Uploaded by evgesha_fedorenko

СПБГЭТУ "ЛЭТИ". ТОЭ ЛР3 Отчёт. 2023

advertisement
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования «Санкт-Петербургский государственный
электротехнический университет «ЛЭТИ»
им. В.И. Ульянова (Ленина)»
кафедра ТОЭ
ОТЧЕТ
по лабораторной работе № 3
по дисциплине «Теоретические основы электротехники»
Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
Выполнила : Вершова М.Е.
Преподаватель: Яшкардин Р.В.
Санкт-Петербург
2023
Работа № 3
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЯХ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Изучение связи между видом свободного процесса в электрической цепи и
расположением собственных частот (корней характеристического уравнения)
на комплексной плоскости; приближенная оценка собственных частот и
добротности RLC – контура по осциллограммам.
ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ
Цепи возбуждаются короткими импульсами тока i(t)= 0, заряжающими
конденсатор C. В паузах между импульсами конденсатор разряжается; цепь
находится в свободном режиме, так как в это время источник возбуждения
отключен i0  0 . Напряжения на элементах цепи осциллографируются.
Поведение линейных цепей описывается линейными дифференциальными
уравнениями; при этом вид свободного процесса определяется корнями pk
характеристического уравнения (собственными частотами цепи).
1. Исследование свободных процессов в цепи первого порядка.
Y (p  pC  1/R
Собрать схему, показанную на Рис. 1, (C = 0,02 мкФ, R =
5 кОм). Снять осциллограмму напряжения на
конденсаторе, зафиксировав на ней полный полупериод
повторения сигналов Tc/2 = 0,6мс , kр = 0,1мс/дел
По осциллограмме постоянная затухания вычисляется:
2. Исследование свободных процессов в цепи второго порядка.
Собрать схему, показанную на Рис. 2, (C = 0,02
мкФ, L = 25 мГн). Снять, осциллограмму напряжения
на резисторе при значениях R1 = 0,5 кОм
(колебательный режим) и R1= 3 кОм (апериодический
режим). Затем найдите такое значение R1= R1кр. В
заключение установите R1=0 и снимите осциллограмму
напряжения на конденсаторе.
Y(p) = pC + 1/ (pL + R1), откуда
a) Апериодический процесс
A1= -A2 и 1   2
В случае простых вещественных
собственных частот, свободный процесс
описывается суммой двух экспонент:
b) Колебательный процесс
В случае комплексно-сопряженных
собственных частот свободный процесс
описывается выражением:
Где
– частота затухающих
колебаний.
Постоянная затухания также может быть определена по формуле ,
Но при этом обязательно выполнение условия
c)
.
Критический процесс (предельный апериодический)
В случае вещественных
кратных собственных частот
свободный процесс описывается
выражением
A1 = 0
По осциллограммам, снятым при R1 = 0,5кОм и R1= R1кр, определите
собственные частоты цепи.
При условии u(0+) = 0,
Найдите также добротность контура при R1= 0 и R1 = 0,5кОм, согласно
формуле:
- частота незатухающих колебаний в идеальном контуре (R=R1=0)
3.Исследование свободных процессов в цепи третьего порядка.
Соберите схему, показанную на рис. 3
C = 0,02 мкФ, R = 5 кОм, R1 =1 кОм, L = 25 мГн
Снимите осциллограмму напряжения на входе
цепи.
4. Добротность:
Cобственные частоты последовательного RLC контура можно записать
следующим образом:
Формула, позволяющая определить добротность по осциллограмме
колебательного процесса при Q>10 имеет вид :
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Генератор импульсов, расположенный на лабораторной плате, подключить к
генератору синусоидальных сигналов (ГС). Установить на выходе ГС
напряжение U = 7 – 10 В, частоту fc = 2 кГц (аналогичной будет частота
импульсов, возбуждающих свободные колебания в исследуемых цепях).
Исследование свободных процессов в цепи первого порядка:
C = 0,02 мкФ, R = 5 кОм. Tc/2 = 0,6мс, kр = 0,1мс/дел
При возбуждении цепи источником тока собственные
частоты можно рассчитать как нули входной проводимости
цепи Y (p , т. е. как корни уравнения Y p   0.
Осциллограмма напряжения на конденсаторе
Ответы на вопросы про исследование цепи первого порядка:
1. Аналитически осциллографируемый процесс выражается затухающей
экспонентой :
u(t) = Ae10000t
2. Расчёт собственной частоты:
= ln(0,5/0,1) / (0,16-(-0,01)*10-3с = 9 965 Гц
p1 = - 9 965 Гц - собственная частота цепи найденная по осциллограмме.
p1=   1/ RC 
p1= -1/(5000*2*10-8) =-10000 Гц – собственная частота цепи рассчитанная
теоретически.
Найденная собственная частота соответствует теоретической с
некоторой погрешностью.
Исследование свободных процессов в цепи второго порядка.
C = 0,02 мкФ, L = 25 мГн.
Колебательный режим:
Осциллограмма напряжения на резисторе
при значениях: R1 = 0,5 кОм, kU = 0,1 В/дел,
kр = 50 мкс/дел
T= 130мкс
При выполнении условия
:
= ln(0,08/0,02) / 0,13*10-3с = 10 660 Гц
 = 2п/ 130мкс= 48332Гц – частота затухающих колебаний
p1,2 = - 10 660  j 48332 Гц - собственная частота цепи найденная
по осциллограмме.
= 2,266 – добротность цепи.
Апериодический режим:
Осциллограмма напряжения на резисторе
при значениях R1 = 3 кОм
kU = 0,1 В/дел, kр = 50 мкс/дел
Критический режим:
C = 0,02 мкФ, R = 1,5 кОм. kU = 0,1 В/дел,
kр = 50 мкс/дел, tm = 33 мкс
При условии u(0+) = 0,
= - 30 000Гц
Свободные колебания:
Осциллограмма напряжения на конденсаторе
при значениях:
C = 0,02 мкФ, R = 0 кОм. kU = 0,1 В/дел, kр = 50
мкс/дел, L = 25 мГн, Т=130мкс
При выполнении условия
:
= ln(0,38/0,34) / 0,13*10-3с = 856 Гц
 = 2п/ 130мкс = 48332Гц – частота затухающих колебаний цепи
p1,2 = - 856  j 48332 Гц - собственная частота цепи найденная по
осциллограмме.
Добротность:
= 2,800
Значит колебания затухают быстро.
= 1414 Гц - частота незатухающих колебаний в
идеальном контуре (R=R1=0)
Ответы на вопросы про исследование цепи второго порядка:
3. Аналитические выражения в общем виде для разных режимов цепи
цепи второго порядка:
 Критический режим –
,
 Колебательный режим где w =

– частота затухающих колебаний.
Апериодический режим -
4. Теоретические значения собственных частот вычисляются по формуле:
C = 0,02 мкФ, L = 25 мГн
Расчёт:
При R1= 0,5 кОм – колебательный режим
=0,5 кОм/2*0,025Гн = 10 000Гц
= 1/(0,025 Гн * 20 *10-9Ф)-2 = 44721Гц
= - 10кГц  (100 – 2000)-2 кГц = -10000  43599j
При R1= 1,5 кОм – Критический режим
=1,5 кОм/2*0,025Гн = 30 000Гц
p1,2 = - 30 000
При R1= 0 кОм 0 – режим незатухающих колебаний
=0
p1,2= 0  j w0 = 0  44721j (Гц)
Сравнение результатов:
Значение
При R1= 0,5
При R1= 1,5
кОм, (Гц)
кОм , (Гц)
Теоретическое
Осциллограмма
-10000  43599j - 30 000
-10660  48332j - 30 000
При R1= 0 кОм,
(Гц)
0  44721j
- 856  48332j
Найденные собственные частоты цепей в режимах с нагрузкой
соответствуют теоретическим с некоторой погрешностью.
В режиме без нагрузки несовпадение найденного значения с
теоретическим получено из-за неидеальности компонентов.
5. При R1= 3 кОм теоретические значения собственных частот:
В этом режиме собственные частоты являются простыми
вещественным числами
, теоретически вычисляются
отдельные составляющие процесса.
Но для нахождения собственных частот в данной цепи применим
общую формулу, вытекающую из её характеристического уравнения:
= 3кОм / 2 * 0,025Гн = 60 000Гц
= 1/(0,025 Гн * 20 *10-9Ф)-2 = 44721Гц
= - 60кГц  (3600 – 2000)-2 кГц = -60 000  40 000
p1 = -100 кГц,
р2 = -20кГц.
По отснятой асциллограмме невозможно определить значения
постоянных интегрирования и двух временных постоянных в его
аналитическом выражении с определённой точностью.
Однако по виду графика, приближённому к графику цепи первого
порядка, можно предположить, что одно слагаемое в описывающем его
выражении пренебрежимо мало и не влияет на вид данного участка
графика.
При подборе неизвестных значений с помощью графического
приложения можно получить кривую совпадающую с отснятым
графиком и с совпадающими с теоретическими значениями для
, где p1 = -100 кГц и р2 = -20кГц.
6. Теоретические значения добротности цепи:
При R1= 0,5 кОм – колебательный режим
= 44721 / 2*10000 = 2,236
При R1= 0 кОм – незатухающие колебания
Значения добротности идеального контура в данном режим цепи
должно приравниваться к бесконечности.
Сравнение результатов:
При R1= 0,5
При R1= 0 кОм
кОм
2,236
∞
2,266
2,80
Значение
Теоретическое
Осциллограмма
Найденное значение добротности цепи в режиме с нагрузкой
больше теоретического в пределах погрешности.
В режиме свободных колебаний найденное значение
добротности не бесконечно, в отличии от теоретического и
приближено к колебательному режиму с нагрузкой 0,5 кОм.
Расхождения получены из-за неидеальности компонентов.
Исследование свободных процессов в цепи третьего порядка.
Осциллограмма напряжения на входе цепи:
C = 0,02 мкФ,
R = 5 кОм,
R1 =1 кОм,
L = 25 мГн
kU = 2 В/дел,
kр = 50 мкс/дел
Ответы на вопросы про исследование цепи третьего порядка:
7. Аналитическое выражение для данного вида графика должно быть
суммой периодических и простых экспоненциальных составляющих,
так как график выражает процесс падающего напряжения с
затухающими колебаниями. Например, такое:
-at
+A2e
8. В цепи третьего порядка теоретические значения собственных частот
вычисляются по формуле:
При R= 5 кОм, R1=1кОм:
= -1/(0,02 мкФ* 5кОм)= -10кГц
= ½ * ((5кОм/25мГн) + 10кГц)) = 25кГц
= -25 000  103 * (625 –2,2/0,5)-2
= -25 000  24104
p2= 59104Гц
р3 = 895Гц
По отснятой осциллограмме из-за сложности функции, описывающей
график, сложно оценить, насколько соответствуют теоретические
значения фактическим.
Протокол
Download