Цепи несинусоидального тока (стр. 2 )

1.1 Собрать цепь по схеме рис.3, не учитывая выделенные пунктиром диод VD3 и резистор R3. Проверить правильность выполненных соединений.

1.2 a) Для синусоидального напряжения, как тестового, установить переключатель формы напряжения генератора в положение . Тумблер SA2 модуля «измеритель фазы» установить в положение I2.

Включить автоматический выключатель QF блока «модуль питания», тумблеры «Сеть» модуля «функциональный генератор» и SA1 блока «модуль измеритель фазы». Регулятором «Частота» установить частоту f =50 Гц. Регулятором «Амплитуда» на табло полиметра П установить величину действующего значения синусоидального напряжения В.

Включить «осциллограф». Добиться устойчивого изображения одного периода колебаний, максимально использующего площадь экрана (см. п.1 Методических указаний).

Записать значение масштаба по времени mt горизонтальной развёртки осциллографа. Определить длительность периода Т и убедиться, что он соответствует частоте f = 50 Гц. Записав масштаб напряжения mU по вертикали, определить um , как амплитуду синусоиды Um. Значение um и показания вольтметров схемы занести в табл.2; сравнить их с расчётными.

b) Для получения u(t) напряжения в виде меандра, перевести переключатель формы напряжения генератора в положение . На табло полиметра П установить величину действующего значения напряжения меандра В. Максимальное значение напряжения um , найденное по осциллограмме, как и в варианте a), показания вольтметров занести в табл.2. Сравнить результаты расчётов и опыта. Показать полученные данные преподавателю.

Выключить автоматический выключатель QF блока «модуль питания», тумблеры «Сеть» модуля «функциональный генератор» и SA1 блока «модуль измерителя фазы».

с) Для получения напряжения u(t) на входе цепи в виде однополупериодного выпрямления, дополнить цепь п. b) диодом VD3 и резистором R3. Проверить правильность выполненных соединений по схеме рис.3. Перевести переключатель «Форма» напряжения генератора в положение .

Восстановить питание цепи. Установить на табло полиметра П величину действующего значения напряжения В.

Максимальное значение напряжения um , найденное по осциллограмме, как и в вариантах a) и b), показания вольтметров занести в табл.2. Показать полученные данные преподавателю.

d) Факультативно; выполнить измерения, подобно в п. с), но при напряжении на выходе генератора в виде меандра . Табл.2 дополнить результатами расчёта и опыта.

Часть 2. Анализ цепи несинусоидального тока в режиме резонанса напряжений

Содержание задания: В электрической цепи рис.4 рассматривается два опыта:

- в Опыте 1 на входе цепи устанавливается синусоидальное напряжение u(t) поочерёдно для трёх частот: вначале на частоте третьей гармоники определяемой из режима резонанса напряжений, двух других – на частоте первой и пятой гармоник. Синусоидальные режимы на этих частотах соответствуют гармоникам несинусоидального напряжения меандра в опыте 2.

- в Опыте 2 на частоте первой гармоники устанавливается заданное действующее значение U напряжения u(t) в виде меандра. Имеет место режим резонанса напряжений на третьей гармонике. При этом определяются действующее значение тока, активная мощность и угол сдвига между током и напряжением эквивалентных синусоид. С экрана осциллографа зарисовываются графики напряжений на элементах цепи.

Выполнение задания:

Опыт 1

2.1 Собрать цепь рис.4. Установить значения параметров элементов указанные на схеме. Проверить, в присутствии преподавателя, выполненные соединения и параметры элементов цепи. Установить переключатель формы напряжения генератора в положение .

2.2 Включить автоматический выключатель QF блока «модуль питания», тумблеры «Сеть» модуля «функциональный генератор» и SA1 блока «модуль измерителя фазы». Регулятором «Амплитуда» установить действующее значения напряжения третьей гармоники U(3) = 2,1 В.

Изменяя частоту генератора в окрестности частоты резонанса на третьей гармонике f(3), вычисленной в п.4 Подготовки к работе, по достижении угла j=0, определить опытное значение этой частоты. Определить опытные значения частот первой и пятой гармоник f (1) и f (5). Найденные значения f (1) , f(3) и f (5) занести в табл.3.

2.3 Установить с помощью вольтметра В7-38 напряжение питания U(3) = 2,1 В, частоту резонанса напряжений f(3) . Занести в табл.3 показания на табло полиметра: действующее значение тока I, мА, активную мощность P, Вт и угол j)o. Измерить синусоидальное напряжение на катушке индуктивности UL, конденсаторе Uс и занести значения их в табл.3

2.4 Установить, подобно п.2.3, напряжение питания U(1) = 6,3 В, частоту f(1), выполнить измерения и занести результаты в табл.3. Далее так же поступить, установив напряжение U(5) = 1,26 В и частоту f(5).

Опыт 2

2.5 Для получения напряжения u(t) на входе цепи в виде меандра, переключить тумблер «Форма» в положении . Установить на табло полиметра П величину действующего значения напряжения U = 7,0 В, частоту f (1). Занести в табл.3 показания I, P, j.o

2.6 Действующие значения несинусоидальных напряжений UL и Uс измерить полиметром.

Для этого, предварительно, выключить питание. Собрать отдельно схему полиметра с выводами, как показано на рис.4. Выход генератора, вместо полиметра, непосредственно подключить к резистору R. Проверить правильность выполненных соединений.

Включить питание. Подключая поочерёдно полиметр, убедиться, что установлено напряжение генератора U = 7,0 В, замерить и занести в табл.3 напряжения UL и Uс.

2.7 Выполнить вычисления по прилагаемым к табл.3 выражениям. В присутствии преподавателя сравнить результаты с данными измерений.

2.8 Зарисовать с экрана осциллографа графики зависимостей u(t) , uR(t) ,

uL(t) и uC(t). Нанести на каждый из графиков точку, соответствующую t = 0. Записать значения u(0) , uR(0) , uL(0) и uC(0); проверить выполнение второго закона Кирхгофа для t = 0. Дополнить графики осями, указав на них масштабы mU , В/см; mt , мс/см.

Показать преподавателю результаты выполненного рабочего задания.

Выключить автоматический выключатель QF блока «модуль питания», тумблеры «Сеть» модуля «функциональный генератор» и SA1 блока «модуль измерителя фазы».

Таблица 3

Напряжение питания	I, мА	UL, В	UC, В	P, Вт	jo
Опыт 1 – синусоидальное напряжение питания
U(1) = 6,3 В; f (1) = Гц
U(3) = 2,1 В; f (3) = Гц
U(5) = 1,26 В; f (5) = Гц
Опыт 2 – напряжение питания в форме меандра
U = 7,0 В; f (1) = Гц

По данным Опыта 1:

ток А;

напряжение В;

напряжение В;

мощность Вт.

Эквивалентные синусоиды

Опыта 2

6. Содержание отчёта

1. Изложить ответы на вопросы подготовки к работе. Привести схемы и таблицы с результатами расчётов и опытов.

2. По данным Опыта 1 записать выражения мгновенных значений входного напряжения, тока и напряжений на катушке индуктивности и конденсаторе с учётом первой, третьей и пятой гармоник.

3. Для одного из вариантов*) зависимостей п.2 i(t), uL(t) или uC(t) построить графики мгновенных значений каждой из гармоник и результирующей.

4. На основе снятых в Опыте 2 осциллограмм, для той же зависимости, что и в п. 3, составить таблицу дискретных значений. Определить, учитывая (5) и рекомендации в Теоретической справке, соответствующее действующее значение I, UL или UC.

Действующее значение и гармонический состав могут быть определены на ПК (см. п.3 Методических указаний)

5. Полученный результат п.4 сравнить с приведенным в табл.3.

*) Вариант определяется номером n, под которым фамилия студента записана в журнале Лабораторного практикума по ТОЭ. Варианты:

i(t) – n кратн. 3; uL(t) – n осталн. чётн. ; uC(t) -n осталн. нечётн.

7. Методические указания

1. Размер изображения на экране определяется масштабом mU, устанавливаемым усилением сигнала по вертикали, и масштабом mt, устанавливаемым развёрткой по горизонтали. Для использования масштабов mU и mt необходимо предварительно плавно (не прилагая особых усилий) повернуть ручки регулятора вертикальной и горизонтальной развертки по ходу часовой стрелки ( после лёгкого щелчка) до упора.

Далее, следует установить переключатель усиления по напряжению (имеющий фиксацию дискретных положений), таким образом, чтобы максимально использовалась площадь экрана по вертикали. Подобным же переключателем настроить горизонтальную развертку осциллографа, чтобы на экране полностью укладывался один период колебаний. Положение рисок на этих переключателях определяет соответственно масштабы mU и mt.

Для достижения устойчивого состояния изображения на экране, необходимо воспользоваться ручкой синхронизации, предварительно установив уровень сигнала синхронизации на максимум.

2. Используемый в работе цифровой вольтметр типа В7-38, в положении кнопки переключения «», предназначен для измерения действующих значений переменного синусоидального напряжения. Показания вольтметра пропорциональны среднему по модулю напряжению без учёта постоянной составляющей . Показания прокалиброваны с учётом Um/ для синусоиды. Если на вход подано несинусоидальное напряжение, то показание вольтметра не равно действующему значению этого напряжения. Пояснить это принципиально важное для практики эксперимента положение можно следующим образом.

Предварительно, следует отметить, что, по принципиальной схеме вольтметра, на его входе включен последовательно разделительный конденсатор, поэтому постоянная составляющая U0 подаваемого несинусоидального напряжения u(t), на показание вольтметра не оказывает влияния.

Показание вольтметра на табло пропорционально , т. е. среднему значению от модуля напряжения, полученного после вычитания постоянной составляющей из поданного напряжения. Это

напряжение равно .

Значение в вольтметре достигается практически путем выпрямления переменной составляющей поданного на вход напряжения.

В результате калибровки, показание вольтметра определяется условием

UV = 1,11

Если на входе вольтметра синусоидальное напряжение с амплитудой Um, для которого U0 =0, а = 2Um/p, то показание равно

UV = 1,11 2Um/p = Um/, т. е. действующему значению.

При несинусоидальном напряжении на входе в виде меандра с максимальным значением um, для которого U0 =0, а = um, показание вольтметра равно