Из формулы (11) видно, что 50% энергии источник отдает в приемник, а остальные 50% теряется в самом источнике (на его внутреннем сопротивлении).

Согласованный режим допустим и желателен в системах телемеханики, автоматики, телефонии и т.д., где необходимо выделение в приемнике максимально возможной мощности Р_{ПР МАХ}, 50% потерями в источнике можно пренебречь, так как такие системы потребляют малую мощность - порядка нескольких Ватт.

Для систем электроснабжения такой режим невозможен, потому что мощности источников энергии исчисляются мегаВаттами (МВт) и 50% потери в источниках будут чрезмерно велики.

Режим короткого замыкания (т.4) характеризуется тем, что сопротивление приемника становится равным нулю R_ПР = 0. Как правило, на практике это связано с перемыканием приемника электрической энергии проводником с очень малым сопротивлением (R_ПРОВОД = 0) – так называемое промышленное короткое замыкание, зачастую вызванное неправильной эксплуатацией электротехнических устройств, как например, электрические двигатели, трансформаторы, бытовая техника и т.д.

При R_ПР = 0 формула (3) трансформируется в следующее выражение:

0 = Е – R_ВН ∙I_КЗ , (12)

так как U_КЗ = R_ПР ∙I_КЗ = 0 ∙I_КЗ = 0

Как следует из выражения (12) ток короткого замыкания равен: (13)

Анализируя выражение (13), можно сделать следующий вывод: при Е = const (см. формулу 1) ток короткого замыкания (I_КЗ) может достигать очень больших величин из-за малого внутреннего сопротивления источника ЭДС, значительно превышающего номинальные токи (I_КЗ >> I_Н), поэтому режим короткого замыкания, как правило, является очень опасным и нежелательным режимом как для источника, так и для приемника. Однако в некоторых случаях режим короткого замыкания является номинальным для таких электротехнических устройств, как например, сварочные трансформаторы и генераторы, трансформаторы тока и др.

Действительно, современные источники ЭДС изготавливают с достаточно малыми внутренними сопротивлениями R_ВН. В идеальном случае R_ВН = 0, следовательно, U = E - 0∙I = E, т.е. напряжение на зажимах такого источника не зависит от величины нагрузки (рис. 13, прямая а) и его называют идеальным источником ЭДС.

U, [В]

E

1

U'_ВН

U''_ВН > U'_ВН

а

2

в

U'

U''< U'

с

[A]

0 I_НАГР I''_КЗ I'_КЗ I

Рис. 13. Внешние характеристики источников ЭДС Е.

а – для идеального источника ЭДС с R_ВН = 0;

в – для реального источника ЭДС с R'_ВН  0;

с – для реального источника ЭДС с R''_ВН > R'_ВН.

На рис. 13 показаны три внешние характеристики источников постоянной ЭДС Е с различными внутренними сопротивлениями R_ВН. Анализируя кривые а, в и с следует отметить, что в большинстве случаев предпочтительно иметь источник с внешней характеристикой – прямая а, затем прямая в и наихудший вариант – прямая с. Это объясняется тем, что чем больше падение напряжения внутри источника U_ВН, тем меньше напряжение на его зажимах (см. формулу 3 и рис. 13), а именно U = Е > U' > U'', при условии, что во всех трех случаях ток нагрузки I_НАГР (что соответствует суммарной потребляемой мощности приемников) одинаковый.

Согласно ГОСТа 721-77 напряжение на источниках постоянной ЭДС Е и на приемниках должно быть строго регламентировано (установлен номинальный ряд). Так, для источников постоянной ЭДС Е этот ряд: U_Н = 115 В, 230 В, 460 В и т.д., а для приемников на 5% ниже, что соответствует U_Н = 110 В, 220 В, 440 В и т.д.

При питании приемников таким напряжением, завод-изготовитель гарантирует наилучшие условия их работы (экономичность, долговечность и др.).

Если считать, что точка 1 прямой в соответствует номинальному напряжению приемников U', то при подключении тех же приемников к источнику с внешней характеристикой – прямая с, напряжение на приемниках становится ниже номинального U'' < U' - точка 2. Это приводит к нарушению нормальной работы приемника, например, если в качестве приемников взять электрические лампочки или обогревательные приборы, то они будут работать в полнакала.

Из опытов холостого хода и короткого замыкания можно определить экспериментальным путем используя формулу (13) внутреннее сопротивление источника ЭДС Е:

(14)

где Е – определяется по показанию вольтметра из опыта холостого хода, а I_КЗ –по показанию амперметра из опыта короткого замыкания.

3. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

3.1. Проработать литературу по данному разделу.

3.2. Подготовить бланк отчета, в котором дать перечень пунктов лабораторного задания. К каждому пункту начертить электрическую схему для проведения исследований и таблицу для записи экспериментальных и расчетных данных.

3.3. Записать формулы для проведения расчетов полученных экспериментальных данных.

3.4. Ответить на контрольные вопросы.

4. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Экспериментальным путем исследовать следующие режимы работы источника ЭДС Е:

4.1.1. − холостой ход − R_ПР→∞, I_X = 0, U_X = E;

4.1.2. − промежуточный режим − R_ПРMAX = R_ПР1 + R_ПР2 + R_ПР3;

4.1.3. − промежуточный режим − U = 1,25U_C;

4.1.4. −согласованный режим − R_ПР = R_ВН, I_C = I_КЗ /2, U_С=E/2, P_ПРМАХ;

4.1.5. − промежуточный режим − U = U_C /2 = E/4;

4.1.6. − режим короткого замыкания −R_ПР = 0, I_КЗ = Е/R_ВН, U_КЗ = 0.

4.2. Экспериментальным путем исследовать влияние изменения внутреннего сопротивления источника R_ВН на его внешнюю характеристику.

4.2.1. Снять внешнюю характеристику при R′′_ВН = R_ВН1 +R_ВН2 = 134 Ом;

4.2.2. Снять внешнюю характеристику при R′_ВН = R_ВН1 = 100 Ом.

5. ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАДАНИЕ

5.1. Снять внешнюю характеристику источника ЭДС Е с внутренним сопротивлением

R′′_ВН = 134 Ом.

Для этого собрать схему, представленную на рис. 14, где исследуемый источник ЭДС Е (Е, R′′_ВН) и приемник электрической энергии (R_ПР) включены последовательно.

После проверки электрической схемы преподавателем включить исследуемую цепь под напряжение. Цепь питается от регулируемого источника постоянного напряжения, выходные клеммы которого (+ и −) 0÷220 В расположены на горизонтальной панели стенда. Подача питания производится последовательно включением автоматического выключателя (расположенного справа внизу под откидной панелью), нажатием черной кнопки «ВКЛ» и белой кнопки «Постоянное». Перед включением питания необходимо убедиться, что черная ручка регулятора источника питания лабораторного трансформатора (ЛАТРа) находится в крайнем левом положении.

Установить внутреннее сопротивление источника R′′_ВН = 134 Ом. Для этого повернуть ручку регулируемого сопротивления с параметром 68 Ом в крайнее левое положение.

Нажать на белую кнопку (Кн), находящуюся на вертикальной панели стенда под переменным сопротивлением 150 Ом. Плавно поворачивая ручку ЛАТРа, установить ЭДС Е на входе исследуемой схемы с помощью цифрового вольтметра V_Ц.

Значение ЭДС Е устанавливается согласно таблице 1.

Таблица 1

№ стенда	1	2	3	4	5
Е, В	80	75	70	65	60

В процессе выполнения лабораторной работы измерить:

− ток I в цепи с помощью амперметра А (магнитоэлектрической системы);

− напряжение U на зажимах источника ЭДС Е с помощью цифрового вольтметра V_Ц.

Изменяя величину сопротивления приемника R_ПР от ∞ до 0 снять показания приборов А и V для шести исследуемых режимов:

5.1.1. Холостой ход − (R_ПР = ∞) − для этого необходимо разомкнуть электрическую цепь с помощью кнопки Кн, отжав ее, если она была утоплена;

5.1.2. Промежуточный режим − (R_ПРMAX = R_ПР1 + R_ПР2 + R_ПР3) − для этого необходимо сначала утопить кнопку Кн, если она была отжата, а затем повернуть рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3, находящиеся на вертикальной панели стенда, против часовой стрелки до упора (в крайнее левое положение) ;

5.1.3. Промежуточный режим − для этого рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3 плавно повернуть по часовой стрелке до тех пор, пока показания цифрового вольтметра V_Ц не будет равно U = 1,25U_C;

5.1.4. Согласованный режим − (R_ПР = R′′_ВН = 134 Ом) − для этого рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3 плавно повернуть по часовой стрелке до тех пор, пока показания цифрового вольтметра V_Ц не будет равно U_С =E/2;

5.1.5. Промежуточный режим − для этого рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3 плавно повернуть по часовой стрелке до тех пор, пока показания цифрового вольтметра V_Ц не будет равно U = U_C /2;

5.1.6. − Режим короткого замыкания − (R_ПР = 0) для этого рукоятки регулируемых сопротивлений R_ПР1, R_ПР2, R_ПР3 плавно повернуть по часовой стрелке до упора (в крайнее правое положение).

После проведения опытов занести полученные результаты в таблицу 2.

5.2. Снять внешнюю характеристику источника ЭДС Е с внутренним сопротивлением

R′_ВН = 100 Ом.

Провести опыты, аналогичные п. 5.1, и занести полученные показания приборов в таблицу 3 для R′_ВН = 100 Ом.

Для этого необходимо закоротить участок цепи ав с последовательно соединенными сопротивлениями R_ВН1 и R_ВН2, которые имеют соответственно сопротивления 34 Ом и 68 Ом.

R′′_ВН = 134 Ом Таблица 2

№

Режим работы цепи

Измерено

Вычислено

E

U

I

R′′ВН

RПР

РПР

РИСТ

∆Р

η

γоТОК

Примечание

B

B

A

Ом

Ом

Вт

Вт

Вт

%

%

1.

Режим холостого хода RПР=∞, IX = 0, UX = E

2.

Промежуточный режим RПРMAX = RПР1 + RПР2 + RПР3

3.

Промежуточный режим U = 1,25UC

4.

Согласованный режим RПР = R′′ВН, IC = IКЗ /2, UС=E/2

5.

Промежуточный режим U = UC /2

6.

Режим короткого замыкания RПР= 0, IКЗ =Е/R′′ВН, UКЗ = 0

R′_ВН = 100 Ом Таблица 3

№

Режим работы цепи

Измерено

Вычислено

E

U

I

R′′ВН

RПР

РПР

РИСТ

∆Р

η

γоТОК

Примечание

B

B

A

Ом

Ом

Вт

Вт

Вт

%

%

1.

Режим холостого хода RПР=∞, IX = 0, UX = E

2.

Промежуточный режим RПРMAX = RПР1 + RПР2 + RПР3

3.

Промежуточный режим U = 1,25UC

4.

Согласованный режим RПР = R′′ВН, IC = IКЗ /2, UС=E/2

5.

Промежуточный режим U = UC /2

6.

Режим короткого замыкания RПР= 0, IКЗ =Е/R′′ВН, UКЗ = 0

ВНИМАНИЕ! При проведении вышеперечисленных опытов величина ЭДС Е источника должна быть все время величиной неизменной. Для выполнения этого условия необходимо каждый раз перед очередным опытом по показаниям цифрового вольтметра V_Ц, включенного к зажимам источника (+ и −) убедиться, что ЭДС Е осталась постоянной. В противном случае с помощью ручки ЛАТРа вернуть значение ЭДС Е к своему исходному значению.

5.3. После проведения всех измерений отключит питание − нажать на красную кнопку «ВЫКЛ». Отдать на проверку преподавателю полученные результаты эксперимента и после проверки − разобрать исследуемую электрическую схему.

6. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА.

Все таблицы должны содержать аккуратно записанные исходные данные, данные замеров, результаты расчетов.

6.1. По результатам проведенных исследований (пункты 5.2. и 5.2.) рассчитать параметры цепи, используя п. 7, и записать полученные результаты в графу «Вычислено» таблиц 2 и 3.

6.2. Построить кривые U=F₁(I) для R′′_ВН =R_ВН1 +R_ВН2 =134 Ом и R′_ВН =R_ВН1 =100 Ом;

6.3. Построить кривые ∆Р=F₂(I) для R′′_ВН =R_ВН1 +R_ВН2 =134 Ом и R′_ВН =R_ВН1 =100 Ом;

6.4. Построить кривые η=F₃(I) для R′′_ВН =R_ВН1 +R_ВН2 =134 Ом и R′_ВН =R_ВН1 =100 Ом;

6.5. Построить кривые Р_ИСТ =F₄(I) и Р_ПР =F₅(I) для и R′_ВН =R_ВН1 =100 Ом;

6.6. Построить кривую γ_ОТОК =F₆(I) для и R′_ВН =R_ВН1 =100 Ом, пользуясь формулой γ_О = (∆А/А_ИЗМ)∙100% (см. п.2.2.) и данными из таблицы 2.

7. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ОБРАБОТКЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ И ПОСТРОЕНИЮ КРИВЫХ.

7.1. Определение внутреннего сопротивления R_ВН источника ЭДС Е и сопротивления приемника R_ПР электрической энергии:

Внутреннего сопротивления R_ВН источника ЭДС Е вычисляется по показаниям вольтметра V_Ц и амперметра А согласно формуле (1) пункта 2.3.1.:

(15)

Для определения R_ВН в режиме холостого хода необходимо воспользоваться формулой (15) в следующем виде:

Для того чтобы раскрыть неопределенность необходимо воспользоваться правилом Лопиталя (см. курс высшей математики):

Примечание. Значение R_ВН в режиме холостого хода определить как средне арифметическое значение из опытов 2−6.

Сопротивление приемника R_ПР вычисляется по показаниям вольтметра V_Ц и амперметра А согласно формуле: (16)

В режиме холостого хода