2.4.1. Цель и краткое содержание работы
Целью работы является исследование и анализ резонансных явлений в линейных цепях переменного тока.
Экспериментальное исследование заключается в сборке схемы в соответствии с опытами по программе работы, в измерении напряжений, токов и мощности на участках электрической цепи.
Расчеты с использованием экспериментальных данных проводятся с целью выявления условий возникновения резонанса напряжений в двухполюснике с последовательным соединением элементов и резонанса токов с параллельным их соединением.
Обязательные теоретические сведения, необходимые для выполнения работы, изложены в следующих разделах пособия:
2.1.4. Расчет цепей гармонического тока;
2.1.5. Мощность в цепи гармонического тока;
2.1.6. Резонанс в цепи гармонического тока.
При необходимости следует воспользоваться конспектами лекций по соответствующим разделам курса и учебными пособиями.
В настоящей работе студенты на основании опытных данных производят расчет параметров элементов двухполюсников в резонансном режиме, строят векторные диаграммы и графики зависимостей напряжений и токов на элементах в функции емкости для последовательного резонансного контура.
2.4.2. Описание лабораторного стенда
Данная лабораторная работа выполняется на том же стенде и с тем же составом элементов и измерительных приборов, что и лабораторная работа №3. Поэтому для ознакомления с лабораторным стендом следует обратиться к разделу 2.2.2.
2.4.3. Порядок выполнения измерений
В настоящей работе исследуется резонанс напряжений и резонанс токов, для каждого из которых собирается своя электрическая схема.
1. Собрать схему с последовательным соединением элементов (рис. 2.21).
Для исключения из цепи отдельных элементов (R, L, C) предусмотрены перемычки, замыкающие их накоротко.
В данной работе резонанс достигается изменением величины емкости при фиксированном значении индуктивности, поэтому перед снятием резонансных кривых необходимо определить величину индуктивности L 2, а затем рассчитать величину емкости C 1, при которой достигается резонанс.
Рис. 2.21.Схема цепи при последовательном
соединении элементов
2. Экспериментально-расчетное определение величины индуктивности L 2.
2.1 Замкнуть перемычки на зажимах сопротивления R 17 и конденсатора C 1.
2.2. Подать напряжение на схему замыканием тумблера S 7. Величину напряжения питания устанавливать галетными переключателями Г1 и Г2, начиная от нуля, до величины, не превышающей 60В. Напряжение контролировать по вольтметру V 3.
2.3. Измерить напряжение U, ток I и мощность P в цепи, записать показания в табл. 2.8.
Опытные данные для определения параметров катушки Таблица 2.8
Элемент | U | I | P | ||||||
дел. | В/дел | В | дел. | А/дел | А | дел. | Вт/дел | Вт | |
L 2 |
2.4. Рассчитать параметры катушки:
- полное сопротивление
- активное сопротивление
- реактивное сопротивление индуктивности
- индуктивность
- угол фазового сдвига
2.5. С использованием формулы (2.13) для рассчитанного значения индуктивности L 2 при частоте входного напряжения 50 Гц рассчитать величину С 0 емкости С 1= С 0, обеспечивающую резонанс в цепи.
3. Снятие резонансных характеристик последовательного контура.
3.1. Установить рассчитанную величину С 0 емкости С 1 соответствующими переключателями на стенде.
3.2. Установить величину сопротивления R 17=200 Ом.
3.3. Разомкнуть перемычки, замыкающие элементы R 17 и С 1, подключить источник питания, установив напряжение 60В.
Перед снятием характеристик попытаться небольшим изменением величины емкости С 1 в ту или другую сторону от резонансного значения С 0 добиться более точного резонанса по максимуму потребляемого тока. Полученное значение емкости, тока и напряжений на элементах R 17, C 1, L 2 при резонансе записать в табл. 2.9. Напряжения на элементах измерять мультиметром, выдаваемым преподавателем.
Опытные данные резонансных кривых
последовательного контура; U =60 В Таблица 2.9
R 17 | С 1 | I | UR 17 | UC 1 | UL 2 | ||
Ом | мкФ | дел. | А/дел. | А | В | В | В |
С 0= | |||||||
С 0= | |||||||
Поддерживая входное напряжение 60В, изменять величину емкости конденсатора C 1 вверх и вниз от резонансной (по три точки в каждую сторону). Величину емкости и показания приборов в каждой точке занести в табл. 2.9.
3.4. Установить величину сопротивления R 17=100 Ом и произвести измерения в соответствии с п. 3.3. Опытные данные записать в табл. 2.9.
4. Исследование резонанса в параллельном контуре.
4.1. Собрать схему с параллельным соединением элементов (рис. 2.22).
В данной работе параллельный контур исследуется только в режиме резонанса. Параметры элементов C1, L2 при резонансе определены в пп. 2.4,2.5. Если индуктивность L2 и емкость C1 являются идеальными элементами, то резонанс в параллельном контуре имеет место при тех же параметрах элементов, что и в последовательном контуре. Величина активного сопротивления R9=200 Ом. Перемычки П1−П3 позволяют исключать из схемы отдельные элементы. Все измерения проводятся при входном напряжении, равном 60 В.
Рис. 2.22. Схема цепи при параллельном
соединении элементов
4.2 Исключая из схемы с помощью перемычек два из трех элементов, измерить токи в каждом по отдельности: IR 9, IC 1, IL 2. Данные измерений записать в табл. 2.10. Включая нужные перемычки, измерить входной ток и токи в элементах при включенных элементах согласно табл. 2.10.
Опытные данные режима резонанса
параллельного контура; U =60 В Таблица 2.10
Включенные элементы | I | IR 9 | IC 1 | IL 2 | |||||
дел. | А/дел. | А | дел. | А | дел. | А | дел. | А | |
R 9, C 1, L 2 поочередно | |||||||||
C 1 и L 2 | − | − | |||||||
R 9 и L 2 | − | − | |||||||
R 9, C 1 и L 2 |
2.4.4. Расчетная часть
Расчеты и построения для резонанса напряжений.
1. Рассчитать резонанс в последовательном контуре (резонансный ток, напряжения на элементах) при R 17=0, напряжении U =60В и частоте f= 50Гц. В качестве исходных данных использовать параметры катушки L 2 и конденсатора C 1, определенные в пп.2.4 и 2.5 раздела 2.4.3. При расчете воспользоваться сведениями из раздела 2.1.6.
2. Построение векторных диаграмм.
2.1. Построить векторные диаграммы для тока и всех напряжений по данным расчета резонанса в п.1 для максимальной добротности (R 17=0).
2.2. Построить векторные диаграммы для тока и всех напряжений для низкой добротности (R 17=200 Ом) по данным табл. 2.9 для значений емкости C 1= С 0; C 1˂ С 0; C 1> С 0. Значения емкости, большие или меньшие резонансной, выбираются студентами произвольно из данных табл. 2.9.
3. Построить графики зависимостей тока и напряжений на элементах в функции емкости конденсатора C 1 для случаев низкой (R 17=200 Ом) и повышенной (R 17=100 Ом) добротности.
Построения для резонанса токов.
1. Построить по опытным данным векторные диаграммы входного напряжения и токов, измеренных для случаев включения элементов в соответствии с табл. 2.10.
2.4.5. Содержание отчета
1. Титульный лист.
2. Цель и краткое содержание работы.
3. Принципиальные схемы исследуемых цепей.
4. Таблицы с данными измерений и расчетов.
5. Проведенные расчеты.
6. Векторные диаграммы токов и напряжений для каждой схемы.
7. Графики токов и напряжений в соответствии с п.3 раздела 2.4.4.
8. Ответы на контрольные вопросы.
2.4.6. Контрольные вопросы
1. Что такое резонанс в электрических цепях?
2. В чём заключается необходимое но недостаточное условие резонанса и почему?
3. При каком соотношении параметров L и C в последовательном и параллельном контурах имеет место резонанс?
4. Изменением каких параметров можно настраивать контуры в резонанс?
5. Почему резонанс в последовательном контуре называется резонансом напряжений, а в параллельном – резонансом токов?
6. Почему в последовательном контуре при резонансе ток достигает максимума, чем этот ток ограничивается? При каком условии он мог бы стать бесконечно большим?
7. Почему в параллельном контуре при резонансе входной ток минимален? При каком условии этот ток мог бы стать равным нулю?
8. Как разгрузить линию передачи от индуктивных токов?