4.2 Электрические цепи Электрическая цепь и ее элементы
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 цепь (Адрес Блок 4) — 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
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 цепи (Адрес Блок 4) — участок, элементы которого соединены последовательно.
Узел электрической цепи — это точка соединения трех и болееветвей электрической цепи (2.3).
2.4 Узел электрической цепи (Адрес Блок 4) — это точка соединения трех и более ветвей.
Контур — это любой путь вдоль ветвей электрической цепи, начинающийся и заканчивающийся в одной и той же точке.
2.5 Контур (Адрес Блок 4) — это любой путь вдоль ветвей электрической цепи, начинающийся и заканчивающийся в одной и той же точке.
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:
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 RI 2 , rI 2 .
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:
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.
Источник
Режимы работы электрических цепей
Электрическая цепь в зависимости от значения сопротивления нагрузки R может работать в различных характерных режимах:
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 RI 2 , rI 2 .
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. h = 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 (e = U). Из этих соотношений вытекает метод измерения ЭДС (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:
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.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:
Источник
Режимы работы электрической цепи
Понятие режима работы. Элементы электрической цепи могут работать при различных значениях подаваемых на них ЭДС, протекающих в них токов создаваемых на них падений напряжения, т.е. в различных режимах. Режим электрической цепи — совокупность режимов работы отдельных ее элементов. Среди бесчисленного множества возможных режимов наиболее характерными являются следующие режимы работы электротехнических устройств:
− номинальный;
− режим холостого хода;
− режим короткого замыкания;
− согласованный режим.
Рассмотрим электрическую цепь с регулируемой нагрузкой. Величина тока в цепи определяется переменным сопротивлением приемника R н(1, a) при изменении R нот бесконечности до нуля. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для этой цепи справедливо соотношение
Выражение (1) описывает внешнюю характеристику данной цепи.
Номинальный режим работы будет при номинальном значении сопротивления приемника (при R н = Rном), режим
Рис. 1. Схема электрической цепи, работающей в режимах: номинальном (a), холостого хода (b) и короткого замыкания (c)
холостого хода при R н= ∞, режим короткого замыкания – при R н= 0.
Номинальный режим – это основной режим, на который рассчитана электрическая цепь заводом-изготовителем по условиям длительной гарантированной работы.
Номинальному режиму работы соответствует номинальные данные:
− номинальное напряжения Uном;
− номинальная мощность Pном;
− номинальный ток Iном и др.
Ток, соответствующий значению Uвых = Uном, называется номинальным током. Он соответствует паспортному режиму работы источника (например, аккумулятора).
Номинальные данные указываются в паспорте приемника и источника электроэнергии.
На графике внешней характеристики (рис.2.) номинальному режиму соответствуют точка 1(I = Iном, U = Uном).
Рис. 2.. Внешняя характеристика источника ЭДС
Режим холостого хода – это режим работы в отсутствие нагрузки. Режиму холостого хода соответствует точка 2 на рисунке 1, b. В этой схеме электрическая цепь разомкнута, Rн = ∞, I = 0. Уравнение внешней характе-ристики для режима холостого хода принимает вид:
Из этого уравнения следует, что напряжение на выводах источника в режиме холостого хода равно ЭДС.
На графике внешней характеристики (рис.3) режиму холостого хода соответствует точка 2(I = 0, U = E).
Режим холостого хода может быть использован для определения величины ЭДС источника. Если на холостом ходу подключить к выводам источника вольтметр, то напряжение, которое он покажет, будет равно ЭДС.
Режим короткого замыкания. Если движок реостата Rн (рисунок 1, a) переместить в крайне нижнее положение 2, то установится режим короткого замыкания. Выводы источника a и b будут соединены между собой проводом, сопротивление которого равно нулю.
Режиму короткого замыкания соответствует схема на рисунке 2, c. На схеме выводы источника a и b замкнуты накоротко. При этом выводы приемника будут также закорочены проводом ab.
Сопротивление между точками a и b равно нулю: Rab = 0. Следовательно, и напряжение будет равно нулю:
где Iк – ток короткого замыкания.
Уравнение внешней характеристики в этом случае примет вид:
ЭДС остается неизменной во всех режимах. Зная ЭДС, можно определить ток короткого замыкания:
.
На графике внешней характеристики (рис.3) режиму короткого замыкания соответствует точка 3 (U = 0, I = Iк).
В реальных цепях ток короткого замыкания может быть в 8–10 раз больше номинального. Это происходит потому, что ток короткого замыкания согласно формуле (2) ограничивается только величиной сопротивления источника R вн, в то время как номинальный ток (выражение(3)) ограничен ещё и сопротивлением нагрузки. В связи с этим в большинстве случаев короткое замыкание – это аварийный режим, особенно для источников большой мощности, внутреннее сопротивление которых относительно мало. Поэтому нельзя непосредственно (накоротко) соединять разнополярные выводы источника.
Причиной короткого замыкания может быть случайное или ошибочное соединение голых (неизолированных) токоведущих частей, находящихся под разными потенциалами, или повреждение изоляции между двумя соседними проводами вследствие механического воздействия или вследствие старения, износа и т.п. Нередко короткое замыкание получается в результате небрежного обращения с электроустановками и плохого ухода за ними.
Опасность короткого замыкания обусловлена тепловым действием тока. Короткое замыкание является причиной многих аварий и пожаров.
Согласованный режим имеет место при условии, что сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению источника ЭДС, при этом значение тока, отдаваемого источником, равно половине значения тока короткого замыкания.
Чтобы обеспечить работу электроустановки в течение всего расчетного срока службы (10–15 лет), нужно поддерживать ток, не превышающий номинального значения.
Пример 1. Напряжение холостого хода источника ЭДС цепи, показанной на рис.1, b, равно 16,4 В. Чему равно его внутреннее сопротивление, если при токе во внешней цепи, равном 8 А, напряжение на ее зажимах равно 15,2 В?
Решение. При разомкнутом ключе
U = UX = E = 16,4 В.
В соответствии с вторым законом Кирхгофа
при замыкании ключа имеем
Пример 2. ЭДС батареи измеряется вольтметром, имеющим сопротивление RV.
Чему равно показание вольтметра при трех различных значениях его сопротивления, если E = 80 В, Rвн = 100 Ом?
Решение. Показание вольтметра UV равно падению напряжения на его сопротивлении
.
При RV = 100 кОм показание вольтметра равно
При RV = 2,5 кОм показание вольтметра равно
Наконец при RV = 400 Ом показание вольтметра равно
Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения. Как следует из формулы (5), только при RV = ¥показание вольтметра равно ЭДС: UV = E.
Источник