ТОЭ. Лабы

11

Рис. 3. Схема опытной установки для исследования резонанса напряжений.

Не пропустить режим резонанса, записав значения всех электрических величин при этом режиме. Результаты опытов записать в таблицу 2.

5.Построить по результатам опыта и расчета зависимости тока, напряжений на катушке, конденсаторе, индуктивности, угла сдвига фаз тока и напряжения цепи от величины емкости.

6,Установить исследуемые режимы на компьютере и сравнить результаты опыта и моделирования.

Таблица 2. Результаты исследования резонанса напряжений

12

Содержание отчета

1.Наименование и цель работы, технические данные измерительных приборов. Схемы рис.2 и рис.3.

2.Результаты опыта и расчета по определению активного сопротивления и индуктивности катушки.

3.Топографическая диаграмма неразветвленной цепи(по Рис.2), построенная по опытным данным. На этом же графике построить топографическую диаграмму по расчету, для того же тока.

4.Результаты измерений и расчета данных по изучению резонанса напряжений. Построить опытные характеристики электрических величин в зависимости от емкости.

5.Построить топографические диаграммы напряжений для режимов цепи: до, после и в момента резонанса.

6.Ответить на контрольные вопросы для зачета.

Вопросы для зачета.

1.Как определить активное и индуктивное сопротивление катушки с помощью топографической диаграммы цепи, построенной по опытным данным.

2. Определить, каким должно быть напряжение на входе цепи рис.2, чтобы при ХС=0 ток в цепи остался тем же самым, что и в опыте.

3.Что такое характеристическое сопротивление и добротность исследуемой цепи? Как их определить, чему они равны?

4.По каким признакам, показаниям приборов определили в опыте наступление момента резонанса напряжений?

I

5.Доказать, что I рез = cosj , если UВХ = const.

6.Почему в момент резонанса на графике опытных кривых напряжение на катушке больше, чем на емкости?

Методические указания.

При подключении к сети переменного тока цепи с последовательно соединёнными активным сопротивлением, индуктивностью и емкостью, по ней протекает ток, величину которого можно определить по формуле:

13

1

где R, wL, wC , Z – активное, индуктивное, емкостное, полное сопротивления

цепи.

Этот ток в своем изменении по синусоидальному закону отличается по фазе от напряжения сети на угол

При использовании символического метода расчета цепей ток определяется

Для исследуемой цепи

1

Z = R + jwL - j wC .

В этом случае нет необходимости определять отдельно модуль тока и егона чальную фазу. При делении напряжения в комплексной форме на сопротивление цепи в комплексной форме, модуль частного показывает величину тока, а аргумент –его начальную фазу.

В расчетах на основе опытных данных измеренное или заданное напряжение сети представляют как комплексное число с произвольным значением -на чальной фазы, чаще всего равным нулю.

Для изучения процессов в заданной реальной цепи прежде всего нужно определить параметры реальной (исследуемой) катушки: активное сопротивление катушки и индуктивность. Определяются они по результатам измерения напряжения, тока и активной мощности на катушке по схеме 1.

Построение топографических диаграмм цепи производится по опытным -дан ным и расчету. Для этого в цепи по схеме 2 создают определенный режим и измеряют вольтметром напряжение на входе цепи и на всех элементах цепи. По данным измерений в масштабе, используя второй закон Кирхгофа, строят топографическую диаграмму. Для этого строят произвольно вектор тока и относительно него вначале откладывают и суммируют по уравнению Кирхгофа векторы напряжений, для которых очевидны их направления (UR и UС). Для построения остальных векторов напряжений можно использовать циркуль. Эту же то-

пографическую диаграмму можно построить по известному из опыта току и параметрам элементов цепи.

14

В цепи с последовательно соединенными элементамиR, L, C для объяснения явления резонанса напряжений используют следующие математические описания и физические положения.

В этом режиме ток в цепи достигает максимально возможного для заданного напряжения и параметров цепи значения. Это происходит вследствие того, что реактивное сопротивление цепи уменьшается до нуля

Поэтому, условием резонанса напряжения в такой цепи является равенство индуктивного сопротивления емкостному

Резонанса в такой цепи можно достичь изменением частоты сети, величины индуктивности или емкости. Цепь в режиме резонанса имеет активный характер. Ток по фазе совпадает с напряжением на входе , а cosφ =1. Напряжение на индуктивности будет равно напряжению на емкости

Изучение этого режима в лабораторной работе проводится по схеме3. Необходимо обратить внимание на изменение тока в цепи по величине и фазе при постоянном напряжении на входе и изменении емкости.

При выполнении работы по схеме3 необходимо по осциллографу изучить изменение положения синусоид, изображающих напряжение на входе цепи и тока при изменении величины емкости в цепи.

При подготовки к работе воспользуйтесь виртуальными приборами, помещёнными на прилагаемом к методическим указаниям диске.

На Рис.4 представлена волновая диаграмма исследуемой цепи. Для запуска этого прибора необходимо при нажатой клавиши Ctrl щёлкнуть левой кнопкой мыши по названию рисунка. Появится заставка приложения к учебному процессу этого прибора. Щелкните левой кнопкой по единственной позиции «My Aplication». Появится ещё одна заставка приложения, в которой будут три позиции « My Aplication». Щёлкнув по позиции с эмблемой LabVIEW, получим на экране лицевую панель виртуального прибора. Нужно иметь в виду, что на этой лицевой панели можно исследовать представленную цепь в различных режимах.

15

Первоначально, да и в пределах темы данной лабораторной работы, установите на задатчиках параметров цепи ( регуляторами или на цифровых дисплеях) указанные в программе цифровые данные.

Рис.4 Волновые диаграммы электрических величин исследуемой цепи

Включите прибор в работу. На экране появится изображение волновой диаграммы. Следуя программе, представленной на лицевой панели, изучите процессы в заданной цепи и запишите ответы на вопросы программы.

На Рис. 5 представлен прибор для изучения векторной диаграммы исследуемой цепи совместно с волновой. Включается прибор анологичным образом.

Исследование процессов на этом приборе выполните по программе, представленной на лицевой панeли.

Топографическая диаграмма изображает комплексные потенциалы точек цепи на комплексной плоскости. Эти потенциалы в заданной цепи можно определить по известному току и напряжениям на всех элементах. Соединив концы векторов потенциалов между собой, получим изображение топографической диаграммы. Отрезки, соединяющие концы векторов потенциалов, представляют собой падения напряжения на элементах цепи. По ним лучше всего и построить топографическую диаграмму. Изучите диаграмму исследуемой цепи по Рис.6.

16

Рис.5 Волновая и векторная диаграммы исследуемой цепи

Напряжение на входе цепи изображено вектором, выходящим из начала комплексной плоскости и направленным горизонтально вправо ( белого цвета). Ток ( красного цвета) также выходит из начала комплексной плоскости под углом к вектору напряжения.

Если напряжение на входе в комплексной форме принимаем с нулевой начальной фазой, то начальная фаза тока будет зависеть от параметров элементов цепи. С соответствующими фазами получаются напряжения на индуктивности, активном сопротивлении и ёмкости .

Векторная сумма напряжений на элементах цепи должна быть равна напряжению на входе.

17

Рис. 6 Топографическая диаграмма исследуемой цепи

При изучении явления резонанса напряжений пользуются частотными характеристиками цепи с последовательным соединением элементов R,L,C. Зависимости электрических величин исследуемой цепи от частоты представлены на Рис. 7.

Изучите эти характеристики по заданной на лицевой панели программе.

18

Рис. 7 Частотные характеристики цепи с R,L,C.

19

Лабораторная работа №2 Исследование разветвленной цепи переменного тока.

Цель работы: Изучить методы расчета разветвленных линейных электрических цепей и построения векторных и топографических диаграмм; изучить и экспериментально исследовать явление резонанса токов и его практическое применение.

Подготовка к работе

1.Изучить классический и символический методы расчета разветвленных цепей переменного тока, методы построения векторных и топографических диаграмм режимов таких цепей, явление резонанса токов и его практическое применение.

Изучить на компьютере режимы исследуемой цепи с помощью материала на прилагаемом к методическому пособию диске.

2.Начертить схему опыта, заготовить таблицы для записи опытных данных, наметить порядок опыта.

3.Подготовиться к ответам на следующие вопросы:

1.Рассчитать токи в цепи с параллельным соединением реальной катушки и конденсатора с произвольно выбранными значениями параметров классическим и символическим методами.

2.По результатам расчета построить волновую и векторную диаграммы напряжения и токов этой цепи.

3.Определить сдвиг по фазе между напряжением и током заданной цепи переменного тока. От каких факторов он зависит?

4.Начертить схему измерений и написать формулы расчета параметров реальной катушки по опытным данным.

5.Дать определение явлению резонанса токов.

6.По каким признакам можно определить наступление в цепи резонанса токов?

7.Дать определение понятий сosj и коэффициента мощности.

8.Как определить активную, реактивную мощности разветвленной цепи переменного тока?

9.Объяснить последовательность выполнения лабораторной работы.

Литература.

1.Л.А.Бессонов , ТОЭ, М 2002 г

2.К.С. Демирчян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин, В.Л. Чечурин, ТОЭ, т.1, М-

П.,2004г.

3.Г.И. Атабеков, Линейные электрические цепи, уч. пособие, М., 2008г.

20

Описание установки.

Источником питания лабораторной установки служит сеть переменного тока частотой 50 Гц. Регулирование напряжения осуществляется с помощью лабораторного автотрансформатора (Латр. 1).

Вкачестве элементов исследуемой схемы применяются резисторы(активные сопротивления), конденсаторы (емкости), реальная катушка индуктивности. Регулирование величины емкости проводится изменением количества включенных в цепь ступеней конденсаторов.

Для наблюдения угла сдвига фаз между напряжением и током на входе цепи используется двухлучевой осциллограф. Сигнал, пропорциональный току, снимают с шунта, пропорциональный напряжению сети – от вспомогательного трансформатора напряжения.

На стенде установлены необходимые для проведения опыта электроизмерительные приборы.

Внеразветвленной части цепи и в параллельных ветвях имеются разъемы

(гнезда), куда можно включить дополнительные элементы(R, L), для задания различных режимов цепи в соответствии с вариантами (таблица 1).

Таблица 1. Варианты заданий.

Содержание работы.

1.Собрать цепь по схеме рис.1. При сборке схемы исключить из неё добавочные элементы R1,R2,R3. Представить ее для проверки преподавателю или лаборанту. Записать технические данные приборов.