Лабораторная работа 1 Исследование линейных электрических цепей постоянного тока
 Скачать 1.84 Mb.
|
Лабораторная работа №1 «Исследование линейных электрических цепей постоянного тока» Выполнил МГТУ им. Н.Э.Баумана Гр. Проверил Стенд № 2 Цель работы – исследовать режимы работы линейной электрической цепи постоянного то- ка, экспериментально определить внешнюю характеристику источника электрической энергии и параметры его схемы замещения, оценить влияние параметров элементов цепи на энергетические соотношения при различных режимах работы, ознакомиться с электроизмерительными прибора- ми. 1. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА Лабораторная работа выполняется на универсальном лабораторном стенде. Лицевая панель стенда показана на рис. 1. Она содержит блок генераторов с наборным полем (1), блок мультимет- ров (2), модель однородной длинной линии (3), коннектор (4), блок однофазного источника пита- ния (5), монитор компьютера (6). В нише стенда расположен набор мини блоков (7), соединитель- ные провода и перемычки (8). Рис. 1. Лицевая панель стенда. Однофазный источник (рис. 2) питается от трѐхпроводной однофазной сети (фаза, ноль и земля). В нѐм смонтированы устройство защитного отключения (УЗО) и автомат для защиты от перегрузки по току (1), блок розеток (2) для подключения внешних измерительных приборов и ос- циллографа. При включенном выключателе (1) горит индикатор (3). Блок генераторов с наборным полем (рис. 3), предназначен для формирования однофазных сигналов различной формы, регулируемых по амплитуде и частоте, формирования трѐхфазного напряжения и постоянных напряжений для питания исследуемых схем. Он содержит наборное по- ле (1) для сборки электрических схем с использованием набора мини блоков. Включение блока производится тумблером «СЕТЬ» (2). Синусоидальное, прямоугольное или импульсное напряже- ния на выходе генератора задается переключателем «ФОРМА» (3). Амплитуда выходного напря- жения устанавливается ручкой «АМПЛИТУДА» (4) в пределах от 0 до 12 В. Диапазон регулиро- вания частоты генератора напряжений специальной формы – от 0,2 Гц до 200 кГц. Частота уста- навливается ручкой потенциометра (5). При горящем состоянии светодиода частота меняется по декадам. При мигающем состоянии светодиода, частота меняется с минимально возможным ша- гом. Переключение между режимами производится путем нажатия на ручку потенциометра. 3 Рис. 2. Однофазный источник питания. Рис. 3. Блок генераторов с наборным полем. 4 Источник постоянных напряжений (6) предназначен для получения стабилизированных напряжений +15 В, -15 В и регулируемого напряжения от 0 до 13 В. Трехфазный генератор (7) представляет собой симметричный трехфазный источник пита- ния с действующим значением фазного напряжения 8 В. На лицевой панели блока указаны номинальные напряжение и ток каждого источника на- пряжения, а также диапазоны изменения регулируемых выходных величин. Все источники напря- жений имеют общую точку « », не соединѐнную с заземлѐнным корпусом блока. Источники за- щищены от перегрузок и внешних коротких замыканий самовосстанавливающимися предохрани- телями с номинальным током 0,2 А. О срабатывании предохранителя свидетельствует индикатор «I >». Наборная панель, расположенная справа от генератора напряжений служит для расположе- ния на ней мини блоков в соответствии со схемой данного опыта. Гнѐзда на этой панели соедине- ны в узлы, как показано на ней линями. Поэтому часть соединений выполняется автоматически при установке мини блоков в гнѐзда панели. Остальные соединения выполняются проводами и пе- ремычками. Мини блоки (рис. 4) представляют собой отдельные элементы электрических цепей (рези- сторы, конденсаторы, индуктивности диоды, транзисторы и т.п.), помещѐнные в прозрачные кор- пуса, имеющие штыри для соединения с гнѐздами наборной панели. +U пит. -U пит. Перегрузка Сброс 5 ,6 к О м 0,22 мкФ 2,2 Ом 2 Вт 4,7Ом 2 Вт 10 2 Вт 22 Ом 2 Вт 33 Ом 2 Вт 47 Ом 2 Вт 100 Ом 2 Вт 220 Ом 2 Вт 330 Ом 2 Вт 470 Ом 2 Вт 1 кОм 2 Вт 1 кОм 2 Вт 1 кОм 2 Вт 0,22 100 В мкФ 0,47 63 В мкФ 4,4 63 В мкФ 1,0 63 В мкФ 2,2 кОм 2 Вт мкФ 10 63 В мкФ 100 63 В 605 10 В 613 1 А 100 В 613 1 А 100 В 613 1 А 100 В 613 1 А 100 В 50 мА 33 мГн 50 мА 33 мГн 50 мА 100 мГн А + А + А + А + А + А + 1 2 4 5 6 13 12 14 9 11 5,6 В 10 0 мА m n А В С 604 2 А 250 В 7 10 15 47 Ом 2 Вт 47 кОм 2 Вт КТ503Г 8 600.17 3 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 кОм Рис. 4. Набор мини блоков: 1 – резисторы; 2 - конденсаторы; 3 – потенциометр; 4 – лампа сигнальная; 5 – индуктивности; 6 - стабилитрон; 7 – микропереключатель; 8 - транзистор; 9 - дио- ды; 10 - амперметр; 11 – фильтр обратного чередования фаз; 12-14 - трансформатор; 15 - интегра- тор. 5 Некоторые мини блоки содержат несколько элементов, соединѐнных между собой или бо- лее сложные функциональные блоки. На этикетках мини блоков изображены условные обозначе- ния элементов или упрощѐнные электрические схемы их соединения, показано расположение вы- водов и приведены основные технические характеристики. В табл. 1 приведены характеристики одноэлементных мини блоков, а ниже дано описание некоторых более сложных мини блоков. Таблица 1 Наименование и характеристики Кол. Наименование и характеристики Кол. 1. Резисторы МЛТ, 2 Вт, 5%: 2,2 4,7 10 Ом 22 Ом 33 Ом 47 Ом 100 Ом 220 Ом 330 Ом 470 Ом 1 кОм 2,2 кОм 47 кОм 3. Потенциометр СП4-2М 1 кОм 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 3 1 1 1 2. Конденсаторы К73-17 63…100 В: 0,22 мкФ 0,47 мкФ 1 мкФ 4,4 мкФ (2 по 2,2мкФ) SR-63 В, 10 мкФ SR-63 В, 100 мкФ 4. Лампа сигнальная СМН-10 55 5. Индуктивности: 33 мГн, 50 мА (09Р333J) 100 мГн, 50 мА (3 шт. 09Р333J) 6. Стабилитрон КС456А, 5,6 В 7. Микропереключатель (тумблер) 8. Транзистор КТ-503Г 150 мА, 60 В 9. Диоды КД 226 (1N5408) 1А, 100 В 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 4 Мини блоки «Амперметр» (6 шт.) (рис. 4.10) позволяют подключать амперметр в различ- ные ветви исследуемой электрической цепи без разборки схемы. Эти мини блоки устанавливаются в наборную панель в тех местах схемы, где требуется измерять токи. В крышку мини блока встроено гнездо коаксиального разъѐмного соединителя, а к мультиметру подсоединяется кабель (рис. 5) с соответствующим штырѐм. Рис. 5. Кабель для соединения мини блока «Амперметр» с мультиметром. Блок мультметров (рис. 6) предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. В блоке установлены 4 серийно выпускаемых муль- тиметра. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателями и предо- 6 хранителями на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также восемь предохранителей для за- щиты токовых цепей мультиметров. Рис. 6. Блок мультиметров. До подключения мультметра к цепи необходимо выполнить следующие операции: выбор измеряемой величины: V= (измерение постоянного напряжения), V (измерение действующего значения переменного напряжения), A= (измерение постоянного тока), A (измерение действующего значения переменного тока), или ; выбор диапазона измерений соответственно ожидаемому результату измерений; правильное подсоединение зажимов мультиметра к исследуемой цепи. 2. ЗАДАНИЯ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Задание 1. Исследовать неразветвленную электрическую цепь с одним источником энер- гии. Электрическая схема цепи приведена на рис. 7, монтажная схема – на рис. 8. Рис. 7. Электрическая схема (задание 1). 7 Рис. 8. Монтажная схема. Внимание. Исследуемые схемы смонтированы на наборном поле и подключены к из- мерительным приборам. При выполнении эксперимента не допускается самостоятельное изменение монтажной схемы. Исследуемая схема содержит нерегулируемый источник питания Е с внутренним сопротив- лением вн. R (на монтажной схеме это сопротивление не показано), постоянное сопротивление R (номинальное значение 470 Ом), ключ К, замыкание которого разрешает прохождение электриче- ского тока, и переменное сопротивление (потенциометр) var R Переменное сопротивление изме- няется от 0 Ом (ручка потенциометра повернута до упора против часовой стрелки) до 1000 Ом (ручка повернута до упора по часовой стрелке). К контрольной точке подключен мультиметр (третий справа), измеряющий напряжение источника 1 U К контрольной точке подключен мультиметр (второй справа), измеряющий напряжение на нагрузке 2 U Амперметр (первый справа мультиметр) подключен к миниблоку «Амперметр». 1. Убедиться, что стенд обесточен, все сетевые выключатели находятся в положении «вы- ключено», ключ К разомкнут (тумблер ключа в правом положении) и ручка потенциометра повер- нута до упора по часовой стрелке Ом 1000 var R 2. Включить однофазный источник (рис. 2,1), сетевой тумблер блока генераторов (рис. 3,2) и сетевые тумблеры мультиметров. 3. Измерить напряжение 1 U на холостом ходу (при разомкнутом ключе) и занести показа- ние в первую строку таблицы 1. 4. Замкнуть ключ K. Установить ручкой потенциометрам «рекомендуемое» напряжение 2 , 10 2 U В (строка №2). При установке допускается отклонение от рекомендуемого напряжения 8 не более, чем на 1 , 0 В. Занести реальное значение в графу 2 U [B], «установленное». Измерить ток и занести в строку №2 таблицы. 5. Последовательно устанавливая рекомендуемые напряжения, заполнить всю таблицу. Так как внутреннее сопротивление источника питания вн. R мало, то напряжение 1 U изменяется незна- чительно при изменении нагрузки. В этих условиях рекомендуется не измерять напряжение 1 U для строк №2 – 8, а ограничиться лишь напряжением 1 U при максимальном токе нагрузки (строка №9). 6. Разомкнуть ключ K и выключить тумблер «СЕТЬ» блока генераторов. 7. Вычислить мощность в нагрузке (правая строка таблицы 1). 8. Рассчитать внутреннее сопротивление источника вн. R , составив уравнение по 2-му зако- ну Кирхгофа для контура I (рис. 7). Значение Е взять из первой строки таблицы 1, а ток и напря- жение 1 U взять из 9 строки. Занести в таблицу 3 рассчитанное значение вн. R Таблица 1 Измерено Вычислено № Ключ К I [A] 1 U [B], 2 U [B], «рекомендуемое» 2 U [B], «установленное» 3 2 10 ) ( I U P [мВт] 1 разомкнут 0 E= 0 0 0 2 замкнут Н е и зм ерят ь 1 , 0 2 , 10 3 замкнут 1 , 0 5 , 9 4 замкнут 1 , 0 5 , 8 5 замкнут 1 , 0 5 , 7 6 замкнут 1 , 0 5 , 6 7 замкнут 1 , 0 5 , 5 8 замкнут 1 , 0 5 , 4 9 замкнут 1 U 0 9. Построить по точкам (таблица 1): - внешнюю характеристику источника питания ) ( 1 I f U с внутренним сопротивлением вн. R . Построение провести по двум точкам. Если значения Е и 1 U близки, то допускается по- строение внешней характеристики в виде горизонтальной прямой, проходящей через точку Е; - характеристику ) ( 2 I f U с искусственно увеличенным внутренним сопротивлением ; вн. вн. R R R - зависимость ) (I f P (при построении зависимости использовать расчетные значения из строк №2 – 8). Все зависимости должны быть построены на одном графике (рис. 9) с единым масштабом по оси тока. Внимание. При построении ) (I f P точки графика соединить плавной кривой таким обра- зом, чтобы просматривалась точка максимума мощности. Определить по графику максимальную мощность P Значение мощности P может быть немного больше максимального из значений в таблице 1. 9 Рис. 9. Характеристики источника Е. 10. Опустить из точки максимальной мощности вертикальную прямую до пересечения с осью токов и определить по графику значение тока I в точке пересечения. Отметить точку пе- ресечения вертикальной прямой с графиком ) ( 2 I f U и определить графически напряже- ние 2 U в этой точке. Найденные по графикам значения соответствуют согласованному ре- жиму работы. Занести P , I , 2 U в таблицу 2. Таблица 2 P [мВт] I [A] 2 U [B] 11. Определить по результатам опытов и занести в табл. 3: Таблица 3 E [B] вн. R вн. R [Ом] var R [Ом] а) ЭДС источника взять из первой строки таблицы 1. Искусственно увеличенное внутрен- нее сопротивление источника вн. R вычислить как , вн. вн. R R R где 470 R Ом. 10 б). Сопротивление резистора нагрузки var R соответствует режиму максимальной мощно- сти P (согласованный режим). Оно вычисляется как 2 var I U R в). КПД источника при согласованном режиме работы рассчитать по формуле 2 E U г). Рассчитать и занести в таблицу 4 значения мощности источника ист. P и сумму мощно- стей потребителей потр. P при согласованном режиме работы. Мощности рассчитать по формулам: Таблица 4 После выполнения всех расчетов результаты показать преподавателю. Задание 2. Исследовать разветвленную электрическую цепь с тремя источниками энергии 1 E , 2 E и var E . Электрическая схема цепи приведена на рис. 10, монтажная схема на рис. 11. Номинальные значения резисторов и источников приведены в таблице 5. Таблица 5 В , 1 E В , 2 E вн.1 R , Ом вн.1 R , Ом 1 R , Ом 2 R , Ом 3 R , Ом 4 R , Ом 5 R , Ом 15 15 2 2 100 330 1000 1000 33 Примечание. Внутренние сопротивления источников вн.1 R и вн.2 R на монтажной схеме (рис. 11) не показаны. Рис. 10. Электрическая схема (задание 2). ист. P [Вт] потр. P [Вт] ]. [ ) ( ; var вн. 2 потр. ист. R R R I P I E P 11 Рис. 11. Монтажная схема (задание 2). Порядок выполнения задания. 1. Отсоединить штекер провода источника питания +15 В от точки предыдущей схемы и соединить его с точкой исследуемой схемы. Предъявить схему для проверки преподава- телю. 1. Установить ручку регулятора источника var E в произвольное положение. Подключить щуп мультиметра (крайнего справа) к амперметру А1 (рис. 11). 2. Включить тумблер «СЕТЬ» блока генераторов. Измерить ток 1 I , результат занести в таб- лицу 6. 3. Перенести щуп мультиметра (крайнего справа) на амперметр А2 (рис. 11). Измерить ток 2 I , результат занести в таблицу 6. 4. Используя данные таблиц 5 и 6 провести вычисления всех параметров таблицы 6. Таблица 6 Измерено Вычислено 1 I [А] 2 I [А] 3 I [A] var E [В] ист. P [Вт] потр. P [Вт] Методические указания: - ток 3 I вычислить, применяя 1-й закон Кирхгофа для узла а, рис. 10; - ЭДС регулируемого источника var E вычислить из второго закона Кирхгофа для левого контура схемы, рис. 10; 12 - Составить уравнение баланса мощности для схемы, рис. 10, численные значения ист. P и потр. P занести в таблицу 6. После выполнения всех расчетов результаты показать преподавателю и, получив его раз- решение, выключить питание стенда. 4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что называется внешней характеристикой источника? Запишите уравнение внешней ха- рактеристики. 2. Как практически измерить ЭДС и внутреннее сопротивление источника? 3. Как с помощью внешней характеристики источника определить его ЭДС и внутреннее сопротивление? 4. Что такое согласованный режим работы источника? Чему равен КПД в таком режиме? 5. Выведите зависимость КПД источника с внутренним сопротивлением вн. R от сопротив- ления нагрузки н R 6. Выведите зависимость КПД источника с внутренним сопротивлением вн. R от тока на- грузки . I 7. Можно ли рассчитать КПД по внешней характеристике источника? Что для этого должно быть задано? 8. По какому принципу элементы электрической цепи подразделяются на источники и по- требители энергии? 9. Дайте определение активного и пассивного двухполюсников. 10. Дайте определение режимов работы источника (холостой ход, короткое замыкание, но- минальный, согласованный). 11. Покажите, что измерения, приведенные в таблице 3, отражают согласованный режим работы схемы. 12. Почему можно считать, что напряжение 1 U в первой строке таблицы 1 равно ЭДС ис- точника Е? 13. Измените направление тока 1 I в схеме (рис. 10) на противоположное и запишите урав- нение баланса мощности. 14. Измените направления токов 1 I и 3 I в схеме (рис. 10) на противоположное и запишите уравнение баланса мощности. 15. Как с помощью мультиметра измерить ток? 16. Как с помощью мультиметра измерить напряжение и сопротивление участка цепи? |