Три режима работы электрической цепи

9. Режимы работы электрической цепи.

Электрическая цепь может работать в трех режимах: нагрузочный, холостого хода и короткого замыкания.

Нагрузочный режим (рис. 14, а). 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 напря-жениеU_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:

Режим холостого хода (рис. 14,б). 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 и напряжение на зажимах источника электрической энергии равно его э. д. с.

Режим короткого замыкания (рис. 15). 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, связы-вающих источник с прием-ником, так как эти провода имеют обычно незначи-тельное сопротивление и его можно принять равным нулю. К. з. может происходить в результате неправильных действий персонала, обслуживающего электротехнические уста-новки или при повреждении изоляции проводов (рис. 16). В последнем случае эти провода могут соединяться через землю, имеющую малое сопротивление, или через окружающие металлические детали (корпуса электрических машин и аппаратов, элементы кузова вагона). При коротком замыкании ток

Ввиду того, что внутреннее сопротивление источникаR₀ обычно очень мало, проходящий через него ток возрастает до весьма больших значений. Напряжение же в месте к. з. становится равным нулю, 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.

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 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. При разрыве электрической цепи все ее точки до места разрыва оказываются под одним и тем же потенциалом.

Источник

1.6. Режимы работы электрической цепи

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).

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

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

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

.

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:

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 5 / 20 567891011121314151617181920> Следующая >>>

Источник

1.3. Режимы работы электрических цепей

Режим холостого хода – это такой режим, при котором ток в цепи либо вообще не протекает, либо он много меньше номинального.

Режим короткого замыкания – это такой режим, при котором клеммы источника замыкаются элементом с пренебрежимо малым сопротивлением.

Номинальный режим – это такой режим, на который рассчитано данное устройство.

Согласованный режим – это такой режим, при котором в нагрузке выделяется максимальная мощность. Условием согласованного режима является , КПД%.

1.4. Основные законы электротехники

,

где R – сопротивление потребителя; r_i – внутреннее сопротивление источника.

.

Первый закон: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:

.

Входящие в узел токи берутся со знаком плюс, выходящие – со знаком минус.

Второй закон: алгебраическая сумма ЭДС в контуре равна алгебраической сумме падений напряжения на элементах этого контура:

.

Если направления ЭДС и тока совпадают с выбранным направлением обхода контура, то они берутся со знаком плюс, в противном случае – со знаком минус.

Закон электромагнитной индукции:

.

Изменение магнитного потока вызывает появление ЭДС в токопроводящей среде.

закон электромагнитной индукции для катушки:

,

где – число витков катушки;

ЭДС в проводнике, движущемся в однородном магнитном поле,

,

где В – индукция; l – длина проводника; V – скорость проводника;  – угол между и. НаправлениеЕ определяется по правилу правой руки.

Закон Ампера: на проводник с током в магнитном поле действует сила F.

Для однородного магнитного поля имеем

.

Направление F определяем по правилу левой руки.

Правило Ленца: индуцированный ток всегда бывает такого направления, что своим действием старается уничтожить причину, его вызвавшую.

Закон Джоуля – Ленца: количество выделяемой в проводнике тепловой энергии прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению и времени:

.

1.5. Методы расчета электрических цепей

Возможны две постановки задачи расчета электрической цепи:

Прямая задача: известны E и R, найти I.

Обратная задача: известны часть E, часть R и часть I, найти недостающие параметры.

Обе задачи решаются одинаковыми методами. Рассмотрим некоторые из них.

1.5.1. Метод эквивалентного сопротивления

Предназначен для расчета цепей с одним источником питания.

Определяем эквивалентное сопротивление цепи.

Определяем общий ток в неразветвленной части схемы по закону Ома.

Определяем напряжение на разветвленных участках схемы.

По закону Ома определяем токи в ветвях.

Рис. 1.6. Пояснение к методу эквивалентного

; ; ;

; ; .

1.5.2. Метод непосредственного использования законов Кирхгофа

Может применяться для любых цепей.

Определяем число узлов и ветвей в цепи и произвольным образом направляем токи в ветвях.

Составляем максимально возможное число уравнений по первому закону Кирхгофа (на единицу меньше числа узлов).

Недостающие уравнения составляем по второму закону Кирхгофа (общее число уравнений должно быть равно числу неизвестных токов, т.е. числу ветвей).

Решая полученную систему линейных уравнений, определяем неизвестные токи.

Недостатком метода является необходимость решения систем уравнений.

Приведем пример расчета цепи по законам Кирхгофа. Дано: В, B, В, Ом, Ом, Ом.

Рис. 1.7. К пояснению метода

для узла а ;

для I ; А; А; А;

для II .

Источник