Методы / 5, 24, 30, 37

Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ИМПЕРАТОРА АЛЕКСАНДРА I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Кафедра «Теоретические основы электротехники»

Учебное пособие

Экспериментальное исследование электрических цепей

по дисциплине

«Электротехника и электроника»

Санкт-Петербург

2017

2

УДК 621.3

ББК: З2 я7; З21 я7

Учебное пособие предназначено для студентов и специалистов, изучающих электротехнику. Учебное пособие будет полезно студентам, проходящим подготовку по специализации «Подвижной состав железных дорог» для всех форм обучения, а также для бакалавров по профилю: «Приборостроение»; по дисциплине «Теоретические основы электротехники» для специалистов по специализации «Системы обеспечения движения поездов»; по дисциплине «Теория электрических цепей» для специалистов по профилю

4. ИССЛЕДОВАНИЕ КАТУШКИ С РАЗОМКНУТЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

30

4

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ

ПОСТОЯННОГО ТОКА МЕТОДОМ НАЛОЖЕНИЯ

Цель работы — опытная проверка принципа наложения и метода наложения на примере электрической цепи постоянного тока;

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Перед выполнением лабораторной работы следует изучить материал [1, 2,

3].

Одним из свойств любой по физической природе линейной системы является независимость действия сил. Согласно этому принципу результирующее действие на систему одновременно нескольких сил можно рассматривать как геометрическую сумму действий, вызываемых каждой силой в отдельности.

В частности, ток любой ветви линейной электрической цепи, вызванный действующими в цепи источниками, может быть представлен как алгебраическая сумма составляющих, обусловленных действием каждого из источников в отдельности.

Принцип независимого действия источников в линейных электрических цепях положен в основу расчета цепей методом наложения (суперпозиции). Сущность метода состоит в следующем.

Рассматривают действие на цепь одного источника электродвижущей силы (ЭДС) или источника тока. Все остальные источники заменяют их внутренними сопротивлениями или проводимостями. При этом идеальные источники ЭДС заменяют коротким замыканием между точками их включения, источники тока размыкают.

Полученную таким образом цепь, содержащую один источник, рассчитывают методом эквивалентных схем, определяют величину и направление тока в каждой ветви. Затем производят подобный расчет цепи, содержащей только один следующий источник, и т.д. Полученные в результате расчетов токи в каждой ветви алгебраически (с учетом направления) суммируют и таким образом получают искомые токи.

2. Экспериментальное исследование принципа наложения на примере одной из электрических цепей, изображенных на рис.2. Схема для исследования задается преподавателем.

3. Расчет цепи методом наложения.

5

Пункты 1 и 2 данной работы выполняются в лаборатории. Пункт 3 оформляется самостоятельно в виде отчета.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Прежде чем приступить исследованию одной из схем (рис. 2-3), необходимо произвести измерение внутренних сопротивлений источников — (rвн1 и rвн2). С этой целью собирают электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.1.

K A

Рис. 1: Схема для определения внутреннего сопротивления источника

При разомкнутом ключе К вольтметром V измеряют ЭДС источника E. Затем ключ замыкают. В этом случае показание вольтметра будет меньше соответствующей ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника

U = E - I∙rвн, (1)

где U – падение напряжения на внутреннем электрическом сопротивлении источника, В;

Е – величина ЭДС источника, В; I– сила тока в цепи, А;

rвн – внутреннее электрическое сопротивление источника, Ом.

Эксперимент повторяют при трех различных значениях силы тока (например, 0,5 А, 1 А и 1,5 А). Для задания величины силы тока изменяют величину нагрузочного сопротивления R. Экспериментальные данные заносят в табл. 1. По данным измерений определяют rвн

За внутреннее сопротивление принимают среднее арифметическое значение.

6

После определения внутренних сопротивлений источников ЭДС с помощью магазина сопротивлений подбирают два сопротивления, по величине равным внутренним сопротивлениям источников.

Таблица 1 Данные определения величин ЭДС и внутренних сопротивлений

источников

Затем экспериментально исследуется метод наложения для сложной электрической цепи. Схемы исследуемых электрических цепей представлены на рис.2.Величины сопротивлений R1, R2, R3 в ветвях схемы задаются преподавателем.

а)

a

б)

7

E1 E2

в)

a

Рис. 2: Схемы электрических цепей для исследования метода наложения

Рис. 3: Схема электрической цепи для УИРС

При сборке схемы (см. рис.2, а, б, в) следует обращать внимание на полярность включения амперметров. Их клеммы, обращенные к узловой

8

точке а, одной полярности. Это упрощает в процессе эксперимента проверку первого закона Кирхгофа.

После оборки схемы выполняют исследование трех режимов включения цепи.

Первый режим: источник E1 включен в цепь, а источник E2 заменен внутренним электрическим сопротивлением. Это состояние задается ключами К1 и К2. Измеряют ток во всех ветвях и определяют его направление. Алгебраическая сумма показаний амперметров согласно первому закону Кирхгофа должна быть равна нулю.

Второй режим: источник E2 включен в цепь, а источник E1 заменен внутренним сопротивлением. Производят те же измерения.

Третий режим: оба источника включены в цепь. Производят те же измерения.

Данные измерений по трем режимам работы заносят в табл.2. Таблица 2

Проверка принципа наложения. Сопоставление результатов расчета с данными опыта

Алгебраическая сумма показаний амперметров в каждой ветви в первом и втором режимах включения должна быть равна показанию амперметров в третьем режиме включения цепи. В этом состоит проверка принципа наложения.

По окончании опытной проверки принципа наложения в табл.3 заносят величины сопротивлений в ветвях схемы R1, R2, R3. Последние могут быть определены методом амперметра и вольтметра (по величинам токов в резисторах и напряжениям на их зажимах).

Таблица 3

Величины для расчета сопротивлений резисторов

9

После окончания экспериментальной части лабораторной работы рассчитываются токи в ветвях цепи при различных режимах (заполняется правая часть табл. 2). Расчеты проводятся на основании данных табл. 1, табл.

3.

Алгоритм расчета токов по методу наложения может быть следующим:

1.Произвольным образом задаются направлениями токов в ветвях схемы (если ветвь содержит источник ЭДС или источник тока, то предварительное направление тока согласуют с направлением источника).

2.Поочередно оставляя в цепи один из источников, а остальные заменяя их внутренними сопротивлениями или проводимостями, рассчитывают токи в каждой ветви схемы от каждого источника в отдельности.

3.Находят значения действительных токов в ветвях как алгебраическую сумму токов конкретных ветвей от отдельных источников.

4.Если в результате расчета ток в некоторой ветви получится отрицательным, то его первоначально выбранное направление заменяют на противоположное.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Программа работы.

2.Таблица электроизмерительных приборов с их характеристиками.

3.Схема исследования.

4.Таблицы наблюдений и вычислений.

5.Расчет цепи методом наложения.

6.Выводы по работе.

УКАЗАНИЯ К УИРС

Исследовать электрическую цепь, изображенную на рис.3. Табл. 2 и табл. 3 работы редактируются самостоятельно с учетом параметров

10

электрической схемы. Порядок выполнения работы и содержание отчета аналогичны изложенным выше.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК:

1.Теоретические основы электротехники: Учеб. для вузов 5-е изд./К. С. Демирчян и др. – СПб: Питер, Т.1, 2, 2009. - 512 с., - 432с.

2.Атабеков Г.И. Теоретические основы электротехники. Линейные электрические цепи. – СПб.: Лань, 2009. – 592 с.

3.Ярчук А.Я. Исследование цепи постоянного тока методом наложения. Методические указания к лабораторной работе. Л.: ЛИИЖТ,

1986. – 7с.

Составители: доцент Е.Б.Зазыбина и доцент С.М.Курмашев