LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI POMIARY W OBWODACH PRĄDU ZMIENNEGO

Transkrypt

1 LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI Zbiór instrukcji labratryjnych dla studentów wydziałów nieelektrycznych Akademii Mrskiej w Gdyni CZ. II POMIARY OBODACH PRĄDU ZMIENNEGO Gdynia 2003

2 . prwadzenie Teretyczne 1.1. Przyrządy elektrmagnetyczne. D pmiarów natężenia i napięcia prądu zmienneg służą przyrządy elektrmagnetyczne. Najprstszym (histrycznie najstarszym) rzwiązaniem przyrządu elektrmagnetyczneg jest przyrząd zbudwany jak cewka z rdzeniem z miękkieg materiału ferrmagnetyczneg (rys a.). Gdy przez cewkę przepływa prąd, rdzeń jest wciągany d śrdka (na zasadzie elektrmagnesu). Budwę jednej ze stswanych współcześnie dmian przyrządów elektrmagnetycznych pkazan na rysunku 1.1.1b. a) b) c) Rys Przyrząd elektrmagnetyczny: a) zasada działania, b) budwa (jedna z dmian), c) symbl płaskiej szczelinie elektrmagnesu umieszczna jest krągła blaszka z materiału ferrmagnetyczneg zamcwana mimśrdw. Gdy przez cewkę elektrmagnesu przepływa prąd blaszka jest wciągana d szczeliny, c pwduje brót śki, d której przymcwana jest wskazówka. Mment zwracający pchdzi d spiralnej sprężynki. ychylenie wskazówki nie jest wprst prprcjnalne d natężenia prądu, skala nie jest więc równmierna. ychylenie wskazówki nie jest zależne d kierunku przepływu prądu. Blaszka wciągana jest tak przy przepływie prądu zmienneg jak i stałeg. Dlateg też przyrządami elektrmagnetycznymi mżna mierzyć zarówn prądy stałe jak i zmienne. Zwykle przyrząd wycechwany jest w wartściach skutecznych prądu zmienneg. Jeżeli skala jest ważna także dla prądu stałeg, umieszczany jest na niej dpwiedni znak. Przyrządy elektrmagnetyczne budwane są jak ampermierze i jak wltmierze K E O

3 2.3. Ćwiczenie 8. Kmpensacja mcy biernej. Zmdyfikuj układ z ćwiczenia 7.w ten spsób, że równlegle d zacisków dbirnika.przyłącz kndensatr nastawny (C). Dłączyć również dwa ddatkwe ampermierze (rys ) R A A L At V A C 220 V C Rys Dla napięcia wskazaneg przez prwadząceg ćwiczenie przeprwadź pmiary prądów i mcy czynnej przy różnych wartściach pjemnści (w takim zakresie zmian pjemnści by bejmwał n minimum prądu - tj. punkt całkwitej kmpensacji mcy biernej). TABELKA V L R L Ampermierze elektrmagnetyczne mają cewkę małej rezystancji, nawiniętą drutem dużym przekrju i niewielkiej ilści zwjów. ielzakreswść realizwana jest pprzez stswanie dczepów (w zależnści d wymaganeg zakresu pmiarweg prąd płynie przez dpwiednią ilść zwjów cewki). Nie stsuje się bczników. D rzszerzania zakresu pmiarweg ampermierzy elektrmagnetycznych używa się specjalnych transfrmatrów pmiarwych zwanych przekładnikami prądwymi. ltmierze elektrmagnetyczne mają cewki dużej liczbie zwjów, nawinięte cienkim drutem. szereg włączany bywa rezystr (psbnik). Służy n d graniczania prądu płynąceg przez przyrząd i d rzszerzania zakresu pmiarweg. ielzakreswść realizwana bywa także przy wykrzystaniu sekcjnwania cewki ustrju pmiarweg. Przy napięciach wyższych d 1,5 kv d rzszerzania zakresów pmiarwych stsuje się przekładniki (transfrmatry pmiarwe) napięciwe atmierze elektrdynamiczne i ferrdynamiczne. Zasada działania przyrządów elektrdynamicznych piera się na siłwym ddziaływaniu pla magnetyczneg na przewdnik z prądem, przy czym ple jest wytwarzane przy pmcy cewki przez którą przepływa prąd. Tak więc siła działająca na przewdnik z prądem jest prprcjnalna zarówn d prądu płynąceg przez przewdnik (w praktyce przez ruchmą ceweczkę) jak i d wytwarzająceg ple prądu płynąceg w cewce. Lp C P I IC IL - µf A A A Sprządzić wykres I = f(c). Znaleźć pjemnść dpwiadającą minimum prądu. ykrzystując dane z ćwiczenia 7. (tj. dla C = 0) bliczyć mc bierną pbieraną przez cewkę przy wskazanym napięciu. Na tej pdstawie wyznaczyć pjemnść kndensatra ptrzebną d całkwitej kmpensacji tej mcy. Prównać trzymany wynik z wynikiem uzyskanym z pmiarów. Dla C = 0 i dla takiej wartści C, przy której prąd całkwity zasilający układ (I) siąga minimum sprządzić wykres wskazwy prądów i napięć. Przeprwadzić dyskusję wyników a) b) Rys Przyrząd elektrdynamiczny: a) budwa, b) symbl - 4 -

4 Budwa ustrju pmiarweg przyrządu elektrdynamiczneg pkazana jest na rysunku 1.2.1a. Składa się n z dwóch cewek: nieruchmej (na rysunku płynie przez nią prąd I1) raz ruchmej (z prądem I2). Siły elektrdynamiczne działające na bki cewek pwdują przyciąganie się tych bków, w których prądy płyną w zgdnych kierunkach i dpychanie się tych bków, w których kierunki prądów są przeciwne. Pwstaje mment prprcjnalny d ilczynu wartści skutecznych prądów płynących w bu cewkach i d ksinusa kąta ich wzajemneg przesunięcia fazweg. Mment zwracający dają spiralne sprężynki służące jedncześnie d dprwadzania prądu d cewki ruchmej. Jeżeli przez bydwie cewki płynie ten sam prąd wychylenie wskazówki jest prprcjnalne d kwadratu jeg wartści skutecznej. Jednak przyrządy elektrdynamiczne są wykrzystywane przede wszystkim d budwy watmierzy. watmierzu elektrdynamicznym nieruchmą cewkę (tzw. cewkę prądwą) załącza się w bwód pmiarwy szeregw: płynie przez nią taki sam prąd jaki występuje w bwdzie. Natmiast cewka ruchma (tzw. cewka napięciwa) załączana jest równlegle, tak by przyłżne d niej napięcie był takie sam jak napięcie przyłżne d bwdu: zatem przez cewkę tę płynie prąd prprcjnalny d napięcia. Tak więc wychylenie wskazówki mżna pisać zależnścią: gdzie: α = Cw U I cs ϕ (1.2.1) α - wychylenie wskazówki w działkach; Cw - współczynnik prprcjnalnści zwany stałą watmierza; ϕ - kąt przesunięcia fazweg pmiędzy U i I. Stałą watmierza Cw blicza się dzieląc ilczyn znaminwych (zakreswych) wartści Un, In i csϕn przez znaminwe (zakreswe) wychylenie αn (w działkach): Cw U n In csϕn = (1.2.2) αn Zazwyczaj watmierze mają przełączalne zakresy prądwe i napięciwe. Znaminwe wartści Un i In pdane są na przyrządzie (i nastawialne), natmiast csϕn, dla watmierzy nrmalnej budwy zawsze ma wartść jeden i infrmacja ta nie jest wtedy pdawana. Zakresy Un i In mgą być przekraczane (inaczej niż dla wltmierzy i ampermierzy gdzie przekrczenie zakresu równznaczne jest z wychyleniem się wskazówki pza skalę). Dane na ten temat znajdują się na skali watmierza. Najczęściej zakres prądwy mże być przekraczany 30% (d 1. 3 In), zaś zakres napięciwy 50 % (d 1. 5 Un) Ćwiczenie 7. Pmiary parametrów bwdu z dławikiem. Zestaw układ wg schematu z rysunku Odbirnikiem są płączne ze sbą szeregw prnik labratryjny (nastawiny na wartść wskazaną przez prwadząceg ćwiczenie) raz dławik. Regulwane napięcie zasilające dstarczane jest przez auttransfrmatr (At). 220 V Rys At V Zmieniając napięcie d zera d wartści wskazanej przez prwadząceg ćwiczenie mierz mc czynną, prąd i napięcie. yniki wpisuj d tabelki IV. skazania watmierza ntuj w działkach; ntwać też każdrazw stałą watmierza bliczną wg wzru Starannie dbieraj zakresy przyrządów pmiarwych. AŻNE: Zwracać uwagę na t by nie przekraczać zakresów prądwych i napięciwych watmierza pnad wartści dpuszczalne kreślne na skali przyrządu. (pr. pkt. 1.2)! A Tabela IV napięcie natężenie mc Lp CV α U CA α I C α P V/dz dz V A/dz dz A /dz dz Dla pmierznych wartści blicz współczynnik mcy csϕ = kąt przesunięcia fazweg pmiędzy prądem i napięciem ϕ = arccs charakterystyki U = f( I) raz cs ϕ=f( I ) i ϕ =f( I). yjaśnij ich przebieg R L R L P UI raz P U I. ykreś

5 Zasada działania watmierza ferrdynamiczneg jest pdbna d pisanej wyżej, tylk dla zwiększenia strumienia magnetyczneg cewek, a więc dla zwiększenia mmentu napędweg bez pwiększania pbru mcy wprwadza się rdzeń żelazny. Zasadę budwy ustrju pmiarweg ferrdynamiczneg pkazan na rys Rys Układ pmiarwy nr. 6. d ćwiczenia 5-6. a) b) Rys Przyrząd ferrdynamiczny: a) budwa b) symbl Rys Układ pmiarwy nr. 7. d ćwiczenia 5-6. a) Uzupełnij części bliczeniwe tabelek. Przeprwadź prównanie z wartściami dczytanymi z nastaw prnika i kndensatra yciągnij wniski. b) Sprawdź czy dla szeregweg płączenia rezystrów i kndensatrów raz kndensatra i rezystra spełnine jest drugie praw Kirchhffa. Dla gałęzi z kndensatrem (kndensatrami) wyznacz reaktancje pjemnściwe. Dla każdeg przypadku wyznacz impedancje wypadkwe gałęzi. Oblicz rezystancje i pjemnści zastępcze. c) Sprawdź czy dla równległeg płączenia rezystrów i kndensatrów raz kndensatra i rezystra spełnine jest pierwsze praw Kirchhffa. Dla gałęzi z kndensatrem (kndensatrami) wyznacz reaktancje pjemnściwe. Dla każdeg przypadku wyznacz impedancje wypadkwe gałęzi. Oblicz rezystancje i pjemnści zastępcze. Dla wszystkich przypadków sprządź wykresy wskazwe prądów i napięcia (w skali) Pmiary mcy. Schemat włączenia watmierza przy pmiarze mcy prądu jednfazweg pkazan na rysunku u I Z Rys Pmiar mcy prądu jednfazweg Cewka prądwa watmierza (para zacisków znaczna - na budwie przyrządu - literą A) włączna jest jak ampermierz, t jest w ten spsób by płynął przez nią prąd płynący przez dbirnik. Cewkę napięciwą (para zacisków znaczna literą V) włącza się tak jak wltmierz, t jest tak, by przyłżne był d niej napięcie panujące na dbirniku

6 Pmiar mcy mże się dbywać z pprawnie mierznym prądem lub z pprawnie mierznym napięciem. Zaciski d których pdłączne są tzw. pczątki cewek znaczne są gwiazdkami. przypadku pmiaru mcy z pprawnie mierznym prądem (jak na rysunku) pwinny ne być płączne ze sbą p strnie zasilania układu. Pmiary mcy w układzie trójfazwym czterprzewdwym (tj z dstępnym punktem zerwym) przeprwadza się przy użyciu trzech watmierzy mierzących mc każdej z faz ddzielnie. Mc całeg układu jest równa sumie mcy pszczególnych faz: P = PR + PS + PT (1.3.1) R S T 0 Z P R Z P S P T Z Rys Układ pmiarwy nr. 4. d ćwiczenia Płącz równlegle dwa rezystry (rys ) i wyknaj czynnści z punktu 2. Zwróć uwagę na wartści prądów I 1, I 2 i I 3. yniki zantuj w tabeli III. 7. Następnie wyknaj analgiczne pmiary dla równlegle płącznych kndensatrów (rys ) raz rezystra i kndensatra (rys ). yniki zantuj w tabeli III. Rys Pmiar mcy prądu trójfazweg przy pmcy trzech watmierzy Gdy układ jest symetryczny mce pszczególnych faz są jednakwe, a więc: P = PR = PS = PT = Pf ówczas mżna mierzyć mc tylk jednej fazy i trzymać mc układu trójfazweg mnżąc tę mc przez trzy. P = 3 Pf (1.3.2) Jeżeli dbirnik płączny jest ze źródłem zasilania przy pmcy trzech przewdów, bez przewdu zerweg (układ trójprzewdwy), t mżna zastswać metdę pmiaru wykrzystującą dwa watmierze płączne w tzw. układ Aarna. Zasadę pmiaru pkazuje rys Mc układu trójfazweg równa się sumie wskazań watmierzy: P = Pα + Pβ = URS IR csα+ UTS IT cs β (1.3.3.) gdzie: α= URS, IR β = UTS, IT Rys Układ pmiarwy nr. 5. d ćwiczenia 5-6. Tabela III f P U I I 1 I 2 Hz V A A A 8. Dla szeregweg (rys ) i równległeg (rys ) płączenia kndensatrów blicz pjemnść zastępczą i prównaj wyniki bliczeń z wynikami pmiarów

7 4. Płącz szeregw dwa rezystry (rys ) i wyknaj czynnści z punktu 2. Zwróć uwagę na wartści napięć U 1, U 2 i U 3. yniki zantuj w tabeli II. Pmiar jest pprawny dla dwlneg 3-fazweg układu napięć i prądów. Jeżeli prądy i napięcia są symetryczne jest: P U I α = cs( ϕ + 30 ), (1.3.4a) P U I β = cs( ϕ 30 ), (1.3.4b) P = Pα + Pβ = 3 U I cs ϕ (1.3.4c) a) b) Rys Układ pmiarwy nr. 2. d ćwiczenia 5-6. Tabela II f P I U U 1 U 2 Hz A V V V 5. Następnie wyknaj analgiczne pmiary dla szeregw płącznych kndensatrów (rys ) raz rezystra i kndensatra (rys ). yniki zantuj w tabeli II R S T P R ODBIORNIK U TS U RS Rys Pmiar mcy prądu trójfazweg przy pmcy dwóch watmierzy (układ Aarna): a) schemat płączeń, b) wykres wskazwy (dla przypadku symetryczneg) Gdy prąd jest w fazie z napięciem, c ma miejsce wówczas, gdy dbirnik jest czyst rezystancyjny, kąt ϕ = 0 (csϕ = 1), wskazania watmierzy są jednakwe i wynszą: 30 I T U T 30 φ U R φ I R U S P P U I 3 α = β = cs30 = UI, (1.3.5) 2 Gdy ϕ 0 wskazania bu watmierzy są niejednakwe. Szczególnym przypadkiem jest kąt ϕ =60 (cs ϕ = 0. 5). ówczas: P U I P U I 3 α = cs 90 = 0; β = cs 30 = UI ; 2 (1.3.6) Rys Układ pmiarwy nr. 3. d ćwiczenia a więc jeden z watmierzy wskazuje zer, a drugi całą mc pbieraną przez dbirnik (równą P U I 1 = 3 cs 60 = 3 UI )

8 Dla ϕ >60 (cs ϕ < 05). jest ϕ+ 30 > 90 i P α < 0, a zatem watmierz z fazy R (na rys ) ma ujemne wskazania - wychyla się "dwrtnie". Należy wówczas zmienić biegunwść dprwadzeń d zacisków napięciwych. Teraz wskazówka będzie wychylać się we właściwą strnę. Odczytany wynik należy zapisywać ze znakiem ujemnym. 2. Część Pmiarwa 2.1. Ćwiczenie 5-6. Pmiary w bwdach prądu zmienneg Rys Układ pmiarwy nr. 1. d ćwiczenia Płącz bwód według rys Prwadzący ćwiczenie wskaże prniki i kndensatry jakie zstaną użyte w ćwiczeniu. 3. Zmieniaj napięcie w zakresie pdanym przez prwadząceg ćwiczenia i ntuj wartści napięcia, prądu i mcy w bwdzie. yniki wpisz w tabeli Ia. 4. Pamiętaj zantwaniu w każdym przypadku częsttliwści (pmiar częsttliwści za pmcą częstścimierza wspólneg dla wszystkich grup) raz rezystancji prników i pjemnści kndensatrów. 5. Zastąp rezystr kndensatrem i pwtórz czynnści z punktu 2. yniki zantuj w tabeli Ib. Tabela Ia Pmiary Obliczenia f U I P R Hz V A Ω Tabela Ib Pmiary Obliczenia f U I P X C ωc C Hz V A Ω Ω µf