Робота 4. Дослідження впливу навантаження на режими роботи джерела постійного струму. Нелінійні електричні кола

4.1 Мета роботи

1. Дослідити вплив навантаження на основні характеристики передачі енергії джерелом постійного струму. Навчитися досліджувати нелінійні електричні кола.

4.2 Короткі теоретичні відомості

 

Будь-яке електричне коло складається з джерела електричної енергії, споживача та лінії передачі і його можна представити електричною схемою, наведеною на рис.4.1.

Рис.4.1.

На цій схемі позначено:

Е – е.р.с. джерела енергії; r – внутрішній опір цього джерела; R – зовнішній опір електричного кола або опір навантаження. У випадку передачі енергії на значну віддаль опір лінії передачі можна добавити до опору r.

На підставі другого закону Кірхгофа можна записати

Е = I r + U,                                           /4.1/

де І – струм у колі; U – напруга на опорі навантаження.

Згідно з законом Ома струм І та напругу U можна виразити так:

,                                              /4.2/

.                                     /4.3/

При проходженні струму у колі буде мати місце спад напруги на внутрішньому опорі r, яке ще називають втратою напруги. Позначивши його , будемо мати

.

Потужність джерела живлення при цьому дорівнює

.                                      /4.4/

Враховуючи /4.2/, потужність, що виділяється в опорі навантаження,

   або            /4.5/

Рівняння /4.5/ показує, що залежність  представляє собою квадратичну параболу, направлену вниз.

Втрата потужності на внутрішньому опорі

.               /4.6/

Коефіцієнт корисної дії електричного кола

                           /4.7/

Розглянемо основні режими роботи електричного кола.

Режим холостого (неробочого) ходу. В цьому випадку  і тому

І = 0; U = E; DU = 0; P1 = P2 = 0 i DP = 0; h = 1.

Остання рівність пояснюється тим, що при холостому ході відсутні втрати потужності на внутрішньому опорі.

Режим короткого замикання. Коротке замикання має місце при     R = 0 . Для цього режиму

; U = 0; DU = E; ; P2 = 0 i DP = P1; .

При короткому замиканні струм у колі досягає максимального значення.

Режим узгодженого навантаження. Оскільки у двох розглянутих випадках корисна потужність Р2 = 0, то доцільно знайти умову, за якої ця потужність матиме максимальне значення. Зрозуміло, що ця потужність буде залежити від опору R за умови, що е.р.с. Е і внутрішній опір r будемо вважати незмінними.

З цією метою з рівняння /4.5/ визначимо похідну  і прирівнюємо її до нуля:

або .

Звідки виходить, що .

Отже, потужність, що виділяється у зовнішньому навантаженні буде максимальною, коли опір навантаження  дорівнює внутрішньому опору джерела.

Такий режим роботи називають узгодженим режимом або режимом узгодженого навантаження.

Очевидно, в цьому випадку будемо мати:

; ; ; ;

;  і .

Режим узгодженого навантаження використовують у тих випадках, коли необхідно забезпечити максимально можливе значення вихідної потужності, не звертаючи увагу на величину к.к.д.

Такі режими роботи бувають доцільними в електронних пристроях, для яких характерні невеликі рівні потужності. Електричні системи великої потужності, наприклад, системи енергопостачання, працюють в режимі, близькому до режиму холостого ходу, що забезпечує їх високий к.к.д.

Графіки зміни Е, , , Р1, ,  і  в залежності від струму І, тобто від режиму роботи, зображені на рис.4.2.

Рис.4.2.

Електричні кола постійного струму, окрім лінійних елементів, часто мають і нелінійні елементи. ............