План работы

1. Ознакомиться со стендом.

2. Подготовить стенд к работе: установить переключатель SА1 в положение «мостовой», реостат R3 - в положение минимального тока (полностью ввести ручкой по часовой стрелке), выключатели SА2, SА3 – в положение «замкнуто», выключатели SА4, SА5, SА6 – в положение «разомкнуто», подсоединить шнуром питания стенд к сети 220 В и включить Q1, при этом загорится сигнальная лампочка HL1.

3. Снять внешние характеристики мостового выпрямителя:

а) без фильтра, для чего записать показание вольтметра при I_н=0, затем включить SА4 и, изменяя ток I_н от минимального до максимального значения, снять показания приборов в точках;

б) с фильтром L1, для чего установить выключатель SА2 в положение «разомкнуто» и повторить опыт согласно пункту 3а;

в) с фильтром C1, для чего установить выключатели SА2, SА5 и SА6 – в положение «замкнуто» и повторить опыт согласно пункту 3а;

г) с П- образным LC – фильтром, для чего установить выключатель SА2 в положение «разомкнуто», а выключатель SА5 и SА6 – в положение «замкнуто» и повторить опыт согласно пункту 3а;

д) с П – образным RC – фильтром, для чего установить выключатель SА2 в положение «замкнуто», а выключатель SА3 – в положение «разомкнуто» и повторить опыт согласно пункту 3а.

Полученные данные занести в табл.2.

Таблица 2

№ п/п	Без фильтра		С L - фильтром		С С - фильтром		С П - образ. LC – фильтром		С П - образ. RC – фильтром
	Uн, В	Iн, А	Uн, В	Iн, А	Uн, В	Iн, А	Uн, В	Iн, А	Uн, В	Iн, А

4. Подключить осциллограф к гнездам XS3 и XS5. Зарисовать в одном и том же масштабе осциллограммы напряжения на нагрузке для всех исследованных режимов. Проследить и пояснить влияние на сглаживающую способность фильтров.

5. Снять внешние характеристики выпрямителя с выводом средней точки, для чего установить переключатели SА1 в положение «с выводом средней точки», а SА7 включить и выполнить опыты согласно пункту 3: а) без фильтра; б) с фильтром L; в) с фильтром С; г) с П-образным LC - фильтром; д) с П-образным RC - фильтром. Полученные данные занести в табл.2.

6. По данным опытов построить внешние характеристики выпрямителей.

7. Проследить и пояснить влияние фильтров на внешнюю характеристику и уровень пульсаций выходного напряжения.

Контрольные вопросы

1. Объяснить устройство, принцип действия и вольтамперные характеристики полупроводниковых выпрямительных диодов.

2. Начертить схему и объяснить работу мостового выпрямителя.

3. Начертить схему и объяснить работу выпрямителя с выводом средней точки трансформатора.

4. Объяснить назначение и принцип действия сглаживающих L-, C-, и комбинированных LC- и RC- фильтров.

5. Объяснить ход внешних характеристик исследованных выпрямителей.

6. Объяснить зарисованные осциллограммы.

Библиографический список

1. Касаткин А.С., Немцов С.В. Электротехника. М.: Высш. шк., 2000. С.237-240, 243-245, 258-262 .

2. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. М.: Высш.шк., 2000. С.465-489, 525-531, 537-541.

3. Основы промышленной электроники /Под ред.В.Г.Герасимова.М.: Высш.шк., 1986. С.12-15, 21-24, 225-233, 235-240, 242-243.

4. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. М.: Энергоатомиздат. 1987. С.227-233.

Работа № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕРАЗВЕТЛЕННОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

Цель работы: 1) изучить процессы в цепи переменного тока, состоящей из последовательно соединенных катушки и конденсатора;

2) изучить явление резонанса напряжение и условия, при которых оно наблюдается;

3) освоить методику построения векторных диаграмм для цепи с последовательным соединением элементов.

Пояснения к работе

Исследуемая цепь состоит из последовательно соединенных катушки с ферромагнитным сердечником, в котором имеется воздушный зазор, и батареи конденсаторов (рис.10).

Рис. 10

Так как индуктивная катушка обладает активным и индуктивным сопротивлением, то на схеме замещения этой цепи (рис.11), катушка представлена резистивным R и индуктивным L элементами, а батарея конденсаторов - емкостным элементом С.
	Рис. 11

Напряжение питающей сети, подведенное к цепи, равно векторной сумме напряжений, действующих на отдельных участках этой цепи и может быть записано по второму закону Кирхгофа в комплексной форме:

,

где , , – комплексные напряжения на участках цепи, определяемые как произведение комплексного тока на соответствующие сопротивления: , , – активное и реактивные индуктивное и емкостное сопротивления; – угловая частота; – частота питающего напряжения, комплексное напряжение на катушке.

Уравнение для подводимого к электрической цепи комплексного напряжения с учетом его составляющих преобразуются к виду

.

По этому уравнению можно построить векторную диаграмму тока и напряжений электрической цепи, принимая во внимание, что умножение вектора напряжения на множитель (+j) соответствует повороту его относительно вектора тока на угол /2 в направлении отсчета положительных углов (против часовой стрелки), а умножения на множитель (-j) – повороту вектора на угол /2 по часовой стрелке (рис.12.)

За базовый принимают вектор тока , так как при последовательном соединении элементов через них протекает один и тот же ток. Вектор тока проводят произвольно. Выбирают масштаб тока и масштаб напряжения .

Вектор напряжения на активном сопротивлении совпадает по фазе с вектором тока . Вектор напряжения на индуктивном сопротивлении опережает вектор тока на угол /2, вектор напряжения на емкостном сопротивлении отстает от вектора тока на угол /2. Угол  - угол сдвига фаз рассчитывается по формуле

	Коэффициент мощности электрической цепи можно определить из соотношения . Отсюда видно, что угол  зависит от характера и величины сопротивлений, включенных в цепь переменного тока. В цепи переменного тока различают активную Р, реактивную Q и полную S мощность,
Рис. 12

которые рассчитываются следующим образом:

, Вт;

, Вар;

, ВА.

Реактивная составляющая полной мощности цепи находится как разность индуктивной Q_L и емкостной Q_C ее составляющих:

Исследования проводятся при неизменном напряжении U и изменяющейся емкости С (могут изменяться индуктивность L или частота f)

В исходном положении включена минимальная емкость С_min. При увеличении емкости путем подключения параллельно друг другу конденсаторов уменьшается емкостное сопротивление , что приводит к изменению реактивного сопротивления и полного сопротивления Z. В результате изменяется величина тока I, напряжений U_К и U_С, угол сдвига фаз , активная Р, реактивная Q и полная S мощности цепи.

При равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений полное сопротивление Z цепи будет минимальным и чисто активным Z=R, а ток – максимальным . Этот режим работы цепи называют резонансом напряжений. При этом ток и напряжение совпадает по фазе (коэффициент мощности ). Активная мощность имеет наибольшее значение, равное полной мощности, в то время как реактивная мощность цепи оказывается равной нулю: .

При резонансе напряжения на емкости и на индуктивности равны и могут значительно превышать подводимое напряжение U, если и значительно превышают R:

, .

Резонанс напряжений в промышленных электрических установках нежелательное и опасное явление, так как оно может привести к аварии вследствие недопустимого перегрева отдельных элементов электрической цепи или пробою изоляции.

В тоже время резонанс напряжений в электрических цепях переменного тока широко используется в радиотехнике в различных приборах и устройствах, основанных на резонансных явлениях.

Домашнее задание

По учебнику и конспекту изучить процессы в простейших линейных электрических цепях с резистивным, индуктивным и емкостным элементами и при их последовательном соединении при синусоидальном токе.

Усвоить понятия активное, индуктивное, реактивное и полное сопротивления; уметь записывать модули этих сопротивлений и комплексные значения, находить полное сопротивления через сопротивление участков. Понять, как строятся векторные диаграммы напряжений при последовательном соединении элементов, и от чего зависит угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока. Обратить внимание на энергетический процесс в простейших цепях при последовательном соединении R, L, C. Понять, при каком условии в цепи возникает резонанс напряжений и чем он сопровождается. Обратить внимание, что если и значительно превышают R, то напряжения на катушке и конденсаторе значительно превышают подводимое напряжение.

Приборы и оборудование

Работа выполняется на универсальном стенде, где установлен лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) и необходимые приборы. Индуктивная катушка и батарея конденсаторов с регулируемой (с помощью выключателей) емкостью находятся на столе. Электрическая цепь собирается с помощью комплекта проводов в соответствии со схемой соединений (рис.13.)

План работы

1. Ознакомиться с рабочим местом. Собрать электрическую цепь по схеме (рис.13.), записать технические данные измерительных приборов.

2. После проверки схемы преподавателем включить питание и установить с помощью автотрансформатора напряжение U, заданное преподавателем.

3. Поддерживая U=const и увеличивая емкость от минимальной до максимальной, записать показания измерительных приборов.

Рис. 13

Данные занести в табл. 3.

Таблица 3

Измеренные величины

Вычисленные величины

U, В

I, А

Uк В

UС В

Р, Вт

Z, Ом

Zк Ом

R, Ом

XL, Ом

XC, Ом

L, Гн

C, мкФ

UR, В

UL, В

cos

4. По данным опытов:

а) вычислить Z, Z_к, R, , , L, C, cos;

б) построить в одних осях графики зависимостей I(C), Р(C), U_c(C), U_L(C), Z(C), cos (C);

в) построить в одном масштабе векторные диаграммы цепи для режимов ; , ;

г) сделать краткие выводы о результатах исследований, записать их в отчет.

Формулы для расчета

- полное сопротивление цепи;

- полное сопротивление катушки;

- активное сопротивление цепи (катушки);

- индуктивное сопротивление катушки;

- индуктивное падение напряжения;

- активное падение напряжения;

- емкостное сопротивление конденсатора;

- коэффициент мощности всей цепи;

=2f - угловая частота;

f=50 Гц - промышленная частота.

Контрольные вопросы

1. Нарисовать схему замещения электрической цепи. Объяснить какие процессы отражают элементы этой схемы.

2. Записать выражение для тока, полного сопротивления и коэффициента мощности при резонансе напряжений.

3. В чем заключается явление резонанса напряжений и при каких условиях оно возникает?

4. Изменением каких параметров электрической цепи (см. рис.11.) можно получить резонанс напряжений?

5. С помощью каких приборов и по какому признаку можно судить о возникновении резонанса напряжений в электрической цепи?

6. Провести анализ построенных векторных диаграмм до и после резонанса напряжений и объяснить, в каком случае напряжение опережает ток, а в каком – отстает.

7. По схеме замещения исследуемой цепи проанализировать к чему приведет изменение активного сопротивления электрической цепи при резонансе напряжений.

8. Сохраняется ли резонанс напряжений, если изменить только напряжение питающей сети?

9. Объяснить ход кривых, полученных в этой работе.

10. Какую опасность для электрических устройств представляет резонанс напряжений? Где используется резонанс напряжений?