Πανεπιστήμιο Κύπρου Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών Εργαστήριο Κυκλωμάτων και Μετρήσεων Εργαστήριο 9 Μέτρηση και Διόρθωση Συντελεστή Ισχύος (Power Factor) Λευκωσία, 2015
Εργαστήριο 9 Μέτρηση και Διόρθωση Συντελεστή Ισχύος Σκοπός: Σκοπός του εργαστηρίου αυτού είναι Να εξεταστεί η ημιτονοειδή απόκριση σταθερής κατάστασης ενός κυκλώματος συντονισμού. Να υπολογιστεί και να μετρηθεί η συχνότητα συντονισμού σε ένα κύκλωμα RLC σειράς Να μετρηθούν και να σχεδιαστούν οι τάσεων και τα ρεύματα σε συνάρτηση με τη συχνότητα για ένα κύκλωμα συντονισμού σειράς. Να αποδειχθεί πειραματικά ότι η σύνθετη αντίσταση εισαγωγής (input) είναι ελάχιστη στη συχνότητα συντονισμού. Να επαληθευτεί η σχέση μεταξύ του συντελεστή ποιότητας (Q) του κυκλώματος και του εύρους ζώνης (bandwidth). Να μετρηθεί το μέτρο και η φάση τάσεων και ρευμάτων σε εναλλασσόμενα κυκλώματα. Να υπολογιστεί ο συντελεστής ισχύος (power factor) ενός δεδομένου φορτίου και στη συνέχεια να διορθωθεί. Εργαστηριακός Εξοπλισμός Παλμογράφος (Oscilloscope) Γεννήτρια Συναρτήσεων (Function Generator) Πολύμετρο (DMM Multimeter) Μετρητής LRC Πλακέτα Κατασκευής Κυκλωμάτων (Breadboard) Σετ καλωδίων Αντιστάσεις Πυκνωτές Πηνία 2
Πειραματική Εργασία Εργαστηριακή Άσκηση 9.1 Ανάλυση εναλλασσόμενων κυκλωμάτων Στόχοι Μέτρηση μέτρου και φάσης τάσεων και ρευμάτων σε εναλλασσόμενα κυκλώματα. Καθορισμός του συντελεστή ισχύος (power factor) ενός δεδομένου φορτίου και διόρθωση του Διαδικασία 1. Kαταγράψτε τις τιμές της αυτεπαγωγής των πηνίων (του σχήματος 9.1) και μετρήστε τις τιμές της Ωμικής τους αντίστασης με το πολύμετρο. L TR = R TR = L L = R L = 2. Κατασκευάστε το κύκλωμα του σχήματος 9.1 και ρυθμίστε τη γεννήτρια συναρτήσεων για ένα ημιτονοειδές σήμα με συχνότητα 10 khz και πλάτος (amplitude) V S = 5 V (δηλαδή V pp = 10 V). R TR L TR I L 4.7k Ω 10 mh + V S 10 khz 10 V pp + _ 47 mh 4.7k Ω L L V L R L _ Transmission Line Σχήμα 9.1 3. Μετρήστε το πλάτος της V S και V L με τον παλμογράφο. Προτού προχωρήσετε ελέγξτε ότι η τάση που μετρήσατε συμφωνεί με τον υπολογισμό που κάνατε προηγουμένως. Αν όχι ξαναελέγξετε τις μετρήσεις και τους υπολογισμούς. Μετρήστε επίσης το ρεύμα πριν από την αντίσταση R L. V S = V L = IRL = 4. Μετρήστε τη γωνία φάσης της V L. Αυτή η μετρημένη γωνία φάσης πρέπει να συμφωνεί με την υπολογισμένη γωνία φάσης. Βεβαιωθείτε ότι συγκρίνετε αυτά τα μετρημένα αποτελέσματα με τις θεωρητικές τιμές που υπολογίσατε με τις πραγματικές τιμές των στοιχείων. V L = Load 3
5. Γιατί η γωνία του V L δεν είναι 0; 6. Εκτελέστε τις ίδιες μετρήσεις (το πλάτος και τη φάση), στα άκρα της αντίστασης R L = 4.7 kω του φορτίου. Από αυτές τις μετρήσεις, υπολογίστε το πλάτος και τη γωνία φάσης του ρεύματος I L σε αυτό το κύκλωμα σειράς. R L = V RL = V RL = Ι L = Ι L = 7. Τι παρατηρείτε για τη γωνία του Ι L ; Διόρθωση του συντελεστή ισχύος - Power factor correction 8. Υπολογίστε το στοιχείο που πρέπει να συνδεθεί (σε σειρά), μεταξύ των L L και R L, για να επιτευχθεί μέγιστη μεταφορά ισχύος. C Load = 9. Προσθέστε το στοιχείο που υπολογίσατε στο κύκλωμα του σχήματος 9.1. 4
10. Μετρήστε το πλάτος και τη φάση στα άκρα τις αντίστασης R L του φορτίου. Από αυτές τις μετρήσεις, υπολογίστε το πλάτος και τη γωνία φάσης του ρεύματος I L σε αυτό το κύκλωμα σειράς. R L = V RL = V RL = Ι L = Ι L = 11. Τι παρατηρείτε σχετικά με την τιμή του πυκνωτή και τη σχέση της με τα πηνία; Πως συγκρίνονται τα πειραματικά αποτελέσματα με τους υπολογισμούς σας; 12. Τι παρατηρείτε για τη γωνία του Ι L ; 5
Επαναληπτικές Ασκήσεις Εργαστηρίου 9 1. Τι στοιχείο θα προσθέτατε σε ένα κύκλωμα RLC σειράς και πώς θα το συνδέατε εάν το αρχικό κύκλωμα παρουσιάζει επαγωγική συμπεριφορά και θέλετε να την αλλάξετε σε ωμική; 2. Τι είναι τα σχήματα Lissajous, πώς συνδέουμε τον παλμογράφο για να τα δούμε και τι πληροφορίες μπορούμε να πάρουμε από αυτά; 3. Αναφέρετε τι θα συμβεί στο ρεύμα που διαρρέει ένα κύκλωμα (RLC σειράς) στη συχνότητα συντονισμού και εξηγήστε γιατί; 4. Γιατί μια ηλεκτρική συσκευή με χαμηλό συντελεστή ισχύος απαιτεί περισσότερη ηλεκτρική ισχύ σε σχέση με μια ηλεκτρική συσκευή με ψηλότερο συντελεστή ισχύος; 5. Περιγράψτε την διαδικασία διόρθωσης του συντελεστή ισχύος μιας ηλεκτρικής συσκευής (Δώστε και ένα παράδειγμα). 6. Διορθώστε τον συντελεστή ισχύος στο πιο κάτω κύκλωμα (θεωρήστε ότι δεν μπορείτε να επέμβετε στη γραμμή μεταφοράς και ότι το πηνίο στο φορτίο είναι ιδανικό). Σχεδιάστε το νέο σας κύκλωμα και δείξτε την τάση εξόδου. VAMPL = 5V FREQ = 50kHz V1 R1 3.8k L1 1 2 1mH, R=10 Ohms L2 1 2 10mH R2 Vout 2.6k Transmission Line Load 7. Ποιο το εύρος τιμών που μπορεί να πάρει ο συντελεστής ισχύος και γιατί; 6