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.
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.
Совокупность объектов и устройств, обеспечивающих постоянный и непрерывный путь для движения электрического тока можно назвать электрической цепью.
Напряжение и сила тока — это неотъемлемые элементы каждой электрической цепи. Такие явления, наряду с прочими магнитными и электрическими явлениями, изучает наука, называемая электротехникой. Еще одной целью этой науки является поиск возможности практических применений, а не только теоретического изучения.
Если учесть, что в электрической цепи имеются разные элементы, то можно сказать, что существует несколько режимов работы цепи. Эти элементы подразделены на три основных вида — это источники энергии, проводники и приёмники, т.е. первые элементы служат для выработки электроэнергии, приёмники преобразуют электроэнергию в другие ее виды, а проводники передают энергию от источников к приёмникам. Все элементы цепи — источники тока, проводники и приёмники — это устройства, без которых невозможно существование электрической цепи. При отсутствии одного из этих элементов работа цепи просто невозможна. В зависимости от того какое строение и какие элементы в цепи содержатся, все электрические цепи бывают линейные и нелинейные. При этом каждую цепь можно изобразить в схеме, что позволяет сделать работу с цепями более удобной.
Выделяют три режима работы цепи:
- короткого замыкания
- нагрузочный режим (согласованный)
- режим холостого хода.
Основное отличие между этими режимами — это уровень нагрузки на электрическую цепь. Стоит отметить, что электрическая цепь имеет еще один режим работы, называемый номинальным. При таком режиме все элементы цепи работают по оптимальным для них условиям. Эти условия указываются в паспортных данных заводом-изготовителем.
Согласованный (нагрузочный) режим работы
Любой приемник, подключенный к источнику электроэнергии в цепи, обладает определенным сопротивлением. Наглядным примером такого приёмника может быть электрическая лампочка. При наличии напряжения начинает действовать закон Ома. При этом электродвижущая сила источника тока складывается из суммы напряжения на внешних участках цепи и внутреннего сопротивления источника. Когда падает напряжение внешней цепи, это оказывает влияние на изменении напряжения на зажимах источника. А само падение напряжения зависит от сопротивления и силы тока. Иными словами, согласованный (нагрузочный) режим работы электрической цепи — это процесс передачи нагрузки, при котором мощность превышает номинальные показатели. Но использование такого режима нерационально, ведь при длительном превышении установленных заводом значений, приборы могут попросту прийти в негодность.
Режим работы холостого хода
В таком режиме работы электрическая цепь находится в незамкнутом состоянии. Попросту говоря, в цепи отсутствует электрический ток, следовательно, каждый элемент цепи не подключен к источнику тока. При таком положении падение напряжения во внутренней цепи равно нулю, а ЭДС источника равно напряжению на зажимах источника питания. Иными словами, при режиме холостого хода в цепи, не подключенной к электрическому току, отсутствует сопротивление нагрузки.
Режим короткого замыкания
Это тот режим работы, который смело можно назвать аварийным, т.к. обеспечение нормальной работы цепи при таком режиме становится невозможным, ведь ток короткого замыкания показывает высокие значения, которые превышают номинальные в несколько раз. Короткое замыкание появляется, когда происходит соединение двух разных точек электрической цепи, у которых отличается разница потенциалов. При таком положении цепи нарушается ее нормальная работа. При режиме короткого замыкания зажимы в источнике питания замыкаются проводником, сопротивление у которого равняется нулю. Зачастую такой режим возникает в тот момент, когда соединяются два провода, связывающие между собой источник питания и приёмник цепи. Их сопротивление, в основном, ничтожно мало, поэтому его можно приравнять к нулю. Из-за отсутствия сопротивления при режиме короткого замыкания ток превышает номинальные показатели в несколько раз. За счет этого источники питания и приёмники электрической цепи могут прийти в негодность. В ряде случаев это может возникнуть при неправильном обращении с электрическим оборудованием обслуживающего его персонала.
Номинальные величины источников и приемников. 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 U н
мощность
Рн
и ток
I н
(например, на лампах накаливания имеется штамп, в котором указывается 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.
Номинальный режим 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
(ХX) 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.
Линейные однофазные электрические цепи синусоидального тока
3.1. Основные величины, характеризующие синусоидальные ток, напряжение и ЭДС
Этими основными величинами являются:
— мгновенное значение;
— амплитудное значение;
Электрические трансформаторы
Общие сведения
Электрический трансформатор — электромагнитное устройство, преобразующее напряжение и ток одного уровня в напряжение и ток другого уровня при неизменной частоте и малой потере мощности.
Генераторы электрических станций вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6, 10, 15 кВ, так как на более высокие напряжения конструировать электрогенераторы сложно в связи с трудностью обеспечить хорошую изоляцию обмоток.
В то же время в линиях электропередачи применяют напряжения до 110, 220, 400, 500 кВ и более, чтобы уменьшить силу тока в линии, а значит и сечение проводов, что позволяет резко снизить мощность потерь и стоимость линий электропередач.
Таким образом, необходимы повышающие трансформаторы,
увеличивающие напряжение генераторов электрических станций до напряжения линий электропередач.
В местах же потребления электрической энергии, на производстве, в быту и так далее необходимы понижающие трансформаторы,
чтобы иметь напряжения 380, 220, 127 В и менее.
Электрические трансформаторы имеют высокий коэффициент полезного действия, доходящий до 99 % и высокую надежность, так как не содержат движущихся частей.
Изобрел электрический трансформатор в 1876 году П.Н. Яблочков, который в своих работах по электрическому освещению встретился с необходимостью обеспечить автономную работу нескольких светильников с разным напряжением от одного генератора.
В 1891 году М.О. Доливо-Добровольским была разработана конструкция первого трехфазного электрического трансформатора,
после чего применение электротрансформатора стало резко возрастать.
Простейший однофазный электрический трансформатор (рисунок 6.1) состоит из двух обмоток, размещенных на ферромагнитном маг-нитопроводе, который набран из изолированных друг от друга листов электротехнической стали толщиной 0.3-0.5 мм, с целью уменьшения потерь на вихревые токи (потерь в стали) Рс.
Обмотка, подключаемая к источнику электрической энергии (генератору) или к линии электропередач (электрической сети) называется первичной (входной).
Обмотка, к которой подключается приемник электрической энергии —
вторичной (выходной).
Обе части асинхронного двигателя собираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Эти листы для уменьшения потерь на вихревые токи изолированы друг от друга слоем лака.
Неподвижная часть машины называется статором,
а вращающаяся
-ротором
(от латинского
stare
— стоять и
rotate
— вращаться).
а) б)
1 — статор; 2 — ротор; 3 — вал; 4 — витки обмотки статора; 5 — витки обмотки ротора.
Рисунок 7.5 — Схема устройства асинхронного двигателя: поперечный разрез (а); обмотка ротора (б).
В пазах с внутренней стороны статора уложена трехфазная обмотка, токи которой возбуждают вращающееся магнитное поле машины. В пазах ротора размещена вторая обмотка, токи в которой индуктируются вращающимся магнитным полем.
Магнитопровод статора заключен в массивный корпус, являющийся внешней частью машины, а магнитопровод ротора укреплен на валу.
Роторы асинхронных двигателей изготавливаются двух видов: ко-роткозамкнутые и с контактными кольцами. Первые из них проще по устройству и чаще применяются.
Обмотка короткозамкнутого ротора представляет собой цилиндрическую клетку («беличье колесо») из медных шин или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко на торцах двумя кольцами (рисунок 7.5,6). Стержни этой обмотки вставляются без изоляции в пазы магнитопровода.
Применяется также способ заливки пазов магнитопровода ротора расплавленным алюминием с одновременной отливкой и замыкающих колец.
Как проводится опыт холостого хода
При проведении опыта холостого хода появляется возможность определить следующие характеристики агрегата:
- коэффициент трансформации;
- мощность потерь в стали;
- параметры намагничивающей ветви в замещающей схеме.
Для опыта на устройство подаётся номинальная нагрузка.
Также читайте: Что такое приведённый трансформатор
При проведении опыта холостого хода и расчёте характеристик на основе данной методики необходимо учитывать разновидность устройства.
В данном состоянии трансформатор обладает нулевой полезной мощностью по причине отсутствия на выходной катушке электротока. Поданная нагрузка преобразуется в потери тепла на входной катушке I02×r1 и магнитные потери сердечника Pm. По причине незначительности значения потерь тепла на входе, их в большинстве случае в расчёт не принимают. Поэтому общее значение потерь при холостом ходе определяется магнитной составляющей.
Далее приведены особенности расчёта характеристик для различных видов трансформаторов.
Для однофазного трансформатора
Опыт холостого хода для однофазного трансформатора проводится с подключением:
- вольтметров на первичной и вторичной катушках;
- ваттметра на первичной обмотке;
- амперметра на входе.
Приборы подключаются по следующей схеме:
Для определения электротока холостого хода Iо используют показания амперметра. Его сравнивают со значением электротока по номинальным характеристикам с использованием следующей формулы, получая итог в процентах:
Iо% = I0×100/I10.
Чтобы определить коэффициент трансформации k, определяют величину номинального напряжения U1н по показаниям вольтметра V1, подключённого на входе. Затем по вольтметру V2 на выходе снимают значение номинального напряжения U2О.
Коэффициент рассчитывается по формуле:
K = w1/w2 = U1н/ U2О.
Величина потерь составляет сумму из электрической и магнитной составляющих:
P0 = I02×r1 + I02×r0.
Но, если пренебречь электрическими потерями, первую часть суммы можно из формулы исключить. Однако незначительная величина электрических потерь характерна только для оборудования небольшой мощности. Поэтому при расчёте характеристик мощных агрегатов данную часть формулы следует учитывать.
Для трёхфазного трансформатора
Трёхфазные агрегаты испытываются по аналогичной схеме. Но напряжение подаётся отдельно по каждой фазе, с соответствующей установкой вольтметров. Их потребуется 6 единиц. Можно провести опыт с одним прибором, подключая его в необходимые точки поочерёдно.
Также читайте: Что такое коэффициент абсорбции трансформатора
При номинальном напряжении электротока обмотки более 6 кВ, для испытания подаётся 380 В. Высоковольтный режим для проведения опыта не позволит добиться необходимой точности для определения показателей. Кроме точности, низковольтный режим позволяет обеспечить безопасность.
Применяется следующая схема:
Работа аппарата в режиме холостого хода определяется его магнитной системой. Если речь идёт о типе прибора, сходного с однофазным трансформатором или бронестержневой системе, замыкание третьей гармонической составляющей по каждой из фаз будет происходить отдельно, с набором величины до 20 процентов активного магнитного потока.
В результате возникает дополнительная ЭДС с достаточно высоким показателем – до 60 процентов от главной. Создаётся опасность повреждения изолирующего слоя покрытия с вероятностью выхода из строя аппарата.
Предпочтительнее использовать трехстержневую систему, когда одна из составляющих будет проходить не по сердечнику, с замыканием по воздуху или другой среде (к примеру, масляной), с низкой магнитной проницаемостью. В такой ситуации не произойдёт развитие большой дополнительной ЭДС, приводящей к серьёзным искажениям.
Для сварочного трансформатора
Для сварочных трансформаторов холостой ход – один из режимов их постоянного использования в работе. В процессе выполнения сварки при рабочем режиме происходит замыкание второй обмотки между электродом и металлом детали. В результате расплавляются кромки и образуется неразъёмное соединение.
После окончания работы электроцепь разрывается, и агрегат переходит в режим холостого хода. Если вторичная цепь разомкнута, величина напряжения в ней соответствует значению ЭДС. Эта составляющая силового потока отделяется от главного и замыкается по воздушной среде.
Чтобы избежать опасности для человека при нахождении аппарата на холостом ходу, значение напряжения не должно превышать 46 В. Учитывая, что у отдельных моделей значение данных характеристик превышает указанное, достигая 70 В, сварочный агрегат выполняют со встроенным ограничителем характеристик для режима холостого хода.
Также читайте: СИЗ — средства индивидуальной защиты для электрика
Блокировка срабатывает за время, не превышающее 1 секунду с момента прерывания рабочего режима. Дополнительная защитная мера – устройство заземления корпуса сварочного агрегата.
Видео: измерение тока холостого хода
Печатать книгу
| Сайт: | Профильное обучение |
| Курс: | Физика. 10 класс |
| Книга: | § 26. Закон Ома для полной электрической цепи. КПД источника тока |
| Напечатано:: | Гость |
| Дата: | Четверг, 2 Март 2023, 15:34 |
Оглавление
- Закон Ома для полной электрической цепи
- Различные режимы работы электрической цепи
- Коэффициент полезного действия источника тока
- Примеры решения задач
- Упражнение 19
В 1826 г. немецкий физик Георг Симон Ом (1787–1854) опытным путём установил, что при постоянной температуре отношение напряжения между концами металлического проводника к силе тока в нём является величиной постоянной. На основании этого был сформулирован закон, названный законом Ома для участка электрической цепи: , где R — сопротивление участка цепи. От чего и как зависит сила тока в замкнутой цепи, содержащей источник тока, т. е. в полной электрической цепи?
Закон Ома для полной электрической цепи. Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока (гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора с сопротивлением R. Известны ЭДС источника тока и его сопротивление r, которое называют внутренним. Схема цепи представлена на рисунке 132. Пусть сила тока в цепи I, а напряжение между концами проводника U.
Закон Ома для полной цепи связывает силу тока I в цепи, ЭДС источника тока и полное сопротивление цепи R + r, которое складывается из сопротивлений внешнего (резистор) и внутреннего (источник тока) участков цепи (сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем). Эту связь можно установить теоретически на основании закона сохранения энергии.
Если через поперечное сечение проводника за промежуток времени t проходит заряд q, то работу сторонней силы по перемещению электрического заряда можно определить по формуле
Поскольку сила тока , то
(26.1)
В неподвижных проводниках неизменного химического состава в результате работы сторонних сил происходит увеличение только внутренней энергии внешнего и внутреннего участков цепи. Таким образом, при прохождении электрического тока в резисторе и источнике тока выделяется количество теплоты Q, которое можно определить по закону Джоуля–Ленца:
На основании закона сохранения энергии:
Подставим формулы (26.1) и (26.2) в равенство (26.3) и в результате математических преобразований получим:
= IR + Ir.
(26.4)
Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Поэтому IR = U — падение напряжения (напряжение) на внешнем участке цепи, Ir — падение напряжения на внутреннем участке цепи.
Выражая силу тока из формулы (26.4), получим:
(26.5)
Формула (26.5) является математическим выражением закона Ома для полной электрической цепи, согласно которому сила тока в полной электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
От теории к практике
Аккумулятор, внутреннее сопротивление которого r = 0,80 Ом, подсоединён к резистору. Чему равна ЭДС аккумулятора, если напряжение на его полюсах U = 6,0 В, а сила тока в цепи I = 0,50 А?
Различные режимы работы электрической цепи. Преобразуем формулу (26.4):
IR = – Ir,
так как IR = U, то
U = − Ir.
(26.6)
Из выражения (26.6) следует, что при разомкнутой цепи (I = 0) напряжение между полюсами источника тока равно его ЭДС: U = . Следовательно, измерить ЭДС источника тока можно, подключив к его полюсам вольтметр с бесконечно большим собственным сопротивлением (чтобы не нарушать режим разомкнутой цепи).
В случае, если сопротивление внешнего участка цепи стремится к нулю (R 0), сила тока возрастает и достигает максимального значения. Падение напряжения на источнике тока при этом равно ЭДС, а напряжение между его полюсами — нулю.
Такой режим работы источника тока называют коротким замыканием, а максимально возможную для данного источника силу тока называют силой тока короткого замыкания:
где r — внутреннее сопротивление источника тока.
Для источников тока с незначительным внутренним сопротивлением (например, у автомобильных аккумуляторов r ≈ 0,01 Ом) режим короткого замыкания чрезвычайно опасен, поскольку может привести к повреждению источника тока и даже быть причиной пожара.
От теории к практике
Сила тока при коротком замыкании батарейки Iк.з = 2 А. Когда к батарейке подключили резистор с сопротивлением R = 3 Ом, сила тока стала I = 1 А. Как изменилось полное сопротивление цепи? Чему равно внутреннее сопротивление батарейки?
Коэффициент полезного действия источника тока. При перемещении заряда q на внешнем участке цепи, напряжение на котором U, за промежуток времени t сила электрического поля совершает работу:
A = Uq.
Используя выражение , получим формулу для расчёта работы электрического тока, совершённой на внешнем участке
A = IUt.
В общем случае работа тока может превращаться в механическую работу Амех электродвигателей, расходоваться на увеличение внутренней энергии участка цепи (выделение количества теплоты Q), обеспечивать увеличение химической энергии ΔEхим , а также преобразовываться в энергию возникающего электромагнитного излучения Eизл:
IUt = Aмех + Q + ΔEхим + Eизл.
Если к источнику тока подключён только электродвигатель, то IUt = Aмех + Q и полезной работой будет Амех.
Если прохождение тока сопровождается химическими реакциями (например, зарядка аккумулятора), то IUt = ΔEхим + Q и полезная работа будет равна ΔEхим.
При работе электроосветительного оборудования IUt = Eизл + Q и полезная работа равна Eизл.
При включении в цепь только электронагревательных приборов IUt = Q и полезная работа равна Q.
При изучении физики в 8-м классе вы узнали, что, согласно экспериментально установленному закону Джоуля‒Ленца, количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении электрического тока, определяют по формуле Q = I2Rt.
Следовательно, работа тока на произвольном участке цепи в общем случае не равна количеству теплоты, выделяющемуся на этом участке при прохождении тока, т. е. IUt ≠ I2Rt.
Равенство IUt = I2Rt выполняется только в том случае, если на участке цепи имеет место превращение энергии электрического поля, поддерживаемого источником тока, во внутреннюю энергию этого участка.
Если внешним участком цепи является нагревательный элемент (или резистор), то с учётом закона Джоуля–Ленца формула для расчёта полезной работы электрического тока на внешнем участке цепи:
Aполезн = I2Rt.
Учитывая, что мощность
В общем случае работа тока может превращаться в механическую работу Амех электродвигателей, расходоваться на увеличение внутренней энергии участка цепи (выделение количества теплоты Q), обеспечивать увеличение химической энергии ΔEхим , а также преобразовываться в энергию возникающего электромагнитного излучения Eизл:
IUt = Aмех + Q + ΔEхим + Eизл.
Если к источнику тока подключён только электродвигатель, то IUt = Aмех + Q и полезной работой будет Амех.
Если прохождение тока сопровождается химическими реакциями (например, зарядка аккумулятора), то IUt = ΔEхим + Q и полезная работа будет равна ΔEхим.
При работе электроосветительного оборудования IUt = Eизл + Q и полезная работа равна Eизл.
При включении в цепь только электронагревательных приборов IUt = Q и полезная работа равна Q.
При изучении физики в 8-м классе вы узнали, что, согласно экспериментально установленному закону Джоуля‒Ленца, количество теплоты, которое выделяется в проводнике при прохождении электрического тока, определяют по формуле Q = I2Rt.
Следовательно, работа тока на произвольном участке цепи в общем случае не равна количеству теплоты, выделяющемуся на этом участке при прохождении тока, т. е. IUt ≠ I2Rt.
Равенство IUt = I2Rt выполняется только в том случае, если на участке цепи имеет место превращение энергии электрического поля, поддерживаемого источником тока, во внутреннюю энергию этого участка.
Если внешним участком цепи является нагревательный элемент (или резистор), то с учётом закона Джоуля–Ленца формула для расчёта полезной работы электрического тока на внешнем участке цепи:
Aполезн = I2Rt.
Учитывая, что мощность , получим выражение для определения полезной мощности тока на тепловом потребителе, являющемся внешним участком цепи:
Pполезн = I2R = IU.
Поскольку работа сторонних сил источника тока:
Aст = Aполн = It,
то мощность, развиваемая сторонними силами источника тока при наличии в цепи только нагревательного элемента:
Pст = Pполн = I = IU + I2r.
Следовательно, Pполн = Pполезн + I2r.
Коэффициент полезного действия (КПД) источника тока — отношение полезной мощности тока на внешнем участке цепи к полной мощности, развиваемой сторонними силами источника тока:
Согласно формуле
Согласно формуле :
Так, например, при зарядке аккумулятора источником тока с ЭДС при силе зарядного тока I КПД этого источника определяют по формуле
.
Если внешний участок цепи — нагревательный элемент, то
Pполезн = I2R,
Pполн = I2(R + r).
Тогда КПД источника тока
1. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.
2. Как можно измерить ЭДС источника тока?
3. Какой режим работы электрической цепи соответствует короткому замыканию?
4. Что понимают под силой тока короткого замыкания?
5. Что понимают под полезной работой электрического тока? полной работой источника тока?
6. Как определить полезную мощность электрического тока? полную мощность источника тока?
7. Что называют коэффициентом полезного действия (КПД) источника тока?
Примеры решения задач
Пример 1. Резистор с сопротивлением R = 3,0 Ом подключён к источнику тока с ЭДС
1. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.
2. Как можно измерить ЭДС источника тока?
3. Какой режим работы электрической цепи соответствует короткому замыканию?
4. Что понимают под силой тока короткого замыкания?
5. Что понимают под полезной работой электрического тока? полной работой источника тока?
6. Как определить полезную мощность электрического тока? полную мощность источника тока?
7. Что называют коэффициентом полезного действия (КПД) источника тока?
Примеры решения задач
Пример 1. Резистор с сопротивлением R = 3,0 Ом подключён к источнику тока с ЭДС = 8,0 В и внутренним сопротивлением r = 1,0 Ом. Определите полезную мощность тока и КПД источника тока в данной цепи.
Дано:
R = 3,0 Ом = 8,0 В
r = 1,0 Ом
Pполезн — ?
η — ?
Решение: Полезной является мощность тока на внешнем участке цепи, т. е. на резисторе: Pполезн = I2R. С учётом закона Ома для полной цепи получим:
КПД источника тока в данной цепи определим по формуле
Ответ: Pполезн = 12 Вт, η = 75 %.
Пример 2. Конденсатор подключён к источнику тока (рис. 132.1, а). При подключении параллельно конденсатору резистора с сопротивлением R = 20 Ом (рис. 132.1, б) заряд на конденсаторе уменьшился в α = 1,4 раза. Определите внутреннее сопротивление источника тока.
Пример 2. Конденсатор подключён к источнику тока (рис. 132.1, а). При подключении параллельно конденсатору резистора с сопротивлением R = 20 Ом (рис. 132.1, б) заряд на конденсаторе уменьшился в α = 1,4 раза. Определите внутреннее сопротивление источника тока.
Дано:
R = 20 Ом
α = = 1,4
R — ?
Решение: При подключении конденсатора к источнику тока напряжение на конденсаторе равно напряжению на полюсах источника (цепь разомкнута, см. рис. 132.1, а) . После того, как параллельно конденсатору подключили резистор (см. рис. 132.1, б), в цепи возник электрический ток. Силу тока можно определить, используя закон Ома для полной цепи:
. В этом случае напряжение на конденсаторе стало равно напряжению на резисторе:
. Поскольку напряжение на конденсаторе прямо пропорционально его заряду
и
, то
и r = 0,40 R. Таким образом,
r = 0,40 · 20 Ом = 8,0 Ом.
Ответ: r = 8,0 Ом.
Пример 3. Электродвигатель в сети постоянного тока с напряжением U = 120 В потребляет ток силой I = 6,0 А. Определите сопротивление его обмотки, если КПД электродвигателя η = 80 %.
Дано:
U = 120 В
I = 6,0 А
η = 80 %
R — ?
Решение: Мощность, потребляемую электродвигателем, определим по формуле Pполн = IU (1). Часть этой мощности затрачивается на нагревание обмотки: P = I2R, а часть — превращается в полезную механическую мощность Pполезн электродвигателя. На основании закона сохранения энергии
Pполн = I2R + Pполезн.
(2)
Используя формулы (1) и (2), запишем выражение для нахождения полезной мощности электродвигателя:
Pполезн = Pполн — I2R = IU — I2R.
(3)
КПД электродвигателя определим по формуле .
С учётом формул (1) и (3) получим:
.
(4)
Сопротивление обмотки электродвигателя выразим из формулы (4):
Ответ: R = 4,0 Ом.
Упражнение 19
1. Резистор с сопротивлением R = 2 Ом подключён к источнику тока с ЭДС = 5 В и внутренним сопротивлением r = 0,5 Ом. Определите силу тока в цепи и падение напряжения на внешнем и внутреннем участках электрической цепи.
2. Реостат подключён к источнику тока с ЭДС = 4 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом. Постройте график зависимости силы тока от сопротивления той части реостата, по которой проходит ток, I = I(R).
3. При подключении к источнику тока с ЭДС = 2,2 В резистора с сопротивлением R = 4,0 Ом сила тока в цепи I = 0,50 А. Определите силу тока при коротком замыкании источника тока.
4. На рисунке 133 представлен график зависимости силы тока в реостате от его сопротивления. Определите силу тока при коротком замыкании источника тока и его внутреннее сопротивление.
5. Определите полную мощность, развиваемую источником тока с внутренним сопротивлением r = 0,50 Ом, при подключении к нему резистора с сопротивлением R = 2,0 Ом, если напряжение на резисторе U = 4,0 В.
6. Спираль нагревательного элемента, сопротивление которой R = 38 Ом, подключена к источнику тока с ЭДС = 12 В и внутренним сопротивлением r = 2,0 Ом. Определите количество теплоты, которое выделится в спирали за промежуток времени t = 10 мин.
7. Два параллельно соединённых резистора, сопротивления которых R1 = 4,0 Ом и R2 = 6,0 Ом, подключили к источнику тока с ЭДС = 12 В и внутренним сопротивлением r = 0,60 Ом. Определите напряжение на резисторах и силу тока в каждом из них.
8. На рисунке 134 представлена схема электрической цепи, состоящей из источника тока, резистора и идеального вольтметра. Определите работу электрического тока на внешнем участке цепи за промежуток времени t = 10 мин и КПД источника тока.
9. На рисунке 135 представлена схема электрической цепи, состоящей из источника тока, ключа и трёх резисторов. Выберите из предложенного перечня три верных утверждения. Укажите их номера.
1) Полезную мощность тока на внешнем участке цепи при разомкнутом ключе можно определить по формуле .
2) Мощность, развиваемую сторонними силами источника тока при замкнутом ключе, можно определить по формуле .
3) Полезную работу тока на внешнем участке цепи при замкнутом ключе можно определить по формуле .
4) Работу сторонних сил источника тока при разомкнутом ключе можно определить по формуле .
5) КПД источника тока при разомкнутом ключе η = 80 %.
10. Вольт-амперная характеристика, построенная по результатам экспериментального исследования зависимости напряжения на реостате от силы тока в нём, представлена на рисунке 135.1. Определите силу тока при коротком замыкании источника тока и его ЭДС.
10. Вольт-амперная характеристика, построенная по результатам экспериментального исследования зависимости напряжения на реостате от силы тока в нём, представлена на рисунке 135.1. Определите силу тока при коротком замыкании источника тока и его ЭДС.
11. Для проведения экспериментального исследования была собрана электрическая цепь, состоящая из источника тока, ключа, соединительных проводов, реостата, амперметра и вольтметра. В ходе исследования зависимости напряжения на реостате от силы тока в нём была составлена таблица.
| U, В | 0,50 | 0,70 | 0,80 | 0,90 |
| I, А | 0,70 | 0,50 | 0,40 | 0,30 |
Определите ЭДС источника тока и его внутреннее сопротивление.
13. Электродвигатель в сети постоянного тока с напряжением U = 220 В потребляет ток силой I = 12 А. Сопротивление обмотки электродвигателя R = 5,0 Ом. Определите механическую мощность и КПД электродвигателя.
14. В электрический чайник налили воду и подключили к источнику тока с ЭДС = 140 В и внутренним сопротивлением r = 4,0 Ом. Вольтметр, подключённый к полюсам источника тока, показывает напряжение U = 120 В. Определите, на сколько увеличится температура воды за промежуток времени τ = 2,0 мин, если её объём V = 1,0 л и КПД чайника η = 70 %. Плотность воды ρ = 1,0 · 103
, удельная теплоёмкость воды c = 4,2 · 103
.