Ильясов Р.М., Апсеметова А.Т.

Ильясов Р.М., Апсеметова А.Т.

Кафедра "Электроэнергетика ''

 

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ 1

Лабораторный практикум

 

ШЫМКЕНТ - 2010

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ЮЖНО-КАЗАХСТАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. МАУЕЗОВА

 

 

Кафедра Электро нергетика

 

 

Ильясов Р.М., Апсеметова А.Т.

 

 

 

Протокол измерений к лабораторной работе №3

«Определение эквивалентных параметров

Вторая часть работы

Результаты измерений представлены в таблице 2П

Таблица 2П

Результаты измерений

 

Участок 1 (U2= 0)			Участок 2 (U1= 0)			Ветвь I2 (I3= 0)			Ветвь I3 (I2= 0)
U, В	I, мА	ц, град	U, В	I, мА	ц, град	U, В	I, мА	ц, град	U, В	I, мА	ц, град

 

Предварительные расчеты.

По данным таблицы 2П комплексные сопротивления:

 

участок 1:

 

участок 2:

 

ветвь с током I₂ :

 

ветвь с током I₃ :

Сравнить с результатом, полученным в части 1 работы.

Работу выполнил:________________

Работу проверил:________________

 

 

3 Содержание отчета

 

1 Нарисовать схему замещения исследуемой электрической цепи, указать величины параметров цепи.

2 По результатам измерений (таблицу  1П протокола) построить в масштабах векторные диаграммы напряжения и тока.

3 Рассчитать токи и напряжения методом преобразований. При расчете из протокола наблюдений взять входное напряжение и комплексные сопротивления ветвей. Все расчеты проводить в комплексной форме. Сравнить результаты расчета с экспериментальными данными (таблица  1П).

4 Для исследуемой цепи записать в комплексной форме уравнения по законам Кирхгофа. Используя результаты, полученные в п. 3, проверить численно выполнение этих уравнений.

5 Записать уравнения баланса активных и реактивных мощностей. Проверить выполнение баланса, используя результаты, полученные в п. 3.

 

4 Контрольные вопросы

1 Каким образом выражение мгновенного значения тока можно перевести в комплексное выражение и наоборот?

2 Каким образом можно рассчитать комплексное сопротивление цепи переменного тока, на какие составляющие комплексное сопротивление можно разложить?

3 Каким образом можно рассчитать комплексную проводимость цепи переменного тока, на какие составляющие комплексную проводимость можно разложить?

4 Каким образом можно рассчитать мощность электрической цепи переменного тока в комплексной форме?

5 Каким образом сводится баланс мощности в цепи переменного тока?

6 Каким образом записывается уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи переменного тока в выражениях комплексных величин?

Лабораторная работа № 5

 

Исследование цепи синусоидального тока с индуктивно связанными элементами

 

Целью работы:  экспериментальное исследование цепи синусоидального тока, содержащей участки с индуктивно связанными элементами.

 

1  Общие сведения

 

На рисунке  5.1 показан контур 1 с электрическим током i₁. Магнитный поток, создаваемый этим током и сцепленный с этим контуром, называется потоком самоиндукции Ф_1L.

Расчетная величина потокосцепление самоиндукции контура 1 или неразветвленной электрической цепи обозначается ψ_1L. В линейной электрической цепи потокосцепление где L₁ собственная индуктивность или просто индуктивность контура 1.

При протекании переменного тока в  электрической цепи, в пространстве, окружающем контур,  создается переменный магнитный поток. В контуре индуцируется э. д. с. самоиндукции, а на зажимах цепи возникает напряжение самоиндукции.

                                                                                                                           

                                                                                       

                                                                                                                            Рисунок 5.1

 

Если часть магнитного потока индуктивности L₁ сцепляется с витками контура 2, в нем возникает                        

магнитный поток взаимной индукции Ф_2М. В линейной электрической цепи потокосцепление взаимной индукции определяется выражением               

взаимная индуктивность контуров 1 и 2.

 При изменении магнитного потока взаимной индукции во втором контуре возникает э. д. с. взаимоиндукции.

Напряжение взаимоиндукции

 

 

Напряжение на индуктивно связанных элементах электрической цепи определяются составляющими напряжений само- и взаимоиндукции. Если собственная индуктивность контура 2 L, а напряжения на их  зажимах U₁, и  U₂, то в установившемся режиме в  комплексной форме записи получаем:

 

  

 

                                                                              

Для последовательного согласного включения  индуктивно связанных катушек (рисунок 5.2) при можно записать

 

.

 

                                                                                            

Рисунок 5.2. Схема последовательного соединения двух взаимосвязанных катушек

 

Комплексное эквивалентное сопротивление цепи:

Эквивалентное активное и реактивное сопротивления цепи:

 

Для последовательного встречного включения катушек (рисунок 5.3)

 

Комплексное эквивалентное сопротивление цепи

 

эквивалентное активное и реактивное сопротивления цепи:

 

Поскольку  больше то полное сопротивление  больше . Это позволяет экспериментально определить одноименные зажимы индуктивно связанных катушек.

Рисунок 5.3. Схема последовательного встречного включения

 

2 Содержание и порядок выполнения работы

 

В лабораторной работе используется источник синусоидального напряжения из модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ  ГЕНЕРАТОР.

Измерения выполняются компьютерным измерительным комплексом (смотри п 1.4 введения). Ввод данных в компьютер выполняет модуль ВВОД-ВЫВОД. Входы 1 и 2 при их совместном использовании измеряют угол сдвига фаз φ между мгновенными значениями синусоидальных напряжения u₁, и тока  i₁. При емкостном характере цепи в окне φ на экране монитора появляется величина угла больше +270°. В этом случае φ = (величина угла на экране -360°). Например: на экране монитора угол 320°, φ = (320° -360°) = - 40°.

Пассивные элементы электрической схемы выбирают из блоков МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ и РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.

Шунты R_ш1, R_ш2 и R_ш3 - резисторы каналов А1, А2 и A3 из блока МОДУЛЬ

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ.

Определение параметров индуктивно связанных катушек

· Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рисунке 1П протокола измерений.

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

· Запустить программу виртуальных измерений LCView. Для этого: Включить компьютер, дождаться окончания загрузки Windows; Запустить программу LCView. В центре экрана монитора появляется список лабораторных работ; справа вверху появляется надпись «Автоматическое управление».

· Выбрать работу №5 «Исследование цепи синусоидального тока с

· индуктивно связанными элементами».

· На экране появляются окна измерительных приборов

←результат измерения напряжения на участке цепи;

←результаты измерения токов соответствующих ветвей;

←результат измерения угла сдвига фаз φ.

· Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ и тумблеры Сеть модулей ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и ВВОД-ВЫВОД. Переключатель Форма установить в положение  ~ . Установить регулятором Частота значение частоты f = 100 ... 200 Гц. Частоту f записать в протокол.

· Регулятором Амплитуда модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР установить действующее значение напряжения U₁ 6-7 В.

· Выполнить компьютерным измерительным комплексом измерения действующих значений напряжения U₁, тока I₁ и угла сдвига фаз φ. Все измеренные величины занести в таблицу 1П.

· Переключить Вход 2 на измерения действующего значения напряжения U₂. Результат измерения занести в таблицу 1П.

· Повторить измерения, поменяв местами индуктивности  L₁ и   L₂. Измеренные величины занести в таблицу  1 П.

· Выключить тумблер Сеть модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР.

· Выполнить указанные в протоколе измерений расчеты.

 

Последовательное соединение индуктивно связанных катушек

 

· Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рисунке 2П.

· Включить тумблер Сеть модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР.

· Экспериментально определить одноименные зажимы катушек.

· Соединить катушки последовательно согласно. Регулятором Амплитуда модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР, установить напряжение U= 7 В.

· Выполнить компьютерным измерительным комплексом измерения действующих значений напряжения U, тока I и угла сдвига фаз φ.

· Переключить Вход 2 на измерения действующего значения напряжения U₁, затем U₂,. Измеренные величины занести в таблицу  2П.

· Соединить катушки последовательно встречно. Выполнить измерения предыдущего пункта. Измеренные величины занести в таблицу 2П.

· Выключить тумблер Сеть модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР.

 

Параллельное соединение индуктивно связанных катушек

 

· Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рисунке  3.П.

· Соединить катушки согласно (одноименные зажимы подключены к узлу).

· Включить тумблер Сеть модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. Регулятором Амплитуда установить на выходе модуля напряжение U= 6 -7 В.

· Выполнить измерения компьютерным измерительным комплексом. Измеренные величины занести в таблицу ЗП.

· Соединить катушки встречно. Выполнить измерения предыдущего пункта. Измеренные величины занести в таблицу  ЗП.

· Выключить тумблеры Сеть модулей ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и ВВОД-ВЫВОД

· Выключить автоматический выключатель QF модуля питания.

· Протокол измерений утвердить у преподавателя.

Окончить работу программы LCView. Для этого:

· Правой кнопкой мыши «кликнуть» на ярлыке «Автоматическое управление».

· В появившемся списке выбрать «Закрыть».

 

Протокол измерений к лабораторной работе № 5

«Исследование цепи синусоидального тока с индуктивно связанными элементами»

Определение параметров индуктивно связанных катушек

Схема исследуемой электрической цепи представлена на рисунке 1.П.
Частота f =…….Гц.

 

            

 

 

Рисунок 1П. Схема соединения индуктивно связанных катушек

 

Экспериментальные данные представлены в таблице 1П.

 

Таблица 1П

Экспериментальные данные

 

К выходу генератора подключена катушка L1				К выходу генератора подключена катушка L2
U1, B	I1,  мА	φ1, град	U2, B	U1, B	I1,  мА	φ1, град	U2, B

 

Предварительные расчеты параметров катушек

 

К выходу генератора подключена катушка L1
К выходу генератора подключена катушка L2

 

Последовательное соединение катушек

 

Рисунок 2П. Схема последовательного соединения катушек

 

Таблица 2П

Экспериментальные данные

 

Согласное соединение катушек					Встречное соединение катушек
U, В	I, мА	U1, В	U2, В	φ, град		U, В	I, мА	U1, В	U2, В	φ, град

 

Параллельное соединение индуктивно связанных катушек

 

 

Рисунок 3 П. Схема соединения параллельно соединенных индуктивно связанных катушек

Таблица 3П

Экспериментальные данные

 

Согласное соединение катушек					Встречное соединение катушек
U, В	I1, мА	I2, мА	I3, мА	φ, град	U, В	I1, мА	I2, мА	I3, мА	φ, град

 

Работу выполнил:__________________

Работу принял:______________________

 

 

3 Содержание отчета

 

1 Нарисовать схему электрической цепи для определения параметров R_K, X_L, Х_м индуктивно связанных катушек. По экспериментальным данным (таблица 1П протокола измерений) рассчитать параметры катушек.

2 Нарисовать схему последовательного соединения катушек. По данным п. 1 и действующему значению тока из таблицы  2П рассчитать действующие значения напряжений  Расчет выполнить отдельно для согласного и  встречного включения катушек. Построить в масштабах векторные диаграммы тока и напряжения для каждого из исследуемых режимов.

3 Нарисовать схему параллельного соединения катушек. По данным п. 1 и действующим значениям токов из таблицы ЗП рассчитать напряжения на всех участках цепи. Расчет выполнить отдельно для согласного и для встречного включения катушек.

4 Построить в масштабах векторные диаграммы тока и напряжения для каждого из исследуемых режимов.

 

4 Контрольные вопросы

 

1 Каким образом, можно определить по схеме последовательно согласное включение магнитосвязанных катушек?

2 Каким образом, можно определить по схеме последовательно встречное включение магнитосвязанных катушек?

3 Каким образом по экспериментальным данным можно определить коэффициент взаимоиндукции М?

4 Нарисуйте схему параллельного встречного включения двух магнитосвязанных катушек.

5 Нарисуйте схему параллельного согласного включения двух магнитосвязанных катушек.

 

 

 

Лабораторная работа № 6

 

Исследование резонанса в цепи с последовательно соединенными элементами R, L, С

Целью работы:  исследование резонансных явлений и частотных характеристик электрической цепи, содержащей элементы R, L, С.

 

1 Общие сведения

 

Резонансом называется явление совпадения начальных фаз мгновенных значений синусоидального напряжения и тока на участке электрической цепи, содержащем элементы R, L, С.

В состоянии резонанса угол сдвига фаз φ = ψ_u – ψ_i = 0. Имеют место следующие выражения:

В линейной электрической цепи режим резонанса можно получить путем изменения частоты f питающего напряжения u(t)  или величин параметров элементов R, L, С. В работе исследуют контур с последовательным соединением участков R, L и С  (рисунок  6.1).

Рисунок 6.1. Схема последовательного соединения R, L и C элементов

 

На частоте резонанса ω₀ эквивалентное реактивное сопротивление

    Откуда

 

Величина имеет размерность сопротивления и носит название волнового (характеристического) сопротивления контура.

Резонансные свойства контура характеризует добротность

 

При резонансе напряжение на входе контура U =U_R0. Добротность Q показывает, во сколько раз напряжения на реактивных элементах U_L0 = U_C0 отличается от напряжения U. Такой резонанс называют резонансом напряжений.

Ток при резонансе достигает наибольшего значения                 

Зависимости

 

 

 

называются частотными характеристиками цепи (контура).

Зависимость   называется фазочастотной характеристикой цепи (контура).

Зависимости от частоты действующих значений тока I(f) и напряжений U_R(f), U_L(f). U_C(f)  называются амплитудно-частными характеристиками (АЧХ).

Диапазон частот, при которых выполняется отношение называется полосой пропускания

Записанное выше отношение выполняется точно на частотах f₁ и f₂ , где |X(f)| = R. На частоте f₁ меньше f₀ угол сдвига фаз φ(f ₁) = - 45°, на частоте f₂ больше f₀   φ(f₂) = +45°. Частоты f₁ и f₂ называются нижней и верхней граничной частотой полосы пропускания. Выполнение условий φ(f ₁) = - 45°и φ( f ₂) = +45° позволяют экспериментально определить граничные частоты, поэтому полосу пропускания можно определить по фазочастотной характеристике.

Значения граничных частот определяются выражением

±1)

Избирательные частотные свойства контура характеризуются полосой пропускания .

 

2 Содержание и порядок выполнения работы

 

Схема исследуемой цепи представлена на рисунке 1 П. Источником синусоидального напряжения является модуль ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. Измерения выполняются компьютерным измерительным комплексом (смотри п 1.4 введения). Ввод данных в компьютер выполняет модуль ВВОД-ВЫВОД.  Входы 1 и 2 при их совместном использовании измеряют активную мощность Р и угол сдвига фаз φ между мгновенными значениями напряжения и и тока i. При емкостном характере цепи в окне φ на экране монитора появляется величина угла больше +270°. В этом случае ф = (величина угла на экране -360"). Например: на экране монитора угол 320°, φ = (320° -360°) = - 40°.

Шунт R_ш1- резистор канала А1 из блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ.

Пассивные элементы электрической схемы выбирают из блоков МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ  и  РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Рекомендуемые величины индуктивности катушки и емкости конденсатора представлены в таблице  6.1.

 

Таблица 6.1

Рекомендуемые величины индуктивности катушки и емкости конденсатора

 

L, мГн	20	30	40	50	60	70	80
С, мкФ	10	6,8; 10	4,7; 6,8	4,7; 6,8	3,3; 4,7	3,3	3,3

 

· Собрать электрическую цепь по схеме рисунок 1П протокола измерений.

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

· Установить заданные преподавателем величины индуктивности L катушки и емкости С конденсатора. Измерить мультиметром активное сопротивление R_K катушки. Записать эти значения в протокол измерений.

· Выполнить предварительные расчеты, указанные в протоколе измерений.

· Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ и тумблеры Сеть модулей ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и ВВОД-ВЫВОД. Переключатель Форма установить в положение ~ .

Запустить программу виртуальных измерений LCView. Для этого:

· Включить компьютер, дождаться окончания загрузки Windows;

· Запустить программу LCView. В центре экрана монитора появляется список лабораторных работ; справа вверху появляется надпись «Автоматическое управление». Выбрать работу №6 «Исследование резонанса в цепи с последовательно соединенными элементами R, L, С».

На экране появляются окна измерительных приборов:

← результаты измерения напряжения U, U_K  и  U_C,
соответственно;

←результат измерения тока;

←результат измерения мощности;

←результат измерения угла сдвига фаз ср.

· Регулятором Амплитуда установить величину действующего значения напряжения U= 5...7 В. Напряжение U поддерживать в работе неизменным.

· Регулятором Частота установить на выходе модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ  ГЕНЕРАТОР частоту f ₀. Убедиться, что угол   φ ≈ 0.

· Измерить на частоте f ₀ действующие значения тока I; напряжений U, U_k, U_C; активную мощность Р и угол φ. Измеренные значения занести в таблицу 1П.

· Уменьшая частоту, определить частоту f ₁ - нижнюю граничную частоту полосы пропускания.

· Измерить на частоте f ₁ действующее значение тока I; напряжений U, U_k, U_C активную мощность Р и угол φ . Измеренные значения занести в таблицу  1П.

· Увеличивая частоту, определить частоту f₂ - верхнюю граничную частоту полосы пропускания.

· Измерить на частоте f ₂ действующее значение тока I; напряжений U, U_k, U_C активную мощность Р и угол φ. Измеренные значения занести в таблицу 1П.

· Изменяя частоту, выполнить измерения для f > f₀  и f < f₀  . Измеренные значения занести в таблицу 1П.

· Выполнить предварительные расчеты, указанные в протоколе измерений.

· Протокол измерений утвердить у преподавателя.

· Выключить тумблеры Сеть модулей ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и ВВОД-ВЫВОД

· Выключить автоматический выключатель QF модуля питания.

Окончить работу программы LCView. Для этого:

· Правой кнопкой мыши «кликнуть» на ярлыке Автоматическое управление».

· В появившемся списке выбрать «Закрыть».

 

Протокол измерений к лабораторной работе № 6

«Исследование резонанса в цепи с последовательно соединенными элементами R , L , С»

 

Схема исследуемой электрической цепи представлена на рисунке 1П.

 

Рисунок 1П. Схема исследования резонанса напряжения

 

Параметры цепи: L = мГн; С=  мкФ; R_k=   Ом.

Предварительные расчеты:

 

Таблица 1П

Результаты измерений

 

f, Гц		I, мА	Uk, B	UC, B	φ, град	Р, Вт	Примеч.
							f1
							f0
							f2

При f ₀ =   Гц напряжение  =      B.

Из таблицы 1П: граничные частоты f ₁ =  Гц и f ₂  = Гц, полоса пропускания .

Сравнение значений добротности:

Входное сопротивление в резонансе Z₀ =      Ом; на частоте f ₁   Z₁=  Ом;

на частоте f ₂   Z₂=       Ом.

 

Работу выполнил__________________

Работу проверил__________________

 

3 Содержание отчета

 

1. Нарисовать схему замещения исследуемой электрической цепи, указать величины параметров R_K, L, С. Записать рассчитанные в протоколе измерений значения частоты f₀, волнового сопротивления р, добротности Q и полосы пропускания ∆f.

2.  По данным таблицы 1П в относительных единицах частоты  рассчитать и построить графики амплитудно-частотных характеристик (АЧХ):  ; . Результаты расчета представить в таблице. Из графиков АЧХ определить добротность Q, граничные частоты f ₁ , f ₂ и полосу пропускания.

3. Рассчитать в относительных единицах частоты 𝛎 зависимости: Результаты расчета представить в таблице. Построить

графики. По данным таблицы1П построить фазочастотную характеристику φ(𝛎). Из графиков определить добротность Q, граничные частоты и полосу пропускания.

4. По данным таблицы  1П протокола рассчитать частотные характеристики:  ;           

.

Результаты расчета характеристик в относительных единицах частоты 𝛎 представить в таблице. Построить их графики от относительной частоты 𝛎. Из графиков определить на граничных частотах f ₁ и f ₂ отношения:   

 5. Построить векторные диаграммы тока и напряжения цепи для значений частоты f₁, f₀  и f₂ .

4 контрольные вопросы

1 Какое явление называется резонансом напряжения?

2 Изменением каких параметров электрической цепи можно достичь резонанса напряжения?

3 Каким образом и почему изменяется ток в цепи при достижении резонанса напряжения?

4 Что называется волновым (характеристическим) сопротивлением контура?

5 Какие зависимости представляет собой фазочастотную характеристику (ФЧХ) и амплитудно-частотную характеристику (АЧХ)?

6 Что понимается под определением «Добротность контура»?

7 Что понимает под выражением «Значение граничных частот» и какой формулой оно рассчитывается?

 

Лабораторная работа №7

 

Общие сведения

В работе исследуются резонансные характеристики в цепи по схеме рисунок 7.1. Резонансными характеристиками называют зависимости от величины емкости C действующих значений тока

и напряжений:  Также к резонансным характеристикам относятся зависимости активной  

мощностей и угла сдвига фаз

Резонанс в цепи (рисунок 7.1) достигается изменением величины емкости C конденсатора. При резонансе эквивалентное реактивное сопротивление цепи

Тогда резонансная емкость

Рисунок 7.1

Напряжение на ВХОДе цепи  В цепи имеет место резонанс напряжений  Отношение

определяет добротность контура.

Содержание и порядок выполнения работы

Схема исследуемой цепи представлена на рис. 1П. Источником синусоидального напряжения является модуль ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. Измерения выполняются компьютерным измерительным комплексом. ввод данных в компьютер выполняет модуль ВВОД-ВЫВОД. ВХОД 1 и 2 при их совместном использовании измеряют активную мощность Р и угол сдвига фаз φ между мгновенными значениями напряжения u и i. При емкостном характере цепи в окне φ на экране монитора появляется величина угла больше +270⁰. В этом случае φ=(величина угла на экране -360⁰). Например: на экране монитора угол 320⁰, φ=(320⁰-360⁰)=-40⁰.

Шунт R _ш1 – резистор канала А1из блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ.

Пассивные элементы электрической схемы выбирают из блоков МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ и РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Активное сопротивление R _к катушки измеряют мультиметром.

Опыты на частоте f=150 Гц выполняют с катушкой индуктивности L=50 мГн; на частоте f=200 Гц - L=20 или 30 мГн; на частоте f=50 Гц - L=20 мГн.

· собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 1П. протокола измерений. Тумблер SA 2 модуля ИЗМЕРИТЕЛЬ ФАЗЫ установить в положении I 2.

· проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

· установить в блоке МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ назначенную преподавателем величину индуктивности катушки L. Включит мультиметр в режим измерения сопротивления. Измерить активное сопротивление R _к катушки. Записать значения R _к в протокол измерений. Включить мультиметр в режим измерения переменного напряжения.

· для указанной преподавателем частоты f рассчитать величину резонансной емкости С₀. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ величину емкости С, ближайшую к С₀.

Запустить программу виртуальных измерений LCView. Для этого:

· Включить компьютер, дождаться окончания загрузки Windows ;

· Запустить программу LCView. В центре экрана монитора появляется список лабораторных работ; справа вверху появляется надпись «Автоматическое управление».

Выбрать работу №7 «Резонансные характеристики цепи с последовательно соединенными элементами R , L , C ».

· На экране появляются окна измерительных приборов:

 

←  результаты измерения напряжения U , U _к и U _с ,

                             

← результат измерения тока;

← результат измерения мощности;

←Результат измерения угла сдвига фаз φ.

 

· Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯи тумблеры СЕТЬ модулей ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и ВВОД-ВЫВОД. Переключатель ФОРМА установить в положении ~. Регулятором ЧАСТОТА установить на выходе модуля частоту f.

· Регулятором АМПЛИТУДА установить величину действующего значения напряжения U=5-7 В. Напряжение U поддерживать неизменным при выполнении всех опытов.

· Убедиться, что угол φ примерно равен нулю. Записать значения L, С и f в протокол измерений.

· Для указанных в таблице 1П. протокола измерений величин емкости С измерить действующие значения тока i, напряжений U _к, , U _с; активную мощность Р и угол φ=ψ_u- ψ_i. измеренные значения занести в таблицу 1П.

· Протокол измерений утвердить у преподавателя.

· Выключить тумблеры СЕТЬ модулей ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и ВВОД-ВЫВОД.

· Выключить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ.

Окончить работу программы LCView. Для этого:

· Правой кнопкой мыши «кликнуть» на ярлыке «Автоматическое управление».

· В появившемся списке выбрать «Закрыть».

 

Протокол измерений к лабораторной работе № 7

 «Резонансные характеристики цепи с последовательно соединенными элементами R , L , С»

 

 

Рисунок 1П – Схема электрической цепи

 

Напряжение U = ……… В,      частота  f = …………… Гц.

Параметры элементов: R_K = …. Ом; L = .... мГн;

 

Таблица 1П

Результаты измерений

 

С, мкФ	І,мА	Uк, В	Uс, В	φ, град	Р, Вт	Примечание
3,3						Величина резонансной емкости     С0= …. мкФ
4,7
6,8
10
22
33
47
56
68
82

Предварительно расчеты выполнены при С=С₀

 

І₀=                        U_к0=                   U_с0=                             Р=

Работу выполнил: ____________________________________

Работу проверил: ____________________________________

Содержание отчета

1. Нарисовать схему замещения исследуемой электрической цепи, указать величины параметров R_K, L, С и частоты f.

2. По данным табл. 1П. протокола рассчитать резонансные характеристики:

Результаты расчета записать в таблице.

3. По данным п.2 построить зависимости  Зависимости рекомендуется строить на одном рисунке. По графикам определить добротность Q контура. Сравнить ее со значением, рассчитанным по параметрам цепи.

4. По данным п.2 построить зависимости P ( C ), Q ( C )и S ( C ). Зависимости рекомендуется строить на одном рисунке. На этом же рисунке показать график зависимости от емкости сдвига по фазе φ(С) между напряжением и током.

5. Построить в масштабах векторные диаграммы тока и напряжений при резонансной емкости и емкостях 10 мкФ и 47 мкФ.

 

4 Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление резонанса напряжений?

2. Какие элементы электрической цепи переменного тока носят название «активных»?

3. Чему равен угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи переменного тока с активным элементом?

4. Чему равен угол сдвига фаз между током и ЭДС самоиндукции в цепи переменного тока с идеальной катушкой индуктивности?

5. Чему равен угол сдвига фаз между током и приложенным напряжением в цепи переменного тока с идеальной катушкой индуктивности?

6. Чем определяется величина индуктивного сопротивления?

7. Чем определяется величина емкостного сопротивления?

 

 

Лабораторная работа №8

 

Общие сведения

В лабораторной работе исследуются резонансные явления в цепи со схемой замещения рис.8.1. Резонанс достигается изменением частоты f синусоидального напряжения

Комплексная проводимость цепи

 

На частоте резонанса ω₀ эквивалентная реактивная проводимость цепи В₀=0. Получаем:  или ,                             где  – волновое сопротивление контура.

Тогда резонансная частота

  или  .                                                     

При резонансе комплексная проводимость

                                                                                      Реактивное сопротивление  , тогда  .                          В цепи возникает резонанс токов. Ток при резонансе          Реактивные проводимости катушки     и конденсатора          равны. Реактивные составляющие токов в ветвях катушки и конденсатора: .

Рисунок 8.1 – Схема замещения

 

При выполнении условия  реактивные токи могут существенно превышать ток .

Добротность контура .

Зависимости проводимостей  угла сдвига фаз   называются частотными характеристиками цепи.

Зависимости от частоты действующих значений токов  их активных и реактивных составляющих называют резонансными характеристиками.

 

Содержание и порядок выполнения работы

 

Схема исследуемой цепи представлена на рис.1П. Источником синусоидального напряжения является модуль ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. Измерения выполняются компьютерным измерительным комплексом. Ввод данных в компьютер выполняет модуль ВВОД-ВЫВОД. ВХОД 1 и 2 при их совместном использовании измеряют активную мощность Р и угол сдвига фаз φ между мгновенными значениями напряжения u и тока i. При емкостном характере цепи в окне φ на экране монитора появляется величина угла больше +270⁰. В этом случае φ=(величина угла на экране -360⁰). Например: на экране монитора угол 320⁰, φ=(320⁰-360⁰)=-40⁰.

Шунт R_ш1, R_ш2 и R_ш3 –резистор каналов А1, А2 и А3 из блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ.

Пассивные элементы электрической схемы выбирают из блоков МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ и РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. Активное сопротивление R_к катушки измеряют мультиметром.

Параметры пассивных элементов задает преподаватель. Рекомендуемые значения представлены в таблице 8.1

Таблица 8.1

Значения элементов

 

L, мГн	C, мкФ	L, мГн	C, мкФ	L, мГн	C, мкФ	L, мГн	C, мкФ
90	3,3	70	4,7	50	6,8	30	10
80		60		40		20

 

· Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рис. 1П.

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя

· Заданные преподавателем величины пассивных элементов установить в блоке МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ и записать в протокол измерений

· Выполнить предварительные расчеты, указанные в протоколе измерений

 

Запустить программу виртуальных измерений LCView. Для этого:

· Включить компьютер, дождаться окончания загрузки Windows ;

· Запустить программу LCView. В центре экрана монитора появляется список лабораторных работ; справа вверху появляется надпись «Автоматическое управление»

· Выбрать работу №7 «Резонансные характеристики цепи с последовательно соединенными элементами R , L , C ».

· на экране появляются окна измерительных приборов:

U

← результат измерения напряжения u

I3

I1

Fi P

P

I2

  

← результаты измерения i , i_RL и  i_C

 

← результат измерения мощности

 

← результат измерения угла сдвига фаз φ

· Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ и тумблеры СЕТЬ модулей ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и ВВОД-ВЫВОД. Переключатель ФОРМА установить в положении ~.

· Регулятором АМПЛИТУДА установить величину действующего значения напряжения U=5-7 В. Напряжение U поддерживать неизменным при выполнении всех опытов.

· Экспериментально определить частоту f₀ (φ₀ ≈ 0)

· Выполнить измерения для указанных в табл.1П. протокола относительных частот

· Протокол измерений утвердить у преподавателя

· Выключить тумблеры СЕТЬ модулей ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и ВВОД-ВЫВОД

· Выключить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ.

 

Окончить работу программы LCView. Для этого:

· Правой кнопкой мыши «кликнуть» на ярлыке «Автоматическое управление».

· В появившемся списке выбрать «Закрыть».

 

Содержание отчета

1. Нарисовать схему замещения исследуемой электрической цепи, указать величины параметров R_к, L, C. Записать рассчитанные в протоколе измерений значения резонансной частоты f ₀ волнового сопротивления ρ, добротности Q и величину резонансного тока I ₀ .

2. По данным таблицы 1П. протокола измерений рассчитать в относительных единицах частоты  частотные характеристики  Результаты расчета записать в таблицу.

3. По данным п.2 построить зависимости от относительной частоты v экспериментальных значений токов в ветвях и расчетных значений активной и реактивной составляющих тока. Зависимости строить на одном рисунке.

4. По графикам п.3 определить добротность Q контура. Сравнить ее со значением, рассчитанным по параметрам цепи.

5. По данным п.5 построить в масштабах векторные диаграммы тока и напряжений при резонансной частоте.

 

4 Контрольные вопросы

1. В чем заключается явление резонанса токов?

2. Как можно определить активную проводимость цепи?

3. Как можно определить реактивную проводимость цепи?

4. Как можно определить полную проводимость цепи?

5. Как можно определить углы сдвига фаз через проводимости цепи?

6. Как можно определить активную составляющую общего тока при параллельном соединении элементов?

7. Как можно определить реактивную составляющую общего тока при параллельном соединении элементов?

Лабораторная работа № 9

Общие сведения

Трехфазной цепью называется совокупность трех электрических цепей (фаз), в которых действует система трех синусоидальных э.д.с. одной и той же частоты, сдвинутых по фазе на определенный угол и создаваемых общим источником электрической энергии.

Фазы трехфазной цепи обозначаются буквами А, В, С. Если три э.д.с. е_А, е_В и е_С равны по амплитуде и сдвинуты по фазе одна относительно другой на угол 2π/3, то такую систему называют симметричной трехфазной системой Э.д.с.  образуют симметричную трехфазную систему прямой последовательности.

Фазы трехфазной цепи всегда соединены (связаны). Основными видами связи являются соединения звездой и ттреугольником.

На рис. 9.1 показан способ соединения фаз трехфазного источника звездой. Напряжения U_AN , U_BN , U_CN называют фазными, напряжения U_AB , U_BC , U_CA – линейными. В симметричном источнике U_AN = U_BN = U_CN = U _ф,

U_{A В} = U_{B С} = U_{C А}= U _л, причем .

На рисунке 9.1 нагрузка также соединена звездой. Напряжение U_an , U_bn , U_cn называют фазными, напряжения U_ab , U_bc , U_ca – линейными. При соединении в звезду токи I_A , I_B , I_C являются и фазными и линейными одновременно.

 

Рисунок 9.1 – Схема соединения фаз звездой

 

    На рисунке 9.2 показана топографическая диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов для случая симметричной трехфазной цепи Z_A = Z_B= Z_C = R. В симметричном режиме токи I_A = I_B= I_C = I _Л = I _Ф, напряжение U_AN = U_BN = U_CN = U _ф. Ток в нейтральном проводе I_N=0, напряжение U_nN =0.

 

 

Рисунок 9.2 – Топографическая диаграмма напряжений

 

    При несимметричной нагрузке Z_A ≠ Z_B≠ Z_C напряжение U_nN зависит от характера нагрузки и наличия нулевого провода. На рисунке 9.3 в качестве примера представлены диаграммы трехфазной цепи с 4-х проводной схемой соединения (Z_N=0), а рисунке 9.4 – с 3-х проводной схемой соединения (Z_N=∞). Нагрузка фаз резистивная.

 

 

Рисунок 9.3 – Диаграмма 4-х проводной трехфазной цепи

 

Для измерения активной мощности в трехпроводной схеме трехфазной цепи применяется метод двух ваттметров. Один из вариантов включения ваттметров представлен на рисунке 9.5. Активная мощность трехфазной цепи равна алгебраической сумме показаний ваттметров.

 

P _3Ф = P_{W 1} + P_{W 2}

 

 

Рисунок 9.4 – Диаграмма 3-х проводной трехфазной цепи

Рисунок 9.5 – Схема включения ваттметров

Содержание и порядок выполнения работы

    В лабораторной работе исследуют режимы работы трехфазной цепи с 4-х проводной (звезда с нейтральным проводом) и 3-х проводной (звезда без нейтрального провода) схемой соединения.

    Источником симметричного трехфазного напряжения является модуль ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ( UZ 1). Фазное напряжение U_ф=7В.

    Измерения выполняются компьютерным измерительным комплексом. Ввод данных в компьютер выполняет модуль ВВОД-ВЫВОД.

    Шунт R_ш1, R_ш2, R_ш3 и R_ш4, резисторов каналов А1, А2, А3 и А4 из блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ.

    Трехфазную нагрузку собирают из элементов блоков МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ, МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

 

    4-х проводная трехфазная цепь

· Собрать схему 4-х проводной трехфазной цепи (рисунке 1П протокола измерений). Прямое следование фаз. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ сопротивления R ₁ = R ₂ = R ₃=100 Ом.

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

· Включить компьютер, дождаться окончания загрузки Windows ;

· Запустить программу LCView. В центре экрана монитора появляется список лабораторных работ; справа вверху появляется надпись «Автоматическое управление»

· Выбрать работу №9 «Трехфазная цепь, соединенная звездой (4-х проводная)».

· На экране появляются окна измерительных приборов:

U

                    

←

I3

I2

I1

 результат измерения фазных U_AN, U_BN, U_CN и линейных U_{A В} , U_{B С},U_{C А} напряжений; 

← результаты измерения токов     I_A , I_B, I_C и I_N.

 

· Включить выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ, тумблер SA 1 модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ( UZ 1) и тумблер СЕТЬ модуля ВВОД-ВЫВОД.

· Используя ВХОД 1 модуля ВВОД-ВЫВОД измерить фазные напряжения U_AN, U_BN, U_CN и линейные напряжения U_AВ,U_BС,U_CА МОДУЛЯ ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ. Измеренные значения занести в протокол измерений. Проверить выполнения отношений линейных и фазных напряжений.

· Симметричный режим. Измерить токи фаз: I_A (ВХОД 2), I_A (ВХОД 3), I_C (ВХОД 4). Переключить ВХОД 4 на шунт R_ш4 и измерить ток I_N. Используя ВХОД 1 модуля ВВОД-ВЫВОД измерить фазные напряжения U_an, U_bn, U_cn. Измеренные значения напряжений, токов занести в табл. 1П протокола измерений. Указанный порядок действий применить в остальных опытах.

· Несимметричный режим. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ сопротивление R ₁=150 Ом, R ₂=68 Ом. Выполнить измерения, данные занести в табл. 1П. Восстановить симметричный режим.

· Обрыв фазы А. Разорвать фазу А на участке Х2 – а (I_A =0). Выполнить измерения, занести данные в табл. 1П. Восстановить цепь фазы А.

· Включения нагрузки С→n; N→с. Подключить фазу С нагрузки к точке N источника, а нулевой провод к фазе С источника. Выполнить измерения, данные занести в таблице 1П. Восстановить симметричный режим.

· Выключить тумблер SA 1 модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Окончить работу программы LCView. Для этого:

· Правой кнопкой мыши «кликнуть» на ярлыке «Автоматическое управление».

· В появившемся списке выбрать «Закрыть».

                     

Х проводная трехфазная цепь

Собрать схему 3-х проводной трехфазной цепи (рис. 2П протокола измерений). Прямое следование фаз. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ сопротивления R ₁ = R ₂ = R ₃=100 Ом.

· Включить компьютер, дождаться окончания загрузки Windows ;

· Запустить программу LCView. В центре экрана монитора появляется список лабораторных работ; справа вверху появляется надпись «Автоматическое управление»

· Выбрать работу №9 «Трехфазная цепь, соединенная звездой (3-х проводная)».

· На экране появляются окна измерительных приборов:

U

                    

←

I3

I2

I1

 результат измерения фазных U_AN , U_BN , U_CN и линейных U_{A В} , U_{B С} , U_{C А} напряжений;

← результаты измерения токов I_A , I_B , I_C и I_N .

	Р 1		Р2

← результаты измерения мощности Р₁ (ваттметром W1) и мощности Р₂ (ваттметром W2).

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

· Включить тумблер SA 1 модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

· Симметричный режим. Измерить токи фаз. Поочередно подключая ВХОД 1 модуля ВВОД-ВЫВОД к фазам А, В, С и нейтрали, измерить фазные напряжения U _{А n} , U _{В n} , U _{С n} и напряжение U_nN. Измеренные значения занести в таблице 2П. Указанный порядок действий применять в остальных режимах 3-х проводной цепи.

·

Р 1

Измерить методом двух ваттметров 3-х фазную активную мощность. Включить ВХОД 1 модуля ВВОД-ВЫВОД на измерение линейного напряжения U_{A В} (Х1 соединить с А). В окне       - показания        

 

·

Р2

ваттметра W1. Затем ВХОД 1 включить на измерение линейного напряжения гнездо U _СВ (Х1 соединить с С). В окне       - показания

 

ваттметра W2. Измеренные значения занести в таблице 2П. Указанный порядок измерения мощностей применить в несимметричном режиме.  

· Несимметричный режим. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ сопротивление R ₁=150 Ом, R ₂=68 Ом. Выполнить измерения токов, напряжений и мощностей. Измеренные значения занести в таблице 2П. Восстановить симметричный режим.

· Обрыв фазы А. Разорвать фазу А на участке Х4-а. Выполнить измерения токов и напряжений. Измеренные значения занести в таблице 2П.

· Короткое замыкание фазы А. Закоротить фазу на участке а-n. Выполнить измерения токов и напряжений. Измеренные значения занести в таблице 2П.

· Выключить тумблер SA 1 модуля питания. Восстановить симметричный режим работы цепи.

 

Режим определения следования фаз

· Заменить сопротивление R ₁ в фазе А конденсатором емкостью С=22мкФ из блока МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ. Включить тумблер SA 1 модуля питания.

· Прямое следование фаз. Выполнить измерения фазных напряжений нагрузки. Измеренные значения занести в таблице 2П. Выключить тумблер SA 1 модуля питания.

· Обратное следование фаз. Поменять местами провода фаз В и С модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ( UZ 1). Включить тумблер SA 1 модуля питания. Выполнить измерения фазных напряжений нагрузки. Измеренные значения занести в таблице 2П.

· Протокол измерений утвердить у преподавателя.

· Выключить тумблеры SA 1 и СЕТЬ модулей ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ и ВВОД-ВЫВОД.

· Выключить выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ.

Окончить работу программы LCView. Для этого:

· Правой кнопкой мыши «кликнуть» на ярлыке «Автоматическое управление».

· В появившемся списке выбрать «Закрыть».

 

Х проводная трехфазная цепь

Рисунок 1П – Схема 4-х проводной трехфазной цепи

 

Таблица 1П

Результаты измерений

 

Режим работы трехфазной цепи	U А n , В	U В n , В	U С n , В	IA , мА	IB, мА	IC , мА	IN, мА
Симметричный R А = R В = R С = Ом
Несимметричный R А =      Ом R В =      Ом R С =      Ом
Обрыв фазы А R В =      Ом R С =      Ом
Включение С→n ; N→с

 

Рисунок 2П – Схема 3-х проводной трехфазной цепи

 

Таблица 2П

Результаты измерений

 

Режим работы трехфазной цепи	U А n , В	U В n , В	U С n , В	UnN , В	IA , мА	IB, мА	IC , мА	Р1, Вт	Р2, Вт
Симметричный R А = R В = R С = Ом
Несимметричный R А =      Ом R В =      Ом R С =      Ом
Обрыв фазы А R В =      Ом R С =      Ом
Короткое замыкание фазы А
Прямое следование фаз. Фаза А, С=22мкФ
Обратное следование фаз

 

Работу выполнил: ____________________________________

Работу проверил: ____________________________________

Содержание отчета

1. Нарисовать схему трехфазной цепи, указать положительные направления токов.

2. По результатам измерений (табл. 1П и 2П) построить топографические диаграммы напряжений и векторные диаграммы токов для каждого режима четырех и трехпроводной трехфазной цепи.

3.Рассчитать активную мощность трехпроводной цепи в симметричном и несимметричном режимах. Сравнить с измеренными методом двух ваттметров и величинами. В симметричном режиме проверить выполнение выражения .

 

4 Контрольные вопросы

1 Дайте определение трехфазной симметричной системы ЭДС.

2 Что понимают под линейными и фазными напряжениями и токами?

3 Каковы функции нулевого провода в системе звезда-звезда при несимметричной нагрузке?

4 При каких способах соединения генератора с нагрузкой линейный ток равняется фазному?

5 Как соединяются обмотки 3-х фазного генератора по схеме «звезда»?

6 Как соединяются потребители 3-х фазной системы по схеме «звезда»?

7 Какая нагрузка 3-х фазной сети называется симметричной?

 

 

Лабораторная работа №10

Общие сведения

Общие сведения о трехфазной цепи и симметричном источнике изложены в предыдущей лабораторной работе.

На рис. 10.1 показан способ соединения фаз нагрузки треугольником. Токи I_A , I_B, I_C называются линейными, токи I_ab , I_bc, I_ca - называются фазными. Напряжения U_ab , U_bc, U_ca являются фазными и линейными.

 

Рисунок 10.1

Рисунок 10.2

На рисунке 10.2 показана топографическая диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов для случая симметричной трехфазной цепи Z _А = Z _В = Z _С = R; Z _Л = 0. В симметричном режиме ток , напряжение U _Л= U _Ф.

В случае несимметричной нагрузки фазные токи вычисляют по закону Ома:

 

Линейные токи определяют по закону Кирхгофа для узлов:

Ì _A= Ì _ab - Ì _bc ; Ì _B= Ì _bc - Ì _ca ; Ì _C= Ì _ca - Ì _ab.

 

Содержание работы

 

Источником симметричного трехфазного напряжения с линейным источником симметричного трехфазного напряжения является модуль ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ( UZ 1).Линейное напряжение U _Л =12В.

Измерения выполняются компьютерным измерительным комплексом. Ввод данных в компьютер выполняет модуль ВВОД-ВЫВОД.

Шунты R_ш1, R_ш2, R_ш3  для измерения линейных токов и R_ш4, R_ш5, R_ш6  для измерения фазных токов - резисторы А1, А2, А3, А4, А5, А6 из блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ.

Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рисунке 1П протокола измерений R_А, R_В, R_С – сопротивления из блока МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ.

· Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ сопротивления фаз R_А= R_В=R_С. Рекомендуемы значения 100 или 150 Ом.

· Включить компьютер, дождаться окончания загрузки Windows ;

· Запустить программу LCView. В центре экрана монитора появляется список лабораторных работ; справа вверху появляется надпись «Автоматическое управление»

· Выбрать работу №9 «Трехфазная цепь, соединенная звездой (3-х проводная)».

· На экране появляются окна измерительных приборов:

U

←

I3

I2

I1

 результат измерения линейных напряжений источника и напряжений U_ab , U_bc , U_ca ;

← результаты измерения токов I_A , I_B , I_C и I_ab , I_bc , I_ca .

←

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

· Включить выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ и тумблер SA 1 модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ.

· Используя ВХОД 1 модуля ВВОД-ВЫВОД измерить линейные напряжения U_{A В} , U_{B С},U_{C А} источника. Измеренные значения занести в протокол измерений.

· Симметричный режим. Подключить ВХОД 2, 3, 4 модуля ВВОД-ВЫВОД к шунтам R_ш1, R_ш2, R_ш3   измерить линейные токи I_A , I_B, I_C. Подключить ВХОД 2, 3, 4, модуля ВВОД-ВЫВОД к шунтам R_ш4, R_ш5, R_ш6   измерить фазные токи I_ab , I_bc, I_ca . Используя ВХОД 1 модуля ВВОД-ВЫВОД измерить напряжения U_{A а} , U_Bb,U_Cc, U_ab , U_bc, U_ca. Измеренные значения занести в таблице 1П протокола измерений. Указанный порядок действий применить в остальных опытах.

· Несимметричный режим. Установить в блоке МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ сопротивление R _A ≠ R _B= R _C. Выполнить измерения, данные занести в табл. 1П. Восстановить симметричный режим.

· Обрыв линии Аа. Разорвать линию Аа. Выполнить измерения и занести данные в таблицу 1П. Восстановить целостность цепи.

· Обрыв фазы ab. Разорвать фазу ab. Выполнить измерения и занести данные в таблицу 1П. Восстановить целостность цепи.

· Включить фазу С на нейтраль N модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ( UZ 1). Выполнить измерения и занести данные в таблицу 1П.

· Выключить тумблер SA 1 модуля ТРЕХФАЗНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯи выключить выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ.

· Протокол измерений утвердить у преподавателя.

Окончить работу программы LCView. Для этого:

· Правой кнопкой мыши «кликнуть» на ярлыке «Автоматическое управление».

· В появившемся списке выбрать «Закрыть».

 

Содержание отчета

1. Нарисовать схему трехфазной цепи.

 

 

4 Контрольные вопросы

 1 Дайте определение трехфазной симметричной системы ЭДС.

2 При каких способах соединения генератора с нагрузкой линейное напряжение равняется фазному?

3 Что понимают под активной и полной мощностями трехфазной системы?

4 Как соединяются обмотки 3-х фазного генератора по схеме «треугольника»?

5 Как соединяются потребители 3-х фазного системы по схеме «треугольника»?

6 Какое напряжение называется линейным в 3-х фазной системе при соединении потребителей по схеме «треугольника»?

7 Какое напряжение называется фазным в 3-х фазной системе при соединении потребителей по схеме «треугольника»?

 

 

Лабораторная работа № 11

Общие сведения

Периодическую несинусоидальную функцию, например напряжения u ( )= , где Т - период можно представить тригонометрическим рядом Фурье

где   - постоянная составляющая;

- гармонические составляющие.

Гармоническая составляющая, период Т которой равен периоду u ( t ), называется основной. Остальные гармоники называются высшими.

Расчет линейной электрической цепи несинусоидального периодического тока основан на принципе наложения. Расчет цепи ведут отдельно для постоянной составляющей, основной и двух-трех высших гармоник.

Для расчета токов и напряжений гармонических составляющих используют комплексный метод расчета. При этом следует иметь в виду, что комплексные сопротивления индуктивности  и емкости  зависят от номера k гармоники. Принцип наложения справедлив только для мгновенных значений несинусоидальных токов и напряжений. Ток и напряжение ветви:

где п номер последней высшей гармоники, принятой в расчете.

Действующее значение (например, тока i ( t )) рассчитывается по формуле

 

где I₀ - постоянная составляющая, 1_к - действующее значение k -й гармоники.

Активная мощность цепи равна сумме активных мощностей постоянной и гармонических составляющих

Р =U₀ I₀+ I_k cosφ_k.

Реактивная и полная мощность определяется по формулам

Q = ; S = UI ,

где:                 U=

действующие значения напряжения и тока. Коэффициент мощности

k_m = P / S = P / UI

Для оценки степени отличия несинусоидальной кривой от синусоиды используют коэффициенты:

формы- k _ф = I/I _{c р} (I _ср = средне выпрямленное значение);

амплитуды- k _ам =I/I _max (I_max- максимальное значение несинусоидального тока); искажения k _ИС =I ₁/ I  (I ₁- действующее значение тока основной гармоники).

Содержание и порядок выполнения работы

 

В лабораторной работе экспериментально подтверждается метод расчета цепи несинусоидального тока, основанный на принципе наложения. Проводится два опыта. Источником несинусоидального напряжения в форме знакопеременных импульсов является модуль ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. Этот модуль также позволяет получить необходимые синусоидальные напряжения.

Пассивные элементы электрической схемы выбирают из блоков МОДУЛЬ РЕАКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И МОДУЛЬ РЕЗИСТОРОВ.

 Рекомендуемые значения:

L = 50, 60, 70 или 80 мГн; С = 56, 68 или 82 мкФ. Активное сопротивление R_K катушки измеряют мультиметром. Шунт R_{III 1} - резистор канала А1 из блока МОДУЛЬ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ.

Измерения выполняются компьютерным измерительным комплексом. Ввод данных в компьютер выполняет блок ВВОД-ВЫВОД. ВХОД 1и ВХОД 2 при их совместном использовании измеряют активную мощность Р цепи и угол сдвига фаз φ между мгновенными значениями синусоидальных напряжения и и тока ί. При емкостном характере цепи в окне φ на экране монитора появляется величина угла больше +270⁰. В этом случае φ= (величина угла на экране -360⁰). Например: на экране монитора угол 320⁰, φ = (320⁰-360⁰) = - 40⁰.

Для получения зависимостей от времени используют ОСЦИЛЛОГРАФ.

В первом опыте исследуют электрическую цепь с напряжением на входе в форме знакопеременных импульсов (рисунок 11.1). Ряд Фурье для такого напряжения имеет вид

 

u ( t )=

Рисунок 11.1

Во втором опыте на вход цепи подают напряжение синусоидальной формы, равное первой, третьей и пятой гармонике разложения исходного напряжения в ряд Фурье.

· Собрать электрическую цепь по схеме, приведенной на рис.1П протокола измерений.

· Проверить собранную электрическую цепь в присутствии преподавателя.

· Установить в модуле РЕАКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ заданные преподавателем величины индуктивности L катушки и емкости С конденсатора. Измерить мультиметром активное сопротивление R_K катушки. Записать эти значения в протокол измерений.

Запустить программу виртуальных измерений LCView. Для этого:

· Включить компьютер, дождаться окончания загрузки Windows ;

· Запустить программу LCView . В центре экрана монитора появляется список лабораторных работ; справа вверху появляется надпись «Автоматическое управление».

· Выбрать работу №11 «Исследование линейной электрической цепи несинусоидального периодического тока».

· На экране появляются окна измерительных приборов

 

 

←

U2

U1

 результаты измерения действующих значений напряжения u и на входе и u_С на конденсаторе;

←

I

результаты измерения тока;

P

                 

← результат измерения мощности;

Fi

←результат измерения угла сдвига фаз φ.

Первый опыт

· Включить автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ, тумблеры СЕТЬ модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР. Переключатель ФОРМА модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР установить в положение *. Регулятором ЧАСТОТА установить частоту f =50 Гц. Регулятором АМПЛИТУДА установить величину действующего значения напряжения U = 7 В.

· Включить ОСЦИЛЛОГРАФ. Выполнить необходимые для работы осциллографа настройки.

· Подключить ВХОД 1 осциллографа к источнику. Настроить ручки горизонтальной развертки осциллографа таким образом, чтобы на экране полностью укладывался один период колебаний. Установить переключатель усиления по напряжению таким образом, чтобы максимально использовалась площадь экрана. Используя масштаб т_U на переключателе усиления по напряжению убедиться, что амплитуда входного напряжения составляет U_m = 7 В.

· Подключить ВХОД 1 осциллографа к шунту R _ш1 (R _ш1= 1 Ом). Срисовать на кальку с экрана ОСЦИЛЛОГРАФА кривую зависимости u_R ( t ). На рисунке написать масштаб т _U .

· Подключить ВХОД 1 осциллографа к конденсатору С. Срисовать на кальку с экрана ОСЦИЛЛОГРАФА кривую зависимости и_С ( t ). На рисунке написать масштаб m_U .

· Выполнить измерения действующих значений напряжений и, и_с и тока i, активной мощности Р. Измеренные значения занести в таблицу 1П протокола измерений.                                                                                                            

Второй опыт

· В протоколе измерений рассчитать действующие значения гармонических составляющих входного напряжения.

· Переключатель ФОРМА модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР установить в положение ~.

· Регулятором АМПЛИТУДА  установить величину действующего значения основной гармоники U ₍₁₎ входного напряжения.

· Выполнить измерения действующих значений напряжения и и и_С, тока i, активной мощности Р и угла сдвига фаз φ . Измеренные значения занести в таблицу 1П. Указанный порядок измерений использовать в следующих опытах.

· Регулятором ЧАСТОТА установить на выходе модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР частоту ƒ=150 Гц. Регулятором АМПЛИТУДА установить величину действующего значения третьей гармоники U₍₃₎ входного напряжения.

· Выполнить измерения. Измеренные значения занести в табл. 1П.

· Регулятором ЧАСТОТА установить на выходе модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР частоту ƒ =250 Гц. Регулятором АМПЛИТУДА установить величину действующего значения пятой гармоники U ₍₅₎ входного напряжения.

· Выполнить измерения. Измеренные значения занести в табл. 1 П.

· Выполнить указанные в протоколе измерений расчеты.

· Протокол измерений утвердить у преподавателя.

· Выключить тумблеры СЕТЬ модуля ФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ГЕНЕРАТОР и автоматический выключатель QF блока МОДУЛЬ ПИТАНИЯ. Выключить ОСЦИЛЛОГРАФ.

Окончить работу программы LCView. Для этого:

· Правой кнопкой мыши «кликнуть» на ярлыке «Автоматическое управление».

· В появившемся списке выбрать «Закрыть».

Содержание отчета

1. Нарисовать схему замещения электрической цепи. Перенести данные из протокола наблюдений.

2. Рассчитать коэффициенты искажения k _{uc 1} , k _ucU и коэффициент мощности.

3. По данным опыта 2 записать мгновенные значения ВХОДного напряжения, тока и напряжения на конденсаторе как суммы первой и высших гармоник.

4. Рассчитать методом наложения мгновенные и действующие значения тока и напряжения на конденсаторе, а также активную мощность. Расчет выполнить в комплексной форме для 1-й и 3-й гармоник. Результаты расчета представить в таблице и сравнить с экспериментом.

5. Нарисовать зависимости i ( t )= i_m ( t )+ i_m ( t ) и u _С ( t )= u _С1 ( t )+ u_{c (3)} ( t ). На этом же рисунке показать экспериментальные зависимости i ( t ) и и_С (t).

 

4 Контрольные вопросы

1 В каких случаях возникают несинусоидальные токи и напряжения в электрических цепях?

2 Какой метод используется для расчета гармонических составляющих?

3 Как определяются активная, реактивная и полная мощность электрической цепи периодического несинусоидального тока?

4 Как определяется коэффициент мощности в цепи несинусоидального тока?

5 Какими коэффициентами характеризуется степень отличия несинусоидальной кривой от синусоиды?

 

Список использованной литературы

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 2001.

2. Сборник задач по теоретическим основам электротехники. Под редакцией Л.А. Бессонова. - М.: Высшая школа, 2001. 

3. Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 2000.

4. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. - М.: Энергоатомиздат,2001.

5. Шебес М.Р. Сборник упражнений и задач по теоретическим основам электротехники. - М.: Высшая школа, 2002.

6. Nicolas P. Cheremisinoff - Electrotechnology: Industrial and Environmental Applications, William Andrew; (January 14, 2001), ISBN-13: 978-0815514022

7. C.H. Laycock - Applied Electrotechnology for Engineers, Macmillan (September 2006), ISBN-13: 978-0333193785

 

 

Ильясов Рамиль Махмудович

Апсеметова Айжан Туретаевна

 

 

Лабораторный практикум дисциплине

«Теория электрических цепей  1»

 

 

Подписано в печать число.месяц.год.

Формат бумаги X^xY 1/16

Бумага типографская. Печать офсетная. Объем …п.л.

Тираж …. экз. Заказ № …

© Издание Южно-Казахстанского государственного университета

им. М.Ауезова

 

 

Издательский центр ЮКГУ им. М.Ауезова, г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5

 

Ильясов Р.М., Апсеметова А.Т.

Кафедра "Электроэнергетика ''

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: