Лабораторная работа. Исследование источников постоянного напряжения и тока

Лабораторная работа №1

Исследование источников
постоянного напряжения и тока

Цель работы:
Изучить внешние характеристики независимых и зависимых (управляемых) источников постоянного напряжения и тока на ПК с помощью программы Electronics Workbench


.Теоретические сведения

Элементы электрических цепей (ЭЦ) можно разделить на активные и пассивные. К активным элементам относятся элементы генерирующими электрическую энергию. В ТЭЦ используют идеализированные независимые и зависимые (управляемые) источники напряжения и тока.
Независимыми источниками напряжения (рис.1.1) называют такие источники электрической энергии, напряжение на зажимах которых не зависит от тока, протекающего через них. Внутреннее сопротивление таких источников равно нулю.



а) б) в)


Рис. 1.1.Обозначение независимых источников напряжения.
Стандарт: а) Россия; б) США; в) Германия

Независимыми источниками тока (рис.1.2), называют такие источники электрической энергии, ток которых не зависит от напряжения на его зажимах. Внутреннее сопротивление таких источника равно бесконечности.






Рис. 1.2. Обозначение независимых источников тока.
Стандарт: а) Россия; б) США; в) Германия

Основной характеристикой источника напряжения и тока является его внешняя характеристика, представляющая зависимость напряжения на его зажимах от протекающего через него тока U(I). Внешние характеристики идеализированных источников напряжения и тока приведены на рис. 1.3.








Рис. 1.3. Внешние характеристики источника постоянного:
а - напряжения; б – тока.

В отличие от независимых идеализированные зависимые источники энергии имеют не одну пару зажимов, а две: входную управляющую и выходную, т.е. зависимые источники являются четырёхполюстниками. Различают зависимые источники напряжения и зависимые источники тока (табл.1.1).
Таблица 1.1
Зависимые источники напряжения и тока

n
Наименование
Обозначение
Ki

1
Источник напряжения управляемый напряжением (ИНУН)

U1 U2=K1U1
U2/U1

2
Источник напряжения управляемый током (ИНУТ)

I1 U2=K2I1
U2/I1

3
Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

U1 i 2=K3U1
I2/U1

4
Источник тока, управляемый током
I1
I2=K4I1
I2/I1


Коэффициент пропорциональности Кi называется коэффициентом управления, которым в зависимости от типа источника может иметь размерность сопротивления (ИНУТ), проводимости (ИТУН) или быть безразмерной величиной. Если управляющее воздействие такого источника равно нулю, то на выходе такого источника будет равно нулю напряжение или ток. Каждый активный элемент (подобно пассивному) характеризуется только одним параметром – напряжением или током на его выходных зажимах.
С помощью идеализированных активных и пассивных элементов, можно промоделировать любой реальный элемент электрической цепи – представить его в виде схемы замещения, которая с достаточной для данного элемента точностью отражает процессы, происходящие в таком элементе.
Реальный источник электрической энергии можно представить двумя схемами замещения: последовательной (рис.1.4, а) и параллельной (рис.1.4, б)







Рис.1.4. Схемы замещения реальных источников

Последовательная схема замещения реального источника (Рис.1.4,а) содержит последовательные соединения источника ЭДС (e,E) и внутреннего сопротивления Rвн. Параллельная схема замещения реального источника (Рис.1.4,б) содержит параллельное соединение источника тока (i,J) и внутренней проводимости Gвн=1/ Rвн. Обе схемы эквиваленты и в конкретных случаях пользуются той схемой замещения реального источника электрической энергии, которая позволяет проще и быстрее решить поставленную задачу.
Внешняя характеристика реального источника
U(I)=E-RвнI= J/Gвн-I/Gвн=( J-I)/Gвн.
апроксимируется прямой линией (рис.1.5)






Рис.1.5. Внешняя характеристика реального источника

В простейшем случае к реальному источнику подключается сопротивление нагрузки Rн (рис.1.6, а).










Рис.1.6. Схема нагуженного реального источника (а) и
его нагрузочные характеристики (б)

В сопротивлении нагрузки Rн ток I, напряжение Uн, мощность Pн и к.п.д. источника ( определяются по формулам:
13EMBED Equation.31415; 13EMBED Equation.31415; (1.1)

13EMBED Equation.31415; 13EMBED Equation.31415. (1.2)

В режиме холостого хода (ХХ) источника Rн=
· и в режиме короткого замыкания (К3) Rн=0 мощность в нагрузке не выделяется (Pн=0). Максимальная мощность в сопротивлении нагрузки выделяется при согласованном режиме работы, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника (Rн=Rвн).
13EMBED Equation.31415 (1.3)
При этом к.п.д. источника будет равен (=0,5=50%. В связи с таким низким к.п.д. согласованный режим широко применяется в проводной электросвязи, где используются малые мощности (до 10 Вт). В электротехнических установках большой мощности применяется режим работы, при котором Rн((Rвн, при этом достигается высокий коэффициент полезного действия системы передачи.

2. Предварительный расчёт

Для исследуемой цепи (рис.1.6,а) в соответствии с номером варианта задания (см. табл.1.2) рассчитать зависимости I(Rн), Uн(Rн), Pн(Rн), ((Rн) по формулам (1.1), (1.2).

Таблица 1.2
Исходные данные для предварительного расчёта.

Вар. №
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

Е, В
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60

Rвн, Ом
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60



Расчёты выполнить при Rн равном: 0,1Rвн; 0,5Rвн; Rвн; 1,5Rвн;
2Rвн; 4Rвн; 10Rвн. Результаты предварительного расчёта свести в табл.1.3.









Таблица 1.3.
Результаты предварительного расчёта и эксперимента.

Задано
Е = ....В; Rвн= ....Ом.

№
Rн
Rн,Ом
Предварительный расчёт
Результаты измерений




I,А
Uн,В
Рн,Вт
(
I,A
Uн,В
Рн,Вт
(

1
0,1RВН










2
0,5Rвн










3
Rвн










4
1,5Rвн










5
2 Rвн










6
4 Rвн










7
10Rвн











По результатам предварительного расчёта (см. табл.1.3) построить графики зависимостей I(Rн), Uн(Rн), Pн(Rн), ((Rн).

3.
·Порядок выполнения работы

3.1. Исследование идеального источника
постоянного напряжения

Производится загрузка программы EWB; раскрывается, каталог файлов папки Lab_TEC, загружается файл Lab1_1, при этом на дисплее монитора появляется схема, приведённая на рис.1.7.














Рис. 1.7. Исследование идеального источника постоянного напряжения

Устанавливается величина ЭДС. идеального источника напряжения согласно номера варианта (см. табл.1.1).
Изменяя сопротивление резистора R через 20% путём изменения положения движка этого резистора, записать показания амперметра М1 и вольтметра М2. Результат измерений занести в таблицу 1.3.


Таблица 1.3
Исследование идеального источника напряжения.
n
R,Ом
U,В
I,мА

1
200



2
400



3
600



4
800



5
1000



По результатам измерений построить внешнюю характеристику идеального источника напряжения U(I).

3.2. Исследование идеального источника постоянного тока

Загрузить файл Lb1_2, при этом на дисплее монитора появится схема, приведённая на рис.1.8.
Рис. 1.8. Исследование идеального источника постоянного тока


Установить величину тока источника тока I, равную 100 мА. Изменяя сопротивление резистора R через 20% путём изменения положения движка этого резистора, записать показания вольтметра М1 и амперметра М2 в табл. 1.4.

Таблица 1.4.
Исследование идеального источника тока

n
R,Ом
U,В
I,А

1
0



2
200



3
400



4
600



5
800



6
1000




По результатам измерений (см. табл.1.4) построить внешнюю характеристику идеального источника тока U(I).

3.3. Исследование ИНУТ
Загрузить файл Lb1_3, при этом на дисплее монитора появится схема, приведённая на рис.1.9.
Рис. 1.9. Исследование ИНУТ


Изменяя сопротивление резистора R путём изменения положения движка этого резистора, записать показания амперметра М1 и вольтметра М2 в табл.1.5.
Таблица 1.5
Исследование ИНУТ
n
R,Ом
U,В
I,mA
Rупр,Ом

1
200




2
400




3
600




4
800




5
1000





По результатам измерений (см. табл.1.5) построить внешнюю характеристику ИНУТ U(I).
Определить управляющее сопротивление Rупр=U2/I1.

3.4. Исследование реального независимого источника
Загрузить файл Lb1_4, при этом на дисплее монитора появится схема, приведённая на рис.1.10.







Рис. 1.10. Исследование реального источника


Установить значения сопротивлений резисторов Rвн согласно номера варианта (см. табл.1.1). Изменяя значения Rн, используемые в предварительном расчёте (см. табл. 1.2), записать показания амперметра М1 и вольтметра М2 в таблицу 1.2. По результатам измерений I и Uн рассчитать значения
13EMBED Equation.31415 и 13EMBED Equation.31415 (1.4)

и занести их в таблицу 1.2, а по ним построить графики I(Rн), Uн(Rн), Pн(Rн), ((Rн) вместе c графиками этих функций, полученных в результате предварительного расчета.
3.5. Дополнительное задание

Исследовать неразветвлённую цепь постоянного тока при согласном (рис.1.11,а) и встречном (рис.1.11,б) включении источников E1, E2 .

Рис.1.11. Исследование неразветвленной ЛЭЦ постоянного тока
с двумя источниками напряжения E1 и E2


Для получения схемы рис.1.11,а загружается файл Lb1_5 и измеряются ток
амперметром М1 и напряжение вольтметром М2. Для получения схемы рис.1.11,б загружается файл Lb1_6 и измеряется ток амперметром М1 и напряжение вольтметром М2.
Ток в первой и второй схемах рассчитываются соответственно по формулам:

13EMBED Equation.31415; UR3=IR3.

Знак «плюс» для первой схемы (рис.1.10,а), знак «минус» для второй схемы R2 (рис.1.10,б).



4. Содержание отчёта

В отчёте по лабораторной работе должны быть приведены:
4.1. Название и цель работы.
4.2. Электрические схемы исследуемых цепей.
4.3. Расчётные формулы.
. Результаты предварительного расчёта и эксперимента.
.Графики нагрузочных характеристик I(Rн),Uн(Rн),Pн(Rн),((Rн) и внешняя характеристика реального источника U(Iн).
. Выводы по результатам исследований.

5. Контрольные вопросы

. Перечислите все типы источников напряжения (ЭДС), имеющиеся в программе Electronics Workbench. Каковы их свойства и условные обозначения?
. Перечислите все типы источников тока, имеющихся в программе Electronics Workbench. Каковы их свойства и условные обозначения?
. Чему равно внутреннее сопротивление источника напряжения и источника тока?
5.4. Чем отличается неидеальные источники электрической энергии от идеальных?
. Как осуществить эквивалентное преобразование неидеального источника напряжения в неидеальный источник тока и обратное преобразование?
. Какие режимы работы неидеального источника Вы знаете?
. Что такое режим холостого хода и короткого замыкания реального источника?
. Что такое согласованный режим реального источника?
. При каком сопротивлении нагрузки в ней выделяется максимальная мощность?
Какие типы зависимых источников Вам известны?
5.11. Для чего применяются зависимые источники?
5.12. Как выполняется изменение параметров резисторов в программе EWB?
5.13. Как выполняется изменение сопротивление потенциометра в программе EWB?
Как осуществляется запуск схемы на расчёт (моделирование) в программе EWB?
Каким образом можно приостановить и остановить процесс моделирования в программе EWB?
5.16. Как выполняется регулировка параметров независимых источников электрической энергии в программе EWB?
5.17. Как выполняется изменение параметров зависимых источников электрической энергии?








13PAGE 14615



J

a)

J

б)

J

i

в)

U

б)

E

0

I

0

U

I

а)

ё

б)


i J Gвн





а)

RВН


Е

e

0

E

J

I

U

(

1 2 3 4 R/Rн

1


0,5

(

Pн

б)

Uн

Rвн

E

Rн

I

а)

13EMBED Word.Picture.81415

E



I

E

Rвн

Rн

а)

б)

R1

R2

R3

R1

R2

R3

E1

E1

E2

E2



Root Entry