Анализ неразветвленной цепи синусоидального тока

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Цель работы: изучить особенности неразветвленной электрической цепи при различных соотношениях индуктивного и емкостного сопротивлений.

1. Общие сведения.

Схема замещения неразветвленной электрической цепи, содержащей индуктивную катушку и конденсатор представлена на рис.14.

Рис. 14. Электрическая цепь с последовательным соединением R, L, C

Проанализируем данную электрическую цепь – рассмотрим значения тока цепи I, напряжения на отдельных участках U_R, U_L, U_C, полной, активной, реактивной мощностей.

Так как при последовательном соединении элементов R, L, C ток является общим для всех элементов цепи, то удобно принять

i = I_m sinωt.

По II Закону Кирхгофа

u = u_R + u_L + u_C.

или

u = U_mахR sinωt + U_mахL sin(ωt + π/2) + U_mахC sinωt(ωt - π/2) =

= U_mахR sinωt + (U_mахL - U_mахC)sin(ωt + π - π/2) =

= U_mахR sinωt + (U_maxL - U_maxC)sinωt(ωt + π/2).

Таким образом, полное напряжение цепи состоит из двух синусоидальных слагаемых одинаковой частоты, а, следовательно, являются так же синусоидальными с некоторой амплитудой U _mах и фазовым углом φ (при условии, что начальная фаза тока равна 0).

u = U_mах sin(ωt + φ).

Рис. 15. Векторные диаграммы при различных соотношениях X_L и X_C: а) X_L > X_C б) X_L, < X_C с) X_L = X_C

Векторные диаграммы тока и напряжений цепи при различных соотношениях X_L и X_C показаны на рис.

Из векторных диаграмм следует, что вектора напряжений образуют треугольник напряжений, в котором гипотенуза – входное напряжение цепи U, катет, прилегающий к углу φ - активная составляющая напряжения U_R, второй катет U_L – U_C = U_P – реактивная составляющая напряжения

U_R = U cosφ; U_P = U sinφ;

Если в треугольнике напряжений все стороны разделить на ток I, то получим треугольник сопротивлений (рис. 16а), а если умножить на I ² – треугольник мощностей (рис. 16б).

Рис. 16. а) треугольник сопротивлений; б) треугольник мощностей.

Из треугольника сопротивлений:

R = Z cosφ; X = Z sinφ;

Из треугольника мощностей

P = S cosφ; Q = S sinφ; S =

Из треугольников определяют

cosφ = U_R/U = R/Z = P/S.

Свое название cosφ получил из треугольника мощностей – коэффициент мощности – важный показатель электрооборудования. Определяет, какую часть от полной мощности составляет активная мощность, мощность, расходуемая на совершение полезной работы.

Комплексные ток и напряжения:

İ = I e ^{j 0}.

= e^{j φ} = + + = I(R + I jX_L - I jX_C)= I (R + j (X_L - X_C)).

Разделив обе части уравнения на İ, получим комплексное сопротивление цепи:

Z = U e^{j φ} / Ie^{j 0} =Z e^{j φ} = R + j (X_L – X_C),

где – модуль комплексного сопротивления, или полное сопротивление цепи; R – активное сопротивление цепи; X_L – X_C = Х -реактивное сопротивление цепи; φ – аргумент комплексного сопротивления, равный углу сдвига фаз между векторами напряжения и тока φ = arctg(X_L – X_C) /R.

При последовательном соединении элементов с R, L, C ток в цепи

В зависимости от соотношений между индуктивным и емкостным сопротивлениями в электрической цепи с последовательным соединением индуктивной катушки и конденсатора имеют место три характерных режима:

– режим недокомпенсации реактивного сопротивления, когда ток отстает от напряжения (X_L>X_C), 90°>φ>0;

– режим, перекомпенсации реактивного сопротивления, когда ток опережает

напряжение (X_C > X_L), 0 < φ < – 90°;

– режим компенсации реактивного сопротивления, когда ток и напряжение совпадают по фазе (X_C = X_L), φ = 0°.

Из всех возможных соотношений между индуктивным X_L и емкостным X_С сопротивлений особый интерес представляет случай, когда эти сопротивления равны, т. е. Х_L = Х_С. В этом случае реактивное сопротивление X = X_L – X_C = 0 и полное сопротивление цепи Z = R минимально. Тогда ток в цепи I = U/R и при U = const, R = const значение его максимально.

Напряжения на индуктивном и емкостном элементах по значению

U_L = X_LI = X_CI = U_C.

Следовательно,

U_L = X_L I = X_L U/R; U_C = X_C I = X_C U/R.

Таким образом, напряжения на индуктивном и емкостном элементах могут превышать напряжение сети в X_L/R раз, если X_L>R.

Рис. 17. Векторная диаграмма для режима резонанса напряжений.

Cдвиг по фазе между напряжениями U_L и U_C равен π, т.е. эти напряжения находятся в противофазе.

Такой режим цепи при последовательном соединении элементов с R, L и C, когда X_L = X_C, а напряжения на индуктивном (U_L) и емкостном (U_C) элементах, находящихся в название режима резонанса напряжений.

Векторная диаграмма напряжений для резонанса напряжений представлена на рис. 17. Реактивная составляющая напряжения равна нулю; следовательно, полное напряжение U = Uа, а угол сдвига фаз

φ = 0; cosφ = 1.

Активная мощность такой цепи P = U I cosφ = U I = S, а реактивная

Q = U I sinφ = 0. В режиме резонанса напряжений реактивные мощности индуктивной катушки (Q_L = X_L I ²) и конденсатора (Q_C = X_C I ²) равны между собой, но обратны по знаку. Происходит непрерывный обмен энергией между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора.

Равенства индуктивного и емкостного сопротивлений ω L = 1/(ω C) можно добиться, изменяя угловую частоту ω, индуктивность L или емкость С. Угловая частота, при которой наступает резонанс напряжений,

ω₀ = 1/ .

Рис. 18. Зависимость напряжений и тока от частоты.

При этой резонансной частоте, ток в цепи достигает максимального значения. При уменьшении частоты увеличивается сопротивление X_C = 1/ (ω C), а следовательно, и реактивное сопротивление цепи X = X_L – X_C cтановится не равным нулю. Ток I = = U / уменьшается. При частоте ω = 0, что формально соответствует напряжению постоянного тока, ток в цепи равен нулю (X_С = бесконечности) реактивное сопротивление цепи тоже становится больше нуля и ток начинает уменьшаться (рис. 18).

Падение напряжения на элементе с активным сопротивлением

U_R = R I изменяется так же, как ток в цепи, т. к. R = const. При этом U_R = U при ω = ω₀.

Зафиксировать наступление резонанса напряжений можно:

– По показанию амперметра (он покажет максимальное значение силы тока);

– По показанию вольтметра (напряжения на катушке и конденсаторе будут приблизительно равны);

– По показанию ваттметра (ваттметр покажет максимальное значение активной мощности).

Явление резонанса напряжений используют в устройствах радиотехники, телевидения, автоматики и других электроустройствах.

Если электрическая цепь имеет такие L и С, что резонансной для этой цепи является частота ω₀ = , то ток этой частоты будет максимальным. Токи других частот (если в цепи действуют несколько напряжений разной частоты) будут меньше. Изменяя индуктивность L или емкость С можно настроить контур на эту частоту, т. е. усилить ток этой цепи.

В электросиловых устройствах это явление не нашло применения, так как в режиме резонанса напряжений резко увеличиваются напряжения U_L и U_C, что может привести к пробою их изоляции.

2. Домашнее задание по подготовке к лабораторному занятию:

– изучить материал, указанный в литературе;

– письменно ответить на контрольные вопросы, представленные в 4 пункте лабораторной работы;

– при заданных напряжении сети U, параметрах катушки R_k, L_k, частоте сети f = 50 Гц согласно номеру варианта (табл. 3) рассчитать емкость конденсатора С для получения резонанса напряжения в исследуемой цепи, рассчитать ток I _рез. в этом режиме, а также напряжения на индуктивной катушке U_L-R и конденсаторе U_С;

Таблица 3

Номер варианта
U, В	33,8	34,0	33,9	33,9		33,9		33,9
Lк,мГн
Rk, Ом	55,4	45,9	76,5	84,7	38,1	47,5	38,2	38,0

– полученные данные занести в табл. 4.;

Таблица 4

C, мкФ	I рез, А	UL-R, В	UC, В	Примечание

– подготовить бланк отчета к лабораторному занятию.

Дата добавления: 2015-05-06