Методы / 5, 24, 30, 37

21

L

IK RK LK

I

IC C

Рис. 11: Схема замещения реальной индуктивной катушки в параллельном колебательном контуре

Векторная диаграмма токов приведена на рис. 12.

IC

IG =I

U

IK

IL

Рис. 12: Векторная диаграмма для схемы замещения реальной индуктивной катушки и конденсатора

Практически в момент резонанса Iк в катушке больше, чем ток IC конденсатора. Вызвано это тем, что активная проводимость конденсатора по сравнению с его реактивной проводимостью ничтожно мала и ею можно пренебречь. Однако пренебрегать активной проводимостью катушки нельзя. Зная ток в катушке Iк и приложенное напряжение U, можно вычислить параметры катушки Yк, BL, G.

бесконечности, а значение входного тока к нулю.

Повышение коэффициента мощности cos в цепи с индуктивным

приемником

Активная мощность потребителей электрической энергии равна

P UI cos .

22

Так как большинство приемников составляют электрические машины и трансформаторы, то при их работе присутствует в том числе и раеактивная мощность:

QL UI sin .

От генератора энергии приемники потребляют мощность

SP2 QL2 UI .

Сповышением cos возрастает полезная мощность, используемая приемником, приближаясь к мощности, вырабатываемой генератором.

Повышения cos можно добиться подключением параллельно приемнику, имеющему индуктивный характер, конденсаторов, рис. 11. При этом суммарная реактивная мощность цепи Q=QL-QC окажется меньше, чем она была раньше. Рассмотренный принцип компенсации реактивной мощности приемников поясняется векторной диаграммой, рис

13.

Рис.13: Векторная диаграмма для пояснения принципа компенсации реактивной мощности

Емкость конденсатора С, подключенного параллельно к приемнику, подбирают так, чтобы ток IC, проходящий через конденсатор, был как можно ближе по абсолютной величине к индуктивной составляющей тока. Из векторной диаграммы видно, что подключение конденсатора дает возможность изменить угол сдвига фаз между током I цепи и напряжением на зажимах приемника от значения 1 до 2 и соответственно повысить коэффициент мощности cos всей цепи. Емкость С конденсаторов, необходимая для уменьшения фазового сдвига от значения 1 до 2 , можно найти таким образом:

IC CU I1 cos 1tg 1 I 2 cos 2tg 2 UP (tg 1 tg 2 ),

где Р – активная мощность приемника до улучшения коэффициента мощности.

Отсюда C P 2 (tg 1 tg 2 ).

U

23

Этим способом cos можно повысить до единицы.

2. Описание лабораторной установки

Общий вид лабораторной установки представлен на рис. 13.

На лабораторном столе закреплена рама, в которой устанавливаются отдельные блоки. Расположение блоков жёстко не фиксировано и может. Каждый стенд снабжен компьютером.

Рис. 13. Лабораторная установка

Блок генераторов напряжений (рис. 14).

Генератор состоит из источника синусоидальных напряжений, генератора напряжений специальной формы и генератора постоянных напряжений. Все генераторы включаются и выключаются общим выключателем «СЕТЬ». В данной лабораторной работе в качестве источника будет задействован ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ. Он вырабатывает на выходе синусоидальный, прямоугольный двухполярный или прямоугольный однополярный сигнал в зависимости от положения переключателя «ФОРМА». Частота сигнала регулируется десятиоборотным потенциометром «ЧАСТОТА» и не зависит как от формы и амплитуды сигнала, так и от тока нагрузки.

Наборная панель

Наборная панель (рис. 15) служит для расположения на ней миниблоков в соответствии со схемой данного опыта. Гнёзда на этой панели соединены в узлы, как показано на ней линями. Поэтому часть соединений выполняется автоматически при установке миниблоков в гнёзда панели. Остальные соединения обеспечиваются соединительными

Рис. 14. Блок генераторов напряжений проводами и перемычками. Так на

фрагменте цепи, показанной на рис.

24

15, напряжение подаётся проводами через выключатель к одной из обмоток трансформатора. Миниблоки представляют собой отдельные элементы электрических цепей (резисторы, конденсаторы, индуктивности диоды, транзисторы и т.п.), помещённые в прозрачные корпуса, имеющие штыри для соединения с гнёздами наборной панели.

Блок мультиметров. На рис. 16

изображен блок мультиметров, а также схемы подсоединения мультиметра для измерения напряжения, тока и активного сопротивления.

Коннектор. Общий вид лицевой панели КОННЕКТОРА показан на рис. 17.

Рис. 15. Наборная панель

Рис. 16. Блок мультиметров

Изображенные на лицевой панели измерительные приборы V0, V1, A1…A4 включаются в цепь как обычные вольтметры и амперметры. Коннектор имеет два канала для ввода напряжений в компьютер и два канала для ввода токов.

Однако, в цепь можно включить четыре амперметра и кнопками переключения измеряемого тока выбирать вводимое в компьютер значение I1 или I2, I3 или I4. О выбранном токе сигнализирует светодиод на лицевой панели коннектора и надпись на виртуальном амперметре на экране дисплея.

25

Рис. 17. Внешняя панель коннектора

Кнопки переключения делителей напряжения и шунтов предназначены для выбора пределов измерения, как в обычных измерительных приборах.

Порядок работы с виртуальными приборами

Включение виртуальных приборов осуществляется двойным щелчком левой кнопки мыши на ярлыке «ВП ТОЭ», который расположен на рабочем столе компьютера, входящего в состав лабораторного стенда. В результате откроется блок «Приборы I» (рис. 18), в котором содержатся вольтметры и амперметры. Часть из них активизирована по умолчанию (т. е. включены пределы измерения).

Рис. 18. Приборы I

26

Расположение приборов в окне этого блока можно изменить, щелкнув левой кнопкой мыши на обозначении прибора и выбрав в открывшемся перечне нужный прибор. К одному и тому же каналу коннектора, таким образом, можно подключить несколько виртуальных приборов для одновременного измерения, например, действующего, амплитудного, среднего и др. значений одного и того же напряжения (тока).

Выбор пределов измерения амперметров и вольтметров, осуществляется нажатием соответствующей кнопки на коннекторе (рис. 17). Выбранные пределы отображаются автоматически в соответствующих окнах виртуальных приборов. Когда измеряемый сигнал превышает допустимый для данного канала уровень, окно с показанием виртуального прибора начинает мигать красным цветом, а в верхней части панели включается надпись: «Перегрузка! Перейдите на больший предел». Она гаснет, как только предел измерения становится больше измеряемой величины.

Рис. 19. Приборы II

Если измеряемая величина ниже значения нижнего предела измерения, включается надпись: «Перейдите на меньший предел». Через некоторое время она гаснет самостоятельно, но окно данного виртуального прибора продолжает мигать, предупреждая о том, что данное измерение желательно сделать точнее.

ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЙ, МОЩНОСТЕЙ И УГЛОВ СДВИГА ФАЗ с помощью виртуальных приборов используется виртуальный блок приборов «Приборы II» (рис. 19).

На любой из пяти входов осциллографа можно подать сигнал с любого входа коннектора. При этом в окне входа осциллографа появляется

27

соответствующее обозначение входа коннектора (виртуального прибора) и луч на экране, цвет которого соответствует цвету фона переключателя исследуемого сигнала.

Масштаб изображения по вертикали устанавливается автоматически и изменяется ступенчато при изменении амплитуды сигнала, но его можно зафиксировать, нажав на кнопку фиксации масштаба (рис. 20). После этого он меняться не будет. Предусмотрено и ручное плавное изменение масштаба внутри ступени.

Расположение приборов в окне этого блока можно изменить, щелкнув левой кнопкой мыши на обозначении прибора и выбрав в открывшемся перечне нужный прибор. К одному и тому же каналу коннектора, таким образом, можно подключить несколько виртуальных приборов для одновременного измерения, например, действующего, амплитудного, среднего и др. значений одного и того же напряжения (тока).

Рис. 20. Осциллограф

Масштаб изображения по вертикали устанавливается автоматически и изменяется ступенчато при изменении амплитуды сигнала, но его можно зафиксировать, нажав на кнопку фиксации масштаба (рис. 21).

28

Рис. 21. Изменение масштаба

Органы управления горизонтальным перемещением луча показаны на рис. 22.

Рис. 22. Органы управления

ПРОГРАММА РАБОТЫ

1.Сборка электрической цепи, подготовка к работе генератора напряжений, блока мультиметров и коннектора, настройка виртуальных приборов.

2.Исследование явления резонанса при изменении частоты постоянного по величине напряжения на входе электрической цепи и постоянной емкости конденсаторной батареи (U=const, С=const, f=var) - экспериментальное

получение резонансных кривых UL(f), UC(f). Расчет параметров катушки индуктивности, расчет и построение частотных характеристик, построение треугольников сопротивлений при различных значениях частоты.

3.Исследование явления резонанса при изменении емкости конденсаторной батареи при постоянных по величине напряжении на входе электрической цепи и частоты источника (U=const, f=const, С=var) – экспериментальное получение кривой I=F(C).

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. На наборной панели собрать схему, изображенную на рис. 22.

29

Рис. 22

В качестве источника подключить ГЕНЕРАТОР НАПРЯЖЕНИЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ (зажимы «ВЫХОД» и «0В»). Тумблер «ФОРМА» установить в крайнее левое положение – синусоидальная форма. Настроить мультиметры 1 и 2 для измерения действующего значения переменного напряжения (рис. 16).

Включить компьютер. Подключить виртуальные приборы «Приборы I» (рис. 18). Убедиться, что в окне «Приборы I» активны именно те виртуальные приборы, которые подключены в схеме (А1 и V0). Открыть вкладку «Приборы II» (рис. 19) и «Осциллограф» (рис. 20).

2. Установить значение емкости батареи конденсаторов в пределах 5-8 мкФ. Включить тумблер «СЕТЬ» на панели блока ГЕНЕРАТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ. С помощью потенциометра «АМПЛИТУДА» выставить значение выходного напряжения источника (регулируется по показаниям V0) в пределах U=1,5÷4 В. Потенциометром «ЧАСТОТА» установить значение частоты источника 210 Гц. Обратите внимание, что на табло ГЕНЕРАТОРА НАПРЯЖЕНИЙ СПЕЦИАЛЬНОЙ ФОРМЫ частота указывается в кГц. Рекомендуется для более точной регулировки частоты использовать блок виртуальных приборов «Приборы II». Убедиться, что на экране электронного осциллографа представлены кривые входного тока и напряжения. В случае отсутствия одной или двух кривых проверить активность переключателей сигналов каналов осциллографа, и самостоятельно, либо с помощью преподавателя произвести настройку масштабов.

Изменяя частоту от 210 до 430 Гц с шагом 20 Гц заполнить табл. 1. Обратите внимание, что при увеличении частоты угол сдвига фаз между током и напряжением уменьшается до наступления резонанса, при этом напряжение отстает от тока. При резонансе кривые входного тока и напряжения совпадут по фазе. Далее, при увеличении частоты, угол вновь начнет изменять – увеличиваться. При этом уже ток будет отставать от напряжения. При заполнении табл. 1 шаг частоты достаточно большой и

легко пропустить резонансную частоту, и в результате получить не точный вид резонансных кривых. Поэтому необходимо с помощью осциллографа зафиксировать явление резонанса и измерить частоту с помощью