Решение задачи: Ваттметры и Генераторы Низкой Частоты (ГНЧ)

Вот ответы на ваши вопросы, оформленные так, чтобы их было удобно переписать в тетрадь школьнику, с использованием MathJax для формул и без Markdown. 2) Схема включения ваттметров в однофазной и трехфазной цепях. Измерение активной, реактивной и полной мощности. Ваттметр – это прибор для измерения активной мощности электрического тока. Он состоит из двух обмоток: токовой и обмотки напряжения. * Токовая обмотка (последовательная) включается последовательно с нагрузкой и имеет малое сопротивление. Через неё протекает ток нагрузки. * Обмотка напряжения (параллельная) включается параллельно нагрузке и имеет большое сопротивление. К ней прикладывается напряжение цепи. Принцип работы ваттметра основан на взаимодействии магнитных полей, создаваемых током в этих обмотках. Схемы включения ваттметров: 1. Однофазная цепь: * В однофазной цепи для измерения активной мощности достаточно одного ваттметра. * Токовая обмотка ваттметра включается последовательно с нагрузкой в один из проводов (фазный или нейтральный). * Обмотка напряжения ваттметра включается параллельно нагрузке, между фазным и нейтральным проводом. (Здесь можно было бы нарисовать схему, но текстовый формат не позволяет. Представьте: источник напряжения, затем последовательно токовая обмотка ваттметра, затем нагрузка. Параллельно нагрузке и токовой обмотке подключается обмотка напряжения ваттметра.) 2. Трехфазная цепь: * Для измерения активной мощности в трехфазной цепи используются различные методы, в зависимости от типа цепи (трехпроводная или четырехпроводная) и симметрии нагрузки. * Наиболее распространенный метод – метод двух ваттметров (для трехпроводной цепи). * Токовые обмотки двух ваттметров включаются в две фазы (например, фазы A и C). * Обмотки напряжения этих ваттметров подключаются между соответствующей фазой и третьей фазой (в данном случае, фазой B). * Сумма показаний двух ваттметров дает полную активную мощность трехфазной цепи. * Формула для активной мощности: \(P = P_1 + P_2\), где \(P_1\) и \(P_2\) – показания ваттметров. (Здесь также можно было бы нарисовать схему. Представьте: трехфазный источник, затем в фазу A включается токовая обмотка первого ваттметра, в фазу C – токовая обмотка второго ваттметра. Обмотка напряжения первого ваттметра подключается между фазой A и фазой B. Обмотка напряжения второго ваттметра подключается между фазой C и фазой B. Затем идут нагрузки.) Измерение активной, реактивной и полной мощности: 1. Активная мощность (P): * Активная мощность – это та часть электрической энергии, которая преобразуется в полезную работу (тепло, свет, механическая энергия). * Измеряется ваттметром. * Единица измерения – Ватт (Вт). * Формула для однофазной цепи: \(P = U \cdot I \cdot \cos\varphi\), где \(U\) – напряжение, \(I\) – ток, \(\cos\varphi\) – коэффициент мощности. * Формула для трехфазной цепи: \(P = \sqrt{3} \cdot U_л \cdot I_л \cdot \cos\varphi\) (для симметричной нагрузки), где \(U_л\) – линейное напряжение, \(I_л\) – линейный ток. 2. Реактивная мощность (Q): * Реактивная мощность – это мощность, которая циркулирует между источником и нагрузкой, не совершая полезной работы. Она необходима для создания магнитных полей в индуктивных элементах (двигатели, трансформаторы) и электрических полей в емкостных элементах (конденсаторы). * Измеряется варметром (специальный прибор) или рассчитывается. * Единица измерения – Вар (ВАр). * Формула для однофазной цепи: \(Q = U \cdot I \cdot \sin\varphi\). * Формула для трехфазной цепи: \(Q = \sqrt{3} \cdot U_л \cdot I_л \cdot \sin\varphi\) (для симметричной нагрузки). 3. Полная мощность (S): * Полная мощность – это геометрическая сумма активной и реактивной мощности. Она характеризует общую мощность, потребляемую нагрузкой. * Измеряется вольт-амперметром (косвенно) или рассчитывается. * Единица измерения – Вольт-Ампер (ВА). * Формула: \(S = \sqrt{P^2 + Q^2}\). * Также: \(S = U \cdot I\) (для однофазной цепи) и \(S = \sqrt{3} \cdot U_л \cdot I_л\) (для трехфазной цепи). 4) Измерительные генераторы ГНЧ. Назначение. На чем основана работа цифровых ГНЧ. Элементы, входящие в структурную схему. Их назначение. Измерительные генераторы ГНЧ (генераторы низких частот) – это приборы, предназначенные для формирования электрических сигналов различной формы (синусоидальной, прямоугольной, треугольной, пилообразной) в диапазоне низких частот (от долей Герца до сотен килогерц). Назначение ГНЧ: * Настройка и проверка радиоэлектронной аппаратуры. * Исследование частотных характеристик различных устройств (усилителей, фильтров, линий связи). * Моделирование различных сигналов для тестирования систем. * Использование в качестве источника сигнала для измерительных мостов и других измерительных схем. * Обучение и лабораторные работы. На чем основана работа цифровых ГНЧ: Работа цифровых ГНЧ основана на принципе прямого цифрового синтеза (ПЦС) или DDS (Direct Digital Synthesis). Этот метод позволяет формировать высокоточные и стабильные сигналы с широким диапазоном частот и фаз, используя цифровые технологии. Основные принципы ПЦС: 1. Формирование цифрового кода, соответствующего мгновенному значению выходного сигнала (например, синусоиды). 2. Преобразование этого цифрового кода в аналоговый сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя (ЦАП). 3. Сглаживание ступенчатого аналогового сигнала с помощью фильтра нижних частот. Элементы, входящие в структурную схему цифровых ГНЧ (на основе ПЦС) и их назначение: 1. Задающий генератор (опорный генератор): * Назначение: Формирует стабильную тактовую частоту (опорную частоту), которая является основой для работы всей схемы. Обычно это кварцевый генератор, обеспечивающий высокую стабильность и точность. 2. Накопитель фазы (фазовый аккумулятор): * Назначение: Это цифровой счетчик, который на каждом такте опорной частоты прибавляет к своему содержимому определенное число – шаг приращения фазы. Содержимое накопителя фазы представляет собой текущую фазу выходного сигнала. Чем больше шаг приращения, тем быстрее изменяется фаза, и тем выше частота выходного сигнала. 3. Таблица синусов (ПЗУ – постоянное запоминающее устройство): * Назначение: Хранит в себе цифровые отсчеты (значения) одного периода синусоидального сигнала. Адрес этой таблицы формируется из старших разрядов накопителя фазы. Таким образом, по текущему значению фазы из накопителя фазы выбирается соответствующее значение амплитуды синусоиды. 4. Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП): * Назначение: Преобразует цифровые отсчеты амплитуды, полученные из таблицы синусов, в аналоговый ступенчатый сигнал. Чем выше разрядность ЦАП, тем точнее и плавнее будет аналоговый сигнал. 5. Фильтр нижних частот (ФНЧ): * Назначение: Сглаживает ступенчатый аналоговый сигнал, полученный с выхода ЦАП, удаляя высокочастотные составляющие (ступеньки) и формируя чистый синусоидальный (или другой формы) сигнал. 6. Усилитель выходного сигнала: * Назначение: Усиливает аналоговый сигнал до необходимого уровня мощности и напряжения, чтобы его можно было использовать для подключения к нагрузке или измерительному оборудованию. Может также включать аттенюатор для регулировки уровня выходного сигнала. 7. Блок управления (микроконтроллер): * Назначение: Управляет всеми элементами схемы, устанавливает шаг приращения фазы в накопителе фазы (тем самым задавая частоту), выбирает форму сигнала (если предусмотрено несколько форм), регулирует амплитуду и другие параметры. Таким образом, цифровые ГНЧ обеспечивают высокую точность, стабильность и гибкость в формировании сигналов, что делает их незаменимыми в современной измерительной технике.