В электротехнике изучаются принципы действия и устройства основных электротехнических приборов, которые используются в быту и промышленности. Чтобы любое электротехническое устройство работало, должна создаваться электрическая цепь. Основное задачей цепи является передача электрической энергии и обеспечение устройству необходимого режима работы.
Электрическая цепь: понятие и основные элементы
Электрическая цепь – это совокупность различных объектов и устройств, которые образуют путь для нормального протекания электрического тока. Электромагнитные процессы в цепях могут описываться при помощи понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении.
Для того чтобы проводить расчеты и анализ, электрическую цепь можно представить в виде электрической схемы, которая состоит из условных обозначений ее элементов и способов их соединения.
Все устройства и элементы, которые входят в состав электрической цепи, условно можно классифицировать на несколько групп:
- Источники электрического питания (энергии). Общее свойство всех источников питания – это преобразование любых видов энергии в электрическую. Источники, в которых осуществляется трансформация неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными. Вторичными источниками являются те, в которых и на выходе, и на входе электрическая энергия. В качестве примера можно привести выпрямительные устройства.
- Потребители электроэнергии. Общее свойство всех потребителей электрической энергии – это трансформация электроэнергии в другие виды энергии. Пример – нагревательный прибор. Иногда потребители электроэнергии называют нагрузкой.
- Вспомогательные элементы электрической цепи. Сюда можно отнести коммуникативные устройства, соединительные провода, защитную аппаратуру, а также измерительные приборы, без которых электрическая цепь не функционирует.
Все элементы электрической цепи охватываются одним электромагнитным процессом.
Электрическая цепь с постоянным током
В электрической цепи постоянного тока электродвижущая сила, которая направлена внутрь источника электроэнергии от отрицательного полюса к положительному, возбуждает электрический ток такого же направления. Его можно определить по закону Ома для всей цепи:
I=ER+RBT, где:
- R - это сопротивление внешней цепи, которая состоит из соединительных проводов и приемника;
- RBT - сопротивление внутренней цепи, которая состоит из источника электрической энергии.
Если все элементы электрической цепи и их сопротивления не зависят от направления и значения тока и электродвижущей силы, то такие элементы называют линейными.
Стоит отметить, что в одноконтурной постоянной электрической цепи, что имеет один источник электрической энергии, ток прямо пропорционален электродвижущей силе и обратно пропорционален сопротивлению цепи.
Из этого следует, что E−RBTL=RI, откуда:
I=(E–RBTl)R или I=UR, где:
U=E–RBTl - это напряжение источника электроэнергии, которое направляется от положительного полюса к отрицательному.
При неизменной электродвижущей силе, напряжение зависит только от электрического тока, который определяет падение напряжения RBTl внутри источника электроэнергии, но только в том случае, если сопротивление внутренней электрической цепи RBT=const.
Выражение I=UR - это закон Ома для участка электрической цепи, к зажимам которого приложено напряжение U, что совпадает с электрическим током I этого же участка цепи.
Зависимость напряжения от электрического тока U(I) при E−const и RBT=const называется внешней (вольтамперной характеристикой линейного источника электроэнергии). По данной характеристике можно определить соответствующее напряжение для любого тока, а по формулам, что приведены ниже, - рассчитать мощность приемника электроэнергии:
P2=RI2=E2R(R+RBT)2
Мощность источника электроэнергии:
P1=(R+RBT)I2=E2R+RBT
КПД установки в цепи постоянного тока:
η=P2P1=RR+RBT=11+RBTR
Точка Х вольтамперной характеристики источника электроэнергии соответствует режиму холостого хода при разомкнутой электрической цепи. В таком случае электрический ток lX=0, а напряжение UX=E.
Точка К необходима для того, чтобы охарактеризовать режим короткого замыкания, который возникает при соединении зажимов источников электроэнергии. Внешнее сопротивление приравнивается нулю R=0. В этом случае формируется электрический ток короткого замыкания IK=ERBT, который в несколько раз превышает номинальный ток IHOM. Это случается по причине того, что внутреннее сопротивление источника электроэнергии $R_{BT}
Точка С соответствует согласованному режиму, при котором сопротивление внешней электрической цепи приравнивается сопротивлению внутренней цепи RBT источника электроэнергии. В таком режиме формируется электрический ток Ic=E2RBT внешней цепи и отвечает наибольшей мощности R2max=E24RBT. Коэффициент полезного действия в таком случае приравнивается нулю: ηc=0.
Учитывая все вышеизложенное, согласован режим, при котором:
P2P2max=4R2(R+RBT)2=1 и Ic=E2R=1
Режимы электрических цепей в электроэнергетических установках значительно отличаются от согласованного режима и характеризуются токами, которые обуславливают сопротивление приемников R и RBT. В результате этого работа систем на высоком КПД.
Изучение явлений, которые протекают в электрических цепях, упрощается, если происходит их замена на схемы замещения. Эти схемы представлены в виде математических моделей с идеальными элементами. Данные схемы подробно отображают свойства электрической цепи и при соблюдении конкретных условий делают анализ электрического состояния цепей значительно проще.
Электрическая цепь с переменным током
Практически во всех случаях электрическая энергия производится, перераспределяется и потребляется в виде электрической энергии переменного тока.
Переменный ток нашел широкое применение в различных областях техники. Это все объясняется легкостью его получения, распределения, преобразования, а также простотой устройства двигателей и генераторов переменного тока, удобством их эксплуатации и надежностью работы.
Переменный ток меняет свое направление и значение определенное количество раз в секунду. Электроны при переменном токе движутся сначала в одном направлении вдоль провода, после чего останавливаются на мгновение и движутся в обратную сторону. В проводе электроны совершают колебательные движения. Из-за своей малой скорости (Vэл=10−4м/с=0,1мм/с) при таких колебаниях электроны успевают сделать лишь небольшие передвижения вдоль провода.
Чаще всего встречается синусоидальный переменный ток: изменение электрических величин (силы тока, электродвижущей силы, напряжения) показывают со временем плавную кривую линию, что называется синусоидой.
Электрические цепи, в которых направление электродвижущей силы, тока и напряжения периодически изменяются по синусоидальному закону, получили название «цепи синусоидального тока». Иногда их называют цепями переменного тока.
Для переменного тока выбирается синусоидальная форма, поскольку она обеспечивает экономное производство, распределение, использование и передачу электрической энергии. Именно переменная форма электрических величин остается неизменной во всех участках цепи. Иными словами, все емкостные и индуктивные элементы, которые входят в состав электрической цепи, не меняют синусоидальной формы напряжения и тока.
Электрические цепи с переменным током, по сравнению с цепями постоянного тока, имеют множество особенностей, которые определяются:
- в первую очередь тем, что в состав электрических цепей переменного тока входят новые элементы: конденсаторы, трансформаторы, индуктивные катушки;
- тем, что переменный ток и напряжение в данных элементах порождают переменные магнитные и электрические поля, которые приводят к формированию явления самоиндукции, токов смещения и взаимной индукции.
Все вышеперечисленные особенности оказывают ощутимое воздействие на процессы, протекающие в электрической цепи. Анализ процессов в таких цепях значительно усложняется. Большое значение для цепи переменного тока играет частота f. От ее значения зависит влияние индуктивностей и емкостей на процессы в электрической цепи.
Особенности цепей переменного тока обуславливают ряд специфических и новых явлений:
- явление резонанса;
- сдвиг фаз;
- возникновение реактивных мощностей.