Лабораторная работа № 3
Исследование разветвленной электрической цепи
однофазного синусоидального тока

1. Цель работы

Ознакомиться с особенностью применения первого закона Кирхгофа при расчете цепей переменного тока. Проанализировать явления, происходящие при параллельном соединении активных и реактивных элементов. Исследовать влияние емкости на коэффициент мощности 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 параллельного 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. Для контроля потребляемого тока, в цепь каждого элемента включен индивидуальный амперметр. Идеальных источников электрической энергии не бывает. Поэтому на схеме показано внутреннее сопротивление источника rВН. Для упрощения интерпретации результатов экспериментов его нельзя принять равным нулю по причине нарушения законов коммутации (подключение идеального емкостного элемента к источнику ЭДС вызывает появление бесконечно большого тока, а решатель математического ядра перегружается). Сценарии предлагаемых к изучению опытов предполагают техническое повреждение элементов цепи (перегорание и резкое увеличение сопротивлений резистора, катушки или конденсатора). При этом соответствующий элемент как будто-бы исключается из цепи и фактическое его наличие в схеме можно не принимать во внимание. Запрограммировать подобные ситуации можно выполнением изменений в чертеже модели (удаляя элементы).

3. Расчетное задание

3.1. Используя исходные данные, приведенные в табл. 1, рассчитать электрическое состояние отдельных ветвей и всей схемы, состоящей из соединенных параллельно: резистора — R; катушки — LК, RК; и конденсатора — C (см. рис. ниже). Частота напряжения сети 50 Гц. Результаты расчетов занести в одноименную секцию таблицы 2.

3.2. По результатам расчетов построить в масштабе векторную диаграмму токов и напряжений, многоугольник мощностей. Масштабы для всех отображаемых физических величин должны быть указаны.

Таблица 1
Вариант 1 2 3 4 5 6
U, [В] 28 26 24 22 20 18
R, [Ом] 80 50 60 30 40 60
C, [мкФ] 50 80 60 70 130 140
Катушка RК = 5 Ом, LК = 0,1Гн

Таблица 2
Включено Расчет Эксперимент
R XC ZК R, ZК, XC R XC ZК R, ZК, XC
Измерено
U, [В]                
I, [А]                
P, [Вт]                
IR, [А]                
IC, [А]                
IК, [А]                
Вычислено
Q, [ВАр]                
S, [ВА]                
cos φ                
φ, [град]                
IА, [А]                
IР, [А]                

Учебная схема электрическая принципиальная для изучения параллельного включения реактивных элементов

4. Экспериментальная часть

4.1. Исследование отдельных ветвей и параллельной цепи в целом, состоящей из резистора, конденсатора и катушки.

Выполняя эксперименты, следует заполнить секцию "Измерено" таблицы 2. Каждая из четырех колонок секции должна быть заполнена для соответствующего элемента или всей схемы (не нужные в текущем эксперименте элементы следует самостоятельно удалить из чертежа). ЭДС регулируемого источника устанавливается в соответствии с вариантом, см. табл. 1. Восстанавливать чертеж для следующего эксперимента рекомендуется обновлением HTML-документа (командой меню браузера).

4.2. Исследование влияния емкости, включенной параллельно индуктивной катушке на потребляемые из сети ток, активную, реактивную и полную мощность, на коэффициент мощности цепи.

Выполняя эксперименты, следует заполнить секцию "Измерено" таблицы 3. Каждая из четырех строчек секции заполняется для той же схемы, но при изменении параметра конденсатора (его емкости). Активное сопротивление необходимо удалить из чертежа модели. ЭДС регулируемого источника и начальная емкость конденсатора устанавливаются в соответствии с вариантом, см. табл. 1.

Таблица 3
Включено Измерено Вычислено
U, В P, Вт I, А IК, А IC, А S, ВА Q, ВАр cos φ φ, град IА, А IР, А
ZК                      
ZК, XC - 20 мкФ                      
ZК, XC                      
ZК, XC + 20 мкФ                      

5. Обработка результатов эксперимента

5.1. По экспериментальным данным п.4.1, табл. 2, секция "Измерено" уточнить режимы энергопотребления цепей и заполнить секцию "Вычислено" той же таблицы. Построить в масштабе векторные диаграммы токов и напряжения для отдельных ветвей и всей цепи.

5.2. По экспериментальным данным п.4.2, табл. 3, секция "Измерено" уточнить режимы энергопотребления цепи и заполнить секцию "Вычислено" той же таблицы. Построить в одном масштабе векторные диаграммы токов и напряжения для каждого опыта (эти векторные диаграммы можно наложить друг на друга для выявления изменений).

5.3. 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 первого закона Кирхгофа при расчете цепей переменного тока?

6.2. С какой целью и как повышают коэффициент мощности?

6.3. Как, используя лишь один амперметр, можно определить количество секций конденсаторной батареи, которые нужно подключить к установке с активно-индуктивным характером потребления энергии для коррекции коэффициента мощности?

19.02.2014