Основные параметры характеризующие источник электрической энергии - ELSTROIKOMPLEKT.RU

Основные параметры характеризующие источник электрической энергии

Параметры источника электроэнергии

Урок 32. Технология 8 класс ФГОС

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Параметры источника электроэнергии»

Прежде чем мы приступим к рассмотрению новой темы, давайте вспомним, что вообще называют источником электрической энергии.

Все электромагнитные процессы, которые протекают в электротехнических устройствах, как правило, достаточно сложны. Однако во многих случаях, их основные параметры можно описать с помощью таких понятий, как: ток, напряжение, сопротивление, мощность и электродвижущая сила.

Вообще совокупность электротехнических устройств, состоящая из соответствующим образом соединённых источников и приёмников электрической энергии, предназначенных для генерации, передачи, распределения и преобразования электрической энергии принято рассматривать, как электрическую цепь.

Электрическая цепь состоит из отдельных частей (устройств), которые выполняют определённые функции и называются элементами цепи.

Понятно, что основные элементы цепи – это источники и приёмники электрической энергии.

Электротехнические устройства, которые производят электрическую энергию, называют источниками или генераторами электрической энергии, а устройства, которые потребляют её – потребителями или приёмниками электрической энергии.

Итак, вспомним определение: устройство, которое преобразует какую-либо энергию (механическую, химическую, тепловую или световую) в электрическую, называют источником.

Примерами источников электроэнергии служат гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и многие другие устройства.

Можно даже сказать, что в быту (то есть дома) источниками электрической энергии являются обыкновенные розетки, куда мы подключаем чайники, компьютеры, стиральные машинки и так далее.

Понятно, что основное назначение источников – это питание потребителей электроэнергией.

Все источники энергии называют активными элементами. Они бывают постоянного и переменного тока. Однако их параметры аналогичны.

Как мы уже знаем, источник вырабатывает электрическую энергию за счёт действия каких-либо внешних сил.

При этом в результате действия внешней силы каждый единичный электрический заряд при движении внутри источника получает некоторое количество энергии.

Величина энергии, которую приобретает единичный электрический заряд внутри источника от внешних сил, называется электродвижущей силой источника (или коротко ЭДС). Единица измерения электродвижущей силы источника – вольт.

Рабочее напряжение и мощность электрогенераторов, как правило, указывают на их корпусе. Так, например, на корпусе гальванических элементов обозначают их начальную электродвижущую силу.

Если получается так, что для питания нагрузки необходимо напряжение или ток, которые превышают соответствующие величины одного гальванического элемента, то из них собирают батарею. Причём, элементы, соединённые в батарею, должны иметь одинаковые типы, электродвижущую силу и внутреннее сопротивление.

Наверняка вы слышали такое словосочетание, как короткое замыкание. Все, конечно, представляют себе, что это за явление, но не каждый может объяснить.

Давайте попробуем разобраться.

Итак, если соединить проводом электроды источника тока, получим как раз-таки то, что и называется режимом короткого замыкания.

При большой мощности источника сила тока в режиме короткого замыкания достигает очень большой величины, что приводит к выделению большого количества тепла внутри электромеханического генератора и разрушению в нём обмоток. Причём сила тока может стать настолько велика, что провод, который замыкает электроды источника, начнёт раскаляться и даже плавиться.

Ток короткого замыкания очень опасен, так как может повредить всё: и источник электрической энергии, и потребитель, и даже соединительные провода.

В свою очередь, перегрев соединительных проводов может привести к их возгоранию и пожару.

Поэтому при питании устройств от мощных источников в потребителе почти всегда вводят защиту от короткого замыкания. Которое, кстати, может произойти внезапно, например, из-за аварий устройств, ошибок людей и ударов молний.

Самая простая защита от разрушительных последствий короткого замыкания — это плавкий предохранитель. Как правило, такое устройство устанавливают для защиты квартирной электропроводки и бытовых электроприборов.

Плавкий предохранитель представляет собой тонкую проволоку из легкоплавкого металла, которая вставлена в стеклянную либо керамическую трубку. При малейших отклонениях в работе электрической цепи, например, увеличение силы тока выше допустимого значения, проволока нагревается и расплавляется. При этом происходит размыкание электрической цепи.

Более сложной защитой от разрушительных последствий короткого замыкания является использование различных автоматов защиты сети. Примером таких автоматов служит автоматический выключатель.

Главная функция автоматического выключателя – защита проводов и кабелей от перегрузки и короткого замыкания.

Данный прибор представляет собой устройство, которое регулирует подачу тока в цепи. Действует автоматический выключатель при помощи встроенного прибора, фиксирующего изменение напряжения, частоты и силы тока. Так, например, если сеть перегружается, срабатывает тепловое реле, и автомат выключается. Скорость, с которой это происходит – минимальна. Поэтому применение автоматического выключателя гарантирует безопасное использование нескольких бытовых электроприборов одновременно и сложного оборудования на производстве.

В отличие от плавкого предохранителя, который можно использовать только однократно, автоматические выключатели предназначены для многоразовой защиты электрических установок от перегрузок и коротких замыканий.

Параметром устройств защиты является максимально допустимая мощность, которая в этом случае задаётся в виде допустимой силы рабочего тока. Величину силы тока, как правило, указывают на корпусе или контактах предохранителей.

В случае перегорания плавкой вставки в предохранителе, её следует заменить на аналогичную с точно такой же величиной допустимого тока.

Заменять плавкую вставку на вставку с большей силой тока очень опасно, так как это может привести к перегрузке электрической сети и возгоранию проводов и других элементов.

Мы с вами уже выяснили, что источник электроэнергии предоставляет потребителю энергию с определёнными параметрами. Эти параметры обязательно должны соответствовать параметрам потребителя, иначе потребитель не будет работать и в скором времени выйдет из строя.

Это говорит о том, что рабочее напряжение потребителя должно соответствовать рабочему напряжению источника, а мощность, потребляемая потребителем, не должна превышать его допустимой мощности.

Например, если подключить электроприбор, который рассчитан на напряжение 220 В, в электрическую сеть с напряжением 127 В, то он не сможет работать из-за недостатка энергии.

И наоборот, если в электрическую сеть с напряжением 220 В подключить электроприбор, который рассчитан на 127 В, то он также не сможет работать. Но уже по другой причине: электроприбор будет получать от источника слишком большую энергию, что может привести к его поломке.

В лучшем случае сработают предохранители, защищающие его от возникшей перегрузки, однако электроприбор при этом всё равно не сможет работать.

Итоги урока

На этом уроке мы с вами обсудили некоторые из параметров источников электроэнергии. Узнали, что называют электродвижущей силой источника. Поговорили о таком опасном явлении, как короткое замыкание. Узнали, в результате чего оно возникает, и какие устройства помогают с ним бороться.

Основные характеристики и параметры источников электрической энергии

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Закон Ома для участка цепи, не содержащего источников электрической энергии: ток пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению этого участка.

Рис. 1. Иллюстрация к закону Ома.

Читайте также  Гофра для наружной прокладки кабеля

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю:

(1)

Суммирование в уравнении (1) распространяется на все токи в ветвях, сходящихся в рассматриваемом узле. При этом знаки токов берутся с учетом выбранных положительных направлений: всем токам, направленным к узлу приписывается один знак, например положительный, а токам, направленным от узла – противоположный знак. Если электрическая схема содержит m-узлов, то уравнения по первому закону Кирхгофа записываются для любых (m-1) – узлов.

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма ЭДС в любом контуре цепи равна алгебраической сумме падений напря­жения на элементах этого контура:

(2)

Обход контура совершается в произвольно выбранном направле­нии, например по ходу часовой стрелки. При этом соблюдается сле­дующее правило знаков для ЭДС и падений напряжения, входящих в (2): ЭДС и падения напря­жения, совпадающие по направле­нию с направлением обхода, берут­ся со знаком “+”, а не совпадающие со знаком “–”.

Пример. Покажем применение законов Кирхгофа на примере схемы, изображенной на рис. 2. Метод сводится к решению системы уравнений, количество которых равно числу неизвестных токов (числу ветвей).

Рис. 2. Иллюстрация к законам Кирхгофа.

Произвольно задавшись направлениями токов в ветвях, и принимая токи, подтекающие к узлу, положительными, а оттекающие от узла – отрицательными, записываем уравнения по первому закону Кирхгофа:

узел а:

узел в: (3)

узел с:

Произвольно задавшись направлениями обхода контуров, записываем уравнения по второму закону Кирхгофа:

контур 1:

контур 2: (4)

контур 3:

контур 4:

Системы (3) и (4) дают достаточное количество уравнений для отыскания всех неизвестных токов.

Баланс мощности. Для любой замкнутой электрической цепи сумма мощностей , развиваемых источниками электрической энергии, равна сумме мощностей , расходуемой в приемниках энергии:

Если ток, протекающий через источник ЭДС, совпадает по направлению с ЭДС (рис. 3 а), то данный элемент в уравнении баланса мощности классифицируется как источник электрической энергии.

Рис. 3. Классификация активных элементов цепи.

Отдаваемая им мощность, вычисляется как: где стрелками условно показано совпадение направлений. Также источником энергии считается участок напряжения, ток и напряжение на котором направлены противоположно

При противоположном направлении ЭДС и тока, и при однонаправленных напряжении и токе (рис. 3 б), элементы классифицируются как потребители энергии:

Сопротивление, в соответствии с ранее данным определением, является потребителем энергии при любом направлении тока:

Суммируя мощности источников и потребителей по всем n ветвям электрической схемы, можно записать итоговое уравнение баланса мощности в виде:

(5)

Пример. Уравнения баланса мощности для схемы, рис. 2, имеют вид:

Основные характеристики и параметры источников электрической энергии

Основными элементами любой электрической цепи являются источники электрической энергии, и ее потребители, которые могут быть представлены двухполюсниками, имеющими два внешних вывода. Графически двухполюсник изобра­жают в виде прямоугольника с двумя выводами (полюсами). Если в двухполюснике есть источники электрической энергии, которые являются активными элементами цепи, то его называют актив­ным и внутри прямоугольника ставят букву А (рис. 4 а), если же в двухполюснике нет источников энергии, то его называют пас­сивным и внутри прямоугольника – П (рис. 4 а). К пассивным двухполюсникам относятся потребители электрической энергии. Таким образом, любую электрическую цепь можно представить в виде соединенных между собой активного и пассивного двухпо­люсников (рис. 4 а).

Источник электрической энергии может быть представлен эквивалентным генератором, который характеризуется двумя па­раметрами: ЭДС и внутренним сопротивлением Важнейшей характеристикой источника является его вольт-амперная (или внешняя) характеристика, которая представляет собой зависимость напряжения на выводах источника от тока (рис. 4 б).

Уравнение внешней характеристики источника, составленное по второму закону Кирхгофа, имеет вид

(6)

При токе, равном нулю, значение напряжения на выводах ис­точника численно равно его ЭДС , а наклон внешней характери­стики зависит от значения

Рис. 4. Схема источника (а) и его вольт-амперная (внешняя) характеристика (б).

При работе электрической цепи (рис.4) возможны режимы: холостого хода, короткого замыкания, номинальный и согласован­ный.

Режим холостого хода соответствует отсутствию тока в потре­бителе т. е. потребитель отключен от источника, следо­вательно, напряжение на источнике в этом случае численно равно ЭДС.

Режим короткого замыкания возникает, когда сопротивление потребителя равно нулю, т. е. при замыкании выводов источни­ка между собой. В этом случае напряжение на источнике равно нулю, а ток источника ограничивается только его внутренним со­противлением Этот ток называют током короткого замыкания Значение в источниках напряжения невелико (доли или единицы Ом), поэтому режим короткого замыкания считается для них аварийным, так как существенно превышает номинальное значение, на которое рассчитан источник напряжения.

Номинальный режим работы соответствует номинальному току при котором возможна длительная работа источника, гаран­тированная заводом изготовителем. При токах нагрузки в диапа­зоне работа источника возможна и используется на практике.

Коэффициент полезного действия определим, как отношение полезной мощности к затраченной Для рассматриваемой (рис. 4) схемы полезной мощностью является мощность, выделяющаяся в сопротивлении нагрузки Затраченная мощность – это мощность, отдаваемая источником Таким образом, КПД схемы равен:

(7)

Источники ЭДС и тока: основные характеристики и отличия

Электротехника связывает природу электричества со строением вещества и объясняет его движением свободных заряженных частиц под воздействием энергетического поля.

Для того чтобы электрический ток протекал по цепи и совершал работу, необходимо иметь источник энергии, совершающий преобразование в электричество:

механической энергии вращения роторов генераторов;

протекания химических процессов или реакций внутри гальванических приборов и аккумуляторов;

теплоты в терморегуляторах;

магнитных полей в магнитогидродинамических генераторах;

световой энергии в фотоэлементах.

Все они обладают различными характеристиками. Чтобы классифицировать и описать их параметры принято условное теоретическое разделение на источники:

Электрический ток в металлическом проводнике

Определение силы тока и электродвижущей силы в 18-м веке дали известные физики того времени.

Им считается идеальный источник, представляющий собой двухполюсник, на зажимах которого электродвижущая сила (и напряжение) всегда поддерживается постоянным значением. На него не влияет нагрузка сети, а внутреннее сопротивление у источника равно нулю.

На схемах он обычно обозначается кругом с буквой «Е» и стрелкой внутри, показывающей положительное направление ЭДС (в сторону увеличения внутреннего потенциала источника).

Схемы обозначения и вольт-амперные характеристики источников ЭДС

Теоретически на выводах у идеального источника напряжение не зависит от величины тока нагрузки и является постоянной величиной. Однако, это условная абстракция, которая не может быть осуществлена на практике. У реального источника при увеличении тока нагрузки значение напряжения на зажимах всегда уменьшается.

На графике видно, что ЭДС Е состоит из суммы падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника и нагрузке.

В действительности источниками напряжения работают различные химические и гальванические элементы, аккумуляторные батареи, электрические сети. Их разделяют на источники:

постоянного и переменного напряжения;

управляемые напряжением или током.

Ими называют двухполюсники, создающий ток, который является строго постоянной величиной и никак не зависит от значения сопротивления на подключенной нагрузке, а внутреннее сопротивление его приближается к бесконечности. Это тоже теоретическое допущение, которое на практике не может быть достигнуто.

Читайте также  Газовый холодильник принцип работы

Схемы обозначения и вольт-амперная характеристика источника тока

Для идеального источника тока напряжение на его клеммах и мощность зависят только от сопротивления подключенной внешней схемы. При этом с увеличением сопротивления они возрастают.

Реальный источник тока отличается от идеального значением внутреннего сопротивления.

Примерами источника тока могут служить:

Вторичные обмотки трансформаторов тока, подключенных в первичную схему нагрузки своей силовой обмоткой. Все вторичные цепи работают в режиме надежного шунтирования. Размыкать их нельзя — иначе возникнут перенапряжения в схеме.

Катушки индуктивности, по которым проходил ток в течение некоторого времени после снятия питания со схемы. Быстрое отключение индуктивной нагрузки (резкое возрастание сопротивления) может привести к пробою зазора.

Генератор тока, собранный на биполярных транзисторах, управляемый напряжением или током.

В различной литературе источники тока и напряжения могут обозначаться неодинаково.

Виды обозначений источников тока и напряжения на схемах

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источники электрической энергии. Внешняя характеристика

В цепях переменного тока, также как в цепях постоянного, должны действовать источники электрической энергии. Отличие этих источников заключается лишь в том, что создаваемые ими ЭДС или токи являются синусоидальными функциями времени.

Источники делятся на идеальные и реальные. У идеальных источников отсутствует внутреннее сопротивление или проводимость. Создаваемые ими ЭДС или ток определяются только параметрами источника. В электрической цепи с идеальными источниками величина тока через источник ЭДС или напряжение на источнике тока определяются нагрузкой.

На электрических схемах они изображаются точно также как источники постоянного тока, но стрелки в условном обозначении указывают направление принятое за положительное.

Реальные источники электрической энергии имеют внутреннее сопротивление Z или проводимость Y (рис. 1). Однако на переменном токе эти величины в общем случае являются комплексными.

Также как на постоянном токе, реальный источник может быть представлен двумя эквивалентными схемами с источником ЭДС или с источником тока. Внутреннее сопротивление, проводимость и параметры источников связаны между собой отношениями

Y = 1/Z ; J = E/Z ; E = J/Y, (1)

формально идентичными соответствующим выражениям для источников постоянного тока. ЭДС и ток внутренних источников соответствуют напряжению на выходе в режиме холостого хода и току в режиме короткого замыкания.

Для источников переменного тока невозможно построить вольтамперную характеристику. Ее роль играет внешняя характеристика, т.е зависимость действующего значения напряжения на выходе источника от величины действующего значения тока в нагрузке, при постоянном значении угла сдвига фаз в нагрузке jн.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из реального источника и нагрузки общего вида (рис. 2). Ток в нагрузке по закону Ома можно определить из выражения

. (2)

Отсюда, падение напряжения в нагрузке

, (3)

где комплексное относительное сопротивление нагрузки.

Падение напряжения в нагрузке можно представить в относительных единицах, если выбрать в качестве базовой величины ЭДС источника. Тогда комплексное относительное напряжение в нагрузке из выражения (3) будет —

. (4)

Ток в цепи также можно представить в относительных единицах, если в качестве базовой величины выбрать ток короткого замыкания источника Iкз=E/Zs . Отсюда комплексный относительный ток —

. (5)

Модуль комплексного относительного тока или просто относительный ток можно получить, определив модуль знаменателя выражения (5) из выражения для комплексного относительного сопротивления, в виде

. (6)

Из выражения (2) с учетом (6) относительное напряжение в нагрузке будет

. (7)

Выражения (6) и (7) позволяют построить внешнюю характеристику источника электрической энергии в относительных единицах, если в них принять в качестве переменной модуль комплексного относительного сопротивления нагрузки z , при условии постоянства его аргумента d .

Внешние характеристики для относительного сопротивления нагрузки, изменяющегося в пределах 0

Для относительного тока i условие i > 1.0 сводится к условию , а для относительного напряжения u — к условию — . Отсюда для тока и напряжения получим соответственно условия

и (8)
. (9)

Так как 0 p /2, если же это условие выполнено, то всегда найдутся такие значения z , при которых эти выражения будут справедливыми. Это означает, что внешняя характеристика будет иметь участки, на которых напряжение в нагрузке превышает ЭДС источника и ток в нагрузке превышает ток короткого замыкания.

Аргумент комплексного относительного сопротивления d представляет разность j н-j s Но т.к. обе величины по абсолютному значению меньше p /2, то условие |d | > p /2 может быть выполнено только, если реактивные составляющие комплексных сопротивлений нагрузки и источника имеют противоположные знаки.

Таким образом, из выражений (8) и (9) можно определить диапазоны относительных сопротивлений, при которых относительный ток и напряжение будут больше единицы в виде

Источники электроэнергии

Основным источником электроэнергии в мире являются, как известно, различного рода электростанции – тепловые электростанции, гидроэлектростанции и электростанции атомные.

Тепловые электростанции (ТЭС), работающие на органическом топливе (уголь, мазут, газ, сланцы, торф), являются на сегодня основным видом используемых в России энергопроизводителей.
Выбор места размещения тепловых электростанций определяется в основном наличием в данном регионе природных и топливных ресурсов. Мощные ТЭС строятся, как правило, в местах добычи топливных ресурсов или недалеко от крупных центров нефтеперерабатывающей промышленности. Тепловые электростанции, на которых в качестве топлива используются местные виды горючего (сланец, торф, низкокалорийные и многозольные угли), стараются размещать согласно потребности в электроэнергии и, в тоже время, с учётом наличия тех или иных видов топливных ресурсов.
Электростанции, работающие на высококалорийном топливе, доставка которого к месту использования экономически целесообразна, размещаются обычно с учётом потребительского спроса на электроэнергию.

Гидроэлектростанции представляют собой специальные сооружения, возведённые в местах перекрытия больших рек плотиной и использующие энергию падающей воды для вращения турбин электрогенератора. Этот способ получения электроэнергии является наиболее экологичным, поскольку обходится без сжигания тех или иных видов топлива и не оставляет никаких вредных отходов после себя.

Атомные электростанции (АЭС) отличаются от тепловых лишь тем, что, если в ТЭС для нагрева воды и получения пара используется горючее топливо, то в АЭС источником нагрева воды служит энергия тепла, выделяемого в процессе ядерной реакции.

В настоящее время большую часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии дают тепловые электростанции, мощность которых может составлять сотни тысяч и миллионы киловатт.
Для совместного и согласованного производства электроэнергии электростанции различного типа объединяют в энергосистемы. Объединение электростанций, а также самих энергосистем между собой позволяет снизить стоимость электроэнергии и гарантирует бесперебойность режима электроснабжения потребителя. Объясняется это тем, что производство и расходование электроэнергии происходят одновременно, и невозможно аккумулировать всю вырабатываемую энергию в каком-либо виде. Поэтому электростанции обязаны иметь определённый резерв по рабочей мощности, необходимый для того, чтобы быть способными в любой момент удовлетворить возросший спрос на электроэнергию со стороны потребителя (на возросшую нагрузку). А величина потребления (спроса на энергию) может резко колебаться при изменении режимов и условий работы потребителей.

Читайте также  Как посчитать последовательное соединение конденсаторов?

В городах в зимний период, например, потребление электроэнергии резко возрастает, а летом — снижается. В сельском хозяйстве, напротив, электрические подстанции больше загружены именно летом, когда производятся сезонные полевые работы. Кроме того, максимальные нагрузки электростанций, расположенных на востоке и западе страны обычно не совпадают из-за разницы во времени. При коллективной работе электростанций они подпитывают друг друга, что обеспечивает их более равномерную загрузку и повышение КПД работы.

На электростанциях, не входящих в состав энергосистемы, не допускается применение мощных узлов по транспортировке и преобразованию электроэнергии. Объясняется это тем, что выход подобного узла из строя моментально парализует работу промышленных предприятий, обесточивает целые районы и грозит аварийной остановкой систем водоснабжения и т. п.

При объединении энергопроизводителей в энергосистемы нет оснований отказываться от таких мощных агрегатных узлов, поскольку нагрузку вышедшего из строя участка линии мгновенно подхватят оставшиеся в рабочем состоянии системы.

Наряду с традиционным способом получения электроэнергии с помощью электростанций всё большую популярность приобретают в последнее время альтернативные источники электроэнергии. К подобным источникам можно отнести, например, ветряные электрогенераторы, которые преобразуют природную силу ветра в электрический ток.

Всё большей популярностью в наше время пользуются и солнечные батареи, которые, в отличие от электрогенератора, используют принцип прямого преобразования энергии солнечных лучей в электрическую энергию (фотоэффект).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: