Лабораторна робота № 10 Вимірювання потужності змінного струму та зсуву фаз між струмом і напругою
І.
Мета роботи: Вивчити
перетворення енергії в колах змінного
струму з різними видами навантажень (
активним, індуктивним та ємнісним ).
Дослідно переконатися, що в колі змінного
струму з активним і реактивним опорами
активна потужність
менша за повну (
) на величину косинуса кута зсуву фаз
між струмом і напругою.
ІІ. Для роботи потрібні :
- ватметр, вольтметр і амперметр;
- набір конденсаторів, котушка індуктивності, активний опір, з’єднувальні
провідники;
- регулятор напруги.
ІІІ. Теоретичні питання програми, знання яких необхідне для виконання роботи:
робота змінного струму;
активна, реактивна і повна потужність змінного струму;
коефіцієнт потужності, його залежність від параметрів кола, та зсуву фаз між струмом і напругою.
ІV. Теоретичні відомості та опис установки
1. Робота, яку виконує змінний струм, визначається його величиною та напругою в колі. Вона є мірою перетворення електричної енергії в інші види. Величина роботи змінного струму є змінною у часі, оскільки змінними є і струм, і напруга.
Якщо
в колі наявний
тільки активний опір
,
то зміна струму в часі (
)
і напруги (
)
співпадають за фазою (рис. 10а). Робота
змінного струму за дуже малий проміжок
часу
визначається
(10.1)
Миттєва потужність може бути як додатною, так і від’ємною ( напр., потужність струму самоіндукції або розрядного струму конденсаторів, які віддаються генератору). В цьому випадку миттєве значення потужності
,
(10.2)
Робота
за період одного коливання
:
(10.3)
2. Практичне значення має не миттєва потужність, яка змінюється періодично, а її середнє значення за великий проміжок часу. Таку потужність називають активною.
а
б
Рис.
10.1 Фазові співвідношення між потужністю
,
струмом
і напругою
в
колі з активним опором
(а) та реактивним опором
(б).
Вона
вимірюється у ватах (Вт). Для її знаходження
достатньо провести усереднення роботи
за один період
.
Тому з (10.3) маємо:
(10.4)
а
- ефективні (діючі) значення сили змінного
струму і напруги.
Діючим значенням сили змінного струму називається сила такого постійного струму, який у тому ж самому опорі за однаковий проміжок часу ( що рівний цілому числу періодів ) виділить таку ж саму теплову енергію, як і змінний струм.
3.
Якщо коло
має не тільки активний опір, а й реактивний
( ємність, індуктивність ), то між струмом
і напругою виникає різниця
фаз (рис.
10.1б). У цьому випадку усереднена потужність
залежить не тільки від сили струму
і напруги
, але і від зсуву фаз
між струмом і напругою, тобто
(10.5)
Величина
називається коефіцієнтом
потужності.
Якщо в колі наявний тільки активний
опір, то
і
, тобто є максимальною. Якщо коло містить
тільки реактивний опір, то
і середня потужність також дорівнює
нулю, якими б великими не були напруга
та струм у колі. Тобто в колі з індуктивністю
і ємністю струм роботи не виконує. За
першу чверть періоду енергія передається
від генератора у зовнішнє коло, тобто
накопичується в котушці індуктивності
та в ємності у вигляді магнітної і
електричної енергії. За другу чверть
періоду ця ж енергія передається із
зовнішнього кола до генератора.
За
виміряними ватметром W,
амперметром А та вольтметром V
значеннями
із формули (10.5) можна знайти коефіцієнт
потужності