Подробно про электродвижущие силы (ЭДС), реальный и идеальный источники ЭДС, трехфазные цепи

Подписаться

Известный факт – одни тела могут нагреваться больше, другие меньше. Величину нагрева тела называют температурой. Точно так же, одни тела электрилизуются больше, чем другие. Величину электризации тела называют потенциалом тела или электрическим потенциалом.

Наэлектризованное тело – это тело, которому сообщили электрический заряд, то есть добавление некоторого количества электронов в случае, когда тело заряжают отрицательно, или же отнятие электронов, когда тело заряжают положительно. Таким образом тело получит определенную степень электризации (потенциал). Положительный потенциал приобретет положительно заряженное тело и наоборот, отрицательный потенциал приобретет отрицательно заряженное тело.

Разностью электрических потенциалов называют разность уровней электрических зарядов тел.

Необходимо учитывать, что разность потенциалов будет присутствовать между двумя одинаковыми одноименно заряженными телами, особенно когда одно тело больше, чем другое. Также разность потенциалов будет присутствовать между телами, если одно из них заряжено, а другое нет. Например, если мы возьмем абстрактное тело с некоторым потенциалом и изолируем его от земли, то разность потенциалов между землей (потенциал земли принимают равным нулю) и таким телом будет равной потенциалу тела. То есть, если тела имеют разные потенциалы, то между такими телами обязательно будет существовать разность потенциалов.

Вспомним из школьной программы известный пример электризации расчески, когда происходит трение о волосы – это и естьсоздание разности потенциалов между волосами человека и расческой. Во время трения расчески по волосам некоторые электроны переходят на расческу и заряжают ее отрицательно, а волосы теряют часть электронов и заряжаются положительно. Так создается разность потенциалов, которую можно привести к нулю прикоснувшись расческой к волосам, при этом можно услышать характерные щелчки, иллюстрирующие переход электронов обратно.

Получить разность потенциалов можно не только между двумя заряженными телами, но и между отдельными частями одного тела. Например, если воздействовать какой-либо внешней силой на свободные электроны, находящиеся в медной проволоке, и переместить их к одному из концов проволоки, то на другом конце обнаружится недостаток электронов, а между концами медной проволоки будет наблюдаться разность потенциалов. Как только воздействие внешней силы будет прекращено, сила притяжения разноименных зарядов вернет электроны к заряженному положительно концу проволоки, т.е. туда, где наблюдается недостаток электронов, что приведет к электрическому равновесию во всем куске проволоки.

Чтобы все время поддерживать электрический ток в проводнике, необходимо использовать внешние источники энергии для поддержания разности потенциалов на разных концах проводника. В качестве таких источников энергии используют источники электротока, у которых присутствует определенная электродвижущая сила, создающая и длительное время поддерживающая разность потенциалов на разных концах проводника.

Электродвижущую силу (ЭДС) обозначают буквой «Е», измеряют в вольтах (В, международное обозначение — V)."

Чтобы электрический ток протекал непрерывно, необходимо использовать электродвижущую силу в качестве источника электротока.

Первым из таких источников тока был «вольтов столб», состоящий из рядов цинковых и медных кругов, которые были проложены кожей, которую смачивали подкисленной водой. Это показывает, что один из способов получить электродвижущую силу — это когда некоторые из веществ взаимодействуют химически, таким образом превращая химическую энергию в электрическую. Источник тока, в котором создают электродвижущую силу описанным выше способом, называют химическим источником тока.

Сейчас в электроэнергетике и электротехнике широко применяют такие химические источники электротока как аккумуляторы, генераторы и гальванические элементы.

На электрических станциях устанавливают генераторы в качестве единственного источника тока, чтобы запитать электрической энергией промышленные предприятия, дать электрическое освещение в города, на электрические железные дороги, трамваи, метро, троллейбусы и т.д.

Электродвижущая сила действует одинаково как на химические источники электротока (аккумуляторы и элементы), так и на генераторы. Ее действие состоит в создании разности потенциалов на каждом из зажимов источника электротока и поддержании ее в течение длительного времени. Зажимы источника электротока называют полюсами. На одном из полюсов источника электротока всегда происходит нехватка электронов, т.е. такой полюс заряжен положительно (маркируется «+»), на другом полюсе происходит переизбыток электронов, т.е. этот полюс заряжен отрицательно (маркируется « - »).

Источники тока используют для запитывания электротоком всевозможных приборов, являющимися потребителями тока. С помощью проводников потребители тока присоединяют к полюсам источников тока, так что образуется замкнутая электрическая цепь. Разность потенциалов, устанавливаемая в замкнутой электроцепи между полюсами источника тока, называют напряжением и обозначают буквой «U». Единица измерения – вольт. Например, запись U=12 В означает, что напряжение источника электротока равняется 12 В.

Чтобы измерить напряжение или ЭДС используют вольтметр.

При необходимости провести измерения ЭДС или напряжения источника электротока вольтметр подключают напрямую к полюсам. При разомкнутой электрической цепи вольтметр будет показывать ЭДС источника электротока. При замкнутой цепи вольтметр покажет напряжение на каждом зажиме источника электротока. Источник тока всегда развивает ЭДС больше, чем напряжение на зажимах.

Простое видео, популярно поясняющее суть электродвижущей силы (ЭДС)

Трехфазные электроцепи

Частным случаем многофазных цепей являются трехфазные электрические цепи. Многофазные системы электроцепей состоят из нескольких однофазных электроцепей, причем в каждой из них протекают синусоидальные ЭДС одинаковых частот, которые создаются одним источником энергии и являются сдвинутыми по фазе на одинаковый угол по отношению друг к другу. Чтобы обозначить угол, который будет характеризовать стадии периодического процесса, или чтобы дать название однофазной цепи, которая входит в многофазную цепь, используют термин «фаза».

На практике используют многофазные симметричные системы, амплитудные значения ЭДС которых одинаковы, фазы сдвигаются по отношению друг к другу на угол m (число фаз). В электротехнике в основном применяют шести-, трех- и двухфазные цепи. Системы трехфазные нашли широкое практическое применение в электроэнергетике (рис. 1).

Трехфазными цепями принято называть три однофазные цепи, где происходит действие синусоидальных ЭДС одинаковой частоты, цепи сдвинуты по фазе на угол 2π/3. Источником в такой цепи выступает синхронный генератор (три его обмотки сдвинуты на угол 2π/3), где индуцируются три различных ЭДС, также сдвинутых на угол 2π/3. Рис. 2 схематично иллюстрирует трехфазный синхронный генератор.

Рис. 1. Схема трехфазного синхронного генератора. А, В, С — показывают начала обмоток, X, Y, Z — показывают концы обмоток.

В сердечнике статора располагают три аналогичные обмотки. Начала обмоток и их концы смещают на угол, равный 2π/3. ЭДС индуцируется магнитным полем, возбуждаемым постоянным током, который проходит по обмотке возбуждения. Синусоидальные ЭДС сдвигаются по фазе на угол, равный 2π/3, касательно друг друга.
Трехфазная система является симметричной системой. Обмотки статора в электрических схемах представляют так, как показано на рис. 2, а. Условным положительным направлением принимается направление обмотки от конца к началу. Рис. 2, б иллюстрирует, как изменяются мгновенные значения ЭДС для трехфазного генератора.

Рис. 2. Направление обмоток статора (а), изменение величин мгновенных значений для ЭДС (б)

Схемы векторных диаграмм для прямой и обратной последовательностей чередования фаз представлены на рис. 3, а, б.

Рис. 3. Прямая (а) и последовательная (б) последовательности чередования фаз

Последовательность фаз (порядок чередования) — последовательность, когда ЭДС становится одинаковых значений в фазных обмотках генератора. Например, когда ротор генератора вращается как на рис. 1, получаем последовательность фаз АВС, таким образом, происходит отставание ЭДС фазы В от ЭДС фазы А и т.д. Такую систему принято называть системой прямой последовательности. При изменении вращения ротора генератора в обратную сторону последовательность чередования фаз также изменится. Но последовательность чередования фаз не меняется в силу того, что роторы генераторов вращаются в одну сторону.

В практике используют прямую последовательность чередования фаз, от которой зависит направление вращения трехфазных двигателей. Если поменять местами две фазы двигателя, то возникнет обратная последовательность чередования фаз и вращение двигателя в обратную сторону. Обязательно нужно учитывать последовательность фаз во время параллельного включения трехфазных генераторов.

Рис. 4. Схема трехфазной цепи

Идеальные и реальные источники ЭДС

Формулой внешней характеристики ЭДС (1) является выражение зависимости напряжения на каждом из зажимов источника от величин нагрузки (ток источника задается нагрузкой). При этом напряжение на каждом из зажимов источника тока меньше ЭДС на значение величины падения напряжения, происходящего на внутреннем сопротивлении источника тока:

Данную формулу иллюстрирует диаграмма внешней характеристики ЭДС, которую строили по двум точкам — а) если =0 E=U и б) U=0 E=R0I (рис. 5).

Рис. 5. Диаграмма внешней характеристики ЭДС

Как видно из диаграммы, чем меньше внутреннее сопротивление источника ЭДС, тем выше напряжение на его зажимах.

В случае идеального источника ЭДС напряжение не будет зависеть от значения нагрузки, R0=0, U=E. Но анализ и расчет цепи источника электрической энергии не всегда является возможным представить в виде источника ЭДС. Представим ситуацию, когда значение внешнего сопротивления цепи будет значительно превышено значением внутреннего сопротивления источника, например, в электронике, в этом случае ток в цепи будет равен I=U/(R+R0) и практически не будет зависеть от сопротивления нагрузки при R0>>R, тогда источником тока будет выступать источник энергии. Для этого формулу (1) разделим на R0, получим формулу (2):

Формулу (2) можно проиллюстрировать схемой замещения (рис. 2), где . В данном случае получаем формулу (3):

R0=∞ у идеального источника. Реальный и идеальный источники тока имеют вольтамперные характеристики, представленные на рис. 6.

Рис. 6. Вольтамперные характеристики для идеального и реального источников тока

Если величины R и R0 не разграничены, то расчетным эквивалентом источника энергии принимают источник ЭДС или источник электротока. При использовании источника электротока формулу (3) применяют для вычисления падения напряжения.

Источник ЭДС является активным элементом цепи, у него присутствуют два вывода. Напряжение на выводах не будет зависеть от сопротивления используемой сети, т.е. напряжение на выводах не изменяется независимо от тока, создаваемого источником ЭДС.

Принято считать, что внутри источника ЭДС не присутствуют пассивные элементы (индуктивность, активное сопротивление, емкость), т.е. внутреннее сопротивление равно нулю. В пассивных элементах электроток идет от большего потенциала к меньшему потенциалу, а в источнике ЭДС этот процесс протекает наоборот. Внутренние силы источника выполняют работу по переносу заряда с отрицательного на положительный полюс.

Идеального источника ЭДС не существует, т.к. из закона Ома I=U/R видно, что короткое замыкание выводов нулевым сопротивлением вызывало бы бесконечно большую величину тока (если R=0, то получаем I=U/0).

В реальном источнике ЭДС обязательно есть внутреннее сопротивление, и короткое замыкание выводов при уменьшении величины напряжения на внутреннем сопротивлении будет уравновешивать ЭДС источника. Таким образом, ток короткого замыкания будет конечным.

Рис. 7 иллюстрирует схемы реального и идеального источников ЭДС. Здесь реальный источник обозначен источник ЭДС, у которого включено последовательное сопротивление. Значение его подбирают так, чтобы показать, как будет себя вести реальный источник. Величина внутреннего сопротивления обычно является ничтожно малой и в расчет не принимается, однако следует учитывать поставленную задачу и конкретную цепь.

Рис. 7. Идеальный (а) и реальный (б) источники ЭДС

Источник работает при следующих режимах:

А) Номинальный – на этот режим работы источник рассчитан производителем. В паспорте такого источника указаны номинальные величины — ток Iном и напряжение Uном (или номинальная мощность Pном).

Б) Холостой ход — внешнюю цепь отключают от источника, при этом ток источника равен нулю, а напряжением на зажимах является напряжение холостого хода U=Е (формула 1).

В) Короткое замыкание – в этом случае сопротивление внешней цепи равно нулю, а ток источника ограничен внутренним сопротивлением. Из формулы (1) получим I=IКВ=U/R0 при U=0. Чтобы уменьшить потери энергии в источнике R0должно быть равно нулю, а учитывая IКВ>>Iном, что недопустимо для источника.

Г) Согласованный – режим передачи от источника потребителю максимальной мощности, которую определяют с помощью параметров источника. Мощность нагрузки Р=I2R, при R=R0 получим Pmax=E2/4R0. При таком режиме КПД не превысит 50%, поэтому этот режим в промышленной электротехнике не применяют. Этот режим идеально подходит для слаботочных цепей в электронных устройствах

ВложениеРазмер
edc-01.JPG15.86 КБ
edc-02.JPG17.33 КБ
edc-03.JPG14.71 КБ
edc-04.JPG8.98 КБ
edc-05.JPG14.37 КБ
edc-06.JPG7.43 КБ
edc-07.JPG8.75 КБ
+
1
-
22 Мая 2014, 12:49