Исследование электрических цепей синусоидального тока.
1. Цель работы – экспериментальное исследование цепей однофазного переменного тока при различных соединениях элементов.
2. Основные теоретические положения.
Любое электрическое устройство при определенных условиях можно представить в виде электрической цепи, включающей идеализированные элементы R, L, C.
На рис.5 представлена цепь, состоящая из последовательного резистора R, катушки индуктивности L, Rk и конденсатора С при синусоидальном напряжении на входных зажимах и ее векторная диаграмма.
На рис.6 и 7 представлены другие примеры простейших цепей переменного тока и их векторные диаграммы. Основные расчетные формулы для этих цепей рекомендуется изучить самостоятельно.
C
dc
C
b
С
С
b
C
Для любой сложной цепи с постоянными параметрами при синусоидальном напряжении общий входной ток будет синусоидальным и сдвинут по фазе, в общем случае, по отношению к напряжению на угол j. Рассматривая всю цепь в целом, как двухполюсник, можно охарактеризовать ее некоторыми зквивалентными параметрами и представить эквивалентной цепью (рис.8.)
Эквивалентные параметры цепей, представленных на рис.9 и 10, можно определить по показаниям приборов:
Zэ = - полное сопротивление цепи,
где I = или I= ,
Ur1 – измеренное напряжение на известном по величине резисторе R1 (рис.9) или Ur4 - на резисторе R4 (рис.10),
U – напряжение на входе цепи,
Rэ = ZЭ×cosj - эквивалентное активное сопротивление цепи,
j - измеренный угол сдвига по фазе между U и I,
Xэ = - эквивалентное реактивное сопротивление цепи.
Применяют два вида эквивалентных схем пассивных двухполюсников: последовательная схема и параллельная. Существует связь между сопротивлениями последовательной эквивалентной схемы и проводимостями параллельной эквивалентной схемы.
3. Описание лабораторной установки.
Экспериментальное исследование цепей переменного тока в лаборатории проводятся на универсальном лабораторном стенде, на лицевой панели которого расположены все элементы исследуемой цепи, источник синусоидального напряжения и измерительные приборы.
4. Порядок выполнения работы.
4.1. Исследование цепи при последовательном соединении элементов.
Перечень исследуемых элементов цепи (R, L, C), ориентировочное значение параметров элементов и частота источника задаются преподавателем.
Экспериментальные исследования цепи проводятся по схеме (рис.9.)
Последовательно с сопротивлением R1 поочередно включаются в цепь либо катушка индуктивности, либо конденсатор, либо катушка и конденсатор, соединенные последовательно.
Напряжения измеряются вольтметром V.
Рис. 9
Угол сдвига по фазе между током в цепи (базовый сигнал) и напряжениями измеряется фазометром.
Измерения проводятся для случаев:
- последовательное соединение R, L;
- последовательное соединение R, C;
- последовательное соединение R,L,C.
Результаты измерений заносятся в таблицу по форме 4.
Ud0 =… В , R1=… Ом , f = … Гц
Форма 4.
Измерение
Расчет
Цепь
Ток, А
Напряж, В
L
Г
С
мкф
XL
ом
Xc
ом
Zэ
Ом
φ град
I
Uab
Ubo
Udb
Uab
Uda
R, L
R, C
R, L, C
По результатам измерений необходимо определить индуктивность катушки и емкость конденсатора, их сопротивления, эквивалентные сопротивления цепи, а также построить топографические векторные диаграммы и треугольники сопротивлений для всех случаев.
4.2. Исследование цепи при смешанном соединении элементов.
Экспериментальное исследование проводится по схеме, рис.10.
Поочередно подключаются ветви с L или С параллельно R3.
Напряжения на всех участках и углы сдвига по фазе между токами и напряжением на зажимах цепи (базовый сигнал) измеряется аналогично измерениям по пункту 4.1.
Результаты измерений и расчетов вносятся в таблицу по форме 5.
Ud0 =… В, R1=… , R2=… , R3=… , R4=… ом , f = …Гц. Форма 5.
Измерения
Расчет
Цепь
Ток, А
Напряж, В
L Г
С
мкф
XL
ом
Xc
ом
Zэ Ом
φэ град
I
Uco
Uac
Ubc
Udc
Uda
Udb
R1,R3, L
R2,R3, C
R1,R2,R3, L, C
При оформлении отчета необходимо:
- по результатам измерений определить эквивалентные входные сопротивления цепи;
- по известным параметрам рассчитать токи и напряжения в цепи, построить векторную диаграмму токов и топографическую диаграмму напряжений;
- сравнить измеренные значения токов, напряжений и углов сдвига по фазе с их значениями из диаграмм.
5. Содержание отчета.
5.1. Цель работы.
5.2. Основные расчетные формулы.
5.3. Таблица применяемых приборов и элементов цепи.
5.4. Таблицы, векторные диаграммы в порядке выполнения экспериментов.
5.5. Выводы с анализом результатов по пунктам 4.1. и 4.2.