Примеры решения задач Лабораторные работы по оптоэлектронике Лабораторные работы по электротехнике Теоретические основы электротехники


ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

Исследование линейной электрической цепи постоянного тока

Цель работы:

Закрепить на практике важнейшие положения теории цепей постоянного тока.

Экспериментально подтвердить справедливость основных законов теории электрических цепей.

Приобрести навыки самостоятельного исследования линейных разветвленных цепей постоянного тока. Магнитные цепи при постоянных токах Курс лекций по электротехнике

1. Теоретическое введение

1.1. Основные понятия и определения

При подготовке к работе и оформлении отчета рекомендуется использовать следующие методические указания:

 Котов В.Л. Линейные электрические цепи постоянного и однофазного переменного токов. Иваново, 1988.

Котов В.Л. Расчет линейных разветвленных цепей постоянного и синусоидального тока. Иваново, 1983.

Цепи постоянного тока являются важной частью электрооборудования химических производств. Например, постоянный ток широко применяется для питания ванн гальванического покрытия, зарядных устройств для аккумуляторов, двигателей постоянного тока, устройств сигнализации и связи.

Под постоянным током понимают электрический ток, не изменяющийся во времени.

Электрической цепью называется связанная совокупность источников электроэнергии, ее потребителей и соединительных проводов.

Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определенную функцию, называется элементом электрической цепи. Основными элементами являются источники и приемники электроэнергии, соединительные провода, измерительные приборы, коммутационная и защитная аппаратура.

В источниках электроэнергии различные виды энергии, например, химическая (гальванические элементы), механическая (электромеханические генераторы), тепловая (термопары), световая (солнечные батареи) преобразуются в электрическую. Важнейшим параметром источника электроэнергии является его электродвижущая сила ЭДС (Е).

В приемниках электрической энергии происходит обратное преобразование - электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии, например, в химическую, механическую, тепловую, световую.

Электрические цепи классифицируются по нескольким признакам.

  По виду тока делят на цепи постоянного и переменного тока.

 По характеру параметров переменных цепи разделяют на линейные и нелинейные. К линейным относят цепи, у которых электрическое сопротивление R каждого участка не зависит от значений и направлений тока и напряжения.

Классификация цепей по сложности. Цепи бывают простые и сложные. К простым относят те цепи, все элементы которых соединены последовательно. Во всех элементах протекает один и тот же ток. К сложным цепям относят цепи с разветвлениями. Различают разветвленные цепи с одним источником энергии и с несколькими источниками.

Ветвь электрической цепи - участок, элементы которого соединены последовательно. Ток в элементах один и тот же.

Узел электрической цепи - точка соединения не менее чем 3-х ветвей.

Контур - любой путь вдоль ветвей электрической цепи, начинающийся и заканчивающийся в одной и той же точке.

Двухполюсник - часть электрической цепи с двумя выделенными выводами.

Четырехполюсник - часть электрической цепи, имеющая четыре внешних вывода (две пары).

Участки электрической цепи делятся на пассивные и активные. Участок электрической цепи, содержащий источник электрической энергии, называется активным, не содержащий - пассивным.

Величина, характеризующая противодействие проводящей среды движению электрических зарядов, т.е. току, называется электрическим сопротивлением R. Элемент электрической цепи, параметром которого является его электрическое сопротивление R, называется резистором. Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью G.

Закон Ома. Для пассивных участков электрической цепи закон Ома имеет вид:

.

(1)

Напряжение на пассивном участке цепи U и равное ему произведение IR часто называют падением напряжения.

Внутреннее сопротивление источника. У реального источника энергии два параметра: ЭДС Е и внутреннее сопротивление Rо, которое на схемах замещения показывается отдельным элементом. Если источник не подключен к внешней цепи, то напряжение на его выводах числено равно ЭДС (напряжение холостого хода). Напряжение U на выводах нагруженного источника меньше ЭДС

U = E - R0I.

(2)

Источник, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь, называется идеальным источником ЭДС.

1.2. Методы расчета электрических цепей

Для расчета электрических цепей разработаны различные приемы. Наибольшее применение находят следующие методы:

метод упрощения;

метод непосредственного применения законов Кирхгофа;

метод контурных токов;

метод наложения.

Метод упрощения используется обычно для анализа цепей с одним источником энергии. Метод состоит в том, что участки электрической цепи заменяются более простыми по структуре, при этом токи и напряжения в непреобразованной части цепи не должны изменяться. В результате цепь “свертывается” до простейшего вида. При этом необходимо уметь преобразовывать последовательно и параллельно соединенные резистивные элементы.

Рис.1. Последовательное соединение элементов

Последовательное соединение резистивных элементов. Ток во всех последовательно соединенных элементах один и тот же. Для схемы на рис. 1 можно записать

U = (R1 + R2 +...+ Rn)I = RэI, (3)

где Rэ - сопротивление, эквивалентное соединенным последовательно. Как видно из формулы, оно определяется как сумма всех последовательно включенных сопротивлений.

Рис.2. Параллельное соединение

элементов

Параллельное соединение резистивных элементов. В данной схеме (рис. 2) ко всем элементам приложено одно и то же напряжение U. На основании первого закона Кирхгофа можно записать:

I = I1 + I2 +...+ In (4)

или, учитывая, что для каждой ветви по закону Ома ,

. (5)

Вводя понятие проводимости, получим

I = U(G1 + G2 +...+ Gn) = UGэ.

(6)

Таким образом, эквивалентная проводимость Gэ параллельно включенных резистивных элементов равна сумме их проводимостей. В частном случае, если параллельно соединены два резистора, их эквивалентное сопротивление

.

(7)

Метод непосредственного применения законов Кирхгофа является наиболее общим приемом, используемым для анализа сложных электрических цепей.

Первый закон Кирхгофа применяется к узлам электрической цепи. Он гласит, что алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю, т.е.

(8)

Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрической цепи. Он гласит, что алгебраическая сумма напряжений в контуре электрической цепи равна нулю или алгебраическая сумма падений напряжения на сопротивлениях данного контура равна алгебраической сумме ЭДС в этом контуре:

(9)

 Для заданной электрической цепи составляется система линейных алгебраических уравнений первого порядка относительно неизвестных токов. Уравнения составляются по обоим законам. По первому закону - для независимых узлов, по второму - для независимых контуров. Общее число уравнений равно числу неизвестных токов в цепи.

В программе labelektronik Workbench выберем необходимые радиоэлементы и соберем цепь, схема которой приведена в задании

Проверим измерения теоретическими расчетами. В идеальных условиях ток в цепи в режиме холостого хода равен нулю: I=0. Из этого следует, что напряжение на сопротивлении источника тоже будет равно нулю: Uи=IRи=0. Напряжение же на нагрузке будет равно напряжению источника ЭДС: Uн=Е=50В.

Подключим измерительные приборы в соответствии со схемой резистивной цепи 2. Установим параметры измерительных приборов


На главную