Саратовский государственный технический университет
Методические указания к лабораторной работе:
“ Изучение однофазной цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивной катушки и конденсатора ”
Составили: Беляев Виктор Иванович
Козулин Владимир Тимофеевич
Саратов 2006
Цель работы: экспериментальное изучение линейной цепи синусоидального тока, состоящей из последовательно соединенных активного сопротивления, индуктивной катушки и конденсатора; изучение основных закономерностей в такой цепи. Изучение резонанса напряжений.
Основные понятия:
Настоящие методические указания являются переработанным и дополненным вариантом указаний, изданных ранее [1].
Схема одного из вариантов последовательной RLC цепи приведена на рис.1.
На рис. 1 обозначены:
U - действующее значение напряжения, приложенного ко всей цепи;
UR, UK, UC – действующее значение напряжения на активном
сопротивлении R, индуктивной катушке и конденсатора соответственно;
ULK, URK, – действующие значения напряжения на индуктивном элементе LK и резистивном элементе RK соответственно;
I – действующее значение тока в цепи
Если
,
где u, – мгновенные значения напряжения, приложенного к цепи,
и тока, протекающего в цепи;
Um, Im – их соответствующие амплитудные значения;
– угловая частота,
–частота тока в цепи и напряжения, приложенного к цепи;
–начальные фазы напряжения и тока соответственно.
Угол сдвига по фазе между приложенным к цепи напряжениям и протекающим в цепи током определяется соотношением:
Если , то и
; ;
Если , то и ток отстает по фазе от напряжения, если , то и ток опережает по фазе напряжение. Если , то. Этот случай соответствует резонансу напряжений в цепи.
Для цепи, схема которой приведена на рис. 1 выполняется закон Ома:
- для амплитудных значений тока и напряжения
, где
-для действующих значений
Для участков цепи для действующих значений напряжения и тока закон Ома запишется в виде:
, , .
Где
Угол сдвига по фазе между током I и напряжением UR на индуктивной катушке определяется как .
Углы сдвига по фазе между током I и напряжением UR и URK на активных сопротивлениях R и RK соответственно равны нулю .
Угол сдвига по фазе между напряжением UC на конденсаторе и током I равен (ток опережает напряжение).
Угол сдвига по фазе между напряжением ULK на индуктивном элементе LK и током I равен (ток отстает от напряжения).
Для рассмотрения цепи справедлив 2-й закон Кирхгофа, записанный в векторной форме.
.
В соответствии с этим уравнением могут быть построены векторные диаграммы для трех случаев (рис. 2):
а) ;
б) ;
в) .
Метод построения см. в [2,4,9,4,10].
Для цепи рис.1 справедливы следующие соотношения для мощностей:
–активная мощность;
–коэффициент мощности;
–реактивно индуктивная и ёмкостная мощности;
–реактивная мощность цепи;
- полная мощность.
Единицы измерения в системе “СИ” для величин:
[P] – Вт ; – ВАр; [S] – ВА
При в цепи наступает резонанс напряжений.
Резонанс напряжений – это явление, наступающее в электрической цепи синусоидального тока, содержащей последовательно соединённые активное соединение, индуктивную катушку и конденсатор, и заключающееся в том, что ток в цепи и приложенное ко всей цепи напряжение совпадают по фазе.
При резонансе выполняются следующие основные соотношения:
1.– это условие возникновения резонанса в цепи;
2. ; , – угловая частота и соответствующая ей частота синусоидального тока и напряжения в цепи для случая резонанса;
; 7. ;
; 8. ;
; 9. ;
; 10. .
Отметим, что ток в цепи при резонансе напряжений максимален, напряжения на индуктивном и ёмкостном элементах противофазные. Векторная диаграмма, соответствующая резонансу напряжений, приведена на рис. 2в.
Методика и техника эксперимента
Экспериментальная установка смонтирована на специальном лабораторном стенде и представляет собой совокупность необходимых измерительных приборов и элементов. На лицевой панели стенда приведены схемы замещения каждого из элементов и имеются клеммы, с которыми соединены входные и выходные концы каждого из элементов и приборов. Параметры каждого из элементов указаны также на лицевой панели стенда.
В комплект измерительных приборов входят амперметры пределы измерения 0–1 А, класс точности приборов 1.5 ; вольтметр , предел измерения 0 – 100 В, класс точности прибора 2.5 .К клеммам вольтметра подсоединяются гибкие выводы, и вольтметр в данной работе используется как выносной прибор.
Шкалы амперметров и вольтметра проградуированы в действующих значениях соответствующих величин.
Измеритель мощности: ваттметр, класс точности 0.5. Верхний предел измерений мощности в зависимости от положения регуляторов верхних пределов измерения по току и напряжению определяется по соотношению:
,
где – верхний предел измерения по току, А ;
–верхний предел измерения по напряжению, В ;
–верхний предел измерения по мощности, Вт ;
Цена деления ваттметра определяется по формуле:
; Вт/дел,
где m – число делений всей шкалы.
Измеряемая мощность определяется:
Где – число делений шкалы, показанное стрелкой ваттметра при измерении мощности.
С помощью гибких проводников, входящих в комплект установки, из измерительных приборов и элементов стенда собирается электрическая цепь в соответствии с рис.3. В собранной электрической цепи исследуются зависимости величин (действующих значений) тока и напряжений на элементах цепи при различных значениях ёмкости конденсатора С. Изменение величины ёмкости конденсатора производится с помощью выключателя . Следует помнить, что при параллельном соединении конденсаторов ёмкость эквивалентного конденсатора равна сумме емкостей соединяемых конденсаторов.
Напряжение U на входные зажимы (схема рис. 3) подаётся с выхода автотрансформатора (ЛАТр). Величина напряжения устанавливается в пределах 35 – 50 В. (точное значение напряжения задаётся преподавателем). Напряжение измеряется с помощью вольтметра . Исходное положение ручки ЛАТра – крайнее левое, что соответствует равенству 0 напряжения на выходе ЛАТра. Напряжение на вход автотрансформатора (ЛАТр) подаётся от сети 220 В. ( = 50 Гц.) с помощью выключателя .
Величина сопротивления задаётся преподавателем и устанавливается с помощью ручки управления на панели стенда.