1. Источники и потребители электрической энергии постоянного тока

1.1. Источники энергии.

Источником напряжения (ЭДС), тока называют источник, напряжение (ЭДС, ток) которого не зависит от сопротивления внешней цепи R_Н. Схемы замещения реальных источников приведены на рис. 1.1а,б – источник ЭДС (напряжения), а на рис. 1.1 в,г – источник тока. Величина ЭДС источника – Е измеряется в режиме холостого хода (т. е. при токе в источнике I_E= 0) и равна напряжению на его зажимах. В схемах замещения источников резистор R_ВН=1/G_ВН учитывает тепловые потери энергии, выделяемые внутри источника. Если внутреннее сопротивление источников ЭДС (напряжения) - R_ВН равно нулю, а источника тока – бесконечности, то такие источники называют идеальными (рис.1.1б,г). В реальных источниках внутреннее сопротивление имеет конечное значение, поэтому на практике за источник ЭДС (напряжения) принимают источник, для которого выполняется условие 10R_ВН≤ R_Н ≤ , а при условии 0≤ R_Н ≤ 0,1R_ВН - за источник тока, где R_Н - внешнее сопротивление, на которое включен источник.

Рис. 1.1

Источники напряжения, ЭДС и тока могут представляться внешними характеристиками: для источников напряжения и ЭДС - зависимостями напряжения или ЭДС от тока, протекающего через источник, а для источника тока - зависимостями тока от напряжения на его зажимах.

На рис. 1.2а,в показаны внешние характеристики реальных источников ЭДС и тока, где имеются линейный (рабочий) и нелинейный участки характеристик, на которых источник может выйти из строя. На рис. 1.2б,г изображены внешние характеристики идеальных источников ЭДС и тока. В данной работе рассматриваются источники, которые работают на линейном участке характеристики.

а) б) в) г)

Рис. 1.2

Линейный участок источника ЭДС описывается законом Ома для полной цепи:

(1.1)

Отсюда U = E – R_ВНI. (1.2)

Внутреннее сопротивление R_ВН источника ЭДС можно определить исходя из графика как тангенс угла наклона линейного участка:

(1.3)

где ΔI – изменение тока нагрузки; ΔU – изменение выходного напряжения источника ЭДС, соответствующее значению ΔI

Аналогичным образом можно найти внутреннюю проводимость генератора G_ВН:

1.2. Режимы работы источника электрической энергии постоянного тока

Если электрическая цепь образована подключением приемника с изменяющимся сопротивлением R_н к внешним зажимам (а, в) источника питания, то при изменении сопротивления R_н ток I и напряжение U источника будут также изменяться (рис.1.3а). Из всех возможных режимов выделяют четыре наиболее важных:

а) номинальный режим источника характеризуется тем, что напряжение, ток и мощность его соответствуют тем значениям, на которые он рассчитан заводами-изготовителями. Величины, определяющие номинальный режим, указывают в ТУ, в паспорте и на щитке, прикрепленном к устройству;

б) режим холостого хода определяется отсутствием тока через источник (рис.1.3б). При холостом ходе источника напряжение U_xx на его внешних зажимах будет наибольшим и равным ЭДС источника: U_xx = E;

в) режим короткого замыкания характеризуется тем, что напряжение на внешних зажимах источника равно нулю (рис.1.3в). Ток короткого замыкания ( I_кз ) источника может во много раз превышать номинальную величину

а б в

Рис. 1.3

тока I , поэтому, как правило, указанный режим является опасным для источника;

г) согласованный режим, при котором R_вн = R_н ,обеспечивает максимум передачи мощности от источника в приемник (рис.1.3а).