Режимы работы электрических цепей. Защита от режима короткого замыкания и перегрузок

Режимы работы электрических цепей.

Различают четыре основных режима работы электрической цепи:

• 
  номинальный режим;
  
• 
  режим холостого хода;
  
• 
  режим короткого замыкания;
  
• 
  согласованный режим работы.
  

1. 
   Номинальный режим характеризуется тем, что токи, напряжения, мощ- ности всех элементов электрической цепи соответствуют их номинальным зна- чениям I_ном, U_ном, P_ном, установленным заводом-изготовителем. В этом режиме гарантируется надежная работа электрооборудования в течение длительного времени. Номинальные значения напряжения, тока и мощности берут за основу при расчетах электрических схем.
   

По номинальному напряжению рассчитывают изоляцию проводов и от- дельных устройств. По номинальному току определяют допустимый нагрев

всех элементов. Нормально работает устройство когда
I ≤ I_{ном .}

Для источника электроэнергии номинальная мощность P_ном – это мощ- ность, которую он отдает потребителю при U_ном и I_ном. На внешней характе- ристике источника (рис.1.8) его номинальному режиму работы соответствует точка 2.
Номинальная мощность приемных устройств - это электрическая мощ-

ность, потребляемая при номинальном напряжении, т.е.
^Pном
^{= U}ном ^Iном ^.

2. 
   Режим холостого хода возникает при отключении нагрузки, при обры- вах цепи. В этом режиме можно принять сопротивление приемника R_пр беско- нечно большим, а ток в цепи I_х = 0. Напряжение на зажимах генерирующего устройства в режиме холостой ход в соответствии с (1.15) U_х = E.
   

На внешней характеристике источника (рис.1.8) режиму холостой ход со- ответствует точка 1.
Этот режим используется на практике для измерения Е источника, ко- торую определяют, подключив к его выходным зажимам электроизмеритель- ный прибор – вольтметр.

3. 
   Режим короткого замыкания создается при замыкании накоротко вы- ходных зажимов источника или входных зажимов приемного устройства (точки А и Б или а и б на рис.1.7). В этом режиме можно принять сопротивление при- емника R_пр , равным нулю R_пр = 0. При этом напряжение на зажимах генератора также равно нулю U_г = 0.
   

Тогда ток короткого замыкания определяется только небольшим внут- ренним сопротивлением источника:
I_к = E / R₀
и значительно превышает номинальный ток.
На внешней характеристике источника (рис.1.8) режиму короткого замы- кания соответствует точка 4.
Большой ток короткого замыкания приводит к быстрому чрезмерному нагреву генератора и выходу его из строя.
В большинстве электротехнических устройств короткие замыкания неже- лательны, т.к. возрастание тока ведет к резкому увеличению выделения тепла в токоведущих частях и, следовательно, к выходу из строя электроустановок. Поэтому режим короткого замыкания является аварийным режимом и недопус- тим при эксплуатации электротехнических устройств и электрических цепей.

4. 
   Согласованный режим характеризуется максимально возможной мощностью передача энергии от источника к потребителю. Это возможно толь- ко при определенном соотношения сопротивлений приемника и источника. Если пренебречь величиной R_л, то есть принять R_л=0, то ток в цепи
   

мощность приемника
I = ^E
R₀ + R_пр
, (1.22)

^Pпр
= R_пр I ²
= R_{пр (R
E} 2

0
+ R_пр
)2 . (1.23)

Исследуем функцию P_пр(R_пр) на максимум, для чего найдем

dP_ПР dR_ПР
= 0 , (1.24)

откуда R_пр = R₀. (1.25)
Мощность приемника максимальна, когда R_пр = R₀.. К.п.д. при этом

^ηСР
₌ ^РПР
Р_Г
= R_ПР I ² ₌
(R₀ + R_ПР )I ²


0,5
(1.26)

В обычных электрических цепях часто R_пр ≈10 R₀, и тогда

^ηСР
₌ 10R_ПР
R₀ + 10R₀
≈ 0,9
(1.27)

Согласованный режим применяется в радиотехнике и промышленной электронике - там, где передаются небольшие мощности, и ставится задача вы-

деления Р_max. В силовых электрических установках общего применения этот режим не используется.
На внешней характеристике источника (рис.1.8) согласованному режиму соответствует точка 3.
В силовых электрических установках общего применения внутреннее со- противление источника значительно меньше, чем сопротивление приемника. Поэтому режимы работы источника электроэнергии меняются в диапазоне от холостого хода до номинального режима работы (участок 1–2 на рис.1.8). Этот рабочий участок внешней характеристики показан на рис.1.9.

Рис.1.9 Внешняя характеристика источника постоянного напряжения

Как видно, в режиме холостого хода, когда ток I = 0, напряжение на зажимах генератора определяется величиной ЭДС U_х = E.

С увеличением тока цепи (увеличением нагрузки) напряжение на зажимах ис- точника уменьшается в соответствии с выражением (1.15) за счет падения на- пряжения на внутреннем сопротивлении источника ∆U_г = R₀ * I .
В номинальном режиме работы, когда I = I_ном , это изменение напряжения со- ставляет ∆U_ном = 5 – 10 % .