16517

ПРОСТЕЙШИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

Лабораторная работа

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ПРОСТЕЙШИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ при гармоническом воздействии Методические указания к лабораторной работе №2 по курсам Основы теории цепей Теория электрических цепей для студентов направлений Радиотехника Телекоммуникации Информационная безопа

Русский

2013-06-22

141 KB

31 чел.

простейшиЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ цепИ

при гармоническом воздействии

Методические указания к лабораторной работе №2

по курсам «Основы теории цепей», «Теория электрических цепей»

для студентов направлений «Радиотехника», «Телекоммуникации», «Информационная безопасность»

ПростейшиЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ цепи при гармоническом воздействии: Методические указания к лабораторной работе №2  по курсам «Основы теории цепей», «Теория электрических цепей»  /Е. В. Вострецова, Ю. В. Шилов.

Указания включают в себя описание лабораторной работы, посвященной экспериментальной проверке метода комплексных амплитуд на примере простых цепей.

Описания работ содержат краткие сведения из теории, задания для выполнения расчетной части, методики проведения эксперимента, рекомендации по оформлению отчета.

Библиогр.: 4 назв. Рис. 2.

Подготовлено кафедрой «Теоретические основы радиотехники».

©УГТУ-УПИ, 2008

1. Цель работы

Освоение метода комплексных амплитуд и экспериментальная проверка амплитудных и фазовых соотношений в линейных цепях при гармоническом воздействии.

2. Основные теоретические положения

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

Для анализа цепей при гармоническом внешнем воздействии 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.

В рамках метода комплексных амплитуд участок цепи можно характеризовать его комплексным сопротивлением (закон Ома в комплексной форме).

Задача анализа цепи в этом случае решается в следующем порядке:

  •  Формирование эквивалентной схемы цепи:
    •  переход от мгновенных значений токов и напряжений к их комплексным амплитудам (комплексным действующим значениям);
    •  определение комплексных сопротивлений элементов.
  •  Расчёт эквивалентной схемы:
  •  составление системы уравнений электрического равновесия на основе законов Ома и Кирхгофа в комплексной форме;
  •  решение системы уравнений и определение комплексных амплитуд искомых величин;
  •  проверка полученных решений с использованием векторных диаграмм, баланса мощностей, законов Кирхгофа.
  •  Переход от комплексных амплитуд к функциям времени (мгновенным значениям токов, напряжений).

Метод комплексных амплитуд подробно изложен в [1, с. 63-111],            [2, с. 76-118], [3, с. 115 – 142].

Основные расчетные соотношения:

  •  Связь мгновенного значения напряжения (тока) и комплексной амплитуды:

где u(t) – мгновенное значение напряжения;

Um – амплитуда напряжения, [B];

w  – круговая частота, [рад/с];

fU  – начальная фаза, [рад];

– комплексная амплитуда, [В].

  •  Связь амплитудных и действующих значений гармонического напряжения (тока):

,

где U – действующее значение напряжения;

– комплексное действующее значение напряжения.

  •  Комплексное сопротивление двухполюсника Z:

где  – комплексная амплитуда напряжения на зажимах двухполюсника;

– комплексная амплитуда тока, протекающего через двухполюсник.

  •  Комплексная проводимость цепи Y:

  •  Закон Ома в комплексной форме:

.

  •  Соотношения между токами и напряжениями в идеализированных элементах цепи при гармоническом воздействии:

R

L

C

  •  Энергетические характеристики цепи:

PS – полная мощность, PS = UI;

S – комплексная мощность, S = PS ejf = PS cosf + j PS sinf =

= I2Z = P + jQ = ;

P – активная мощность, P = PS cosf = I2r;

Q – реактивная мощность, Q = PS sinf = I2x.

3. Подготовка к эксперименту

Данные для расчета находятся в Приложении и в таблице в лаборатории.

3.1. Для последовательной RL-цепи (рис.1) определите:

  •  комплексные сопротивления элементов ZL ,ZR:

ZR = R

ZL = RL + jXL,

  •  входное сопротивление цепи Z,
  •  комплексное  действующее значение тока I,
  •  комплексные действующие значения напряжений на элементах UR, UL
  •  разность фаз между током и приложенным напряжением (начальную фазу источника ЭДС примите равной 0):
  •  активную Р, реактивную Q и полную S мощности.

Расчет проведите для двух частот – f1 и f2.

Рис. 1. Схемы исследуемой цепи: а) принципиальная, б) эквивалентная

3.2. Постройте векторные диаграммы:

  •  напряжений на элементах и тока в цепи,
  •  мощностей Р, Q, S, развиваемых в исследуемой цепи.

Векторные диаграммы строятся для каждой частоты в своей координатной сетке.

3.3. Для последовательной RLC-цепи (рис. 2) определите:

  •  комплексные сопротивления элементов ZR, ZL, ZС,
  •  входное сопротивление цепи Z,
  •  комплексное действующее значение   тока   I,
  •  комплексные действующие значения напряжений на элементах UR, UL, UC,
  •  разность фаз между током и приложенным напряжением,
  •  активную Р, реактивную Q и полную S мощности.

Расчет схемы проведите для двух частот - f1 и f2.

3.4.  Постройте векторные диаграммы:

  •  напряжений на элементах и тока в цепи,
  •  мощностей, развиваемых в исследуемой цепи.

Рис. 2. Схемы исследуемой RLCenи: a) принципиальная, б) эквивалентная

3.5. Для RLC-цепи рассчитайте частоту f3, при которой модули реактивных сопротивлений индуктивности и емкости равны:

XL = XC,

и повторите пп. 3.3, 3.4 для частоты  f3 приложенного напряжения.

3.6. Ознакомьтесь с указаниями по выполнению экспериментальной части лабораторной работы.

3.7.  Нарисуйте  и  объясните  схемы  измерения фазового сдвига между током и входным напряжением в исследуемых цепях (используйте для этого описание к лабораторной работе N 1.)

4. Лабораторное задание

Работа выполняется на блоке "Простые и сложные цепи".

4.1. Измерьте величины сопротивлений R5 и RL1 сравните их с заданными в таблице.

4.2. Соберите схему (рис. 1, а).

4.3. После проверки схемы преподавателем установите заданную частоту воздействия (U, f). Подключите вольтметр параллельно генератору и установите величину напряжения генератора, равную заданной.

4.4. Измерьте действующие значения напряжений на элементах и тока в цепи при помощи вольтметра.

4.5.  Измерьте разность фаз между током (напряжением на R5) и приложенным к цепи напряжением U при помощи осциллографа.

Примечание. Переключатель TRIGER SOURCE установите в положение CH1; переключатель MODE в положение DUAL

4.6. Повторите измерения пп. 4.3 - 4.5 при частоте  f2.

4.7. Соберите схему (рис. 2, а).

4.8. Повторите измерения пп. 4.3 - 4.5 для частот  f1,  f2,  f3.

5.  Обработка результатов

5.1. По экспериментальным данным рассчитайте мощности Р, Q, S для исследуемых схем.

5.2. Составьте таблицу сравнения результатов   расчетов   и экспериментов (см. форму).

5.3. По результатам экспериментов постройте векторные диаграммы токов, напряжений и мощностей в одних системах координат с диаграммами домашнего задания.

6. Требования к содержанию отчета

Отчёт должен содержать:

  1.  цель работы;
  2.  расчётную часть (исходные данные, расчётные формулы с пояснениями, результаты расчётов);
  3.  схемы измерений;
  4.  таблицу экспериментальных и расчётных результатов (см. форму);
  5.  векторные диаграммы токов и напряжений;
  6.  выводы.

Результаты расчёта и эксперимента

Величина

Цепь

RL

RLC

f1

f2

f1

f2

f3

р

э

р

э

р

э

р

э

р

э

Im, мА

UmR, В

UmL, В

UmC, В

f, град

S, мВ∙А

P, мВт

Q, мвар

Примечание. р - рассчитанное значение; э – значение, полученное в результате эксперимента.

7.  Контрольные вопросы

  1.  Укажите условия, от которых зависит выбор эквивалентной схемы замещения индуктивной катушки, конденсатора, резистора.
    1.  Поясните термины "начальная фаза", "сдвиг фаз между током и напряжением".
    2.  Чем вызван сдвиг фаз между током и напряжением в индуктивности и ёмкости?
    3.  Каковы фазовые соотношения между током и напряжением в индуктивности и емкости?
    4.  Зависит ли разность фаз между током и напряжением в индуктивности и емкости от частоты внешнего воздействия?
    5.  В каких пределах может изменяться разность фаз между током и напряжением на зажимах пассивного двухполюсника?
    6.  Поясните методику построения векторных диаграмм.
    7.  Объясните суть баланса мощностей в электрической цепи.
    8.  Поясните методику измерения тока в данной работе.
    9.  Поясните, как связаны между собой векторные диаграммы напряжений и токов в цепи с векторной диаграммой полной мощности.
    10.  Поясните термины "принципиальная схема электрической цепи" и ''эквивалентная схема электрической цепи".


Библиографический список

  1.  Попов В.П. Основы теории цепей. - М.: Высшая школа, 2003.
  2.  Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Высшая школа, 2003.
  3.  Бакалов В.П., Воробиенко П.П., Крук Б.И. Теория электрических цепей. – М.: Радио и связь, 2001.
  4.  Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1994.
  5.  Бирюков В.Н., Попов В.П., Семенцов В.И. Сборник задач по теории цепей. - М.: Высшая школа, 1998.
  6.  Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы: Руководство к решению задач: сборник задач. Высшая школа, 2002.

Методические разработки кафедры

1. Вострецова Е.В. Основы теории цепей. Методические указания по выполнению лабораторных работ. Часть 1. г. Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005.

2. Вострецова Е.В. Основы теории цепей. Методические указания по выполнению лабораторных работ. Часть 2. г. Екатеринбург, ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005.

3. Вострецова Е.В, Ковалев Е.И. Основы теории цепей. Методические указания к лабораторным работам 9,10. ГОУ ВПО УГТУ-УПИ. г. Екатеринбург, 2005.

4. Ковалев Е.И., Лучинин А.С., Мальцев А.П. Исследование нелинейных цепей: Методические указания к лабораторным работам. Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2002.

5. Лысенко Т.М. Анализ линейной активной цепи: Мет. указ. к курсовой работе. Екатеринбург, Изд-во УГТУ, 2007.

6. Зраенко С.М. Теория электрических цепей: Мет. указ. к практическим занятиям. Ч. 1. Екатеринбург, Изд-во УГТУ, 2006.


U(t)

R5

L1

ГЕН

U(t)

R5

L1

L1

а)

б)

u(t)

R5

RL1

ГЕН

u(t)

R5

L1

L1

а)

б)

С3

С3


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25947. Большое распространение в зарубежной и отечественной практике получили также висячие тонколистовые системы - мембранные покрытия 76.5 KB
  В некоторых случаях вместо сплошной мембраны покрытие образуется из отдельных не соединяемых друг с другом тонких стальных лент. Сплошное мембранное покрытие успешно применено для универсального стадиона на проспекте Мира в Москве размеры в плане которого достигают 183x224 м рис.
25949. Сводчатые покрытия проектируются, как правило, из сборных железобетонных элементов для прямоугольных в плане однопролетных или многопролетных зданий 35.5 KB
  По продольным краям вдоль образующей своды могут опираться на колонны стены или непосредственно на фундаменты.1 Своды с затяжками Рисунок 7.2 Своды без затяжек 7. Своды призматического полигонального очертания состоят из прямолинейных участков вписанных в дугу указанных выше кривых.
25950. Городские транспортные сооружения 34 KB
  Путепроводы и эстакады можно отнести ко второй группе сооружений. Эстакады применяют в следующих случаях: на пересечениях двух и более транспортных магистралей для увеличения пропускной способности улиц для пропуска скоростных автомагистралей над городской застройкой независимо от сложившейся сети улиц на подходах к большим мостам вместо высоких насыпей на подходах к местам скопления большого числа автомобилей вокзалам аэродромам гостиницам стадионам для уширения набережных и организации движения вдоль рек на косогорах болотах и...
25951. Стоянка для автомобилей (далее автостоянка) - здание, сооружение или специальная открытая площадка, предназначенные только для хранения (стоянки) автомобилей 32.5 KB
  Механизированная автостоянка автостоянка в которой транспортировка автомобилей в места ячейки хранения осуществляется специальными механизированными устройствами без участия водителей.5 Автостоянки закрытого типа для автомобилей с двигателями работающими на сжатом природном газе и сжиженном нефтяном газе встраивать в здания иного назначения и пристраивать к ним а также располагать ниже уровня земли не допускается.7 Хранение автомобилей для перевозки горючесмазочных материалов следует как правило предусматривать на открытых...