МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВО Югорский Государственный Университет Институт нефти и газа Лабораторная работа 2 Расчёт цепей переменного тока Вариант 666 По дисциплине: “Электрические и электронные аппараты” Выполнил ст. гр. 2873Б: Хазгалиев А.Р. Проверил доц.: Вершинин И.М. г. Ханты-Мансийск 2020 г. Электроизмерительные приборы Амперметр Амперметр — прибор для измерения силы постоянного и переменного тока в электрической цепи. Так как показания амперметра зависят от величины тока, протекающего через него, то сопротивление амперметра по сравнению с сопротивлением нагрузки должно быть как можно меньшим. Это необходимо для того, чтобы при подключении амперметра сила тока в измеряемой нагрузке не изменялась. По конструкции амперметры подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, термоэлектрические, электродинамические, ферродинамические и выпрямительные. Магнитоэлектрические амперметры (гальванометры, микроамперметры и миллиамперметры) служат для измерения токов малой величины в цепях постоянного тока. Представляет собой проводящую рамку (обычно намотана тонким проводом), закрепленную на оси в магнитном поле постоянного магнита. При отсутствии тока в рамке она удерживается пружиной в некотором нулевом положении. Если же по рамке протекает ток, то рамка отклоняется на угол, пропорциональный силе тока, зависящий от жесткости пружины и индукции магнитного поля. Стрелка, закрепленная на рамке, показывает значение тока в тех единицах, в которых отградуирована шкала гальванометра. От прочих конструкций магнитоэлектрическая система отличается наибольшей линейностью градуировки шкалы прибора (в единицах силы тока или напряжения) и 2 наибольшей чувствительностью (минимальным значением тока полного отклонения стрелки). Амперметр показывает силу тока, протекающего через него! Осциллограф Описание осциллографа. Осциллограф (лат. oscillo — качаюсь и graph – пишу) – контрольно–измерительный прибор для исследования и визуализации электрических сигналов, а также определения их параметров в реальном времени. Осциллограф, позволяет проводить визуальный контроль таких характеристик, как форма, период, амплитуда, полярность или длительность сигнала, а и значительно упростить процедуру настройки электронных устройств. Основная задача осциллографа – построение временной зависимости напряжения сигнала U(t) – осциллограммы. И если первые осциллографы давали только качественную информацию о форме сигнала, то последующие модели дали возможность количественного отображения графической формы на откалиброванных осях, такие как изменение амплитуды сигнала или оценка скорости этих изменений. Следующим этапом развития этого прибора были многоканальные осциллографы, которые позволили проводить временные сравнения и анализ различных типов сигналов. Классификация осциллографов возможна по нескольким параметрам, например, по способу обработки входного сигнала, они делятся на аналоговые и цифровые (обычные и стробоскопические), по количеству лучей – на однолучевые, двулучевые и т.д. (N-лучевой осциллограф имеет N сигнальных входов и может одновременно отображать на экране N графиков). Основная полезная для пользователя информация выводится на дисплей осциллографа, который находится на передней панели вместе с контрольными кнопками, выводами, рычагами. Для удобства использования во всех приборах на дисплеи нанесено разметку в виде градуированной координатной сетки – по горизонтали находится временная шкала X в s (сек), по вертикали шкала напряжения Y в V (В), иногда также говорят о третьей шкале Z, которую привязывают к интенсивности или яркости дисплея С графика на экране пользователь легко может: •Определить значения напряжения и времени сигнала; •Подсчитать частоту колебаний периодического сигнала; •Исследовать сигнал на протекание постоянного или переменного тока; •Судить о наличие шума на фоне сигнала, а также проводить мониторинг изменения во времени этого шума. 3 Кроме дисплея, на передней панели осциллографа находится контрольная панель прибора, которая, как правило, разделена на три секции для управления измерениями: для вертикальной развертки, для горизонтальной развертки, а также для уровня синхронизации. Кроме того, на панели присутствуют элементы управления дисплеем и разъемы двух каналов и канала внешней синхронизации. Современные осциллографы оснащены, как минимум двумя входными каналами, что позволяет одновременно в процессе работы отслеживать изменения двух электрических сигналов или же проводить сравнение исследуемого сигнала с прокалиброванным сигналом. При наличии нескольких каналов, существует также возможность отображения изменения напряжений одного сигнала по отношению к другому. Такие возможности особенно полезны при работе с полупроводниковыми элементами, например диодами, в случае которых можно отобразить зависимость изменения силы тока от напряжения, так званые фигуры Лиссажу. 1.Цель: Ознакомление с методами расчёта электрических цепей гармонического сигнала, измерительными приборами, построением диаграмм и графиков. 2. План выполнения работы: 2.1. Согласно своего варианта изобразить исходную схему, внести дополнения и изменения. Проставить токи, указать контура, узла и т.п. Записать систему уравнений в мгновенной форме. 2.2. Привести развернутую и компактную комплексные схемы замещения. Записать уравнения в комплексной форме для компактной схемы по законам Кирхгофа и МУП (или МКТ). 2.3. Собрать экспериментальную схему, измерить токи в ветвях. Выбрать контур, обозначить точки после каждого элемента этого контура. Подключить двухлучевой осциллограф между двумя точками контура и измерить разность фаз напряжений этих точек. Показания всех приборов сохранить и поместить в отчет. 2.4. Рассчитать токи, баланс мощности, потенциалы точек контура и построить потенциальную диаграмму контура, разность фаз потенциалов точек, к которым подключен осциллограф. Построить лучевую диаграмму токов любого узла, и график i(t) любого тока. Программу поместить в отчет. 2.5. Сделать выводы. 4 Исходная схема: Схема, дополненная согласно варианту: 6 7 1 1 5 2 2 2 3 4 4 3 Рис. 1 – электрическая цепь 5 Примечания к Рис.1: -узлы обозначены цифрами чёрного цвета. -потенциалы обозначены цифрами красного цвета. -между 6 и 7 потенциалом по начальным данным есть R 2 = 0 Ом, на схеме его нет, потому что EWB не позволяет вставить в схему нулевое сопротивление. -цвет соседних ветвей рядом с осциллографом изменить не удалось, когда активируешь цепь, ветви сами меняют цвет (такая версия EWB). 3. Уравнение по законам Кирхгофа: (при составлении опирался на рис.2) I Закон: 1) −I1 + I2 − I5 = 0 2) –I3 − I4 + I5 = 0 3) −I2 + I4 + I6 = 0 II Закон: 1) 𝐼2 Z2 + I4 Z4 + I5 Z5 = −E2 2) I3 Z3 − I4 Z4 = E3 3) I1 Z1 − I3 Z3 − I5 Z5 = −E1 Уравнения по МКТ: (при составлении опирался на рис.2) 𝐽11 (𝑍2 + 𝑍5 + 𝑍4 ) − 𝐽22 (𝑍4 ) − 𝐽33 (𝑍5 ) = −𝐸2 𝐽22 (𝑍4 + 𝑍3 ) − 𝐽11 (𝑍4 ) − 𝐽33 (𝑍3 ) = 𝐸3 𝐽33 (𝑍5 + 𝑍1 + 𝑍3 ) − 𝐽11 (𝑍5 ) − 𝐽22 (𝑍3 ) = −𝐸1 𝐼1 = 𝐽33 𝐼2 = 𝐽11 𝐼3 = 𝐽22 − 𝐽33 𝐼4 = 𝐽11 − 𝐽22 𝐼5 = 𝐽11 − 𝐽33 𝐼6 = 𝐽22 6 Преобразованная схема Рис.2 – преобразованная схема 7 3.1. Осциллограф измеряет потенциалы точек 5(кан.А) и 2(кан.Б) – сверять по рис.1 ∆𝑡 4. Программа на MCAD: 8 15 10 Im( f ) 5 0 5 40 20 0 20 40 Re( f ) 9 1 0.5 i2( t ) 0 0.5 1 0 0.01 0.02 0.03 0.04 t Ëó÷åâàÿ äèàãðàììà òîêîâ äëÿ ïåðâîãî óçëà ( ïðîâåðêà ïåðâîãî çàêîíà Êèðõãîôà) 10 1 I3 I2 0 Im( It ) 1 I1 2 2 1 0 1 2 Re( It ) 5. Вывод: Были рассчитаны токи, баланс мощностей, потенциалы точек контура и построена потенциальная диаграмма контура. Рассчитаны разности фаз потенциалов точек, к которым был подключен осциллограф. Была построена лучевая диаграмма токов 1 узла. Расчеты довольно точно совпадают с экспериментальными данными. Погрешность обусловлена не идеальностью измерительных приборов. Уточнения по поводу подключения осциллографа, по моему варианту из вашей методички, я должен был подключать осциллограф таким образом: 11 Я подключал осциллограф иным образом, потому что в подключаемых ветвях не было R и реактивного элемента, а они должны быть. В методичке написано, что осциллограф подключается в такую ветвь, где есть R и реактивный элемент: 12 А по исходным данным, у меня в левой ветви R2 = 0 Ом, а в правой L1= 0 Гн, Поэтому подключать осциллограф по схеме №6 не имело смысла, потому что осциллограф выдавал вот такие данные: 13 На осциллографе видно, что точки T1 и T2 расположены слишком близко, из-за этого значение ∆T выходит слишком маленькое. 14
