Внешняя (рабочая) характеристика источника тока
Основной характеристикой источника тока является его электродвижущая сила (ЭДС), а также внутренне сопротивление. Однако на зажимах (концах) источника тока разность потенциалов равна ЭДС только при разомкнутой цепи. Если к источнику подключить какое-либо внешнее сопротивление RХ, разность потенциалов (напряжение) U на его зажимах станет меньше ЭДС (ε) на величину падения напряжения внутри источника:
U = ε— Ir , (1а)
где r — внутреннее сопротивление источника, а I — ток, отдаваемый источником во внешнюю цепь. Величина этого тока для данного источника зависит только от сопротивления внешней цепи R и от внутреннего сопротивления источника:
I = ε/(R + r). (1б)
Из формулы (1а) видно, что с увеличением тока величина I·r растет прямо пропорционально силе тока, а напряжение U на зажимах источника будет уменьшаться. Это справедливо для любого источника, причем, если ЭДС и внутреннее сопротивление источника постоянны, то уменьшение напряжения будет происходить по линейному закону. Зависимость напряжения на зажимах источника U от величины тока, отдаваемого источником, называется внешней или рабочей характеристикой. Наклон этой характеристики определяется величиной внутреннего сопротивления.
При внешнем сопротивлении равном нулю (R = 0), напряжение на зажимах источника также равно нулю. Такой режим работы источника называется коротким замыканием. Величина тока короткого замыкания IКЗ зависит от ЭДС и внутреннего сопротивления источника r. При малых внутренних сопротивлениях (r ~ 0.01 Ом) токи короткого замыкания достигают сотен и тысяч ампер. Такие токи могут мгновенно вывести источник из строя. Обычно для каждого источника известен наибольший допустимый ток при длительной работе (номинальный ток). Поэтому прежде, чем использовать источник тока, следует узнать, на какой номинальный ток он рассчитан, и в процессе эксплуатации не превышать его. В аккумуляторах номинальный ток численно равен 0.1 от его емкости, измеренной в ампер-часах. Например, при емкости в 22 А·ч разрядный ток не должен превышать 2.2 А.
Мощность источника
Мощность источника тока измеряется работой, которую этот источник совершает за одну секунду. При силе тока I полная мощность (W0), развиваемая источником, будет равна
W0 = I·ε= ε 2 /(R + r) = I 2 ·(R + r), (2)
Часть этой мощности W1= I 2 ·r , выделяющуюся внутри источника на его внутреннем сопротивлении в виде джоулева тепла, называют потерянной мощностью.
Другая часть полной мощности выделяется во внешней цепи и может быть использована для практических целей. Ее называют полезной мощностью. Величина полезной мощности равна:
W = I·U = I 2 ·R. (3)
Поскольку напряжение U зависит от тока, то зависимость полезной мощности от тока получается нелинейной.
W = I·ε – I 2 ·r. (4a)
Если же в выражение (3) подставить значение тока из закона Ома для полной цепи (1б), то получим зависимость полезной мощности W от внешнего сопротивления R:
W = ε 2 . (4б)
Поскольку ε и r – постоянные величины, полезная мощность является функцией только внешнего сопротивления W = f(R). При коротком замыкании (R = 0) и при разомкнутой цепи (R = ) полезная мощность обращается в нуль.
Зависимость полезной мощности от тока представляет собой параболу с ветвями, направленными вниз. W обращается в нуль в двух случаях: при токе I равном нулю и при условии: ε — Ir = 0 (I = ε / r), т.е. при коротком замыкании.
Чтобы определить, при каком токе полезная мощность максимальна (WMAX), необходимо приравнять нулю первую производную полезной мощности по току:
dW/dI = ε — 2Ir = 0,
I = ε/ (2r) . (5)
Следовательно, полезная мощность достигает максимального значения при токе равном половине тока короткого замыкания.
Сравнивая знаменатели формулы (5) и закон Ома для полной цепи, содержащей ЭДС (1б), получим еще одно условие, характерное для максимальной полезной мощности (WMAX): 2r = R + r или R = r. Это условие называется согласованием нагрузки, и часто используют в радиотехнике для получения в устройствах максимальной мощности во внешней цепи. Однако для большинства источников тока такой режим не является желательным (см. рис. 2). На рис. 2 приведены графики зависимости полной, полезной, потерянной мощностей, а также кпд в зависимости от соотношения R / r .
отери мощности из-за несогласованности нагрузки и внутреннего сопротивления источника характеризуются величиной W = WMAX – W , а относительные потери мощности определяются выражением:
4.Вопросы
4.1.Что такое «внешняя характеристика» источника источника тока и что она отражает?
Внешней характеристикой источника питания называют зависимость между напряжением на его зажимах и установившимся током, протекающим через цепь при нагрузке. Каждая внешняя характеристика источника тока соответствует вполне определенному положению регулировочного устройства. Различают следующие внешние характеристики источников питания (рис. 125): крутопадающую 1, пологопадающую 2, жесткую 3 и возрастающую 4. При крутопадающей характеристике с увеличением тока напряжение вначале уменьшается плавно, затем круто падает до нуля. Такие источники тока обычно применяются при ручной сварке. Они предохраняют электрическую цепь от больших токов короткого замыкания. У источников тока с другими характеристиками возможны короткие замыкания, так как ток в этом случае растет до больших величин. Динамической характеристикой источника питания называется изменение тока во времени, отсчитываемое с
Динамической характеристикой источника питания называется изменение тока во времени, отсчитываемое с момента включения нагрузки (Рис. 1). Динамическая характеристика записывается осциллографом. Если к источнику тока присоединить нагрузку виде активного сопротивления , то ток в цепи в первый момент будет равен нулю, затем постепенно начнет увеличиваться. Наконец , через определенный промежуток времени
Рис. 1. достигнет какого –то постоянного значения, называемого установившимся. Основным параметром динамической характеристики считается постоянная времени нарастания . Постоянной времени тока называется отрезок времени, отсчитываемый от включения нагрузки до момента, когда ток в цепи достигнет 0,63 установившегося значения.
Внешняя и динамическая характеристики имеют большое значение при автоматической и полуавтоматической сварке и наплавке. Они влияют на стабильность и устойчивость горения дуги. Стабильность горения сварочной дуги зависит: от длины дуги, характеристики источника тока, периодического потухания дуги при переносе металла или при применении переменного тока, от состава покрытий электродов, от флюса и металла. Вводя в столб дуги легко ионизируемые газы и пары, можно увеличить стабильность горения дуги.
4.2.Что такое «синхронный компенсатор», для чего и где его устанавливают, чем можно регулировать величину отдаваемой им мощности?
Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронный двигатель облегчённой конструкции, предназначенный для работы на холостом ходу. При работе в режиме перевозбуждения СК является генератором реактивной мощности. Наибольшая мощность СК в режиме перевозбуждения называется его номинальной мощностью. При работе в режиме недовозбуждения СК является потребителем реактивной мощности. По конструктивным условиям СК обычно не может потреблять из сети такую же реактивную мощность, которую он может генерировать. Изменение тока возбуждения СК обычно автоматизируется. При работе СК из сети потребляется активная мощность порядка 2-4%.
Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий без нагрузки на валу; при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения cos φ или в режиме стабилизации напряжения.
Обычно электрическая сеть, питающая электроэнергией промышленные предприятия, нагружена током Iн, отстающим по фазе от напряжения сети Uс (рис. 2, а). Это объясняется тем. что от сети получают питание асинхронные двигатели, у которых реактивная составляющая тока довольно велика. Для улучшения cos φ сети синхронный компенсатор должен работать в режиме перевозбуждения. При этом ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря 1а синхронного компенсатора опережал на 90
Рис. 2.Векторные диаграммы синхронного компенсатора в режиме улучшения cos φ сети
(а), в режиме стабилизации напряжения
напряжения сети с (рис.2, а) и был примерно равен реактивной составляющей Iн.р тока нагрузки Iн. В результате сеть загружается только активным током нагрузки Iс = Iн.а.
При работе в режиме стабилизации напряжения ток возбуждения синхронного компенсатора устанавливается постоянным, причем такого значения, чтобы электродвижущая сила компенсатора Ео равнялась номинальному напряжению сети Uс.ном (рис. 2,б). В сети при этом имеется некоторый ток Iн, создающий падение напряжения ΔUIHRC cos φ + IHXC sin φ, где Rcn Xc — активное и индуктивное сопротивления сети; φ — угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.
Если напряжение сети в точке подключения синхронного компенсатора несколько понижается из-за возрастания тока нагрузки Iн и становится меньше UC.HOM, то синхронный компенсатор начинает забирать из сети реактивный опережающий ток 1а (рис. 2, в). Это уменьшает падение напряжения в ней на величину ΔUK = IaXc. При повышении напряжения в сети, когда Uc>Uc.ном, синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током Iα (рис. 2, г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину ΔUK = IaXc. При достаточной мощности синхронного компенсатора колебания напряжения в сети не превышают 0,5. 1,0%. Недостатком указанного метода стабилизации напряжения является то, что синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.
1 Цепи постоянного тока
Электрической цепью называется искусственно созданный путь для электрического тока. Пример электрической цепи показан на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1 — Электрическая цепь
Основное назначение электрической цепи — распределение и взаимное преобразование электрической и других видов энергии.
Электрическая цепь состоит из трех основных элементов:
- источника электрической энергии;
- приемника электрической энергии;
- соединительных проводов.
1.1.1 Источник электрической энергии
Источники электрической энергии разнообразны: гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы, термоэлектрические и солнечные батареи и т.д. Они превращают химическую, механическую, тепловую, световую или энергию других видов в электрическую энергию. На схемах источники энергии обозначаются так, как показано на рисунке 1.2. 
Рисунок 1.2 — Условные обозначения источников Где 
— внутреннее сопротивление источника энергии. В элементах и аккумуляторах, внутреннее сопротивление — это сопротивление электролита и граничных слоев между электролитом и электродами, в генераторах — это сопротивление меди обмоток. Основное назначение источника энергии — создать и постоянно поддерживать в цепи разность потенциалов, разность электрических уровней; создать как бы электрический напор, под воздействием которого и образуется упорядоченное движение электрических зарядов, то есть ток. Принято зажим высшего потенциала источника обозначать знаком «+», а зажим низшего потенциала знаком «». Разность электрических потенциалов количественно определяется величиной, которая называется — электродвижущей силой или коротко ЭДС и обозначается на схемах буквой «Е» 
, (1.1) где 
— высший потенциал или уровень источника;
— низший потенциал источника. Направление действия ЭДС обозначается стрелкой, направленной от низшего потенциала к высшему, то есть от «» к «+». Работа источника хорошо оценивается с помощью так называемой внешней характеристики. Внешней характеристикой называется функциональная зависимость напряжения на клеммах источника от величины тока, протекающего через источник. Примерный вид внешних характеристик источников электрической энергии показан на рисунках 1.3 и 1.4. 
Рисунок 1.3 — Внешняя характеристика источника электрической энергии Из характеристики видно, что с увеличением тока напряжение на клеммах источника несколько уменьшается за счет потери напряжения на внутреннем сопротивлении 
. В целом, же с ростом тока, напряжение на источнике остается более или менее постоянным. Подобные характеристики имеют гальванические элементы, аккумуляторы, электромашинные генераторы постоянного тока, выпрямители. На рисунке 1.4 приведена внешняя характеристика источника электрической энергии другого вида. Здесь, ток вырабатываемый источником остается более или менее постоянным, при значительном изменении напряжения на клеммах источника. Отличительная особенность таких источников — очень большая величина внутреннего сопротивления, значительно превышающая сопротивление приемника электрической энергии. Данные источники строят по специальным схемам и широко применяют в современной электронике. 
Рисунок 1.4 — Внешняя характеристика источника электрической энергии
Внешняя характеристика источника ЭДС
Внешняя характеристика отражает зависимость напряжения на зажимах источника от величины нагрузки — тока источника, заданного нагрузкой. Напряжение на зажимах источника меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника (1):
Этому уравнению соответствует внешняя характеристика источника ЭДС (рис. 1). построенная по двум точкам:
Очевидно, что напряжение на зажимах источника ЭДС тем больше, чем меньше его внутреннее сопротивление.
В идеальном источнике ЭДС R0=0, U=E (напряжение не зависит от величины нагрузки). Однако не всегда при анализе и расчете цепи источник электрической энергии удобно представлять в качестве источника ЭДС. Если внутреннее сопротивление источника значительно превышает внешнее сопротивление цепи, что, например, имеет место в электронике, то получим, что ток в цепи I=U/(R+R0) и при R0>>R практически не зависит от сопротивления нагрузки. В этом случае источник энергии представляют в качестве источника тока.
Разделим уравнение (1) на R0 (2):
Уравнению (2) соответствует схема замещения, приведенная на рис. 2. Здесь Iв=U/R0 и Ik=E/R0, I= Ik — Iв тогда (3)
Для идеального источника тока Rс = ∞. Вольтамперные характеристики реального и идеального источников тока показаны на рис. 3.
Когда нет четкого разграничения величин R и R0 , в качестве расчетного эквивалента источника энергии можно использовать либо источник ЭДС, либо источник тока. В последнем, случае для определения падения напряжения используют выражение (3).
Режимы работы источника
Источник может работать в следующих режимах:
1. Номинальный режим — это режим работы, на который рассчитан источник заводом-изготовителем. Для данного режима в паспорте источника указывают номинальные ток Iном и номинальное напряжение Uном или мощность Pном.
2. Режим холостого хода. В этом режиме внешняя цепь отключена от источника, ток источника I = 0 и, следовательно, напряжение на зажимах источника — напряжение холостого хода Uхх = Е — см. уравнение (1).
3. Режим короткого замыкания. Сопротивление внешней по отношению к источнику цепи равно нулю. Ток источника ограничивается только его внутренним сопротивлением. Из уравнения (1) при U=0 получаем I = Iкз = U / R0. Для уменьшения потерь энергии в источнике ЭДС R0 должно быть возможно меньшим, а в идеальном источнике R0 = 0. С учетом этого Iкз >> Iном и является недопустимым для источника.
4. Согласованный режим — это режим, при котором от источника к потребителю передается максимальная мощность. Определить эту мощность можно через параметры источника. Так, мощность, переданная в нагрузку, Р = I 2 R. P = Pmax при R = R0. Тогда максимальная мощность, переданная потребителю, Pmax=E2/4R0. КПД источника в согласованном режиме не превышает 50 %. что исключает его применение в промышленной электротехнике. Согласованный режим используется в слаботочных цепях электронных устройств.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: