Цепи постоянного тока

Цель работы.

Исследовать режимы работы активного двухполюсника, подключенного к пассивному двухполюснику. Снять зависимости, оценивающие эффективность передачи энергии.

1. Объект и средства исследования

Объектом исследования служит электрическая цепь постоянного тока, состоящая из активного двухполюсника, подключенного к пассивному двухполюснику. Активный двухполюсник представлен эквивалентным генератором с ЭДС Е и внутренним сопротивлением R_вн, а пассивный двухполюсник - одним резистором с сопротивлением R_n (реостат).

В электрической цепи, представленной на рис.3.1 введены следующие обозначения:

А – амперметр, V – вольтметр, В₂ - выключатель. Сопротивление соединительных проводов принимается равным нулю. Источник ЭДС конструктивно состоит из трансформатора и выпрямителя. Линейное напряжение трехфазного трансформатора Тр, созданное на зажимах а – в,подается на вход двухполупериодного выпрямителя (VD1 – VD4), на выходе которого (клеммы 1 – 2) получаем постоянное (по направлению) напряжение. А,B,C, Х, Y, Z, а также х,y,z и a,b,c - клеммы первичных и вторичных обмоток (катушек) трехфазного трансформатора.

Рис 3.1 Рис 3.2

2. Подготовка к работе

2. Подготовка к работе

2.1 Ознакомиться с режимами работы активного двухполюсника, подключенного к пассивному двухполюснику, обратив внимание на режимы холостого хода, короткого замыкания, согласованный и номинальный.

2.2 При значении ЭДС Е_эк ≈ 20 В по значениям R_вн из табл.3.1 (значения сопротивлений с десятыми долями рассчитаны для параллельных соединений резисторов с номинальными значениями сопротивлений 100, 75, 45, 35, 30 и 18 Ом) и задаваемым значениям сопротивления нагрузки Rn рассчитать ток в цепи I, напряжение на приемнике U_v, мощность приемника P_п мощность источника ЭДС P_и и коэффициент полезного действия ή. Результаты расчета для 10 значений R_n записать в табл.3.2. Следует отметить, что резистор с номинальным значением 18 Ом может быть получен также, как было указано в лабораторных работах 1 и 2.

Таблица 3.1.

Номер варианта
Rвн, Ом	17.25		16.15	15.27	13.3	11.9

Таблица 3.2.

Задано	Вычислено
Rn, Ом	I, А	Un, В	Pn, Вт	Pи, Вт	ή
…
∞

2.3 По результатам вычислений построить совмещенные графики зависимостей Е_эк, U_n, P_n, P_и, ή и R_n/ R_вн от тока I.

На полученных графиках показать режимы холостого хода, короткого замыкания и согласованный режим работы. Расскажите, каким образом можно получить эти режимы экспериментально?

2.4 Определить для заданного варианта мощность приемника в согласованном режиме и показать, что она соответствует максимальной активной мощности пассивного двухполюсника.

Как Вы думаете, в каких электрических цепях используют согласованный режим работы?

2.5. Построить вольтамперные характеристики эквивалентного генератора в случае, когда R_п>> R_вн (источник ЭДС) и когда R_вн>> R_п (источник тока). Записать математически внешнюю характеристику реального источника электрической энергии.

3.Рабочее задание

3.1. Получить разрешение преподавателя на монтаж схемы.

3.2.Собрать схему (см.рис.3.1. и 3.2.) с заданным вариантом R_вн. В качестве R_вн по заданию преподавателя использовать резисторы, расположенные в правой нижней части стенда (Табл.3.1).

3.3 Пользуясь схемой рис.3.1, определить ЭДС источника Е_эк.

3.4 Подать напряжение на стенд.

3.5. Меняя сопротивление реостата R_n, получить режимы, близкие к рассчитанным в п.2.2 (начальное положение ползунка – середина реостата; движение ползунка – вниз и вверх от середины), исследуя при этом:

режим холостого хода(∞ ≤ R_п>R_согл) ;

режим, близкий к короткому замыканию (0 < R_n<R_согл );

режим оптимального согласования (R_п = R _вн = R_согл ) или согласованный режим.

Результаты измерений тока I и напряжения приёмника U_v записать в табл.3.3.

Таблица 3.3.

Измерено	Вычислено
Е, В	I, А	Uv, В	Rп,Ом		Pп, Вт	Pи, Вт	ή

3.6. Отключить напряжение от стенда.

3.7. Построить совмещенные графики зависимостей Е, U_v, P_п, P_и, ή от тока I.

3.8. Проанализировать режимы работы активного двухполюсника, сравнить опытные и расчетные данные.

Контрольные вопросы

1. Как оценивается эффективность передачи энергии электрической цепи?

2. Каким образом можно измерить ЭДС источника с помощью вольтметра?

3. Каково уравнение баланса мощностей электрической цепи, состоящей из источника электроэнергии и приемника?

4. В каком режиме источник электроэнергии развивает наибольшую мощность?

5. Что такое потери мощности и энергии в источнике питания и электрических сетях?

6. Почему выгодно передавать энергию на большие расстояния при высоком напряжении?

7. Как определить необходимое сечение проводов линии электропередачи?

Расчетные формулы:

U_п = E_экв - R_вн* I - напряжение на приемнике;

I = E_экв/(R_вн+ R_п) - ток в цепи;

P_п = R_п* I² = R_п* E_экв²/(R_вн+ R_п)² - мощность приемника;

P_и = E_экв* I = E_экв²/(R_вн+ R_п) - мощность источника ЭДС;

ή = Р_п / Р_п = R_п / (R_вн + R_п ) - коэффициент полезного действия;

R_n = U_n/I - сопротивление потребителя;

R_вн = (E_экв - U_n)/I - внутреннее сопротивление источника.

Библиографический список

1. Касаткин А.С. Электротехника. Уч. пособ. для неэлектротехнических специальностей вузов. М.: Академия, 2005, 539 с.

2. Касаткин А.С. Электротехника. Уч. пособ. для неэлектротехнических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 2003, 542 с.

3. Прянишников В. А. Электротехника и ТОЭ в примерах и задачах: Практическое пособие для высших и средних учебных заведений. М.: Корона, 2008, 366 с.