Методичка по электротехнике (лаб роб) 2

Таблица 2.5

Парам I'1 I''1 Σ I'2 I''2 Σ I'3 I''3 Σ

Едини

Опыт

Расчет

Лабораторная работа № 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ СИНУСОЕДАЛЬНОГО TОKA

21

С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ R, L, C ЭЛЕМЕНТОВ

Цель работы - проверить по опытным данным выполнение второго закона Кирхгофа и построить векторные диаграммы, определить активное, реактивное и полное сопротивления катушки индуктивности и цепи с последовательным соединением R, L, C элементов; рассчитать активную, реактивную и полную мощность цепи, состоящую из четырех последовательно соединенных элементов; проверить на опыте условие резонанса напряжений и построить векторную диаграмму.

3.1. Пояснения к работе

При выполнении данной работы используются блок переменного напряжения, элементы наборного поля (номера выбираются по табл. 3.1 согласно варианту, заданному преподавателем), осциллограф, приборы

Щ 4300, блок переменной емкости (клеммы С4), перемычки и соединительные провода.

Для проверки второго закона Кирхгофа (например, в цепи рис. 3.1,а последовательным соединением элементов R1, C, L, R2) измеряют ток I, напряжения: на резисторах UR1 , UR2, конденсаторе UC, индуктивности Uk и

суммарное напряжение U1= UR1 + UC + UK.

После измерений методом засечек (используя циркуль) строят в масштабе векторную диаграмму на комплексной плоскости (рис. 3.1,б).

Порядок построения векторной диаграммы таков;

Из начала координат проводят векторы I, UR1 и UC после чего на конца вектора UC (точка O1 ) проводят дугу радиусом UK, а из начала координат 0 проводят дугу радиуса U1, соединяют точку пересечения дуг α о точками 0 и 01 и получают векторы U1 и Uk. Затем из конца вектора U1 , (точка α) проводят вектор UR2, после этого соединяют начало координат 0 с концом вектора UR2 и получают вектор входного напряжения U, равный геометрической, сумме векторов напряжений UR1, UC , UK , UR2.

Для определения активного сопротивления катушки RK проводит дополнительные построения на векторной диаграмме: из точки α проводят перпендикуляр к действительной оси, а из точки O1 – линию, параллельную действительной оси, и получают точку пересечения в.

Отрезок O1в в масштабе равен напряжению URК на сопротивлении RK. По напряжению URK определяют RK:

Реактивное сопротивление катушке индуктивности

22

Полное сопротивление катушки индуктивности

Правильность определения RK, по векторной диаграмме проверяют следующим образом:

Значения ZК, полученные по соотношениям (3.3) и (3.4), должны совпадать с точностью не ниже 6...10%.

Модуль полного сопротивления:

где

1

X C 2 fC

Зная Z1, определяют

и сравнивают его с U1 измеренным.

Модуль полного сопротивления всей цепи

Зная Z, определяют расчетное напряжение на входе цепи

и сравнивают его с измеренным Uвх. Полная мощность всей цели

где φ - угол между вектором тока и вектором напряжения, определяют по векторной диаграмме (см. рис. 3.1.б).

23

Для проверки условия резонанса напряжений рассчитывают реактивное сопротивление катушки индуктивности XK и емкости XC4. Определяют активное сопротивление катушки:

где U - напряжение, приложенное к цепи (рис. 3.2.а); I - ток; R1 - сопротивление резистора R1.

Пo данным опыта резонанса напряжений строят векторную диаграмму на комплексной плоскости (рис. 3.2,6), для чего из начала координат проводят дугу радиуса UK и вектор URK=IRK, затем из конца вектора URK проводят перпендикуляр до пересечения с дугой и получают вектор UK, проекция которого на мнимую ось дает вектор UL. Вектор UС4 строят на мнимой оси.

Для получения вектора входного напряжения U из конца вектора URK проводят вектор UR1.

Масштаб: └──┘I см = 10 В └──┘I см = 10 мА

Рис.3.2 Цепь для исследоввания резонанса напряжений, векторная диаграмма при резонансе напряжений

3.2. Выполнение работы

25

3.2.1. Подготовка к работе

При подготовке к лабораторной работе студент обязан выполнить следующие требования.

1.Изучить по материалам лекций и учебников тему "Однофазные цепи синусоидального тока с последовательным соединением элементов", обратить внимание на такие понятия: активное, реактивное, полное, комплексное сопротивление цепи, мощность (полная, активная и реактивная).

2.Освоить построение векторных диаграмм с последовательным соединением R, L; R, L, C элементов.

Получить у преподавателя номер варианта м заполнить табл. 3.3. Значения параметров элементов приведены в табл. 3.2.

З. Приготовить протокол.

3.2.2.Выполнение исследований

1.Собрать цепь с последовательным соединением R1 и L1 (рис. 3.3,а).

2.Подключить цепь с помощью проводников к выходу блока переменного напряжения.

3.Переключатель частоты установить в положение "2 кГц".

4.Переключатель формы сигнала установить в положение "Синусоида".

5.Включить тумблер "Сеть" и ручкой "Напряжение" установить напря-

жение I8...20В.

6.Измерить ток и напряжения UR1, UK1, данные занести в табл. 3.4, результаты расчетов записать в табл. 3.5.

7.Собрать цепь с последовательным соединением четырех элементов R1, C1, L1, C2 (рис. 3.4). Элементы выбрать согласно заданному варианту по табл. 3.1, повторить пп. 2-5.

8.Измерить ток и напряжения на всех элементах, данные занести в табл. 3.6, ручку напряжения установить в левое положение, включить тумблер "Сеть", результаты расчетов записать в табл. 3.7.

9.Собрать цепь для исследования резонанса напряжений (рис. 3.5). Переключатель С4 установить в положение 5 ХО, 01.

10.Повторить пп. 2-5 и ручкой "Напряжение" установить напряжение на входе цепи 10 В.

11.Подключить вольтметр параллельно к катушке индуктивности, установить предел измерения 20 В.

12.Переключать емкость С4 ручкой с множителем ХО, I мкф и добиваться максимальной амплитуды синусоиды на экране осциллографа, значения С4 занести в табл.3.8.

13.Ручкой с множителем ХО, 01 мкф добиться максимальных значений напряжения на катушке Uк и тока в цепи.

14.Подключить вольтметр на вход цепи и установить ручкой

"Напряжение" 10 В, затем измерить ток, напряжения UR1, UC4, UK и данные занести в табл. 3.8.

26

Таблица 3.1 Номера вариантов и соответствующие номера элементов наборного поля, указанные в коробках ( f = 2 кГц)

Таблица 3.2

Параметры элементов наборного поля

3.2.3. Расчетная часть

Построить векторные диаграммы для цепей рис. 3.3, 3.4 и определить по векторным диаграммам Rk и угол φ. По данным измерений (табл. 3.4} рассчитать Хc, Хk, Rk, Zk, Z1. Определить U1расч и Uрасч на

входе цепи, сравнить их с экспериментальными значениями U и Uвх. Рассчитать активную, реактивную и полную мощности цепи из

четырех элементов по (3.9) и (3.10), результаты занести в табл. 3.3. Построить векторную диаграмму для резонанса напряжений.

27

Рассчитать Rk, Zk, Хk, Хc, Z. всей цепи, данные записать в табл. З.5. Сделать вывод об условии и следствии резонанса напряжений.

3.3.Контрольные вопросы

1.Как построить векторные диаграммы для цепей, содержащих идеальные элементы или R, или С , или L ?

2.Как построить векторную диаграмму для реальной катушки индуктивности?

3.Как построить векторную диаграмму для цепи, содержащей последовательно соединенные R, С и реальную L ?

4.Как записать второй закон Кирхгофа для цепей постоянного и синусоидального тока?

5.Как рассчитывается полное, активное и реактивное сопротивления цепи с последовательным соединением R, L, C элементов (объяснить два случая: идеальная и реальная L).

б. Каковы условия и следствия резонанса напряжений?

7.Как из опыта резонанса напряжений определить активное сопротивление реальной катушки индуктивности?

8.Как определяется активная, реактивная и полная мощности в цепи синусоидального тока?

Протокол лабораторной работы № 3 Исследование неразветвленной линейной цепи синусоидального тока

Таблица 3.3 Номера и параметры элементов согласно заданному варианту

Номер варианта

28

Рис. 3.3. Цепь с последовательным соединением R1, L1 (а). Нарисовать самостоятельно монтажную схему цепи с элементами R1 , L1 (б)

Таблица 3.4

Результаты исследований цепи с последовательным соединением R I, L I

Таблица 3.5

Результаты расчетов цепи с R1, L

Рис.3.4 Цепь с последовательным соединением элементов R1, C1, L1,

C2.

Таблица 3.6

Результаты исследования цепи с последовательным соединением элементов R1, C1, L1, C2.

29