M02371

11

Назва	Система			Клас	Границя	Ціна
приладу				точності	вимірювань	поділки
	Умовне		Назва
	позначення

1.4.4 Скласти коло за схемою 1.1. З дозволу викладача увімкнути стенд. Змінюючи опір R1 перемиканням тумблерів S1.4… S1.1, виміряти потужність, струм та напругу для двох значень опору. Результати записати до табл. 1.2. Стенд вимикнути.

Рисунок 1.1 – Принципова схема електричного кола

Таблиця 1.2 – Дані досліду

Обчислено

Виміряно

Абсолютна

Відносна

Р,Вт

І, А

U,B

похибка

похибка

R,

Р,

∆Р,

∆І,

∆U ,

δP ,

δI ,

δU ,

Oм

Вт

Вт

А

B

%

%

%

1.5.Обробка результатів вимірювань

1.5.1.За даними вимірювань по табл. 1.1 обчислити абсолютну і відносну похибку. Результати порівняти і записати в табл. 1.2.

12

1.5.2.Користуючись законами Ома та Джоуля-Ленца, обчислити опір R та потужність Р споживача. Результати обчислень записати в табл. 1.2. Порівняти обчислене і виміряне значення потужності.

1.5.3.Зробити письмові висновки про те, в якій частині шкали стрілкового вимірювального приладу досягається найбільша точність вимірювань і як, виходячи з цього, треба вибирати прилад, а також про доцільну точність обчислень параметрів за даними вимірювань.

1.6.Контрольні запитання

1.6.1.Як вибрати електровимірювальний прилад?

1.6.2.Що таке границя вимірювань, як ії визначити для багато – Можного приладу, зокрема ватметра?

1.6.3.Що таке клас точності?

1.6.4.Що таке абсолютна похибка і від чого вона залежить?

1.6.5.Як по результатах вимірювань визначити істине значення

величини?

1.6.6.Що таке відносна похибка, від чого вона залежить?

1.6.7.Як визначити ціну поділки приладу?

1.6.8.Що означають умовні позначення на шкалі приладу? Поясніть на конкретнім прикладі.

1.6.9.Як підмикаються амперметри в коло? Чому?

1.6.10.Як підмикаються вольтметри в коло? Чому?

1.6.11.Поясніть схему під микання ватметра, Що означають зірочки на затискачах?

1.6.12.Що називається електричним колом? В якому разі воно виконує свої функції? З чого воно складається?

1.6.13.Що таке принципова схема?

1.6.14.Як враховується полярність джерел та приладів при складанні електричного кола?

1.6.15.Чому при складанні кола амперметри підмикаються у першу чергу, а вольтметр – у другу?

1.6.16. Назвіть всі відомі вам формули для обчислення опору споживача і його потужності, які ґрунтуються на законах Ома і Джоуля

–Ленца.

13

Лабораторна робота №2

ДОСЛІДЖЕННЯ РОБОТИ ДЖЕРЕЛА ЕЛЕКТРОЕНЕРГІЇ В РІЗНИХ РЕЖИМАХ

Мета: навчитися аналізувати роботу джерела за допомогою зовнішньої характеристики; засвоїти енергетичні співвідношення в колі постійного струму в різних режимах.

2.1Короткі теоретичні відомості

2.1.1Поняття про заступну схему електротехнічного пристрою та її параметри

Електричні кола складаються із різноманітних певним чином поєднаних між собою активних та пасивних елементів. Відрізняючись один від одного за призначенням, формою та іншими ознаками, з електричної точки зору вони мають властивості, що описуються обмеженим числом параметрів. Елементи кола постійного струму при його стаціонарній роботі можуть бути описані двома параметрами:

Е.Р.С. Е, В	та опором R , Ом.
Опір	R характеризує здатність елемента необоротно

перетворювати електричну енергію на якийсь інший вид, наприклад, тепло. Е.Р.С. Ехарактеризує здатність створювати і підтримувати різницю потенціалів за допомогою сил неелектричного походження.

Якщо роботу якого-небудь пристрою або елемента можна описати за допомогою одного параметру, такий елемент називається ідеальним. Наприклад, електричну лампу можна вважати ідеальним резистивним елементом R . Кожний реальний пристрій може бути представлений у вигляді набору ідеальних елементів, який з достатньою для даного випадку точністю відповідає його електричним властивостям. Така кількісна модель називається заступною схемою і є основою для розрахунку роботи електричного кола. Одному і тому ж пристрою можуть відповідати декілька різних заступних схем в залежності від того, які електричні явища потрібно врахувати в конкретних умовах.

2.1.2. Заступні схеми джерела електроенергії

Основна властивість джерела кількісно описується параметром е.р.с. Е. При проходженні по ньому струму джерело нагрівається. Це означає, що частина енергії, що виробляється в ньому, перетворюється

14

на тепло. Отже, його можна охарактеризувати двома параметрами: е.р.с. Еі опором RВ який прийнято називати внутрішнім. В деяких

випадках втратою енергії на нагрів можна нехтувати, тоді джерело вважається ідеальним і описується заступною схемою, яка містить

тільки один елемент – е.р.с. Е

.

Особливості роботи

джерела залежать від співвідношення між опором споживача Rcn і внутрішнім RВ . Якщо Rcn >> RВ то напруга на вихідних затискачах

джерела електроенергії мало змінюється із зміною струму навантаження. В цьому випадку використовують заступну схему у

вигляді джерела напруги (рис.2.1,а). У випадку, коли Rcn << RВ струм

через джерело можна вважати незалежним від опору споживача. При цьому використовують заступну схему у вигляді джерела струму

(рис.2.1,б). Чинне таке співвідношення: E = J RВ . Як правило джерело струму вживають в заступних схемах пристроїв промелектроніки.

a

a

Е I

Rcn

RВ

£

< <

RB

I

U Rcn

в

в

а) Rcn >> RВ

б) Rcn << RВ

Рисунок 2.1 - Заступні схеми реального джерела е.р.с. (а) та струму (б)

2.1.3. Зовнішня характеристика

Зовнішня характеристика джерела напруги являє собою залежність напруги на його вихідних затискачах U від струму, що проходить через джерело İ. Це по суті його вольт-амперна характеристика. Оскільки струм залежить від опору споживача

/наприклад, для схеми рис.2.1,а Ι = E /(RB + Rcn ) /, то іноді говорять,

15

що зовнішня характеристика – це залежність напруги джерела від навантаження.

Рівняння зовнішньої характеристики виводиться з другого закону Кірхгофа (див. схему на рис.2.1,а) і при умовах, що е.р.с.

джерела Е та його внутрішній опір RB - постійні величини, являє собою рівняння прямої (рис. 2.2).

U = E − RB I

(2.1)

RB1 = 0 , RB2 < RB3 .

Рисунок 2.2 – Зовнішні характеристики джерела напруги

У випадку, коли RB можна вважати рівним нулю, зовнішня

характеристика є абсолютно жорсткою, тобто напруга на вхідних затискачах джерела не залежить від навантаження і дорівнює е.р.с.

U = E (пряма Ι	на рис.2.2).			Чим більше	RB , тим м’якша зовнішня
характеристика,	тобто тим			більший її	нахил. Втрата напруги
∆U = E −U =RB Ι.					(2.2).
Звідси можна одержати формулу для обчислення внутрішнього
опору:		E −U
	R =				(2.3)
	B	Ι

У зварювальних джерелах живлення часто потрібно створювати дуже м’яку зовнішню характеристику. Це досягається зокрема послідовним підмиканням до джерела додаткового резистора. Регулюючи величину його опору, можна змінювати нахил і домогтись стійкого горіння зварювальної дуги.

16

2.1.4. Потужність і ККД в електричному колі

Швидкість перетворювання неелектричної енергії на електричну в джерелі характеризується потужністю джерела Pдж = E Ι.

Потужність нагріву самого джерела ∆P = RB Ι2 . В споживачах енергії

перетворюється на інші види (теплову, механічну, світлову тощо). Інтенсивність цих перетворювань характеризується потужністю

споживача P	= R Ι2cn =U	cn	Ι	cn	, де U	cn	, Ι	cn	- напруга і струм на
cn	cn

споживачі. З боку джерела проводи, що з’єднують його із споживачем, теж є споживачами. Під опором Rcn слід розуміти еквівалентний опір усіх елементів, які підмикаються до затискачів джерела. Потужність Pcn можна знайти і як суму потужностей кожного споживача

Pcn = ∑RK ΙK	2	, де RK , ΙK - опір то струм окремого споживача. Згідно
із законом зберігання енергії					Pдж = Pcn + ∆P .		Коефіцієнт корисної дії
джерела (ККД):			Pcn		Pcn
η =				100% =		100% .	(2.4)
					P + ∆P
			P
			дж		cn

2.1.5. Режими роботи електричного кола

Електричне коло (рис.2.1,а) в залежності від значення опору навантаження може перебувати в таких характерних режимах: номінальнім, холостого ходу та короткого замикання.

Вномінальнім режимі в електроустановці мають місце ті значення струмів і напруг, на які вона проектувалась. Вони показані в паспорті устаткування. При номінальнім струмі, напрузі і потужності забезпечується економічне виробництво і споживання електроенергії і гарантується термін служби, де вказано заводом-виробником.

Велектричних колах постійного струму узгоджений режим роботи джерела і споживача має місце при умові рівності внутрішнього

опору джерела опору споживача: RB = Rcn . При цьому в споживачі виділяється максимальна потужність Pcn = Rcn Ι2 = max . В цім легко

17

переконатися, якщо дослідити функцію потужності на екстремум при змінному опорі споживача. Коефіцієнт корисної дії

η =	P	=	R Ι2		E R		=	R	R = 0,5
	P		E Ι	= (R		+ R )E		R
	cn		cn			cn		cn
	дж				cn	B		B+	cn

Узгоджений режим вживається у тих випадках, коли треба отримати якнайбільшу потужність в споживачі, а ефективність передачі енергії відіграє другорядну роль, наприклад, в радіоелектроніці або в контактному зварюванні.

Режим неробочого ходу відповідає відсутності струму навантаження і здійснюється відмиканням споживача від джерела (рис.

2.3,а). Можна вважати, що опір навантаження Rcn = ∞ . Напруга на

вихідних затискачах джерела у відповідності із (2.1) дорівнює е.р.с. джерела. В розгалуженому колі при відмиканні або обриві одного з елементів струм через джерело змінить своє значення, але не дорівнюватиме нулю. Напруга на розімкнених затискачах в колі теж, як правило не нульова.

Е	E	Iк.з

Rcn

Rcn

RB

RB

а)

б)

Рисунок 2.3 – Заступні схеми електричного кола при неробочому ході (а) і короткому замиканні (б)

В режимі короткого замикання затискачі джерела з’єднуються між собою накоротко (рис.2.3,б). Це може статися, наприклад, під час пробою ізоляції між прямим і зворотнім проводом, що з’єднує джерело із споживачем, при замиканні затисків споживача провідником з дуже малим опором, при зіткненні зварювального електроду з виробом тощо. Оскільки електричний струм проходить по шляху з найменшим опором, то закорочений споживач не буде приймати участі в роботі

схеми і можна вважати, що Rcn = 0 . Тоді струм через джерело досягає

18

максимального значення ΙК.З = E / RB , а напруга на його вихідних затискачах U=0. Вся енергія, яка вироблена джерелом, перетворюється на тепло усередині його: EΙ = RB Ι2К.З . Це приводить до перегрівання і

навіть до пошкодження джерела. Великий струм руйнівно впливає на вимірювальні прилади, що вмикаються послідовно. Для джерела живлення зварювальної дуги коротке замикання – це режим, близький

до номінального Ιном = 0,7 ΙК.З і не є аварійним.

Коротке замикання може статися не тільки на вихідних затискачах джерела. Будь-який елемент або ділянка кола може закорочуватись. Це еквівалентно паралельному підмиканню до нього резистора з R=0.

2.2. Опис лабораторної установки

Для виконання лабораторної роботи на стенді є:

-джерело постійного струму Е1, яке вмикається тумблером S4;

-змінні резистори R1 і R2 та постійний R5;

-амперметр постійного струму А8, А9;

-вольтметр постійної напруги V2.

2.3.Робоче завдання

2.3.1.Вмикнути стенд і тумблер S4. Виміряти напругу на затискачах джерела Е1 в режимі неробочого ходу і записати її у табл.

2.1.Тумблер S4 і стенд вимикнути.

2.3.2.Скласти коло, схема якого зображена на рис. 2.4,а.

2.3.3.З дозволу викладача вмикнути стенд і тумблер S4. Змінюючи опір резистора R2 вмиканням тумблерів S2.4…S2.1 виміряти в кожному випадку напругу на затискачах джерела та силу струму через нього. Результат вимірювань занести в табл.2.1. Тумблери і стенд вимикнути.

19

			в		R5	m	PA8
			PA8
	Е1	PV1	R2		Е1	PV1	R2
			у			n
		а)				б)
	Рисунок 2.4 – Принципові схеми електричних кіл для зняття
зовнішніх характеристик: а – жорсткої;					б – м’якої
	Таблиця 2.1 – Дані досліду
			Кількість тумблерів, що
Назва режиму			Н.х.	вмикнуті			к.з.
			0	1	2	3	4
Виміряно	Коло	U, B					-
	Коло	U, B					-
	без	I, A
	R5
	з R5	I, A
		Pдж,
Обчислено		Bт
для кола з		Pсn,
	R5	Bт
		ŋ, %

2.3.4.Скласти коло за рис. 2.4,б. Резистор R5 відіграє роль додаткового внутрішнього опору. Тому вихідними затискачами джерела треба вважати точки “m”, “n” (на схемі 2.4,б).

2.3.5.Повторити п.2.3.3.

2.3.6.Здійснити коротке замикання споживача. Для цього замкнути проводом затискачі “в”, “у” у резистора R2, або вихідний провід з амперметру А8 безпосередньо з’єднати із точкою “у”.

Вмикнути тумблер S4. Покази вимірювальних приладів записати в

20

табл. 2.1. Тумблер вимикнути, провід, який з’єднує точки “в”, “у”, забрати.

*2.3.7. Вмикнути тумблер S4. За допомогою тумблерів S2.4…S2.1 встановити деяке значення струму. Записати деякі показання приладів в табл. 2.2. Вимикнути S4. Підмикнути до R2 паралельно резистор R1. Вмикнути S4 і записати покази приладів в табл. 2.2. Стенд і тумблер S4 вимикнути.

Таблиця 2.2 – Дані досліду

	Коло з R2			Коло з R1 та R2
U, B		Ι, A	U, B		Ι, A

2.4. Обробка результатів вимірювання та оформлення звіту

2.4.1.Обчислити внутрішній опір для схем, зображених на рис.

2.4, а, б.

2.4.2.Визначити опір навантаження і струм узгодження режиму

для схеми 2.4,б. Обчислити потужність джерела Рдж , споживача Рсп і

ККД (ŋ) за даними вимірювань для схеми 2.4,б. Все записати в табл. 2.1.

2.4.3. Побудувати на однім полі графіки м’якої та жорсткої зовнішніх характеристик. Побудувати на однім полі графіки

залежностейРдж (Ι), Рсп (Ι), ŋ(Ι). Показати на всіх графіках точки н.х.,

к.з., узгодженого режиму.

2.4.4. Порівняти дані табл. 2.2 та зробити письмовий висновок про те, як і чому змінюється напруга на джерелі при підмиканні до нього додаткових споживачів.

*2.4.5. За даними вимірювань по п.2.3.7, а також відомими значеннями Е1 та його внутрішнього опору, обчислити значення опорів R1, R2, R5 та струмів через R1 і R2.

2.5.Контрольні запитання

2.5.1.Дайте визначення параметрів R та Е.

2.5.2.Які елементи називаються ідеальними?

2.5.3.Що таке заступна схема?

2.5.4.Зобразіть заступні схеми джерела електроенергії у вигляді джерела напруги та струму. У яких випадках вони використовуються?