WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана А.И. Коцюбинский, В.В. Лаврентьев Исследования линейных электрических цепей постоянного тока.

Методическое указания к лабораторной работе № 1 по курсу “Электротехника и электроника” Под редакцией Ю.Н. Зорина Издательство МГТУ 1992 Оглавление Основные теоретические сведения………………………………………….3 Описание лабораторного стенда…………………………………………….9 Правила по охране труда……………………………………………………..11 Задание и порядок выполнения работы…………………………………….11 Отчет…………………………………………………………………………..14 Контрольные вопросы………………………………………………………..14 2 Цель работы – изучение основных свойств и законов линейных электрических цепей постоянного тока, экспериментальное определение параметров элементов исследуемой цепи и их оптимальных соотношений для обеспечения работы цепи в заданном режиме. Исследование влияния параметров элементов цепи на энергетические характеристики при различных режимах работы, а также изучение электроизмерительных приборов.

Основные теоретические сведения 1. Законы электрических цепей постоянного тока.

Функционирование любого электрического устройства сопровождается непрерывным изменением энергии источников электропитателя и потребителя (приемников). Этот процесс характеризуется определенными значениями токов и напряжений, основными соотношения между которыми устанавливаются фундаментальными законами электротехники – законами Кирхгофа и Ома. Кроме того, для каждого режима работы электрической цепи может быть записано уравнение баланса мощности, отражающее закон сохранения энергии для рассматриваемой цепи.

Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю:

I 0 (1) Для записи уравнения по первому закону Кирхгофа необходимо произвольно выбрать положительное направления токов во всех ветвях электрической цепи учитывать их со знаком “плюс”, если они направлены к выбранному узлу, и со знаком “минус”, если они направлены от этого узла.

Второй закон Кирхгофа. В любом электрически замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех резитионных элементов того же контура:

E IR (2) Часто в электрических цепях между узлами цепи имеются те или иные напряжения.

С учетом сказанного уравнения второго закона Кирхгофа в наиболее общем случае принимает вид:

E IR + U (3) Для записи уравнения (3) необходимо:

• выбрать положительное направления напряжений, ЭДС, токов;

• выбрать направление обхода контура;

• со знаком “плюс” учитывать те слагаемые, положительное направления которых совпадают с направлением обхода контура в противном случае – со знаком «минус».

Закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участках цепи. Для пассивного участка цепи, т.е. не содержащего источников, закон Ома можно записать в виде:

U I (4) R Уравнение баланса мощностей в соответствии с законом сохранения энергии формулируется следующим образом: суммарная мощность, отдаваемая всеми источниками электрической энергии, в цепь, должна быть равна мощности, потребляемой всеми приемниками, т.е.

Pист Pпр (5) Так как источники энергии в зависимости от условий работы могут не только отдавать мощность, но и потреблять ее (например зарядка электрического аккумулятора), то уравнения баланса мощностей составляют с учетом действительных направлений ЭДС напряжений и токов и записывают в общем случае так:

EI + UI EI + UI + I2R (6) В этом уравнении стрелками обозначены возможные взаимные направления ЭДС, напряжений и токов.

2. Основные характеристики и параметры источников электрической энергии.

Важнейшей характеристикой любого источника электрической энергии является его вольт-амперная (или внешняя) характеристика, которая представляет собой зависимость напряжения на клеммах источника от потребляющего тока (рис. 1а).

Основными параметрами этой характеристики являются: напряжение на клеммах источника в режиме холостого хода (I=0), называемое ЭДС источника E, и внутреннее сопротивление источника R0. При расчетах электрических цепей используют схему замещения источника энергии, которая может быть представлена последовательным соединением идеального источника ЭДС (напряжения) E и внутреннего сопротивления источника R0 (рис.1б).

U E источник потребитель -I 0 +I Рис. 1 (а) I E U Rпр RРис.1 (б) Внешнюю характеристику источника можно описать уравнением второго закона Кирхгофа U E - IR0 (7) Она представляет собой прямую линию, наклон которой к оси абсцисс зависит от значения R0.

При положительных значениях тока источник отдает мощность, поэтому напряжение U на его клеммах меньше E; при отрицательных – источник потребляет электрическую энергию, т.е. работает в режиме “потребителя” при этом U>E (см. рис. 1б).

Источник электрической энергии может работать в различных режимах:

холостого хода, когда I=0, а U=E;

номинальном;

короткого замыкания;

согласованном.

Основным режимом работы является номинальный, при котором потребляемый от источника ток I равен номинальному Iном.

Номинальный ток – это предельное значения, при котором длительная эксплуатация источника не вызывает выхода его из строя. Значения Iном указано в паспорте на источник.

Режим короткого замыкания возникает тогда, когда сопротивления нагрузки RН становится равным нулю, и ток в цепи ограничивается только сопротивлением R0. Этот режим для источника является аварийным, так как потребляемый ток значительно превышает номинальный. При токах нагрузки в диапазоне 0



Коэффициент полезного действия источника:

(8) P P UI UI P EI P + P UI + I2Rгде PП – мощность потерь на внутреннем сопротивлении источника (нагрев источника) Для мощных источников, когда передаваемая потребителем мощность достигает десятков и сотен киловатт, вопрос повышения КПД – важная технико-экономическая задача.

Для маломощных цепей (в технике слабых токов) на первый план в большинстве случаев выдвигают требования передачи от источника к потребителю максимально возможной мощности, при этом КПД не учитывают. Это условие может быть реализовано при равенстве внутреннего сопротивления источника R0 и сопротивления подключаемого потребителя, что доказано в теоретической части курса. Такой режим называют согласованным, и КПД при этом оказывается равным 0.5.

3. Электроизмерительные приборы и электрические измерения.

Общее требование ко всем электроизмерительным приборам – подключение их к контролируемой цепи не должно нарушать режим ее работы.

Для измерения в цепях постоянного тока используют приборы магнитоэлектрической системы. Принцип их действия основан на законе Ампера, согласно которому на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила.

Конструктивно магнитоэлектрический измерительный механизм (рис. 2) содержит постоянный магнит 1 с полосными наконечниками 2, обеспечивающими в воздушном зазоре равномерное магнитное поле. В ней размещена подвижная алюминиевая рамка 3 с расположенной на ней обмоткой 4, по которой протекает измеряемый ток. Внутри рамки находится неподвижный стальной цилиндр 5. С внешней целью обмотка 4 соединена при помощи спиральных пружинок 6, выполняющих роль токопроводников и упругих элементов, которые ограничивают угол поворота рамки в зависимости от протекающего через обмотку тока, а также осуществляют возврат стрелки в исходное положение. Таким образом, угол поворота рамки линейно зависит от протекающего через нее тока. С рамкой жестко связана стрелка 7, позволяющая проводить отсчет измеряемой величины по линейной шкале 8.

В настоящее время применяют и обращенную конструкцию измерительного элемента. В ней неподвижной является катушка, внутри которой на оси подвижной системы закреплен постоянный магнит. Такая конструкция является более надежной.

Напряжения измеряют вольтметром – измерительным прибором с подключенным к нему последовательно большим добавочным сопротивлением.

Током измеряют амперметром – измерительным прибором с подключенным к нему параллельно шунтом, обладающим малым сопротивлением.

На шкале прибора приведены различные условные обозначения по ГОСТ 2317-78 и СТ СЭВ 1051-78, наиболее существенные из которых представлены в табл. 1 и 2.

Таблица Система прибора Условное обозначение Магнитоэлектрическая с подвижной рамкой и механической противодействующей силой Магнитоэлектрическая с подвижным магнитом Электромагнитная с механической противодействующей силой Электромеханическая (без экрана) с механической противодействующей силой Таблица Условное обозначения Прибор Постоянного тока Постоянного и переменного тока Переменного однофазного тока Трехфазного тока 1,Класса точности Измерительная цепь прибора изолирована от корпуса и испытана под напряжением, равным 2 кВТ Прибор, рабочее положение шкалы 600 которого составляет угол в 600 к горизонту горизонтальное вертикальное Номинальная величина (предел измерения) – наибольшее значение величины, которое может быть измерено данным прибором.

Ценой деления прибора называют такое значение измеряемой величины, которое вызывает стрелки прибора на одно деление.

Погрешность измерений. Подключение измерительного прибора, обладающего конечным значением сопротивления, в электрическую цепь приводит к изменению режима ее работы. При этом прибор уже измеряет ток или напряжение, которые возникли в цепи после его подключения. Для уменьшения такого типа погрешностей необходимо, чтобы внутреннее сопротивление вольтметра было неизмеримо выше сопротивлений исследуемой цепи, а амперметра – ниже.

Кроме того, при измерениях имеет место погрешность, вызванная несовершенством самого измерительного прибора. Величина этой погрешности зависит от класса точности прибора.

Классом точности прибора называют стандартизированное значение основной приведенной погрешности прибора.

Фактическое значение основной приведенной погрешности определяет для каждого оцифрованного деления шкалы прибора при его проверке в контрольной лаборатории.

Aд - Aи ( ) A пр 100% 100% (9) Aном Aном где АД – действительное значение измеряемой величины;

АИ – измеренное значение, т.е. показание прибора;

A – абсолютная погрешность измерений;

Аном – номинальная величина прибора.

Соответствие прибора определенному классу точности гарантирует непревышение основной приведенной погрешности прибора по всей шкале одной из величин стандартизованного ряда. Электроизмерительные приборы выпускают следующих классов точности: 0,05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 4.0.

зная класс точности прибора и его номинальную величину, можно вычислить, наибольшую абсолютную и относительную погрешности измерений проводимых по всей шкале:

прAном A (10) 100% Aи Описание лабораторного стенда V SPV- + SV SPVRG R0…30 В A RPVSA R- + G PV Рис. Общий вид лабораторного стенда представлен на рис. 3.

Стенд содержит:

G1 – источник постоянного тока с регулируемым напряжением. Регулирование осуществляется потенциометром R5, расположенным в правом углу лабораторного стенда. Номинальный ток источника составляет 3 А;





G2 – нерегулируемый источник постоянного тока с номинальным током 2,5 А;

S1 – выключатель, предназначенный для подключения источника G(электрическая цепь, содержащая потенциометр R5, уже собрана на стенде);

S2, S3 – выключатели;

S4 – выключатель, предназначенный для подключения источника G2;

R1, R2 – резисторы, имитирующие сопротивление реальных элементов электрической цепи;

R3 – реостат, имитирующий сопротивление потребителя и состоящий из двух последовательно включенных реостатов, которые расположены в верхнем правом углу стенда;

В работе использованы щитовые электроизмерительные приборы магнитоэлектрической системы;

PV1 и PV2 – вольтметры с номинальным напряжением, равным 30 В и 15 В соответственно;

PA1 и PA2 – вольтметры с номинальным токами, равным 3 А и 1 А соответственно.

Правила по охране труда.

1. Работу требуется выполнять строго в соответствии с заданием и указанным порядком ее выполнения.

2. Перед сборкой электрической схемы необходимо ознакомиться с функциональным назначением всех органов управления (выключателей, кнопок и т.д.), используемых в данной работе, а также убедиться в том, что все источники электропитания отключены.

3. До проведения экспериментов необходимо проверить, что в собранной схеме все регуляторы и органы управления находятся в положении, отвечающим минимальному напряжению источников питания и максимальному значению сопротивления реостатов.

4. Собранную электрическую схему в обязательном порядке предъявить для проверки преподавателю.

5. При выполнении работы ЗАПРЕЩАЕТСЯ:

• включать схему без проверки преподавателя;

• касаться руками токоведущих частей стенда;

• пользоваться неисправными приборами и устройствами;

• осуществлять переключение электрических цепей, находящихся под напряжением.

Соблюдение указанных правил строго обязательно для каждого студента. После ознакомления с правилами необходимо расписаться в карточке-журнале группы.

За консультацией по всем вопросам проведения работы следует обращаться к преподавателю.

Задание и порядок выполнения работы Перед выполнением экспериментальной части работы необходимо ознакомиться с правилами охраны труда, порядком выполнения работы, а также получить разрешения преподавателя на проведение экспериментов.

Задание А. Определить параметры источника постоянного тока G2 (Е2 и R02) и построить его внешнюю характеристику U2=f(I1).

Ra IR+ PASA + PVV V S3 E2 GR3 U3 + PVRa U2 RRRв в Для этого необходимо собрать электрическую схему (рис. 4) и предъявить ее для проверки преподавателю.

1. Замкнуть выключатель S4 при выключенном S3.

2. Измерить и записать в табл. 3 показания PV1 и PV2.

Таблица I1, A U2, B U3, B P3, Bт 3. Замкнуть S3 и, изменяя сопротивление потребителя (нагрузку) R3 во всем возможном диапазоне, но так чтобы показания амперметра PA1 не превысило номинального значения 3 А, записать в таблицу 3 показания PA1, PV1, PV2 для пяти значений тока I1.

4. Построить в общих осях координат внешнюю характеристику источника U2=f(I1) по данным табл. 3.

5. Рассчитать и записать в отчет значения внутреннего сопротивления источника R02 и сопротивления R2 о результатам экспериментов.

6. сделать вывод о влиянии внутреннего сопротивления источника на наклон внешней характеристики, принимая значения резистора R2 в качестве дополнительного внутреннего сопротивления источника G2.

Задание Б. Исследовать согласованный режим работы линейной электрической цепи с одним источником.

Для этого необходимо воспользоваться результатам измерений, представленными в табл. 3.

1. Рассчитать зависимость мощности P3=U3*I1 и построить график P3=f(I1) на ранее построенных графиках U3=f(I1) и U2=f(I1), для чего провести дополнительную ось координат.

2. Вычислить значение сопротивления нагрузки R3, при котором в нагрузке выделяется максимальное мощность.

3. Сравнить полученное в п. 2 значение R3 с внутренним сопротивлением источника (R02+R2) (см. задание А) и сделать вывод о необходимом соотношении сопротивления источника и нагрузки для получения максимальной мощности в нагрузке.

4. Составить уравнение баланса мощности и рассчитать КПД для согласованного режима работы экспериментальной работы цепи, пользуясь соотношением (6) и (8).

Задание В. Исследовать режим работы линейной электрической цепи с двумя источниками.

Для этого необходимо собрать электрическую схему (рис. 5) и предъявить ее для проверки преподавателю.

1. Выяснить, от чего зависит значение и направление тока в неразветвленной цепи при отключенном сопротивлении нагрузки R3.

Для этого необходимо:

включить источники G1 и G2 с помощью выключателя S1 и S4;

измерить ток I2 в цепи, изменяя напряжение U1, в диапазоне 3…20 В не менее чем для шести его значений. Данные измерений занести в табл. 4;

построить график зависимости I2=f(U1).

RI1 R1 S2 IA + S1 + PA+ PAA U SI+ PVS3 + PVV R5 U1 V U2 E2 + Ga R02 - G1 U3 Rв - Таблица U1, В I2, А 2. Составить уравнение по второму закону Кирхгофа для исследуемой цепи.

Для этого требуется:

рассчитать аналитически точку пересечения графика I2=f(U1) с осью абсцисс и сравнить полученные результат с данным эксперимента;

указать на графике I2=f(U1) возможные режимы работы источников G1 и G(“источник” или “потребитель”).

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.