При
подключении к источнику питания
различного количества потребителей
или изменения их параметров будут
изменяться величины напряжений, токов
и мощностей в электрической цепи, от
значений которых зависит режим работы
цепи и ее элементов.
Реальная
электрическая цепь может быть представлена
в виде активного и пассивного двухполюсников
(рис. 1.23).
Рис.
1.23
Двухполюсником
называют цепь, которая соединяется с
внешней относительно нее частью цепи
через два вывода а и b
– полюса.
Активный
двухполюсник содержит источники
электрической энергии, а пассивный
двухполюсник их не содержит. Для расчета
цепей с двухполюсниками реальные
активные и пассивные элементы цепи
представляются схемами замещения. Схема
замещения пассивного двухполюсника П
представляется в виде его входного
сопротивления
.
Схема
замещения активного двухполюсника А
представляется эквивалентным источником
с ЭДС Eэ
и внутренним сопротивлением r0э,
нагрузкой для которого является входное
сопротивление пассивного двухполюсника
Rвх=Rн.
Режим
работы электрической цепи (рис. 1.23)
определяется изменениями параметров
пассивного двухполюсника, в общем случае
величиной сопротивления нагрузки Rн.
При анализе электрической цепи
рассматривают следующие режимы работы:
холостого хода, номинальный, короткого
замыкания и согласованный.
Работа
активного двухполюсника под нагрузкой
Rн
определяется его вольт-амперной (внешней)
характеристикой, уравнение которой
(1.10) для данной цепи запишется в виде
(1.12)
U=Eэ−Ir0э.
Эта
вольт-амперная характеристика строится
по двум точкам 1 и 2 (рис. 1.24), соответствующим
режимам холостого хода и короткого
замыкания.
1. Режим холостого хода
В этом
режиме с помощью ключа SA
нагрузка Rн
отключается от источника питания (рис.
1.23). В этом случае ток в нагрузке становится
равным нулю, и как следует из соотношения
(1.12) напряжение на зажимах ab
становится равным ЭДС Eэ
и называется напряжением холостого
хода Uхх
U=Uхх=Eэ.
Рис.
1.24
2. Режим короткого замыкания
В этом
режиме ключ SA
в схеме электрической цепи (рис. 1.23)
замкнут, а сопротивление Rн=0.
В этом случае напряжение U
на зажимах аb
становится равным нулю, т.к. U=IRн,
а уравнение (1.12) вольт-амперной
характеристики можно записать в виде
(1.13)
.
Значение
тока короткого замыкания Iк.з
соответствует т.2 на вольт-амперной
характеристике (рис. 1.24).
Анализ
этих двух режимов показывает, что при
расчете электрических цепей параметры
активного двухполюсника Eэ
и r0э
могут быть определены по результатам
режимов холостого хода и короткого
замыкания:
(1.14)
Eэ=Uхх;
.
При
изменении тока в пределах
активной
двухполюсник (эквивалентный источник)
отдает энергию во внешнюю цепь (участок
I
вольт-амперной характеристики на рис.
1.24). При токе I<0
(участок II)
источник получает энергию из внешней
цепи, т.е. работает в режиме потребителя
электрической энергии. Это произойдет,
если к зажимам аb
двухполюсника присоединена внешняя
цепь с источниками питания. При напряжении
U<0
(участок III)
резисторы активного двухполюсника
потребляют энергию источников из внешней
цепи и самого активного двухполюсника.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Известно, что электрическая цепь – это совокупность определённых устройств, которые обеспечивают постоянное, непрерывное прохождение электрического тока. Работа цепи невозможна, если в ней отсутствуют какие-либо элементы; в обязательном порядке должны присутствовать как источники энергии, так и её проводники, а приёмники, как правило, — это основные устройства, образующие данную цепь.
Если учесть, что в электрической цепи встречаются различные элементы, которые делятся на три основные группы: источники энергии, проводники тока и приёмники, т. е., те элементы, которые питаются от тока и преобразуют энергию в другие её виды, то можно предположить, что существует и различные режимы работы электрических цепей.
Основные режимы работы электрических цепей
Как уже было сказано ранее, любая электрическая цепь может иметь довольно сложную структуру, зависящую от количества элементов в ней и её разветвлённости. Всё это приводит к тому, что цепь может работать в различных режимах.
Выделяют три основных режима работы: нагрузочный (или согласованный), режим короткого замыкания, а также режим холостого хода. Они отличаются друг от друга нагрузкой на электрическую цепь. Также можно выделить номинальный режим работы. В этом режиме работы все устройства в цепи работают при условиях, указанных для них как оптимальные. Эти характеристики прописываются производителем в паспортных данных при изготовлении устройства на заводе.
Нагрузочный, или согласованный режим работы. Если к источнику энергии в электрической цепи подключается какой-либо приёмник, то он обладает неким сопротивлением. Таким приёмником может быть любое устройство, например электрическая лампочка.
Если есть напряжение, то действует закон Ома, таким образом, ЭДС источника получается из суммы напряжений внешнего участка цепи и на внутреннем сопротивлении источника. Падение напряжение во внешней цепи будет равным напряжению на зажимах источника. Оно зависит от нагрузочного тока: чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше ток и, соответственно, меньше напряжение на зажимах источника питания цепи.
Другими словами можно сказать, что нагрузочный или согласованный режим работы представляет собой режим, при котором происходит передача нагрузки повышенной мощности от источника. В этом режиме сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника, при этом расходуется максимальная мощность.
Однако, такой режим не рекомендуется использовать, так как при длительном превышении номинальных значений устройства могут выйти из строя.
Режим работы холостого хода. Этот режим работы электрической цепи характеризует разомкнутое её состояние – ток отсутствует, и все элементы отключены от источника питания.
В таком состоянии цепи внутреннее падение напряжение равно нулю, а напряжение на зажимах источника питание совпадает с ЭДС источника.
Т. е., можно сказать, что режим холостого хода характеризует электрическую цепь, когда она находится в разомкнутом состоянии, а сопротивление нагрузки отсутствует полностью или отключено. Такое состояние цепи можно использовать для измерения ЭДС источника питания.
Режим короткого замыкания. Этот режим работы считается аварийным, электрическая цепь не может работать нормально. Короткое замыкание возникает при соединении двух различных точек цепи, разница потенциалов которых отличается. Такое состояние не предусмотрено изготовителем устройства и нарушает его нормальную работу.
В этом режиме работы зажимы источника энергии замкнуты проводником («закорочены»), при этом его сопротивление близко к нулю. Часто, короткое замыкание происходит в тех случаях, когда соединяются два провода, которые связывают между собой источник и приёмник в цепи, как правило, их сопротивление незначительно, так что его можно назвать нулевым.
При возникновении режима короткого замыкания, ток в цепи значительно превышает номинальные значения (из-за отсутствия сопротивления). Это может привести в непригодное состояние источник энергии и приёмники в электрической цепи. В некоторых случаях это является результатом неправильных действий со стороны персонала, работающего с электротехническим оборудованием.
Для электрической цепи наиболее характерными являются режимы работы: нагрузочный, холостого хода и короткого замыкания.
Нагрузочный режим работы (рис. 19, а).
Рис. 19. Схемы, поясняющие нагрузочный режим работы (а) и режим холостого хода (б)
Рассмотрим работу электрической цепи при подключении к источнику какого-либо приемника с сопротивлением R (резистора, электрической лампы и т. п.).
На основании закона Ома э. д. с. источника равна сумме напряжений IR на внешнем участке цепи и IRo на внутреннем сопротивлении источника:
E = IR + IR0 (12)
Учитывая, что напряжение Uи на зажимах источника равно падению напряжения IR во внешней цепи, получим:
E = Uи+IR0 (13)
Эта формула показывает, что э. д. с. источника больше напряжения на его зажимах на значение падения напряжения внутри источника. Падение напряжения IRo внутри источника зависит от тока в цепи I (тока нагрузки), который определяется сопротивлением R приемника. Чем больше будет ток нагрузки, тем меньше напряжение на зажимах источника:
Uи = E – IR0 (13′)
Падение напряжения в источнике зависит также и от внутреннего сопротивления Ro. Согласно уравнению (13′) зависимость напряжения Uи от тока I изображается прямой линией (рис. 20). Эту зависимость называют внешней характеристикой источника.
Рис. 20. Внешняя характеристика источника
Из всех возможных нагрузочных режимов работы наиболее важным является номинальный. Номинальным называется режим работы, установленный заводом-изготовителем для данного электротехнического устройства в соответствии с предъявляемыми к нему техническими требованиями.
Он характеризуется номинальными напряжением, током (точка Н на рис. 20) и мощностью. Эти величины обычно указывают в паспорте данного устройства.
От номинального напряжения зависит качество электрической изоляции электротехнических установок, а от номинального тока — температура их нагрева, которая определяет площадь поперечного сечения проводников, теплостойкость применяемой изоляции и интенсивность охлаждения установки. Превышение номинального тока в течение длительного времени может привести к выходу из строя установки.
Режим холостого хода (рис. 19, б).
Рис. 19. Схемы, поясняющие нагрузочный режим работы (а) и режим холостого хода (б)
При этом режиме присоединенная к источнику электрическая цепь разомкнута, т. е. тока в цепи нет. В этом случае внутреннее падение напряжения IRo будет равно нулю и формула (13) примет вид
E = Uи (14)
Таким образом, в режиме холостого хода напряжение на зажимах источника электрической энергии равно его э. д. с. (точка X на рис. 20). Это обстоятельство можно использовать для измерения э. д. с. источников электроэнергии.
Режим короткого замыкания (рис. 21).
Рис. 21. Схема короткого замыкания в цепи источника электрической энергии
Коротким замыканием (к. з.) называют такой режим работы источника, когда его зажимы замкнуты проводником, сопротивление которого можно считать равным нулю. Практически к. з. возникает при соединении друг с другом проводов, связывающих источник с приемником, так как эти провода имеют обычно незначительное сопротивление и его можно принять равным нулю.
К. з. может происходить в результате неправильных действий персонала, обслуживающего электротехнические установки (рис. 22, а), или при повреждении изоляции проводов (рис. 22,б, в); в последнем случае эти провода могут соединяться через землю, имеющую весьма малое сопротивление, или через окружающие металлические детали (корпуса электрических машин и аппаратов, элементы кузова локомотива и пр.).
Рис. 22. Возможные причины короткого замыкания в электрических установках
При коротком замыкании ток
Iк.з = E / R0 (15)
Ввиду того что внутреннее сопротивление источника Ro обычно очень мало, проходящий через него ток возрастает до весьма больших значений. Напряжение же в месте к. з. становится равным нулю (точка К на рис. 20), т. е. электрическая энергия на участок электрической цепи, расположенный за местом к. з., поступать не будет.
Короткое замыкание является аварийным режимом, так как возникающий при этом большой ток может привести в негодность как сам источник, так и включенные в цепь приборы, аппараты и провода. Лишь для некоторых специальных генераторов, например сварочных, короткое замыкание не представляет опасности и является рабочим режимом.
В электрической цепи ток проходит всегда от точек цепи, находящихся под большим потенциалом, к точкам, находящимся под меньшим потенциалом. Если какая-либо точка цепи соединена с землей, то потенциал ее принимается равным нулю. В этом случае потенциалы всех других точек цепи будут равны напряжениям, действующим между этими точками и землей.По мере приближения к заземленной точке уменьшаются потенциалы различных точек цепи, т. е. напряжения, действующие между этими точками и землей.
По этой причине обмотки возбуждения тяговых двигателей и вспомогательных машин, в которых при резких изменениях тока могут возникать большие перенапряжения, стараются включать в силовую цепь ближе к «земле» (за обмоткой якоря). В этом случае на изоляцию этих обмоток будет действовать меньшее напряжение, чем если бы они были включены ближе к контактной сети на электровозах постоянного тока или к незаземленному полюсу выпрямительной установки на электровозах переменного тока (т.е. находились бы под более высоким потенциалом).
Точно также точки электрической цепи, находящиеся под более высоким потенциалом, являются более опасными для человека, соприкасающегося с токоведущими частями электрических установок. При этом он попадает под более высокое напряжение по отношению к земле.
Следует отметить, что при заземлении одной точки электрической цепи распределение токов в ней не изменяется, так как при этом образуется никаких новых ветвей, по которым могли бы протекать токи. Если заземлить две (или больше) точки цепи, имеющие разные потенциалы, то через землю образуются дополнительная токопроводящая ветвь (или ветви) и распределение тока в цепи меняется.
Следовательно, нарушение или пробой изоляции электрической установки, одна из точек которой заземлена, создает контур, по которому проходит ток, представляющий собой, по сути дела, ток короткого замыкания. То же происходит в незаземленной электрической установке при замыкании на землю двух ее точек. При разрыве электрической цепи все ее точки до места разрыва оказываются под одним и тем же потенциалом.
Электрическая цепь представляет собой совокупность компонентов, через которую протекает постоянный или переменный электрический ток. Ее всегда можно охарактеризовать в терминах электрического напряжения и тока. Процессы протекания тока, а также магнитно-резонансные процессы изучаются в области науки, называемой электротехникой. Кроме строгого теоретического анализа, основной задачей электротехники считается изучение вопросов практического применения результатов исследования этих процессов.
Все элементы электрических цепей условно можно поделить на три группы, а именно: источники питания или сигналов, проводники электричества и потребители энергии (нагрузка). Таким образом, элементы первой группы питают электрическим током, вторая группа включает элементы, преобразующие энергию источника питания в другие виды энергии (тепло, свет, звук), и третью группу представляют выходные элементы, традиционно называемые нагрузкой. Ввиду этого естественно предположить о существовании некоторых режимов функционирования электрических цепей, которые обычно связывают с нагрузкой.
Перечисленные элементы, а именно источники питания (сигналов), цепи преобразования сигналов (токов) и нагрузка, являются необходимыми компонентами.
Электрические цепи по способу преобразования сигналов подразделяют на линейные и нелинейные. В электротехнике применяют методы анализа линейных и нелинейных цепей. Для их анализа используется аппарат решения систем дифференциальных уравнений. Нелинейные дифференциальные уравнения решаются достаточно сложно, поэтому предполагают линеаризацию, и дальше проводят анализ в пределах участков линейной работы.
Любая цепь в интересах анализа имеет схематическое представление, называемое электрической схемой. Электрические схемы бывают принципиальные и эквивалентные. Принципиальная схема используется для детального анализа и монтажа электрической схемы. Эквивалентные схемы, в свою очередь, интересны в задачах анализа и описании сложных преобразовательных процессов для получения приближенных значений расчетных данных. Подраздел электротехники, который занимается теоретическими исследованиями электрических цепей, известен как схемотехника.
Режимы функционирования
Как указывалось ранее, всякая электрическая цепь, независимо от числа задействованных элементов и сложности, может функционировать в трех режимах: холостого хода (сокращенно х.х.), номинальной нагрузки (номинальный), а также в режиме короткого замыкания (сокращенно к.з.). При их описании пользуются понятиями напряжения, электродвижущей силы, силы тока и сопротивления участка цепи.
Режимы отличаются величиной нагрузки анализируемого участка цепи. Характеристики устройства, определяющие номинальный режим работы, получают на заводских испытаниях и прописывают в паспорте на устройство. Они определяются в условиях 75% от величины максимальной нагрузки. Величина нагрузки 0%, при которой изучается работа устройства, имеет называние режима холостого хода (без нагрузки), а режим работы с максимальной нагрузкой, или близкой к 100%, соответствует режиму короткого замыкания.
Номинальный режим работы
При этом электрическая цепь подключена к источнику питания, на выходе цепи которого имеется определенная режимом нагрузка. В качестве нагрузки может быть использован пассивный элемент: нагреватель, динамик, электрическая лампа, рамка с током и др.
Анализ такой цепи подчиняется закона Ома и Кирхгофа. В случае отсутствия реактивности напряжение в нагрузке определяется величинами силы тока и сопротивления участка цепи. Здесь используются такие термины, как падение напряжения и сила тока. В случае простой электрической цепи, где не используются замкнутые контуры, величина напряжения на участке цепи пропорциональна величине электрического тока. Этот закон был открыт Омом. Для замкнутых цепей применяют законы Кирхгофа. Данный режим используется для анализа работы в статическом режиме, т. е. в условиях работы, принятых за нормальные с постоянной нагрузкой.
Холостой ход
В режиме холостого хода проводят анализ функционирования электрической цепи без нагрузки, т. е. тогда, когда нагрузка отключена. В этом случае нет цепи для протекания тока, при описании работы цепи пользуются термином «электродвижущая сила на участке цепи». Это идеализированный режим работы цепи, позволяющий понять возможные условия работы без нагрузки.
Функционирование в режиме короткого замыкания
Данный режим функционирования используется при анализе цепи в критических условиях работы, приводящих к неисправности, а именно – когда сопротивление на выходе резко уменьшается.
Торговый дом Элби
Электрооборудование промышленного назначения вы сможете найти здесь.
1.6. Режимы работы электрических цепей.
Как указывалось выше, любая электрическая цепь состоит из источников и нагрузок (приемников). При включении различного количества приемников с изменением их параметров будут изменяться напряжения, токи и мощности в электрической цепи, от значений которых зависит режим работы цепи и ее элементов. Наиболее характерными являются следующие режимы: номинальный, согласованный, холостого хода и короткого замыкания.
Номинальным называется режим, при котором приемник работает со значениями тока, напряжения и мощности, на которые он рассчитан и которые называются его номинальными (или техническими) данными. Номинальные мощности и токи многих элементов электрических цепей (двигателей, генераторов, резисторов и др.) устанавливаются, исходя из нагревания их до наибольшей допускаемой температуры. Номинальные данные указываются в справочной литературе, технической документации или на самом элементе.
С учетом номинальных напряжений и токов источников и приемников производится выбор проводов и других элементов электрических цепей.
Согласованным называется режим, при котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая приемником, достигает максимального значения. Это возможно при определенном соотношении (согласовании) параметров электрической цепи, откуда и вытекает название данного режима.
Под режимом холостого хода понимается такой режим, при котором приемник отключен от источника. При этом источник не отдает энергию во внешнюю цепь, а приемник не потребляет ее.
Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при 
соединении между собой выводов источника, приемника или соединительных проводов, а также иных элементов электрической цепи, между которыми имеется напряжение. При этом сопротивление в месте соединения оказывается практически равным нулю. При коротких замыканиях могут возникать недопустимо большие токи, электрическая дуга, возможно резкое снижение напряжения, поэтому режим короткого замыкания рассматривают, как аварийный.
Энергетические установки работают чаще всего в режиме, при котором токи и мощности не превышают номинальных значений, а напряжения близки к номинальным.
Рассмотрим простейшую неразветвленную цепь (рис. 1.14, а). В этой цепи участок amb представляет собой простейший пассивный двухполюсник, являющийся приемником, участок anb — простейший активный двухполюсник, являющийся источником.
Рекомендуемые материалы
Для рассматриваемой цепи по второму закону Кирхгофа можно написать:
(1.16)
Формула для определения соотношения между напряжением U и э.д.с. источника E, полученная из (1.16),
(1.17)
называется внешней характеристикой источника, которая связывает напряжения на зажимах источника с величиной тока через источник (рис. 1.14б).
Очевидно, что напряжение на зажимах источника U тем больше, чем меньше его внутреннее сопротивление при одном и том же токе через источник.
В идеальном источнике напряжения r0=0, U=E во всем диапазоне изменения тока (рис. 1.14, б кривая 2).
Если умножить (1.16) на ток I , то получим соотношение между мощностями
(1.18)
Произведение EI представляет собой мощность, вырабатываемую источником. Правая часть (1.18) содержит потери мощности во внутреннем сопротивлении источника I2r0, и мощность, потребляемую приемником I2r. Если из вырабатываемой мощности вычесть потери мощности во внутреннем сопротивлении источника, получим мощность UI, отдаваемую источником во внешнюю цепь
(1.19)
Мощность, отдаваемая источником в данной цепи, равна мощности, потребляемой приемником
(1.20)
Вырабатываемая источником мощность определяется произведением:
(1.21)
причем положительные направления э.д.с. и тока совпадают. Отдаваемая им мощность:
(1.22)
где направления напряжения и тока противоположны, а мощность, потребляемая приемником определяется произведением:
(1.23)
где положительные направления тока и напряжения совпадают. Такие взаимные направления тока и э.д.с., а также тока и напряжения характерны для источников и приемников в любых электрических цепях (рис. 1.15 а,б).
Отношение мощности, отдаваемой источником, к вырабатываемой им мощности называется
коэффициентом полезного действия (КПД)
источника
Рис 1.15
(1.24)
Пользуясь полученными соотношениями, установим, как будут меняться значения тока, напряжения, мощности при изменении сопротивления r, т.е. в различных режимах работы источника. При отключении источника с помощью выключателя В (рис. 1.14а) электрическая цепь будет работать в режиме холостого хода. В этом случае следует считать r равным бесконечности, при этом I=E/(r+ r0)=0. Вследствие чего оказываются равными нулю падение напряжения Ir0, потери мощности I2r и мощности EI и UI. Т.к. Ir0=0, то согласно (1.17) U=Ux=E. Уменьшение сопротивления r приводит к увеличению тока I, падения напряжения Ir0, мощности EI. Напряжение U при этом уменьшается. О характере изменения мощности приемника можно судить, анализируя выражение
(1.25)
Зависимость
Обратите внимание на лекцию «47. Федеральный надзор и контроль в области безопасности».
представлена на рис. 1.16.
Уменьшение сопротивления r , а значит увеличение тока I приводит к возрастанию Рпотр и при r=r0 Рпотр =Рmax , что соответствует режиму согласованной нагрузки. В согласованном режиме U=0.5E, Рпотр=0.5, Рвыр, η=0.5. Дальнейшее уменьшение r приводит к уменьшению Рпотр.
Для номинального режима работы характерно следующее соотношение сопротивлений r >> r0, что обеспечивает поступление основной части вырабатываемой мощности к приемнику. При этом к.п.д. принимает значения, близкие к 1 , Uном=Iномr>>Iномr0 и согласно (1.17) U близко к E.
В режиме короткого замыкания r=0 и ток короткого замыкания оказывается намного больше номинального тока: Iк=E/r0>>Iном
При коротком замыкании U=IKr=0, Рпотр=UIK=0. Мощность Рвыр=EIK значительно возрастает и преобразуется в теплоту в сопротивлении r0. Последнее может привести с выходу из строя изоляции и даже к перегоранию проводов.
На внешней характеристике источника рис.1.14, б, которая подчиняется уравнению (1.17) и представляет собой прямую при E=const и ro= const, указаны точки, соответствующие режимам холостого хода, короткого замыкания и номинальному режиму работы источника. Здесь же приведена внешняя характеристика идеального источника э.д.с. (кривая 2 на рис. 1.14, б),для которого r0=0,U=E=const.