Меню

Виды соединения потребителей энергии тока



Способы соединения источника и потребителей тока

Закон Ленца-Джоуля

Проводник, по которому протекает ток, нагревается. Количество
выделяемого при этом тепла определяется законом Ленца-Джоуля.

Количество тепла, выделяемое в проводнике при прохождении по нему электрического тока, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого этот ток протекает.

Q = 0,24I 2 R t,

где Q — количество выделяемого тепла;

I — сила тока в амперах;

t — время в секундах

0,24— тепловой эквивалент, Ватт-секунда = 0,24 калорий.

Тепловое действие тока используется в нагревательных приборах, в аппаратах защиты (предохранители).

Потребители и источники электроэнергии могут быть соединены друг с другом последовательноили параллельно.Если в цепи часть элементов соединена последовательно, а часть параллельно, то такое соединение носит название смешанного.

При последовательном соединениипотребителей общий ток в цепи везде одинаковый

Общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных участках

Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков

Последовательное соединение Параллельное соединение

источников и приемников тока источников и приемников тока

При параллельном соединенииобщий ток в цепи равен сумме токов, протекающих в отдельных ветвях

Iоб = I1 +I2 +I3 + п

Общее напряжение на всех участках одинаково. Если в цепь включено параллельно два сопротивления R1 и R2, причем R1≠R2, то общее сопротивление

Если сопротивления одинаковые, т.е. R1 = R2 = R3 = Rn. то общее сопротивление Rоб = R1/n,

где n— их количество.

Если сопротивлений три и более, то общее сопротивление цепи легко подсчитать через проводимость, а результат перевернуть

Подсчитать величину тока в цепи, если известно напряжение общее и величины сопротивлений имеющие смешанное соединение.

При прохождении электрического тока через проводник вокруг него создается магнитное поле. Магнитные силовые линии располагаются в плоскости, перпендикулярной проводнику и имеют форму концентрических окружностей. Направление магнитных силовых линий этого поля легко

определить по «правилу буравчика».

Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то рукоятка будет вращаться по направлению силовых линий.

Если изогнуть проводник и сделать несколько витков, то получим катушку (соленоид). Вокруг катушки образуется магнитное поле.

Магнитное поле катушки зависит от числа витков и величины тока, протекающего по катушке. Полярность катушки легко определить по правилу правой руки

Если наложить правую руку на катушку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока по виткам катушки, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс. Силовые линии магнитного поля выходят из северного полюса и заходят в южный.

Если внутрь катушки поместить металлический стержень, то получим электромагнит.

При подаче тока на катушку сердечник намагничивается. При снятии напряжения с катушки размагничивается. Можно использовать для включения и выключения аппарата Сердечник помещенный в катушку усиливает магнитное поле катушки.

Чем больше количество витков в катушке, тем сильнее ее магнитное поле.

Чем больше величина тока, протекающего по катушке, тем сильнее магнитное поле катушки.

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

Источник

Способы соединения потребителей электроэнергии.

Последовательное соединение

При последовательном соединении во всей цепи (и в источнике в том числе) ток одинаковый:

Iобщ = I1 = I2 = I3 = Iист;

Общее сопротивление цепи складывается из сопротивлений каждого потребителя:

Общее напряжение складывается из падений напряжений на каждом потребителе:

Ø При подключении потребителей последовательно общее сопротивление цепи увеличится, а общий ток уменьшится (Iобщ = Uобщ/Rобщ);

Ø При последовательном соединении, наибольшее падение напряжения и выделение тепловой энергии будет на потребителе наименьшей мощности, т.е. с наибольшем сопротивлением.

Прим. Так как подключение или отключение потребителей при последовательном соединении будет влиять на работу остальных потребителей, такое соединение применяется редко (гирлянда, тяговые двигатели на некоторых локомотивах) – для уменьшения напряжения на каждом потребителе.

Параллельное соединение

При параллельном соединении каждый потребитель подключается на одинаковое напряжение (часто говорят, что напряжение подается на потребитель):

Uобщ = U1 = U2 = U3;

Общий ток в цепи складывается из токов через каждый потребитель:

Iобщ= I1 + I2 + I3; (по 1-му закону Кирхгофа)

В такой схеме складываются не сопротивления потребителей, а их проводимости:

Ø общее сопротивление цепи при параллельном соединении будет всегда меньше самого наименьшего сопротивления любой из ветви;

Ø при увеличении числа потребителей включенных параллельно, общее сопротивление цепи уменьшается, а общий потребляемый ток увеличивается(увеличивается нагрузка цепи);

Ø больший ток пойдет по цепи с меньшим сопротивлением;

Ø если при параллельном соединении сопротивление потребителей одинаково, то общее сопротивление Rобщ можно определять по формуле:

R — сопротивление одного потребителя

Rобщ= —-

N — количество потребителей

3. Смешанное соединение (мостовая схема)

Частным случаем смешанного соединения является мостовая схема.

Мостовая схема имеет четыре плеча A – C – B – D, каждое плечо моста включает в себя потребитель (на данной схеме – резисторы, но могут быть электродвигатели). Так же мост имеет две диагонали

Читайте также:  Цепь с переменным током пример задачи

А – С — питающая диагональ

В – D — измерительная диагональ.

При одинаковых параметрах потребителей (R1 = R2 = R3 =R4или, в схеме с двигателями – если они работают в одном режиме)падение напряжений на плечах моста будет равным, и потенциалы точек ВиD будут равны (φв = φD ). Тогда напряжение на гальванометре равно нулю, т.е. ток через измерительную диагональ не идет. Такой мост называется уравновешенным.

Равновесие моста имеет место не только при равенстве параметров всех потребителей, но и при условии R1 /R4= R2 /R3.При изменении сопротивления любого плеча (один из двигателей выходит из общего режима работы) равновесие моста нарушается, на измерительной диагонали появляется напряжение и ток. Поэтому такая схема используется, в частности, для срабатывания реле боксования в электровозах, тепловозах, секциях электропоездов.

Источник

Соединение потребителей электрической энергии

Потребители электрической энергии могут соединяться между собой последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательное соединение образуют резисторы, к концу первого из которых присоединено начало второго, к концу второго – начало третьего и т.д. (рис.9).

При таком способе соединения через все резисторы вместе и каждое в отдельности проходит один и тот же ток:

Общее сопротивление последовательно соединенных резисторов равно их сумме:

Падение напряжения на первом резисторе U1 = I·R1, на втором U2 = I·R2, на третьем U3 = I·R3, на некотором n-ом резисторе Un = I·Rn.Сумма падений напряжения на последовательно соединенных резисторах равно напряжению на зажимах источника

По закону Ома сила т ока в цепи

где U – напряжение на зажимах источника тока, В;

R – общее сопротивление цепи, Ом;

Параллельное соединениесоставляют резисторы, начала которых сведены в одну точку, а концы – в другую. (рис.10).Параллельно соединенные резисторы образуют ветви (разветвления). Ток в общей точке распределяется по отдельным ветвям. Через меньший резистор течет больший ток, а через больший – меньший, т.е. токи по ветвям распределяются обратно пропорционально величине сопротивлений (по закону Ома). С увеличением числа ветвей результирующее значение сопротивления уменьшается.

При параллельном соединении потребителей напряжение на них равны между собой:

Сила тока в каждой их ветвей

Из приведенных выражений следует, что или в общем виде

То есть токи в ветвях распределяются обратно пропорционально их сопротивлениям.

Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме токов в параллельных ветвях

Учитывая последние соотношения и равенства, получим формулу для расчета общего (эквивалентного) сопротивления при параллельном соединении потребителей:

где R – общее сопротивление разветвления;

— общая проводимость разветвления;

— проводимости отдельных ветвей.

При параллельном соединении общая проводимость разветвления равна сумме проводимостей ветвей

Если известна общая проводимость разветвления, то общее эквивалентное сопротивление

. (44)

Смешанное сопротивление образуется, если резисторы в цепи соединены последовательно, а другие параллельно (рис.11).

При расчете цепей со смешанным соединением приемников пользуются правилами и соотношениями, ранее полученными для последовательного и параллельного соединения. Цепь разбивают на отдельные участки, состоящие из последовательно и параллельно соединенных потребителей, и определяют эквивалентные сопротивления для каждого из участков, а затем и для всей цепи.

Законы Кирхгофа

Для расчета сложных электрических цепей применяют различные методы, которые основаны на двух законах (правилах) Кирхгофа.

При формулировке законов Кирхгофа пользуются понятиями «узел», «ветвь» и «контур» электрической цепи.

Узлом электрической цепи называется точка, в которой соединяются три или большее число проводов или ветвей;

Ветвью называется отдельный участок цепи, расположенный между двумя узлами.

Контуром называют любую замкнутую группу последовательно соединенных между собой ветвей.

Первый закон Кирхгофа. Сумма токов, приходящих к узлу цепи, равна сумме токов , уходящих от этого узла (рис.12). Например, на рис.12 к узлу А приходят токи I1 и I2, а уходят токи I4 и I3., значит,

Источник

Методы передачи электроэнергии на расстояние

Электроэнергией является свойство магнитного поля преобразоваться в иные виды энергии. Такими видами энергии могут быть: механическая, химическая, паровая, лазерная. Число потребителей и источников потребления постоянно растет. Поэтому вопрос о способах передачи электроэнергии на большие расстояния, с сохранением мощности и ее распределением, остается открытым. Статья опишет основные и актуальные способы передачи, а также современные разработки в области беспроводных технологий.

ЛЭП

Способы передачи электроэнергии

Электроэнергия или переменный ток, передается от источника к потребителю, через провода или подземные кабельные линии. Эти способы актуальны на протяжении многих лет. Связано это с тем, что нет технологии, способной передать электричество на большое расстояние при минимальных потерях с сохранением полной мощности. Да и способ еще должен быть максимально надежным и дешевым.

Схема передачи переменного электрического напряжения или постоянного электрического напряжения выглядит следующим образом:

Читайте также:  Испытания трансформаторов тока 110кв

Схема передачи переменного электрического напряжения

Принцип работы и объяснение схемы:

  1. В начале схемы находится генератор, вырабатывающий электричество.
  2. От генератора напряжение подается на трехфазный трансформатор, для повышения мощности. От него электричество течет по ЛЭП (линия электропередачи).
  3. После ЛЭП напряжение попадает на трехфазный понижающий трансформатор.
  4. От трансформатора напряжение подается потребителю, с существенным занижением.

Для постоянного тока существует выпрямительное устройство, которое находится после повышающего трансформатора. Пройдя по ЛЭП, постоянный ток сначала должен попасть на устройство преобразования постоянного тока в переменный, а только потом на понижающий трансформатор.

Воздушные и кабельные линии

Потребление электроэнергии по воздушным ЛЭП и кабельным линиям, представляет собой определенную схему. В начале схемы находится источник энергии, а именно электростанция. Электростанция подает завышенное напряжение на распределительную линию, в конце которой находится занижающий трансформатор. Основным минусом подобной схемы является именно потребность в подаче слишком высокой мощности. Связано это с потерей доли напряжения на расстоянии. Способов подобной передачи 2.

Воздушные линии представляют собой сеть высоковольтных проводов, подвешенных на столбы или опоры. Этот метод очень распространен и является эффективным. Но и у него есть ряд минусов:

  • большие затраты в рабочей силе и материале на стадии поставки новым потребителям на большое расстояние;
  • потеря значительной доли мощности с каждым километром;
  • требование подачи большой мощности в начале (от электростанции);
  • вред магнитного поля для человека;
  • большая вероятность повреждения и разрушения от природных катаклизмов;
  • большие трудности для монтажа ЛЭП в трудных, непроходимых регионах.

Воздушные линии

Воздушные линии подают потребителю переменный ток. По дальности и мощности они делятся на следующие категории:

  1. Воздушные линии напряжением до 1 кВ считаются низковольтными. Они являются окончанием схемы передачи к потребителю.
  2. Линии с напряжением от 1 до 35 кВ считаются средними.
  3. Высоковольтными линиями считаются ВЭЛ с напряжением 110-220 кВ. Эти линии являются началом схемы передачи напряжения.
  4. К сверхвысоковольтным относятся ВЭЛ напряжением 330–750 кВ.
  5. К ультра высоковольтным относятся ВЭЛ напряжением, превышающим 750 кВ.

Чем выше подаваемое напряжение, тем большие расстояния оно должно покрыть от источника к потребителю.

Кабельные линии

Кабельные линии работают по схожему принципу. По ним также поступает переменный электрический ток. Но проводят такие линии под землей или под водой. Основными недостатками подобной передачи являются:

  1. Большие трудности и затраты при прокладке. Кабельные линии прокладываются в местах, где невозможно или опасно проводить воздушные линии.
  2. Также идет потеря доли напряжения с расстоянием.
  3. Существует опасность механического повреждения или растяжения кабеля.
  4. Есть опасность шагового напряжения при повреждении, особенно в воде.
  5. Очень тяжело найти и устранить повреждение.

На данный момент существует 2 схемы передачи электроэнергии от источника к потребителю по воздушным или кабельным линиям:

  1. Разомкнутая схема. Эта схема передачи представляет собой источник напряжения и потребителя как прямую линию. Минусом такой схемы является отсутствие резервной линии при повреждении какого-либо участка.
  2. Замкнутая схема (более надежна). В ней источник и все потребители заключены в кольцо или сложную схему. При повреждении участка линии, подача электричества не прекращается.

Подобные схемы также делятся на категории.

Схемы в визуальном отображении:

Схемы в визуальном отображении

Разомкнутая схема бывает 3 видов:

  1. Схема радиального подключения, в которой на одном конце находится подающее устройство, а на втором конце потребитель энергии.
  2. Магистральная схема похожа на радиальную, но в ней присутствуют дополнительные отводы для потребления.
  3. Схема магистральной подачи, при которой между двумя источниками находится один потребитель.

Замкнутая схема также бывает 3 видов:

  1. Кольцевая схема с одним источником и потребителем.
  2. Магистральная схема с наличием резервного источника.
  3. Сложная замкнутая схема, для подключения потребителей особого назначения.

Все эти схемы относятся к передаче постоянного тока потребителю. Передача и распределение электроэнергии подобным способом является одинаковым для российских и зарубежных сетей.

Постоянный ток

Вторым способом передачи электрического тока потребителю, является постоянный ток. Подобный ток является выпрямленным. Он встречается в аккумуляторах, батарейках, зарядных устройствах. Такой ток и сейчас подается потребителям некоторых стран, но в очень малых количествах. Его вырабатывают солнечные батареи. Постоянный ток можно подавать по действующим ЛЭП и подземным кабелям. Плюсы такой передачи, следующие:

  1. С расстоянием нет потери мощности. Не придется завышать напряжение на электростанции.
  2. Статическая устойчивость не оказывает влияния на передачу и распределение.
  3. Не требуется настраивать частотную синхронизацию.
  4. Напряжение можно передать всего по одной линии с одним контактным проводом.
  5. Нет влияния электромагнитного излучения.
  6. Минимальная реактивная мощность.

Постоянный ток для потребителя не подается только по причине огромной себестоимости оборудования для электростанций.

Проводимость электрического тока и процент завышения в начале передачи, во многом зависят от сопротивления самой ЛЭП. Снизить сопротивление, — а тем самым нагрузку — можно при помощи охлаждения до сверхнизкой температуры. Это помогло бы увеличить расстояние для передачи энергии и существенно снизить потери. Сегодня нет технологии занижения температуры линии электропередачи. Такая технология является крайне дорогой и требует больших изменений в конструкции. Но в регионах крайнего севера этот способ вполне работает и намного занижает процент передачи мощностей и потери от расстояния.

Читайте также:  Что сделать после того как ударило током

Беспроводная передача

Передать и распределить ток по потребителям без использования проводов, это реалии наших дней. Об этом способе впервые задумался и воплотил его в жизнь Никола Тесла. На сегодняшний день ведутся разработки в этом направлении. Основных способов всего 3.

Катушки

Катушки

Катушками индуктивности является свернутый в спираль изолированный провод. Метод передачи тока состоит из 2 катушек, расположенных рядом друг с другом. Если подать электрический ток на одну из катушек, на второй появится магнитное возбуждение такого же напряжения. Любые изменения напряжения на катушке передатчике, изменятся на катушке приемнике. Подобный способ очень прост и имеет шансы на существование. Но есть и свои недостатки:

  • нет возможности подать высокое напряжение и принять его, тем самым невозможно обеспечить напряжением несколько потребителей одновременно;
  • невозможно передать электричество на большое расстояние;
  • коэффициент полезного действия (КПД) подобного способа — всего 40 %.

На данный момент актуальны способы простого использования катушек, как источника и получателя энергии. Этим способом заряжают электрические самокаты и велосипеды. Есть проекты электромобилей без аккумулятора, но на встроенной катушке. Предлагается использовать дорожное покрытие в качестве источника, а машину в качестве приемника. Но себестоимость прокладки подобных дорог очень высокая.

Лазер

Лазер

Передача электричества посредством лазера, представляет собой источник, преобразующий энергию электричества в лазерный луч. Луч фокусируется на приемник, который его преобразует обратно в электричество. Компания Laser Motive смогла передать при помощи лазера 0.5 Кв электрического тока, на расстояние в 1 км. При этом потеря напряжения и мощности составила 95 %. Причиной потери стала атмосфера Земли. Луч многократно сужается при взаимодействии с воздухом. Также проблемой может стать обычное преломление луча случайными предметами. Подобный способ, без потери мощности, может быть актуальным только в космическом пространстве.

Микроволновая передача

Микроволновая передача

Основой для передачи электроэнергии путем микроволн, стала способность 12 см волн, частотой в 2.45 ГГц, быть незаметными для атмосферы Земли. Подобная особенность могла бы сократить до минимума потерю при передаче. Для подобного способа нужны передатчик и приемник. Люди давно создали передатчик и преобразователь электрической энергии в микроволновую. Это изобретение называется магнетрон. Он стоит в каждой микроволновой печи и является очень безопасным. Вот с изобретением приемника и преобразователя микроволн обратно в электричество возникли проблемы.

В 60-х годах прошлого века, американцы изобрели ректенну. Иными словами, приемник микроволн. С помощью изобретения удалось передать 30 кВт электрического тока на расстояние в 1.5 км. При этом коэффициент потерь составил всего 18 %. На большее установка была не способна по причине использования полупроводниковых деталей в устройстве приемника. Для приема и передачи большей мощности энергии, при использовании ректенны, пришлось бы создать огромную принимающую панель. Это бы увеличило затрачиваемую энергию, частоту и длину волн, а значит и процент сопутствующей потери. Высокое излучение могло бы убить все живое в радиусе нескольких десятков метров.

ректенна

В СССР был изобретен циклотронный преобразователь микроволн в электричество. Он представлял собой 40 см трубку и был полностью собран на лампах. КПД устройства равнялось 85 %. Но для этого способа основным минусом является способ сборки на лампах. Устройства на подобных деталях могут вернуть человечество в мир огромных телефонов, компьютеров величиной с комнату. О миниатюрных электрических приборах можно забыть.

циклотронный преобразователь микроволн

Передачу микроволн можно было организовать из космоса. Подобный проект предполагал собирать энергию солнца при помощи спутника и перенаправлять на приемник, расположенный на поверхности Земли. Но для этого придется построить спутник диаметром в километр и приемник диаметром в 5 километров. О полетах в зоне действия системы можно полностью забыть.

Главной проблемой при передаче электричества беспроводным способом, является расстояние и атмосферные преломления. Стоит также учитывать мощности. Общая потребляемая мощность всех электрических приборов в квартире, равняется 30–40 кВт. Для обеспечения электричеством одной квартиры, пришлось бы строить гигантские сооружения.

На сегодняшний день единственным способом передачи энергии большой мощности, является проводной. Он не требует прямого и обратного преобразования электрической энергии. Достаточно только подать высокое напряжение в начале и существенно занизить его в конце. Этот способ имеет ряд недостатков, но остается актуальным долгие годы.

Видео по теме

Источник