Добавил:
Adel_Mid
pod_dzenom@list.ru
Помогаю с обработкой лабораторных, домашками по электротехнике и матанализу. rnTg: @pod_dzenom
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Для экзамена (билеты, литература) / Электротехника_Лабораторный_практикум_ЛР14
.pdf
71
Лабораторная работа № 4
Наименование
Количество
Функциональный генератор (ФГ)
1
Измеритель мощности и фазы (ИМФ)
1
Вольтметр В7-38/ мультиметр UT33A в режиме
измерения переменного напряжения (V)
1
Конденсатор, переключаемый на 9 положений (C)
1
Дроссель линейный 0.28 Гн; RL=15 Ом (L)
1
Резистор 22 Ом (R)
1
РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ
1. Цель работы
Приобретение навыков сборки простых электрических цепей и измерения
напряжений на отдельных участках цепи. Изучение свойств цепей при последовательном соединении активных и реактивных элементов. Знакомство с явлением резонанса напряжений, построение векторных диаграмм.
Перечень источников, приборов и минимодулей
2. Порядок выполнения работы
2.1. Ознакомиться с лабораторной установкой: функциональный генератор (ФГ), измеритель мощности и фазы (ИМФ), вольтметр, комплект минимодулей, наборное поле.
2.2. Собрать электрическую цепь с последовательным соединением элементов R, L и С, где C и R выбираются из табл. 1. Подключить выход ФГ ко
входу ИМФ, а собранную цепь – к выходу ИМФ (рис.1). Для измерения напряжений использовать вольтметр, поочередно подключая его к выходу ИМФ, к
резистору, дросселю и конденсатору.
2.3. Включить электропитание стенда и ФГ. Установить и поддерживать
неизменным заданное по варианту в табл. 1 входное напряжение U. Величину
напряжения контролировать по показаниям вольтметра. Изменить частоту f ФГ
так, чтобы установился режим резонанса. Признаком резонанса является равенство нулю угла φ, отображаемого на дисплее ИМФ. Занести в выделенную
строку табл.2 данные измерений (f, I, UR, UL, UC, P, Q, φ) в этом режиме.
Далее изменять ступенчато частоту входного напряжения вниз от резонансной частоты до 20 Гц и вверх до 120 Гц с интервалом 10 Гц. На каждой
ступени измерить и записать все указанные в табл.2 величины. Выключить ФГ.
72
ИМФ
R
L
C
I
φ
P
Q
ФГ
V
R
V
L
V
V
C
Рисунок 1 – Схема цепи для исследования резонанса напряжений
Варианты исходных данных
Параметры
Вариант
1 2 3 4 5 6 7
8
UВХ, В
6 5 6 5 6 5 6 5 Положение переключателя С
2 3 4 5 6 7 8
9
f
I
UR
UL
UC P Q φ Гц
мА В В В Вт
ВАр
град
f<f
0
20
f=f0
f>f0
120
Характеристики последовательного контура
при U=… В
Таблица 1
Таблица 2
3. Расчеты и построения
цепи, построить совмещенную векторную диаграмму напряжений на элементах
цепи при резонансной частоте fO, а также при одной из частот ниже и выше резонансной. Вектор тока отложить по вещественной оси комплексной плоскости.
3.1. По данным табл.2, используя величины тока и напряжений элементов
73
Графически суммируя вектора напряжений на элементах построить вектор
входного напряжения и обозначить угол φ сдвига фаз между вектором входного
напряжения и тока.
Для векторов напряжения выбрать единый удобный для построения масштаб. Для тока масштаб может быть произвольным. Указать выбранный масштаб напряжения. Для векторов напряжений UL и UC учесть фазовые сдвиги
относительно тока, которые были измерены в ЛР № 3.
3.2. Для проверки правильности построения векторных диаграмм срав-
нить полученные величины входного напряжения U и угла φ с данными опыта.
3.3. Построить кривые зависимости тока I, напряжений UL, UC и угла φ от
частоты f.
4. Содержание отчета
4.1. Титульный лист.
4.2. Наименование и цель работы.
4.3. Электрическая схема опытов.
4.4. Таблица с результатами опытов.
4.5. Векторные диаграммы для резонансной частоты fO, и для частот f≤fO и
f≥fO.
4.6. Кривые зависимости тока, напряжений на элементах, угла φ от часто-
ты.
4.7. Временная диаграмма тока и напряжений для одной (любой) вектор-
ной диаграммы.
4.8. Подготовиться к ответам на контрольные вопросы.
5. Контрольные вопросы
5.1. Почему в последовательных схемах измеренное входное напряжение
не равно алгебраической сумме измеренных напряжений на активном и реактивном элементах? Неверен ЗНК?
5.2. Из каких элементов должна состоять любая схема, чтобы для изме-
ренных гармонических напряжений законы Кирхгофа были справедливы, и по-
чему?
5.3. Какова точная формулировка законов Кирхгофа, которая позволяет
применять её при любых напряжениях?
5.4. Какова формулировка законов Кирхгофа, позволяющая применять её
для измеренных гармонических напряжений?
5.5. Как вычислить модуль полного сопротивления катушки, если извест-
ны её активное сопротивление, индуктивность и частота сети?
5.6. Как вычислить полное комплексное сопротивление цепи с последова-
тельным соединением резистора, реальной катушки и конденсатора?
5.7. От чего зависит угол сдвига фаз между переменным напряжением и
током на участке электрической цепи, который состоит из двух разнородных
элементов? Приведите примеры.
74
5.8. Что такое реактивная мощность цепи, и каков её физический смысл?
5.9. Почему реактивная мощность на входе цепи при резонансе равна ну-
лю?
5.10. Почему резонанс при высокой добротности цепи опасен? Рассчитай-
те добротность цепи при волновом сопротивлении ρ=200 Ом и R=10 Ом и определите величину напряжения на реактивных элементах при входном напряжении 220 В.
5.11. Поясните временную диаграмму напряжений и тока, соответствую-
щую любой векторной диаграмме, построенной выше.
5.12. Объясните вид кривых частотных характеристик последовательной
цепи.
Моделирование лабораторной работы в Multisim 14.0
Для моделирования и измерения в электронной лаборатории Multisim
14.0 необходимо собрать электрическую схему в соответствии с рис.2. Для это-
го после запуска электронной лаборатории в панели компонентов выбрать:
1. «Place source» с пиктограммой , далее выбрать «POWER SOURCES» затем
«AC_POWER» или , нажать «ОК». Зафиксировать положение источника постоянного напряжения на рабочей панели с помощью левой клавиши мыши. Нажать правой клавишей мыши на источник переменного напряжения V1,
выбрать «Properties» и установить значение напряжения во всплывающей
вкладке в соответствии с вариантом таблицы 1 и частоту 50 Гц(рис.2).
2. «Place Basic» с пиктограммой далее выбрать «RESISTOR», нажать «ОК»
Зафиксировать положение резисторов R1, R2 на рабочей панели с помощью левой клавиши мыши в соответствии с топологией схемы рис.2. Нажать правой
клавишей мыши на резисторы R1, R2 поочередно, выбрать «Properties» и установить значение сопротивления во всплывающей вкладке соответственно 22, 15
Ом (рис.2). Резистор R2=15 Ом имитирует активное сопротивление катушки
индуктивности.
3. «Place Basic» с пиктограммой далее выбрать «INDUCTOR» Зафиксировать положение индуктивности L1 на рабочей панели с помощью левой клавиши мыши в соответствии с топологией схемы рис.1. Нажать правой клавишей
75
мыши на индуктивность L1, выбрать «Properties» и установить значение индук-
Вариант
1 2 3 4 5 6 7
8
С, мкФ
15
20
25
30
35
45
55
65
тивности 0,28 Гн во всплывающей вкладке (рис.2).
Чтобы повернуть элемент необходимо нажать на него правой кнопкой
мыши и выбрать опцию вращения «Rotate 900 clockwise».
4. «Place Basic» с пиктограммой далее выбрать «CAPACITOR». Зафикси-
ровать положение конденсатора С1 на рабочей панели с помощью левой клавиши мыши в соответствии с топологией схемы рис.2. Нажать правой клавишей мыши на конденсатор С1, выбрать «Properties» и установить значение емкости во всплывающей вкладке в соответствии с вариантом табл. 3.
Таблица 3
Варианты исходных данных
Чтобы повернуть элемент необходимо нажать на него правой кнопкой
мыши и выбрать опцию вращения «Rotate 900 clockwise».
5. «Place Indicator» далее «VOLTMETER» и «VOLTMETER_H», нажать «ОК».
Зафиксировать положение вольтметров U2, U3, U4 на рабочей панели с помощью левой клавиши мыши в соответствии с топологией схемы рис.2. Чтобы
изменить положение выводов вольтметров необходимо нажать на него правой
кнопкой мыши и выбрать опцию вращения «Rotate 900 clockwise».
6. «Place Indicator» далее выбрать «AMMETER» и «AMMETER_H», нажать
«ОК». Зафиксировать положение амперметра U1 на рабочей панели с помощью
левой клавиши мыши в соответствии с топологией схемы рис.2.
7. «BODE PLOTTER» -пиктограмма в правом столбце интерфейса 6-я сверху. Зафиксировать положение «BODE PLOTTER» на рабочей панели с помощью левой клавиши мыши. Двойной щелчок по «BODE PLOTTER» открывает
экран для определения амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик.
Выбрать фазочастотную характеристику «Phase». Выбрать наблюдение харак-
76
теристики в линейном масштабе «Lin» как по частоте «Horisontal» в диапазоне
0-100 Hz, так и по амплитуде в градусах «deg» в диапазоне -100 - +1000 (рис.3).
В позициях ниже экрана будут высвечиваться показания частоты и сдвига фаз в
градусах. Вход «IN» подключается на шунт соответствующего элемента, а вход
«OUT» - на выход источника переменного напряжения «V1». Шунтом служит
резистивное сопротивление R2+R1=22+15 Ом.
8. Соединить все элементы схемы с помощью левой клавиши мыши, нажимая
на выводы элементов и фиксируя нажатием согласно рис.2.
9. «Place source» с пиктограммой , далее выбрать «POWER SOURCES» затем
«GROUND» , нажать «ОК», заземлить схему. В противном случае она работать не будет – это обязательное условие.
Номиналы и свойства элементов установить путем нажатия правой клавиши
мыши.
10. Нажать на пиктограмму «Run(F5)» для запуска моделирования. На экране появится относительная фазочастотная «φ(f)» зависимость. Остановить
моделирование нажатием пиктограммы «Stop» . По частоте вертикальную
метку установить на то значение частоты, которое соответствует сдвигу фаз
φ=0. Для варианта С=47 пФ – это резонансная частота 43,789 Гц.
11. Устанавливать частоту поочередно через 5 Гц вниз (40, 35, 30, 25, 20, 15, 10,
5, 0 Гц) и вверх (45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85) от резонансной частоты (в
примере 43,789 Гц). Результаты измерения приборов на каждой частоте U1, U2,
U3, U4 занести в табл. 2 соответственно в графы I, Uc, UL, UR. В графу «φ» за-
нести значения сдвига фаз передвигая вертикальную метку по оси частот (по
горизонтали) «BODE PLOTTER» с помощью левой клавиши мыши на каждую
частоту.
77
Рисунок 2 – Схема лабораторной работы в Multisim 14.0
78
Библиографический список
1. Бородянко В.Н., Непопалов В.Н., Шулдяков В.В. Электрические цепи.
Методические указания к проведению лабораторных работ на минимо-
дульном стенде «Электрические цепи и основы электроники». - Челя-
бинск: Учтех-Профи, 2012. – 63 с.
2. Лабораторный практикум по курсу теоретические основы электротехни-
ки: учеб. пособие/С.И. Бардинский, В.Д. Косулин. Под редакцией д.т.н.
проф. А.А. Ефимова. - СПб.: ГУАП, 2015. - 182 с.
3. Лавров В.Я., Мельников С.Ю. Моделирование электромагнитных про-
цессов в инженерной практике: учебное пособие для вузов – 2 изд. –
Санкт-Петербург: Лань, 2023. - 336 с.
79
Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
В.1. Правила внутреннего распорядка и техники безопасности при
выполнении лабораторных работ
В.2. Общие методические рекомендации и указания по выполнению
лабораторных работ
В. 2.1. Цель лабораторных занятий
В.2.2. Подготовка к лабораторным работам
В.2.3. Выполнение лабораторных работ
В.2.4. Обработка результатов и оформление отчета
В.2.5. Назначение и состав стенда для выполнения лабораторных работ
В.3. Техническое описание элементов стенда
В.4. Условные графические обозначения элементов электрических схем
и систем электроизмерительных приборов
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1.1. Краткие теоретические сведения. Основные понятия и определения.
Законы Кирхгофа
1.2. Передача энергии от источника к приемнику
Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ
ЭНЕРГИИ ОТ ИСТОЧНИКА К ПРИЕМНИКУ
Моделирование лабораторной работы в Multisim 14.0
Лабораторная работа № 2 РАЗВЕТВЛЕННАЯ ЛИНЕЙНАЯ
ЭЛЕКТРИЧСКАЯ ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Моделирование лабораторной работы в Multisim 14.0
2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
2.1. Основные понятия и определения
2.2. Основы символического метода
2.3. Комплексное представление элементов электрической цепи
2.4. Расчет цепей гармонического тока
2.5. Мощность в цепи гармонического тока
2.6. Резонанс в цепи гармонического тока
Лабораторная работа № 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕМЕНТОВ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Моделирование лабораторной работы в Multisim 14.0
Лабораторная работа № 4 РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ
Моделирование лабораторной работы в Multisim 14.0
Соседние файлы в папке Для экзамена (билеты, литература)