Вивчення електричних кіл постійного та змінного однофазного синусоїдального струму.

Мета: Вивчити прилади магнітоелектричної, електромагнітної і електродинамічної систем; набути навики вимірювань напруг, струмів, потужностей та опорів у колах постійного струму; засвоїти застосування законів Ома та Кірхгофа для аналізу електричних кіл.

Обладнання:

1. Резистори: ППБ – 25 Г 220 Ом (R₁P) –1шт.

ПЕВ – 7,5 220 Ом (R₂, R₃) –2шт.

2. Міліамперметр постійного струму на 300 мA

(PmA₁ PmA₃) –3шт.

3. Вольтметр однофазний на 0,6 кВт (PW) –1шт.

4. Вольтметр постійного струму на 450 В (PV) –1шт.

5. Омметр на 1 кОм (PW) –1шт.

6. Комплект з’єднувальних проводів –1шт.

 

Основні теоретичні положення:

Електричним ланцюгом називається система, яка складається із джерела електричної енергії (джерела живлення), приймачів електричної енергії (споживачів) та з’єднуючих їх електричних проводів.

Джерела живлення, електричні проводи та споживачі складають основні елементи електричного кола.

Ділянка кола, вздовж якої електричний струм має одне і те ж значення або всі елементи якої з’єднані послідовно, назива-

ється ланцюгом електричного кола.

Вузлом електричного кола називається точка з’єднання трьох або більше ланцюгів електричного кола.

Контуром електричного кола називається замкнений шлях, який складається із кількох ланцюгів та вузлів.

При послідовному з’єднанні споживачів через них протікає один і той же струм, при паралельному з’єднанні споживачі ввімкнені на одну напругу.

Простими називаються електричні кола, які містить одну

е.р.с. та послідовні, паралельні або змішані з’єднання споживачів. Вони розраховуються за допомогою законів Ома.

Закон Ома для ділянки кола: струм на ділянці кола дорівнює напрузі на кінцях цієї ділянки, розділеній на опір цієї ділянки:

I=U/R,

де I – струм на ділянці кола, А; U – напруга на кінцях ділянки кола, В; R – омічний опір ділянки кола, Ом.

Опір постійному струму називається омічним.

R=rl/S,

де R – омічний опір, Ом; r - питомий опір, Ом·м; l – довжина провідника, м; S –площа поперечного перерізу провідника, м².

Закон Ома для замкненого кола: струм у замкненому колі

прямо пропорційний е.р.с. джерела електричної енергії та обернено пропорційний арифметичній сумі внутрішнього та зовнішнього опорів:

I=E/(R₀ + R_сп + R_пр),

де Е – е.р.с. джерела електричної енергії, В;

R₀ – внутрішній опір джерела е.р.с, Ом;

R_сп – опір споживачів, Ом;

R_пр – опір провідників, Ом.

Складними називаються електричні кола, що містять з'єднання розгалужень за схемами зірка або трикутник. Вони розраховуються за допомогою законів Кірхгофа.

Перший закон Кірхгофа: У вузлі електричного кола алгебраїчна сума струмів дорівнює нулю:

ΣI=0.

Другий закон Кірхгофа:у замкненому контурі електричного кола алгебраїчна сума спадів напруг на ділянках кола дорівнює алгебраїчній сумі е.р.с., які діють у цьому контурі.

ΣR1=ΣЕ.

Основними методами розрахунку складних електричних ланцюгів є методи застосування законів Кірхгофа і накладення (суперпозиції).

Порядок виконання роботи.

1.Вивчить призначення, будову та принцип дії приладів магнітоелектричної, електромагнітної та електродинамічної систем.

2. Складіть схему (мал.1.), покажіть викладачу для перевірки і зробіть виміри відповідно напруги, струмів, потужностей і опорів.

 

3. Використовуючи дані вимірів, розрахуйте потужності ділянок, запишіть їх в табл. 1 та порівняйте з виміряними:

P₁=U₁I₁; P₂=U₂I₂; P₃=U₃I₃ ;

P₂₃=P₂ + P₃ = U₂₃I₂₃ ; Р_заг = P₁ + P₂₃ =U_заг I_заг.

4. Виміряйте омметром опори та запишіть їх в табл. 1. Користуючись законом Ома для ділянки кола обчисліть опори, запишіть в табл. 1 та порівняйте їх з виміряними.

5. Зробіть висновки та рекомендації.

6. Усно дайте відповіді на контрольні запитання.

 

Таблиця 1

Параметри дослідження змішаного кола на постійному струмі

1.	Напруга, В	U1	U2	U3	U23	Uзаг
Виміряно
2.	Струм, А	I1	I2	I3	I23	Iзаг
Виміряно
3.	Потужність, Вт	P1	P2	P3	P23	Pзаг
Виміряно	под		-	-
Вт		-	-
Обчислено
4.	Опір, Ом	R1	R2	R3	R23	Rзаг
Виміряно
Обчислено

 

Зміст звіту

1. Номер та назва лабораторної роботи.

2. Схема вимірів (рис. 1)

3. Табл. 1 з виміряними та розрахованими даними.

4. Розрахункові формули та числовий розрахунок.

5. Висновки та рекомендації.

Контрольні запитання

1. Сформулюйте закони Ома та Кірхгофа.

2. Яке коло називається простим, а яке складним?

3. Який порядок розрахунку простого електричного кола?

4. Сформулюйте правила складання рівнянь для складних електричних кіл відповідно до методу використання законів Кірхгофа.

5. Сформулюйте правила складання рівнянь відповідно до методу накладення.

Бібліографічний список

[ 1. С. 4…40; 2. С. 5…60; 3. С. 7…46; 4. С. 7...32;

5. С. 12...56; 6. С. 31...40; 7. С. 8...29 ].

Лабораторна робота №3

Вивчення з'єднань приймачів електроенергії "Зіркою" та "Трикутником".

Мета: дослідити з’єднання приймачів електроенергії зіркою за 4- та 3-провідними схемами; розрахувати основні величини і побудувати векторні діаграми.

Обладнання:

1. Вольтметр змінного струму на 250 В (PV₁) – 1шт

2. Вольтметр змінного струму на 75 В (PV₂) – 1шт

3. Міліамперметр змінного струму на 300 мА

(PmA₁…PmA₄) – 4шт

4. Електролампи на 220 В, 25Вт (HL₁…HL₉) – 9шт

5. Вимикачі (SA₁…SA₃) – 3шт

6. Комплект з’єднувальних проводів – 1шт

Коротка довідка з теорії

При з’єднанні приймачів електроенергії за схемою зірка з нейтральним проводом необхідно початки фаз підключити до лінійних проводів, а кінці фаз в одну точку, яка називається нейтральною, і з’єднати її з нейтральним проводом мережі.

При симетричній системі напруг фазні напруги рівні за величиною ( U_ax=U_by=U_cz=U_ф) і зсунені одна відносно одної за фазою на кут 120^О. Те ж характерне і для лінійних напруг:

U_AB = U_BC = U_CA = U_Λ.

Навантаження називається рівномірним, якщо при симетричній системі напруг опори фаз рівні: z_a= z_b= z_c= z_ф.

При симетричній системі напруг і рівномірному навантаженні струми у фазах будуть однаковими: I_a=I_b=I_c=I_ф.

Навантаження називається однорідним, якщо кути між струмами і напругами в кожній фазі рівні φ_а = φ_b = φ_c = φ_ф.

Якщо виконуються ці дві умови, то навантаження називається симетричним.

Для з’єднання приймачів електроенергії за схемою зірка з нейтральним проводом характерні наступні співвідношення:

1. Лінійні напруги дорівнюють геометричній різниці фазних напруг при будь-якому навантаженні фаз:

; ; .

2. Лінійні напруги дорівнюють U_Л = U_Ф. при будь-якому навантаженні фаз.

3. Лінійні струми дорівнюють фазним:

I_A = I_a; I_B = I_b; I_C = I_c; I_Λ = I_ф

4. Геометрична сума фазних струмів дорівнює струму в нейтральному проводі _.

Роль нейтрального проводу полягає в тому, що він забезпечує симетрію фазних напруг приймача при несиметричному навантаженні фаз. Тому за цією схемою вмикають однофазні несиметричні навантаження (освітлювальні навантаження та ін.) і режим роботи кожної фази, яка знаходиться під незмінною фазною напругою, не буде залежати від режиму роботи інших фаз.

При з’єднанні зіркою з нейтральним проводом ланцюг виходить трифазним чотирипровідним.

При з’єднанні приймачів електроенергії за схемою зірка необхідно початки фаз з’єднати з лінійними проводами, а кінці фаз в одну точку (нейтральну). Ланцюг при цьому виходить трифазним трипровідним.

Для з’єднання приймачів електроенергії за схемою зірка характерні наступні співвідношення:

1. Лінійні напруги дорівнюють геометричній різниці фазних напруг при будь-якій симетрії напруг:

; ; .

2. При симетричній системі напруг і рівномірному навантаженні: U_Л = U_ф.

3. Лінійні струми дорівнюють фазним струмам:

I_A = I_a; I_В = I_b; I_C = I_c; I_Л = I_ф.

Рис. 8. Схема вимірювання з’єднання приймачів електроенергії зіркою

Таблиця 7

Параметри дослідження з’єднання приймачів електроенергії зіркою

Nвимірювання	Схема з’єднання	Режим наванта- ження	Виміряно
Фазні напруги, В	Лінійні напруги, В	Лінійні та фазні струми, А
Uax, В	Uby, В	Ucz, В	UAВВ	UB,С В	UC,АВ	IA= Ia	IB = Ib	IC = Ic
	Зірка з нейтральним дротом	Симетричний
	Зірка з нейтральним дротом	Несиметричний
	Зірка без нейтрального дроту	Несиметричний

 

	Розраховано
Струм у нейтральному дроті, А	Напруга зміщення нейтралі, В	Опір фаз, Ом	Активні потужності, Вт
In	Un	ra	rb	rc	Pa	Pb	Pc	P

 

4. Геометрична сума фазних струмів дорівнює нулю:

.

При схемі зірка вмикаються споживачі з рівномірним навантаженням (трифазні асинхронні електродвигуни та ін.).

Розрахунок струмів проводиться в кожній фазі окремо:

; ; ; .

При симетричному навантаженні фаз активна потужність з’єднання дорівнює: .

При несиметричному навантаженні фаз розрахунок активної потужності проводиться в кожній фазі окремо:

P_a=U_axI_acosφ_a, P_b=U_byI_bcosφ_b, P_c=U_czI_ccosφ_c.

Потужність трифазного з’єднання:

P = P_a + P_b + P_c.

Хід роботи

1. Зберіть схему (рис.8), покажіть викладачу для перевірки, проведіть вимірювання і результати запишіть в табл. 7.

2. Розрахуйте необхідні величини і запишіть їх в табл. 7.

3. Побудуйте в масштабі три векторні діаграми для наступних схем:

а) зірка з нейтральним проводом при симетричному навантаженні фаз;

б) зірка з нейтральним проводом при несиметричному навантаженні фаз;

в) зірка без нейтрального проводу при несиметричному навантаженні фаз.

3. Зробіть висновки та рекомендації.

4. Дайте повні відповіді на контрольні запитання.

Зміст звіту

1. Схема вимірювання (рис. 8)

2. Таблиця 7.

3. Розрахункові формули і чисельний розрахунок.

4. Три векторні діаграми (рис. 9)

5. Висновки та рекомендації.

Контрольні питання

1. Яке з’єднання називається зірковою з нейтральним проводом і зіркою?

2. Які характерні співвідношення лінійних і фазних параметрів мають місце при цих з’єднаннях?

3. Яка дія нейтрального проводу?

4. Як проводиться розрахунок струмів, опорів і активних потужностей?

5. Де використовується схема зірка з нейтральним проводом і зірка?

Рис. 9. Векторні діаграми напруг і струмів для схем: а – зірка з нейтральним проводом при несиметричному навантаженні фаз; б – зірка при несиметричному навантаженні фаз.