ОГЛАВЛЕНИЕ

§ 2.7. Режимы работы электрической цепи

ЭДС и напряжение источника электрической энергии.

Рис. 2.7.1. Простейшая электрическая цепь

Для электрической цепи (рис. 2.7.1.) на основании закона Ома можно записать уравнение состояния цепи

  .               (2.7.1.)

Учитывая, что падение напряжения во внешней цепи IR равно напряжению на источнике электрической энергии Uи, справедливо равенство

.                     (2.7.2.)

Формула (2.7.2.) показывает, что напряжение на источнике электрической энергии под нагрузкой меньше ЭДС на величину падения напряжения внутри источника и зависит от тока нагрузки и внутреннего сопротивления источника.

Для любой электрической цепи, в зависимости от величины сопротивления нагрузки, существуют четыре характерных режима: холостого хода (ХХ), номинальный, согласованный, короткого замыкания (КЗ).

Рис. 2.7.2. Внешняя характеристика
источника электрической энергии.

Режим холостого хода. В режиме ХХ сопротивление нагрузки равно бесконечности (нагрузка не подключена). Ток в цепи равен нулю, напряжение на источнике наибольшее и равно ЭДС. Зависимость напряжения на источнике от тока нагрузки называется внешней характеристикой источника. Режиму холостого хода соответствует точка Х на внешней характеристике (рис. 2.7.2.)

Номинальный режим. В номинальном режиме от источника электрической энергии отбирается наибольшая мощность, которую он может длительно развивать не перегреваясь. Такая мощность, установленная заводом-изготовителем, называется номинальной. Номинальному режиму соответствует точка Х на внешней характеристике. Понятие номинального режима относится также и к приемнику, который при перегрузке может нагреться до недопустимой температуры.

Согласованный режим. При согласованном режиме в приемнике (нагрузке) выделяется наибольшая мощность. Такой режим используется в измерительных цепях, в устройствах вычислительной технике, в средствах связи. При согласованном режиме сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника электрической энергии.

Если P₁ = EI — мощность, отдаваемая источником, а P₂ = RI² — мощность, потребляемая нагрузкой, то коэффициент полезного действия (КПД) цепи можно выразить формулой

 .                     (2.7.3.)

где DP = RoI² — мощность потерь внутри источника.

Выражение для КПД может быть записано через параметры цепи. Оно будет иметь вид

  .                              (2.7.4.)

Учитывая, что для согласованного режима Ro = R, КПД будет иметь величину h = 0.5.

При передаче больших мощностей работа в согласованном режиме, как правило, недопустима. В цепях большой мощности непременным условием является R>>Ro, что обеспечивает наибольший КПД.

Рис. 2.7.3. Короткое замыкание в цепи.

Режим короткого замыкания. В режиме короткого замыкания R = 0 и ток цепи будет ограничен только внутренним сопротивлением источника Ro (рис. 2.7.3.)

  .                       (2.7.5.)

В этом случае P₁ = EIкз, P₂ = 0, h = P₂/P₁ = 0. Режиму КЗ соответствует точка К на внешней характеристике (рис. 2.7.2.). Для источников с малым внутренним сопротивлением (электромашинные генераторы, аккумуляторы) режим короткого замыкания является аварийным. Для гальванических элементов режим КЗ менее опасен, т.к. их внутренне сопротивление достаточно велико.

Рис. 2.7.4. Графики мощности и КПД цепи постоянного тока.

На рис. 2.7.4. построены зависимости: P₁(I), RoI²(I), P₂(I) и h(I). Из приведенных кривых следует, что наибольшая мощность в нагрузке P₂max будет при
I = Iкз/2 или, что то же, при R = Ro. Наибольшая мощность в приемнике будет равна половине мощности источника.

ОГЛАВЛЕНИЕ