Электрическая цепь это совокупность
устройств, предназначенных для
генерирования, передачи, преобразования
и использования электрической энергии,
процессы в которых могут быть описаны
с помощью понятий об электрическом
токе, напряжении и ЭДС
| 2.2 Электрическая Вернуться к тексту |
В состав электрических
цепей (2.2)входит также коммутационная
и защитная аппаратура. В состав
электрических цепей могут включаться
электрические приборы для измерения
силы тока, напряжения и мощности.
При описании электрических цепей
используют следующие понятия:
ветвь электрической цепи, узел
электрической цепи, контур, двухполюсник,
четырехполюсник.
Ветвь электрической цепи— это
участок, элементы которого соединены
последовательно. Ток во всех элементах
один и тот же.
| 2.3 Ветвь электрической Вернуться к тексту |
Узел электрической цепи — это точка
соединения трех и болееветвей
электрической цепи (2.3).
| 2.4 Вернуться к тексту |
Контур — это любой путь вдоль ветвей
электрической цепи, начинающийся и
заканчивающийся в одной и той же точке.
| 2.5 |
Двухполюсник — это часть электрической
цепи с двумя выделенными
выводами.
Четырехполюсник — часть электрической
цепи с двумя парами выводов.
Режимы работы электрических цепей
Электрическая цепь в
зависимости от значения сопротивления
нагрузки R может работать в различных
характерных режимах:
-
номинальном;
-
согласованном;
-
холостого хода;
-
короткого замыкания.
Номинальный режим— это расчетный
режим, при котором элементы цепи
(источники, приемники, линия электропередачи)
работают в условиях, соответствующих
проектным данным и параметрам.
Изоляция источника, линии электропередачи,
приемников рассчитана на определенное
напряжение, называемое номинальным.
Превышение этого напряжения приводит
к пробою изоляции, увеличению токов в
цепи и другим аварийным последствиям.
Тепловой режим источников или приемников
энергии рассчитан на выделение в них
определенного количества тепла, то есть
на определенную мощность, а последняя
зависит от квадрата тока RI2,
rI2.
Расчетный по тепловому режиму ток
называется номинальным.
Номинальное значение мощности для
источника электрической энергии — это
наибольшая мощность, которую источник
при нормальных условиях работы может
отдать во внешнюю цепь без опасности
пробоя изоляции и превышения допустимой
температуры нагрева.
Для приемников электрической энергии
типа двигателей — это мощность, которую
могут развивать на валу при нормальных
условиях работы. Для остальных приемников
электрической энергии (нагревательные
и осветительные приборы) — это их мощность
при номинальном режиме. Номинальные
значения напряжений, токов и мощностей
указывают в паспортах изделий.
Согласованный режим работы— это
режим, в котором работает электрическая
цепь (источник и приемник), когда
сопротивление нагрузки R равна внутреннему
сопротивлению источника r. Этот режим
характеризуется передачей от данного
источника к приемнику максимально
возможной мощности. Однако в согласованном
режиме К.П.Д.=
0,5 — низкий и для мощных цепей работа в
согласованном режиме экономически
невыгодна. Согласованный режим
применяется, главным образом, в маломощных
цепях, если К.П.Д. не имеет существенного
значения, а требуется получить в приемнике
возможно большую мощность.
Режим холостого хода и короткого
замыкания.Эти режимы являются
предельными режимами работы электрической
цепи.
В режиме холостого хода внешняя цепь
разомкнута и ток равен нулю. Так как ток
равен нулю, то падение напряжения на
внутреннем сопротивлении источника
так же равно нулю (rI = 0) и напряжение
на выводах источника равно ЭДС (= U). Из этих соотношений вытекает метод
измеренияЭДС (2.7)источника: при разомкнутой внешней цепи
вольтметром, сопротивление которого
можно считать бесконечно большим,
измеряют напряжение на его выводах.
В режиме короткого замыкания выводы
источника соединены между собой,
например, сопротивление нагрузки
замкнуто проводником с нулевым
сопротивлением. Напряжение на приемнике
при этом равно нулю.
Сопротивление всей цепи равно внутреннему
сопротивлению источника, и ток короткого
замыкания в цепи равен:
Iк.з. =
/ r.
(2.14)
Он достигает максимально возможного
значения для данного источника и может
вызывать перегрев источника и даже его
повреждение. Для защиты источников
электрической энергии и питающих цепей
от токов короткого замыкания в маломощных
цепях устанавливают плавкие предохранители,
в более мощных цепях — отключающие
автоматические выключатели, а
высоковольтных цепях — специальные
высоковольтные выключатели.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
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.
Согласованный режим работы электрической цепи, согласование источника и нагрузки
Предметом данной статьи будет освещение в общем виде режимов работы электрической сети в условиях согласования источника и нагрузки. Что это за условия и когда и для чего они нужны? Особого внимания заслуживает согласованный режим (по мощности), но мы рассмотрим между прочим и другие режимы согласования.
Согласованным режимом, в общем смысле, называется такой режим работы электрической цепи, когда на нагрузке, подключенной к данному источнику, выделяется максимальная мощность, которую способен дать этот источник в текущем его состоянии.
Условием, при котором имеет место данный режим, является равенство сопротивления нагрузки внутреннему сопротивлению источника для цепей постоянного тока, или равенство собственного импеданса источника комплексному импедансу нагрузки для цепей переменного тока.
Очевидно, что для реальных источников электроэнергии, обладающих определенным конечным внутренним сопротивлением, справедливо утверждение, что с увеличением сопротивления нагрузки начиная от нуля, выделяемая на ней мощность сначала нелинейно возрастает, затем достигается пик выделяемой на нагрузке мощности (для данного источника), и с дальнейшим увеличением сопротивления нагрузки, выделяемая на ней мощность нелинейно снижается, приближаясь к нулю.
Это связано с тем, что ток источника связан не только с сопротивлением нагрузки R, но и с собственным сопротивлением источника r:
Так или иначе, с целью согласования нагрузки и источника, подбирают именно такое соотношение между внутренним сопротивлением источника и сопротивлением цепи нагрузки, чтобы полученная система в результате проявляла бы именно те свойства, которые от нее для конкретной задачи требуются. По этой причине существует несколько вариантов согласования нагрузки и источника, и давайте справедливости ради основные из них отметим: по напряжению, по току, по мощности, по волновому сопротивлению.
Согласование нагрузки и источника по напряжению
С целью получения на нагрузке максимального напряжения, ее сопротивление подбирают таким, чтобы оно оказалось много больше внутреннего сопротивления источника. То есть в пределе источник должен работать под нагрузкой, но при этом в режиме холостого хода, тогда напряжение на нагрузке будет равно ЭДС источника. Такое согласование применяют в частности в электронных системах, в которых напряжение служит носителем информации, носителем сигнала, и необходимо чтобы при передаче этого сигнала потери были бы минимальными.
Согласование нагрузки и источника по току
Когда на нагрузке требуется получить максимальный ток, сопротивление нагрузки подбирают как можно меньшим, много меньшим чем внутреннее сопротивление источника. То есть источник работает в режиме короткого замыкания, и при этом через нагрузку течет ток, равный току короткого замыкания.
Такое решение применяется в частности в электронных схемах, где носителем сигнала является ток. К примеру, быстродействующий фотодиод передает сигнал именно током, который затем преобразуется в необходимого уровня напряжение. Благодаря малому входного сопротивлению решается проблема заужения полосы из-за паразитного RC-фильтра.
Согласование нагрузки и источника по мощности (согласованный режим)
На нагрузке получается максимальная мощность, которую способен дать источник. Сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника (импедансу). Мощность, выделяемая в данном режиме на нагрузке, определяется по формуле:
Согласование нагрузки и источника по волновому сопротивлению
В теории длинных линий и в СВЧ технике это особенно значимый тип согласования. При согласовании по волновому сопротивлению, в линии передачи получается максимальный коэффициент бегущей волны, что тождественно, применительно к длинным линиям, согласованию по мощности в обычных цепях переменного тока.
При согласовании по волновому сопротивлению, волновое сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению источника волны. Всюду в СВЧ технике применяют согласование по волновому сопротивлению.
Кстати, применительно к альтернативной энергетике ближайшего будущего, когда источник электроэнергии обладает индивидуальными характеристиками, сильно отличающимися от традиционных, необходимо в первую очередь обеспечить согласованный режим работы источника и приемника, путем изготовления приемника, который будет подходить своими характеристиками к данному источнику, а лишь затем преобразовывать полученную энергию в приемлемый для нагрузки вид.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Источник
Сайт инженера Задорожного С.М.
Согласованная нагрузка: теоретические основы практической пользы
Что такое согласованная нагрузка
В учебной литературе согласование с нагрузкой рассматривается чаще всего применительно к волновым свойствам длинной линии при передаче высокочастотного сигнала. Но в [1] всё же рассмотрены энергетические соотношения при передаче энергии от активного двухполюсника к пассивному.
Активный двухполюсник — это любой источник электрической энергии, а пассивный — её потребитель, который чаще всего именуют нагрузкой. Возьмём в качестве активного двухполюсника источник э.д.с. с известным выходным сопротивлением (см. схему на рис.1) и посчитаем, при каком же сопротивлении нагрузки мощность, передаваемая в нагрузку, будет максимальной.
Рис.1. Схема подключения нагрузки к источнику э.д.с.
Согласно закону Ома для полной электрической цепи ток в нагрузке равен:
— напряжение холостого хода активного двухполюсника;
— выходное сопротивление активного двухполюсника;
— сопротивление нагрузки.
Напряжение холостого хода активного двухполюсника измеряется высокоомным вольтметром на зажимах активного двухполюсника при отключенной нагрузке.
Поскольку обе величины и измеряются в омах, выразим для упрощения дальнейших математических выкладок величину через коэффициент пропорциональности k, показывающий, во сколько раз сопротивление нагрузки отличается от выходного сопротивления активного двухполюсника :
Тогда после подстановки выражение для мощности в нагрузке (3) примет вид:
Поскольку левый множитель в последнем выражении — величина постоянная, то максимум мощности в нагрузке совпадёт с максимумом правого множителя, то есть функции:
Максимальное значение функция f(k) примет при таком k, при котором будет равна нулю её производная по k. Производная частного двух функций определена как:
Очевидно, что производная принимает нулевое значение лишь при k=1, то есть при выполнении равенства 
. Максимум мощности в нагрузке при k=1 хорошо виден на графике, приведенном на рис.2:
Рис.2. Зависимость мощности в нагрузке от отношения сопротивления нагрузки к выходному сопротивлению активного двухполюсника.
Таким образом максимальная мощность в нагрузку передаётся при равенстве выходного сопротивления активного двухполюсника и сопротивления нагрузки. В этом случае говорят, что сопротивление нагрузки согласовано с выходным сопротивлением источника электрической энергии или с выходным сопротивлением источника сигнала.
В звукотехнике, телефонии, радиотехнике и средствах телекоммуникаций для согласования с нагрузкой источников сигнала переменного тока применяют согласующий трансформатор, который часто используется также для гальванической развязки источника сигнала и нагрузки. Принцип действия трансформатора как такового детально описан в учебной литературе, покажем лишь как выбрать соотношение количества витков первичной и вторичной обмоток согласующего трансформатора для получения всё той же максимальной мощности в нагрузке.
Рис.3. Подключение нагрузки к источнику переменной э.д.с. через согласующий трансформатор.
В качестве активного двухполюсника возьмём источник переменной э.д.с. с известным выходным сопротивлением, а нагрузку к нему, сопротивление которой тоже задано, подключим через согласующий трансформатор (см. схему на рис.3), потерями и прочими конструктивными ограничениями в котором пренебрегаем. В этом случае получаемая нагрузкой мощность равна мощности, подводимой активным двухполюсником.
Сила тока в обмотках идеального трансформатора определяется соотношением количества витков первичной и вторичной обмоток:
— ток во вторичной обмотке трансформатора;
— ток в первичной обмотке трансформатора;
— количество витков первичной обмотки трансформатора;
— количество витков вторичной обмотки трансформатора.
Соотношение величин напряжения на выводах обмоток идеального трансформатора определяется обратной величиной:
— напряжение на выводах вторичной обмотки;
— напряжение на выводах первичной обмотки.
Если в показанной на рис.3 схеме отключить нагрузку, то есть при отсутствии тока во вторичной обмотке идеального трансформатора напряжение на выводах вторичной обмотки будет определяться напряжением холостого хода активного двухполюсника и соотношением количества витков обмоток трансформатора:
При замкнутой накоротко вторичной обмотке, когда напряжение на выводах первичной обмотки также будет равно нулю, ток во вторичной обмотке определяется значением напряжения холостого хода активного двухполюсника, его выходным сопротивлением и обратным соотношением количества витков обмоток трансформатора:
В соответствии с теоремой об эквивалентном генераторе (теорема Гельмгольца и Тевенена, см. в [1]), часть приведенной на рис.3 схемы, состоящую из активного двухполюсника A и идеального согласующего трансформатора, можно заменить эквивалентным активным двухполюсником с напряжением холостого хода, определяемым выражением (10), и выходным сопротивлением:
На рис.4 приведена эквивалентная схема такой замены:
Рис.4. Схема замещения активного двухполюсника с трансформатором эквивалентным активным двухполюсником.
Таким образом показанная на рис.3 схема с согласующим трансформатором приводится к первоначальной схеме, показанной на рис.1, но с иными значениями выходного сопротивления и э.д.с. холостого хода. Ясно, что максимум мощности в нагрузку при этом, как это было показано выше, будет передаваться при 
, то есть при следующем значении соотношения количества витков вторичной и первичной обмоток согласующего трансформатора:
Согласующий трансформатор служит для трансформации выходного сопротивления активного двухполюсника с целью получения максимальной мощности в нагрузке, сопротивление которой задано изначально. Соответственно при этом максимальными будут также напряжение на нагрузке и ток в ней.
©Задорожный Сергей Михайлович, 2010г., г.Киев
- Зевеке Г.В., Ионкин П.А. и др., Основы теории цепей. Учебник для вузов. — М., «Энергия», 1975г.
Источник
Согласованный режим
Согласованный режим характеризуется тем, что источник питания отдает приемнику наибольшее количество энергии, что возможно при определенном соотношении ( согласовании) между параметрами элемента цепи.
Согласованным режимом какого-либо пассивного элемента внешней цепи называют режим, при котором этот элемент работает с максимальной мощностью.
Согласованным режимом источника и внешней цепи называется такой режим, при котором во внешней цепи развивается наибольшая возможная мощность при данном источнике. Последнее обстоятельство часто используется, например, в измерительных схемах, когда согласованный режим позволяет сделать схему наиболее чувствительной.
| Прос. тейшая цепь по стоянного тока с изменяющим-ся сопротивлением приемника.| Режимы холостого хода ( а и короткого замыкания ( б источника. |
Согласованным режимом источника называют режим, при котором он отдает во внешнюю цепь наибольшую мощность. Последнее обстоятельство часто используют в особых случаях, о которых будет сказано в дальнейшем.
| О л и ч и. ч вариантов эквивалентной схемы электрическое цепи 1 — 1. |
Согласованным режимом источника и внешней цепи называется такой режим, при котором сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению источника. Как будет показано в дальнейшем, при согласованном режиме во внешней цепи развивается наибольшая мощность, возможная при данном источнике. Последнее обстоятельство часто используется, например, в измерительных схемах, когда согласованный режим делает схему наиболее чувствительной.
Нарушение согласованного режима подачи энергии влечет применение к энергоснабжающей организации мер гражданско-правовой ответственности.
При согласованном режиме в приемнике ( нагрузке) выделяется наибольшая мощность. Такой режим используется в измерительных цепях, в устройствах вычислительной, информационной техники, средств связи.
Как формулируется условие согласованного режима двухполюсника.
Кроме измерения при примерно согласованном режиме по концам линии, параметры линейного тракта для схемы присоединения фаза — фаза дополнительно измеряют при изолированной и заземленной нерабочей фазе.
С энергетической точки зрения согласованный режим является нерациональным, так как к приемнику поступает лишь половина вырабатываемой источником мощности. Согласованный режим используется в некоторых радиотехнических устойствах, в автоматике и измерительной технике, когда энергетические соображения не имеют решающего значения из-за малого абсолютного значения мощности.
С технико-экономической точки зрения согласованный режим является нерациональным, так как к приемнику поступает лишь половина вырабатываемой источником мощности
Согласованный режим используется в некоторых радиотехнических устройствах, в автоматике и измерительной технике, когда важно получить максимальную мощность приемника. Энергетические соображения при этом не имеют решающего значения из-за малого абсолютного значения мощности.
Оба фильтра работают в согласованном режиме.
В том случае, когда согласованный режим при непосредственном соединении генератора и потребителя не обеспечивается, применяют согласующие устройства.
6.12. Согласованный режим работы электрической цепи. Согласование нагрузки с источником
В схеме на рис. 6.20
— полное, активное
и реактивное сопротивления источника ЭДС,
— полное, активное
и реактивное сопротивления нагрузки.
Активная мощность может выделяться только в активных сопротивлениях
цепи переменного тока.
Активная мощность, выделяемая в нагрузке,
. (6.26)
Активная мощность, развиваемая генератором
.
Коэффициент полезного действия для данной схемы:
.
Рис. 6.20
Из формулы (6.26) видно, что выделяемая
в нагрузке мощность будет максимальной, когда знаменатель минимален.
Последнее имеет место при , т.е. при
. Это означает, что реактивные сопротивления
источника и нагрузки должны быть одинаковы по модулю и иметь разнородный
характер. При индуктивном характере реактивного сопротивления источника
реактивное сопротивление нагрузки должно быть емкостным и наоборот.
. (6.27)
Установим условие, при котором от
источника к нагрузке будет передаваться наибольшая мощность.
.
отсюда .
От источника к нагрузке передается
наибольшая мощность, когда
.
. (6.28)
Величина наибольшей мощности
.
Режим передачи наибольшей мощности от
источника к нагрузке называется согласованным режимом, а подбор сопротивлений
согласно равенствам (6.28) — согласованием нагрузки с источником.
В согласованном режиме
.
Половина мощности теряется внутри
источника. Поэтому согласованный режим не используется в силовых энергетических
цепях. Этот режим используют в информационных цепях, где мощности могут
быть малыми, и решающими являются не соображения экономичности передачи
сигнала, а максимальная мощность сигнала в нагрузке.
Режимы работы электрической цепи
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 цепейКак 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.
6.10. Мощность в цепи синусоидального тока
Мгновенной мощностью называют произведение
мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.
Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по
формулам:
Тогда
(6.23)
Среднее значение мгновенной мощности
за период
Из треугольника сопротивлений ,
а .
Получим еще одну формулу:
.
Среднее арифметическое
значение мощности за период называют активной мощностью и обозначают
буквой P.
Эта мощность измеряется в ваттах и характеризует необратимое
преобразование электрической энергии в другой вид энергии, например,
в тепловую, световую и механическую энергию.
Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость).
Активная мощность в этом элементе , так
как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе
на 90o. В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери
электрической энергии, не происходит нагрева элементов.
Происходит обратимый процесс в виде обмена
электрической энергией между источником и приемником. Для качественной
оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности
Q.
Преобразуем выражение :
где
— мгновенная мощность в активном сопротивлении;
— мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).
Максимальное или амплитудное значение мощности p2
называется реактивной мощностью
,
где x — реактивное сопротивление
(индуктивное или емкостное).
Реактивная мощность, измеряемая в вольтамперах реактивных,
расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического
поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности,
периодически возвращается источнику питания.
Амплитудное значение суммарной мощности p = p1
+ p2 называется полной мощностью.
Полная мощность, измеряемая в вольтамперах,
равна произведению действующих значений напряжения и тока:
,
где z — полное сопротивление цепи.
Полная мощность характеризует предельные возможности источника
энергии. В электрической цепи можно использовать часть полной мощности
,
где
— коэффициент мощности или «косинус «фи».
Коэффициент мощности является одной
из важнейших характеристик электротехнических устройств. Принимают специальные
меры к увеличению коэффициента мощности.
Возьмем треугольник сопротивлений и умножим его
стороны на квадрат тока в цепи. Получим подобный треугольник мощностей
(рис. 6.18).
Из треугольника мощностей получим ряд формул:
,
,
При анализе электрических цепей символическим методом
используют выражение комплексной мощности, равное произведению комплексного
напряжения на сопряженный комплекс тока.
Для цепи, имеющей индуктивный характер (R-L цепи)
,
где
— комплекс напряжения;
— комплекс тока;
— сопряженный комплекс
тока;
— сдвиг по фазе
между напряжением и током.
, ток как в R-L цепи,
напряжение опережает по фазе ток.
Вещественной частью полной комплексной
мощности является активная мощность.
Мнимой частью комплексной мощности — реактивная
мощность.
Для цепи, имеющей емкостной характер (R-С цепи),
. Ток опережает по фазе напряжение.
.
Активная мощность всегда положительна.
Реактивная мощность в цепи, имеющей индуктивный характер, — положительна,
а в цепи с емкостным характером — отрицательна.
ÐÐÐÐТРÐЧÐСÐÐЯ ЦÐÐЬ С ÐÐУÐЯ ÐСТÐЧÐÐÐÐÐÐ
РаÑÑмоÑÑим ÑепÑ, ÑоÑÑоÑÑÑÑ Ð¸Ð· двÑÑ Ð¸ÑÑоÑников ÐÐС — e1 и e2, имеÑÑÐ¸Ñ Ð²Ð½ÑÑÑенние ÑопÑоÑивлениÑrв1 и rв2 и пÑиемника ÑлекÑÑиÑеÑкой ÑнеÑгии, ÑопÑоÑивление коÑоÑого Ñавно R.
Ð¡Ð¸Ð»Ñ Ñока в Ñакой Ñепи можно опÑеделиÑÑ Ð¿Ð¾ пÑинÑÐ¸Ð¿Ñ Ð½Ð°Ð»Ð¾Ð¶ÐµÐ½Ð¸Ñ Ñоков: Ñила Ñока в Ñепи Ñавна алгебÑаиÑеÑкой ÑÑмме Ñил Ñоков, ÑоздаваемÑÑ Ð² ней иÑÑоÑниками пиÑаниÑ, двÑÐ¼Ñ Ð¸Ð»Ð¸ неÑколÑкими, дейÑÑвÑÑÑими незавиÑимо дÑÑг Ð¾Ñ Ð´ÑÑга, еÑли ÑопÑоÑÐ¸Ð²Ð»ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð²ÑÐµÑ ÑÑаÑÑков Ñепи поÑÑоÑннÑ, Ñ.е. не завиÑÑÑ Ð¾Ñ Ð²ÐµÐ»Ð¸ÑÐ¸Ð½Ñ Ñока.
ÐÑли мÑÑленно ÑбÑаÑÑ Ð²ÑоÑÑÑ ÐÐС, оÑÑавив ее внÑÑÑеннее ÑопÑоÑивление, Ñо пÑи дейÑÑвии ÑолÑко пеÑвой ÐÐС Ñила Ñока в Ñепи Ñавна: I1 = e1/(R + rв1 + rв2 )
ÐÑиÑем, напÑавление ÑÑого Ñока в пеÑвой иÑÑоÑнике ÑÐ¾Ð²Ð¿Ð°Ð´Ð°ÐµÑ Ñ Ð½Ð°Ð¿Ñавлением e1, коÑоÑÐ°Ñ Ð½Ð°Ð¿Ñавлена Ð¾Ñ Ð¼Ð¸Ð½ÑÑа к плÑÑÑ.
ÐÑли ÑепеÑÑ Ð¼ÑÑленно ÑбÑаÑÑ Ð¿ÐµÑвÑÑ ÐÐС, оÑÑавив ее внÑÑÑеннее ÑопÑоÑивление, Ñо пÑи дейÑÑвии ÑолÑко вÑоÑой ÐÐС Ñила Ñока в Ñепи Ñавна: I2 = e2/(R + rв1 + rв2 )
ÐапÑавление ÑÑого Ñока во вÑоÑом иÑÑоÑнике ÑÐ¾Ð²Ð¿Ð°Ð´Ð°ÐµÑ Ñ Ð½Ð°Ð¿Ñавлением e2.
Т.к. e1 и e2 в конÑÑÑе напÑÐ°Ð²Ð»ÐµÐ½Ñ Ð½Ð°Ð²ÑÑÑеÑÑ Ð´ÑÑг дÑÑгÑ, Ñо дейÑÑвиÑелÑÐ½Ð°Ñ Ñила Ñока в Ñепи Ñавна ÑазноÑÑи Ñил Ñоков I1 и I2I = I1 â I2 = (e1 — e2 )/(R + rв1 + rв2 )
ÐÑли e1 = e2 , ÑоI = 0 à Ñок в Ñепи Ð²Ð¾Ð·Ð½Ð¸ÐºÐ°ÐµÑ ÑолÑко в ÑлÑÑае e1 ¹e2. ÐапÑавление обÑего ÑокаIÑÐ¾Ð²Ð¿Ð°Ð´Ð°ÐµÑ Ñ Ð½Ð°Ð¿Ñавлением болÑÑей ÐÐС.
ÐÐС, напÑÐ°Ð²Ð»ÐµÐ½Ð½Ð°Ñ Ð²ÑÑÑеÑно ÑокÑ, назÑваеÑÑÑ Ð²ÑÑÑеÑной или пÑоÑиво-ÐÐС.
Ðа ÑÑаÑÑке ÐС Ñ ÑопÑоÑивлением rв2 дейÑÑвÑÐµÑ Ð²ÑÑÑеÑнаÑe2. Ðа ÑÑом ÑÑаÑÑке кÑоме Ñепловой моÑноÑÑи I2rв2 ÑазвиваеÑÑÑ ÐµÑе и ÑлекÑÑиÑеÑÐºÐ°Ñ Ð¼Ð¾ÑноÑÑÑe2I, Ñ.к. ÑлекÑÑиÑеÑкими Ñилами ÑовеÑÑаеÑÑÑ ÑабоÑа по пÑÐµÐ¾Ð´Ð¾Ð»ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð´ÐµÐ¹ÑÑÐ²Ð¸Ñ Ð²ÑÑÑеÑной ÐÐС.Таким обÑазом, иÑÑоÑник Ñ Ð¿ÑоÑиво-ÐÐС ÑабоÑÐ°ÐµÑ Ð² Ñежиме поÑÑебиÑÐµÐ»Ñ (пÑиемника).
Ð Ð°Ð·Ð²Ð¸Ð²Ð°ÐµÐ¼Ð°Ñ Ð½Ð° ÑÑаÑÑке ÐС моÑноÑÑÑ Ñавна: Ð ÐС = I2rв2 + e2I, а напÑÑжение на нем:
UÐС= Ð ÐС/I = I2rв2 + e2.
ÐÑлидве ÐÐС вклÑÑÐµÐ½Ñ Ð²ÑÑÑеÑно, Ñо обÑÐ°Ñ ÐÐС в Ñепи бÑÐ´ÐµÑ Ñавна: e= e1 — e2
ÐÑак, напÑÑжение на Ð·Ð°Ð¶Ð¸Ð¼Ð°Ñ Ð¸ÑÑоÑника, ÑабоÑаÑÑего в Ñежиме поÑÑебиÑелÑ, Ñавно ÑÑмме ÐÐС и внÑÑÑеннего Ð¿Ð°Ð´ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð½Ð°Ð¿ÑÑжениÑ.
Ðа ÑÑаÑÑке ÐÐ Ñ ÑопÑоÑивлением rв1 дейÑÑвÑÐµÑ ÐÐСe1, одного напÑÐ°Ð²Ð»ÐµÐ½Ð¸Ñ Ñ Ñоком. ÐлекÑÑиÑеÑÐºÐ°Ñ Ð¼Ð°Ñина или аккÑмÑлÑÑÐ¾Ñ Ñ e1 ÑабоÑÐ°ÐµÑ Ð² Ñежиме генеÑаÑоÑа или иÑÑоÑника ÑнеÑгии, поÑÑÐ¾Ð¼Ñ ÐÐС Ñавна ÑÑмме напÑÑÐ¶ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð½Ð° Ð·Ð°Ð¶Ð¸Ð¼Ð°Ñ Ð¸ внÑÑÑеннего Ð¿Ð°Ð´ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð½Ð°Ð¿ÑÑжениÑ: e1 = UAB+ UB = UAB+ IrB1, а напÑÑжение на Ð·Ð°Ð¶Ð¸Ð¼Ð°Ñ Ð³ÐµÐ½ÐµÑаÑоÑа Ñавно:
UAB= e1 -IrB1
СледоваÑелÑно, напÑÑжение на Ð·Ð°Ð¶Ð¸Ð¼Ð°Ñ Ð¸ÑÑоÑника, оÑдаÑÑего ÑнеÑгиÑ, или генеÑаÑоÑа, Ñавно ÑазноÑÑи ÐÐС и внÑÑÑеннего Ð¿Ð°Ð´ÐµÐ½Ð¸Ñ Ð½Ð°Ð¿ÑÑжениÑ.
ÐÑли две ÐÐС вклÑÑÐµÐ½Ñ ÑоглаÑно, Ñо обÑÐ°Ñ ÐÐС в Ñепи бÑÐ´ÐµÑ Ñавна: e= e1 +e2
Ð Ð°Ð·Ð²Ð¸Ð²Ð°ÐµÐ¼Ð°Ñ Ð¸ÑÑоÑником моÑноÑÑÑ: e1I = UABI +UBI = UAB+ I2rв1
ÐÑак, напÑÑжение на Ð·Ð°Ð¶Ð¸Ð¼Ð°Ñ Ð¸ÑÑоÑника Ñавно ÑазноÑÑи поÑенÑиалов Ð¼ÐµÐ¶Ð´Ñ ÐµÐ³Ð¾ зажимами (+) и (-): U = j+ — j— = e+ (-)Irв, где знак «+» оÑноÑиÑÑÑ Ðº ÑабоÑе Ñепи в Ñежиме поÑÑебиÑелÑ, а знак «-» оÑноÑиÑÑÑ Ðº ÑабоÑе Ñепи в Ñежиме генеÑаÑоÑа.
Помогла ли вам статья?
Задать вопрос
Пишите ваши рекомендации и задавайте вопросы в комментариях
Согласованный режим
Согласованный режим характеризуется тем, что источник питания отдает приемнику наибольшее количество энергии, что возможно при определенном соотношении ( согласовании) между параметрами элемента цепи.
Согласованным режимом какого-либо пассивного элемента внешней цепи называют режим, при котором этот элемент работает с максимальной мощностью.
Согласованным режимом источника и внешней цепи называется такой режим, при котором во внешней цепи развивается наибольшая возможная мощность при данном источнике. Последнее обстоятельство часто используется, например, в измерительных схемах, когда согласованный режим позволяет сделать схему наиболее чувствительной.
Прос. тейшая цепь по стоянного тока с изменяющим-ся сопротивлением приемника.| Режимы холостого хода ( а и короткого замыкания ( б источника.
Согласованным режимом источника называют режим, при котором он отдает во внешнюю цепь наибольшую мощность. Последнее обстоятельство часто используют в особых случаях, о которых будет сказано в дальнейшем.
О л и ч и. ч вариантов эквивалентной схемы электрическое цепи 1 — 1.
Согласованным режимом источника и внешней цепи называется такой режим, при котором сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению источника. Как будет показано в дальнейшем, при согласованном режиме во внешней цепи развивается наибольшая мощность, возможная при данном источнике. Последнее обстоятельство часто используется, например, в измерительных схемах, когда согласованный режим делает схему наиболее чувствительной.
Нарушение согласованного режима подачи энергии влечет применение к энергоснабжающей организации мер гражданско-правовой ответственности.
При согласованном режиме в приемнике ( нагрузке) выделяется наибольшая мощность. Такой режим используется в измерительных цепях, в устройствах вычислительной, информационной техники, средств связи.
Как формулируется условие согласованного режима двухполюсника.
Кроме измерения при примерно согласованном режиме по концам линии, параметры линейного тракта для схемы присоединения фаза — фаза дополнительно измеряют при изолированной и заземленной нерабочей фазе.
С энергетической точки зрения согласованный режим является нерациональным, так как к приемнику поступает лишь половина вырабатываемой источником мощности. Согласованный режим используется в некоторых радиотехнических устойствах, в автоматике и измерительной технике, когда энергетические соображения не имеют решающего значения из-за малого абсолютного значения мощности.
С технико-экономической точки зрения согласованный режим является нерациональным, так как к приемнику поступает лишь половина вырабатываемой источником мощности
Согласованный режим используется в некоторых радиотехнических устройствах, в автоматике и измерительной технике, когда важно получить максимальную мощность приемника. Энергетические соображения при этом не имеют решающего значения из-за малого абсолютного значения мощности.
Оба фильтра работают в согласованном режиме.
В том случае, когда согласованный режим при непосредственном соединении генератора и потребителя не обеспечивается, применяют согласующие устройства.
6.12. Согласованный режим работы электрической цепи. Согласование нагрузки с источником
В схеме на рис. 6.20 — полное, активное и реактивное сопротивления источника ЭДС, — полное, активное и реактивное сопротивления нагрузки. Активная мощность может выделяться только в активных сопротивлениях цепи переменного тока. Активная мощность, выделяемая в нагрузке,
. (6.26)
Активная мощность, развиваемая генератором
. Коэффициент полезного действия для данной схемы:
. Рис. 6.20
Из формулы (6.26) видно, что выделяемая в нагрузке мощность будет максимальной, когда знаменатель минимален. Последнее имеет место при , т.е. при . Это означает, что реактивные сопротивления источника и нагрузки должны быть одинаковы по модулю и иметь разнородный характер. При индуктивном характере реактивного сопротивления источника реактивное сопротивление нагрузки должно быть емкостным и наоборот.
Советуем изучить — Характеристики и пусковые свойства синхронных двигателей
. (6.27)
Установим условие, при котором от источника к нагрузке будет передаваться наибольшая мощность.
.
отсюда .
От источника к нагрузке передается наибольшая мощность, когда
. . (6.28)
Величина наибольшей мощности
.
Режим передачи наибольшей мощности от источника к нагрузке называется согласованным режимом, а подбор сопротивлений согласно равенствам (6.28) — согласованием нагрузки с источником.
В согласованном режиме
.
Половина мощности теряется внутри источника. Поэтому согласованный режим не используется в силовых энергетических цепях. Этот режим используют в информационных цепях, где мощности могут быть малыми, и решающими являются не соображения экономичности передачи сигнала, а максимальная мощность сигнала в нагрузке.
Режимы работы электрической цепи
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 цепейКак 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.
Советуем изучить — Программируемые реле времени
Состав электрической цепи
Электрическая цепь включает (в общем случае): источник питания, рубильник (выключатель), соединительные провода, потребителей. Обязательно сформируйте замкнутый контур. В противном случае по цепи не сможет течь ток. Электрическими не принято называть контуры заземления, зануления. Однако по сути считаются таковыми, иногда здесь течет ток. Замыкание контура при заземлении, занулении обеспечивается посредством грунта.
Будет интересно➡ Что такое мощность электрического тока и как ее рассчитать
Источники питания. Внутренняя, внешняя электрическая цепь
Для образования упорядоченного движения носителей заряда, формирующего ток, потрудитесь создать разность потенциалов на концах участка. Достигается подключением источника питания, который в физике принято называть внутренней электрической цепью. В противовес прочим элементам, составляющим внешнюю. В источнике питания заряды движутся против направления поля. Достигается приложением сторонних сил:
- Обмотка генератора.
- Гальванический источник питания (батарейка).
- Выход трансформатора.
Напряжение, формируемое на концах участка электрической цепи, бывает переменным, постоянным. Сообразно в технике принято контуры делить соответствующим образом. Электрическая цепь предназначена для протекания постоянного, переменного тока. Упрощенное понимание, закон изменения упорядоченного движения носителей заряда воспринимается сложным. С трудом понимаем, переменный в цепи ток или постоянный.
Род тока определен источником, характером внешней электрической цепи. Гальванический элемент дает постоянное напряжение, обмотки (трансформаторы, генераторы) – переменное. Связано с протекающими в источнике питания процессами. Сторонние силы, обеспечивающие движения зарядов, называют электродвижущими. Численно ЭДС характеризуется работой, совершаемой генератором для перемещения единичного заряда. Измеряется вольтами. На практике для расчета цепей удобно делить источники питания двумя классами:
- Источники напряжения (ЭДС).
- Источники тока.
В действительности неизвестны, имитацию пытаются создать практики. В розетке ожидаем увидеть 230 вольт (220 вольт по старым нормативам). Причем ГОСТ 13109 однозначно устанавливает пределы отклонения параметров от нормы. В быту пользуемся источником напряжения. Параметр нормируется. Величина тока не играет значения. Напряжение подстанции круглые сутки стремятся сделать постоянным вне зависимости от текущего запроса потребителей.
В противовес источник тока поддерживает заданный закон упорядоченного движения носителей заряда. Значение напряжения роли не играет. Ярким примером подобного рода устройств выступает сварочный аппарат на базе инвертора. Каждый знает: диаметр электрода прочно связан с толщиной металла, прочими факторами. Чтобы процесс сварки шел правильно, приходится с высокой степенью постоянства поддерживать ток.
Задачу решает электронный блок на основе инвертора. Ток, напряжение бывают постоянными, переменными. Закон изменения параметра роли не играет. Неважно, подключать ли электрическую цепь к источнику постоянного, переменного напряжения. Однако важно выдержать правильный размер параметра. К примеру, действующее значение ЭДС.
Выключатель
Рубильник позволит присоединить источник питания к проводам, потребителю. Каждый (за редким исключением) пользовался настенным выключателем. При замыкании-размыкании электрической цепи возникает искра. Объясняется наличием сопротивления емкостного типа. Для предотвращения искрения цепь дополняется дросселем, рубильник сформирован контакторами специального типа. Придуманы прочие технические решения, к примеру, катушка Тесла.
Провода
В технике провода изготавливают медные, алюминиевые. Связано с низким удельным сопротивлением металлов. Цена невысока. Выделяющееся на проводниках тепло определяется двумя параметрами:
- Сопротивление участка цепи.
- Электрический ток.
Понятно, второй параметр определяется нуждами потребителей. Поставщик стремится влиять на первый. Удельное сопротивление проводника предвидится по возможности низким. Ученых давно интересует явление сверхпроводимости. Металлы при понижении температуры теряют сопротивление. Уменьшаются потери. Среди полупроводников встречаются образцы с положительным и отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Абсолютное значение параметра металлов на порядки ниже.
Проблема с алюминием, медью проста: при протекании электрического тока в цепи температура растет. Повышается сопротивление участка, дополнительно усугубляя ситуацию. Получается замкнутый круг. Ученые считают: затруднение допустимо исправить, заручившись помощью явления сверхпроводимости.
Металл при некоторой низкой температуре резко, рывком снижает сопротивление, достигая нуля (выше рубежа график понижается плавно со скоростью 1/273 1/град). Проблема практического применения в том, что значения, провоцирующие скачок, низкие. Например, для свинца рубеж составляет 7,2 К. Экстремально низкая отрицательная температура по шкале Цельсия.
Ученые видят решение проблемы в открытии материалов, демонстрирующих явление сверхпроводимости при комнатных температурах. Тогда большие токи удастся передавать потребителям, избежав потерь. В электрической цепи, сформированной сверхпроводниками, заряды способны циркулировать бесконечно длительное время без внешней подпитки источником.
6.10. Мощность в цепи синусоидального тока
Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток. Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по формулам:
Тогда
Среднее значение мгновенной мощности за период
Из треугольника сопротивлений , а .
Получим еще одну формулу:
.
Среднее арифметическое значение мощности за период называют активной мощностью и обозначают буквой P. Эта мощность измеряется в ваттах и характеризует необратимое преобразование электрической энергии в другой вид энергии, например, в тепловую, световую и механическую энергию. Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость). Активная мощность в этом элементе , так как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе на 90o. В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери электрической энергии, не происходит нагрева элементов. Происходит обратимый процесс в виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности Q. Преобразуем выражение :
где — мгновенная мощность в активном сопротивлении;
— мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).
Максимальное или амплитудное значение мощности p2 называется реактивной мощностью
,
где x — реактивное сопротивление (индуктивное или емкостное). Реактивная мощность, измеряемая в вольтамперах реактивных, расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности, периодически возвращается источнику питания. Амплитудное значение суммарной мощности p = p1 + p2 называется полной мощностью. Полная мощность, измеряемая в вольтамперах, равна произведению действующих значений напряжения и тока:
,
где z — полное сопротивление цепи.
Полная мощность характеризует предельные возможности источника энергии. В электрической цепи можно использовать часть полной мощности
,
где — коэффициент мощности или «косинус «фи».
Коэффициент мощности является одной из важнейших характеристик электротехнических устройств. Принимают специальные меры к увеличению коэффициента мощности. Возьмем треугольник сопротивлений и умножим его стороны на квадрат тока в цепи. Получим подобный треугольник мощностей (рис. 6.18).
Из треугольника мощностей получим ряд формул:
, ,
Рис.6.18 , .
При анализе электрических цепей символическим методом используют выражение комплексной мощности, равное произведению комплексного напряжения на сопряженный комплекс тока. Для цепи, имеющей индуктивный характер (R-L цепи)
Советуем изучить — Панели оператора для применения с контроллерами
,
где — комплекс напряжения;
— комплекс тока;
— сопряженный комплекс тока; — сдвиг по фазе между напряжением и током. , ток как в R-L цепи, напряжение опережает по фазе ток.
Вещественной частью полной комплексной мощности является активная мощность. Мнимой частью комплексной мощности — реактивная мощность. Для цепи, имеющей емкостной характер (R-С цепи), . Ток опережает по фазе напряжение.
.
Активная мощность всегда положительна. Реактивная мощность в цепи, имеющей индуктивный характер, — положительна, а в цепи с емкостным характером — отрицательна.
На главную
§ 85. Опыт холостого хода и короткого замыкания
Для испытания трансформатора основными являются опыт холостого хода и опыт короткого замыкания. При опыте холостого хода трансформатора (рис. 106) его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет (I
2 = 0), а первичная обмотка включена в сеть источника электрической энергии переменного тока. В таких условиях в первичной обмотке протекает ток холостого хода
I
0, который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5 — 10% от номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25 — 30% номинального тока.
Ток холостого хода I
0 создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Активная мощность, потребляемая трансформатором при холостом ходе, расходуется на покрытие потерь мощности в магнитопроводе, вызываемых гистерезисом и вихревыми токами. Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформатора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности (cos φ) его весьма мал и обычно равен 0,2 — 0,3. По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила тока холостого хода
I
0, потери в стали сердечника
Р
ст и коэффициент трансформации
К
. Сила тока холостого хода
I
0 измеряется амперметром, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора. При испытании трехфазного трансформатора определяют фазный ток холостого хода. Потери в стали сердечника
Р
ст измеряются ваттметром, включенным в цепь первичной обмотки трансформатора. Это делается на том основании, что потери в проводниках первичной обмотки вследствие малой силы тока холостого хода незначительны и ими можно пренебречь и считать, что при холостом ходе вся мощность затрачивается только на потери в стали. Коэффициент трансформации трансформатора определится отношением показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток. При холостом ходе трансформатора во вторичной обмотке тока нет, следовательно, нет и падения напряжения в этой обмотке, и э. д. с.
E
2, индуктируемая во вторичной обмотке, равна напряжению
U
2 на зажимах этой же обмотки, т. е.
E
2 =
U
20.
Напряжение, приложенное к зажимам первичной обмотки трансформатора U
1 практически уравновешивается э. д. с.
E
1, индуктируемой в этой обмотке магнитным потоком, и можно считать, что по абсолютной величине это напряжение равно э. д. с.:
U
1 =
E
1.
Следовательно, коэффициент трансформации
При опыте короткого замыкания (рис. 107) вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т. е. напряжение на заяшмах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках номинальные. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания
. Это напряжение обычно составляет 5 — 10% от номинального значения.
По данным опыта короткого замыкания определяется напряжение короткого замыкания, потери на нагревание обмоток трансформатора при номинальной нагрузке и активное, реактивное и полное сопротивления трансформатора при коротком замыкании.
предыдущая страница
| оглавление | следующая страница |