Дослідження впливу навантаження на режими роботи джерела постійного струму

 

 

1. Дослідити вплив навантаження на основні характеристики передачі енергії джерелом постійного струму.

 

Короткі теоретичні відомості

 

Будь-яке електричне коло складається з джерела електричної енергії, споживача та лінії передачі і його можна представити електричною схемою, наведеною на рис. 4. 1.

 

Рис. 4. 1.

 

На цій схемі позначено:

Е – е. р. с. джерела енергії; r – внутрішній опір цього джерела; R – зовнішній опір електричного кола або опір навантаження. У випадку передачі енергії на значну віддаль опір лінії передачі можна добавити до опору r.

На підставі другого закону Кірхгофа можна записати

Е = I r + U, /4. 1/

де І – струм у колі; U – напруга на опорі навантаження.

Згідно з законом Ома струм І та напругу U можна виразити так:

 , /4. 2/

 . /4. 3/

При проходженні струму у колі буде мати місце спад напруги на внутрішньому опорі r, яке ще називають втратою напруги. Позначивши його  , будемо мати  .

Потужність джерела живлення при цьому дорівнює

 . /4. 4/

Враховуючи /4. 2/, потужність, що виділяється в опорі навантаження,

  або   /4. 5/

Рівняння /4. 5/ показує, що залежність   представляє собою квадратичну параболу, направлену вниз.

Втрата потужності на внутрішньому опорі

 . /4. 6/

Коефіцієнт корисної дії електричного кола

  /4. 7/

Розглянемо основні режими роботи електричного кола.

Режим холостого (неробочого) ходу. В цьому випадку   і тому

І = 0; U = E; U = 0; P1 = P2 = 0 i P = 0;  = 1.

Остання рівність пояснюється тим, що при холостому ході відсутні втрати потужності на внутрішньому опорі.

Режим короткого замикання. Коротке замикання має місце при R = 0. Для цього режиму

 ; U = 0; U = E;  ; P2 = 0 i P = P1;  .

При короткому замиканні струм у колі досягає максимального значення.

Режим узгодженого навантаження. Оскільки у двох розглянутих випадках корисна потужність Р2 = 0, то доцільно знайти умову, за якої ця потужність матиме максимальне значення. Зрозуміло, що ця потужність буде залежити від опору R за умови, що е. р. с. Е і внутрішній опір r будемо вважати незмінними.

З цією метою з рівняння /4. 5/ визначимо похідну   і прирівнюємо її до нуля:

 

або  .

Звідки виходить, що  .

Отже, потужність, що виділяється у зовнішньому навантаженні буде максимальною, коли опір навантаження   дорівнює внутрішньому опору джерела.

Такий режим роботи називають узгодженим режимом або режимом узгодженого навантаження.

Очевидно, в цьому випадку будемо мати:

 ;  ;  ;  ;

 ;   і  .

Режим узгодженого навантаження використовують у тих випадках, коли необхідно забезпечити максимально можливе значення вихідної потужності, не звертаючи увагу на величину к. к. д.

Такі режими роботи бувають доцільними в електронних пристроях, для яких характерні невеликі рівні потужності. Електричні системи великої потужності, наприклад, системи енергопостачання, працюють в режимі, близькому до режиму холостого ходу, що забезпечує їх високий к. к. д.

Графіки зміни Е,  ,  , Р1,  ,   і   в залежності від струму І, тобто від режиму роботи, зображені на рис. 4. 2.

 

Рис. 4.2

 

 

1. Провести вимірювання напруги і струму при зміні навантаження   в межах  ... 0.

2. За даними вимірювань і обчислень побудувати на одному графіку залежності Е, U,  ,  ,  ,   і  .

 

 

Для виконання лабораторної роботи використовується обладнання і вимірювальні прилади лабораторного стенда УИЛС. На набірному полі стенда скласти електричне коло, схема якого наведена на рис. 4. 5.

 

 

Рис. 4. 5

Напругу на вході кола, яка приймається рівною е. р. с. Е, беруть від джерела живлення на стенді. Її величину за вказівкою викладача виставляють в межах 10... 20 В повертанням ручки “Напряжение”. Опір r, що моделює внутрішній опір генератора, слід взяти рівним 51 Ом або 75 Ом. В якості опору навантаження   використовують магазин опорів, що розташований у верхній правій частині стенда. Приладами PV i PA є цифрові прилади із комплекту стенда.

 

 

1. Для дослідження впливу навантаження на режими роботи електричного кола необхідно:

зібрати електричне коло згідно зі схемою рис. 4. 5;

розімкнути перемичку П1 і виставити напругу, задану викладачем. Під час дослідів необхідно стежити, щоби напруга живлення не змінювалась;

записати покази приладів для режиму холостого ходу в табл. 1;

створити режим короткого замикання, поставивши перемички П1 і П2, і записати покази приладів;

знявши перемичку П2, під’єднати до джерела опір навантаження  ;

змінюючи дискретно за допомогою ручки величину опору  , записати до табл. 1 покази вольтметра для струмів 0, 2; 0, 4; 0, 5; 0, 6 і 0, 8 . При цьому поточніше виявити режим узгодженого навантаження;

2. Виконати обчислення величин, вказаних в правій частині табл. 1, і на одному графіку побудувати залежності E, U, U, P1, P2, P і  = f (I).

 

Таблиця 1

№ з/пРежим роботиВимірюванняОбчислення

Е,

ВІ,

АU,

Br,

ОмRн,

ОмU,

ВP1,

ВтP2,

Вт P,

Вт,

% 

1. Хол. хід 

 

2.

3.

4.

5. Узг. навант.

6.

7.

8.

9. КЗ0

 

 

1. Поясніть особливості роботи електричного кола у випадках:

а) холостого ходу;

б) короткого замикання;

в) узгодженого навантаження.

2. В якому режимі і чому к. к. д. має максимальне значення?

3. Що можна сказати про доцільність роботи в режимі узгодженого навантаження?

4. Дайте пояснення графіків, побудованих на основі результатів вимірювань і обчислень.

5. При якому струмі перетинаються графіки   і  ?

6. Чому системи енергопостачання працюють в режимі, близькому до режиму холостого ходу?

7. Чому буде дорівнювати к. к. д., якщо  ?