Лабораторные работы по электротехнике

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?

ir-pirogi.ru Осетинские пироги и ресторанная кухня;www.ясновидящая-мск.рф ясновидение тема заочная форма обучения;Дешевые цветы доставка Екатеринбург. Цветы с доставкой на дом Екатеринбург недорого.
Лабораторные и контрольные работы по электротехнике