Некоммерческое  акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра теоретических основ электротехники

 

 

ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ 1 

Методические указания к лабораторным работам

(по специальностям 5В071900, 5В070400, 5В070300, 5В060200, 5В100200)

 

 

Алматы 2012 

СОСТАВИТЕЛИ: З.И.Жолдыбаева, Е.Х.Зуслина, Т.И.Коровченко. Теория электрических цепей 1. Методические указания к лабораторным работам (для студентов специальностей 5В071900, 5В070400, 5В070300, 5В060200, 5В100200 .– Алматы: АУЭС, 2012. –  45с.

 

Методические указания  к лабораторным работам содержат 9 лабораторных работ по четырем разделам: цепи постоянного тока, цепи однофазного синусоидального тока, резонансы в электрических цепях, амплитудно-частотные и фазо-частотные характеристики электрических цепей, четырехполюсники, пассивные фильтры «К» типа.

Каждая лабораторная работа включает: цель работы, подготовку к работе, порядок выполнения работы, оформление, анализ результатов работы и выводы о проделанной работе.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов всех форм обучения.

Ил. 31, табл. 32, библиогр.- 8  назв.

 

Рецензенты: канд.техн.наук, проф. Г.С. Казиева канд.физ-мат. наук, доцент А.А. Аманбаев.

Печатается по плану издания НАО «Алматинский университет энергетики и связи» на 2012 г.

 

 

© НАО «Алматинский университет энергетики и связи», 2012 г.

 

Введение

Методические указания  к лабораторным работам являются составной частью комплекса методической литературы по дисциплине «Теория электрических цепей 1».

Для повышения качества подготовки специалистов, формирования у студентов творческого мышления и инженерных навыков большое значение имеют лабораторные занятия.

Лабораторные задания представляют собой комплекс работ экспериментального и расчетного характера по исследованию линейных электрических цепей постоянного и синусоидального токов. Все лабораторные работы выполняются фронтальным методом после того, как материал данной темы изложен на лекции.

Практическая реализация лабораторных занятий на кафедре ТОЭ обеспечивается универсальными учебно-исследовательскими лабораторными стендами УИЛС - 2 

Стенд УИЛС-2 представляет собой стол, на котором закреплен пульт, состоящий из корпусов активных и пассивных блоков, собираемых в схемы на наборном поле. В состав стенда входят 29 наборных элементов и соединительные провода со штекерами.

Источники питания представлены корпусом активных блоков, содержащим блок постоянного напряжения БПН, блок переменного напряжения БПрН, блок трехфазного напряжения БТН. Корпус пассивных блоков, содержит блок переменного сопротивления БПС, блок переменной индуктивности БПИ, блок переменной емкости БПЕ.

БПН содержит:

- регулируемый источник постоянного стабилизированного напряжения с напряжением на выходе от 0 до 25 В;

- нерегулируемый источник постоянного напряжения с напряжением на выходе около 20 В;

- «электронный ключ», применяемый для исследования переходных процессов.

Оба источника напряжения снабжены схемой защиты от короткого замыкания и перегрузок. Ток срабатывания защиты

БПрН представляет собой источник однофазного переменного напряжения  регулируемой частоты синусоидальной, прямоугольной и треугольной формы.

Схема снабжена электронной защитой от короткого замыкания и перегрузок. Ток срабатывания защиты

БТН является источником трехфазного напряжения промышленной частоты. Все фазы электрически не зависят друг от друга.

Каждая фаза снабжена электронной защитой от короткого замыкания и перегрузок. Ток срабатывания защиты

БПС состоит из трех нерегулируемых резисторов  и трех регулируемых схем резисторов . Регулирование сопротивления  осуществляется ступенчато с помощью соответствующих переключателей.

БПИ состоит из трех нерегулируемых катушек индуктивности  и трех регулируемых схем индуктивности . Регулирование индуктивности осуществляется ступенчато с помощью соответствующих переключателей.

БПЕ состоит из трех нерегулируемых конденсаторов и трех регулируемых емкостей .  Регулирование емкости осуществляется ступенчато с помощью соответствующих переключателей.

На лицевых панелях блоков расположены органы сигнализации (индикаторы, лампы), органы управления (ручки переключателей, тумблеры, кнопки) и измерительные приборы.

НП представляет собой панель с 67 парами определенным образом соединенных гнезд, предназначенных для подключения и установки наборных элементов НЭ, представляющих собой элементы исследуемых цепей. НЭ выполнены в виде прозрачных пластмассовых коробочек, в торце которых имеется вилка, а внутри впаяны элементы электрических цепей.

Для включения активного блока тумблер СЕТЬ установить в положение ВКЛ, при этом загорится индикатор СЕТЬ.

Измерительные приборы БПН и БПрН предназначены для контроля величины тока и напряжения регулируемых источников напряжения. Регулирование осуществляется с помощью потенциометра.

Частота в БПрН регулируется переключателем ступенчато через 1 кГц и потенциометром плавно. Когда потенциометр ЧАСТОТА ПЛАВНО находится в крайнем правом положении, то частота выходного напряжения соответствует величине, указанной на переключателе ступенчатой регулировки с точностью .

Величину напряжения на выходе каждой фазы БТН можно регулировать ступенчато с помощью переключателей от 1 до 9 В и от 0 до 30 В.

При возникновении короткого замыкания либо перегрузки (неправильно собрана схема) в блоках срабатывает электронная защита, при этом загораются индикаторы ЗАЩИТА. После устранения причин возникновения короткого замыкания либо исправления ошибки в набранной схеме необходимо, нажав кнопку ЗАЩИТА, вернуть схему блока в рабочее положение, при этом индикатор гаснет.

Методические указания к выполнению лабораторных работ предназначены для студентов специальностей бакалавриата 5В071900, 5В070400, 5В070300, 5В074600, 5В060200, 5В071600, 5В100200 и соответствуют государственным образовательным стандартам высшего профессионального образования по вышеназванным специальностям.

 

      1 Лабораторная работа № 1. Исследование линейной электрической цепи постоянного тока

 

 Цель работы: получение навыков экспериментального исследования цепей постоянного тока, используя законы Ома, Кирхгофа и метод наложения.

 

1.1 Подготовка к работе

 

1.1.1 Повторить раздел ТЭЦ1 «Линейные электрические цепи постоянного тока» [Л.1 с. 41-71, Л.2 с.16-56, Л.6 с 23-49, Л. 8 с. 9-22].

1.1.2 Записать законы Ома и Кирхгофа соответственно для схем (см. рисунки 1.1, 1.2).

1.1.3 Каким образом экспериментально определить э.д.с. источника напряжения?

1.1.4 Как построить для схемы (см. рисунок 1.1) потенциальную диаграмму?

1.1.5 Как для схемы (см. рисунок 1.2) произвести расчёт токов методом наложения?

 

1.2 Задание к выполнению работы

 

1.2.1 Собрать цепь (см. рисунок 1.1), установить ЭДС Е1, Е2  согласно заданному варианту (см. таблицу 1.1).

 

Таблица 1.1

№ варианта

1

2

3

4

5

6

Е1

20

15

20

10

25

20

Е2

10

20

15

20

20

18

 

 

 

Рисунок 1.1

 

1.2.2 Измерить ток, ЭДС источников Е1 и Е2 и напряжения на резисторах. Результаты занести в таблицу 1.2.

 

  Таблица 1.2

I=                 ;           E1=                      ;                                 E2=                ;

Резистор

R1

R2

R3

R3

R5

R6

Напряжения, В

 

 

 

 

 

 

Сопротивления,Ом

 

 

 

 

 

 

Проводимость, См

 

 

 

 

 

 

 

1.2.3 Измерить потенциалы всех точек относительно одной, например j1=0. Результаты занести в таблицу 1.3. 

 

Таблица 1.3

Потенциалы

j1

j2

j3

j4

j5

j6

j7

j8

Теоретический расчёт

 

 

 

 

 

 

 

 

Эксперимент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2.4 Собрать цепь (см. рисунок 1.2) .

1.2.5 Для проверки метода наложения измерить токи в ветвях  при поочередно закороченных э.д.с. E1 и E2 и при включении двух источников, (см. рисунки 1.3, 1.4) результаты занести в таблицу 1.4.

        

  Таблица 1.4

Вид исследований

 

I1

I2

I3

Теоретический расчёт

E10; Е2=0

 

 

 

E1=0; E20

 

 

 

E10; E20

 

 

 

Эксперимент

E10; Е2=0

 

 

 

E1=0; E20

 

 

 

E10; E20

 

 

 

Расчёт по экспериментальным данным

 

 

 

 

Рисунок 1.2

  Рисунок 1.3                          Рисунок 1.4

 

1.3 Обработка результатов экспериментов

 

1.3.1 Для схемы (см. рисунок 1.1) по результатам экспериментов рассчитать величины сопротивлений и их проводимости, ток по закону Ома, потенциалы всех точек.

1.3.2 Для схемы (см. рисунок 1.1) построить потенциальную диаграмму по расчётным и экспериментальным данным и определить из нее ток в цепи.

1.3.3 Для схемы (см. рисунок 1.2) произвести теоретический и экспериментальный расчёт токов методом наложения.

1.3.4 Проверить соблюдение законов Кирхгофа для схемы (см. рисунок 1.2).

1.3.5 Сравнить результаты экспериментов и теоретических расчётов.

 

1.4 Методические указания

 

1.4.1  Потенциальная диаграмма представляет собой график изменения потенциала при обходе цепи, начиная с одной точки, потенциал которой условно принят за нуль. На оси абсцисс графика откладываются в определенном масштабе сопротивления участков цепи, а по оси ординат – потенциалы соответствующих точек. Ток из потенциальной диаграммы для неразветвленной цепи  ,

где ,  - соответственно масштаб потенциалов и сопротивлений;

- тангенс угла наклона участка прямой потенциальной диаграммы к оси абсцисс.

1.4.2 Расчет токов методом наложения состоит в следующем: ток в любой ветви можно рассчитать как алгебраическую сумму токов, вызываемых в ней каждым из источников ЭДС в отдельности. При расчете токов, вызванных каким-либо источником ЭДС, остальные источники ЭДС в схеме заменяются короткозамкнутыми участками.

 

2 Лабораторная работа № 2. Исследование линейной развлетвленной электрической цепи постоянного тока

 

Цель работы: получение навыков экспериментального исследования разветвленных цепей постоянного тока, используя  методы контурных токов и узловых потенциалов, метод эквивалентного генератора.

 

 2.1 Подготовка к работе

 

2.1.1 Повторить раздел ТЭЦ1 «Линейные электрические цепи постоянного тока» [Л.1 с. 41-71, Л.2 с.16-56, Л.6 с 23-49, Л. 8 с. 9-22].

2.1.2 Используя значения сопротивлений R1R6 из лабораторной работы №1 (см. таблицу 1.2) и значения ЭДС, согласно заданному варианту (см. таблицу 2.1), рассчитать все токи методом контурных токов и узловых потенциалов, а также потенциалы узлов электрической цепи для схемы (см. рисунок 2.1). Результаты расчетов занести в таблицу 2.2

2.1.3 Определить один из токов IB методом эквивалентного генератора согласно заданному варианту (см. таблицу 2.1). Результаты расчётов занести в таблицу 2.3.

 

Таблица 2.1

№ варианта

1

2

3

4

5

6

Е1

20

15

20

10

25

20

Е2

10

20

15

20

20

18

Ток, определяемый МЭГ

I1

I2

I3

I4

I5

I6

 

2.2 Задание к выполнению работы

 

2.2.1 Собрать цепь по схеме (см. рисунок 2.1).

Рисунок 2.1

 

2.2.2 Измерить и занести в таблицу 2.2 показания амперметров (значения токов ), показания вольтметров (значения потенциалов узлов ). При измерении потенциалов, потенциал одного из узлов (тот же, что и в расчете) принять равным 0.

 

  Таблица 2.2

Вид исследования

 

j1

j2

j3

j4

I1

I2

I3

I4

I5

I6

 

Теоретический

расчёт

МКТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МУП

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эксперимент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2.3 Для определения тока методом эквивалентного генератора в ветви IВ измерить напряжение холостого хода Uxx  на зажимах разомкнутой ветви и ток IВКЗ в этой ветви при её коротком замыкании. Результаты занести в таблицу 2.3.

 

Таблица2.3

Вид исследования

Uxx, В

IВКЗ,  А

Rэг, Ом

Еэг, В

IВ, А

 

Теоретический расчёт

 

 

 

 

 

Экспериментальные

исследования

 

 

 

 

 

 

2.3 Обработка результатов экспериментов

 

2.3.1 Сравнить величины токов, полученных экспериментально с расчётными значениями (см. таблицу 2.2).  

2.3.2 Сравнить значение тока IВ, полученное экспериментально и путём расчета методом эквивалентного генератора (см. таблицу 2.3).

Погрешность определить по формуле

 .

2.4 Методические указания

 

Определение тока методом эквивалентного генератора. Ток в искомой ветви  IВ  электрической цепи определяется по формуле

                          ,

где  - напряжение холостого хода на зажимах разомкнутой ветви;

-ЭДС эквивалентного генератора;

-внутреннее сопротивление эквивалентного генератора, равное входному сопротивлению пассивной цепи относительно зажимов разомкнутой ветви. Пассивная цепь получается из исходной схемы, в которой все источники ЭДС заменены короткозамкнутыми участками.

Сопротивление  можно рассчитать по формуле

                            .

 

 

3 Лабораторная работа №3. Исследование неразветвлённой электрической цепи однофазного синусоидального тока

 

Цель работы: экспериментальная проверка законов Ома и Кирхгофа для неразветвлённых цепей переменного тока, построение векторных диаграмм.

 

          3.1  Подготовка к работе

 

3.1.1 Повторить раздел курса ТЭЦ1 «Линейные электрические цепи однофазного синусоидального тока» [Л.1 с. 72-108, Л.2 с.68-86, Л.6 с 62-99,

Л. 8 с. 22-40].

3.1.2 Записать закон Ома и второй закон Кирхгофа в комплексной форме для схем (см. рисунки 3.1;3.3).

3.1.3 Как перейти от комплексного тока (напряжения) к его мгновенному значению?

3.1.4 Что называется действующим значением электрических величин (тока, напряжения, ЭДС).

3.1.5 Рассчитать  емкостное сопротивление , индуктивное сопротивление, полное сопротивление Z для цепей (см. рисунки 3.1;3.3) согласно заданному варианту (см. таблицу 3.1). Результаты занести в таблицы  3.2; 3.3; 3.4.

3.1.6 Рассчитать комплексные и действующие значения токов в заданных электрических цепях и напряжений на каждом элементе (см. рисунки 3.13.3) по параметрам своего варианта (см. таблицу 3.1). Результаты занести в таблицы 3.2; 3.3; 3.4.

3.1.7 Рассчитать активную, реактивную и полную мощности для схем (см. рисунки 3.1;3.3). Результаты занести в таблицы 3.2; 3.3; 3.4.

3.1.8 Построить по результатам расчётов векторные диаграммы токов и напряжений для схем (см. рисунки 3.1; 3.3).

3.1.9 Построить по  результатам расчетов треугольники сопротивлений и мощностей для схем (см. рисунки 3.1; 3.3).

 

3.2      Задание к выполнению работы

 

3.2.1 Собрать цепь по схеме (см. рисунок 3.1); установить параметры цепи, согласно заданному варианту (см. таблицу 3.1). Измерить ток и напряжения на каждом элементе. Результаты занести в таблицу 3.2.

  

Таблица 3.1

вариант

1

2

3

4

5

6

R, Ом

С, мкФ

250

4

200

5

150

3

100

6

150

7

200

3

L, мГн

f, Гц

U, В

50

300

5

40

450

5

30

400

5

10

500

5

45

300

5

35

350

5

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1

  

Таблица 3.2

Вид

исследований

R

Ом

C

мкФ

f

Гц

U

B

Ом

 

Z

Ом

UR

B

UС

B

 I

мA

  Cos φ

      P

      Вт

Q

ВАр

S

ВА

Теоретический  расчет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эксперимент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.2 Собрать цепь по схеме (см. рисунок 3.2) по данным своего варианта (см. таблицу 3.1). Измерить ток и напряжения на каждом элементе. Результаты занести в таблицу 3.3.

 

                                         Рисунок 3.2

 

 Таблица 3.3

Вид исследований

R

Ом

L

мГн

f

Гц

U

B

Ом

 

Z

Ом

UR

B

UL

B

I

мA

Cos φ

 

P

Вт

Q

ВАр

S

ВА

Теоретический расчет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эксперимент

 

 

_

_

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.3 Собрать цепь по схеме (см. рисунок 3.3) по данным своего варианта (см. таблицу 3.1) Измерить ток и напряжения на каждом элементе. Результаты занести в таблицу 3.4.

 

Рисунок 3.3

 

 

   Таблица 3.4

Вид исследований

U

 B

Xc

Ом

XL

Ом

 

X

Ом

Z

Ом

Uc

В

UR

B

UL

B

I

мA

Cos φ

 

 

P

Вт

Q

ВАр

S

ВА

Теоретический    расчет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эксперимент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3      Обработка результатов экспериментов

 

3.3.1 Для схем (см. рисунки 3.1, 3.3) по результатам экспериментов построить в масштабе векторные диаграммы.

3.3.2 Проверить закон Ома и второй закон Кирхгофа по экспериментальным данным для схем (см. рисунки 3.1, 3.3). Определить величину полного сопротивления, сos j.

3.3.3 По результатам экспериментов определить активную Р, реактивную Q и полную S мощности цепи. Проверить соотношения, связывающие эти мощности. Нарисовать в масштабе треугольники сопротивлений и мощностей.

 

3.4      Методические указания

 

При  построении векторных диаграмм тока и напряжений, например, для RL- цепи (см. рисунок 3.1) вектор напряжения на активном сопротивлении  совпадает  по фазе с вектором тока , а вектор напряжения на индуктивности опережает вектор тока на .  Входное напряжение  опережает вектор тока на угол  (показано на рисунке 3.4 а).

 

                         

а)                                          б)                                         в)          

        

                                               Рисунок 3.4        

 

Экспериментальное действующее значение входного напряжения определяется по формуле:

.

Комплексное сопротивление для RL-цепи рассчитывается по формуле Z=R+jL=R+j2pfL=R+jXL,

модуль  полного сопротивления Z=. По экспериментальным данным полное сопротивление рассчитывается по формуле

Z=, активное  сопротивление  

R=, реактивное сопротивление XL=.

Рассчитать активную, реактивную и полную мощности Р,Q, S можно по формулам : Р=UIcos, Q=UIsin, S=UI=или  Р=IR, Q=IXL, S=IZ.

Аналогично выполняются расчеты для схем 3.2, 3.3.

 

          Универсальный цифровой измеритель мощности, используемый в схеме позволяет измерять активную мощность, напряжение, ток, частоту, коэффициент мощности.  Схема подключения измерителя мощности показана на рисунках 3.1, 3.2, 3.3: выходы  L IN  и  N IN – подключаются к источнику питания; L OUT  и  N OUT –  к нагрузке.  Подключение производится нажатием кнопки включения питания – « power».

          На цифровой шкале прибора отображаются результаты измерений. Слева шкала измерения мощности, рядом с которой индикаторы единиц измерения (мВт, Вт, кВт). Справа внизу шкала результатов измерения тока, рядом с которой индикаторы единиц измерения (мА, А). Справа вверху шкала для отображения результатов измерения одной из трех велечин: напряжения (В, кВ); частоты (Hz – Гц); коэффициента мощности ( PF Power factor ). Для выбора измеряемой величины на панели управления нажимаются соответствующие кнопки : “V”,  “Hz”  или  “PF”.

Примечание: 1. В нормальном режиме работы прибора индикатор «RUN» мигает, в противном случае – постоянно светится или не светится.

2. В нормальном режиме работы прибора коэффициент пересчета для трансформатора напряжения и трансформатора тока должен быть равен  1.  Если коэффициент пересчета отличен от 1, то светится индикатор «RATIO»

 ( в этом случае необходимо обратится к преподавателю, чтобы он выставил коэффициент пересчета равный 1).

 

4 Лабораторная работа № 4. Исследование разветвлённой линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока

 

 Цель работы: экспериментальная проверка законов Ома и Кирхгофа для разветвленных  цепей переменного тока, построение векторных и топографических диаграмм.

 

4.1 Подготовка к работе

 

4.1.1 Повторить раздел курса ТЭЦ1 «Линейные электрические цепи однофазного синусоидального тока» [Л.1 с. 72-108, Л.2 с.68-86, Л.6 с 62-99,

Л. 8 с. 22-40].

4.1.2 Рассчитать комплексные и действующие значения токов и напряжений на каждом элементе схемы (см. рисунок 4.1) по параметрам своего варианта (см. таблицу 4.1). Результаты занести в таблицу 4.2.

4.1.3 Рассчитать комплексные и действующие значения токов в каждой ветви схемы (см. рисунок 4.2) по параметрам своего варианта (см. таблицу 4.1). Результаты занести в таблицы 4.3.

4.1.4 Рассчитать активную, реактивную и полную мощности для схемы (см. рисунок 4.1). Результаты занести в таблицу 4.2.

4.1.5 Рассчитать активную, реактивную и полную мощности для схемы (см. рисунок 4.2). Результаты занести в таблицу 4.3.

4.1.6 Построить по результатам расчётов векторные диаграммы токов и напряжений для схемы (см. рисунок 4.1).

 4.1.7 Построить по результатам расчётов векторную диаграмму токов для схемы (см. рисунок 4.2).

    

Таблица 4.1

№ варианта

1

2

3

4

5

6

 

R1, Ом

200

100

250

150

250

150

R2, Ом

250

150

200

100

150

250

С, мкФ

4

6

5

3

7

3

L, мГн

50

10

40

30

45

35

f, Гц

300

500

450

400

300

350

U, В

5

10

5

5

5

5

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2 Задание к выполнению работы

 

4.2.1 Собрать цепь по схеме (см. рисунок 4.1). Установить параметры цепи согласно заданному  варианту (см. таблицу 4.1).

4.2.2 Измерить токи в каждой ветви и напряжения на каждом элементе. Результаты занести в таблицу 4.2.

 

Таблица 4.2

 

 

U

B

UR1 В

UR2В

UL В

Uc В

I

мA

I1

мA

I2

мA

Cos φ

 

 

P,

Вт

Q,

ВАр

S,

ВА

Теоретический расчет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эксперимент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4.3

Вид исследований

U,

 B

I

мА

I,

мA

I,

мA

I,

мA

Cos φ

 

 

P,

Вт

Q,

ВАр

S,

ВА

Теоретический расчет

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эксперимент

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2.3 Собрать цепь по схеме (см. рисунок 4.2). Установить параметры цепи согласно заданному варианту (см. таблицу 4.1).

4.2.4 Измерить токи в каждой ветви и напряжение на входе цепи. Результаты занести в таблицу 4.3.

 

                                               Рисунок 4.1

 

 

Рисунок 4.2

 

4.3 Обработка результатов экспериментов

 

4.3.1 Для схемы (см. рисунок 4.1) по результатам экспериментов построить векторные диаграммы токов и напряжений.

4.3.3 Для схемы (см. рисунок 4.1) проверить законы Кирхгофа. Определить  сos j, активную Р, реактивную Q и полную S мощности цепи. Результаты занести в таблицу 4.2.  Проверить  соотношения, связывающие эти мощности. Построить треугольник мощностей. 

4.3.4 Для схемы (см. рисунок 4.2) по результатам экспериментов построить в масштабе векторную диаграмму токов.

4.3.6 Для схемы (см. рисунок 4.2)  проверить первый закон Кирхгофа по результам эксперимента.

4.3.7 Определить сos j, активную Р, реактивную Q и полную S мощности цепи. Результаты записать в таблицу 4.3. Проверить соотношения, связывающие эти мощности. Построить треугольник мощностей. 

 

4.4 Методические указания

 

Первый закон Кирхгофа можно проверить по векторной диаграмме. Второй закон Кирхгофа (например, для схемы 4.1)  проверяется по формулам

.

Векторная диаграмма (например, для схемы 4.2) представлена на рисунке 4.3.

                                               

 

                                               Рисунок 4.3

 

5 Лабораторная работа № 5. Резонанс напряжений

 

Цель работы: экспериментальное  исследование резонансных свойств последовательного колебательного контура.

 

5.1 Подготовка к работе

 

5.1.1 Повторить раздел курса ТЭЦ1 «Резонанс в электрических цепях. Резонанс напряжений» [Л.2 с.105-108, Л.6 с 133-147, Л. 8 с. 50-55].

5.1.2 Какой режим в электрической цепи называется резонансом?

5.1.3 В какой электрической цепи и при каком условии возникает резонанс напряжений?

5.1.4 Рассчитать согласно заданному варианту (см. таблицу 5.1) резонансную частоту f0, затухание d, граничные частоты f1гр и f2гр полосы пропускания контура, характеристическое сопротивление контура r, активное сопротивление контура R1 и R2 для двух значений добротности Q1=2. Q2=4.

5.1.5 Рассчитать ток I0, напряжения  и  при резонансе.

5.1.6 Построить векторную диаграмму тока и напряжений последовательного колебательного контура при резонансе.

5.1.7 Построить частотные характеристики последовательного колебательного контура.  Построить резонансные кривые I(f); UL(f),Uc(f).

 5.1.8 Построить резонансные кривые   для двух разных добротностей, показать как определяется полоса пропускания и как она зависит от добротности контура.

 

Таблица 5.1

№ варианта

       U, В

       L, мГн

С, мкФ

1

          5

          20

0,02

2

         3  

         16  

           0,03

3

         4

         15

           0,04

4

         5     

         14     

           0.05

5

         4

         12

           0,03

6

         3

         10

           0,04

 

5.2 Задание к выполнению работы

 

5.2.1 Собрать последовательный колебательный контур (см. рисунок 5.1). Предусмотреть измерительные приборы для измерения тока и напряжений на элементах контура. Установить напряжение на входе и параметры элементов согласно варианту задания (см. таблицу 5.1), сопротивление резистора R1, соответствующее добротности Q1=2.

5.2.2 Изменяя частоту входного напряжения от 0,1 f0 до 2 f0 ( включая  f0 , f1гр, f2гр ) снять зависимости ,,  для контура с добротностью Q1=2.  Результаты занести в таблицу 5.2.

5.2.3 Установить сопротивление резистора R2  для добротности  Q2=4. Изменяя частоту входного напряжения, снять зависимость . Результаты занести в таблицу 5.2.

                  Рисунок 5.1

Таблица5.2

f,   Гц

Q1=2

Q=4

 

I ,мА

UC, B

UL,В

UR ,В 

I, мА

 

 

 

 

 

 

 

  5.3 Обработка результатов экспериментов

 

5.3.1 По экспериментальным данным (см. таблицу 5.2) построить резонансные кривые  , , ,  и сравнить их с теоретическими кривыми. Экспериментально определить резонансную частоту f0.

5.3.2 Построить на одном графике зависимости I/I0=F(f/f0) для двух добротностей Q1 и  Q2 по данным таблицы 5.2 , по ним определить граничные частоты f1, f2, абсолютную и относительную полосы пропускания.

5.3.3 Рассчитать и построить график зависимости от частоты. Сравнить с теоретической кривой  .

5.3.4 По экспериментальным данным  определить добротность контура Q1 и сравнить с заданным значением.

5.3.5 Построить в масштабе векторные диаграммы для частот f0, f1 , f2.

 

5.4 Методические указания

5.4.1 При резонансе максимальный ток в цепи  .

Сопротивление контура – минимальное .

В режиме резонанса

5.4.2 Добротность резонансного контура

 

,                                

где  - характеристическое сопротивление контура.

Величина, обратная добротности контура, называется затуханием .

5.4.3 Резонансная частотность или  .

5.4.4 Векторные диаграммы (см. рисунок  5.2):

а) до резонанса, когда       

в) после резонанса, когда    

с) при резонансе, когда          

 

  

           а)                                      в)                                              с)

Рисунок 5.2

 

         5.4.5 Сдвиг по фазе между током и напряжением на входе контура вычисляется по экспериментальным данным по формуле                                    

                                      .

где R -активное сопротивление контура.

5.4.6 Ширину полосы пропускания последовательного колебательного контура можно найти как разность между граничными частотами f2 и f1,

.

 

Ширина полосы пропускания   .

 

6 Лабораторная работа №6. Резонанс токов

 

Цель работы: экспериментальное исследование резонансных свойств параллельного колебательного контура.

 

6.1 Подготовка к работе

 

6.1.1 Повторить раздел курса ТЭЦ1 “Резонанс в электрических цепях. Резонанс токов”[Л.2 с.110-112, Л.6 с 140-147, Л. 8 с. 50-55].

 

Ответить на вопросы.

1) В каких электрических цепях возникает резонанс токов?

2) При каком условии в электрической цепи возникает резонанс токов?

3) Рассчитать резонансную частоту f0 и добротность Q параллельного колебательного контура (без потерь и с потерями).

4) Построить частотные характеристики параллельного колебательного контура ВL(w); ВC(w); В(w)=ВL(w)-ВC(w).

5) Нарисовать кривые модулей входного сопротивления Zвх(f) и входного тока I(f) в зависимости от частоты.

6) Рассчитать характеристическое сопротивление параллельного колебательного контура?

7) Как рассчитать ток на входе параллельного контура при резонансе?

8) Построить векторную диаграмму токов параллельного контура при резонансе.

9) Построить графики I(f), IL(f), IC(f), Zвх(f), jZВХ(f).

10) При каких значениях сопротивлений R1 и R2 возможен резонанс токов в параллельном колебательном контуре с потерями.

          11) Для исследования параллельного колебательного контура с потерями (см. рисунок 6.2) сопротивления R1 и R2 подобрать так, чтобы R1<r,

 R2 <r или R1>rR2 >r.

  12) Рассчитать резонансную частоту fр (для рисунка 6.1 и рисунка 6.2). Найти частоты f1  и f2, при которых ток Iр в неразветвлённой цепи увеличивается в 1,41 раз.

 

6.2 Задание к выполнению работы

 

6.2.1 Собрать цепь по схеме (см. рисунок 6.1). Установить напряжение на входе и параметры элементов выбираются согласно варианту задания (см. таблицу 6.1).

Рисунок 6.1

 

 

Таблица 6.1

№ варианта

U, В

L, мГн

С, мкФ

R,Ом

1

3

20

0,02

      50

2

4

16

0,03

      60

3

5

15

0,04

      80

4

3

14

0.05

      40

5

4

12

0,03

      30

6

5

10

0,04

      50

 

 

6.2.2 Изменяя частоту входного напряжения от 0,1 fр  до 2 fр, снять зависимости I(f), IL(f), IC(f). Результаты занести в таблицу 6.2.

Таблица 6.2

f,Гц

I,мА

IL,мА

IC,мА

Zвх,Ом

вх, град.

Uвх

 

 

 

 

 

 

 

 

         6.2.3 Изменяя частоту входного напряжения снять зависимости I(f), I1(f), I2(f). Результаты занести в таблицу 6.3.

   

 Таблица 6.3

f,Гц

I,мА

I1,мА

I2,мА

Zвх,Ом

Uвх

 

 

 

 

 

 

 

             

Рисунок 6.2

 

6.3 Обработка результатов экспериментов

 

         6.3.1 По экспериментальным данным (см. таблицу 6.2) определить резонансную частоту f0. Рассчитать значения входного сопротивления Zвх при изменении частоты. Построить кривые I(f), IL(f), IC(f), Zвх(f), jZВХ(f) и сравнить с теоретическими кривыми.

         6.3.2 По экспериментальным данным (таблица 6.3) определить резонансную частоту и сравнить  с расчётной. Построить графики зависимости I(f), I1(f), I2(f). Рассчитать значения входного сопротивления Zвх при изменении частоты. Построить кривую Zвх(f).

         6.3.3 Определить полосу пропускания и добротность параллельного контура. Определить эквивалентное сопротивление Rэкв параллельного контура при резонансе.

         6.3.4 Построить векторные диаграммы при резонансе для электрических цепей (см. рисунки 6.2, 6.3), используя экспериментальные данные (см. таблицы 6.2, 6.3).

6.3.5 Рассчитать также активную мощность, потребляемую контуром.

 

6.4 Методические указания

 

Резонансная частота параллельного колебательного контура

 

                                      .

 

Для идеального параллельного колебательного контура, шунтированного активным сопротивлением

                                                         .

 

7 Лабораторная работа № 7. Исследование входных и передаточных частотных характеристик электрических цепей с помощью компьютерного моделирования

 

Цель работы: исследовать входные и передаточные характеристики цепей с одним реактивным элементом.

 

7.1 Подготовка к работе

 

7.1.1 Повторить раздел ТЭЦ1 «Частотные характеристики электрических цепей» [Л.1 с.110-113, Л.6 с 140-147, Л. 8 с. 41-45].

         7.1.2 Что называется входной характеристикой электрической цепи, ее  АЧХ и ФЧХ?

7.1.3 Что называется передаточной характеристикой электрической цепи, ее  АЧХ и ФЧХ?

7.1.4 Какая частота называется граничной? Рассчитать граничные частоты для R3L и R1C цепей согласно заданному варианту (cм. таблицу 7.1)

         7.1.5 Написать расчётные формулы АЧХ и ФЧХ входных характеристик для RC и RL цепей  - Zвх =f(w) и jZBX =f(w).

         7.1.6 Нарисовать графики АЧХ и ФЧХ входных характеристик для RC и RL цепей.

         7.1.7 Написать расчётные формулы АЧХ и ФЧХ комплексных передаточных функций по напряжению для RL и RC цепей -  Нu(w), jн(w) .

         7.1.8 Нарисовать графики АЧХ и ФЧХ передаточных функций по напряжению для RL и RC цепей.

         7.1.9 Чему равны АЧХ и ФЧХ передаточных функций по напряжению  на граничной частоте?

 

Таблица 7.1

Вариант

С, мкФ

R1, Ом

R3, кОм

L, мГн

U,B

1

0,3

100

2,0

45

   2

2

0,4

80

2,5

80

   3

3

0,5

120

3,0

50

   4

4

0,2

100

1,5

30

   2

5

0,1

150

3,5

25

   3

 

7.2 Задание к выполнению работы

 

7.2.1 Собрать схему R3L цепи (см. рисунок 7.1). На схеме выставить значения L,R3,U1 согласно варианту (см. таблицу 7.1). Изменяя частоту входного напряжения от 0,1 fГР до 2fГР кГц, измерить ток в цепи, напряжения на катушке и временной сдвиг по фазе Т21 между током  и напряжением     на входе.  Результаты занести в таблицу 7.2.

7.2.2 По полученным данным рассчитать и построить АЧХ и ФЧХ входных и передаточных характеристик для RL цепи. Результаты расчетов занести таблицу 7.3.

 

Таблица 7.2

f

I

UL

T2-T1

 

 

 

 

                           

 

                                    Рисунок 7.1

Таблица 7.3

f

 

    I

Входная характеристика

Передаточная характеристика

 

 

ZВХ

φZвх

HUL

φHU

 

 

 

 

 

 

 

 

7.2.4 Собрать схему R1C цепи (см. рисунок 7.2) согласно варианту (см. таблицу 7.1).

7.2.5 Изменяя частоту входного напряжения от 0,1fГР до 2fГР кГц, измерить ток в цепи, напряжения на емкости и временной сдвиг по фазе

Т21 между током  и напряжением  на входе.  Результаты занести в таблицу 7.4.

7.2.6 По полученным данным рассчитать и построить АЧХ и ФЧХ входных и передаточных характеристик  для RC цепи. Результаты расчетов занести в таблицу 7.5

 

Таблица 7.4

f

I

UС

T2-T1

 

 

 

 

 

 

                               

                                     Рисунок 7.2

Таблица 7.5

f

 

     I

Входная характеристика

Передаточная характеристика

 

 

ZВХ

φZвх

HUc

φHU

 

 

 

 

 

 

 

        7.3 Обработка результатов экспериментов

 

       7.3.1 По экспериментальным данным таблицы 7.2 рассчитать значения модуля Zвх=U1/I и аргумента φZвх входного сопротивления RL цепи. Результаты расчетов занести в таблицу 7.3. Построить графики АЧХ Zвх =F(f) и ФЧХ jZBX =F(f) входной характеристики RL цепи и сравнить их с теоретическими. Из графиков определить граничную частоту для RL цепи.

       7.3.2 По экспериментальным данным таблицы 7.2 рассчитать значения АЧХ НuL=UL/U1 и ФЧХ jн=900- φZвх передаточной функции по напряжению для RL цепи. Результаты занести в таблицу 7.3. Построить графики АЧХ  НuL =F(f) и ФЧХ jн (f ) =F(f)  передаточной функции по напряжению для RL цепи и сравнить их с теоретическими.

       7.3.3 По экспериментальным данным таблицы 7.4 рассчитать значения модуля Zвх=U1/I и аргументаφZвх входного сопротивления RC цепи. Результаты расчетов занести в таблицу 7.5. Построить графики АЧХ Zвх =F(f) и ФЧХ jZBX =F(f) входной характеристики RС цепи и сравнить их с теоретическими. По графикам определить граничную частоту для RC цепи.

       7.3.4 По экспериментальным данным таблицы 7.4 рассчитать значения АЧХ НuC= UC/ Uи ФЧХ jн = - 900- φZвх передаточной функции по напряжению для RC цепи. Результаты занести в таблицу 7.5. Построить графики АЧХ НuС =F(f) и ФЧХ jн =F(f)  передаточной функции по напряжению для RС цепи и сравнить их с теоретическими.

 

          7.4 Методические указания

 

          7.4.1 Измерить начальные фазы напряжения и тока можно с помощью осциллографа (см. рисунок 7.3). Для измерения начальной фазы напряжения канал А осциллографа подключают к точке 1 (красят этот провод в красный цвет). Для измерения начальной фазы напряжения на активном сопротивлении (в другом масштабе тока) канал В осциллографа подключают к точке 2 (красят этот провод в синий цвет). Выставив курсор 1 на ноль напряжения на входе , а курсор 2 на ноль тока  можно измерить временной сдвиг между напряжением  и  током  непосредственно по табло Т2-Т1.

7.4.2 Входная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) цепи-это зависимость модуля входного сопротивления от частоты Z=f(). Входная фазо-частотная характеристика (ФЧХ) цепи –это зависимость аргумента входного сопротивления от частоты =f(). Граничной называется частота, при которой реактивное сопротивление равно резистивному сопротивлению, т.е. в RL-цепях R=грL, а в RC-цепях R= . Модуль входного сопротивления R 1C цепи определяется по формуле

 Zвх=,

а аргумент входного сопротивления определяется по формуле

.

Модуль входного сопротивления  для R3L цепи определяется по формуле

,

а аргумент входного сопротивления определяется по формуле

=arctg=arctg=arctg.

7.4.3 Комплексным коэффициентом передачи по напряжению Hu (j) называется отношение комплексного выходного напряжения  к

комплексному входному напряжению  , т.е.Hu(j)=  .

Для RС цепи комплексный коэффициент передачи по напряжению определяется по формуле

Huc(j)=.

Модуль комплексного коэффициента передачи по напряжению для RC цепи рассчитывается по формуле Huc ()=,

 а аргумент jн ()=-arctg.

Для RL цепи комплексный коэффициент передачи по напряжению определяется по формуле

HUL(j) =. Модуль комплексного коэффициента передачи по напряжению для  RL цепи рассчитывается по формуле HUL ()=,

 а аргумент jн ()=-. На граничной частоте Hгр=0,707, =.

 

 

 

                                    Рисунок 7.3

 

 

8 Лабораторная работа №8. Исследование пассивных четырёхполюсников

 

Цель работы: получение навыков исследования различных режимов работы пассивного симметричного четырёхполюсника и определение его параметров путём компьютерного моделирования на персональном компьютере с использованием программы «Electronics Workbench».

 

8.1 Подготовка к разделу

 

Повторить раздел «Четырёхполюсники» [Л.1 с. 291-324, Л.2 с.132-150, Л.6 с 328-355, Л. 8 с. 64-67].

 

Ответить на вопросы и выполнить следующее:

1) Какой элемент электрической цепи называется чытырёхполюсным элементом или четырехполюсником?

2) Какие четырехполюсники называются пассивными?

3) Какие четырехполюсники называются симметричными?

4) Записать уравнения передачи четырёхполюсника в

A-, Z-,Y-,H- параметрах.

5) Каким условиям удовлетворяют А-параметры пассивного четырёхполюсника, симметричного четырёхполюсника?

6) Как определяется входное сопротивление четырёхполюсника. Рассчитать входные сопротивления четырёхполюсника в режимах холостого хода ZX, короткого замыкания ZK и в нагрузочном режиме  согласно заданному варианту (см. таблицу 8.1). Результаты расчётов записать в таблицу 8.4.

7) Рассчитать напряжение на выходе четырёхполюсника  и токи на входе  и выходе  четырёхполюсника, согласно заданному варианту (см. таблицу 8.1) в режимах холостого хода, короткого замыкания и в нагрузочном режиме. Результаты расчётов записать в таблицу 8.2.

8) Записать выражения, определяющие А-параметры пассивного симметричного четырёхполюсника. Рассчитать А-параметры пассивного симметричного четырёхполюсника, согласно заданному варианту (см. таблицу 8.1). Результаты расчётов записать в таблицу 8.3.

9) Какие параметры четырёхполюсника называются характеристическими? Записать выражения для расчёта характеристического сопротивление ZС по значениям ZX, ZK и по А-параметрам.

10) Какой режим называется согласованным режимом и какому сопротивлению равно входное сопротивление  четырёхполюсника при согласованном режиме?

11) Записать выражение характеристической постоянной передачи ГС для симметричного четырёхполюсника. Какая величина называется характеристическим ослаблением, единицы измерения характеристического

ослабления. Какая величина называется фазовой постоянной, её единицы измерения.

12) Записать выражения для расчёта характеристической постоянной передачи ГС через А-параметры.

 

Таблица 8.1

Вар.№

Рис. №

U1, В

f,кГц

R, Ом

L, мГн

C, мкФ

RН, Ом

1

1

20

1,0

80

9,56

60

2

2

30

1,5

70

1,33

80

3

3

25

0,5

60

3,54

70

4

4

15

0,8

90

16

50

5

5

35

2,0

50

2,0

90

6

6

40

2,5

110

6,05

65

7

7

10

3,0

120

7,96

100

8

8

45

1,2

100

2,5

 

  

                        

              Рисунок 8.1                                               Рисунок 8.2

 

 

                        

               Рисунок 8.3                                               Рисунок 8. 4

 

                      

             Рисунок 8.5                                             Рисунок 8.6

        

                         

   Рисунок 8.7                                           Рисунок 8.8

 

 

                                               Рисунок 8.9

 

 

8.2 Задание к выполнению работы

 

8.2.1 Собрать электрическую схему (см. рисунок 8.9) согласно заданному варианту.

8.2.2 Установить на генераторе действующее значение напряжения U1 и частоту f согласно заданному варианту.

8.2.3 В режиме холостого хода на зажимах 2-2/ (,) измерить напряжение на входе четырёхполюсника U1, напряжение на выходе четырёхполюсника U2, ток на входе четырёхполюсника I1. Измерить временной сдвиг по фазе между напряжениями на входе  и выходе  четырёхполюсника: Т2-Т1 и временной сдвиг по фазе между напряжением  и током    на входе четырёхполюсника: Т2-Т1. Результаты записать в таблицу 8.2.

8.2.4 В режиме короткого замыкания на зажимах 2-2/ (,) измерить напряжение на входе четырёхполюсника U1, токи на входе I1 и выходе I2 четырёхполюсника. Измерить временной сдвиг по фазе между

напряжением на входе  и токами на входе  и выходе  четырёхполюсника: Т2-Т1. Результаты записать в таблицу 8.2.

8.2.5 В нагрузочном режиме () измерить напряжение на входе четырёхполюсника U1, напряжение на выходе четырёхполюсника U2, токи на входе I1 и выходе I2 четырёхполюсника. Измерить временной сдвиг по фазе между напряжениями на входе  и выходе  четырёхполюсника:

Т2-Т1 и временной сдвиг по фазе между напряжением на входе  и токами на входе  и выходе  четырёхполюсника: Т2-Т1. Результаты записать в таблицу 8.2.

Таблица 8.2

Режим

работы

Вид

иссл.

U1

B

U2

B

T2-T1,

c

Ψu2

I1,

A

T2-T1,

c

Ψi1

I2,

A

T2-T1,

c

Ψi2

Холост.

ход

Теор.

 

 

 

 

 

 

 

Эксп.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коротк.

замыка-

ние

Теор.

 

 

 

 

 

 

 

Эксп.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нагруз.

Режим

Теор.

 

 

 

 

 

 

 

Эксп.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

         Таблица 8.3

Вид иссл.

А11

А12

А21

А22

Теор. расчёт

 

 

 

 

Расчёт по эксп. данным

 

 

 

 

 

         Таблица 8.4

Вид иссл.

ZX ,Ом

ZK,Ом

ZВХ, Ом (нагруз. Режим)

Теор. расчёт

 

 

 

Расчёт по эксп. данным

 

 

 

        

 

8.3 Оформление результатов работы

 

         8.3.1 По значениям Т2-Т1 рассчитать начальные фазы напряжения на выходе четырёхполюсника Ψu2 и начальные фазы токов на входе Ψi1 и выходе Ψi2 четырёхполюсника для всех исследуемых режимов. Результаты записать в таблицу 8.2.

         8.3.2 Записать комплексы напряжений  и токов  для всех исследуемых режимов.

         8.3.3 По экспериментальным данным рассчитать А-параметры пассивного симметричного четырёхполюсника: А11, А12, А21, А22 по напряжениям  и токам  в режимах холостого хода и короткого замыкания:

.

Результаты расчётов записать в таблицу 8.3.

         8.3.4 Проверить выполнение условия .

         8.3.5 По экспериментальным данным рассчитать входные сопротивления четырёхполюсника для всех исследуемых режимов. Результаты расчётов записать в таблицу 8.4.

         8.3.6 По экспериментальным данным рассчитать характеристическое сопротивление , характеристическую постоянную передачи  характеристическое ослабление четырёхполюсника АС, фазовую постоянную четырёхполюсника ВС, используя А-параметры, рассчитанные по экспериментальным данным.

         8.3.7 По экспериментальным данным для нагрузочного режима определить передаточные функции четырёхполюсника     

 

8.4 Методические указания

 

Измерить начальные фазы напряжения и токов можно с помощью осциллографа (см. рисунок 8.10). Для измерения начальных фаз напряжений канал А осциллографа подключают к точке 1 (красят этот провод в красный цвет), а канал В к точке 2 (красят этот провод в синий цвет). Выставив курсор 1 на ноль напряжения на входе четырёхполюсника , а курсор 2 на ноль напряжения на выходе четырёхполюсника  можно измерить временной сдвиг между напряжениями  и   непосредственно по табло Т2-Т1. Фазовый сдвиг вычисляется по формуле:

yU1−yU2 = 3600(Т2-Т1)´f. Если принять, что yU1 =0, то yU2 = -3600(Т2-Т1)´f.

Для измерения начальных фаз токов применяется способ преобразования тока в потенциал, который заключается во включении в цепь измеряемого тока резистора с небольшим сопротивлением.

Для измерения начальной фазы тока на входе четырёхполюсника  между точками 1/ и а включают сопротивление R=1Ом, канал В осциллографа подключается к точке а. Выставив курсор 1 на ноль напряжения , а курсор 2 на ноль тока , измеряют временной сдвиг между током  и напряжением    на табло Т2-Т1. Начальную фазу тока yi1 вычисляют по формуле: yi1 =-3600(Т2-Т1)´f. После измерения начальной фазы тока  сопротивление  R=1Ом отключают.

Для измерения начальной фазы тока на выходе четырёхполюсника  между точками 2/ и b включают сопротивление R=1Ом, канал В осциллографа подключается к точке b. Выставив курсор 1 на ноль напряжения , а курсор 2 на ноль тока , измеряют временной сдвиг между напряжением  и током  на табло Т2-Т1. Начальную фазу тока  вычисляют по формуле: yi2 = -3600(Т2-Т1)´f. После измерения начальной фазы тока  сопротивление R=1Ом отключают.

 

 

Рисунок 8.10

 

 

9 Лабораторная работа №9. Исследование пассивных фильтров типа «К» с помощью компьютерного моделирования

 

Цель работы: исследовать частотные характеристики коэффициента затухания (а) и коэффициента фазы (в) для простейших низкочастотных (ФНЧ) и высокочастотных (ФВЧ) фильтров.

 

9.1 Подготовка к работе

 

Повторить разделы ТЭЦ1 «Четырехполюсники и электрические фильтры» [Л.1 с. 457-464, Л.2 с.308-316, Л. 8 с. 70-77].

9.1.1 Выбрать согласно варианту схему и параметры фильтра (см. таблицу 9.1).

 9.1.2 Какие типы фильтров вы знаете?

 9.1.3 Дайте понятия низкочастотного, высокочастотного, полосного и заграждающего фильтров.

9.1.4 Дайте определение вторичных параметров фильтров. В каких единицах они измеряются?

9.1.5 Что такое область пропускания и область затухания идеального фильтра?

9.1.6 Что такое согласованный режим работы фильтра?

9.1.7 Привести П-образную и Т-образную схемы ФНЧ?

9.1.8 Привести П-образную и Т-образную схемы ФВЧ?

9.1.9 Привести графики зависимостей для a(f) и b(f) ФНЧ.

9.1.10 Привести графики зависимостей для а(f) и b(f) ФВЧ.

9.1.11 Привести расчётные формулы fср и r для ФНЧ.

9.1.12 Привести расчётные формулы fср и r для ФВЧ.

9.1.13 Рассчитать fср. и r согласно варианту (см. таблицу 9.1). Результаты  занести втаблицу(9.2).

 

9.2 Задание к выполнению работы

 

9.2.1 Собрать цепь (см. рисунок 9.1), включив в неё исследуемый фильтр согласно заданному варианту (см. таблицу 9.1).

 

Таблица 9.1

№ варианта

Тип

Фильтра

Схема фильтра

U1(В)

L(мГн)

С(мкФ)

1

ФНЧ

Т-схема

2

100

0,5

2

ФВЧ

Т-схема

3

70

0,5

3

ФНЧ

П-схема

3

20

0,5

4

ФВЧ

П-схема

2

15

0,5

5

ФНЧ

Т-схема

4

40

0,25

 

9.2.2 Установить значения U1, L и C, RН= r согласно варианту (см. таблицу 10.1).

 

 Фильтры низкочастотные

 

       П-образный фильтр

 

Т-образный фильтр

 

                                              Рисунок 9.1

 

Фильтры высокочастотные

 

П-образный  фильтр

 

Т-образный фильтр

  

                                            Рисунок 9.2

 

9.2.3 Изменяя частоту генератора f=0,1fср до f=2fср (включая fср ) измерить напряжения U2 на выходе фильтра и временной сдвиг по фазе Т21 между напряжениями на выходе  и  входе . В зоне пропускания и затухания  снять по 5-6 значений. Напряжение на входе фильтра U1 поддерживать постоянным. Результаты измерений занести в таблицу 9.2.

 

 Таблица 9.2

    

, Гц

, Нп

1

.

.

.

 

 

 

 

     

9.3 Обработка результатов экспериментов

 

9.3.1 Рассчитать коэффициент затухания а(f) и коэффициент фазы b(f),

9.3.2 Построить экспериментальные графики а(f) и b(f) по данным таблицы 9.2.

9.3.3 Построить теоретические графики а(f) и b(f) (см. таблицы 9.3 или 9.4).

9.3.4 Сделать выводы о проделанной работе: сравнить теоретические графики а(f) и b(f) с экспериментальными и объяснить их различие, проанализировать зависимость а(f)  и b(f) в полосе пропускания и в полосе задерживания.

 

Таблица 9.3

ФНЧ

f/f0

0,2

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1,1

1,2

 

а,Нп

0

0

0

0

0

0

0

0

0,90

1,26

 

+в, град

23

47

60

74

90

106

130

180

180

180

ФНЧ

f/f0

1,3

1,5

1,6

2,0

3,0

4,0

 

 

 

 

 

а,Нп

1,52

1,94

2,30

2,74

3,60

4,16

 

 

 

 

 

+в, град

180

180

180

180

180

180

 

 

 

 

 

Таблица 9.4

ФВЧ

f/f0

0,25

0,5

0,67

0,83

0,9

1

1,25

1,43

1,67

2

2,5

5

 

а,Нп

 

4,1

2,74

1,94

1,26

0,9

0

0

0

0

0

0

0

-в, град

180

180

180

180

180

180

106

90

74

60

47

23

 

9.4 Методические указания

 

9.4.1 При согласовании фильтра с нагрузкой напряжения входа U1 и выхода U2 связаны соотношением

.

Коэффициент затухания  определяется по формуле

, а коэффициент фазы b=y1-y2, где y1 и y2 – начальные фазы соответственно входного и выходного напряжений.

9.4.2 Частота среза для ФНЧ определяется по формуле , а для ФВЧ - .  Сопротивление нагрузки и сопротивление генератора  принимается равным характеристическому .

9.4.3 Коэффициент  фазы определяется через временной сдвиг по фазе Т21 между напряжениями на выходе  и  входе по формуле .

           9.4.4 Измерить начальные фазы напряжений можно с помощью осциллографа (см. рисунок 10.3). Для измерения начальной фазы напряжения канал А осциллографа подключают к точке 1 (красят этот провод в красный цвет). Для измерения начальной фазы напряжения u2 (t) на выходе канал В осциллографа подключают к точке 2 (красят этот провод в синий цвет). Выставив курсор 1 на ноль напряжения на входе , а курсор 2 на ноль тока напряжения на выходе u2 (t),  можно измерить временной сдвиг между напряжениями u2 (t) и  непосредственно по табло Т2-Т1.

    

                                                            Рисунок 9.3

10 Порядок выполнения и оформления лабораторных работ по дисциплине «Теория электрических цепей 1»

 

10.1 Предварительная подготовка и допуск к работе

10.1.1 Прежде, чем приступить к очередным занятиям, студент должен ознакомиться с содержанием лабораторной работы, изучить теоретический материал по соответствующей теме.

10.1.2 Результаты подготовки должны быть отражены в отчёте выполняемой работы, который должен содержать:

а) рабочие схемы;

б) письменные ответы на вопросы по части Подготовка к работе;

в) таблицы для записи результатов измерений;

г) предварительные расчеты.

10.1.3 В начале занятия студент должен:

а) защитить полностью оформленную предыдущую работу;

б) получить допуск к следующей работе, имея индивидуальный отчёт.

Во время занятия студент должен выполнить работу (собрать схемы, проделать необходимые измерения и записать результаты в заранее  подготовленные таблицы).

         10.1.4 Готовность студентов к выполнению работы проверяет преподаватель, задавая контрольные вопросы по теории, порядку выполнения данной работы, действию схем, применяемым формулам и ожидаемым результатам. Вопросы могут быть заданы в устной и письменной форме.

10.1.5 Студенты, не выполнившие требования третьего пункта, а также те студенты, теоретическая подготовка которых признана неудовлетворительной, к работе не допускаются.

         10.1.6 Студенты, не допущенные к работе, должны использовать оставшееся время для изучения теории, а также для оформления и защиты сделанных ранее работ.

         10.1.7 Работы, не выполненные в срок, студенты проделывают в отведенное для отработки время. Для этого студент должен предварительно записаться у преподавателя. Допуск к работе студент получает на общих основаниях.

 

         10.2 Работа в лаборатории

 

         10.2.1 Для работы в лаборатории преподаватель разбивает группу на бригады (2-3 студента) или поручает студенту работать индивидуально. Члены бригады проделывают экспериментальную часть работы вместе, но каждый оформляет свой отчёт и отчитывается о проделанной работе самостоятельно.

         10.2.2 Каждая бригада работает на отдельном рабочем месте, где размещено все необходимое для работы оборудование.

         10.2.3 До начала работы студенты производят наружный осмотр используемой аппаратуры и оборудования. О замеченных дефектах следует немедленно сообщить преподавателю.

         10.2.4 За ущерб, причинённый лаборатории вследствие несоблюдения правил проведения работ или техники безопасности, а также неправильного обращения с аппаратурой, члены бригады несут ответственность.

         10.2.5 Схему для проведения работ студенты собирают самостоятельно. Измерительные приборы, вспомогательные и регулирующие устройства следует располагать так, чтобы схема получилась простой, наглядной, легко доступной в каждой точке.

         10.2.6 В начале эксперимента реостаты и другие регулируемые устройства должны быть отрегулированы так, чтобы в цепи были минимальные значения токов и напряжений, измерительные приборы должны быть переключены на максимальный диапазон. После приблизительного определения измеряемой величины следует  переключить прибор на удобный для измерения диапазон.

         10.2.7 Схема обязательно проверяется преподавателем, и только с его разрешения цепь может быть включена  под напряжение. Схема должна находиться под напряжением только во время наблюдений за её работой и при снятии экспериментальных данных. По окончании эксперимента напряжение должно быть немедленно отключено.

         10.2.8 Необходимые показания измерительных приборов заносятся  в таблицы, подготовленного дома отчёта. По окончании измерений, результаты следует показать преподавателю, который даёт разрешение на разбор схемы. До получения разрешения, схему разбирать запрещено, чтобы в случае необходимости была возможность проделать дополнительные или повторные измерения.

 

         10.3 Оформление протокола и защита лабораторных работ

 

         10.3.1 Студент должен представить полностью оформленный к защите отчёт каждой проделанной работы.

         10.3.2 Оформленный отчёт предыдущей работы должен быть представлен в начале следующего занятия и защищён во время занятия.

          10.3.3 Отчёт должен содержать титульный лист (см. приложение А) и  следующие разделы:

         - цель работы;

         - основные теоретические положения и ответы на вопросы подготовки;

         - схемы исследуемых цепей;

         -расчётные формулы, вычисления, предполагаемые графики исследуемых электрических величин и режимов цепи;

         -результаты исследования (таблицы, графики, числовые значения параметров и электрических величин);

         - выводы по работе.

Отчёты оформляются на листах белой или линованной бумаги формата А4, которые заполняются с одной стороны. В тексте, написанном чётко и аккуратно пастой одного цвета, допускается применение только общепринятых обозначений или сокращений, расшифрованных при первом упоминании.

        

Приложение А

 

НЕКОММЕРЧЕСКОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

КАФЕДРА ТОЭ

 

 

                                    (наименование дисциплины)

 

ОТЧЁТ по  лабораторной работе №

 

(наименование лабораторной  работы)

 

 

 

 

 

                                                    Работа выполнена_________________________

                                                                                         (дата выполнения)

                     

                                        Студент________________________________

                                                                            (фамилия и инициалы)

                            

                                                   Группа___________________________________

                                                                                   (шифр группы)

 

 

                                                  Совместно со студентами___________________

 

 

                                                  Отчёт принят_____________________________

                                                                                   (дата принятия отчёта)

 

                         Алматы 201…

 

 

                               Список литературы

 

1. Бакалов В.П., Дмитриков В.Ф., Крук Б.И. Основы теории цепей.- М.: Радио и связь, 2000.-592 с.

 2. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей.-  М.: Энергоатомиздат, 1989.–528 с.

 3. Демирчян К.С., Нейман Л.Р., Коровкин Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. – т.1. – Санкт-Петербург: Питер, 2003.-463 с.

 4. Демирчян  К.С., Нейман Л.Р., Коровкин  Н.В., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. – т.2. – Санкт- Петербург: Питер, 2003.-576 с.

  5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. – М.: Гардарики, 1999. – 638 с.

  6. Шебес М.Р., Каблукова М.В. Задачник по теории линейных электрических цепей. - М.: Высш. шк., 1990.- 544 с.

  7. Карлащук В.И. Электронная лаборатория на IВМ РС. Программа Electronics Workbench и её применение.-М.: Солон-Р, 1999.-506 с.

   8. Жолдыбаева З.И., Зуслина Е.Х., Коровченко Т.И. Теория электрических цепей 2. Конспект лекций. – Алматы: АИЭС, 2006.- 52 с.

   9. Жолдыбаева З.И.,Зуслина Е.Х. Теория электрических цепей 1. Примеры расчета установившихся процессов в линейных электрических цепях. Учебное пособие. – Алматы: АИЭС, 2009.- 93 с   

 

Содержание

 Введение                                                                                                            3

1. Лабораторная работа № 1. Исследование линейной электрической

цепи  постоянного тока                                                                                      5

2. Лабораторная работа № 2. Исследование  разветвленной

линейной электрической цепи постоянного тока                                              8

3. Лабораторная работа № 3. Исследование неразветвленной

электрической цепи однофазного синусоидального тока                                   10

4.  Лабораторная работа № 4. Исследование разветвленной электрической

цепи однофазного синусоидального тока                                                              15

5. Лабораторная работа № 5. Резонанс напряжений                                            18

6. Лабораторная работа № 6. Резонанс токов                                                   21

7. Лабораторная работа №7. Исследование входных и передаточных

частотных характеристик электрической цепи с помощью

компьютерного моделирования                                                                            24

8. Лабораторная работа № 8. Исследование пассивных

четырехполюсников                                                                                                29

9. Лабораторная работа № 9. Исследование пассивных фильтров

типа «К» с помощью компьютерного моделирования                                       35

10. Порядок выполнения и оформления лабораторных работ                      

 по дисциплине «Теория электрических цепей 1»                                               40

 Список литературы                                                                                                43

 

Сводный план 2012г., поз. 33