Лаба й. ТОЭ.Лаб.работы.Часть I. Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсу для студентов дневной, заочной и сокращенной формы обучения
 Скачать 4.83 Mb.
|
Часть электрической цепи с двумя выделенными зажимами (полюсами) называется двухполюсником. Двухполюсник, содержащий источники электрической энергии, называется активным, а двухполюсник, не содержащий источников электрической энергии — пассивным. На рисунках 1, 2 приведены обозначения активного и пассивного двухполюсников.
В тех случаях, когда необходимо определить напряжение или ток в определенных участках цепи, а другие токи и напряжения в этой цепи интереса не представляют, используют метод эквивалентного генератора. Для этого фрагмент схемы, ток через который или напряжение на полюсах которого требуется вычислить, рассматривают как пассивный двухполюсник (выделяют из цепи), а всю остальную часть схемы, внешнюю по отношению к выделенному участку, представляют активным двухполюсником (рисунок 3, б).
Дальнейшие действия сводятся к корректной замене активного двухполюсника эквивалентным источником энергии, то есть таким, который обеспечивал бы на полюсах исследуемого фрагмента такой же ток и такое же напряжение , что и в исходной схеме. Рассматриваемый метод применяют в двух модификациях — активный двухполюсник заменяют эквивалентным источником напряжения (рисунок 3, а) или эквивалентным источником тока (рисунок 3, в). Правила, по которым производится указанная замена, устанавливают теоремы об эквивалентных источниках — теорема Тевенена для источника напряжения и теорема Нортона для источника тока. Так, эквивалентный источник напряжения (согласно теореме Тевенена) состоит из двух элементов — эквивалентного источника ЭДС и эквивалентного сопротивления . Эквивалентный источник тока (согласно теореме Нортона) также состоит из двух элементов — эквивалентного генератора тока и параллельно подключенного к нему эквивалентного сопротивления . Это сопротивление в обоих представлениях одинаково. Таким образом, метод эквивалентного генератора позволяет заменить внутреннюю схему активного двухполюсника всего лишь двумя элементами с обобщенными параметрами и в случае источника напряжения, и в случае источника тока. При известных значениях этих параметров ток в выделенной ветви, например, ветви « » (рисунок 3), определяется на основании закона Ома: , , (1) где — сопротивление выделенной ветви, — внутренняя проводимость источника тока. Способ определения обобщенных параметров , активного двухполюсника в символической форме представлен на рисунках 4, 5.
Так, ЭДС , согласно рисунку 4, равна напряжению холостого хода , которое возникает между полюсами « » и « » двухполюсника при отключении нагрузки . Ток источника тока, согласно рисунку 5, равен току короткого замыкания , возникающему в проводе, которым замыкают накоротко выводы « » и « » двухполюсника.
Внутреннее сопротивление источника представляет входное сопротивление соответствующего активного двухполюсника по отношению к зажимам « » и « ». Оно равно сопротивлению такого пассивного двухполюсника, который может быть образован из исходного исключением всех источников энергии, находящихся внутри него. При этом подразумевается, что источники ЭДС в ветвях активного двухполюсника в процессе исключения следует закоротить, а ветви, содержащие источники тока, разомкнуть. Пример такого преобразования демонстрируют схемы на рисунке 6. Формулы (1), согласно вышесказанному, могут быть преобразованы в следующие: , , (2) где , а параметры , , определяются расчетным путем или экспериментально. В последнем случае величины , находят непосредственно по показаниям приборов (вольтметра и амперметра), проводя опыты холостого хода и короткого замыкания согласно схемам рисунков 4, 5, а входное сопротивление определяют косвенно по результатам обоих опытов. Так, при (опыт короткого замыкания) из формул (2) получаем , . (3) 5.1.2 Энергетические процессы в активном двухполюснике, режимы работы При анализе процессов, происходящих в цепи активного двухполюсника и условий передачи энергии от него к нагрузке, выделяют следующие режимы работы: 1) Режим холостого хода ( ), при котором потребитель отключен, ток через выделенные зажимы отсутствует, напряжение на разомкнутых зажимах наибольшее. 2) Режим короткого замыкания ( ), при котором выделенные зажимы замкнуты накоротко, напряжение на них равно нулю, в цепи протекает ток короткого замыкания. 3) Согласованный режим ( ), при котором сопротивление нагрузки равно входному сопротивлению активного двухполюсника. В этом случае нагрузке передается наибольшая полезная мощность при коэффициенте полезного действия (КПД) равном 0,5. 4) Оптимальный режим ( ), в котором обеспечиваются наилучшие условия передачи энергии от активного двухполюсника нагрузке. КПД здесь может достигать значений 0,95 0,97. Для анализа вышеуказанных режимов работы цепи можно использовать схему замещения двухпроводной линии электропередач, представленную на рисунке 7. Здесь элементы символизируют сопротивления проводов линии, и — напряжения в начале и в конце линии. Определим мощность потерь и КПД линии формулами , , (4) где — мощность в начале линии, — мощность в конце линии. Поскольку , , то из формул (4) следует , . (5)
Величины , , , , и называются энергетическими характеристиками линии электропередач. 5.2 Пояснения к лабораторной установке Лабораторная работа выполняется на универсальном лабораторном стенде. Источник ЭДС представляет собой выпрямительный мост, запитанный от сети переменного тока с напряжением в 36 В, источники ЭДС и — мосты, запитанные через лабораторный автотрансформатор, позволяющий плавно изменять величину подводимого напряжения в пределах (0 80) В. В качестве сопротивлений используются проволочные реостаты, в качестве сопротивления нагрузки (при моделировании линии электропередач) — переменный резистор, расположенный на стенде. Токи в ветвях цепи измеряются с помощью амперметров , , , установленных на стенде, напряжения — с помощью внешнего вольтметра со щупами или с помощью вольтметров , , также установленных на стенде. Переключатели , и позволяют выключать из цепи источники , и соответственно 5.3 Порядок выполнения работы 5.3.1 Экспериментальная проверка теоремы об эквивалентном генераторе 1) Для схемы рисунка 8 теоретически рассчитать параметры активного двухполюсника , ( , ) и ток в выделенной ветви. Значения сопротивлений пассивных участков цепи , , , , и внутренних сопротивлений , источников ЭДС , взять из предыдущей лабораторной работы (величины , , , , и , соответственно). Значение ЭДС принять равным 36 В, значение ЭДС и фрагмент цепи для расчета тока (выделенный участок) указывает преподаватель или лаборант. Для расчетов использовать формулы (1). Результаты вычислений занести в таблицу 1.
Таблица 1 – Результаты теоретического расчета параметров эквивалентного генератора и токов в ветвях схемы
2) Зная ток , рассчитать остальные токи цепи , , , принимая за положительные направления этих токов направления, указанные на схеме рисунка 8. Для расчетов использовать любые методы анализа цепей постоянного тока. Результаты вычислений оформить в таблицу 1. 3) Установив с помощью автотрансформатора заданное значение ЭДС , по схеме рисунка 8 собрать электрическую цепь для экспериментальной проверки теоремы об эквивалентном генераторе (монтаж схемы производить при отключенных источниках питания). Значения ЭДС и записать в таблицу 2. Таблица 2 – Данные измерений и результаты расчетов параметров эквивалентного генератора и токов в ветвях схемы
4) Измерить токи в цепи в режиме нагрузки. Результаты измерений занести таблицу 2. 5) Отключив выделенную ветвь от остальной части цепи, в режиме холостого хода измерить напряжение на зажимах образовавшегося активного двухполюсника. 6) Закоротив зажимы активного двухполюсника, произвести измерение тока короткого замыкания . Результаты измерений величин и занести в таблицу 2. 7) Из опытов холостого хода и короткого замыкания определить параметры эквивалентного источника и , а также ток в выделенной ветви . Для расчетов использовать формулы (2), (3). Результаты вычислений оформить в таблицу 2. 8) Сравнить результаты теоретического расчета параметров эквивалентного генератора и токов в цепи (таблица 1) с аналогичными экспериментальными результатами из таблицы 2. Сделать вывод. 5.3.2 Исследование режимов работы электрической цепи, представленной активным двухполюсником 1) С помощью автотрансформатора установить заданное значение ЭДС в цепи (рисунок 9). Величину ЭДС указывает преподаватель или лаборант.
2) По схеме рисунка 9 собрать электрическую цепь для исследования режимов работы активного двухполюсника. 3) Изменяя величину сопротивления нагрузки от значения (режим короткого замыкания) до (режим холостого хода), измерить ток в линии, напряжение на входе линии и напряжение на зажимах нагрузки (8–10 измерений). Результаты эксперимента занести в таблицу 3. Таблица 3 – Данные измерений и результаты расчетов параметров активного двухполюсника и его энергетических характеристик
4) На основании формул (3) определить входное сопротивление двухполюсника. 5) Рассчитать мощности в начале и в конце линии ( и ), величину потерь и КПД . Для расчетов применить формулы (5). Результаты вычислений оформить в таблицу 3. 6) По результатам эксперимента (таблица 3) построить графики зависимостей , , , , , , используя которые, проанализировать режимы работы активного двухполюсника. Сделать выводы. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||