Файл: Руководство по выполнению базовых экспериментов эцпет. 001 Рбэ (902) 2006.doc

На рис. 6.9.1а изображена произвольная пассивная цепь синусоидального тока с двумя зажимами для подключения источника питания (пассивный двухполюсник).

В общем случае ток и напряжение на входе этой цепи сдвинуты по фазе на угол :

u=U_msin(t); i=I_msin(t-).
Мгновенная мощность, потребляемая цепью от источника:
p=ui= U_mI_msin(t)sin(t-)=UIcos-UIcos(2t-.
График изменения этой мощности представлен на рис. 6.9.1.б вместе с графиками изменения тока и напряжения. Мощность колеблется с двойной частотой. Большую часть периода она имеет положительное значение, а меньшую – отрицательное. Отрицательное значение мощности свидетельствует о возврате части накопленной в конденсаторах и катушках энергии в питающий цепь источник энергии.

Среднее значение потребляемой мощности:
P=UIcos^R
называется активной мощностью. Она характеризует среднюю скорость преобразования электрической энергии в другие виды энергии. Потребляемая в пассивной цепи активная мощность имеет всегда положительное значение. Она измеряется в ваттах (Вт).

Амплитуда переменной составляющей мощности:
S=UI=I²Z
называется полной мощностью. Она характеризует максимальную мощность, на которую должен быть рассчитан источник для питания данной цепи. Её иногда называют кажущейся, габаритной или аппаратной мощностью. Единицей её измерения является вольт-ампер (ВА)

Рис. 6.9.1.

Величина Q=UIsin²Xназывается реактивной мощностью. Она характеризует максимальную скорость обмена энергии между источником и цепью. Она может быть как положительной (при >0, т.е.в индуктивной цепи), так и отрицательной (при <0, т.е. в ёмкостной цепи). В связи с этим иногда говорят, что индуктивность потребляет «реактивную энергию», а ёмкость вырабатывает её. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр).

В электрической цепи синусоидального тока выполняется баланс как активных, так и реактивных (но не полных!) мощностей, т. е. сумма мощностей всех источников равна сумме мощностей всех потребителей:
P_{ист .}= P_потр.; Q_{ист .}= Q_потр..
Соотношения между различными мощностями в цепи синусоидального тока можно наглядно представить в виде треугольника мощностей (рис. 6.9.2).

Рис.6.9.2

6.9.2. Экспериментальная часть

Задание
Измерьте с помощью виртуальных приборов мощности в цепи синусоидального тока . Расчётом проверьте баланс активных и реактивных мощностей.
Порядок выполнения работы

Измерьте омметром активное сопротивление катушки индуктивности 40мГн:

.

R_к= Ом.

Вычислите реактивные сопротивления катушки L=40 мГн и конденсатора
С=1 мкФ:

X_L=2fL= Ом;
X_C=1/2fC= Ом.

Соберите цепь согласно схеме (рис. 6.9.3), включив в неё виртуальные приборы V1 и A1 и безразлично виртуальные или реальные А2 и А3.
Подайте на схему синусоидальное напряжение 500 Гц и установите максимальную амплитуду, которую может дать генератор.
Активизируйте виртуальные приборы: для измерения напряжения и тока на входе цепи, а также активной и реактивной мощности источника.

Примечание:

Избегайте включать одновременно большое количество виртуальных приборов в основном блоке. Это уменьшает количество отсчётов и снижает точность измерений!

Запишите в табл 6.9.1 значения токов I_RL, I_R, I_C и мощностей Р_ист и Q_ист.

Рис.6.9.3.
Таблица. 6.9.1

Ветвь	R_кL	R	C	Баланс мощностей, мВт, мВАр
I, мА				Баланс мощностей, мВт, мВАр
Р=I²R,мВт			0	Р_ист	P_потр
Q=I²X, мВАр		0		Q_ист	Q_потр

Вычислите по приведённым в табл. формулам значения активной и реактивной мощностей каждого потребителя. Вычислите сумму активных и алгебраическую сумму реактивных мощностей их суммы и проверьте баланс мощностей.

7. Трансформаторы

Введение

Трансформатор состоит из двух или большего числа катушек (обмоток), магнитная связь, между которыми обеспечивается с помощью ферромагнитного сердечника. Трансформаторы используются для преобразования и согласования напряжений, токов и сопротивлений, а также для развязывания электрических цепей (гальваническая развязка).

В идеальном трансформаторе, то есть в трансформаторе без потерь, потребляемая им мощность равна мощности отдаваемой. В реальности, однако, имеют место потери мощности в меди обмоток (в омических сопротивлениях обмоток) и в сердечнике трансформатора, поэтому резистору нагрузки отдается только часть потребляемой трансформатором мощности.

7.1. Коэффициент магнитной связи

7.1.1. Общие сведения

Чтобы обеспечить требуемую магнитную связь между первичной и вторичной обмотками трансформатора, их помещают на общем сердечнике.

Рис. 7.1

Когда по первичной обмотке W₁ протекает ток I₁, то большая часть создаваемого им магнитного потока Ф₀ сцепляется также и с витками вторичной катушки W₂. Однако часть создаваемого первой катушкой потока Ф_S замыкается, минуя вторую катушку. Эта часть потока называется потоком рассеяния.

Отношение
К_СВ = Ф₀ / (Ф₀ + Ф_S)
называется коэффициентом магнитной связи. Его можно выразить через напряжения U₁ и U₂ при холостом ходе и число витков:

или через индуктивности и взаимную индуктивность

.
В идеальном трансформаторе коэффициент связи стремится к единице, однако равным или больше единицы он быть не может.

Во избежание искажения сигналов при их трансформировании и для исключения преждевременного магнитного насыщения материала сердечника постоянным током коэффициент связи уменьшают, разрывая сердечник (создавая воздушный зазор).

7.1.2. Экспериментальная часть

Задание

Измеряя напряжения, определите коэффициент магнитной связи между катушками

при наличии замкнутого сердечника,
при наличии сердечника с зазором,
при наличии половины сердечника,
при отсутствии сердечника.

Порядок выполнения эксперимента

Р
W₁

900

W₂

900

первичная

обмотка
азместите первичную и вторичную катушки, имеющие по 900 витков каждая, на разъемном сердечнике, состоящем из двух половин, как показано на рис. 7.1.1.

вторичная

обмотка

Рис. 7.1.1.

П
одсоедините источник синусоидального напряжения к выводам первичной обмотки согласно схеме (рис.7.1.2) и установите напряжение U₁ = 6…7 В, f = 1 кГц.

Рис. 7.1.2.

Измерьте мультиметром первичное и вторичное напряжения и занесите результат в таблицу 7.1.1 (строка «При наличии замкнутого сердечника»). Вычислите К_СВ.

Таблица 7.1.1

	U₁, В	U₂, В	К_СВ = U₂/U₁
При наличии замкнутого сердечника
При наличии сердечника с воздушным зазором
При наличии половины сердечника
При отсутствии сердечника

Для измерения напряжений при наличии сердечника с зазором поместите квадратики плотной бумаги между верхней и нижней половинами разъемного сердечника, чтобы имитировать воздушный зазор.