Лабораторные работы / Лабораторная работа №4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ ИНДУКТИВНОЙ КАТУШКИ И КОНДЕНСАТОРА

Цель работы:

1. Получить навыки экспериментального определения параметров индуктивной катушки и конденсатора.

2. Освоить методы анализа электрической цепи синусоидального тока, состоящей из индуктивной катушки или конденсатора.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В данной работе исследуются отдельные элементы цепей синусоидального тока - индуктивная катушка с постоянными параметрами R и L (рис. 1) и конденсатор переменной ёмкости С (рис. 2).

При анализе цепи индуктивную катушку представляют в виде эквивалентной схемы замещения, представляющей собой последовательное соединение резистивного элемента с сопротивлением R, равным активному сопротивлению катушки и индуктивного элемента с индуктивностью L, равной индуктивности катушки ( рис .3).

Полное сопротивление катушки Z = U_KI, где U_K и I -действующие значения напряжения и тока катушки. Полное сопротивление связанно с сопротивлениями схемы замещения следующей формулой: Z = [Ом]

где: [Ом] –индуктивное сопротивление катушки;

[с^-1] –угловая частота; f [Гц] - частота тока в цепи (f=50 Гц).

Полное сопротивление катушки можно представить как гипотенузу прямоугольного треугольника сопротивлений (рис. 4), один катет которого равен R, а другой–X_L. Из треугольника сопротивлений следуют расчетные формулы

R=Z_K*cos j_K, X_L= Z_K*sin j_K, j_K= arctg (X_L/R).

Аналогичный треугольник, только векторный можно составить и для напряжений (Рис. 5). Из треугольника напряжений следуют расчетные формулы:

U_K = U_R=U_K*cos j_K, U_L= U_K*sin j_K, j_K= arctg (U_L/U_R).

где: U_K – действующее значение напряжения на катушке,

U_R, U_L – соответственно действующие значения падений напряжений на активном и индуктивном сопротивлениях катушки.

Отметим, что вектор тока I отстает от вектора напряжения U_L на электрический угол 90⁰.

Полная мощность катушки S_К по определению равна произведению действующих значений напряжения на катушке U_К и тока катушки I, т.е. S_К=U_К*I Учитывая, что U_K =Z_K*I, получаем S_К=Z_К*I².

Полная мощность S_K связана о активной Р и реактивной Q_L мощностями индуктивной катушки выражением S_K=, и является гипотенузой треугольника, аналогичного треугольнику сопротивлений (Рис. 6).

Активная мощность Р численно равна электрической энергии, преобразующейся на активном сопротивлении катушки в теплоту за единицу времени, и определяется формулами:

P = S_K cos j_K = U_K*I cos j_K = R*I² = U_R*I .

Реактивная мощность Q_L численно равна амплитуде мгновенной мощности, находящейся в процессе обмена между магнитным полем катушки и источником электрической энергии, Величина реактивной мощности Q_L определяется формулами:

Q_L = S_K sin j_K = U_K*I sin j_K = X_L *I² = U_L *I .

Величина cos j_K = P/S_K называется коэффициентом мощности, поскольку показывает, какую часть активная мощность Р составляет от полной мощности S_K.

При исследовании конденсатора его представляют, пренебрегая потерями, в виде емкостного элемента, обладающего емкостью С.

Емкостное сопротивление конденсатора X_C = U_C/I [Ом],

где U_C и I - действующие значения напряжения и тока конденсатора.

Величина X_C зависит от емкости конденсатора С и частоты протекающего через него тока X_C = 1/wC = 1/2pfC.

Векторная диаграмма тока и напряжения конденсатора приведена на Рис.7. На ней видно, что вектор напряжения U_C на емкостном элементе отстает от вектора тока I на угол 90⁰.

В электрической цепи с емкостным элементом работа не совершается, поэтому активная мощность, потребляемая емкостным элементом, равна нулю. Однако в цепи происходит периодический обмен энергией между источником и емкостным элементом. Интенсивность такого обмена характеризуют реактивной мощностью Q_С = X_С *I² = U_С*I .

ОБЪЕКТ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования являются индуктивная катушка о постоянными параметрами R и L и батарея конденсаторов, емкость которой можно изменять с помощью переключателей П2, Емкость батареи равна сумме емкостей параллельно включенных в нее конденсаторов. Все элементы исследуемой цепи смонтированы на плате №10 передней панели стенда.

В качестве электроизмерительных приборов при исследовании применяются многопредельный миллиамперметр типа Э-377 и цифровой или стрелочный электронный вольтметр. В качестве источников питания используются: источник постоянного напряжения при питании катушки и конденсатора постоянным током, и одна из фаз трехфазного источника при питании катушки и конденсатора переменным током.

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1.Исследование индуктивной катушки в цепи постоянного тока.

1.1. Собрать электрическую цепь согласно монтажной схеме, представленной на рис. 8 в соответствии с электрической схемой рис.9 протокола испытаний.

1.2. Установить на вольтметре режим измерения постоянного напряжения.

1.3. После проверки цепи преподавателем подать на нее напряжение, для чего выключатели В1(3~36 В), В2(-20 В) и ВЭ-1 (плата №3) поставить в положение "Вкл.", а выключатель ВЗ-2 (плата №3)-в положение II. Поворачивая ручку регулятора выходного напряжения выпрямителя (плата №3) , установить значение напряжение на зажимах катушки в интервале 8-16 В.

1.4. Измерить по приборам постоянные напряжение U_ПОСТ и ток I_ПОСТ, записать их значения в табл. 1 протокола испытаний.

1.5. Выключатели В1 и В2 выключить, полученные результаты согласовать с преподавателем.

2. Исследование индуктивной катушки в цепи переменного тока.

2.1 Собрать электрическую цепь согласно схеме, представленной на рис.10 протокола испытаний, для чего вместо источника постоянного напряжения подключить одну из фаз трехфазного источника питания. (Аналогично монтажной схеме, представленной на рис.8)

2.2. Установить на вольтметре режим измерения переменного напряжения.

2.3. После проверки цепи преподавателем подать на нее напряжение, для чего выключатель В1(3~36 В) поставить в положение "Вкл.".

2.4. Измерить по приборам действующие значения синусоидальных напряжения и U_K тока I катушки и записать их в табл. 1 протокола испытаний.

2.5. Выключить выключатель В1 и согласовать полученные результаты с преподавателем.

3. Исследование конденсатора в цепи постоянного тока.

3.1. Собрать электрическую цепь согласно схеме, представленной на рис.11 протокола испытаний. (Аналогично монтажной схеме, представленной на рис.8, включив вместо катушки конденсатор).

3.2. Выполнить пункты 1.2 - 1.5, записав результаты измерений в табл.2 протокола испытаний.

4. Исследование конденсатора в цепи переменного тока.

1. Собрать электрическую цепь согласно схеме, представленной на рис. 12 протокола испытаний.

2. Выполнить пункты 2.2.-2.3.

4.3. Изменяя емкость батареи конденсаторов с помощью переключателей П2 в пределах от 20 до 90 мкФ, провести 5 измерений действующих значений тока и напряжения Uc. Результаты измерений записать в табл. З протокола испытаний.

4. Выполнить п. 2.5.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Вычислить значения параметров катушки, указанные в табл. 4. Активное сопротивление катушки при этом найти по результатам .исследования катушки на постоянном токе, т.е. R=Uпост/Iпост

2. Построить векторную диаграмму тока и напряжений на индуктивной катушке, выбрав масштабы по току и по напряжению.

3. Построить треугольник сопротивлений и мощностей индуктивной катушки.

4. Используя экспериментальные данные (табл. 3) вычислить в соответствии с законом Ома значения емкостных сопротивлении Xс батареи конденсаторов и емкостей С, приняв частоту тока f= 50 Гц. Результаты записать в табл. 5 (прил.).

5. Построить векторную диаграмму тока и напряжения конденсатора, выбрав масштабы по току и напряжению.

6. По данным табл. 3 график зависимости I(С).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАЧИ

1. Какими параметрами характеризуется индуктивная катушка?

2. Каким выражением связаны полное, активное и индуктивное сопротивления катушки?

3. Каким выражением связаны вектор напряжения на зажимах катушки и его активная и реактивная составляющие?

4. Каким выражением связаны полная, активная и реактивная мощности индуктивной катушки?

5. Какими параметрами характеризуется конденсатор?

6. Как можно определить емкостное сопротивление?

7. Какие мощности выделяются на конденсаторе при протекании через него синусоидального тока?

8. Активное сопротивление катушки равно 8 Ом, а ее коэффициент мощности равен 0,8. Чему равно индуктивное сопротивление катушки?

9. Емкость конденсатора равна 20 мкФ. Чему равно емкостное сопротивление?

10. Емкость конденсатора равна 10-мкФ. К его зажимам приложено постоянное напряжение 5 В. Какой ток будет протекать в цепи?

11. Активное и индуктивное сопротивления катушки равны. Чему равен угол сдвига фаз между напряжением и током индуктивной катушки?

12. Активная мощность катушки равна 400 Вт, а ее активное сопротивление равно 100 0м. Чему равна: активная составляющая напряжения катушки?

13. Полная и активная мощности и активное сопротивление катушки равны соответственно 25 ВА, 20 Вт и 5 0м. Чему равна реактивная составляющая напряжения катушки?

14. Активное сопротивление катушки в 2 раза меньше полного. Полная мощность катушки равна 1 кВА. Чему равна активная мощность катушки?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Электротехника/ Под ред. В. Г. Герасимова. - М.: Высшая школа, 1985. - С. 59-65, 69-71. .

2. Борисов Ю. М., Липатов Д. Н., Зорин К. Н. Электротехника. -М.: Энергоатомиздат, 1985. - с.76-62, 86-89.

3. Волынский Б. А., Зейн Е. Н., Шатерников В. Е. Электротехника -М: Энаргоатомиздат, 1987. - С. 78-83.

Приложение

ПРОТОКОЛ ИСПЫТАНИЙ

К лабораторной работе №4. Исследование индуктивной катушки и конденсатора.

Таблица 1.

UПОСТ, В	IПОСТ, А	UК, В	I, А

Таблица 3.

№	1	2	3	4	5
С, мкФ
UC, В
I, А

Таблица 2.

UПОСТ, В	IПОСТ, А

РАСЧЕТНО–ГРАФИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Таблица 4.

R, Ом	ZК, Ом	XL, Ом	L, Гн	jK, град	cos jK	UR, В	UL, В	P, Вт	QL, вар	S, ВА

Расчетные формулы, векторная диаграмма тока и напряжения катушки, треугольники сопротивлений и мощностей.

Таблица 5.

№	1	2	3	4	5
ХС, Ом
СР, мкФ

Векторная диаграмма тока и напряжения конденсатора, график зависимости I=f(C).

Краткие выводы:__________________

Группа _______ Студент ________ «__» _______ 199__ г.

Преподаватель__________________________