Лабораторные работы / Электротехника Лабораторная работа 4

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра комплексной информационной безопасности электронновычислительных систем (КИБЭВС)

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Отчет по лабораторной работе №4 по дисциплине «Электротехника»

Студент гр. 7х3-х

_______ хххххххх

_______ уууууууу

Принял: Преподаватель КИБЭВС

_______ Семенов А.С.

_______

Томск 2024

1 Введение

Целью лабораторной работы является экспериментальная проверка токораспределения в разветвленных цепях синусоидального переменного тока, содержащих активные и реактивные нагрузки (резисторы, конденсаторы, индуктивные элементы).

2

2 Основные теоретические положения

Большинство измерительных приборов предназначены для измерения узлового напряжения. Один из выводов приборов заземлен, часто его называют общим проводом. Второй вывод называют потенциальным или сигнальным, или просто обозначают «вход» или «выход». При сборке измерительной установки в первую очередь соединяются между собой общие провода всех приборов и исследуемого объекта.

Фазометр служит для измерения разности начальных фаз двух узловых гармонических напряжений. Если вход фазометра «Опорный» подключить ко входу исследуемой цепи, а вход «Сигнал» – к выходу цепи, то фазометр покажет разность начальных фаз. Вместо фазометра в данной работе предлагается использовать осциллограф - прибор, показывающий форму напряжения во времени. Также он позволяет измерять ряд параметров сигнала, такие как напряжение, ток, частота, угол сдвига фаз. Но главная польза от осциллографа – возможность наблюдения формы сигнала. Во многих случаях именно форма сигнала позволяет определить, что именно происходит в цепи.

В цепях переменного тока закон Ома выполняется для любых значений (мгновенные, действующие, комплексные и т.д.), правила Кирхгофа –только для мгновенных и комплексных, которые учитывают фазные соотношения.

Тогда 1-ое правило Кирхгофа примет вид для мгновенных значений токов в узле:

n

∑i j=0;

j=1

Либо алгебраическая сумма комплексных значений токов в узле:

n

∑I˙j=0;

j=1

2-ое правило Кирхгофа – алгебраическая сумма мгновенных значений напряжений на приемниках в контуре равна алгебраической сумме мгновенных значений ЭДС, действующих в этом же контуре:

3

m p

∑U k=∑ei .

k=1 i=1

Аналогично для комплексных значений.

Внешний вид лицевой панели лабораторного макета со схемой электрической принципиальной приведен на рисунке 2.1. Питание макета осуществляется от сети переменного тока 220 В, 50 Гц.

Макет содержит один источник синусоидальной электродвижущей силы ЭДС Е и две цепи нагрузок, которые можно поочередно подключать к источнику с помощью тумблера SA1.

В качестве источника Е используется электронный усилитель, на вход которого (на клеммы “1” и “5”) подается напряжение амплитудой до одного Вольта с внешнего генератора синусоидальных колебаний. Напряжение источника Е можно замерить между клеммами “1” и “4”, либо клеммами “1” и “6” в зависимости от положения переключателя SA1.

Рисунок 2.1 – Лабораторный макет Параметры нагрузок приведены в таблице 2.1.

4

Таблица 2.1 – Параметры нагрузок

Параметры индуктивных элементов для каждого из макетов индивидуальны и указаны на задней стенке корпуса макета (L1 = 54,2 мГн, L2 = 13,1 мГн).

На рисунке 2.2 представлены рабочие схемы.

Рисунок 2.2 – Рабочие схемы

5

3 ХОД РАБОТЫ

3.1 Расчет токов и напряжений цепи с индуктивными элементами

Были рассчитаны токи и напряжения цепи с индуктивными элементами с помощью расчетных соотношений для комплексов действующих значений токов и напряжений для расчетной схемы 3.1 (рисунок 3.1), результаты представлены в таблице 3.1 и таблице 3.2. Частота источника была взята в соответствии с вариантом 2 и составляет 350 Гц, действующее значение ЭДС E =1 В.

Рисунок 3.1 – Расчетные соотношения

6

3.2 Замеры напряжений на элементах цепи с катушками индуктивности

Для выполнения данной лабораторной работы использовалась программа моделирования цифровых и аналоговых схем Electronic Workbench 5. В программе была собрана схема по образцу (рисунок 3.2). На схеме были заданы частота источника питания и значения индуктивностей в соответствии с вариантом.

Рисунок 3.2 – Схема Для корректной работы вольтметр был переключен в режим измерения

для цепей переменного тока (Режим AC). Было произведен замер напряжений вольтметром на всех элементах цепи. Напряжения на резисторах были пересчитаны в токи соответствующих ветвей по закону Ома:

I U Rn ;

n= Rn

Были рассчитаны действующие значения напряжений на всех элементах цепи. Экспериментальные и расчетные значения токов и напряжений для схемы 3.1 представлены в таблице 3.1 и таблице 3.2.

7

Таблица 3.1 – Напряжение на элементах

8

3.3 Замеры фазовых сдвигов между синусоидами токов и напряжений

Чтобы измерить сдвиг фаз в цепи необходимо воспользоваться двухканальным осциллографом. Был подключен осциллограф к цепи как показано на рисунке 3.2, были произведены замеры фазовых сдвигов между током и напряжением на элементе R2. Затем, пользуясь тем, что сумма острых углов в прямоугольном треугольнике равна 90°, был найден фазовый сдвиг на индуктивном элементе. Для измерения сдвига фаз на резисторе используется та же схема. По ней канал А осциллографа (красный провод) подключен ко входу схемы (непосредственно к источнику питания). Канал В осциллографа (черный провод) подключен между резистором и катушкой индуктивности. Красной синусоидой обозначен сигнал, снимаемый со входа схемы.

Чтобы определить значение фазового сдвига в градусах был рассчитан период сигнала, полученные значения были подставлены в формулу:

φ360° (T2 – T1);

=T

Была выставлена амплитуда наиболее удобная для наблюдения на каждом канале осциллографа. Визир «1» был перемещен в точку пересечения первой синусоиды с осью симметрии., визир «2» в ближайшую по отношению к первому визиру, точку пересечения второй синусоиды. Фазовый сдвиг на индуктивности вычисляется по формуле:

φL=90 ° – φR ;

Осциллограф был подключен аналогичным образом, чтобы провести измерения на ветви с элементами R3 и L2. Результаты измерений представлены в таблице 3.3.

Таблица 3.3 – Результаты измерений

9

На рисунке 3.3 представлен сдвиг фаз на осциллографе.

Рисунок 3.3 – Осциллограф

10