3 Лабораторная работа № 3. Исследование параллельной цепи однофазного переменного тока

Тема: однофазные электрические цепи.

Цель работы:

1. Исследовать явления, происходящие в параллельной, содержащей R, L, C цепи переменного тока, при параллельном соединении сопротивлений.

2. Исследовать явление резонанса токов.

Краткие теоретические сведения

В отличие от последовательных цепей переменного тока с R, L, C, где ток, протекающий во всех элементах цепи, одинаков, в параллельных цепях одинаковым будет приложенное напряжение (рис. 3.1).

Для цепи с параллельным соединением рис. 3.1:

,

где - - суммарный ток цепи (ток в неразветвленной части);

- - токи в отдельных ветвях.

Д ля параллельных цепей закон Ома удобнее представлять через проводимости

Сдвиг по фазе между напряжением U и током I можно определить из формулы

где y - полная проводимость цепи, измеряемая в сименсах (1/ Ом);

- эквивалентная активная проводимость цепи;

, , g₃ - активные проводимости отдельных параллельных ветвей;

- эквивалентная реактивная проводимость цепи;

- реактивная проводимость цепи с индуктивной нагрузкой;

- реактивная проводимость цепи с ёмкостной нагрузкой;

Для схемы, изображенной на рис. 3.1: , , g₃ = 0;

, .

В общем случае проводимости на отдельных участках цепи можно определить по формулам: ; ; .

Для цепи рис. 3.1 при > b_С (цепь носит индуктивный характер) ток I_L > I_С. Общий ток I будет отставать от приложенного напряжения U на угол φ. Векторная диаграмма для этого случая представлена на рис. 3.2.

В случае, если b_L < b_С (цепь носит ёмкостной характер) ток I_L < I_С , общий ток I будет опережать приложенное напряжение U на угол φ, рис. 3.3

Величина и знак угла φ зависят от соотношения между реактивными проводимостями b_L, b_С и полной проводимостью y. Меняя b_L или b_С, можно изменять величину и знак угла φ, что имеет большое практическое значение.

На практике чаще всего применяют параллельное подключение конденсаторов к активно - индуктивному потребителю, имеющему низкий . При этом компенсируется реактивная (индуктивная) составляющая тока, угол φ уменьшается, а повышается. Обычно коэффициент мощности на промышленных предприятиях повышают до 0,92 - 0,95.

Режим работы электрической цепи при равенстве индуктивной и емкостной проводимостей, т.е. при b_L = b_С называется резонансом токов.

При резонансе токов эквивалентная реактивная проводимость цепи равна нулю, полная проводимость цепи y и ток I принимают минимальные значения. Эквивалентное сопротивление цепи имеет активный характер, реактивная мощность цепи равна нулю.

Явление резонанса токов может быть получено как при изменении частоты питающего напряжения, так и при изменении частоты колебательного контура, т.е. за счет изменения L или C. На практике чаще всего получают резонанс за счет изменения емкости С.

Таким образом, при изменении ёмкости С можно достигнуть максимального коэффициента мощности

Величина угла сдвига фаз может быть определена из выражения:

.

О писание лабораторной установки

Лабораторная установка (Рис. 3.4) состоит из параллельно включенных активного сопротивления R, катушки Z_К, обладающей активным и индуктивным сопротивлениями и батареи конденсаторов С, позволяющей изменять ёмкость в широких пределах. Электроизмерительные приборы дают возможность измерять напряжение на входе U, общий ток I, ток катушки I₁ ток, потребляемый батареей конденсаторов I₂, мощность цепи Р и коэффициент мощности . В схему включен трансформатор тока ТТ, позволяющий расширять предел измерения ваттметра.

Порядок проведения работы

1. Изучить схему установки.

2. Замкнуть контакт S1 и измерить ток в активном сопротивлении R.

3. Исследовать цепь с активным сопротивлением и катушкой индуктивности. Для этого, не выключая S1, замкнуть S2 и записать показания всех приборов. Данные занести в таблицу 3.1.

4. Исследовать цепь с активным сопротивлением и конденсатором. Для этого выключить S2 и не выключая S1, замкнуть тумблер S3 и записать показания приборов.

5. Исследовать цепь с активным сопротивлением, катушкой индуктивности и конденсатором, для этого включить S1, S2 и S3. Записать показания приборов.

6. Далее последовательно замыкаются S4 – S7 и проводятся измерения всех параметров (вариант указывается преподавателем).

7. Начиная с третьего опыта обращать внимание на изменение общего тока I и .

На схеме (рис. 3.5):

Таблица 3.1 - показания приборов

№п/п	U, В	I, А	I1 , А	I2 , А	P, Вт
1 R
2 RL
3 RC1
4 RLC2
5 RLC3

Таблица должна быть рассчитана на 5 опытов.

Задания для студентов

а) для всех опытов рассчитать: ; ; ; .

б) по данным первого опыта определить активное сопротивление R: .

в) по данным второго опыта определить:

1) полное сопротивление катушки: ;

2) активное сопротивление катушки: , ток IR = I (из первого 1 опыта);

3) реактивное сопротивление катушки: ;

4) индуктивность катушки: (Гн) (ω = 314 рад/сек);

5) реактивную мощность катушки: (Вар).

г) по данным 4 - 5 опытов рассчитать:

1) реактивное сопротивление батареи конденсаторов: ;

2) ёмкость батареи конденсаторов: (мкФ);

3) реактивную мощность батареи конденсаторов: (Вар);

4) полную реактивную мощность цепи: (Вар).

Данные расчетов представить в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Данные расчетов

№п/п	ZК, Ом	RК, Ом	XК, Ом	Xc, Ом	bК, Сим	bc, Сим	B, Сим	Q, Вар

Таблица должна быть рассчитана на 5 опытов.

д) по данным измерений для опытов 2 - 5 построить векторные диаграммы.

е) дать анализ и сделать выводы по результатам работы.

Содержание отчета

1. Тема.

2. Цель работы.

3. Схема установки.

4. Таблицы наблюдений и вычислений.

5. Расчетные формулы и вычисления.

6. Векторные диаграммы.

7. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение параллельного соединения участков электрической цепи.

2. Напишите формулы для определения активной, индуктивной, емкостной и полной проводимостей электрической цепи.

3. Зависит ли реактивная проводимость катушки индуктивности от величины её активного сопротивления?

4. Поясните, изменится ли активная проводимость катушки при изменении

её индуктивности и неизменном активном сопротивлении?

5. Дайте определение резонанса токов в электрической цепи.

6. В какой цепи, и при каких условиях наступает резонанс токов?

7. Чем отличается резонанс токов от резонанса напряжений?

8. Поясните, оказывает ли влияние на потребляемую активную мощность, параллельно включенная в электрическую цепь ёмкость.

9. Объясните способ повышения коэффициента мощности электрической цепи при параллельном включении ёмкости и потребителя с активно – индуктивной нагрузкой.

10. Поясните технико-экономическое значение повышения коэффициента мощности электрической цепи.

Литература: [5].