Порядок проведения работы

4.1. Экспериментальным путем исследовать следующие режимы работы источника ЭДС Е:

4.1.1. − холостой ход − R_ПР →∞, I_X = 0, U_X = E;

4.1.2. − промежуточный режим − R_ПРMAX = R_ПР1 + R_ПР2 + R_ПР3;

4.1.3. − промежуточный режим − U = 1,25 U_C;

4.1.4. −согласованный режим − R_ПР = R_ВН, I_C = I_КЗ /2, U _С =E/ 2, P_ПРМАХ;

4.1.5. − промежуточный режим − U = U_C /2 = E /4;

4.1.6. − режим короткого замыкания −R_ПР = 0, I_КЗ = Е / R_ВН, U_КЗ = 0.

4.2. Экспериментальным путем исследовать влияние изменения внутреннего сопротивления источника R_ВН на его внешнюю характеристику.

4.2.1. Снять внешнюю характеристику при R ′′ _ВН = R_ВН1 + R_ВН2 = 134 Ом;

4.2.2. Снять внешнюю характеристику при R ′ _ВН = R_ВН1 = 100 Ом.

5. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

5.1. Снять внешнюю характеристику источника ЭДС Е с внутренним сопротивлением

R ′′ _ВН = 134 Ом.

Для этого собрать схему, представленную на рис. 14, где исследуемый источник ЭДС Е (Е, R ′′ _ВН) и приемник электрической энергии (R_ПР) включены последовательно.

После проверки электрической схемы преподавателем включить исследуемую цепь под напряжение. Цепь питается от регулируемого источника постоянного напряжения, выходные клеммы которого (+ и −) 0÷220 В расположены на горизонтальной панели стенда. Подача питания производится последовательно включением автоматического выключателя (расположенного справа внизу под откидной панелью), нажатием черной кнопки «ВКЛ» и белой кнопки «Постоянное». Перед включением питания необходимо убедиться, что черная ручка регулятора источника питания лабораторного трансформатора (ЛАТРа) находится в крайнем левом положении.

Установить внутреннее сопротивление источника R ′′ _ВН = 134 Ом. Для этого повернуть ручку регулируемого сопротивления с параметром 68 Ом в крайнее левое положение.

Нажать на белую кнопку (Кн), находящуюся на вертикальной панели стенда под переменным сопротивлением 150 Ом. Плавно поворачивая ручку ЛАТРа, установить ЭДС Е на входе исследуемой схемы с помощью цифрового вольтметра V_Ц.

Значение ЭДС Е устанавливается согласно таблице 1.

Таблица 1

№ стенда
Е, В

В процессе выполнения лабораторной работы измерить:

− ток I в цепи с помощью амперметра А (магнитоэлектрической системы);

− напряжение U на зажимах источника ЭДС Е с помощью цифрового вольтметра V_Ц.

Изменяя величину сопротивления приемника R_ПР от ∞ до 0 снять показания приборов А и V для шести исследуемых режимов:

5.1.1. Холостой ход − (R_ПР = ∞) − для этого необходимо разомкнуть электрическую цепь с помощью кнопки Кн, отжав ее, если она была утоплена;

5.1.2. Промежуточный режим − (R_ПРMAX = R_ПР1 + R_ПР2 + R_ПР3) − для этого необходимо сначала утопить кнопку Кн, если она была отжата, а затем повернуть рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3, находящиеся на вертикальной панели стенда, против часовой стрелки до упора (в крайнее левое положение);

5.1.3. Промежуточный режим − для этого рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3 плавно повернуть по часовой стрелке до тех пор, пока показания цифрового вольтметра V_Ц не будет равно U = 1,25 U_C;

5.1.4. Согласованный режим − (R_ПР = R ′′ _ВН = 134 Ом) − для этого рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3 плавно повернуть по часовой стрелке до тех пор, пока показания цифрового вольтметра V_Ц не будет равно U_С =E/ 2;

5.1.5. Промежуточный режим − для этого рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3 плавно повернуть по часовой стрелке до тех пор, пока показания цифрового вольтметра V_Ц не будет равно U = U_C /2;

5.1.6. − Режим короткого замыкания − (R_ПР = 0) для этого рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3 плавно повернуть по часовой стрелке до упора (в крайнее правое положение).

После проведения опытов занести полученные результаты в таблицу 2.

5.2. Снять внешнюю характеристику источника ЭДС Е с внутренним сопротивлением

R ′ _ВН = 100 Ом.

Провести опыты, аналогичные п. 5.1, и занести полученные показания приборов в таблицу 3 для R ′ _ВН = 100 Ом.

Для этого необходимо закоротить участок цепи ав с последовательно соединенными сопротивлениями R_ВН1 и R_ВН2, которые имеют соответственно сопротивления 34 Ом и 68 Ом.

R′′_ВН = 134 Ом Таблица 2

№

Режим работы цепи

Измерено

Вычислено

E

U

I

R′′ВН

RПР

РПР

РИСТ

∆Р

η

γоТОК

Примечание

B

B

A

Ом

Ом

Вт

Вт

Вт

%

%

1.

Режим холостого хода RПР =∞, IX = 0, UX = E

2.

Промежуточный режим RПРMAX = RПР1 + RПР2 + RПР3

3.

Промежуточный режим U = 1,25 UC

4.

Согласованный режим RПР = R′′ВН, IC = IКЗ /2, U С =E/ 2

5.

Промежуточный режим U = UC /2

6.

Режим короткого замыкания RПР= 0, IКЗ = Е / R′′ВН, UКЗ = 0

R′_ВН = 100 Ом Таблица 3

№

Режим работы цепи

Измерено

Вычислено

E

U

I

R′′ВН

RПР

РПР

РИСТ

∆Р

η

γоТОК

Примечание

B

B

A

Ом

Ом

Вт

Вт

Вт

%

%

1.

Режим холостого хода RПР =∞, IX = 0, UX = E

2.

Промежуточный режим RПРMAX = RПР1 + RПР2 + RПР3

3.

Промежуточный режим U = 1,25 UC

4.

Согласованный режим RПР = R′′ВН, IC = IКЗ /2, U С =E/ 2

5.

Промежуточный режим U = UC /2

6.

Режим короткого замыкания RПР= 0, IКЗ = Е / R′′ВН, UКЗ = 0

ВНИМАНИЕ! При проведении вышеперечисленных опытов величина ЭДС Е источника должна быть все время величиной неизменной. Для выполнения этого условия необходимо каждый раз перед очередным опытом по показаниям цифрового вольтметра V_Ц, включенного к зажимам источника (+ и −) убедиться, что ЭДС Е осталась постоянной. В противном случае с помощью ручки ЛАТРа вернуть значение ЭДС Е к своему исходному значению.

5.3. После проведения всех измерений отключит питание − нажать на красную кнопку «ВЫКЛ». Отдать на проверку преподавателю полученные результаты эксперимента и после проверки − разобрать исследуемую электрическую схему.

6. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА.

Все таблицы должны содержать аккуратно записанные исходные данные, данные замеров, результаты расчетов.

6.1. По результатам проведенных исследований (пункты 5.2. и 5.2.) рассчитать параметры цепи, используя п. 7, и записать полученные результаты в графу «Вычислено» таблиц 2 и 3.

6.2. Построить кривые U =F₁(I) для R ′′ _ВН = R_ВН1 + R_ВН2 =134 Ом и R ′ _ВН = R_ВН1 =100 Ом;

6.3. Построить кривые ∆Р =F₂(I) для R ′′ _ВН = R_ВН1 + R_ВН2 =134 Ом и R ′ _ВН = R_ВН1 =100 Ом;

6.4. Построить кривые η =F₃(I) для R ′′ _ВН = R_ВН1 + R_ВН2 =134 Ом и R ′ _ВН = R_ВН1 =100 Ом;

6.5. Построить кривые Р_ИСТ =F₄(I) и Р_ПР =F₅(I) для и R ′ _ВН = R_ВН1 =100 Ом;

6.6. Построить кривую γ_ОТОК =F₆(I) для и R ′ _ВН = R_ВН1 =100 Ом, пользуясь формулой
γ_О = (∆ А / А_ИЗМ)∙100% (см. п.2.2.) и данными из таблицы 2.

7. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ОБРАБОТКЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ПОСТРОЕНИЮ КРИВЫХ.

7.1. Определение внутреннего сопротивления R_ВН источника ЭДС Е и сопротивления приемника R_ПР электрической энергии:

Внутреннего сопротивления R_ВН источника ЭДС Е вычисляется по показаниям вольтметра V_Ц и амперметра А согласно формуле (1) пункта 2.3.1.:

(15)

Для определения R_ВН в режиме холостого хода необходимо воспользоваться формулой (15) в следующем виде:

Для того чтобы раскрыть неопределенность необходимо воспользоваться правилом Лопиталя (см. курс высшей математики):

Примечание. Значение R_ВН в режиме холостого хода определить как средне арифметическое значение из опытов 2−6.

Сопротивление приемника R_ПР вычисляется по показаниям вольтметра V_Ц и амперметра А согласно формуле: (16)

В режиме холостого хода

7.2. Определение мощности в электрической цепи:

Мощность, отдаваемая источником в цепь Р_ИСТ, вычисляется по показаниям вольтметра V_Ц и амперметра А согласно формуле:

(17)

Мощность, расходуемая во внутреннем сопротивлении R_ВН источника (мощность потерь) ∆Р, вычисляется по показаниям амперметра А согласно формуле:

(18)

Мощность ∆Р возрастает пропорционально току в квадрате и при коротком замыкании становится равной мощности источника (т.к. при к.з. U_ПР.КЗ =0, R_ВН = E/I_КЗ),

следовательно,

так как Р_ИСТ.КЗ = E∙I_КЗ, поэтому Р_ИСТ.КЗ =∆ Р_КЗ,

Мощность, потребляемая приемником (полезная мощность) Р_ПР, вычисляется по показаниям вольтметра V_Ц и амперметра А согласно формулам:

либо (19)

(20)

7.3. Определение коэффициента полезного действия.

Коэффициент полезного действия η передачи электрической энергии от источника к приемнику есть отношение полезной мощности приемника Р_ПР к мощности источника Р_ИСТ и вычисляется по формулам:

, либо (21)

(22)

В режиме холостого хода следует принять η= 100%, так как

7.4. Определение относительной погрешности γ_Оток измерения тока.

Относительную погрешность определяем по формуле:

γ_О = (∆ А / А_ИЗМ)∙100%, где (23)

∆ А − абсолютная погрешность, соответствующая классу точности прибора (см.2.2.).

7.5. Построение кривых U =F₁(I), ∆Р =F₂(I), η =F₃(I), Р_ИСТ =F₄(I), Р_ПР =F₅(I), γ_ОТОК =F₆(I).

7.5.1. Кривые U =F₁(I) строятся согласно формуле (1) и имеют вид как показано на рис. 12;

7.5.2. Кривые ∆Р =F₂(I) строятся согласно формуле (18) и имеют вид как показано на рис. 15;

7.5.3. Кривые η =F₃(I) строятся согласно формуле (21) и (22) и имеют вид как показано на рис. 16;

7.5.4. Кривые Р_ИСТ =F₄(I) и Р_ПР =F₅(I) строятся согласно формулам (17, 19, 20) и имеют вид как показано на рис. 17;

7.5.5. Кривая γ_ОТОК =F₆(I) строится согласно п.2.2 и имеет вид как показано на рис. 8.

8. ОБРАБОТКА ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ С ПОМОЩЬЮ ЭВМ.

Расчеты, необходимые для анализа полученных данных, можно произвести либо вручную (согласно п.7), либо с помощью ЭВМ в компьютерном классе (ауд. 310 и 316), где имеется пакет специальных прикладных программ для расчета линейных электрических цепей постоянного тока.

9. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Чему равны показания цифрового вольтметра, включенного к зажимам источника ЭДС, при замкнутой и разомкнутой цепи?

2. Каким образом включается в цепь амперметр и вольтметр и почему?

3. Чему равны показания амперметра, включенного в цепь при разомкнутой и замкнутой цепи?

4. Какое соотношение должно быть выполнено между R_ВН и R_ПР, чтобы на последнем выделялась максимальная мощность?

5. Чему равен КПД цепи при согласованном режиме?

6. Какой источник ЭДС лучше: с малым или большим внутренним сопротивлением?

7. В каком источнике ЭДС больше потери?

8. Как из опыта холостого хода и короткого замыкания определить внутреннее сопротивление источника ЭДС?

9. От чего зависит ток короткого замыкания?

10. Почему режим короткого замыкания опасен для источника ЭДС?

11. Чем отличается режим короткого замыкания от промышленного короткого замыкания?

12. Как определить ЭДС Е источника?

13. Какие требования предъявляются к электроизмерительным приборам?

14. Чем отличаются приборы магнитоэлектрической системы от электромагнитной системы?

15. Почему прибор магнитоэлектрической системы измеряет только постоянные токи или напряжение, а прибор электромагнитной системы как постоянные, так и переменные величины?

16. Каким образом можно расширить пределы измерения амперметра или вольтметра?

17. Как определяют цену деления приборов?

18. Как определить цену деления приборов, включенных через измерительные трансформаторы?

19. Как измерить мощность в электрических цепях?

20. Какую шкалу имеют магнитоэлектрические, электромагнитные и электродинамические приборы?

21. Что такое класс точности прибора?

22. Как связан класс точности прибора с абсолютной погрешностью?

23. Как определить абсолютную и относительную погрешности прибора?

24. В какой части шкалы прибора наиболее целесообразно проводить измерения и почему?

25. Где указывается класс точности прибора?

26. Каковы условные обозначения различных электроизмерительных систем и где они указываются на приборе?

ЛИТЕРАТУРА

1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника − М.: Высшая Школа, 1999г
2. Электротехника и электроника. Книга 3 − Электрические измерения и основы электроники. Под редакцией В.Г. Герасимова – М.: Энергоиздат, 1998г