Metodichka_EiE_LR

2.3.4 Порівняльний аналіз результатів

2.3.4.1Порівняти параметри пасивних елементів кола за варіантом (див.табл.2.1) та розраховані за даними експериментів (табл.2.5).

2.3.4.2Порівняти параметри послідовної ділянки кола за розрахунком експерименту (табл.2.6) та за даними теоретичного розрахунку (табл.2.8).

2.3.4.3Порівняти параметри паралельної ділянки кола за розрахунком експерименту (табл.2.7) та за даними теоретичного розрахунку (табл.2.9).

2.3.4.4Порівняти величини виміряних напруги та кута зсуву фаз (табл.2.3, 2.4) з відповідними розрахованими величинами (табл.2.8, 2.9)

2.4 Зміст звіту

Звіт має містити:

—назву роботи;

—мету роботи;

—схему електричну принципову досліджуваних кіл;

—дані варіанта параметрів досліджуваного кола з табл.2.1.;

—результати експериментальних досліджень за п.2.3.1 з побудовою векторних діаграм;

—дані розрахунку результатів експерименту за п.2.3.2;

—дані теоретичних розрахунків за п.2.3.3;

—висновки за п.2.3.4.

2.5Контрольні запитання та завдання

1. Як визначається активний, реактивний та повний опори ділянки

кола?

2.Як визначається повний опір ділянки кола з послідовним з’єднанням активного та реактивного елементів?

3.Як визначається повний опір ділянки кола з паралельним з’єднанням активного та реактивного елементів?

4.Як визначається кут зсуву фаз між струмом та напругою в колі за параметрами пасивних елементів кола?

5.Як визначається модуль повного опору кола за параметрами пасивних елементів кола?

6.Як співвідносяться повний опір кола та повна провідність кола, їх активні та реактивні складові?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3 ДОСЛІДЖЕННЯ ЧАСТОТНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОСЛІДОВНОГО RLC-КОЛА ЗМІННОГО СТРУМУ

3.1 Мета роботи

Експериментальне дослідження частотних характеристик RLC-кола змінного струму. Вивчення явища резонансу напруг. Порівняння частотних характеристик кола при зміні добротності.

3.2 Підготовка до виконання роботи Під час підготовки до лабораторної роботи необхідно опрацювати

теоретичний матеріал з розділів „Частотні властивості кіл змінного струму‖ та „Резонансні явища у лінійних електричних колах змінного струму‖. Ознайомитися зі змістом лабораторної роботи та підготувати бланк звіту.

3.2.1 У роботі досліджуються пасивні елементи (резистор, котушка індуктивності, конденсатор), які послідовно ввімкнені у коло змінного струму (рис.3.1). Котушка індуктивності зображена у вигляді послідовно з’єднаних резистора RK та індуктивності L (на рис.3.1 обведена пунктиром).

Рисунок 3.1 — Послідовний RLC-контур

Основні параметри послідовного RLC-контуру визначаються так:

— повний комплексний опір

—модуль повного комплексного опору

—модуль діючого значення струму при заданій напрузі

— кут зсуву фаз між струмом та напругою

3.2.2.Залежність параметрів, що описують коло (3.1 – 3.4), від частоти

єйого частотними характеристиками.

Функції X L , XC , є частотними характеристиками (ЧХ) реактивних елементів (рис.3.2).

Рисунок 3.2 — Частотні характеристики реактивної складової опору RLC-контуру

Функція (3.4) є фазочастотною характеристикою (ФЧХ) RLC-контуру.

Графіки АЧХ та ФЧХ послідовного RLC-контуру наведені на рис.3.3.

Рисунок 3.3 — АЧХ та ФЧХ послідовного RLC-контуру: неперервні криві — при Q 1 / 2 , пунктирні криві — при Q 1 / 2

3.2.3. У колі з різнорідними реактивними елементами можливе явище резонансу напруг або струмів. В послідовному RLC-контурі виникає резонанс напруг за умови рівності нулю реактивної складової повного опору кола

фазою, тому вони компенсують одна одну.

При резонансі напруг відбувається „переворот фаз‖ (див.рис.3.3), оскільки до точки резонансу коло має ємнісний характер ( 0 ), після резонансу — індуктивний характер ( 0 ).

близьких до резонансної перевищують вхідну напругу.

3.2.4 Дослідження послідовного RLC-контуру (рис.3.1) проводиться бригадами за варіантами. Варіанти параметрів реактивних елементів та вхідного сигналу наведені у табл.3.1.

Таблиця 3.1 — Варіанти завдань

3.2.5 У лабораторній роботі використовується джерело змінного струму. Для вимірювань напруг на реактивних елементах використовуються вольтметри змінного струму; для вимірювання струму — амперметр змінного струму; для вимірювання кута зсуву фаз — графопобудовник (Body

Plotter).

3.3 Порядок виконання роботи Лабораторна робота включає експериментальне дослідження частотних

характеристик RLC-контуру, теоретичні розрахунки параметрів кола при резонансі напруг та порівняльний аналіз частотних характеристик при різних значеннях активного опору кола.

Всі експериментальні дослідження проводяться при однаковій величині вхідного сигналу (за варіантом табл.3.1) на різних частотах.

3.3.1 Експериментальні дослідження

Досліджуване електричне коло змінного струму складається з послідовно з’єднаних реального джерела синусоїдального сигналу, контрольного амперметра, послідовної RLC-ділянки кола (рис.3.4).

Завданням експерименту є вимірювання падінь напруг на реактивних елементах кола, кута зсуву фаз між струмом та напругою у колі, струму у колі при різних значеннях частоти вхідного сигналу.

Вимірювання кута зсуву фаз проводиться при подачі на клеми графопобудовника сигналів з виходу джерела змінного струму та сигнальної напруги. Початкова установка параметрів для вимірювання кута зсуву фаз за допомогою графопобудовника здійснюється у такий спосіб.

Рисунок 3.4 — Експериментальна схема для дослідження частотних характеристик RLC-контуру

Відкрити вікно графопобудовника натиснувши на ньому ліву кнопку миші два рази. Натиснути кнопку PHASE. За шкалою X (HORIZONTAL) встановити максимальне (F) та мінімальне (I) значення частоти (3 кГц та 50 Гц). За шкалою Y (VERTICAL) встановити максимальне (F) та мінімальне (I) значення вимірюваної фази (90º та -90º).

Натиснути кнопку включення живлення схеми. На екрані з’явиться значення частоти та фази згідно з положенням маркерів. Встановити фазу - 75º та виміряти значення частоти. Відключити живлення схеми та встановити це значення частоти на джерелі живлення. Знов включити живлення схеми та записати в табл.3.2 значення I, UL, UC для цього значення фази.

Встановити за допомогою маркера (грубо) та кнопок та (точно) нове значення фази (-60º). Записати значення частоти в табл.3.2 та вимкнувши електричне коло, встановити це значення на джерелі живлення. Ввімкнути коло та записати значення I, UL, UC в табл.3.2.

Таким чином, повторюємо ці дії до повного заповнення табл.3.2. 3.3.1.1 Дослідити частотні характеристики RLC-контуру. Створити

схему (див.рис.3.4), встановивши R=10 Ом. Після перевірки схеми викладачем встановити величину ЕРС вхідного сигналу за варіантом (табл.3.1). Змінюючи частоту f , вхідного сигналу слідкувати за величиною

фази, яка повинна дорівнювати близько -75º. Записати значення I f , UL f , UC f , до табл.3.2.

Змінювати f до тих пір, доки фаза не буде дорівнювати близько -60º. Записати значення величин згідно таблиці 3.2.

Таблиця 3.2 — Результати вимірювань

Повторити змінювання фази згідно табл.3.2 до 75º.

Змінити значення R з 10 Ом на 500 Ом. Повторити експеримент для нового значення R та заповнити нову таблицю за формою табл.3.2.

3.3.1.2 Побудувати АЧХ та ФЧХ досліджуваного RLC-контуру для двох різних значень R .

3.3.2 Теоретичні розрахунки

3.3.2.1 Розрахувати резонансну частоту f0 послідовного RLC-контуру

(3.8) за даними варіанта (табл.3.1)

3.3.2.2 Розрахувати характеристичний опір контуру (3.9), активний

3.3.3 Порівняльний аналіз результатів

3.3.3.1Порівняти характер АЧХ струму у послідовному RLC-контурі при R=10 Ом та R=500 Ом. Пояснити вплив величини активного опору на форму АЧХ.

3.3.3.2Порівняти характер АЧХ напруг на реактивних елементах у послідовному RLC-контурі при R=10 Ом та R=500 Ом. . Пояснити вплив величини активного опору на форму АЧХ.

3.3.3.3. Порівняти ФЧХ послідовного RLC-контуру при R=10 Ом та R=500 Ом. Пояснити вплив величини активного опору на форму ФЧХ.

3.3.3.4Порівняти значення резонансної частоти, отриманої експериментально (п.3.3.1.1) та розрахованої за п.3.3.2.1. Пояснити причину розбіжності результатів.

3.3.3.5Порівняти значення струму при резонансі, отримані експериментально та розраховані за п.3.3.2.3.

3.3.3.6Порівняти значення напруг на реактивних елементах при резонансі, отримані експериментально та розраховані за п.3.3.2.3.

3.4 Зміст звіту

Звіт має містити:

—назву роботи;

—мету роботи;

—схему електричну принципову досліджуваного кола;

—дані варіанта параметрів досліджуваного кола з табл.3.1;

—результати експериментальних досліджень за п.3.3.1.1;

—АЧХ та ФЧХ за п.3.3.1.2;

—дані теоретичних розрахунків за п.3.3.2;

—висновки за п.3.3.3.

3.5Контрольні запитання та завдання

1.В якому колі може виникнути резонанс?

2.Яка умова виникнення резонансу напруг?

3.Яка умова виникнення резонансу струмів?

4.Як визначається резонансна частота?

5.Якими параметрами визначається резонансна частота?

6.Що таке характеристичний опір контуру?

7.Що таке добротність контуру?

8.Які експериментальні ознаки резонансного режиму у контурі?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4 ДОСЛІДЖЕННЯ ПЕРЕХІДНОГО ПРОЦЕСУ ПРИ ВКЛЮЧЕННІ

RC- ТА RLC-КІЛ НА ПОСТІЙНУ НАПРУГУ

4.1 Мета роботи

Теоретичне та експериментальне дослідження перехідних процесів при підключенні електричних кіл першого та другого порядку до джерела постійної наруги. Порівняння результатів теоретичного та експериментального дослідження.

4.2 Підготовка до виконання роботи

Електричні кола можуть працювати у двох різних режимах — усталеному та перехідному. Перехід кола з одного усталеного режиму до іншого усталеного режиму внаслідок комутації називається перехідним процесом у електричному колі. На відміну від усталеного режиму, при перехідному режимі слід враховувати наявність реактивних елементів, які є внутрішніми накопичувачами енергії. Розрізняють режими роботи кола до комутації та після комутації. Тривалість перехідного процесу визначається параметрами елементів кола. Під час аналізу перехідних процесів визначаються функції перехідного струму i t або перехідної напруги u t . Перехідні процеси у лінійних електричних колах описують диференціальними рівняннями за законами Кірхгофа, складаючи їх для кола після комутації.

Перехідний процес у колах після комутації, що містять тільки один накопичувач енергії (індуктивність чи ємність), описується лінійними диференціальними рівняннями першого порядку, а таке коло називається колом першого порядку. Якщо у колі є n накопичувачів енергії різного типу (індуктивності та ємності), то перехідний процес у таких колах може описуватися лінійними диференціальними рівняннями n -го порядку, а таке коло називається колом n -го порядку.

Відомо, що при переході кола з одного стану у другий енергія, яка накопичена реактивними елементами, не може змінюватися стрибком. Наслідком цього є два закони комутації: iL 0 iL 0 , uC ( 0 ) uC 0 .

Під час підготовки до лабораторної роботи необхідно опрацювати теоретичний матеріал з розділу „Перехідні процеси у лінійних електричних колах‖. Ознайомитися зі змістом лабораторної роботи та підготувати бланк звіту.

4.2.1 У роботі досліджується перехідний процес при підключенні кола першого порядку (послідовне RC коло) до джерела постійної напруги U (рис.4.1).