лаба 3 ТЭЦ

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ

УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

Кафедра комплексной информационной безопасности электронно-

вычислительных систем (КИБЭВС)

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОВ ОМА И КИРГОФА ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ

ВОЗДЕЙСТВИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ОДНИМ ИСТОЧНИКОМ

Отчет по лабораторной работе №3

По дисциплине «Электротехника»

Студенты гр. 739-1:

_________Климанов М.Д.

_________Курилович Н.

18.04.2020

Руководитель:

старший преподаватель

кафедры КИБЭВС

_________Пехов О.В.

18.04.2020

Томск 2020

1. Введение

Целью лабораторной работы является освоение методов измерения напряжения, тока и разности фаз гармонических сигналов; экспериментальная проверка топологических уравнений цепей первого порядка и закона Ома в комплексной форме для индуктивности L и емкости C.

2. Основные теоретические положения

2.1 Описание лабораторной работы

Лабораторная установка состоит из лабораторного макета и измерительного блока. Лабораторный макет включает генератор сигналов низкой частоты и панели «Законы Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии». Внешний вид макета представлен на рисунке 1

Рисунок 1 – Макет «Законы Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии».

Технические характеристики генератора сигналов низкой частоты (ге

нератора ЭДС):

− Диапазон частот – 50Гц…1,5КГц;

− Выходное напряжение – 0…2В ампл.;

− Выходное сопротивление – 10Ом;

Форма сигнала – гармоническая или последовательность прямоугольных импульсов (устанавливается переключателем «форма сигнала»).

Питание макета осуществляется от сети переменного тока 220В 50Гц.

Внешний вид измерительного блока представлен на Рисунке 2. Он содержит мультиметры UT50C, UT50D и фазометр. Мультиметры предназначены для измерения частоты, напряжения, сопротивления, индуктивности и емкости. Питание измерительного блока осуществляется от лабораторного макета с помощью девятиконтактного плоского кабеля, подключаемого через внешние разъемы этих устройств.

Рисунок 2 – Измерительный блок.

В ходе работы контролируйте режим работы измерительного прибора в соответствии с заданием. Неправильное включение прибора в цепь может привести к травмам и повреждению приборов.

В лабораторной работе также используется программное обеспечение для схемотехнического моделирования Electronic Workbench

В работе исследуются соотношения между напряжениями и током в последовательном соединении RL, RC и RR (Рисунок 3).

Рисунок 3 – Участки цепи.

Параметры элементов R=1кОм, L=0,3Гн, C=0,33мкФ. Действующее значение напряжения на выходе генератора 1 вольт. Частоту источника сигнала взяли равную герц в соответствии с вариантом.

2.2 Теоретические сведенья

Гармонические колебания – одна из наиболее распространённых форм тока и напряжения в электрических цепях. При гармоническом воздействии на линейную цепь реакция цепи в установившемся режиме – также гармоническая функция.

Для анализа цепей при гармоническом внешнем воздействии в установившемся режиме практически всегда применяется метод комплексных амплитуд. Комплексная амплитуда – величина, несущая информацию об амплитуде и начальной фазе гармонического колебания. Законы Кирхгофа формулируются не только для мгновенных значений токов и напряжений, но и для комплексных амплитуд и комплексных действующих значений токов и напряжений.

3. Ход работы

3.1 Исследовать выполнение законов Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии для последовательного соединения катушки индуктивности L и резистора R1.

Вариант 10

Рассчитали ток и напряжение на элементах RL-цепи. Начальную фазу напряжения Ůвх принята равной нулю. Результаты занесли в таблицу 1.

	UR1 В	ф⸰UR	UL В	ф⸰UL	I мA	ф⸰I	R1Oм	L ГН
Расчет
Эксперимент

Таблица 1. Последовательное соединение RL. Частота f= 750 Гц, Uвх=1В

Для измерения напряжения на резисторе в R-L-цепочке подключили вольтметр как показано на рисунке 3. По умолчанию в среде EWB все измерительные приборы служат для измерения параметров цепей постоянного тока (режим DC), для корректной работы переключили вольтметр в режим измерения для цепей переменного тока (Режим AC, (как на рисунке)).

Для измерения напряжения на катушке индуктивности в R-L-цепочке подключили вольтметр параллельно катушке индуктивности, включили схему на моделирование и записали в таблицу показания напряжения. Чтобы измерить сдвиг фаз в цепи необходимо воспользоваться двухканальным осциллографом.

Для измерения сдвига фаз на катушке индуктивности используется схема, изображенная на рисунке 3. По ней канал А осциллографа (красный провод) подключен ко входу схемы (непосредственно к источнику питания). Канал В осциллографа (черный провод) подключен между резистором и катушкой индуктивности.

Сдвиг фаз показывает взаимное расположение двух колебательных процессов во времени

Диаграмма изображена на рисунке 3, все размеры указаны в милиметрах.

Рисунок 4 – Векторные диаграммы тока и напряжений для 1 цепи

3.2 Исследовать выполнение законов Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии для последовательного соединения катушки конденсатора С и резистора R1.

Для измерения напряжения и сдвига фаз на сопротивлении R1-1 на реальном макете достаточно поменять в схеме на рисунке 2 местами выводы 3 и 1 RL-цепочки:

Гнездо 4 соединить перемычкой с шиной ⊥, а гнездо 2 соединить перемычкой с сигнальной шиной →) (рисунок 1).

Вольтметр и осциллограф зафиксируют соответственно модуль и начальную фазу напряжения на сопротивлении R1.

Используя измеренные величины, вычислить индуктивность L, построить топографическую векторную диаграмму напряжений («треугольник напряжений») и лучевую диаграмму тока. Начало координат тока и напряжения совместить. Масштаб напряжения 0,2в/см, масштаб тока 0,1 мА/см.

Все результаты измерений и вычислений занесены в таблицу 2. Векторные диаграммы изображены на рисунке 5 с указанным масштабом, все размеры указаны в милиметрах.

Таблица 2. Последовательное соединение RС. Частота f= 750 Гц, Uвх=1В

	UR1В	фUR	UС В	фUC	I мA	фI	R1 Ом	C мкФ
Расчет
Эксперимент

Рисунок 5 – Векторные диаграммы напряжений и тока для 2 цепи

I = U/Z;

I = e^j*0/(1893,58*e^j*(-58,12)) = 0,528*e^j*58,12 мA;

Uвх = UC + UR1 = 0.726 - 0.448*j + 0.274 + 0.448j = 1 В;

Все полученные значения Uвх и I полностью с табличными т е с теми, что получили в результате вычислений и проведения эксперимента, а это подтверждает результаты измерений и закон Ома и Киргофа

3.3 Исследовать выполнение законов Ома и Кирхгофа при гармоническом воздействии для последовательного соединения сопротивления R1 и R3.

Рассчитать ток и напряжение на элементах RR-цепи.

Расчетная схема, обозначения элементов и условно положительные направления напряжений и тока представлены на рисунок 3в. Сопротивления R1=R3=1кОм. Начальную фазу напряжения Ůвх принята равной нулю.

Результаты расчета занесли в таблицу 3.

	UR1 В	фUR	UR3 В	ФUR3	I мA	фI	R1 Ом	R3 Ом
Расчет
Эксперимент

Таблица 3. Последовательное соединение RR. Частота f= 750 Гц, Uвх=1В

Диаграммы для напряжений и тока изображены на рисунке 6 с учетом указанных в задании масштабов, все размеры указаны в милиметрах.

Рисунок 6 – Векторные диаграммы напряжений и тока для 3 цепи

В силу того, что везде ф = 0, закон Ома и Киргофа в комплексной форме имеет точно такой же вид, как и при обычном расчете.

I = 1/2000 = 0,5 мА;

Uвх = 0,5 + 0,5 = 1 В;

4. Заключение

В ходе выполнения лабораторной работы был освоен метод измерения напряжения, тока и разности фаз гармонических сигналов; экспериментальная проверка топологических уравнений цепей первого порядка и закона Ома в комплексной форме для индуктивности L и емкости C.

Для выполнения макета схемы электрической принципиальной цепи использовалась программа "Electronics Workbench". Так как в программе используются идеальные условия - погрешности в вычислениях отсутствуют. Исходя из формулировки закона Ома для цепей переменного тока, в ходе работы получилось доказать его – значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.