Obwody elektryczne z prądem stałym
W pojedynczym obwodzie Obwód elektryczny ze stałym polem elektromagnetycznym skierowanym do źródła energii elektrycznej od bieguna ujemnego do dodatniego wzbudza prąd I w tym samym kierunku, który jest określony przez Prawo Ohma dla całego łańcucha:
I = E / (R + RWtorek),
gdzie R to rezystancja obwodu zewnętrznego składającego się z odbiornika i przewodów łączących, RW to rezystancja obwodu wewnętrznego zawierającego źródło energii elektrycznej.
Jeśli rezystancje wszystkich elementów obwodu elektrycznego nie zależą od wartości i kierunku prądu i pola elektromagnetycznego, to one, podobnie jak sam obwód, nazywane są liniowymi.
W jednopętlowym liniowym obwodzie elektrycznym prądu stałego z jednym źródłem energii elektrycznej prąd jest wprost proporcjonalny do pola elektromagnetycznego i odwrotnie proporcjonalny do całkowitej rezystancji obwodu.
Ryż. 1. Schemat jednoprzewodowego obwodu elektrycznego z prądem stałym
Z powyższego wzoru wynika, że E — RwI = RI, gdzie I = (E — PvI) / R lub I = U / R, gdzie U = E — RwI to napięcie źródła energii elektrycznej, które jest skierowane z biegun dodatni do bieguna ujemnego.
Wyrażenie I = U / R jest Prawo Ohma dla odcinka obwodu, do zacisków, do których przyłożone jest napięcie U, zbieżne w kierunku z prądem I w tym samym miejscu.
Zależność napięcia od prądu U(I) przy E = const i RW = const nazywana jest charakterystyką zewnętrzną lub woltamperową liniowego źródła energii elektrycznej (rys. 2), zgodnie z którą dla dowolnego prądu I można wyznaczyć odpowiednie napięcie U i zgodnie z poniższymi wzorami oblicz moc odbiornika energii elektrycznej:
P2 = RI2 = E2R / (R + RTwtorek)2,
źródło energii elektrycznej:
P1 = (R + RWtorek) Az2 = E2 / (R + RWtorek)
oraz sprawności instalacji w obwodach prądu stałego:
η = P2 / P1 = R / (R + Rwt) = 1 / (1 + RWt / R)
Ryż. 2. Charakterystyka zewnętrzna (woltoamperowa) źródła energii elektrycznej
Punkt X charakterystyki prądowo-napięciowej źródła energii elektrycznej odpowiada stanowi jałowemu (x.x.) W obwodzie otwartym, gdy prąd Azx = 0 i napięcie Ux = E.
Punkt H określa tryb nominalny, jeśli napięcie i prąd odpowiadają ich wartościom nominalnym Unom i Aznom, podanym w paszporcie źródła energii elektrycznej.
Punkt K charakteryzuje stan zwarcia (zwarcia), który występuje, gdy zaciski źródła energii elektrycznej są ze sobą połączone, w którym rezystancja zewnętrzna R = 0. Występuje w tym przypadku prąd zwarciowy Azk = E / Rwatt, który jest wielokrotnie większy od prądu znamionowego Aznom ze względu na to, że rezystancja wewnętrzna źródła energia elektryczna Rw <R.W tym trybie napięcie na zaciskach źródła energii elektrycznej Uk = 0.
Punkt C odpowiada dopasowanemu trybowi, w którym rezystancja obwodu zewnętrznego R jest równa rezystancji wewnętrznego docelowego źródła energii elektrycznej Rwatt. W tym trybie występuje prąd Ic=E/2R, mocy obwodu zewnętrznego odpowiada największa moc P2max=E2/4RW oraz sprawność (sprawność) instalacji ηc=0,5.
Reżim kontraktowy, w którym:
P2 / P2max = 4R2 / (R + Rtu)2 = 1 i Ic = E / 2R = I
Ryż. 3. Wykresy zależności względnej mocy odbiornika energii elektrycznej i sprawności instalacji od względnej rezystancji odbiornika
W elektrowniach tryby obwodów elektrycznych znacznie różnią się od trybu skoordynowanego i charakteryzują się prądami I << Ic ze względu na rezystancje odbiorników R Rvat, w wyniku czego praca takich układów przebiega z dużą sprawnością.
Badanie zjawisk w obwodach elektrycznych upraszcza się, zastępując je obwodami równoważnymi — modelami matematycznymi z elementami idealnymi, z których każdy charakteryzuje się jednym i parametrami wziętymi z parametrów przemiatanych elementów. Diagramy te w pełni odzwierciedlają właściwości obwodów elektrycznych i przy spełnieniu określonych warunków ułatwiają analizę stanu elektrycznego obwodów elektrycznych.
W obwodach równoważnych z elementami aktywnymi stosuje się idealne źródło pola elektromagnetycznego i idealne źródło prądu.
Idealne źródło PEM charakteryzujące się stałą EMF, E i rezystancją wewnętrzną równą zeru, w wyniku czego prąd takiego źródła jest określony przez rezystancję podłączonych odbiorników, a zwarcie powoduje teoretycznie prąd i moc dąży do nieskończenie dużej wartości.
Idealnemu źródłu prądu przypisuje się rezystancję wewnętrzną dążącą do nieskończenie dużej wartości oraz stały prąd Azdo niezależnie od napięcia na jego zaciskach, równy prądowi zwarciowemu, w wyniku czego następuje nieograniczony wzrost obciążenia podłączonego do źródłu towarzyszy teoretycznie nieograniczony wzrost napięcia i mocy.
Ryż. 4. Obwody rezerwowe dla obwodu elektrycznego z rzeczywistym źródłem energii elektrycznej i rezystorem, a - z idealnym źródłem SEM, b - z idealnym źródłem prądu.
Rzeczywiste źródła energii elektrycznej o SEM E, rezystancji wewnętrznej Rvn i prądzie zwarciowym Ic można przedstawić za pomocą obwodów zastępczych zawierających odpowiednio idealne źródło SEM lub idealne źródło prądu, z elementami rezystancyjnymi połączonymi szeregowo i równolegle, które charakteryzują wewnętrznych parametrów rzeczywistego źródła i ograniczenia mocy podłączonych odbiorników (rys. 4, a, b).
Rzeczywiste źródła energii elektrycznej pracują w reżimach zbliżonych do idealnych źródeł PEM, jeżeli rezystancja odbiorników jest duża w porównaniu z rezystancją wewnętrzną źródeł rzeczywistych, czyli gdy znajdują się one w reżimach zbliżonych do stanu jałowego.
W przypadkach, gdy tryby pracy są zbliżone do trybu zwarcie, źródła rzeczywiste zbliżają się do idealnych źródeł prądowych, ponieważ rezystancja odbiorników jest niewielka w porównaniu z rezystancją wewnętrzną rzeczywistych źródeł.
