Переходные процессы в линейных цепях постоянного тока
6.2.1. Цель и краткое содержание работы
Целью работы является изучение переходных процессов при включении на постоянное напряжение неразветвлённых линейных цепей.
Экспериментальное исследование заключается в сборке схемы в соответствии с опытами по программе работы, в снятии осциллограмм токов и напряжений на элементах цепи в переходном режиме.
Расчеты с использованием экспериментальных данных проводятся с целью определения параметров переходных процессов.
Обязательные теоретические сведения, необходимые для выполнения работы, изложены в следующих разделах пособия:
6.1.1. Понятие переходного процесса. Законы коммутации;
6.1.3. Расчет начальных условий и установившегося режима;
6.1.4. Расчет переходного процесса в цепях первого порядка;
6.1.5. Расчет переходного процесса в цепях второго порядка.
При необходимости следует воспользоваться конспектами лекций по соответствующим разделам курса и учебными пособиями.
В настоящей работе студенты на основании опытных данных производят расчеты по программе работы и строят графики токов и напряжений на элементах в переходном режиме в функции времени.
6.2.2. Описание лабораторного стенда
Общий вид панели лабораторного стенда приведен на рис. 6.15.
Рис. 6.15. Панель лабораторного стенда
В данной лабораторной работе используются следующие элементы:
- генератор прямоугольного напряжения (ГПН), подключаемый к исследуемой схеме тумблером S9; переключатель S10 находится в положении 50 Гц;
- сопротивление R17;
- индуктивность L2;
- емкость С1;
- осциллограф (выдается преподавателем).
Величина индуктивности L2 устанавливается переключателем, вид которого представлен на рис. 6.16, в положении 2.
Рис. 6.16. Переключатель для установки величины индуктивности
Общий вид панели батареи емкостей показан на рис. 6.17. С помощью переключателей S17... S26 устанавливается требуемая величина емкости.
Рис. 6.17. Панель батареи конденсаторов
Величина переменного сопротивления R17 изменяется с помощью переключателя на блоке, общий вид которого представлен на рис. 6.18.
Рис. 6.18. Общий вид блока регулирования сопротивления R17
Вид напряжения на выходе ГПН приведен на рис. 6.19.
Рис. 6.19. Напряжение на выходе генератора
Поскольку частота следования импульсов 50 Гц, период Т=0,02 с. Длительность импульса Т1 измеряется в процессе выполнения работы.
6.2.3. Работа с портативным осциллографом HPS-1401
После включения осциллографа кратким нажатием правой верхней кнопки (ПВ) вывести на экран краткое меню. Нужный параметр активизируется кратким нажатием кнопки ПВ. Изменение активированного параметра вверх-вниз производится двумя левыми кнопками. В первой и третьей строчках таблицы дисплея устанавливаются масштабы напряжения и времени. В четвёртой и пятой − вид входной развязки и вид параметра напряжения. Установленные параметры высвечиваются в строке под экраном.
Нажатие кнопки справа внизу (HOLD) удерживает осциллограмму на дисплее. Повторное нажатие снимает удержание.
Для точного определения величин ординат и абсцисс точек на кривых можно использовать маркеры, которые открываются в полном меню длительным нажатием кнопки ПВ.
Для предварительной настройки осциллографа выполнить следующие действия:
1. Включить тумблер S9.
2. Подключить осциллограф к зажимам ГПН и установить на экране следующие величины параметров :
− масштабы напряжения mU=0,5 В/дел и времени mt=5мс/дел;
− вид входной развязки − DC и вид параметра напряжения − Udc.
Убедиться в том, что осциллограмма напряжения на выходе ГПН соответствует по форме и параметрам его изображению на рис.6.19. Снять осциллограмму этого напряжения.
3. Выключить тумблер S9.
6.2.4. Порядок выполнения измерений
1. Исследование переходного процесса в цепи RC
Собрать схему, представленную на рис. 6.20.
Включить тумблер S9.
Рис. 6.20. Схема RС-цепи
Установить ёмкость конденсатора С1 равную 8 мкФ. Устанавливая поочерёдно величину сопротивления резистора R17 равную 200, 500 и 1100 Ом снять осциллограммы напряжения uC1 на конденсаторе С1 и напряжения на сопротивлении R17, которое пропорционально току iC1. Пронумеровать осциллограммы в соответствии с табл. 6.4.
Определить постоянную времени при параметрах С1=8мкФ и R17=200 Ом, изменив масштаб времени на mt=2мс/дел. Для этого по осциллограмме uC определить абсциссу t=τ при напряжении uC1, равном 2/3 от установившегося значения.
Снять аналогичные осциллограммы переходных режимов при сопротивлении R17, равном 200 Ом, и значениях ёмкости С1, равных 2, 4 и 8 мкФ, сохранив масштаб времени mt=2мс/дел. Осциллограммы пронумеровать в соответствии с табл. 6.4.
Выключить тумблер S9.
Характеристики RС-цепи в переходных режимах Таблица 6.4
| № осциллограммы | ||||||||||||
| Вид осциллограммы | uC1 | iC1 | uC1 | iC1 | ||||||||
| С1, мкФ | ||||||||||||
| R17,Ом | ||||||||||||
| τ, мс | ----------------------------------------------------------- |
2. Исследование переходного процесса в цепи RL
Собрать схему, представленную на рис. 6.21.
Включить тумблер S9.
Вернуться к величине масштаба времени mt=5мс/дел.
Величина индуктивности Lк катушки L2 и её активное сопротивление RК заданы в табл. 6.5.
Рис. 6.21. Схема RL-цепи
Характеристики RL-цепи в переходных режимах Таблица 6.5
L= 0,95 Гн; RК = 40 Ом
| № осциллограммы | ||||||
| Вид осциллограммы | iL | uL | ||||
| R17, Ом |
Снять осциллограммы тока iL (напряжения на R17) и напряжения uL на катушке при сопротивлениях R17 равных 1000, 500, 200 Ом. Пронумеровать осциллограммы в соответствии с табл. 6.5.
Выключить тумблер S9.
3. Исследование переходного процесса в цепи RLС
Собрать схему, представленную на рис. 6.22.
Включить тумблер S9.
Установить масштаб времени mt=0,5мс/дел.
Снять и пронумеровать в соответствии с табл. 6.6 осциллограммы напряжения uL на катушке при следующих параметрах:
R17=500 Ом, С1=0,1мкФ;
R17=500 Ом, С1=0,5мкФ, по осциллограмме определить период колебаний Т;
R17=500 Ом, С1=2,0мкФ;
R17=500 Ом, С1=8,0мкФ.
Рис.6.22. Схема RLC-цепи
Характеристики RLС-цепи в переходных режимах Таблица 6.6
| № осциллограммы | ||||
| Вид осциллограммы | uL | |||
| R17, Ом | ||||
| С1, мкФ | 0,1 | 0,5 | 2,0 | 8,0 |
| Период колебаний Т,мкс | _______ | ________ | ________ |
При снятии осциллограмм напряжения uL подключением осциллографа к конденсатору С1 и резистору R17 убедиться в идентичности характера переходного процесса на всех элементах.
Выключить тумблер S9.
6.2.5. Расчетная часть
1. Для переходных режимов в цепи RC
Рассчитать для осциллограммы №1 постоянную времени и сравнить с опытной. Построить кривую напряжения на конденсаторе ёмкостью 8мкФ при подключении его на напряжение U=2В через сопротивление R=200 Ом. Сравнить полученную кривую с осциллограммой №1.
2.Для переходных режимов в цепи RL
Рассчитать по параметрам цепи для осциллограммы №1 постоянную времени τ и построить кривые тока и напряжения на индуктивности при подключении цепи к источнику постоянного напряжения 2 В. Сравнить с осциллограммами №1 и №4.
3.Для переходных режимов в цепи RLC второго порядка
Рассчитать для каждой осциллограммы по формуле (6,35) критическое сопротивление Rкр. Проверить соответствие полученных величин сопротивлений характеру переходного процесса.
Рассчитать по параметрам цепи осциллограммы №2, используя формулу (6,36), период колебаний Т и сравнить его с полученным из опыта.
6.2.6. Содержание отчета
1 Титульный лист.
2. Цель и краткое содержание работы.
3. Схемы испытаний исследуемых цепей.
4 .Таблицы с данными испытаний и расчетов.
5. Произведённые расчёты и построения.
6. Осциллограммы кривых токов и напряжений.
7. Ответы на контрольные вопросы
6.2.7. Контрольные вопросы
1. Что подразумевается под переходным процессом в электрических цепях, и в чём причина его возникновения?
2. Какой вид функции времени описывает переходный процесс в линейных цепях? Какие коэффициенты этой функции необходимо определять для описания конкретного переходного процесса?
3. Что такое законы коммутации, чем они обусловлены, и как их используют для определения начальных условий?
4. Что такое постоянная времени τ в цепи первого порядка, как её измерить на осциллограмме?
5. Чем определяется характер переходного процесса в цепи второго порядка: апериодический или колебательный?
6. Как по параметрам цепи определить приближенно длительность переходного процесса в цепях первого и второго порядка?