Лабораторные работы по электротехнике

Лабораторная работа №5

Переходные процессы в линейных электрических цепях с последовательным соединением R, L и R, C.

1. Цель работы

Исследование переходных процессов в простейших линейных электрических цепях при включении их под действие источников постоянного напряжения, а также переходных процессов возникающих при замыкании этих цепей.

 2. Краткая теория

Переходный процесс, протекающий при включении R, L - цепи к источнику постоянной ЭДС Е (рис. 1) (ключ K мгновенно переключается из положения 2 в положение 1), описывается линейным, неоднородным дифференциальным уравнением первого порядка, составленным по второму закону Кирхгофа

 , (1)

где  - напряжение самоиндукции, возникающее на катушке индуктивности L  при изменении тока в ней.

 - напряжение на активном сопротивление R.

  

 Рис. 1 Рис. 2

Решением этого дифференциального уравнения является следующая искомая функция, описывающая характер изменения тока во времени

, (1)

где - принужденная составляющая тока (установившееся значение тока после коммутации);

 A – постоянная интегрирования;

  p – корень характеристического уравнения.

Характеристическое уравнение

, откуда

Полагаем, что до коммутации ток в цепи отсутствовал, т.е. при t = 0

 

(2)

Из (1) следует, что , а решения для тока и напряжения на индуктивности принимают вид:

; . (3)

Как видно из выражения для  в момент срабатывания ключа (t = 0) на катушке скачком возникает ЭДС, по величине равная напряжению E. Затем uL(t) постепенно уменьшается до нуля из-за уменьшения скорости нарастания тока.

Графики изменения тока и напряжения на индуктивности приведены  на рис. 2.

Рассмотрим теперь, что происходит в этой цепи в дальнейшем.

При отключении катушки с током от источника E (ключ K мгновенно переключается из положения 1 в положение 2), электрическая цепь принимает вид рис. 3.

 Рис. 3 Рис. 4 

 

Переходный процесс описывается однородным дифференциальным уравнением, причем ток в момент коммутации (см. 3) на основании первого закона коммутации (ток в катушке не может измениться скачком) i(0)=,

, решение которого имеет вид

 , (4)

.

Напряжение на индуктивности

. (5)

Как видно из (4) и (5) ток плавно уменьшается до нуля, а напряжение uL (t) скачком изменяет знак с (+) на (-). Это происходит потому, что ток в катушке не может измениться скачком и после отключения источника продолжает протекать в том же направлении, постепенно уменьшаясь по величине. При этом на катушке возникает напряжение обратной полярности, т.к. производная по току изменила свой знак. Графики изменения  и  приведены на рис. 4.

  Скорость протекания переходного процесса характеризуется постоянной времени цепи  .

Постоянная времени численно равна времени за которое исследуемая функция изменяется в е раз. При экспериментальном исследовании переходных процессов постоянная времени цепи определяется графическим путем. Так как свободная составляющая тока или напряжения описывается 

уравнением , производная в любой точки этой кривой

, следовательно, для определения постоянной

времени в этом случае можно измерить длину подкасательной, соответствующей какому либо значению у (рис 5) и умножить её на масштаб времени.

Рис. 5

 

 Рис. 6 Рис. 7

Рассмотрим процесс заряда конденсатора, т.е. каким образом будет нарастать с течением времени напряжение uC(t) (рис. 6) (ключ K мгновенно переключается из положения 2 в положение 1).

Общее решение для напряжения на емкости при решении задачи классическим методом имеет вид

. (6)

Полагаем, что до коммутации конденсатор не заряжен, т.е. при   напряжение , а при  конденсатор должен зарядиться до напряжения, равного E, после чего ток станет равным нулю. Из (6) следует, что , а решения для тока и напряжения принимают вид

 и  . (7)

 

Графики изменения напряжения и тока в RC - цепи приведены на рис. 7. Они показывают, что напряжение на емкости не устанавливается мгновенно, а плавно изменяется по экспоненциальному закону от нуля до установившейся величины, равной Е; а ток в момент коммутации возрастает скачком до величины  и затем плавно по экспоненциальному закону уменьшается до нуля.

 

 Рис. 8 Рис. 9

Если теперь мгновенно отключить источник E и мгновенно подключить к конденсатору сопротивление R, то начнется процесс разряда конденсатора. К этому моменту времени конденсатор зарядился до напряжения источника E, т.е. началом нового отсчета времени считаем uC(0+) = E. Тогда дифференциальное уравнение имеет вид

  (8)

 

Принужденная составляющая uCпр = 0 и решение уравнения 8 имеет вид uC(t) = Aept. Так как uC(0-) = uC(0+) = E, , , то

 , (9)

Графики изменения  uC (t) и i(t) приведены на рисунке 9.

Включение цепи на прямоугольный импульс

Переходные процессы в большинстве случаев являются однократными и кратковременными. Их непосредственное наблюдение с помощью обычного осциллографа является невозможным. Поэтому для исследования переходных процессов коммутацию делают многократной и периодической, что достигается питанием цепи от импульсного источника, т.е. источника периодических сигналов прямоугольной формы. Такой режим воздействия на электрическую цепь обычно получают при периодическом переключении электронного ключа К из положения 2 в положение 1, а затем наоборот из положения 1 в положение 2.(в цепи рис. 10 а, рис. 10 б). 

в)

 

б)

 

а)

 
  

t1 - длительность импульса

t2 - длительность паузы

 - период сигнала источника

- частота источника

 

Рис. 10. а, б, в. 

 

 Рис. 11 Рис. 12

  

Рис. 13 Рис. 14

Чтобы переходный процесс заканчивался за время подачи импульса, его длительность должна быть t1 > 5τ. Передний фронт импульса соответствует включению цепи на постоянное напряжение (ключ K переключается в положение 1), а задний - уменьшению напряжения источника до нуля (ключ K переключается в положение 2). В исследуемых схемах начальные условия должны быть нулевыми, поэтому длительность паузы должна быть t2 > 5τ. Это обстоятельство позволяет на экране осциллографа или монитора наблюдать реакцию цепи на импульсное воздействие, а также найти установившиеся значения исследуемых кривых до и после коммутации. На рис. 12 и рис. 14 показаны кривые токов и напряжений, которые будут отражать переходные процессы в R, L и R, C цепях.

 Необходимо отметить, что форма напряжений и тока в исследуемых цепях существенно зависит от соотношения между постоянной времени цепи и длительностью импульса.

3. Задание для самостоятельной подготовки

3.1. По конспекту лекций или по учебнику [1] следует ознакомиться с основами расчета переходных процессов в RL и RC – цепях.

3.2. Перечертить в отчет измерительные схемы 1, 3, 6, 7 для исследования i(t), uC (t), uL (t).

3.3. Определить начальные условия и принужденные составляющие величин, указанных в табл. 1, 2, используя законы коммутации и законы Кирхгофа. Рассчитать переходные процессы в исследуемых электрических цепях, используя выражения 3, 4, 5, 7, 9  раздела 2.

При этом следует принять:

E = 0,8 В; L = 50 мГн; R = 500 Ом (для схем 1, 3).

C = 50 нФ;  R = 3 кОм (для схем 6, 8).

Таблица 1

i(0), А

, А

uК(0), В

, В

τ, с

Включение RL-цепи под действие постоянной ЭДС Е (рис. 1)

Расчет

Опыт

Режим отключения катушки от источника (рис. 3)

Расчет

Опыт

Таблица 2

i(0), А

, А

uК (0), В

, В

τ, с

Включение RС-цепи под действие постоянной ЭДС Е (рис. 6)

Расчет

Опыт

Режим разряда конденсатора (рис. 2)

Расчет

Опыт

3.4. По полученным аналитическим выражениям для i(t), uC(t), uК(t) построить графики зависимости данных величин в функции времени.

4. Методические указания по проведению работы

4.1. На лабораторном модуле собрать схему рис. 1, установив значения R = 500 Ом, L = 50 мГн и подключить её к генератору импульсов прямоугольной формы .

4.2. Включить генератор прямоугольных импульсов и подключить его к каналу Х осциллографа (или ПК). Установить частоту следования импульсов 200 Гц (T=5 мс) и напряжение e(t) = (0,5-1,0) В по заданию преподавателя.

 Длительность импульса регулируется резистором «ДЛИТ», а амплитуда – переменным резистором . Отрегулировать настройку развертки и усиления канала Х осциллографа, чтобы на экране помещался один – два периода ЭДС e(t).

4.3. Снять осциллограммы i(t) и uL(t). Для этого канал  осциллографа следует подключить соответственно к элементу R или L .

4.4. Определить по снятым осциллограммам начальные и установившиеся значения исследуемых величин, постоянные времени. Результаты измерений занесите в таблицу 1.

4.5. Изменить значение R, сначала увеличив его (R = 800 Ом), а затем уменьшив (R = 200 Ом) при прочих неизменных параметрах. Изобразить полученные зависимости в  одних осях с соответствующими графиками по п. 4. 3.

4.6. Собрать электрическую цепь по схеме 4, установив R=2 кОм, С=50 нФ.

4.7. Снять осциллограммы тока i(t) и напряжения на ёмкости uC(t).

4.8. Определить по снятым осциллограммам начальные и установившиеся значения исследуемых величин, постоянные времени. Результаты измерений занесите в таблицу 2.

4.9. Изменить значение R, сначала увеличив его (R = 3 кОм), а затем уменьшив (R = 1 кОм) при прочих неизменных параметрах. Изобразить полученные зависимости в одних  осях с соответствующими графиками по п. 4. 7.

5. Контрольные вопросы

5.1. Объяснить причины возникновения переходных процессов.

5.2. Сформулировать законы коммутации.

5.3. В чем суть классического метода расчета переходных процессов?

5.4. Дать определение зависимых начальных условий.

5.5. Как по графикам определить постоянную времени? Каков её физический смысл?

5.6. Как составляется характеристическое уравнение и для чего оно необходимо?

5.7. От чего зависит порядок электрической цепи?

5.8. Записать решение для тока в общем виде для цепи рис.1 и решение для напряжения на емкости для цепи рис. 6 при решении задачи классическим методом.

5.9. Определить длительность переходного процесса для цепи рис. 1, если R = 1 Ом, L = 1 Гн и для цепи рис. 6, если R = 10 кОм, C = 1 мкФ.

Лабораторные работы по электротехнике и физике