Экспериментальное определение угла сдвига фаз

Фазовые соотношения очень важны при анализе электрических цепей переменного тока. Угол сдвига фаз между напряжением и током участка цепи принято обозначать буквой φ и определять вычитанием начальной фазы тока из начальной фазы напряжения: φ=ψ_u –ψ_i.

Угол φ – величина алгебраическая.

Измерить сдвиг по фазе можно, например, с помощью двухлучевого осциллографа, визуально оценив расположение двух гармонических сигналов относительно друг друга. Правда, такой способ измерений весьма не точен.

Сдвиг по фазе между напряжением и током на промышленной частоте может измеряться тремя приборами: амперметром, вольтметром и ваттметром, но потребуются дополнительные вычисления по формуле: φ = arccos [P/(UI)].

В лабораторной работе для измерения сдвига по фазе применяют электродинамический логометрический фазометр. Фазометр – прибор, измеряющий сдвиг по фазе в радианах или градусах.

Измерительный механизм этой системы состоит в основном из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть состоит из двух одинаковых, жестко скрепленных между собой под углом γ подвижных катушек 1 и 2, находящихся в поле неподвижной катушки 3 (рис. 3.18). Для подвода тока в подвижные катушки 1, 2 служат три мягкие серебряные спирали, не создающие при закручивании механического момента.

При отсутствии тока подвижная часть находится в состоянии безразличного равновесия – стрелка указателя может быть на любом делении шкалы прибора. При наличии токов I₁, I₂ (рис. 3.18) поле неподвижной катушки 3 воздействует на токи I₁, I₂, создавая два вращающих момента, противоположных по направлению. Предположим, что M_вр1>M_вр2. Под действием большего вращающего момента подвижная часть поворачивается, при этом первая катушка, на которую действует больший вращающий момент, перемещается в более слабое магнитное поле, а вторая катушка, на которую действует меньший вращающий момент, перемещается в область более сильного магнитного поля.

Рис. 3.18

Таким образом, по мере поворота подвижной части больший вращающий момент убывает, а меньший возрастает. При равенстве вращающих моментов производится отсчет измеряемой величины.

По отношению к нагрузке подвижные катушки 1, 2 включают параллельно нагрузке, а неподвижную катушку 3 – последовательно с нагрузкой (рис. 3.18, 3.19).

Так как реактивное сопротивление цепи очень мало по сравнению с его активным сопротивлением, ток подвижной катушки İ_П можно считать практически совпадающим по фазе с напряжением U. В этом случае угол сдвига фаз между токами İ_П и İ будет равен углу сдвига фаз φ между напряжением U и током нагрузки İ_Н (рис.3.19).

Рис. 3.19

электродинамический логометр является «полярным» прибором так как при изменении направления тока в одной из обмоток отклонение подвижной части прибора изменяется на противоположное, поэтому необходимо обозначать начала и концы подвижной и неподвижной катушек.

Обычно одноименные зажимы обеих катушек обозначают на приборе звездочками (_*), а в схемах электрических цепей – точками (рис. 3.19). Зажимы последовательной обмотки обозначают I, а зажимы параллельной обмотки, включаемой также как вольтметр, обозначают U (рис. 3.19).

Необходимо отметить, что вращающий момент, действующий на подвижную часть фазометра, пропорционален углу сдвига фаз φ между током и напряжением. Поэтому шкала прибора градуируется в единицах угла φ и cos φ.