. Селезнев, И.М. Эршон, В.В. Кононенко и др. - Ростов на/Д: РИСИ, 1972.

4. Методические указания к лабораторным работам по электротехнике / В.В.Кононенко, В.Е. Столярчук, В.И. Мишкович и др. – Ростов н/Д: РИСИ, 1982. Ч. 2.

     5. Кононенко В.В., Чеголин П.М., Муханов В.В. и др. Электротехника и электроника: Учебное пособие. – Ростов н/Д: "Феникс", 2004.

 

 

Темплан 2006 г., поз. 82

Подписано в печать 15.12.05              Формат 60х84/16.

Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд. л. 2,6

Тираж 250 экз. Заказ

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета

344022, Ростов н/Д, 22, Социалистическая, 162

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

 

к лабораторным работам по курсу "Электротехника и электроника"

Часть ІІ

 

Ростов-на-Дону

2006

 

 

УДК 621.3(076.5)

 

Методические указания к лабораторным работам по курсу "Электротехника и электроника". Часть ІІ. – Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2006. – 32 с.

 

     Предназначены для выполнения лабораторных работ № 7-11 по изучению работы электрических машин переменного тока и постоянного тока.

     Могут быть использованы студентами всех форм обучения при изучении курса электротехники.

 

Составители:

канд. техн. наук В.В. Кононенко

д-р.  техн. наук П.М. Чеголин

канд. техн. наук В.И Мишкович

канд. техн. наук В.В. Муханов

 

 

© Ростовский государственный

строительный университет, 2006

 

 

 

Лабораторная работа №7

Исследования однофазного трансформатора

 

I. Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом действия однофазного двухобмоточного трансформатора и исследовать его работу в режиме холостого хода и под нагрузкой.

II. Основные теоретические положения

На современной строительной площадке и предприятиях строительной индустрии имеется большое количество потребителей электрической энергии: землесосные снаряды и экскаваторы, используемые на земляных работах; башенные краны, подъемники лифты, сварочные аппараты, насосы, установки подогрева бетона, грунта, каменные конструкции, компрессоры, вентиляционные установки, электрифицированный ручной инструмент, которые находят применение на строительно-монтажных работах. Коммунально-бытовые объекты строительства оснащены электрокалориферами, сушилками, электропечами. Территория строительства освещается люминесцентными лампами накаливания. Значительное количество электроэнергии потребляется заводами сборного железобетона, бетонными, арматурными, камнедробильными и лесозаводами, ремонтно-механическими мастерскими, гаражами, насосными системами коммунального водоснабжения, сооружениями канализации.

Основным родом тока большинства потребителей энергии на отмеченных выше объектах является переменный ток напряжением 10000, 6000, 3000, 660, 380, 220, 127, 60, 36, 12 В. Электроснабжение предприятий стройиндустрии и стройплощадок в целом осуществляется, как правило, с помощью высоковольтных электрических сетей, передающих электроэнергию при напряжениях 220000, 150000, 110000, 35000, 20000, 10000, 6000 В.

Поэтому важнейшими системами электроснабжения являются статические магнитные аппараты. Трансформаторы – это устройства, преобразующие электрическую энергию переменного тока одного напряжения в энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте. С их помощью увеличивают напряжение в месте производства электроэнергии, что обеспечивает ее передачу на дальние расстояния с малыми потерями.

Однофазный трансформатор изобрел русский ученый Павел Николаевич Яблочков, который в 1876 г. впервые использовал катушку индуктивности с двумя обмотками для питания изобретенных им электрических свечей.

Выдающийся русский электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский в 1889 г. предложил трехфазную систему переменного тока и разработал первый трехфазный трансформатор. Российское трансформаторостроение - это и сегодня крупнейшая отрасль электротехнической промышленности, последними достижениями которой являются уникальные трансформаторы мощностью 1000 МВА и напряжением до 1050 кВ.

Однофазный двухобмоточный трансформатор состоит из замкнутого ферромагнитного сердечника, собранного из отдельных листов электротехнической стали, на котором размещены две обмотки, выполненные из изолированного провода, и электрически не связанные между собой. Обмотка, присоединяемая к источнику питания, называется первичной, а другая, к которой подключается потребитель (нагрузка), - вторичной.

Переменное напряжение U₁, подводимое к первичной обмотке, создает в ней небольшой ток I₁, который в свою очередь образует переменное магнитное поле. Это поле усиливается в тысячи раз за счет магнитных свойств сердечника. Переменный магнитный поток образовавшегося поля Ф почти весь замыкается по сердечнику и пронизывает все витки двух обмоток. Вследствие периодического изменения потока Ф в обеих обмотках трансформатора наводятся переменные ЭДС, значения которых определяют по закону электромагнитной индукции:

 

= - ,                   = - .                            (1)

 

     Действующие значения этих ЭДС можно найти из соотношений:

 

           =  ,             = ,                   (2)

 

где W₁, W₂ – соответственно число витков первичной и вторичной обмоток;

  Ф_м – амплитудное значение магнитного потока;

f – частота переменного тока.

Если на первичную обмотку подано напряжение U₁, а ко второй - нагрузка не подключена, то тока I₂ в ней нет, а напряжение на ее зажимах U₂ численно равняется наведенной в обмотке ЭДС E₂. Такой режим называется режимом холостого хода трансформатора и позволяет получить данные для К, тока холостого хода первичной обмотки I₁₀ и потерь электрической мощности в стали Р_ст. Коэффициентом трансформации К называется отношение ЭДС первичной обмотки к ЭДС вторичной обмотки при холостом ходе трансформатора:

 

                      =  =  = .                                     (3)

Поскольку в режиме холостого хода тока во вторичной обмотке нет, а ток первичной обмотки I₁₀ оказывается незначительным в сравнении с его номинальным (паспортным) значением, то потеря электрической мощности на нагрев медного провода двух обмоток Р_м ничтожно малы. Поэтому потребляемая трансформатором от источника питания электрическая мощность идет на покрытие потерь в стали сердечника Р_ст. Эти потери Р_ст определяются затратами

мощности на перемагничивание сердечника (потери на гистерезис) и нагрев его вихревыми токами.

Холостой ход трансформатора характеризуется низким значением коэффициента мощности – cosj₁₀. Поэтому длительная работа трансформатора в этом режиме недопустима.

Если на первичную обмотку подано напряжение U₁, а ко вторичной - подключена нагрузка (режим нагрузки), то в цепи вторичной обмотки возникает ток I₂, и на зажимах приемника устанавливаются напряжение

 

                                                =  - ,                                  (4)

 

где Z₂ – полное сопротивление вторичной обмотки.

Зависимость величин напряжения U₂ от тока I₂, проходящего по вторичной обмотке и по нагрузке, называется внешней характеристикой (рис.1) и снимается экспериментально при постоянном характере нагрузки (cos j₂ = const, U₁ = const, f = const).

Работа трансформатора под нагрузкой характеризуется коэффициентом полезного действия h и коэффициентом мощности cosj₁, которые зависят от характера и величин нагрузки (рис.2).

Рис. 3. Электрическая схема лабораторной установки

 

Коэффициент полезного действия h представляет собой отношение величины активной мощности Р₂, отдаваемой трансформатором нагрузки, к величине активной мощности Р₁, подводимой к трансформатору от источника питания:

 

               h =  100% =  100%.                         (5)

 

Максимальный КПД соответствует нагрузке, при которой потери мощности стали Р_ст и меди Р_м одинаковы.

Благодаря отсутствию вращающихся частей (трансформатор является статическим аппаратом) коэффициент полезного действия может достигать значений 95%.

 

III. Меры безопасности при подготовке и проведении работы

 

1. Перед сборкой схемы необходимо убедиться в отсутствии напряжения в зажимах сети.

2. Включить схему можно только с разрешения преподавателя.

3. При проведении эксперимента запрещается:

- самостоятельно изменять электрическую схему;

- касаться зажимов трансформатора, приборов и проводников цепи, находящихся под напряжением, делать переключения в схеме;

- оставлять трансформатор включенным без надзора.

4. После окончания работы необходимо отключить стенд, и после разрешения преподавателя разобрать схему.