1.3. Параметры электрической цепи

1.3.1. К параметрам электрической цепи относятся:

- сопротивление (проводимость);

- емкость;

- индуктивность;

- взаимная индуктивность.

1.3.2. Сопротивление (R) характеризует способность элемента превращать электрическую энергию в тепловую. Иногда вместо понятия сопротивления употребляется понятие проводимости.

1.3.3. Емкость (С) характеризует способность элемента накапливать электрические заряды (т. е. возбуждать электрическое поле).

1.3.4. Индуктивность (L) характеризует способность элемента возбуждать магнитное поле (превращать электрическую энергию в магнитное поле).

1.3.5. Взаимная индуктивность (М) характеризуется влиянием индуктивных параметров друг на друга.

1.4. Элементы электрической цепи

1.4.1. В общем случае каждый реальный элемент имеет R, L и С. Иногда есть возможность ограничиться лишь одним параметром. Такие элементы, которые имеют только один параметр, называются идеальными.

Например, идеальный источник питания имеет только Е, идеальное сопротивление — только R и т. д.

1.4.2. Элементы электрической цепи бывают активными и пассивными. Если работу элемента описывают с помощью понятия параметров (R, L, С и М), этот элемент — пассивный. Если для описания работы элемента нужно использовать понятие величины электрической цепи (/, U, Е), то этот элемент — активный.

К активным элементам относятся все источники питания и некоторые приемники (аккумуляторы, двигатели и др.).

1.4.3. Источники питания образуют внутренний участок, а приемники — внешний участок цепи. Эти участки отделяются полюсами. Участок цепи, отделенный двумя полюсами, имеет название двухполюсника. Если двухполюсник содержит хотя бы один активный элемент, этот двухполюсник активный. Пассивный двухполюсник содержит только пассивные элементы.

1.4.4. Как и двухполюсники, участки цепи также бывают активные и пассивные. Если направления тока и напряжения участка цепи противоположные, этот участок работает в режиме источника питания. Если направления тока и напряжения совпадают, такой участок работает в режиме приемника электрической энергии.

1.5. Схемы замещения

1.5.1. Для изучения процессов в электрических цепях составляют математическую модель, которая содержит отдельные идеальные элементы (параметры). Графическое изображение реальной цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры реальных замещенных элементов, носит название схемы замещения.

1.5.2. Иногда один и тот же элемент в схеме замещения может быть представлен различными параметрами. Таким образом, катушка индуктивности в цепи постоянного тока характеризуется резистивным параметром, в цепи переменного тока — параметрами R и L, а в цепи высокочастотного тока следует обращаться к параметрам R,L и C.

2. Цепи постоянного тока

2.1. Передача мощности от источника к нагрузке

2.1.1. Различают характерные режимы работы источника питания:

- номинальный;

- нерабочий (или режим холостого хода);

- короткого замыкания;

- согласованный.

Режим работы определяется только соотношением между сопротивлением нагрузки (R_н) и внутренним сопротивлением источника питания (R, рис. 2.1 ).

Номинальный режим гарантирует оптимальные параметры источника питания, достаточно высокий КПД, надежность и долговечность.

Нерабочий режим - это режим, при котором внешняя цепь разомкнута. Напряжение на клеммах источника максимально и равно ЭДС, ток в цепи отсутствует. Этот режим называют также холостым ходом.

Режим короткого замыкания осуществляется тогда, когда сопротивление нагрузки равно нулю . Напряжение на приемнике энергии отсутствует, ток короткого замыкания очень большой.

Согласованный режим — это такой режим, при котором в нагрузку передается максимальная мощность. При этом КПД ниже, чем КПД в номинальном режиме.

2.1.2. Режимы работы источника питания определяются соотношением сопротивлений внешней и внутренней цепей. Передачу мощности нагрузке характеризуют такие величины:

— мощность, которую развивает источник питания;

— мощность, которая передается нагрузке;

— КПД передачи мощности.

2.1.3. Используя закон Ома для рассматриваемой цепи

можно описать мощность, которую развивает источник питания, соотношением

Исследование соотношения в различных режимах работы показывает:

а) в нерабочем

б) в режиме короткого замыкания

в) когда

Зависимость приведена на рис. 2.2. Ось ординат в этом случае характеризует режим короткого замыкания, а нерабочий режим (н.р.) определяется бесконечностью на оси абсцисс. Когда внешнее и внутреннее сопротивления равны, источник развивает половину максимальной мощности.

2.1.4. Мощность, которая передается нагрузке, имеет вид

В граничных режимах:

а) нерабочем

б) короткого замыкания

Для исследования на экстремум нужно продифференцировать выражение и частную производную приравнять

к нулю, т. е.

Это будет, когда При этом

Зависимость приведена на рис. 2.3.

Максимальная мощность передается нагрузке, когда и составляет четверть максимальной мощности, которая развивается источником питания в режиме короткого замыкания. Такой режим называется согласованным (СР).

2.1.5. Зависимость определяется соотношением

Эта зависимость приведена на рис. 2.4. КПД процесса зависит только от соотношения сопротивлений. В граничных режимах:

а) нерабочем

б) короткого замыкания

в) согласованном

2.1.6. Все три зависимости можно объединить одним графиком (рис. 2.5). Эти зависимости полнос­тью характеризуют особенности передачи мощности источника питания нагрузке.

Номинальный режим обеспечивается, когда В этом режиме значительная часть мощности передается нагрузке при достаточно боль­шом КПД

Преимуществом данного режима является большая надежность и долговечность установки.

2.1.7. Режимы работы источника определяются соотношением Если источник питания имеет очень малое внутреннее сопротивление такой источник поддерживает сравнительно постоянное на­пряжение на нагрузке и называется источником ЭДС.

Есть источники питания, которые имеют очень большое внутреннее сопротивление. Ток в цепи с таким источником почти не зависит от со­противления нагрузки и поддерживается сравнительно постоянным. Такой источник называется источником тока.