close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

- КУРСИ

код для вставкиСкачать
Лекция 3
Тема 1.3: ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ
План лекции:
1.
2.
3.
4.
5.
Элементы и схемы электрических цепей.
Источники электрической энергии.
Э.д.с. и мощность источника электрической энергии.
Режимы работы электрических цепей.
Схемы замещения электрических цепей.
Литература и источники информации:
[1]
5-е
[2]
184
[3]
[4]
Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники: Учебник для техникумов.изд., перераб. и доп. - М.: Высш. Школа, 1981. - 488 с., ил.
Н. Д. Пасечник Элементарная электротехника, 2-е изд. - Киев: ГИТЛ УССР, 1954. с., ил.
http://www.electromonter.info/handbook/symbol_all.html
http://ru.wikipedia.org/wiki/Электрогенератор
ЭЛЕМЕНТЫ И СХЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
[1]
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ — совокупность устройств и объектов, образующих путь
электрического тока. Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и
выполняющее в ней определенную функцию, называется ЭЛЕМЕНТОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ.
Электрические цепи классифицируют по виду тока (цепи постоянного и переменного
тока), по составу элементов (цепи активные и пассивные, линейные и нелинейные), по
характеру распределения параметров (цепи с сосредоточенными и распределенными
параметрами), по числу фаз переменного тока (однофазные и многофазные, чаще
трехфазные).
Простейшая электрическая цепь (рис.1) состоит из ТРЕХ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ:
1 ИСТОЧНИКА электрической энергии,
2 ПРИЕМНИКА электрической энергии,
3 СОЕДИНИТЕЛЬНЫХ проводов.
Рис.1. Простейшая электрическая цепь.[1]
1
ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ — преобразователь какого-либо вида неэлектрической
энергии в электрическую (электромеханические генераторы, турбогенераторы,
гидрогенераторы, термоэлектрические генераторы, гальванические элементы и
аккумуляторы; электрические трансформаторы и выпрямители в качестве вторичного
источника электрической энергии).
2
ПРИЕМНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ преобразуют электрическую энергию в другие виды
энергии: механическую (электродвигатели, тяговые электромагниты), тепловую
(нагреватели, обогревательные приборы, сварочные аппараты), световую (лампы
электрического освещения и сигнализации), химическую (аккумуляторы в процессе
зарядки, электролитические ванны и др.)
3
СОЕДИНИТЕЛЬНЫЕ ПРОВОДА и кабели служат для передачи и распределения электрической
энергии между источниками и приемниками. В соединительных проводах и кабелях при
наличии в них электрического тока выделяется тепло, поэтому при расчете они
выступают как приемники электрической энергии.
Кроме основных элементов в электрические цепи входят различные ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ для управления (рубильники, переключатели, контакторы и др.), защиты
(предохранители, реле и др.), регулирования (реостаты, стабилизаторы тока и
напряжения, трансформаторы), контроля (амперметры, вольтметры и т.д.).
Вспомогательные элементы, так же как и основные, включаются в цепь с помощью
проводов.
При разработке, конструировании, монтаже электрического оборудованя и установок
нельзя обойтись без электрических схем.
СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ — графическое изображение электрической цепи, содержащее
условные обозначения ее элементов, показывающее соеднения этих элементов.
Стандартизированные условные графические обозначения некоторых элементов
электрических цепей приведены в таблице 1. Полный перечень см. в [3].
В электрических цепях и их схемах различают:
1 ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ соединение элементов — конец предыдущего элемента соединен с
началом следующего (рис.2, а);
2 ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ соединение элементов — начала всех элементов, входящих в группу,
соединены в одном зажиме, а концы — в другом; этими зажимами группа присоединяется
к другим участкам цепи (рис.2, б).
Рис.2. Соединение элементов электрической цепи.
Группы элементов между собой могут быть включены последовательно и параллельно —
так образуются СЛОЖНЫЕ электрические цепи.
ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
[2]
Электрический ток может появиться в проводнике только в том случае, если на одном
конце проводника имеет избыток электронов, а на другом — их недостаток. Очевидно,
что такое положение не может возникнуть само по себе. Для этого, чтобы в проводнике
появилась определенная разность в распределении электронов и чтобы эта разность все
время поддерживалась на определенном уровне, необходимо, чтобы на концах проводника
действовала электрическая сила, заставляющая электроны двигаться все время в одном
направлении.
Электрический ток и поддерживание его прохождения в электрической цепи на
протяжении определенного времени вызывается ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛОЙ источника
электрической энергии:
обозначение - Е
сокращение - э.д.с.
ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА — величина, характеризующая способность стороннего поля или
индуктированного электрического поля вызывать электрический ток. [1]
Электрические устройства, создающие э.д.с. и поддерживающие ток в электрической
цепи, называют ИСТОЧНИКАМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.
Физические процессы получения электрической энергии различаются от вида
преобразуемой энергии (химической, тепловой, лучистой, механической). Главное
различие состоит в природе сил, которые разделяют положительный и отрицательный
заряды в веществе.
[4]
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР — устройство, в котором неэлектрические виды энергии
(механическая, химическая, тепловая) преобразуются в электрическую энергию.
Классификация:
•
•
•
•
•
•
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР - электрическая машина, в котором механическая
работа преобразуется в электрическую энергию (турбогенератор, гидрогенератор,
дизель-генератор, ветрогенератор);
ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР - техническое устройство, предназначенное для
прямого преобразования тепловой энергии в электричество посредством
использования в его конструкции термоэлектрических элементов (топливный,
радиоизотопный, атомный, солнечный, утилизационный термоэлектрические
генераторы);
ФОТОЭЛЕМЕНТ - электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в
электрическую энергию (солнечная батарея);
МАГНИТОГИДРО(ГАЗО)ДИНАМИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР (МГД-генератор) - энергетическая
установка, в которой энергия рабочего тела (жидкой или газообразной
электропроводящей среды), движущегося в магнитном поле, преобразуется
непосредственно в электрическую энергию;
ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА - источник э.д.с., в котором энергия протекающих в
нём химических реакций непосредственно превращается в электрическую энергию
(гальванические элементы, электрические аккумуляторы, топливные элементы);
БИОГЕНЕРАТОРЫ.
Устройство и принцип дейтсвия электромеханического генератора подробно
рассматривается в курсе «Електрические машины и аппараты» на 5 и 6 семестрах
обучения.
Рассмотрим примеры преобразования химической, тепловой и лучистой энергии в
электрическую.
Рис.3. Цинковая пластина в растворе серной кислоты. [1]
На рис.3 показана цинковая пластинка, опущенная в водный раствор серной кислоты
(электролит). Цинк растворяется в электролите, причем в раствор переходят
положительные ионы Zn+ . Раствор заряжается положительно, а цинк — отрицательно.
Растворение цинка обусловлено химическими силами. В области контакта цинк — раствор
появляется электрическое поле образовавшихся ионов, направленное от раствора к
цинку. По мере растворения цинка растет заряд, а вместе с ним и напряженность
электрического поля. Электрическое поле противодействует переходу ионов Zn+ в
раствор, поэтому на определенной стадии растворение цинка прекращается. Такое
равновесное состояние соответствует равенству двух сил, действующих на ионы Zn+ :
химических, под дейтсвием которых цинк растворяется, и электрических,
препятствующих раствореню. Растворение цинка прекращается при наличии некоторой
разности потенциалов между цинком и раствором. Если в тот же раствор поместить
пластинку з другого вещества, то описанный процесс будет иметь место и в этом
случае. Но полученная разность потенциалов U2 может быть другой величины — больше
или меньше U1. По такому принципу образуется э.д.с. ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА и
АККУМУЛЯТОРА (рис.4, а, б). При соединении пластин I и II проводником в замкнутой
цепи будет действовать э.д.с. химического элемента Е = U1 — U2 и установится
электрический ток.
Рис.4. Режим разрядки свинцового аккумулятора.[1]
Применение гальванических элементов ограничено — в единицу времени они могут дать
лишь незначительное количество электрической энергии, а срок их работы невелик и
заканчивается, когда активное вещество электродов в определенной степени будет
израсходовано. Значительно большее применение имеют аккумуляторы, элеткрохимические
процессы в которых обратимы, что позволяет проводить их многократную зарядку и
разрядку.
Электрическая энергия в топливных элементах (как и в гальванических) получается при
химических реакциях, в ходе которых расходуются активные материалы: топливо
(водород, природный газ, нефтепродукты и т.п.) и окислитель (кислород, воздух).
Запас активных материалов непрерывно пополняется, поэтому товливный элемент (в
отличие от гальванического) в принципе может работать сколь угодно долго.
Электрохимические генераторы просты в эксплуатации, бесшумны, не создают радиопомех
отходов, загрязняющих воздух.
Непосредственное преобразование тепловой энергии в электрическую можно осуществить,
используя явления в контакте двух металлов или полупроводников - эффект Зеебека,
который заключается в появлении э.д.с. (или термо-э.д.с.) в замкнутой цепи из двух
разнородных материалов, если места контактов поддерживаются при разных
температурах.
Рис.5. К пояснению о термопаре.[2]
В случае соединения двух металлов, т.е. ТЕРМОПАРЫ (рис.5), термоэлектрический
эффект заключается в следующем. Между соединёнными проводниками имеется контактная
разность потенциалов; если стыки связанных в кольцо проводников находятся при
одинаковой температуре, сумма таких разностей потенциалов равна нулю. Когда же
стыки находятся при разных температурах, разность потенциалов между ними зависит от
разности температур. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называют
коэффициентом термо-э.д.с. У разных металлов коэффициент термо-э.д.с. разный и,
соответственно, разность потенциалов, возникающая между концами разных проводников,
будет различная. Помещая спай из металлов с отличными коэффициентами термо-э.д.с. в
среду с температурой Т1, мы получим напряжение между противоположными контактами,
находящимися при другой температуре Т2, которое будет пропорционально разности
температур Т1 и Т2. [Wikipedia]
[1]
Однако концентрация свободных электронов в металлах велика и при переходе из одного
металла в другой меняется очень мало. По этой причине металлические термоэлементы
(термопары) имеют очень малые э.д.с. и КПД и применяются для измерения температур.
В отличие от металлов в полупроводниках при увеличении температуры сильно
увеличивется концентрация свободных электронов и дырок. Это свойство
полупроводников позволяет получить более выскоие термо-э.д.с. И КПД термоэлементов.
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ТЕРМОЭЛЕМЕНТ состоит из двух полупроводников (n и p на рис.6).
При нагревании полупроводников в месте соединения их с металлической пластинкой
сильно увеличивается концентрация свободных носителей заряда. Поэтому в
полупроводнике n-типа к холодному конце перемещаются электроны, в результате чего
этот конец заряжается отрицательно. В другом полупроводнике p-типа к холодному
концу перемещаются дырки, образуя положительный заряд. Возникшая разнасть
потенциалов противодействует диффузии, и при некторой величине ее устанавливается
равновесие сил электрического поля и сторонних сил, под действием которых дет
процесс диффузи носителей заряда. Эта разность потенциалов и является термо-э.д.с.
полупроводникового термоэлемента. Если к холодным концам полупроводников подключить
токопроводящий элемент, напрмер, резистор, то образуется замкнутая цепь и
электрический ток в ней.
Рис.6. К пояснению полупроводникового термоэлектрического генератора.[Wikipedia]
Так как для работы в термоэлектрическом генераторе на полупроводниковых
термоэлемментах не требуется высокая чистота применяемых материалов, то генераторы
получаются относительно дешевыми и успешно работают в условиях проникающей
радиации. Для разогрева может быть использовано побочное тепло (солнечный свет,
стенка разогревающейся при работе установки) и тепло от специального генератора
(газовая или керосиновая горелка, атомный реактор). Термоэлектрические генераторы
применяются для энергоснабжения удаленных и труднодоступных потребителей
электроэнергии (автоматических маяков, навигационных буев, метеорологических
станций, активных ретрансляторов, космических аппаратов, станций антикоррозионной
защиты газо- и нефтепроводов) и обладают рядом преимуществ перед традиционными
электромашинными преобразователями энергии, например турбогенераторами, отсутствием
движущихся частей, бесшумностью работы, компактностью, легкостью регулировки, малой
инерционностью. Недостатком термоэлектрических генераторов является низкий КПД
(до10%). Несмотря на это термоэлектрические генераторы нашли широкое применение для
питания переносных устройств электроники, что объясняется простотой их
эксплуатации, высокой надежностью, небольшой стоимостью. [dic.academic.ru]
Концентрация и энергия свободных носителей заряда в полупроводниках могут
увеличиваться не только при нагревании, но и под действием лучистой энергии (свет,
инфракрасное излучение). Явление ФОТОПРОВОДИМОСТИ лежит в основе действия группы
электронных приборов, называемых ФОТОЭЛЕМЕНТАМИ, которые преобразуют световую
энергию в электрическую (рис.7).
Рис.7. К пояснению о фотоэлементах:
(а) — электровакуумный фотоэлемент,(б) — полупроводниковый фотоэлемент,
(в) — условное обозначение фотоэлемента на электрической схеме.[dic.academic.ru]
Принцип действия фотоэлемента (в фотогенераторном режиме) основан на внутреннем
фотоэффекте - поглощение оптического излучения приводит к увеличению числа
свободных носителей внутри полупроводника; под действием электрического поля
р–n-перехода (контакта) носители заряда пространственно разделяются (электроны
накапливаются в n-oбласти, а дырки – в р-области), в результате между слоями
возникает фото-э.д.с. При замыкании внешней цепи фотоэлемента через нагрузку
начинает протекать электрический ток.
Э.Д.С. И МОЩНОСТЬ ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
[1]
Количественная оценка возникновения э.д.с. дается величиной работы, приходящейся на
единицу заряда:
Е = Аст/Q с единицей измерения В (вольт),
где Аст — работа сторонних сил по перемещению заряженных частиц.
В источнике электрической энергии направления э.д.с. и тока совпадают.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ ИСТОЧНИКА, отдаваемая им во внешнюю цепь, равна работе Аст:
Wи = Аст = ЕQ = ЕIt с единицей измерения Дж.
МОЩНОСТЬ ИСТОЧНИКА равна величине энергии, вырабатываемой за единицу времени:
Pи = Wи / t =
Еit / t = EI с единицей измерения Вт (ватт).
РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
[1]
Режим работы электрической цепи, т. е. ее электрическое состояние, определяется
величинами токов, напряжений и мощностей ее отдельных элементов.
Различают следующие режимы работы:
•
•
•
•
НОМИНАЛЬНЫЙ РЕЖИМ
РАБОЧИЙ РЕЖИМ
РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА
РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
Номинальный режим
Источники и приемники электрической энергии, провода, а также вспомогательные
аппараты и приборы характеризуются НОМИНАЛЬНЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ тока Iн, напряжения Uн
мощности Рн и т. д., 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 величинам, называется НОМИНАЛЬНЫМ
(нормальным).
Отклонения от номинального режима нежелательны, а превышение номинальных величин в
большинстве случаев недопустимо, так как при этом не могут быть гарантированы
расчетные продолжительность и экономичность работы электрических устройств и
установок.
Для обеспечения нормальных условий работы приемников электричcкой энергии
необходимо соблюдать соответствие напряжений: действительное напряжение на зажимах
устройства должно быть равно его номинальному напряжению.
Рабочий режим
Рис.8. Схема цепи с переменным сопротивлением приемника энергии. [1]
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.
На схеме рис. 8 сопротивление соединительных проводов отнесено к приемнику.
Применяя к этой цепи закон сохранения энергии, нетрудно составить уравнение
энергетического баланса за некоторое время:
Wи — Wо = Wп,
где Wи = ЕIt — энергия источника; Wп = I2Rt — энергия приемника; Wo = I2rt — энергия
потерь в источнике (r — внутреннее сопротивление источника).
В этом случае энергетический баланс имеет вид
ЕIt = I2rt + I2Rt;
после сокращения на t получим уравнение баланса мощностей
ЕI = I2r + I2R.
Далее, сокращая на I, получаем уравнение баланса напряжений
Е = Ir + IR, или Е = Uo + U,
где Uo — внутреннее падение напряжения в источнике; U — напряжение на внешних
зажимах источника.
ЗАКОН ОМА для простейшей цепи:
I = Е/(r + R)
Напряжение U на внешних зажимах источника, равное в этом случае напряжению на
приемнике, меньше э. д. с. источника на величину внутреннего падения напряжения Ir:
U = IR = Е-Ir
Отношение мощности Рп приемника к мощности Ри источника называется КОЭФФИЦИЕНТОМ
ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ИСТОЧНИКА:
η = Рп / Ри = UI/EI = U/E
КПД источника можно определить отношением напряжения на зажимах источника к его
э.д.с.
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 э.д.с.:
U = Е.
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 (при R = О). Соответственно ток Iк в цепи
называется током короткого замыкания:
Iк = E/r.
Короткие замыкания в электрических установках нежелательны, так как токи короткого
замыкания, как правило, в несколько раз превышают номинальные величины, что ведет к
резкому увеличению выделения тепла в токоведущих частях и, следовательно, к порче
электрических установок.
Напряжение на зажимах источника уменьшается от U = Е до U = 0, если ток нагрузки
увеличивается от нуля до тока короткого замыкания Iк.
СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
[1]
Для облегчения расчета составляется схема замещения электрической цепи, т. е.
схема, отображающая свойства цепи при определенных условиях. На схеме замещения
изображают все элементы, влиянием которых на результат расчета нельзя пренебречь, и
указывают также электрические соединения между ними, которые имеются в цепи.
Элементы цепи, в которых электрическая энергия преобразуется в тепло,
характеризуются сопротивлением R или проводимостью G и называются ПАССИВНЫМИ.
Элементы электрической цепи, в которых преобразование энергии осуществляется при
наличии э.д.с., характеризуются в большинстве случаев постоянными величинами э.д.с.
Е и внутреннего сопротивления г (рис. 9, а). Такие элементы цепи называются
АКТИВНЫМИ.
На расчетных схемах источник энергии можно представить э.д.с. без внутреннего
сопротивления, если это сопротивление мало по сравнению с сопротивлением приемника
(рис. 9, б).
Рис.9. Схемы замещения источника электрической энергии (источника э.д.с.). [1]
При r = 0 внутреннее падение напряжения U0 = 0, поэтому напряжение на зажимах
источника при любом токе равно э.д.с.: U = Е = const. Такой источник энергии с
неизменным напряжением на его зажимах, не зависящим от внешнего сопротивления,
называется ИСТОЧНИКОМ э.д.с.
В некоторых случаях источник электрической энергии на расчетной схеме заменяют
другой (эквивалентной) схемой (рис. 10, а), где вместо э.д.с. Е источник
характеризуется его током короткого замыкания Iк, а вместо внутреннего сопротивления
в расчет вводится внутренняя проводимость g = 1/r.
Рис.10. Схемы замещения источника энергии (источника тока). [1]
Если внутреннюю проводимость отнести к приемнику, то можно положить g = 0 и Iо = 0.
В этом случае при любой величине напряжения на зажимах источника его ток остается
равным току короткоо замыкания I = Iк = const (рис.10,б). Источник с неизменным
током, не зависящим от внешнего сопротивления, называют ИСТОЧНИКОМ ТОКА.
Рис.11. Электрическая цепь и ее схема замещения. [1]
На рис. 11 генератор Г электрической энергии представлен э.д.с. Е и внутренним
сопротивлением r; два приемника П1 и П2 —соответственно сопротивлениями R1 и R2,
сопротивление проводов линии Л заменено сосредоточенным сопротивлением Rл,
вспомогательные аппараты и приборы в схеме замещения отсутствуют, так как в данном
случае предполагается, что на результаты расчета они не влияют.
На рис. 12 показана схема более сложной электрической цепи. Рассматривая схемы
различных электрических цепей, можно выделить в них характерные участки. Участок,
вдоль которого ток один и тот же, называется ВЕТВЬЮ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ. Место
соединения ветвей называется УЗЛОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ. Узел образуется при
соединении в одной точке не менее трех ветвей, например на схеме рис. 12 к узлу 6
подключены четыре ветви.
Ветви, не содержащие источников электрической энергии, называются ПАССИВНЫМИ, а
ветви, в которые входят источники, — АКТИВНЫМИ.
Рис.12. Cхема разветвленной электрической цепи. [1]
Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется КОНТУРОМ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ. На рис. 11, б таких контуров три: 1-2-5-6-1; 1-2-3-4-5-6-1;
2-3-4-5-2.
На схемах стрелками отмечаются положительные направления э.д.с. напряжений и токов.
Направление э.д.с. может быть указано обозначением полярности зажимов источника:
внутри источника э.д.с. направлена от отрицательного зажима к положительному (так
же как и ток). Положительное направление напряжения на участке цепи совпадает с
направлением тока — от точки большего потенциала к точке меньшего. У приемника
направления напряжения и тока совпадают, у источника они противоположны.
Таблица 1
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа