6.8.2 Экспериментальная часть

Дата: 2025-06-02; Просмотры: 12

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Задание

Снимите экспериментально частотные характеристики параллельного резонансного контура c высокой добротностью- I(w), I_L(w), I_C(w), X(w), Z(w)и j(w).

Порядок выполнения работы

• Соберите цепь согласно схеме (рис.6.8.3), включив в неё измерительные приборы или соответствующие гнёзда коннектора. В качестве катушки индуктивности с малым активным сопротивлением используйте обмотку трансформатора W=300 витков, вставив между подковами разъёмного сердечника полоски бумаги в один слой.

· Подайте на схему синусоидальное напряжение от генератора напряжений специальной формы U=5B, f=500Гц.

· Измерьте с помощью виртуальных приборов или рассчитайте по показаниям мультиметров реактивное сопротивление катушки индуктивности и рассчитайте индуктивность и резонансную частоту:

X_L= U/ I_L= Ом;

L= X_L/(2 p f)= Гн;

f₀=1/2 p √(LC)= Гц .

Рис. 6.8.3.

• По показанию фазометра или по минимуму тока I настройте резонансный режим, изменяя частоту приложенного напряжения.. Сравните экспериментальную резонансную частоту с расчётной:

Экспериментальная f0= Гц.

Расчётная f0= Гц.

• Изменяя частоту от 0,2 до 1 кГц, запишите в табл.6.8.1 показания виртуальных приборов и по этим результатам на рис. 6.8.4. и 6.8.5. постройте графики частотных характеристик.

Примечания:

1. При отсутствии виртуальных приборов запишите в таблицу измеренные мультиметрами токи, а сопротивления рассчитайте по формулам, приведённым в разделе «Общие сведения». При этом фазовый сдвиг можно определить из векторных диаграмм, построенных для каждого значения частоты.

2. В области резонансной частоты экспериментальные точки должны быть расположены гуще, чем по краям графиков.

Таблица 6.7.1.

6.9. Мощности в цепи синусоидального тока

6.9.1. Общие сведения

На рис. 6.9.1а изображена произвольная пассивная цепь синусоидального тока с двумя зажимами для подключения источника питания (пассивный двухполюсник).

В общем случае ток и напряжение на входе этой цепи сдвинуты по фазе на угол j:

u=U_msin( w t); i=I_msin( w t- j ).

Мгновенная мощность, потребляемая цепью от источника:

p= ui= U_mI_msin( w t) sin( w t- j)= UIcos j- UIcos(2 w t- j).

График изменения этой мощности представлен на рис. 6.9.1.б вместе с графиками изменения тока и напряжения. Мощность колеблется с двойной частотой. Большую часть периода она имеет положительное значение, а меньшую – отрицательное. Отрицательное значение мощности свидетельствует о возврате части накопленной в конденсаторах и катушках энергии в питающий цепь источник энергии.

Среднее значение потребляемой мощности:

P= UIcos j=I² R

называется активной мощностью. Она характеризует среднюю скорость преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Потребляемая в пассивной цепи активная мощность имеет всегда положительное значение. Она измеряется в ваттах (Вт).

Амплитуда переменной составляющей мощности:

S= UI= I² Z

называется полной мощностью. Она характеризует максимальную мощность, на которую должен быть рассчитан источник для питания данной цепи. Её иногда называют кажущейся, габаритной или аппаратной мощностью. Единицей её измерения является вольт-ампер (ВА)

Рис. 6.9.1.

Величина Q= UIsin j=I² X называется реактивной мощностью. Она характеризует максимальную скорость обмена энергии между источником и цепью. Она может быть как положительной (при j>0, т.е.в индуктивной цепи), так и отрицательной (при j<0, т.е. в ёмкостной цепи). В связи с этим иногда говорят, что индуктивность потребляет «реактивную энергию», а ёмкость вырабатывает её. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр).

В электрической цепи синусоидального тока выполняется баланс как активных, так и реактивных (но не полных!) мощностей, т. е. сумма мощностей всех источников равна сумме мощностей всех потребителей:

S P_{ист .}= S P_потр.; S Q_{ист .}= S Q_потр..

Соотношения между различными мощностями в цепи синусоидального тока можно наглядно представить в виде треугольника мощностей (рис. 6.9.2).

Рис.6.9.2

6.9.2. Экспериментальная часть

Задание

Измерьте с помощью виртуальных приборов мощности в цепи синусоидального тока . Расчётом проверьте баланс активных и реактивных мощностей.

Порядок выполнения работы

· Измерьте омметром активное сопротивление катушки индуктивности 40мГн:

.

R_к= Ом.

· Вычислите реактивные сопротивления катушки L=40 мГн и конденсатора
С=1 мкФ:

X_L=2 p fL= Ом;

X_C=1/2 p fC= Ом.

· Соберите цепь согласно схеме (рис. 6.9.3), включив в неё виртуальные приборы V1 и A1 и безразлично виртуальные или реальные А2 и А3.

· Подайте на схему синусоидальное напряжение 500 Гц и установите максимальную амплитуду, которую может дать генератор.

· Активизируйте виртуальные приборы: для измерения напряжения и тока на входе цепи, а также активной и реактивной мощности источника.

Примечание:

Избегайте включать одновременно большое количество виртуальных приборов в основном блоке. Это уменьшает количество отсчётов и снижает точность измерений!

· Запишите в табл 6.9.1 значения токов I_RL, I_R, I_C и мощностей Р_ист и Q_ист.

Рис.6.9.3.

Таблица. 6.9.1

· Вычислите по приведённым в табл. формулам значения активной и реактивной мощностей каждого потребителя. Вычислите сумму активных и алгебраическую сумму реактивных мощностей их суммы и проверьте баланс мощностей.

7. Трансформаторы

Введение

Трансформатор состоит из двух или большего числа катушек (обмоток), магнитная связь, между которыми обеспечивается с помощью ферромагнитного сердечника. Трансформаторы используются для преобразования и согласования напряжений, токов и сопротивлений, а также для развязывания электрических цепей (гальваническая развязка).

В идеальном трансформаторе, то есть в трансформаторе без потерь, потребляемая им мощность равна мощности отдаваемой. В реальности, однако, имеют место потери мощности в меди обмоток (в омических сопротивлениях обмоток) и в сердечнике трансформатора, поэтому резистору нагрузки отдается только часть потребляемой трансформатором мощности.

7.1. Коэффициент магнитной связи

7.1.1. Общие сведения

Чтобы обеспечить требуемую магнитную связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора, их помещают на общем сердечнике.

Рис. 7.1

Когда по первичной обмотке W₁ протекает ток I₁, то большая часть создаваемого им магнитного потока Ф₀ сцепляется также и с витками вторичной катушки W₂. Однако часть создаваемого первой катушкой потока Ф _S замыкается, минуя вторую катушку. Эта часть потока называется потоком рассеяния.

Отношение

К_СВ = Ф₀ / (Ф₀ + Ф _S)

называется коэффициентом магнитной связи. Его можно выразить через напряжения U₁ и U₂ при холостом ходе и число витков:

или через индуктивности и взаимную индуктивность

.

В идеальном трансформаторе коэффициент связи стремится к единице, однако равным или больше единицы он быть не может.

Во избежание искажения сигналов при их трансформировании и для исключения преждевременного магнитного насыщения материала сердечника постоянным током коэффициент связи уменьшают, разрывая сердечник (создавая воздушный зазор).

7.1.2. Экспериментальная часть

Задание

Измеряя напряжения, определите коэффициент магнитной связи между катушками

• при наличии замкнутого сердечника,
• при наличии сердечника с зазором,
• при наличии половины сердечника,
• при отсутствии сердечника.

Порядок выполнения эксперимента

·

Разместите первичную и вторичную катушки, имеющие по 900 витков каждая, на разъемном сердечнике, состоящем из двух половин, как показано на рис. 7.1.1.

Рис. 7.1.1.

·

Подсоедините источник синусоидального напряжения к выводам первичной обмотки согласно схеме (рис.7.1.2) и установите напряжение U₁ = 6…7 В, f = 1 кГц.

Рис. 7.1.2.

· Измерьте мультиметром первичное и вторичное напряжения и занесите результат в таблицу 7.1.1 (строка «При наличии замкнутого сердечника»). Вычислите К_СВ.

Таблица 7.1.1

· Для измерения напряжений при наличии сердечника с зазором поместите квадратики плотной бумаги между верхней и нижней половинами разъемного сердечника, чтобы имитировать воздушный зазор.

· Удалите одну подкову разъемного сердечника и повторите опыт.

· Удалите сердечник полностью и заполните последнюю строку табл. 7.1.1.

Вопрос: Почему изменяется вторичное напряжение?

Ответ: ………………..

7.2. Коэффициент трансформации

7.2.1. Общие сведения

Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки трансформатора называют коэффициентом трансформации. Отношение чисел витков соответствует отношению первичного напряжения к вторичному при отсутствии нагрузки (холостом ходе) трансформатора и отношению вторичного тока к первичному при коротком замыкании.

В идеальном трансформаторе (при отсутствии потерь, при К_СВ®1 и бесконечно больших индуктивностях обмоток L₁ и L₂) при любой нагрузке:

К_ТР = W₁ / W₂ = U₁ / U₂ = I₂ / I₁

7.2.2. Экспериментальная часть

Задание

Измеряя напряжения и токи, определите коэффициенты трансформации при различных числах витков обмоток.

Порядок выполнения эксперимента

· Соберите первичную (300 витков) и вторичную (100 витков) обмотки на разъемном сердечнике, как показано на рис. 7.2.1.

Рис. 7.2.1.

· Подключите источник питания к выводам первичной обмотки согласно рис. 7.2.3 и установите синусоидальное напряжение U₁ = 6 В, f = 1 кГц.

Рис. 7.2.3.

· Измерьте вторичные напряжения U₂ на выводах вторичных обмоток с числами витков 100, 300 и 900 при холостом ходе. Занесите результаты в таблицу 7.2.1.

Таблица 7.2.1

· Вычислите значения коэффициента трансформации по формуле

К_ТР = U₁ / U₂

·

Проделайте опыт короткого замыкания, измерив первичные и вторичные токи при числах витков вторичной обмотки 100, 300 и 900, как показано на рис. 7.2.4 и занесите результаты измерений в таблицу 7.2.2. Ток I₁ следует поддерживать неизменным, равным 50 мА.

Рис. 7.2.4.

К_ТР = I₂ / I₁

Таблица 7.2.2

7.3. Преобразование сопротивлений с помощью трансформатора

7.3.1. Общие сведения

Когда трансформатор ненагружен (холостой ход), отношение первичного напряжения к вторичному приблизительно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток. Коэффициент трансформации

К_ТР = U₁ / U₂ = W₁ / W₂

При нагрузке имеет место ток I₂ в нагрузочном резисторе R_Н, подключенном к выводам вторичной обмотки. Этот ток вызывает появление соответствующего тока в первичной обмотке

I₁ = I₂ / К_ТР

Через первичные напряжение и ток можно найти входное сопротивление трансформатора

R₁ = U₁ / I₁.

Нагрузочное сопротивление можно определить как

R₂ = R_Н = U₂ / I₂.

Взяв отношение сопротивлений, получаем

R₁ / R_Н = (U₁ / I₁) / (U₂ / I₂) = К_ТР ²

Или

R₁ = R_Н × К_ТР².

Это означает, что сопротивление нагрузки R_Н преобразуется к первичной стороне трансформатора. В реальном трансформаторе, если учесть сопротивление обмоток, получается R₁ несколько больше, чем R_НК_ТР².

7.3.2. Экспериментальная часть

Задание

Определите величины сопротивлений R₁ и R₂, измеряя токи и напряжения на первичной и вторичной сторонах трансформатора при различных соотношениях чисел витков обмоток и значениях сопротивления нагрузки R_Н. Определите входное сопротивление как R₂К_ТР² и сравните его с R₁.

Порядок выполнения эксперимента

· Соберите трансформатор на разъемном сердечнике с катушками, имеющими числа витков W₁ = 300 и W₂ = 100.

·

Подключите источник питания, как показано на рис. 7.3, и установите синусоидальное напряжение U₁ = 6 В, f = 1 кГц (при R_Н = 10 Ом).

Рис. 7. 3.

· Измерьте токи и напряжения при числах витков обмоток и сопротивлениях нагрузки согласно таблице 7.3.

Таблица 7.3

· Вычислите сопротивления R₁ и R₂ по формуле R = U / I.

· Затем вычислите входное сопротивление по формуле К²_ТР R₂ и сравните его со значениями, найденными как U₁ / I₁.

·