Режимы работы электрической цепи

Для электрической цепи наиболее характерными являются ре­жимы нагрузочный, холостого хода и короткого замыкания.

Нагрузочный режим (рис. 19, а). Рассмотрим работу электри­ческой цепи при подключении к источнику какого-либо приемника с сопротивлением /? (резистора, электрической лампы и т. п.).

На основании закона Ома э. д. с. источника равна сумме напря-

Эта формула показывает, что э. д. с. источника больше напря­жения на его зажимах на значение падения напряжения внутри источника. Падение напряжения //?о внутри источника зависит от тока в цепи / (тока насрузки), который определяется сопротив­лением /? приемника. Чем больше будет ток нагрузки, тем меньше напряжение на зажимах источника:

Падение напряжения в источнике зависит также и от внутрен­него сопротивления /?о- Согласно уравнению (13') зависимость напряжения (У„ от тока / изображается прямой линией (рис. 20). Эту зависимость называют внешней характеристикой источника.

Из всех возможных нагрузочных режимов наиболее важным яв­ляется номинальный. Номинальным называется режим работы, установленный заводом-изготовителем для данного электротехниче­ского устройства в соответствии с предъявляемыми к нему техни­ческими требованиями. Он характеризуется номинальными напряже­нием, током (точка Н на рис. 20) и мощностью. Эти величины обычно указывают в паспорте данного устройства. От номиналь­ного напряжения зависит качество электрической изоляции электро­технических установок, а от номинального тока — температура их нагрева, которая определяет площадь поперечного сечения провод­ников, теплостойкость применяемой изоляции и интенсивность охлаждения установки. Превышение номинального тока в течение длительного времени может привести к выходу из строя установки.

Режим холостого хода (рис. 19, б). При этом режиме присое­диненная к источнику электрическая цепь разомкнута, т. е. тока в цепи нет. В этом случае внутреннее падение напряжения Шо будет равно нулю и формула (13) примет вид

Таким образом, в режиме холостого хода напряжение на зажи­мах источника электрической энергии равно его э. д. с. (точка X на рис. 20). Это обстоятельство можно использовать для измере­ния э. д. с. источников электро­энергии.

Рис. 20. Внешняя характеристика ис­точника

Режим короткого замыкания (рис. 21). Коротким замыканием (к. з.) называют такой режим ра­боты источника, когда его зажи­мы замкнуты проводником, сопро­тивление которого можно считать равным нулю. Практически к. з. возникает при соединении друг с другом проводов, связывающих источник с приемником, так как эти провода имеют обычно незна-

чительное сопротивление и его можно принять равным нулю. К. з. может происходить в результате неправильных действий персо­нала, обслуживающего электротехнические установки (рис. 22, о), или при повреждении изоляции проводов (рис. 22,6, в); в послед­нем случае эти провода могут соединяться через землю, имеющую весьма малое сопротивление, или через окружающие металличе­ские детали (корпуса электрических машин и аппаратов, элементы кузова локомотива и пр.).

При коротком замыкании ток

Ввиду того что внутреннее сопротивление источника Но обычно очень мало, проходящий через него ток возрастает до весьма боль­ших значений. Напряжение же в месте к. з. становится равным нулю (точка К на рис. 20), т. е. электрическая энергия на участок электрической цепи, расположенный за местом к. з., поступать не будет.

Короткое замыкание является аварийным режимом, так как возникающий при этом большой ток может привести в негодность как сам источник, так и включенные в цепь приборы, аппараты и провода. Лишь для некоторых специальных генераторов, например сварочных, короткое замыкание не представляет опасности и явля­ется рабочим режимом.

В электрической цепи ток проходит всегда от точек цепи, нахо­дящихся под большим потенциалом, к точкам, находящимся под меньшим потенциалом. Если какая-либо точка цепи соединена с зем­лей [для цепей электроподвижного состава (э. п. с.) — с рельсами], то потенциал ее принимается равным нулю; в этом случае потенциалы всех других точек цепи будут равны напряжениям, дейст­вующим между этими точками и землей.

По мере приближения к за­земленной точке уменьшаются потенциалы различных точек цепи, т. е. напряжения, действующие между этими точками и землей. По этой причине обмотки воз­буждения тяговых двигателей и вспомогательных машин, в кото­рых при резких изменениях тока могут возникать большие пере­напряжения, стараются включать в силовую цепь ближе к «земле (за обмоткой якоря). В этом слу­чае на изоляцию этих обмоток будет действовать меньшее напря­жение, чем если бы они были вклю­чены ближе к контактной сети

на электровозах постоянного тока или к незаземленному полюсу выпрямительной установки на электровозах переменного тока (т. е. находились бы под более высоким потенциалом). Точно также точки электрической цепи, находящиеся под более высо­ким потенциалом, являются более опасными для человека, сопри­касающегося с токоведущими частями электрических установок. При этом он попадает под более высокое напряжение по отно­шению к земле.

Следует отметить, что при заземлении одной точки электрической цепи распределение токов в ней не изменяется, так как при этом не образуется никаких новых ветвей, по которым могли бы протекать токи. Если заземлить две (или больше) точки цепи, имеющие разные потенциалы, то через землю образуются дополнительная" токопроводящая ветвь (или ветви) и распределение тока в цепи меняется. Следовательно, нарушение или пробой изоляции электри­ческой установки, одна из точек которой заземлена, создает контур, по которому проходит ток, представляющий собой, по сути дела, ток короткого замыкания. То же происходит в незаземленной электрической установке при замыкании на землю двух ее точек. При разрыве электрической цепи все ее точки до места разрыва оказываются под одним и тем же потенциалом.

Законы Кирхгофа

Закон Ома устанавливает зависимость между силой тока, напря­жением и сопротивлением для простейшей электрической цепи, представляющей собой один замкнутый контур. В практике встре­чаются более сложные (разветвленные) электрические цепи, в которых имеются несколько замкнутых контуров и несколько узлов, к которым сходятся токи, проходящие по отдельным ветвям. Значе­ния токов и напряжений для таких цепей можно находить при помощи законов Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа устанавливает зависимость между то­ками для узлов электрической цепи, к которым подходит несколько ветвей. Согласно этому закону алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в узле электрической цепи, равна нулю:

При этом токи, направленные к узлу, берут с одним знаком (например, положительным), а токи, направленные от узла,— с про­тивоположным знаком (отрицательным). Например, для узла А (рис. 23, а)

Преобразуя это уравнение, получим, что сумма токов, направ­ленных к узлу электрической цепи, равна сумме токов, направленных от этого узла:

В данном случае имеет место полная аналогия с распределением потоков воды в соединенных друг с другом трубопроводах (рис. 23, б).

Второй закон Кирхгофа устанавливает зависимость между э. д. с. и напряжением в замкнутой электрической цепи. Согласно этому закону во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма э. д. с. равна алгебраической сумме падений напряжения на сопротивле­ниях, входящих в этот контур:

При составлении формул, характеризующих второй закон Кирх­гофа, значения э. д. с. Е и падений напряжений //? считают поло­жительными, если направления э. д. с. и токов на соответствующих участках контура совпадают с произвольно выбранным направле­нием обхода контура. Если же направления э. д. с. и токов на соответствующих участках контура противоположны выбранному направлению обхода, то такие э. д. с. и падения напряжения считают отрицательными.

Рассмотрим в качестве примера электрическую цепь, в которой имеются два источника с электродвижущими силами Е\ и Е₂ 34

 

При этом э. д. с. Е\ и ток / совпадают с выбранным направ­лением обхода контура и считаются положительными, а э. д. с. Е%, противоположная этому направлению, считается отрицательной.

Если в электрической цепи э. д. с. источников электрической энергии при обходе соответствующего контура направлены навстре­чу друг другу (см. рис. 24, а), то такое включение называют встречным. В этом случае на основании второго закона Кирхгофа

ток1 = (Е₁-Е_г)/(Я1+Яг + Ко1+Яог).

Встречное направление э. д. с. имеет место, например, на э. п. с. при включении электродвигателей постоянного тока (их можно рассматривать как некоторые источники э. д. с.) в две параллельные группы (см. § 36), а также при параллельном включении аккуму­ляторов в батарее (см. § 45).

Если же э. д. с. источников электрической энергии имеют по кон­туру одинаковое направление (рис. 24, б), то такое включение назы­вают согласным и ток / = (^1 +^₂)/(^1 +/?2 + ^01 + /?02>. В некоторых случаях такое включение недопустимо, так как ток в цепи резко возрастает.

Если в электрической цепи имеются ответвления (рис. 24, в), то по отдельным ее участкам проходят различные токи 1\ и /г. Соглас­но второму закону Кирхгофа

При составлении этого уравнения э. д. с. Е\ и ток /1 считаются положительными, так как совпадают с принятым направлением обхода контура, э. д. с. Е% и ток /г — отрицательными.