МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

       УЧРЕЖДЕНИЕ  ОБРАЗОВАНИЯ «ГРОДНЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ  ЯНКИ КУПАЛЫ»

       УДК 537

       Физико-технический  факультет

       Кафедра общей физики

       ПАРАДА  ВЕРОНИКА СТАНИСЛАВОВНА

       ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МГНОВЕННОЙ И СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ В ЦЕПЯХ СИНУСОИДАЛЬНОГО И НЕСИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА

       Курсовая  работа

       студентки 4-го курса 1-ой группы дневного отделения

       Научный руководитель:

       доцент кафедры общей физики,

       канд. физ.-мат. наук, Гачко  Г. А..

       ГРОДНО 2010

       РЕФЕРАТ

       Курсовая  работа 23 стр., 13 рис., 2 табл., 4 ист.

       ДЕЙСТВУЮЩИЕ ЗНАЧЕНИЯ СИЛЫ ТОКА И НАПРЯЖЕНИЯ, КОЭФФИЦИЕНТ  ФОРМЫ, МГНОВЕННАЯ МОЩНОСТЬ, НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЙ ТОК, СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ТОК, СРЕДНЯЯ МОЩНОСТЬ.

       Объектом  исследования является мощность переменного тока в электрических цепях.

       Целью работы являлось экспериментальное исследование мгновенной и средней мощности в цепи синусоидального и несинусоидального тока, ознакомление со средством измерения переменного напряжения для дальнейшей модернизации лабораторной работы по физическому практикуму.

       Работа  содержит 4 главы. В первой главе рассматриваются синусоидальные токи, рассчитывается мгновенное и среднее значение мощности для каждого рода нагрузки. Во второй главе описываются расчёт цепей, но уже несинусоидального тока. Третья глава посвящается описанию устройства, по средствам которого непосредственно был и реализован эксперимент. А анализ и расчёт полученных в ходе работы данных был произведён в четвёртой главе.

       В результате экспериментального исследования был сделан вывод о целесообразности применения цифровых приборов для исследования мощности. Также предполагается введение в лабораторный практикум новых заданий по исследованию мгновенных значений в электрических цепях как синусоидального, так и несинусоидального тока. 

       СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ  4

1. СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ТОК 6

       1.1. Активное сопротивление  в цепи переменного  тока 7

       1.2. Конденсатор в  цепи переменного  тока 7

       1.3. Катушка индуктивности  в цепи переменного  тока 8

       1.4. Произвольная линейная  цепь синусоидального тока 9

2. НЕСИНУСОИДАЛЬНЫЕ  ТОКИ 12

3. УСТАНОВКА 16

       3.1. Технические характеристики устройства ввода/вывода 16

       3.2. Программное обеспечение 17

4. ЭКСПЕРИМЕНТ 18

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22

ПЕРЕЧЕНЬ  ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 23

       ВВЕДЕНИЕ

       В настоящее время  почти вся электрическая  энергия вырабатывается в виде энергии  переменного тока. Это объясняется  преимуществом производства и распределения  этой энергии. Переменный ток получают на электростанциях, преобразуя с помощью  генераторов механическую энергию в электрическую. Основное преимущество переменного тока по сравнению с постоянным заключается в возможности производства электроэнергии на крупных электростанциях с последующим экономичным, с минимальными потерями, распределением её потребителям на большие расстояния, тем самым увеличивая радиус электроснабжения. С помощью трансформаторов появилась возможность повышать или понижать напряжение, в трехфазных источниках питания получать сразу два напряжения: линейное и фазное. Кроме того, генераторы и двигатели переменного тока более просты по устройству, надежней в работе и проще в эксплуатации по сравнению с машинами постоянного тока.

       Переменным  током (напряжением, ЭДС и т.д.) называется ток (напряжение, ЭДС  и т.д.), изменяющийся во времени. Токи, значения которых повторяются через равные промежутки времени в одной и той же последовательности, называются периодическими, а наименьший промежуток времени, через который эти повторения наблюдаются, периодом Т. Для периодического тока имеем

        . (1)

       Мгновенное  значение переменной величины есть функция  времени:

       i - мгновенное значение тока ;

       u - мгновенное значение напряжения ;

       p - мгновенное значение мощности .

       Мгновенное  значение - значение сигнала в определённый момент времени, которое является функцией времени ( , , ).

      Из  всех возможных форм периодических токов  наибольшее распространение получил синусоидальный ток. По сравнению с другими видами тока синусоидальный ток имеет то преимущество, что позволяет в общем случае наиболее экономично осуществлять производство, передачу, распределение и использование электрической энергии. Только при использовании синусоидального тока удается сохранить неизменными формы кривых напряжений и токов на всех участках сложной линейной цепи. Теория синусоидального тока является ключом к пониманию теории других цепей.

      На  практике ЭДС и  токи в большей или меньшей степени являются несинусоидальными. Это связано с тем, что реальные генераторы не обеспечивают, строго говоря, синусоидальной формы кривых напряжения, а с другой стороны, наличие нелинейных элементов в цепи обусловливает искажение формы токов даже при синусоидальных ЭДС источников.

На  практике к несинусоидальности напряжений и токов  следует подходить  двояко:

1) в силовой электроэнергетике несинусоидальные токи обусловливают в общем случае дополнительные потери мощности, пульсации момента на валу двигателей, вызывают помехи в линиях связи; поэтому здесь необходимо «всеми силами» поддержание синусоидальных режимов;

2) в цепях автоматики и связи, где несинусоидальные токи и напряжения лежат в основе принципа действия электротехнических устройств, задача наоборот заключается в их усилении и передаче с наименьшими искажениями.

      В общем случае характер изменения величин  может быть периодическим, почти периодическим  и непериодическим. В данной работе будут рассматриваться цепи только с периодическими переменными.

      Периодическими  несинусоидальными  величинами называются переменные, изменяющиеся во времени по периодическому несинусоидальному  закону. Причины возникновения  несинусоидальных напряжений и токов могут  быть обусловлены  или несинусоидальностью источника питания или (и) наличием в цепи хотя бы одного нелинейного элемента. Кроме того, в основе появления несинусоидальных токов могут лежать элементы с периодически изменяющимися параметрами.

       Существующие  лабораторные работы по изучению мощности в основном основаны на цепях синусоидального тока. Но из-за наличия в цепях всевозможных выпрямителей и др. элементов форма токов сильно отличается от синусоидального по форме. Вследствие чего, считаю актуальным изучение мощности в цепях несинусоидального тока. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       1 СИНУСОИДАЛЬНЫЙ ТОК

       Из  всех форм периодических  токов наибольшее распространение  получили синусоидальные токи. Синусоидальные токи позволяют наиболее экономично осуществлять производство, передачу, распределение и  использование электрической энергии.

       В линейной электрической  цепи при действии периодических электромагнитных ЭДС с одинаковым периодом Т спустя достаточно большой промежуток времени от начала действия этих ЭДС устанавливаются во всех участках цепи периодические силы тока и напряжения с тем же периодом Т. Величина является частотой электромагнитной ЭДС, силы тока или напряжения. Частота численно равна числу периодов в единицу времени и измеряется в герцах (Гц).

       Наибольший  интерес представляют периодические напряжения и силы тока, являющиеся синусоидальными функциями времени.

       Поэтому в общем случае сила тока и напряжение в любой момент времени (мгновенное значение силы тока) i и (мгновенное значение напряжения) и определяется формулой:

        , (1.1)

       где a - мгновенное значение силы тока i и мгновенное значение напряжения и,

        - значение  амплитуды силы  тока  или напряжения , т.е. максимальное по модулю,

       ω - циклическая частота,

       φ – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения.

       Так как через промежуток времени, равный периоду  Т, т. е. при увеличении аргумента синуса на , значение силы тока или напряжения повторяется и синус принимает прежнее значение. Но известно, что наименьший период синуса равен . Следовательно, , (1.2)

       откуда  . (1.3)

       Таким образом, величина - это число колебаний, но не за 1 с., а за с. Она называется циклической или круговой частотой.

       Если  напряжение меняется с частотой ω, то сила тока в цепи будет  меняться с той  же частотой. Но колебания  силы тока не обязательно  должны совпадать  по фазе с колебаниями напряжения.

       Так как  , то . (1.4)

       Отношение показывает, какая часть периода прошла от момента начала колебаний. Любому значению времени, выраженному в долях периода, соответствует значение фазы, выраженное в радианах.

       Т.к. синусоидальная функция  имеет себе подобную производную, то во всех частях линейной цепи синусоидального  тока напряжения, токи и индуцируемые ЭДС  также являются синусоидальными. Целесообразность применения синусоидальных токов в технике связана с упрощением электрических устройств и цепей (как и их расчётов). В генераторах переменного тока получают электромагнитную ЭДС, изменяющуюся во времени по закону синуса, и тем самым обеспечивают наиболее выгодный эксплуатационный режим работы электрических установок. Кроме того, синусоидальная форма тока и напряжения позволяет производить точный расчет электрических цепей.

       1.1 Активное сопротивление  в цепи переменного  тока

       Сопротивление R называется активным сопротивлением цепи, так как только им определяются необратимые активные процессы в цепи, в данном случае преобразование электромагнитной энергии в тепловую.

       

       Рисунок 1.1. Цепь переменного  тока с активным сопротивлением

       Мгновенная  мощность в такой  цепи определяется соотношением:

        . (1.1.1)

       Интеграл  по времени за период T от мгновенной мощности, т.е. средняя мощность равна:

        . (1.1.2)

       Среднюю мощность P называют активной мощностью. В цепи в этом случае проходят необратимые активные процессы, т. е. потребление и преобразование электромагнитной энергии в тепловую.