Лабораторная работа № 2
Исследование неразветвленной электрической цепи
однофазного синусоидального тока

1. Цель работы

Ознакомиться с особенностью применения II закона Кирхгофа при расчете цепей переменного тока. Проанализировать явления, происходящие при последовательном соединении активных и реактивных элементов. Экспериментально определить параметры электрической цепи.

2. Описание виртуальной лабораторной установки

Данная HTML-страница является виртуальной лабораторной установкой. Чертёж, представленный ниже по тексту – это интерактивная модель электрической цепи. Для изменения параметров модели необходимо воспользоваться контекстным меню. Запуск осуществляется командой Симуляция > Start (F5).

Лабораторная работа связана с изучением последовательного включения в сеть трех реальных электрических элементов: резистора, катушки и конденсатора. Однако, на приведенной ниже схеме, видны четыре элемента. Дополнительное сопротивление RК появилось в связи с тем, что длина провода, из которого изготавливают катушки обычно большая и пренебрегать его активным сопротивлением нельзя. Цепь элементов подключена к регулируемому источнику переменного напряжения через стандартный комплект измерительных приборов PA1, PW1, PV1. Так же, к каждому элементу подключен индивидуальный вольтметр. Идеальных источников электрической энергии не бывает. Поэтому на схеме показано внутреннее сопротивление источника rВН. Для упрощения интерпретации результатов экспериментов его номинал принят равным нулю. Сценарии предлагаемых к изучению опытов предполагают техническое повреждение элементов цепи (короткое замыкание в катушке или между обкладками конденсатора). Запрограммировать подобные ситуации можно выполнением изменений в чертеже модели (удаляя элементы).

3. Расчетное задание

3.1. Используя исходные данные, приведенные в табл. 1, рассчитать схему, состоящую из соединенных последовательно: резистора — R; катушки — LК, RК; и конденсатора — C. Частота напряжения сети 50 Гц. Определить активные, реактивные, полные сопротивления и коэффициенты мощности отдельных участков и всей схемы. Рассчитать ток, напряжения на участках, активные, реактивные и полные мощности. Результаты расчетов занести в табл. 2.

3.2. По результатам расчетов построить в масштабе многоугольники напряжений, сопротивлений и мощностей.

Таблица 1
Вариант 1 2 3 4 5 6
U, [В] 45 25 35 30 45 40
R, [Ом] 70 30 40 20 50 60
C, [мкФ] 60 70 50 60 40 30
Катушка RК = 5 Ом, LК = 0,1Гн

Таблица 2
Элемент
схемы
R, Ом X, Ом Z, Ом cos φ I, А U, В P, Вт Q, ВАр S, ВА
Катушка                  
Резистор   -           -  
Конденсатор -           -    
Вся схема                  

Учебная электрическая цепь переменного тока для ознакомления с векторным суммированием падений напряжения

4. Экспериментальная часть

Выполняя эксперименты, следует заполнить таблицу 3. Каждая из трех строчек таблицы должна быть заполнена для соответствующей схемы (катушку или конденсатор следует самостоятельно удалить из чертежа (вместе с одним из узлов)). ЭДС регулируемого источника устанавливается в соответствии с вариантом, см. табл. 1.

Таблица 3
Схема U, В I, А P, Вт UR, В UК, В UC, В
R, ZК, XC            
R, ZК            
R, XC            

Таблица 4
Вся цепь Мощности участков
Схема P, Вт Q, ВАр S, ВА cos φ PR, Вт PК, Вт QL, ВАр cos φК QC, ВАр
R, ZК, XC                  
R, ZК                 -
R, XC           - - -  

5. Обработка результатов эксперимента

5.1. По результатам измерений (табл. 3) рассчитать для рассмотренных схем активные, реактивные и полные мощности цепи и ее отдельных участков. В расчетах можно опираться только на данные экспериментов. Результаты занести в табл. 4.

5.2. На основании измерений и расчетов для каждой из исследованных схем построить в масштабе векторную диаграмму тока и напряжений.

5.3. Опираясь только на данные экспериментов, для случая последовательного соединения всех трех элементов (R, ZК, XC) рассчитать эквивалентное полное, активное и реактивное сопротивления и начертить схему замещения.

5.4. Идентифицировать физические величины соответствующие приведенным осциллограммам. В рассуждениях рекомендуется опираться на эксперименты. Можно манипулировать коммутацией элементов схемы или их параметрами (точки подключения каналов осциллографа неизменны). Допустимо привлекать теоретические положения.

6. Контрольные вопросы (должны быть отражены в выводах)

6.1. Какова особенность использования II закона Кирхгофа при расчете цепей переменного тока?

6.2. Какие существуют варианты схем замещения пассивных цепей с реактивными элементами, и от чего зависит их выбор?

6.3. Какие три правила используются при построении любых векторных диаграмм?

19.02.2014