42189

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ С НЕСИНУСОИДАЛЬНЫМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ И ТОКАМИ

Лабораторная работа

Физика

Разложение несинусоидальной кривой графо-аналитическим способом в ряд Фурье и определение коэффициентов характеризующих несинусоидальную кривую. Определение влияния характера цепи R; RL; RC на форму кривой несинусоидального тока при подключении ее к источнику несинусоидального напряжения. Определение ординат несинусоидальной кривой в m дискретных точках.10 Затем находят соответствующие ординаты кривой f1ωt; f2ωt; f3ωt и заменяют интегралы...

Русский

2013-10-27

185 KB

48 чел.

PAGE  2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ  С НЕСИНУСОИДАЛЬНЫМИ НАПРЯЖЕНИЯМИ И ТОКАМИ

Цель работы: Разложение несинусоидальной кривой графоаналитическим способом в ряд Фурье и определение коэффициентов, характеризующих несинусоидальную кривую. Определение влияния характера цепи (R; RL; RC) на форму кривой несинусоидального тока при подключении ее к источнику несинусоидального напряжения.

Общие теоретические сведения

Периодическими несинусоидальными токами и напряжениями называются токи и напряжения, изменяющиеся dо времени по периодическому несинусоидальному закону. Явления, происходящие в цепях с несинусоидальными токами и напряжениями проще всего поддаются исследованию, если их разложить в ряд Фурье. Известно, что любая несинусоидальная периодическая функция, удовлетворяющая условиям Дирихле, может быть разложена в тригонометрический ряд Фурье, который записывается в виде суммы постоянной составляющей, синусоид и косинусоид с начальными фазами, равными нулю:

,  (13.1)

Ряд Фурье может быть также записан в  виде суммы постоянной составляющей и синусоид с начальными фазами, не равными нулю:

.   (13.2)

Здесь: f(ωt) – периодическая несинусоидальная функция времени

;          (13.3)

      (13.4)

При определении начальной фазы, т.е. угла ψn необходимо по знакам коэффициентов  и  определить, в какой четверти находится этот угол. Если >0, то     .      (13.5)

Если же <0, то  или . В общем виде:

.     (13.6)

Синусоиду А1sin(ωt+ψn) – называют основной синусоидой или первой гармоникой. Ее частота колебаний равна частоте несинусоидальной функции f(ωt). Все остальные синусоиды, у которых n=2,3,4 и т.д. изменяются с частотами, в 2,3,4 и т.д.раз выше частоты основной (первой) гармоники. Эти синусоиды называют высшими гармониками.

Коэффициенты ряда определяются по формуле Фурье. Постоянная составляющая равна среднему значению функции f(ωt)  за ее период :

.    (13.7)

Амплитуды синусных составляющих:

.   (13.8)

Амплитуды косинусных составляющих:

   (13.9)

здесь:   n = 1,2,3  и  т. д. - порядок гармоничных составляющих.

Периодические кривые геометрически правильной формы раскладываются в ряд Фурье аналитически, а периодические кривые произвольной формы - графоаналитически или графически.

Рис.13.1. Определение ординат несинусоидальной кривой в m дискретных точках.

Графоаналитический метод определения гармоник ряда Фурье основан на замене определенного интеграла суммой конечного числа слагаемых. С этой целью период функции  f(wt)  равный  2p  разбивают на  m  равных частей (рис.12.1):

  .      (13.10)

Затем находят соответствующие ординаты кривой  f1t);  f2t);  f3t) и заменяют интегралы частичными суммами.

  (13.11)

  (13.12)

.  (13.13)

Здесь  p -  текущий индекс, он изменяется от  1  до  m 

fPt) – значение функции при  ωt = pDωt.

Расчет обычно сводится в таблицу (табл.13.1). Таблица 13.1 дана для определения 1,3 и 5-й гармоник для кривых, симметричных относительно оси абсцисс.

Если кривая симметрична относительно оси абсцисс, то расчет производится за половину периода. В этом случае в формулах (13.12) и (13.13) перед знаком суммы будет стоять множитель не  , а    . Точность разложения несинусоидальной кривой в ряд Фурье будет возрастать с увеличением m, однако при этом возрастает и трудоемкость расчета.

Итак, порядок нахождения коэффициентов ряда Фурье следующий.

1. Полный период заданной периодической кривой  ft)  делят на равное число частей, положим на  m = 24  и находят соответствующие ординаты кривой  ft):   f1 , f2 , f3fm .

Для кривых, симметричных относительно оси абсцисс, достаточно найти координаты за полпериода, т.е. для   = 12 значений, так как координаты во второй части полупериода будут иметь такую же величину, как и в первой половине, но только с противоположным знаком.

2. Пользуясь табл.13.1, в соответствии с формулами (13.12) и (13.134) определяют амплитуды гармоник.

Действующие значения несинусоидального тока и напряжения равны:

  (13.14)

  (13.15)

Здесь   I0  и  U0  - постоянные составляющие; I1, I2, I3…,  U1, U2, U3… - действующие значения токов и  напряжений гармоник.

Коэффициентами, характеризующими периодические несинусоидальные функции являются:

коэффициент амплитуды:

   или     (13.16)

коэффициент формы:

   или     (13.17)

коэффициент искажения (коэффициент несинусоидальности, коэффициент гармоник, клирфактор или коэффициент нелинейных искажений)

    или     (13.18)

В данной работе исследуется разложение кривой, симметричной относительно оси абсцисс в ряд Фурье и влияние характера нагрузки на форму кривой тока от действия несинусоидального напряжения.

Порядок выполнения работы:

  1.   Выбрать опцию «1 шаг».

 Разложение несинусоидального напряжения  графоаналитическим способом в ряд Фурье. Форма несинусоидального напряжения приведена на рис. 13.2. Параметры схемы задает компьютер по шифру студента.

Рис.13.2. Вид активного окна лабораторной работы №13 ( 1 шаг). Форма несинусоидального напряжения

Для разложения несинусоидальной кривой в ряд Фурье необходимо определить ординаты заданной кривой через каждые 15о. Для этого с помощью указателя мыши измерить значения несинусоидального напряжения в дискретных точках, находящихся на кривой напряжения источника питания через каждые 150. Данные записать в табл.13.1.

Для измерения значений несинусоидального напряжения в дискретных точках кривой, необходимо подвести указатель мыши в форме руки с указательным пальцем к точке на кривой. После этого нажать на левую кнопку мыши. Координаты выбранной точки высветятся в прямоугольном окне. После нажатия на правую кнопку мыши координаты точки запишутся в таблицу, находящуюся в правой части экрана. Если абсцисса точки не будет кратной 150, то записи в таблицу не произойдет и появится сообщение об этом в виде надписи: «Добавляйте только точки, кратные 150» . После появления такой надписи следует сместить указатель мыши так, чтобы абсцисса точки была кратной 150.  Если значение какой-либо точки будет записано ошибочно, то его можно заменить, записав значение заново, выбрав нужную точку повторно.

2. Пользуясь табл.13.1 и формулами (13.12) и (13.13) разложить заданную несинусоидальную кривую на гармонические составляющие до 5-ой гармоники включительно. Результаты расчета записать в такл.13.2.

Таблица 13.2

A1 (U1m)

A3 (U3m)

A5 (U5m)

Ψ1

Ψ3

Ψ5

kи

В

%

В

%

В

%

градусы

градусы

градусы

_

100

Рис.13.3. Вид активного окна лабораторной работы №13 (2 шаг). Проверка результатов Фурье-анализа

  1.  

Рис.13.4. Вид активного окна лабораторной работы №13 (3 шаг). Исследование  влияния характера цепи на форму тока

  1.  Выбрать опцию «2 шаг».

Проверка результатов Фурье-анализа. На экране появятся точки, принадлежащие несинусоидальной кривой (рис.13.3). Ввести данные из табл.13.2 в таблицу, находящуюся в правой части экрана. После этого нажать кнопку «Обновить». На экране появятся отдельные гармоники и результирующая кривая.

Если разложение выполнено правильно, то результирующая кривая пройдет через заданные точки. Отклонение от заданных точек свидетельствует об ошибках в разложении несинусоидальной кривой в ряд Фурье.  

  1.  Выбрать опцию «3 шаг» (рис.13.4).

Исследование влияния характера цепи на форму тока при несинусоидальном питающем напряжении. Наблюдать форму кривой тока при подключении к источнику несинусоидального напряжения цепи с:

а) активным сопротивлением (включен ключ В1);

б) активно-индуктивным сопротивлением (включен ключ В2);

в) активно-емкостным сопротивлением (включен ключ В3).

  1.  Сделать вывод о влиянии индуктивности и емкости на форму кривой тока.
  2.  Записать ряд Фурье для разложенной функции напряжения. Построить гармоники тока и результирующую несинусоидальную кривую в одних осях координат за время одного периода, пользуясь интегрированной программой MATHCAD.
  3.  Сделать заключение о проделанной работе.

Контрольные вопросы

1. Как разложить несинусоидальную кривую на составляющие гармоники графоаналитическим методом ?

  1.  Как определяется знак фазового угла  гармоники ?

3. Как влияет характер цепи ( R; R,L; R,C ) на форму кривой несинусоидального тока ?  Почему цепь RL подавляет высшие гармоники, а цепь RC усиливает их ?

4.Записать ряд Фурье для мгновенных значений несинусоидального тока или напряжения.

  1.  В каких случаях при разложении в ряд Фурье напряжения или тока отсутствует постоянная составляющая ?
  2.  Какие коэффициенты характеризуют форму несинусоидальной кривой?
  3.  Какие бывают причины возникновения несинусоидальных напряжений и токов в электрических цепях?
  4.  Как по виду кривой установить, содержит ли она четные гармоники?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77931. ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 18 KB
  Физически измеряются: деформации под действием силы и напряжения емкостными индуктивными пьезо и тензодатчиками. Основным недостатком ненаклеиваемых датчиков является разный теплоотвод от его элементов следовательно сильное влияние нагрева от измерительного тока что заставляет снижать токснижая чувствительность датчика. Удлинение датчика до 5 на бумажной или полиамидной основе и 0. Применяемый для крепления датчика клей существенно влияет на характеристики измерения за счет: деформации сдвига передающей деформация на резистор ...
77932. КАЧЕСТВО ПРОДУКЦИИ И ЕГО КОНТРОЛЬ 19.5 KB
  Контроль качества контроль количественных и качественных характеристик произведенной продукции. Входной контроль для выяснения качества исходных материалов документации и оборудования. Для возможности сравнения двух вариантов технологии мера качества или иначе критерий качества должна быть определена как закон по которому каждой совокупности характеристик можно поставить в соответствие одно число. Естественно что критерии качества будут разными не только для разных применений разных технологий и разных...
77933. НЕРАЗРУШАЮЩИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ 160 KB
  Быстрые электроны получают в разных ускорителях или от изотопных источников теллур стронций бета излучения. Спектр излучения сплошной с характеристическими пиками материала мишени. Размер зоны излучения определяется размером пучка электронов и лимитируется допустимой плотностью мощности на мишени. Ионизационная...
77934. УЛЬТРАЗВУКОВАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ 22.5 KB
  Обычно дефекты в виде неоднородности среды превышают по размерам длину волны колебания. Наиболее распространены шесть методов УЗ контроля: Импульсный эхометод состоит в анализе отраженной волны короткого импульса УЗ. Характеристика направленности определяется интерференцией волны от разных точек излучателя и описывается функцией SIN X X с аргументом зависящим от соотношений линейного размера излучателя и длины волны колебания. Скорость распространения волны: C = где K модуль всестороннего сжатия RO плотность.
77935. МАГНИТНЫЕ И ДРУГИЕ МЕТОДЫ КОНТРОЛЯ 15.5 KB
  Контроль магнитного поля для фиксации неоднородности соответствующей дефекту может осуществляться разными методами: Порошковый метод применяется для анализа статического остаточного поля и заключается в налипании ферромагнитного порошка...
77936. СПОСОБЫ ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ЗОНЫ ОБРАБОТКИ 16.5 KB
  Сигнал о распределении освещенности по длине получают дифференцируя выходной сигнал датчика по напряжению сканирования. Траектория сканирования обычно круговая если ось сканирования совпадает с осью засветки изменений сигнала нет в противном случае амплитуда пульсаций зависит от величины смещения а фаза от направления. Различия в устройстве сканаторов дают разные траектории и параметры сканирования: Качающиеся и вращающиеся зеркала расположенные до или после объектива перемещают изображение по окружности с угловой скоростью вдвое выше...
77937. СРЕДСТВА ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ 33.5 KB
  При оптическом контроле зоны технологического процесса безотносительно к типу датчика необходимо решить ряд вопросов: Спроецировать изображение зоны в плоскость преобразователя. Обеспечить соответствие диапазона яркостей изображения динамическому диапазону датчика. За редким исключением оптический датчик невозможно разместить в зоне технологического процесса и световую картину проецируют на чувствительную поверхность датчика обычно с помощью линзовых объективов. Как правило обрамление лазерного луча в виде сопла...
77938. Температурные измерения 21.5 KB
  Температурные измерения Основным эффектом лазерных технологий является термическое воздействие по этому измерение температуры при контроле процесса во многих случаях эквивалентно измерению параметров изделия. Диапазон температур регистрируемых в технологии совпадает обычно с диапазоном температур фазовых превращений иногда фиксируют более высокие температуры парогазового канала. Термопары используют эффект Зеебека состоящий в возникновении ЭДС на спае двух металлов контактной разности потенциалов зависящей как от материалов так и от...
77939. ПАРАМЕТРЫ ПЛАЗМЕННОГО ФАКЕЛА 34.5 KB
  Кроме геометрических следует назвать такие интегральные параметры факела: температура плазмы поглошение излучения преломление излучения рассеяние излучения концентрация частиц интенсивность излучения общая и отдельных линий Дифференциальные параметры представляют собой зависимость измерения от положения точки измерения. Поскольку процесс фиксации массива даже минимальной размерности занимает время порядка миллисекунд то динамика поведения плазмы с характеристическими временами в доли микросекунд остается не зафиксированной. К таким параметрам...