Эксперимент: «Однофазный трансформатор»

Приборы и компоненты:

1. Индуктивности L1и L2из набора Inductors;

2. Конденсаторы (зона конденсаторов на плате);

3. Сопротивления из набора Resistors;

4. Источник синусоидального напряжения (функциональный генератор ~Е);

5. Вольтметры (V1, V2);

6. Амперметры (A1, A2).

Подготовка к проведению эксперимента «Однофазный трансформатор».

1. Установите переключатель PROTOTYPING BOARD POWER (рисунок 1.12) на рабочей станции NI ELVIS II в положение О (выключен).

3. Из главного меню (рисунок 4.11) двойным щелчком выберите эксперимент «Однофазный трансформатор». Нажмите кнопку Следующий (>>) на панели инструментов. Откроется заранее подготовленное изображение электрической схемы лабораторной работы с размещенными на ней полями компонентов и приборов (рисунок 4.12).

Рисунок 4.12 – Схема электрической цепи опыта холостого хода

4. Соберите на макетной плате электрическую цепь в соответствии со схемой на рисунке 4.12.

5. Представьте собранную схему для проверки преподавателю.

Пошаговый порядок выполнения эксперимента «Однофазный трансформатор».

1. Установите переключатель PROTOTYPING BOARD POWER(рисунок 1.12) на рабочей станции NI ELVIS IIв положение I(включен). Загорятся светодиод Питаниена плате и индикатор включения питания на панели NI ELVIS II.

2. Чтобы начать измерения нажмите на панели управления кнопку (1) Старт/Стоп, затем поставьте галочку в поле (3) Смещ. 0.

3. Установите номиналы напряжения (поле Напряжение) и частоту (поле Частота) источника из таблицы 4.1. Примечание. При включенном свойстве измерителя PP(размах синусоиды) амплитуда измеряемого сигнала равна половине отображаемого на индикаторе значения.

Таблица 4.1 – Варианты (N) параметров элементов для эксперимента

U1НОМ.	[В]	3,00
U2НОМ.	[В]	0.7
I1НОМ.	[мA]	4.2
I2НОМ.	[мA]	16.8
fНОМ.	[кГц]
R (нагр.)	[Ом]	20 ÷ 100
L (нагр.)	[мГн]	0.47
C (нагр.)	[мкФ]

4. Вызовите и настройте инструмент Осциллограммадля наблюдения напряжения V1, V2и тока A1и сохраните изображение.

5. Вызовите и настройте инструмент Векторная диаграммадля наблюдения напряжения V1, V2и тока A1и сохраните изображение.

6. Вращая ручку Напряжение,опустите напряжение источника до нуля.

7. Нажмите кнопку Следующийна рабочем поле и видоизмените цепь на плате в соответствии с новой схемой (рисунок 4.13). Теперь, вторичная обмотка трансформатора – замкнута накоротко.

Рисунок 4.13 – Опыт короткого замыкания

8. Вращая ручку Напряжение,медленно поднимайте напряжение источника до тех пор, пока ток вторичной обмотки не достигнет номинального значения (таблица 4.1) и нажмите Запись.

9. Вращая ручку Напряжение,спустите напряжение источника до нуля.

10. Нажмите кнопку Следующийна рабочем поле и видоизмените цепь на плате в соответствии с новой схемой (рисунок 4.14). Теперь в цепь вторичной обмотки трансформатора включено переменное активное сопротивление (х10 Ом).

11. Представьте собранную схему для проверки преподавателю.

Рисунок 4.14 – Работа трансформатора на активную нагрузку

12. Установите номинальные напряжение (поле Напряжение) и частоту (поле Частота) источника из таблицы 4.1.

13. Разомкните один из контактов сопротивления и, нажав Запись, снимите точку холостого хода.

14. Верните контакт сопротивления на место и, вращая ручку х10 Омна плате, пошагово устанавливайте ток вторичной обмотки от нуля до, примерно 1.25×I_2ном (4-5 точек). Нажимайте Записьна каждом шаге.

Внимание! В данной лабораторной работе, здесь и далее, при каждом изменении сопротивления нагрузки, перед тем как нажать Запись, вращая ручку ~Еи сверяясь с вольтметром V1,восстанавливайте номинальное напряжение на первичной обмотке.

15. По окончании, нажмите кнопку Следующий (>>), изображение на экране должно соответствовать рисунку 4.15.

Рисунок 4.15 – Работа трансформатора на индуктивную нагрузку

16. Замените сопротивление в цепи вторичной обмотки трансформатора на индуктивность (зона индуктивностей на плате), в соответствии с таблицей 4.1, нажмите Новый график, затем – Запись.

17. По окончании, нажмите кнопку Следующий (>>), изображение на экране должно соответствовать рисунок 4.16.

Рисунок 4.16 – Работа трансформатора на емкостную нагрузкой

18. Замените индуктивность в цепи вторичной обмотки трансформатора на емкость (из набора Capacitors), в соответствии с таблице 4.1, нажмите Новый график, затем – Запись.

19. По окончании, вызовите файл MS Excel, сохраните и нажмите Стоп.

Обработка экспериментальных данных

Для эксперимента «Однофазный трансформатор» необходимо:

1. На основе полученных в результате опытов ХХ и КЗ данных, рассчитайте параметры трансформатора и заполните оставшиеся поля таблицы 4.2.

Таблица 4.2 – Результаты

Формулы для расчета. Коэффициент трансформации: . Полная, активная и реактивная мощности холостого хода: , , . Активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки: , . Полная, активная и реактивная мощности короткого замыкания: , , . Суммарное активное сопротивление первичной и вторичной обмоток: , .

2. Построить внешние характеристики трансформатора при различном характере нагрузки.

Содержание отчета

Аналогично лабораторной работы 1.

Контрольные вопросы

1. Назначение и принцип действия трансформатора?

2. Изобразите схему замещения однофазного трансформатора.

3. Почему магнитный поток трансформатора практически не зависит от нагрузки?

4 Каково выражение действующих ЭДС, наводимых в первичной и вторичной обмотках трансформатора?

5. Какие величины определяются в опытах холостого хода и короткого замыкания?

6. Как опытным путем определить коэффициент трансформации?

7. Изобразите векторную диаграмму трансформатора в режиме холостого хода?

8. Изобразите векторную диаграмму трансформатора в нагрузочном режиме?

9. Назовите области применения трансформаторов напряжения и тока?

10. Что произойдет с обмоткой и магнитопроводом трансформатора, если при разомкнутой вторичной обмотке его первичную обмотку включить на напряжение 220 В, вместо номинального 127 В?

11. При какой нагрузке внешняя характеристика трансформатора возрастает? Объясните почему?

Список литературы, рекомендуемый к использованию по данной теме

Основная учебная литература

1. Немцов М.В. Электротехника и электроника (6-е изд., стер.) учебник. –М: Академия, 2013. – 480 с. – ISBN: 9785446804320.

2. Электротехника и электроника: Учебное пособие для вузов / В.В. Кононенко [и др.]; под ред. В.В. Кононенко. – Изд. 6-е – Ростов н/Д: Феникс, 2010. – 784 с. (Серия «Высшее образование». – ISBN 978-5-222-17568-2.

Дополнительная литература

1. Вольдек, А. И. Электрические машины: машины переменного тока: учебник / А. И. Вольдек, В. В. Попов. - СПб. [и др.]: Питер, 2008. – 349 с. – (Учебник для вузов) – ISBN 978-5-469-01381-5.

Лабораторная работа 5

Исследование характеристик диодов, стабилитронов, тиристоров (4 ч)

Цель работы:

1. Эмпирическое определение к.п.д. и построение внешней характеристики выпрямителей на основе измерения входных и выходных токов и напряжений выпрямителя при разных значениях нагрузки.

2. Определение напряжения и минимального значения тока стабилизации стабилитрона на основе измерения вольт-амперной характеристика стабилитрона.

3. Измерение построение вольт-амперной характеристики тиристора.

В результате выполнения практического занятия у студента формируется компетенция ПК-10 (владение методами проведения инженерных изысканий).

Теоретическое обоснование

Характеристики диода и их использование для однофазных выпрямителей. Электропитание потребителей электрической энергии, коими являются электронные цепи радиотехнических, вычислительных устройств, устройств автоматики, датчики физических величин и т.д., осуществляется от источников постоянного напряжения. Поскольку промышленная выработка электроэнергии осуществляется в виде переменного тока, возникает необходимость преобразования переменного напряжения в постоянное. Для этой цели используются нелинейные элементы – диоды, характеризующиеся тем, что их динамическое сопротивление зависит от полярности приложенного напряжения. На рисунке 5.1 а приведено символическое изображение однополупериодного выпрямителя, на рисунке 5.1 б – вольт-амперная характеристика диода.

а) б)

Рисунок 5.1 – Однополупериодный выпрямитель и вольт-амперная характеристика диода

Временная диаграмма выпрямленного напряжения представлен на рисунке 5.2.

Рисунок 5.2 – Временная диаграмма выпрямленного напряжения

Средние значения выходных напряжений указанных выпрямителей , в зависимости от среднеквадратичного значения фазного входного переменного напряжения , для однополупериодного выпрямителя определяются следующим образом: .

– коэффициент полезного действия;

– коэффициент мощности;

– внутреннее сопротивление;

– размах пульсаций, или

– коэффициент пульсаций.

Характеристики стабилитрона. Характеристика полупроводникового стабилитрона, символическое изображение которого приведено на рисунке 5.3 а, отличается от характеристики диода формой ветви вольт-амперной характеристики в области отрицательных напряжений, как показано на рисунке 5.3 б.

а) б)

Рисунок 5.3 – Условно графическое обозначение стабилитрона и его

вольт-амперная характеристика

При некотором значении обратного напряжения на стабилитроне происходит пробой p-n-перехода в обратном направлении, носящий обратимый характер. При напряжении, равном значению пробоя, динамическое сопротивление стабилитрона резко уменьшается, в результате чего ток через стабилитрон определятся параметрами внешней цепи. Указанное напряжение пробоя называется напряжением стабилизации стабилитрона и является основной его характеристикой. Стабилитрон характеризуется также допустимой мощностью и обратным током. Диапазон напряжений стабилизации стабилитронов составляет от единиц до сотен вольт.

Характеристики тиристоров. Тиристор представляет собой управляемый полупроводниковый прибор с дискретной (релейной) характеристикой управления. Символическое изображение однонаправленного тиристора представлено на рисунке 5.4 , его типичная вольт-амперная характеристика на рисунке 5.4 б приведена.

а) б)

Рисунок 5.4 – Условно графическое обозначение стабилитрона и его

вольт-амперная характеристика

Функциональное назначение тиристора – замыкание участка электрической цепи по сигналу управления. Сигнал управления подается к управляющему электроду (У) по отношению к катоду (К). При отсутствии управляющего сигнала (тока управления) тиристор можно представить в виде разомкнутого участка электрической цепи. Это состояние тиристора называется запертым или непроводящим состоянием и характеризуется небольшим значением тока утечки, от единиц микроампер до единиц миллиампер, в зависимости от типа тиристора. При протекании определенного значения тока по цепи У-К и при наличии замкнутой цепи между источником напряжения, анодом (А) и катодом (К) тиристор переходит в проводящее состояние, т.е. отпирается, пропуская ток внешней цепи в направлении от А к К. Отпирание тиристора носит регенеративный характер, поэтому тиристор остается в проводящем состоянии после прекращения тока в цепи управления при условии, что ток в цепи А-К больше нуля. Переход тиристора из проводящего состояния в непроводящее, при отсутствии тока управления, происходит при некотором минимальном значении тока в цепи А-К, называемым током удержания I_УД. Значение I_УД является одним из характеристик тиристора. Ток управления тиристора, при котором последний переходит в проводящее состояние, зависит от напряжения между А и К. Чем меньше напряжение между А и К, тем больше необходимый ток управления для перехода тиристора в проводящее состояние, т.е. в состояние отпирания.

Диапазон рабочих напряжений и токов тиристоров, в зависимости от типа тиристора, составляет от десятков вольт до нескольких тысяч вольт, и от единиц ампер до нескольких тысяч ампер, соответственно. Область применения тиристоров – регулирование действующего значения переменного напряжения, управляемые выпрямители, преобразование постоянного напряжения в переменное, исполнительные узлы устройств автоматики и т.д.

Оборудование и материалы

Аналогично лабораторной работы 3.