Xreferat.com » Рефераты по физике » Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости

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

Министерство образования Российской Федерации

Пермский Государственный Технический Университет

Кафедра электротехники и электромеханики


Лабораторная работа

«Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости»

Цель работы


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


Табл. 1. Паспортные данные электроизмерительных приборов.

п/п

Наименованное

прибора

Заводской

номер

Тип

Система

измерения

Класс

точности

Предел

измерений

Цена деления
1 Вольтметр
Э34 ЭМ 1.0 300 В 10 В
2 Вольтметр
Э34 ЭМ 1.0 300 В 10 В
3 Вольтметр
Э34 ЭМ 1.0 50 В 2 В
4 Амперметр
Э30 ЭМ 1.5 5 А 0.2 А
5 Ваттметр
Д539 ЭД 0.5 6000 Вт 40 Вт

Теоретические сведения.


Цепь с последовательным соединением конденсатора и катушки с подвижным ферромагнитным сердечником изображена на рис. 1, а схема замещения этой цепи на рис. 2.


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


Для данной цепи справедливы следующие соотношения:


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


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


где U, I – действующие значения напряжения источника питания и тока;

z – полное сопротивление цепи;

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

x – реактивное сопротивление;

xLK – индуктивное сопротивление катушки;

xC – емкостное сопротивление конденсатора;

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

φ – угол сдвига фаз между напряжением источника и током цепи;

ƒ – частота тока источника;

LK – индуктивность катушки;

С – емкость конденсатора.

Ток отстает по фазе от напряжения при xLK > xC и опережает по фазе напряжение при xLK < xC.

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

1. Реактивное сопротивление цепи x = 0. Полное ее сопротивление z = rK, т.е. имеет минимальную величину.

2. Ток совпадает по фазе с напряжением источника, так как при x = 0

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


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


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


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


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


5. Напряжения на индуктивности и емкости равны, так как


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


При относительно малом по величине активном сопротивлении катушки (Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости) напряжения на индуктивности и на емкости будут превышать напряжение на активном сопротивлении, а следовательно, и напряжение источника. Действительно, при Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости и Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости


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


где Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости, т.е. Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкостии аналогично Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости.


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

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


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


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


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


Из условий возникновения резонанса Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости или Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости следует, что практически резонанс напряжений можно получить изменением:

Индуктивности катушки;

Емкости конденсатора;

Частоты тока;

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

Рабочее задание


Собираем схему, изображенную на рис. 3.

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

Катушка индуктивности конструктивно представляет собой совокупность трех отдельных катушек и подвижного ферромагнитного сердечника. Начала и концы каждой из трех катушек выведены на клеммную панель. Для увеличения диапазона изменений величины индуктивности катушки соединяются последовательно. В качестве емкости используется батарея конденсаторов.

Процессы в цепи исследуются при постоянной емкости C = 40 мкФ и переменной индукции. В начале работы полностью вводим сердечник в катушку, что соответствует наибольшему значению индуктивности.


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


Включив цепь под напряжение и постепенно выдвигая сердечник определяем максимальное значение тока Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости, после чего устанавливаем сердечник в исходное положение.

Медленно выдвигая сердечник, снимаем показания приборов для четырех точек до резонанса, точки резонанса и четырех точек после резонанса. Показания приборов заносим в табл. 2.

Табл. 2. Опытные данные.

№ опыта I P U Uk Uc

А кол-во дел. Вт В
1 1,0 5,5 13,75 36 120 83
2 1,5 12,5 31,25 36 168 121
3 2,0 19 47,5 36 198 168
4 2,5 29 72,5 36 231 208
5 3,0 41 102,5 36 260 246
6 3,1 44 110 36 260 255
7 3,0 40 100 36 239 246
8 2,5 28 70 36 186 208
9 2,0 17,5 43,75 36 135 165
10 1,5 11 27,5 36 99 125
11 1,0 5,5 13,75 36 60 91

Вычислим величины:


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


Например, для первого случая при I = 1,0 А:


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

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

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

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

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


Вычисленные для всех случаев значения занесем в табл. 3.

Табл. 3. Вычисленные данные

№ оп. z zK rK xLK LK UrK ULK xC C cos φ

Ом Гн В Ом мкФ о.е.
1 36 120 13,75 119,2 0,379 13,75 119,2 83 38,4 0,382
2 24 112 13,89 111,14 0,354 20,83 166,7 80,67 39,5 0,579
3 18 99 11,88 98,3 0,313 23,75 196,6 84 37,9 0,660
4 14,4 92,4 11,6 91,67 0,292 29 229,2 83,2 38,3 0,806
5 12 86,67 11,39 85,9 0,273 34,17 257,7 82 38,8 0,949
6 11,6 83,87 11,45 83,1 0,264 35,48 257,6 82,26 38,7 0,986
7 12 79,67 11,11 78,88 0,251 33,33 236,7 82 38,8 0,926
8 14,4 74,4 11,2 73,55 0,234 28 183,9 83,2 38,3 0,778
9 18 67,5 10,94 66,6 0,212 21,88 133,2 82,5 38,6 0,608
10 24 66 12,2 64,86 0,206 18,33 97,3 83,3 38,2 0,509
11 32,7 54,5 11,36 53,35 0,170 12,5 58,7 82,7 38,5 0,347

По вычисленным значениям строим графики зависимостей силы тока в цепи I, падения напряжения на конденсаторе UC и катушке UK, косинус угла сдвига фаз cos φ и полного сопротивления цепи z от индуктивности катушки LK.

Строим векторные диаграммы тока и напряжений:


а). xLK > xC. Берем 3ий результат измерений: I = 2.0 А, UrK = 23.8 В, ULK = 196.6 В, UC = 168 В.

б). xLK = xC. Берем 6ий результат измерений: I = 3.1 А, UrK = 35.5 В, ULK = 257.6 В, UC = 255 В.

в). xLK < xC. Берем 9ий результат измерений: I = 2.0 А, UrK = 21.9 В, ULK = 133.2 В, UC = 165 В.


Вывод: при увеличении индуктивности катушки с 170 до 260 мГн полное сопротивление цепи z падает, а сила тока I, напряжения на конденсаторе UC и катушке UK, косинус угла сдвига фаз cos φ возрастают. Реактивное сопротивление катушки меньше сопротивления конденсатора, по-этому падение напряжения на катушке меньше, чем на конденсаторе, действие конденсатора пре-обладающее и общее напряжение U отстает от силы тока I(векторная диаграмма в).

При индуктивности катушки равной примерно 260 мГн, полное сопротивление цепи достигает наименьшего значения z = 11.6 Ом, сила тока при этом достигает наибольшего значения I = 3.1 А, а напряжения на катушке и конденсаторе выравниваются UC = UK =260 В, косинус угла сдвига фаз между напряжением и током равен 1. Реактивное сопротивление катушки и конденсатора равны, падения напряжения на обоих равны и общее напряжение синфазно силе тока(диаграмма б).

При дальнейшем увеличении индуктивности с 260 до 380 мГн полное сопротивление увеличивается, а сила тока, напряжения на катушке и конденсаторе, косинус угла сдвига фаз падают. Реактивное сопротивление катушки больше сопротивления конденсатора, поэтому падение напряжения на катушке больше, чем на конденсаторе, действие катушки преобладающее и общее напряжение U опережает силу тока I(диаграмма а).

Если Вам нужна помощь с академической работой (курсовая, контрольная, диплом, реферат и т.д.), обратитесь к нашим специалистам. Более 90000 специалистов готовы Вам помочь.
Бесплатные корректировки и доработки. Бесплатная оценка стоимости работы.

Поможем написать работу на аналогичную тему

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту

Похожие рефераты: