Đang tải... (xem toàn văn)
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 3 MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU AC Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Thanh Phương Lớp Nhóm 03 STT Họ và tên MSSV 1 Hà Duy Khang 2010313[.]
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI 3: MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU AC Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Thanh Phương Lớp: STT Nhóm: 03 Họ tên Hà Duy Khang Lý Gia Huy Trần Ngọc Hạ MSSV 2010313 2013301 2011159 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG NĂM 2022 h A MỤC ĐÍCH: Bài thí nghiệm giúp sinh viên thực đặc trung mạch điện trường hợp nguồn tác động lên mạch nguồn điều hòa, hay gọi nguồn xoay chiều AC Q trình thí nghiệm giúp SV hiểu rõ thêm phương pháp biên độ (hay hiệu dụng) phức, cách dựng đồ thị vecto tính tốn cơng suất mạch điều hịa B ĐẶC ĐIỂM: Phân tích mạch xác lập điều hịa thơng qua tính tốn mạch phức Ở mạch phức, trở kháng nhánh Z số phức, tỉ số biên độ phức áp dòng nhánh Luật Ohm dạng phức phát biểu: U˙ =Z I˙ với Z=|Z|< φ I XÁC ĐỊNH |Z| : Là tỉ số trị biên độ hay trị hiệu dụng áp dịng nhánh Trị biên độ đọc nhờ dao động ký trị hiệu dụng đọc nhờ volt kế xoay chiều II XÁC ĐỊNH φ: Có nhiều phương pháp, thí nghiệm đề nghị dùng dao động ký với hai phương pháp bản: a So pha trực tiếp: Đưa hai tín hiệu (cùng GND) vào hai kênh dao động ký Chọn VERT MODE DUAL hay CHOP Chỉnh dao động ký để hiển thị hai tín hiệu Hình Hình 1.3.0.1: Đo pha trực tiếp Dựa vào giá trị nút Time/div ta đọc giá trị ∆t T Góc lệch pha CHB CHA xác định theo: h φ= ( ∆Tt ).360 o Lưu ý: + Theo hình 1.3.0.1, ta thấy ∆t dương tín hiệu cần xác định góc pha xuất trước tín hiệu chuẩn + Dao động ký nhận tín hiệu áp Do cần đưa vào tín hiệu dịng ta thơng qua tín hiệu áp điện trở mang dịng điện b So pha dùng đồ thị Lissajous: Đưa tín hiệu (cùng GND) vào kênh dao động ký Chọn VERT MODE X-Y Chỉnh định nút Volt/div dao động ký để hiển thị Hình 1.3.0.2 Hình 1.3.0.2: So pha dùng đồ thị : Lissaojous Giả sử X(t) = asin(ωt) Y(t) = bsin(ωt + φ) Ta thấy t = X = Y=bsin(φ) = Y0 Do đó: φ = sin−1( Y0 ) b Phương pháp đơn giản hữu hiệu giá trị φ ≤ 45 o Nếu giá trị φ lớn hơn, trị sin(φ) thay đổi chậm độ xác giảm C PHẦN THÍ NGHIỆM: h I GIÁ TRỊ THƠNG SỐ MẠCH THÍ NGHIỆM: Giá trị thơng số mạch thí nghiệm thí nghiệm chọn theo bảng sau Lưu ý giá trị R L = thành phần điện trở mơ hình nối tiếp cuộn dây xác định q trình thí nghiệm: Phần tử Giá trị dùng thí nghiệm C 0.047 μF (473) L 100 mH RL R kΩ R0 kΩ II ĐO TRỞ KHÁNG TỤ ĐIỆN: a) Thực mạch thí nghiệm Hình 1.3.2 Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2V, tần số 2kHz Dùng dao động ký, đo biên độ áp R tụ C Tính Im = U cm U Rm Tính |Zc| = Im R Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ c uc(t) ic(t) (cũng i(t) cách CH2 INV) Điền vào bảng số liệu với hai giá trị tần số khác (Lưu ý chỉnh tần số máy phát, kiểm lại với chu kỳ T thông qua việc đọc từ giác trị nút chỉnh Time/div dao động ký Giả sử ta chọn Time/div = 100μs tín hiệu 2kHz; 5kHz 10kHz có chu kỳ ô; ô ơ) Hình 1.3.2: Đo trở kháng tụ điện h Ta có: Im = U cm U Rm |Zc| = Im R Ví dụ: Với f = 2kHz Im = U Rm 0.9 =0.9 (mA); = 1000 R |Zc| = U cm 1.9 =2111.111 (Ω) = Im 0.9 10−3 ∆tc o Để tính φc ta đo ∆tc (ms) sau tính φc = T 360 Ví dụ: Với f = 2kHz 0.12.10 ∆tc = 0.12 ms → φc = 103 −3 o 360 =86.4 o Um Ucm URm Im |Zc| ∆tc (V) (V) (V) (mA) (Ω) (ms) 2kHz 1.9 0.90 0.9 5kHz 1.25 1.60 1.6 10kHz 0.8 1.7 1.7 Tần số b) 2111.11 781.25 470.588 0.12 - 86.4o 0.05 - 90o 0.03 - 108o Vẽ đồ thị |Zc| theo ω Cho biết biểu thức theo lý thuyết |Zc| theo ω Theo lý thuyết, |Zc| tính theo cơng thức sau: |Z c|= ωC [Ω] Trong đó: + Zc: trở kháng tụ điện [Ω] + ω: tần số góc mạch, ω=2 πf = + C: điện dung tụ điện [F] h 2π [rad/s] T φc Đồ thị |Zc| theo ω 2500 2111.11111111111 2000 Zc (Ω) 1500 781.25 1000 470.588235294118 500 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 ω (rad/s) c) Kết luận điều φc phụ thuộc ω - Kết luận: φc không phụ thuộc ω mạch có (R nt C) độ lệch pha φc uc(t) ic(t) dao động gần -900 III MẠCH RC NỐI TIẾP: Hình 1.3.3: Mạch RC nối tiếp a) Thực mạch thí nghiệm RC nối tiếp hình 1.3.3 - Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2V, tần số 2kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp R áp C Lưu ý: giá trị đọc DMM trị hiệu dụng Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ u(t) i(t) thông qua đọc ∆t Điền vào bảng số liệu: - Ta có: U 1.41 =2056.2928(Ω) Z= I = 0.6857 10−3 ∆tc o φ = T 360 = 0.08 10−3 o o 360 =57.6 10 h U UC UR I |Z| ∆t (V) (V) (V) (mA) (Ω) (ms) 1.41 Vrms 1.0809 0.6776 0.6857 2056.2928 0.08 φ - 57.60 b) Dựng đồ thị vectơ điện áp mạch theo số liệu đo phần a) dùng thước compa, chọn pha ban đầu dòng điện Từ đồ thị vecto suy φ So sánh với giá trị φ đo bảng số liệu I UR φ Ta có: tanφ = U C 1.0809 = =1.5952 U R 0.6776 Suy ra: φ=tan−1 (1.5952)=57.92° % sai số so với bảng số liệu = 57.92−57.6 =0.55 % 57.6 Kết luận: Giá trị φ đo có sai số nhỏ so với lý thuyết UC U c) Tính cơng suất mạch RC nối số liệu đo: CS biểu kiến S Hệ số cosφ CS tác dụng P CS phản kháng Q (mW) (mVAr) 0.51806 0.8163 (mVA) 0.9668 0.5358 IV ĐO TRỞ KHÁNG CUỘN DÂY: a) Thực mạch thí nghiệm Hình 1.3.4 Hình 1.3.4: Đo trở kháng cuộn dây Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2V, tần số 2kHz, 5kHz 10kHz Đưa tín hiệu uR(t) uL(t) vào dao động ký Dùng dao động ký, đo biên độ áp R cuộn dây L Tính Im = U Lm U Rm Tính |ZL| = Im R Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ L uL(t) iL(t) i(t) cách CH2 INV) Điền vào bảng số liệu (Lưu ý: chỉnh tần số h máy phát, kiểm lại với chu kỳ T thông qua việc đọc từ giá trị nút chỉnh Time/div dao động ký) Ta có: Im = U Lm U Rm |ZL| = Im R Ví dụ: Với f = 2kHz Im = U Rm 0.95 =0.95 mA ; = 1000 R |ZL| = U Lm 1.45 =1526.3158(Ω) = Im 0.95 10−3 Để tính φL ta đo ∆tL (ms) sau tính φL = ∆ tL o 360 T Ví dụ: Với f = 2kHz 0.1.10−3 o o 360 =72 ∆tc = 0.1 ms → φL = 10 Tần số Um ULm URm Im |ZL| ∆tL φL (Hz) (V) (V) (V) (mA) (Ω) (ms) 2kHz 1.45 0.95 0.95 1526.315 0.1 720 0.05 900 0.028 100.80 5kHz 1.90 0.60 0.6 3166.666 10kHz 1.95 0.32 0.32 6093.750 b) Vẽ đồ thị |ZL| theo ω Cho biết biểu thức lý thuyết |ZL| theo ω Theo lý thuyết, |Zc| tính theo cơng thức sau: |Z L|=ωL [Ω] Trong đó: + ZL: trở kháng cuộn dây [Ω] + ω: tần số góc mạch, ω=2 πf = + L: điện cảm cuộn dây [H] h 2π [rad/s] T Đồ thị |ZL| theo ω 7000 6093.75 6000 Zc (Ω) 5000 3166.66666666667 4000 3000 1526.31578947368 2000 1000 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 ω (rad/s) c) Kết luận điều φL phụ thuộc ω - Kết luận: φL không phụ thuộc ω mạch có (R nt L) độ lệch pha φL uL(t) iL(t) dao động gần 900 V MẠCH RL NỐI TIẾP: a) Thực mạch thí nghiệm RL nối tiếp Hình 1.3.5 Hình 1.3.5: Mạch RL nối tiếp Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2V, tần số 2kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp R áp L Lưu ý: Giá trị đọc DMM trị hiệu dụng Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ u(t) i(t) thông qua đọc ∆t Điền vào bảng số liệu: h U UL UR I |Z| ∆t (V) (V) (V) (mA) (Ω) (ms) 1.41 Vrms 0.8322 1.1145 1.1032 1278.1001 0.06 φ 43.20 b) Dựng đồ thị vectơ điện áp mạch theo số liệu đo dùng thước compa, chọn pha ban đầu dòng điện Từ đồ thị vectơ suy φ So sánh với giá trị φ đo bảng số liệu ULr UL U Áp √ U −U Ur = L trở −U R 2UR L cuộn dây: =0.1037 (V ) Thành phần điện trở cuộn dây 2kHz: φ Ur UR Ur 0.1037 =94.0026(Ω) 1.1032× 10−3 2 −1 U Lr + U −U R )=48.1366 ° φ = cos ( U Lr U r L= I L = c) Tính cơng suất mạch RL nối số liệu đo: CS biểu kiến S (mVA) Hệ số cosφ CS tác dụng P (mW) CS phản kháng Q (mVAr) 1.5555 0.7290 1.13392 1.0648 VI MẠCH RLC NỐI TIẾP: Hình 1.3.6: Mạch RLC nối tiếp a) Thực mạch thí nghiệm RL nối tiếp Hình 1.3.6 Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2V, tần số 2kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp R áp L C Lưu ý: Giá trị đọc DMM trị hiệu dụng Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ u(t) i(t) thông qua đọc ∆t Điền vào bảng số liệu: U UL UC UR I h |Z| ∆t φ (V) (V) (V) (V) (mA) (Ω) (ms) 1.41 Vrms 1.3881 1.6119 1.0317 1.1102 1270.0414 0.02 b) 14.40 Dựng đồ hị vectơ điện áp mạch theo số liệu đo dùng thước compa, chọn pha ban đầu dòng điện 0, giả sử R trở C dung Từ đồ thị vecto suy φ So sánh với giá trị φ đo bảng số liệu UR U C −U L 1.6119−1.3881 = =0.2016 Ta có: tanφ = UR 1.1102 UC - U L Suy ra: φ=tan−1 (0.2016)=11.4 ° U UL Kết luận: Giá trị φ đo có sai số nhỏ so với lý thuyết, gần tương đương UC c) Tính cơng suất mạch RLC nối số liệu đo: CS biểu kiến S (mVA) 1.5654 Hệ số cosφ 0.9686 CS tác dụng P CS phản kháng Q (mW) (mVAr) 1.5162 -0.3893 c) Tính cơng suất P phần tử mạch RLC nối số liệu đo: Ta có: P L=I r L với r L =94.0026(Ω) (số liệu đo mạch RL nối tiếp) PL (trên L) PC (trên C) PR (trên R) PL + PC + PR (mW) (mW) (mW) (mW) 0.1159 1.2325 1.3484 Kiểm chứng nguyên lý cân P mạch AC: Ta thấy: Ptoàn mạch=U I cosφ=1,41 1,1102.10−3 0,9686=1.5162(mW ) Mà theo bảng số liệu tính P L + PC + PR = 1.3484 (mW) ≈ 1.5162 (mW) Vì nguyên lý cân P mạch AC nghiệm VII MẠCH RC SONG SONG: h a) Thực mạch thí nghiệm RL nối tiếp Hình 1.3.7 Hình 1.3.7: Mạch RC song song Chỉnh máy phát sóng sin để u(t) có biên độ 2V, tần số 2kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo áp vào mạch, áp R áp L C Lưu ý: Giá trị đọc DMM trị hiệu dụng Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ uR(t) uR0(t) vào CH1 CH2 Thực bảng số liệu: UR I IR IC φ (V) (mA) (mA) (mA) (uR i) 1.41Vrms 1.4645 1.3541 0.5111 28.80 b) Giả sử điện trở thuận, vẽ đồ thị vecto dòng cho mạch song song chọn pha ban đầu áp uR(t) Từ đồ thị vecto, viết giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ) mạch: I IC φ UR IR Đồ thị vectơ biểu diễn dòng cho mạch RL song somg U˙ R = 1.41∠00 (Vrms) I˙R = 1.3541∠00 (mA) I˙C = 0.5111∠900 (mA) I˙ = 1.4473∠20.680 (mA) Từ tính ra: U˙ + Trở kháng nhánh song song: ZR//C = ˙ R =0.9742∠−20.68 °(kΩ) I + Góc lệch pha uR(t) i(t): φ(uR i) = - 20.680 = -20.680 h c) Tính cơng suất nhánh R//C theo số liệu đo: CS biểu kiến S Hệ số cosφ (mVA) 2.0408 0.8763 CS tác dụng P CS phản kháng Q (mW) (mVAr) 1.9093 - 0.7207 VIII MẠCH RL SONG SONG: a) Thực mạch thí nghiệm hình 1.3.8 Hình 1.3.8: Mạch RL song song Chỉnh máy phát sóng sin để u R(t) có biên độ 2V, tần số 2kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R dòng qua cuộn dây L Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ u R(t) i(t) cách đưa uR(t) vào CH1 CH2 Thực bảng số liệu: b) UR I IR IL (V) (mA) (mA) (mA) 1.41Vrms 2.1499 1.3693 1.3113 φ (uR & i) 360 Giả sử điện trở vẽ đồ thị vectơ dòng cho mạch song song chọn pha ban đầu áp uR(t) Từ đồ thị vecto viết giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ) mạch: UR IR φ IL h I Đồ thị vectơ biểu diễn dòng cho mạch RL song somg U˙ R = 1.41∠00 (Vrms) I˙R = 1.3693∠00 (mA) I˙L = 1.3113∠-900 (mA) I˙ = 1.8959∠-43.760 (mA) Từ tính ra: + Trở kháng nhánh song song: U˙ 1.41 ˙∠ 0° R =743.704 ∠ 43.76 ° (Ω) ZR//L = ˙ = I 1.8959 10−3˙ ∠−43.76° + Góc lệch pha uR(t) i(t): φ (uR & i) = + 43.760 = 43.760 c) Tính cơng suất nhánh R//L theo số liệu đo: CS biểu kiến S (mVA) 2.6732 Hệ số cosφ CS tác dụng P CS phản kháng Q (mW) (mVAr) 1.9307 1.8489 0.7222 IX HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CƠNG SUẤT COSφ CỦA NHÁNH: Hình 1.3.9: Hiệu chỉnh hệ số cosφ nhánh a) Thực mạch thí nghiệm Hình 1.3.9 Chỉnh máy phát sóng sin để điện áp nhánh song song u R(t) có biên độ 2V, tần số 2kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R, dòng qua cn dây L dịng qua tụ điện Chc h Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ áp dịng nhánh song song cách đưa uR(t) uR0(t) vào CH1 CH2 Từ góc lệch pha tính hệ số cơng suất cosφ nhánh song song Hồn thiện bảng số liệu với giá trị C có module Thực bảng số liệu: Chc UR I IR IL IC φ (uR & i) cosφ 1.41Vrms 2.1499 1.3693 1.0533 360 0.8090 C1 1.41Vrms 1.6608 1.3693 1.0533 0.7486 14.40 0.9686 C3 1.41Vrms 1.8129 1.3693 1.0533 1.7582 21.60 0.9298 C4 1.41Vrms 1.8675 1.3693 1.0533 0.1658 31.680 0.8510 c) Với trường hợp Chc = C4: Giả sử điện trở tụ điện thuần, vẽ đồ thị vecto dòng cho mạch song song chọn pha ban đầu áp u R(t) Từ đồ thị vecto viết giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ) mạch: UR IR φ IL - I C I IC IL Đồ thị vectơ biểu diễn dòng cho mạch song song U˙ R = 1.41∠0o (Vrms) I˙R = 1.3693∠00 I˙L =1.0533∠-900 I˙C = 0.1658∠900 I˙ =1.6318∠-32.950 Từ tính ra: + Trở kháng nhánh song song: h U˙ ˙ ° 1.41∠0 R =864.0980 ∠32.95° (Ω) ZR//L//C = ˙ = I 1.6318 10−3˙ ∠−32.95 ° + Góc lệch pha uR(t) i(t): φ (uR & i) = + 32.950 = 32.950 a) Có nhận xét trị hiệu dụng dòng qua nhánh i(t) trường hợp? - Kết luận: Giá trị hiệu dụng qua dịng nhánh i(t) giảm C tăng b) Trình bày chi tiết q trình tính giá trị Chc cần thiết để đưa hệ số công suất nhánh song song đơn vị? Giả sử ta có cơng suất tải P có hệ số cơng suất sau: + Hệ số công suất tải Cosφ1 → φ1 → tgφ1 (trước bù, cosφ1 nhỏ cịn tgφ1 lớn) + Hệ số cơng suất sau bù Cosφ → φ2 → tgφ2 (sau bù, cosφ2 lớn tgφ2 nhỏ) Để chọn tụ bù cho tải ta cần biết cơng suất (P) tải hệ số cơng suất (Cosφ) tải thực theo bước sau Bước 1: Tính cơng suất biểu kiến nhánh trước hiệu chỉnh: ~ S old =Pold + j Q old Bước 2: Tính cơng suất phản kháng hệ sau hiệu chỉnh: Qnew =± Pold tan ¿ Bước 3: Tính cơng suất phản kháng mà phần tử Chc cung cấp cho hệ ∆ Q=Qnew−Qold Bước 4: Khi đó: vớiC hc= −∆ Q (F) U = trị hiệu dụng áp nhánh ω U2 h