13263

Исследование неразветвленной цепи переменного тока

Лабораторная работа

Физика

Лабораторная работа № 4. Исследование неразветвленной цепи переменного тока. Цель работы: Исследование зависимостей параметров неразветвленной цепи переменного тока от частоты. Изучение резонанса напряжений. Приборы: 1. универсальный стенд. 2. ге...

Русский

2013-05-11

2.98 MB

236 чел.

Лабораторная работа № 4.

Исследование неразветвленной цепи переменного тока.

Цель работы: Исследование зависимостей параметров неразветвленной цепи переменного тока от частоты. Изучение резонанса напряжений.

Приборы: 1. универсальный стенд.

                 2. генератор НЧ.

                 3. осциллограф.

                 4. электронный вольтметр.

4.1Теоретическое введение.

4.1.1 Цепь с активным сопротивлением. Активным сопротивлением R обладают проводники и элементы, которые нагреваются при прохождении через них тока.

Напряжение , то ток в этой цепи изменяется по синусоидальному закону:

                                     ,                                             

где                                                                                                   (4.1)

Формула (4.1) является математическим выражением закона Ома для цепи переменного тока с активным сопротивлением.

Ток в цепи с активным сопротивлением совпадает по фазе с напряжением, так как начальные фазы их равны. Векторная диаграмма для цепи с активным сопротивлением изображена на рис. 4.1(б), а волновая – на рис. 4.1(в).


Рис. 4.1 Векторная диаграмма для цепи с активным сопротивлением

                    а) электрическая цепь;

                    б) векторная диаграмма;

                    в) волновая функция.

Мгновенная мощность цепи . Если произвести это действие над кривыми тока и напряжения (рис.4.1(в)), то получим волновую диаграмму мощности .

Как видно из волновой диаграммы, мощность в цепи с активным сопротивлением изменяется по величине, но не по направлению. Эта мощность не обратима. От источника она поступает на потребитель и преобразуется в другие виды мощности. Эта мощность полностью потребляется. Такая мощность называется активной:

                                                                                                       (4.2)

Измеряется активная мощность в Ваттах (Вт).

Активная мощность характеризует среднюю скорость преобразования электрической энергии в другие виды энергии.

4.1.2 Цепь с индуктивностью. Катушка с индуктивностью L, у которой  и , называется идеальной.

Действующее значение напряжения, приложенного к идеальной катушке,  . Тогда математическое выражение закона Ома для этой цепи:

                                                                                                             (4.3)

Знаменатель этого выражения   имеет размерность сопротивления и называется индуктивным сопротивлением.

Векторная диаграмма для цепи с идеальной катушкой изображена на

рис 4.2(б), а волновая – на рис.4.2(в).

                        Рис.4.2 Векторная диаграмма для цепи с идеальной катушкой.

                     а) электрическая цепь;

                    б) векторная диаграмма;

                    в) волновая функция.

 

Напряжение, приложенное к идеальной катушке, опережает ток по фазе на угол.

Мгновенная мощность для цепи с идеальной катушкой индуктивности:

                                                     (4.4)

В цепи с идеальной индуктивностью мощность изменяется по синусоидальному закону с двойной частотой. Таким образом, в цепи переменного тока с индуктивностью имеет место колебание мощности между источником и магнитным полем индуктивности. Такая колеблющаяся между источником и нагрузкой мощность называется реактивной мощностью: 

                                                                                                    (4.5)

Измеряется реактивная мощность в варах (вар). Реактивная мощность загружает источник и провода, но не потребляется, т. е. не преобразуется в другие виды мощности.

4.1.3 Цепь с емкостью. Если к конденсатору емкостью С приложено переменное напряжение  (рис. 4.3(а)), то в цепи конденсатора возникает переменный ток заряда и разряда конденсатора. Через диэлектрик конденсатора ток не проходит.

Если напряжение на конденсаторе изменяется по синусоидальному закону , то ток в цепи конденсатора

, где , т. е. ток в цепи с емкостью, изменяясь по синусоидальному закону, опережает напряжение на угол

Векторная диаграмма для цепи с емкостью изображена на рис. 4.3(б), а волновая – на рис .4.3(в).


Рис. 4.3 Векторная диаграмма для цепи с емкостью.

                                     а) электрическая цепь;

                               б) векторная диаграмма;

                               в) волновая функция.

 

Математическое выражение закона Ома для этой цепи:

                            или                                                   (4.6)

Знаменатель этого выражения имеет размерность сопротивления и называется емкостным сопротивлением   

                                                                                                       (4.7)

Мгновенная мощность для цепи с емкостью:

                     ,                                (4.8)         

 т.е. мгновенная мощность изменяется по синусоидальному закону с двойной частотой. Таким образом, в цепи переменного тока с емкостью происходит колебание мощности между источником и электрическим полем конденсатора, т.е. эта мощность реактивная

                                                                                                      (4.9)

Из волновой диаграммы (рис 4.3(в)) видно, что реактивная мощность в цепи с емкостью находится в противофазе с реактивной мощностью в цепи с индуктивностью, поэтому перед аналитическим выражением мгновенной мощности в цепи с емкостью стоит знак «-»  

4.1.4 Цепь содержащая последовательное соединение R, L, C. В общем случае цепь переменного тока характеризуется тремя параметрами: активным сопротивлением R, индуктивностью L и емкостью C. В технике часто встречаются цепи переменного тока, в которых преобладает один или два из этих параметров.

Если к такой цепи приложено синусоидальное напряжение , то ток в этой цепи изменяется по синусоидальному закону: . На каждом из элементов будет падать напряжение  ,  причем по второму закону Кирхгофа для мгновенных значений:

                                                   .                                        (4.10) 

Рис.4.5 Неразветвленная электрическая цепь, содержащая R,L,C 

                         

Заменив мгновенные значения их комплексными выражениями, получим:

                                                  .                                     (4.11)

Известные ранее выражения для элементов цепи: , , , подставим в (4.11) и получаем:

                                                                              (4.12)

Запишем закон Ома в комплексной форме:

                                                                                      (4.13) 

Знаменатель в выражении (4.13) обозначается   и называется комплексным сопротивлением, где -сопротивление на индуктивном элементе, - сопротивление на емкостном элементе,  – реактивное сопротивление.

Представим комплексное сопротивление  в показательной форме:

                                                  ,                                                    (4.14)

где  - модуль комплексного сопротивления, который называется полным сопротивлением. 

Выразим Z черезU и I, представим их в показательной форме: 

                                                                                                                 (4.15)

Отсюда получаем

                                            ,                                                          (4.16)            

                                                                                                  (4.17)

знак угла сдвига фаз определяется знаком реактивного сопротивления . Если ХLС , то участок имеет активно-индуктивный характер, т.е. ток по фазе отстает от напряжения на угол 0<φ<90˚. Если ХLС, то участок имеет активно-емкостной характер, т.е. ток по фазе опережает напряжение (0>φ>-90˚).

Для удобства запоминания формул строят так называемый треугольник сопротивлений, из которого эти формулы легко получаются.

                                        Рис.4.6 Треугольник сопротивлений

Если в неразветвленной цепи переменного тока, содержащей активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С, равны реактивные сопротивления

                                                                                                      (4.18)

то наступает резонанс напряжений. Равенство реактивных сопротивлений является условием резонанса напряжений.

Из (18)                     

откуда             

                                                                                   (4.19)

отсюда следует, что резонанс напряжений возникает тогда, когда частота вынужденных колебаний ωрез будет равна частоте собственных колебаний резонансного контура ω0. Следовательно, добиться резонанса напряжений можно изменением частоты сети или изменением параметров колебательного контура L или C, т.е. изменением частоты собственных колебаний.

Различают несколько видов резонанса: резонанс напряжений ( при последовательном соединении элементов), резонанс токов( при параллельном соединении элементов), резонанс в магнито-связанных цепях и др.

Резонанс напряжений – это явление, при котором в цепи с последовательным соединением участков с резистивным, индуктивным и емкостным характерами нагрузки входное сопротивление имеет чисто активный характер, т. е. сдвиг фаз между напряжением и током равен нулю.

Резонанс напряжений возможен на участке цепи с последовательным соединением элементов, параметры которых R , L и C, т.е. в последовательном контуре.  Активное сопротивление R может быть как сопротивлением специально включенного резистора, так и сопротивлением проводов катушки индуктивности.

Из определения следует, что угол сдвига фаз при резонансе равен нулю.  Такой угол сдвига фаз можно получить тремя способами: изменением частоты  ω  напряжения питания, изменением индуктивности L или емкости С, однако в любом случае явления в цепи при резонансе одинаковые.

Сопротивление реактивного элемента при резонансной частоте называется характеристическим сопротивлением последовательного контура

                             .                                                       (4.20)

Отношение характеристического сопротивления к активному  сопротивлению контура называется добротностью последовательного контура

                      

                                                                                                           (4.21)   

Рассмотрим  характерные особенности режима резонанса напряжений:

1)так как  φ=0, то cos φ=1 и суммарное сопротивление участка цепи активное, т.е. полное сопротивление при резонансе равно активному сопротивлению

                

и минимально при заданном R.

2) ток  максимален. Это свойство позволяет обнаружить резонанс напряжений при изменении ω, L или С. Однако резонансный ток  при определенных условиях опасен - он может привести к перегреву элементов цепи и выводу их из строя.

3) напряжения на отдельных участках контура:

; ; .

Так как при резонансе, то напряжения на участках контура с реактивными элементами равны, напряжение на участке с активным элементом UR равно напряжению питания на выводах контура и совпадает с ним по фазе. Если>R, то >, т.е. напряжение на участках с реактивными элементами больше, чем напряжение питания. Это свойство – усиление напряжения – является важнейшей  особенностью резонанса напряжений и широко используется в технике.

4) активная мощность при резонансе максимальна, так как ,и ток Iрез. максимален. Реактивные мощности равны, так как . Равны, но противоположны по знаку мгновенные реактивные мощности: ωt, . Это значит, что в те интервалы времени, в течение которых энергия накапливается в магнитном поле индуктивного элемента, она поступает из электрического  поля емкостного элемента. Происходит обмен энергией между реактивными элементами контура. Источник питания в этом обмене не участвует.

Векторная диаграмма контура (рис.4.7) при резонансе напряжений строится с учетом особенностей режима резонанса.

                   

Рис. 4.7 Векторная диаграмма контура при резонансе.

Частотной характеристикой называется зависимость параметров цепи от частоты. Активное сопротивление R большинства устройств (если речь идет об ограниченном интервале изменения  частоты) от частоты  не зависит. Зависимости индуктивного XL  и емкостного XC сопротивлений от частоты определяются по формулам :, и ;они изображены на рис 4.8. Реактивное сопротивление контура. При 0<ω<ω0 XL<Xc и реактивное сопротивление Х носит емкостный характер. При наступает резонанс напряжений (XL=XC)  и сопротивление контура  чисто активное, при ω0<ω< ∞   Xс<XL и реактивное сопротивление Х носит индуктивный характер.

Резонансными кривыми называют зависимости основных величин цепи (I, UL, UC) от частоты (рис 4,9.). Форма этих кривых определяется ранее. На том же рисунке показана зависимость φ(ω). Необходимо отметить, что одинаковые максимальные значения  напряжений UL и UC получаются при разных частотах, не совпадающих с резонансной ω0.  

Рис 4.8 Зависимость сопротивления            Рис 4.9 Зависимость основных

                  от  частоты.                                           величин от частоты.     

 4.2 Электрическая схема

4.3 Ход работы

1. С помощью специального соединительного провода подключить генератор на вход   схемы (условный минус – нижняя клемма, условный плюс – верхняя клемма).

        2.  С помощью тройника подключить генератор на первый канал осциллографа.

        3. Второй канал осциллографа подключить к клеммам R схемы.    

4. Изменяя частоту генератора определить резонансную частоту fрез контура.

5. С помощью соединительных проводов подключите вольтметр на клеммы элементов цепи.

6. Выбрать шаг в пределах 10-50 Гц.

7. Затем на 15-20 частотах в окрестностях найденной резонансной частоты снять зависимость падения напряжения от частоты на всех элементах цепи (т.е. АХЧ), а также на входе.           

8. По измеренным данным вычислить реактивное, полное сопротивления участков цепи,  характеристическое сопротивление, добротность.  

           9. Построить графики зависимостей напряжений, сопротивлений и тока от частоты.

 

Таблица

Измерено

Вычислено

п/п

f,

Гц

UR,

B

UL,

B

UC,

B

UЗ,

В

R,

Ом

I,

A

φL,

град.

φС,

град

φЗ,

град

XL,

Ом

XC,

Ом

Q

-

ρ,

Ом

Z,

Ом

1

2

20

 

4.4 Контрольные вопросы

1. Вывести закон Ома для цепи переменного тока, содержащей R, L и  С.

2. Соотношения между  Z, R и Х. Треугольник сопротивлений.

3. Вывести формулу для угла сдвига фаз.

4. Векторные диаграммы для цепи, содержащей последовательно соединенные R, L и  С.

5. Что называется резонансом в электрических цепях? Виды резонансов.

6. Условия возникновения резонанса напряжений.

7. Характерные особенности режима резонанса напряжений.

8.Добротность и характеристическое сопротивление последовательного контура.

9. Частотные характеристики параметров цепи.

10. Векторная диаграмма последовательного контура при резонансе.

11. Резонансные кривые I ,UL ,UC  и  .

12. Как определить наличие резонанса в последовательном контуре?

PAGE  11


EMBED PBrush  

EMBED PBrush  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

11798. Индукция магнитного поля земли и ее определение 385.32 KB
  Магнитные взаимодействия, как между электрическими токами, так и между магнитами осуществляются посредством магнитного поля. Магнитное поле можно представить наглядно следующим образом. Если проводники с током продеть через лист картона и насыпать на лист маленькие магнитные стрелки, то они расположатся вокруг проводника по касательным к концентрическим окружностям
11799. DNS-сервер: установка и управление 429.13 KB
  Лабораторная работа № 5. DNSсервер: установка и управление Цели работы: научиться устанавливать службу DNS; научиться конфигурировать зоны DNS; научиться тестировать службу DNS; научиться применять файл HOSTS. Задание 1. Установите сервер DNS на виртуал
11800. Создание домена Windows Server 2003 366.12 KB
  Лабораторная работа № 6. Создание домена Windows Server 2003 Цели работы: научиться создавать домен Windows Server 2003; научиться устанавливать службу каталога Active Directory; изучить структуру службы каталога Active Directory. Задание 1. Установить на сервере службу катало...
11801. Вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов и стабилитронов 79.23 KB
  Лабораторная работа № 1 Вольтамперные характеристики полупроводниковых диодов и стабилитронов Цель работы: определение вольтамперных характеристикВАХ и основных электрических параметров выпрямительных диодов светодиодов и стабилитронов. 1. Прямые ветви В
11802. Статические характеристики биполярных транзисторов 520.75 KB
  7 Лабораторная работа № 3 Статические характеристики биполярных транзисторов Цель работы: экспериментальное определение основных статических параметров и характеристик биполярных транзисторов БТ и исследование их работы в схеме транзисторного ключ
11803. Исследование одиночного усилительного каскада на биполярном транзисторе 200.31 KB
  Лабораторная работа № 4 Исследование одиночного усилительного каскада на биполярном транзисторе Цель работы: исследование одиночного усилительного каскада на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером ОЭ. Усилительный каскад предназначен для преобразова
11804. Типовые схемы на основе полупроводниковых диодов и стабилитронов 221 KB
  Лабораторная работа №2 Типовые схемы на основе полупроводниковых диодов и стабилитронов Цель работы изучение наиболее распространенных видов выпрямителей и ограничителей напряжения и определение основных параметров этих электронных устройств. Одно...
11805. Исследование инвертирующего операционного усилителя 196.5 KB
  Лабораторная работа №5 Исследование инвертирующего операционного усилителя Цель работы: Изучение основных параметров и характеристик операционного усилителя изучение и исследование инвертирующего каскада на операционном усилителе. Схема установки ...
11806. Изучение процесса вулканизации 481.5 KB
  Лабораторная работа № Изучение процесса вулканизации Цель работы Изучить процесс вулканизации определить температурный коэффициент вулканизации по физикомеханическим показателям и оптимальное время вулканизации. Теоретическая часть Вулканизация ...