Марин Маринов Андрей Андреев Емил Барудов

РЪКОВОДСТВО ЗА ЛАБОРАТОРНИ УПРАЖНЕНИЯ ПО ЕЛЕКТРОТЕХНИКА И ЕЛЕКТРОНИКА

C o m m T o c h КОМШИИ,|>ИИ КПНфИ1урмЦИИ i Iii|nyii|i »,l|y|yil|i структурни КПГНШИИ I И1 luMM

4 1 \ fLJ Щ ] Г1 Компютри Ком< уми 1 ИПИ М|»«И1И ( «|1ЯИ|

Комуникации и систомнп иниир.щии • проектирани на корнортиинп комуникационни мм<|»|м«< фумура,

ИНСШЛвЦИМ, ОДИШраНИ И М<М1П|>ЬЖН1 • КОМуНИКЛЦИОННО оГшрудМИНП. I 1РУИ1У|)НИ HUlilHIHH I И1 ШМИ

безжични, ОН1ИЧНИ комуникнци ршнвнин • обучение и поддръжка ни ноноин||ндпнй11« иш|">|IMIHIM«tMHii I MI Iома

Хардуер • дисiрибуцип на коммкиьрни компоииши • СОрНИ.1И|)ПНО И ри ШрНИИ 'III! 1И III 0||»И1 111ЦНИИН • Норифприи III KOMIIIIII 1.рНИ И OlpHI I И1 и МИ

Софтуер • дистрибуции 1111 I 0(|нунр • преинстапирпнп на онпрпционни i in шми и лриноч ,oi|nynp

Продажба и асемблирано нп марсонлмни номпкмри • асемблирани на соГиаиина пиннч • продажба на готови комик»ьрни конфшурмции • upgrade на комнюп.рни конфшурации

Други услуги • консултации при нзимани на ршннни» ш

изграждане на информационни и Tin m юми • поддръжка и сервиз на комнкл ьрни и о(||И1 шиника

гр. Варна ion 0!>2/.'>99 917 ул. „Кестен" 14 / !>99 918 o f f i ce@commtech-bg .com Of»/ / 699 919 www.commtech-bg .com фам 0 ' » / / 5 9 9 920

Технически Университет — Варна

Марин Маринов Андрей Андреев Емил Барудов

РЪКОВОДСТВО

за лабораторни упражнения по

ЕЛЕКТРОТЕХНИКА И ЕЛЕКТРОНИКА

В а р н а - 2 0 1 0

РЪКОВОДСТВО ЗА ЛАБОРАТОРНИ УПРАЖНЕНИЯ ПО ЕЛЕКТРОТЕХНИКА И ЕЛЕКТРОНИКА

Автори: © Марин Маринов, © Андрей Андреев © Емил Барудов

Предпечат и печат: © ЕНА ООД ISBN: 978-954-91489-6-1

УВОД

В настоящото ръководство са включени теми, чрез които се допълват и онагледяват основни раздели от учебния материал по дисциплините „Електротехника" и „Електротехника и електро-ника" за студентите от неелектрическите специалности на ТУ-Варна. Разгледани са въпросите за измерване на основните елек-трически величини във веригите за постоянен и променлив ток. Студентите се запознават с устройството, принципът на действие и характеристиките на еднофазния трансформатор и на най-раз-пространените електрически машини за постоянен и променлив ток. Разгледани са някои полупроводникови елементи и устрой-ства, изградени с тях. Дадени са указания за практическа работа с електроизмервателните уреди и техническата безопасност в елек-тротехническите лаборатории. Изложението на лабораторните упражнения обхваща:

I. Цел на упражнението — формулирани са основните методи-чески въпроси, които засяга разглежданата тема.

И. Кратки пояснения - изясняват се основните теоретични постановки и особености на лабораторното упражнение.

III. Програма за работа — дават се практически указания за реда на провеждане на упражнението.

IV. Обработка на опитните резултати и съдържание на про-токола — посочва се редът на обработка на резултатите, основни изчислителни формули и обемът и съдържанието на отчета, които студентите следва да представят, след завършване на лаборатор-ното упражнение.

V. Контролни въпроси — въпроси които да подпомогнат са-мостоятелната работа на студентите при подготовка на лабора-торното упражнение.

VI. Основни изводи. Ръководството по електротехника и електроника е съставено,

3

като са използвани методични разработки и начинът на изложе-ние в предходни сродни издания на авторите.

Лабораторните упражнения се провеждат в лаборатории 703 и 317А в сградата на Електротехническия факултет на ТУ-Ва-рна.

Авторите изказват благодарност на доц. д-р инж. Пенка Рал-чева за ценните съвети при изработване на ръководството.

Всички полезни забележки и препоръки към ръководството авторите ще приемат с благодарност.

от авторите

4

ОБЩИ УКАЗАНИЯ ЗА ПРОВЕЖДАНЕ НА ЛАБОРАТОРНИТЕ УПРАЖНЕНИЯ

В началото на всяко упражнение се прави проверка на подго-говката на студентите по теоретичната постановка на упражнението, което предстои да се изработва. За улеснение към всяко лабораторно упражнение в настоящото ръководство са дадени кратки теоретични пояснения, а в края на ръководството и списък на литературата, която може да се ползва.

Студентите разучават добре опитната постановка, описват да-нните и параметрите на електрическите машини и измервателните уреди и след получаване на указания от ръководещия упражнението преподавател, пристъпват към свързването на съответната електри-ческа схема от ръководството.

Електрическата схема представлява графично изображение на електрическата верига. При начертаването й трябва да се използуват i;i всеки един от съставните й елементи условни знаци по БДС. По-следователната част на електрическата верига се образува от източни-ка на енергия, консуматора, съединителните проводници и токовите намотки на измервателните уреди. Препоръчва се да се свърже първо гази част от веригата, понеже по нея протича токът от източника към консуматора. Изпълнява се с проводници с по-голямо сечение, а на електрическите схеми се чертае с дебела линия. Паралелните вери-ги представляват напрежителните намотки на измервателните уреди, иъзбудителните намотки на някои машини и др. Те се изпълняват с ироводници с по-малко сечение и се очертават с тънки линии. Из-ползваните уреди и машини се свързват така, че да се получи пре-гледност на реализираната схема, възможност за лесно проследяване па веригите и отчитане на уредите.

Въз основа на получените резултати от измерванията и изчисле-нията от проведеното лабораторно упражнение се съставя протокол. Указанията относно съдържанието на протокола са дадени към всяко лабораторно упражнение.

За описание на номиналните данни на използваните измервател-ни уреди, електрически машини и устройства да се използват съот-нетно таблица 1 и 2.

5

Таблица 1

№ Наимено-вание

Фабричен № Система Клас на точност Обхват Скални

деления Констан-

ти

Таблица 2

№ Наименование на машината Тип

р 1 нам kW

ином V

^ И ОМ

А cosip Ч

% п . - / mm Забележка

В таблица 3 са дадени символите, приложението и основните ха-рактеристики на различните типове електроизмервателни системи.

УКАЗАНИЯ ОТНОСНО ТЕХНИЧЕСКАТА БЕЗОПАСНОСТ В лабораториите по Електротехника и електроника се работи с

променливи напрежения: еднофазни - 220V и трифазни 380V; посто-янни регулируеми от 0-^250V. Тези напрежения в смисъла на правил-ника за техническата безопасност са опасни за живота на човека. По време на лабораторните упражнения се използват въртящи сс елек-трически машини, които по необходимост имат открити въртящи се части и могат да причинят механични увреждания при невнимател-на работа с тях. Това налага студентите добре да познават и спазват правилата за работа с електротехнически съоръжения и правилата по техническа безопасност.

Основните правила са следните: 1. Студентите трябва добре да познават начина на включване

и изключване на захранващите напрежения към работните места в лабораторията.

2. Захранване на свързаните вериги се подава само след провер-ка и разрешение на ръководителя на упражнението.

3. Забранено е допирането до открити тоководещи части и из-ползването на съединителни проводници с видимо повредена изола-ция.

4. Забранено е разместването на елементи от веригите или пре-късване на проводници, след подаване на захранващото напреже-ние.

6

5. Лабораторните постановки в които напрежението се регули-ра посредством автотрансформатори или делители на напрежение, независимо че подаденото напрежение е с малка стойност, не са без-опасни. Поради наличие на галванична връзка между първичната страна и изхода на товара, е възможно да възникне допирно напре-жение равно на напрежението на мрежата. Ето защо е задължително изключването на захранването при работа по схемата, а не само на-маляване на напрежението.

6. При работа с индуктивни бобини и кондензатори е възможно да възникнат пренапрежения, които са опасни за живота, независимо от напрежението на захранващия източник. След изключване от ве-ригата, трябва изводите на кондензаторите да се свържат накъсо, за да се предизвика разреждането им.

7. При възникване на злополука или повреда на измервателните уреди или други лабораторни съоръжения, незабавно се изключва на-прежението и се вземат мерки за незабавна помощ на пострадалия.

УКАЗАНИЯ ЗА РАБОТА СЪС СПОМАГАТЕЛНА АПАРАТУРА В процеса на лабораторните изследвания, освен измервателни

уреди, се използват спомагателни съоръжения и апарати като резис-тори, товарни устройства, автотрансформатори и др.

Резисторите, в лабораторните постановки, са постоянни и про-менливи. Постоянните резистори се използват при точни лаборатор-ни измервания с фиксирани стойности на съпротивленията. Особено широко приложение имат безстепенните регулируеми резистори - ре-остати. В лабораторните постановки се използват два вида реоста-ти: водни и жични. Водните реостати представляват съд, в който е поставен воден разтвор на електролит, и в който се потапят метални електроди. Водните реостати са предимно товарни резистори за по-голяма мощност. Жичните реостати се използват като:

а) постоянни съпротивления - включват се само двата им края; б) променливи съпротивления (потенциометри) - включват се

така, че с помощта на плъзгача се изменя съпротивлението им; в) делители на напрежение - двата края се свързват към източ-

ника, а от извода на плъзгача и единия край се извежда регулируемо-то напрежение.

7

Фиг. В. 1-а, 1-6, 1-в

На фиг. В. 1 са показани примери на свързване на реостат при: а) изменение на съпротивлението от нула до безкрайност (до-

пуска се прекъсване на веригата)', б) като потенциометър (при изменение на съпротивлението от

0 до Rmax). в) като делител на напрежение. Параметрите, по които следва да се подбират реостатите, са: го-

лемината на съпротивлението и допустимия ток. При включване на реостата като делител на напрежение, токът на реостата се определя от:

където: 1Т — токът на консуматора; UMP - напрежението на източника {мрежата)] R - съпротивление на реостата. Честотата на въртене на електрическите машини се измерва с

механични и електронни оборотомери. Генераторите се натоварват посредством товарни резистори. Двигателите се натоварват чрез постояннотокови генератори

или с електромагнитни вихровотокови спирачки. При натоварване с постояннотоков генератор е необходимо предварително той да бъде еталониран (тариран), т.е. да се знае с необходимата точност к.п.д. или разпределението на мощностите на загубите.

8

При натоварване с вихровотокова спирачка, товарният момент се регулира чрез изменение на постоянния намагнитващ ток на боби-ните на полюсите. Измерването на товарния момент става непосред-ствено по скалата, отчитайки завъртането на магнитната система и тежестта закрепена за нея.

Таблица 3

Систе-ма па

тмерв. уред Символ

Прило-жение

Bud на

тока

Клас на

Измервателен диапазон Работна

Макс. собств-

ена консума-

ifun, W

Систе-ма па

тмерв. уред Символ

Прило-жение

Bud на

тока точност

директно вкл.

с разш. обхват

HZ

Макс. собств-

ена консума-

ifun, W

1 2 3 4 5 6 7 8 9

Магиито-гчсктричпа

(МЕ) 0 A;V; G; П - 0,1...4 10"10-Н06А

10"8-104V A-Rm

10 V - R f l

10'9Щ2 0,1...1 0,1...1

МЕ с преобра-зувател Q A; V = 0,1.„4 10"S-10A

10_1-103V

105Ас ТТ

106Vc н т

20...105

20...105 0,2

Термо-• иктрична

д \ / A;V = 0 ,1 -4 lO^- lA

10"2-103V 103Ас

т т 5...106 1

/•'чектро-мигпипша

•с A; V; Hz; costp

= 0,5...2,5 10"3-103А 10"3-103V 10"3-10А-

105Ас т т

106Vc н т

10-105 2.. .5

1 исктро-Ошшмична

г Д - , W; A; V; coscp;

kW/h = 0,1...0,5

10 3-103А 10-103V

10"3-Ч0А-

105АС т т

106Vc НТ

40-2400 10-1000 5...10

Феро-• иншмнчнч € W; A;

V; coscp; kW/h

= 0,5...2,5 10"3-10А =

50-103V 10"2-103V-

105Ас ТТ

106Vc НТ

40...1500 40...1500 1...3

9

Индук-ционна 0 kW/h £ 1,5...4 50Hz 1...8

Електро-статична

V 0,05..1,5 H10 6V = 20... 107 RBX-«o

10

Лабораторно упражнение ИЩ^

ИЗМЕРВАНЕ НА ПОСТОЯНЕН ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК, НАПРЕЖЕНИЕ И МОЩНОСТ

ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се запознаят студентите с методите за непосредствено измер-

ване на постоянен ток, напрежение и мощност. 2. Да усвоят навици за правилен подбор на необходимите измерва-

телни уреди и определянето на константите им. 3. Да се разучат и приложат практически начините за разширяване

на обхватите на измервателните уреди.

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ За непосредствено измерване на токове и напрежения в ел. вериги

се използват амперметри и волтметри. Амперметрите се свързват последователно с консуматора във вери-

гата, в която се измерва тока. Сдедователно, за да не се измени работ-ният режим на веригата (измервания ток), амперметрите трябва да имат много малко съпротивление.

Волтметрите се включват паралелно към консуматорите или в точ-ките, между които се измерва напрежението. Те имат големи вътрешни съпротивления.

Най-често използуваните амперметри и волтметри са от магнито-слектричната, електромагнитната и електродинамичната систсма[ Уре-дите от магнитоелектричната система се използват за измерване при постоянен ток, имат равномерна скала, високи класове на точност и чувствителност. Уредите от електромагнитната и електродинамичната система могат да с& използват за измерване и при постоянен и при про-менлив ток, нр ймат неравномерни скали. За измерване на ток и напре-жение се използват и цифрови уреди.

Обикновено за измерване на мощност при постоянен ток се използ-пл косвеният метод - чрез амперметър и волтметър. За непосредствено измерване на мощност при постоянен ток, се използват ватметри пре-димно от електродинамичната система. Токовата намотка на ватметрите се включва последователно, а напрежителната - паралелно на веригата, и която ще се измерва мощността. За да се получи правилно отклонение

11

на стрелката на уреда е необходимо да се съблюдава свързването на ге-нераторните изводи (началата) на намотките.

За да се осигури по-голяма точност на измерването, обхватът на уреда трябва да се избира така, че отчитането да става в средата или в края на скалата му. Когато обхватът на измервателния уред е по-малък от стойността на съответната измервана величина се използува разши-ряване на обхвата.

Обхватът на амперметър от магнитоелектричната система се разширя-ва чрез шунт ( Я ш ) - малко по стойност калибровано съпротивление, което се включва паралелно на амперметъра или чрез секциониране на намотката - фиг. 1.1. Големината на съпротивлението Я ш се определя с израза:

= f ^ T S o (l.i) 77 — 1

където: RA - съпротивление на амперметъра; п - кратност на разширение на обхвата; IРАзш и Iна ~ с а съответно разширения и номинален ток за ампер-

метъра.

Стандартните шунтове имат маркировка на токовите и потенциалните клеми с номинални стойности за UHU] (Т V) и 1НШ (А). Стойността на такова шунтово съпротивление може да се определи съгласно закона на Ом.

Разширяването на обхвата чрез секциониране се постига, като се променя начинът на свързване на отделните секции на намотката на уреда (последователно, паралелно, смесено).

Номиналната константа на амперметъра се определя с израза:

г = А _ , А / д е л / (1.2) Й шах

а разширената константа при използуване на шунт R m съответно:

= K a i . n , А/дел (1.3) шах

където: I ш - номинален обхват, А; и̂шх ~~ максимален брой скални деления.

Обхватът на волтметрите и на напрежителната намотка на ватме-

12

I рите се разширява чрез допълнителни резистори, които се включват последователно на уреда или чрез секциониране - фиг. 1.2.

+

Фиг. 1.1 Фиг. 1.2

Големината на съпротивлението Я д на тези резистори се определя I п чраза:

RA=RV.{M-\) ,0. ,„ = U РАЗШ

и, (1.4)

1 |.дсто: RV, R „,- вътрешно съпротивление на волтметъра или на напрежи-

щата намотка на ватметъра; т - кратност на разширяване на обхвата по напрежение; U„- номинален обхват на уреда, V. UpA3ui - разширен обхват на уреда (избира се от субекта на измер-

miiicro); hiv\ hnv~ максимално допустими токове през волтметъра и напре-

* н ичшата намотка на ватметъра. I юминалната константа

К AJ

волтметъра се рцрсделя с израза:

Hvf-7T~ , V/дел шах

|( |Ш I / / ТТ Tj

т - РА1ТГТ тирената константа е: K,pv = в.,

(1.5)

= КHV.m , V/дел (1.6)

Мощност във верига за постоянен ток може да се измери с ампер-п р и волтметър - косвен метод. Възможни са два начина за свързване

ни щчи уреди (по отношение на консуматора)-, предно — схема „V-A" фш I За и задно - схема „Л-Р' фиг. 1.36.

13

a) б) Фиг. 1.3

При схема „V-А" съгласно фиг. 1.3а, волтметърът отчита по-голямо напрежение от действителното напрежение в краищата на консуматора RK. Следователно, при определяне на мощността RK, W на консуматора от показанията на двата уреда, се допуска грешка 3, която се определя от израза:

S % = P ~ P k .100 = ^ - . 1 0 0 = ^ - . 1 0 0 (1.7) РК UK RK

където: Р = U.I- отчетена мощност; Uк - напрежение в краищата на RK; RA - сума от съпротивленията на амперметъра и токовата намотка

на ватметъра.

При схема ,^4-V" съгласно фиг. 1.36, амперметърът отчита ток, по-голям от действителния, който протича през R K . Грешката, която се допуска в този случай се определя от израза:

Р — Р U R 8 % = - — — . 1 0 0 = - — - . 1 0 0 = -XlOO,

РК RV1K RV

където: 1К - токпрез RK (1.8) RK

От (1.7) следва, че при схема „V-А", грешката ще бъде толкова по-малка, колкото консуматорът е с по-голямо съпротивление RK, а при схема ,^4-V" - колкото е с по-малко съпротивление (виж ЛУ 4).

За отчитане на действителната мощност на консуматора, трябва от отчетената мощност (P—U.I), да се извади собствената мощност на уре-да, включен по-близко до консуматора.

14

При непосредствено измерване на мощност с ватметър, токовата и на-прежителната намотки на ватметъра се включват по схема „V-А" или ,/4-F", съгласно посочените по-горе съображения. При измервания в маломощни вериги (до 5W), е необходимо да се извършват корекции в отчитанията.

/ Константата на ватметъра е:

к _ IH-Ub KHW - , W/дел, (1.9)

III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. По зададени параметри на ел. консуматор, захранен с постоянно

напрежение, да се подберат амперметри и волтметри от магнитоелек-тричната система. Да се определят номиналните и разширените кон-станти на използуваните уреди .

2. Да се свърже електрическата схема съгласно фиг. 1.4. 3. Резултатите, получени от измерванията при различни стойности

па захранващото напрежение и на консуматора RK, да се нанесат в таб-лица 1.1.

4. Волтметърът да се подбере с такъв обхват, че отклоненията на стрелката да бъдат около и след средата на скалата.

5. Да се направят заключения за точността на измерването. R шунт

Фиг. 1.4

Таблица 1.1

и l<v= KHv=

II К Н А =

h Rm~ КНА= Крд=

Р

е u=KHV. е е II-KHA- б е Ij-К-РА- 0 P=U.Ii дел V дел А дел А W

15

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на начините за измерване на ток, напрежение и мощност - включване на уреди; грешки на измервателния метод; раз-ширяване на обхват - токов и напрежителен.

2. Електрическа схема - фиг. 1.4. 3. Описание на използуваните уреди и съпротивления. Резултатите

от измерванията да се нанесат в таблица 1.1. 4. Определяне на номиналните и разширените константи на уре-

дите. 5. Изводи.

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Как се свързват амперметър и волтметър в ел. верига? 2. Как се определят номинални константи на амперметър и волт-

метър? 3. Какви са последствията от погрешно включване на амперметъра

- паралелно във веригата? 4. Какви са последствията от погрешно включване на волтметъра

- последователно във веригата? 5. Какви са начините за разширяване на обхвата на амперметър за

постоянен ток? 6. Какви са начините за разширяване на обхвата на волтметър за

постоянно напрежение? 7. Как може да се измери ел. мощност във верига за постоянен ток? 8. В кои случаи при измерване на ел.мощност се използува схема

„V-А" и в кои ,4-У'? 9. Защо трябва да се съблюдава правилно свързване на изводите

(началата) на измервателните уреди? 10. Какви са предимствата и недостатъците на уредите от магнито-

електричната система? А от електромагнитната система? 11. Какво представлява класът на точност на измервателните уре-

ди? 12. Как влияе неравномерността на скалата върху точността на из-

мерването? 13. Как се включва в ел. верига амперметър, обхватът на който е

разширен с шунт?

16

4 D VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ I. Амперметърът се включва последователно в клона, в който се

ч 1 к рка ток. Включването на амперметъра успоредно предизвиква късо I м динение (RA е много малко).

?,. Волтметърът се включва успоредно към клона, на който се из-• I нш напрежението. Включването на волтметъра последователно в из-н рмлгелната верига води до нарушаване на нормалната работа на no-

il" Oi | голя (тъй като Ry е голямо, ел. верига практически се прекъсва) н in неправилно измерване.

При измерване на мощност трябва да се използува правилен из-> "I > на схемата на свързване на уредите, както и на токовата и напрежи-• • чиита намотка на ватметъра (V-А или A-V).

•I. Обхват на амперметър се разширява с шунт и секциониране. 5. Обхват на волтметър се разширява с добавъчен резистор и със

• Iпиониране.

Лабораторно упражнение $$ ' /

ИЗМЕРВАНЕ НА ПРОМЕНЛИВ ЕЛЕКТРИЧЕСКИ ТОК И НАПРЕЖЕНИЕ.

ИЗМЕРВАНЕ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКА МОЩНОСТ

С З I. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се запознаят студентите с методите за непосредствено измер-

н шг па променлив електрически ток, напрежение и мощност. 2. Да усвоят навици за правилен подбор на необходимите измерва-

|| нш уреди и определянето на константите им. Да се разучат и приложат практически начините за разширяване

н.| обхватите на измервателните уреди.

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ I [ай-често за измерване на променлив ток и напрежение се изпол-

(V на I амперметри и волтметри от електромагнитната и електродинамич-

17

ната система. За измерване при променлив ток и напрежение могат да се използуват уреди от магнитоелектричната система с преобразуватели, както и цифрови уреди.

За непосредствено измерване на активна мощност при еднофазен про-менлив ток, се използуват ватметри предимно от елекгродинамичната сис-тема. Токовата намотка на ватметрите се включва последователно, а напре-жителната- паралелно на веригата, в която ще се измерва мощността. За да се получи правилно отклонение на стрелката на уреда е необходимо да се съблюдава свързването на генераторните изводи (началата) на намотките.

За да се осигури по-голяма точност на измерването, обхватът на уреда трябва да се избира така, че при отчитането стрелката да се откло-нява във втората половина или в последната третина на скалата. Когато обхватът на измервателния уред е по-малък от стойността на съответна-та измервана величина се използува разширяване на обхвата.

Обхватът на амперметри от електромагнитната и електродинамич-ната система се разширява чрез секциониране или чрез използване на токов трансформатор - при измерване на променлив ток.

Токовият трансформатор (ТТ) има маркировка на изводите на пър-вичната и вторичната намотка.

Токов трансформатор

Фиг. 2.1 където: <

К- начало на първичната намотка; L - край на първичната намотка; k - начало на вторичната намотка; /(/,) - край на вторичната намот-

ка. Коефициентът на трансформация е:

т/' Н Ajy = , коефициент на трансформация на (2.1)

токовия трансформатор където:

18

/ 1 я - номинален първичен ток; / 2 н - номинален вторичен ток. По стандарт вторичният ток /->н

с 5 А или 1 А. Номиналната константа на амперметъра се определя с из-раза:

К т = , А/дел (2.2) max

и разширената константа при използуване токов трансформатор, съот-истно:

IРАЧТП RS TJ- ' ^ т

1-1* КРА = = КТТ-КНА (2-3)

шах

където: IРАЗШ - разширен обхват, А;

Обхватът на волтметрите и на напрежителната намотка на ватме-ipirre се разширява чрез допълнителни резистори, които се включват последователно на уреда, чрез секциониране или чрез напрежителен I рансформатор (НТ).

Големината на съпротивлението Кд на тези резистори се определя е израза:

Rfl=Rw.(m-l) , Q (2.4) където:

Rw - вътрешно съпротивление на волтметъра или на напрежител-ната намотка на ватметъра;

1гп0тттг1лт< тт 1 «оптттттяпотто тто л^пофо / .' РАЗШ Ш = —РАЗШ — кратност на разширяване на обхвата. U }

U н се подбира така, че m да е цяло число и Ирлзш > Ut',

U ц - номинален обхват на уреда, V; UT - напрежение върху товарното съпротивление (на входа на ве-

ригата).

Номиналната константа на волтметъра се определя с израза:

KHV = , V/дел (2.5) max

,i разширената:

19

т- ^ РА1 т -kpv = = , v/дел (2.6)

max

ИДИ

JJ

; Kpv = ~ Kftv •кнт , V/дел (2.7) max

където: U н - номинален обхват, V; <9юах - максимален брой скални деления; К н т - коефициент на трансформация на НТ. Активната мощност при еднофазен променлив ток се определя с

израза: Р = U.I.coscp (2.8)

където: U и I- ефективни стойности на напрежението и тока; СР - фазовата разлика между напрежението и тока; coscp - фактор на мощността. Ватметрите се градуират при coscp=l, следователно, при измерва-

не на постоянен и променлив ток, номиналната им константа се опре-деля с израза:

I U KHw = ~ J ~ J L , W/дел (2.9)

шах При разширяване на обхвата на токовата и напрежителната намот-

ка, разширената константа на ватметъра е:

KPW = 1 р А з Ь р л 3 = К„m.KHW , W/дел, (2.10) max

където:

m = ^ РАЗШ - кратност на разширение на напрежителния обхват;

I. К т т = - кратност на разширение на токовия обхват (коефициент 11 на 77); ^1Н

Факторът на мощността COS (р може да се определи от показанията на амперметъра, волтметъра и ватметъра:

20

cos Й> = — (2.11) U.I,

Пълната мощност: S—U.I _ (212) Реактивната мощност: Q — v S 2 — рг (2.13)

III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. По зададени параметри на ел.консуматор при захранване с промен-

iiiino напрежение, да се подберат подходящи уреди за измерване на тока, и.цфежението и мощността и да се определят номиналните им константи (А ii.h Khv и Khw)- Да с е разшири обхватът на амперметъра (електромагнит-на система) и ватметъра (електродинамична система), с токов трансфор-M.irop и добавъчно съпротивление. Да се определят коефициентът на тран-> формация на токовия трансформатор и разширените константи.

2. Да се свърже схемата от фиг.2.2. Резултатите от измерванията да | е нанесат в таблица 2.1.

тт

X Фиг. 2.2

Таблица 2.1

и KHV =

h Кад™

h КИД=

КРД=

I'w KJIW- , Kt>w':;s

Ктг̂ » P - U J , COS <Р

11 1 > К „ У 0 G 1 К , , Д . 0 0 1 К,Л. В G Pw'Kpw.O CJI V дел А дел А дел W W -

21

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на начините за измерване на ток, напрежение и мощ-ност - включване на уреди, разширяване на обхват - токов и напрежителен.

2. Електрическа схема - фиг. 2.2. 3. Описание на използуваните уреди, измервателни трансформато-

ри и съпротивления. 4. Резултати от измерванията - табл. 2.1 5. Определяне на номиналните и разширените константи на уредите. 6. Определяне на coscp. 7. Изводи.

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Как се свързват амперметър и волтметър в ел. верига? 2. Как се определят номинални константи на амперметър, волтме-

тър и ватметър? 3. Какви са начините за разширяване на обхват на амперметър за

променлив ток? 4. Какви са начините за разширяване на обхват на волтметър за

променливо напрежение? 5. Как се измерва активна мощност на еднофазна верига за промен-

лив ток? 6. Защо трябва да се съблюдава правилното свързване на генера-

торните изводи (началата) на ватметъра? 7. Как може да се определи факторът на мощността при еднофазна

верига за променлив ток? 8. Как се включва в ел. верига амперметър, обхватът на който е

разширен с токов трансформатор?

4 D VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ 1. При измерване на мощност трябва да се използува правилен из-

бор на схема на свързване на уредите, както и на токовата и напрежител-ната намотка на ватметъра (V-А или A-V).

2. При включването на ватметър трябва да се съблюдава правилно-то свързване на началата на токовата и напрежителната намотка.

3. Обхватът на амперметър се разширява със секциониране и с то-ков трансформатор .

4. Обхватът на волтметър се разширява с добавъчен резистор, със секциониране и с напрежителен трансформатор.

22

2_

ПРЕКИ МЕТОДИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА СЪПРОТИВЛЕНИЕ

I. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се разучат и да се усвоят практически методи за измерване на

' мфотивления. 2. Да се измерят съпротивления с използването на омметри и мо-

| юни схеми. 3. Да се провери с мегадмметър изолацията на асинхронен двига-

u*i[ и битови електроуреди.

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ Методът за измерване на съпротивление се избира в зависимост от

желаната точност, вида на съпротивлението и стойността му. В практи-ки а обхватът на измерваните съпротивления е твърде широк от 10"8

Най-често използваните методи за измерване на съпротивления са

г-мостови методи за измерване на съпротивления; - - непосредствени методи - с омметри и мегаомметри. Съпротивлението на дадена електрическа верига се определя от

сношението на напрежението и тока, които действат на входа на меригата. Графичната зависимост между напрежението и тока при-иижени върху дадено съпротивление се нарича волтамперна харак-п ристика. В зависимост от това дали тази графика е линейна или мгцинейна, съпротивлението е съответно линейно или нелинейно. Иьрху съпротивлението на електрическата верига оказват влияние члшератураха, материадът-на проводниците, видът на напрежението н гока, чесхотата на променливия ток и други.

11ри верига за постоянен ток съпротивлението се определя от отно-шението на постоянното напрежение и ток по закона на Ом:

II)16, Q .

iисдните: - косвен метод — с волтметър и амперметър;

R = — , П и R = — , D (3.1)

23

При веригите за променлив ток основен параметър е пълното съпротивление z (импеданс), който се определя като отношение на ефективните стойности на напрежението и тока на входа на верига-та.

z = Jr2+X> = Jr2 + [XL - Х с У (3.2) където:

R - активно съпротивление, което зависи от честотата/ диаметъра на проводника, специфичната проводимост, магнитната проницаемост, П;

XL - реактивно индуктивно съпротивление, Q.; XL = co.L; co=2uf— кръгова честота, rad/s; L - индуктивност, Н; Хс - реактивно капацитивно съпротивление, f2; Хс = 1/со. С; С - капацитет, F.

/. МОСТОВИ МЕТОДИ ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА СЪПРОТИВЛЕ-НИЕ

Измерването на съпротивления чрез мост за постоянен ток се ха-рактеризира с голяма чувствителност и точност (до 0,001%). Съществу-ват мостове и за променлив ток. На фиг.3.1 е показана принципна схема на уравновесен единичен мост за постоянен ток. Тази схема е известна в практиката под названието „мост на Уитстон". Мостовата схема включ-ва четири резистора (Rx, Rh R2 и R3), свързани във вид на четириъгълник. В диагонала АС се свързва източник на постоянно напрежение с малко вътрешно съпротивление. В диагонала DB се включва нулев индикатор (обикноеенно галванометър). Резисторите се наричат рамена на моста. Мостът е в равновесие, когато галванометъра показва 0 или 1Г=0. При равновесие на моста напрежението върху галванометъра UDB=0. Потен-циалите на точките D и В са равни (VD=VB). При равновесие на моста между четирите съпротивления съществува функционална зависимост, съгласно която едно от съпротивленията (Rx) може да се изрази чрез ос-таналите, които са предварително известни. За възловите точки D и В от първия закон на Кирхоф следват уравненията (3.3).

24

С 0 Tt>K

Фиг. 3.1

I x = / , и / , = / ; (3.3) За контурите ADB и CDB могат да се запишат уравнения по втория

I ши! на Кирхоф: Rx. Ix-R1.I1=0 ^>RX.IX=R1.I1 (3.4) R,./, - Л2 ./2 = 0 = i?2,/2 (3.5) Разделяйки уравнение (3.4) почленно на уравнение (3.5) и вземай-

ки под внимание уравнение (3.3) се получава условието за равновесие н,1 моста:

R R

R, R, Я (3.6)

4 i l

2 v

2

От израза (3.6) следва, че уравновесяването на моста може да се н Iкърши по два начина:

установява се отношението R,/R2 чрез въртящ се превключва-11 I II зависимост от стойността на съпротиврението Rx. Стрелката на | иианометъра трябва да бъде отляво на нулата. Плавно след това се и 1моня R3 (декадно съпротивление с четири декади) докато стрелка-|.(i c установи на нулата при максимална чувствителност на галвано-и I i.pa. Такъв мост се нарича магазинен.

установява се определена стойност на R3 (магазинно съпроти-и ifiiue, което се регулира чрез превключвател) и се изменя съотно-iiii иисто R/R2 - такъв мост се нарича линеен.

1 Най-голяма точност при измерването се получава, когато съпро-• нпкснията Rj, R2 и R3 са от един порядък с Rx.

моста на Уитстон се измерват съпротивления в широки гра-HI от 0,1 10бП. Долната граница на обхвата се ограничава от

25

грешките, внасяни от съиротвленията на контактите и свързващите проводници, а горната - от влиянието на утечните токове на изола-циите.

За измерване на малки съпротивления от 10"8-Н се използва двойният мост на Томсон, който позволява да се отстрани грешката, предизвикана от преходните съпротивления в точките на свързване на Rx.

Съществува голямо разнообразие на мостове за променлив ток чрез които се измерват импеданси, индуктивности и капацитети (Соти, Максуел, Вин и т.н.).

2. ИЗМЕРВАНЕ НА СЪПРОТИВЛЕНИЕ С ОММЕТЪР И МЕ-ГАОММЕТЪР

За непосредствено измерване на активни съпротивления се из-ползват уреди, наречени омметри. Измерването се основава на за-висимостта на тока от съпротивлението в една електрическа вери-га, при постоянна стойност на захранващото напрежение. Според стойността на измерваните съпротивления омметрите се изработват по две схеми : последователна и паралелна, показани съответно на фиг.3.2а и б. Q h W f f i

а) б) Фиг. 3.2

Измервателният механизъм е милиампсрметър от магнитоелек-трическата система със съпротивление RmA. Уредът измерва тока, но е градуиран за съпротивление. Съпротивлението R ограничава тока.

Токът 1 през милиамперметъра в схемите на фиг.3.2а и фиг.3.2б е съответно:

26

(3.7)

0,7 = 0 / = У- ако RX

RxRmA + R\RmA + Rx J >, /= R + R,

(3.8)

•mA

За захранване на омметрите се използват най-често галванични елементи (батерии). От уравнение (3.7) се вижда, че при последо-мателната схема при R=Q (изводите на омметъра се дават накъсо) гокът във веригата е максимален. Стрелката на уреда ще се отклони м крайно дясно положение. Скалата на тези омметри е обратна. Пре-чи измерване омметрите с последователно свързано RX се коригират чрез съпротивлението R така, че стрелката да се отклони на нула де-I\C\MEJJ<pauHO дясно положение) при Rx=0, а тези с паралелно свър-U I I O Rx - така, че при Rx=°о, стрелката да се отклони до крайно дясно иоложение - оо.

Установено е, че за измерване на съпротивления, по-големи от 100 П, подходящи са омметрите с последователна схема, а за по-малки от 100 П - с паралелна схема. И при двете схеми скалите на чмметрите са неравномерни. Като недостатък на омметрите може да | о посочат невисоката точност (обикновенно клас 1,5) и зависимост-| .1 им от напрежението на захранващия източник.

Съществуват и цифрови омметри при които превключването на шжватите става ръчно или автоматично.

Омметрите не намират приложение при измерване на изолаци-онни съпротивления, тъй като имат малко захранващо напрежение. 11юлационните съпротивления силно зависят от напрежението, по-||,|ДИ което съпротивлението на изолацията трябва да се измерва при п.шрежения не по-малки от работните напрежения на уредите.

За измерване на големи съпротивления до 10'°П се използват 11.Й наречените логометрични омметри или мегаомметри. Тук източ-никът на напрежение е генератор за постоянен ток с ръчно задвиж-иинб и напрежение от 500 до 3000V. На фиг. 3.3 е показана схемата п.| мегаомметър (логомер) от магнитоелектрическата система.

27

Фиг. 3.3

Подвижната част на измервателния механизъм се състои от две взаимноперпендикулярни бобини, закрепени неподвижно една спрямо друга върху една ос и поместени в неравномерното поле, създадено от постоянен магнит. Токовете се подават към бобините чрез „бсзмомент-ни" тънки лентички и поради това при липса на токове подвижната част на уреда заема неопределено положение. За токовете I, и I, съгласно схемата могат да се запишат изразите:

и г L = — (3.9)

R Rr+R, Тъй като магнитното поле е неравномерно, въртящите момен-

ти, създадени от бобините, зависят от положението на бобините спрямо полето, тоест от отклонението на стрелката в: Мв,=к.1,./,(в)\ MB2=k.I2.f2(6) и са противоположно насочени. При нееднаквост на двата момента подвижната част се завърта на определен ъгъл до изравняване на двата момента и съответно стрелката на логомера заема определено положение в.

А-/,, =М В1 или LL Т д Т

Уравнението на логомера е :

0 = f \

=г

= М

Г Ю

(3.10)

(3.11)

Това дава възможност скалата на уреда да се градуира в единици за съпротивление - кГ2, МП

28

При въртене на генератора с различна скорост, напрежението на иеговите изводи се променя. Измервателните бобини са свързани па-ралелно към това напрежение което води до еднакво изменение на ньртящите им моменти, т.е изменението на напрежението не влияе на отклонението на подвижната част, което зависи само от големината на неизвестното съпротивление.

При измерване на малки съпротивления (кП) неизвестното съпро-швление Rx се включва паралелно на измервателната бобина в клон 2, шалогично на омметъра за измерване на малки съпротивления. При из-мерване на големи съпротивления (МГ2) неизвестното съпротивление Об включва последователно на измервателната бобина в клон 2, както е показано на фиг. 3.3.

Мегаомметрите нямат висока точност и се използват за измерване на юлемите съпротивления на изолациите на електрически съоръжения.

Съществуват цифрови мегаомметри, захранени с галванични еле-1снти. При тях високото напрежение с което се измерва съпротивление-

Ю на изолацията се получава от вграден в уреда преобразувател.

III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. Да се изучи устройството на Уитстоновия мост и да се измерят

|.противления на електрическа лампа, волтметър, амперметър и реос-пи. Резултатите да се нанесат в таблица 3.1.

Таблица 3.1

Измерване щютивпението на: R} R x = R > - R ~ 2

2. Да се измери правото R„p и обратното съпротивление Ro6p на диод им метър. Резултатите да се нанесат в таблица 3.2.

Таблица 3.2 Вид на диода Si Ge

fm т Ш

29

3. Да се измери изолационното съпротивление на статорните на-мотки на трифазен асинхронен двигател и битови електроуреди. Пред-варително да се провери правилното установяване на стрелката на ме-гаомметъра на 0 и оо:

а) дават се накъсо изводите за Rx и се завърта ръчката на генератора - стрелката трябва да показва 0;

б) оставят се изводите за Rx отворени и се завърта ръчката на гене-ратора - стрелката трябва да показва оо.

Данните от измерването да се нанесат в таблица 3.3. Таблица 3.3

Номер Изследван обект

Съпротивление на изолацията

(аналогов мегаомметър)

Съпротивление на изола!1ията

(цифров мегаомметър)

1.

2.

3.

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на методите на измерване на съпротивления. 2. Електрически схеми, използвани при измерванията - фиг. 3.1,

3.2, и 3.3. 3. Описание на използуваните уреди и съпротивления. 4. Резултати от измерванията - табл. 3.1 и 3.2. 5. Резултати от проверката на изолационното съпротивление на

трифазен асинхронен двигател, електрическа ютия и нагревателна пло-ча-табл. 3.3.

6. Изводи: относно точността на измерването на съпротивление посредством мост и омметър; заключение за годността на асинхронния двигател и домакинските електроуреди.

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Какво представлява Уитстоновият мост? 2. Как се получава резултата от измерването с моста? 3. Какво е устройството на омметъра? 4. Използва ли се омметър за измерване на изолационни съпроти-

вления и защо? 30

4. Как се прави проверка на изправността на мегаомметъра? 5. Какво е изолационно съпротивление?

GD VI. основни изводи 1. Мостовите методи са най-точни при измерване на линейни съ-

противления. 2. Преди използуването на Уитстонов мост е необходимо да се ну-

лира показанието на галванометъра (чрез коректора). 3. За измерване на изолационно съпротивление се препоръчва из-

ползуването на мегаомметри. 4. Преди използуването на мегаомметър е необходимо да се извърши

проверка за годността му - при дадени накъсо изводи стрелката трябва да се отклони на 0, при отворена верига - стрелката трябва да сочи оо.

Лабораторно упражненне[№4> 3

ИЗМЕРВАНЕ НА СЪПРОТИВЛЕНИЕ С ВОЛТМЕТЪР И АМПЕРМЕТЪР

I. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се разучат и да се усвоят практичестики схемите за косвено

измерване на съпротивление с волтметър и амперметър. 2. Да се снемат волт-амперната характеристика и зависимостта на

i ьпротивлението от напрежението на нелинеен елемент. 3. Да се анализират грешките при измерването.

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ В практиката често се налага измерване на съпротивление надасив-

пи-едементй на електрическите вериги по косвен метод, като се използ-нат резултатите от непосредственото измерване на тока и напрежението. ( ъществено предимство на косвения метод е, че съпротивлението на hoi [суматора се измерва при работни условия.

31

I

Посредством косвеният метод може да се построи волт-амперната характеристика U=f(I) на нелинеен елемент (R^const), за която трудно може да се получи аналитичен израз.

При реализиране на измервателните схеми са възможни два начина на свързване на измервателните уреди по отношение на измерваното съпроти-вление Rx: схема V-A и схема A-V, показани съответно на фиг.4.1а и 4.16.

а) 6) Фиг. 4.1

Съгласно закона на Ом точната стойност на неизвестното съпроти-вление Rx се определя съгласно израза:

Я * = у Ч (4.1) х

където: Ux и 1Х са точните стойности съответно на напрежението и тока вър-

Но и при двете схеми един_ох_ур£дите agjQMfiflBa лешдшдеднаха величина U. или

1.Схема V-A. Нарича се схема V-A защото волтметъра е включен преди амперметъра. От схемата на фиг. 4.1а се вижда, че амперметърът измерва дщствш:елния._ток-4 (тъй като е свързан последователно с Rx) докато волтметърът измерва сума i а от напрежителните падове върху ам-перметъра и неизвестното съпротивление. Показанието на волтметъра може да бъде определено по втория закон, на Кирхоф: U v = RAIX + Ux . От показанието на измервателните уреди се получава (изчислява) Rm\

= (4.2) * А X X

Вижда се, че измереното съпротивление е дсьшлямо от точната стойност Rx с големината на съпротивлението на ампф.ие:щза. Ако е

32

миичтно съпротивлението на амперметъра може да се коригира изчис-т и гл С Т О Й Н О С Т :

U, К = - J L ~ R A ( 4 - 3 )

^ / 1 А

()бикновено на практика това не се прави, а се определят условията при които е приложима разглежданата схема.

Определя се относителната грешка с израза:

< \ - А , % = К и 3 ~ R x 100 = ^ - . 1 0 0 (4.4) Rx К

Може да се направи изводът, че грешката при гхемя У-Л е толко-Ц hi)-m;i IUCA колкото стойността на съпр"™»"^"^^^ R.. е до^годзмо от ' 1 ' 11 чугивлението i L n a амперметъра. Или схемата V-А трябва да се из-

та при измерване на 5 <?

2. Схема A-V. При тази схема волшехьрът измерва-действителното иш1режени©4/„ докато амперметьръх.измерв.а.хок, който е по-голям от 1Х с • IM Ir-iгрезjflaaaiesipa (IA=IX+If— определен по първия закон на Кирхоф).

Измереното (изчислено) съпротивление Rm е: Uv Ux II I RRU

R = = = J (4.5)

lA Ix + Iy r X Rv

Относителната грешка се определя от израза:

д \ _ 1 Г , % = Я и з ~ К х Л00 = ^ — . 1 0 0 (4.6) Rx Rv + Rx

(Следователно колкото Rr е пп-мяпкп пт съпротивлението на волтметъ-im К,, толкова от1Ю£ителната грешка .e im-малка. Схемата A-V се използва in и (мерване на мадои съпротивления. Изчислената стойност на съпроти-н ичиюто може да се коригира ако е известно съпротивлението Rv:

_ _ _ Rv ~ Rm RvRM3 _ (4 7) Rx Rm Rv

RV

RH3 Rv~RH3 Възниква въпросът кога съпротивленията са малки и кога големи.

1 iiipi-делят се границите на относителната грешка за схемите V-А и A-V | hi нетно по изразите (4.4) и (4.6).

l i m ^ g / г . л (4.8)

33

J i f f i ^ 5A-V ^ =~JL) (4-9) Като се вземат предвид изразите (4.4), (4.6), (4.8) и (4.9) графични-

те зависимости на изменението на относителните грешки във функция от съпротивлението RX са показани на фиг. 4.2.

От фигурата се вижда, че при съпротивление R0 двете грешки се из-равняват по абсолютна стойност: |t>K4| = След заместване на греш-ките с техните равни се получава:

RA _ R , стойностите на RA и RV са известни. (4.10) R R + Rv

Решението на получената зависимост относно R0 при пренебрегва-не на RA

2 ХОИ RA « е:

*О ~ 4RA-RV (4.11) В заключение може да се каже: за определяне на i?0)ca необходими

стойностите на R4 Я RY И че схемата V-A дава по-малка относителна грешка при съпротивления по-големи- от R0, а схемата A-V дава по-мал-ка относителна грешка при съпротивления по-малки от RN.

III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. Да се снеме волт-амперната характеристика на електрическа

крушка, като се изпълни схемата по фиг. 4.3. Напрежението се регулира чрез реостата RN.

2. Резултатите от измерването да се нанесат в таблица 4.1. Да се запи-шат номиналното напрежение и мощността на електрическата крушка.

3. Да се пресметнат стойностите на RM, Р и 6.

34

Фиг.4.3 Таблица 4.1

Номер на измерването Схема

Измерени Изчислени Номер на

измерването Схема Uy h P=Uy.IA д Номер на

измерването Схема

дел V дел А о. w %

1 V-A

1 A-V

2 V-A

2 A-V

JK ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на метода на волтметъра и амперметъра за из-мерване на съпротивления.

2. Електрическа схема, свързване и реализиране на измерванията - фиг. 4.3.

3. Описание на използуваните уреди и съпротивления. 4. Резултати от измерванията - табл. 4.1. 5. Резултати за волт-амперната характеристика на електрическа

крушка - табл. 4.1. Да се начертаят графиките на зависимостите U= f(I), RX- f(U) и P=f(U), като за Rx се вземат стойностите от схемата, която дава по-малка грешка (за целта е необходимо да се сравни Rxn R0).

6. При изчисление на относителната грешка д се използват изрази-те (4.4) и (4.6), като се приеме че RMf^Rx.

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Какви са предимствата и недостатъците на метода за измерване

па съпротивления с амперметър и волтметър?

35

2. Какви са грешките при измерване на съпротивление със схеми A-V и V-A?

3. Как най-точно ще измерите съпротивление, което се изменя не-линейно е изменение на напрежението?

4. Защо относителната грешка при схема A-V е винаги отрицателна? 5. Кога се използва схема V-А за измерване на съпротивление и

кога схема A-V?

VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ 1. Косвеният метод за измерване на съпротивления с амперметър и

волтметър е единствено коректен при измерване на нелинейни съпроти-вления - снема се V-А характеристика на нелинейния елемент.

2. Електрическата крушка с нажежаема жичка има нелинейна волт-амперна характеристика.

3. Изборът на схема на свързване на уредите (V-А или A-V) се из-вършва съобразно порядъка на стойността на неизвестното съпротивле-ние. На практика изборът на схемата се извършва по условието: Rx>Ru - схема V-А и RX

<R„ - схема A-V.

Лабораторно упражнение №5

ОПРЕДЕЛЯНЕ ПАРАМЕТРИТЕ НА ПАСИВЕН ДВУПОЛЮСЕН ЕЛЕМЕНТ

Щ&)/. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се изясни физическият смисъл на параметрите на електри-

ческите вериги (R, L и С) при променлив ток и в частност на бобина с феромагнитна сърцевина.

2. Да се запознаят студентите с косвените методи за определяне на параметрите на пасивни двуполюсни елементи.

3. Да се изясни понятието резонанс и условията за неговото полу-чаване.

36

и. КРА ТКИ ПОЯСНЕНИЯ 1} електрическите вериги за променлив ток протичат сложни елек-

фнмлцштни процеси. За да могат да се изчисляват реалните електриче-ски устройства по възможно най-прост начин, с достатъчна за практика-| I тчност, са въведени параметрите R,LwC. Чрез комбинации между || HI елементи (последователно, паралелно и смесено свързване) се мо-I' шрат електромагнитните процеси в реалните електрически устрой-I и,1 Те свързват основните електрически величини (напрежение и ток)

• процеса на отделяне на топлина, с магнитното и електрическо поле в | нстващите електрически схеми.

Идеален резистор — елемент на електрическата верига, предназна-чи in използване на неговото електрическо съпротивление. Идеализи-1> шият модел на резистора се нарича резистивен елемент. При идеализа-щипа на резистора се пренебрегват неговия капацитет и индуктивност. • 1,противлението R е параметър на резистора.

11ри протичане на електрически ток през даден резистор (провод-ник) свободните електрони се сблъскват с йоните на металната кристална

Това затруднява тяхното насочено (дрейфово) движение. Това |||Н1| пводействие представлява физическата същност на съпротивлението ни проводника. Тези сблъсъци водят и до загряване на проводника. Отде-MtHloro количество топлина при протичане на ток I през проводник със | противление R, за време t, се дава със закона на Джаул-Ленц:

От (5.1) следва, че при R=0, 1ф0 то Q=0. Следователно в замест-н нпите електрически схеми на реалните електрически устройства чрез | противленията се отразява необратимото трансформиране на елек-

фпмагнитната енергия в топлина. Идеална бобина без феромагнитна сърцевина. Около всеки проводник с ток i съществува магнитно поле. В редица

| им ротехнически устройства е необходимо да се създаде силно магнитно им н' За целта се използват намотки (бобини), които имат много навивки.

Магнитното поле около идеална бобина (R=0, С=0) има сложен харак-I' 111менението на магнитното поле във времето определя е.д.н на само-

" м (ия eL и зависи от пълния магнитен поток (потокосцепление) - {PL.

Q = R.I2.t (5.1)

W

(5.2)

• Micro Фк — магнитния поток, обхванат от к-тата навивка;

37

w - брой навивики на бобината. Известно е, че индуктивността L се явява коефициент, свързват

пълния магнитен поток WL и тока iL, който го създава: V^L.k (5.3) Ако токът в бобината е променлив във времето, в нея съгласно за-

кона на Фарадей се индуктира е.д.н. на самоиндукция eL:

(5.4) £ dt dt

Знакът „-„ в (5.4) отразява принципа на Ленц за електромагнит-ната инерция: eL винаги се противопоставя на изменението на токи през бобината. То се нарича още противо е.д.н. и се проявява като съ-противление. В електрическите вериги неговото действие формално сс отразява чрез индуктивното съпротивление на бобината XL=OJ.L.

За да протича променлив ток в бобината между нейните изводи с необходимо външно напрежение, равно по големина и във всеки момент от времето противоположно по направление на eL (фиг.5.1).

L

-eL

Фиг. 5.1

Uab=UL =~eL=L-C~r (5'5) dt

Ако активното съпротивление на проводника на бобината не може да се пренебрегне, то към заместващата схема от фиг.5.1 е необходимо да се добави последователно включен идеален резистор. Заместващата електрическа схема на такава реална бобина без феромагнитна сърцевп на е последователна R-L верига.

Бобина с феромагнитна сърцевина При захранване, с променливо напрежение, на бобина с w навивки,

поставена на магнитопровод във веригата възникват електромагнитни про-цеси. Те са резултат от действието на електрическите и магнитни полета.

При протичане на променлив ток през навивките на бобината се съз-дава пълен магнитен поток който има две съставящи - основен (работен) пълен магнитен поток W0=w. Ф0, магнитните силови линии на който се затва рят през магнитопровода, и пълен магнитен поток на разсейване IFa, магни: ните силови линии на който се затварят предимно през въздуха - фиг.5.2.

38

Фиг. 5.2

При това магнитният поток на разсейване обикновено е незначи-телен по отношение на основния магнитен поток поради голямото маг-нитно съпротивление на въздушната среда. При захранване на възбуди-телната намотка с променливо напрежение пълните магнитните потоци [?0 и Ч/„ се изменят във времето и индуктират в намотката е.д.н.:

е = = (5.6) dt dt dw„ т di

е = — — = - L — dt "dt '

където c La= ^ - e означена индуктивността по отношение на пълният i

магнитния поток на разсейване. Тъй като този поток се създава предим-но в линейна среда, може да се приеме, че La = const.

В противоположност на основният пълен магнитен поток '/'„ = ш Ф0 се образува от магнитните линии, които се затварят през феромаг-пптната среда и връзката между възбудителния ток и 'Р0 е нелинейна.

Протичането на ток през бобината е свързано с превръщането на |'пектрическа енергия в топлина в нейния проводник, която съгласно за-кона на Джаул-Ленц е: Q = I2.R.t [J],

Наред с това при пренамагнитване на стоманената сърцевина в пея се получават загуби от хистерезис APx=k1 . f .B2 и вихрови токове Al'/(f=k2.f 2.Bm

2(k, и к2- константи;/- честота; Вгп - максимална стойност на магнитната индукция), вследствие на което тя се загрява.

Всички тези физически процеси, настъпващи в бобина със стома-нена сърцевина, при захранването й е променливо напрежение, се отра-стат в една еквивалентна електрическа заместваща схема - фиг. 5.3.

39

R

u е

Фиг. 5.3

/ Тук R = p.— [П] е активното съпротивление на проводника - отра-

s зява загубите на топлина в него;

Xo=co.Lo [£2] е реактивно индуктивно съпротивление, отразяващо магнитния поток на разсейване;

Xp=co.L0 [Q] е реактивно индуктивно съпротивление, отразяващо основния магнитен поток;

Rp - отразява загубите в стоманата. Уравнението за равновесие на напреженията, за показаната на фиг.

5.3 заместваща схема е: еа+е = -и + R.i или

„ с1фп „ di „ и = -е - е + R.i = w — + La — + R.i (5.7)

dt ° dt К ' На фиг. 5.4 е начертана векторната диаграма за последователната

заместваща схема.

-Е Д«V I

\

Е

Фиг. 5.4

40

11еобходимостта от определяне на параметрите от заместващата • ч-ма налага да се извършат експериментални изследвания при постоя-Hi н и променлив ток.

Л) Захранване с постоянно напрежение. Анализът показва, че при честота f=0 (a>=2.n.f=0) реактивните ин-

| ,м шиш съпротивления Хц и Ха ще са нули, както и съпротивлението H)i, отчитащо загубите в стоманата (такива при постоянен ток липсват). • тцоиателно уравнението за равновесие на напрежението се представя Ип шкона на Ом:

If I.R или R-U/Iт.е активното съпротивление на проводника може Н« I г определи при захранване на бобината с постоянно напрежение.

1>) Захранване с променливо напрежение. II този случай:

"t - J(R + RM)2 + (Xa + XM)2 = ^R; + Xt = z [П] (5.8)

ki не in :: - пълното съпротивление (импеданс) на веригата. А ко във веригата се свърже ватметър, то по неговото показание и от тинята на амперметъра и волтметъра, може да се пресметне факто-

мощността coscp : Р

I OR <р = U.I (5.9)

II ицщзувайки триъгълника на съпротивленията (фиг. 5.5), може да

Фиг. 5.5

h rosy (5.10) • нсдпиателно, съпротивлението, отчитащо загубите в стоманата е: H/i-Rc R (5.11) Mi 1МПЖНО е също така да се намери стойността наХе:

41

Хе = yjz1 - Re2 = co.Le (5.12) Ако се пренебрегне разсейването (Хо^О), то може да се приеме, че

Хе~Хц

В паралелно свързани бобина и кондензатор (фиг.5.6) е възможно да възникне паралелен резонанс {резонанс на токове). Тогава XL=XC\ (BL=BC).

Съпротивлението R отчита загубите в бобината и кондензатора.

«=f\J

I

I

:хп

Фиг. 5.6

II

IR = I

U

Фиг. 5.7

Векторната диаграма за токовете в режим на паралелен резонанс с показана на фиг. 5.7. Еквивалентният ток във веригата (ако не е нула) ще има минимална стойност:

(5.13)

Включването на кондензатор паралелно на неизвестен реактивен двуполюсник може да се използва за откриване на характера на неиз-вестния елемент.

III. ПРОГРАМА НА РАБОТА 1. Свързва се схемата на опитната постановка съгласно фиг. 5.8. По

показанията на амперметъра и волтметъра се определя съпротивление то на индуктивният елемент при постоянен ток. Резултатите от измер ванията и изчисленията се нанасят в табл. 5.1. От направените няколко измервания съпротивлението на медния проводник на бобината се опре деля като средноаритметична стойност (Rep).

42

Фиг. 5.8 Таблица 5.1

Номер на нчмерването

ИЗМЕРЕНИ ИЗЧИСЛЕНИ Номер на

нчмерването и I R = U/I Номер на нчмерването

е V е А Q

1.

2.

3.

Rcp=

2. Свързва се схемата, показана на фиг. 5.9 и с помощта на авто-фапсформатор се регулира напрежението, с което се захранва бобина-I и, като се започне от нула. Резултатите се нанасят в Табл. 5.2

Таблица 5.2

llauep на имнрването

ИЗМЕРЕНИ ИЗЧИСЛЕНИ llauep на

имнрването f и I Р Z Re Хе Le cos<p R H

llauep на имнрването

Hz V А W Q Q Н - Q

1.

2. 3.

...

43

Rju~Re—Rcp 3. От получените при измерванията данни се определят величини-

те: z, Re, Хе, R/л, Le, coscp. 4. За едно от измерванията при променлив ток да се направи паралелен

резонанс. За целта паралелно на индуктивния елемент се включва конден-заторна батерия с променлив капацитет. Променя се стойността на капа-цитета до получаване на минимално показание на амперметъра. Отчита се стойността на капацитета и се проверява равенството XL=XC (Хс-1/соС).

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко изясняване на физикалната същност на параметрите на реална бобина със стоманена сърцевина.

2. Ел.схеми - фиг.5.8 и фиг.5.9. 3. По данните от измерванията се изчисляват параметрите на нели-

неен индуктивен елемент — резултатите се нанасят в табл. 5.1 и 5.2. 4. По данните от изчисленията се построяват в подходящ мащаб

характеристиките Le=f(I) и Rp-f(U). 5. Да се направят изводи: а) относно разликата в стойността на активното съпротивление на

електрическата верига на пасивен двуполюсен елемент, захранван с по-стоянно и променливо напрежение.

б) относно условията за възникване на резонанс в R-L-C верига. Да се определи стойността на капацитета (С) при резонанс.

6. Да се обясни различието в стойностите на съпротивлението R на бобината при захранване с постоянно и променливо напрежение.

1. Какви съставки има активното съпротивление на бобина със сто-манена сърцевина, захранвана със синусоидално напрежение? Какво отразяват те?

2. Какво отразява реактивното индуктивно съпротивление на реал-на бобина?

3. Защо косвеният метод е основен метод за опитно определяне на характеристиките на нелинейните ^елементи?

4. Какъв вид има последователната заместваща схема на реална бобина? 5. Как може да се определят параметрите на реална бобина със сто-

манена сърцевина? 6. Как може да се определи характера на неизвестен елемент?

44

VI. основни изводи 1. Бобината със стоманена сърцевина (магнитопровод) е нелинеен

> пемент и за определяне на параметрите й е необходимо да се използва пи веният метод за измерване на съпротивление.

2. При протичане на ток през бобина се създава магнитно поле. Ако нишата е поставена на магнитопровод основната част от това поле се

| | I паря през магнитопровода и формира т.нар. „основен" (работен) маг-ии ген поток. Останалата незначителна част се затваря през въздуха и фпрмира „магнитен поток на разсейване".

3. При протичане на променлив ток през бобина с магнитопровод в м.н пптопровода възникват загуби от хистерезис и вихрови токове, които in шгряват. За намаляване на тези загуби магнитопровода се изработва "I специални листи електротехническа стомана (uiuxmoea се).

4. Паралелно включения на бобината кондензатор води до намаля-iiitne па консумирания ток, като при изравняване на реактивните съпро-| пиления на бобината и кондензатора веригата консумира най-малък ток н| мрежата (чисто активен ток). Включването в паралел на бобини и | "ндензатори се използва за подобряване на coscp в промишлените пред-нримтия.

Лабораторно упражнение №6

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ТРИФАЗНА СИСТЕМА И ИЗМЕРВАНЕ НА АКТИВНА МОЩНОСТ

НА ТРИФАЗЕН КОНСУМАТОР ПРИ ЧЕТИРИПРОВОДНО ЗАХРАНВАНЕ

CZ) /. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО I Да се запознаят студентите с начините на захранване на трифазни

еуматори при свързване в „звезда" и „триъгълник" и със съотношенията • и ь лу фазовите и линейни токове и напрежения при двата вида свързване.

2, Да се запознаят студентите с особеностите на трифазните вериги

45

при симетрия и несиметрия на консуматора при трипроводно и четири-проводно захранване.

3. Да придобият практически опит при измерване на активна мощ-ност на трифазни консуматори и източници при трипроводно и четири-проводно свързване.

4. Да добият практически опит при построяване на векторни диа-грами на напреженията и токовете по опитни данни и да определят от тях стойностите на неизвестни величини.

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ Основни понятия и определения: Трифазна система от е.д.н., напрежения и токове се нарича съв-

купност от три синусоидални величини, които имат една и съща често-та, различават се помежду си по фаза и определят режима на работа на трифазно устройство.

Симетрична трифазна система величини - такава трифазна сис-тема от е.д.н., напрежения или токове, при която амплитудните значения на величините и ъглите на дефазиране помежду им са еднакви. Ако едно от горните условия не е изпълнено трифазната система е несиметрична.

Трифазна верига е съвкупност от трифазни източници, консума-тори и свързващите ги проводници. Трифазните вериги се състоят от три еднофазни вериги, които в повечето случаи са свързани в обща три-фазна система (рядко трите еднофазни вериги работят електрически несвързани помежду си). Всяка от трите еднофазни вериги се нарича фазова верига на съответната трифазна система или накратко фаза.

Всички величини които се отнасят за източника се маркират в ин-дексите с главни букви, а тези за консуматора - с малки.

Трифазно електрическо устройство (генератор илижонсуматор) е такова устройство, чиято работа се характеризира с трифазна система величини (напрежения, токове).

Симетричен трифазен консуматор е такъв консуматор, при кой-то комплексните съпротивления на всички фази са еднакви.

По принцип трифазните генератори произвеждат симетрична сис-тема електродвижещи напрежения, а неси&етрията в трифазната верига се получава за сметка на товара или на свързващата линия (обикновено за сметка на товара).

Фазовите вериги на трифазните устройства се свързват по два начина: • звезда - краищата на трите фази се свързват в обща точка (нулева

46

или звездна точка), а изводните проводници се свързват към началата па съответните фази;

* триъгълник - фазите се свързват така, че краят на едната фаза се свързва с началото на следващата.

Обикновено намотките на генератора се свързват в звезда, а консу-матора може да бъде свързан в звезда или триъгълник. При свързване на намотките на генератора в триъгълник и при нарушаване на симетрия-та на електродвижещите напрежения в намотките даже при празен ход възникват значителни токове, които водят до загряване на генератора. ()свен това електродвижещото напрежение, индуктирано в намотките па генератора не е със чисто синусоидален характер.

Началата и краищата на фазите се маркират с букви или цифри (на-пример начала: А,В,С и краища X,Y,Z или начала R,S,T и краища U,V,W).

Трифазните вериги са четирипроводни (при свързване на източни-ка и консуматора в „звезда е изведен нулев център") или трипроводни (при свързване на консуматора в схема „триъгълник" или „звезда с изо-пиран звезден център").

Проводниците, които свързват началата на фазите на източника с тези на консуматора се наричат линейни. Те се означават съответно на изводите па източника (консуматора) към който са свързани - А,В,С (или R,S,T).

При четирипроводна верига, проводникът който свързва звездните центрове на източника (О) и консуматора {(У) се нарича „нулев" или „неутрала".

Режимите на трифазните вериги се определят с фазови и линейни величини (фиг.6.1).

А) Фазови величини: Фазови напражения - това са напреженията на изводите на съот-

ветната фаза на източника (консуматора). Означават се с UA, UB, UC (UR, I /V, UT). При четирипроводна схема на свързване, фазовите напрежения могат да се измерят между съответното начало на фазата и нулевия цен-п.р. В свързващата линия се определят между съответния линеен про-водник и нулевия проводник.

47

a

UAB UCA Za

io

У V b UBct Ic ,

Фиг. 6.1

Фазови токове - това са токовете, които протичат през съответна-та фаза на източника (консуматора).

Б) Линейни величини: Линейни напрежения - напреженията между два линейни провод-

ника. Означават се с инициалите на съответните начала на фазите: UAB,

Линейни токове - това са токовете в линейните проводници свърз-ващи източника с консуматора.

В) Ток в нулевия проводник: При четирипроводно свързване ефективната стойност на тока през

нулевия проводник е равна на геометричната сума от ефективните стой-ности на фазовите токове:

При захранване на симетричен трифазен консуматор със симетрич-на система линейни напрежения, фазовите напрежения и токове също образуват симетрични системи величини. При симетричен трифазен консуматор, свързан в звезда, сумата от фазовите токове е нула и чет-въртият (нулевият) проводник може да се премахне. Това означава, че потенциалите на звездните центрове на източника и консуматора са рав-ни, и следователно фазовите напрежения на генератора са равни на фа-зовите напрежения на консуматора. Мощността щ трифазната система се определя като сума от мощностите на трите фази.

Уравновесена (балансирана) трифазна система е такава система, при която моментната стойност на мощността не зависи от времето и е

Цвс> иСА (U R S , UST, UR j).

IU = IA+IB+ Ic (6.1)

48

постоянна величина. Трифазната симетрична система е уравновесена. На фиг. 6.2. е показано свързване на източника в „звезда"и на кон-

суматора в „триъгълник". Фазовите токове на консуматора са lah, 1Ьс, 1са. | ' (.гласно първият закон на Кирхоф може да се определят линейните то-мже, като геометрична сума от съответните фазови токове:

=KirKa> 1 В~hc~Iah> Ic=ha~hc (6-2)

Фиг. 6.2

При симетрична трифазна система в зависимост от начина на | ш.рзване на фазите се определят следните количествени съотношения между фазовите и линейните токове и напрежения:

при звезда — 1л = 1ф и л = л/З и ф (6.3)

при триъгълник - I„ = л/3./ф; ил =иФ.

Ако несиметричен консуматор, свързан в звезда, се захрани със си-м<трична система линейни напрежения, потенциалът на нулевата точка н.I консуматора ще се различава от потенциала на нулевата точка на из-

пика с напрежението U0,0 = Z0.I0 (фиг.6.1). Векторната диаграма на п.шреженията на несиметричен консуматор, свързан в звезда по схемата и.I фиг.6.1, е показана на фиг. 6.3.

Прието е, че падът на напрежение в линейните проводници е пре-iii ирежимо малък. Векторите на симетричните линейни напрежения UAB, I i,h и UCA образуват равностранен триъгълник, звездата на фазовите на-прежения на симетричния източник е симетрична, като точка 0 се намира и медиценгьра на триъгълника ABC. Звездата на векторите на фазовите

49

напрежения на консуматора и общия случай е несиметрич-на, като върховете на векто-рите U а , Uь и Uс съвпадат с върховете на триъгълника на линейните напрежения, а мес-тоположението на т. О' зависи от степента на несиметрията на консуматора и големината на съпротивлението Z0 на ну-

3 левия проводник. Напрежени-ето между звездните центрове U00 се определя от израза: Фиг. 6.3

7 7 7 ТТ _ В ^С 00 " 1 1 1 Г (6-4)

— + — + — + — •

Zc Z0

От израз (6.4) се вижда, че когато съпротивлението Z0 клони към нула потенциалната разлика между двата звездни центъра става равна на нула (U,0=0) и фазовите напрежения на консуматора се изравняват с тези на генератора. Следователно ролята на нулевия проводник е да изравни изкуствено потенциалите на звездните центрове на генератора и консу-матора при несиметричен товар. От фиг.6.3 се вижда, че при прекъснат нулев проводник най-голяма стойност на фазовите напрежения на консу-матора може да се получи при еднофазно късо съединение (когато едно от съпротивленията 7Л, 7В или Zc е нула). Тогава фазовите напрежения на останалите две фази стават равни на линейното напрежение.

Активната мощност на всяка трифазна система, независимо от ха-рактера на товара и начина на свързване на консуматора, се определя като сума от фазовите активни мощности на отделните фази:

P=PA+PB+Pc=UA.IA.cos(pA+UB.IB.coscpB+Uc.Ic.cos(pc (6.5) В зависимост от начина на свързване на фазите на консуматора се

използуват различни начини на свързване на ватметрите за измерване на общата мощност на консуматора.

50

W I

*

w 2

a

В у x * G b Трифазен * консума -

C * w 3 c тор

A

0 0'

Фиг. 6.4

За измерване на активната мощност на трифазен консуматор, свър-зан в четирипроводна верига, са необходими три ватметъра, свързани i i,гласно схемата, показана на фиг. 6.4. Всеки от ватметрите в тази схема измерва активната мощност на съответната фаза. При напълно симе-трична система фазовите напрежения, токове и факторът на мощността са еднакви и израза (6.5) се опростява до вида:

P=3.U0.I0.coscp (6.6)

което означава, че е достатъчен един ватметър, чието показание се умножава по броя на фазите.

III. ПРОГРАМА НА РАБОТА 1. Реализира се схемата от фиг. 6.5 като се подбират кратностите на

разширение на обхватите (определят се коефициентите на трансформа-ция на токовите трансформатори и стойностите на съпротивленията на допълнителните резистори) на ватметрите.

Подбират се комбинации от съпротивления в трите фази на консу-матора посредством ключовете на товарното устройство.

2. Провеждат се измервания и се записват резултатите в таблица (). I. за следните случаи:

а) симетрична четирипроводна система; б) симетрична трипроводна система с натоварване на фазите, както

п г.а; в) несиметрична четирипроводна система; г) несиметрична трипроводна система.

51

Фиг. 6.5 Таблица 6.1.

ил иА ив и с 1А h Ic h 1'л-кр^О, Рв=крнг02 Рс~кр^03 Pi V V V V дел А дел А дел А А дел W дел W дел W w

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Описва се кратко теоретичната постановка за измерване на три-фазна активна мощност при симетрични и несиметрични консуматори при достъпна нулева точка.

2. Построява се векторна диаграма на напреженията за един от из-следваните варианти по данните от табл.6.1.

Векторната диаграма се построяват в следния ред: а) диаграма на напреженията на генератора: построява се в подхо-

дящ мащаб (напр. 1 Осм = 400V) равностранният триъгълник на линей-ните напрежения; намира се центърът 0 на триъгълника и се свързва с

52

ш.рховете на триъгълника, при което се получават векторите на фазови-и напрежения на източника;

б) диаграма на напреженията на консуматора: очертават се дъги с мгпгрове върховете А,В,С на триъгълника и радиуси, съответствуващи м.| измерените фазовите напрежения (в приетия по-горе мащаб). Пре-• • -шита точка на трите дъги дава положението на т.0' и определя неси-мефичната звезда на фазовите напрежения. Разстоянието 0 ' 0 съответ-| тупа на напрежението 17оЪ между звездните центрове на източника и мшсуматора в приетия мащаб.

Студентите правят изводи относно: а) влияние на схемата на захранване (трипроводна, четирипровод-

и п и големината на съпротивлението на фазите върху несиметрията на н шрсженията на консуматора;

б) възможността за използване на изследваните схеми за измерване Нн мощността на трифазните консуматори.

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Какви са съотношенията между големините на линейните и фа-

и напрежения и токове при свързване на консуматор в „звезда" и (рпьгълник".

2, При какви условия трифазната система е симетрична и уравно-т11 па?

У Как се отразява прекъсването на нулевия проводник на режима ни рибота на:

u) симетрична трифазна система; б) несиметрична трифазна система; I, Как се изменя режима на работа на трифазен симетричен консу-

и.пир при прекъсване на линеен проводник при: н) четирипроводно свързване на консуматора ; и) при трипроводно свързване, схема звезда; и) при трипроводно свързване, схема триъгълник. V Как ще се измени режима на работа на трифазен консуматор

| «рмнроводна верига), свързан в схема „звезда" при еднофазно късо съ-ницчше?

53

4D VI. основни изводи 1. Предназначението на нулевия проводник е да симетрира фазо-

вите напрежения на консуматора. На нулевия проводник не се поставя предпазител.

2. Измерването на активната мощност на симетрична трифазна система може да се осъществи с един ватметър, като показанията му се умножат по броя на фазите.

3. При трипроводна система на захранване и свързване на консума-тора в „звезда", несиметрията на фазовите съпротивления на консума-тора силно влияе върху големината на фазовите напрежения, като най-голямо напрежение има фазата, консумираща най-малък ток и обратно.

4. Най-голяма стойност на фазовите напрежения при свързване в звезда се получава в случая на еднофазно късо съединение. Тогава на-прежението във фазата на к.с. е нула, а другите фазови напрежения се увеличават до стойността на линейното напрежение.

Лабораторно упражнение №7

ИЗМЕРВАНЕ НА АКТИВНА МОЩНОСТ В ТРИФАЗНА ТРИПРОВОДНА ВЕРИГА

ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се запознаят студентите с начините за измерване на активна

мощност на трифазни консуматори, свързани към трипроводна трифаз-на верига и създаване на практически умения за това.

2. Да се запознаят с построяването на векторни диаграми на на-преженията и токовете по опитни данни и използването на векторните диаграми за анализ и оценка на трифазната верига.

II.KPA ТКИ ПОЯСНЕНИЯ Трифазните консуматори, свързани с три линейни проводника към

източника на трифазни напрежения могат да бъдат свързани в схема

54

звезда (Y) или в схема триъгълник (А). Намотките на източника на сис-темата трифазни напрежения се свързват в звезда, тъй като при свърз-ването в триъгълник най-малката несиметрия в индуктираните е.д.н. предизвиква протичането на значителни токове в затворения контур, образуван от фазите на източника. При нормална работа трифазните из-точници генерират симетрична система от линейни и фазови напреже-ния. Токовете, обаче се определят от вида на консуматора (симетричен, несиметричен) и начина му на свързване.

Активната мощност на трифазен консуматор може да се измери в об-щия случай с помощта на три ватметъра, ако има достъп до фазовите на-прежения и токове на консуматора. Като се използват означенията в (ЛУ 6), за консуматор свързан в звезда активната мощност се определя с израза

P = UaJa.CQ$<pa+Ub.Ib.co$(pb+Uc.Ic.cos(pc = (7.1) = Kw, + Kw 2.в2 + KW2 ,въ

Аналогично се записва за случая на свързване на консуматора в схема триъгълник.

При недостъпен звезден център О' или при липса на достъп до ра-мената на триъгълника е необходимо да се създаде „изкуствен" звезден център О", за да може напрежителните намотки на ватметрите да се включат към фазовите напрежения на генератора (фиг 7.1).

Фиг.7.1

Ако консуматора е несиметричен са необходими три ватметъра, с вързани както е показано на фиг.7.1 а. За да бъде системата показана на фиг.7.1а симетрична при условие, че ватметрите имат еднакво вътрешно | виротивление на напрежителните си намотки е необходимо R]-R2=R3. 11р11 изпълнение на това условие звездните центрове О и О" имат равни

55

потенциали и напрежението между тях е равно на нула (£/„„••= 0). Ако се съединят тези звездни центрове с проводник по него няма да протича ток (трифазната система от токове през съпротивленията R,, R2 и R3 е симетрична, / + / + / = 0)- Върху напрежителните намотки на ват-метрите са приложени съответните фазови напрежения на генератора. През токовите намотки на ватметрите протичат съответните фазови то-кове на генератора. Активната мощност, която се получава от показани-ята на трите ватметъра се дава с израза:

Pr=UA.IA.cos(pA+UB.IB. coscpB+Uc.Ic. cos(pc= (7.2) KOIIC.

Изразът показва активната мощност на трифазния генератор, която той отдава към трифазния консуматор. Този процес не зависи от вида на свързването на консуматора.

Ако консуматорът е симетричен активната мощност може да бъде измерена с един ватметър (фиг.7.16). За да бъде системата симетрична е необходимо RW+R,=R2=R3. В този случай трифазната активна мощност, която генератора отдава към консуматора се определя с израза:

Рг=ЗиА.1А. cos<pA=3Kw.6=PmHC. (7.3) На практика най-широко приложение за измерването на активната

мощност на трифазен консуматор, свързан към трипроводна верига е намерил метода на двата ватметъра, или „схема на Арон". Корабните електроенергийни системи са с изолиран звезден център, т.е трифазните вериги са трипроводни.

Моментната и активната мощност на трифазен източник на елек-трическа енергия може да се изрази, както чрез фазовите така и чрез линейните напрежения и токове. Чрез фазовите моментни стойности на напреженията и токовете на трифазния генератор се записва:

Рг=РА+РВ+РС^А-1А+1'В• (7-4) Изразът (7.4) може да се преобразува, като се използва уравнението

за токовете записано по първи закон на Кирхоф за трифазна трипровод-на верига

iA+iB+ic=0 (7.5)

Изразява се от уравнение (7.5) един от токовете, например iB— -iA-ic и се замества в (7.4):

56

Рг= (UA-UR) 'A+(U(-UB) ic ( 7 . 6 )

От контурите ABO и СВО на фиг.7.1 се вижда, че изразите в ско-пите представляват съответните линейни напрежения , определени по тория закон на Кирхоф:

иАВ~иА~иВ И UCB=U(r-UB. Активната мощност, която трифазния генератор отдава на трифаз-

ния консуматор се дефинира като средна стойност на моментната мощ-ност за един период

lT- 1 -Рг=-\Рг dt = -1 (I'AB *А + паз -ic № = (7-7)

0 * 0 / n Л f n -N

= t V / д - Н UABJAj + U(S.Ic.co^UCB,Ic j = Ркож .

От израза (7.7) може да се синтезира електрическа схема по коя-ю се свързват двата ватметъра. На фиг.7.2 са показани само изводите \,В,С на трифазния генератор и свързването на двата ватметъра към IIпнейните проводници на трипроводната трифазна верига.

От (7.7) следва, че напрежителните намотки на двата ватметь-рл трябва да бъдат включени към линейните напрежения UAB и UCB на I иметричния генератор, а токовите намотки се включват в линейните проводници А и С и през тях протичат фазовите токове на трифазния 11'кератор, свързан в схема звезда. В зависимост от това кой ток ще бъде и 1разен от (7.5) се получават и други варианти на включване на двата и,п метъра.

* Г hWl :а

II J

1в II II *

*

) II Фиг.7.2

На фиг.7.3 е начертана векторната диаграма на напреженията и I оковете при симетричен трифазен консуматор и активно-индуктивен чирактер на товара.

57

Фиг. 7.3

От векторната диаграма се вижда, че ъгъла { u a b , IA между

линейното напрежение UAB и фазовия ток 1А е равен на (р+30°Ътъпът <р между фазовото напрежение на генератора UA и фазовия ток на генератора 1А се определя от вида на товара във фазата. При преобладаващ реактивен характер (индуктивен или капацитивен), ъгълът <р може да стане по-голям от 60°. Тогава при разглеждания активно-индуктивен характер на товара ватметьрът във фаза А, чието показание е пропорционално на cos(cp+30") ще дава обратно отклонение. За да се отчете показанието му се разме-нят краищата на напрежителната му намотка и съответното показание се взема с отрицателен знак. При капацитивен характер на товара ъгълът

(UCB ,IC )= {ср+ 30°) може да стане по-голям от 90° и втория ватметър да даде обратно отклонение. Отрицателното показание на един от ватметрите няма физикален смисъл на връщане на електрическа енергия към генерато ра. Това се получава поради използването на тази изкуствена схема, която отчита мощността само като алгебрична сума на двата ватметъра.

P=Pwl±PW2=Kw.(e,±e2) (7.8) където: в,,в2 - показания на ватметрите, дел; Kw— константа на ватме-трите, W/дел.

Във всички случаи положителното показание на единия от ватметрите е по-голямо от отрицателното. Разгледаният метод за измерване на трифаз-на мощност може да се използва при трифазни консуматори свързани п звезда или триъгълник, при симетричен и несиметричен консуматор.

58

Показанията на двата ватметъра са еднакви, ако товарът е симетри-чен и активен (cos(p=l).

На фиг.7.4а е показана векторната диаграма на напреженията и токове-те при чисто активен товар. На фиг.7.4б и фиг.7.4в са показани векторните диаграми съответно при чисто индуктивен и чисто капацитивен товар.

а) б) в)

Фиг. 7.4 III. ПРОГРАМА НА РАБОТА 1. Свързва се схемата на опитната постановка, съгласно фиг.7.5.

Разширяват се обхватите на измервателните уреди, като съответните кратности на разширяване се избират в съответствие с предварително зададени стойности за товара. Определят се разширените константи.

59

2. Извършват се измервания при регулиране на товарното устрой-ство при активен и активно-капацитивен товар за следните случаи:

а) симетрична трифазна верига; б) несиметрична трифазна верига. 3. Резултатите от измерванията се нанасят в таблица 7.1

Таблица 7.1.

№ Товар и л в UCB 1 А h Ic P=K,,w.(O,± ej

Крц/= № Товар V V д е л А дел А д е л А е, 02 w

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Теоретична обосновка на възможностите за измерване на актив-на трифазна мощност в трифазна трипроводна верига.

2. Построяване на векторна диаграма на напреженията и токовете за един от случаите на измерване, посочен от ръководителя на упражнението.

Векторната диаграма на напреженията се построява на милиметро-ва хартия, за случай на симетричен активно-капацитивен товар, като се следват указанията в ЛУ6.

Ъглите на дефазиране между линейните напрежения и фазовите токове се определят от показанията на измервателните уреди. Показа-нията на ватметрите се дават със следните изрази:

д W1 ••U М.1 л.ао& UAB^A \ -KPW-9.1

Pwi = U C B J C - C O { I \ UCB,IC \ = Kpw.e2

(7.9)

(7.10)

От изразите (7.9) и (7.10) се определят ъглите на дефазиране.

ЯК = \UABJA

л ( K p w Д л = arceos

(рг = U CB,IC = arccos

ТТ J V АВ А У / v а \

PW 2

ТТ т V СБ С У

60

Показанията на ватметрите 6У и 02 се вземат със съответния знак. Векторните образи на токовете 1А и 1С се чертаят в съответния мащаб t | склонени съответно на ъгли (р, и <р2 от линейните напрежения UAB и UCB. I Юкторобразът на тока 1В се получава от уравнение (7.5).

IB=-{lA + ~Ic) 3. Да се анализира влиянието на увеличаването на капацитивния

характер на товара върху измерената активна мощност.

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Обяснете понятието симетричен трифазен консуматор. 2. Как се изчислява активната мощност на симетричен трифазен

консуматор? 3. Как може да се измери активната мощност на симетрична три-

фазна трипроводна верига? 4. Как ще се измени мощността на трифазен консуматор, ако той се

превключи от свързване триъгълник в свързване звезда при едно и също линейно напрежение?

5. Какви са предимствата на „схемата на двата ватметъра" за измер-ил пе на активна трифазна мощност?

6. Кога показанието на единия от ватметрите е „отрицателно"?

C D VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ 1. При измерване на активна мощност на трипроводна верига и недос-

еЙ звезден център на консуматора трябва да се създаде „изкуствен" звез-чп1 център към който да се свърже напрежителната намотка на ватметъра.

2. Съгласно закона за съхранение на енергията активната мощност, II "I I о отдава генератора е винаги равна на активната мощност, която се приема от консуматора.

3. При измерване на трифазна мощност по „схемата на двата ватме-I цкГ е възможно отрицателно показание на единия от ватметрите - при | импо реактивен (индуктивен или капацитивен) характер на товара. Ви-lirii и положителното показание трябва да е по-голямо от отрицателното, I i.li като активната мощност на консуматора е винаги положителна.

61

Лабораторно упражнение №8

ИЗМЕРВАНЕ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКА ЕНЕРГИЯ С ЕДНОФАЗЕН СТАТИЧЕН ЕЛЕКТРОМЕР

I. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се запознаят студентите с основните блокове и функционал-

ните възможности на статичен електромер. 2. Да се изучат начините на оценка на точността на електромера и

проверка за липса на самоход.

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ За измерване на енергия във веригите за променлив ток се използ-

ват индукционни и статични електромери. Основните конструктивни елементи на индукционния електромер

са два електромагнита със специална форма на магнитопроводите, еди-ният от които е с токова, а другият - с напрежителна намотка; подвижен алуминиев диск, поместен между електромагнитите; броячен механи-зъм, свързан чрез зъбна предавка с оста на алуминиевия диск и постоя-нен магнит, които служи за създаване на спирачен момент.

При включване на електромера към променливо напрежение през бобините на двата електромагнита протичат токове, които създават про-менливи магнитни потоци, пропорционални съответно на напрежение-то и тока. Тези пулсиращи магнитни потоци създават резултантен бягащ магнитен поток, който взаимодейства с индуктираните в диска вихрови токове и се получава въртящ момент. Съпротивителният момент се съз-дава от взаимодействието на магнитния поток на постоянния магнит с индуктираните в алуминиевия диск вихрови токове при въртенето на диска между полюсите на постоянния магнит. Дискът се върти равно-мерно при уравновесяване на двата момента.

Статичният електромер е получил понастоящем по-широко прило-жение, поради редица предимства: липса на въртящи се части (а следо-вателно липса на механично износване), възможност за дистанционно отчитане, лесно организиране на отчитане по няколко тарифи, вграден часовник за смяна на тарифите и др.

Въпреки, че принципът на действие е различен, и тук са спазени ос-новните принципи при измерване на електрическата енергия, а именно из-мерване на консумираната активна мощност за определен период от време.

62

За целта статичният електромер има вградени преобразуватели за ток (ПТ - нискоомен високостабилен шунтов резистор) и напрежение (ПН - точен високоомен делител на напрежение). Информацията за големината на тока се подава на токовия канал на аналогово-цифровия преобразовател (АЦП), а разделеното от делителя напрежение - на напрежителния. Изчисляването на консумираната енергия се извършва от микроконтролер, който е съставен от два модула - изчислителен процесор и процесор с общо предназначение. Енергонезависимата памет представлява електрически препрограмируема памет (EEPROM), която гарантира съхраняване на данните за повече от 100 години и позволява над 1 милион презаписа. Използва се за съхранение на енергийните регистри, месечните отчети, системни параметри на електроме-ра и др. В електромера има вграден захранващ блок, който осигурява необ-ходимите захранващи напрежения за правилната работа на всички функцио-нални модули. Някои електромери разполагат с вграден часовник-календар, чието предназначение е да превключва тарифите в съответствие с тарифната схема. Работата му се осигурява от литиева батерия (ЛБ), гарантираща не-прекъснатата работа на часовника за повече от 10 години. Визуализирането на данните се осъществява от дисплей, който представлява течнокристален мултифункционален индикатор. Електромерът е снабден с оптичен интер-фейс, който предоставя възможност за параметризиране, настройка на дата и час, четене на енергийните регистри, месечни отчети и др.

На фиг.6.1 е показана опростената вътрешна блокова схема на ста-тичен електромер DAISIIVEL ЗС2М.

П Щ 8 8 8 8

Фиг. 8.1

63

За проверка на точността на електромера на лицевия панел има из-веден калибриращ импулсен изход (светодиод). Когато електромера на-трупа активна енергия по-голяма от определено количество АЕ (Wh) той генерира импулс. Енергийната порция АЕ е най-малката регистрируема от електромера. Това обуславя и преводното число на електромера

пропорционална на консумираната активна мощност. За елиминиране на самохода на електромера, има предвиден „anti-creep" режим, при който електромера не натрупва активна енергия и престава да генерира електрически импулси. В този режим светодиодът започва да свети непрекъснато (режим пауза). „Anti-creep" режим се активира, когато изходния ток на електромера е по-малък от стартовия. За различните електромери този ток е различен, но обикновено варира в диапазона 10-20 т А .

Статичните електромери позволяват двупосочно измерване, като при обратно свързване на токовата верига автоматично се превключва тарифата и отчитането става по тарифата за обратно включване.

Освен тарифата за обратно отчитане електромерите имат възмож-ност да отчитат консумираната енергия по още най-малко две тарифи. Превключването от една на друга тарифа става вътрешно (при електро-мерите с вградени часовници) или външно (при електромери без вгра-дени часовници - те имат допълнителен извод за превключващия сиг-нал).

На табелката на електромера са посочени номиналните напрежение и ток, както и максималния ток (в скоби). Максимален е този ток, при който електромерът може да работи продължително без грешката му да надхвърли допустимата. В типа на електромера са кодирани важни не-гови характеристики (еднофазен или трифазен, вид измерване, клас на точност, брой тарифи и др.). Посочено е също и преводното число.

Проверка за точността на електромера се извършва по два начи-на:

— При кратковременно включване с отчитане на броя импулси на светодиода (обороти на диска при индукционен електромер).

Грешката се изчислява по зависимостта:

, imp/k Wh АЕ

(8.1)

Светодиода мига с честотата на импулсите / риЬе 3600 ' ( в ' 2 )

64

C n-Pt Р — .100, % (8.3)

P.t ~ 1 j TT"t i ' 1000.3600 • . където C = —, kwhfimp = Ws i imp (8.4)

k k

е константата на електромера; t — времето, за което са отброени п импулса на светодиода, s; Р - мощността, измерена с ватметър, W. — При кратковременно включване с помощта на еталонен елек-

тромер. Последователно на изследвания електромер се свързва еталонен и

за различно натоварване се пресмята грешката по зависимостта: 17.-, .к. }1Л .Jv -> _

Р = ^ . 1 0 0 , % (8.5) nvk2

Където П] — брой обороти на еталонния брояч; и, — брой импулси на изследвания електромер; к, - преводно число на еталонния брояч, об/kWh; к2 - преводно число на изпитвания електромер, imp/kWh.

— При продължително включване с отчитане на показващото ус-тройство:

Точността се проверява с еталонен електромер, като се отчитат на-чалните и крайни показания на двата електромера за определен интер-вал от време. Грешката се определя съгласно зависимостта:

W - W Р~{————).100, % (8.6)

Е където W е разликата между крайното и началното показание на прове-рявания електромер;

WE - разликата между крайното и началното показание на еталон-ния електромер;

Допустимата грешка за електромери за активна енергия при coscp=l и товар 0,051н<1<[,„ах е 1% за електромери с клас на точност „1" и 2% за i-иектромери с клас на точност „2".

Проверка за самоход се прави при прекъсната токова верига и на-прежение 115%UH. Изследваният електромер няма самоход, ако не бъде регистриран импулс за време не по-малко от 30s.

65

Електромерът е полярен уред и трябва да се съблюдава правилно-то му свързване. При размяна на началото и края на токовата верига електрическата енергия се отчита по тарифата за обратно свързване. На фиг.8.2 е показана схемата на свързване на статичен електромер с вгра-ден часовник.

Фиг. 8.2

III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. Разчита се табелката на изпитвания електромер и се определя

класът му на точност, константата и енергийната порция А Е. Съобразно номиналните данни на електромера се подбират необходимите измерва-телни уреди и се свързва електрическата схема показана на фиг.8.3.

2. Подава се чрез автотрансформатора напрежение до 115%UH и се прави проверка за наличие на самоход (при изключен реостат RT).

3. Проверка на точността на електромера

А) При кратковременно включване с отчитане на броя импулси на светодиода.

66

F

Подава се напрежение U„ и с товарния реостат (RT) се регулира то-кът I, като за всяка стойност на тока се правят по две отчитания на мощ-ността и времето (с хронометър), за което светодиодът прави определен брой импулси (например 10). Резултатите се нанасят в таблица 8.1

Таблица 8.1

№ па измер-ването

Un=220V; n=10imp ; f=50Hz ; 1н= A; С= Ws/imp № па измер-ването

I I/I„.100 K w-

t W0=C.n W=P.t P Pep

№ па измер-ването A % e w s W

s Ws % %

Относителната грешка за всяко измерване се пресмята по (8.3). Средната стойност на грешката за всяка стойност на тока се пресмята по зависимостта:

а ±Р'±Р" РСР = 2 (8.7)

Където f j ' и р" са грешките от двете отчитания при един и същ ток .

Б) При краткотрайно включване с помощта на еталонен електро-мер. За целта последователно на изследвания електромер се свързва еталонен електромер (EE) съгласно фиг.8.4. Извършват се измервания за няколко стойности на тока, като за определен брой импулси на изпит-вания електромер (например 10) се отчитат броя обороти на еталонния. Резултатите се нанасят в табл.8.2

Таблица 8.2

№ ua измер-ването

UH= V; JH= A; k,= об/kWh; k2= imp/kWh (об/kWU) № ua измер-ването

I I/IH.100 ni n

2 n,.k

2 n

2.k, P

№ ua измер-ването A % об. имп.(об) o6

2

/kWh o62

/kWh %

i 67

Грешката се пресмята съгласно зависимост (8.5).

В) При продължително включване с отчитане на показващото ус-тройство. Проверката се извършва с помощта на еталонен електромер, съгласно фиг.8.4. Извършват се измервания за няколко стойности на тока, като се отчитат началното и крайно показание на двата електроме-ра за всяко измерване. Резултатите се нанасят в табл.8.3.

Таблица 8.3

№ на измер-ването

I 1/1„. 100 W We

P № на измер-ването

I 1/1„. 100 W

H W vv

кр W W eH

W eK p

W P № на

измер-ването А % k W h k W h k W h k W h k W h k W h %

Относителната грешка за всяко измерване се пресмята по (8.6).

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на основните възли и принципа на действие на статичния електромер.

2. Електрически схеми-фиг.8.3 и фиг.8.4 3. Описание на данните на изследвания електромер и използваните

уреди.

68

4. Резултати от измерванията - таблици 8.1 и 8.2. 5. Построяват се зависимостите \рср\ =/(1/1н) за резултатите от

табл.8.1 и |/У| =ДТ/1н) за резултатите от табл.8.2 и табл.8.3. 6. Да се направят изводи от извършената проверка на точността на

електромера и наличието на самоход.

1. Опишете устройството на индукционния и статичния електро-мер.

2. Какъв е принципът на действие на двата електромера? 3. Какво представлява явлението самоход? Как се прави проверка

за наличие на самоход? 4. Какви начини за проверка на точността на електромера познава-

те? Опишете ги. 5. Как ще познаете чрез електромера, че всички консуматори са

изключени? 6. Как реагира електромерърт на обратно включване на токовата

намотка? 7. Как се свързва еднофазен електромер за активна енергия?

1. Схемата на свързване на електромера осъществява постоянно за-хранване на напрежителната верига.

2. Явлението самоход се наблюдава при прекъсната токова верига. Проверка се прави при напрежение 115%U„.

3. При обратно свързване на токовата верига електрическата енер-гия се отчита по специална тарифа за обратно свързване.

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ

VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ

69

Лабораторно упражнение №9

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЕДНОФАЗЕН ТРАНСФОРМАТОР

^ S ) / . ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се запознаят студентите с видовете трансформатори: силови,

измервателни, автотрансформатори. Да разучат конструкцията и прин-ципа на действие на еднофазен трансформатор.

2. Да се усвои начинът за опитно определяне на загубите в маг-нитопровода и загубите в намотките, коефициента на трансформация и параметрите на заместващите схеми за режим на празен ход (п.х.) и режим на късо съединение, (к.с).

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ Трансформаторът е статично електрическо устройство, което слу-

жи за преобразуване на електрическа енергия с едни стойности на на-прежението и тока в електрическа енергия с други стойности на напре-жението и тока при запазване на честотата/, Hz.

Трансформаторът се състои от магнитопровод и навити върху него две (или повече) изолирани помежду си намотки (фиг. 9.1). Предназначе-нието на магнитопровода е да осигури силна магнитна връзка между на-мотките: първичната (с w, навивки), включена към напрежението, което трябва да се трансформира и вторичната (с w2 навивки), която се свързва към консуматорите. За намаляване на загубите от вихрови токове и хисте-резис, магнитопроводът се набира от отделни листове специална електро-техническа стомана, изолирани един от друг с окис, лак или хартия.

Фиг. 9.1

Принципът на действие на трансформатора се основава на явле-нието електромагнитна индукция -индуктиране на електродвижещо на-

70

ирежение (е.д.н.) в намотка при промяна на магнитния поток, който се вплита в нея.

Основните режими на работа на трансформатора са: 1. Режим на празен ход и опит на празен ход (ОПХ). При празен

ход на всички електрически величини се добавя индекс нула. Верига-та на вторичната намотка е прекъсната (12о=0). Първичната намотка е включена към променливо напрежение U,0 (U10=U1H). През нея протича токът на ri.x. 1,д, който възбужда променливия магнитен поток Ф0, наре-чен основен (работен) магнитен поток. Този магнитен поток се обхваща от навивките на двете намотки. Токът 1,0 възбужда и магнитния поток на разсейване Фа, който се вплита само с навивките на първичната намотка и се затваря през въздуха.

Фиг. 9.2

Еквивалентната електрическа заместваща схема е аналогична на тази при бобината със стоманена сърцевина (виж ЛУ 5) и е показана на фиг. 9.2.

с!Ф Съгласно закона за електромагнитната индукция е = —w , маг-

eft питният поток ФО индуктира в първичната и вторичната намотка е.д.н. е, и е2. При синусоидален магнитен поток Ф0=Фп^таЯ ефективните стойности на тези е.д.н. се определят с изразите:

Ej=4,44.f.Wj.0m (9.1) Е2 =4,44.f.w,0,„,

където:/-честота на променливото напрежение, Hz; Фт - амплитудна стойност на магнитния поток, Wb.

Коефициентът на трансформация е: w, W,

(9.2) 2 "2

Уравненията за равновесие на напреженията за двете намотки при п.х. (120~0) са:

71

f/10 Ei + JЮ.7.1 »

f/2 0 = & (9.3) Токът Iio ~ (5 ~ 10)% / / # , следователно, А: може да се определи

достатъчно точно с отношението:

к « ^ (9.4)

МОЩНОСТИ В ТРАНСФОРМАТОРА Във всички режими на работа трансформаторът консумира от

мрежата активна мощност Р,, която се разпределя по следния начин:

P,=P2+APM+APct (9-5) където: Р2 - активна мощност, консумирана от товара;

АРМ-загуби в проводниците на намотките; АРСТ - загуби в магнитопровода.

А) ЗАГУБИ В МЕДТА ( Л Р М ) Дължат се на протичането на ток през първичната и вторична

намотка на трансформатора и се определят съгласно зависимостта:

/ а г l l R , + / 2 Ч (9.6)

Б) ЗАГУБИ В СТОМАНАТА {АРСТ) Съгласно ЛУ 5 загубите в стоманата са :

jPcr= АРХ + АРВТ = kj.f.Bm2+ k2.f2.Bm

2 (9.7)

Тъй като коефициентите к, и к2, както и честотата/са константи, то загубите в стоманата са пропорционални на квадрата на магнитната индукция, т.е.:

АРст=к.Вт2 (9.8)

Съгласно (9.3) и (9.1) и като се има впредвид че UW=U,H

U,~E1=4,44.f.w. Фт=4,44.f.w,Bm.SMn

където: Вт-максимална стойност на магнитната индукция, Т; SMn - на-пречно сечение на магнитопровода.

Следователно:

Вт= =Uj (9.9) 4,44 .fiVvSMn

72

След заместване на (9.9) във (9.8) се получава: APCT=k.B2=c.U2 (9.10)

т.е. загубите в стоманата са пропорционални на квадрата на захранва-щото напрежение.

• АНАЛИЗ НА МОЩНОСТИТЕ В РЕЖИМНА ПРАЗЕН ХОД Р10=Р20+ АРдРСТ-При този режим мощността P20=U20.I20.cos(p20=0, т.к. 120=0. Следо-

вателно: Р,О=АРм+АРСТ (9.11) -Загуби е медта: Тъй като тези загуби са пропорционални на квадрата на токовете,

то: аРМ~0 (т.К. I20=0,&Ijo=(5+10)%I1h) - Загуби е стоманата: Те са пропорционални на квадратат на захранващото напрежение,

и т.к. в режим на празен ход U,0=Uuh то и загубите ще са: АРСТ=аРСТ.НОМ

Следователно в режим на празен ход:

Р w~ АРм + АР сг^АР ст.ном (9-12) т.е. мощността, която трансформатора консумира от мрежата покрива загубите в стоманата..

2. Работа при товар - към вторичната намотка е включен консума-тор ZTOB\ първичната намотка се захранва с напрежение U1H. Уравнени-ето за напреженията на вторичната намотка е:

Е, ~~~ f н~ if 2

Следователно, напрежението U2 зависи, както от големината на тока 12, така и от характера на товара, т.е. coscp2 (активен, индуктивен, капа-цитивен). При увеличаване на 12 токът I, в първичната намотка също нараства. Трансформаторът работи при U^const, а потокът Ф0=и,, сле-дователно Ф0=const (изменението на Ф0 от ПХ до номинален товар е с 2 3%). Токът 12 създава магнитен поток Ф2, който се противопоставя на Ф„ и при увеличаване на 12 токът в първичната намотка нараства, за да компенсира съответното размагнитващо действие на 12:

73

h = ho + YV

V W1 J •h

3. Режим на късо съединение (ОКС). При късо съединение на всички електрически величини се добава индекс Вторичната на-мотка е свързана на късо (U2K=0), а към първичната намотка е подадено понижено напрежение UIK, такова, че през двете намотки на трансфор-матора да протичат номиналните токове, т.е.

IIK=IIH И 4 R 4 W

Големината на това напрежение обикновено е UIK=(3+10)%UIH.

• АНАЛИЗ НА МОЩНОСТИТЕ В РЕЖИМ НА КЪСО СЪЕ-ДИНЕНИЕ

Р,К=Р2К+АРМ+АРСТ мощността P2K-U2K.I2K.cos(p2l(=0, T.K. U2K=0. Следователно:

Р,К=АРМ+АРСТ (9-13) — Загуби в медта: Тъй като тези загуби са пропорционални на токовете, а токовете са

номинални то:

АРМ=АРМ, НОМ

— Загуби в стоманата: Те са пропорционални на квадрата на захранващото напрежение, и

т.к. в режим на к.с. и/л.=(3-И 0)%U/W, т о и загубите ще са: дРст^О

Следователно в режим на късо съединение :

P/JC^APM, НОМ (9.14) т.е. мощността, която трансформатора консумира от мрежата покрива загубите в медта.

За да се определят загубите лРи при ток 11Н се използува изразът:

аРМ-ЛРМ И,ном vAH j

(9.15)

JJ

Напрежението uk % = ——. 100 дава представа за аварийния ток на U1H

74

късо съединение. Обикновено щ% е (3-И0)%. Аварийното късо съединение възниква при к.с. на вторичната на-

мотка и при U,=UIH. Този режим е опасен и недопустим т.к. токовете в трансформатора стават много големи (10^30).1Н и предизвикват изгаря-не на намотките.

III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. Да се разучи устройството на еднофазен трансформатор, авто-

трансформатор и токов трансформатор. Да се опишат номиналните им данни и да се подберат подходящи измервателни уреди. Да се свърже ел.схема по фиг. 9.3.

«Сч АТ RT

Фиг. 9.3

2. ОПХ. При безкрайно голямо товарно съпротивление (12=0) с АТ

се регулира първичното напрежение Uw до U,H. Отчетените данни се нанасят в таблица 9.1. Неизвестните величини се определят съгласно зависимостите:

Таблица 9.1 Отчетени Изчислени

U.0 I,» Р.о И 2 „ Z I 0 coscp,„ R,o X|o V А W V £1 - A

zio= ——; cos(pio= ; RJO= z10.cos(pi0 = Rj+RЦ ho U10.I10

Хю= - K = X l 0+XM (9.16) Да се определи коефициентът на трансформация „к" съгласно 9.4

11 ст-

75

3. Работа при товар - с АТ се подава номиналното първично напре-жение U1H. Чрез товарния реостат RT се изменя токът 12 от 0 до 12Н при U,H-const. Получените данни се нанасят в таблица 9.2.

Таблица 9.2

N Отчетени Изчислени

N и, I. Р, и2 h Р2 coscpi Лпряк дРм Лкосвен N V А W V А W - % W %

Неизвестните величини се определят съгласно зависимостите: Р. Р Рг. 100

c o s c p i = — — ; Т|пряк = — . 1 0 0 ; Пкосвен - ( 9 . 1 7 ) Ul.l1 i , 2 Д

където АР=ЛРМ+ЛР'СТ; АРМ сс определя съгласно (9.15).

4. ОКС - свързва се ел. схема по фиг. 9.4. Напрежението U,K се из-меня с АТ от 0 до стойност, при която токовете 11К и 12К станат равни на номиналните. Резултатите, получени от измерването се нанасят в таб-лица 9.3. Изчислените по (9.16) с индекс „к" параметри на еквивалент-ната заместваща схема за ОКС се нанасят в таблица 9.3. Да се определят А Р и. ном и •

*Wi

AT

е ©

Фиг. 9.4 Таблица 9.3

Отчетени Изчислени U,K I.K Р |К 12к Z1K СОБф.к R.K V А W А - Q

76

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на принципа на действие на трансформатора; заместващи схеми — основни уравнения; характеристики.

2. Ел.схеми, използувани за провеждане на ОПХ, работа при товар и ОКС - фиг. 9.3 и 9.4.

3. Описание на използуваните трансформатори и измервателните уреди.

4. Резултати от измерванията и изчисленията -табл. 9.1, табл. 9.2 и табл. 9.3.

5. Определяне на коефициента на трансформация и загубите в трансформатора..

6. Да се построят в една координатна система характеристиките: лРм, лРст и r\KOC=f(l2) и в друга координатна система зависимостите:

Ппряк, и2, coscp, И li=f(L). 7. Изводи - относно режимите на работа и загубите в трансформа-

тора.

QD V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Какво представлява и как се определя коефициентът на тран-

сформация „к"? 2. Ще се измени ли „к", ако първичното напрежение U,Hсе подаде

на по-малък брой навивки? 3. Как ще се измени U2, ако U,=U1H, а броят на навивките w2 се

намали? 4. Какво налага в електротехническата практика трансформация на

напрежението? 5. Как ще се изменя токът на празен ход и загубите в магнитопро-

вода на трансформатора, ако първичното напрежение се повиши над номиналното?

6. При какви условия се провежда опитът на късо съединение и с каква цел?

7. Защо увеличаването на вторичния ток на трансформатора води до нарастване и на първичния ток?

8. От какво зависи нагряването на трансформатора в работен режим? 9. С каква цел в конструкцията на трансформатора се използва

трансформаторното масло?

77

10. Какво е предназначението на ТТ? Какъв е нормалният му ре-жим на работа?

11. Какъв е начинът за определяне на загубите в намотките? 12. Защо магнитопроводът на трансформатора се прави от електро-

техническа стомана и от тънки изолирани помежду си листове?

1. Загубите в стоманата (от вихрови токове и хистеризис) зависят от магнитната индукция и честотата, и тъй като не зависят от товара (12), те остават постоянни при работа на трансформатора от празен ход до номинален товар. Загубите в стоманата се определят от опита на празен ход при UI0=U1H.

2. Загубите в стоманата се намаляват, като магнитопроводът на трансформатора се изработва от листова електротехническа стомана.

3. Загубите в намотките са пропорционални на квадрата на съот-ветния ток, и се наричат променливи загуби. Определят се по (9.15), като предварително се определят номиналните загуби в медта от опита на късо съединение.

4. Късо съединение при работа на трансформатора при U,=UIH, т.е. аварийно късо съединение, е недопустимо, т.к. токовете в намотките са многократно по-големи от номиналните.

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ДВИГАТЕЛ ЗА ПОСТОЯНЕН ТОК

I. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се запознаят студентите с конструкцията и принципа на дейст-

вие на двигателите за постоянен ток. 2. Да се разучат начините за пускане в ход, регулиране на честотата

на въртене и реверсиране на двигателите за постоянен ток. 3. Да се усвоят практически навици за работа с постоянното кои

двигател, като се снемат работните му характеристики.

VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ

Лабораторно упражнение №10

78

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ Основни конструктивни елементи на машината за постоянен ток

са индукторът и котвата (фиг. 10.1). Индукторът се състои от електро-магнити за постоянен ток - главни полюси (ГП), които се закрепват към тялото на машината и служат за създаване на основното магнитно поле. Към тялото на машината се закрепват и допълнителните полюси (ДП), които са предназначени за подобряване на комутацията. Тялото на ма-шината служи и като магнитопровод, през който се затваря магнитният поток.

1 — колектор; 2 — четки; 3 — магнитопровод на котвата; 4 - магнитопровод на главния

9 полюс; 5 — възбудителна намотка; 6 - статор (индуктор); 7 — лагерно тяло; 8 — вентилатор; 9 - котвена намотка.

Фиг. 10.1

Котвата е подвижна част (ротор), която се набира от предварително щанцовани листове електротехническа стомана. В образуваните канали се полага котвената намотка. Краищата на отделните секции на котвена-та намотка се запояват към колектора.

Принципът на действие на двигателите за постоянен ток се осно-вава на взаимодействието на постоянното магнитно поле, създавано от т.збудителия ток /„, който протича през намотката на индуктора и тока /,, който протича през котвената намотка (съгласно закона на Ампер).

Машините за постоянен ток са обратими, т.е. една и съща машина, може да работи в генерато-рен и в двигателен режим, но при различни номинални данни.

Подобно на генераторите, двигателите биват с независимо, пара-нелно, последователно или смесено възбуждане. Те са различават ос-новно по механическите си характеристики.

79

Напрежението, което се подава на изводите на двигателя се урав-новесява от противоелектродвижещото напрежение в котвата и пада на напрежение в котвата, т.е:

U=Ea+Ia.Ra=CE. Ф.п+1а.Ка (10.1) където: Еа=СЕ.Ф.п - противо - е.д.н., V;

p.N СЕ =

60 .а конструктивна константа (р - двойки полюси, N -

брой проводници в котвената намотка, а - двойки паралелни клонове) ; Ф - магнитен поток, Wb; п - честота на въртене на котвата, min"1; Ia - ток, през котвената верига, А; Ra - съпротивление на котвената верига, £1 Въртящият (двигателният) момент М се определя с израза: М=См.Ф.1а (10.2)

p.N където: С, - конструктивна константа;

2.71.а

Двигателите за постоянен ток имат голям пусков момент (Мп) и голям пусков ток

(1П=(25+40)1Н). Наличието на голям пусков ток се обяснява с лип-сата на противоелектродвижещо напрежение в котвата при пускане (т.к. п=0).

За ограничаване на пусковия ток 1П, в котвената верига се включва пусков реостат Rn:

U (10.3) Jn =

R.+R •п Пусковият реостат Rn се оразмерява за плавно или стъпално изме-

нение, така, че отделните стъпала да осигуряват пусков ток по-малък от (2+2,5)1н и плавност на пусковия процес при минимално време за раз-въртане на двигателя. Двигателите с малка мощност могат да се включ-ват директно към захранващата ел.мрежа, т.к. пусковите токове в случая са относително малки.

Двигателят с последователно възбуждане не трябва да се пуска на п.х. и да работи при товар по-малък от 0,25Мн защото при намаляване на товара, намалява котвеният ток (/„=/„), съответно магнитният поток Ф и честотата на въртене рязко се увеличава. Този двигател има „мека" механическа характеристика и голям въртящ момент (М=к.12).

80

(А

Двигателите за постоянен ток притежават големи възможности за плавно регулиране на честотата на въртене в широки граници:

СЕ.Ф Съгласно (10.4) има три начина за регулиране на „и": а) чрез включване на съпротивлението Лрег в котвената верига при

U=const и Ф=const. Увеличава се наклонът на механическата характе-ристика. При това се намалява к.п.д. на двигателя;

б) чрез изменение на напрежението U при 0=const, Ra=const и R=const. Постига се широк диапазон на регулиране на „я";

в) чрез намаляване на магнитния поток Ф при U=const и Ra=const. Постига се регулиране на „п" над номиналната честота на въртене. При това се увеличава к.п.д. на двигателя, но се намалява моментът М.

Двигателите с паралелно възбуждане имат „твърди" механически характеристики. Най-добри регулационни характеристики имат двига-телите с независимо възбуждане

При двигателите за постоянен ток могат да се използуват няколко начина за електрическо спиране: електродинамично спиране, рекупера-тивно спиране и спиране чрез противовключване на котвената намотка.

Двигателите за постоянен ток са реверсивни. От (10.2) следва, че за да се обърне посоката на въртене на двигателя е необходимо да се про-мени посоката на тока в една от намотките (по-благоприятно е посоката на тока 1а).

III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. Да се разучи конструкцията на двигатели за постоянен ток с па-

ралелно и независимо възбуждане. 2. Да се свърже схемата съгласно фиг. 10.2 за изпитване на двигате-

ля с натоварване посредством генератор за постоянен ток. 3. Двигателят се пуска в ход при максимален възбудителен ток 1в (Re

изключен) и с максимално пусково съпротивление (Rn). След развъртане на двигателя стойността на пусковото съпротивление се намалява и при обороти близки до номиналните пусковото съпротивление се шунтира.

81

4. Да се снемат работните характеристики на двигателя: п, М, I, 4=f(P^ при U= U,-const и R=const.

Натоварването на вала на двигателя се изменя чрез регулиране на тока 1аг на генератора с товарния реостат RT от 0+24А през 4А. Резулта-тите от експеримента се нанасят в таблица 10.1.

Таблица 10.1

N Отчетени Изчислени

N п Kid hd Ud и, Pi P2 M n N min"1 A A V A V W w N.m %

1.

За изчисляване на величините от табл. 10.1 се използуват изрази-те:

р,=ид.(1ад+и Р 2 Г където: P2r=Ur.Iar

APr=lJ.Ra+Po ( R j - U Q \ Р0~450W)

М — 9,56.—, Nm п

(10.5) (10.6)

(10.7)

82

77 = — -100 , % Р,

(10.8)

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУАТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на принципа на действие на двигателите за по-стоянен ток; начините за пускане в ход и регулиране на честотата на въртене.

2. Ел.схема за снемане на работните характеристики на двигател с паралелно възбуждане - фиг. 10.2.

3. Описание на използуваните уреди и машини. Резултати от из-мерванията и изчисленията по изрази (10.5) до (10.8) - таблица 10.1.

4. Графики на зависимостите п, М, I (1=1ад+1вд), t]=f(P2), начерта-ни в една координатна система.

5. Изводи: относно пускането в ход на двигателя с паралелно въз-буждане и възможности за регулиране на честота на въртене.

1. Какъв е принципът на действие на двигателите за постоянен ток? Каква е ролята на колектора?

2. Как влияе реакцията на тока на котвата върху работата на двига-телите за постоянен ток?

3. Как се реверсират двигателите за постоянен ток? 4. От какво зависи честотата на въртене? Какви начини за регули-

ране на честотата на въртене на двигателя за постоянен ток познавате? 5. Как се пускат в ход двигателите за постоянен ток? Направете

оценка на пусковия ток и пусковия момент. 6. Какви начини за спиране на постояннотоковите двигатели по-

знавате? 7. В какво се изразява принципът за обратимост на електрическите

машини за постоянен ток? 8. Кои са работните характеристики на двигател за постоянен ток? 9. Кои механични характеристики се наричат естествени? А кои

- изкуствени? 10. Какви са предимствата и недостатъците на двигателя за посто-

янен ток в сравнение с другите видове ел. двигатели?

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ

83

tt^ VI. основни изводи 1. При пускане на двигателите с паралелно и смесено възбуждане

е необходимо: а) реостатът в котвената верига да има голямо съпротивление, за да

се ограничи големината на пусковия ток; б) реостатът във възбудителната верига да има малко съпротивле-

ние, за да се осигури максимален магнитен поток. 2. Регулирането на честотата на въртене може да се постигне чрез: а) изменение на напрежението на котвената верига (механичните

характеристики се изместват успоредно на естествената механична ха-рактеристика);

б) увеличаване на съпротивлението на реостата, последователно включен в котвената верига (увеличава се наклона на механичната ха-рактеристика при неизменна честота на въртене на празен ход);

в) изменение на възбудителния ток (намаляването на 1В води до уве-личаване на честотата на въртене на празен ход и увеличаване на стръм-ността на механическата характеристика). При работа на двигателя с постоянен съпротивителен момент, намаляването на възбудителния ток предизвиква увеличаване на тока на котвата.

3. Максималната стойност на к.п.д. се постига при такова натовар-ване, при което постоянните и променливи загуби се изравняват.

4. Реверсиране (промяна на посоката на въртене) се постига чрез превключване или на котвената верига или на възбудителната верига.

84

Лабораторно упражнение №11

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ГЕНЕРАТОР ЗА ПОСТОЯНЕН ТОК

1. Да се запознаят студентите с конструкцията и принципа на дейст-вие на генераторите за постоянен ток.

2. Да се усвоят процесите на „пускане" и „регулиране на напреже-нието" на генератор за постоянен ток.

3. Да се снемат основните характеристики на генератор за постоя-нен ток.

II.KPA ТКИ ПОЯСНЕНИЯ Генераторът за постоянен ток преобразува механична енергия в

електрическа енергия на постоянен ток. Електрическите машини за по-стоянен ток са обратими, т.е. могат да работят и като двигатели и като генератори. Затова няма конструктивна разлика между генератор и дви-гател за постоянен ток (виж ЛУ10).

В зависимост от начина на захранване на възбудителната намотка генераторите за постоянен ток биват с независимо възбуждане и със са-мовъзбуждане. Възбудителната намотка на генераторите с независимо възбуждане се захранва от външен източник. Генераторът със самовъз-буждане сам захранва възбудителната си намотка. За да може да се са-мовъзбуди, е необходимо в неговата магнитна верига да има остатъчно магнитно поле Фост (Ф„ст=2^3%Ф,). Ако машината няма остатъчно маг-нитно поле, възбудителната намотка се включва в продължение на някол-ко минути към външен източник на постоянно напрежение. Генераторът може да не се възбуди и поради неправилно свързване на възбудителната намотка към котвата, или поради обратно въртене на котвата. При това няма да съвпаднат посоките на възбудения и остатъчния магнитни пото-ци. Друго условие за самовъзбуждане на генератора е съпротивлението на възбудителната верига да бъде по-малко от критичното RKP.

Използваните в практиката генератори със самовъзбуждане са главно с паралелно възбуждане (ГПВ) - фиг. 11.1а и със смесено въз-буждане (ГСВ) - фиг. 11.16. При ГПВ възбудителната намотка се свързва паралелно на котвената намотка, а ГСВ има две възбудителни намот-ки, едната от която се свързва паралелно, а другата последователно на

I. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО

85

котвената намотка. Начинът на свързване на възбудителната намотка с котвената намотка оказва силно влияние на електрическите свойства на генератора.

а) б) Фиг. 11.1

Принципът на действие на генераторите за постоянен ток се ос-новава на явлението електро-магнитна индукция — индуктиране на е.д.н. в проводник, който пресича силовите линиии на постоянно маг-нитно поле. Посоката на индуктираното е.д.н. се определя по прави-лото на дясната ръка. При преминаването на проводниците от зоната на един полюс в зоната на друг полюс посоката на е.д.н. се променя. Благодарение на колектора и четките посоката на е.д.н. между четки-те и на тока през товара е постоянна, т.е. колекторът играе ролята на механичен токоизправител. Големината на постоянното е.д.н. между четките се дава с израза (виж ЛУ10):

Е=Се.Ф.п (11.1) При включване на товарно съпротивление (RT) към изводите на

котвената намотка на генератора (фиг. 11.5) под действие на индукти-раното е.д.н. Еа, протича ток със стойност 1а в котвената намотка и със стойност I през товара. Напрежението на изводите на генератора се определя по втория закон на Кирхоф:

U=Ea-Ia.Ra-СЕ. Ф. n-Ia.Ra, (11.2) където Ra е съпротивлението на котвената намотка.

86

За свойствата на генератора се съди по неговите характеристи-ки. Основни характеристики на генераторите за постоянен ток са:

1. Характеристика на празен ход (х.п.х.) Ea=f(IB) - зависимостта на е.д.н. от възбудителния ток при n=const и прекъсната верига на консуматора (1=0) - фиг. 11.2. Тъй като при празен ход на генератора с независимо възбуждане Ea=U0, а при ГПВ Ea~U0, като х.п.х. се сне-ма зависимостта U„=f(IB).

От (11.1) следва, че при n=const, Еа=Ф,т.е. при изменение на 1В е.д.н. се изменя така, както се изменя Ф. Зависимостта Ф=/(1в) е подобна на зависимостта B=f(H) и не започва от 0 при наличие на остатъчно намагнитване. От х.п.х. се съди за свойствата на магнит-ната верига на машината, за загубите от хистерезис и за остатъчното магнитно поле.

2. Външна характеристика U=f(I) - зависимостта на напрежени-ето на генератора от товарния ток при n=const и при постоянно съ-противление на възбудителната верига (Re=const). Съгласно (11.2) с увеличаване на товарния ток / напрежението U намалява. Причините при генератора с независимо възбуждане са увеличаването на напре-жителния пад Ia.R„ в котвената намотка и размагнитващото действие на реакцията на тока на котвата, което предизвиква намаляване на резултантния магнитен поток и на е.д.н. Еа.

Фиг. 11.2 Характеристика на празен ход на ГНВ

87

и

гнв

гпв ГНВ 1в - 1в,ном = const ГПВ Re=Re,HOM= const

0 Фиг. 11.3

Външна характеристика на ГНВ и ГПВ

При генератора с паралелно възбуждане намаляването на напре-жението U вследствие на напрежителния пад в котвената намотка и вследствие на реакцията на тока на котвата води до намаляване на въз-будителния ток (IB=U/(RBH+RB)). Това от своя страна води до намаляване на магнитния поток на машината (Ф=1В), което поражда допълнително понижение на напрежението. Затова понижението на напрежението на този генератор е по-голямо от това при генератора с независимо възбуж-дане (фиг. 11.3).

3. Регулираща характеристикаIB=f(I) при Un=const и n=const-фиг. 11.4 показва как трябва да се изменя възбудителния ток 1В при измене-ние на товарния ток /, за да се поддържа неизменно напрежението на генератора.

!в

ГПВ

U=220V=const

0 Фиг. 11.4. Регулираща характеристика за ГНВ и ГПВ

88

т.ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. Изследва се генератор за постоянен ток с независимо и с пара-

лелно възбуждане - фиг. 11.5.

Желаният вид възбуждане на генератора се получава, като възбуди-телната намотка (ВН) на машината се захранва от независим източник (фиг. 11.5а) или се свързва паралелно на котвата (фиг. 11.56). Генераторът се задвижва от асинхронен двигател с кафезен ротор. Приема се, че дви-гателят осигурява изпълнение на условието n=const.

Генераторът се изследва в следния ред: 1. Разучава се и се описва конструкцията на изследвания постоян-

нотоков генератор: номинални данни; означения на изводите на котве-ната и възбудителната намотка; посоката на въртене на котвата.

2. Реализира се съответната схема от фиг. 11.5. 3. Пуска се генераторът, като при изключени товарна и възбуди-

телна верига се включва задвижващия двигател. Ако генераторът е с паралелно възбуждане се проверява дали посоката на въртене отговаря на указаната на тялото му посока.

4. Снема се х.п.х. U0=f(IB) при 1=0 и n=const. При празен ход на генератора (изключена верига на товара) и изключена възбудителна ве-рига (1В=0) се отчита напрежението U0=E0, индуктирано от остатъчния

б) Фиг. 11.5

89

магнитен поток Фост. Това е първата точка от х.п.х. (U0,1В=0). Включва се възбудителната верига. Посредством регулиращият реостат RB се за-дават нарастващи стойности на възбудителния ток и се отчита напре-жението (до UU=UH). Така се получава възходящият клон на х.п.х., след това се задават намаляващи стойности на 1В (до 1В=0) и пак се отчита напрежението, при което се получава низходящия клон на х.п.х. При снемане на характеристиката се внимава плъзгачът на възбудителния реостат да се движи само в една посока (без да се връща назад). Данните се нанасят в таблица 11.1. По тях се строи х.п.х. с възходящия и низхо-дящия клон.

Таблица 11.1 Възходяща

част и0 V Възходяща

част А Низходяща

част и0 V Низходяща

част h А

5. Снемане на външната характеристика U=f(I) при RB=const и n=const. При празен ход на генератора чрез RB се установява номинал-ното напрежение UH. Получава се първата точка от външната характе-ристика (1=0, U=UH). Включва се товарното съпротивление RT (воден реостат) и при RB=const чрез RT се задават нарастващи (до 1Н) стой-ности на товарния ток I. За всяка стойност на товарния ток I се отчита напрежението U. Данните се нанасят в таблица 11.2 и по тях се строи външната характеристика.

Таблица 11.2

ГНВ I ГНВ и

гпв I гпв и

6. Снемане на регулиращата характеристика IB=f(I) при UH=const и n=const. При празен ход на генератора се установява U=UH. Отчит а се възбудителния ток 1В и се получава първата точка от регулиращата характеристика (1=0, 1В). Чрез реостата RT се изменя товарния ток от 0 до /н, като чрез RB се поддържа неизменно напрежението на генератора. За всяка стойност на товарния ток 7 се отчита възбудителният ток 1В.

90

Резултатите ee нанасят в таблица 11.3 и по тях се строи регулиращата характеристика.

Таблица 11.3

ГНВ I A

ГНВ h A

ГПВ I

ГПВ h

7. Спира се генераторът като за целта той се разтоварва, намалява се възбудителния ток и се изключва задвижващия двигател.

1У.ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на принципа на действие на генератора за по-стоянен ток; видове генератори според начина на възбуждане; зависи-мост на напрежението на изводите на генератора от товарния ток; усло-вия за снемане на основните характеристики.

2. Електрическа схема, използвана за снемане на характеристиките фиг. 11.5.

3. Описание на използваните електрически машини. 4. Резултати от измерванията - таблици 11.1, 11.2 и 11.3. Да се изчисли относителното понижение на напрежението , като се

използва изразът:

ДС/ =U° .100%, и и н

където UH е напрежението при номинален ток. 5. Графични зависимости а) U0=f(IB) при 1=0 и n=const\ б) U=f(I) при RB=const и n=const\ в) IB=f(I) при UH=const и n=const. 6. Изводи: относно изпълнението на условията за самовъзбуждане

на генератора с паралелно възбуждане; твърдостта на външната харак-теристика; сравнение между характеристиките на ГПВ и ГНВ, като се изясни влиянието на тока на котвата върху напрежението при двата вида Iенератори.

91

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Какво е устройството и какъв е принципът на действие на гене-

раторите за постоянен ток? 2. От какво зависи напрежението на изводите на генератора? 3. Каква е ролята на колектора? 4. Какви са начините за регулиране на напрежението на генератора

за постоянен ток? 5. Как се пускат генераторите за постоянен ток? 6. Какви видове генератори за постоянен ток познавате в зависи-

мост от начина на възбуждането им? 7. Защо външната характеристика е падаща? Какво е различието

между външните характеристики на генератори с паралелно и незави-симо възбуждане и как се обяснява то?

8. Какви са условията за самовъзбуждане на генератор с паралелно възбуждане?

9. Как се спира генераторът за постоянен ток?

C D VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ 1. Самовъзбуждане на генератор за постоянен ток с паралелно въз-

буждане е възможно при изпълнение на следните условия: - наличие на остатъчно магнитно поле в машината; - съгласувано свързване на възбудителната и котвената намотки; - въртене на котвата съгласно означената посока; - RB<RBKP. 2. При увеличаване на тока в котвата напрежението на изводите на

генератора намалява. При генератора с паралелно възбуждане причина-та за това са реакцията на тока на котвата, напрежителния пад в котве-ната намотка и зависимостта на възбудителния ток от напрежението на изводите на котвата.

3. За да се поддържа постоянно напрежението на изводите на гене-ратора трябва да се увеличава възбудителният ток.

4. Външната характеристика на генератор с независимо възбужда-не е „по-твърда" от външната характеристика на генератор с паралелно възбуждане .

5. Стръмнността на външната характеристика на генератор със смесено възбуждане се определя от начина на свързване на възбудител-ните намотки (съпосочно или противопосочно).

92

Лабораторно упражнение №12

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ТРИФАЗЕН АСИНХРОНЕН ДВИГАТЕЛ С РОТОР СЪЕДИНЕН НАКЪСО

CD I. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се изучи конструкцията и принципа на действие на трифазния

асинхронен двигател. 2. Да се изучат начините на свързване, пускане в ход, регулиране на

честотата на въртене и спиране на асинхронния двигател. 3. Да се изследва установеният режим на работа при натоварване

и се снемат експериментално работните характеристики на трифазен асинхронен двигател с късосъединен ротор.

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ Асинхронният двигател е една от най-простите електрически ма-

шини. Като всяка електрическа машина тя се състои от статор и ротор. Статорът се състои от чугунено тяло, в което е закрепен магни-

топровода. За намаляване на загубите от вихрови токове и хистерезис магнитопроводът се набира от листова електротехническа стомана. В каналите, щанцовани по вътрешната повърхност на статора се поставя статорната намотка.

Роторът също се изработва от тънки листове електротехническа стомана. В каналите на ротора се поставя намотка, която може да бъде късосъединена (асинхронен двигател с кафезен ротор) или фазова (iасинхронен двигател с навит ротор).

Намотката на асиннхронния двигател с кафезен ротор се изработва от медни или алуминиеви пръчки, които в двата си края са свързани накъсо с медни или алуминиеви пръстени. Понякога {при машините с малка и средна мощност) намотката се изработва чрез заливане на маг-нитопровода на ротора с разтопен алуминий.

Устройството на роторната намотка на двигателя с фазов ротор е аналогично с тази на статорната. Роторната намотка обикновено се свързва в звезда като началата на трите фази се свързват в обща точка, а краищата - с контактни пръстени и чрез четки с регулиращи или пуско-ви съпротивления.

Принципът на действие на асинхронния двигател се основава на

93

взаимодействието между въртящото се магнитно поле на статора и тока в ротора (съгласно закона на Ампер). При включване на статорната на-мотка към трифазна мрежа се създава въртящият се магнитен поток на статора. Той пресича неподвижната роторна намотка, индуктира е.д.н. (съгласно закона на Фарадей) и прокарва ток в проводниците на ротора. От взаимодействието на полето в статора с токовете в ротора се създава електромагнитен момент, който увлича ротора в посока на въртящото се магнитно поле. Посоката на въртене на ротора се определя от посоката на въртящото се магнитно поле и може да се промени чрез смяна на реда на фазите на статорната намотка. От посоченото по-горе, следва, че за създаване на електромагнитен момент е необходимо честотата на вър-тене на ротора да бъде различна от честотата на въртящото се магнитно поле. За оценка на разликите на честотите на въртене на въртящото се магнитно поле и ротора се използува понятието хлъзгане:

(12.1)

"i 6 0 . /

където: J\ = честота на въртене на въртящото се магнитно поле, min"'; Р

п - честота на въртене на ротора, min"1; / - честота на захранващото напрежение, Hz; р - брой на двойките полюси на една фаза от статорната намотка. Броят на двойките полюси е винаги цяло число и при стандартна

честота/=50Hz се реализира гама от честоти на въртящото се поле:

р - 1 2 3 4 5 6

П/ min"1 3000 1500 1000 750 600 500

При номинален режим, честотата на въртене на ротора на асинхрон-ния двигател е близка, но по-малка от честотата на въртящото се магнит-но поле (sH=0,01 0,05). Ако честотата на ротора стане равна на честотата на въртящото се магнитно поле (s=0), относителното пресичане на маг-нитния поток и проводниците на ротора няма да се осъществява, няма да се индуктира напрежение в роторната намотка, няма да протече ток през нея и електромагнитният момент ще бъде равен на нула.

След включване на асинхронния двигател към мрежата при непод-вижен ротор (п=0, s=l), въртящото се поле пресича с най-голяма ско-

94

рост роторната намотка, поради което е.д.н. и токът в ротора, а от там и токът в статора. получават големи стойности. Пусковият ток може да надвиши от 5 до 8 пъти номиналния ток на двигателя. Големият пусков ток създава опасност от прегряване на намотките на двигателя, смуще-ния в захранващата мрежа и защитната апаратура. Това налага при дви-гателите с тежък пусков режим да се вземат мерки за ограничаване на пусковите токове.

При асинхронните двигатели с навит ротор, пусковият ток се нама-лява, като се включи допълнително активно съпротивление в роторната намотка:

Е у h = 2 (12.2)

7 4- R ^ 2П ЛДОП

където: Ег - индуктирано е.д.н. в роторната намотка при неподвижен ротор;

Z2n - комплексно съпротивление на роторната намотка при п=0

RD0„ - съпротивление на пусковия реостат. При правилен избор на големината на активното съпротивление RDON, едновременно с огранича-ване на пусковия ток се постига и увеличение на пусковия момент. При асинхронните двигатели с късо съединен ротор няма възможност да се измени съпротивлението на роторната намотка, поради което пусковият ток се ограничава чрез намаляване на захранващото напрежение. Въз-можните начини са:

а) чрез последователно включване към статорната намотка на до-пълнително съпротивление (най-често индуктивно съпротивление, наричано „реактор"), което създава пад на напрежение в процеса на пускане и след това се изключва. Индуктивното съпротивление се ха-рактеризира с това, че активното му съпротивление е малко, а следова-телно и загубите в него са малки;

б) чрез намаляване на напрежението с трифазен автотрансформа-тор;

в) чрез превключване на статорната намотка при пускане отначало в „звезда", а след развъртането в „триъгълник". Този начин е приложим, ако двигателят е предназначен да работи в свързване „триъгълник", при номинално напрежение на захранващата мрежа. Пусковият ток при свързване „звезда „ е 3 пъти по-малък от този при свързване „триъгъл-ник"; (1Пу/1ги=1/3). При пускане по схемата „звезда-триъгълник", следва

95

да се има предвид, че и пусковият момент при свързване „звезда" е 3 пъти по-малък от този при „триъгълник". Ето защо, при използуване на този начин на пускане, следва да се прецени възможността за развърта-не на двигателя при свързване „звезда".

При двигатели с неголяма мощност, най-често се използува ди-ректно включване към мрежата. Възможността за директно пускане в ход, се преценява посредством допустимата кратност на пусковия ток по формулата :

1Н 4

където: К, - кратност на пусковия ток на двигателя (посочва се в ката-ложните данни);

РИИСТ - инсталирана мощност на мрежата, kW; РНДВ - номинална мощност на двигателя, kW. Честота на въртене на ротора на асинхронния двигател, може да се

запише: 6 0 . /

>7 = — ( 1 - s ) (12.4) Р

от където се вижда, че тя може да се регулира по следните три начина: а) чрез изменение на честотата на захранващото напрежение. Този

начин позволява плавно и икономично регулиране в широки граници, но изисква специални захранващи източници с регулируема честота. Понастоящем той е най-масово използвания начин за регулиране на чес-тотата на въртене на асинхронните двигатели с кафезен ротор.

б) чрез изменение на броя на двойките полюси, " р". Този начин е широко разпространен при т.н. многоскоростни двигатели. Регулиране-то е стъпално. Многоскоростни двигатели се произвеждат най-често за две работни честоти, а по-рядко за три и повече.

в) чрез изменение на хлъзгането. Този начин на регулиране е по-ефективен при двигателите с навит ротор, като с изменение на актив-ното съпротивление на роторната намотка, се изменя в широки граници наклонът на работния участък на механическата характеристика. При двигателите с накъсо съединен ротор, изменението на хлъзгането може да се постигне само чрез изменение на захранващото напрежение, но областта на допустимите изменения на напрежението е незначително, поради което този начин няма съществено практическо значение.

96

Работните характеристики на трифазния асинхронен двигател представляват зависимостите на следните величини от изменението на полезната мощност мощност Р2 - фиг. 12.2:

а) честотата на въртене п=/(PJ, б) консумирания ток I^f lPJ ' , в) полезният въртящ момент M2=f(P2)\ г) коефициентът на полезно действие i]=f(P2); д) факторът на мощността cosip=f(P е) хлъзгането s=f(P^

и се снемат при постоянно захранващо напрежение U,=const и честота на мрежата f,=const.

Ill ПРОГРАМА НА РАБОТА 1. Свързва се схемата, показана на фиг. 12.1. Тъй като трифазният асин-

хронен двигател е практически симетричен консуматор, в схемата е пред-виден само един амперметър за измерване на консумирания ток. Консуми-раната мощност се измерва по схемата на двата ватметъра (схема на Арон). Студентите следва да подберат кратността на разширение на обхватите на измервателните уреди (ако се налага) и да определят константите им.

2. Разчита се фирмената табелка на изследвания двигател и се из-числява номиналният съпротивителен момент.

3. Натоварването на асинхронния двигател става с електромагнит-на вихровотокова спирачка,

като съпротивителният (товарният) момент се регулира с изменение на подмагнитващия постоянен ток и се отчита по скалата. Измерва се чес-тотата на въртене при всяка стойност на товарния момент.

97

* За предпазване на измервателните уреди от големия пусков ток при директно включване на двигателя към мрежата, се предвижда шун-тиране на токовите намотки на уредите по време на пускането.

4. Отчитането на показанията на уредите се прави за 5-6 точки рав-номерно разпределени по скалата на спирачката в границите от М2=0 до М2=1,2.Мн.

5. Данните от измерванията и експерименталните резултати се на-насят в таблица 12.1.

Таблица 12.1. Измерени величини Изчислени величини

и, / h о, в2 п М2 Р, Рг п COS(p

V Hz A дел дел • -1 min Nm W W - - -

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. От експериментално отчетените данни се изчисляват: а) консумираната (входящата) мощност: Р ^ К ^ в ^ , (12.5)

където: Kw- константа на ватметрите, W/дел; в,,в2 - показания на ватметрите, дел.; б) хлъзгането:

п, —п s = - (12.6)

02.7) Р

където: п, е честота на въртене на въртящото се магнитно поле на ста-тора;

р - двойки полюси - отчитат се от табелката на двигателя. в) полезната (механическа) мощност: Р2=0,1047.М2.п ,W; (12.8) г) коефициентът на полезно действие:

V = ~ (12-9) м

98

д) факторът на мощността:

(12.10)

2. По данните от таблица 12.1 се построяват в подходящ мащаб графиките на работните характеристики.

3. Да се направят изводи относно: а) особености на пускането в ход на трифазните асинхронни дви-

гатели; б) анализ на получените работни характеристики; в) начини на регулиране на честотата на въртене и промяна на по-

соката на въртене.

1. Какъв е принципът на действие на трифазния асинхронен двигател? 2. Какво е устройството на трифазния асинхронен двигател с ро-

тор, съединен накъсо? А с навит ротор? 3. От какво се определя посоката на въртене на ротора на асинхрон-

ния двигател и как може да се промени? 4. Що е критично хлъзгане и от какви параметри зависи то? 5. В какви граници се изменя хлъзгането при работата на асинхрон-

ната машина в двигателен, генераторен режим и режим на електромаг-нитна спирачка?

6. Какви са начините за регулиране на честотата на въртене на три-фазния асинхронен двигател?

7. Какви проблеми възникват при пускане на трифазните асинхрон-ни двигатели в ход?

8. Кои са начините за намаляване на големият пусков ток?

1. При пряко включване към мрежа с номинално напрежение, асин-хронният двигател консумира голям пусков ток и е необходимо да се оцени възможността на мрежата да го понесе. При необходимост се взе-мат мерки за намаляване на пусковия ток.

2. Естествената механична характеристика на асинхронните двига-тели с общо предназначение е твърда и при номинален товар те работят с малко хлъзгане .

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ

VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ

99

3. Електромагнитният момент зависи силно от изменението на захран-ващото напрежение (M=U/). При понижаване на захранващото напреже-ние той силно намалява и е възможно двигателят да спре. Ето защо асин-хронните двигатели се защитават с т.н. минимално напреженова защита.

4. Критичното хлъзгане зависи от активното съпротивление на ро-торната намотка, като при увеличаването му се увеличава критичното хлъзгане, а максималният електромагнитен момент остава неизменен.

5. При работа на двигателя с товар, значително по-малък от номи-налния, к.п.д. и coscp са ниски, което характеризира неефективно изпол-зуване на мощността.

6. Реверс (промяна на посоката на въртене) при трифазния асинхро-нен двигател се постига с превключване на два от захранващите линейни проводници, което води до промяна на посоката на въртящото се магнитно поле. Трифазните асинхронни двигатели с общо предназначение са симе-трични, т.е. характеристиките им са еднакви за двете посоки на въртене.

Лабораторно упражнение №13

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЕДНОФАЗНИ НЕУПРАВЛЯЕМИ ТОКОИЗПРАВИТЕЛИ

Щт/L ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се запознаят студентите с начините за преобразуване на промен-

ливия ток в постоянен с използването на полупроводникови елементи. 2. Да се запознаят с характеристиките и приложението на полупро-

водниковите изправителни диоди. 3. Да се запознаят с ролята на изглаждащите филтри. II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ Изправителите представляват устройства, които служат за прео-

бразуване на променливотокова енергия в постояннотокова енергия. Те имат широко приложение като захранващи постояннотокови източници наред с класическите постояннотокови източници (акумулатори, гене-ратори за постоянен ток и др.).

100

Блок-схемата на неуправляемия изправител (фиг. 13.1) в най-общия случай съдържа трансформатор Тр, изправителна схема от неуправля-еми вентили (диоди) ТИ, изглаждащ филтър Ф, стабилизатор С и товар RT. Трансформаторът Тр преобразува захранващото променливо напре-жение U, до стойност U2, подходяща за консуматора; изправителната схема ТИ съставена от полупроводникови вентили, изправя променли-вото напрежение U2 в пулсиращо еднополярно

Тр RT

Т Т 1—1 А

т

Фиг. 13.1

напрежение, изглаждащият филтър Ф намалява пулсациите на изправе-ните напрежение и ток, а стабилизатора С поддържа неизменно напре-жението на товара RT.

Видове токоизправителни схеми: 1. В зависимост от системата захранващо напрежение токоизпра-

вителите биват: - еднофазни; - трифазни; - многофазни. 2. В зависимост от оползотворените полувълни: - еднополупериодни; - двуполупериодни. 3. Според възможността да се въздейства върху изправените ток и

напрежение: - неуправляеми; - управляеми. В основата на принципа на действие на токоизправителите стои

свойството еднопосочна проводимост на полупроводниковите диоди. За облекчаване на анализа се приема: - трансформаторът е идеален - пренебрегват се индуктивните и

активните му съпротивления; - товарът е активен; -диодите са идеални - съпротивленията им в права посока са нула,

а в обратна - безкрайност.

Схемата и времедиаграмата на еднофазен еднополупериоден неу-

През положителната полувълна на вторичното напрежение и2, кога-то потенциалът в горната част на вторичната намотка е по-висок от този в долната, диодът е в проводящо състояние. Ток протича по веригата: точка "+" - диод (D) - RT- точка "-". През отрицателната полувълна на и2 диодът е в непроводящо състояние, вследствие на което токът през товара и напрежението върху него са нули. Полученото по този начин напрежение върху товара (и0) не е постоянно, а пулсиращо (фиг. 13.26), поради което използуването му за непосредствено захранване на елек-трически съоръжения и електронни схеми в много случаи е невъзможно. Намаляването на пулсациите на изправеното напрежение се осъществя-ва с помощта на изглаждащи филтри. Като такива се използуват енер-гонатрупващи елементи (бобини и кондензатори), които се свързват в участъка от веригата между изправителя и товара.

А) Индуктивен филтър (бобина, дросел) - свързва се последова-телно на товара. Енергията, която съхранява бобината е:

WL=-L.I2 (13.1) 2

За добро изглаждане е необходимо: XL = co.L » RT (13.2) За да се изпълнява условие (13.2) е необходимо при зададена чес-

тота бобината да е с голяма индуктивност, а товара с малко съпротивле-

102

ние. Ако се използва изразът за мощността при зададено напрежение

о V

може да се направи заключението, че този филтър се препоръчва да се из-ползва при консуматори с малко съпротивление (мощни консуматори).

Б) Капацитивен филтър (кондензатор) - свързва се паралелно на товара. Енергията която съхранява кондензатора е:

Wc = *-СХ/2 (13.4)

За добро изглаждане е необходимо:

Xc=-±-«RT (13.5) со.С

Анализът показва, че неравенството ще е в сила при големи стой-ности на филтриращия кондензатор (С) и на товарното съпротивление RT. Ако се отчете (13.3), то заключението което се налага е, че този фил-тър е необходимо да се използува при маломощни консуматори.

На фиг. 13.26 е показана осцилограмата на филтрираното напре-жение с кондензатор (иос). През положителната полувълна част от пре-минаващият през диода ток преминава през кондензатора и го зарежда с указаната полярност. Ако се приеме, че съпротивлението на диода в права посока е нула, то напрежението върху кондензатора (респективно върху товара) ще е със същата форма като напрежението и2. Зареждане-то на кондензатора (t3) се прекратява в момента в който напрежението на изводите му се изравни със захранващото напрежение (до Ц„). От този момент нататък диодът се запушва (т.к. потенциалът на катода му става по-висок от този на анода) и кондензаторът се разрежда през товара (по експоненциална зависимост). Разреждането (tP) се прекратява в момента в който диодът се отпуши (потенциалът на анода му стане по-висок от този на катода). Кондензаторът се дозарежда до максималната стойност на захранващото напрежение и процесът се повтаря. В случаите, когато е необходима по-висока степен на изглаждане на изправеното напреже-ние, се използуват смесени или многозвенни филтри.

Еднополупериодният изправител притежава редица недостатъци. Токът i0 има постоянна съставяща, която подмагнитва магнитопровода на трансформатора. В резултат на това се влошава к.п.д. на изправите-ля. От друга страна еднополупериодният изправител се характеризира

103

с големи пулсации на изправените ток и напрежение. Това налага за на-маляването им да се използват филтри с голям капацитет. Намират при-ложение като маломощни изправители.

На фиг. 13.3а е показана схемата на еднофазен двуполупериоден неуправляем мостов изправител (схема Грец).

В тази схема се използуват четири диода свързани в мостова схема. Към единият диагонал на моста е подадено променливото напрежение на трансформатора и2, а към другият диагонал е включен товара. В рамките на всеки полупериод работят по два диода: през първия полупериод то-кът тръгва от точка "+" преминава през диод Dh след това през товара, през D3 и веригата се затваря в точка „-„. През втория полупериод токът тръгва от точка (+) преминава през D2, през товара, през D,, и веригата се затваря в точка (-). През товарния резистор RT протича ток в една и съща посока по време на двете полувълни на напрежението и2 (фиг. 13.36). Фил-трираното напрежение (иос) има същият вид като при еднополупериодния изправител (фиг. 13.26) с тази разлика, че тук времето на разреждане на кондензатора е съкратено поради наличието на втората полувълна.

III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. Да се разучи електрическата схема на изследвания макет, съдържащ

автотрансформатор АТ за изменение на захранващото първично напре-жение, понижаващ трансформатор Тр, токоизправително устройство ТИ, включващо четири полупроводникови диода, филтър и товарен реостат.

2. Да се реализира схемата за еднополупериодно изправяне на про-менлив ток. За целта се отваря ключът „К" от фиг. 13.4.

104

Да се снемат характеристиките cosy, //, A U0=f(Ie). Токът 10 се изме-ня чрез регулиране на съпротивлението RT. Резултатите от измерванията да се нанесат в таблица 13.1

З.Да се свърже ел.схема за двуполупериодно изправяне. За целта ключът „К" от фиг. 13.4 се превключва в затворено положение и се сне-мат зависимостите costp, ц, A U0=f(I0). Резултатите от измерванията да се нанесат в таблица 13.1.

За изчисляване на параметрите на токоизправителя се използват изразите:

cos(р = у~у ; ДС/% = ^ - ^ . 1 0 0 : ; т, = ^ (13.6) U1.JL И2

Таблица 13.1— за двата вида изправителни схеми

Схема Измерени Изчислени

Схема и , I , Р1 и2 и и0 COS(p A U П Схема

V А W V А V - % % Едпополу-периодна

Двуполу-периодно

4. Да се наблюдава с осцилоскоп намаляването на пулсациите при включване на изглаждащия филтър.

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на принципа на действие на полупроводнико-вия диод и видовете токоизправителни схеми; влияние на изглаждащите филтри.

105

2. Да се начертаят електрическите схеми и времедиаграми за ед-нополупериодно и двуполупериодно изправяне - фиг. 13.2а, фиг. 13.26 и фиг.13.3а, фиг.13.3б.

3. Описание на използуваните измервателни уреди и устройства. 4. Резултатите от измерванията и изчисленията по формули 13.6 се

нанасят в таблица 13.1. 5. Да се начертаят графики на зависимостите costp , //, AU=f(Iд) за

двете изследвани схеми. 6. Изводи: относно средната стойност на изправеното напрежение

U0 при еднополупериодно и двуполупериодно изправяне; големината на пулсациите на изправеното напрежение с и без филтър.

1. Какво определя вентилните свойства на полупроводниковите ди-оди?

2. Какви са основните параметри на полупроводниковите диоди? 3. Какво представлява волт-амперната характеристика на полупро-

водниковите диоди? Как изглежда тя за идеален и реален диод? 4. Какви схеми на токоизправители познавате? 5. Какъв е видът на изправеното напрежение? 6. Какви са начините за намаляване на пулсациите на изправеното

напрежение? 7. Как се определя коефициентът на пулсациите? 8. Какво представлява външната характеристика на токоизправи-

теля? 9. Обяснете действието на паралелно включения към товара конденза-

тор и на последователно включения дросел като филтриращи елементи? 10. Посочете примери за практическо приложение на токоизправи-

телни схеми с полупроводникови диоди.

1. Изправеното напрежение на еднофазния еднополупериоден из-правител се състои само от положителни полувълни на захранващото напрежение, поради което пулсациите са с голяма амплитуда и честота, равна на честотата на захранващото напрежение.

2. Токът през вторичната намотка на трансформатора при еднопо-

VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ

106

лупериодно изправяне е същият, както през товара (съдържа постоянна и променлива съставяща). Постоянната съставяща предизвиква посто-яннотоково намагнитване на магнитопровода на трансформатора, пора-ди което консумираният от мрежата ток и загубите в трансформатора съществено нарастват.

3. Паралелно включеният към изводите на изправителя конденза-тор изпълнява ролята на изглаждащ филтър. Пулсациите на изправено-то напрежение се изглаждат за сметка на натрупаната в кондензатора енергия. За ефективно изглаждане на пулсациите кондензаторът трябва да има значителен капацитет. Изглаждащият ефект се проявява по-сил-но при консумиране на малък изправен ток.

4. Средната стойност на полученото от изправителя напрежение при наличие на изглаждащ кондензатор е по-висока от тази без изглаж-дащия кондензатор при един и същ товар.

5. При използване на схема на мостов двуполупериоден изправител пулсациите на изправеното напрежение са значително по-малки по ам-плитуда, а честотата им по-голяма от тази на еднополупериодния изпра-вител. Енергийните показатели (к.п.д. и coscp) са значително по-високи при двуполупериодния изправител.

Лабораторно упражнение №14

ИЗСЛЕДВАНЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИТЕ НА БИПОЛЯРЕН ТРАНЗИСТОР

Ще/1. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се запознаят студентите с действието, параметрите и характе-

ристиките на биполярните транзистори. 2. Да се изучи начинът на управление на биполярния транзистор,

физическата същност на усилвателния ефект и коефициентите на усил-ване при различни схеми на свързване.

107

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ Биполярният транзистор представлява полупроводников кристал с

трислойна структура с редуваща се проводимост. В зависимост от реду-ването на слоевете, съществуват два типа биполярни транзистори: P-N-Р и N-P-N. На фиг. 14.1 са показани последователността на редуване на слоевете и схематичното означение на двата типа транзистори.

Фиг. 14.1

Биполярният транзистор съдържа два P-N прехода, които са свър-зани насрещно, както е показано на фиг. 14.2. При нормален (активен) режим винаги преходът емитер-база е свързан в права посока, а преходът колектор-база в обратна посока спрямо захранващите по-стоянни напрежения.

Фиг. 14.2 Фиг. 14.3

Емитерът се явява източник на основни токоносители, които под действието на напрежението Еев преминават в базата и образуват еми-терния ток (1Е). При PNP транзисторите това са дупките. Базата се прави много тънка, така че повечето дупки, навлезли в нея, попадат под въз-действието на колекторния PN преход и се привличат към колектора, образувайки колекторния ток (1С). Малка част от дупките рекомбинират със свободните електрони на базата и създават базовия ток (1В). Чрез изменението на базовия ток (с малки вариации на входното напрежение Еев) може да се регулира големината на колекторния ток.

108

При отсъствие на емитерен ток (1Е=0), през колектора протича мно-го малък ток 1св0 (от порядъка на наноампери при стайна температура), който се дължи на неосновните токоносители на колекторния преход (обратен ток) и силно зависи от температурата. Биполярният транзис-тор е елемент, който за сметка на външен захранващ източник, може да усилва и генерира електрически сигнали. В някои случаи се използува като ключов елемент, т.к. в отпушено състояние съпротивлението му REC

е много малко, а в запушено - много голямо. Усилвателните устройства, в които най-често се използуват тран-

зисторите, представляват четириполюсници, които се характеризират спрямо две вериги: входна и изходна (фиг. 14.3). Тъй като транзисторът има три извода, винаги един от изводите е общ за двете вериги. В зави-симост от начина на свързване съществуват три схеми: обща база (ОВ), общ емитер (ОЕ) и общ колектор (ОС) (фиг. 14.4).

Понастоящем германиевите транзистори са отстъпили място на си-лициевите, които по технологични съображения са предимно от типа NPN. Независимо от начина на свързване, управляващият сигнал към транзистора се прилага към прехода емитер-база. За всички схеми на свързване са в сила зависимостите:

1е=1С+1В (14-1) Ic=a0.IE+ICB0~ а0.1Е (14.2) Uce=Ucb+Ube^Ucb (14.3) Където: а0 — статичен (интегрален) коефициент на предаване по

ток при схема ОВ. Токът 1СВ0 обикновено се пренебрегва. Напрежението UEB не надвишава 0,7V, а напрежението UCB за различните транзистори достига 20-1500V.

ни.

и»Е=Ц,

1сЧ»

Ucb=U,„

ОВ

и.е=Ц., Е

1о=Ц

Uce=U™

ОЕ J_ Фиг. 14.4

• При схемата ОВ, входният ток е емитерния (7^=4), а изходният ток е колекторния (7ШХ=7С). Входното напрежение е напрежението между базата и

109

емитера (UBX=UBE), а изходното - между колектора и базата (Umx=UCB). - Статичен (интегрален) коефициент на усилване по ток при схема

ОВ:

KiOB = = = а0 = 0,95 -г 0,99 при UCB=const; (14.4) IВХ IЕ

т.е. схема ОВ не усилва по ток. - Статичен (интегрален) коефициент на усилване по напрежение

при схема ОВ:

1 (14.5) ^ ВХ BE

т.е. схемата ОВ усилва по напрежение. • При схема ОЕ, входен ток е токът на базата (/и

=^в)> а изходен — то-кът на колектора (1изх=1с)- Входното напрежение е напрежението между базата и емитера (UBX=UBE), а изходното - между колектора и емитера (иизх=иСЕ). Изменението на тока на базата, предизвиква значителни из-менения на тока на колектора. Ако токът 1Е от уравнение (14.1) се замес-ти в (14.2) се получава:

= = (14.6) 1 - а 0

Където: /?0 - статичен (интегрален) коефициент на предаване (усил-ване) по ток за схема ОЕ.

- Статичен коефициент на усилване по ток при схема ОЕ:

KioE = = — = Ро= Ю-800 при UCE=const (14.7) IВХ I в

т.е. схема ОЕ усилва по ток. - Статичен коефициент на усилване по напрежение при схема ОЕ:

КиОЕ = ^ - = ^ > 1 (14.8) ВХ ^ BE

т.е. схема ОЕ усилва по напрежение. Тъй като схемата усилва по ток и напрежение тя се използува най-

често в транзисторните усилватели. • При схема ОС, входен ток е токът на базата (1вх=1в), а изходен - то-

кът на емитера (1тх=1Е). Входно напрежение е напрежението между колек-тора и базата (С/и={/сй), а изходно-между колектора и емитера {Umx=UCE). Ако токът / с от уравнение (14.2) се замести в (14.1) се получава:

110

- Статичен коефициент на усилване по ток при схема ОС:

Ki<x = -j^- = = —- = = / 0> 1

ВХ В * «0 при UCE=const (14.10)

Схема ОС има най-голям коефициент на усилване по ток. - Статичен коефициент на усилване по напрежение при схема ОС:

= = 1 (14.11) ^ вх св

Схемата ОС не усилва по напрежение. Често тази схема се нарича емитерен повторител.

И трите схеми усилват по мощност т.к. Р Т 7 Т 1 ьпу ' ъгъ-у •1 t

•р ~ К '_ИЖ=-изх-ИЗХ = K u K i ( 1 4 1 2 )

Р U I 1 вх - вх и вх но най-голямо е усилването по мощност при схема ОЕ.

Основни параметри на транзистора са: а) максимално допустимо постоянно напрежение между колектора

и емитера - UCEmax, V; б) максимално допустимо постоянно напрежение между колектора

и базата - UCBmax, V; в) максимално допустим колекторен ток - ICmax, mA (A); г) диференциален коефициент на усилване (предаване) по ток при

схема ОЕ - /? (или h2lE); д) гранична работна честота - / г р , MHz ( K H Z ) ;

е) максимална мощност, разсейвана от колектора - PCmax, W; ж) обратен колекторен ток при изключен емитер - 1СВ0, цА (пА); з) допустима работна температура - tmax, °С .

Работата на транзистора в схема ОЕ се определя от четири вида характеристики (фиг. 14.5):

а) Входни характеристики UBE~f(^v)\ UCE=const. б) Изходни характеристики /с=/(£/С£); IB=const. в) Предавателни характеристики по ток 1с=/(1в)', UCE=const. г) Обратна връзка по напрежение UBF=f(UCE)\ IB=const.

I l l

Транзисторът работи в динамичен режим, когато усилва подаде-ни на входа му, електрически сигнали. Динамичният режим се изяснява графо-аналитично, като се изобрази товарната линия (права) в квадран-та на изходните характеристики (фиг. 14.5). От същата фигура се вижда как при зададена амплитуда на изходното напрежение (Д UCE), чрез ха-рактеристиките, може да се получи графично амплитудата на входното напрежение (AUBE). Уравнението на товарната линия има вида:

UCE=E-RC.IC (14.13) където: Е - напрежението на захранващия източник; RC - резистор

в колекторната верига. Графично товарната права се построява по две точки съответно с

координати: UCE=E (при 1С~0) и IC=E/RC (при UCE=0).

let Предавателна

поток

1в1<1о2<'оз<1в4

<1в5 Изходни

Входна Обратна връзка по

напрежение

Фиг. 14.5

III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. Свързва се схемата, показана на фиг. 14.6. 2. Записват се основните параметри на изследвания транзистор.

112

3. Определя се семейство входни характеристики IB=f(UBE) при UCE=const в следната последователност:

С регулируемия изправител РИ, и потенциометъра П, се задават през равни интервали стойности на тока 1В и се отчита напрежението UBE. Измерванията се провеждат за няколко стойности на напрежението UCE. Резултатите се записват в таблица 14.1.

4. Определя се семейство изходни характеристики: Jc~f(UCE) при IB=const. Резултатите се записват в таблица 14.2.

5. Определя се характеристиката на предаване по ток: 1с~/(1ц) при UCE=const - задава се напрежение UCE=\ 0 до 20V, което се поддържа по-стоянно и се задават стойности на тока на базата 1В, като се отчита токът на колектора. Резултатите се записват в таблица 14.3.

Таблица 14.1 — входни характеристики UCE= UCE= UCE= UCF=

иВЕ h ЩЕ h UBE h uBE h mV mA mV mA mV mA mV mA

Таблица 14.2 - изходни характеристики IB=0mA IB=lmA IB=2mA IB=3mA IB=4mA IB=5mA IB=6mA

UCE h UCE Ic UCE Ic UCE Ic UCE Ic uCE Ic UCE Ic V mA V mA V mA V mA V mA V mA V mA

113

Таблица 14.3 - предавателна характеристика h mA

Ic mA

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. По данните от таблица 14.1, 14.2 и 14.3 се построяват входните, изходните характеристики и характеристиката на предаване по ток.

2. За зададена работна точка от товарната права да се определят статичните и динамичните параметри на транзистора (виж фиг. 14.5):

- входно съпротивление: AU* рд м г у L ВХ ~ ~~~ '' г, ВХ Alt BO в

- коефициенти на предаване по ток:

П - 1со • R - ^ с

- изходно съпротивление:

р _ ^ СЕО АЬ\ A I ,

v ИЗХ ~ Т ' ' изх 1С0 3. Да се направят изводи относно: а) принципа на усилване на биполярния транзистор; б) избора на режима на работа на транзистора.

ШУ V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Обяснете устройството и действието на биполярния транзис-

тор? 2. Какви схеми на свързване на транзистора познавате? Какви са

техните особености - предимства и недостатъци? 3. Кои са основните параметри и характеристики на транзистора? 4. Как се построява товарната права и как се определя работната

точка на транзистора при работата му като усилвател в схема „общ еми-тер"?

5. Какви са условията за насищане на биполярния транзистор? 6. Коя от схемите на свързване се използува най-често и защо?

114

СО VI. основни изводи 1. Независимо от схемата на свързване и типа на биполярния тран-

зистор (P-N-P или N-P-N), управлението на тока в изходната верига се осъществява посредством изменение на тока на базата.

2. Свързването на биполярния транзистор по схема „общ емитер" осигурява усилване по ток, по напрежение и по мощност. Свързването по схема „обща база" осигурява усилване по напрежение, а изходният ток е практически равен на входния. Свързването по схема „общ колек-тор" осигурява усилване по ток, а изходното напрежение е практически равно на входното, поради което схемата

"ОС" още се нарича „емитерен повторител". 3. Увеличаването на температурата на транзистора води до увели-

чаване на колекторния ток при постоянен ток на базата.

Лабораторно упражнение №15

Н А Б Л Ю Д Е Н И Е И И З М Е Р В А Н Е Н А

П Е Р И О Д И Ч Н И Е Л Е К Т Р И Ч Е С К И В Е Л И Ч И Н И

С Е Л Е К Т Р О Н Н О Л Ъ Ч Е В О С Ц И Л О С К О П

/. ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се запознаят студентите с устройството и принципа на дейст-

вие на електроннолъчевия осцилоскоп. 2. Да се запознаят с начина на работа с осцилоскопа при наблюде-

ние на електрически величини. 3. Да се запознаят с начина на измерване на електрически величини

(напрежение, ток, фазова разлика).

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ Електроннолъчевият осцилоскоп (ЕЛО) е универсален измервате-

лен уред. Той се използува за непосредствено измерване на напрежение и на различни електрически и неелектрически величини, които могат да

115

се преобразуват в напрежение (ток, съпротивление, мощност, често-тата, фазова разлика и др.). Използва се за наблюдение на променливи във времето електрически величини.

Основни елементи на EJIO са: електроннолъчева тръба (ЕЛТ), вхо-ден делител (ВД), усилвател за вертикално отклонение (УВО), усилвател на синхронизацията (УС), генератор за хоризонтално отклонение (ГХО), усилвател за хоризонтално отклонение (УХО), блок регулировки (БР) -фиг. 15.1. Други съставни елементи са спомагателните устройства (калиб-ратори на амплитудата и времето, блокировки, захранващ блок и др.).

"внеш"

Фиг. 15.1 В ЕЛТ се извършва преобразуването на стойността на изследвано-

то напрежение в преместване на електронен лъч. От загретия катод се излъчват електрони, които под въздействието на електрически (най-чес-то) или магнитни полета се концентрират в лъч.

Този лъч се насочва към флуоресциращ екран, където възниква светеща точка. Отклонението на лъча във хоризонтална или вертикал-на посока става чрез полетата на пластините X и У, които се свързват с изследваното напрежение. Чувствителността на ЕЛТ е ниска, затова пластините X и У се включват към изходите на усилвателите УХО и

УВО, като регулирането на усилването се осъществява чрез атеню-атори (стъпални делители на напрежение) и потенциометри. Изслед-ваното напрежение се подава към вертикалните пластини У, при което се предизвиква колебание на лъча във вертикална посока и на екрана се получава вертикална линия. За да се наблюдава на екрана кривата на изменящо се във времето напрежение, е необходимо на хоризонтал-ните пластини да се подаде линейно изменящо се напрежение от ГХО, наречено напрежение на развивка (разгъвка). Под въздействие на това напрежение електронният лъч се премества по екрана в хоризонтална посока с постоянна скорост периодически, като може да заеме цялата ширина на екрана. За получаване на неподвижен образ трябва честотите

116

на напрежението на развивка и на изследваното напрежение да са ед-накви или кратни. За тази цел към ГХО се включва регулатор на често-тата и устройство за автоматична синхронизация, чрез което разгъващо-то напрежение се синхронизира с изследваното напрежение (вътрешна синхронизация) или с външен източник на напрежение (външна син-хронизация). За извършване на изследвания чрез фигурите на Лисажу превключвателят „ВНУТР/ВНЕШ" се включва в положение „ВНЕШ", а превключвателя „ЖДУЩ/АВТ" - в положение „ЖДУЩ". При еднакви честоти на напреженията, подадени на двата входа Ux и UY, еднакви ам-плитуди на вертикалното и хоризонталното отместване на лъча и фазова разлика между тях cp=90°, на екрана се наблюдава окръжност.

А) ИЗМЕРВАНЕ НА НАПРЕЖЕНИЕ Изследваното напрежение u(t) = Um.sincot се подава на вход У на ос-

цилоскопа. Ако на пластините X не е подадено напрежение на развивка от ГР,

електронният лъч описва на екрана вертикална линия с дължина „Y" деления. Тази отсечка е пропорционална на удвоената амплитуда на на-прежението (сумата от | +Um | и | -Um |).

Следователно:

където: Ки - константа на осцилоскопа за напрежение, V/дел. Когато на пластините X се подаде напрежение на развивка, на екра-

на се наблюдава кривата на напрежението. За всяка точка от тази крива може да се запише:

където: Y(t) - ординатната точка, в която се определя напрежението, дел.

Б) ИЗМЕРВАНЕ НА ТОК Чрез осцилоскопа може да се измери ел. ток по косвен път. За целта

във веригата, в която ще се измерва токът, се включва последователно образцов резистор и с осцилоскопа се измерва напрежителният пад вър-ху него. Големината на резистора се подбира така, че да не предизвиква забележима промяна в режима на работа на веригата. Токът се изчисля-ва по закона на Ом.

(15.1)

u(t)=Kv.y(t), V (15.2)

117

В) ИЗМЕРВАНЕ НА ФАЗОВА РАЗЛИКА Ако към вход У и вход X се подадат синусоидални напрежения е

еднаква ч е с т о т а / и дефазирани на ъгъл ф, на екрана на осцилоскопа се наблюдава наклонена елипса (фиг.15.2). Чрез отсечките Ут(а), и Хт(Ь) се определя ъгъл (р\

ср = ± arcsin = ± arcsin ~ ~ (15.3) Ym Х т

ЛУ

Хщ

Фиг. 15.2 При двулъчевите осцилоскопи фазова разлика може да се измери

директно чрез съпоставяне на началните фази на двата лъча. III. ПРОГРАМА ЗА РАБОТА 1. Да се запознаят студентите с елементите за управление на осци-

лограф „С1-94". * Описание па елементите на управление: (фиг. 15.3) 1 - Екран на осцилоскопа 2 - Преместване на лъча по хоризонтала 3 — Избор на нивото на запуска на развивката 4 — Букса за включване на сигнал за външна синхронизация 5 — Преместване на лъча по вертикала 6 - Букса за включване на изследвания сигнал към канала за вертикално отклонение 7 - Степенно превключване на коефициента на развивката (по вертикала ) 8 - Регулиране на яркостта 9 - Регулиране на фокуса 10-Степенно превключване на коефициента на развивката (по хоризонтала) 11 - Включване на прибора 12 — Грубо превключване на коефициента на развивката (по хоризонтала) 13 - Превключване на автоматичен и чакащ режим на работа на раз-вивката 14 - Превключване на полярността на запускащия сигнал 15 - Превключване на режима на синхронизация 16 — Превключване на отворен и затворен вход (за постояннотоков сиг-нал) на канала за вертикално отклонение.

118

AC

Фиг. 15.3 Фиг. 15.4

2. Да се свърже схемата съгласно фиг. 15.4. 3. Да се определи амплитудната и ефективна стойност и честота

на изследваното напрежение u(t). Напрежението u(t) се подава на вход У. Избират се подходящи мащаби по напрежение (V/дел.) и по развивка (ms/дел.). Определя се по мащабната решетка броят на деленията У, кои-то отговарят на удвоената амплитуда на синусоидалната крива и делени-ята X, които съответствуват на периода „Т". Резултатите от измерването и изчисленията се нанасят в табл. 15.1.

Таблица 15.1

У Ки ит=Ки.У 2

и=Чр V 2

X к х Т=Кх.Х , - i iо=2.n.f

дел. V/дел. V V дел. ms/дел. ms Hz -l s

4. Измерване на амплитудна и ефективна стойност на ел.ток. Към вход У се подава напрежение u(t) измерено върху еталонните

резистори R, J3 . Токът се определя със закона на Ом: u(t)

т = , А R

(15.4) 1,2,)

Резултатите се нанасят в таблица 15.2.

119

Таблица 15.2

R1.2.3 У Ки ит / - У -"' R " и з V 2

п дел. V/дел. V А А

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУЛТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на начините за измерване на периодично напре-жение, ток и фазова разлика с осцилоскоп.

2. Ел.схема, използувана при измерването - фиг. 15.4. 3. Резултати от измерванията и изчисленията - табл. 15.1 и 15.2. 4. Изводи: относно точността на измерването на напрежение с ос-

цилоскоп.

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Какви са предимствата и недостатъците на измерванията на пе-

риодично изменящи се величини с електроннолъчев осцилоскоп? 2. Как се измерва напрежение с EJIO? 3. По какъв метод се измерва ел.ток с EJIO? 4. Как се определя фазовата разлика с ЕЛО? 5. С какви осцилоскопи може да се осъществи едновременно на-

блюдаване на няколко променливи величини? 6. Какви манипулации се извършват с ЕЛО, за да се наблюдава кри-

вата на изследваното с него променливо напрежение?

6 3 VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ 1. ЕЛО е универсален измервателен уред. С него могат да се измер-

ват електрически и неелектрически величини, които могат да се прео-бразуват в електрически.

2. Точността при измерване с ЕЛО не е много висока (±8%). При измерване е необходимо изследвания сигнал да се доближава в макси-мална степен до границите на работната част на екрана.

3. Посредством ЕЛО могат да се измерват величини практически с произволна форма и честота.

120

4. Важно качество на EJIO е възможността да се наблюдава вида на изследваните величини, поради което той е незаменим уред в случай на необходимост от наблюдение на преходни процеси и в радиоелектрони-ката.

Лабораторно упражнение №16

И З С Л Е Д В А Н Е Н А Е Д Н О С Т Ъ П А Л Е Н

Т Р А Н З И С Т О Р Е Н У С И Л В А Т Е Л

ЦЕЛ НА УПРАЖНЕНИЕТО 1. Да се разучи схемата на едностъпален транзисторен усилвател и

да се обясни предназначението на елементите му. 2. Да се изследва влиянието на положението на работната точка

върху работата на усилвателното стъпало. 3. Да се наблюдава дефазирането на изходното напрежение спря-

мо входното. 4. Да се определят основните качествени показатели на усилвател-

ното стъпало.

II. КРАТКИ ПОЯСНЕНИЯ Усилвателят е устройство, с което се усилват електрически сиг-

нали. Мощността на входния сигнал, с който се управлява енергията на захранващия източник е значително по-малка от отдадената върху товарния резистор RT. Разликата между мощностите на входния (упра-вляващия) и изходния сигнал е за сметка на енергията на захранващия източник.

Полупроводниковият усилвател може да бъде едностъпален и многостъпален - съставен от няколко усилвателни стъпала. Усилване-то, което дава едно транзисторно стъпало обикнобено не е достатъчно за практически цели. Затова обикновено усилвателите са многостъпал-ни, като връзките между отделните стъпала могат да бъдат: резистивна (R връзка), резистивно-капацитивна (R-C връзка) и трансформаторна.

121

За изясняване на принципното устройство и действие на полупро-водниковия усилвател се разглежда схемата и действието на едностъпа-лен транзисторен усилвател с NPN транзистор, свързан по схема общ емитер (ОЕ) с R-C връзки (фиг. 16.1). Свързаните към транзистора па-сивни

Фиг. 16.1

елементи осигуряват необходимия режим на работа на усилвателното стъпало: RH R2 - делител на напрежение, осигуряващ постоянна съста-вяща на базовия ток (при UBX=0)\ RC - резистор, определящ положение-то на работната точка върху товарната права:

UCE=E^IC.RC (16.1) RE - резистор, осигуряващ отрицателна обратна връзка в стъпало-

то; CJ, С2 - разделителни кондензатори, разделящи усилвателното стъ-пало по постоянен ток от входната и изходната вериги.

С оглед да не се получи прегряване и повреда на колекторния пре-ход, в каталожните данни за всеки транзистор са дадени определени гранични параметри UCEMAX, ICMAX, РСТАХ, определящи работната му област. За оптимална работа на стъпалото е необходимо да се избере подходящо местоположение на товарната права в работната област на транзистора. От положението на работната точка върху товарната права зависи режи-мът на работа на стъпалото. На фиг. 16.2 са показани статичните харак-теристики на биполярен транзистор, като в полето на изходните

122

характеристики е построена товарната права. При усилване на синусои-дален сигнал работната точка трябва да се намира в средата на товарната права {режим клас А), тъй като само тогава ограниченията на изходния сигнал настъпват едновременно отгоре и отдолу на синусоидата.

Схемата ОЕ дефазира на 180° изходното напрежение спрямо вход-ното, което физически се обяснява по следния начин: ако се приеме, че в разглеждания момент входното напрежение става по-положително то и потенциалът на базата ще стане по-положителен, отколкото е бил дотогава. Това ще доведе до нарастване на базовия и съответно на ко-лекторния ток. Ще нарасне и напрежението върху RC, поради което по-тенциалът на колектора ще стане по-отрицателен спрямо стойността си до този момент. Следователно, при положителни изменения на входното напрежение, измененията на изходното напрежение са отрицателни, т.е. налице е обръщане на фазата.

Важна особеност на усилвателното стъпало е добрата му темпе-ратурна стабилност, която се получава благодарение използуването на отрицателна обратна връзка. Нейното действие се обяснява по следния начин: ако по някаква причина постоянната съставяща на колекторния ток (1С0) се увеличи (напр. от температурата или при замяна на тран-зистора с друг, който има по-голям /?) падът на напрежение URE нара-

123

K u = ^ - = Ku .e J 4 ' ° (16.2)

ства. Това води до намаляване на UBE (т.к. UBE=UR2-URE) и до намаляване на постоянната съставяща на базовия ток (1В0), а от това ще последва и съответно намаляване на колекторния ток 1С0. Ако по някаква причи-на колекторният ток 1С0 стане по-малък, то URE ще намалее, а от това ще последва увеличаване на напрежението UBE. В резултат на това ще нарасне базовият ток 1В0, а следователно, и колекторният ток 1С0. За да се избегне отрицателната обратна връзка (ООВ) за усилваните сигнали (по променлив ток) емитерният резистор се шунтира с кондензатор СЕ. Освен това кондензаторът СЕ осигурява голямо усилване на сигнала по напрежение, но прави входния импеданс на стъпалото зависим от пара-метрите на транзистора.

За усилвателните свойства на стъпалото се съди по следните ос-новни качествени показатели:

- коефициент на усилване по напрежение:

4i ЧГ

йвх

- коефициент на усилване по ток:

К 1 = 1™L = К Т . е т (16.3)

Iвх

където: UBX, йИЗХ, IBX, I тх са комплексните ефективни стойности на входните и изходните напрежения и токове.

• «

В най-общ случай КИ и К; са комплексни числа, тъй като в усил-вателя и товара се съдържат реактивни елементи, които предизвикват съответни фазови отмествания.

- коефициент на усилване по мощност:

К = Р н з х = К К (16-4) 1 вх

Коефициентът на усилване по мощност се определя като реално число.

- входно съпротивление; - изходно съпротивление; - коефициент на нелинейни изкривявания (клирфактор); - динамичен диапазон и др.

124

III. ПРОГРАМА НА РАБОТА 1. Да се изучи макетът на изследваното усилвателно стъпало, да се

обясни предназначението на елементите му и по фиг. 16.3 да се свържат към него измервателните уреди, генераторът на

входен сигнал и източникът на захранващо напрежение. 2. Измерването на входния и изходния ток става косвено, като с

осцилоскоп се измери падът на напрежение върху еталонно съпроти-вление със стойност R= 30Q (I=U/R) .

3. Да се изследва влиянието на работната точка върху работата на стъпалото. От генератора се подава входен синусоидален сигнал с такава амплитуда, че на изхода на усилвателя да се получи максимално неогра-ничено напрежение. Формата на изходното напрежение се наблюдава с осцилоскоп. Проверява се дали работната точка е избрана оптимално. В този случай при по-нататъшно увеличаване на входния сигнал огра-ничението на изходното напрежение трябва да настъпи едновременно отгоре и отдолу на синусоидата. Ако ограниченията на изходното на-прежение не настъпват едновременно отгоре и отдолу, чрез промяна на R, се променя положението на работната точка.

4. Да се провери дали усилвателят обръща фазата на входния сиг-нал.

5.Да се определят коефициентите на усилване Kv, К, и КР на стъпа-лото. Резултатите да се нанесат в таблица 16.1

125

Таблица 16.1 RT т UBX Unix 1 RX hnx / Kv K, Kp а с V V mA mA Hz - - -

IV. ОБРАБОТКА НА ОПИТНИТЕ РЕЗУАТАТИ И СЪДЪРЖА-НИЕ НА ПРОТОКОЛА

1. Кратко описание на принципа на действие на усилвателя. 2. Електрическа схема - фиг. 16.3. 3. Резултати от измерванията и изчисленията - таблица 16.1. 4. Да се начертаят вида на входното и изходното напрежения. 5. Графики на зависимостите: К,. Ки и KP=f(RT) 6. Да се направят изводи относно: а) влиянието на големината на RT върху Кь Ки и КР; б) фазата на входното и изходното напредения.

V. КОНТРОЛНИ ВЪПРОСИ 1. Какво представлява полупроводниковият усилвател? 2. Къде намира приложение? 3. Какъв е принципът на действие на транзисторният усилвател

- схема ОЕ? 4. Какво е предназначението на свързаните към транзистора еле-

менти? 5. Как се избира местоположението на товарната права? 6. Как влияе местоположението на работната точка върху товарната

права на формата на изходното напрежение? Какви класове усилватели познавате?

7. Каква е ролята на ООВ в усилвателите и как се осъществява тя в изследвания усилвател?

8. Коя е най-характерната особеност при схема ОЕ? 9. Кои са качествени показатели на усилвателите?

VI. ОСНОВНИ ИЗВОДИ 1. Отрицателната обратна връзка стабилизира режима на работа на

усилвателя.

126

2. Оптимално използване възможностите на транзистора се полу-чава, когато товарната права се разположи максимално близо до гранич-ните му параметри.

3. Обикновено усилвателите са с две и повече стъпала, като връз-ката между тях е резистивна, резистивно - капацитивна или трансфор-маторна.

4. Усилвателят по схема ОЕ дефазира изходния сигнал спрямо входния на 180°.

5. За усилване на синусоидални сигнали е необходимо работната точка да се намира по средата на товарната права - (режим клас А).

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Василев, P., Електрически измервания, София, Авангард прима, 2008 2. Новиков, Ю., Електротехника и електроника, Санкт-Петербург, Питер, 2005 3. Ралчева, П., М.Маринов, Хр.Патев, Ръководство за лабораторни упражне-

ния по електротехника и електроника, Варна, ЕНА, 2000 4. Цветков, Д., Д.Цанов, Л.Павлов, П.Ралчева, Основи на електротехшпсата и

електрониката, София, Техника, 1989 5. Савов, С., Теоретична електротехника - част първа, Варна, 2006. 6. Gourov, N., Laboratory practicals on Electrical engineering I, Sofia, TU-Sofia, 2007 7. Daijanov, P., I.Marinova, D.Darjanova, Electrical engineering II, Sofia,

Amadeus's Company Ltd., 2006 8. Panov, E., Electrical engineering part I, Varna, TU-Varna, 2008 9. Ралчева П., Патев Xp., "Основи на електротехниката и електрониката",

записки, ТУ-Варна, 1989. 10. Шишков А. И., "Полупроводникова техника", "Техника", София, 1985. 11. Rizzoni G., "Principles and application of electrical engineering", Ohio state

University, 2003.

127

С Ъ Д Ъ Р Ж А Н И Е

Общи указания за провеждане на лабораторните упражнения 5 ЛУ №1 Измерване на постоянен електрически ток, напрежение и

мощност 11 ЛУ №2 Измерване на променлив електрически ток и напрежение.

Измерване на електрическа мощност 17 ЛУ №3 Преки методи за измерване на съпротивление 23 ЛУ №4 Измерване на съпротивление е волтметър и амперметър 31 ЛУ №5 Определяне параметрите на пасивен двуполюсен елемент 36 ЛУ №6 Изследване на трифазна система и измерване на активна

мощност на трифазен консуматор при четирипроводно захранване . . . . 45 ЛУ №7 Измерване на активна мощност в трифазна трипроводна верига. . 54 ЛУ №8 Измерване на електрическа енергия е еднофазен статичен

електромер 62 ЛУ №9 Изследване на еднофазен трансформатор 70 ЛУ №10 Изследване на двигател за постоянен ток 78 ЛУ №11 Изследване на генератор за постоянен ток 84 ЛУ №12 Изследване на трифазен асинхронен двигател е ротор

съединен накъсо 93 ЛУ №13 Изследване на еднофазни неуправляеми токоизправители 100 ЛУ№14 Изследване на характеристиките на биполярен транзистор . . . . 107 ЛУ №15 Наблюдение и измерване на периодични електрически

величини е електроннолъчев осцилоскоп 115 ЛУ №16 Изследване на едностъпален транзисторен усилвател 121 Литература 127

р е к л а м а д и з а й н п е ч а т

реклама дизайн печат

Варна 9 0 0 2 у л . Ген Ц и м е р м а н 44

тел . : 052 / 6 1 2 303 г .ел. /факс: 052 / 612 3 0 4 e - m a i l : e n a p r i n t @ a b v . b g

w w w . e n a р ' r : i : | r * t . с о f t