Согласованный режим работы электрической цепи, согласование источника и нагрузки

Warning: Undefined array key 9 in /var/www/electro-scooterz.ru/data/www/electro-scooterz.ru/wp-content/plugins/fotorama/fotorama.php on line 73

Warning: Undefined array key 9 in /var/www/electro-scooterz.ru/data/www/electro-scooterz.ru/wp-content/plugins/fotorama/fotorama.php on line 74

Warning: Undefined array key 9 in /var/www/electro-scooterz.ru/data/www/electro-scooterz.ru/wp-content/plugins/fotorama/fotorama.php on line 73

Warning: Undefined array key 9 in /var/www/electro-scooterz.ru/data/www/electro-scooterz.ru/wp-content/plugins/fotorama/fotorama.php on line 74

Содержание

Основные режимы работы полной цепи

Режим работы холостого хода. Этот режим работы электрической цепи характеризует разомкнутое её состояние – ток отсутствует, и все элементы отключены от источника питания. В таком состоянии цепи внутреннее падение напряжение равно нулю, а напряжение на зажимах источника питание совпадает с ЭДС источника. Т. е., можно сказать, что режим холостого хода характеризует электрическую цепь, когда она находится в разомкнутом состоянии, а сопротивление нагрузки отсутствует полностью или отключено. Такое состояние цепи можно использовать для измерения ЭДС источника питания.

Режим короткого замыкания.Этот режим работы считается аварийным, электрическая цепь не может работать нормально. Короткое замыкание возникает при соединении двух различных точек цепи, разница потенциалов которых отличается. Такое состояние не предусмотрено изготовителем устройства и нарушает его нормальную работу. В этом режиме работы зажимы источника энергии замкнуты проводником («закорочены»), при этом его сопротивление близко к нулю. Часто, короткое замыкание происходит в тех случаях, когда соединяются два провода, которые связывают между собой источник и приёмник в цепи, как правило, их сопротивление незначительно, так что его можно назвать нулевым.

Нагрузочный, или согласованный режим работы. Если к источнику энергии в электрической цепи подключается какой-либо приёмник, то он обладает неким сопротивлением. Таким приёмником может быть любое устройство, например электрическая лампочка. Если есть напряжение, то действует закон Ома, таким образом, ЭДС источника получается из суммы напряжений внешнего участка цепи и на внутреннем сопротивлении источника. Падение напряжение во внешней цепи будет равным напряжению на зажимах источника. Оно зависит от нагрузочного тока: чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше ток и, соответственно, меньше напряжение на зажимах источника питания цепи.

Правила Кирхгофа: физическое обоснование, формулировка, правила знаков; применение для расчета линейных электрических цепей, баланс мощностей.

Правила Кирхгофа— соотношения, которые выполняются между токами и напряжениями на участках любой электрической цепи. Правила Кирхгофа позволяют рассчитывать любые электрические цепи постоянного, переменного и квазистационарного тока. Имеют особое значение в электротехнике из-за своей универсальности, так как пригодны для решения многих задач в теории электрических цепей и практических расчётов сложных электрических цепей.

Определения

Для формулировки правил Кирхгофа вводятся понятия узел, ветвь и контурэлектрической цепи. Ветвью называют любой двухполюсник, входящий в цепь, например, на рис. отрезок, обозначенный U1, I1 есть ветвь. Узлом называют точку соединения двух и более ветвей (на рис. обозначены жирными точками). Контур — замкнутый цикл из ветвей. Термин замкнутый цикл

означает, что, начав с некоторого узла цепи иоднократно пройдя по нескольким ветвям и узлам, можно вернуться в исходный узел. Ветви и узлы, проходимые при таком обходе, принято называть принадлежащими данному контуру. При этом нужно иметь в виду, что ветвь и узел могут принадлежать одновременно нескольким контурам. В терминах данных определений правила Кирхгофа формулируются следующим образом.

Первое правило

Сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. i

2 +i 3 =i 1 +i 4Первое правило Кирхгофа (правило токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом втекающий в узел ток принято считать положительным, а вытекающий — отрицательным:

Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Это правило следует из фундаментального закона сохранения заряда.

Второе правило

правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений равно нулю:

для постоянных напряжений

для переменных напряжений

Иными словами, при полном обходе контура потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Правила Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных линеаризованных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.

Баланс мощности– система показателей, характеризующая соответствие суммы значений нагрузок потребителей энергосистемы (ОЭС) и необходимой резервной мощности величине располагаемой мощности энергосистемы.

Однофазные электрические цепи переменного тока

Переменным называется электрический ток, величина и направление которого изменяются во времени.

Область применения переменного тока намного шире, чем постоянного. Это объясняется тем, что напряжение переменного тока можно легко понижать или повышать с помощью трансформатора, практически в любых пределах. Переменный ток легче транспортировать на большие расстояния. Но физические процессы, происходящие в цепях переменного тока, сложнее, чем в цепях постоянного тока из-за наличия переменных магнитных и электрических полей. Токи, значения которых повторяются через равные промежутки времени в одной и той же последовательности, называются периодическими, а наименьший промежуток времени, через который эти повторения наблюдаются, — периодом Т

Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным значением и обозначают строчной буквой i.

Мгновенный ток называется периодическим, если значения его повторяются через одинаковые промежутки времени.

Периодические токи, изменяющиеся по синусоидальному закону, называются синусоидальными.

Мгновенное значение синусоидального тока определяется по формуле

Напряжение u(t) = Um sin (ωt +ψu),

ЭДС e(t) = Em sin (ωt +ψe),

Мощность в цепи постоянного тока

Электрическая мощность Р (Вт) определяется произведением напряжения на силу тока:

где U-напряжение на токоприемнике, В

I-сила тока через токоприемник, А

Единица мощности – 1 ватт 1вольт x 1 ампер

Принимая во внимание закон Ома (

), равенство 1 можно представить следующим образом: (2) (3)

В практике пользуются единицей мощности – киловатт (кВт), 1 Квт=1000 Вт.

Условие максимальной передачи мощности от генератора к нагрузке выражается простым определением: сопротивление нагрузки Rн должно равняться сопротивлению генератора Rг, то есть Rн = Rг. Иными словами, это означает, что все входные и выходные сопротивления любых активных или пассивных устройств должны быть чисто активными.

КПД= Мощность полезная/мощность затраченная.

Согласующие цепи

Если ваша радиочастотная схема содержит компоненты, которые имеют несогласованные импедансы, у вас есть два варианта: изменить один из компонентов или добавить схему, которая исправит это рассогласование. В настоящее время первый вариант, как правило, нецелесообразен; было бы трудно действительно отрегулировать импеданс путем физической модификации интегральной микросхемы или заводского коаксиального кабеля. К счастью, второй вариант вполне адекватен. Дополнительная схема называется согласующей цепью или трансформатором сопротивления (импеданса). Оба названия полезны в понимании основной идеи: согласующая цепь обеспечивает правильное согласование импеданса путем трансформации импеданса между источником и нагрузкой.

Проектирование согласующих цепей не очень просто, и это не то, что мы будем подробно обсуждать в таком миниучебнике, как этот. Тем не менее, мы можем рассмотреть некоторые из основных принципов, а также небольшой пример. Вот некоторые важные моменты, которые следует учитывать:

Согласующая цепь подключается между источником и нагрузкой, и ее схема обычно разработана таким образом, что она передает почти всю мощность на нагрузку, представляя входной импеданс, который равен комплексному сопряжению выходного импеданса источника. С другой стороны, вы можете думать о согласующей цепи как о преобразователе выходного импеданса источника, так чтобы он был равен комплексному сопряжению импеданса нагрузки. (В реальных схемах импеданс источника не имеет мнимой части, и поэтому нам не нужно всегда ссылаться на комплексное сопряжение. Мы можем просто сказать, что импеданс нагрузки должен быть равен импедансу источника, поскольку разговор о комплексном сопряжении не уместен, когда импеданс является чисто действительным значением.)
Типовые согласующие цепи (называемые цепями «без потерь») используют только реактивные компоненты, т.е. компоненты, которые накапливают энергию, а не рассеивают ее. Эта характеристика естественно вытекает из назначения согласующей цепи, а именно из обеспечения максимальной передачи мощности от источника к нагрузке. Если в согласующей цепи присутствуют компоненты, которые рассеивают энергию, она будет потреблять часть мощности, которую мы пытаемся доставить в нагрузку. Таким образом, в согласующих цепях используются конденсаторы и индуктивности, но не резисторы.
Разработать широкополосную согласующую цепь трудно. Это будет неудивительно, когда мы вспомним, что согласующая цепь состоит из реактивных компонентов: импеданс индуктивностей и конденсаторов зависит от частоты; таким образом, изменение частоты сигналов, проходящих через согласующую цепь, может привести к уменьшению ее эффективности.

14.Изображение синусоидальных величин в прямоугольной координатах.

Синусоидальные токи и напряжения можно изобразить графически, записать при помощи уравнений с тригонометрическими функциями и представить в виде вращающихся векторов на декартовой или комплексной плоскости.

Запишем синусоидальные напряжения с помощью тригонометрических функций:

Значения в скобках синуса называют фазами синусоид, а значения фазы в начальный момент времени — начальной фазой.

Величина ω называется угловой частотой:

рад/с

При совместном рассмотрении двух синусоидально изменяющихся величин одной частоты разность их фазовых углов, равную разности начальных фаз, называют углом сдвига фаз:

Если α=0, то говорят, что сигналы синфазны, если α=π, то говорят, что сигналы в противофазе. Если α=+π/2 — в квадратуре. Т.е. е2 отстаёт от е1 на угол α.

Источник

Электрическая цепь, режимы её работы

Электрическая цепь

Совокупность устройств, образующих путь электрического тока, называется электрической цепью. Простейшая электрическая цепь состоит из следующих

основных элементов:

— источник электроэнергии, характеризуется наличием ЭДС Е; — приёмник электроэнергии, характеризуется сопротивлением R; — соединительные провода; — выключатель К для размыкания и замыкания цепи. Все элементы электрической цепи можно подразделить на две категории:

— Элементы электрической цепи, в которых преобразование энергии осуществляется при наличии электродвижущей силы, называются активными.Они характеризуются ЭДС Е (В) и внутренним сопротивлением г (Ом).

— Элементы электрической цепи, в которых электроэнергия преобразуется в тепло, называются пассивными.Они характеризуются сопротивлением R (Ом) и проводимостью G (См).

Схема электрической цепи— это графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения её элементов и их соединений.

Для схем электрических цепей применяют следующие понятия:

1. Ветвь— это участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же ток и который состоит из последовательно соединённых элементов.

2. Узел— место соединения трёх и более ветвей.

3. Контур— любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

Например, для данной цепи с двумя источниками электроэнергии: Число узлов m=2 Число ветвей n=3 Число контуров к=3

Режимы работы электрических цепей

Номинальный режим

Токи, напряжения и мощности, на которые элементы электрической цепи рассчитаны заводами — изготовителями для нормальной работы, называются номинальными величинами,их указывают в паспорте.

Режим работы, при котором действительные параметры элементов соответствуют их номинальным значениям, называется номинальным.

2) Рабочий режим

Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных значений, но отклонения находятся в допустимых пределах, такой режим называется рабочим.

В замкнутой электрической цепи ЭДС источника равна сумме напряжений на отдельных участках цепи: E = Ir +IR

где: Е — электродвижущая сила источника (В)

I r =Ur — падение напряжения внутри источника (В)

IR = Uh — напряжение на нагрузке (В)

R — сопротивление нагрузки (Ом)

r — внутреннее сопротивление источника (Ом)

Отсюда следует, что напряжение на зажимах источника энергии меньше его ЭДС из-за

внутреннего падения напряжения: Uh = Е -I r

Из уравнения напряжений выразим закон Ома для замкнутой цепи:

Режим холостого хода

Режим электрической цепи или её элементов, при котором ток в них равен нулю, называется режимом холостого хода.Это соответствует размыканию цепи, В режиме холостого хода R = , I = 0, напряжение на внешних зажимах источника равно его ЭДС: U = Е.

Режим короткого замыкания

Режим электрической цепи, при котором накоротко замкнут участок с несколькими

элементами через проводник с малым сопротивлением, называется коротким

Замыканием.

В режиме короткого замыкания R = 0, I = ,U = 0,

Согласны ли вы с утверждениями:

1. Совокупность устройств, образующих путь электрического тока, называется электрической цепью.

2. Простейшая электрическая цепь состоит из источника электроэнергии, приёмника электроэнергии, и соединительных проводов.

3. Схема электрической цепи — это графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения её элементов.

4. Участок электрической цепи, по которому проходит один и тот же ток и который состоит из последовательно соединённых элементов, называется контуром.

5. Узел — место соединения двух и более ветвей.

6. Режим работы, при котором U, I, P соответствуют паспортным значениям, называется рабочим.

7. Если в электрической цепи действительные характеристики режима отличаются от номинальных значений, но отклонения находятся в допустимых пределах, такой режим называется номинальным.

8. В замкнутой электрической цепи ЭДС источника равна сумме напряжений на отдельных участках цепи.

9. Напряжение на зажимах источника энергии больше его ЭДС из-за внутреннего падения напряжения.

10. В режиме короткого замыкания R = 0,I = , U = 0.

Согласование сопротивлений для оптимальной передачи напряжения

Итак, из всего выше написанного делаем выводы. Что нам требуется для того, чтобы передать сигнал напряжения в нагрузку и чтобы он не просел? Ответ однозначный — как можно более высокоомную нагрузку. В идеале, чтобы был вообще обрыв). Ну а на практике стараются сделать так, чтобы R_вх> 10R_вых . Поэтому различные приборы, такие как генератор частоты, блок питания и различные источники питания делают как можно с меньшим выходным сопротивлением. Различные измеряющие приборы типа осциллографов и мультиметров делают как можно с бОльшим входным сопротивлением, чтобы не гасить амплитуду сигнала.

Резистор в качестве «миротворца»

Что будет, если в электронике каждый радиоэлемент будет враждовать с другим радиоэлементом? Или каскад будет воевать с каскадом? Тогда ни одна аппаратура не заработает. Поэтому, задача электронщика не просто подобрать радиоэлементы и спаять их, но и сделать так, чтобы все они дружили друг с другом и работали единой командой, выполняя определенную функцию.

Как раз для этих целей миротворцем в радиоэлектронике является самый простой и самый часто используемый радиоэлемент — резистор. Откройте любую схему или посмотрите на любую плату и увидите множество резисторов. Но почему именно резистор считается самым распространенным радиоэлементом на платах?

Все радиоэлементы имеют какое-то свое сопротивление, и у всех оно проявляется по разному. У некоторых радиоэлементов в состоянии покоя сопротивление может быть одно, а в рабочем состоянии — совсем другое. Некоторые радиоэлементы могут менять свое значение сопротивления в зависимости от напряжения, силы тока, температуры, солнечного света и тд. Для того, чтобы согласовать работу этих различных радиоэлементов как раз используют резисторы.

Пример

Предположим, что у нас есть источник с импедансом 50 Ом и антенна с импедансом 200 Ом, и мы работаем на частоте 100 МГц. Мы будем использовать L-цепь, состоящую из индуктивности, за которой следует конденсатор:

Пример согласующей L-цепи

Значения компонентов для этих условий будут следующими: индуктивность 138 нГн и конденсатор 13,8 пФ. В LTspice наша согласующая цепь будет выглядеть так:

Пример согласующей L-цепи в LTspice

Чтобы оценить эффективность согласующей цепи, мы можем запустить симуляцию, а затем построить график напряжения на нагрузке, разделенного на ток, протекающий через нагрузку, которая равна входному импедансу (в этом случае ток, протекающий через нагрузку, равен току через индуктивность L1). Частотный анализ особенно полезен, потому что мы можем видеть, как эффект от согласующей цепи изменяется с частотой. Следующий график показывает моделирование в диапазоне частот от 10 МГц до 190 МГц (т.е. на 90 МГц выше и ниже частоты, для которой была разработана эта согласующая цепь) Вот результаты:

Зависимость входного импеданса согласующей цепи от частоты

Как вы можете видеть, на частоте 100 МГц нагрузка очень близка к импедансу источника 50 Ом, несмотря на то, что исходная нагрузка обладает импедансом 200 Ом. Однако, как мы сказали выше, L-цепь не является широкополосной топологией, и симуляция, безусловно, подтверждает это: входной импеданс быстро изменяется, когда частота сигнала отходит от 100 МГц.

Продолжительный режим работы потребителей

Продолжительный – режим работы, при котором потребитель работает длительно, а потребляемый им ток не вызывает нагрева потребителя, а также кабельных (шинных) линий и прочих устройств входящих в систему электроснабжения более, чем предусматривает ГОСТ. В таком режиме работает большинство электрических машин (тяговый электропривод магистральных электровозов и тепловозов, вентиляторы, насосы, освещение цехов и улиц (в ночное время) и прочее). Также в длительном режиме но с кратковременной паузой работают электропривода дерево- и металлообрабатывающих станков, прессов и наковален.

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Введение

Глава I. Обмотки асинхронных двигателей

Глава II. Роторные обмотки

Глава III. Обмоточный коэфициент

Глава IV. М. д. с. обмоток асинхронного двигателя

Глава V. Э. д. с, индуктированные в обмотках асинхронного двигателя

Глава VI. Асинхронный двигатель как трансформатор

Глава VII. Явления, происходящие во вращающемся двигателе

Глава VIII. Ротор в виде беличьей обмотки (короткозамкнутый ротор)

Глава IX. Асинхронный двигатель как универсальный преобразователь

Глава X. Крутящий момент

Глава XI. Потери и к. п. д.

Глава XII. Нагревание машин

Глава XIII. Вывод круговой диаграммы

Глава XIV. Пользование круговой диаграммой

Глава XV. Асинхронная машина как генератор

Глава XVI. Пуск в ход многофазных асинхронных двигателей (при фазной обмотке ротора)

Глава XVII. Пуск в ход многофазных асинхронных двигателей (при короткозамкнутой обмотке ротора)

Глава XVIII. Безреостатный пуск в ход асинхронных двигателей с фазным ротором по методу «противосоединения»

Глава XIX. Другие методы противосоединения. Короткозамкнутый двигатель как наиболее распространенный тип

Глава XX. Краткая теория ротора с двойной беличьей клеткой и с глубоким пазом

Глава XXI. Однофазные асинхронные двигатели. Теория вращающихся в противоположные стороны полей

Глава XXII. Однофазные асинхронные двигатели. Теория „поперечного» поля

Глава XXIII. Системы однофазных асинхронных двигателей

Глава XXIV. Регулирование скорости асинхронных двигателей по методу изменения числа оборотов в минуту вращающегося поля

Глава XXVI. Каскадное соединение асинхронных двигателей с коллекторными машинами

Глава XXVII. Компенсаторы сдвига фаз

Глава XXVIII. Компенсированные асинхронные двигатели

Глава XXIX. Синхронно-индукционные двигатели

Глава XXX. Нестационарные процессы, происходящие в асинхронном двигателе при переходных режимах

Глава XXXI. Нормальные свойства асинхронных машин

Глава XXXII. Расчет асинхронного двигателя

Глава XXXIII. Железо и обмотки статора и ротора

Глава XXXIV. Расчет магнитной цепи

Глава XXXV. Ток короткого замыкания

Глава XXXVI. Магнитные потоки рассеяния

Глава XXXVII. Конструкция асинхронных машин

Глава XXXVIII. Примерные расчеты

Виды и составные части

Внутренние и внешние электрические цепи

Для создания упорядоченного движения электронов, нужно наличие разности потенциалов между каким-либо участком цепи. Это обеспечивается при подключении напряжения в виде источника питания. Он называется внутренней электрической цепью. Остальные компоненты цепи образуют внешнюю цепь. Для задания движения зарядов в источнике питания против направления поля требуется приложить сторонние силы.

Такими силами могут выступать:

Выход вторичной обмотки трансформатора.
Батарея (гальванический источник).
Обмотка генератора.

Кроме упорядоченного движения, электроны задействованы в хаотичном тепловом движении. Чем выше температура материала, тем больше скорость хаотичного движения носителей заряда. Однако, такой вид движения не участвует в создании электрического тока.

От источника питания зависит и род тока, то есть свойства внешней цепи. Батарея элементов выдает постоянное напряжение, а разные обмотки генераторов или трансформаторов выдают переменное напряжение. Это зависит от внутренних процессов в источнике питания.

Внешние силы, создающие движение электронов, называются электродвижущими силами, которые характеризуются работой, выполненной источником для перемещения единицы заряда, измеряется в вольтах.

Практически в расчетах цепей применяют два класса источников питания:

Источники напряжения.
Источники тока.

В реальности такие идеальные источники не существуют, но практически их пытаются имитировать. В бытовой сети мы имеем напряжение 220 вольт с определенными нормированными отклонениями. Это является источником напряжения, так как норма дана именно на этот параметр. Значение тока не играет большой роли. На электростанции круглосуточно поддерживается постоянная величина напряжения, независимо от запросов.

Источник тока действует по-другому. Он поддерживает определенный закон движения электронов, а величина напряжения не имеет значения. В пример можно привести сварочный аппарат. Для нормального хода сварки необходимо поддерживать постоянное значение тока. Эту функцию выполняет инверторный электронный блок.

Почему надо согласовывать сопротивления

Давайте рассмотрим схему:

Если вы читали статью про входное и выходное сопротивление, то наверное помните, что любой источник сигнала имеет в своем составе внутреннее сопротивление (выходное сопротивление) и источник ЭДС, а любая нагрузка обладает входным сопротивлением.

Предположим, что у нас нет никакой нагрузки:

Что имеем в этом случае? Сила тока в цепи будет равняться нулю, так как у нас обрыв, а напряжение на клеммах будет равняться ЭДС. Или буквами: I_вх=0, U_вх=E. То есть в этом случае амплитуда сигнала будет такой, какой она должны быть.

Но что будет, если мы подсоединим нагрузку?

Для источника сигнала будет не айс. Ему придется поднатужиться, так как цепь стает замкнутой и в цепи начинает течь ток I_вх. Что же тогда случится с напряжением U_вх? Оно будет больше или меньше, или вообще останется таким же? Ответ на этот вопрос прост: все зависит от входного сопротивления нагрузки R_вх . Если оно очень и очень большое, то сигнал почти не изменится. Он будет таким же, как и без нагрузки. Но если нагрузка будет обладать малым сопротивлением, в дело идет закон Ома для полной цепи:

где

I — сила тока, в Амперах

E — ЭДС источника, в Вольтах

R — сопротивление нагрузки, Ом

r — внутреннее сопротивление, Ом

В нашем случае R_вых — это r, I_вх — это I, а R_вх— это R.

Так, теперь давайте будем мыслить логически. Смотрим на схему…

Что будет, если нагрузка будет обладает маленьким входным сопротивлением R_вх?

Во-первых, увеличится сила тока в цепи I_вх.

Во-вторых, так как сила тока в цепи стала большой из-за маленького сопротивления R_вх, следовательно, увеличится падение напряжения на выходном сопротивлении R_вых .

В-третьих, так как падение напряжения на сопротивлении R_выхувеличилось, то следовательно, на сопротивлении R_вхоно уменьшилось:

С законом Ома для полной цепи не поспоришь А что такое падение напряжения на R_вх? Это и есть U_вх. Значит делаем вывод: чем низкоомнее нагрузка, тем больше будет просаживаться сигнал напряжения.