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[.]
Trang 1ĐẠI 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
TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 3 NĂM 2022
Trang 2A MỤC ĐÍCH:
Bài thí nghiệm giúp sinh viên thực hiện các đặc trung của một mạch điện trong trường hợp nguồn tác động lên mạch là nguồn điều hòa, hay còn gọi là nguồn xoay chiều
AC Quá trình thí nghiệm cũng giúp SV hiểu rõ thêm phương pháp biên độ (hay hiệu dụng) phức, cách dựng đồ thị vecto và tính toán công suất trong mạch điều hòa
B ĐẶC ĐIỂM:
Phân tích mạch xác lập điều hòa thông qua tính toán trên mạch phức Ở mạch phức, trở kháng nhánh Z là số phức, bằng tỉ số biên độ phức áp và dòng trên nhánh Luật Ohm dạng phức được phát biểu:
˙U =Z ˙I với Z=|Z|<φ
I XÁC ĐỊNH | Z |:
Là tỉ số trị biên độ hay trị hiệu dụng của áp và dòng trên nhánh Trị biên độ có thể
là đọc nhờ dao động ký và trị hiệu dụng có thể đọc nhờ volt kế xoay chiều.
II XÁC ĐỊNH φ:
Có nhiều phương pháp, trong bài thí nghiệm này đề nghị dùng dao động ký với hai phương pháp cơ bản:
a So pha trực tiếp:
Đưa cả hai tín hiệu (cùng GND) vào hai kênh dao động ký Chọn VERT MODE là DUAL hay CHOP Chỉnh dao động ký để hiển thị hai tín hiệu trên màn hình như Hình
Hình 1.3.0.1: Đo pha trực tiếp
Dựa vào giá trị của nút Time/div ta đọc giá trị ∆t và T Góc lệch pha giữa CHB và CHA xác định theo:
Trang 3φ = (∆ t
T ).360o
Lưu ý: + Theo hình 1.3.0.1, ta thấy ∆t là dương khi tín hiệu cần xác định góc pha xuất
hiện trước tín hiệu chuẩn
+ Dao động ký chỉ nhận tín hiệu áp Do đó khi cần đưa vào tín hiệu dòng thì ta thông qua tín hiệu áp trên điện trở mang dòng điện đó
b So pha dùng đồ thị Lissajous:
Đưa cả 2 tín hiệu (cùng GND) vào 2 kênh của dao động ký Chọn VERT MODE
là X-Y Chỉnh định các nút Volt/div của dao động ký để hiển thị trên màn hình như Hình 1.3.0.2
Hình 1.3.0.2: So pha dùng đồ thị : Lissaojous
Giả sử X(t) = asin(ωt) và Y(t) = bsin(ωt + φ) Ta thấy tại t = 0 thì X = 0 và Y=bsin(φ) = Y0 Do đó:
φ = sin−1(Y b0)
Phương pháp này đơn giản nhưng chỉ hữu hiệu ở các giá trị φ ≤ 45o Nếu các giá trị φ lớn hơn, trị sin(φ) thay đổi rất chậm và độ chính xác sẽ giảm
C PHẦN THÍ NGHIỆM:
Trang 4I GIÁ TRỊ THÔNG SỐ MẠCH THÍ NGHIỆM:
Giá trị thông số của mạch thí nghiệm trong bài thí nghiệm này được chọn theo bảng sau đây Lưu ý giá trị RL = thành phần điện trở trong mô hình nối tiếp của cuộn dây sẽ được xác định trong quá trình thí nghiệm:
Phần tử Giá trị dùng thí nghiệm
RL
II ĐO TRỞ KHÁNG TỤ ĐIỆN:
a) Thực hiện mạch thí nghiệm như 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 trên R và trên tụ C Tính Im = U Rm
R Tính |Zc| = U cm
I m
Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φc giữa uc(t) và ic(t) (cũng là i(t) bằng cách CH2 INV) Điền vào bảng số liệu với hai giá trị tần số khác nữa (Lưu ý chỉnh đúng tần số máy phát, kiểm lại với chu kỳ T thông qua việc đọc từ giác trị nút chỉnh Time/div của dao động ký Giả sử ta chọn Time/div = 100μs thì tín hiệu 2kHz; 5kHz và 10kHz sẽ có chu kỳ lần lượt là 5 ô; 2 ô và 1 ô)
Hình 1.3.2: Đo trở kháng tụ điện
Trang 5 Ta có: Im = U Rm
R và |Zc| = U I cm
m
Ví dụ: Với f = 2kHz
Im = U Rm
R = 10000.9 =0.9 (mA); |Zc| = U Im cm = 0.9.101.9 −3 =2111.111 (Ω)
Để tính φc ta đo ∆tc (ms) sau đó tính φc = ∆ t c T .360 o
Ví dụ: Với f = 2kHz
∆tc = 0.12 ms → φc = 0.12.10
−3
1 2.103
.360 o=86.4o
Tần số U m
(V)
U cm (V)
U Rm (V)
I m (mA)
|Z c | (Ω)
∆t c
o
o
b) Vẽ đồ thị |Z c | theo ω Cho biết biểu thức theo lý thuyết của |Z c | theo ω.
Theo lý thuyết, |Zc| được tính theo công thức sau:
|Z c|= 1ωC [Ω]
Trong đó: + Zc: trở kháng của tụ điện [Ω]
+ ω: tần số góc của mạch,ω=2πf =2 π T [rad/s]
+ C: điện dung của tụ điện [F]
Trang 610000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 0
500 1000 1500 2000
2500
2111.11111111111
781.25
470.588235294118
Đồ thị |Zc| theo ω
ω (rad/s)
c) Kết luận được điều gì khi φ c phụ thuộc ω.
- Kết luận: φc hầu như không phụ thuộc ω và đối với mạch có (R nt C) độ lệch pha φc giữa uc(t) và ic(t) dao động gần bằng -900
III MẠCH RC NỐI TIẾP:
Hình 1.3.3: Mạch RC nối tiếp
a) Thực hiện mạch thí nghiệm RC nối tiếp như 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 trên R và áp trên C
Lưu ý: giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng Sử dụng phương pháp đo pha trực
tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) thông qua đọc ∆t Điền vào bảng số liệu:
- Ta có:
Z=U I =0.6857 101.41 −3=2056.2928(Ω)
φ = ∆ t c T .360 o
= 0.08 10
−3
1 2.103
.360 o=57.6o
Trang 7(V)
U C (V)
U R (V)
I (mA)
|Z|
(Ω)
∆t (ms)
φ
1.41 Vrms 1.0809 0.6776 0.6857 2056.2928 0.08 - 57.60
b) Dựng đồ thị vectơ điện áp của mạch theo số liệu đo phần a) dùng thước và compa, chọn pha ban đầu của dòng điện là 0 Từ đồ thị vecto suy ra φ So sánh với giá trị φ đo được trong bảng số liệu.
Ta có: tanφ= U C
U R=1.08090.6776=1.5952
Suy ra: φ=tan−1(1.5952)=57.92°
% sai số so với bảng số liệu = 57.92−57.657.6 =0.55 %
Kết luận: Giá trị φ đo được có sự sai số nhỏ so với lý thuyết
c) Tính công suất của mạch RC nối tiếp theo số liệu đo:
CS biểu kiến S
(mVA)
Hệ số cosφ CS tác dụng P
(mW)
CS phản kháng Q (mVAr)
IV ĐO TRỞ KHÁNG CUỘN DÂY:
a) Thực hiện mạch thí nghiệm như 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 lần lượt là 2kHz, 5kHz và 10kHz Đưa 2 tín hiệu uR(t) và uL(t) vào dao động ký Dùng dao động ký, đo biên độ áp trên R và trên cuộn dây L Tính Im = U Rm
R Tính |ZL| = U Lm
I m
Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha giữa φL giữa uL(t) và i L-(t) cũng là iL-(t) bằng cách CH2 INV) Điền vào bảng số liệu (Lưu ý: chỉnh đúng tần số
φ
U R
U C
I
U
Trang 8máy phát, kiểm lại với chu kỳ T thông qua việc đọc từ giá trị nút chỉnh Time/div của dao động ký)
Ta có: Im = U Rm
R và |ZL| = U I Lm
m
Ví dụ: Với f = 2kHz
Im = U Rm
R = 10000.95=0.95 mA; |ZL| = U Lm
I m = 0.95 101.45 −3=1526.3158(Ω)
Để tính φL ta đo ∆tL (ms) sau đó tính φL = ∆ t L
T .360
o
Ví dụ: Với f = 2kHz
∆tc = 0.1 ms → φL = 0.1.10
−3
1 2.103
.360 o=72o
Tần số
(Hz)
U m (V)
U Lm (V)
U Rm (V)
I m (mA)
|Z L | (Ω)
∆t L (ms)
φ L
8
7
0.05 900
0
0.028 100.80
b) Vẽ đồ thị |Z L | theo ω Cho biết biểu thức lý thuyết của |Z L | theo ω
Theo lý thuyết, |Zc| được tính theo công thức sau:
|Z L|=ωL[Ω]
Trong đó: + ZL: trở kháng của cuộn dây [Ω]
+ ω: tần số góc của mạch, ω=2πf =2 π T [rad/s]
+ L: điện cảm của cuộn dây [H]
Trang 910000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
1526.31578947368
3166.66666666667
6093.75
Đồ thị |ZL| theo ω
ω (rad/s)
c) Kết luận được điều gì khi φ L phụ thuộc ω
- Kết luận: φL hầu như không phụ thuộc ω và đối với mạch có (R nt L) độ lệch pha
φL giữa uL(t) và iL(t) dao động gần bằng 900
V MẠCH RL NỐI TIẾP:
a) Thực hiện mạch thí nghiệm RL nối tiếp như 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 trên R và áp trên L
Lưu ý: Giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng Sử dụng phương pháp đo pha trực
tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) thông qua đọc ∆t Điền vào bảng số liệu:
Trang 10(V)
U L (V)
U R (V)
I (mA)
|Z|
(Ω)
∆t (ms)
φ
1.41 Vrms 0.8322 1.1145 1.1032 1278.1001 0.06 43.20
b) Dựng đồ thị vectơ điện áp của mạch theo số liệu đo dùng thước và compa, chọn pha ban đầu của dòng điện là 0 Từ đồ thị vectơ suy ra φ So sánh với giá trị φ đo được trong bảng số liệu
Áp trên trở của cuộn dây:
U r L=√U2−U L2−U R2
2U R =0.1037 (V )
Thành phần điện trở cuộn dây tại 2kHz:
r L=U r L
I =1.1032× 100.1037 −3=94.0026(Ω)
φ = cos −1 (U Lr2+U2−U R2
2.U Lr .U )=48.1366 °
c) Tính công suất của mạch RL nối tiếp theo số liệu đo:
CS biểu kiến S (mVA) Hệ số cosφ CS tác dụng P (mW) CS phản kháng Q (mVAr)
VI MẠCH RLC NỐI TIẾP:
Hình 1.3.6: Mạch RLC nối tiếp
a) Thực hiện mạch thí nghiệm RL nối tiếp như 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 trên R và áp trên L và trên C
Lưu ý: Giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng Sử dụng phương pháp đo pha trực
tiếp để đo góc lệch pha φ giữa u(t) và i(t) thông qua đọc ∆t Điền vào bảng số liệu:
U R
U L
φ
U r
Trang 11(V) (V) (V) (V) (mA) (Ω) (ms)
1.41 Vrms 1.3881 1.6119 1.0317 1.1102 1270.0414 0.02 14.40
b) Dựng đồ hị vectơ điện áp của mạch theo số liệu đo dùng thước và compa, chọn pha ban đầu của dòng điện là 0, giả sử R thuần trở và C thuần dung Từ đồ thị vecto suy ra φ So sánh với giá trị φ đo được trong bảng số liệu.
Ta có: tanφ= U C U −U L
R = 1.6119−1.3881
1.1102 =0.2016
Suy ra: φ=tan−1(0.2016)=11.4 °
Kết luận: Giá trị φ đo được có sự sai số nhỏ so với lý thuyết,
gần như tương đương
c) Tính công suất của mạch RLC nối tiếp theo số liệu đo:
CS biểu kiến S
CS tác dụng P (mW)
CS phản kháng Q (mVAr)
c) Tính công suất P trên từng phần tử của mạch RLC nối tiếp theo số liệu đo:
Ta có: PL =I2.r L với r L =94.0026(Ω) (số liệu đo được ở mạch RL nối tiếp)
P L (trên L)
(mW)
P C (trên C) (mW)
P R (trên R) (mW)
P L + P C + P R (mW)
Kiểm chứng nguyên lý cân bằng P trong mạch AC:
Ta thấy: Ptoànmạch =U I cosφ=1,41 1,1102.10−3.0,9686=1.5162(mW )
Mà theo bảng số liệu tính được ở trên thì PL + PC + PR = 1.3484 (mW) ≈ 1.5162 (mW) Vì vậy nguyên lý cân bằng P trong mạch AC nghiệm đúng
VII MẠCH RC SONG SONG:
UC
UL
UC - UL
UR
U
Trang 12a) Thực hiện mạch thí nghiệm RL nối tiếp như 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 trên R và áp trên L và trên C
Lưu ý: Giá trị đọc trên DMM là trị hiệu dụng Sử dụng phương pháp đo pha trực
tiếp để đo góc lệch pha φ giữa uR(t) và uR0(t) vào CH1 và CH2 Thực hiện bảng số liệu:
U R
(V)
I (mA)
I R (mA)
I C (mA)
φ (u R và i)
b) Giả sử điện trở là thuận, vẽ đồ thị vecto dòng cho mạch song song khi chọn pha ban đầu của áp u R (t) là 0 Từ đồ thị vecto, viết ra các giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ) trong mạch:
Đồ thị vectơ biểu diễn dòng cho mạch RL song somg
˙
U R = 1.41∠00(Vrms) ˙I R = 1.3541∠00 (mA)
˙I = 1.4473∠20.680 (mA)
˙I C = 0.5111∠900(mA)
Từ đó tính ra:
+ Trở kháng nhánh song song: ZR//C = U˙R
˙I =0.9742∠−20.68°(kΩ)
+ Góc lệch pha giữa uR(t)và i(t): φ(uR và i) = 0 - 20.680 = -20.680
I R
U R φ
Trang 13c) Tính công suất của nhánh R//C theo số liệu đo:
CS biểu kiến S
CS tác dụng P (mW)
CS phản kháng Q (mVAr)
VIII MẠCH RL SONG SONG:
a) Thực hiện mạch thí nghiệm như hình 1.3.8.
Hình 1.3.8: Mạch RL song song
Chỉnh máy phát sóng sin để uR(t) có biên độ 2V, tần số 2kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R và dòng qua cuộn dây L Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa uR(t) và i(t) bằng cách đưa uR(t) vào CH1 và CH2 Thực hiện bảng số liệu:
U R
(V)
I (mA)
I R (mA)
I L (mA) φ (u R & i)
b) Giả sử điện trở là thuần vẽ đồ thị vectơ dòng cho mạch song song khi chọn pha ban đầu của áp u R (t) là 0 Từ đồ thị vecto viết ra các giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ) trong mạch:
I R
I L
φ
U R
Trang 14Đồ thị vectơ biểu diễn dòng cho mạch RL song somg
˙
U R = 1.41∠00(Vrms) ˙I R = 1.3693∠00 (mA)
˙I = 1.8959∠-43.760 (mA)
˙I L = 1.3113∠-900 (mA)
Từ đó tính ra:
+ Trở kháng nhánh song song:
ZR//L = U˙˙I = R
˙
1.41∠0°
˙
1.8959 10−3∠−43.76° =743.704 ∠ 43.76 °(Ω)
+ Góc lệch pha giữa uR(t) và i(t): φ (uR & i) = 0 + 43.760 = 43.760
c) Tính công suất của nhánh R//L theo số liệu đo:
CS biểu kiến S
CS tác dụng P (mW)
CS phản kháng Q (mVAr)
IX HIỆU CHỈNH HỆ SỐ CÔNG SUẤT COSφ CỦA NHÁNH:
Hình 1.3.9: Hiệu chỉnh hệ số cosφ nhánh
a) Thực hiện mạch thí nghiệm như Hình 1.3.9.
Chỉnh máy phát sóng sin để điện áp trên nhánh song song uR(t) luôn có biên độ 2V, tần số 2kHz Dùng DMM (Multimeter) đo dòng vào mạch, đo dòng qua trở R, dòng qua cuôn dây L và dòng qua tụ điện Chc
I
Trang 15Sử dụng phương pháp đo pha trực tiếp để đo góc lệch pha φ giữa áp và dòng trên nhánh song song bằng cách đưa uR(t) và uR0(t) vào CH1 và CH2 Từ góc lệch pha này tính hệ số công suất cosφ của nhánh song song
Hoàn thiện bảng số liệu với các giá trị C có trên module
Thực hiện bảng số liệu:
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 C hc = C 4 : Giả sử điện trở và tụ điện là thuần, vẽ đồ thị vecto dòng cho mạch song song khi chọn pha ban đầu của áp u R (t) là 0 Từ đồ thị vecto viết ra các giá trị dòng, áp phức hiệu dụng (dạng mũ) trong mạch:
Đồ thị vectơ biểu diễn dòng cho mạch song song
˙
U R = 1.41∠0o(Vrms) ˙I R = 1.3693∠00
˙I C = 0.1658∠900
˙I L =1.0533∠-900
˙I =1.6318∠-32.950
Từ đó tính ra:
+ Trở kháng nhánh song song:
φ
U R
I C
I L
I L - I C
I R
I
Trang 16ZR//L//C = U˙˙I = R 1.6318 10 1.41∠0°−3˙˙∠−32.95 ° =864.0980 ∠32.95°(Ω)
+ Góc lệch pha giữa uR(t) và i(t): φ (uR & i) = 0 + 32.950 = 32.950
a) Có nhận xét gì về trị hiệu dụng dòng qua nhánh i(t) ở các trường hợp?
- Kết luận: Giá trị hiệu dụng qua dòng nhánh i(t) giảm khi C tăng
b) Trình bày chi tiết quá trình tính giá trị C hc cần thiết để đưa hệ số công suất của nhánh song song về đơn vị?
Giả sử ta có công suất của tải là P và có hệ số công suất như sau:
+ Hệ số công suất của tải là Cosφ1 → φ1 → tgφ1 (trước khi bù, cosφ1 nhỏ còn tgφ1 lớn)
+ Hệ số công suất sau khi bù là Cosφ2 → φ2 → tgφ2 (sau khi bù, cosφ2 lớn còn tgφ2 nhỏ)
Để chọn tụ bù cho một tải nào đó thì ta cần biết công suất (P) của tải đó và hệ số công suất (Cosφ) của tải đó và thực hiện theo những bước sau
Bước 1: Tính công suất biểu kiến của nhánh trước khi hiệu chỉnh:
~S old =P old + j Q old
Bước 2: Tính công suất phản kháng của hệ sau khi hiệu chỉnh:
Q new =± P old .tan ¿
Bước 3: Tính công suất phản kháng mà phần tử Chc cung cấp cho hệ
∆ Q=Q new −Q old
Bước 4: Khi đó: với C hc =−∆ Q
ω.U2(F) U = trị hiệu dụng áp trên nhánh