Режимы работы источника электрической энергии - ABCD42.RU

Режимы работы источника электрической энергии

Режимы работы электрической цепи

Для электрической цепи наиболее характерными являются режимы нагрузочный, холостого хода и короткого замыкания.

Нагрузочный режим . 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 IR0 на внутреннем сопротивлении источника:

Учитывая, что напряжение Uи и на зажимах источника равно падению напряжения IR во внешней цепи, получим:

Эта формула показывает, что э. д. с. источника больше напряжения на его зажимах на значение падения напряжения внутри источника . Падение напряжения IR0 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:

Падение напряжения в источнике зависит также и от внутреннего сопротивления R0. Зависимость напряжения Uи от тока I изображается прямой линией (рис. 1). Эту зависимость называют внешней характеристикой источника.

Пример 1. Определить напряжение на зажимах генератора при токе нагрузки 1200 А, если его э. д. с. равна 640 В, а внутреннее сопротивление 0,1 Ом.

Решение. Падение напряжения во внутреннем сопротивлении генератора

Напряжение на зажимах генератора

Из всех возможных нагрузочных режимов 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. 1) 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.

Рис. 1. Внешняя характеристика источника

Режим холостого хода . При этом режиме присоединенная к источнику электрическая цепь разомкнута, т. е. тока в цепи нет. В этом случае внутреннее падение напряжения IR0 будет равно нулю

Таким образом, в режиме холостого хода напряжение на зажимах источника электрической энергии равно его э. д. с. (точка X на рис. 1). Это обстоятельство можно использовать для измерения э. д. с. источников электроэнергии.

Режим короткого замыкания . 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.

Короткое замыкание может происходить в результате неправильных действий персонала, обслуживающего электротехнические установки, или при повреждении изоляции проводов. 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.).

При коротком замыкании ток

Ввиду того что внутреннее сопротивление источника R0 обычно очень мало, проходящий через него ток возрастает до весьма больших значений. Напряжение же в месте короткого замыкания становится равным нулю (точка K на рис. 1), т. е. электрическая энергия на участок электрической цепи, расположенный за местом короткого замыкания, поступать не будет.

Пример 2. Определить ток короткого замыкания генератора, если его э. д. с. равна 640 В и внутреннее сопротивление 0,1 Ом.

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 не 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.

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:

Режимы работы источника электрической энергии

Представим простейшую электрическую цепь схемой рис.1.1, на которой указан реальный источник ЭДС, например аккумулятор.

Существуют следующие режимы работы источникаэлектрической энергии постоянного тока: номинальный режим, рабочий режим, режим холостого хода, режим короткого замыкания.

Режимы работы источника электрической энергии определяет вольт-амперная характеристика (рис.1.4) — зависимость напряжения U от тока .

Номинальный режим источника характеризуется номинальными параметрами источника, соответствующими расчётным паспортным значениям завода-изготовителя, к которым относятся параметры: Iном,Uном и Рном, где Рном номинальная мощность источника. По Uном рассчитывается сопротивление изоляции проводов, по Iном рассчитываются условия нагрева проводов по допустимому току.

Рис.1.4. Вольт-амперая характеристика источника ЭДС

Точка =соответствует режиму холостого хода, точка — режиму короткого замыкания реального источника ЭДС.

. (1.11)

При = 0 идеализированный источник электрической энергии называется идеальным источником ЭДС, а вольт-амперная характеристика (рис.1.5) определяется выражением:

Читайте также  Профилактика инфекционных заболеваний в детских дошкольных учреждениях

. (1.12)

Такой источник называется также источником напряжения. На этом же рисунке приведено условное схемное изображение источника напряжения.

Рис.1.5. Идеальный источник ЭДС

В электрических цепях с полупроводниковыми приборами и электронными лампами значительно превышает . Источник электрической энергии, у которого , называется идеальным источником тока с параметром:

. (1.13)

Такому источнику соответствует характеристика рис.1.6:

Рис.1.6. Идеальный источник тока

На этом же рисунке приведено условное схемное изображение источника тока.

Если все слагаемые формулы (1.11) разделить на внутреннее сопротивление источника, то получим выражение:

. (1.14)

Откуда следует, что ток источника тока J складывается из тока I(во внутреннем участке цепи) и тока I (во внешнем участке цепи). Схема с источником тока J приведена на рис.1.7:

Рис.1.7. Электрическая схема цепи с источником тока

Режимы работы источника электрической энергии

Режим работы источника характеризуется напряжением на его зажимах, током и мощностью, отдаваемым во внешнюю цепь. Если напряжение, ток и мощность источника соответствуют тем значениям, на которые он рассчитан заводом изготовителем, то такой режим работы называется номинальным.

В номинальном режиме гарантируются наибольший КПД и срок службы источника. Величины, которые определяют номинальный режим, заносятся в паспорт источника и называются номинальными, они берутся за основу при расчете электрических схем.

Рассмотрим простейшую цепь, представленную на рис. 1.5.

По закону сохранения энергии мощность Р, развиваемая источником, равна мощности РН, отдаваемой во внешнюю цепь и мощности потерь в источнике Р, т.е.

Р= РН + Р. (1.7)

Как известно из физики мощность источника , а мощность нагрузки , мощность потерь внутри источника . Подставляя эти значения в (1.7) получим:

. (1.7а)

Разделив все члены уравнения (1.7а) на I, и решив его относительно U, получим уравнение внешней характеристики источника:

. (1.8)

Уравнение внешней характеристики показывает, что напряжение на зажимах источника всегда меньше ЭДС на величину внутреннего падения напряжения .

Выражение (1.8) есть уравнение прямой в отрезках на осях, поэтому характеристика может быть построена по двум точкам. При I = 0 U = Е, а при U = 0 IK= E/r.

У идеального источника внутреннее сопротивление r = 0 и U = E, т.е. напряжение на зажимах источника не зависит от тока и равно ЭДС. Мощность нагрузки может быть рассчитана так же как мощность потерь внутри источника . Подставляя последнее выражение в (1.7а) получим:

. (1.9)

Поделив все члены уравнения (1.9) на I, и решая его относительно I, будем иметь:

. (1.10)

Ток в цепи пропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален полному сопротивлению цепи. Это выражение известно как обобщенный закон Ома для цепи постоянного тока.

Как следует из закона Ома при R = , т.е. при отключенном приемнике I=0. Такой режим называется режимом холостого хода источника. В режиме холостого хода напряжение на зажимах источника U = Е, следовательно, ЭДС может быть измерена при отключенном от источника приемнике.

Если сопротивление приемника R = 0, то такой режим будет называться режимом короткого замыкания источника. В этом режиме ток короткого замыкания IК ограничен только внутренним сопротивлением источника:

. (1.11)

Ток короткого замыкания во много раз превышает номинальный, поэтому режим короткого замыкания является аварийным.

Режим работы источника, при котором его внутреннее сопротивление r равно сопротивлению внешней цепи, т.е. r = R, называется режимом согласованной нагрузки. В этом режиме источник энергии отдает во внешнюю цепь наибольшую мощность.

Нетрудно видеть из уравнения (1.9), что мощность потерь внутри источника в этом режиме равна половине мощности источника, а коэффициент полезного действия составляет только 50%. Именно по этим причинам режим согласованной нагрузки не применяется в технике больших токов, однако он широко используется в радиотехнике и технике связи, где из-за малых мощностей цепей низкий КПД не имеет решающего значения.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

1.2. Режимы работы источника электрической энергии

Представим простейшую электрическую цепь схемой рис.1.1, на которой указан реальный источник ЭДС, например аккумулятор.

Существуют следующие режимы работы источника электрической энергии постоянного тока: номинальный режим, рабочий режим, режим холостого хода, режим короткого замыкания.

Режимы работы источника электрической энергии определяет вольт-амперная характеристика (рис.1.4) — зависимость напряжения U от тока .

Номинальный режим источника характеризуется номинальными параметрами источника, соответствующими расчётным паспортным значениям завода-изготовителя, к которым относятся параметры: Iном,Uном и Рном, где Рном номинальная мощность источника. По Uном рассчитывается сопротивление изоляции проводов, по Iном рассчитываются условия нагрева проводов по допустимому току.

Рис.1.4. Вольт-амперая характеристика источника ЭДС

Точка = соответствует режиму холостого хода, точка Iк — режиму короткого замыкания реального источника ЭДС.

. (1.11)

При = 0 идеализированный источник электрической энергии называется идеальным источником ЭДС, а вольт-амперная характеристика (рис.1.5) определяется выражением:

. (1.12)

Такой источник называется также источником напряжения. На этом же рисунке приведено условное схемное изображение источника напряжения.

Рис.1.5. Идеальный источник ЭДС

В электрических цепях с полупроводниковыми приборами и электронными лампами значительно превышает . Источник электрической энергии, у которого , называется идеальным источником тока с параметром:

. (1.13)

Такому источнику соответствует характеристика рис.1.6:

Рис.1.6. Идеальный источник тока

На этом же рисунке приведено условное схемное изображение источника тока.

Если все слагаемые формулы (1.11) разделить на внутреннее сопротивление источника, то получим выражение:

. (1.14)

Откуда следует, что ток источника тока J складывается из тока I (во внутреннем участке цепи) и тока I (во внешнем участке цепи). Схема с источником тока J приведена на рис.1.7:

Рис.1.7. Электрическая схема цепи с источником тока

1.3. Законы Кирхгофа

Электрические цепи делятся на неразветвленные и разветвленные цепи. Неразветвленные цепи представляют собой последовательно соединенные источники и приёмники электрической энергии. При этом источники электрической энергии могут иметь либо согласное включение (одинаковое направление), либо встречное включение (направление разное).

Разветвленными называются цепи, в которых источники и приемники электрической энергии соединены параллельно или имеют смешанное соединение. Такие цепи являются сложными, и для их расчета используются либо законы Кирхгофа, либо другие методы расчёта цепей постоянного тока.

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю:

. (1.15)

На схеме рис.1.8 показано параллельное соединение трёх приемников электрической энергии, указано направление токов для узла ‘‘а’’.

Рис.1.8. Электрическая цепь с параллельным соединением приемников

Будем считать направление тока к узлу положительным, а от узла отрицательным. Тогда, используя выражение (1.15), для узла “а” напишем:

или .

Второй закон Кирхгофа: во всяком замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на резистивных элементах:

, (1.16)

где m — число резистивных элементов, n — число ЭДС в контуре.

При этом необходимо задаться направлением обхода контура, а также направлениями токов в ветвях контура и источников ЭДС.

На схеме рис.1.9. рассмотрим один из контуров сложной электрической цепи с указанным направлением обхода контура. По второму закону Кирхгофа запишем:

Рис.1.9. Пример схемы расчёта по второму закону Кирхгофа

Характеристика электрических сетей

Совокупность объектов и устройств, обеспечивающих постоянный и непрерывный путь для движения электрического тока можно назвать электрической цепью.

Читайте также  Паскаль (Pascal) Блез

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.

Три режима работы электрических цепей

Как уже говорилось выше, электрическая цепь несет в себе сложнейшую структуру и имеет в составе множество различных элементов и разветвлённостей. К тому же в цепях действуют определенные законы, а для того, чтобы охарактеризовать цепь используют такие понятия как ток, сопротивление, электродвижущая сила и т.д. Все это способствует тому, что цепь может работать в разных режимах.

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.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: