Учебное пособие: Электротехника с основами электроники

Для измерения электрических величин в широких пределах используют многопредельные электроизмерительные приборы. Для перевода с одного предела измерений на другой такие приборы снабжены переключателями (поворотными или кнопочными) или дополнительными клеммами. Пределы измерений следует устанавливать в зависимости от ожидаемого значения электрической величины таким образом, чтобы прибор не оказался перегруженным. В то же время нельзя завышать предел измерения, так как в этом случае стрелка прибора будет отклоняться на малый угол и точность измерения снизится. Например, вольтметр имеет пределы измерения: 75, 150, 300, 450 В, а напряжение источника - 220 В. Следовательно на приборе необходимо установить предел измерения 300 В.

Цена деления многопредельного прибора (С) определяется как частное от деления предела, указанного на переключателе, на число делений, обозначенное цифрой на конце шкалы. Например, у амперметра, имеющего на шкале 100 делений, на пределе 2 А цена деления составит 0,02 А, а у вольтметра, имеющего 150 делений, цена деления на пределе 75 В составит 0,5 В.

Цена деления многопредельного ваттметра равна произведению пределов измерения напряжения и силы тока, деленному на число делений шкалы прибора. Так, ваттметр, имеющий шкалу на 150 делений, с пределами по току 5 А и по напряжению 300 В, будет иметь цену деления, равную 10 Вт. Порядок выполнения работы:

1. Ознакомиться со всеми приборами стенда. Записать технические характеристики нескольких приборов (по указанию преподавателя) и определить их цену деления.

2. Ознакомиться с аппаратурой стенда, записать технические характеристики.

3. Измерить ЭДС всех источников.

4. Составить схему с последовательным соединением нескольких резисторов. В схеме предусмотреть приборы для измерения тока, напряжения и мощности. После проверки правильности составленной схемы преподавателем собрать ее на лабораторном стенде и произвести необходимые измерения электрических величин.

5. Повторить п.4 с параллельным соединением резисторов.

6. Повторить п.4 со смешанным соединением резисторов.

Пример составленной схемы представлен на рис.2.

Рис.2. Варианты подключения измерительных приборов и нагрузки

Чтобы быстро и правильно собрать на стенде электрическую цепь, не запутавшись в ней, необходимо собрать сначала все последовательные цепи, а уже затем присоединить все параллельные цепи.

7. Результаты измерений, а также технические характеристики приборов и оборудования, представить в виде таблиц произвольной формы.

8. После окончания работы отключить питание стенда, разобрать схему.

9. Составить краткие выводы по работе.

3. Контрольные вопросы

1. Из каких элементов состоит электрическая цепь и каково их назначение?

2. Что называют узлом и ветвью электрической цепи?

3. Каков порядок сборки электрической цепи?

4. Какие системы электроизмерительных приборов вы знаете?

5. Как условно изображают системы электроизмерительных приборов?

6. Какие условные обозначения наносят на шкалы приборов?

7. Начертите схему включения амперметра, вольтметра, ваттметра.

8. Как поступить, если стрелка прибора в отключенном состоянии отклонилась влево (вправо) от нулевой отметки?

Как поступить, если стрелка прибора отклонилась за максимальное деление шкалы?

10. Как поступить, если стрелка ваттметра отклонилась влево от нулевой отметки?

11. Как определить цену деления комбинированного (многопредельного) прибора?

12. Как измерить ЭДС аккумулятора?

13. Два одинаковых сопротивления соединены последовательно (параллельно). Чему равно результирующее сопротивление?

14. Что будет, если в исследуемой цепи поменяли местами амперметр и вольтметр?

Методические указания к лабораторной работе №2

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ АККУМУЛЯТОРОВ

Цель работы

Изучить режимы работы аккумулятора как источника постоянного тока, определить его внутренне сопротивление, проанализировать энергетические соотношения и особенности работы аккумуляторов при их последовательном и параллельном соединении.

1. Основные теоретические положения.

Аккумулятор является химическим источником энергии. Его основными параметрами являются электродвижущая сила (ЭДС) Е и его внутреннее сопротивление RВ. ЭДС характеризует способность источника энергии создать ток в электрической цепи, она численно равна напряжению между его зажимами при отсутствии тока (холостой ход, нагрузка отключена), и внутри источника направлена от отрицательного зажима к положительному (рис.1).

Если к аккумулятору подключить нагрузочный реостат с сопротивлением R, то в цепи возникает ток, величина которого определяется по закону Ома для электрической цепи с ЭДС

 (1)

Преобразуем это выражение и получим формулу зависимости напряжения на зажимах приемника от тока нагрузки (рис.1)

Так как IR=U, то U=E-IRB. (2)

Величина внутреннего сопротивления аккумулятора RB практически постоянна и составляет сотые доли Ом, поэтому падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора IRB растет пропорционально току нагрузки. Таким образом, величина напряжения на зажимах аккумулятора (приемника) будет уменьшаться с увеличением тока нагрузки. При этом внутри аккумулятора теряется часть мощности, . Величина выделившейся тепловой энергии определяется по закону Джоуля-Ленца.

ч, (3)

где t - время прохождения тока, ч.

Следовательно, внутреннее сопротивление - параметр, характеризующий тепловые потери в источнике и влияющий на его энергетические характеристики. Внутреннее сопротивление аккумулятора может быть определено на основании закона Ома по данным режимов холостого хода и какого-либо рабочего режима

 (4)

или по эмпирической формуле для 100% заряженного аккумулятора (кислотного) при температуре 20°С

, (5)

где Uном - напряжение на зажимах аккумулятора при номинальном разрядном токе, В;

Q - емкость аккумулятора, А×ч.

Величина внутреннего сопротивления аккумулятора может быть определена по его внешней характеристике - зависимости напряжения на зажимах аккумулятора от тока нагрузки. Напряжение на зажимах аккумулятора линейно зависит от силы тока и нагрузки и графически изображается в виде прямой линии, пересекающей оси I и U (рис.2). Точка пересечения с осью U (I=0, R¥, режим холостого хода) дает величину ЭДС, а точка пересечения с осью I (U=0, R=0, режим короткого замыкания) дает величину тока в нагрузке при сопротивлении внешней нагрузки, равной нулю. В этом случае:

E=IK×RB и , (6)

где IK - ток короткого замыкания.

Если известна только часть внешней характеристики (рис.2), то внутреннее сопротивление аккумулятора можно определить по формуле

, Ом (7)

Важнейшими эксплуатационными параметрами аккумулятора являются также его зарядный и разрядный токи, максимальная мощность, отдаваемая в нагрузку и коэффициент полезного действия. Эти величины указываются в паспортных данных аккумулятора. При практических расчетах величина зарядного тока принимается

, А - кислотные аккумуляторы (8)

, А - щелочные аккумуляторы (9)

Величина разрядного тока зависит от мощности нагрузки, а его номинальное значение равно примерно зарядному току. Максимальное значение разрядного тока Iраз. max=3×Q для кислотных стартерных аккумуляторных батарей (пуск стартера). Коэффициент полезного действия h равен отношению полезной мощности приемника Р2 ко всей мощности источника Р:

 (8)

Или

Отсюда следует, что при холостом ходе (R=¥) КПД приближается к единице, при коротком замыкании (R=0) он равен нулю, в согласованном режиме (R=RB) он равен 0,5. При режиме отдачи максимальной мощности, т.е. I=E/2RВН, получим:

 (9)

Такой низкий КПД недопустим в электрических установках большой мощности. Поэтому стремятся, чтобы внутреннее сопротивление источника было значительно меньше сопротивления приемника. В ряде случаев один аккумулятор не обеспечивает нормальную работу потребителя. В этом случае используют последовательное, параллельное или смешанное соединение аккумуляторов. При последовательном соединении величина тока в нагрузке равна

, А (10)

Напряжения на зажимах источников соответственно равны:

U1=E1-IRB1; U2=E2-IRB2; Un=En-IRBn.

Напряжение на зажимах потребителя можно определить по формулам:

U   (11)

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10