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]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
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.
Методическая
разработка
по
ОП.03 Электротехника и электроника
на
тему
«Режимы
работы электрических цепей»
2020
Цель занятия:
1. Изучить
тему Режимы работы электрических цепей
Время: 2 часа
Место: кабинет Электротехники и электроники
Учебно — материальное обеспечение:
Плакаты, презентации, лабораторное оборудование.
Распределение
времени занятия:
Вступительная
часть 5 мин;
Проверка
подготовки обучающихся к занятию 5 мин;
Учебные
вопросы занятия 25
мин;
Домашнее
задание 5
мин;
Заключение 5
мин.
Содержание занятия
Вступительная часть
–
принять
рапорт дежурного по группе;
–
проверить
наличие студентов и их готовность к занятию;
–
ответить
на вопросы, которые возникли при подготовке к занятию на самостоятельной
работе;
–
провести
опрос по ранее изученному материалу:
–
Опрос
рекомендуется провести устно, задавая вопросы и вызывая одного-двух студентов
для ответа,
Режимы
работы электрических цепей
Каждый
приемник электрической энергии характеризуется номинальными величинами, которые
приводятся в справочной литературе, на щитке, прикрепленном к корпусу, и др.
К
номинальным величинам приемников относят номинальное напряжение Uн, мощность Рн и ток Iн (например, на лампах накаливания имеется штамп, в котором указываются
номинальное напряжение и мощность).
В качестве
номинальных величин аккумуляторов указываются напряжение и емкость (в ампер-часах), которая
показывает, какое количество электричества может пройти через аккумулятор, пока его напряжение не снизится до некоторого минимального значения.
Электрические
цепи могут работать в различных режимах.
Номинальным
режимом работы
какого-либо элемента электрической цепи (источника, приемника) считается такой режим, в котором данный элемент работает при номинальных величинах.
Согласованным
называется режим, при
котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая приемником, имеет
максимальное значение.
Максимальные значения мощностей получаются при определенном соотношении
(согласовании) параметров ЭЦ.
Под режимом холостого хода ХХ
понимается такой режим, при котором через
источник или приемник не протекает ток. При этом источник не отдает энергию во внешнюю цепь, а приемник не
потребляет ее.
Режимом короткого
замыкания (КЗ) называется режим, возникающий при соединении между собой без какого-либо
сопротивления (накоротко) зажимов источника
или иных элементов электрической цепи, между которыми
имеется напряжение.
Режим
короткого замыкания может быть следствием нарушения изоляции, обрыва проводов, ошибки оператора при
сборке электрической цепи и др.
При
коротком замыкании могут возникнуть недопустимо большие токи, электрическая
дуга, что может привести к тяжелым последствиям, поэтому режим короткого
замыкания является аварийным.
2.8 Нелинейные
электрические цепи постоянного тока
Электрическая
цепь относится к классу нелинейных, если она содержит хотя бы один нелинейный
элемент. В свою очередь, нелинейным является такой элемент, параметры которого
(сопротивление или проводимость) зависят от величины напряжения или тока. На
схемах замещения, которые используются при расчетах электрических цепей,
реальные устройства представляются совокупностями линейных и нелинейных
сопротивлений, индуктивностей и емкостей, поэтому свойства нелинейных цепей
изучаются, исходя из характеристик этих элементов.
Характеристиками
нелинейных элементов электрических цепей постоянного тока обычно являются их
вольтамперные характеристики i(u)
или u(i).
На
электрических схемах нелинейный элемент в общем случае обозначается так, как
показано на рис. 2.8,а.
Примеры
вольтамперных характеристик цепей постоянного тока приведены на рис. 2.8(б, в,
г).
Рис.
2.8
Характеристику,
изображенную на рис. 2.8,б, имеет, например, обычная лампа накаливания с
металлической нитью. На рис. 2.8,в изображена вольтамперная характеристика
полупроводникового диода. Именно на несимметричных характеристиках
осуществляется выпрямление переменного тока, поскольку прямое и обратное
сопротивления могут отличаться в 105 – 107 раз.
Более
подробно свойства различных полупроводниковых элементов рассматриваются в
разделе «Электроника». Здесь же ограничимся рассмотрением особенностей расчета
нелинейных электрических цепей постоянного тока.
Как
и в случае линейных цепей, расчет строится на использовании законов Ома и
Кирхгофа. Однако уравнения Кирхгофа становятся нелинейными алгебраическими
уравнениями, решение которых имеет свои особенности. Рассмотрим эти особенности
на отдельных примерах.
На
рис. 2.9,а показано последовательное соединение двух нелинейных элементов.
Задано входное напряжение u
= U
= const
и вольтамперные характеристики 1 и 2 этих элементов (рис. 2.9,б). Требуется
найти ток I и
напряжения U1
,U2
.
Рис.
2.9
По
II
закону Кирхгофа имеем
U1
+ U2
= U
(2.17)
Составляющие
левой части (2.17) для установившегося режима неизвестны, так же, как и ток I
. Поэтому для аналитического решения нелинейного уравнения (1) необходимо иметь
аналитическое представление характеристик U1(I)
и U2
(I).
На
практике чаще всего аналитическое представление характеристик неизвестно, они
задаются графически (кривые 1 и 2 на рис. 2.9,б), поэтому наиболее
привлекательными своей простотой и отсутствием необходимости аналитического
представления характеристик нелинейных элементов являются графические способы
решения.
В
рассматриваемой задаче нужно в соответствии с уравнением (2.17), складывая
напряжения на элементах при различных токах, построить результирующую
вольтамперную характеристику 3 (рис. 2.9,б), и затем по кривой 3, отложив на
оси абсцисс заданное напряжение U,
определить графически ток в цепи, а по току найти напряжения U1
и U2
(процесс решения на рис. 2.9,б показан стрелками).
При
параллельном соединении (рис. 2.10,а) имеем
I1
+ I2
= I
(2.18)
На
рис.2.10б в соответствие с (2.18) складываются ординаты вольтамперных
характеристик элементов при различных напряжениях, и строится результирующая
характеристика 3, по которой при заданном напряжении U
находится общий ток, а по кривым 1 и 2 – токи I1
и I2
.
Рис.
2.10
При
последовательно-параллельном (смешанном) соединении (рис. 2.11,а), когда
заданы три вольтамперные характеристики: i1(u1),
i2(u2)
и i3(u3),
изображенные на рис. 2.12,а, и входное напряжение uвх.
= U,
получим систему двух нелинейных уравнений:
Процесс
решения этих уравнений соответствует прямому и обратному преобразованию цепи
(рис. 2.11).
Рис.
2.11
По
уравнению (2.19), используя правила построения вольтамперной характеристики при
параллельном соединении, строится ВАХ i1(uab),
что соответствует первому преобразованию, представленному на рис. 2.10,б. При
этом складываются ординаты характеристик 2-го и 3-го нелинейных элементов (рис.
2.12,а). Построенную кривую i1(uab)
и заданную характеристику i1(u1)
переносим на рис. 2.11,б. Затем по уравнению (2.20), используя правила
построения ВАХ при последовательном соединении, строим результирующую ВАХ цепи i1(uвх).
При этом складываются на рис. 2.12,б абсциссы характеристик i1(u1)
и i1(uab).
Рис.
2.12
Результирующая
характеристика i1(uвх.)
позволяет по заданному напряжению uвх
= U
найти ток цепи I1
(cм.
рис. 2.12,б). По току I1
определяются напряжения U1
и Uab,
а также токи I2
и I3
(см. рис. 2.12, на котором соответствующие решения показаны стрелками).
Нетрудно заметить, что нахождение по графикам напряжений Uab
и U1
соответствует обратному переходу к схеме, изображённой на рис. 2.11,б, а
определение токов I2
и I3
– переходу к исходной схеме ( рис. 2.11,а).
Аналогично
рассчитываются и более сложные цепи, состоящие из последовательных и
параллельных участков.
Обратим
внимание на следующее обстоятельство. Если в сложных нелинейных электрических
цепях ветви содержат источники ЭДС, то, чтобы применить те же правила, которые
были нами рассмотрены, нужно сначала построить эквивалентные характеристики
ветвей.
Рассмотрим
схему (рис. 2.13,а), в которой ветвь содержит источник ЭДС, совпадающий по
направлению с током I.
Рис.
2.13
Запишем
нелинейное уравнение II закона Кирхгофа
для этой цепи:
–
U
+ uнэ
= Е.
Откуда
U
= uнэ
– Е,
что соответствует сдвигу ВАХ i
(uнэ)
влево на величину ЭДС, т.е. эквивалентное ВАХ ветви i
(uвх)
сдвинута влево по отношению к заданной ВАХ i
(uнэ)
на величину ЭДС.
Очевидно,
что для схемы, в которой направление тока и ЭДС противоположны (рис. 2.13,б),
эквивалентная ВАХ будет сдвинута вправо.
Заметим,
что направление смещения (сдвига) определяется простым правилом: если
закоротить входные зажимы схем (Uвх
= 0), то в первом случае значение тока на оси ординат
должно быть положительным, что свидетельствует о необходимости смещения ВАХ
влево. Во второй схеме при тех же условиях ток будет отрицателен, а
результирующая ВАХ расположится правее ВАХ нелинейного элемента.
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ
ЧАСТЬ
—
подвести
итоги занятия;
—
напомнить
тему, цели и учебные вопросы;
—
объявить
оценки;
—
ответить
на вопросы;
—
отметить
активность и дисциплину на занятии;
—
дать
задание на самоподготовку.
Список
используемой литературы
1.
Славинский,
А. К. Электротехника с основами электроники : учебное пособие / А. К.
Славинский, И. С. Туревский. — Москва : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2020. — 448 с.
2.
Маркелов,
С. Н. Электротехника и электроника : учебное пособие / С.Н. Маркелов, Б.Я.
Сазанов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 267 с.