Меню

Укажите три режима источника тока



Режимы работы источника электрической энергии

date image2014-02-04
views image7630

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

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.

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

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:

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:

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

Источник

Режимы работы электрической цепи

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 (а) и режим холостого хода (б)

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 + IR (12)

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

E = Uи+IR (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 – IR (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

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 (а) и режим холостого хода (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

Читайте также:  Номинальный дифференциальный ток короткого замыкания

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 энергииРис. 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

Рис. 22. Возможные причины короткого замыкания в электрических установках

При коротком замыкании ток

I к.з = E / R (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.

Читайте также:  Расчет сложной электрической цепи постоянного тока методом контурных токов

Источник

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ

Последовательное соединение элементов. При последовательном соединении элементов через все элементы протекает один и тот же ток; напряжение на входе цепи равно сумме напряжений на элементах. Последовательное соединение элементов можно заменить одним эквивалентным сопротивлением.

Напряжение на сопротивлениях распределяется прямо пропорционально этим сопротивлениям:

Параллельное соединение. При параллельном соединении все участки цепи соединяются к одной паре узлов и находятся под воздействием одного и того же напряжения. Ток на входе цепи равен сумме токов на параллельных участках цепи.

Параллельное соединение элементов можно заменить одним эквивалентным сопротивлением:

При параллельном соединении элементов токи в них распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям:

Смешанное соединение. Это сочетание последовательного и параллельного соединения элементов.

Эквивалентное сопротивление для последовательно-параллельного соединения элементов:

Сложное соединение. Это соединение, имеющее три и более узлов. В сложных цепях встречаются соединения сопротивлений в виде звезды и треугольника.

Формулы преобразования треугольника сопротивлений в эквивалентную трехлучевую звезду имеют вид:

Формулы обратного преобразования ветвей трехлучевой звезды в эквивалентный треугольник:

РЕЖИМЫ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ

Различают четыре режима работы источников питания. Е

Режим холостого хода. В режиме холостого хода концы источника разомкнуты: (Rх= ∞).

Этот режим используют для измерения ЭДС источника. Параметры режима холостого хода: Iх = 0; Rх = ∞; Uх = E ; ( Uх =E-Ir; r = 0; Uх = E )

Режим короткого замыкания. В режиме короткого замыкания концы источника соединены накоротко: ( Rк= 0).

Номинальный режим. Это режим работы источника питания при номинальных значениях тока и напряжения. Номинальные значения тока и напряжения приводятся в паспорте источника питания.

Согласованный режим. Это режим работы источника питания с максимальной мощностью Р=Рmах. Такое возможно при условии, когда Rвн =Rвш . Формула мощности для согласованного режима:

Pmax= I 2 R = E 2 / 4R.

3. РАБОТА И МОЩНОСТЬ ЭЛ ТОКА. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС В ЭЛ ЦЕПЯХ

В электротехнике существует понятие мощности источника и мощности потребителя. Мощность источника – это скорость, с которой неэлектрическая энергия в источнике преобразуется в электрическую

Мощность потребителя (приемника) – это скорость, с которой в приемнике электрическая энергия переходит в неэлектрическую.

Рпот.= А/t = U I t/t =U I = I 2 R

В любой электрической цепи должен соблюдаться энергетический баланс – алгебраическая сумма мощностей всех источников должна быть равна арифметической сумме мощностей всех потребителей энергии: Это равенство называют балансом мощности электрической цепи:

Если направление ЭДС источника совпадает с направлением тока, то он работает в режиме генератора, т.е. поставляет электрическую энергию в цепь. Его ЭДС имеет знак плюс. Если направление ЭДС противоположно направлению тока, то он работает в режиме потребителя, т.е. потребляет электрическую энергию. Его ЭДС имеет знак минус. В уравнении баланса мощности нужно учитывать знак ЭДС источника.

Источник

Режимы работы источника ЭДС

Существуют три режима работы источника:

холостой ход (х.х),

режим короткого замыкания (к.з).

Рассмотри эти режимы.

Холостым ходом называется режим, когда к зажимам (клеммам) источника не подключена нагрузка (рис.5). В режиме холостого хода источник не отдает своей энергии потребителю и не производит полезной работы.

Примером источника, находящегося в режиме холостого хода является батарейка, к которой ничего не подключено. Режим х.х. безопасен для источника.

Единственная польза от этого режима состоит в том, что в режиме х.х. вольтметр покажет ЭДС источника. В записи это выглядит как формула: U=E.

Рис.5. Источник ЭДС в режиме холостого хода

Признаком режима холостого хода является ток в цепи, равный нулю. В самом деле, к зажимам источника нагрузка (потребитель энергии) не подключена (сравни с рис.1). Сопротивление между зажимами (клеммами) источника бесконечно велико. Следовательно, в соответствии с законом Ома, ток в цепи равен нулю.

Читайте также:  Что такое метод вихревых токов

Режимом нагрузки называется режим, при котором к источнику подключен потребитель. Источник отдаёт свою энергию нагрузке и в цепи протекает ток.

Рис.6. Источник ЭДС в режиме нагрузки

Признаком нагрузки является наличие тока в цепи. Есть ток — есть нагрузка, нет тока – холостой ход.

Когда проектируется любая схема, определяется номинальный (расчетный, нормальный) ток. Превышение этого тока называется перегрузкой. Режим перегрузки недопустим, т.к приводит к выходу из строя источника ЭДС.

Коротким замыканием называется режим, когда зажимы источника соединяются проводником, сопротивление которого равно нулю (рис.7). Короткое замыкание возникает из-за повреждения изоляции проводов или из-за персонала, допустившего ошибку при сборке электрической схемы.

Сравните схемы на рис. 7 и на рис. 6. На рис. 7 пунктиром показано ошибочное соединение. Термин «короткое замыкание» используется потому, что в этом случае ток проходит мимо нагрузки, по кратчайшему пути, возникшему вследствие повреждения изоляции или ошибки при сборке схемы.

Рис.7. Источник ЭДС в режиме короткого замыкания

Короткое замыкание – это аварийный режим, опасный для источника ЭДС. В режиме короткого замыкания, когда сопротивление нагрузки R=0, ток в цепи многократно возрастает в соответствии с формулой:

Ток короткого замыкания превышает номинальный в 10 – 1000 раз. Проходящий по проводам ток выделяет в них теплоту, от чего провод нагревается. Количество теплоты определяется по формуле:

Видно, что количество теплоты зависит от тока в квадрате. При коротком замыкании ток сильно возрастает, провода и источник перегреваются, возможно возгорание. Поэтому короткое замыкание совершенно недопустимо.

Заметим, что если источник маломощный, то короткое замыкание не особенно опасно. Например, для пальчиковой батарейки. Она не может дать большой ток. При коротком замыкании батарейки она лишь немного нагреется и разрядится. Напротив, автомобильный аккумулятор способен создать ток силой в сотни ампер. Такой ток вызовет сильный нагрев проводов. Вероятность возгорания проводов при коротком замыкании очень велика.

Для защиты от последствий короткого замыкания применяются предохранители.

Простейшим типом предохранителя являются плавкие предохранители. В них находится тонкая проволочка, которая почти мгновенно плавится при резком увеличении тока. Цепь обрывается, короткое замыкание устранено. В схеме на рис.7 показан плавкий предохранитель F.

На каждом плавком предохранителе указан ток, который он выдерживает, не расплавляясь. Если предохранитель сгорел, его следует заменять точно таким же, предварительно найдя и устранив причину, вызвавшую срабатывание предохранителя.

Пример 2. Расчёт простейшей цепи в режиме короткого замыкания для источника ЭДС

Рассчитать величину тока короткого замыкания для пальчиковой батарейки и для автомобильного аккумулятора. Сделать вывод об опасности режима короткого замыкания.

Определить величину тока короткого замыкания для:

а) пальчиковой батарейки с параметрами: ,

б) автомобильного аккумулятора с параметрами: ,

Определим ток короткого замыкания для батарейки и для аккумулятора:

а)

б)

Как видим, для батарейки ток короткого замыкания невелик (1,5А) и не представляет опасности. Для аккумулятора этот ток достаточно велик (252А). Неизбежен сильный нагрев проводов, по которым проходит ток короткого замыкания. Возможно возгорание.

Пример 3. Расчёт простейшей цепи в режиме нагрузки

Найти напряжение в бортовой сети автомобиля в момент включения стартера, если ЭДС аккумулятора равно 12,6В, а его внутреннее сопротивление r=0,05Ом. Стартер автомобиля потребляет 100 А.

1) В момент включения стартёра, он является нагрузкой для аккумулятора автомобиля. Найдём сопротивление стартёра (сопротивление нагрузки). Преобразовав закон Ома для полной цепи, запишем:

Найдем напряжение на нагрузке:

Результаты расчёта показывают, что в режиме нагрузки напряжение на аккумуляторе автомобиля существенно уменьшается. Причины этого рассмотрены ниже.

Источник