Режимы работы электрической цепи кратко

Обновлено: 02.07.2024

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.

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.

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.

Расчетный по тепловому режиму ток называется номинальным.

Сопротивление всей цепи равно внутреннему сопротивлению источника, и ток короткого замыкания в цепи равен:

основных элементов:

- источник электроэнергии, характеризуется наличием ЭДС Е; - приёмник электроэнергии, характеризуется сопротивлением R; - соединительные провода; - выключатель К для размыкания и замыкания цепи.
Все элементы электрической цепи можно подразделить на две категории:

- Элементы электрической цепи, в которых преобразование энергии
осуществляется при наличии электродвижущей силы, называются
активными.Они характеризуются ЭДС Е (В) и внутренним сопротивлением г
(Ом).

- Элементы электрической цепи, в которых электроэнергия преобразуется в
тепло, называются пассивными.Они характеризуются сопротивлением R
(Ом) и проводимостью G (См).

Схема электрической цепи- это графическое изображение электрической цепи,
содержащее условные обозначения её элементов и их соединений.

Для схем электрических цепей применяют следующие понятия:

1. Ветвь- это участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же
ток и который состоит из последовательно соединённых элементов.

2. Узел- место соединения трёх и более ветвей.

3. Контур- любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Например, для данной цепи с двумя источниками
электроэнергии:
Число узлов m=2
Число ветвей n=3
Число контуров к=3

Режимы работы электрических цепей

Номинальный режим

Токи, напряжения и мощности, на которые элементы электрической цепи
рассчитаны заводами - изготовителями для нормальной работы, называются
номинальными величинами,их указывают в паспорте.

Режим работы, при котором действительные параметры элементов соответствуют их номинальным значениям, называется номинальным.

2) Рабочий режим

Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от
номинальных значений, но отклонения находятся в допустимых пределах, такой
режим называется рабочим.

В замкнутой электрической цепи ЭДС источника равна сумме напряжений на отдельных участках цепи: E = Ir +IR

где: Е - электродвижущая сила источника (В)

I r =Ur - падение напряжения внутри источника (В)

IR = Uh - напряжение на нагрузке (В)

R - сопротивление нагрузки (Ом)

r - внутреннее сопротивление источника (Ом)

Отсюда следует, что напряжение на зажимах источника энергии меньше его ЭДС из-за

внутреннего падения напряжения: Uh = Е -I r

Из уравнения напряжений выразим закон Ома для замкнутой цепи:

Режим холостого хода

Режим электрической цепи или её элементов, при котором ток в них равен нулю,
называется режимом холостого хода.Это соответствует размыканию цепи,
В режиме холостого хода R = , I = 0, напряжение на внешних зажимах источника
равно его ЭДС: U = Е.

Режим короткого замыкания

Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с несколькими

элементами через проводник с малым сопротивлением, называется коротким

Замыканием.

В режиме короткого замыкания R = 0, I = ,U = 0,

Согласны ли вы с утверждениями:

1. Совокупность устройств, образующих путь электрического тока, называется электрической цепью.

2. Простейшая электрическая цепь состоит из источника электроэнергии, приёмника электроэнергии,
и соединительных проводов.

3. Схема электрической цепи - это графическое изображение электрической цепи, содержащее
условные обозначения её элементов.

4. Участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же ток и который состоит из
последовательно соединённых элементов, называется контуром.

5. Узел - место соединения двух и более ветвей.

6. Режим работы, при котором U, I, P соответствуют паспортным значениям, называется рабочим.

7. Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных
значений, но отклонения находятся в допустимых пределах, такой режим называется номинальным.

8. В замкнутой электрической цепи ЭДС источника равна сумме напряжений на отдельных
участках цепи.

9. Напряжение на зажимах источника энергии больше его ЭДС из-за внутреннего падения
напряжения.

10. В режиме короткого замыкания R = 0,I = , U = 0.

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 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 + IR₀ (12)

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

E = U_и+IR₀ (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:

U_и = E – IR₀ (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

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 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

E = U_и (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 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.).

При коротком замыкании ток

I _к.з = E / R ₀ (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.

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: