090508 IDE-sektionen Laboration 6 Växelströmsmätningar 1
Förberedelseuppgifter laboration 5 1. Antag att L=250 mh och resistansen i spolen är ca: 150 Ω i figur 3. Skissa på spänningen över resistansen R=100 Ω samt spänningen över spolen när vi slår till switchen och kretsen matas med 10 V likspänningen! Ange speciellt nivåer och tider ( tänk tidskonstant!) Vad händer när vi bryter strömmen i kretsen? Formulera matematiska uttryck för spänningen över R respektive spolen! 2. Simulera kretsen i figur 3. istället för att använda en switch och likspänningskälla så använder ni en VPULSE/SOURCE (se efter hur ni använde denna i uppgift2,lab3). Antag att L=250 mh och resistansen i spolen är ca: 150 Ω i figur 3. Skicka in ett fyrkantsformat pulståg med amplitud mellan 0 och 10 Volt! Pulsbredden skall vara tillräckligt lång så att stationärt läge nås i kretsen. Reläspolen simuleras som en induktans i serie med en resistans. Simulera samma spänningar som efterfrågas i ovanstående uppgift 1! 3. Simulera kretsen i figur 1 under 5 perioder! Bestäm spänningarnas toppvärden och fas för spänning över respektive komponent. Bestäm effekt som utvecklas i varje komponent! Ni kan få momentaneffekten uppritad vid simulering om ni hämtar en effektmätarmarkör från samma ställe där ni hämtar spännings- och strömmarkörer. Effektmarkören måste läggas på komponenten. 4. Vår transformator är märkt: 220V/14V, 80 VA och 50 Hz som vi använder i figur 2. a) Bestäm maximalt tillåten ström på primär- och sekundärsida vid kontinuerlig drift(märkströmmar). b) Antag att vi ansluter ett motstånd 10 Ω på sekundärsidan. Vilka strömmar får vi då på primär- och sekundärsida. c) Hur litet motstånd kan vi ansluta på sekundärsidan innan vi skadar transformatorn? 2
1. Bestämning av förbrukad effekter i nedanstående krets Uppgift: Att genom mätningar av spänningar och ström bestämma reaktiv och aktiv effekt förbrukad i respektive komponent. Genom att mäta spänningen över vår resistor så få får vi en bild hur strömmen ser ut i kretsen och därigenom har vi fasvinkel och storlek på denna. De markörer utlagda i figur 1 är endast avsedda för simulering. Ni skall inte direkt mäta effekten i vår uppgift. För att säkerställa vilka komponenter ni har kan ni också mäta på induktans och resistans på er fysiska spole samt även kapacitansen hos kondensatorn. Tänk efter hur ni mäter för att undvika kortslutning. Använd oscilloskop! L1 3.3mH W VAMPL = 5 FREQ = 2000 V1 I C1 10uF W R1 10 Ohm W 0 Figur 1 Redovisning: Uppmätta spänningar och ström samt fasvinkel. Beräknad effekt för varje komponent! 3
2. Mätning på en transformator Uppgift: mäta ström och spänning på primär-respektive sekundärsida hos en transformator samt att beräkna effekter! Teori: sid 201-203. En transformator förmedlar effekt från sin primärsida till sekundärsida. Primärsidan och sekundärsidan är galvaniskt isolerade från varandra. Ofta är man ute efter den egenskapen att man kan ändra på spänningens amplitud genom transformatorn. D v s en nedtransformering av spänningen (eller upptransformering). Konsekvensen av detta blir att strömmen också ändras över transformatorn, d v s strömmen blir upptransformerad till sekundärsidan. Det råder ungefärlig effektbalans mellan primär- och sekundärsida: P = U 1 I 1 = U 2 I 2 d v s U 1 / U 2 = I 2 / I 1 denna kvot är också lika med förhållandet mellan lindningsvarvtalen på på primär- respektive sekundärsida. U 1 / U 2 = I 2 / I 1 = N 1 / N 2 Någon av dessa kvoter måste anges på transformatorn. Den kallas även för omsättningstalet. Transformatorn transfomerar endast växelspänning och växelström. Utförande: Se figur 2 nedan! Utrustning: Oscilloskop, Starkströmsbrytare, tångamperemeter, effektresistor 33Ω, DMM Starkströmsbrytare 230Vac L1 N L1 N V+ + UDMM Transf ormator + - - Uosc V+ R 30 Ohm V- Figur 2 OBS!!! innan spänningssättning 230 V av kretsen. Be läraren kontrollera uppkopplingen. Resistorn ställs in på ca:30ω innan inkopplingen. V- Mät spänning på primärsida med DMM (AC) och på sekundärsidan med oscilloskop. Strömmen på primär- respektive sekundärsida mäts med en strömtång kopplad till oscilloskop. Fördelen med en strömtång är att kretsen inte behöver brytas upp utan tången omsluter endast en strömkabel. Inkoppling av en vanlig amperemeter kräver att man slår av spänning och bryter kretsen. Strömtången ger en utsignal i mv/a och ansluts till spänningsingången på en DMM eller ett oscilloskop. I vårt fall har vi tre olika mätområden hos tången. Välj den lägsta! Tången kan användas för lik-och växelström, men den har sämre onnoggrannhet än traditionell mätning. Redovisning: * Beräkna från märkdata på transformatorn vilka strömmar som flyter på primär-respektive sekundärsidan vid maximalt tillåten belastning av transformatorn. Märkningen är: S= 80 VA, U 1 = 220 V, U 1 = 14 V, f=50 Hz. * Beräkna omsättningstalet från märkdata. * Redovisa omsättningstalet enligt era mätningar. * Bestäm aktiv effekt i vår last! * Beräkna skenbar effekt hos transformator vid den denna last! * Beräkna effektfaktor hos vår last! 4
3. Mätning på en induktiv krets vid inkoppling av likspänning. Uppgift: mäta spänningen över en spole vid inkoppling av likspänning respektive brytning av likspänningskrets. Teori: sid 199-200. Strömmen genom en induktor kan inte ändras momentant från ett värde till ett annat. Vi brukar säga att denna är strömtrög. Detta hänger samman med vilka frekvensegenskaper som induktorn har. Vid låga frekvenser ser vi den som en kortslutning och vid höga frekvenser som ett avbrott. Hur kan vi frekvensmässigt se på en plötslig inkoppling av likspänning till en induktiv krets? Utförande: Se figur 3 nedan! Följande materiel är lämpligt: kopplingsplatta, 100Ω resistor, reläspole med kontakter, oscilloskop, likströmsaggregat, switch 0 U1 R 100 Ohm V+ + 10 VDC 1 L1, R1 Uosc Reläspole 2 - V- 0 Figur 3 Slut switchen några gånger och titta på resultatet på oscilloskopet. Stoppa svepet genom att trycka på RUN/STOP knapp. Lämplig inställning för att hinna se inkoppling och brytning av switch blir: I y-led 5Volt /ruta och ca: 500 msek/ruta. Ha oscilloskopet i läge DC! Gör även separat mätning på själva spolens resistans ( och induktans)! Redovisning: Rita upp hur spänningen över reläspolen ser ut vid tillslag och frånslag av switchen. Rita även kompletterande spänning över R! Ange speciellt spänningsnivåer! 5
4 Mätning på några olinjära tvåpoler. Uppgift: Mäta strömmen hos två olinjära tvåpoler. Teori: I olinjära tvåpoler behöver inte ström och spänning ha samma kurvform. Även om den pålagda spänningen är sinusformad. Strömkurvan kan mycket väl innehålla samma frekvens som den pålagda spänningen har, men den innehåller många fler, d v s ett antal multiplar av grundfrekvensen m* 50Hz, där m= 2,3,4,5.. Detta betyder i normalfallet att om dessa frekvenser är rikligt representerade så kommer vår tvåpol att dra en hel del reaktiv effekt. Effektfaktorn cosφ är då ganska låg. Utförande: Anslut en dator till enfasspänningen 230 VAC, 50 Hz och mät med en tångamperemeter kopplad till ett oscilloskop hur motsvarande ström ser ut. Upprepa detta för en vanlig glödlampa respektive en lågenergilampa. OBS!! Se till att arbeta med avslagen spänning vid inkoppling av respektive last. Inställning av oscilloskop: tångamperemetern är inkopplad på kanal 1 på oscilloskop. Tryck in MATH MENU och välj Operation FFT (Fast Fourier Transform). Denna inställning gör det möjligt att visa frekvensinnehållet i de spänningar som tar in på oscilloskopet. Nu kommer vertikalrattar som styr amplitudinställning Volt/div i y-led istället betyda db/div. Vår horisontella ratt (SEC/DIV) styr nu så att vi visar frekvens /ruta. Längst till vänster på x- axeln betyder således 0Hz. Om ni ser några toppar som skjuter upp (ovanför bruset ) så tolkas dessa som frekvenser i vår signal. Notera att om vi har rena sinusartade spänningar och strömmar så finns endast en frekvens närvarande, men alla andra periodiska vågformer som ni kan tänka er består av ett oändligt antal frekvenser. Exempel: vi undersöker en fyrkantsformad signal med 1 Volts amplitud och frekvens 1000Hz. Med ovanstående val av inställning MATH MENU-> FFT och ca: 2.5kHz/ruta. Vi får då ett frekvensspektrum enligt nedanstående figur 4. Det innehåller ett antal spikar som sticker upp ovanför bruset. Jag har använt CURSOR för att en bestämning av deras frekvenser. CURSOR 1 ger 1000Hz och CURSOR 2 ger 3000Hz, om man fortsätter och flyttar CURSOR så fås de andra topparnas frekvens. Gissningsvis blir dessa: 5 khz, 7 khz o s v ett oändligt antal. När höjden på spiken minskar så betyder detta att effektinnehållet av den frekvensen är mindre. 6
Figur 4 Redovisning: effektivvärdet på strömmen hos varje last och en bild på varje ström. Jämför med teoretiskt värde hos dessa! 7