Источники и приемники электрической энергии

1.Элементы электрических цепей. Источники и приемники электрической энергии. Схемы замещения электротехнических устройств постоянного тока.

Эл. цепью называется совокупность устройств, образующих путь для Эл. тока. В общем случае Эл. цепь состоит из источников и приемников Эл. энергии, а также соединительных проводов. В источниках энергии (гальванические элементы, аккумуляторы, электромашинные генераторы) хим., мех., тепловая или энергия других видов превращается в Эл. энергию, а в приемниках (электроосветительные приборы, Эл. двигатели, резисторы) происходит обратное преобразование энергии в световую, мех.тепловую. При расчетах режимов работы Эл. цепей пользуются идеализированными моделями Эл. устройств, называемыми элементами цепи. Различают пассивные (сопротивление, индуктивность, емкость) и активные (источники ЭДС и тока) элементы цепи. Сопротивление R – идеализированный элемент цепи, приближенно заменяющий резистор, в котором происходит необратимый процесс преобразования Эл. энергии в теплоту. В цепях постоянного тока сопротивление определяется по з-ну Ома R=U/I, где U – падение напряжения на сопротивлении, I – ток, проходящий через него. Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью g=1/R (измеряется в См – сименс). Индуктивность L – идеализированный элемент цепи, приближающийся по свойствам к индуктивной катушке, в котором накапливается энергия магнитного поля. Емкость С — идеализированный элемент цепи, приближенно заменяющий конденсатор, в котором накапливается энергия Эл.поля. с=q/U, где q – заряд, U – напряжение. (измеряется A – фарад). Свойства источника электрической энергии описываются ВАХ (вольтамперная характеристика) , называемой внешней характеристикой источника. Далее в этом разделе для упрощения анализа и математического описания будут рассматриваться источники постоянного напряжения (тока). Однако все полученные при этом закономерности, понятия и эквивалентные схемы в полной мере распространяются на источники переменного тока. ВАХ источника может быть определена экспериментально на основе схемы, представленной на рис. 4,а. Здесь вольтметр V измеряет напряжение на зажимах 1-2 источника И, а амперметр А – потребляемый от него ток I, величина которого может изменяться с помощью переменного нагрузочного резистора (реостата) Rн.

Рис. 5 схема замещения для ЭДС

Рис. 6 схема замещения для источника тока

2.Источники эдс и тока, их свойства и хар-ки.

Источник Эл. энергии хар-ся ЭДС Е и внутренним сопротивлением Rв. Если через него под действием ЭДС Е протекает ток I, то напряжение на его зажимах U=E-IRв при увеличении I уменьшается. Зависимость напряжения Uна зажимах реального источника от тока I ( рис.1)Если у некоторого источника внутреннее сопротивление Rв=0, то вольт-амперная хар-ка его будет прямой линией (рис. 2).Такой хар-кой обладает идеализированный источник питания¸ называемый источником ЭДС. Следовательно, источник ЭДС представляет собой такой идеализированный источник питания, напряжение на зажимах которого постоянно (не зависит от тока I) и равно ЭДС Е, а внутреннее сопротивление равно нулю. Если у некоторого источника беспредельно увеличивать ЭДСЕ и внутренне сопротивление Rв, то точка С (рис. 2) отодвигается по оси абсцисс в бесконечность, а угол а стремится к 90º(рис.3). Такой источник питания называют источником тока. Источник тока представляет собой идеализированный источник питания, который создает ток I, не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой присоединен, а его ЭДС Еит и сопротивление Rит равны бесконечности. Отношение Еит/Rит равно току I источника тока.

Приемники электрической энергии

Все устройства для снабжения электрической энергией так называемых потребителей электроэнергии , или приемников электричества, носят название электрических установок. Каждая установка сострит из приборов, отдающих электрическую энергию (генераторы, источники электричества), приборов, ее потребляющих (приемники) и системы п роводов, связывающих генераторы с приемниками .

Приемником электрической энергии (электроприемником) называется аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии (в том числе электрическую, по с другими параметрами) для ее использования.

По технологическому назначению их классифицируют в зависимости от вида энергии, в который данный приемник преобразует электрическую энергию, в частности:

• механизмы приводов машин и механизмов;
• электротермические и электросиловые установки;
• электрохимические установки;
• установки электроде астения;
• установки электростатического и электромагнитного поля,
• электрофильтры;
• установки искровой обработки;
• электронные и вычислительные машины;
• устройства контроля и испытания изделий.

Потребителем электрической энергии называется электроприемник или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.

Федеральный закон «Об энергетике» называет потребителем электрической и тепловой энергии лицо, приобретающее ее для собственных бытовых или производственных нужд, а субъектами электроэнергетики — «лиц, осуществляющих деятельность в сфере электроэнергетики, в том числе производство электрической и тепловой энергии, энергоснабжение потребителей» предоставление уснут по передаче электроэнергии, оперативно-диспетчерскому управлению в электроэнергетике, сбыт электроэнергии, организацию купли-продажи электроэнергии».

Классификация электроприемников по обеспечению надежности электроснабжения

В отношении обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяются на следующие три категории:

Электроприемники I категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Из состава электроприемников I категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийного останова производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования.

Электроприемники II категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

Электроприемники III категории – все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категорий. Это приемники вспомогательных цехов, несерийного производства продукции и т.п.

Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания. Для электроснабжения особой группы электроприемников I категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

Для правильного установления категории электроприемников необходимо оценить вероятность аварии на участках системы электроснабжения, определить возможные последствия и материальный ущерб в результате этих аварий. При определении категории электроприемников не следует завышать категорию требуемой бесперебойности электроснабжения разных групп электроприемников. При отнесении электроприемников к первой категории учитывают технологический резерв, ко второй — сменность производства.

Классификация приемников электротехнической энергии

Потребители электрической энергии характеризуются по:

1. суммарной установленной мощности электроприёмников;

2. по принадлежности к отрасли промышленности (например сельское хозяйство);

3. по тарифной группе;

4. по категории энергетической службы.

Электротехнические установки, производящие, преобразующие, распределяющие и потребляющие электроэнергию, по уровню напряжения подразделяются на электроустановки напряжением выше 1 кВ и до 1 кВ (для электроустановок постоянного тока – до 1,5 кВ). Электроустановки напряжением до 1 кВ переменного тока выполняются с глухозаземленной нейтралью, а в условиях с повышенными требованиями к безопасности – с изолированной нейтралью (торфяные разработки, угольные шахты, передвижные электроустановки и т.п.).

Установки выше 1 кВ подразделяются на установки:

1) с изолированной нейтралью (напряжением 35 кВ и ниже);

2) с компенсированной нейтралью (включенной на землю через индуктивное сопротивление для компенсации емкостных токов), применяются для сетей напряжением до 35 кВ и редко 110 кВ;

3) с глухозаземленной нейтралью (напряжением 110 кВ и выше).

По роду тока все электроприемники, работающие от сети, можно разделить на электроприемники переменного тока промышленной частоты 50 Гц (в ряде стран используют 60 Гц), переменного тока повышенной или пониженной частоты, постоянного тока.

Большинство электроприемников промышленных потребителей электроэнергии работает на переменном трехфазном токе частотой 50 Гц.

Установки повышенной частоты применяют:

• для нагрева под закал, для штамповки металла, СВЧ-печи и т.п.;
• в технологиях, где нужна высокая скорость вращения электродвигателя (текстильная промышленность, деревообработка, переносной электроинструмент в авиастроении) и т.п.

Для получения частоты до 10 000 Гц применяют тиристорные преобразователи, для частоты свыше 10 000 Гц используют электронные генераторы.

Электроприемники пониженной частоты используются в транспортных устройствах, например для прокатных станов (f =16,6 Гц), в установках для перемешивания металла в печах (f = 0…25 Гц). Кроме того, пониженную частоту напряжения используют в индукционных нагревательных устройствах.

Опыт применения промышленной (50 Гц) и повышенной (60 Гц) частот подтвердил экономическую целесообразность частоты 60 Гц, а технико-экономические расчеты показали, что оптимальной следует считать частоту 100 Гц.

Характерные приёмники электроэнергии

Все приёмники электроэнергии характеризуются различными параметрами. При этом режимы их работы описываются ГЭН, поэтому с целью анализа режимов электропотребления используют характерные приёмники электроэнергии, представляющие собой группы электроприёмников, схожих по режимам работы и основным параметрам.

К характерным электроприёмникам относят следующие группы:

• Электродвигатели силовых и общепромышленных установок;
• Электродвигатели производственных станков;
• Электрические печи;
• Электротермические установки;
• Осветительные установки;
• Выпрямительные и преобразовательные установки.

Электроприемники первых четырех групп по традиции называют силовыми. Доля каждой группы в электропотреблении предприятия зависит от отрасли промышленности и особенностей технологического процесса производства.

Электроприемники постоянного тока

Постоянный ток применяют в гальваническом производстве (хромирование, никелирование и т.д.), для сварки на постоянном токе, для питания двигателей постоянного тока и т.п.

Исходя из перечисленных выше классификаций, наиболее сложную совокупность электроприемников представляет собой электропривод. Самым распространенным является асинхронный электропривод, характеризующийся значительным потреблением реактивной мощности, большими пусковыми токами и существенной чувствительностью к отклонениям напряжения сети от номинального.

В установках, не требующих регулирования скорости в процессе работы, применяются электроприводы переменного тока (асинхронные и синхронные двигатели). Нерегулируемые электродвигатели переменного тока – основной вид электроприемников в промышленности, на долю которых приходится около 70% суммарной мощности.

При выборе типа электродвигателя для нерегулируемого электропривода переменного тока часто руководствуются следующими соображениями:

• при напряжении до 1 кВ и мощности до 100 кВт чаще экономичнее применять асинхронные двигатели, а свыше 100 кВт – синхронные;
• при напряжении 6 кВ и мощности до 300 кВт – асинхронные двигатели, выше 300 кВт – синхронные;
• при напряжении 10 кВ и мощности до 400 кВт – асинхронные двигатели, выше 400 кВт – синхронные.

Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются в мощных приводах с тяжелыми условиями пуска (в шахтных подъемниках и др.).

Электродвигатели таких общепромышленных установок как компрессоры, вентиляторы, насосы и подъемно-транспортные устройства в зависимости от номинальной мощности имеют напряжение питания 0,22 – 10 кВ. Номинальная мощность электродвигателей этих установок изменяется от долей киловатт до 800 кВт и более. Названные электроприемники относят, как правило, к I категории надежности электроснабжения. Например, отключение вентиляции в цехах химических производств требует эвакуации людей из помещений и, следовательно, остановки производства.

Преобразование электроэнергии переменного тока в постоянный требует затрат на установку преобразовательных агрегатов и аппаратуры управления, на строительство помещений для них, а также эксплуатационных расходов на их обслуживание и на потери электроэнергии. Поэтому стоимость системы электроснабжения и удельная стоимость электроэнергии на постоянном токе выше, чем на переменном. Двигатели постоянного тока стоят дороже, чем асинхронные и синхронные двигатели. Регулируемые приводы постоянного тока применяются в тех случаях, когда требуется быстрое, широкое и (или) плавное изменение частоты вращения.

Коэффициент мощности электроприемников

Важной характеристикой электроприемника является коэффициент мощности cos(фи). Коэффициент мощности является паспортной характеристикой, отражающей долю потребляемой активной мощности при номинальных нагрузке и напряжении. Номинальное значение cos(фи) электродвигателя зависит от его типа, номинальной мощности, частоты вращения и других характеристик. При эксплуатации электродвигателей их cos(фи) в основном зависит от загрузки.

Для электропривода крупных насосов, компрессоров и вентиляторов часто применяют синхронные двигатели, которые используются как дополнительные источники реактивной мощности в системе электроснабжения.

Подъемно-транспортным устройствам характерны частые толчки нагрузки, которые вызывают изменения коэффициента мощности в значительных пределах (0,3 – 0,8). По надежности электроснабжения их обычно относят к I и II категориям (в зависимости от роли в технологическом процессе).
Проблемные электроприемники

Из электротехнологических устройств наибольшие проблемы вызывают дуговые сталеплавильные печи из-за следующих причин:

• большой собственной мощности (до десятков мегаватт); нелинейности и обусловленного печным трансформатором низкого cos(фи);
• толчков активной и реактивной мощностей, возникающих во время работы;
• толчковых отклонений от симметричности фазовых нагрузок.

Аналогичные с дуговыми сталеплавильными печами проблемы имеют электросварочные установки переменного тока. Особенно низкий у них cos(фи).

Электрическое освещение также вызывает некоторые электросетевые проблемы, а именно: применяемые вместо ламп накаливания высокоэкономные разрядные лампы имеют нелинейную характеристику и чувствительны к кратковременным (доли секунд) перерывам электроснабжения. Однако эти проблемы в настоящее время решаемы за счет перевода ламп на высокочастотное питание через индивидуальные преобразователи частоты, что улучшает не только их светотехнические, но и энергетические параметры.

Источники света (лампы накаливания, люминесцентные, дуговые, ртутные, натриевые и др.) являются однофазными электроприемниками и для снижения несимметрии равномерно распределяются по фазам. Для ламп накаливания cos(фи) = 1, а для газоразрядных соs(фи) = 0,6.

К электроснабжению устройств управления и обработки информации предъявляются повышенные требования в отношении надежности и качества электроэнергии, поэтому они питаются, как правило, от источников гарантированного бесперебойного электроснабжения.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Элементы электрических цепей.

Электромагнитные процессы, протекающие в электротехнических устройствах, как правило, достаточно сложны. Однако во многих случаях, их основные характеристики можно описать с помощью таких интегральных понятий, как: напряжение, ток, электродвижущая сила (ЭДС). При таком подходе совокупность электротехнических устройств, состоящую из соответствующим образом соединенных источников и приемников электрической энергии, предназначенных для генерации, передачи, распределения и преобразования электрической энергии и (или) информации, рассматривают как электрическую цепь . Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи . Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов). Электротехнические устройства, производящие электрическую энергию, называются генераторами или источниками электрической энергии , а устройства, потребляющие ее – приемниками (потребителями) электрической энергии.

У каждого элемента цепи можно выделить определенное число зажимов ( полюсов ), с помощью которых он соединяется с другими элементами. Различают двух –и многополюсные элементы. Двухполюсники имеют два зажима. К ним относятся источники энергии (за исключением управляемых и многофазных), резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. Многополюсные элементы – это, например, триоды, трансформаторы, усилители и т.д.

Все элементы электрической цепи условно можно разделить на активные и пассивные . Активным называется элемент, содержащий в своей структуре источник электрической энергии. К пассивным относятся элементы, в которых рассеивается (резисторы) или накапливается (катушка индуктивности и конденсаторы) энергия. К основным характеристикам элементов цепи относятся их вольт-амперные, вебер-амперные и кулон-вольтные характеристики, описываемые дифференциальными или (и) алгебраическими уравнениями. Если элементы описываются линейными дифференциальными или алгебраическими уравнениями, то они называются линейными , в противном случае они относятся к классу нелинейных . Строго говоря, все элементы являются нелинейными. Возможность рассмотрения их как линейных, что существенно упрощает математическое описание и анализ процессов, определяется границами изменения характеризующих их переменных и их частот. Коэффициенты, связывающие переменные, их производные и интегралы в этих уравнениях, называются параметрами элемента.

Если параметры элемента не являются функциями пространственных координат, определяющих его геометрические размеры, то он называется элементом с сосредоточенными параметрами . Если элемент описывается уравнениями, в которые входят пространственные переменные, то он относится к классу элементов с распределенными параметрами . Классическим примером последних является линия передачи электроэнергии (длинная линия).

Цепи, содержащие только линейные элементы, называются линейными. Наличие в схеме хотя бы одного нелинейного элемента относит ее к классу нелинейных.

Рассмотрим пассивные элементы цепи, их основные характеристики и параметры.

1. Резистивный элемент (резистор)

Условное графическое изображение резистора приведено на рис. 1,а. Резистор – это пассивный элемент, характеризующийся резистивным сопротивлением. Последнее определяется геометрическими размерами тела и свойствами материала: удельным сопротивлением r (Ом ? м) или обратной величиной – удельной проводимостью (См/м).

В простейшем случае проводника длиной и сечением S его сопротивление определяется выражением

В общем случае определение сопротивления связано с расчетом поля в проводящей среде, разделяющей два электрода.

Основной характеристикой резистивного элемента является зависимость (или ), называемая вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Если зависимость представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (см.рис. 1,б), то резистор называется линейным и описывается соотношением

где — проводимость. При этом R=const.

Нелинейный резистивный элемент, ВАХ которого нелинейна (рис. 1,б), как будет показано в блоке лекций, посвященных нелинейным цепям, характеризуется несколькими параметрами. В частности безынерционному резистору ставятся в соответствие статическое и дифференциальное сопротивления.

2. Индуктивный элемент (катушка индуктивности)

Условное графическое изображение катушки индуктивности приведено на рис. 2,а. Катушка – это пассивный элемент, характеризующийся индуктивностью. Для расчета индуктивности катушки необходимо рассчитать созданное ею магнитное поле.

Индуктивность определяется отношением потокосцепления к току, протекающему по виткам катушки,

В свою очередь потокосцепление равно сумме произведений потока, пронизывающего витки, на число этих витков , где .

Основной характеристикой катушки индуктивности является зависимость , называемая вебер-амперной характеристикой. Для линейных катушек индуктивности зависимость представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат (см. рис. 2,б); при этом

Нелинейные свойства катушки индуктивности (см. кривую на рис. 2,б) определяет наличие у нее сердечника из ферромагнитного материала, для которого зависимость магнитной индукции от напряженности поля нелинейна. Без учета явления магнитного гистерезиса нелинейная катушка характеризуется статической и дифференциальной индуктивностями.

3. Емкостный элемент (конденсатор)

Условное графическое изображение конденсатора приведено на рис. 3,а.

Конденсатор – это пассивный элемент, характеризующийся емкостью. Для расчета последней необходимо рассчитать электрическое поле в конденсаторе. Емкость определяется отношением заряда q на обкладках конденсатора к напряжению u между ними

и зависит от геометрии обкладок и свойств диэлектрика, находящегося между ними. Большинство диэлектриков, используемых на практике, линейны, т.е. у них относительная диэлектрическая проницаемость =const. В этом случае зависимость представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат, (см. рис. 3,б) и

У нелинейных диэлектриков (сегнетоэлектриков) диэлектрическая проницаемость является функцией напряженности поля, что обусловливает нелинейность зависимости (рис. 3,б). В этом случае без учета явления электрического гистерезиса нелинейный конденсатор характеризуется статической и дифференциальной емкостями.

Схемы замещения источников электрической энергии

Свойства источника электрической энергии описываются ВАХ , называемой внешней характеристикой источника. Далее в этом разделе для упрощения анализа и математического описания будут рассматриваться источники постоянного напряжения (тока). Однако все полученные при этом закономерности, понятия и эквивалентные схемы в полной мере распространяются на источники переменного тока. ВАХ источника может быть определена экспериментально на основе схемы, представленной на рис. 4,а. Здесь вольтметр V измеряет напряжение на зажимах 1-2 источника И, а амперметр А – потребляемый от него ток I, величина которого может изменяться с помощью переменного нагрузочного резистора (реостата) R Н .

В общем случае ВАХ источника является нелинейной (кривая 1 на рис. 4,б). Она имеет две характерные точки, которые соответствуют:

а – режиму холостого хода ;

б – режиму короткого замыкания .

Для большинства источников режим короткого замыкания (иногда холостого хода) является недопустимым. Токи и напряжения источника обычно могут изменяться в определенных пределах, ограниченных сверху значениями, соответствующими номинальному режиму (режиму, при котором изготовитель гарантирует наилучшие условия его эксплуатации в отношении экономичности и долговечности срока службы). Это позволяет в ряде случаев для упрощения расчетов аппроксимировать нелинейную ВАХ на рабочем участке m-n (см. рис. 4,б) прямой, положение которой определяется рабочими интервалами изменения напряжения и тока. Следует отметить, что многие источники (гальванические элементы, аккумуляторы) имеют линейные ВАХ.

Прямая 2 на рис. 4,б описывается линейным уравнением

где — напряжение на зажимах источника при отключенной нагрузке (разомкнутом ключе К в схеме на рис. 4,а); — внутреннее сопротивление источника .

Уравнение (1) позволяет составить последовательную схему замещения источника (см. рис. 5,а). На этой схеме символом Е обозначен элемент, называемый идеальным источником ЭДС . Напряжение на зажимах этого элемента не зависит от тока источника, следовательно, ему соответствует ВАХ на рис. 5,б. На основании (1) у такого источника . Отметим, что направления ЭДС и напряжения на зажимах источника противоположны.

Если ВАХ источника линейна, то для определения параметров его схемы замещения необходимо провести замеры напряжения и тока для двух любых режимов его работы.

Существует также параллельная схема замещения источника. Для ее описания разделим левую и правую части соотношения (1) на . В результате получим

где ; — внутренняя проводимость источника .

Уравнению (2) соответствует схема замещения источника на рис. 6,а.

На этой схеме символом J обозначен элемент, называемый идеальным источником тока . Ток в ветви с этим элементом равен и не зависит от напряжения на зажимах источника, следовательно, ему соответствует ВАХ на рис. 6,б. На этом основании с учетом (2) у такого источника , т.е. его внутреннее сопротивление .

Отметим, что в расчетном плане при выполнении условия последовательная и параллельная схемы замещения источника являются эквивалентными. Однако в энергетическом отношении они различны, поскольку в режиме холостого хода для последовательной схемы замещения мощность равна нулю, а для параллельной – нет.

Кроме отмеченных режимов функционирования источника, на практике важное значение имеет согласованный режим работы, при котором нагрузкой RН от источника потребляется максимальная мощность

Условие такого режима

В заключение отметим, что в соответствии с ВАХ на рис. 5,б и 6,б идеальные источники ЭДС и тока являются источниками бесконечно большой мощности.

1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
2. Бессонов Л.А . Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
3. Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. –М.: Энергия, 1972. –240 с.
4. Каплянский А.Е. и др. Теоретические основы электротехники. Изд. 2-е. Учеб. пособие для электротехнических и энергетических специальностей вузов. –М.: Высш. шк., 1972. –448 с.

Контрольные вопросы и задачи

1. Может ли внешняя характеристик источника проходить через начало координат?
2. Какой режим (холостой ход или короткое замыкание) является аварийным для источника тока?
3. В чем заключаются эквивалентность и различие последовательной и параллельной схем замещения источника?
4. Определить индуктивность L и энергию магнитного поля WМкатушки, если при токе в ней I=20А потокосцепление y =2 Вб. Ответ: L=0,1 Гн; WМ=40 Дж.
5. Определить емкость С и энергию электрического поля WЭконденсатора, если при напряжении на его обкладках U=400 В заряд конденсатора q=0,2 ? 10-3 Кл. Ответ: С=0,5 мкФ; WЭ=0,04 Дж.
6. У генератора постоянного тока при токе в нагрузке I1=50Анапряжение на зажимах U1=210 В,а притоке, равном I2=100А, оно снижается до U2=190 В.
7. Определить параметры последовательной схемы замещения источника и ток короткого замыкания. Ответ:
8. Вывести соотношения (3) и (4) и определить максимальную мощность, отдаваемую нагрузке, по условиям предыдущей задачи. Ответ:

• Что такое ИБП
• Отличие источников
• Как рассчитать мощность
• Перед включением ИБП
• Библиотека ИБП
• Запрос стоимости ИБП

Элементы электрических цепей и схем

Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для передачи, распределения и взаимного преобразования электрической (электромагнитной) и других видов энергии и информации, если процессы, протекающие в устройствах, могут быть описаны при помощи понятий об электродвижущей силе (ЭДС), токе и напряжении.

Основными элементами электрической цепи являются источники и приемники электрической энергии (и информации), которые соединяются между собой проводами.
В источниках электрической энергии (гальванические элементы, аккумуляторы, электромашинные генераторы и т. п.) химическая, механическая, тепловая энергия или энергия других видов превращается в электрическую, а в приемниках электрической энергии (электротермические устройства, электрические лампы, резисторы, электрические двигатели и т. п.), наоборот, электрическая энергия преобразуется в тепловую, световую, механическую и др.
Электрические цепи, в которых получение электрической энергии в источниках, ее передача и преобразование в приемниках происходят при неизменных во времени токах и напряжениях, называют цепями постоянного тока . При постоянных токах и напряжениях магнитные и электрические поля электрических установок также не изменяются во времени. Вследствие этого в цепях постоянного тока не возникают ЭДС индукции и отсутствуют токи смещения в диэлектриках, окружающих проводники.
Вместо термина «приемник электрической энергии» в дальнейшем будем применять более краткие и равнозначные термины — «приемник» или «потребитель», а вместо термина «источник электрической энергии» — «источник энергии», «источник питания» или «источник».

На рис. 1.1 условно изображена простейшая электрическая установка с источником энергии — аккумуляторной батареей и с приемником — группой электрических ламп. Выводы (зажимы) источника и приемника энергии соединены между собой двумя проводами. Источник энергии, провода и приемник образуют замкнутый проводящий контур. В этом контуре под действием ЭДС источника энергии происходит непрерывное и односторонне направленное упорядоченное движение электрических зарядов. Совокупность этих трех элементов — источника энергии, двух проводов и приемника — представляет собой простейшую электрическую цепь постоянного тока. Практически чаще встречаются более сложные электрические цепи с несколькими источниками и большим числом приемников энергии, с измерительными приборами и вспомогательными элементами (переключателя-ми, предохранителями и т. п.).
Чтобы облегчить изучение процессов в электрической цепи, ее заменяют расчетной схемой замещения , т. е. идеализированной цепью, которая служит расчетной моделью реальной цепи. При решении задач расчета режима работы цепи и других задач анализа и синтеза каждый реальный элемент цепи заменяется элементами схемы, математическое описание каждого из которых (математическая модель) должно отражать главные (доминирующие) процессы в элементе цепи, или, точнее, все, которые необходимо учесть при анализе или синтезе.

Для цепи постоянного тока пользуются понятиями двух основных элементов схемы: источника энергии с ЭДС Е и внутренним сопротивлением r_вт (рис. 1.2, а) и резистивного элемента — приемника (нагрузки) с сопротивлением r (рис. 1.2, б). Таким образом, применяя в дальнейшем термин «схема замещения», или, короче, «схема», будем подразумевать и соответствующую цепь. В дальнейшем, если нет специальных указаний, сопротивление соединяющих проводов не будет учитываться, так как оно должно быть много меньше сопротивления приемников.
Электродвижущая сила Е (рис. 1.2, а) численно равна разности потенциалов φ или напряжению U между положительным и отрицательным выводами 1 и 2 источника энергии при отсутствии в нем тока, т. е. как говорят, в режиме холостого хода, независимо от физической природы ее возникновения (контактная ЭДС, термо-ЭДС и т. д.):

Электродвижущую силу Е можно определить как работу сторонних (не электрических) сил, присущих источнику, затрачиваемую на перемещение единицы положительного заряда внутри источника от вывода с меньшим потенциалом к выводу с большим потенциалом. Направление действия ЭДС (от отрицательного вывода к положительному) указывается на схеме стрелкой.
Если к выводам источника энергии присоединить приемник (нагрузить), то в замкнутом контуре этой простейшей цепи возникает ток I (рис. 1.3), при этом напряжение или разность потенциалов на выводах 1 и 2 уже не будут равны ЭДС вследствие падения напряжения U _вт внутри источника энергии, т. е. на его внутреннем сопротивлении r_вт :

На рис. 1.4 представлена одна из наиболее типичных, так называемых внешних характеристик U ₁₂ (I) = U( I ) , т.е. зависимость напряжения на выводах нагруженного источника энергии от тока. Как показано на рисунке, при увеличении тока от нуля до напряжение на выводах источника энергии убывает практически по линейному закону:

Иначе говоря, при Е = const падение напряжения внутри источника энергии U _вт в указанных пределах растет пропорционально току. При дальнейшем росте тока нарушается пропорциональность между его значением и падением напряжения внутри источника энергии — внешняя характеристика не остается линейной. Такое уменьшение напряжения вызвано у одних источников энергии уменьшением ЭДС, у других увеличением внутреннего сопротивления, а у третьих одновременным уменьшением ЭДС и увеличением внутреннего сопротивления.
Развиваемая источником энергии мощность определяется равенством

Здесь следует указать на установившееся в электротехнике неточное применение термина «мощность». Так, например, говорят о генерируемой, отдаваемой, передаваемой, потребляемой мощности. В действительности генерируется, отдается, получается не мощность, а энергия. Мощность характеризует интенсивность энергетического процесса и измеряется количеством генерируемой, отдаваемой, передаваемой и других видов энергии в единицу времени. Поэтому правильно было бы говорить о мощности генерирования энергии, о мощности передачи энергии и т. д. Следуя традициям электротехники, будем применять приведенные выше краткие выражения.
Сопротивление приемника r (см. рис. 1.2,6) характеризует потребление электрической энергии, т. е. превращение электрической энергии в другие виды, при мощности

В общем случае сопротивление приемника зависит от тока в этом приемнике r ( I ).
По закону Ома напряжение на сопротивлении приемника, которое называется еще сопротивлением нагрузки ?

U = r I . (1.4)

Отметим, что к открытию этого закона довольно близко подошел еще в 1801 -1802 гг. акад. В. В. Петров. Позднее, в 1826 г., этот закон был сформулирован Омом.
Наряду с сопротивлением для расчета цепей вводят понятие проводимости

g = 1/ r .

Единица измерения тока (силы тока) называется ампер (1 А), ЭДС и напряжения — вольт (1 В), сопротивления — ом (1 Ом), причем 1 Ом = 1 В/1 А, проводимости — сименс (1 См = 1 / Ом), мощности — ватт (1 Вт = 1 В 1 А). При измерении всех величин можно применять кратные и дольные единицы, например килоампер (1 кА = 1000А), милливольт (1 мВ = 0,001 В), мегаом (1 МОм = 1000000 Ом), микроватт и т. д.
На практике часто бывает задана не зависимость сопротивления от тока r ( I ) приемника или резистивного элемента, представляющего приемник на схеме, а зависимость напряжения на резистивном элементе от тока U _ab (I) = U(I) или обратная зависимость тока от напряжения I (U). Характеристики U (I) и I ( U) получили распространенное, хотя и не совсем точное название вольт-амперных (ВАХ).
На рис. 1.5 представлены ВАХ лампы с металлической нитью U ₁ ( I ) и лампы с угольной нитью U ₂ (I) . Как показано на рисунке, связь между напряжением и током каждой лампы — нелинейная. Сопротивление лампы с металлической нитью растет с увеличением тока, а сопротивление лампы с угольной нитью с увеличением тока падает.
Электрические цепи, содержащие элементы с нелинейными характеристиками, называются нелинейными .
Если принять ЭДС источников энергии, их внутренние сопротивления и сопротивления приемников не зависящими от токов и напряжений, то внешние характеристики источников энергии U ₁₂ ( I ) = U ( I ) и ВАХ приемников U _ab (I) = U(I) будут линейными (рис. 1.6).
Электрические цепи, состоящие только из элементов с линейными характеристиками, называют линейными.
Режим работы большого числа реальных электрических цепей дает возможность отнести их к линейным. Поэтому изучение свойств и методов расчета линейных электрических цепей представляет не только теоретический, но и значительный практический интерес.