Лабораторные работы по электротехнике

Физика, электротехника
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
АНАЛИЗ ЦЕПЕЙ ОДНОФАЗНОГО
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ТРЕХФАЗНАЯ ЦЕПЬ
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО
ТРАНСФОРМАТОРА
ГЕНЕРАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА
ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ
ДВИГАТЕЛЬ
Исследование работы
выпрямительных схем
ИССЛЕДОВАНИЕ УСИЛИТЕЛЯ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цепи постоянного тока
Контрольная работа
Контрольная работа № 2.
Контрольная работа № 3.
Лабораторный практикум
Резонанс в последовательном
колебательном контуре
 
 
 

Работа № 2

Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости. Резонанс напряжений

Цель работы. Исследование влияния величины индуктивности катушки на электрические параметры цепи однофазного синусоидального напряжения, содержащей последовательно соединенные катушки индуктивности и конденсатор. Опытное определение условий возникновения в данной цепи резонанса напряжения.

Общие сведения

Цепь с последовательным соединением конденсатора и катушки с подвижным ферромагнитным сердечником изображена на рис. 4, а схема замещения этой цепи на рис. 5.

Рис. 4

Рис. 5

Для данной цепи справедливы следующие соотношения:

; ; ; ; ; ; ,

где

,

- действующие значения напряжения источника питания и тока;

- полное сопротивление цепи;

- активное сопротивление катушки, обусловленное активным сопротивлением провода катушки и потерями в стали ферромагнитного сердечника;

- реактивное сопротивление;

- индуктивное сопротивление катушки;

- емкостное сопротивление конденсатора;

- угол сдвига фаз между напряжением на катушке и током в ней;

- угол сдвига фаз между напряжением источника и током цепи;

- частота тока источника;

- индуктивность катушки;

- емкость конденсатора.

Ток отстает по фазе от напряжения при  и опережает по фазе напряжение при .

При равенстве индуктивного  и емкостного  сопротивлений в цепи возникает резонанс напряжений, который характеризуется следующим:

1. Реактивное сопротивление цепи . Полное ее сопротивление , т.е. имеет минимальную величину.

2. Ток совпадает по фазе с напряжением источника, так как при

; .

3. Ток имеет максимальную величину, так как сопротивление цепи является минимальным

.

4. Падение напряжения на активном сопротивлении катушки равно приложенному напряжению, так как при

.

5. Напряжения на индуктивности и емкости равны, так как

.

При относительно малом по величине активном сопротивлении катушки (, ) напряжения на индуктивности и на емкости будут превышать напряжение на активном сопротивлении, а следовательно, и напряжение источника. Действительно, при  и

,

где , т.е.   и аналогично .

Таким образом, напряжения на индуктивной катушке и конденсаторе при резонансе напряжений могут значительно превысить напряжение источника, что опасно для изоляции катушки и конденсатора.

6. Энергетический процесс при резонансе напряжений можно рассматривать как наложение двух процессов: необратимого процесса преобразования потребляемой от источника энергии в тепло, выделяемое в активном сопротивлении цепи, и обратимого процесса, представляющего собой колебания энергии внутри цепи: между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. Первый процесс характеризуется величиной активной мощности , а второй – величиной реактивной мощности .

Колебаний энергии между источником питания и участком цепи, включающим катушку и конденсатор, не происходит и поэтому реактивная мощность всей цепи

.

Из условий возникновения резонанса  или  следует, что практически резонанс напряжений можно получить изменением:

а) индуктивности катушки;

б) емкости конденсатора;

в) частоты тока.

В данной работе резонанс напряжений получается за счет изменения индуктивности катушки перемещением ее ферромагнитного сердечника.

Домашнее задание

1. Изучить теоретический материал по теме лабораторной работы /Л1, с. 84-88, 90-95; Л2, с. 272-276, 297-300; Л6, с. 108-111; конспект лекций/.

2. Подготовить ответы на контрольные вопросы.

3. Внимательно прочитать методические указания к данной работе. Ознакомиться с электрической схемой проведения работы (рис. 6). Обдумать порядок проведения опыта. Начертить в рабочей тетради табл. 3.

Рис. 6

Таблица 3

Номер опыта

А

Кол-во дел.

Вт

В

Рабочее задание

1. Работа выполняется по схеме, показанной на рис. 6.

В качестве источника питания используется источник однофазного синусоидального напряжения с действующим значением 36 В.

На каждом стенде размещена катушка индуктивности, конструктивно представляющая собой совокупность трех отдельных катушек и подвижного ферромагнитного сердечника. Начала и концы каждой из трех катушек выведены на клеммную панель. При проведении данной работы для увеличения диапазона изменения величины индуктивности необходимо все три катушки соединить между собой последовательно. В качестве емкости используется установленная на каждом стенде батарея конденсаторов.

2. Процессы в цепи исследуются при постоянной емкости С=40 мкФ и переменной индуктивности. В начале работы следует полностью ввести сердечник в катушки, что соответствует наибольшему значению индуктивности.

3. Включив цепь под напряжение и постепенно выдвигая сердечник определить максимальное значение тока , после чего установить сердечник в исходное состояние.

4. Медленно выдвигая сердечник, снять показания приборов для трех точек до резонанса, точки резонанса и трех точек после резонанса. Интервал между точками . Точки до резонанса и после резонанса снимать при одних и тех же значениях тока.

Показания приборов занести в табл. 3.

5. Проверить значение коэффициента мощности цепи в точке резонанса

.

Это значение должно быть близко к единице. Если получена величина, существенно отличающаяся от 1, то это означает, что работа или расчет  выполнены неправильно.

Таблица 4

Номер опыта

Ом

Гн

В

Ом

мкФ

о.е.

6. Вычислить величины, указанные в табл. 4, по формулам:

полное сопротивление цепи

;

полное сопротивление катушки

;

активное эквивалентное сопротивление катушки, учитывающее потери энергии в обмотке и стальном сердечнике катушки

;

индуктивное сопротивление катушки

;

индуктивность катушки

,

где  и частота   Гц;

активная составляющая напряжения на катушке

;

индуктивная составляющая напряжения на катушке

;

емкостное сопротивление

;

емкость конденсатора (для проверки)

.

7. Построить в общей системе координат зависимости , , , ,  как функции . Используя данные опыта и расчета, построить в масштабе векторные диаграммы напряжений и тока при: а), б), в).

8. Проанализировать кривые , , , ,  как функции от  и написать выводы по работе. Выводы должны отражать основную суть физических процессов в цепи переменного тока с последовательным соединением разных по характеру элементов; содержать анализ вида кривых (, , , , )= и оценку значений указанных величин при резонансе напряжений.

9. Студенты ряда специальностей (по указанию преподавателя) проводят углубленные экспериментальные и теоретические исследования режима резонанса напряжений.

Для этого следует использовать вольтметры VK, VC и амперметр A более высокого класса точности. Измерения в околорезонансной области (до и после точки резонанса) проводить более тщательно: по 3-4 дополнительных опыта в дорезонансной и послерезонансной областях. Четко зафиксировать максимумы напряжений ,  и тока  при резонансе.

Используя опытные данные, показать, что максимум  достигается при , а максимум  - при , где  - индуктивность катушки для точки резонанса напряжений.

Величину  определяют из формулы:

и сравнивают со значением , полученным из графиков, согласно п. 6.

Контрольные вопросы

1. В чем основные различия физических явлений в цепях переменного и постоянного тока?

2. Чем физически объясняется отставание тока в цепи индуктивной катушки от напряжения, приложенного к ее зажимам?

3. Чем объяснить опережение тока в цепи конденсатора относительно напряжения, приложенного к его обкладкам?

4. Сформулируйте закон Ома для цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости.

5. В какой цепи и при каком условии наступает резонанс напряжений? Объясните энергетические процессы, протекающие в электрической цепи при резонансе напряжений.

6. Объясните, почему при резонансе напряжений ток в цепи максимален.

7. Как изменится резонансная частота в цепи с последовательным соединением , , , если емкость увеличить в 4 раза?

8. На каком участке цепи (рис. 7) напряжение при резонансе равно напряжению источника питания?

Рис. 7

Рис. 8

9. Как изменится ток (увеличится, уменьшится, останется без изменения) в цепи, показанной на рис. 8, при замыкании выключателя В, если .

10. Оцените величину коэффициента мощности при резонансе напряжений по сравнению с коэффициентом мощности до резонанса.

11. Каким электроизмерительным прибором можно определить состояние резонанса в неразветвленной цепи, если настройка в резонанс ведется при неизменном действующем значении входного напряжения?

12. К каким аварийным последствиям может привести резонанс напряжений в электрических цепях?

Лабораторные и контрольные работы по электротехнике