ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ 3 страница
Таблица 5.4.
| 
|
| 
|
Содержание отчета
1. Схемы измерений и перечень приборов.
2. Заполненные таблицы 5.2 и 5.3.
3. Расчетные формулы и пояснения к ним. Сравнение результатов расчета и эксперимента.
4. Векторные диаграммы напряжений и токов приёмника для всех пунктов работы, построенные по опытным данным с соблюдением масштаба.
5. Выводы по работе.
Лабораторная работа 6
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
НЕСИНУСОИДАЛЬНОГО ПЕРИОДИЧЕСКОГО ТОКА
Цель работы:
· освоение методики использования резонансного фильтра для выделения гармонических составляющих несинусоидального напряжения;
· измерение параметров спектра периодических напряжений различной формы;
· оценка влияния индуктивности и емкости на форму тока в цепи при входном периодическом напряжении.
Указания к выполнению работы
К работе следует приступать после изучения раздела “Цепи периодического несинусоидального тока” по одному из учебников списка литературы, приведённого в конце настоящего пособия. Выполнить расчеты для указанных преподавателем параметров элементов электрических цепей и форме несинусоидальных напряжений.
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка (рис.6.1) содержит генератор сигналов специальной формы, усилитель, анализатор гармоник, набор преобразовательных звеньев и двухканальный осциллограф.
Источником несинусоидальных периодических напряжений в установке служит генератор типа Г6-15. Напряжение на его выходе имеет синусоидальную, прямоугольную, пилообразную и треугольную формы. Амплитуду выходного напряжения генератора можно регулировать от 0.01 до 10 B, а частоту – от 10-3 Гц до 1000 Гц.
Сигнал с выхода генератора подаётся на вход усилителя типа 100У-101. Выходное напряжение усилителя поступает на входные гнезда анализатора гармоник или преобразовательных звеньев.
Анализатор гармоник позволяет выделить и с помощью двухканального осциллографа типа С1-83 наблюдать гармоники входного напряжения с частотой f0=1000 Гц.
Для выделения k-ой гармонической составляющей исследуемого несинусоидального напряжения в анализаторе используется параллельный резонансный контур, состоящий из индуктивности LK и емкости С. На частоте резонанса очередной гармоники fk = k f0 контур имеет большое эквивалентное сопротивление. Избирательность по напряжению обеспечивается включением последовательно с контуром резистора Rk.
Резонансный контур и резистор Rk образуют делитель, коэффициент передачи которого KU =0,1. Из этого следует, что значение напряжения любой гармоники на выходе анализатора на порядок больше измеренного.
Получение несинусоидального напряжения заданной формы
Прямоугольный u1(wt), пилообразный u2(wt) и треугольный u3(wt) сигналы формируются генератором. Для формирования других сигналов используются преобразовательные звенья и соответствующие им напряжения генератора. Следует обратить внимание на то, что при формировании трапециевидного сигнала u4(wt), величина угла a регулируется левой ручкой «» усилителя. Напряжения u5(wt)и u6(wt), формируются звеньями, выполняющими функции широтно-импульсного преобразователя и однополупериодного управляемого выпрямителя. Регулирование длительности импульсов g для широтно-импульсного преобразователя или угла включения вентилей a осуществляется поворотом ручки «a(g)».
Методика проведения гармонического анализа
Анализ спектра выполняется на лабораторной установке (рис.6.1). Все исходные регулировки генератора, усилителя и осциллографа выполняются преподавателем или лаборантом. При любой форме исследуемого напряжения значение его амплитуды на выходе генератора должно быть равным 10 В.
Последовательность измерения амплитуд гармоник несинусоидального напряжения следующая:
· Исследуемое напряжение частотой f0 = 1000 Гц подводят к гнёздам «Y1» и «Общий» анализатора.
· Гнездо «Y1» соединяют перемычкой с гнездом R1, а гнездо «Y2» – c гнездом L1.
· Подстройкой частоты генератора добиваются максимума амплитуды гармоники на выходе анализатора и измеряют её значение с помощью осциллографа или вольтметра соответственно в миллиметрах или вольтах; истинное значение гармоники напряжения больше измеренного в десять раз.
· Последовательно переключая обе перемычки на гнёзда «R2»¼«R6» и «L2»¼«L6» и подстраивая частоту, измеряют амплитуды гармоник со второй по шестую.
Программа работы
До начала лабораторной работы следует.
1. Разложить в ряд Фурье несинусоидальное периодическое напряжение заданной преподавателем формы, амплитуды и частоты и оценить соотношения Umk /Um амплитуд гармоник и заданной функции.*
2. Определить составляющие напряжения на входе и тока в одной из двух цепей. В цепи RL при входном напряжении прямоугольной формы или в цепи RC при напряжении треугольной формы на ее входе. Оценить соотношения амплитуд k-х гармоник к первой. Цепь и ее параметры задаются преподавателем.**
В процессе лабораторной работы выполняется следующее.
3. Экспериментально исследуется спектральный состав несинусоидальных периодических напряжений различных форм.
4. Анализируется спектр тока в последовательной RL-цепи при входном напряжении прямоугольной формы.
5. Исследуется спектр тока в последовательной RС-цепи при входном напряжении треугольной формы.
Для выполнения пунктов 4 и 5 на вход анализатора гармоник подается не ток, а напряжение с резистора R цепей RL и RC. При этом используется свойство идентичности спектров напряжения и тока у резистивного элемента.
Порядок выполнения работы
Работу следует выполнять после проведения расчетов и записи их результатов в ячейки таблиц 6.1 и 6.2. Данные для расчета задает преподаватель. Содержание расчетов приведено в пунктах 1 и 2 программы.
Для выполнения пункта 3 программы необходимо следующее.
Используя методику, изложенную в разделе 2, получить несинусоидальное напряжение заданной преподавателем амплитуды и формы с частотой 1000 Гц и подать его на входные гнезда «Y1» и «Общий» анализатора гармоник.
Измерить амплитудные значения 1…6 гармоник исследуемого напряжения по описанной выше методике.
Результаты измерений занести в таблицу 6.1.
Всё указанное повторить для других форм заданных напряжений.
Для выполнения пункта 4 программы необходимо выполнить следующее.
С помощью магазинов индуктивностей и сопротивлений собрать RL цепь и включить её в схему лабораторной установки (см. строку 9 таблицы 6.3).
Установить на магазине сопротивлений значение R = 400[Ом], а на магазине индуктивностей – индуктивность L= 20¼100[мГн], заданную преподавателем.
Установить на выходе генератора прямоугольную форму сигнала с частотой 1000 Гц.
Зарисовать осциллограмму напряжения между точками DE электрической цепи.
Выполнить гармонический анализ этого напряжения, пользуясь методикой раздела 3, и рассчитать гармоники тока с учётом того, что спектры напряжения и тока на резисторе R идентичны, поэтому 
. Результаты измерений занести в таблицу 6.2.
С помощью магазинов ёмкостей и сопротивлений собрать RC цепь и включить её в схему лабораторной установки (см. строку 10 таблицы 6.3).
Установить на магазине ёмкостей значение C = 0,5[мкФ], а на магазине сопротивлений – сопротивление R=200¼1200 [Ом], заданное преподавателем.
Установить на выходе генератора треугольную форму сигнала с частотой 1000 Гц.
Зарисовать осциллограмму напряжения между точками DE электрической цепи.
Выполнить гармонический анализ этого напряжения, пользуясь методикой раздела 3, и рассчитать гармоники тока с учётом того, что спектры напряжения и тока на резисторе R идентичны, поэтому . Результаты измерений занести в таблицу 6.2.
Приборы и оборудование
Генератор сигналов специальной формы Г6-15.
Усилитель напряжения 100У-101.
Лабораторный анализатор гармоник АГ.
Осциллограф двухлучевой С1-83.
Магазин сопротивлений Р4830.
Магазин емкостей Р5025.
Магазин индуктивностей Р567.
Таблица 6.1
| Исследуемое напряжение | № гарм. | Расчет | Эксперимент | ||||
| Форма | Um, В | Частота Гц | k | Umk, В | 
| Umk, В |
|
Um – амплитуда несинусоидального напряжения.
Таблица 6.2
| № гарм. | Входное напряжение | Ток в цепи RL R=__________ [Ом] L=_________ [мГн] | Ток в цепи RC R=_________ [Ом] C =________ [мкФ] | ||||||||||
| Расчет | Эксперимент | Расчет | Эксперимент | ||||||||||
| k | Umk B | 
| Imk мA | 
| Imk мA |
| Imk мA |
| Imk мA |
| |||
Содержание отчёта
Расчет составляющих ряда Фурье напряжений заданной преподавателем формы, амплитуды и частоты. Постоянную составляющую, амплитуды и фазы гармоник рекомендуем определить по формулам приложения.
В таблице 6.1 должны быть приведены:
· значения амплитуд гармоник Umk, полученные расчетным путем и экспериментально;
· соотношение амплитуд гармоник и исходной функции Umk /Um.
Расчет амплитуд гармоник Umk входного напряжения и тока Imk в цепях RL или RC. Оценка соотношения первой гармоники к остальным во входном напряжении Umk /Um1 и токе цепи Imk /Im1.
В таблице 6.2 должны быть приведены:
· результаты расчета и измерения гармоник напряжения и тока Imk в цепи;
· оценка Umk /Um1 входного напряжения тока Imk /Im1 в цепи.
Таблица 6.3.
1. . 
Исследуемый сигнал u1(wt)
| |||
Схема установки
| |||
| Коэффициенты ряда Фурье |
| ||
2. 
Исследуемый сигнал u2(wt)
| |||
|
Схема установки
| |||
| Коэффициенты ряда Фурье | 
| ||
3. 
Исследуемый сигнал u3(wt)
| |||
|
Схема установки
| |||
| Коэффициенты ряда Фурье | 
| ||
4. 
Выходное напряжение усилителя а) и исследуемый сигнал u4(wt) б)
| |||
Схема установки
| |||
| Коэффициенты ряда Фурье | 
| ||
5. 
Выходное напряжение усилителя а) и исследуемый сигнал u5(wt) б)
| |||
Схема установки
| |||
| Коэффициенты ряда Фурье | 
| ||
6. 
Выходное напряжение усилителя а) и исследуемый сигнал u6(wt) б)
| |||
Схема установки
| |||
| Коэффициенты ряда Фурье | 
| ||
7. 
Выходное напряжение усилителя а) и исследуемый сигнал u7(wt) б)
| |||
Схема установки
| |||
| Коэффициенты ряда Фурье | 
| ||
8. 
Выходное напряжение усилителя а) и исследуемый сигнал u8(wt) б)
| |||
Схема установки
| |||
| Коэффициенты ряда Фурье | 
| ||
9. 
Выходное напряжение усилителя
Схема установки
| |||
10. 
Выходное напряжение усилителя
Схема установки
| |||
а) Разложение функций исследуемых сигналов  из восьми первых строк таблицы в ряд Фурье имеет вид:
где: 
б) Гармонические составляющие токов в RL и в RC цепях рассчитываются соответственно по формулам:
где: Rк= 30 Ом – резистивное сопротивление катушки индуктивности.
| |||
Лабораторная работа 7
Исследование однофазного трансформатора
Цель работы – экспериментальное исследование характеристик трансформатора.
Указания по выполнению работы
К выполнению работы следует приступать после изучения раздела “Электрические трансформаторы” по одному из учебников списка литературы, приведённого в конце настоящего пособия.
Описание лабораторной установки
Лабораторная установка (рис.7.1) содержит испытуемый однофазный трансформатор малой мощности типа ТН36-50Гц (Тр), лабораторный авто-трансформатор (ЛАТр), предназначенный для регулирования напряжения на первичной обмотке испытуемого трансформатора и комплект измерительных приборов.
Паспортные данные испытуемого трансформатора приведены в таблице 7.1.
Таблица 7.1
| Паспортные данные | Значение |
| Номинальная полная мощность Sн, В·А | |
| Номинальное напряжение первичной обмотки U1н, В | |
| Номинальный ток первичной обмотки I1н, А | 0,284 |
| Номинальное напряжение вторичной обмотки U2н, В | |
| Номинальный ток вторичной обмотки I2н, А | 1,2 |
| Активное сопротивление первичной обмотки R1, Ом |
Для измерения действующего значения напряжения на первичной обмотке трансформатора, действующего значения тока первичной обмотки и активной мощности, потребляемой трансформатором, служат соответственно вольтметр V1, амперметр A1 и ваттметр W. Измерения напряжения на зажи-мах вторичной обмотки и тока в ее цепи производятся соответственно вольт-метром V2 и амперметром A2. На лицевой панели стенда установлен пере-ключатель S, позволяющий создавать при коммутации режимы короткого за-мыкания («кз»), холостого хода («хх») и три режима резистивной нагрузки («1», «2», «3»). Зажимы вторичной обмотки трансформатора подключены к гнездам x3 и x4. Наблюдение формы тока в первичной обмотке трансформа-тора осуществляется с помощью электронного осциллографа*. Его вход под-ключается к гнездам x1 и x2, на которые выведены зажимы низкоомного рези-стора Rд (шунта), включенного последовательно в цепь первичной обмотки испытуемого трансформатора.
Программа работы
1 Исследование режима короткого замыкания трансформатора.
2 Исследование режима холостого хода трансформатора.
3 Исследование режима нагрузки трансформатора.
4 Исследование формы тока в первичной обмотке трансформатора.
Методика выполнения работы
1 Опыт короткого замыкания трансформатора
· Установить предел шкалы вольтметра V1, соответствующий примерно половине номинального напряжения, и предел шкалы амперметра A1 – примерно равный номинальному току первичной обмотки трансформатора.
· Установить переключатель S в положение «кз».
· Убедившись, что ручка регулятора лабораторного автотрансформа-тора (ЛАТр) находится в крайнем положении против часовой стрелки, подать напряжение питания на вход ЛАТра и, медленно вращая ручку его регулятора, установить номинальный ток в первичной обмотке. Результаты измерений Uк, I1 и Pк занести в строку 1 таблицы 7.2.
· Повторить опыт, установив с помощью ЛАТра ток I1< I1н. и занести по-казания приборов в строку 2 таблицы 7.2.
· При оформлении отчета рассчитать параметры схемы замещения трансформатора по формулам:
где: Zк – полное сопротивление короткого замыкания, Rк и Xк – со-ответственно активное и реактивное сопротивления короткого за-мыкания, R1 – активное сопротивление первичной обмотки транс-форматора, R2 – приведенное активное сопротивление вторичной обмотки, Xр1 – индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки, Xр2– приведенное индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки.
· Рассчитать процентное напряжение короткого замыкания uк% и фазовый сдвиг jк между напряжением и током в режиме короткого замыкания по формулам
Результаты расчета поместить в таблицу 7.2.
Таблица 7.2
| № п/п | Результаты измерений | Результаты вычислений | ||||||||||
| I1 А | Uк В | Pк Вт | uк% % | Zк | Rк | Xк | R1 | Xр1 | R '2 | X 'р2 | jк град | |
| Ом | ||||||||||||
| 1. | ||||||||||||
| 2. |
2 Опыт холостого хода
· Установить предел шкалы вольтметра V1, соответствующий номинальному напряжению, и предел шкалы амперметра A1 – примерно равный половине номинального тока первичной обмотки трансформатора.
· Установить переключатель S в положение «хх».
· Подать напряжение питания на обмотку лабораторного автотрансформатора (ЛАТр). Постепенно увеличивая выходное напряжение ЛАТра, установить номинальное напряжение U1н на первичной обмотке испытуемого трансформатора. Результаты измерений U1, U20, I10 и P10 занести в строку 1 таблицы 7.3.
· Повторить опыт, установив с помощью ЛАТра напряжение U1< U1н. Занести показания приборов в строку 2 таблицы 7.3.
· При оформлении отчета рассчитать параметры схемы замещения трансформатора по формулам:
где: Z0 – полное сопротивление первичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода, R1 – активное сопротивление первичной обмотки, R0 – активное сопротивление контура намагничивания, обусловленное потерями в стали, X0 – индуктивное сопротивление контура намагничивания, Pм0 – потери в меди первичной обмотки в режиме холостого хода.
· Рассчитать коэффициент трансформации трансформатора Kтр, процентное значение тока холостого хода I10%, фазовый сдвиг между напряжением и током в режиме холостого хода j0 и угол магнитного запаздывания (угол потерь) d по формулам
Результаты расчетов поместить в таблицу 7.3.
Таблица 7.3
| № п/п | Результаты измерений | Результаты вычислений | |||||||||
| U1 | U20 | P10 Вт | I10 А | Kтр - | I10% % | Z0 | R0 | X0 | j0 | d | |
| В | Ом | град | |||||||||
3 Исследование режима нагрузки трансформатора.
· Установить предел шкалы вольтметра V1, соответствующий номинальному напряжению, а пределы шкал амперметров A1 и A2 – примерно 1,25·I1н и 1,25·I2н соответственно.
· Установить переключатель S в положение «1».
· Подать напряжение питания на обмотку лабораторного автотрансформатора (ЛАТр). Постепенно увеличивая выходное напряжение ЛАТра, установить номинальное напряжение U1н на первичной обмотке испытуемого трансформатора.