2.8. Режимы работы простейшей электрической цепи постоянного тока

В разделе 1.1. настоящей работы такая цепь рассматривалась для иллюстрации закона Ома для замкнутой цепи. Схема цепи представлена на рисунке 2. Она состоит изреального источника э.д.с. Е, имеющего внутреннее сопротивлениеR_вт, и нагрузочного резистора с сопротивлениемR. В результате рассмотрения этой цепи было получено аналитическое выражение (5)внешней характеристики источника э.д.с.U = F(I)и был построен ее график в ограниченном (рабочем) диапазоне изменения токаIнагрузки (рис.3).

На этом же рисунке для сравнения была показана внешняя характеристика идеального источника э.д.с., у которого отсутствует внутреннее сопротивление (R_вт= 0).

Для более детального анализа режимов работы такой цепи необходимо рассмотреть график внешней характеристики источника э.д.с. на всем возможном диапазоне изменения тока нагрузки.

П

(59)

олученное ранее аналитическое выражение внешней характеристики

представляет собой уравнение прямой линии в отрезках на осях, поскольку э.д.с. E=constи внутреннее сопротивление источникаR_вт=const.

Рис. 31

Полный возможный диапазон изменения нагрузки составляет от тока I = 0 (R   , режим холостого хода) до максимального тока (R = 0, режим короткого замыкания).

График внешней характеристики, построенный в соответствии с равенством (59), представлен на рисунке 31.

Режим холостого хода источника э.д.с.(точка Х на пересечение с осью ординат) соответствует разомкнутой цепи (). При этом напряжение на зажимах источника в соответствии с равенством (59).

Режим короткого замыкания(точка К на пересечение внешней характеристики с осью абсцисс) наступает при сопротивлении нагрузочного резистораR = 0, что соответствует соединению разнопотенциальных зажимов источника проводником с нулевым сопротивлением (у которогоl = 0 – отсюда название «короткое» замыкание). В режиме короткого замыкания (R = 0) ток источника э.д.с. достигает максимального значения, а напряжение на выходных зажимах.

Ток короткого замыкания может достигать больших значений, во много раз превышающих допустимую по условиям эксплуатации величину. Поэтому режим короткого замыканиядля большинства электроустановокявляется аварийным режимом.

Номинальный режим– это такой режим работы источника э.д.с. (или другого элемента цепи), при котором источник работает при значениях тока, напряжения и мощности, указанных в его паспорте. Номинальные значения токаI_ном, напряженияU_номи мощности Р_ном=U_номI_номсоответствуют наивыгоднейшим условиям работы источника с точки зрения экономичности, надежности и долговечности. На внешней характеристике (рис. 31) точка, соответствующая номинальному режиму, обозначается Н. Как правило, эта точка находится в начальной части характеристики, где номинальный токI_н= (0,020,10)I_к.

Согласованный режим источника э.д.с. имеет место, когда сопротивление нагрузочного резистора R становится равным внутреннему сопротивлению R_вт источника э.д.с. (R = R_вт).

В согласованном режиме ток I_св цепи, то есть в два раза меньше тока короткого замыкания. Э.д.с. источника Е уравновешивается двумя равными по величине падениями напряжения, обусловленными сопротивлениемR=R_втвнешней цепи и внутренним сопротивлениемR_вт, то есть напряжение на выходных зажимах источникаU=0,5Е. Точка, соответствующая согласованному режиму, обозначена на внешней характеристике (рис.31) буквой С.