Лабораторная работа №13

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель работы: исследование характеристик нелинейных элементов (НЭ) на переменном токе и изучение метода эквивалентных синусоид.

1. основные теоретические сведения

Параметры нелинейных элементов зависят от тока или напряжения, поэтому нелинейные элементы удобнее характеризовать не этими параметрами, а соответствующими характеристиками:

а) для нелинейного активного сопротивления – вольтамперной характеристикой , т.е. зависимостью напряжения от тока;

б) для нелинейной индуктивности – вебер-амперной характеристикой , т.е. зависимостью потокосцепления от тока;

в) для нелинейной емкости – кулонвольтной характеристикой , т.е. зависимостью заряда от напряжения.

В цепях переменного тока нелинейные элементы делятся на две группы:

а) безынерционные НЭ, параметры которых успевают измениться при изменении мгновенных значений напряжения и тока. Для таких НЭ характеристики мгновенных значений , и - нелинейны, поэтому при действии синусоидального напряжения ток в цепи несинусоидален и наоборот;

в) инерционные НЭ, параметры которых не успевают изменяться при изменении мгновенных значений напряжения и тока. Примером такого НЭ является в данной работе лампа накаливания, сопротивление которой зависит температуры нити. Следовательно, действующие значения напряжения и тока связаны нелинейной зависимостью.

Для инерционных НЭ мгновенные значения , , связаны линейной зависимостью. Поэтому при синусоидальном напряжении токи тоже синусоидальны.

Инерционные НЭ характеризуются вольтамперной характеристикой для действующих значений и фазоамперной характеристикой .

Классификация НЭ производятся также по ряду других признаков:

а) НЭ с симметричной и несимметричной характеристикой;

б) НЭ с однозначной и неоднозначной характеристикой;

в) управляемые и неуправляемые НЭ.

В настоящей работе исследуются основные типы неуправляемых НЭ.

Расчет цепей переменного тока с безынерционным НЭ в общем случае сложен вследствие искажения форм кривых тока или напряжения. Проще рассчитываются цепи инерционным НЭ. Поскольку в этих цепях при синусоидальном напряжении токи также синусоидальны, то можно пользоваться векторными диаграммами и символическим методом. Расчет ведется по законам Кирхгофа графическим методом или методом последовательных приближений, как в нелинейных цепях постоянного тока, но с использованием векторных диаграмм или символическим методом.

Расчет цепей с безынерционным НЭ можно выполнить приближенно методом эквивалентных синусоид. В этом методе токи и напряжения условно считаются синусоидальными, и их действующие значения и активная мощность равны соответственно действующим значениям токов и напряжений и активной мощности в цепи с несинусоидальными токами и напряжениями. Это означает, что безынерционный НЭ заменяется инерционным, или условно-нелинейным. Для такого расчета нужно иметь характеристики и . Именно такой метод расчета применяется в данной работе.

2. Пояснения к лабораторной установке

Питание исследуемых цепей осуществляется от сети переменного тока лабораторный автотрансформатор.

В работе исследуются характеристики безынерционных нелинейных элементов: варистора и полупроводникого выпрямителя (нелинейные активные сопротивления) и катушки со сталью (нелинейная индуктивность).

Характеристики инерционного нелинейного сопротивления исследуются на активном НЭ, в качестве которого взяты две лампы накаливания, соединенные последовательно друг с другом.

Для измерения действующих значений токов и напряжений используются приборы электромагнитной системы. Для визуального наблюдения характеристик для мгновенных значений в установке используется электронный осциллограф.

При подготовке к лабораторной работе необходимо ответить на вопросы контрольной карты.

1. По каким признакам классифицируются НЭ?

2. Что такое безынерционные и инерционные НЭ? Как влияют те и другие на форму кривых тока при подключении их к источнику синусоидальной ЭДС?

3. Как снять ВАХ нелинейного элемента по действующим значениям ?

4. Как могут быть получены характеристики активных и реактивных НЭ по мгновенным значениям , ?

5. Как рассчитать схему рис. 5 методом эквивалентных синусоид?

3. Порядок выполнения работы

3.1. Исследование характеристик безынерционных активных сопротивлений.

3.1.1. Собрать цепь по схеме рис.1, для исследования характеристик варистора СН1-2-1 (нелинейное полупроводниковое сопротивление с симметричной характеристикой).

Рис.1

3.1.2. Снять вольтамперную характеристику для мгновенных значений при действующем значении синусоидального тока мА.

3.1.3. Зарисовать осциллограмму тока в этом режиме.

3.1.4. Снять вольтамперную характеристику для действующих значений при изменении тока от 0 до 5 мА. Результаты измерений занести в таблицу 1.

3.1.5. Собрать цепь по схеме рис.2. Снять вольтамперную характеристику для действующих значений. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Рис.2

3.1.6. Снять вольтамперную характеристику для мгновенных значений при А и зарисовать осциллограмму тока .

Пояснение к осциллографированию вольтамперных характеристик нелинейных активных сопротивлений.

Для осциллографирования кривых нужно выключить развертку осциллографа. На вход «X» подать напряжение с НЭ, на вход «Y» - напряжение с линейного сопротивления , пропорциональное току (рис.1). На экране осциллографа получим , так как напряжение развертки кривой тоже пропорционально .

Для получения на экране осциллографа кривой тока в функции времени достаточно включить развертку осциллографа.

3.2. Исследование характеристик безынерционного реактивного сопротивления

3.2.1. Собрать цепь (рис.3) для исследования характеристик катушки со стальным сердечником.

3.2.2. Снять вебер-амперную характеристику для мгновенных значений при напряжении, соответствующем насыщенному режиму работы катушки (при напряжении В).

3.2.3. Поменять местами входы «X» и «Y» и зарисовать осциллограмму тока в этом же режиме. Определить действующее значение тока.

3.2.4. Снять вольтамперную характеристику для действующих значений при изменении тока от 0 до 3 А. Результаты измерений занести в таблицу 1.

Рис.3

Пояснение к осциллографированию вебер-амперной характеристики нелинейной индуктивности.

При включенной развертке на вход «X» подается напряжение с линейного сопротивления , пропорциональное току, т.к. . На вход «Y» подается напряжение с емкости , пропорциональное потокосцеплению катушки . Цепь , так называемая интегрирующая цепь, подключена к специальной измерительной катушке . Параметры цепи подобраны так, что

и

Тогда

Напряжение на конденсаторе

Для наблюдения кривой тока нужно переключить провод, идущий от к входу «X» на вход «Y» и включить развертку.