Исследование неразветвленной электрической цепи однофазного синусоидального тока для студентов инжен

Работа добавлена на сайт samzan.net:

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра МиАС

Методические указания

к лабораторной работе № 4

« Исследование неразветвленной электрической цепи однофазного

синусоидального тока»

для студентов инженерных специальностей

очной и заочной формы обучения

Составили:

Шулаева Л.В., Кириллова Р.Д.

Тюмень 2009 г.

Наименование учебно-методического материала: Шулаева Л.В., Кириллова Р.Д.

Методические указания к лабораторной работе № 4 « Исследование неразветвленной электрической цепи однофазного синусоидального тока» для студентов инженерных специальностей очной и заочной формы обучения.

 Тюмень ТюмГАСУ, 2009 г. стр. 16

Рецензент___________зав. кафедры информатики к.т.н. Третьяков П.Ю.  

         (степень, звание, фамилия, имя, отчество) 

Учебно-методический материал утвержден на заседании кафедры:

Протокол №___________________от _________2009 г.

Учебно-методический материал утвержден на УМС университета:

Протокол №___________________от___________2009 г.

Тираж____________________________________________экземпляров.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Цель работы___________________________________________________4_

2.Основные теоретические положения_______________________________4

3. Резонанс напряжений___________________________________________9

4.Порядок выполнения работы_____________________________________13

5.Содержание отчета_____________________________________________14

6.Контрольные вопросы___________________________________________15

7. Библиографический список______________________________________15
      1.  Цель работы.

1. Проверка применимости законов Кирхгофа для цепей однофазного переменного тока.

- Убедиться, что при последовательном соединении электроприёмников полное напряжение в цепи  равно геометрической сумме падений напряжения на участках цепи (второй закон Кирхгофа).

2. Исследовать влияние изменения одного из параметров цепи – реактивного емкостного сопротивления xc -  на величину тока, потребляемого цепью (резонанс напряжений).

2.  Основные теоретические положения.

В настоящей работе исследуется неразветвленная (последовательное соединение приемников) электрическая цепь однофазного переменного синусоидального тока, содержащая активное, реактивное индуктивное, реактивное емкостное сопротивления (Рис.1).

Под действием переменного синусоидального напряжения, приложенного к цепи, в ней возникает ток, изменяющийся во времени по синусоидальному закону. Аналитически его можно описать выражением:

i =Im sinωt                      (1)

Проходя по элементам цепи, ток создает на них падения напряжения, мгновенные значения которых равны:

   (2)

Из полученных выражений (2) для мгновенных значений падений напряжения можно сделать выводы:

1.  – падение напряжения на катушке индуктивности uL в своих изменениях опережает по фазе изменения тока на  (90º),  т.е. угол сдвига фаз φL = +;

1.  – падение напряжения на конденсаторе uС отстает по фазе от тока на  (90º), т.е.  угол сдвига фаз φС = (-);

1.  – падение напряжения на резисторе uR совпадает по фазе с током, т.е.угол сдвига фаз φR = 0º;

1.   Амплитудные значения напряжений равны:

                   ULm = ILmXL;   UСm = IСmXС;   URm  = IRmR;     (3)

Для последовательного соединения элементов (Рис.1)

II  закон Кирхгофа можно записать в трех видах:

u = uL + uС + uR  - для мгновенных значений;           (4)

Ů = Ů Lm + ŮmL + ŮmR  - для амплитудных значений (в векторной форме);                                                                          (5)

Ů = ŮL + ŮC + ŮR - для действующих значений(в векторной

форме);                                                                         (6)

На основании II  закона  Кирхгофа строится векторная диаграмма для амплитудных значений.

На практике чаще строится векторная диаграмма для действующих значений. Для этого уравнение (5) надо разделить на    .   

       

Для удобства суммирования можно строить векторы, пользуясь правилом многоугольника: каждый последующий вектор строится от конца предыдущего. Такая диаграмма называется топографической (Рис. 3).

Вектор ŮР = ŮL + ŮC – вектор полного реактивного напряжения.

Следует учесть, что в данном случае активная составляющая Ůа вектора полного напряжения совпадает с вектором ŮR  (Ůа = ŮR).

Из векторной диаграммы (Рис. 3) видно, что:

                    ,               (7)

т.к. UR =I·R; UL =I·XL;  UC =I·XС, (из формулы (3), поделив величины на ),

получаем:

                            U = I·                     (8)

Из формулы (8) выразим силу тока

                     - закон Ома                        (9)

где                                    -                        (10)  

полное сопротивление цепи переменного тока с последовательным соединением приемников.  

Если в цепи несколько активных и реактивных элементов, то параметры R, XL, XC в выражении (10) следует рассматривать как соответствующие суммы:

        (11) 

Из диаграммы (Рис. 3) следует, что

      (12)

Кроме того, видно, что в зависимости от величины UL и UС , напряжение U  может  отставать, опережать или совпадать по фазе с током I.

Если UL > UС , а это будет тогда,  когда XL > XС, т.е. полное сопротивление Z – активно – индуктивное, а напряжение опережает по фазе ток (φ > 0).

Если UС > UL, (т.е. XС > XL), полное сопротивление Z – активно – емкостное, а напряжение отстает по фазе от тока (φ < 0).

Если UL = UС, (т.е. XL = XС), полное сопротивление Z = R – активное, а напряжение совпадает по фазе с током (φ = 0).

В цепях переменного тока протекают более сложные энергетические процессы, обусловленные наличием разнородных элементов: активного – R, реактивных XL и XС. На активном элементе – резисторе – происходит необратимое преобразование энергии электрического тока в другие формы энергии (в основном, в тепловую). Скорость такого преобразования – активная мощность – выражается следующим соотношением:

P = I2R =IUR= IUcos φ  (Вт, кВТ)           (13)

На реактивных элементах L (катушка индуктивности) и C (конденсатор) происходит обратимый процесс преобразования энергии электрического тока в энергию магнитного поля (на катушке) и электрического поля (на конденсаторе). Энергия как бы совершает колебания между источником и реактивной нагрузкой.

Интенсивность  таких колебаний количественно оценивается

реактивной мощностью:

QL = I2 XL = IUL =  IUsin φ  (ВАР, кВАР)       (14)

– реактивная индуктивная мощность;  

QС = I2 XС = IUC = IUsin φ  (ВАР, кВАР)       (15)

- реактивная емкостная мощность.

Полная мощность:       (ВА, кВА)             (16)                                 

где  Q = QL – QC – реактивная мощность цепи.

В данной работе рассматривается электрическая цепь, состоящая из резистора - R,  конденсатора - C и катушки индуктивности (rк, XL) – (Рис. 4). Катушка обладает не только реактивным сопротивление, но и активным:

                      rк = ZК сos φк                        (17);

                     XL = ZК sin φк                       (18)

  Полное сопротивление катушки ZК можно найти из закона Ома:

                    ZК =               (19)

Полное сопротивление цепи  Z можно определить:

Z =        (20)

Значение угла сдвига фаз φК между падением напряжения на катушке и током взять из предыдущей работы.

3. Резонанс напряжений.

Резонанс напряжений – это такой режим работы неразветвленной электрической цепи переменного тока, при котором полное напряжение (входное) и ток совпадают по фазе (φ = 0), т.к. из (12)

,

Условием резонанса является соотношение:   

                                                  XL = XС                                (21)

Следовательно:

При резонансе:  

                        Lω=,             LCω2 = 1               (22)

Анализируя (22) приходим к выводу, что резонанс в цепи можно получить тремя способами:

1.  – изменением частоты при постоянных L и C;
2.  – изменением индуктивности при постоянных C и ω;
3.  – изменением емкости при постоянных L и ω.

       Резонансная частота              ω0 =

При резонансе полное сопротивление цепи становится равным только активному сопротивлению:

               = R  (при XL =XС)       (23)

При этом оно достигает своего наименьшего значения, а следовательно, ток при резонансе  достигнет максимально  возможной величины.  

IРЕЗ =                 (24)

При резонансе реактивные напряжения UL и UС становятся равными по величине, но противоположными по направлению, т.к. между ними имеет место сдвиг фаз, равный 180º, это приводит к тому, что реактивное напряжение цепи UР становится равным нулю (Рис. 6).

UL =I· XL;                    UС = I· XС;

                                      при            UL = UС;              

UР = UL - UС =0

Таким образом, полное напряжение становится равным падению напряжения на активном элементе

U= I· ZРЕЗ = I· R= UR

На Рис. 6 изображена векторная диаграмма напряжений для случая резонанса. Активная мощность такой цепи:

РРЕЗ = IUcos φ = IUcos 0º= IU = S,

а реактивная  QРЕЗ  =  IUsin φ =  0

Реактивные мощности индуктивной катушки QL = I2 XL и конденсатора QС = I2 XС не равны нулю. Происходит непрерывный обмен энергией между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. При резонансе реактивная энергия циркулирует внутри контура электрической цепи от катушки индуктивности к конденсатору и обратно. Обмена энергией между источником и цепью не происходит.

При резонансе падения напряжения на катушке и конденсаторе равны:

                    ULРЕЗ  =  IРЕЗ XL =  XL ;   UСРЕЗ =  IРЕЗ XС = XС,

Из этих выражений следует, что

                                       при          XL = XС > R,

напряжения UL и UС могут быть больше напряжения U, приложенного ко всей цепи.

Это обстоятельство следует учитывать при эксплуатации электротехнических устройств, так как при резонансе напряжений на отдельных элементах устройств падение напряжения может превысить величину напряжения прочности изоляции.

Явление резонанса широко используется в устройствах радиотехники, телевидения, автоматики и др.

Если электрическая цепь (Рис. 1) имеет параметры L и C такие, что резонансной для этой цепи является частота  ω0 = , то ток этой частоты будет иметь максимальное значение.  

Токи других частот будут меньше. Изменяя индуктивность L и емкость C , можно настраивать контур на ту или иную резонансную частоту и усиливать в цепи ток соответственно той или иной частоты.

4.Порядок выполнения работы.

1.  Ознакомиться с лабораторной установкой (модуль питания, модуль резисторов, модуль амперметров переменного тока, модель вольтметров).

1.  Собрать электрическую цепь (рис. 7), установив заданные значения сопротивления резистора R и емкости С = 60 мкФ. Предъявить собранную цепь преподавателю для проверки.

1.  Подать питание к стенду, повернув вверх ключ QF модуля питания. Затем подключить приборы к источнику питания, включив выключатель SA1 (вверх) того же модуля.

1.  Измерить силу тока амперметром и величину напряжений UR, UK, UC вольтметром. Записать показания приборов в таблицу 1.

1.   Снять показания приборов при емкости конденсатора С = 120мкФ и С = 250 мкФ. Результаты измерений занести в таблицу 1.

1.  По результатам измерений построить в масштабе векторные диаграммы.

1.  Для измерения с С = 120 мкФ заполнить таблицу 2. Для определения

R и Х использовать данные предыдущей работы.

1.  Сделать вывод о применении второго закона Кирхгофа в цепях переменного тока.
2.  

Таблица 1

Схема	U,B	I,A	UR,B	UK,B	UC,B	P,Вт
R,Zk,XC1
R,Zk,XC2
R,Zk,XC3

Таблица 2

S,BA	SR,BA	SK,BA	SC,BA	PR,Вт	PK,Вт	PC,Вт	QK,ВАР	QС,ВАР	R,Ом	X,Ом	Z,Ом

5. Содержание отчета.

1.  – наименование работы;
2.  -  цель работы;
3.  – схема исследуемой цепи;
4.  – таблицы с результатами опытов и вычислений;
5.  – расчетные соотношения;
6.  – векторные диаграммы;
7.  – выводы о проделанной работе;
8.  – письменные ответы на контрольные вопросы (вопросы списать).

6. Контрольные вопросы.

1.  Что характеризует активная мощность?
2.  Что характеризует реактивная мощность?
3.  По какой формуле можно рассчитать:

•  активную мощность цепи;
•  реактивную мощность цепи;
•  полную мощность.

4. Что такое резонанс напряжений? Условие резонанса напряжений.

5. Могут ли действующие значения падения напряжений на катушке и конденсаторе превысить действующее значение напряжения на зажимах цепи? При каких условиях?

6. Как в опыте определить состояние резонанса цепи?

7. Чему равен cos φ резонансе?

8. Какая мощность потребляется цепью при резонансе?

9. Где находит практическое применение резонанс напряжений?

13.  Библиографический список.

1.А.С. Касаткин, М.В. Немцов «Электротехника»,  М., ВШ., 2000.

1.А.С. Касаткин, М.В. Немцов «Электротехника»,  М., ВШ., 2000.

2.Иванов И.И.,Соловьев Г.И., Равдоник В.С.«Электротехника», Изд-во «Лань», 2005.

3.Рекус Г. Г., Белоусов А.И.«Сб. задач по электротехнике и основам электроники» М.: Высш.шк.,2001.

4. «Электротехника» (Под ред. В. С. Пантюшина), М., BШ, 1976.

1. Все частные случаи тавтологий и тождественноистинных формул законы Де Моргана и проч
2. а злокачественное новообразование лёгкого происходящее из эпителиальной ткани бронхов различного калибр
3. 2003 ВВР 2004 N 1718 ст
4. Лабораторная работа 6 ТЕМА- Создание таблиц базы данных
5. Кассовые операции
6.  Многоугольники 2 1
7. Организация работы секретаря
8. Начинающий предприниматель на 20052009 годы В целях реализации Концепции политики Правительства Кировс
9. Преобразование звуковых колебаний в электрические и электрических в звуковые
10. Норман Пензер Гарем. История, традиции, тайны
11. Реферат- Факторы и механизмы организационного развития
12. побутової промислової транспортної енергетичної та інших інфраструктур; природного середовища яке утвор
13. Для осуществления своих преступных замыслов Главой города Вологды Е
14. ДИПЛОМНАЯ РАБОТА ldquo;ВЛИЯНИЕ СТРЕССА НА ФУНКЦИИ СЕРДЕЧНОСОСУДИСТОЙ СИСТЕМЫ ВОЕННОСЛУЖАЩИХrdquo;
15. Элементы ядерной физики.html
16. Тема 6- Міжнародна міграція робочої сили
17. 20 г ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ СТАНДАРТ НАЧАЛЬНОГО П1
18. Правове регулювання пенсійного страхування в Україні у 1920-х рр
19.  1 Отечественная анатомия в XX столетии- В
20. на тему- Функціонування студентських гуртожитків Виконав- Прийняв- Львів 2013

Материалы собраны группой SamZan и находятся в свободном доступе