Исследование режимов работы источника приемника и линии электропередачи постоянного тока (стр. 1 из 5)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИСТОЧНИКА, ПРИЕМНИКА И ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Цель работы:

1. Экспериментально исследовать режимы работы основных элементов электрической цепи: источника, приёмника (нагрузки) и линии электропередачи на примере цепи постоянного тока.

2. Изучить влияние тока в цепи или сопротивления нагрузки на параметры режимов работы указанных элементов цепи.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Производство (генерирование), передача (распространение), и потребление (прием) электроэнергии являются основными признаками работы электрической цепи, независимо от конкретного ее назначения. Это может быть цепь, образованная электростанцией, линией электропередачи и районным потреблением с передаваемой активной мощностью в несколько десятков мегаватт (мВт), напряжением в несколько сотен киловольт (кВ). Также электрической цепью является соединение цеховой подстанции с нагрузкой. В этом случае источником питания служит понижающий трансформатор, линией передачи – электрическая сеть низкого напряжения, нагрузкой – двигатели, сварочные трансформаторы, электрические печи, осветительные приборы, электролизные ванны и т.д. Передаваемая активная мощность может достигать нескольких тысяч киловатт (кВт), ток в цепи - несколько тысяч ампер (А). Наконец, электрической цепью, в у казанном смысле, можно считать соединение двух транзисторов или микросхем, произвольно выбранных из схемы какого-либо электронного блока, если электрический сигнал от одного (одной) передается к другому (другой). Мощность, ток и направление сигнала могут быть весьма невелики и составлять, соответственно, мкВ, мкА, мкВ.

Несмотря на существенные отличия в особенностях создания и работы таких цепей, их анализ может быть обобщен с позиции, принятой в электротехнике. А именно, путем анализа режимов основных элементов цепи: генератора, приемника и линии передачи. Рассмотрим режимы применительно к каждому элементу.

Источники питания (генератор)

Имеем электрическую цепь с источником ЭДС постоянного тока (рис.1). К нему посредством ключа

подсоединена нагрузка, сопротивление , который может изменяться. Будем считать ключ идеальным, т.е. его сопротивление в замкнутом состоянии считаем незначительным ( ), а в разомкнутом состоянии – бесконечно большим ( ). Сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем ( ). Тогда для замкнутого ключа (рис.1) эквивалентная схема замещения данной цепи будет иметь вид (рис.2). Основными параметрами режима работы источника питания будут:

– напряжение, вырабатываемое генератором;

– потеря напряжения на внутреннем сопротивлении;

- напряжение на внешних зажимах генератора;

– ток, вырабатываемый генератором;

– мощность, развиваемая генератором;

– мощность потерь на внутреннем сопротивлении;

– мощность генератора, отдаваемая во внешнюю цепь.

Если сопротивление нагрузки

изменятся, то изменяется ток в цепи и режим работы генератора. Поэтому совокупность зависимостей полностью характеризует генератор при любом режиме работы со стороны внешней цепи. Определим эти зависимости для заданной схемы (рис.2). По второму закону Кирхгофа (с учетом обхода по часовой стрелке) будем иметь:

(1)

(2)

напряжение на потребителе:

(3)

Поэтому из соотношения (1) с учетом (2) и (3) получим:

(4)

Ток в цепи можно определить из (1):

(5)

Подставив (5) в (4), получим:

(6)

Соотношения (4) в (6) определяют зависимости

и .

Потери напряжения

определятся:

(7)

Из соотношения (1) будем также иметь:

(8)

Подставим в (8) соотношения (5), получим:

(9)

Соотношения (7) и (9) являются выражением зависимостей

и . Напряжение собственно генератора есть величина постоянная, поскольку (рис.2):

(10)

(11)

Далее определим мощностные характеристики генератора:

(12)

Или с учётом (5):

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

Важным энергетическим показателем является коэффициент полезного действия генератора, который характеризует отношение:

(18)

с учётом (12), (15) и (5) получим:

(19)

(20)

Т.е. η есть доля общей мощности генератора, отдаваемая во внешнюю цепь. Определим значение полученных параметров для основных режимов работы источника питания.

1. Режим холостого хода – это режим работающего источника питания при разомкнутой внешней цепи (на рис.1 ключ

разомкнут). В этом случае , и согласно (5) ток от источника питания к нагрузке отсутствует . Из соотношений (4) или (6) получим:

В этом режиме напряжение на внешних зажимах источника равно его ЭДС, а согласно (7) или (9) потери напряжения отсутствуют: _.

Согласно (10) и (11) напряжение вырабатываемое собственно генератором:

Далее, в этом режиме работы генератора:

Согласно соотношениям (12) – (17) .

Наконец, к.п.д. генератора из (19):

Эти значения η нужно понимать только в том смысле, что при холостом ходе генератора отсутствуют потери мощности и он как бы способен передать всю мощность во внешнюю цепь (на самом же деле

= 0).