Материал: mulp (1)

Теоретические основы электротехники. Часть 1, 2: методические указания к выполнению лабораторных работ

Лабораторная работа № 15. Нелинейный резистивный элемент в цепи с источником гармонического напряжения

Цель работы. Научиться осциллографировать характеристики нелинейных элементов для мгновенных значений и определять по ним форму тока при воздействии гармонического напряжения.

Пояснения к работе

Анализ нелинейных цепей при периодических воздействиях производится с учетом динамических характеристик нелинейных элементов. Если при этом ставится цель определить форму или гармонический состав реакции цепи, то используются характеристики нелинейных элементов для мгновенных значений.

При сравнительно невысоких частотах переменных токов и напряжений динамические характеристики безынерционных нелинейных элементов практически совпадают с их статическими характеристиками.

В данной работе в качестве нелинейного резистивного элемента рассматривается полупроводниковой диод (вентиль) при воздействии гармонического напряжения промышленной частоты. Вольтамперная характеристика диода i (u) для низких частот имеет вид, показанный на рис. 15.1, а.

86

Теоретические основы электротехники. Часть 1, 2: методические указания к выполнению лабораторных работ

Здесь же построена волновая диаграмма воздействующего на диод синусоидального напряжения u(t). Если перенести последовательно ряд точек с этой диаграммы при определенных значениях t на характеристику i(u) и найти по ней соответствующие значения реакции диода – тока i, то легко можно построить и зависимость i(t), которая показана на рис. 15.1, б. Реакция оказывается несинусоидальной, причем спектр ее содержит и постоянную составляющую, и все гармоники.

Схема электрической цепи

Для определения с помощью осциллографа вольтамперной (для мгновенных значений) характеристики последовательного соединения полупроводникового диода D и реостата R, используется электрическая цепь, схема которой показана на рис. 15.2.

Рис. 15.2

Цепь питается от сети переменного тока, напряжение на выходе которой контролируется вольтметром V. Амперметры измеряют среднее и действующее значения тока через резистор.

U и I – показания электромагнитного вольтметра и электродинамического амперметра.

87

Теоретические основы электротехники. Часть 1, 2: методические указания к выполнению лабораторных работ

Для регистрации кривых u(t) и i(t) достаточно открыть диалого-

вое окно Transient Analysis (рис. 11.5) по пути Analysis < Transient

и рассчитать потенциалы узлов 3 и 4. Те же характеристики можно по-

лучить, кликнув на пиктограмму «характеристики» панели инструментов.

ВАХ нелинейного элемента можно получить, изменив режим раз-

вёртки осциллографа, выбрав кнопку , тогда осью абсцисс вольтамперной характеристики окажется ось токов, а осью ординат – ось напряжений.

Подготовка к работе

Проработав теоретический материал, ответить на вопросы.

1.В чем принципиальное отличие динамических характеристик от статических?

2.Как по вольтамперной характеристике последовательно соединенных диода и резистора с сопротивлением R определить характеристику диода?

3.Нарисовать форму кривой тока для цепи в идеальном диоде при синусоидальном напряжении.

4.Что показывают амперметры магнитоэлектрической и электродинамической систем в цепи по рис. 15.2?

Программа работы

1. При заданном напряжении источника U, перерисовать снятые осциллограммы в отчет, расположив их как на рис. 15.1. Построить ВАХ i(u). Убедиться, что с помощью кривой i(u) можно по воздействию u(t) найти реакцию i(t). Сравнить с вольтамперной характеристикой, полученной при помощи осциллографа. При этом амплитуду входного напряжения выбрать в соответствии с вариантом из табл. 15.1.

Таблица 15.1.

2.Показания приборов внести в табл. 15.2.

3.Разложить кривую i( t) в гармонический ряд и построить ее амплитудно-частотный спектр. Для этого воспользоваться командой главного меню Fourier – спектральный анализ Фурье (по пути

88

Теоретические основы электротехники. Часть 1, 2: методические указания к выполнению лабораторных работ

Analysis<Fourier). В открытом диалоговом окне выполнить установки согласно рис. 15.3 и нажать кнопку Simulate. По амплитудночастотному спектру измерить амплитуды пяти результативных гармо-

ник (рис. 15.4, а, б).

4. Вычислить среднее и действующее значения выпрямленного тока и сравнить с показаниями амперметров.

i( t) I0 I1m sin t I2m sin2t I3m sin3t ... ,

I0 – постоянная составляющая (среднее значение),

I I02 I12 I22 I32 ... – действующее значение тока,

где I1 I1m2 ; I2 I22m ; I3 I32m – действующие значения гармоник тока.

5. Проанализировать полученные результаты и сделать выводы по работе.

Рис. 15.4, а

89

Теоретические основы электротехники. Часть 1, 2: методические указания к выполнению лабораторных работ

Рис. 15.4, б

Таблица 15.2

Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Схема электрической цепи.

3.Ответы на вопросы подготовки к работе.

4.Кривые i(u), u(t), i(t) как на рис. 15.1. Результаты Фурье анализа (рис. 15.4). Табл. 15.2. Пример расчёта действующего значение тока.

5.Выводы.

Рекомендуемая литература: [2, с. 50–54] [5, с.48–67], [6, с.502–504], [7, с. 430–432].

90