- •Организационные указания
- •Порядок выполнения лабораторных работ
- •Правила оформления отчета
- •План работы
- •Библиографический список
- •Домашнее задание
- •Контрольные вопросы
- •Библиографический список
- •Домашнее задание
- •Приборы и оборудование
- •План работы
- •Библиографический список
- •План работы
- •Библиографический список
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 Iн=0, затем включить SА4 и, изменяя ток Iн 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 QL и емкостной QC 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 Сmin. 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 UК и UС, 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, Zк, R, , , L, C, cos;
б) построить в одних осях графики зависимостей I(C), Р(C), Uc(C), UL(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;
=2f - 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?