Меню

Исследование последовательной цепи переменного тока лабораторная работа

Изучение последовательной цепи переменного тока
учебно-методическое пособие по физике (11 класс) на тему

Маменишкина Нина Васильевна

Изучение последовательной цепи переменного тока

Скачать:

Вложение Размер
izuchenie_posledovatelnoy_tsepi_peremennogo_toka.doc 43.5 КБ

Предварительный просмотр:

«Изучение последовательной цепи переменного тока»

Цель работы : изучение правила сложения напряжений в электрической цепи переменного тока

Оборудование: источник питания, ключ, мультиметр, катушка индуктивности (дроссель), резистор 68 Ом, плата для установки конденсаторов, конденсатор 4,7 мкФ

  1. Изучите необходимые теоретические данные.

Если соединить последовательно активное сопротивление катушку и конденсатор и подключить эту цепь к источнику переменного тока, то окажется, что общее напряжение, приложенное к электрической цепи, не равно сумме напряжений на отдельных ее участках. Причина этого заключается в том, что в цепи переменного тока фазы напряжений на отдельных элементах не совпадают, что приводит к уменьшению д6ействующего значения напряжения на выводах цепи по сравнению с суммой действующих значений напряжения на каждом элемента. Для объяснения этого эффекта используют диаграммы, на которых ток и напряжение изображаются векторами.

На активном сопротивлении сдвига фаз между током и напряжением нет. Принято изображать вектора тока в цепи и напряжения на активном сопротивлении направленными вдоль положительного направления горизонтальной оси. На индуктивности напряжение опережает ток по фазе на 90°, а на емкости, наоборот, отстает от него на тот же угол. Поэтому напряжение на катушке – это вектор, направленный вдоль положительного направления вертикальной оси, а направление вектора напряжения на конденсаторе выбирается противоположным – в отрицательном направлении вертикальной оси. Длины векторов напряжения и тока на каждом участке цепи связаны законом Ома: Im=Um/X, где Im , Um – амплитудные значения тока и напряжения , а Х – сопротивление конкретного элемента.

Чтобы найти сумму трех векторов напряжений, сначала складывают вектора напряжения на емкости и индуктивности, а затем к полученному вектору разности Umc-UmL прибавляют вектор UmR. Таким образом, модуль суммы всех векторов напряжений последовательной цепи на основании теоремы Пифагора равен: Um= √U²mR+(UmC-UmL)² (1).

Это верно и для действующих значений напряжения:

U= √U² R +(U C -U L )² (2).

Таким образом, можно утверждать, что общее напряжение, приложенное к последовательной цепи переменного тока, равно геометрической сумме напряжений на отдельных ее элементах.

В отличие от цепей постоянного тока, где общее напряжение находят, складывая напряжения на отдельных участках, в цепях переменного тока нужно учитывать еще и сдвиг фаз между ними.

Источник

Лабораторные работы по электротехнике на тему: Исследование однофазной цепи переменного тока с последовательным соединением элементов RLC

Лабораторно-практическая работа №8

Тема: Исследование однофазной цепи переменного тока с последовательным соединением элементов RLC

Цели: Определение основных параметров исследуемой цепи при изменении в ней емкости батареи конденсаторов, катушки индуктивности и входного напряжения. Изучение явления резонанса напряжений в исследуемой цепи (в последовательном контуре)

Полное сопротивление цепи и будет носить характер активного сопротивления. Напряжение могут быть значительно больше напряжения, подведенного к цепи. Этот случай в последовательной цепи называется резонансом напряжений. Мощность такой цепи при резонансе напряжений т.е. такая цепь из сети потребляет только активную мощность, а между индуктивностью и емкостью происходит обмен реактивных энергий. hello_html_21a715cc.pnghello_html_5b3891c6.pnghello_html_m71f693c5.png

Резонанс напряжений в электросистемах иногда возникает непредвиденно и может привести к тому, что на отдельных электроустановках могут возникнуть перенапряжения, значительно превышающие рабочее напряжение.

В этих случаях может быть повреждение изоляции. Явление резонанса используют в радио и телесвязи, настраивая контур приемника в резонанс на частоту радио или телепередатчика

Оборудование и аппаратура: виртуальный лабораторный стенд

Порядок выполнения:

1. Подключить стенд к электричеству

2. Установить емкость цепи 10 мкФ

3. Снять показания тока, мощности ,напряжения на конденсаторе и напряжения на реальной катушке индуктивности с соответствующих приборов

4. Занести измерения в таблицу

5. Установить емкость цепи 30 мкФ и повторить измерения по заданию пунктов 5 и 6.

6. Повторить пункты 3 и 4, увеличивая емкость цепи каждый раз на 20 мкФ до максимального значения 120 мкФ.

7. Заполнить оставшиеся графы в таблице, используя формулы

8. По данным таблицы определить, какой строке соответствует случай резонанса напряжений в данном контуре.

hello_html_7bfb9ee1.png

hello_html_m2668388b.png

hello_html_b54e6bd.png

hello_html_6957094e.png

Содержание отчета:

1. Наименование отчета

2. Снятие показаний

3. Заполнение таблицы

Контрольные вопросы:

1. Что такое резонанс напряжений?

2. Когда возникает резонанс напряжений?

3. Как можно получить резонанс напряжений?

4. Где применяют резонанс напряжений?

5. Какую опасность может создать резонанс напряжений?

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.

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



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1.1.

Тема: Однофазные цепи переменного тока с последовательным соединением элементов.

Цель: Экспериментальное исследование однофазных цепей переменного тока с последовательным соединением элементов и практическое определение их параметров.

Основные сведения.

В цепях постоянного тока все проводники обладают электрическим сопротивлением, которое принято называть омическим. В цепях переменного тока имеют место следующие виды сопротивлений: активноеR; реактивноеX и полноеZ. Геометрическую интерпретацию связи между ними даёт треугольник сопротивлений (рисунок 18), из которого следуют соотношения:

Активным сопротивлением обладают элементы, в которых электрическая энергия необратимо преобразуется в тепловую, световую, механическую т.д. (резисторы, лампы накаливания, электронагревательные приборы и др.). Реактивным сопротивлением обладают элементы способные запасать энергию в магнитном или электрическом полях, например, катушки индуктивности и конденсаторы. По своей физической природе реактивное сопротивление отличается от активного, и оно обусловлено влиянием магнитного и электрического полей, связанных с цепью.

При постоянном токе магнитный поток, создаваемый катушкой индуктивности, в установившемся режиме постоянен, сопротивление катушки невелико, так как обусловлено только омическим сопротивлением провода обмотки. При переменном токе магнитный поток в катушке изменяется во времени, и согласно закону электромагнитной индукции в катушке индуктируется э.д.с. противоиндукции, препятствующая изменению тока. За счёт этой э.д.с. катушка индуктивности оказывает противодействие переменному току, характеризующееся величиной индуктивного сопротивления: , где — угловая (циклическая) частота переменного тока; L – индуктивность.

При постоянном напряжении, заряд конденсатора постоянен: , где С – ёмкость конденсатора. Активное сопротивление конденсатора бесконечно велико за счёт прослойки диэлектрика между его обкладками. Переменное напряжение создаёт изменяющийся во времени заряд, и в диэлектрике возникает ток смещения . Противодействие конденсатора переменному току характеризуется величиной ёмкостного сопротивления: .

В отличие от активного, индуктивное и ёмкостное сопротивления не связаны с преобразованием электрической энергии в энергию другого вида, за что получили название реактивных.

В общем случае, когда участок цепи содержит последовательно соединённые индуктивность и ёмкость, его реактивное сопротивление равно разности индуктивного и ёмкостного сопротивлений:

Реактивное сопротивление – величина алгебраическая и его знак определяется тем, какое из сопротивлений (индуктивное или ёмкостное) преобладает. При величина положительна, при – отрицательна.

При заданном напряжении действующее значение тока определяется формулой: , выражающей закон Ома для участка цепи переменного тока.

Энергетические процессы в цепях переменного тока имеют особенности по сравнению с цепями постоянного тока. Помимо необратимого преобразования электрической энергии в энергию другого вида в них наблюдается процесс обратимого преобразования электрической энергии. При возрастании синусоидального тока (а, следовательно, и магнитного потока) в индуктивности электрическая энергия преобразуется и накапливается в виде энергии магнитного поля, которая достигает максимума при максимальном значении тока. При убывании тока энергия магнитного поля преобразуется в электрическую и возвращается в цепь, т.е. происходит периодический обмен энергией между магнитным полем индуктивности и цепью. Подобное преобразование электрической энергии в энергию электрического поля наблюдается в ёмкости при приложенном синусоидальном напряжении. При возрастании напряжения конденсатор потребляет энергию (заряжается) из цепи, запасая её в электрическом поле. При убывании напряжения конденсатор, разряжаясь, отдаёт энергию обратно в цепь.

При анализе энергетических процессов в цепях переменного тока используются четыре понятия мощности:

· Мгновенная мощность: , где — мгновенные значения напряжения и тока, изменяющиеся во времени по синусоидальному закону. Мгновенная мощность даёт значение мощности, потребляемой участком цепи в произвольный момент времени.

· Активная мощность: , где и действующие значения напряжения и тока; – сдвиг по фазе между напряжением и током; — коэффициент мощности. Активной мощностью оценивается средняя за период скорость необратимого преобразования электрической энергии в энергию другого вида. Активная мощность измеряется в ваттах (Вт).

· Реактивная мощность: . Понятие реактивной мощности, применяется для оценки процессов обмена энергией между электрическим и магнитным полями участка цепи и внешней цепью. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (вар).

· Полная мощность: . Полной мощностью называют расчётную величину, характеризующую пропускную способность участка цепи. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА).

Коэффициент мощности показывает, в какой степени используется пропускная способность участка цепи.

Активная, реактивная и полная мощности связаны соотношениями, которые следуют из треугольника мощностей (рисунок 19) подобного треугольнику сопротивлений: .

Значения активной, реактивной, полной мощностей и параметров участка цепи могут быть экспериментально определены с помощью ваттметра, амперметра и вольтметра, включенных по схеме, показанной на рисунке 20 (ваттметр измеряет активную мощность, амперметр и вольтметр – действующие значения тока и напряжения). Используя показания приборов, можно рассчитать остальные параметры по формулам:

Анализ цепей переменного тока, как правило, сопровождается построением векторной диаграммы, представляющей совокупность векторов, изображающих синусоидально изменяющиеся во времени токи и напряжения. При построении векторной диаграммы длины векторов берут равными (в принятых масштабах) действующим значениям величин, а углы между ними – соответствующим сдвигам фаз.

Резистор представляет собой активную нагрузку, так как влияние индуктивности и ёмкости в нём настолько мало, что им можно пренебречь. Ток в активном сопротивлении и напряжение на нём совпадают по фазе, т.е. угол сдвига фаз: . На векторной диаграмме для участка цепи, содержащего резистор (рисунок 21) векторы тока и напряжения сонаправлены.

Реальная катушка индуктивности – нагрузка активно-индуктивного характера, так как вследствие потерь мощности на нагрев провода обмотки она обладает помимо индуктивного сопротивления XL активным сопротивлением RL. Угол сдвига фаз между током в катушке индуктивности и напряжением на ней: , т.е. ток в индуктивности отстаёт от напряжения на ней. На векторной диаграмме для участка цепи, содержащего катушку индуктивности (рисунок 22), вектор напряжения повернут относительно вектора тока против часовой стрелки на угол .

В реальном конденсаторе при низких частотах (≤ 50 Гц) практически отсутствуют потери мощности и его можно рассматривать как ёмкостную нагрузку. Угол сдвига фаз между током в конденсаторе и напряжением на нём , т.е. ток в конденсаторе опережает напряжение на угол . На векторной диаграмме для участка цепи, содержащего конденсатор (рисунок 23), вектор напряжения повернут относительно вектора тока по часовой стрелке на угол .

Качественная векторная диаграмма для цепи, содержащей последовательно соединённые катушку индуктивности и резистор, представлена на рисунке 24. После выбора масштаба по току (МI = … А/см) и масштаба по напряжению (МU = … В/см) начинают построение диаграммы с вектора тока, так как при последовательном соединении элементов на всех участках цепи ток один и тот же. Затем, в принятом масштабе строят векторы напряжений на резисторе , на катушке , используя при этом значения углов сдвига фаз для этих участков. Напряжение на входных зажимах в соответствии со вторым законом Кирхгофа должно удовлетворять условию:

Положение концов векторов и можно определить способом засечек. Угол φ есть сдвиг по фазе между напряжением и током на входе цепи. Аналогично строится векторная диаграмма для цепи, содержащей последовательно соединённые резистор и конденсатор.

Источник

Читайте также:  Микросхемы стабилизаторы с током 2 а