Режимы работы электрической цепи

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.

Источник:
http://electricalschool.info/spravochnik/electroteh/1157-rezhimy-raboty-jelektricheskojj-cepi.html

Режимы электрических цепей

Режимы электрических цепей

Режим работы электрической цепи, то есть ее электрическое состояние, определяется значениями токов, напряжений и мощностей ее отдельных элементов. Номинальный режим. Рабочий режим. Режим холостого хода, режим короткого замыкания, холостой ход, короткое замыкание

Номинальный режим. Источники и приемники электрической энергии, провода, а также вспомогательные аппараты и приборы характеризуются номинальными величинами тока Iн, напряжения Uн, мощности Pн, на которые эти устройства рассчитаны заводами-изготовителями для нормальной работы. Номинальные величины обычно указываются в паспорте устройства.

Режим работы, при котором действительные токи, напряжения, мощности элементов электрической цепи соответствуют их номинальным значениям, называется номинальным (нормальным).

Рабочий режим. Режимы электрической цепи по различным причинам могут отличаться от номинального.

Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных величин ее элементов, но отклонения находятся в допустимых пределах, то режим называется рабочим.

Рисунок 1 – Схема цепи с переменным сопротивлением приемника электрической энергии

Уравнение баланса напряжений

где U — внутреннее падение напряжения в источнике; U — напряжение на внешних зажимах источника.

Читайте также  Какое жилье нельзя приватизировать

Напряжение U на внешних зажимах источника, равное в этом случае напряжению на приемнике, меньше ЭДС источника на величину внутреннего падения напряжения

Общее определение коэффициента полезного действия

Отношение мощности Pпр приемника к мощности Pист источника называется коэффициентом полезного действия (КПД) источника

КПД источника можно определить отношением напряжения на зажимах источника к его ЭДС

Также КПД источника можно определить отношением сопротивления нагрузки к полному сопротивлению цепи

Из последней формулы видно, что чем меньше внутреннее сопротивление R, тем выше КПД источника.

Режимы холостого хода и короткого замыкания

При R = ∞ тока в цепи не будет. Этот случай соответствует размыканию цепи. Режим электрической цепи или отдельных источников, при котором ток в них равен нулю, называется режимом холостого хода.

При холостом ходе напряжение на внешних зажимах источника равно его ЭДС

При R = 0, согласно выражению (1),

а напряжение на зажимах приемника и источника равно нулю

Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с одним или несколькими элементами, в связи с чем, напряжение на этом участке равно нулю, называется режимом короткого замыкания. Соответственно ток Iк в цепи называется током короткого замыкания.

Напряжение на зажимах источника уменьшается от U = Е до U = 0, если ток нагрузки увеличивается от 0 до тока короткого замыкания Iк (рисунок 2).

Рисунок 2 – Графики зависимости напряжения U на зажимах источника, мощности источника Pист, мощности приемника Pпр, КПД η источника, мощности потерь внутри источника P от тока в цепи при изменении сопротивления нагрузки от R = ∞ (холостой ход) до R = 0 (короткое замыкание), считая ЭДС источника постоянной

Задача Источник электрической энергии имеет в качестве нагрузки реостат с переменным сопротивлением R. ЭДС источника E = 24 В, а его внутреннее сопротивление R = 1 Ом. Построить графики зависимости напряжения U на зажимах источника, мощности источника Pист, мощности приемника Pпр, КПД η источника, мощности потерь внутри источника P от тока в цепи при изменении сопротивления нагрузки от R = ∞ (холостой ход) до R = 0 (короткое замыкание), считая ЭДС источника постоянной.

Решение

Для решения задачи воспользуемся схемой рисунок 1.

Например, для сопротивления нагрузки R = 11 Ом:

Для других значений сопротивления R результаты расчетов приведены в таблице 1.

Источник:
http://xn—-etb8afbn2f.xn--p1ai/theoretical-electrical-engineering/129-rezhimy-elektricheskih-cepey.html

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 Rн(1, a) при изменении Rнот 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 Rн = Rном), режим

Рис. 1. Схема электрической цепи, работающей в режимах: номинальном (a), холостого хода (b) и короткого замыкания (c)

холостого хода при Rн= ∞, режим короткого замыкания – при Rн= 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 Iноми 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 aи bбудут соединены между собой проводом, сопротивление которого равно нулю.

Режиму короткого замыкания соответствует схема на рисунке 2, c. На схеме выводы источника aи bзамкнуты накоротко. При этом выводы приемника будут также закорочены проводом ab.

Сопротивление между точками aи bравно 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 Rвн, 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?

Читайте также  Сопротивление заземляющего устройства

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:
http://lektsii.org/11-55120.html

Б) Режимы работы электрических цепей

Элементами электрической цепи являются различные электротехнические устройства, которые могут работать в различных режимах.

Режимы работы как отдельных элементов, так и всей электрической цепи характеризуются значениями тока и напряжения.

Поскольку ток и напряжение в общем случае могут принимать любые значения, то режимов может быть бесчисленное множество.

Реальная электрическая цепь может быть представлена в виде активного и пассивного двухполюсников

Рис. 16.2. Включение активного и пассивного двухполюсников

Двухполюсником называют цепь, которая соединяется с внешней относительно нее частью цепи через два вывода а и b – полюса.

Режим работы электрической цепи, приведенной на рисунке, определяется изменениями параметров пассивного двухполюсника, в общем случае величиной сопротивления нагрузки Rн.

При анализе электрической цепи рассматривают следующие режимы работы:

Работа активного двухполюсника под нагрузкой Rн определяется его вольт-амперной (внешней) характеристикой, уравнение которой для данной цепи запишется в виде

Вольт-амперная характеристика строится по двум точкам 1 и 2, соответствующим режимам холостого хода и короткого замыкания

Рис.16.3. Вольт-амперная характеристика

Режим холостого хода

В этом режиме с помощью ключа SA нагрузка Rн отключается от источника питания (см.рисунок).

В этом случае ток в нагрузке становится равным нулю, и как следует из формулы напряжение на зажимах ab становится равным ЭДС и называется напряжением холостого хода Uхх

Режим короткого замыкания

В этом режиме ключ SA в схеме электрической цепи замкнут, а сопротивление Rн=0.

В этом случае напряжение U на зажимах аb становится равным нулю, т.к. U = IRн, а уравнение вольт-амперной характеристики можно записать в виде:

Номинальный режим электрической цепи обеспечивает технические параметры как отдельных элементов, так и всей цепи, указанные в технической документации, в справочной литературе или на самом элементе.

Для разных электротехнических устройств указывают свои номинальные параметры. Однако три основных параметра указываются практически всегда:

— номинальное напряжение Uном,

— номинальная мощность Рном

— номинальный ток Iном.

Работа активного двухполюсника под нагрузкой в номинальном режиме определяется следующим уравнением, записанном для номинальных параметров

На вольт-амперной характеристике это уравнение определяется точкой 3 с параметрами Uном и Iном.

При этом на нагрузке выделится активная мощность

Расчеты показывают, что значение сопротивления нагрузки, согласованное с сопротивлением источника, при котором в нагрузку будет предаваться максимальная мощность будет равно:

При этом значение максимальной мощности, которая может выделена в нагрузке будет равна

Полезная мощность, выделяющаяся в нагрузке, определяется уравнением

Полная активная мощность, выделяемая активным двухполюсником, равна

Источник:
http://helpiks.org/3-91496.html

Какими величинами характеризуется режим работы электрической цепи

Известно, что электрическая цепь – это совокупность определённых устройств, которые обеспечивают постоянное, непрерывное прохождение электрического тока. Работа цепи невозможна, если в ней отсутствуют какие-либо элементы; в обязательном порядке должны присутствовать как источники энергии, так и её проводники, а приёмники, как правило, — это основные устройства, образующие данную цепь.

Если учесть, что в электрической цепи встречаются различные элементы, которые делятся на три основные группы: источники энергии, проводники тока и приёмники, т. е., те элементы, которые питаются от тока и преобразуют энергию в другие её виды, то можно предположить, что существует и различные режимы работы электрических цепей.

Основные режимы работы электрических цепей

Как уже было сказано ранее, любая электрическая цепь может иметь довольно сложную структуру, зависящую от количества элементов в ней и её разветвлённости. Всё это приводит к тому, что цепь может работать в различных режимах.

Выделяют три основных режима работы: нагрузочный (или согласованный), режим короткого замыкания, а также режим холостого хода. Они отличаются друг от друга нагрузкой на электрическую цепь. Также можно выделить номинальный режим работы. В этом режиме работы все устройства в цепи работают при условиях, указанных для них как оптимальные. Эти характеристики прописываются производителем в паспортных данных при изготовлении устройства на заводе.

Нагрузочный, или согласованный режим работы. Если к источнику энергии в электрической цепи подключается какой-либо приёмник, то он обладает неким сопротивлением. Таким приёмником может быть любое устройство, например электрическая лампочка.

Если есть напряжение, то действует закон Ома , таким образом, ЭДС источника получается из суммы напряжений внешнего участка цепи и на внутреннем сопротивлении источника. Падение напряжение во внешней цепи будет равным напряжению на зажимах источника. Оно зависит от нагрузочного тока: чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше ток и, соответственно, меньше напряжение на зажимах источника питания цепи.

Другими словами можно сказать, что нагрузочный или согласованный режим работы представляет собой режим, при котором происходит передача нагрузки повышенной мощности от источника. В этом режиме сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника, при этом расходуется максимальная мощность.

Однако, такой режим не рекомендуется использовать, так как при длительном превышении номинальных значений устройства могут выйти из строя.

Режим работы холостого хода. Этот режим работы электрической цепи характеризует разомкнутое её состояние – ток отсутствует, и все элементы отключены от источника питания.

В таком состоянии цепи внутреннее падение напряжение равно нулю, а напряжение на зажимах источника питание совпадает с ЭДС источника.

Т. е., можно сказать, что режим холостого хода характеризует электрическую цепь, когда она находится в разомкнутом состоянии, а сопротивление нагрузки отсутствует полностью или отключено. Такое состояние цепи можно использовать для измерения ЭДС источника питания.

Режим короткого замыкания. Этот режим работы считается аварийным, электрическая цепь не может работать нормально. Короткое замыкание возникает при соединении двух различных точек цепи, разница потенциалов которых отличается. Такое состояние не предусмотрено изготовителем устройства и нарушает его нормальную работу.

В этом режиме работы зажимы источника энергии замкнуты проводником («закорочены»), при этом его сопротивление близко к нулю. Часто, короткое замыкание происходит в тех случаях, когда соединяются два провода, которые связывают между собой источник и приёмник в цепи, как правило, их сопротивление незначительно, так что его можно назвать нулевым.

При возникновении режима короткого замыкания, ток в цепи значительно превышает номинальные значения (из-за отсутствия сопротивления). Это может привести в непригодное состояние источник энергии и приёмники в электрической цепи. В некоторых случаях это является результатом неправильных действий со стороны персонала, работающего с электротехническим оборудованием.

Источник:
http://volt220.ru/index.php/bases/94-mod-electric-chain.html

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.

Читайте также  Сколько нужно винограда на литр вина

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.

Источник:
http://studopedia.ru/11_25553_rezhimi-raboti-elektricheskih-tsepey.html