2 Электрические цепи постоянного тока

2.1 Общие сведения

Электротехнические устройства, установки и системы постоянного тока имеют большое практическое применение на транспорте (двигатели подъемных механизмов, трамваев, троллейбусов, электровозов, электро­кар), при электрохимическом получении металлов (электролизные ванны), в космической технике, в радиоэлектронике, компьютерной технике и т.д.

Применение высоковольтных ЛЭП постоянного тока большой протяжен­ности экономически оказывается более целесообразно, чем ЛЭП перемен­ного тока.

Первые шаги электротехники были связаны с освоением энергии по­стоянного тока, которая вырабатывалась гальваническими элементами.

В настоящее время основными источниками постоянного тока (ИПТ) являются выпрямительные преобразователи (выпрямители), химические аккумуляторы, электромашинные генераторы постоянного тока.

Развиваются и совершенствуются новые виды ИПТ:

-источники, преобразующие лучистую энергию Солнца при помощи фо­тоэлементов, являющихся основными источниками электрической энер­гии космических аппаратов;

-магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы);

-имеются сообщения о создании в США электрохимических ИПТ для электромобилей, в которых электрическая энергия будет получаться в результате реакции кислорода атмосферного воздуха с бензиновым то­пливом.

В электротехнике решаются две задачи:

-синтез электротехнических устройств;

-анализ этих устройств.

Задача синтеза решается при создании новых устройств конструкто­рами. Это - наиболее сложная задача. Анализ работы электроустройств чаще всего необходимо проводить уже при их эксплуатации, поэтому су­ществуют типовые задачи анализа.

Как правило, задача анализа состоит в определении токов и напря­жений на всех участках электрической цепи. При этом конфигурация цепи и параметры ее элементов (ВАХ источников и потребителей энергии, элек­трические сопротивления токопроводов и др.) считаются известными.

Как уже отмечалось, при анализе (расчете режима работы) электри­ческой цепи необходимо эту цепь представить и изобразить графически схемой, в которой элементы электрической цепи представлены в виде со­единений идеализированных элементов - резистивного R, индуктивного L, и емкостного С, а источники электрической энергии представляются как последовательное соединение ЭДС и внутренних сопротивлений этих ис­точников.

Однако при анализе электрических цепей постоянного тока, пассив­ными элементами схем являются только резистивные элементы, т.к. сопро­тивления индуктивных элементов (X_L =ω_L) постоянному току равны ну­лю, а сопротивления емкостных элементов (Х_С = 1 /(ωС)) при этом равны бесконечности, так что емкостные элементы разрывают электрические це­пи постоянного тока.

2.2 Законы Кирхгофа

Законы Кирхгофа лежат в основе анализа электрических цепей.

2.2.1 Первый закон Кирхгофа

Алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю. Математически это записывается так:

ΣI = 0 (2.1)

Всем токам, направленным от узла, в уравнении (2.1) приписывается одинаковый знак, например, положительный, тогда все токи, направлен­ные к узлу, войдут в уравнение с отрицательным знаком.

На рисунке 2.1 показан узел, в котором сходятся четыре ветви. Урав­нение (2.1) в этом случае принимает вид:

- I₁ - I₂ + I₃ + I₄ = 0,

Рисунок 2.1 - Иллюстрация к первому закону Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа отражает тот факт, что в узле электрический заряд не накапливается и не расходуется. Сумма электрических зарядов, приходящих к узлу, равна сумме зарядов, уходящих от узла за один и тот же промежуток времени.