1.4. Основные режимы работы электрических цепей.

Различают четыре основных режима работы электрической цепи:

• номинальный режим;

• режим холостого хода;

• режим короткого замыкания;

• согласованный режим работы.

1. Номинальный режим характеризуется тем, что токи, напряжения, мощности всех элементов электрической цепи соответствуют их номинальным значениям I_ном, U_ном, P_ном, установленным заводом-изготовителем. В этом режиме гарантируется надежная работа электрооборудования в течение длительного времени. Номинальные значения напряжения, тока и мощности берут за основу при расчетах электрических схем.

По номинальному напряжению рассчитывают изоляцию проводов и отдельных устройств. По номинальному току определяют допустимый нагрев всех элементов. Нормально работает устройство когда .

Для источника электроэнергии номинальная мощность P_ном – это мощность, которую он отдает потребителю при U_ном и I_ном. На внешней характеристике источника (см. рис. 1.8) его номинальному режиму работы соответствует точка 2.

Номинальная мощность приемных устройств - это электрическая мощность, потребляемая при номинальном напряжении, т.е. .

2. Режим холостого хода возникает при отключении нагрузки, при обрывах цепи. В этом режиме можно принять сопротивление приемника R_пр бесконечно большим, а ток в цепи I_х = 0. Напряжение на зажимах генерирующего устройства в режиме холостой ход в соответствии с (1.15) U_х = E.

На внешней характеристике источника (см. рис. 1.8) режиму холостой ход соответствует точка 1.

Этот режим используется на практике для измерения ЭДС (Е) источника, которую определяют, подключив к его выходным зажимам электроизмерительный прибор – вольтметр.

3. Режим короткого замыкания возникает при замыкании накоротко выходных зажимов источника или входных зажимов приемного устройства (точки А и Б или а и б на рис. 1.7). В этом режиме можно принять сопротивление приемника R_пр , равным нулю R_пр = 0. При этом напряжение на зажимах генератора также равно нулю U_г = 0.

Тогда ток короткого замыкания определяется только небольшим внутренним сопротивлением источника:

I_к = E / R₀

и значительно превышает номинальный ток.

На внешней характеристике источника (см. рис. 1.8) режиму короткого замыкания соответствует точка 4.

Большой ток короткого замыкания приводит к быстрому чрезмерному нагреву генератора и выходу его из строя.

В большинстве электротехнических устройств короткие замыкания нежелательны, т.к. возрастание тока ведет к резкому увеличе­нию выделения тепла в токоведущих частях и, следовательно, к выходу из строя электроустановок. Поэтому режим короткого замыкания является аварийным режимом и недопустим при эксплуатации электротехнических устройств и электрических цепей.

4. Согласованный режим характеризуется максимально возможной мощностью передача энергии от источника к потребителю. Это возможно только при определенном соотношения сопротивлений приемника и источника. Если пренебречь величиной R_л, то есть принять R_л=0, то ток в цепи

, (1.22)

мощность приемника

. (1.23)

Исследуем функцию P_пр(R_пр) на максимум, для чего найдем

, (1.24)

откуда R_пр = R₀. (1.25)

Мощность приемника максимальна, когда R_пр = R₀.. К.п.д. при этом

(1.26)

В обычных электрических цепях часто R_пр ≈10 R₀, и тогда

(1.27)

Согласованный режим применяется в радиотехнике, промышленной электронике - там, где передаются небольшие мощности, и ставится задача получения Р_max. В силовых электрических установках общего применения этот режим не используется.

На внешней характеристике источника (см. рис. 1.8) согласованному режиму соответствует точка 3.

В силовых электрических установках общего применения внутреннее сопротивление источника значительно меньше, чем сопротивление приемника. Поэтому режимы работы источника электроэнергии меняются в диапазоне от холостого хода до номинального режима работы (участок 1–2 на рис. 1.8). Этот рабочий участок внешней характеристики показан на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Внешняя характеристика источника постоянного напряжения

Как видно, в режиме холостого хода, когда ток I = 0, напряжение на зажимах генератора определяется величиной ЭДС U_х = E.

С увеличением тока цепи (увеличением нагрузки) напряжение на зажимах источника уменьшается в соответствии с выражением (15) за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника ΔU_г = R₀ * I .

В номинальном режиме работы, когда I = I_ном , это изменение напряжениясоставляет ΔU_ном = 5 – 10 % .