Властивості лінійних електричних кіл

2.1 Мета роботи

Експериментальна перевірка властивостей лінійних електричних кіл. В роботі перевіряють принцип накладання, взаємності, компенсації, визначають параметри еквівалентного джерела електричної енергії, яким можна замінити будь-який лінійний активний двополюсник, досліджують залежність потужності, що виділяється в опорі навантаження при зміні його величини.

2.2 Пiдготовка до виконання лабораторної роботи

2.2.1 Прочитати відповідний розділ у конспекті лекцій та літературі [1, с. 89 – 115].

2.2.2 Зобразити схеми електричних кіл, що досліджуються (рис.2.1 – 2.3), розрахувати елементи еквівалентного джерела струму (напруги), яким можна замінити з боку вузлів 2, 3 схему, наведену на рис.2.1. При цьому опір R _B вважати навантаженням цього активного двополюсника.

Для макетів з номерами 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15 сxeму змiнити еквівалентним джерелом напруги за теоремою Тевенена. Для макетів з номерами 2, 4, 6, 8, 10, 12, 14 схему замінити джерелом струму за теоремою Нортона. Значення опорів (R ₁… R ₆) та значення джерела Е 1 взяти з табл.1.1, а його внутрішнього опору R _i1 – із розрахунку в лабораторній роботі №1. Слід зауважити, що реальне джерело Е 2 і його внутрішній опір R _i2 не входять до складу активного двополюсника. Продумати, як експериментально перевірити теорему Тевенена (Нортона).

2.2.3 В схемі, що зображена на рис.2.1, визначити таке значення змінного опору R _В, при якому в ньому виділяється максимальна потужність. Розрахувати величину цієї потужності.

2.2.4 Продумати, як експериментально перевірити теореми накладання, взаємності, компенсації.

2.2.5 Підготувати таблиці для занесення експериментальних даних та порівняння їх з розрахунками.

2.2.6 Відповісти на контрольні запитання, наведені в кінці методичних вказівок до цієї роботи.

2.3 Суть роботи

На лабораторному макеті за допомогою перемичок складають схему, яка досліджується, та за допомогою вимірювальних приладів(амперметру та вольтметру) визначають відгуки електричного кола, яке перебуває під впливом джерел електричної енергії, що вмикаються по черзі або одночасно в різні вітки. Порівняння результатів експерименту, а також експериментальних даних з розрахунковими дозволяє перевірити основні властивості електричних кіл.

2.4 Опис лабораторної установки

Робота виконується на лабораторній установці, яка описана в роботі №1 (рис.1.1).

2.5 Порядок виконання роботи

2.5.1 Виміряти Е 1 та Е 2, попередньо встановивши Е 2= Е 2_max.

2.5.2 Виконати виміри для перевірки принципу накладання. Для цього: встановити значення змінних опорів R _А= R _i1, R _В= R _i2 (використати значення R _i1 і R _i2 згідно з результатами лабораторної роботи №1). Після цього послідовно виміряти напругу між вузлами 4, 5 та струм в опорі R 4 для трьох схем, наведених на рис.2.1, рис.2.2, рис.2.3. За результатами цих вимірів переконатися у справедливості теореми накладання.

2.5.3 Виконати виміри, необхідні для перевірки принципу взаємності. Для цього:

– зібрати схему (рис.2.1), виміряти струм в опорі R _В, причому R _В= R _i2;

– зібрати схему (рис.2.2), виміряти струм в опорі R _А, причому R _А= R _i1;

– переконатися в справедливості принципу взаємності.

2.5.4 Визначити експериментально параметри еквівалентного джерела напруги або струму, яким можна замінити схему з боку вузлів 2, 3 (рис.2.1), вважаючи навантаженням опір R _В. Для цього виміряти U ₂₃ в режимі холостого ходу та струм між вузлами 2, 3 в режимі короткого замикання. За цими результатами визначити параметри еквівалентного джерела напруги чи струму.

2.5.5 Зібрати схему (рис.2.1) для вимірювання потужності P _н, яка виділяється в змінному опорі R _В. Визначити залежність потужності в опорі навантаження для кожного значення опору R _В як функцію P _н= F (R _B). Для цього виміряти струм () та напругу () на опору R _В. По значенням та розрахувати потужність та величину опору .

2.6 Обробка та оформлення результатів вимірів

2.6.1 За результатами експерименту п. 2.5.2. перевірити принцип накладання.

2.6.2 За результатами експерименту п. 2.5.3. перевірити принцип взаємності.

2.6.3 Порівняти результати вимірів п. 2.5.4. з відповідними розрахунками п. 2.2.2.

2.6.4 Згідно результатів п. 2.5.5., побудувати графік залежності потужності у навантажені від величини його опору P _н= F (R _B).

2.6.5 Результати обчислення та вимірів занести до таблиці і подати у вигляді звіту.

2.6.6 У висновках пояснити причини розбіжності результатів розрахунку та дослідів.

2.6.7 Змiст звiту:

- схеми кіл, що досліджуються;

- розрахункові та експериментальні дані, зведені до таблиць;

- графік потужності у навантаженні при зміні опору навантаження, який виконується на міліметровому папері у відповідному масштабі;

- висновки та критичну оцінку отриманих результатів.

2.7 Контрольні запитання та завдання

1. У чому полягає принцип накладання? Для яких кіл він застосовується?

2. Пояснити поняття вхідного опору активного двополюсника. Як перейти від активного двополюсника до пасивного?

3. Для активного двополюсника за результатами вимірювань напруга холостого ходу і струм короткого замикання склали відповідно 10 В і 10 мА. Визначити струм в опорі навантаження 1 кОм, який увімкнений до затискачів двополюсника?

Відповідь: 5 мА.

4. Якщо увімкнути до активного двополюсника опір навантаження 100 Ом, напруга на цьому опорі становитиме 1 В. Визначити вхідний опір активного двополюсника, якщо напруга холостого ходу на його затискачах дорівнює 3 В.

Відповідь: 200 Ом.

5. Сформулювати умову узгодження джерела з навантаженням за потужністю. Яке при цьому буде значення коефіцієнта корисної дії?

6. За яким критерієм здійснюється узгодження джерела з навантаженням: а) для малострумових кіл; б) для потужних енергетичних пристроїв?

7. У чому полягає принцип взаємності? Для яких кіл можна застосувати даний принцип?

8. Сформулювати теорему компенсації. Чим пояснюється можливість заміни ділянки кола джерелом ЕРС?

3 ДОСЛІДЖЕННЯ RL- ТА RC- КІЛ ПРИ СИНУСОЇДНІЙ ДІЇ

3.1 Мета роботи

Експериментальна перевірка основних законів електричних кіл при дії синусоїдної напруги на послідовне та паралельне з‘єднання RL та LC елементів в установленому режимі; оцінка впливу частоти джерела електричної енергії на величини струмів, напруг та на фазові співвідношення у колах, що досліджуються.

3.2 Підготовка до виконання лабораторної роботи

3.2.1 Вивчити метод комплексних амплітуд у конспекті лекцій та літературі [1, с. 119 – 203].

3.2.2 Згідно з табл.3.1 і рис.3.1 зобразити схеми RL- та RC- кіл. Номер варіанта співпадає з номерами бригади. Продумати спосіб з'єднання елементів лабораторного макету для отримання потрібних схем (рис.3.2). Вигляд передньої панелі лабораторного макета наведено на рис.3.1.

3.2.3 Вважаючи початкову фазу джерела ЕРС нульовою (тобто ), а параметри елементів – згідно з табл.3.1, розрахувати для частоти f ₁ комплексні опори, комплексні діючі значення струмів та напруг для заданих в табл.3.1 і відповідно зображених на рис.3.1 однієї схеми з послідовним та однієї схеми з паралельним з'єднанням елементів.

Таблиця 3.1 – Варіанти та параметри схем відповідно номерам макетів

Варiант	Номер макету	, В	L, мГн	C, мкФ	R, кОм	Номера рисункiв	f 1, Гц	f 2, кГц
1 а б в		4,0 5,0 6,0		0,11 0,11 0,11	=0,9 =1,2 =1,5	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в		4,0 4,5 4,2
2 а б в		5,0 4,0 5,5		0,08 0,08 0,08	=1,2 =1,7 =1,0	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г		5,0 5,4 5,8
3 а б в		3,0 4,0 5,0		0,07 0,07 0,07	=1,1 =1.0 =1,3	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в		5,5 5,0 6,0
4 а б в		4,5 5,5 6,0		0,1 0,1 0,1	=1,1 =1,6 =1,3	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г		5,0 4,5 5,5
5 а б в		4,0 3,0 6,0		0,05 0,05 0,05	=1,2 =1,3 =1,6	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в		4,0 4,7 5,0
6 а б в		5,0 6,0 4,0		0,07 0,07 0,07	=1,3 =1,5 =1,1	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г		4,4 4,5 5,2
7 а б в		4,0 6,0 5,0		0,11 0,11 0,11	=1,0 =1,6 =1,2	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в		4,0 4,7 5,0
8 а б в		4,5 5,5 6,5		0,07 0,07 0,07	=1,2 =1,5 =1,3	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г		5,0 4,5 4,0
9 а б в		6,0 5,0 4,0		0,11 0,11 0,11	=1,1 =1,0 =1,5	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в		6,0 4,5 5,5
10 а б в		4,0 5,0 6,0		0,08 0,08 0,08	=1,6 =1,3 =1,0	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г		4,1 4,6 5,1
11 а б в		8,0 7,0 7,5		0,1 0,1 0,1	=2,15 =2,1 =2,1	3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в 3.1а; 3.1в		5,0 4,5 4,0
12 а б в		7,0 8,5 8,0		0,10 0,10 0,10	=1,93 =2,1 =2,1	3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г 3.1б; 3.1г		4,0 5,5 5,0

3.2.4 Згідно з результатами розрахунків побудувати векторні діаграми схем, що досліджуються. На кожній діаграмі зображають у масштабі вектори усіх розрахованих струмів та напруг, а також заданого .

3.2.5 За результатами розрахунків записати аналітичні вирази миттєвих значень струмів та напруг.

3.2.6 Продумати, як впливає зміна частоти на величини струмів, спадів напруг та зсувів фаз в інших схемах, які не розраховувались в даному варіанті.

3.2.7 Ознайомитись із описом приладів: генератор типу ГЗ – 33 (див. додаток А), вольтметр ВЗ – 13 (див. додаток Б), осцилограф типу С1 – 68 (див. додаток В).

3.2.8 Відповісти на контрольні запитання, наведені в кінці методичних вказівок до цієї роботи.

3.3 Суть роботи

В роботі експериментально визначають струми у вітках, вимірюють спади напруг на елементах та зсуви фаз між вхідною напругою і струмами або спадами напруг в колах, що досліджуються, а також аналізують часові діаграми струмів та напруг.

Всі виміри проводять на двох частотах (f ₁, f ₂). Результати вимірів для частоти f ₁ порівнюють з попередніми розрахунками для цієї частоти.

3.4 Опис лабораторної установки

Лабораторна установка (рис.3.2) являє собою блок (макет), в якому розміщені елементи кіл (котушка індуктивності, конденсатори, резистори), а також вимірювальні опори R _u=10 Ом, які призначені для вимірювання діючих значень струмів за допомогою вольтметра. На передній панелі макету зображені елементи R, L, C та спеціальні гнізда, які дозволяють за допомогою гнучких перемичок складати схеми кіл (рис.3.1) та вмикати до потрібної ділянки кола вимірювальні прилади.

На лівій боковій панелі макету встановлено два (верхня та нижня) гнізда Г1 (на окремих макетах позначені як Х1), до яких підключають джерело напруги. Ці ж гнізда виведено на передню панель макету (рис.3.1), де вони позначені відповідно верхнє – Г₁, нижнє – . В якості джерела напруги використовують генератор сигналів звукової та ультразвукової частот типу ГЗ – 33. Для вимірювання напруги використовується ламповий мілівольтметр типу ВЗ – 13. Зсуви фаз експериментально визначають за допомогою осцилографа типу С1 – 68.

3.5 Порядок виконання роботи

3.5.1 Увімкнути прилади.

3.5.2 Встановити режим внутрішнього навантаження генератора., внутрішній опір генератора R_i =600 Ом та згідно з варіантом частоту генератора f ₁.

3.5.3 Зібрати згідно з варіантом схему із послідовним з’єднанням елементів.

3.5.4 Підключити вихід генератора до гнізд Г1.

3.5.5 Встановити за допомогою вольтметра напругу на затискачах генератора (вхідна напруга схеми) , згідно з варіантом, виміряти спади напруг на всіх елементах кола.

При всіх вимірах слідкувати, щоб "земляні" клеми генератора та вимірювальних приладів були з‘єднані в одну точку. При необхідності можна перемикати "земляну" клему генератора з нижнього гнізда до верхнього або навпаки.

3.5.6 Визначити струм в схемі, скориставшись непрямим методом, для чого вимірити спад напруги на вимірювальному опорі R_и =10 Ом, який вмикається послідовно з елементами схеми. Струм при цьому визначається згідно закону Ома ().

3.5.7 Виміряти зсуви фаз між вхідною напругою та спадами напруг на елементах кола, між вхідною напругою та струмом. При визначенні зсуву фаз між вхідною напругою та струмом скористатись тим, що початкові напруги та струми на активному опорі збігаються, тому вимірюють зсув фаз між вхідною напругою та спадом напруги на вимірювальному опорі. Вимірювання зсуву фаз проводити за допомогою осцилографа С1-68.

3.5.8 Повторити всі виміри, встановивши на генераторі частоту f ₂.

3.5.9 Зібрати згідно з варіантом схему із паралельним з’єднанням елементів та виміряти на частотах f ₁, f ₂ непрямим методом діючи значення загального струму, та струмів у вітках. Виміряти зсуви фаз між вхідною напругою та всіма струмами.

3.6 Обробка та оформлення результатів вимірів

При обробці результатів експериментів необхідно:

1) порівняти результати розрахунків та вимірів на частоті f ₁;

2) згідно з експериментами побудувати векторні діаграми напруг та струмів для частоти f ₂. Результати розрахунків та вимірів оформити у вигляді звіту.

Звіт повинен містити:

1) схеми кіл;

2) розрахункові формули, а також розрахункові та експериментальні дані, зведені в таблицю;

3) векторні діаграми струмів і напруг (розрахункові та експериментальні);

4) висновки та критичну оцінку отриманих результатів.

3.7 Контрольні запитання та завдання

Пояснити основні параметри, що описують синусоїдні коливання: амплітуда, фаза (повна і початкова), період, частота (циклічна і кутова).

Що таке фазовий зсув струму відносно напруги? Чи залежить фазовий зсув від вибору початку відліку часу?

Як називаються фазові зсуви, що дорівнюють 0, , ? Пояснити їх зміст.

Яке співвідношення між діючим і амплітудним значеннями синусоїдних струмів і напруг?

Що називається комплексною амплітудою, комплексним діючим значенням синусоїдного струму, напруги, ЕРС?

Що таке векторна діаграма?

Як перейти від миттєвих значень до комплексних і зворотно?

Два комплексних опори сполучені послідовно. Миттєві значення напруг на цих опорах дорівнюють: , В; , В. Знайти комплексну амплітуду і миттєве значення загальної напруги.

Відповідь: В; , В.

Два комплексних опори сполучені паралельно. Миттєві значення струмів в цих опорах дорівнюють: , мА; , мА. Знайти комплексну амплітуду і миттєве значення загального струму.

Відповідь: мА; , мА.

Дата добавления: 2017-02-01