Меню

Исследование простых цепей переменного тока



Лабораторная работа: Исследование цепи переменного тока

ИССЛЕДОВАНИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Изучение явления резонанса в цепи переменного тока. Проверка закона Ома для цепи переменного тока.

Оборудование: стенд для исследования явлений в цепи переменного тока, генератор переменного тока ГЗ –109 (генератор звуковой), вырабатывающий переменный ток с частотой 20 – 20 000 Гц, т. е. в «звуковом» интервале частот, магазин сопротивлений, мультиметр.

Незатухающие вынужденные электрические колебания обычно называют переменным током. Частота переменного тока f – это число колебаний в 1 секунду. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. С помощью генераторов переменного тока можно получать переменный ток любой частоты. При этом напряжение на выходе генератора обычно меняется по гармоническому закону

, (1)

где w =2 p f циклическая частота, f — линейная частота, Um – амплитуда (максимальное значение) напряжения.

Если источник переменного напряжения (генератор) с частотой w подключить к электрической цепи, то в ней возникнут колебания силы тока той же частоты. Но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. В общем случае мгновенное значение силы тока i определяется по формуле

, (2)

где j — разность (сдвиг) фаз между колебаниями тока и напряжения, Im – амплитуда силы тока.

· В проводнике с активным сопротивлением (резисторе) колебания силы тока по фазе совпадают с колебаниями напряжения, а амплитуда силы тока определяется равенством:

, (3)

где R – (активное) сопротивление резистора.

· В катушке индуктивности колебания силы тока отстают от колебаний напряжения на угол j = p /2 . Амплитуда силы тока в катушке равна

.

Величину XL = w L = 2 p fL (4)

называют индуктивным сопротивлением .

· На конденсаторе колебания силы тока опережают колебания напряжение на угол j = p /2. Амплитуда силы тока равна:

.

Величину (5)

называют емкостным сопротивлением .

Рассмотрим электрическую цепь (рис. 1), состоящий из соединенных последовательно резистора R , конденсатора С и катушки индуктивности L . Эта цепь является колебательным контуром, в которой возможны собственные электрические колебания с частотой

(6)

Если к концам этой цепи приложено переменное напряжение, изменяющееся по закону (1), то в ней возникнут вынужденные электрические колебания с частотой w . Сила этого переменного тока будет определяться по формуле (2), причем для нахождения амплитуды и фазы тока необходимо учесть влияние всех элементов цепи: R , L , С . Лучше всего это можно сделать с помощью векторной диаграммы (треугольника сопротивлений) (рис. 2). Из рисунка видно, что полное сопротивление цепи равно:

, (7)

а сдвиг фаз между током и напряжением

. (8)

Разность X = ( XL XC ) называется реактивным сопротивлением цепи.

(9)

называют законом Ома для цепи переменного тока (по аналогии с законом Ома для постоянного тока I = U / R ).

Обычные электроизмерительные приборы для переменного тока позволяют измерять эффективные (действующие ) значения силы тока и напряжения, которые связаны с амплитудными значениями:

. (10)

Очевидно, что вид закона Ома для цепи переменного тока не меняется, если вместо амплитудных использовать эффективные значения силы тока и напряжения.

Как известно, резкое увеличение амплитуды колебаний колебательной системы при совпадении частоты вынуждающих колебаний с частотой собственных колебаний системы называется резонансом .

Сила тока в рассматриваемой цепи зависит как от величин R , L , C , так и от частоты w вынуждающих колебаний. Если менять частоту переменного тока, подводимого к рассматриваемой цепи, то при определенной частоте индуктивное сопротивление XL становится равным емкостному сопротивлению XC

(11)

При этом полное сопротивление цепи становится минимальным и равным активному сопротивлению цепи Z = R . Сила тока достигает максимального значения — наступает резонанс, причем резонансная частота совпадает с частотой собственных колебаний контура

(12)

При последовательном соединении элементом цепи (как в данном случае) при резонансе падение напряжения на конденсаторе и катушке индуктивности становятся одинаковыми по величине – резонанс напряжений

, (13)

причем их величины могут значительно превышать приложенное напряжение.

«Острота» резонансной кривой характеризуется ее относительной полушириной :

, (14)

где D f =( f 2 f 1 ) ) – разность значений частоты, соответствующих . Эта величина Q называется еще добротностью колебательного контура (колебательной системы). Можно показать, что добротность колебательного контура определяется его параметрами:

(15)

Добротность показывает, во сколько раз падение напряжения на конденсаторе и катушке при резонансе больше, чем приложенное напряжение

(16)

На рисунке 3 показано семейство резонансных кривых при различных значениях активного сопротивления цепи — чем больше активное сопротивление контура, тем менее выражен резонанс.

В работе для измерения различных характеристик цепи используется универсальный измерительный прибор – мультиметр. Положение переключателя прибора определяет характер измеряемой величины: сопротивление – «W» (пределы 0-200 Ом, 0,2-2 k Ом, и т.д.) ; постоянное напряжение «V-» (пределы 0-200мВ, 0,2-2В и т.д.) ; переменное напряжение – «V

» (пределы 0-2В, 2-20В и т.д .); сила переменного тока – «А

» (пределы 0-20мА, 20-200мА и т.д.), сила постоянного тока «А-» (пределы 0-20мА, 20-200 мА и т.д.). Один из щупов постоянно подключен к клемме «СОМ» мультиметра; второй щуп при измерении напряжения и сопротивления подключается к клемме «V/W,» а при измерении силы постоянного и переменного тока до 200 мА – к клемме «mA». Следует быть очень внимательным при работе с мультиметром.

В эксперименте используется стенд, собранный по схеме рис. 1. К соответствующим клеммам стенда подключается генератор синусоидальных колебаний, электроизмерительные приборы и магазин сопротивлений, играющий роль активного сопротивления. Параметры входящих в цепь элементов указаны на стенде.

У генератора используется «Выход 2», 5 Ом. При этом собственное сопротивление генератора, как источника тока, оказывается гораздо меньше, чем сопротивление исследуемой цепи, и может не учитываться при расчетах. Выходное напряжение регулируется ручкой «Напряжение – Плавно». Не следует работать в режиме, при котором стрелка индикаторного вольтметра, установленного на генераторе, «зашкалевает», так как при этом может происходить искажение формы выходного сигнала (отклонение сигнала от синусоидальной формы). Частота генерируемого переменного тока регулируется с помощью лимба и ступенчатого переключателя.

Задание 1 . Предварительные расчеты и измерения

1. На стенде указаны приблизительные значения емкости установленного конденсатора и индуктивность катушки. Рассчитайте с помощью формулы (12) приблизительное значение резонансной частоты f рез (записать в отчет). Это дает возможность определиться с областью частот, в которой предстоит делать измерения.

2. Катушка индуктивности, установленная на стенде, имеет значительное активное сопротивление, которое следует учитывать в дальнейших измерениях. Поэтому с помощью мультиметра (переключатель «W», 2k – 0,2-2 кОм, щупы подключены к клеммам «COM», «V/W») измерьте и запишите в отчет величину активного сопротивления катушки RL . Щупы подключаются к клеммам «С1 , С2 » стенда.

3. Конденсатор, установленный на стенде, не является идеальным, т.е. в процессе работы он дает утечки тока через изоляцию обкладок, что эквивалентно включению параллельно конденсатору некоторого сопротивления. Однако это явление мы не будем учитывать в дальнейшем, так как его влияние на опыт не велико.

4. Для наблюдения явления резонанса можно следить за изменением в зависимости от частоты: силы тока в цепи, напряжения на катушке или напряжения на конденсаторе. В данном опыте рекомендуется снять зависимость силы переменного тока от частоты I = f ( n ) , для чего щупы мультиметра (щупы – «СОМ», «mA», переключатель – «А

0-20мА ) подключаются к клеммам «А 1, А2 » стенда.

5. Включите генератор и дайте ему прогреться несколько минут.

Читайте также:  Выражение для индукционного тока

6. Особо следует определить точное значение резонансной частоты. Для этого надо, медленно вращая ручку регулировки частоты в диапазоне ( f рез ± 50 Гц) и внимательно наблюдая за показаниями амперметра, «поймать» частоту, при которой сила тока в цепи принимает максимальное значение. Значение резонансной частоты заносится в отчет. Опыт лучше проводить, когда на магазине сопротивлений установлено нулевое значение.

7. Находясь на резонансной частоте, измерьте падение напряжения на конденсаторе

UC РЕЗ (клеммы «В1 , В2 » стенда) и катушке индуктивности U LРЕЗ . (клеммы «С1 , С2 » стенда). Мультиметр – щупы «COM», «V/W», переключатель «V

», 20V). Так как при этом измерении амперметр будет выведен из цепи, цепь окажется разорванной. Чтобы ее замкнуть, перемкните клеммы «А1 , А2 » стенда перемычкой.

В идеальном случае согласно теории резонанса для цепи с «сосредоточенными» параметрами U LРЕЗ . = UC РЕЗ . Если это не наблюдается, то объясните причины расхождения.

Задание 2. Снятие резонансных кривых.

1. Первый опыт можно провести при нулевом сопротивлении магазина. При этом полное активное сопротивление контура равно активному сопротивлению катушки R = RL .

2. Снятие резонансных кривых желательно провести в диапазоне частот: ( f РЕЗ – 200)Гц – ( f РЕЗ + 200)Гц с шагом приблизительно 20 Гц.

3. Подключите мультиметр к клеммам «А1 , А2 » — п. 4 задания 1. Запишите в таблицу 1 отчета значения силы тока при различных частотах.

4. Снимите еще две резонансные кривые при больших значениях активного сопротивления контура. Второй и третий опыт проведите, введя в контур с помощью магазина сопротивлений дополнительное активное сопротивление, так что R = RL + RM , где RM – сопротивление, устанавливаемое на магазине сопротивлений (например, 100 Ом, 200 Ом ).

5. Постройте (на миллиметровой бумаге – формат А4) на одном графике три резонансные кривые. Отметьте резонансную частоту (рис. 3).

6. Отметьте на графике силу тока в меньшее, чем резонансное значение в каждом из опытов. Измерьте ширины D f резонансных кривых на этих уровнях рассчитайте по формуле (14) величину добротности контура в трех случаях. Исходя из параметров контура по формуле (15) вычислите добротности контура в трех случаях. В выводе сравните измеренные и вычисленные добротности в каждом случае.

7. Сделайте вывод о влиянии активного сопротивления на вид резонансной кривой и добротность контура.

Задание 3. Проверка закона Ома для цепи переменного тока

Цель этого задания сравнить измеренное и вычисленное значение силы тока в цепи переменного тока.

1. Проверку желательно проводить на частоте, значительно (на 100-200 Гц ) отличающееся от резонансной частоты, например на частоте 300 Гц.

2. По формулам (4), (5) вычислите величины индуктивного XL и емкостного XC сопротивления на выбранной частоте. При этом используйте значения емкости конденсатора и индуктивности катушки, указанные на стенде. Вычислите величину реактивного сопротивления X = êXL XC ê.

4. Установите на магазине сопротивлений дополнительное активное сопротивление 100 – 200 Ом . Запишите полное активное сопротивление контура.

3. На миллиметровке (той же, что и для резонансных кривых) постройте треугольник сопротивлений (рис. 2). Можно выбрать масштаб 1 см = 100 Ом . Определите полное сопротивление цепи Z . Определите tg j и угол j сдвига фаз между током и напряжением.

5. Установите выбранную частоту. Измерьте подаваемое на цепь напряжение U (клеммы «D1 , D2 » стенда; мультиметр – щупы «COM», «V/W», переключатель «V

5. Вычислите по закону Ома (10) предполагаемую силу тока I в цепи при данных условиях

6. Подключите к стенду амперметр — клеммы «А 1, А2 » стенда (мультиметр, щупы – «СОМ», «mA», переключатель – «А

», 20m). Измерьте силу тока в контуре.

7. В выводе сравните между собой вычисленное и измеренное значение силы тока и сделайте вывод о выполнении закона Ома.

Отчет по лабораторной работе № 1

Исследование цепи переменного тока.

выполненной учащим…… школы «Поиск»

Задание 1 . Предварительные расчеты и измерения

Емкость конденсатора: С =……… мкФ =……… ´ 10 -6 Ф

Индуктивность катушки: L =……… мГн =…………………… Гн

Активное сопротивление катушки индуктивности: RL = ……… Ом

Расчетная резонансная частота: f рез = …………Гц

Измеренная резонансная частота: f рез = …………Гц

Падение напряжение на конденсаторе при резонансе: UC РЕЗ . = …… В

Падение напряжение на катушке индуктивности при резонансе: U LРЕЗ . = ……В

Задание 2 . Снятие резонансных кривых

Выбранный диапазон частот ………………………………………….

Источник

Однофазные цепи переменного тока

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ОДНОФАЗНЫЕ ЦЕПИ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Методические указания к лабораторным работам 6,7 по курсу «Электротехника и электроника»

для студентов химико-технологических

и технологических специальностей

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

Лабораторная работа 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОЙ ЦЕПИ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ

СОЕДИНЕНИЕМ РЕЗИСТОРА, ИНДУКТИВНОЙ

КАТУШКИ И КОНДЕНСАТОРА

Цель работы: экспериментальное изучение линейной цепи синусоидального тока, состоящей из последовательно соединенных резистора, индуктивной катушки и конденсатора; изучение основных закономерностей в такой цепи; получение резонанса напряжений и изучение свойств цепи в этом режиме.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Рассмотрим цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора (R), индуктивной катушки (L, Rк) и конденсатора С. Схема цепи показана на рис.1.

Рис.1. Последовательное соединение элементов R, L и С

Пусть цепь включена на синусоидальное напряжение , начальная фаза которого равна нулю. Тогда по цепи потечет ток, амплитуда которого будет определяться амплитудой напряжения Um и полным сопротивлением цепи Z, а начальная фаза тока будет зависеть от соотношений реактивных сопротивлений индуктивности XL и емкости XC. Возможны три случая: если XL >XC, то ток отстает от напряжения на угол j; если XL XC векторная диаграмма показана на рис.2.

Рис. 2. Векторная диаграмма

При построении вектор напряжения в масштабе mU откладывают по направлению тока I, затем к концу вектора прибавляют вектор напряжения на активном сопротивлении катушки , затем к концу вектора прибавляют вектор напряжения на индуктивности . Этот вектор опережает ток на 90°. Вектор напряжения на емкости прибавляют к концу вектора , отстающим от тока на 90°. Вектор напряжения сети проводят из качала вектора в конец вектора . При правильном построении длина вектора , умноженная на масштаб mU, должна быть равна напряжению на зажимах цепи. Вектор напряжения на катушке равен геометрической сумме векторов и . Величина этого напряжения равна

Векторные диаграммы для последовательной цепи при XL , то в режиме резонанса напряжения на катушке и конденсаторе будут больше напряжения сети, что приводит к опасности пробоя изоляции в катушке или конденсаторе, поэтому в силовых цепях такой режим недопустим.

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

В радиотехнике, где абсолютные величины напряжений не велики, резонанс напряжений может использоваться для усиления сигнала. При

XL >>R; UL>>U сети.

Для цепи (рис.1) справедливы следующие соотношения для мощностей:

— активная мощность (Вт, кВт);

— реактивная мощность (В×Ар; кВ×Ар);

— полная мощность (В×А кВ×А); или ; ; ; ; .

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Описание экспериментальной установки

Исследование последовательной цепи проводится на лабораторном стенде под названием «Однофазный ток». На стенде имеется схема опыта, необходимые приборы, изображены схемы замещения резистора, индуктивной катушки и конденсатора. От каждого из элементов выведены два зажима, необходимые для сборки цепи. Схема опыта представлена на рис.5.

Читайте также:  Схема параметрического стабилизатора постоянного тока

Для изменения величины емкости в цепи батарея конденсаторов имеет несколько тумблеров и два щеточных переключателя, позволяющих включать десятки или единицы микрофарад емкости. Суммарная емкость батареи конденсаторов — 110 мкФ.

Напряжение источника питания стенда 24 и 36 вольт.

Приборы и методика измерений

Амперметры и вольтметры, постоянно установленные на стенде, имеют электромагнитную систему измерительного механизма. Приборы измеряют действующие значения переменных величин. Класс точности приборов 1,5. Переносной многопредельный лабораторный ваттметр класса точности 0,5 ферродинамической системы. Он имеет три переключателя: переключатель тока, переключатель напряжения, переключатель рода работы (измерение тока, или измерение напряжения, или измерение мощности). Предел измерения ваттметра определяется положением его переключателей

где I — ток, на который установлен переключатель тока;

U — напряжение, на которое установлен переключатель напряжения.

Цена деления ваттметра определяется по формуле

где n — число делений шкалы прибора.

Мощность, измеряемая ваттметром, будет равна Р = С× n’, где n’ — число делений шкалы, показываемое стрелкой прибора.

В данной лабораторной работе при измерениях используется метод непосредственного отсчета с прямыми однократными измерениями.

Точность прямых измерений оценивается определением абсолютной максимальной погрешности по формуле

где Am – верхний предел измерения прибора;

К — класс точности прибора.

Результат измерения записывается в виде

А±DА,

где А — показание прибора.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Перед сборкой схемы убедитесь в том, что стенд отключен от сети. Ручка пакетного выключателя при этом находится в положении “откл”, а сигнальная лампа не горит.

2. Стенд включается только преподавателем или лаборантом после проверки схемы.

3. При измерениях не касайтесь оголенных токоведущих частей. Провода, подключенные к переносным приборам, держите за изолированные части.

4. Не прикасайтесь к зажимам отключенных конденсаторов, так как заряд на них может сохраняться длительное время.

5. По окончании измерений выключите стенд.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться со стендом и схемой опыта.

Рис. 5. Схема опыта

2. Собрать схему опыта (рис. 5).

3. Записать технические характеристики применяемых приборов, указав: наименование прибора, его марку, тип измерительного механизма, предел измерения, класс точности, заводской номер,

4. Собранную схему показать преподавателю для проверки. После проверки включить стенд в работу, при этом загорится сигнальная лампочка.

5. Изменяя величину емкости конденсаторов, добиться в цепи максимального тока; при этом должно выполняться условие Uк >UC. При этом условии в цепи наступит резонанс напряжений.

Записать показания всех приборов в табл.1, в четвертой строке.

U, B

C, мкФ

I, A

UR, B

UК, В

UC, B

P, Вт

R, Ом

RК, Ом

ХC, Ом

ХL, Ом

ZК, Ом

jК,

S, B×A

cosj

6. Произвести измерения тока, мощности и напряжений на элементах цепи при трех значениях емкости батареи конденсаторов меньших, чем при резонансе. Данные занести в табл.1, строки 1¸3. При этом необходимо следить, чтобы при записи данных в табл.1 от первой строки (для С= О) к последней (С= 110 мкФ) емкость монотонно увеличивалась.

7. Произвести измерения тока, мощности и напряжения на элементах для трех значений емкости больших, чем при резонансе. Данные занести в табл.1,строки 5, 6, 7.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ

1. По данным наблюдений вычислить величины:

R (Ом); RК (Ом); L (Гн); ХL (Ом); ХС (Ом); ZК (Ом);jК ; Z (Ом); cosj.

Вычисления провести для всех строк табл.1, имея в виду, что величины R; RК; L; XL; ZК; jК — постоянные, поэтому их достаточно вычислить один раз для режима резонанса напряжений. Остальные величины — переменные, и их вычисления следует проводить для каждой строки табл.1. Вычисления проводить по формулам:

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

где Р – мощность, измеряемая ваттметром Вт; IРЕЗ — ток в цепи в режиме резонанса.

R= UR/IРЕЗ,

где UR — падение напряжения на резисторе в режиме резонанса.

RК=RS R, Ом,

где f=50 Гц; СРЕЗ – в мкФ.

где С – текущее значение емкости в мкФ.

Z= U/I, где U – напряжение в начале цепи.

cosj = RS/z.

2. По результатам наблюдений в одной и той же системе координат построить следующие кривые: I = f(C); Uк= f(C); UC = f(C).

3. По данным измерений и вычислений построить векторные диаграммы для трех случаев: а) XL > XC, б) XL = XC, в) XL XC, б) XL = XC, в) XL I3. Это и будет резонанс токов. Записать показания всех приборов в табл.2, в четвертой строке.

Источник

Символический (комплексный) метод расчета цепей переменного тока

ads

Одним из способов расчета цепей переменного тока является комплексный, или еще как говорят, символический метод расчета. Этот метод применяется при анализе схем с гармоническими ЭДС, напряжениями и токами. В результате решения получают комплексное значение токов и напряжений, используя для решения любые методы (эквивалентных преобразований, контурных токов, узловых потенциалов и т.п.). Но для начала необходимо иметь понятие, в каких именно формах может представляться синусоидальная величина. 1. Одна из форм представления – это вращающийся вектор (см. рис.1):

Рис.1. Вращающийся вектор

С помощью рисунка ясно видно, как с течением времени меняется значение синусоидальной величины. В нашем случае – это величина а на графике, которая может быть, например, входным напряжением. Величина имеет некоторое начальное значение при t = 0 при начальной фазе φ

имеет положительное максимальное значение при угле ωt3, когда при времени t3 сумма ωt3 + φ = 90° и соответственно,

имеет отрицательное максимальное значение при угле ωt7, когда при времени t7 сумма углов ωt7 + φ = 270° и, соответственно,

и имеет два нулевых значения при ωtn + φ = 0, когда ωtn = —φ (на рис.1 эта область не показана и находится слева от начала координат)

и имеет нулевое значение при угле ωt11, когда при времени t11 сумма ωt11 + φ = 360° и соответственно,

Именно по такому закону и меняется привычное нам переменное напряжение 220 В, изменяясь по синусоидальному закону от значения 0 В до максимальных 311 В и обратно.

2. Другая форма представления – это комплексное число. Чтобы представить ранее рассмотренную форму представления синусоидальной величины, которая имеет некоторую начальную фазу φ, создают комплексную плоскость в виде графика зависимости двух величин (рис.2)

Комплексное число на комплексной плоскости

Рис.2. Комплексное число на комплексной плоскости

Длина вектора Am на такой комплексной плоскости равна амплитуде (максимальному значению) рассматриваемой величины. С учетом начальной фазы φ такое число записывают как .

На практике при использовании для расчетов символического (комплексного) метода расчета используют для некоторых удобств не амплитудное значение величины, а так называемое действующее значение. Его величина в корень из двух раз меньше амплитудного и обозначается без индекса m, т.е. равна

действующее значение

На рисунке выше этот вектор также показан.
Например, при том же нашем напряжении в сети, максимальное значение синусоидально изменяющегося напряжения равно 311 В, а действующее значение, к значению которого мы привыкли

Действующее значение напряжения

При работе с комплексными числами и расчетов применяют различные формы записи комплексного числа. Например, при сложении комплексных чисел удобнее использовать алгебраическую форму записи таких чисел, а при умножении или делении – показательную форму записи. В некоторых случаях пишут тригонометрическую форму.
Итак, три формы записи комплексного числа:

Читайте также:  Приборы контроля силы тока

1) показательная форма в виде

Показательная форма комплексного числа

2) тригонометрическая форма в виде

Тригонометрическая форма комплексного числа

3) алгебраическая форма

Алгебраическая форма комплексного числа

где ReA — это действительная составляющая комплексного числа, ImA — мнимая составляющая.

Например, имеем комплексное число в показательной форме вида

в тригонометрической форме записи это запишется как

при подсчете получим число, плавно переходящее в алгебраическую форму с учетом того, что

В итоге получим

При переходе от алгебраической формы к показательной комплексное число вида

переходит к показательному виду по следующим преобразованиям

Таким образом, и получим

Перейдем к рассмотрению несложных примеров использования символического, или по-другому, комплексного метода расчета электрических цепей. Составим небольшой алгоритм комплексного метода:

      • Составить комплексную схему, заменяя мгновенные значения ЭДС, напряжений и токов их комплексным видом
      • В полученной схеме произвольно выбирают направления токов в ветвях и обозначают их на схеме.
      • При необходимости составляют комплексные уравнения по выбранному методу решения.
      • Решают уравнения относительно комплексного значения искомой величины.
      • Если требуется, записывают мгновенные значения найденных комплексных величин.

Пример 1. В схеме рис.3 закон изменения ЭДС e = 141sin*ωt. Сопротивления R1 = 3 Ом, R2 = 2 Ом, L = 38,22 мГн, С = 1061,6 мкФ. Частота f = 50 Гц. Решить символическим методом. Найти ток и напряжения на элементах. Проверить 2-ой закон Кирхгофа для цепи.

Схема с последовательным соединением элементов

Рис.3. Схема с последовательным соединением элементов

Составляем комплексную схему, обозначив комплексные токи и напряжения (рис.4):

Схема с комплексными обозначениями

Рис.4. Схема с комплексными обозначениями

По закону Ома ток в цепи равен

Закон ома в комплексной форме

где U — комплексное входное напряжение, Z — полное сопротивление всей цепи. Комплекс входного напряжения находим как

Пояснение: здесь начальная фаза φ = 0°, так как общее выражение для мгновенного значения напряжение вида при φ = 0° равно

Соответственно, комплекс входного напряжения в показательной форме запишется как

Полное комплексное сопротивление цепи в общем виде

Находим комплексное сопротивление индуктивности

Находим комплексное сопротивление емкости

Соответственно, общее комплексное сопротивление цепи

Комплексные напряжения на элементах

Проверяем второй закон Кирхгофа для замкнутого контура, т.е. должно выполняться равенство

С небольшим расхождением из-за округлений промежуточных вычислений всё верно.

Пример 2. В электрической цепи (рис.5) однофазного синусоидального тока, схема и параметры элементов которой заданы для каждого варианта в таблице, определить:
1) полное сопротивление электрической цепи и его характер;
2) действующие значения токов в ветвях;
3) показания вольтметра и ваттметра;

      Исходные данные: Е = 220 В, f = 50 Гц, L1 = 38,2 мГн, R2 = 6 Ом, С2 = 318 мкФ, L2 = 47,7 мГн, R3 = 10 Ом, С3 = 300 мкФ.

Рис.5.Цепь однофвзного синусоидального тока

Решение:
1. Находим комплексные сопротивления ветвей и всей цепи:
Учитываем, что

Комплексное сопротивление первой ветви:

Комплексное сопротивление второй ветви:

Комплексное сопротивление третьей ветви:

Общее сопротивление цепи

— нагрузка носит активно-индуктивный характер

2. Находим действующие значения токов в ветвях:

Рис.6. Схема с обозначенными комплексными токами

Действующие значения, соответственно,

3. Определим показания приборов:
Вольтметр подключен по схеме параллельно источнику питания. Соответственно его показание равно:
U=220 В
Ваттметр включен токовой обмоткой в разрыв третьей ветви, а обмоткой напряжения также к выводам третьей ветви, измеряя, таким образом, активную мощность третьей ветви. Эта мощность равна мощности на сопротивлении R3. Его показания:

Источник

Исследование простых цепей переменного синусоидального тока (Лабораторная работа по ТОЭ № 4Н)

Страницы работы

Фрагмент текста работы

Министерство образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра “Электротехника и электроника”

Лабораторная работа по ТОЭ №4Н

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЫХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО

СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

М и н с к 2 0 10

Л а б о р а т о р н а я р а б о т а №4Н

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТЫХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО

СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

1. Изучение методов расчета простых цепей переменного синусоидального тока.

2. Анализ соотношений между напряжениями и токами в цепях переменного тока с последовательным или параллельным соединением резисторов, конденсаторов и катушек.

3. Анализ углов сдвига фаз между напряжениями и токами в цепях переменного тока с последовательным или параллельным соединением резисторов, конденсаторов и катушек.

4. Изучение методов построения векторных диаграмм токов и напряжений для различных схем.

4.2. Исходные данные

1. Эквивалентные схемы исследуемых цепей (рис. 4.1, 4.2, 4.3, 4.4).

2. Параметры элементов схем (табл. 4.1).

3. Рабочие схемы исследуемых цепей и схемы включения измерительных приборов (рис 4.5, 4.6, 4.7, 4.8).

Т а б л и ц а 4.1.

4.3. Теоретические сведения и методические указания

В линейных цепях переменного тока все режимные функции (токи, напряжения) изменяются во времени по синусоидальному закону. При расчете таких цепей синусоидальные функции времени заменяют комплексными числами, в которых модули равны действующим значениям функций, а аргументы — начальным фазам функций:

u(t) = Um×sin(wt+a) ↔ U = (Um/√2)∙e jα

i(t) = Im×sin(wt+b) ↔ I = (Im/√2)∙e jβ

Реактивные сопротивления катушки и конденсатора: XL = wL, XC = 1/wC.

Расчет токов, напряжений, углов сдвига фаз в рассматриваемых схемах можно выполнять как в комплексной, так и в обычной форме.

Алгоритм расчета схемы с последовательным соединением элементов R, L, C в комплексной форме выглядит так:

Z = R + j(XL XC) = Ze j j — комплексное сопротивление схемы;

I = E / Z — ток в схеме;

UR = I·R, UX = I·jX-напряжения на отдельных элементах;

φ = arg(Z ) – угол сдвига фаз между напряжением и током.

Расчет схемы с последовательным соединением элементов R, L, C можно выполнить в обычной векторной форме:

— полное сопротивление схемы;

I = E/Z — ток в схеме;

UR = I·R, UX = I·X-напряжения на отдельных элементах;

-угол сдвига фаз между напряжением и током.

Алгоритм расчета схемы с параллельным соединением элементов R, L, C в комплексной форме выглядит так:

IR = E / R; IL = E / jXL; IC = E /( jXC) — токи в отдельных ветвях;

φ = arg(U) —arg(I) – угол сдвига фаз.

Расчет схемы с параллельным соединением элементов R, L, C можно выполнить в обычной векторной форме:

IR = E / R; IL = E / XL; IC = E /XC — токи в отдельных ветвях;

— ток источника;

-угол сдвига фаз между напряжением и током.

Векторные диаграммы токов и напряжений для схемы с последовательным соединением элементов R,LиR, Cпоказаны на рис. 4.5а, б, а для схемы с параллельным соединением — на рис. 4.5в, г.

При выполнении расчетной части работы внутреннее активное сопротивление катушки Ro не учитывается и принимается равным нулю. В реальных исследуемых цепях наличие небольшого сопротивления Ro приведет к уменьшению угла j между напряжением и током катушки по сравнению с его расчетным значением, что и будет зафиксировано измерительным прибором.

4.4. Расчетная часть

1. Выполнить расчет схемы с последовательным соединением резистора R и катушки L (рис. 4.1). Определить ток I, напряжения на отдельных элементах UR и UL, углы сдвига фаз между отдельными напряжениями U, UR, UL и током I (j, j1, j2) . Результаты расчета внести в табл. 4.2.

2. Выполнить расчет схемы с последовательным соединением резистора R и конденсатора C (рис. 4.2). Определить ток I, напряжения на отдельных элементах UR и UC, углы сдвига фаз между отдельными напряжениями U, UR, UС и током I (j, j1 ,j 2) . Результаты расчета внести в табл. 4.2.

3. Выполнить расчет схемы с параллельным соединением резистора R и катушки L (рис. 4.3). Определить ток источника I, токи в отдельных элементах IR и IL, углы сдвига фаз между ЭДС источника E и отдельными токами

Источник