Лабораторные работы по электротехнике

Лабораторная работа № 4

Цепь синусоидального тока

1. Назначение работы

В первой части работы исследуется цепь синусоидального тока, в которую входят резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы. Для нее рассчитываются потенциалы характерных точек и строится векторная диаграмма напряжений.

Во второй части работы исследуются зависимости токов при изменении параметра одного из элементов цепи, для чего осуществляется построение круговой диаграммы.

2. Описание установки

  Электрическая цепь, которая исследуется в данной работе (см. рис.1), собирается на макетной панели NI ELVIS и состоит из двух резисторов и конденсатора. Ее выводы  подключаются к встроенному источнику напряжения установки Function Output и к заземлению монтажной панели Ground.

Рис.1

3. Подготовка к работе

1. По известным параметрам цепи рис. 1 (см. Методические указания) вычислить значение тока в цепи и потенциалы точек. Расчет провести для двух случаев. По результатам вычислений простроить векторно-топографическую диаграмму.

2. Для цепи рис.1 построить круговую диаграмму вектора тока при изменении емкостного сопротивления Хс от нуля до бесконечности, полагая, что изменяется частота генератора.

4. Рабочее задание

Построить топографическую диаграмму цепи рис. 1 

Для построения диаграммы необходимо измерить комплексные значения потенциалов характерных точек схемы. Для этого мы подключаем эти точки к аналоговым каналам ввода-вывода DAQ-устройства.

  Для этих целей точки 3 и 0 подключаются к аналоговым каналам ACH0(+) и ACH0(-), 1 и 0 к ACH1(+) и ACH1(-), 2 и 0 к ACH2(+) и ACH2(-), соответственно.

  Измерение сигнала с выбранных нами каналов осуществляется с помощью виртуального прибора, основой которого является функция DAQmx Read, расположенная в палитре DAQmx-Data Acquisition. Частота дискретизации сигнала, измеряемая физическая величина, тип, которым представляются полученные данные, а также указание, с каких каналов производится сбор данных, заданы в предварительно настроенной функции TASK (путь: functions – NI Measurements - TASK). Извлечение информации об амплитудах и фазах напряжений исследуемых узлов анализируемой схемы осуществляется при помощи функции Extract Single Tone Information (путь: Analyze/ Waveform Measurements). Эта информация представляется в виде двух одномерных массивов, которые, в свою очередь, используя функцию Index Array, разбиваем на отдельные элементы и создаем из них при помощи математической функции Polar to Complex комплексные значения напряжений исследуемых узлов схемы относительно земли. Далее после необходимых преобразований получают комплексные значения напряжений на каждом из элементов собранной схемы, а затем посредством функции Complex to Polar представляют их в виде полярных координат  и уже при помощи несложных математических выкладок используют для построения топографических векторных диаграмм, осуществляемых в формульном узле (рис. 2). Результатами этих вычислений являются начальное и конечное положения вектора напряжения данного участка исследуемой схемы на координатной плоскости. Для графического представления результатов мы используем двухкоординатный график XY Graph. Ориентировочный вид топографической диаграммы представлен на рис. 3

Следует отдельно отметить, что при построении векторной диаграммы фазу напряжения на генераторе мы принимаем за ноль и уже все остальные векторы напряжений строим с учетом этого. Такой подход позволяет нам установить однозначные фазовые соотношения между несколькими синусоидальными напряжениями, полученными экспериментально.

Рис. 2

 

Рис. 3

2. Повторить опыт при замене резистора R2 на катушку индуктивности L=15mГн (рис. 4).

 Рис. 4

Построить круговую диаграмму тока в цепи рис. 4 при изменении реактивного сопротивления.

На макетной панели лабораторного комплекса собирается пассивный двухполюсник (см. рис.4), выводы которого подключены к встроенному источнику напряжения установки Function Output и к заземлению монтажной панели Ground. Изменяя частоту генератора в широком диапазоне (10-500 Гц), поводят измерения питающего напряжения и напряжения на измерительном резисторе, наблюдая при этом за изменением характера тока в двухполюснике. Приблизительный вид годографа тока изображен на рис. 5.

Рис. 5

 

  Принцип построения годографа тот же, что и при построении топографической диаграммы в п. 1.

Методические указания

1. Опыт по п.1 рекомендуется проводить на частоте f=50-100 Гц, при

, R1=100 Ом, R2=270 Ом, L = 15mГн, C = 10 mkФ, Ug=1,5 B .ния, измерительном резисторе и й характер, то с ростом частоты т регулируемого источника питания, следить за поведением вектора.ю../.

 2. Опыт по п.2 рекомендуется проводить на частоте f=10-500 Гц, при

Rи=100 Ом, C = 10 mkФ, Ug=1,5 B.

 3. Для регулирования максимального значения выходного сигнала встроенного источника питания, а также его частоты, используют ручки “Amplitude”, “Coarse Frequency” и “Fine Frequency” (“Амплитуда”, “Ступенчатое регулирование частоты”, “Плавное регулирование частоты”), расположенные на передней панели NI ELVIS «FUNCTON GENERATOR».

6. Вопросы для самопроверки

1. Какую диаграмму называют векторной?

2. Какую диаграмму называют топографической?

3. Какую функцию времени изображает комплекс тока, напряжения или потенциала?

4. Какое соотношение начальных фаз комплексов напря­жения и тока резистора, индуктивной катушки и конденса­тора?

5. Что нужно добавить относительно положительных на­правлений напряжения и тока 'при ответе на вопрос 4?

6. Зависят ли и как сопротивления резистора, катушки и конденсатора от частоты?

7. Объясните построение топографической диаграммы, выделив необходимые этапы.

8. Потенциал какой точки на элементе  называют боль­шим?

9. Для какой цели удобно использовать понятие больший потенциал?

10. Какой смысл вкладывается в понятие больший по­тенциал?

11. Из каких соображений выбирается точка нулевого по­тенциала?

12. Что такое потенциал?

13. Где начинается и где заканчивается вектор потенциа­ла какой-либо точки цепи?

14. Если пассивный двухполюсник имеет rL характер при произвольном соотношении резистивного и индуктивного сопротивлений, то какое значение может принимать разность фаз между напряжением и током?

15. Тот же вопрос (п. 14), но для ветви, имеющей rC ха­рактер.

16. Чем обосновано требование поддержания постоянным по величине напряжения источника при экспериментальном исследовании линейных и круговых диаграмм токов (ответ дать на основе анализа уравнения (7))?

17. Ветвь содержит резистор и реактивный элемент, сое­диненные последовательно. Величина сопротивления одного из них изменяется. Как определить ток , который является диаметром рабочей полуокружности?

18. Что является основой для выбора положения рабочей полуокружности относительно тока ?

19. Сформулируйте порядок построения круговой диа­граммы для тока ветви, описанной в п. 17.

20. Какими способами можно изменять сопротивление реактивных элементов?

21. Чему равен вписанный угол, опирающийся на диа­метр?

22. Как экспериментально измерить модуль тока?

23. Каким прибором  измеряется аргумент вектора тока?

24. При построении на топографической диаграмме потенциалов точек, измеренных экспериментально, от какого вектора отсчитывается аргумент вектора потенциала точек цепи?

25. Дайте определение резонанса для пассивного двух­полюсника.

Лабораторные работы по электротехнике и физике