(930.1) Электрические и магнитные цепи

  Инженерно-производственный центр «Учебная техника»










ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

Руководство по выполнению базовых экспериментов
ЭМЦ.002 РБЭ (930.1)












2009
Беглецов Н.Н. Электрические и магнитные цепи. Руководство по выполнению базовых экспериментов. ЭМЦ.002 РБЭ (930.1) ( Челябинск: ИПЦ «Учебная техника», 2009. ( 149.
Описаны состав и отдельные компоненты комплектов типового лабораторного оборудования, используемого в курсах «Теория электрических и магнитных цепей», «Теоретические основы электротехники» и др. Представлены общие сведения и указания по выполнению базовых экспериментов.
Руководство предназначено для использования при подготовке к проведению лабораторных работ в учреждениях начального, среднего и высшего профессионального образования.






























( ИПЦ «Учебная техника», 2009 Содержание
13 TOC \o "1-2" \h \z \u 1413 LINK \l "_Toc190144214" 14Введение 13 PAGEREF _Toc190144214 \h 1451515
13 LINK \l "_Toc190144215" 141. Ознакомление с комплектом типового лабораторного оборудования 13 PAGEREF _Toc190144215 \h 1461515
13 LINK \l "_Toc190144216" 141.1. Общие сведения 13 PAGEREF _Toc190144216 \h 1461515
13 LINK \l "_Toc190144217" 142. Линейные электрические цепи постоянного тока 13 PAGEREF _Toc190144217 \h 14161515
13 LINK \l "_Toc190144218" 142.1. Измерение сопротивлений, токов, напряжений и мощности в цепи постоянного тока 13 PAGEREF _Toc190144218 \h 14161515
13 LINK \l "_Toc190144219" 142.2. Цепь постоянного тока с оследовательным соединением резисторов 13 PAGEREF _Toc190144219 \h 14191515
13 LINK \l "_Toc190144220" 142.3. Параллельное соединение резисторов в цепи постоянного тока 13 PAGEREF _Toc190144220 \h 14211515
13 LINK \l "_Toc190144221" 142.4. Цепь постоянного тока при смешанном соединении резисторов 13 PAGEREF _Toc190144221 \h 14241515
13 LINK \l "_Toc190144222" 142.5. Передача мощности от активного двухполюсника к нагрузке 13 PAGEREF _Toc190144222 \h 14271515
13 LINK \l "_Toc190144223" 143. Электрические цепи переменного тока 13 PAGEREF _Toc190144223 \h 14301515
13 LINK \l "_Toc190144224" 143.1. Цепь синусоидального тока при последовательном соединении R, L, и С. 13 PAGEREF _Toc190144224 \h 14301515
13 LINK \l "_Toc190144225" 143.2. Частотные характеристики последовательного резонансного контура 13 PAGEREF _Toc190144225 \h 14351515
13 LINK \l "_Toc190144226" 143.3. Параллельное соединение катушки индуктивности и конденсатора 13 PAGEREF _Toc190144226 \h 14391515
13 LINK \l "_Toc190144227" 143.4. Частотные характеристики параллельного резонансного контура 13 PAGEREF _Toc190144227 \h 14441515
13 LINK \l "_Toc190144228" 143.5. Определение параметров индуктивно связанных катушек 13 PAGEREF _Toc190144228 \h 14491515
13 LINK \l "_Toc190144229" 143.6. Расчёт и экспериментальное исследование цепи при несинусоидальном приложенном напряжении 13 PAGEREF _Toc190144229 \h 14541515
13 LINK \l "_Toc190144230" 144. Трёхфазные цепи 13 PAGEREF _Toc190144230 \h 14581515
13 LINK \l "_Toc190144231" 144.1. Исследование трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду 13 PAGEREF _Toc190144231 \h 14581515
13 LINK \l "_Toc190144232" 144.2. Исследование трехфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник 13 PAGEREF _Toc190144232 \h 14631515
13 LINK \l "_Toc190144233" 144.3. Аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду 13 PAGEREF _Toc190144233 \h 14671515
13 LINK \l "_Toc190144234" 144.4. Аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник 13 PAGEREF _Toc190144234 \h 14721515
13 LINK \l "_Toc190144235" 144.5. Исследование фильтра напряжения обратной последовательности 13 PAGEREF _Toc190144235 \h 14761515
13 LINK \l "_Toc190144236" 145. Переходные процессы в линейных электрических цепях 13 PAGEREF _Toc190144236 \h 14781515
13 LINK \l "_Toc190144237" 145.1. Исследование процессов заряда и разряда конденсатора 13 PAGEREF _Toc190144237 \h 14781515
13 LINK \l "_Toc190144238" 145.2. Исследование процессов включения под напряжение и короткого замыкания катушки индуктивности 13 PAGEREF _Toc190144238 \h 14811515
13 LINK \l "_Toc190144239" 145.3. Исследование переходного процесса в разветвлённой цепи с конденсатором и резисторами 13 PAGEREF _Toc190144239 \h 14831515
13 LINK \l "_Toc190144240" 145.4. Процессы включения и отключения цепи с катушкой индуктивности 13 PAGEREF _Toc190144240 \h 14871515
13 LINK \l "_Toc190144241" 145.5. Переходные процессы в R-L-C контуре 13 PAGEREF _Toc190144241 \h 14901515
13 LINK \l "_Toc190144242" 146. Четырёхполюсники 13 PAGEREF _Toc190144242 \h 14931515
13 LINK \l "_Toc190144243" 146.1. Определение параметров пассивного четырёхполюсника 13 PAGEREF _Toc190144243 \h 14931515
13 LINK \l "_Toc190144244" 146.2. Снятие частотных характеристик четырёхполюсника (фильтра низких частот) 13 PAGEREF _Toc190144244 \h 14961515
13 LINK \l "_Toc190144245" 146.3. Исследование простейших дифференцирующих и интегрирующих четырёхполюсников 13 PAGEREF _Toc190144245 \h 14991515
13 LINK \l "_Toc190144246" 147. Однородная длинная линия 13 PAGEREF _Toc190144246 \h 141031515
13 LINK \l "_Toc190144247" 147.1. Описание модели однородной длинной линии 13 PAGEREF _Toc190144247 \h 141031515
13 LINK \l "_Toc190144248" 147.2. Исследование распределения напряжения вдоль однородной длинной линии 13 PAGEREF _Toc190144248 \h 141041515
13 LINK \l "_Toc190144249" 147.3. Исследование зависимости входных сопротивлений линии от её электрической длины и сопротивления нагрузки 13 PAGEREF _Toc190144249 \h 141071515
13 LINK \l "_Toc190144250" 147.4. Исследование отражения волн от конца длинной линии 13 PAGEREF _Toc190144250 \h 141111515
13 LINK \l "_Toc190144251" 148. Нелинейные электрические и магнитные цепи 13 PAGEREF _Toc190144251 \h 141161515
13 LINK \l "_Toc190144252" 148.1. Снятие вольтамперных характеристик нелинейных элементов на постоянном токе 13 PAGEREF _Toc190144252 \h 141161515
13 LINK \l "_Toc190144253" 148.2. Определение линеаризованных параметров эквивалентной схемы замещения биполярного транзистора 13 PAGEREF _Toc190144253 \h 141191515
13 LINK \l "_Toc190144254" 148.3. Экспериментальное исследование и расчёт магнитной цепи при постоянном токе 13 PAGEREF _Toc190144254 \h 141241515
13 LINK \l "_Toc190144255" 148.4. Исследование магнитной цепи на переменном токе 13 PAGEREF _Toc190144255 \h 141301515
13 LINK \l "_Toc190144256" 148.5. Исследование явления резонанса при последовательном соединении нелинейной катушки и конденсатора 13 PAGEREF _Toc190144256 \h 141341515
13 LINK \l "_Toc190144257" 148.6. Испытания однофазного трансформатора 13 PAGEREF _Toc190144257 \h 141381515
13 LINK \l "_Toc190144258" 148.7. Исследование однофазных выпрямителей 13 PAGEREF _Toc190144258 \h 141421515
13 LINK \l "_Toc190144259" 14Таблица используемых миниблоков 13 PAGEREF _Toc190144259 \h 141461515
13 LINK \l "_Toc190144260" 14Литература 13 PAGEREF _Toc190144260 \h 141481515
15 Введение

Комплект типового лабораторного оборудования «Электрические и магнитные цепи» предназначен для проведения лабораторного практикума по одноимённым разделам курсов «Теоретические основы электротехники», «Теория электрических цепей», «Электротехника и основы электроники», «Общая электротехника» и др. в профессиональных начальных, средних и высших учебных учреждениях.
Основными компонентами «ручного» (т.е. некомпьютеризованного) варианта комплекта являются:
однофазный источник питания,
блок генераторов напряжений с наборным полем;
набор миниблоков;
блок мультиметров;
ваттметр;
электронный осциллограф;
соединительные провода и перемычки, питающие кабели.
настольная рама для установки оборудования и с контейнером для хранения аксессуаров;
настоящее руководство по выполнению базовых экспериментов.
В первой главе данного руководства описано устройство составных частей комплекта «Электрические и магнитные цепи», даны рекомендации по их использованию и приведены некоторые технические характеристики. В последующих главах описаны базовые эксперименты.
Описание каждого эксперимента содержит
Общие сведения,
Экспериментальную часть.
Раздел «Общие сведения» содержит краткое введение в теорию соответствующего эксперимента. Для более глубокого изучения теоретического материала учащемуся следует обратиться к учебникам и компьютерным программам тестирования для проверки усвоения теории и оценки готовности к лабораторно(практическим занятиям.
В разделе «Экспериментальная часть» сформулированы конкретные задачи эксперимента, представлены схемы электрических цепей, таблицы и графики для регистрации и представления экспериментальных данных. Все опыты, где используется коннектор и виртуальные приборы могут быть проделаны и без компьютера с использованием мультиметров, ваттметра и электронного осциллографа.
Настоящее руководство предназначено для быстрого освоения комплекса преподавателями кафедр и разработки ими необходимых материалов для проведения лабораторного практикума в соответствии с рабочими планами и традициями кафедр. На первом этапе внедрения рассматриваемых комплектов типового лабораторного оборудования в учебный процесс данное руководство или его отдельные фрагменты могут непосредственно использоваться студентами при выполнении лабораторных работ.
Ознакомление с комплектом типового лабораторного оборудования
Общие сведения
Компоновка оборудования
Общая компоновка типового комплекта оборудования показана на рис. 1.1. Всё оборудование располагается на столе заказчика. На стол устанавливается специальная рама с подставкой, в которой устанавливаются блок генераторов с наборным полем, блок мультиметров, ваттметр, модель однородной длинной линии и блок однофазного источника питания. Расположение блоков в раме жёстко не фиксировано. Оно может изменяться для удобства проведения того или иного конкретного эксперимента. В выдвижном ящике подставки хранятся соединительные провода, перемычки и шнуры питания, методические материалы. Ящик имеют встроенный замок.
Наборы миниблоков располагаются на столе. На стол устанавливается также осциллограф.
Однофазный источник питается от трёхпроводной однофазной сети (фаза, ноль и земля). В нём смонтированы устройство защитного отключения при нарушении изоляции, автомат для защиты от сверхтоков и блок розеток и разъёмов (на тыльной стороне блока) для подключения всех остальных блоков и осциллографа.


Рис. 1.1

Блок генераторов напряжений с наборным полем
Блок генераторов напряжения с наборным полем (БГННП) предназначен для формирования однофазных сигналов различной формы, регулируемых по амплитуде и частоте, формирования трёхфазного напряжения и постоянных напряжений для питания исследуемых схем. БГННП содержит наборное поле для сборки электрических схем с использованием набора миниблоков.
Синусоидальное, прямоугольное или импульсное напряжения на выходе генератора задается переключателем «ФОРМА». Амплитуда выходного напряжения устанавливается ручкой «АМПЛИТУДА» в пределах от 0 до 12 В. Диапазон регулирования частоты генератора напряжений специальной формы - от 0,2 Гц до 200 кГц. Частота устанавливается ручкой энкодера-потенциометра. При горящем состоянии светодиода частота меняется по декадам. При мигающем состоянии светодиода, частота меняется с минимально возможным шагом. Переключение между режимами производится путем нажатия кнопки энкодера-потенциометра.
Генератор постоянных напряжений предназначен для получения стабилизированных напряжений +15 В, -15 В и регулируемого напряжения от 0 до 13 В. Все генераторы имеют общую точку «
·».
Общий вид блока генераторов напряжений показан на рис. 1.2. В левой части расположены органы управления источников питания, в правой – гнёзда для подключения исследуемых элементов электрической цепи (миниблоков). В нижней части показан фрагмент электрической цепи, собранной на наборном поле.
Все источники напряжений включаются и выключаются общим выключателем «СЕТЬ» и защищены от внутренних коротких замыканий плавким предохранителем с номинальным током 0,5 А.
На лицевой панели блока указаны номинальные напряжение и ток каждого источника напряжения, а также диапазоны изменения регулируемых выходных величин. Все источники напряжений имеют общую точку «
·», не соединённую с заземлённым корпусом блока. Источники защищены от перегрузок и внешних коротких замыканий самовосстанавливающимися предохранителями с номинальным током 0,2 А. О срабатывании предохранителя свидетельствует индикатор «I >».
Наборная панель, расположенная справа от генератора напряжений служит для расположения на ней миниблоков в соответствии со схемой данного опыта.
Гнёзда на этой панели соединены в узлы, как показано на ней линями. Поэтому часть соединений выполняется автоматически при установке миниблоков в гнёзда панели. Остальные соединения выполняются проводами и перемычками. Так на фрагменте цепи, показанной на рис.1.2, напряжение от фазы С трёхфазного источника подводится с помощью перемычки к одной из обмоток трансформатора. К другой обмотке подключены резистор и конденсатор, соединённые последовательно.



Рис.1.2

Для измерения токов в ветвях цепи удаляется одна из перемычек и вместо неё в образовавшийся разрыв включается амперметр. Для измерения напряжений на элементах цепи параллельно рассматриваемому элементу включается вольтметр.
Модель однородной длинной линии
Модель однородной длинной линии представляет собой цепную схему из семнадцати симметричных одинаковых П-образных четырёхполюсников. Номинальные параметры звеньев указаны на лицевой панели: Lзвена = 0,16 мГн, Cзвена = 0,1 мкФ, Rзвена = 6,6 Ом. В начале цепной схемы и в конце её имеются дополнительные гнёзда для подключения амперметров, токоограничивающих резисторов, нагрузок. Для этой цели можно использовать также наборное поле блока генераторов напряжений.
Длина воздушной линии без потерь, соответствующая одному звену составляет 12 км, волновое сопротивление - 400 Ом, частота, при которой длина волны равна длине линии (17(12 км = 204 км), равна 1470 Гц.
Набор миниблоков 600.17
Миниблоки представляют собой отдельные элементы электрических цепей (резисторы, конденсаторы, индуктивности диоды, транзисторы и т.п.), помещённые в прозрачные корпуса, имеющие штыри для соединения с гнёздами наборной панели. Некоторые миниблоки содержат несколько элементов, соединённых между собой или более сложные функциональные блоки. На этикетках миниблоков изображены условные обозначения элементов или упрощённые электрические схемы их соединения, показано расположение выводов и приведены основные технические характеристики. Миниблоки хранятся в специальном контейнере. Общий вид контейнера с миниблоками представлен на рис. 1.3.
В табл. 1.1 приведены характеристики одноэлементных миниблоков, а ниже дано описание более сложных миниблоков.
Таблица 1.1

Наименование и характеристики
Кол.
Наименование и характеристики
Кол.

1. Резисторы МЛТ, 2 Вт, (5%:
2,2
4,7
10 Ом
22 Ом
33 Ом
47 Ом
100 Ом
220 Ом
330 Ом
470 Ом
1 кОм
2,2 кОм
47 кОм
3. Потенциометр СП4-2М 1 кОм

1
1
1
1
1
2
1
1
1
1
3
1
1
1
2. Конденсаторы К73-17 63100 В:
0,22 мкФ
0,47 мкФ
1 мкФ
4,4 мкФ (2 по 2,2мкФ)
SR-63 В, 10 мкФ
SR-63 В, 100 мкФ
4. Лампа сигнальная СМН-10 55
5. Индуктивности:
33 мГн, 50 мА (09Р333J)
100 мГн, 50 мА (3 шт. 09Р333J)
6. Стабилитрон КС456А, 5,6 В
7. Микропереключатель (тумблер)
8. Транзистор КТ-503Г 150 мА, 60 В
9. Диоды КД 226 (1N5408) 1А, 100 В


1
1
1
1
1
1
1

2
1
1
1
1
4



10. Миниблоки «Амперметр» (6 шт.) позволяют подключать амперметр в различные ветви исследуемой электрической цепи без разборки схемы. Эти миниблоки устанавливаются в наборную панель в тех местах схемы, где требуется измерять токи. В крышку миниблока встроено гнездо коаксиального разъёмного соединителя, а к амперметру подсоединяется кабель с соответствующим штырём.
11. Миниблок «Фильтр обратного следования фаз». При подключении миниблока к симметричной трёхфазной системе напряжений прямого следования фаз напряжение на входе Umn равно нулю. При подключении его к симметричной системе обратного следования Umn ( 1,7Uл. Предварительно нужно настроить сопротивления резистивных плеч так, чтобы выполнялись соотношения: UАm = 0,5Uл и UCn= 0,5Uл.


Рис. 1.3

12 и 14. Миниблок «Трансформатор». Трансформатор выполнен на разъёмном U-образном сердечнике из листовой электротехнической стали с толщиной листа 0,08 мм. Сечение сердечника 16(12 мм. На сердечнике установлены катушки 900 и 300 витков, и имеются две сменные катушки 300 и 100 витков. Катушки легко переставляются в ходе лабораторной работы. Номинальные параметры трансформаторов при частоте 50 Гц приведены в табл. 1.2.
Таблица 1.2
W
UH, B
IH, мА
R, Ом
SH, ВА

100
2,33
600
0,9
1,4

300
7
200
4,8
1,4

900
21
66,7
37
1,4


13. Миниблок «Магнитная цепь» (рис.1.7) представляет собой трансформатор с регулируемым зазором в магнитопроводе. Магнитопровод выполнен из двух Ш-образных ферритовых сердечников марки М2000НМ. На среднем стержне магнитопровода расположены две одинаковые обмотки (намагничивающая и измерительная) по 200 витков каждая. Зазор может регулироваться винтом, один оборот которого изменяет зазор на 0,5мм (шаг резьбы 0.5 мм). Для устранения перекоса сердечника рекомендуется в левый и правый зазоры вставить немагнитные прокладки (например, полоски бумаги) и осторожно от руки затянуть винт. Так, например, толщина бумаги «Снегурочка» для офисной техники 0,1 мм, толщина газетной бумаги - 0.050,06 мм.
Будьте осторожны: большое усилие при затягивании винта может привести к разлому печатной платы на которой смонтирована вся конструкция!
Необходимые для расчёта размеры сердечника и кривая намагничивания феррита М2000НМ приведены в описании экспериментов с этим миниблоком.
Рис. 1.7

15. Миниблок «Интегратор» предназначен для интегрирования входного сигнала uвх(t) или iвх(t) по времени:
13 EMBED Equation.3 1415
Параметры Rвх и С указаны на упрощенной принципиальной схеме интегратора (рис.1.8).
Интегратор имеет два режима работы. При разомкнутом состоянии выключателя «Сброс» (нижнее положение тумблера на миниблоке) происходит интегрирование входного сигнала. Напряжение на выходе в этом режиме медленно изменяется даже при отсутствии входного сигнала, поскольку всегда есть внутренние утечки схемы и помехи. Этот режим используется для интегрирования кратковременных одиночных импульсов тока или напряжения. Перед началом интегрирования необходимо «обнулить» интегратор включив на 23 с выключатель «Сброс».
При включённом выключателе «Сброс» (верхнее положение тумблера на миниблоке) медленно изменяющаяся составляющая входного сигнала не интегрируется. Этот режим используется для возвращения интегратора в нулевое положение и для интегрирования периодических быстро протекающих процессов, например, при снятии петли гистерезиса.
Напряжение на выходе интегратора не может быть больше напряжения питания, поэтому, когда оно приближается к напряжению питания +15 В или –15 В, включается светодиод «Перегрузка».
Блок мультиметров

Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. Общий вид блока представлен на рис. 1.9. В нём установлены 2 серийно выпускаемых мультиметра MY60, MY62 или MY64. Подробная техническая информация о них и правила применения приводится в руководстве по эксплуатации изготовителя. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителей защиты токовых цепей мультиметров.
Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров соблюдайте следующие правила:
Не превышайте допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого рода работы
Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливайте переключатель пределов измерения на наибольшую величину.
Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы (не для изменения предела измерения!), отключайте щупы от проверяемой цепи.
Не измеряйте сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение.
Не измеряйте ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они разряжены.
Будьте внимательны при измерении тока мультиметрами МY62 и МY64. Предохранитель 0,2 А этих мультиметов может перегореть от источников напряжения имеющихся в данном стенде. Мультиметр МY60 защищён предохранителем 2 А, который не может перегореть от токов, создаваемых источниками данного стенда.


13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 1.10

До подключения мультметра к цепи необходимо выполнить следующие операции:
выбор измеряемой величины: - V, ~ V, - A, ~ A или
·;
выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату измерений;
правильное подсоединение зажимов мультиметра к исследуемой цепи.
Присоединение мультиметра как вольтметра, амперметра и омметра показано на рис. 1.10.
Ваттметр
Общий вид ваттметра изображён на рис. 1.11.
Его принцип действия основан на перемножении мгновенных значений тока и напряжения и отображении среднего значения этого произведения на дисплее прибора в цифровом виде.
Прибор включается в цепь согласно приведённой на лицевой панели схеме. Для измерения активной мощности, гнёзда, помеченные символом «(», должны быть соединены перемычкой. После сборки схемы необходимо включить выключатель «Сеть» и установить необходимые пределы измерения по току и по напряжению тумблерами. Если выбран заниженный предел измерения, то включается сигнализация перегрузки I > или (и) U >. Если, наоборот, предел завышен, то включается сигнализация I < или (и) U <. Справа от окошка цифровых индикаторов включаются автоматически светодиоды сигнализации размерности Вт или мВт.






Экспериментальная часть

Задание

Проверить работоспособность блока генераторов напряжений и измерительных приборов.
Порядок выполнения эксперимента

Соберите цепь согласно схеме рис.1.20, включив в нее для начала резистор R = 100Ом. Подайте на вход питание от нерегулируемого источника постоянного напряжения +15 В, отрегулируйте осциллограф и убедитесь, что пульсации напряжения незначительны или отсутствуют, что напряжение равно 15(0,5 В, а ток примерно равен 150 мА.
Переключите мультиметр для измерения тока 2 А, замените резистор 100 Ом на 47 или 33 Ом, убедитесь, что появляются пульсации напряжения на выходе и через некоторое время срабатывает защита и включается сигнализация перегрузки.

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 1.20

Повторите этот опыт с другим нерегулируемым источником напряжения -15 В и с регулируемым источником при максимальном напряжении на его выходе. Проверьте, как работает регулятор напряжения источника и сигнализация I <, и U < ваттметра при уменьшении тока и напряжения.
Установите в схему резистор 47 Ом, переключите мультиметры для измерения синусоидальных сигналов и подключите к схеме генератор напряжений специальной формы.
Установите синусоидальный сигнал на выходе и убедитсь, что частота и амплитуда напряжения регулируются (по электронному или виртуальному осциллографу). На частоте 1000 Гц (или какой нибудь другой) убедитесь, что переключается форма сигнала. Внимание! Мультиметры не измеряют несинусоидальные токи и напряжения!
Замените резистор 47 Ом на 22 Ом и убедитесь, что срабатывает защита и сигнализация перегрузки.
Снова включите в схему резистор 100 Ом, и, подключая к ней напряжения UAO, UBO, UCO, UAB, UBC и UCA трёхфазного источника, убедитесь что фазные напряжения регулируются в пределах от0 до 8 В, а линейные в
·3 раз больше. Замените резистор 100 Ом на 22 Ом и проверьте работу защиты каждой фазы.
Линейные электрические цепи постоянного тока
Измерение сопротивлений, токов, напряжений и мощности в цепи постоянного тока
Общие сведения
Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом элементов, по которым может протекать электрический ток.
Для протекания тока необходимы источники электрической энергии – источники напряжения (ЭДС) или тока. Электрическая цепь содержит также потребители, в которых энергия электрического тока преобразуется в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и т.п.).
Для замыкания и размыкания цепей используют выключатели того или иного вида.
Электрический ток есть направленное (упорядоченное) движение носителей зарядов. В проводниках носителями отрицательных зарядов являются электроны, в жидкостях (электролитах) носители положительных и отрицательных зарядов – ионы. В полупроводниках носителями отрицательных зарядов являются электроны, носителями положительных зарядов – дырки. Дырка представляет собой вакантное место в атоме полупроводника, незанятое электроном.
Ток, неизменный во времени, называют постоянным. Он обозначается символом I. Количественно ток равен заряду q, который пересекает сечение проводника за единицу времени t (1 секунду):
I = q / t.
Для поддержания электрического тока требуется обеспечивать разделение носителей отрицательных и положительных зарядов, что и происходит в источниках.
Способность источника совершать работу по разделению зарядов характеризуется электродвижущей силой (ЭДС), которая обозначается символом Е.
Когда источник подключен к цепи, возникает направленное движение зарядов под действием сил притяжения разноименных и отталкивания одноименных зарядов, т.е. электрический ток. Вне источника положительные носители заряда движутся от его положительного зажима (полюса) к отрицательному зажиму (полюсу). Направление движения отрицательных зарядов противоположно движению положительных зарядов. Работа, совершаемая при движении зарядов по элементам электрической цепи характеризуется напряжением, которое обозначаетcя символом U.
Напряжение и ток на участке цепи постоянного тока связаны законом Ома:
U = RI или I = U/R,
где R –коэффициент пропорциональности между током и напряжением, называемый сопротивлением.
Мощность преобразования электрической энергии в другие виды энергии выражается через ток и напряжение (закон Джоуля-Ленца):
P = UI = RI2 = U2/R.
Изображение электрической цепи с помощью условных обозначений называют схемой электрической цепи (рис. 2.1.1).

Рис. 2.1.1

На расчётных схемах (т.е. на схемах, предназначенных для расчёта электрической цепи) показывают стрелками направления токов и напряжений. За направление тока принимают направление движения положительных зарядов, а за направление напряжения – направление от положительного полюса источника к отрицательному. Когда истинные направления неизвестны, на схеме показывают условные (или предполагаемые) положительные направления.
Экспериментальная часть
Задание

Ознакомиться с измерениями токов, напряжений, сопротивлений и мощности с помощью мультиметров и ваттметра, экспериментально убедиться в выполнении закона Ома и закона Джоуля-Ленца в электрической цепи постоянного тока.
Порядок выполнения эксперимента

Включите блок мультиметров, установите на одном из них переключатель в положение измерения сопротивлений (
·), подключите к мультиметру с помощью соединительных проводов любое сопротивление из набора миниблоков, выберите ближайший превышающий измеряемое сопротивление предел измерения и запишите показание мультиметра Rизм и номинальное сопротивление, указанное на этикетке миниблока:

Rизм = Ом; Rном = Ом.
Вычислите относительное отклонение измеряемого сопротивления от номинального значения в % (относительную погрешность):
13 EMBED Equation.3 1415
Соберите цепь в соответствии с принципиальной схемой (рис.2.1.1) и монтажной схемой (рис. 2.1.2), установив в наборную панель сопротивление Rном=1001000 Ом. Запишите значение сопротивления в табл. 2.1.1.
Убедитесь, что при включении выключателя «В» в цепи появляется ток, а при выключении – исчезает.
Устанавливая регулятором напряжения указанные в табл. 2.1.1 значения, запишите в таблицу показания приборов. Не забывайте следить за сигнальными светодиодами ваттметра! При включении светодиода I> или U> переводите соответствующий переключатель на больший предел. При включении светодиода I< или U< переключайте его на меньший предел. Следите также за светодиодами, указывающими размерность измеряемой мощности: Вт или мВт.
Вычислите значения мощности P = UI и сопротивления R = U/I и запишите результаты в столбцы таблицы «Вычисленные значения». Сравните результаты измерений и вычислений и сделайте выводы.



Рис.2.1.2
Таблица 2.1.1


Измеренные значения
Вычисленные значения

Rном, Ом
U, B
I, мА
Р, Вт
Р, Вт
R, Ом


-5






4






6






8






12






Цепь постоянного тока с оследовательным соединением резисторов
Общие сведения
Если резисторы или любые другие нагрузки соединены последовательно (рис. 2.2.1), по ним проходит один и тот же ток. Величина тока определяется приложенным напряжением U и эквивалентным сопротивлением Rэкв:
I = U / Rэкв,
где Rэкв = (R = R1 + R2 + R3.
13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 2.2.1

На каждый отдельный резистор при этом приходится некоторая часть приложенного напряжения. Сумма напряжений на каждом резисторе в соответствии со вторым законом Кирхгофа равна полному приложенному напряжению:
I(R1 + I(R2 + I(R3 = U.
Экспериментальная часть
Задание
Измеряя токи и напряжения, убедиться, что ток одинаков в любой точке последовательной цепи и что сумма напряжений на резисторах равна напряжению, приложенному ко всей цепи. Сравнить результаты измерения с расчётом.
Порядок выполнения эксперимента
Соберите цепь согласно монтажной схеме (рис. 2.2.2). Последовательно с резисторами 47, 100 и 220 Ом включите специальные миниблоки для подключения амперметра.
С помощью двухжильного измерительного проводника со штеккером поочередно подключайте к этим миниблокам мультиметр в режиме измерения тока и измеряйте ток вдоль всей последовательной цепи. Убедитесь, что ток имеет одно и то же значение и запишите его в табл. 2.2.1.
Затем измерьте напряжения на каждом резисторе, а также полное напряжение на входе цепи.
Рассчитайте эквивалентное сопротивление цепи, ток и падение напряжения на каждом резисторе. Результаты занесите в также табл. 2.2.1 и сравните с измеренными значениями.

Рис. 2.2.2
Таблица 2.2.1


Ток (I), мА
Падения напряжения
на резисторах, В
Напряжение на входе цепи, В



47 Ом
(U1)
100 Ом (U2)
220 Ом (U3)
Rэкв= Ом
(U)

Измеренные значения






Рассчитанные значения







Проверьте выполнение второго закона Кирхгофа по экспериментальным и по расчётным значениям напряжений:
U = U1 + U2 + U3.

Параллельное соединение резисторов в цепи постоянного тока
Общие сведения
Если резисторы или любые другие нагрузки соединены параллельно (рис. 2.3.1), все они находятся под одинаковым напряжением:
U = UR1 = UR2 = UR3
13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 2.3.1

В каждой ветви цепи протекает свой ток. Сумма токов всех ветвей в соответствии с первым законом Кирхгофа равна полному току:
I = I1 + I2 + I3.

Величина тока ветви зависит от приложенного напряжения и сопротивления данной ветви:
13 EMBED Equation.3 1415
Ток в неразветвленной части цепи зависит от приложенного напряжения и эквивалентного сопротивления цепи:
13 EMBED Equation.3 1415
Для вычисления эквивалентного сопротивления цепи служит формула:
13 EMBED Equation.3 1415
Для цепи с двумя параллельно соединенными резисторами:
13 EMBED Equation.3 1415

Экспериментальная часть

Задание

Измеряя напряжения и токи, убедиться, что напряжение, прикладываемое к каждому резистору, одинаково и что сумма токов ветвей равна полному току цепи. Проверить результаты измерения расчётом.

Порядок выполнения эксперимента

Соберите цепь согласно монтажной схеме (рис. 2.3.2), вставив последовательно с каждым и резисторов (330, 220 и 470 Ом) специальные миниблоки для подключения амперметра.
Измерьте напряжение на каждом резисторе, а также напряжение на источнике. Убедитесь, что все они одинаковы и запишите значение напряжения в табл. 2.3.1.
С помощью мультиметра, специального проводника со штекером и миниблоков для подключения амперметра измерьте токи в каждом резисторе и на входе цепи. Результаты запишите в табл. 2.3.1.
Рассчитайте эквивалентное сопротивление цепи, ток в каждом резисторе и на входе цепи. Результаты занесите в табл. 2.3.1 и сравните с измеренными значениями.
Проверьте как по экспериментальным, так и по расчётным данным, выполняется ли первый закон Кирхгофа:

I = I1 + I2 + I3.
Таблица 2.3.1



Напряжение (U), B
Токи в ветвях, мА
Ток на входе цепи, мА



330 Ом
(I1)
220 Ом
(I2)
470 Ом (I3)
Rэкв= Ом
(I)

Измеренные значения






Рассчитанные значения










Рис. 2.3.2



Цепь постоянного тока при смешанном соединении резисторов
Общие сведения
На рис. 2.4.1 показан пример цепи со смешанным (т.е. последовательно-параллельным) соединением резисторов. Цепь состоит из последовательно (R1 и R2) и параллельно (R3 и R4) соединенных резисторов.
13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 2.4.1

Участки цепи с последовательным и параллельным соединением резисторов относительно друг друга соединены последовательно. Чтобы вычислить полное сопротивление цепи сначала определяют эквивалентное сопротивление параллельного участка:
13 EMBED Equation.3 1415
Затем определяют эквивалентное сопротивление всей цепи, состоящей теперь из трёх последовательно соединённых сопротивлений:
13 EMBED Equation.3 1415
Для расчёта токов в этой цепи необходимо сначала определить по закону Ома ток в эквивалентном сопротивлении, он же в сопротивлениях R1 и R2:
13 EMBED Equation.3 1415.
После этого опять же по закону Ома определяются напряжение на участке с параллельным соединением и токи в параллельных ветвях:
13 EMBED Equation.3 1415.
Экспериментальная часть
Задание

Измерить токи, напряжения и мощность в цепи при смешанном соединении резисторов. Проверить результаты измерений расчётом. Проверить выполнение первого и второго законов Кирхгофа и баланса мощностей.

Порядок выполнения эксперимента
Соберите цепь согласно монтажной схеме (рис. 2.4.2). В каждой из трёх ветвей этой схемы включены миниблоки для подключения амперметра. На входе цепи включён ваттметр для измерения полной мощности, потребляемой цепью.

Рис. 2.4.2

Измерьте токи во всех ветвях, поочерёдно включая миллиамперметр в каждую ветвь цепи. Измерьте напряжения на всех элементах и мощность потребляемую всей цепью. При измерении мощности правильно выберите пределы измерения ваттметра (так, чтобы не светились светодиоды I> и I<).Результаты измерений занесите в табл. 2.4.1.
Таблица 2.4.1


I1, мА
I3, мА
I4, мА
U, B
U1, B
U2, B
U34, B
P, Вт

Измеренные
величины









Расчётные
значения










Убедитесь, что выполняются первый и второй законы Кирхофа, а именно:

I1 = I3 + I4;
U1 = U1 + U2 + U34.

Рассчитайте токи и напряжения на всех элементах по формулам, приведённым в разделе «Общие сведения», занесите результаты в строку «Расчётные значения» и сравните их с экспериментальными данными. Проверьте также выполнение первого и второго законов Кирхгофа по расчётным значениям.
Определите мощность, потребляемую каждым резистором и сумму мощностей потребителей:
13 EMBED Equation.3 1415

Вычислите мощность, отдаваемую источником, и убедитесь, что она примерно равна сумме мощностей потребителей:

P = UI = .Вт.

Занесите это значение в табл. 2.4.1 и сравните с мощностью, измеренной ваттметром.



Передача мощности от активного двухполюсника к нагрузке
Общие сведения
Двухполюсник это любая, сколь угодно сложная цепь, имеющая два зажима для подключения внешних цепей. Активный двухполюсник имеет внутри себя источники питания. При расчёте электрических цепей, согласно теореме об эквивалентном генераторе, он может быть заменён эквивалентной ЭДС, равной напряжению холостого хода двухполюсника и внутренним сопротивлением, равным входному сопротивлению двухполюсника (рис. 6.1).


Рис. 2.5.1

После такой замены могут быть найдены ток, напряжение, и мощность, потребляемая в нагрузке по формулам:
13 EMBED Equation.3 1415
Согласно этим выражениям ток, напряжение, и мощность изменяются при увеличении сопротивления нагрузки, как показано на графике (рис.6.2). В нагрузке выделяется максимальная мощность при RH = RГ. Такой режим называется согласованным.

Рис. 2.5.2
Параметры эквивалентного генератора могут быть определены экспериментально из опытов холостого хода и короткого замыкания. При холостом ходе непосредственно измеряется UXX = EГ, а при коротком замыкании измеряется ток короткого замыкания IКЗ и вычисляется RГ = UXX / IКЗ.
Экспериментальная часть
Задание

Экспериментально определить параметры эквивалентного генератора, снять зависимости IH(RН), UH(RН) и РH(RН) и построить графики. определить параметры эквивалентного генератора расчётом по известной схеме и номинальным параметрам элементов, рассчитать те же зависимости и сравнить с экспериментальными.
Порядок выполнения эксперимента

Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис. 2.5.3) и монтажной схеме (рис. 2.5.4). Включите питание и, вращая ручку переменного резистора, убедитесь, что ток и напряжение на нагрузке изменяются.
Выньте из гнёзд наборного поля переменный резистор 1 кОм и измерьте напряжение холостого хода. Запишите его значение в верхнюю строку табл. 2.5.1.
Вставьте на место резистора перемычку и измерьте ток короткого замыкания, вычислите RГ и запишите их значения также в верхнюю строку табл. 2.5.1.
Вставьте на своё место переменный резистор и, изменяя значение сопротивления нагрузки, записывайте в табл. 2.5.1 значения тока и напряжения на нагрузке.
Вычислите по закону Ома значения сопротивлений нагрузки RН, мощности РH и на рис. 2.5.5 постройте графики IH(RН), UH(RН) и РH(RН).
Сделайте расчёт параметров эквивалентного генератора, рассчитайте зависимости IH(RН), UH(RН) и РH(RН) при RH = 01 кОм (табл.6.2) и на одном рисунке с опытными графиками постройте расчётные.
Сравните результаты и сделайте выводы.

Рис. 2.5.3

\
Рис. 2.5.4
Таблица 2.5.1

Опытные значения: UXX = .В, IКЗ = мА, RГ = Ом

U, B











I, мА











РН,мВт











RН, Ом
0








(


Таблица 2.5..2

Расчётные значения: ЕГ = .В, RГ = Ом, IКЗ = ..мА

RН, Ом
0










I, мА











U, B











РН,мВт

















Рис. 2.5.5



Электрические цепи переменного тока
Цепь синусоидального тока при последовательном соединении R, L, и С.
Общие сведения
В цепи переменного тока кроме сопротивлений используются также катушки индуктивности и конденсаторы.
На сопротивлениях, которые в цепи переменного тока называют ещё активными сопротивлениями, связь между током и напряжением определяется законом Ома. Если по активному сопротивлению R протекает синусоидальный ток i = Iмsin
·t, то напряжение на этом сопротивлении u = Uмsin
·t, где
· = 2
·f – круговая частота, а амплитуды тока и напряжения связаны законом Ома: Uм = RIм.
Если по идеальной индуктивности L (т.е. активное сопротивление провода катушки равно нулю) протекает ток i = Iмsin
·t, то напряжение на ней u = Uмsin(
·t+90о), т.е. напряжение на катушке опережает ток на 90о, или ток отстаёт от напряжения по фазе на 90о. Амплитуды тока и напряжения связаны соотношением, аналогичным закону Ома: Uм = XLIм, где XL =
·L – индуктивное сопротивление.
Наконец, если по конденсатору, ёмкость которого С, протекает синусоидальный ток i = Iмsin
·t, то напряжение на нём u = Uмsin(
·t-90о) отстаёт от тока по фазе на 90о. Амплитуда напряжения связана с током также выражением, аналогичным закону Ома: Uм = XСIм, где XС =1/
·С – ёмкостное сопротивление.
Выражения аналогичные закону Ома применяются и для действующих значений синусоидальных токов и напряжений:
UR = RIR; UL = XLIL; UC = XCIC.
При последовательном соединении R, L, и С (рис. 3.1.1а) через все элементы протекает один и тот же ток. Тогда напряжение на всей цепи можно определить по второму закону Кирхгофа, как сумму напряжений на отдельных элементах. При сложении, чтобы учесть фазовые сдвиги между напряжениями, удобно использовать векторные диаграммы. На векторной диаграмме действующие (или амплитудные) значения токов и напряжений изображают векторами, длины которых равны численным значениям токов и напряжений, а углы между ними соответствуют фазовым сдвигам (рис. 3.1.1б).
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 3.1.1
Из векторной диаграммы следует, что напряжение на всей цепи

13 EMBED Equation.3 1415

где 13 EMBED Equation.3 1415 - полное сопротивление цепи при последовательном соединении R, L, и С, а Х = XL – XC – реактивное сопротивление.
Из векторной диаграммы следует также, что угол сдвига между током и напряжением
13 EMBED Equation.3 1415
.
Все соотношения между активным, реактивным и полным сопротивлениями, а также углом
·,
·хорошо иллюстрируются с помощью треугольника сопротивлений (рис. 3.1.1в), который подобен треугольнику напряжений.
Если ХL>XC, то угол
·
·положительный и напряжение опережает ток. Этот случай показан на векторной диаграмме сплошными линиями. Если же ХL· отрицательный, и напряжение отстаёт от тока (показано на векторной диаграмме пунктиром). Если же, наконец, ХL=XC, тогда и UL = UC и
· = 0, и ток совпадает с напряжением по фазе. Этот случай называется резонансом напряжений.
Условие резонанса XL = XC или
· = 0 можно также записать в виде:
13 EMBED Equation.3 1415
Отсюда можно определить частоту, индуктивность или ёмкость, при которой в цепи будет наблюдаться резонанс.
При синусоидальном токе мощность, потребляемая цепью, периодически изменяется во времени с двойной частотой. Однако, кроме переменной составляющей, она содержит также и постоянную составляющую. Среднее значение мощности за период называется активной мощностью: P = UIcos
· = I2R. Она измеряется в Вт. Кроме активной мощности в цепях переменного тока используют понятия полной мощности S = UI = I2Z, (B·A), реактивной мощности Q = UIsin
· = I2X, (вар), а также индуктивной мощности QL = I2XL, (вар) и ёмкостной мощности QC = I2XC, (вар). Очевидно, что Q = QL – QC. Все соотношения между мощностями можно проиллюстрировать треугольником мощностей, подобным треугольникам напряжений и сопротивлений (рис. 3.1.1г). При резонансе, когда X = XL – XC = 0 и
· = 0, реактивная мощность также равна нулю, а активная равна полной мощности.
Параметры цепи переменного тока R, XL и ХС можно определить по показаниям трёх приборов вольтметра, амперметра и ваттметра. Измерив этими приборами U, I, и Р, определяем Z = U/I и
· = arccosP/UI. Затем из треугольника сопротивлений определяем R = Zcos
· и X = Zsin
·.

Экспериментальная часть
Задание
Определить экспериментально параметры цепи с последовательным соединением R, L и С для трёх случаев XL > XC, XL = XC и XL < XC. Построить векторные диаграммы. Сделать расчёт цепи при резонансе и сравнить результаты расчёта с экспериментальными данными.
Порядок выполнения работы
Измерьте омметром и запишите активное сопротивление катушки индуктивности 900 витков. RК = ..Ом.
Снимите с трансформатора катушку 900 витков, вставьте в неё только одну половинку разъёмного сердечника и соберите цепь, принципиальная схема которой показана на рис. 3.1.2, а монтажная – на рис. 3.1.3.

Рис. 3.1.2

Установите переключатель сигналов генератора напряжений в положение «~», регулятор частоты – в положение 1000 Гц и регулятор напряжения в крайнее правое положение (максимальная амплитуда).
Включите генератор и, регулируя частоту, добейтесь резонанса по максимуму тока.
Измерьте мощность, ток и напряжения на входе цепи, на резисторе, на катушке c с активным внутренним сопротивлением и на конденсаторе. Запишите эти показания приборов в строку XL = XC табл. 3.1.1. При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в выборе пределов измерения I>, I< ,U>, U<.

Таблица 3.1.1

f = .Гц
Измерения
Вычисления


P, мВт
I, мА
U, B
UR, B
URкL, B
UC, B
URк=RкI, B
13 EMBED Equation.3 1415, B

C = 1 мкФ
(XL=XC)









C = 1,47 мкФ (XL>XC)









C = 0,47 мкФ (XL









Включите параллельно конденсатору 1 мкФ конденсатор 0,47 мкФ и запишите показания приборов в строку XL > XC.
Оставьте в цепи один конденсатор 0,47 мкФ и запишите показания приборов в строку XL < XC.
По опытным данным рассчитайте напряжения на активном и индуктивном сопротивлениях катушки и занесите результаты также в табл. 3.1.1.
На рис. 3.1.4 постройте в масштабе векторные диаграммы для всех случаев.
По экспериментальным данным определите параметры цепи Z,
·, R, X и сведите результаты расчёта в табл. 3.1.2.



Рис. 3.1.3

Определите те же эквивалентные параметры цепи Z,
·, R, X по номинальным данным, указанным на этикетках (кроме катушки) и сведите результаты расчёта в табл. 3.1.3. Сравните результаты. Проверьте расчёт путём непосредственного измерения сопротивлений Z, R, X и угла
· виртуальными приборами.






Рис. 3.1.4

Таблица 3.1.2


13 EMBED Equation.3 1415

·, град
sin
·
13 EMBED Equation.3 1415
R = Zcos
· , Ом
X = Zsin
·, Ом

XL=XC







XL>XC







XL








Таблица 3.1.3


R=Rк+R,
Ом
XL=UL/I,Ом
(по данным табл.7.1)
13 EMBED Equation.3 1415
Ом
X=XL–-XC,
Ом
13 EMBED Equation.3 1415
Ом
13 EMBED Equation.3 1415
град.

XL=XC







XL>XC







XL








Частотные характеристики последовательного резонансного контура
Общие сведения
Частотными характеристиками обычно называют зависимости сопротивлений и проводимостей цепи от частоты синусоидального приложенного напряжения. Иногда к ним относят также зависимости от частоты токов, напряжений, фазовых сдвигов и мощностей.
В последовательном резонансном контуре (рис. 3.2.1а) активное сопротивление не зависит от частоты, а индуктивное, ёмкостное и реактивное сопротивления изменяются в соответствии со следующими выражениями:
13 EMBED Equation.3 1415

Рис. 3.2.1.

Полное сопротивление, как следует из треугольника сопротивлений (рис. 3.2.1б):
13 EMBED Equation.3 1415

Вид этих зависимостей от частоты представлен на рис.9.2а. При резонансной частоте
·
·0=1/
·(LC):
XL
·
·0)=XC
·
·0)=
·(L/C)=
·

Это сопротивление называется характеристическим сопротивлением резонансного контура, а отношение

·/R=Q
– добротностью резонансного контура

На рис.9.2б показаны графики изменения тока, напряжений на участках цепи и фазового сдвига при изменении частоты и неизменном приложенном напряжении в соответствии со следующими формулами:

I(
·)=U/Z
·
·); UL(
·)=
·LI(
·); UC=I/
·C;
·=arctg[
·L-1/(
·CR)].
Если Q>1, то при резонансе напряжения UL(
·
·) и UC(
·
·) превышают приложенное напряжение в Q раз.


Рис. 3.2.2

При
·<
·0 цепь носит ёмкостный характер ( ток опережает напряжение на угол
·), при
·=
·0 - активный, а при
·>
·0 - индуктивный (ток отстаёт от напряжения).

Экспериментальная часть
Задание

Снимите экспериментально частотные характеристики последовательного резонансного контура - R(
·), X(
·), Z(
·), I(
·), UL(
·), UC(
·) и
·(
·) - при Q>1.

Порядок выполнения работы

Измерьте омметром активное сопротивление катушки индуктивности, указанной на схеме (рис. 3.2.3).
.
R= Ом.

Вычислите резонансную частоту, характеристическое сопротивление и добротность резонансного контура:

f0=1/2
·
·(LC)= Гц;
·
·=
·(L/C)= Ом; Q=
·/R= .

Соберите цепь согласно схеме (рис. 3.2.3),). Сопротивление R – внутреннее сопротивление катушки индуктивности. Добавочное сопротивление Rдоб на этом этапе примите равным нулю. Подсоедините регулируемый источник синусоидального напряжения и установите его параметры: U=5 B, f=f0.


Рис. 3.2.3.

Изменяя частоту приложенного напряжения, настройте более точно резонансный режим по максимуму тока. Сравните экспериментальную резонансную частоту с расчётной:

Экспериментальная f0= Гц
.Расчётная f0= Гц.

Изменяя частоту от 0,2 до 2 кГц, запишите в табл. 3.2.1 показания приборов P, I, UC, URL. При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в выборе пределов измерения I>, I< ,U>, U<.
По экспериментальным данным рассчитайте следующие значения:
·
·
·
·arctg(P/UI), Z =U/I, X = Zsinj,
·R
·
·
·
·(cos
·..
По этим результатам на рис. 3.2.4. и 3.2.5. постройте графики частотных характеристик.
Включите в цепь добавочное сопротивление Rдоб=100330 Ом и убедитесь, что резонансная частота не изменилась, а ток и напряжения UL и UC при резонансе стали меньше.
Таблица 3.2.1.

f, Гц
P, Вт
I, мА
UC, В
URL, В

·, град
Z, Ом
X, Ом
R, Ом



























































































































Рис.3.2.4

13 EMBED Word.Picture.8 1415


Параллельное соединение катушки индуктивности и конденсатора
Общие сведения
В общем случае, на входе цепи синусоидального тока, содержащей сопротивления, индуктивности и ёмкости (рис. 3.3.1а) протекает ток, сдвинутый по фазе относительно напряжения на угол
·, что можно показать на векторной диаграмме (рис. 3.3.1б). Действующее значение этого тока определяется по закону Ома:
I = U/Z = UY,
где Y = 1/Z – полная проводимость цепи.
Если ток отстаёт от напряжения (
·>0), то говорят, что цепь носит индуктивный характер, если опережает (j<0) – ёмкостный характер. Второй случай показан на векторной диаграмме пунктиром.
Ток можно представить в виде суммы двух составляющих: активной, совпадающей по фазе с приложенным напряжением и реактивной, сдвинутой относительно напряжения на + или -90о.
Активная составляющая тока Iа = Icos
· = UYcos
· = UG, где G = Ycos
· называется активной проводимостью.
Реактивная составляющая тока Ip = Isin
· = UYsin
· = UB, где B = Ysin
· называется реактивной проводимостью.
Все соотношения между проводимостями Y, G, и В, а также углом
·
·могут быть наглядно представлены в виде треугольника проводимостей, подобного треугольнику токов (рис. 5.3.в).



Рис. 3.3.1

Если катушка, обладающая индуктивностью L и активным сопротивлением R соединена параллельно с конденсатором ёмкостью С (рис. 3.3.2а), то напряжение на них одно и то же, а ток I на входе цепи представляет сумму тока в катушке Iк, отстающим от напряжения на угол
·, и тока в конденсаторе IС, опережающего напряжение на 90о.


Рис. 3.3.2
Для сложения токов сначала представим ток в катушке в виде двух составляющих: активной Iка, и реактивной Iкр, как показано на рис.9.2б, а затем нарисуем из конца вектора Iкр вектор тока в конденсаторе (рис. 5.4.в), опережающий напряжение на 90о и получим суммарный ток. Из векторной диаграммы следует, что
13 EMBED Equation.3 1415
где 13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415- полная проводимость этой цепи.
В свою очередь:
13 EMBED Equation.3 1415 - реактивная проводимость всей цепи;
BL = Yкsin
·к – индуктивная проводимость катушки;
BC =
·C – ёмкостная проводимость конденсатора;
G = Yкcos
·к - активная проводимость катушки;
Из векторной диаграммы следует также, что угол сдвига между током и напряжением
13 EMBED Equation.3 1415.
Если ВL>ВC, то угол
·
·положительный и напряжение опережает ток. Этот случай показан на векторной диаграмме сплошными линиями. Если же ВL<ВC, то угол
· отрицательный, и напряжение отстаёт от тока (показано на векторной диаграмме пунктиром). Если же, наконец, ВL=ВC, тогда и Iкр = IC и
· = 0, и ток совпадает с напряжением по фазе. Этот случай называется резонансом токов.
Условие резонанса BL = BC или
· = 0 можно также записать в виде:
13 EMBED Equation.3 1415
В свою очередь,
13 EMBED Equation.3 1415, поэтому 13 EMBED Equation.3 1415
Отсюда можно определить ёмкость, индуктивность или частоту, при которой в цепи будет наблюдаться резонанс.
Экспериментальная часть
Задание

Определить экспериментально параметры катушки индуктивности, рассчитать резонансную ёмкость параллельно включенного конденсатора, снять зависимость токов в цепи от ёмкости, построить векторные диаграммы для трёх случаев СCрез.
Порядок выполнения эксперимента
Соберите цепь (принципиальная схема рис. 3.3.2, монтажная – 3.3.3), включив в каждую ветвь по миниблоку для подключения амперметра. и ваттметр для измерения мощности на входе цепи.. Конденсаторы в первом опыте не включайте.

Рис. 3.3.3

Установите частоту питающего напряжения 1000 Гц, максимальную амплитуду и измерьте напряжение, на входе цепи, ток и мощность, потребляемые цепью. Результаты измерений запишите в табл. 5.3. При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в выборе пределов измерения I>, I< ,U>, U<.
Вычислите параметры катушки (либо измерьте их с помощью виртуальных приборов) и ожидаемую резонансную ёмкость. Все формулы приведены в разделе «Общие сведения»
Таблица 3.3.1

Измерения
Вычисления

U, B
I, мА
P, мВт
Yк, 1/Ом

·к, град
BL,
Cрез, мкФ










Устанавливайте параллельно индуктивности поочерёдно различные конденсаторы как показано на рис. 3.3.3, измеряйте и записывайте в табл. 3.3.2 значения токов в трёх ветвях цепи.
На рис. 3.3.4 постройте графики изменения токов от ёмкости параллельно включенного конденсатора и по минимуму тока определите фактическую резонансную ёмкость. Сравните её с расчётным значением.

Таблица 3.3.2

С, мкФ
0,22
0,47
0,69
(0.22+0.47)
1
1.22
(1+0.22)
1.47
(1+0.47)

Iк, мА







IС, мА







I, мА








На рис. 3.3.5 постройте векторные диаграммы для трёх случаев: СCрез. Для резонансного режима значения токов возьмите из графика.




Рис. 3.3.4




Рис. 3.3.5
Частотные характеристики параллельного резонансного контура
Общие сведения
В параллельном резонансном контуре (рис. 3.4.1а) активная проводимость не зависит от частоты, а индуктивная, ёмкостная и реактивная проводимости изменяются в соответствии со следующими выражениями:

BL(
·)=1/
·L; BC(
·)=
·C; B(
·)= BL(
·)- BC(
·);
13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 3.4.1.

Полная проводимость, как следует из треугольника проводимостей (рис. 3.4.1б):

Y(
·)=
·(G2+B2).

Вид этих зависимостей от частоты представлен на рис. 3.4.2а.
При резонансной частоте
·
·0=1/
·(LC):

BL(
·0)=BC(
·0)=
·(C/L)=
·
·
·

Эта проводимость называется характеристической проводимостью резонансного контура, а отношение

·/G=Q

также как и в последовательном контуре – добротностью.
При изменении частоты и неизменном приложенном напряжении токи изменяются пропорционально соответствующим проводимостям:

I(
·)=UY
·
·); IL(
·)=U/
·L; IC=U
·C, ILC=UB(
·).

При резонансной частоте
·=
·0 ток I, потребляемый от источника, имеет минимум и равен току в активном сопротивлении IR, а ток на реактивном участке цепи ILС равен нулю (см. рис. 3.4.2а). Реальные кривые могут несколько отличаться от рассмотренных идеальных, так как здесь не учитывалось активное сопротивление катушки.
Угол сдвига фаз (рис. 3.4.2.б) изменяется в соответствии с выражением:

·=arctg[(1/
·L-
·C)/G].
При
·<
·0 цепь носит индуктивный характер (ток отстаёт от напряжения на угол
·), при
·=
·0 - активный, а при
·>
·0 - ёмкостный (ток опережает напряжение). Если Q>1, то при резонансе токов IL(
·
·) и IC(
·
·) превышают ток источника I в Q раз.



Рис. 3.4.2

На рис. 3.4.2б кроме
·(
·) построены также зависимости от частоты полного Z(
·) и реактивного X(
·) сопротивлений. B общем случае (см.сплошные линии на рисунке):

Z(
·)=1/Y(
·)=1/
·(G2+B2);

X(
·)=B/(G2+B2).

При резонансе полное сопротивление принимает максимальное значение, а реактивное обращается в ноль.
В идеализированном случае, когда активная проводимость настолько мала, что ей можно пренебречь (G=0):
X(
·)=1/B; Z(
·)=1/|B|.

Тогда в точке резонанса кривые X(
·) и Z(
·) имеют разрыв (см. пунктирные линии на рис. 3.4.2б).
Экспериментальная часть
Задание

Снимите экспериментально частотные характеристики параллельного резонансного контура c высокой добротностью- I(
·), IL(
·), IC(
·), X(
·), Z(
·)и
·(
·).

Порядок выполнения работы

Соберите цепь согласно схеме (рис. 3.4.3). В качестве катушки индуктивности с малым активным сопротивлением используйте обмотку трансформатора W=300 витков, вставив между подковами разъёмного сердечника полоски бумаги в один слой. Монтажная схема такая же, как в предыдущей работе (рис. 3.3.3).
Подайте на схему синусоидальное напряжение от генератора напряжений специальной формы U=5B, f=500Гц и, изменяя частоту, добейтесь резонанса по минимуму тока. Запишите значение резонансной частоты
f0=Гц.
Рассчитайте по показаниям мультиметров реактивное сопротивление катушки индуктивности, индуктивность и резонансную частоту:
XL=U/IL= Ом;

L= XL/(2
·f)= Гн;

f0=1/2
·
·(LC)= Гц.
Сравните экспериментальную резонансную частоту с расчётной:


Рис. 3.4.3.

Изменяя частоту от 0,2 до 1 кГц, запишите в табл. 3.4.1 значения мощности Р и токов I, IC, IL.
·В области резонансной частоты экспериментальные точки должны быть расположены чаще, чем по краям графиков.
Рассчитайте:
· = arcos P/(U(I); Z = U/I; X = Z(sin
·
·

По этим результатам на рис. 3.4.4. и 3.4.5. постройте графики частотных характеристик.
Таблица 3.4.1

f, Гц
Р, Вт
I, мА
IC, мА
IL, мА

·, град
Z, Ом
X, Ом








































































































































Определение параметров индуктивно связанных катушек
Общие сведения
Когда по одной из индуктивно связанных катушек протекает ток, часть создаваемого им магнитного потока сцепляется с витками другой катушки. Взаимная индуктивность М – это коэффициент пропорциональности между потокосцеплением одной катушки, создаваемым током в другой катушке и величиной этого тока. При изменении тока в первой катушке в ней возникает ЭДС самоиндукции, а во второй – ЭДС взаимной индукции. Также и наоборот, при изменении тока во второй катушке в ней возникает ЭДС самоиндукции, а в первой – ЭДС взаимной индукции.
Параметрами индуктивно связанных катушек являются индуктивности катушек L1 и L2, взаимная индуктивность М12 = М21 =М и активные сопротивления катушек R1 и R2. Иногда используют также коэффициент связи 13 EMBED Equation.3 1415, который никогда не превышает единицы.
На рис. 3.5.1 изображена цепь, из двух индуктивно связанных катушек. На схеме обозначены точками одноимённые зажимы. При одинаковых направлениях токов относительно одноимённых зажимов, их магнитные потоки складываются, а при разных – вычитаются. Для экспериментального определения одноимённых зажимов можно на одну из катушек подать постоянное напряжение, а к другой подключить миллиамперметр (или вольтметр) магнитоэлектрической системы. В момент включения возникает кратковременный ток во второй катушке. Если этот ток положительный (отброс стрелки вправо), то одноимёнными являются зажимы, подключенные к «+» источника и к «+» измерительного прибора. Этот опыт можно проделать и с использованием цифровых приборов, только из-за дискретности отсчётов прибора не каждый раз удаётся зафиксировать кратковременный отброс показаний прибора.


Рис. 3.5.1

Если синусоидальное напряжение источника приложено только к первой катушке, а вторая катушка разомкнута, то согласно законам Кирхгофа эта цепь описывается следующими двумя уравнениями в комплексной форме:
13 EMBED Equation.3 1415(1)
Аналогично, если ко второй катушке приложено напряжение, а первая разомкнута то: 13 EMBED Equation.3 1415 (2)
Если две катушки имеют одинаковые размеры и форму то их индуктивности пропорциональны квадрату числа витков, т.е.13 EMBED Equation.3 1415. С учётом выражений (1) для таких катушек получим:
13 EMBED Equation.3 1415,
где U1 и U2 – напряжения на первой и второй катушках, когда первая катушка подключена к источнику питания, а вторая разомкнута; ( - угол сдвига тока и напряжения в первой катушке.
Для экспериментального определения параметров катушек необходимо проделать два опыта. В первом опыте подать синусоидальное напряжение на первую катушку и измерить напряжения U1 и U2, ток I1 и мощность P1. Мощность измеряется для расчёта угла сдвига фаз, поэтому, если есть такая возможность, измеряют непосредственно этот угол. Во втором опыте аналогичные измерения делают при подаче питания на вторую катушку. Затем по результатам первого опыта вычисляют параметры по формулам, вытекающим из уравнений (1):
13 EMBED Equation.3 1415
Аналогично, по результатам второго опыта и из уравнений (2):
13 EMBED Equation.3 1415
Причём, должно выполняться равенство М21 = М12.
Взаимная индуктивность между элементами сложной цепи может, как увеличивать, так и уменьшать эквивалентную индуктивность. Рассмотрим две возможные схемы последовательного соединения двух индуктивно связанных катушек (рис. 3.5.2а и 12.2б). Первый случай называется согласным включением катушек, второй – встречным.


Рис. 3.5.2
В первом случае:
13 EMBED Equation.3 1415
Поскольку при последовательном соединении 13 EMBED Equation.3 1415, получим:
13 EMBED Equation.3 1415,
т.е. эквивалентная индуктивность при последовательном согласном включении двух катушек:
13 EMBED Equation.3 1415.

Аналогично при последовательном встречном включении получим:
13 EMBED Equation.3 1415.
Отсюда вытекает ещё один способ определения взаимной индуктивности. Вычитая последнее уравнение из предыдущего, получим:
13 EMBED Equation.3 1415.
Измерив индуктивности цепи при согласном и встречном включениях катушек, по этой формуле можно определить взаимную индуктивность.
Экспериментальная часть
Задание

Определить экспериментально одноимённые зажимы и параметры катушек R1, R2, L1, L2, M. Исследовать влияние ферромагнитного сердечника на коэффициент связи. Измерить эквивалентную индуктивность цепи при последовательном согласном и встречном включениях катушек.
Порядок выполнения работы

С помощью мультиметра определите сначала одноимённые зажимы катушек трансформатора с W1 = 900 и W2 = 300 и разборным сердечником из набора миниблоков как описано в общих сведениях. В этом опыте используйте нерегулируемый источник постоянного напряжения +15 В, а для ограничения тока в катушке включите последовательно с ней сопротивление 1050 Ом.
Соберите цепь по принципиальной схеме, изображённой на рис. 3.5.3..

Рис. 3.5.3

Подайте на цепь питание, установите оптимальные пределы измерения и запишите показания приборов в табл. 3.5.1. При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в выборе пределов измерения I>, I< ,U>, U<.
Разберите трансформатор, вставьте между половинками сердечника полоски бумаги в 34 слоя, вновь соберите и сделайте аналогичные измерения при наличии воздушного зазора. При необходимости скорректируйте при этом пределы измерения. Запишите показания приборов в табл. 3.5.1
Удалите верхнюю половину сердечника, и снова запишите в табл. 3.5.1 результаты измерений.
Удалите теперь нижнюю половинку сердечника и сделайте все измерения без сердечника.
Таблица 3.5.1

Измеренные и рассчитанные параметры
При наличии замкнутого сердечника
При наличии сердечника с зазором
При наличии половины сердечника
При отсутствии сердечника

U1, В






I1, мА






U2, В






P, Вт.






13 EMBED Equation.3 1415, град.





13 EMBED Equation.3 1415, Ом





13 EMBED Equation.3 1415, мГн





13 EMBED Equation.3 1415, мГн





13 EMBED Equation.3 1415, Ом







Определите теперь параметры
·, z1, L1, M21, R1 по формулам, приведённым в разделе «Общие сведения» и экспериментальным данным табл. 3.5.1.
Для одного из рассмотренных четырёх случаев проделайте опыт при подаче питания на вторую катушку. Для этого поверните трансформатор на 1800 в наборной панели. Результаты измерений и вычислений занесите в табл. 3.5.3, указав в верхней строке наличие сердечника, его половины или зазора.
Таблица 3.5.3

Питание со стороны W2 при..

U2, В
I2, мА
U1, В

·, град.
z2, Ом
L2, Гн
M12, Гн
R2











Включите две катушки сначала последовательно согласно, затем последовательно встречно, сделайте измерения и рассчитайте эквивалентные параметры. Результаты запишите в табл. 3.5.4. Рассчитайте также эквивалентные параметры по результатам предыдущих опытов. и сравните результаты.

Таблица 3.5.3

Последовательное соединение катушек при..


U, В
I, мА

·, град.
zЭ, Ом
LЭ, Гн
M12, Гн


Согласн. включ.








Встречн. Включ.









13 EMBED Equation.3 1415=
13 EMBED Equation.3 1415 =
13 EMBED Equation.3 1415 =

Выводы





Расчёт и экспериментальное исследование цепи при несинусоидальном приложенном напряжении
Общие сведения
Несинусоидальное периодическое напряжение, приложенное к электрической цепи, можно разложить в ряд Фурье:
13 EMBED Equation.3 1415
где
13 EMBED Equation.3 1415

Расчёт цепи проводят с использованием принципа наложения в следующей последовательности:
рассчитывают цепь при постоянном приложенном напряжении U0;
рассчитывают цепь (обычно комплексным методом) при синусоидальном приложенном напряжении с амплитудой U1m частоты и частотой
· (k=1)
·
повторяют расчёт при k = 2, 3, 4, , учитывая, что индуктивные сопротивления увеличиваются с ростом частоты (13 EMBED Equation.3 1415), а ёмкостные уменьшаются (13 EMBED Equation.3 1415);
переходят к мгновенным значениям и суммируют постоянную и синусоидальные составляющие тока (напряжения) в каждой ветви;
определяют действующие значения токов и напряжений, а также мощности по формулам:

13 EMBED Equation.3 1415

где Uk, Ik – действующие значения синусоидальных составляющих.
Чем больше гармоник взято для расчёта, тем выше точность полученных результатов. Ниже в качестве примера приведен расчёт тока в цепи с последовательным соединением R, L, и C при двухполярном прямоугольном приложенном напряжении. Расчёт выполнен с помощью программы MathCAD. На графике построены две кривые тока: в одной учтены только основная (первая) и третья гармоники, а в другой учтены 5 гармоник - с первой по одиннадцатую.



Экспериментальная часть
Задание

Рассчитать мгновенное и действующее значение тока и напряжения на конденсаторе, а также потребляемую цепью активную мощность при прямоугольном периодическом приложенном напряжении, построить график изменения тока на входе цепи, проверить результаты расчёта путём осциллографирования и непосредственных измерений.
Порядок выполнения работы

Выберите один из приведенных ниже вариантов параметров цепи (рис. 3.6.2) и выполните расчёт согласно заданию, учитывая основную гармонику и одну – две высших. По результатам расчёта мгновенных значений на рис. 3.6.3 построийте графики, а действующие значения и мощность занесите в табл. 3.6.1.
Варианты параметров элементов цепи и приложенного напряжения:
L = 33 мГн (RK=65 Ом), L = 100 мГн, (RK=190 Ом);
С = 0,22, 0,47 или 1 мкФ;
R = 47, 100, 150, или 220 Ом;
Um=810 B, f=0,51 кГц.
Соберите цепь (рис.9.1) с принятыми в расчёте параметрами элементов, включите ваттметр и осциллограф.
Установите на источнике принятые значение частоты и амплитуду прямоугольных импульсов, настройте осциллограф и перенесите осциллограммы на рис. 9.3. Запишите показание ваттметра.
Рис. 3.6.2

Переключите вольтметр на вход цепи, включите виртуальный измеритель активной мощности и занесите его показание также в табл. 3.6.1.
Сравните результаты расчёта и эксперимента и сделайте выводы.

Таблица 3.6.1


I, мА
U, В
Р. мВт

Расчётные значения




Экспериментальные значения







Рис. 3.6.3




Рис. 3.6.4

Трёхфазные цепи
Исследование трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду
Общие сведения
Если нагрузки (приемники) соединены в трехфазную цепь по схеме «звезда» (рис. 4.1.1), то к сопротивлениям нагрузки приложены фазные напряжения. Линейные напряжения (UЛ) в (3 раз больше фазных (UФ), а линейные токи (IЛ) равны фазным (IФ) и определяются по закону Ома:
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415
Ток нейтрали (IN) равен векторной сумме этих токов: 13 EMBED Equation.3 1415
При симметричных напряжениях UA, UB, UC и одинаковых сопротивлениях RA= RB = RC = R токи IA, IB, IC также симметричны и их векторная сумма (IN) равна нулю. Тогда IЛ = IФ = UФ ( R; IN = 0.
Если же сопротивления фаз нагрузки неодинаковы, то через нулевой провод протекает некоторый ток IN (0, а в схеме без нейтрали происходит смещение точки 0 на векторной диаграмме напряжений. Это поясняется на векторных диаграммах (рис. 4.1.2).
13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 4.1.2
Мощность складывается из мощностей трёх фаз: (P = PА + PВ + PС. При симметричной и чисто активной нагрузке, имеем: (P = 3  PФ = 3UФ IФ = (3 ( UЛ ( IЛ.
При смешанной (активно-индуктивной или активно-емкостной) нагрузке в симметричной трёхфазной цепи:
Активная мощность (P = 3 (UФ (IФ ( cos( = (3 ( UЛ ( IЛ ( cos(.
Реактивная мощность (Q = 3 (UФ (IФ ( sin( = (3 (UЛ ( IЛ ( sin(.
Полная мощность (S = 3 (UФ IФ = (3 (UЛ ( IЛ.
Активная мощность в четырёхпроводной трёхфазной цепи измеряется с помощью трёх ваттметров (рис. 4.1.3а), а в трёхпроводной - с помощью двух ваттметров (рис. 4.1.3б).

Рис. 4.1.3
Экспериментальная часть
Задание
В трехфазной цепи при соединении нагрузки в звезду измерить действующие значения токов и напряжений, мощность, простроить векторные диаграммы и проверить баланс мощностей для следующих случаев:
Симметричная активная нагрузка с нейтральным проводом и без него.
Несимметричная активная нагрузка с нейтральным проводом и без него.
Несимметричная смешанная нагрузка с нейтральным проводом и без него.

Порядок выполнения эксперимента
Соберите цепь с симметричной активной нагрузкой (RA = RB = RC = 1 кОм) согласно принципиальной схеме (рис. 4.1.1) и монтажной схеме (рис. 4.1.4).
Измерьте напряжения, токи и мощности на нагрузке в схеме с нейтральным проводом. Результаты измерений занесите в табл. 4.1.1.
Подключая ваттметр сначала в фазу А, затем в фазу В и, наконец, в фазу С измерьте мощности трёх фаз и вычислите суммарную мощность. Результаты запишите в также в табл. 4.1.1. При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в выборе пределов измерения I>, I< ,U>, U<.. Для переключения ваттметра из одной цеп в другую, также как и амперметра, используйте специальный коммутационный миниблок «амперметр» и пару проводников с коаксиальным разъёмом!. Проверьте баланс мощностей, т.е. сравните суммарную измеренную мощность с суммой рассчитанных фазных мощностей.
Уберите из схемы нейтральный провод (перемычку между точками N и 0) и снова измерьте токи и напряжения.
Подключая токовую цепь ваттметра сначала в фазу А, а цепь напряжения – на напряжение UAB, затем токовую цепь в фазу C, а цепь напряжения – на напряжение UCB, измерьте две мощности и вычислите суммарную мощность. Проверьте баланс мощностей.

Рис. 4.1.4

Повторите измерения и вычисления для несимметричной нагрузки с нейтральным и без нейтрального провода (RA = 1 кОм, RB = 330- Ом, RC = 470 Ом).
Повторите измерения и вычисления, заменив резистор фазы В конденсатором 4,4 мкФ, а резистор фазы С – катушкой индуктивности 900 витков с собранным ферромагнитным сердечником. Выберите масштабы токов и напряжений и постройте векторные диаграммы для всех случаев.
Таблица 4.1.1

Схема «звезда»
Симметричная активная нагрузка
Несимметричная активная нагрузка
Несимметричная смешанная нагрузка


с нейт-
ралью
без нейтрали
с нейт-
ралью
без нейтрали
с нейт-
ралью
без нейтрали


Фазные токи, ток нейтрали мА
IA








IB








IC








IN







Линейные напряжения, В
UАВ








UВС








UСА







Фазные напряжения, В


























Рассчитанныемощности, мВт



























(P







Измеренные мощности, мВт
Р1








Р2








Р3

-

-

-


(P









Векторные диаграммы

1. Симметричная активная нагрузка RA = RB = RC = 1 кОм
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
2. Несимметричная активная нагрузка RA = 1 кОм, RВ = 330 Ом, RС = 470 Ом
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
3. Смешанная несимметричная нагрузка фаз:
RA = 1 кОм, СВ = 4,4 мкФ, LС катушка 900 витков с сердечником
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415



Исследование трехфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник
Общие сведения
В схеме «треугольник» (рис. 4.2.1), нагрузка RAВ, RBС и RCА каждой фазы включается на линейное напряжение, которое в данном случае равно фазному (UЛ = UФ).
13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 4.2.1

Фазные токи IAВ, IBС и ICА определяются по закону Ома:
13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415 13 EMBED Equation.3 1415.
Линейные токи определяются по первому закону Кирхгофа как векторные разности соответствующих фазных токов:
13 EMBED Equation.3 1415
Построение этих векторов показано на векторной диаграмме (рис. 4.2.2).
При симметричных напряжениях UAВ, UBС, UCА и одинаковых нагрузках фаз RAВ = RBС = RCА = R токи также симметричны, причём, линейный ток по величине в (3 раз больше фазного. Это поясняется на векторных диаграммах (рис. 4.1.2).

13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 4.2.2.

Суммарная мощность (P, потребляемая трехфазной нагрузкой при ее соединении в «треугольник», складывается из мощностей фаз (P = PАВ + PВС + PСА.
Также как и при соединении в звезду в случае симметричной нагрузки:
Активная мощность (P = 3 (UФ ( IФ ( cos( = (3 ( UЛ ( IЛ ( cos(.
Реактивная мощность (Q = 3 (UФ (IФ (sin( = (3 ( UЛ ( IЛ (sin(.
Полная мощность (S = 3 (UФ (IФ = (3 ( UЛ (IЛ .
Активная мощность трёхфазной цепи при соединении в треугольник измеряется двумя ваттметрами так же, как и при соединении в звезду без нейтрального провода.
Экспериментальная часть
Задание
В трехфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник измерить действующие значения токов и напряжений, мощность, простроить векторные диаграммы и проверить баланс мощностей для следующих случаев:
Симметричная активная нагрузка.
Несимметричная активная нагрузка.
Несимметричная смешанная нагрузка.

Порядок выполнения эксперимента

Соберите цепь с симметричной нагрузкой (RAВ = RBС = RCА = 1 кОм) согласно принципиальной схеме (рис. 4.2.3) и монтажной схеме (рис. 4.2.4).

Рис. 4.2.3

Измерьте мультиметрами напряжения и токи, указанные в табл. 4.2.1 и вычислите мощности.
Подключая токовую цепь ваттметра сначала в фазу А, а цепь напряжения – на напряжение UAB, затем токовую цепь в фазу C, а цепь напряжения – на напряжение UCB, измерьте две мощности и вычислите суммарную мощность. Проверьте баланс мощностей. При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в выборе пределов измерения I>, I< ,U>, U<.. Для переключения ваттметра из одной цеп в другую, также как и амперметра, используйте специальный коммутационный миниблок «амперметр» и пару проводников с коаксиальным разъёмом!
Повторите измерения и вычисления для несимметричной нагрузки с (RAВ = 1 кОм, RBС = 330 Ом, RCА = 470 Ом). Повторите измерения и вычисления, заменив резистор фазы В конденсатором 4,4 мкФ, а резистор фазы С – катушкой индуктивности 900 витков с собранным ферромагнитным сердечником.
Выберите масштабы токов и напряжений и постройте векторные диаграммы для всех случаев.


Рис. 4.2.4
Таблица 4.2.1

Соединение «треугольник»
Симметричная активная нагрузка
Несимметричная активная нагрузка
Несимметричная смешанная нагрузка


Фазные токи, мА
IAВ





IBС





ICА




Линейные токи, мА
IA





IB





IC




Линейные напряжения, В
UAB





UBC





UCA




Рассчитанныемощности, мВт
PAB





PBC





PCA





(P




Измеренные мощности, мВт
Р1





P2





(P





Векторные диаграммы

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду
Общие сведения
Аварийными являются режимы, возникают при коротких замыканиях в нагрузке или в линиях и обрыве проводов. Остановимся на некоторых типичных аварийных режимах.
Обрыв нейтрального провода при несимметричной нагрузке
В симметричном режиме IN = 0, поэтому обрыв нейтрального провода не приводит к изменению токов и напряжений в цепи и такой режим не является аварийным. Однако, при несимметричной нагрузке IN
·
·0, поэтому обрыв нейтрали приводит к изменению всех фазных токов и напряжений. На векторной диаграмме напряжений точка «0» нагрузки, совпадающая до этого с точкой «N» генератора, смещается таким образом, чтобы сумма фазных токов оказалась равной нулю (рис. 4.3.1). Напряжения на отдельных фазах могут существенно превысить номинальное напряжение.
13 EMBED Word.Picture.8 1415
Рис. 4.3.1
Обрыв фазы при симметричной нагрузке в схеме с нулевым проводом
При обрыве провода, например, в фазе А ток этой фазы становится равным нулю, напряжения и токи в фазах В и С не изменяются, а в нулевом проводе появляется ток IN = IB + IC. Он равен току, который до обрыва протекал в фазе А (рис. 4.3.2).

Рис. 4.3.2

Обрыв фазы при симметричной нагрузке в схеме без нулевого провода
При обрыве, например, фазы А (рис. 4.3.3) сопротивления RA и RB оказываются соединёнными последовательно и к ним приложено линейное напряжение UBC. Напряжение на каждом из сопротивлений составляет 13EMBED Equation.31415 от фазного напряжения в нормальном режиме. Нулевая точка нагрузки на векторной диаграмме напряжений смещается на линию ВС, и при RB = RC она находится точно в середине отрезка ВС.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 4.3.3

Короткие замыкания
При коротком замыкании фазы нагрузки в схеме с нулевым проводом ток в этой фазе становится очень большим (теоретически бесконечно большим) и это приводит к аварийному отключению нагрузки защитой. В схеме без нулевого провода при замыкании, например, фазы А, нулевая точка нагрузки смещается в точку «А» генератора. Тогда к сопротивлениям фаз В и С прикладываются линейные напряжения. Токи в этих фазах возрастают в 13EMBED Equation.31415 раз, а ток в фазе А – в 3 раза (рис. 4.3.4).
Короткие замыкания между линейными проводами и в той и в другой схеме приводят к аварийному отключению нагрузки защитой.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 4.3.4
Экспериментальная часть
Задание
Экспериментально исследовать аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в звезду.
Порядок выполнения работы
Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис. 4.3.5) с сопротивлениями фаз RA=RB=RC=1кОм. Монтажная схема изображена на рис. 4.1.4, но ваттметр в этой работе не понадобится.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 4.3.5

Убедитесь, что обрыв (отключение) нейтрали не приводит к изменению фазных токов.
Убедитесь, что в схеме с нулевым проводом происходит отключение источника защитой при коротких замыканиях, как в фазах нагрузки, так и между линейными проводами.
Убедитесь, что в схеме без нулевого провода короткое замыкание в фазе нагрузки не приводит к отключению, а при коротком замыкании между линейными проводами установка отключается.
Проделайте измерения токов и напряжений всех величин, указанных в табл. 4.3.1 в различных режимах и по экспериментальным данным постройте векторные диаграммы для каждого случая в выбранном масштабе.
Ответьте на контрольные вопросы.
Таблица 4.3.1

Режим
UAO,
B
UBO,
B
UCO,
B
UON,
B
IA,
мА
IB,
мА
IC,
мА
IN,
мА

1
RA=1 кОм
RB=330 Ом
RC=470 Ом
Обрыв нейтрали









2
RA=RB=RC=1 кОм
Схема с нейтралью
Обрыв фазы А









3
RA=RB=RC=1 кОм
Сх. без нейтрали
Обрыв фазы А









4
RA=RB=RC=1 кОм
Сх. без нейтрали
К. З. фазы А









Векторные диаграммы

RA=1 кОм, RB=330 Ом, RC=470 Ом. Обрыв нейтрали

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

2. RA= RB= RC =1 кОм, Схема с нейтралью, обрыв фазы А


3. RA= RB= RC =1 кОм, Схема без нейтрали, обрыв фазы А



4. RA= RB= RC =1 кОм, Схема без нейтрали, короткое замыкание фазы А
Вопрос: Как изменяется мощность трёхфазной нагрузки при обрыве фазы в схеме с нулевым проводом и без него? Как изменяется мощность при коротком замыкании одной фазы?
Ответ:
Аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник
Общие сведения
При коротких замыканиях в фазах нагрузки или между линейными проводами токи резко возрастают и происходит аварийное отключение установки защитой.
Обрывы фаз или линейных проводов при соединении нагрузки в треугольник не приводят к перегрузкам по токам или напряжениям, как это иногда случается при соединении нагрузки в звезду.
При обрыве одной фазы нагрузки (рис. 4.4.1) ток этой фазы становится равным нулю, а в оставшихся двух фазах ток не меняется. Два линейных тока уменьшаются в13 EMBED Equation.3 1415 раз, т. е. становятся равными фазному току, а третий остаётся неизменным.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 4.4.1.
При обрыве линейного провода (например, В) фазные сопротивления RAB и RBC оказываются соединёнными последовательно и включёнными параллельно с сопротивлением RCA на напряжение UCA (рис. 4.4.2). Цепь фактически становится однофазной.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415 Рис. 4.4.2
При одновременном обрыве линейного провода и одной фазы нагрузки цепь также становится однофазной (рис. 4.4.3 и 4.4.4).

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 4.4.3
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415

Рис. 4.4.4
Экспериментальная часть
Задание
Экспериментально исследовать аварийные режимы трёхфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник.
Порядок выполнения работы
Соберите цепь цепь согласно схеме (рис. 4.4.5) с сопротивлениями фаз RAВ=RBС=RCА=1кОм. Монтажная схема такая же, как на рис. 4.4.4, но ваттметр в этой работе не понадобится.










Рис. 4.4.5
Проделайте измерения фазных и линейных токов (отличных от нуля) во всех режимах, указанных в табл. 4.4.1.
По экспериментальным данным постройте векторные диаграммы для каждого аварийного случая в выбранном масштабе.
Ответьте на контрольные вопросы.

Таблица 4.4.1

Режим
IAB,
мА
IBC,
мА
ICA,
мА
IA,
мА
IB,
мА
IC,
мА

1
Симметричный режим, Rф=1 кОм







2
Обрыв фазы АВ нагрузки







3
Обрыв линейного провода А







4
Обрыв фазы АВ
и линии С







5
Обрыв фазы АВ и линии А








Векторные диаграммы
Обрыв фазы АВ нагрузки

2. Обрыв линейного провода А


3. Обрыв фазы АВ и линии С


4. Обрыв фазы АВ и линии А

Вопрос: Как вычислить мощность несимметричной трёхфазной нагрузки?
Ответ: .
Вопрос: Как (во сколько раз) увеличиваются или уменьшаются фазные и линейные токи в каждом из рассмотренных аварийных режимов?
Ответ: .
Исследование фильтра напряжения обратной последовательности
Общие сведения
Фильтр напряжения обратной последовательности служит для получения на его выходе напряжения, пропорционального симметричной составляющей напряжения обратного следования фаз, содержащейся в трёхфазном напряжении питающей сети.
Одна из возможных схем такого фильтра показана на рис. 4.5.1. Фильтр включается на линейные напряжения, поэтому напряжения нулевого следования на его входе нет. Активное и ёмкостное сопротивления его плеч подобраны таким образом, что ток IА опережает напряжение UAB на 300, а ток IС опережает напряжение UВС на 600.
Если на входе фильтра действует симметричное трёхфазное напряжение прямого следования, то напряжение на выходе фильтра Umn = 0. Это поясняется топографической векторной диаграммой (рис. 4.5.2а).
Если же к фильтру приложено напряжение обратного следования фаз, то на его выходе возникает довольно большое напряжение (рис. 4.5.2б). Величину этого напряжения можно определить непосредственно из векторной диаграммы:
Umn = UЛ + 2(0,5UЛcos 600) = 1,5UЛ,
где UЛ = линейное напряжение обратного следования фаз на входе фильтра.
Когда на входе фильтра действует сумма напряжений прямой и обратной последовательности, напряжение его выходе пропорционально напряжению обратного следования.

Рис. 4.5.2
Экспериментальная часть
Задание
Выполнить настройку плеч фильтра напряжений обратной последовательности, убедиться в правильности работы фильтра при прямой и обратной последовательности напряжения на его входе, проверить работу фильтра при несимметричном напряжении на его входе.
Порядок выполнения работы
Подключите к входу фильтра напряжения прямого следования фаз, как показано на рис. 4.5.1 и измерьте линейное напряжение.
Переключите вольтметр для измерения напряжения UAm и верхним резистором на миниблоке ФНОП установите его значение 0,5UЛ. При этом ток IА будет опережать напряжение UAB на 300.
Переключите вольтметр для измерения напряжения UnC и нижним резистором на миниблоке ФНОП установите его значение также 0,5UЛ. При этом ток IС будет опережать напряжение UВС на 600.
Измерьте теперь напряжение Umn, запишите его значение в табл. 4.5.1 и убедитесь, что оно близко к нулю.
Подайте на вход фильтра напряжения обратного следования фаз (например, поменяв местами фазы А и С) и убедитесь, что на выходе фильтра напряжение стало примерно равным 1,5 UЛ. Запишите это значение в табл. 4.5.1.
Верните на свои места фазы А и С и подайте на вход фильтра несимметричное трёхфазное напряжение, переключив одну из фаз на ноль трёхфазного генератора. Измерьте на выходе напряжение Umn и вычислите линейное напряжение обратного следования фаз U2 = Umn/1.5. Запишите результаты.
Поменяйте местами две фазы и снова измерьте напряжение Umn и вычислите напряжение прямого следования U1 = Umn/1.5.
Разложите несимметричную трёхфазную систему приложенных напряжений на симметричные составляющие и убедитесь в правильности работы фильтра при несимметричном приложенном напряжении.
Таблица 4.5.1


Расчёт
Опыт

Симметричная
система
приложенных
напряжений
UЛ, В
14



UAm, В
7



UnC, В
7



Umn(1), В
0



Umn(2), В
21


Несимметричная
система
приложенных
напряжений
UAB, В




UВС, В




UСА, В




Umn(1), В

-


U2, В




Umn(2), В

-


U1, В



Примечание: (1) – при прямом следовании фаз, (2) – при обратном следовании.

Переходные процессы в линейных электрических цепях
Исследование процессов заряда и разряда конденсатора
Общие сведения
В цепи, изображённой на рис. 5.1.1а переключатель переводится из нижнего положения в верхнее при t = 0, и конденсатор начинает заряжаться. В процессе заряда ток и напряжение на конденсаторе изменяются во времени (рис. 5.1.1б) в соответствии с уравнениями:
iС = (U ( R) (e-t ( (;
uС = U ( 1 - e-t ( ().

Время (, за которое зарядный ток снижается в е раз (2,718), называется постоянной времени. Таким образом, через отрезок времени ( ток разряда составляет примерно 0,37 от первоначального значения U/R, через 2( – 0,135U/R, через 3( – 0,05 U/R и т.д. Соответственно, напряжение на конденсаторе возрастает за время ( до 0,63 U, за 2( – до 0,865U, за 3( – до 0,95 U/R и т.д. За время (34)( процесс почти полностью затухает. Постоянная времени цепи, содержащей последовательно соединенные R и C, равна ( = R С.

Рис. 5.1.1

При t = t1 переключатель переводится в нижнее положение и конденсатор начинает разряжаться на сопротивление. Ток и напряжение на конденсаторе изменяются в соответствии с уравнениями:
iС = - (U ( R) (e-t ( (;
uС = U e-t ( (,
где также ( = R (С.
В данной работе вместо переключателя используется источник периодического прямоугольного напряжения. Таким образом, процесс заряда/разряда периодически повторяется, и его можно наблюдать на экране осциллографе как стационарный процесс.

Экспериментальная часть
Задание

Получить на экоане электронного осциллографа кривые изменения напряжения и тока заряда/разряда конденсатора и определите по кривым следующие параметры:
постоянную времени цепи (,
емкость С,
мгновенное значение напряжения uC на обкладках конденсатора спустя 0,5 мс после начала разряда.

Порядок выполнения эксперимента

Соберите цепь согласно схеме (рис. 5.1.2) и подсоедините к ее входным зажимам регулируемый источник напряжений специальной формы, настроенный на прямоугольные импульсы положительной полярности с параметрами: Um = 10 B, f = 200250 Гц. Напряжение с конденсатора подаётся на первый канал осциллографа, а сигнал, пропорциональный току снимается с сопротивления шунта RШ и подаётся на второй канал осциллографа. Сигнал второго канала нужно инвертировать, тогда ток заряда будет пол "0268@BDДЖь
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·ожительным (отклонение луча вверх), а ток разряда – отрицательным (отклонение луча вниз).



Рис. 5.1.2

Настройте осциллограф, установите стандартные масштабы по первому и второму каналам и перерисуйте кривые на рис.5.1.3. Не забудьте указать масштабы. Масштаб тока определяется как масштаб напряжения, делённый на сопротивление шунта.
Определите указанные в задании величины, используя экспериментальные кривые.
Результаты сведите в табл. 5.1.1.
Рассчитайте значения ( и uC(t) при t=0,5, приняв R и C равными номинальным значениям, указанным на этикетках миниблоков. Сравните результаты расчёта с экспериментальными значениями.




13 EMBED Word.Picture.8 1415


Рис. 5.1.3

Таблица 5.1.1


R, Ом
(, мс
С, мкФ
uC(t), В
(при t=0,5 мс),

Эксперимент





Расчёт







Исследование процессов включения под напряжение и короткого замыкания катушки индуктивности
Общие сведения
В цепи, изображённой на рис. 5.1.1а переключатель переводится из нижнего положения в верхнее при t = 0, и ток в катушке начинает увеличиваться по экспоненциальному закону:
iL = U ( R ((1 - e-t ( ( ) .
где ( = L ( R. - постоянная времени (рис.5.1.1б).
При этом ЭДС самоиндукции направлена навстречу току и препятствует его нарастанию. Постепенно напряжение самоиндукции уменьшается:
uL = U e-t ( (.
При t = (34)( ток практически достигает установившегося значения и процесс прекращается.

Рис.5.2.1

При t = t1 переключатель переводится в нижнее положение, и ток теперь замыкается через перемычку помимо источника. ЭДС самоиндукции меняет знак и препятствует его уменьшению. Ток и напряжение на катушке изменяются в соответствии с выражениями:
iL = U ( R ( e-t ( (; uL = U ( e-t ( (.
Также как и в предыдущей работе, здесь вместо переключателя используется генератор периодического напряжения прямоугольной формы. Это даёт возможность наблюдать оба процесса с помощью осциллографа.
Экспериментальная часть
Задание

Получить на дисплее виртуального осциллографа кривые тока и напряжения при подключении катушки индуктивности к постоянному напряжению и ее коротком замыкании, определить следующие величины:
постоянную времени ( цепи с катушкой,
индуктивность катушки L,
мгновенное значение тока катушки iL спустя 0,02 мс после включения под напряжение.
Порядок выполнения экспериментов

Соберите цепь согласно схеме (рис. 5.2.2) и настройте источник напряжений специальной формы на прямоугольные импульсы положительной полярности с параметрами: Um = 10 B, f=250 Гц. В схеме V1, V0, A1 – соответствующие пары гнезд коннектора.

Рис.5.2.2

Настройте осциллограф, установите стандартные масштабы по первому и второму каналам и перерисуйте кривые на рис. 5.2.3. Не забудьте указать масштабы. Масштаб тока определяется как масштаб напряжения, делённый на сопротивление шунта.
Измерьте точное значение сопротивления цепи (всей цепи R и L!) омметром и определите указанные в задании величины, используя экспериментальные кривые и измеренное сопротивление. Результаты сведите в табл. 5.2.1.
Рассчитайте значения ( и uC(t) при t=0,5, приняв R и C равными номинальным значениям, указанным на этикетках миниблоков. Сравните результаты расчёта с экспериментальными значениями.
Рис.5.2.3
Таблица 5.1.1


R, Ом
(, мс
L, мГн
iL(t), В
(при t=0,02 мс),

Эксперимент





Расчёт






Исследование переходного процесса в разветвлённой цепи с конденсатором и резисторами
Общие сведения
Переходный процесс в линейной электрической цепи описывается линейной системой дифференциальных уравнений, решение которой, например, для тока имеет вид:
13 EMBED Equation.3 1415,
где
iпр – принуждённая составляющая, которая определяется из расчёта нового установившегося режима, и зависит от источников напряжения и тока, действующих в цепи;
iсв – свободная составляющая, которая определяется из решения однородного дифференциального уравнения и зависит от начальных условий.
Цепь с одним конденсатором и сопротивлениями описывается дифференциальным уравнением первого порядка, поэтому свободная составляющая тока или напряжения в любой ветви имеет одно слагаемое вида 13 EMBED Equation.3 1415, где р – корень характеристического уравнения, а А – постоянная интегрирования.
Характеристическое уравнение может быть составлено в виде:
13 EMBED Equation.3 1415,
где 13 EMBED Equation.3 1415Z(p) и Y(p) - - входные операторные сопротивление и проводимость. Они могут быть получены заменой в выражениях комплексного сопротивления или проводимости цепи аргумента j
·
· оператором р. При замыкании ключа и при его размыкании характеристические уравнения для рассматриваемой в данной работе цепи (рис.5.3.1) будут различными.
Постоянные интегрирования А для каждого тока или напряжения определяется из начальных условий. Для определения постоянной А необходимо знать значение искомой функции в первый момент времени после коммутации (при t = +0).
Начальное значение напряжения на конденсаторе определяется из первого закона коммутации: uC(+0) = uC(-0). В свою очередь uC(-0) определяется из расчёта цепи до коммутации. Начальные значения других величин (токов и напряжений, которые могут изменяться скачком) рассчитываются по закону Ома и законам Кирхгофа в момент времени t= +0.
Таким образом, все токи и напряжения в переходном режиме изменяются по экспоненциальному закону с одной и той же постоянной времени (13 EMBED Equation.3 1415) от начального значения до установившегося. Причём, начальное значение напряжения на конденсаторе равно напряжению на нём непосредственно перед коммутацией, т. е. скачком не меняется.
В данной работе коммутация (включение и выключение) осуществляется транзистором, на базу которого подаются отпирающие импульсы тока от источника синусоидального напряжения с частотой 50 Гц. В результате оба переходных процесса периодически повторяются и их можно наблюдать на осциллографе.

Экспериментальная часть
Задание

Рассчитать докоммутационные (t = - 0),
· начальные (t = + 0) и установившиеся (t
·13 EMBED Equation.3 1415) значения токов и напряжения на конденсаторе в цепи (рис. 5.3.1) в двух случаях: 1. - ключ замыкается; 2. - ключ размыкается. В каждом из этих случаев определить постоянную времени цепи, снять осциллограммы рассчитанных величин и убедиться, что все токи и напряжение на конденсаторе изменяются с одной постоянной времени, а напряжение на конденсаторе не имеет скачков.


Рис. 5.3.1

Порядок выполнения работы

В цепи (рис. 5.3.1) ключ замыкается. Рассчитайте токи и напряжение на конденсаторе до коммутации (t =(0, ключ разомкнут), в первый момент после коммутации (t = + 0, ключ замкнут) и в новом установившемся режиме (t
·13 EMBED Equation.3 1415, ключ замкнут). Результаты расчёта занесите в табл. 5.3.1.
Повторите расчёт при размыкании ключа. Результаты занесите в табл. 5.3.2.
Составьте характеристическое уравнение, определите корень р и постоянную времени 13 EMBED Equation.3 1415 для первого и для второго случаев, занесите результаты в табл. 5.3.1 и 5.3.2.
Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис. 5.3.2) или монтажной (рис. 5.3.3). Обратите внимание на полярность электролитического конденсатора.
Включите осциллограф, установите развёртку 2 мС/дел, отрегулируйте усиление, используя ступенчатые переключатели каналов осциллографа, и перерисуйте изображения тока и напряжения на график (рис.5.3.4). Не забудьте указать масштаб для каждой кривой.
Определите по графику или непосредственно по осциллографу докоммутационные (t = - 0) начальные (t = + 0) и установившиеся (t
·13 EMBED Equation.3 1415) значения токов и напряжения на конденсаторе в цепи в двух случаях: 1. - ключ замыкается; 2. - ключ размыкается. Занесите их также в табл. 5.3.1 и 5.3.2 и сравните с расчётными значениями.
Отключите один из каналов осциллографа, а другой переключите на резистор вторй ветви. Определите по осциллограмме начальные и установившиеся значения тока при включении и выключении и запишите их в табл. 5.3.1 и 5.3.2. Проделайте то же самое для первой ветви. Сравните результаты с расчётом.
Определите по графикам постоянные времени при замыкании и размыкании ключа. Сравните их с расчётными значениями и занесите в табл. 5.3.1 и 5.3.2.
Проанализируйте результаты и сделайте выводы.
13 EMBED Word.Picture.8 1415

Рис. 5.3.2



Рис. 5.3.3

- ключ замыкается
Таблица 5.3.1

t
uC, В
i1, ьА
i2, мА
i3, мА

·, мС

- 0, расчёт
- 0, эксперимент





Расчёт:

· = мС
Эксперимент:

· = мС


+ 0, расчёт
+ 0, эксперимент






13 EMBED Equation.3 1415, расчёт
13 EMBED Equation.3 1415, эксперимент







- ключ размыкается
Таблица 5.3.2

t
uC, В
i1, ьА
i2, мА
i3, мА

·, мС

- 0, расчёт
- 0, эксперимент





Расчёт:

· = мС
Эксперимент:

· = мС


+ 0, расчёт
+ 0, эксперимент






13 EMBED Equation.3 1415, расчёт
13 EMBED Equation.3 1415, эксперимент









Рис. 5.3.4
Процессы включения и отключения цепи с катушкой индуктивности
Общие сведения
Цепь с одной катушкой индуктивности, так же как и цепь с одним конденсатором описывается дифференциальным уравнением первого порядка. Поэтому все токи и напряжения в переходном режиме изменяются по экспоненциальному закону с одной и той же постоянной времени (13 EMBED Equation.3 1415) от начального значения до установившегося.
Свободная составляющая тока или напряжения на катушке имеет одно слагаемое вида 13 EMBED Equation.3 1415, где р – корень характеристического уравнения, а А – постоянная интегрирования.
Характеристическое уравнение, из которого определяется корень р, может быть составлено в виде:
13 EMBED Equation.3 1415,
где 13 EMBED Equation.3 1415Z(p) и - входное операторное сопротивление.
Характеристические уравнения цепи, рассматриваемой в данной работе (рис.5.4.1), при замыкании ключа и при его размыкании не совпадают, поэтому будут отличаться и постоянные времени цепи.
Постоянная интегрирования А определяется из начальных условий. В данном случае начальное значение тока в индуктивности равно току в ней непосредственно перед коммутацией, так как ток в катушке не может изменяться скачком по закону коммутации. Напряжение на катушке может изменяться скачком и при отключении часто достигает весьма больших значений.
В данной работе коммутация (включение и выключение цепи) осуществляется транзистором, на базу которого подаются однополярные прямоугольные отпирающие импульсы тока от генератора напряжений специальной формы с частотой 200 Гц. Поэтому оба переходных процесса периодически повторяются и их можно наблюдать на обычном или виртуальном осциллографе.

Экспериментальная часть
Задание

Получить на экране осциллографа кривые тока и напряжения на катушке индуктивности при подключении и отключении источника постоянного напряжения. В каждом из этих случаев определить экспериментально и рассчитать докоммутационные (t = - 0),
· начальные (t = + 0) и установившиеся (t
·13 EMBED Equation.3 1415) значения тока и напряжения на катушке, определить по осциллограмме постоянную времени цепи.

Порядок выполнения эксперииментов

Соберите цепь согласно схеме (рис. 5.4.1 и 5.4.2). В качестве индуктивности возьмите катушку 300 витков трансформатора с разъёмным сердечником, вставив между его половинками полоски бумаги в 2 слоя. Установите частоту, форму и амплитуду сигнала генератора напряжений специальной формы.
Включите осциллограф, установите развёртку 0,5 мС/дел и перерисуйте изображение тока и напряжения на катушке на график (рис. 5.4.3). Не забудьте указать масштаб для каждой кривой.
Определите по графику или непосредственно по осциллографу докоммутационные (t = - 0) начальные (t = + 0) и установившиеся (t
·13 EMBED Equation.3 1415) значения токов и напряжений на катушке в двух случаях: 1. - ключ замыкается; 2. - ключ размыкается. Занесите их в табл. 5.4.1.
Рассчитайте токи и напряжения на катушке для этих же моментов времени, занесите результаты также в табл. 5.4.1. Сравните результаты расчёта и эксперимента.
Определите по осциллограммам постоянные времени при включенном и при отключенном источнике питания.

Таблица 5.4.1

t
Включение,
· = мС
Выключение,
· = мС


uL, В
iL, мА
uL, В
iL, мА

- 0, расчёт
- 0, эксперимент





+ 0, расчёт
+ 0, эксперимент





13 EMBED Equation.3 1415, расчёт
13 EMBED Equation.3 1415, эксперимент









13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 5.4.1


Рис. 5.4.2

Рис. 5.4.3

Переходные процессы в R-L-C контуре
Общие сведения

В замкнутом контуре (рис. 5.5.1) после отключении его от источника постоянного или переменного напряжения возникает переходный процесс, обусловленный начальным запасом энергии в электрическом поле конденсатора и в магнитном поле катушки индуктивности. Этот процесс может носить как апериодический, так и колебательный характер.
В общем случае состояние цепи определяется из дифференциального уравнения, составленного по второму закону Кирхгофа:
13EMBED Equation.31415
Поскольку 13EMBED Equation.31415 то
13EMBED Equation.3141513EMBED Equation.31415
или
13EMBED Equation.31415



Рис. 5.5.1.

Вид решения этого дифференциального уравнения зависит от характера корней характеристического уравнения:
13EMBED Equation.31415
Корни этого уравнения:
13EMBED Equation.31415
Когда 13EMBED Equation.3141513EMBED Equation.31415, корни вещественные отрицательные и процесс изменения тока и напряжений имеет апериодический затухающий характер (рис. 5.5.2а). Если же R
13EMBED Equation.31415sin
·t,
где 13EMBED Equation.31415, 13EMBED Equation.31415.


Рис. 5.5.2.

При уменьшении сопротивления от некоторого значения, большего, чем Rкр сначала увеличивается скорость затухающего апериодического процесса, затем, при R=Rкр качественно изменяется характер процесса – он становится колебательным - и при дальнейшем уменьшении сопротивления увеличивается частота колебаний и уменьшается затухание. При R, стремящемся к нулю, частота стремится к резонансной частоте 13EMBED Equation.31415, а затухание
·
·– к нулю.
В данной работе заряд конденсатора до напряжения u0 осуществляется однополярными прямоугольными импульсами напряжения и исследуется процесс его разряда на сопротивление и индуктивность во время пауз между импульсами. Повторяющийся процесс заряда и разряда конденсатора можно наблюдать на электронном или виртуальном осциллографе.
Экспериментальная часть
Задание

Исследовать влияние активного сопротивления на характер процесса разряда конденсатора на сопротивление и индуктивность. Сравнить экспериментальные частоту и затухание колебаний с расчётными значениями.
Порядок выполнения работы

Измерьте омметром и запишите активное сопротивление катушки индуктивности, указанной на схеме (рис. 5.5.3):

Rк= Ом.
Вычислите резонансную частоту и критическое сопротивление колебательного контура:
13EMBED Equation.31415 Гц;
13EMBED Equation.31415 13EMBED Equation.31415Ом;

Соберите цепь согласно схеме (рис. 5.5.3), выведите подстроечный резистор Rдоб на ноль и установите на источнике напряжения однополярные прямоугольные импульсы частотой 200 Гц и максимальной амплитуды.


Рис. 5.5.3.

Настройте осциллограф для наблюдения кривых uC(t) и i(t) (наиболее удобная я развёртка 200 - 500мкС/дел.).
Определите по осциллографу период затухающих колебаний и вычислите частоту:

T= мС, f= Гц.

Убедитесь, что полученное значение частоты близко к резонансной частоте.
Плавно увеличивая добавочное сопротивление Rдоб, убедитесь, что частота колебаний слегка уменьшается, а затухание увеличивается и при большом сопротивлении процесс становится апериодическим.
Установите регулятор потенциометра в положение, при котором процесс меняет характер, отключите питание и измерьте омметром добавочное сопротивление:

Rдоб= Ом.

Вычислите суммарное активное сопротивление колебательного контура:

RШ+Rдоб+Rк= Ом

Убедитесь, что эта сумма близка к Rкр.

Четырёхполюсники
Определение параметров пассивного четырёхполюсника
Общие сведения
Четырёхполюсником называется любая электрическая цепь, имеющая два входных и два выходных зажима (рис. 6.1.1). Буква П внутри обозначения четырёхполюсника обозначает, что он пассивный (без источников энергии). Четырёхполюсник описывается двумя уравнениями, связывающими входные и выходные токи и напряжения. Одна из форм записи уравнений пассивного четырёхполюсника называется формой А. При прямом питании (рис. 6.1.1а) она имеет вид:
13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициенты A, B, C, D или параметры четырёхполюсника в цепи синусоидального тока являются комплексными числами. В линейной цепи, подчиняющейся принципу взаимности, эти коэффициенты связаны соотношением:
AD – BC = 1.
Значит, независимыми являются только три параметра из этих четырёх.
При обратном питании (рис. 6.1.1б) уравнения четырёхполюсника приобретают вид:
13 EMBED Equation.3 1415
В них коэффициенты А и D поменялись местами. Следовательно, в симметричном четырёхполюснике A = D.
Для того чтобы определить параметры четырёхполюсника опытным путём, проделывают четыре опыта: холостой ход (1Х) и короткое замыкание (1К) при прямом питании, а также холостой ход (2Х) и короткое замыкание (2К) при обратном питании. В каждом из этих опытов измеряют напряжение, ток и мощность. Измерение мощности нужно для определения угла сдвига фаз из формулы: P = UIcos
·. Поэтому, вместо мощности можно измерять непосредственно угол
·, если есть фазометр.
По опытным данным рассчитывают входные комплексные сопротивления четырёхполюсника в каждом из этих режимов: Z1X и Z1K – при прямом питании, Z2X и Z2K – при обратном питании..
Из уравнений четырёхполюсника при прямом и обратном питании следует, что:
13 EMBED Equation.3 1415
Любые три уравнения из этих четырёх совместно с уравнением AD – BC = 1 позволяют определить параметры A, B, C, D по известным из опыта Z1X , Z1K, Z2X и Z2K. В частности, из них можно получить выражения, приведённые в табл. 6.1.1.
В данной работе в качестве четырёхполюсника используется миниблок «Фильтр напряжения обратной последовательности». Возможно использование и других устройств: трансформатора, магнитной цепи или любой другой цепи, собранной из имеющихся сопротивлений, катушек индуктивности и конденсаторов. Надо лишь обеспечить такие входные токи, напряжения и мощности, которые можно обеспечить имеющимися в стенде источниками и измерить имеющимися в стенде приборами.
Экспериментальная часть
Задание

По опытам холостого хода и короткого замыкания определить параметры A, B, C, D четырёхполюсника, в качестве которого взять фильтр напряжения обратного следования фаз. Входными зажимами считать выводы «А» и «С», выходными «m» и «n».
Порядок выполнения эксперимента
Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис. 6.1.2) и монтажной схеме (рис. 6.1.3). Цепь питается от линейного напряжения трёхфазного источника.
Включите блок генераторов напряжений и измерьте напряжение, ток и мощность на входе цепи при холостом ходе и при коротком замыкании на зажимах 2-2'. Измеренные значения запишите в табл. 6.1.1. При измерении мощности следите за сигнализацией ошибок в выборе пределов измерения I>, I< ,U>, U<.


Рис. 6.1.2

Поменяйте местами входные и выходные зажимы, т. е. подайте питание на зажимы mn и проделайте опыты холостого хода и короткого замыкания на зажимах АС. Измеренные значения также занесите в табл. 6.1.1.
Вычислите значения
· и Z для каждого опыта.
При корректных измерениях должно выполняться соотношение, вытекающее из принципа взаимности: Z1X / Z1K = Z2X / Z2K. Убедитесь в этом, прежде чем двигаться дальше.
Вычислите параметры A, B, C, D по приведённым выше формулам и для контроля правильности вычислений проверьте соотношение AD – BC = 1.



Рис. 6.1.3
Таблица 6.1.1

Опыт
U, B
I, A
P, Вт
13 EMBED Equation.3 1415
·
·град.
13 EMBED Equation.3 1415, Ом





























13 EMBED Equation.3 1415
13 EMBED Equation.3 1415

13 EMBED Equation.3 1415

AD =; BC =; AD – BC =..



Снятие частотных характеристик четырёхполюсника (фильтра низких частот)
Общие сведения
Частотной характеристикой четырёхполюсника называется отношение комплексного изображения выходного сигнала четырёхполюсника к изображению входного сигнала. Так, если входным и выходным сигналом являются напряжения U1 и U2 то получим следующие выражения частотной характеристики в показательной и алгебраической формах:
13 EMBED Equation.3 1415
где
KU(j() – комплексный коэффициент передачи по напряжению или амплитудно-фазовая характеристика;
KU(() – амплитудно-частотная характеристика;
((() – фазо-частотная характеристика;
Kвещ.(() и Kмн.(() – вещественная и мнимая частотные характеристики.
Геометрическое место конца вектора KU(j() в комплексной плоскости при изменении частоты называют годографом амплитудно-фазовой характеристики.
Сдвиг фаз между входным и выходным напряжением ((() измеряется с помощью осциллографа в режиме X – Y. При подключении к входам Х и Y синусоидальных сигналов на экране наблюдается эллипс (рис. 6.2.1). При сдвиге фаз, равном нулю, он вырождается в прямую линию, а при 900 – в окружность. Угол сдвига определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
Для большей точности и удобства измерений при каждом измерении эллипс нужно вписывать в квадрат одного и того же размера плавной регулировкой чувствительности осциллографа по горизонтальной и вертикальной оси.


Экспериментальная часть
Задание
Снять и построить графики KU((), ((() и годограф KU(j() Т-образного фильтра низких частот (рис. 6.2.2).
Порядок выполнения эксперимента
Соберите цепь Т-образного фильтра низких частот (рис. 6.2.2, 6.2.3), включите осциллограф.
Установите на входе синусоидальный сигнал частотой 100 Гц максимальной амплитуды, которую может дать генератор.
Увеличивая частоту до значения, при котором выходной сигнал снижается не менее чем в 10 раз при неизменном входном сигнале, Заполните столбцы f, U1, U2 A, B таблицы 6.2.1.
Рассчитайте KU(
·), ((() и на рис. 6.2.4 постройте графики этих зависимостей, .а на рис. 6.2.5 – годограф KU(j().


Рис. 6.2.2


Рис. 6.2.3
Таблица 6.2.1
f, Гц
U1, B
U2, B
А, мм
В, мм

·, град
K = U2/ U1

100







200







400







600







800







1000







1200







1400







1600







1800







2000







2200







2400










Рис. 6.2.4

Рис.6.2.5

Исследование простейших дифференцирующих и интегрирующих четырёхполюсников
Общие сведения
Напряжения на входе u1(t) и выходе u2(t) идеального дифференцирующего и идеального интегрирующего четырёхполюсников должны быть связаны уравнениями:
13 EMBED Equation.3 1415; и 13 EMBED Equation.3 1415.
где
Kдиф. – коэффициент дифференцирования, имеющий размерность секунды;
Kинт. – коэффициент интегрирования, имеющий размерность 1/с.
Переходя к операторным изображениям и заменяя оператор р на j
·, получим передаточные функции и частотные характеристики.
Для дифференцирующего четырёхполюсника:
13 EMBED Equation.3 1415

Для интегрирующего четырёхполюсника:
13 EMBED Equation.3 1415

Четырёхполюсники с такими передаточными функциями весьма точно и в широком диапазоне частот реализуются средствами электроники (например, с помощью операционных усилителей). Однако в своей основе они имеют две простейшие схемы, изображенные на рис. 6.3.1а и 6.3.1б.


Рис. 6.3.1

Четырёхполюсник, изображенный на рис. 6.3.1.а, имеет частотную характеристику:
13 EMBED Equation.3 1415
В области низких частот, когда
·RC
·
·1:
KU(
·)(
·CR и
·(
·) (900,
т.е четырёхполюсник приближённо дифференцирует входной сигнал. Коэффициент дифференцирования: Kдиф. = RC.
Четырёхполюсник, изображенный на рис. 6.3.1.б, имеет частотную характеристику:
13 EMBED Equation.3 1415
В области высоких частот, когда
·RC>>1:
13 EMBED Equation.3 1415 и a(
·) (900,
т.е четырёхполюсник приближённо интегрирует входной сигнал. Коэффициент интегрирования Kинт.=1/RC.
Сдвиг фаз между входным и выходным напряжением ((() измеряется с помощью осциллографа в режиме X – Y. При подключении к входам Х и Y синусоидальных сигналов на экране наблюдается эллипс (рис. 6.2.1). При сдвиге фаз, равном нулю, он вырождается в прямую линию, а при 900 – в окружность. Угол сдвига определяется по формуле:
13 EMBED Equation.3 1415
Для большей точности и удобства измерений при каждом измерении эллипс нужно вписывать в квадрат одного и того же размера плавной регулировкой чувствительности осциллографа по горизонтальной и вертикальной оси.
Экспериментальная часть
Задание

Снять амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики простейших дифференцирующего и интегрирующего четырёхполюсников, сравнить их с идеальными характеристиками, убедиться в наличии дифференцирующих и интегрирующих свойств путём наблюдением формы входных и выходных сигналов на экране осциллографа при различных частотах.
Порядок выполнения эксперимента

Соберите дифференцирующую цепь (рис. 6.3.1.а и 6.3.2) с параметрами элементов: С = 1 мкФ, R = 220 Ом. На вход подайте сначала синусоидальное напряжение частотой 501000 Гц максимальной амплитуды. К входу и выходу цепи подключите мультиметры и осциллограф для измерения входного и выходного напряжений.
Настройте осциллограф для измерения разности фаз между напряжениямиU1 и U2.
Изменяя частоту от 50 до 1000 Гц, снимите значения U1, U2 A и B (табл. 6.3.1), рассчитайте и постройте графики амплитудно-частотной KU(
·) и фазо-частотной
·(
·) характеристик на рис. 6.3.3.
Рассчитайте и постройте на том же рисунке для сравнения идеальную амплитудно-частотную характеристику дифференцирующей цепи по формуле KU(
·)(
·CR.
Переключите теперь генератор на треугольную форму напряжения, а осциллограф – в режим временной развёртки. Изменяя частоту снова от 50 Гц до 1 кГц, определите визуально по форме выходного напряжения, при каких частотах интегрирование происходит точнее.
Соберите интегрирующую цепь (рис. 6.3.1.б) с параметрами элементов: С = 1 мкФ, R = 2,2 кОм и подайте на вход синусоидальное напряжение.
Настройте осциллограф для измерения разности фаз между напряжениямиU1 и U2.
Изменяя частоту от 50 до 1000 Гц, снимите значения U1, U2 A и B (табл. 6.3.2), рассчитайте и постройте графики амплитудно-частотной KU(
·) и фазо-частотной
·(
·) характеристик на рис. 6.3.3.
Рассчитайте и постройте на том же рисунке для сравнения идеальную амплитудно-частотную характеристику дифференцирующей цепи по формуле KU(
·)(1/
·CR.
Переключите теперь генератор на прямоугольную форму напряжения, а осциллограф – в режим временной развёртки. Изменяя частоту снова от 50 Гц до 1 кГц, определите визуально по форме выходного напряжения, при каких частотах интегрирование происходит точнее.


Рис. 6.2.2
Таблица 6.3.1

f, Гц
U1, B
U2, B
А, мм
В, мм

·, град
K = U2/ U1

100







200







300







400







500







600







700







800







900







1000








Таблица 6.3.2

f, Гц
U1, B
U2, B
А, мм
В, мм

·, град
K = U2/ U1

100







200







300







400







500







600







700







800







900







1000












Рис. 6.3.3


Однородная длинная линия
Описание модели однородной длинной линии

Модель однородной длинной линии представляет собой цепную схему из семнадцати симметричных одинаковых П-образных четырёхполюсников (рис. 7.1.1). Номинальные параметры звеньев указаны на лицевой панели. В начале цепной схемы и в конце её имеются дополнительные гнёзда для подключения амперметров, токоограничивающих резисторов, нагрузок. Для этой цели можно использовать также наборное поле блока генераторов напряжений.
Длина воздушной линии без потерь, соответствующая одному звену:
13 EMBED Equation.3 1415,
где vф = 3
·105 км/c – скорость света в пустоте.
Длина линии l = 12
·17 = 204 км.
Волновое сопротивление линии:
13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициент распространения в общем случае (с учётом потерь):
13 EMBED Equation.3 1415
где
· – коэффициент затухания в Нп/км, а ( - коэффициент фазы в рад/км.
Без учёта потерь:
13 EMBED Equation.3 1415
Частота, при которой длина волны равна длине линии 204 км:
13 EMBED Equation.3 1415
Коэффициент распространения при этой частоте с учётом потерь:
13 EMBED Equation.3 1415
При этом затухание на всей длине линии составляет 13 EMBED Equation.3 1415, а поворот фазы - 13 EMBED Equation.3 1415

Рис. 7.1.1
Исследование распределения напряжения вдоль однородной длинной линии
Общие сведения
Уравнения линии без потерь, записанные по концу линии, при синусоидальном режиме:
13 EMBED Equation.3 1415
где х( - расстояние в км, отсчитываемое от конца линии.
При холостом ходе (I2 = 0):
13 EMBED Equation.3 1415
При коротком замыкании (U2 = 0):
13 EMBED Equation.3 1415
В согласованном режиме (при ZН = ZС) с учётом потерь:
13 EMBED Equation.3 1415
Экспериментальная часть
Задание
Снять экспериментально распределение действующего значения напряжения вдоль однородной длинной линии при холостом ходе, коротком замыкании и в согласованном режиме и сравнить результаты эксперимента с расчётом.
Порядок выполнения эксперимента и расчёта
Соберите цепь в соответствии с рис. 7.1.1, сначала без сопротивлений нагрузки (режим холостого хода). На входе линии включите токоограничивающее сопротивление 47 Ом, а в конце – только вольтметр.
Включите генератор и установите частоту 10001500 Гц максимальной амплитуды.
Измерьте напряжения во всех точках от конца до начала линии и занесите результаты в табл. 7.2.1.
Таблица 7.2.1
№ точки
измерен.
х(, км
Опытные U, В
Расчётные U, В



ХХ
КЗ
ZН = ZС
ХХ
КЗ
ZН = ZС

0
204







1
192







2
180







3
168







4
156







5
144







61
132







7
120







8
108







9
96







10
84







11
72







12
60







13
48







14
36







15
24







16
12







17
0








Повторите опыт при коротком замыкании в конце линии и при согласованной нагрузке. Согласованная нагрузка 400 Ом набирается из трёх сопротивлений, как показано на рис. 7.1.1 или используется переменный резистор 1 кОм, который устанавливается на наборной панели.
На рис. 7.2.1 постройте графики распределения напряжения вдоль линии.
Рассчитайте распределение напряжения вдоль линии в этих трёх режимах по формулам, приведённым в разделе «Общие сведения» и на рис. 7.2.1 постройте расчётные графики. Сравните их с опытными графиками и объясните результаты расхождения




Рис. 7.2.1

Исследование зависимости входных сопротивлений линии от её электрической длины и сопротивления нагрузки
Общие сведения
Входное сопротивление длинной линии определяется как отношение напряжения к току на её входе. В общем случае U2 = ZНI2 и, тогда входное сопротивление линии без потерь длиной l:
13 EMBED Equation.3 1415
При холостом ходе, когда ZН((, и при коротком замыкании, когда ZН(0, входные сопротивления линии соответственно равны:
13 EMBED Equation.3 1415
Как при холостом ходе, так и при коротком замыкании входное сопротивление линии без потерь носит чисто реактивный характер. При изменении ( l от 0 до (, оно может принимать значения от 0 до ±(. Электрическую длину линии определяют обычно в долях от длины волны l/(. Она зависит от частоты и от фактической длины линии. Поскольку (( = 2(, а (l = l 2(f((L0C0), то: l/( = l f((L0C0).
Отсюда можно определить частоту, при которой электрическая длина линии будет соответствовать заданному значению:
13 EMBED Equation.3 1415
где n – число звеньев цепной схемы.
В согласованном режиме, когда ZН = ZС, входное сопротивление линии любой длины равно характеристическому сопротивлению.
В линии, длина которой равна четверти длины волны (l = 90о, и при произвольной нагрузке входное сопротивление линии:
13 EMBED Equation.3 1415
Следовательно, входное сопротивление четвертьволновой линии обратно пропорционально сопротивлению нагрузки. Это свойство четвертьволновой линии позволяет использовать её в качестве согласующего трансформатора, причём, при активной нагрузке ZН = RН входное сопротивление линии без потерь имеет также активный характер.
При холостом ходе сопротивление такой линии стремится не к бесконечности, а, наоборот, к нулю. При коротком замыкании оно стремится к бесконечности.
Если в линии имеются потери, то входные сопротивления не принимают значений, равных нулю или бесконечности, но становятся в соответствующих случаях весьма малыми или очень большими.
Экспериментальная часть
Задание
Снять экспериментально зависимость входного сопротивления линии от её электрической длины в режимах холостого хода, короткого замыкания и согласованной нагрузки. Электрическая длина линии изменяется путём изменения частоты приложенного напряжения. Для четвертьволновой линии снять зависимость входного сопротивления от сопротивления нагрузки. Сравнить результаты эксперимента с расчётом.
Порядок выполнения эксперимента и расчёта
Рассчитайте и занесите в табл. 7.3.1 частоты, соответствующие заданным в первом столбце значениям электрической длины линии.
Соберите цепь в соответствии с рис. 7.1.1, сначала без сопротивлений нагрузки (режим холостого хода). На входе линии включите токоограничивающее сопротивление 47 Ом и амперметр, вольтметр также подключите к входу линии.
Включите генератор, установите максимальную амплитуду синусоидального сигнала и, изменяя частоту в соответствии с табл. 7.3.1, снимите показания вольтметра и амперметра при холостом ходе, при коротком замыкании и в согласованном режиме.
Вычислите входные сопротивления линии по формуле ZВХ = UВХ/IВХ и занесите их также в табл. 7.3.1.
На рис. 7.3.1 постройте графики ZВХ(l/().
На этом же рисунке постройте теоретические графики13 EMBED Equation.3 1415, 13 EMBED Equation.3 1415 и в согласованном режиме ZВХ(l/() = ZC.
Сравните результаты, и сделайте выводы.
Таблица 7.3.1

l/(
f,
Гц
Холостой ход
Короткое замыкание
Согласованный режим



UВХ, В
IВХ,
A
ZВХ, Ом
UВХ, В
IВХ,
A
ZВХ, Ом
UВХ, В
IВХ,
A
ZВХ, Ом

0,1











0,2











0,25











0,3











0,4











0,45











0,5











0,55











0,6











0,7











0,75











0,8











0,9











0.95











1















Рис. 7.3.1


Установите частоту приложенного напряжения, соответствующую четвертьволновой длине линии.
Включая в конце линии различные сопротивления из набора миниблоков от 47 до 1500 Ом, снимите показания вольтметра и амперметра, включённых в начале линии и рассчитаёте входные сопротивления. Результаты занесите в табл. 7.3.2 и на рис. 7.3.2 постройте график ZВХ(RН).
Рассчитайте ZВХ(RН) = ZC2/RН и на этом же рисунке постройте расчётный график для сравнения. Сделайте выводы.






Таблица 7.3.2

RН, Ом
UВХ, В
IВХ, A
ZВХ = UВХ/IВХ, Ом
ZВХ= ZC2/RН, Ом
















































рис. 7.3.2
Исследование отражения волн от конца длинной линии
Общие сведения
В линии без потерь волны напряжения и тока распространяются без искажения формы и без затухания. В конце линии возникают отражённые волны, форма которых зависит от характера нагрузки. Они распространяются от конца линии к началу. Так, при включении разомкнутой на конце линии на постоянное напряжение (рис. 7.4.1а) прямоугольная волна напряжения uп распространяется от источника к концу линии (рис. 7.4.1б). На разомкнутом конце линии возникает отраженная волна uо, равная падающей, в результате чего напряжение в конце линии удваивается, и это удвоенное напряжение со скоростью движения волны перемещается от конца линии к началу (рис 7.4.1в).

Рис. 7.4.1

Когда отраженная волна дойдёт до начала линии вдоль всей линии установится напряжение, равное 2uп, и возникнет отражённая волна от начала линии. Далее происходит многократное отражение волн от конца и от начала линии. Аналогичные процессы имеют место при коротком замыкании в конце линии и активной нагрузке. При сопротивлении нагрузки равном волновому сопротивлению линии отражения от конца линии не происходит.
При индуктивной, ёмкостной или смешанной нагрузке форма отражённой волны не повторяет форму падающей волны, её можно найти из расчёта переходного процесса.
Для экспериментального исследования процесса отражения волн в данной работе последовательно с источником напряжения включается активное сопротивление, равное волновому сопротивлению линии. Тогда отражение от начала линии не происходит, и наблюдается однократный процесс отражения от конца линии. Для того, чтобы наблюдать процесс на обычном электронном или компьютерном осциллографе вместо постоянного напряжения на вход подаются повторяющиеся импульсы напряжения. Тогда один и тот же процесс многократно повторяется, и его можно наблюдать на осциллографе, подобрав соответствующую длительность импульсов и скорость развёртки осциллографа.
На рис. 7.4.2 показаны графики изменения напряжения в начале и в конце линии, которые можно наблюдать на осциллографе при подаче на вход линии, разомкнутой на конце, прямоугольных импульсов напряжения е(t). На первом графике показан один импульс подаваемого напряжения длительностью t3, на втором - напряжение в начале линии и на третьем – напряжение в конце линии.

Рис.4.2
В первый момент при подаче импульса на входе линии устанавливается напряжение 0,5Еm, так как половина напряжения падает на добавочном сопротивлении R = ZC. В момент времени t1 волна напряжении достигает конца линии и в конце линии появляется удвоенное напряжение падающей волны. В момент времени t2 отражённая от конца линии волна достигает начала, и напряжение в начале линии удваивается.
Отрезок времени от t2 до t3 соответствует установившемуся режиму в длинной линии при постоянном приложенном напряжении. В момент времени t3 происходит выключение импульса приложенного напряжения, и от начала линии к концу начинает распространяться отрицательная волна напряжения -0,5Еm. В момент времени t4 она достигает конца линии, там удваивается и суммарное напряжение в конце линии становится равным нулю. Далее отрицательная отражённая волна распространяется к началу линии и в момент времени t5 достигает его. Напряжение в начале линии становится равным нулю. Далее процесс повторяется при подаче в линию нового импульса напряжения.
Аналогичным образом можно наблюдать процесс отражения волн при различном характере нагрузки в конце линии.
Экспериментальная часть
Задание

Получить на экране двухканального электронного или виртуального осциллографа графики изменения напряжений в начале и в конце линии при включении её на повторяющиеся импульсы напряжения при холостом ходе, коротком замыкании, при RH = ZC, RH > ZC, RH < ZC, индуктивной, ёмкостной и индуктивно-ёмкостной (параллельное соединение) нагрузке. Проанализировать и объяснить результаты.
Порядок выполнения работы

Соберите цепь (рис. 7.4.3) сначала без нагрузочного резистора. Включите виртуальный осциллограф и генератор напряжений, установите на нём прямоугольные однополярные импульсы, максимальную амплитуду и частоту 150200 Гц. Настройте длительность развёртки осциллографа. Добейтесь на осциллографе изображения напряжений в начале и в конце линии, приведённых в разделе «Общие сведения».


Рис.7.4.3

Зарисуйте полученную картину (рис. 7.4.4), не забыв указать масштабы по осям напряжения и времени. Определите время прохождения волны от начала линии до конца.
Повторите опыт, при различных нагрузках, указанных в задании, используя миниблоки, показанные на рис.4.3 или другие, имеющиеся в наборе. В качестве индуктивности высокой добротности удобно использовать катушку разборного трансформатора 900 витков, вставив в неё одну половинку сердечника или обе, разделив их бумажной прокладкой в 23 слоя. При необходимости для установки миниблоков можно использовать наборную панель.






Рис. 7.4.4




Рис. 7.4.4 (продолжение)

Нелинейные электрические и магнитные цепи
Снятие вольтамперных характеристик нелинейных элементов на постоянном токе
Общие сведения
Вольтамперная характеристика представляет собой график зависимости напряжения от тока U(I) (или наоборот I(U)) на данном элементе электрической цепи.
У линейных резисторов вольтамперная характеристика представляет собой прямую линию U = RI (рис. 8.1.1). У нелинейных элементов (лампы накаливания, электрическая дуга, диоды, транзисторы и другие электронные приборы) эта зависимость более сложная и часто неоднозначная.

Рис. 8.1.1

Две принципиальные схемы для снятия вольтамперных характеристик на постоянном токе изображены на рис. 8.1.2а и 8.1.2б. В них используется регулируемый источник постоянного напряжения, а резистор Rогр в этих схемах служит для ограничения тока в цепи при малых сопротивлениях исследуемых элементов.

Рис. 8.1.2

Схема (а) называется схемой измерения с погрешностью по напряжению. Она используется в том случае, когда сопротивление испытуемого элемента велико по сравнению с сопротивлением амперметра. Тогда показание вольтметра близко к напряжению на элементе, хотя фактически он измеряет сумму напряжений на данном элементе и амперметре.
Вторая схема (б) называется схемой измерения с погрешностью по току. Здесь амперметр фактически измеряет сумму токов в данном элементе и вольтметре. Эта схема используется, если сопротивление испытуемого элемента мало по сравнению с сопротивлением вольтметра. Тогда ток вольтметра гораздо меньше тока в испытуемом элементе и им можно пренебречь.
В данной работе по схеме (а) снимаются вольтамперные характеристики лампы накаливания, прямая ветвь характеристики стабилитрона и обратная ветвь характеристики полупроводникового диода. По схеме (б) снимаются обратная ветвь характеристики стабилитрона и прямая ветвь характеристики полупроводникового диода.
Экспериментальная часть
Задание
Снять экспериментально и построить графики вольтамперных характеристик лампы накаливания, стабилитрона и полупроводникового диода.
Порядок выполнения работы
Соберите цепь (рис. 8.1.2.а) для снятия вольтамперной характеристики лампы накаливания. Монтажная схема изображена на рис. 8.1.3. Обратите внимание, что вольтметр и амперметр в этой схеме своими положительными клеммами подключены к точке «А»
Изменяя ток в цепи, как показано в табл. 8.1.1, запишите в таблицу соответствующие значения напряжения на лампе и на рис. 8.1.4 постройте график вольтамперной характеристики лампы накаливания.
Таблица 8.1.1

I, мА
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
40

U, B










Замените лампу накаливания стабилитроном, соблюдая полярность, показанную на рис. 8.1.3, и снимите его вольтамперную характеристику, устанавливая либо напряжения, либо токи, указанные в табл. 8.1.2. Для увеличения точности при отрицательных напряжениях и токах вольтметр должен быть подключён к точке «В», а при положительных – к точке «А». График вольтамперной характеристики стабилитрона постройте также на рис. 8.1.4.
Таблица 8.1.2

I, мА
-40
-20
0




4
10
20
40

U, B



1
2
3
4





Замените стабилитрон диодом и устанавливая токи или напряжения, указанные в табл. 8.1.3, снимите его вольтамперную характеристику. В этом опыте, наоборот, при отрицательных напряжениях и токах вольтметр должен быть подключён к точке «А», а при положительных – к точке «В». График вольтамперной характеристики стабилитрона постройте на том же рис. 8.1.4.
Таблица 8.1.3

I, мА





2
10
20
30
40

U, B
-8
-6
-4
-2
0









Рис. 8.1.3

Рис. 8.1.4
Определение линеаризованных параметров эквивалентной схемы замещения биполярного транзистора
Общие сведения
При анализе цепей с нелинейными элементами их часто заменяют линеаризованными эквивалентными схемами. В частности, полупроводниковый диод заменяют дифференциальным сопротивлением с последовательно включённой ЭДС, равной пороговому напряжению. Стабилитрон заменяют также дифференциальным сопротивлением и ЭДС, равной напряжению стабилизации в начале диапазона стабилизации.
Полупроводниковый прибор транзистор имеет три вывода: эмиттер (э), коллектор (к) и база (б). Если между базой и эмиттером прикладывать небольшое напряжение, то можно управлять значительным током, протекающим от коллектора к эмиттеру. Таким образом, транзистор имеет управляемую вольтамперную характеристику. У транзистора различают входные и выходные вольтамперные характеристики.
На рис. 8.2.1а показана наиболее распространённая схема включения транзистора с общим эмиттером. В данной схеме входными характеристиками является семейство зависимостей Iб(Uбэ) при различных значениях Uкэ = const. (рис. 8.2.1б). Выходными характеристиками являются зависимости Iк (Uкэ) при . Iб = cоnst. (рис. 8.2.1в).
Входные характеристики имеют такой же вид, как характеристика полупроводникового диода, и мало зависят от Uкэ. Следовательно, входная цепь транзистора может быть заменена ЭДС, равной пороговому напряжению U0 c последовательно соединённым дифференциальным сопротивлением:
Rбэ  = ( Uбэ / (Iб.

Семейство выходных характеристик Iк показано на рис.8.2.1в. Если увеличивать напряжение Uкэ при постоянном токе базы, то Iк(Uкэ) сначала быстро растёт, но затем его рост резко замедляется и в дальнейшем он остаётся практически неизменным. При увеличении тока базы этот участок характеристики смещается вверх примерно пропорционально току базы.


Рис. 8.2.1
Произведём линеаризацию одной из выходных характеристик, как показано на рис. 8.2.1в. Уравнение прямой линии, заменяющей реальную характеристику в активной зоне, имеет вид:
13 EMBED Equation.3 1415.

Величина J, определяется по точке пересечения прямой линии с осью ординат и имеет размерность тока. Эта величина примерно пропорциональна току базы, т.е. 13 EMBED Equation.3 1415, где ( - называется коэффициентом передачи тока базы в схеме с общим эмиттером. Он определяется через приращения токов базы и коллектора:
( = ( J/ (Iб.

Угловой коэффициент Gкэ(tg( имеет размерность и физический смысл проводимости. Он определяется также через приращения:
Gкэ = (Iк / (Uкэ

Рассмотренным выражениям соответствует электрическая схема, представленная на рис.8.2.2. она состоит из линейных элементов и справедлива для активной зоны семейства характеристик транзистора, т.е. там, где реальная характеристика не сильно отклоняется от прямой линии.
Левая часть схемы замещает входную цепь транзистора. Она содержит постоянную ЭДС и сопротивление, которые можно определить по аппроксимированной входной характеристике Iб(Uбэ).
Правая часть схемы – выходная – содержит зависимый источник тока ( Iб c внутренней проводимостью Gкэ, учитывающей небольшой наклон выходной вольтамперной характеристики к оси напряжения Uкэ. Значения ( и Gкэ, определяются по аппроксимированным выходным характеристикам. Эта схема справедлива только для сравнительно низких частот, когда ёмкости р-n переходов транзистора и монтажа не оказывают существенного влияния на токи и напряжения.
Экспериментальная часть
Задание

Снять экспериментально одну из входных характеристик и семейство выходных характеристик транзистора при четырёх значениях тока базы. Произвести линеаризацию характеристик и определить параметры линейной схемы замещения транзистора.
Порядок выполнения эксперимента

Для снятия выходных вольтамперных характеристик транзистора соберите цепь по принципиальной схеме (рис. 8.2.3). Монтажная схема показана на рис. 8.2.4. Диод включён в схему для предотвращения подачи на транзистор обратного напряжения.
Установите максимальное напряжение на выходе регулируемого источника и отрегулируйте потенциометром ток базы так, чтоб ток коллектора составлял 10 мА. Переключите мультиметр для измерения тока базы и запишите это первое значение тока базы в табл. 8.2.1. Верните мультиметр для измерения тока коллектора.
Уменьшая напряжение, подаваемое на коллектор, снимите вольтамперную характеристику и постройте её график на рис. 8.2.5.
Снова установите максимальное напряжение на коллекторе и отрегулируйте ток базы так, чтобы ток коллектора составлял 20 мА. Запишите новое значение тока базы, снимите и постройте новую вольтамперную характеристику.
Повторите опыт при максимальном токе коллектора 30 мА и 40 мА.
Для снятия входной характеристики исключите из схемы резистор Rбэ = 220 Ом, чтобы напряжение Uкэ при увеличении тока коллектора не менялось. Мультиметры переключите для измерения двух токов: Iб и Iк.
Установите для начала ток базы, равным нулю, а напряжение Uкэ = 5 В. Осторожно увеличивая ток базы, определите, при каком токе базы ток коллектора достигает величины 5060 мА. (При большем токе есть опасность перегрева транзистора). Запишите это максимальное значение в последний столбец табл. 8.2.2.
Переключите теперь мультиметр из коллекторной цепи в цепь базы для измерения напряжения Uбэ и, увеличивая ток базы от 0 до записанного максимального значения, снимите зависимость Iб(Uбэ) при Uкэ = 5 В. На рис. 8.2.5. постройте график.
Аппроксимируйте все построенные графики прямыми линиями.
По точкам пересечения прямых Iк(Uкэ)с осью ординат, постройте вспомогательный график J(Iб), и аппроксимируйте его тоже прямой линией.
По аппроксимированным графикам определите параметры эквивалентной линейной схемы транзистора и запишите их в табл. на рис. 8.2.6.

Таблица 8.2.1

Iб1=.мА
Uкэ, B









Iк, мА






10

Iб2=. мА
Uкэ, B









Iк, мА






20

Iб3=..мА
Uкэ, B









Iк, мА






30

Iб3=..мА
Uкэ, B









Iк, мА






40


Таблица 8.2.2

Iб, мкА










Uбэ, В























Рис. 8.2.3


Рис. 8.2.4

Рис. 8.2.5



Рис. 8.2.6

Экспериментальное исследование и расчёт магнитной цепи при постоянном токе
Общие сведения
Участок магнитной цепи характеризуется вебер-амперной характеристикой, т.е. зависимостью магнитного потока Ф от магнитного напряжения на этом участке Hl, где H – напряжённость магнитного поля, а l – длина участка. В замкнутом контуре магнитной цепи алгебраическая сумма магнитных напряжений всех участков равна алгебраической сумме намагничивающих (магнитодвижущих) сил всех катушек iW,

·
·Hl =
· iW,
где i – ток в катушке, а W – число витков.
Вебер-амперная характеристика неразветвлённой магнитной цепи представляет собой зависимость Ф(iW). Её можно построить, если известны кривя намагничивания B(H) ферромагнитного материала, из которого сделан магнитопровод, и его геометрические размеры: площадь поперечного сечения S и длина средней линии l каждого участка.
Задаваясь рядом произвольных значений магнитной индукции В1 для одного из участков магнитной цепи, находим по кривой намагничивания напряжённость Н1 на этом участке, магнитный поток Ф = В1S1 и магнитное напряжение Н1l1 на этом участке. Считая магнитный поток вдоль всей неразветвлённой цепи одинаковым находим далее магнитную индукцию на втором участке В2 и находим аналогично Н2, и Н2l2 Повторяем этот расчёт для всех участков замкнутой магнитной цепи, находим
·
·Hl=iW и строим график Ф(iW). Для воздушных зазоров магнитной цепи при определении Н вместо кривой намагничивания используем зависимость Н = В/
·0, где
·0 = 4
·10-7 - магнитная проницаемость пустоты.
Принципиальная схема лабораторной установки показана на рис. 8.3.1. Конденсатор 100 мкФ включён параллельно катушке W1 для предотвращения перенапряжений при отключении цепи и более плавного нарастания напряжения при включении. Кроме того, после отключения цепи в контуре L-С возникают затухающие колебания, и сердечник размагничивается.

Рис. 8.3.1
Для измерения магнитного потока на постоянном токе обычно используется так называемый баллистический метод, основанный на измерении заряда, протекающего по измерительной катушке, намотанной на магнитопровод. При включении цепи на постоянный ток или при её выключении магнитный поток изменяется. При этом, в измерительной катушке индуктируется ЭДС 13 EMBED Equation.3 1415 и в ней возникает ток 13 EMBED Equation.3 1415. За время t через измерительную катушку протекает заряд
13 EMBED Equation.3 1415,
где R – сопротивление контура с измерительной катушкой.
Для измерения заряда раньше часто использовался баллистический гальванометр, отклонение подвижной части которого пропорционально заряду протекшего через него за короткое время. Отсюда этот метод получил название баллистического. В данной работе вместо баллистического гальванометра используется интегрирующий усилитель. Приращение напряжения на его выходе пропорционально интегралу от тока, протекающего через его входные зажимы. Если начальное напряжение на выходе усилителя равно нулю, то после протекания заряда q на его выходе устанавливается напряжение
Uвых = q/C,
где С –ёмкость в обратной связи интегратора.
Подставляя в эту формулу выражение заряда через магнитный поток, получим:
13 EMBED Equation.3 1415,
где R и C – параметры интегрирующего усилителя, указанные на его этикетке.
При измерениях следует иметь в виду, что даже при отсутствии напряжения на входе интегратора, напряжение на его выходе медленно изменяется (дрейфует) вследствие несовершенства интегратора и внешних помех. Поэтому, непосредственно перед включением или выключением цепи нужно «обнулить» интегратор, замкнув на 23 с выключатель «Сброс», а отсчёт выходного напряжения произвести после включения или выключения цепи в течение нескольких секунд. Для увеличения достоверности результатов рекомендуется произвести несколько включений и выключений и записать среднее значение выходного напряжения.
Исследуемая магнитная цепь схематично показана на рис. 8.3.2.
Магнитопровод выполнен из двух Ш-образных ферритовых сердечников марки М2000НМ. На среднем стержне магнитопровода расположены две одинаковые обмотки (намагничивающая и измерительная) по 200 витков каждая. Зазор может регулироваться винтом. Для устранения перекоса сердечника рекомендуется в левый и правый зазоры вставить немагнитные прокладки (например, полоски бумаги) и осторожно от руки затянуть винт. Так, например, толщина бумаги «Снегурочка» для офисной техники 0,1 мм, толщина газетной бумаги - 0.050,06 мм.
Будьте осторожны: большое усилие при затягивании винта может привести к разлому печатной платы, на которой смонтирована вся конструкция!
Необходимые для расчёта размеры сердечника приведены на рис. 8.3.3, а кривая намагничивания феррита М2000НМ – на рис. 8.3.4.

Рис. 8.3.2

13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Экспериментальная часть
Задание
Снять экспериментально вебер-амперные характеристики магнитной цепи без зазора, а также с зазорами 0,06 и 0,1 мм. Сделать расчёт характеристики без зазора и с одним из зазоров. Сравнить результаты.
Порядок выполнения эксперимента
Соберите электрическую цепь согласно принципиальной схеме (рис. 8.3.1)и монтажной схеме (рис. 8.3.5). Конденсатор 100 мкФ в этой цепи установлен для того, чтобы после отключения цепи в контуре L-С возникали затухающие колебания, и сердечник размагничивался.
Устраните зазор в магнитной цепи, завернув до отказа регулировочный винт усилием «от руки». Переключите интегратор в положение «Сброс» (верхнее положение переключателя), включите генератор напряжений и установите первое значение тока из табл. 8.3.1. Убедитесь что напряжение на выходе равно нулю.



Рис. 8.3.5

Включите интегрирование, и тотчас отключите ток выключателем на входе цепи. В течение двух – трёх секунд после этого запомните значение напряжения на выходе интегратора.
Снова произведите сброс, включите интегрирование и тотчас включите выключатель на входе цепи. Снова запомните показание вольтметра на выходе. Оно должно быть примерно такое же, как и при выключении, только с другим знаком.
Проделайте операции включения и выключения несколько раз и запишите в таблицу среднее или наиболее часто повторяющееся значение.
Установите следующее значение тока и повторите операции выключения и включения.
Повторите опыт при всех значениях тока, указанных в табл. 8.3.1, рассчитайте магнитный поток Ф = Uвых. RС/W и магнитодвижущую силу IW. Постройте экспериментальные графики Ф(IW) на рис. 8.3.6.
Установите второе значение зазора и повторите опыт при значениях тока, указанных для этого зазора. Постройте графики на том же рис.
Проделайте эти же опыты для третьего значения зазора и также постройте графики.
Таблица 8.3.1



· = 0
I, мА
10
20
40
60
80
100
120


UВЫХ, В









IW, A









Ф, Вб










·= 0,06
мм
I, мА

20
40

80

120


UВЫХ, В









IW, A









Ф, Вб










· = 0,1
мм
I, мА


40

80

120


UВЫХ, В









IW, A









Ф, Вб









Расчёт магнитной цепи

При расчёте магнитной цепи в силу её симметрии две крайних ветви объединяются в одну ветвь удвоенного сечения. Придерживаетесь следующего порядка расчёта:
По размерам, указанным на рис. 8.3.3 определите длины средних линий участков магнитной цепи l1 и l2 (при
· = 0), а также их сечения S1 и S2. l1 = м. l2 = м. S1 = ..м2. S2 = ..м2.
Расчёт вебер-амперных характеристик магнитной цепи без зазора и с одним из зазоров ведите в форме табл. 8.3.2
Таблица 8.3.2

В1, Тл
0,1
0,2
0,25
0,3
0,35

Н1, А/м (по рис. 8.3.4)






Н1l1, А






Ф=В1S1,Вб






В2=Ф/S2, Тл






Н2, А/м (по рис. 8.3.4)






Н2l2, А






IW =Н1l1+Н2l2, А (при
·=0)






Н
·1= В1/
·0, А/м






Н
·2= В2/
·0, А/м






IW =Н1l1+Н2l2+ Н
·1
·
· Н
·2
·
·
·А







На рис. 8.3.6 постройте две рассчитанные характеристики Ф(IW) и сравните их с опытными.


Рис. 8.3.6

Исследование магнитной цепи на переменном токе
Общие сведения
Если на намагничивающую катушку магнитопровода подать переменное напряжение u(t), то в ней возникает переменный ток i(t), а в магнитопроводе – переменный магнитный поток Ф(t).
При синусоидальном приложенном напряжении
u(t) = Uмаксsin
·t,
где Uмакс и
· – соответственно амплитуда и круговая частота, магнитный поток также будет синусоидальным. (Здесь пренебрегается влиянием активного сопротивления катушки). Амплитуда магнитного потока связана с действующим значением приложенного напряжения следующим выражением:
Фмакс = U/4,44fW.
Следовательно, максимальное значение магнитного потока определяется лишь действующим значением приложенного напряжения U, его частотой f и числом витков катушки W.
При увеличении приложенного напряжения и магнитного потока сначала пропорционально увеличивается и амплитуда тока. Однако, при переходе в область насыщения амплитуда тока резко возрастает и его форма искажается.
При наличии воздушного зазора в магнитопроводе или при его увеличении магнитный поток практически остаётся неизменным, но увеличивается магнитное сопротивление магнитопровода, и уменьшаются индуктивность и индуктивное сопротивление катушки. При неизменном приложенном напряжении это приводит к увеличению тока. Форма тока становится ближе к синусоидальной, так как магнитное сопротивление теперь, в основном, определяется воздушным зазором.
Вебер-амперная характеристика магнитопровода Ф(iW) при переменном токе имеет вид петли (петля гистерезиса), ширина которой зависит от потерь энергии в магнитопроводе на перемагничивание и вихревые токи. При увеличении зазора в магнитопроводе петля вырождается в прямую линию. В данной лабораторной работе петля гистерезиса выводится на экран виртуального осциллографа в режиме XY. Принципиальная схема установки показана на рис. 8.4.1.
На магнитопроводе кроме намагничивающей обмотки W1 имеется измерительная обмотка W2, в которой индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения магнитного потока. Эта ЭДС подаётся на вход интегрирующего усилителя, на выходе которого напряжение пропорционально магнитному потоку:
uвых = W2Ф/RС,.
где R и С – параметры интегратора, указанные не его этикетке.
Это напряжение подаётся на вертикальный вход осциллографа (Y). На горизонтальный вход (X) подаётся напряжение, пропорциональное току в намагничивающей катушке. Для этого последовательно с катушкой включается небольшое добавочное сопротивление добавочное сопротивление (шунт). Напряжение с шунта подаётся на осциллограф через трансформатор гальванической развязки.

Рис. 8.4.1
Экспериментальная часть
Задание
С помощью осциллографа убедиться, что при синусоидальном приложенном напряжении магнитный поток в катушке также синусоидальный, а форма тока может отличаться от синусоиды. Снять экспериментально и проверить расчётом зависимость амплитуды магнитного потока от действующего значения приложенного напряжения и от частоты.
Пронаблюдать на осциллографе за изменением формы и величины магнитного потока и тока при изменении воздушного зазора.
Получить на экране осциллографа петлю гистерезиса, пронаблюдать за изменением петли при изменении зазора в магнитопроводе.
Порядок выполнения работы
Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис. 8.4.1) и монтажной схеме (рис. 8.4.2). Для начала включите осциллограф для наблюдения кривой тока (как показано на монтажной схеме).
Включите генератор напряжений, установите частоту синусоидального сигнала 400500 Гц и амплитуду примерно 5 В.
Включите осциллограф, установите развёртку 0,2 мс/дел, и отрегулируйте усиление так, чтобы на экране полностью помещалась кривая тока в намагничивающей катушке.
Увеличивая и уменьшая амплитуду приложенного напряжения, пронаблюдайте за изменениями амплитуды и формы кривой тока. Сделайте выводы.
Переключите вход Y осциллографа на выход интегратора для наблюдения кривой магнитного потока. Отрегулируйте усиление и, изменяя приложенное напряжение, пронаблюдайте за изменением магнитного потока. Сделай те выводы.
Увеличивая напряжение согласно табл. 8.4.1, снимите зависимость напряжения на выходе интегратора UВЫХ (по вольтметру V2) от напряжения на входе цепи U (по вольтметру V1).

Рис. 8.4.2
Таблица 8.4.1

U, B
2
3
4
5
6

Uвых, В






Фм, 10-6Вб (эксперим.)






Фм, 10-6Вб (расчётн.)







Рассчитайте и постройте на рис. 8.4.3 экспериментальный график изменения амплитуды магнитного потока от напряжения на катушке: 13 EMBED Equation.3 1415.
Рассчитайте этот же график формуле:
13 EMBED Equation.3 1415.
Постройте расчётный график также на рис. 8.4.3 и сравните его с экспериментальным.

Рис. 8.4.3 Рис. 8.4.4

Установите напряжение на входе цепи 5 В и изменяя частоту приложенного напряжения согласно табл. 8.4.2 снимите зависимость напряжения на выходе интегратора от частоты.
Рассчитайте экспериментальную и расчётную зависимости амплитуды магнитного потока от частоты по тем же формулам и постройте графики на рис. 8.4.4
Таблица 8.4.2

f, Гц
500
1000
1500
2000
2500

Uвых, В






Фм, 10-6Вб (эксперим.)






Фм, 10-6Вб (расчётн.)







Теперь подсоедините входы осциллографа для наблюдения петли гистерезиса (вход Х – к «А1», вход Y – к «V1»).
Переключите осциллограф в режим X-Y и пронаблюдайте за изменением петли гистерезиса при изменении приложенного напряжения и при изменении зазора в магнитопроводе. Для изменения зазора необходимо выключить питание, вывернуть слегка регулировочный винт, вставить в образовавшиеся зазоры полоски бумаги и снова затянуть винт и включить питание. Сделайте выводы.




Исследование явления резонанса при последовательном соединении нелинейной катушки и конденсатора
Общие сведения
Ток в цепях с нелинейными элементами даже при синусоидальном приложенном напряжении имеет несинусоидальный характер. Для приближённого анализа таких цепей часто используют метод эквивалентных синусоид, в котором несинусоидальные токи и напряжения заменяют эквивалентными синусоидами. В качестве критерия эквивалентности выбирают обычно равенство действующих значений и потребляемой мощности. В резонансных цепях иногда несинусоидальную кривую заменяют первой гармоникой. Замена реальных кривых синусоидами позволяет использовать при анализе вольтамперные характеристиками для действующих значений, векторные диаграммы и комплексный метод расчёта.
При последовательном соединении катушки и конденсатора (рис. 8.5.1а) векторная диаграмма имеет вид (рис. 8.5.1б). Вольтамперная характеристика нелинейной катушки (с ферромагнитным сердечником) имеет вид UL(I), изображённый на рис. 8.3.1в. Здесь же изображена прямолинейная вольтамперная характеристика UС(I) конденсатора. Они пересекаются при некотором значении тока Iрез. Эта точка является точкой резонанса напряжений. В ней UL = UC и всё напряжение питания оказывается приложенным к активному сопротивлению.

Рис. 8.5.1
Резонанс в цепи с нелинейной катушкой, в отличие от линейной цепи, достигается при изменении приложенного напряжения или тока. Вольтамперную характеристику всей цепи U(I) можно построить, используя векторную диаграмму (рис. 8.5.1б). Сначала при различных значениях тока находим разность напряжений UL-UC, затем определяем приложенное к цепи напряжение по формуле, вытекающей из векторной диаграммы:
13 EMBED Equation.3 1415

Эта характеристика изображена на рис. 8.5.1в. Реальная вольтамперная характеристика лежит несколько выше расчётной, так как при I = Iрез компенсируются только первые гармоники напряжений UL и UC, поэтому разность действующих значений этих напряжений при резонансе не равна нулю.
Вольтамперная характеристика имеет падающий участок аб. При увеличении приложенного к цепи напряжения от 0 до U2 ток в цепи возрастает в соответствии с вольтамперной характеристикой, но при дальнейшем увеличении напряжения, ток скачком возрастает от значения Iа до значения Iв. Далее он продолжает плавно увеличиваться в соответствии с вольтамперной характеристикой. При уменьшении напряжения до значения U1 ток уменьшается плавно, но в точке б он скачком уменьшается от значения Iб до значения Iг. Таким образом, при питании от источника напряжения ток никогда не принимает устойчивых значений, соответствующих участку аб вольтамперной характеристики. Этот участок характеристики может быть экспериментально снят только при питании от источника тока.
Форма токов и напряжений в нелинейной цепи существенно отличается от синусоидальной. Поэтому, при экспериментальном снятии вольтамперных характеристик необходимо использовать вольтметр и амперметр, измеряющие среднеквадратичные значения. Таковыми являются виртуальные приборы стенда. При использовании приборов, предназначенных для измерения синусоидальных величин (мультиметров) качественная картина не меняется, однако, количественно существенно отличается от реальной.
Экспериментальная часть
Задание

Снять вольтамперные характеристики катушки с ферромагнитным сердечником и последовательной резонансной цепи с этой катушкой. Рассчитать вольтамперную характеристику цепи и сравнить её с экспериментальной.
Порядок выполнения работы

Соберите цепь (рис. 8.5.2). В качестве нелинейной катушки используйте одну катушку 200 витков миниблока «Магнитная цепь» Исключите немагнитный зазор, если он имеется..
Включите мультиметры и осциллограф для наблюдения кривых тока и напряжения.
Включите генератор, установите частоту 620660 Гц, максимальную амплитуду синусоиды, отрегулируйте пределы измерения мультиметров и развёртку осциллографа.

Рис. 8.5.2

Плавно уменьшая и увеличивая напряжение генератора, убедитесь, что в цепи происходят скачки тока. При необходимости подрегулируйте частоту генератора так, чтобы ток после скачка составлял 6080 мА.
Плавно увеличивая напряжение от 0, снимите участок 0а вольтамперной характеристики (см. рис. 8.5.1). Результаты измерений записывайте в табл. 8.5.1.
Таблица 8.5.1


Участок 0а
U>U2
Участок вб

U, B












I, мА













Увеличьте напряжение несколько выше точки в и уменьшая его снимите участок характеристики вб.
На рис. 8.5.2 постройте график снятых участков характеристики и соедините их между собой пунктирной линией.
Для снятия вольтамперной характеристики катушки индуктивности удалите из схемы конденсатор и, увеличивая напряжение на катушке от нуля до максимального напряжения источника, записывайте в табл. 8.5.2 значения напряжения на катушке вместе с шунтом URL и тока I.
Таблица 8.5.2

URL, B












I, мА












UR, B












UL, B












UC, B












UL-UC












U













Измерьте омметром активное сопротивление катушки вместе с шунтом и вычислите ёмкостное сопротивление конденсатора:

13 EMBED Equation.3 1415

Рассчитайте и запишите в табл. 8.5.2 значения:

13 EMBED Equation.3 1415.
На рис. 8.5.3 постройте график U(I) и сравните его с экспериментальным графиком. Сделайте выводы и объясните расхождение результатов.



Рис. 8.5.3



Испытания однофазного трансформатора
Общие сведения
Трансформатор представляет собой статическое (т.е. без подвижных частей) устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения в ток другого напряжения той же частоты. Он состоит из замкнутого магнитопровода, на котором расположены две или более катушки (обмотки). В двухобмоточном трансформаторе к одной из обмоток (первичной) подводится напряжение от источника питания, к другой (вторичной) подключается нагрузка. Если числа витков этих катушек соответственно W1 и W2, то их отношение называется коэффициентом трансформации (KТ). На холостом ходу (при разомкнутой вторичной обмотке) это отношение равно также отношению напряжений на первичной и вторичной обмотках. При коротком замыкании вторичной обмотки оно равно обратному отношению токов в обмотках. Таким образом:
13 EMBED Equation.3 1415,
где U1X и U2X – первичное и вторичное напряжения холостого хода, а I1К и I2К – первичный и вторичный токи короткого замыкания.
Если W1>W2, то трансформатор называется понижающим, так как он понижает напряжение (U2Испытания трансформатора обычно включают три опыта: опыт холостого хода (ХХ), опыт короткого замыкания (КЗ) и снятие нагрузочной (внешней) характеристики U2(I2). Схемы этих опытов показаны на рис. 8.6.1а, б и в. Схема первичной цепи в этих опытах не меняется, а к вторичной обмотке в опыте ХХ подключается вольтметр, в опыте КЗ – амперметр, а в нагрузочном режиме – вольтметр, амперметр и нагрузочный резистор.

Рис. 8.6.1.
Опыт холостого хода проводится при номинальных напряжениях. Индуктивности катушек трансформатора с замкнутым магнитопроводом очень велики, поэтому трансформатор потребляет от источника питания лишь небольшой ток, называемый током намагничивания. Однако он сдвинут относительно напряжения не точно на 90о, как следовало бы ожидать для индуктивности, а на несколько меньший угол. Это означает, что при холостом ходе трансформатор потребляет, хотя и небольшую активную мощность. Эта мощность расходуется на перемагничивание магнитопровода и на потери от вихревых токов, возникающих в сердечнике. В обмотках трансформатора мощность практически не потребляется так как в первичной ток очень мал, а во вторичной вообще равен нулю.
Из опыта холостого хода определяют ток холостого хода (обычно в % от номинального тока), потери мощности в магнитопроводе и коэффициент трансформации.
Опыт короткого замыкания проводят при пониженном напряжении питания. Оно должно быть таким, чтобы по обмоткам протекали номинальные токи. При коротком замыкании напряжения на первичной обмотке трансформатора мало, а на вторичной вообще равно нулю. Напряжение на первичной обмотке обусловлено лишь активными сопротивлениями провода обмоток и реактивными сопротивлениями рассеяния. Потерь в сердечнике при таком низком напряжении практически нет.
Из опыта короткого замыкания определяют напряжение короткого замыкания (падение напряжения на обмотках, обычно в % от номинального напряжения), потери мощности в обмотках и также коэффициент трансформации.
В нагрузочном режиме с увеличением тока нагрузки (I2) напряжение изменяется вследствие увеличения падений напряжения в обмотках трансформатора. Вид этой характеристики зависит от характера нагрузки (активная, индуктивная, ёмкостная или смешанная). При активной, индуктивной и активно-индуктивной нагрузке с увеличением тока нагрузки I2 напряжение U2 уменьшается, при ёмкостной, и активно-ёмкостной – может и возрастать.
При возрастании тока нагрузки изменяется также коэффициент полезного действия трансформатора: кпд = Р2/Р1, где Р2 – мощность, потребляемая нагрузкой, а Р1 – мощность, отдаваемая источником. При холостом ходе I2 = 0 и Р2 = 0, поэтому и кпд = 0. При коротком замыкании I2  = 0 I2 ном, но U2 = 0, поэтому также Р2 = 0 и кпд = 0. Значит, при увеличении тока нагрузки кпд сначала возрастает, затем проходит через максимум и затем снова падает. Трансформаторы конструируют обычно таким образом, чтобы максимальный кпд имел место при нагрузке несколько меньше номинальной, так как чаще всего он работает с нагрузкой ниже номинальной.
При построении нагрузочной характеристики и графика изменения кпд по оси абсцисс откладывают ток нагрузки в % от номинального тока, а по оси ординат – вторичное напряжение в % от номинального напряжения и кпд также в %.
В данной работе снимаются характеристики трансформатора с разъёмным сердечником и сменными катушками. Номинальные параметры этого трансформатора приведены в табл. 8.6.1.
Таблица 8.6.1

W
UH, B
IH, мА
R, Ом
SH, ВА

100
2,33
600
0,9
1,4

300
7
200
4,8
1,4

900
21
66,7
37
1,4


Экспериментальная часть
Задание
Проделать опыты холостого хода и короткого замыкания и определить основные параметры трансформатора, снять нагрузочную характеристику и зависимость кпд от нагрузки.
Порядок выполнения работы
Соберите трансформатор с числом витков W1 = 300, W2 = 100, 300 или 900 по указанию преподавателя.
Соберите цепь по монтажной схеме (рис. 8.6.2). Нагрузочный резистор пока не включайте.
Включите и активизируйте виртуальные приборы. Включите генератор, установите на его выходе частоту 50 Гц и напряжение 7 В.
Сделайте измерения при холостом ходе (RH = () и запишите результаты в табл. 8.6.2. Вычислите коэффициент трансформации U1/U2, ток холостого хода IХХ% и тоже запишите их значения в табл. 8.6.2



Рис. 8.6.2


Проделайте опыт короткого замыкания. Для этого вставьте перемычку вместо RН. Отрегулируйте напряжение источника так, чтобы первичный ток стал равен номинальному току (200 мА) обмотки 300 витков. Запишите результаты измерений в табл. 8.6.2. Вычислите
·, коэффициент трансформации I2/I1, напряжение короткого замыкания UКЗ% и тоже запишите в таблицу.

Таблица 8.6.2
Опыт
U1,
B
U2,
B
I1,
мА
I2,
мА
P1,
Вт
(1,
град.
U1/U2
I2/I1
UКЗ,
%
IХХ,
%

ХХ



-



-
-


КЗ

-




-


-



Снимите нагрузочную характеристику трансформатора. Для этого включайте поочерёдно сопротивления нагрузки, указанные в табл. 8.6.3 (с учётом примечания к табл.) и делайте измерения с первичной и с вторичной стороны трансформатора.
Рассчитайте Р2 = U2(I2, I2 / I2НОМ, U2 / U2НОМ, кпд и постройте графики на рис. 8.6.3. (Номинальные параметры обмоток указаны в табл. 8.6.1)
Таблица 8.6.3.
RH,
Ом
U2,
B
I2,
мА
P1,
мВт
P2,
мВт
U2 /U2НОМ,
%
I2 /I2НОМ,
%
кпд,
%

х.х.








220+100








220








100








47








22









Примечание: В табл. 8.6.3 указаны значения сопротивлений RH для случая, когда W1 = W2 = 300 витков. При W2 = 900 витков их надо увеличить, а при W2 = 100 – уменьшить в 10 раз.









Исследование однофазных выпрямителей
Общие сведения
В цепи с полупроводниковым диодом (рис. 8.7.1) установившийся ток может протекать только при положительной полярности приложенного к диоду напряжения. При изменении полярности напряжения диод запирается и ток прекращается. В результате при синусоидальном приложенном напряжении uвх в нагрузке протекает пульсирующий ток одного направления. Такую же форму имеет и выпрямленное напряжение на нагрузке ud. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор, подключенный параллельно нагрузке. Тогда при открытом состоянии диода конденсатор заряжается, а при закрытом – разряжается на нагрузку. Ток и напряжение на нагрузке становятся непрерывными, пульсации уменьшаются, и увеличивается среднее значение напряжения на нагрузке. При этом время открытого состояния диода уменьшается. Ток через него протекает только тогда, когда напряжение на входе превышает напряжение на конденсаторе. Кривая ud(t) для этого случая показана на рис. 8.7.1 пунктиром.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 8.7.1

При исследовании выпрямителей применяются следующие обозначения:
uвх, Uвх Uвхmax мгновенное, действующее и амплитудное значения синусоидального входного напряжения;
ud, Ud, Udmax, Udmin мгновенное, среднее, максимальное, минимальное значения выходного (выпрямленного) напряжения;
Umax~ - амплитуда переменной составляющая выпрямленного напряжения, которая в первом приближении может быть определена их графика (рис. 8.7.1):
13 EMBED Equation.3 1415;
fп частота пульсаций выходного напряжения;
m = fпульс / fвх число пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания;
13 EMBED Equation.3 1415 коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.
В однополупериодном выпрямителе без фильтра:
13 EMBED Equation.3 141513 EMBED Equation.3 1415
Двухполупериодный мостовой выпрямитель состоит из четырёх диодов, (рис. 8.7.2). При положительном полупериоде входного напряжения диоды Д2 и Д4 открыты и через них течёт ток в нагрузку. Диоды Д1 и Д3 в этот момент закрыты.При отрицательном полупериоде диоды Д2 и Д4 закрываются, но открываются диоды Д1 и Д3 пропуская ток в нагрузку в том же направлении. По сравнению с однополупериодным выпрямителем в двухполупериодном в два раза увеличивается постоянная составляющая выпрямленного напряжения и в два раза увеличивается частота пульсации, что облегчает задачу сглаживания пульсаций фильтрами.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 8.7.2
В двухполупериодном выпрямителе без фильтра:
13 EMBED Equation.3 1415
Экспериментальная часть
Задание

Исследовать экспериментально основные параметры однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей.

Порядок выполнения эксперимента
Соберите цепь согласно принципиальной схеме (рис. 8.7.3) и монтажной (рис. 8.7.4) сначала без сглаживающего фильтра (С=0). Включите мультиметры: V1 – для измерения действующего значения синусоидального напряжения, V2 – для измерения постоянного напряжения.
Включите и настройте осциллограф. Установите развертку 5 мс/дел.
Сделайте измерения и запишите в табл. 15.1. значения: UВХ - по мультиметру V1, Ud - по мультиметру V2 , Udмах и Udmin - по осциллографу, m = fпульс / fвх.
Рассчитайте и запишите в табл. 8.7.1 коэффициенты Ud / UВХ, Umax~ и kпульс.
13 SHAPE \* MERGEFORMAT 1415
Рис. 8.7.3



Рис. 8.7.4

Параллельно нагрузочному резистору RН подключите сглаживающие конденсаторы C c емкостями, указанными в табл. 8.7.1 (не ошибитесь с полярностью при подключении электролитических конденсаторов!), повторите измерения и вычисления.
Таблица 8.7.1

C, мкФ
0
1
10
100

UВХ, В





Ud, B





Udмах , В





Udmin , В





m





Ud / UВХ





Umax~





kпульс







Соберите цепь двухполупериодного мостового выпрямителя согласно монтажной схеме рис. 4.2.5, повторите все измерения и вычисления. Результаты сведите в табл. 8.7.2.



Рис. 8.7.5
Таблица 8.7.2

C, мкФ
0
1
10
100

UВХ, В





Ud, B





Udмах , В





Udmin , В





m





Ud / UВХ





Umax~





kпульс






Таблица используемых миниблоков

№ работы
1.1
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
6.1
6.2
6.3
7.1
7.2
7.3
7.4
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7

Резисторы
2,2 Ом


































1



4,7 Ом


































1



10 Ом


































1



22 Ом
1

































1



33 Ом
1




1




















1







1



47 Ом
1

1

1

1




1







1
1





2
1
1





1



100 Ом
1
1
1

1
1

1



1






1
1
1










1


1



220 Ом


1
1
1


1



1







1



1
1



1
1
1



1



330 Ом



1

1

1




1
1
1
1




1





1

1





1



470 Ом



1
1







1
1
1
1

1










1





1



1 кОм





2






3
3
3
1



1
1







1





1



2,2 кОм
























1









1
1


47 кОм






























1













































Конденсаторы

0,22 мкФ








1


1









1
















0,47 мкФ






1

1


1





















1




1 мкФ






1
1
1
1

1





1





1
1



1




1

1


4,4 мкФ












1
1
























10 мкФ



















1
1














1


100 мкФ































1



1








































Инд.
33 мГн







1



1









1

2














100 мГн











1






1

























































№ работы
1.1
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
6.1
6.2
6.3
7.1
7.2
7.3
7.4
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7

Продолжение таблицы используемых миниблоков

№ работы
1.1
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
6.1
6.2
6.3
7.1
7.2
7.3
7.4
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7

Диод
КД226




























1

1




4

Стабилитрон
КС456




























1








Микропере-
ключатель

1





























1





Лампа
СМН-10




























1








Миниблок
«Амперметр»


3
4
3



3



4
6
4
6



3










2






Потенциометр 1кОм





1















1








1






Магнитная цепь































1
1




Миниблок
«Интегратор»































1
1




Трансфор-
матор





1


1
1
1

1
1





1
1







1





1


Фильтр обрат.
следов. фаз
















1





1














Транзистор




















1
1









1






№ работы
1.1
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
6.1
6.2
6.3
7.1
7.2
7.3
7.4
8.1
8.2
8.3
8.4
8.5
8.6
8.7



Литература

1. Теоретические основы электротехники, Т 1, 2. Учебник для вузов / К.С. Демирчан, Л.Р.Нейман, Н.В. Коровин, В.Л.Чечурин. – СПб: Питер, 2004

2. Основы теории цепей. Учебник для вузов / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. –М.: Энергоатом издат, 1989.

3. Атабеков Г.И. Основы теории цепей, Учебник для вузов. М.: Энергия, 1969.

4. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Учебник для электротехн., энерг., приборостроит. спец. вузов. – М.: Гардарики, 2000.

5. Электротехника и электроника: Учебник для среднего профессионального образования / Б. И. Петленко, Ю. М. Иньков, А. В. Крашенинников и др.; Под ред. Б.И. Петленко. – М.: Изд. Центр «Академия», 2003.

6. Китаев В. Е. Электротехника с основами промышленной электроники: Учебник для проф.-техн. училищ. – М.: Высшая школа, 1985.

8. Прошин В. М. Лабораторно-практические работы по электротехники: Учебное пособие для образовательных учреждений начального профессионального образования. – М.: Изд. Центр «Академия», 2004.
13PAGE 15






13 PAGE 14815
Введение



13PAGE 14415


13PAGE 14515
Введение

13PAGE 141515
Ознакомление с комплектом типового лабораторного оборудования
_____________________________________________________________________________________________



13PAGE 142915
Линейные электрические цепи постоянного тока
_____________________________________________________________________________________________



13PAGE 145715
Электрические цепи переменного тока
_____________________________________________________________________________________________

13 PAGE 147815
Частотные характеристики последовательного резонансного контура





13 PAGE 148415
Частотные характеристики параллельного резонансного контура



13 PAGE 1410215
Трехфазная нагрузка, соединенная по схеме «треугольник»





13 PAGE 1412815
Расчет и экспериментальное исследование цепи при несинусоидальном приложенном напряжении



13PAGE 147715
Трёхфазные цепи
____________________________________________________________________________________________

13 PAGE 1411215
Аварийные режимы трехфазной цепи при соединении нагрузки в треугольник





13 PAGE 147215
Процессы заряда и разряда конденсатора



13 PAGE 149215
Переходные процессы в линейных электрических цепях
____________________________________________________________________________________________

13 PAGE 1413215
Переходный процесс в цепи с конденсатором и резисторами



13 PAGE 1413415
Процессы включения и отключения цепи с катушкой индуктивности



13 PAGE 1413615
Затухающие синусоидальные колебания в R-L-C контуре



13 PAGE 1410115
Четырёхполюсники
____________________________________________________________________________________________

13 PAGE 1411515
Однородная длинная линия
____________________________________________________________________________________________

13 PAGE 1414515
Нелинейные электрические и магнитные цепи
____________________________________________________________________________________________

13 PAGE 142415
Cтабилитроны (диоды Зенера)


13PAGE 1414815






С

А

Рис. 8.3.3

Udmin

Udмах

t

t

ud

ud

m

R

A

R

B

R

C

A

B

C

N

U

В

U

С

U

ав

U

вс

U

са

U

А

A

I

C

I

B

I

A

I

N

а

в

с

0

U

mU=...........В/см, mI = мА/см

m

I

V

A

N

I

C

I

B

I

A

I

O

N

C

B

A

C

R

B

R

A

R

а

O, a

B

U

C

U

Aa

U

N

A

=0

A

I

C

I

B

I

C

I

B

I

Aa

U

O

N

C

B

A

C

R

B

R

A

R

C

B

C

а

N

I

=0

A

I

N

I

B

I

C

I

B

I

Aa

U

O

N

C

B

A

C

R

B

R

A

B

R

U

C

U

Aa

U

N,O,a

C

B

A

I

V

Без нейтрали

С нейтралью

=...........В/см

=...........мА/см

Rнагр

ud

Д4

Д3

2. Несимметричная активная нагрузка RA = 1 кОм, RВ = 330 Ом, RС = 470 Ом

mU=...........В/см, mI = мА/см

mU=...........В/см, mI = мА/см

U

m

=...........

В/

см

m

I

=...........

мА/

см

Без нейтрали

С нейтралью

1. Симметричная активная нагрузка RA = RB = RC = 1 кОм

Д2

Д11

uвх

mU=...........В/см, mI = мА/см

3. Смешанная нагрузка: RA = 1 кОм, СВ = 4,4 мкФ, LС катушка 900 витк.
900 витков
t

t

Рис. 8.3.4

t

A

A

A

A

B

A

AB

I

BC

I

CA

I

A

A

I

B

I

C

I

A

C

CA

R

BC

R

AB

R

A

A

A

A

A

A

A

B

A

R

IAB

C

IBCI

B

ICA

A

A

I

B

I

C

I

A

C

CA

R

BC

R

A

A

A

AB

R

=...........мА/см

I

m

=.....В/см

U

m

uвх

ud

uвх

i

V2

f=50 Гц

U=8 B

V1

+

d

u

ВХ

u

С

10 кОм

Н

R

N

A

I

L

~U

R

RШ =10 Ом

c

I

C

I

B

I

A

I

С

C

B

A

A

-I

UR


UL


UC


а)

I

UR


UL


U

UC


б)


·

R

X

Z


·

P

Q

S


·

в)

г)





I



R




ВХОД Y

U

I

U

A

V


·

ON/OF


·

V

COM

mA

10A

my-60

-.000

ON/OF


·

V

COM

mA

10A

my-60

-.000

ON/OF


·

V

COM

mA

10A

my-60

-.000

uвх

V



Рис.1.8


A





C

I

B

I

Um=10 B
f=0,3кГц

В

470 Ом

-

U

L1
300 витков
(Rк=5 Ом)

150 Ом

R2

Рис. 6.2.1

Рис. 6.2.1

L

I

Рис.1.11

А

U

O

B

U

W

C

Рис. 4.5.1

I

L

I

V

A1

A

I

f=0,2...1 кц

~U=5B

1 мкФ

C

витков

300

L



= -I

BC

I

B

C

A

R

R

R

BC

I

AB

C

U

N

A

C

I

B

I

A

I

O

N

C

B

A

C

R

B

R

A

Рис. 4.1.1



Рис. 3.3.4

Рис. 6.1.1

C

I

A

=I

AB

I

B

U

AB

U

BC

A

B

C

I

A

в

I

C

I



I

вC

I

CA

R

R

R

A

C

B

U



U

вC

U

CA

в

I



=

I

вC

I

CA

I

C

= -I

A

A

B

I

A

I

C

I

AB

I

BC

R

R

в

A

C

B

U



U

вC

U

CA

в

I

A

=I

AB

=I

BC

=-I

C

C

A

B

C

I

C

R

R

A

C

B

U

CA

I

C

=I

CA

=

-I

A

I

CA





















В

А

i

330 Ом

15 B

R1

КТ503Г

+

Рис.8.2.2



  14     " $ & ( * , . 0 2 4 6 8 : < @ B D F H J L ц
·эл машRoot EntryEquation NativeEquation Native15

Приложенные файлы

  • doc 5693997
    Размер файла: 8 MB Загрузок: 2

Добавить комментарий