Дослідження активного двополюсника

Л а б о р а т о р н а р о б о т а № 5

ДОСЛІДЖЕННЯ АКТИВНОГО ДВОПОЛЮСНИКА

Мета роботи

Вивчення властивостей активного двополюсника.

 

Головні задачі дослідження

 

Експериментальне та теоретичне дослідження активного двополюсника, перевірка теореми про активний двополюсник, виявлення оптимальних умов передачі електричної енергії від активного двополюсника пасивному.

 

Робоче завдання

 

1.Скласти електричне коло, зображене на рис.5.1.

 

 

а) б)

 

Рис.5.1 Монтажна (а) та принципова (б) схеми.

 

2.Провести досліди неробочого ходу та короткого замикання, визначити напругу неробочого ходу U_нх та струм короткого замикання I_к. При досліді неробочого ходу R_н = ∞, при короткому замиканні Rн = 0. За результатами досліду визначити параметри еквівалентного генератора Е_ег=U_нх,R_ег= U_нх /I_к, J_ег= I_к

Е_ег – електрорушійна сила еквівалентного генератора, R_ег – внутрішній опір еквівалентного генератора, J_ег – струм еквівалентного генератора.

Результати занести в таблицю 5.1.

 

 

Таблиця 5.1

Uнх	Iк	Eег	Rег	Jег

 

3. Включити до затискачів ав резистор R_н, значення якого змінюються в межах від 0.2 R_ег до 2R_ег, і провести вимірювання струму І_н та напруги U_ав для 10 значень R_н. При цьому слід обов’язково виконати дослід для R_н = R_ег. За результатами вимірів розрахувати потужність навантаження P_н.

 

Результати вимірів та розрахунків занести в таблицю 5.2

 

Таблиця 5.2

Rн
Uав
Iн
Pн

 

4. Перевірити, що виміряна сила струму збігається з розрахованою за формулою

U_нх

I =.

R_ег + R_н

5. Скласти електричне коло для визначення вхідного опру пасивного двополюсника (рис.5.2). За показами вольтметра (V) та амперметра (А) розрахувати вхідний опір (Rвх) та зіставити його з Rег, розрахованим в п.2.

а) б)

Рис.5.2 Монтажна (а) та принципова (б) схеми.

 

5. Виміряти та занести в таблицю 5.3 величини опорів кожної вітки в схемі активного двополюсника, а також ЕРС (Е) та внутрішній опір R₀ джерела живлення (див. лабораторну роботу №1).

 

 

Таблиця 5.3

Е	R1	R2	R3	R4	R0

 

 

Розрахунково–графічний аналіз результатів експерименту

1. Розрахувати параметри еквівалентного генератора за відомими параметрами елементів (Е, R₀, R₁, R₂, R₃, R₄).

2. Побудувати навантажувальну характеристику активного двополюсника, користуючись результатами дослідів пп.2 і 3 (U = f (I)).

3. Побудувати за результатами дослідів п.3 графіки залежності потужності навантаження від величини опору навантаження (P = f (R_н)), від величини струму (P=f(I)).

4. Довести, що під час передачі електричної енергії від активного двополюсника до пасивного, найбільша потужність в навантаженні

буде виділятись за умов, що опір навантаження дорівнює внутрішньому опору активного двополюсника.

5. Зробити висновки по роботі.

 

Стислі теоретичні відомості

Двополюсником називають електротехнічний пристрій з двома затискачами (полюсами). Це може бути електричний апарат чи частина електричного кола, які розглядаються стосовно двох затискачів.

Якщо двополюсник містить хоча б одне джерело електричної енергії, його називають активним. Двополюсник, що не містить джерел електричної енергії, називають пасивним; пасивним також є двополюсник, що містить джерела енергії, дія яких компенсується, тобто на розімкнених затискачах двополюсника напруги немає.

Пасивний двополюсник характеризується одним еквівалентним параметром – величиною вхідного опору (рис.5.3).

 

Рис.5.3

Схема заміщення активного двополюсника, окрім вхідного опору, містить джерело електричної енергії (рис.5.4).

Рис.5.4

 

На рис.5.5 наведена вольт-амперна характеристика лінійного активного двополюсника.

 

 

Рис.5.5

 

Еквівалентними називають двополюсники, що мають однакові навантажувальні (вольт-амперні) характеристики, які визначаються параметрами E_ег, R_ег або J_ег, R_ег Еквівалентна заміна одного двополюсника іншим не призводить до зміни режиму роботи тієї частини електричного кола, яка не входить до складу двополюсника.

Таким чином, будь-який складний активний двополюсник можна замінити найпростішим активним двополюсником, який називають еквівалентним генератором (рис 5.4). Це є сутністю теореми про активний двополюсник, яка стверджує: активний двополюсник можна замінити еквівалентним генератором напруги, що має ЕРС, яка дорівнює напрузі неробочого ходу на розімкнених затискачах активного двополюсника, та внутрішній опір, сполучений послідовно з ЕРС, величина якого дорівнює вхідному опору відповідного пасивного двополюсника.

Останній одержують, виключивши з активного двополюсника джерела електричної енергії, залишивши при цьому в вітках їхні внутрішні опори.

Для дослідного визначення вхідного опору пасивного двополюсника до його затискачів включають джерело електричної енергії і за допомогою амперметра та вольтметра визначають відповідно силу вхідного струму та вхідну напругу (як на рис.5.2).

R_вх = U_вх / I_вх=R_ег.

Якщо відома схема сполучень елементів пасивного двополюсника та їхні параметри, існує можливість аналітичного розрахунку вхідного опору (еквівалентного опору відносно вхідних затискачів), користуючись методом еквівалентних перетворень (згортання).

Заміна складної ділянки електричного кола досить простою схемою еквівалентного генератора має сенс зокрема у випадках, коли необхідно розрахувати струм лише однієї вітки складного електричного кола. Струм вітки методом еквівалентного генератора рекомендується розрахувати в такій послідовності:

1) вітку з резистором R, в якій треба визначити струм, вилучають з схеми;

2) частину схеми, що залишилась, розглядають як активний двополюсник відносно точок, до яких була приєднана вилучена вітка;

3) розраховують параметри еквівалентного генератора Е_ег., R_ег.

4) включають вилучену вітку до схеми еквівалентного генератора і за законом Ома визначають в ній струм:

Потужність, яка віддається двополюсником до навантаження:

Контрольні запитання

1. Що називається двополюсником?

2. Що являє собою пасивний двополюсник і які ви знаєте його схеми заміщення?

3. Що являє собою активний двополюсник і які ви знаєте його схеми заміщення?

4. Які двополюсники вважаються еквівалентними?

5. Наведіть формулювання теореми про еквівалентний генератор?

6. Як дослідним шляхом визначаються параметри еквівалентного генератора?

7. Як розрахувати вхідний опір, величину і напрямок дії еквівалентної ЕРС активного двополюсника?

8. Як змінюється потужність навантаження активного двополюсника, якщо величина його опору зростає від 0 до ?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА N 6 (21)

ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОСТИХ КІЛ СИНУСОЇДНОГО СТРУМУ

Мета роботи

Визначення струмів, напруг та потужностей в колах з джерелами синусоїдних ЕРС.

Головні задачі дослідження

Виміри струмів, напруг, активних потужностей та кутів зсувів в колах; визначення активних, реактивних та повних опорів і провідностей; побудова векторних та векторно-топографічних діаграм електричних кіл синусоїдного струму.

 

Робоче завдання

 

1. Скласти електричне коло (рис.6.1) з послідовним сполученням елементів: резистор (R), котушка індуктивності (R­_L, X_L), конденсатор (R­_С, X_С).

 

Рис.6.1

2. Підготувати до роботи вимірювальні прилади: А, V, W, φ. Ватметр (W) – прилад, призначений для вимірювання активної потужності, W має дві обмотки: обмотка струму вмикається в коло послідовно, обмотка напруги підмикається паралельно елементу, на якому проводиться вимірювання. Фазометр (φ) показує зсув фаз між напругами, які подаються на його два входи. Цей прилад можна застосувати для виміру кута зсуву φ між напругою та струмом, використовуючи ту обставину, що на резисторі напруга і струм збігаються за фазою. Послідовно в вітку вмикається шунт (резистор з невеликим активним опором R = 10 – 20 Ом), і з нього подається напруга на Вх2 фазометра; тоді ψ_u2=ψ_i, і фазометр показує ψ_u – ψ_i = φ. На Вх1 подається напруга з досліджуваного елементу або кола в цілому.

3. Виконати виміри струму, напруг і кутів зсуву для кожного елемента окремо, а також на вхідних затискачах електричного кола. Результати вимірів занести в таблицю 6.1. Амперметр (А) і вольтметр (V) вимірюють діючі значення струму та напруги.

 

 

Таблиця 6.1

I

U

UR

UL

UC

j

jR

jL

jC

P

PR

PL

PC

 

4. Перевірити баланс активних потужностей для досліджуваного нерозгалуженого електричного кола Р= P_R + P_L + P_C, де P_R – потужність активного опору, P_L – активна потужність котушки індуктивності, P_C – активна потужність конденсатора.

5. Скласти електричне коло (рис.6.2) з паралельним сполученням елементів.

 

 

Рис.6.2

 

6. Виконати виміри струмів, напруги і кутів зсуву для кожного елемента окремо, а також на вхідних затискачах електричного кола. Результати вимірів занести в таблицю 6.2.

Таблиця 6.2

U

I

IR

IL

IC

j

jR

jL

jC

P

PR

PL

PC

 

7. Перевірити баланс активних потужностей для досліджуваного електрич­ного кола з паралельним сполученням елементів.

8. Скласти спочатку електричне коло відповідно до схеми рис.6.3, а потім – до схеми рис.6.4.

 

Рис. 6.3

 

Рис. 6.4

 

 

9. Виконати виміри струмів, напруг для кожного елемента окремо, а також виміряти струм, напругу і кут зсуву на вхідних затискачах електричного кола. Результати вимірів занести в таб­лицю 6.3.

Таблиця 6.3

 

Nсх

U

UR

UL

UC

І

ІR

ІL

ІC

j

P

PR

PL

PC

21.3

21.4

 

10. Перевірити баланс активних потужностей для обох кіл із мішаним сполученням споживачів.