ТОЭ-УМК-бак. 11.11 (2к. 2 сес.) / Лаб. работы / Лаб. раб.2 источники

Лабораторная работа № 2.

Исследование источников электрической энергии постоянного тока.

Время для выполнения работы – 2 часа.

1. Цель работы:

1. Ознакомление со способами получения электрической энергии, режимами работы источников электрической энергии и их характеристиками.

2. Приобретение навыков сборки простых электрических схем и проведения несложных исследований электрических цепей.

2. Приборы и оборудование:

2.1 - источник постоянного напряжения;

2.2 – цифровые мультиметры;

2.3 - активные сопротивления (резисторы).

3. План работы.

3.1 Ознакомиться с назначением, видами источников электрической энергии и их характеристиками.

3.2 Исследовать источник постоянного тока.

3.3 Составить отчет о работе.

4 Указания и пояснения.

4.1 Общие сведения.

4.1.1 Источник электрической энергии (источник питания) – это преобразователь неэлектрической энергии в электрическую.

Механическая энергия преобразуется в электрическую в электромеханических генераторах постоянного и переменного тока; химическая – в гальванических элементах и аккумуляторах; световая – в фотоэлементах; тепловая в термопарах.

Источниками электрической энергии по отношению к потребителям являются также трансформаторы и выпрямители. Первые применяются в сетях переменного тока для изменения величины напряжения при передаче и распределении электроэнергии; вторые – для получения постоянного тока из переменного.

4.1.2 Источник электрической энергии характеризуется следующими величинами:

- электродвижущей силой (ЭДС) Е, которая измеряется в вольтах (В) и характеризует способность источника создавать ток во внешней цепи;

- внутренним сопротивлением r0, (Ом);

- напряжением на зажимах U, величина которого в реальном источнике

зависит от величины тока I, отдаваемого им в цепь и определяется выражением

U = Е – Ir0 (1)

- развиваемой мощностью Рист.;

Рист. = Е х I (2)

- отдаваемой приемникам электрической цепи мощностью Рпр.;

Рпр. = U х I (3)

Единицей мощности является ватт (Вт); 1 Вт = 1 В х 1 А = 1 Дж/с;

- коэффициентом полезного действия ;

= Рпр./Рист. = U х I/ Е х I = U/Е. (4)

4.1.3 Источники электрической энергии могут работать в разных режимах:

1) холостого хода - при разомкнутой цепи (сопротивление цепи R = , а ток в ней отсутствует);

2) номинальном – ток в питаемой цепи имеет значение, на которое рассчитаны ее элементы для работы весь срок их службы;

3) согласованном – внутреннее сопротивление источника электрической энергии и сопротивление питаемой цепи (сопротивление нагрузки) равны;

4) короткого замыкания – сопротивление нагрузки равно нулю, т.е. зажимы источника соединены накоротко, и напряжение на них также равно нулю.

1.4 Свойства источника электрической энергии определяет вольтамперная, или внешняя характеристика, - зависимость напряжения между его выводами U от тока I, т.е. U = f(I):

U = Е – Ir0, (5)

которой соответствует прямая на рис. 1,а. Уменьшение напряжения источника при увеличении тока объясняется увеличением падения напряжения на его внутреннем сопротивлении r0.

На рис. 1,б показана схема замещения источника электрической энергии.

а

б

Рис.1

При холостом ходе напряжение Uх. равно эдс источника Е; при коротком замыкании оно равно нулю, а ток короткого замыкания Iк.з. ограничен только внутренним сопротивлением источника:

Iк.з. = Е/r0 (6)

Участок внешней характеристики при отрицательных значениях тока соответствует зарядке источника (например, аккумулятора).

На рис. 2 дана схема замещения простейшей электрической цепи с нагрузкой Rн

Рис. 2

Во многих случаях внутреннее сопротивление r0 источника значительно меньше сопротивления нагрузки Rн, т.е. и потери напряжения на внутреннем сопротивлении малы; в этих случаях напряжение U на выводах источника практически не зависит от тока, что позволяет считать его равным эдс Е.

U = Е = const.

Источник с малым внутренним сопротивлением может быть заменен идеализированным, в котором r0 = 0. Такой источник называется идеальным источником эдс, или источником напряжения. Его внешняя характеристика приведена на рис. 3,а.

а б

Рис.3

В ряде случаев внутреннее сопротивление источника электрической энергии может быть значительно больше сопротивления внешней цепи.

В таких цепях ток

IE/r0 = Iк.з. = const, (7)

т.е. практически равен току короткого замыкания источника. Источник электрической энергии с большим внутренним сопротивлением можно заменить идеализированным, у которого r0 =. Такой источник называется идеальным источником тока. Его внешняя характеристика определяется выражением

I = = const (8)

и приведена на рис. 3,б.

Источник напряжения можно заменить источником тока и наоборот, используя соотношения

= E/r0 (9)

E = r0 (10)

Схемы замещения источников при таких преобразованиях даны на рис. 4.

Рис. 4

2 Указания по выполнению лабораторной работы.

2.1 Собрать схему для исследования источника электрической энергии (рис.5) используя в качестве внутреннего сопротивления r0 резистор R1, в качестве сопротивления нагрузки - переменный резистор R3.

Рис. 5

2.2 Провести опыт холостого хода, отключив сопротивление нагрузки.

2.3 Присоединить сопротивление нагрузки и, плавно изменяя его, снять вольтамперную характеристику источника электрической энергии.

2.4 Замкнуть выводы источника электрической энергии накоротко и провести опыт короткого замыкания.

Результаты опытов занести в таблицу 1.

Табл.1

Номер опыта	Измеренные величины		Вычисленные величины
	I	U	r0	Rн	Ри.	Рн.
1 (холостой ход)	0
2
3
4
5
6
7 (короткое замыкание)		0		0

2.5 Вычислить указанные в таблице величины.

2.6 Построить внешнюю характеристику источника электрической энергии U = f(I), используя удобные для построения масштабы тока и напряжения.

2.7. Задавшись двумя-тремя произвольными значениями тока нагрузки, найти по ВАХ напряжения источника при этих токах.

3. Контрольные вопросы.

3.1 Какие опыты позволяют определить эдс и внутреннее сопротивление источника электрической энергии?

3.2 Почему с увеличением тока нагрузки снижается напряжение на зажимах источника электрической энергии?

3.3 В каком случае источник электрической энергии принято считать источником напряжения?

Литература.

1. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники. – М.: АСАDЕМА, 2004.

2. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. - М.: АСАDЕМА, 2003.

6