Что такое внешняя характеристика источника электрической энергии

Источники энергии

Источники электрической энергии — это гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы и другие устройства, в которых происходит процесс преобразования химической, тепловой, механической или другого вида энергии в электрическую.

Источники энергии разделяют на источники тока и источники ЭДС (электродвижущей силы). Под ЭДС понимают работу сторонних сил, присущих источнику, потраченных на перемещение единичного заряда внутри источника от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом.

Все источники энергии называют активными элементами.

Источники электрической энергии в быту — это обыкновенные розетки, куда мы подключаем чайники, кипятильники, стиральные машинки.

Источники электрической энергии делятся:

Первичные источники электрической энергии – это источники, которые один тип энергии (механическая, тепловая, химическая) преобразуют в электрическую энергию.
Вторичные источники электрической энергии – это источники, которые преобразуют электрическую энергию от первичных источников в электрическую энергию удобную применения приемником энергии.

Характеристики источников питания

К основным характеристикам источников питания относят:

Электродвижущую силу. Единица измерения – вольты.
Внутреннее сопротивление источника ЭДС, Единица измерения – омы.
Максимально-возможную отдаваемую мощность в цепь, Единицы измерения – ватты.
Внешняя характеристика источника – это связь между током и напряжением.

Лекции по ТОЭ

История электротехники
ТОЭ и электроника
Основные сведения
- Основные определения
- Топология цепи
- Преобразование цепей
- Элементы электрической цепи
- Режимы работы
- Постояный ток
- Переменный ток
- Постоянный ток
- Переменный ток
- Мощность
- Магнитное поле
- Постоянная МДС
- Переменная МДС
- Ферромагнитные материалы
- Однофазный трансформатор
- Трехфазный трансформатор
- Постоянный ток
- Переменный ток
- Электропривод
- Параметры
- Уравнения
- Схемы замещения
- Фильтры
- Холостой ход
- Короткое замыкание
- Характеристическое сопротивление
- Коэффициент распространения
- Передаточная функция
- Обратные связи
- Общие сведения
- Классический метод
- Операторный метод
- Интеграл Дюамеля
- Основная литература
- Дополнительная литература
- Сборники задач
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:

Электротехника ТОЭ

Лекции и задачи по ТОЭ. На сайте представлен лекционный материал для изучения теоретических основ электротехники и видеоуроки по всем темам. Так же тут можно заказать решение задач, курсовых, расчетных, контрольных и домашних работ. Онлайн помощь на экзамене, контрольной. Решение тестов, занятия по скайпу и др. В ближайшее время на сайт будут добавлены готовые работы на разные темы ТОЭ, ТАУ и другим дисциплинам.

1.3. Источники ЭДС и тока

Теория / 1.3. Источники ЭДС и тока

К активным элементам электрических цепей относятся источники ЭДС и источники тока.

Идеализированный источник ЭДС – это активный элемент с двумя зажимами, напряжение на которых не зависит от проходящего через источник тока. Перемещение зарядов в источнике от точки с меньшим потенциалом к точке с большим потенциалом осуществляется за счет сторонних сил, присущих источнику. Обозначение идеализированных источников ЭДС на электрических схемах показано на рис. 1.5.

Электродвижущая сила (ЭДС) – это количество энергии, затраченное сторонними силами на перенос единичного положительного заряда от меньшего потенциала к большему

За положительное направление э.д.с. принимается направление возрастания потенциала (рис. 1.6).

Таким образом, положительные направления ЭДС и напряжения всегда противоположны.

Численно ЭДС равна разности потенциалов между выводами источника при разомкнутой цепи.

Если внутри источника ЭДС не содержится пассивных элементов, то его внутреннее сопротивление r ₀ равно нулю. Такой источник является идеальным.

На практике обычно приходится иметь дело с реальными источниками ЭДС, обладающими некоторым внутренним сопротивлением (рис. 1.7).

В таких источниках напряжение на зажимах зависит от тока в нагрузке.

Напряжение на зажимах реального источника в работающей цепи определяется соотношением

Это выражение называют внешней характеристикой источника ЭДС.

Анализируя внешнюю характеристику источника, можно сделать вывод, что напряжение на зажимах источника в режиме нагрузки всегда меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Зависимость напряжения от тока нагрузки показана на рис. 1.8 пунктирной линией. В свою очередь величина тока нагрузки зависит от сопротивления внешней цепи, поэтому можно считать, что напряжение на зажимах реального источника зависит от сопротивления внешней цепи.

В случае идеального источника внутренне сопротивление равно нулю. Напряжение на зажимах такого источника не зависит от тока нагрузки и равно ЭДС источника U = E . Зависимость напряжения от тока в идеальном источнике показана на рис. 1.8 сплошной линией.

Идеализированный источник тока – это активный элемент, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.

Считается, что внутреннее сопротивление идеального источника бесконечно велико, поэтому параметры внешней цепи не будут оказывать влияния на ток в источнике тока. На электрических схемах источник тока обозначается так, как показано на рис. 1.9.

Реальный источник тока обладает конечным внутренним сопротивлением или отличной от нуля проводимостью. Схема реального источника представлена на рис. 1.10. Ток реального источника определяется разностью тока идеального источника J и внутреннего тока I ₀:

где U – напряжение, приложенное к зажимам источника. Полученное выражение называют внешней характеристикой источника тока.

Зависимость тока источника от напряжения на его зажимах показано на рис. 1.11. В случае идеального источника внутренняя проводимость равна нулю и, исходя из уравнения внешней характеристики, можно заключить, что ток, идущий от источника равен току короткого замыкания источника. Эта зависимость показана на рис. 1.11 сплошной линией.

В случае реального источника g ₀ ≠ 0 и часть тока будет ответвляться через внутреннюю проводимость. Чем больше напряжение, приложенное к источнику, тем больший ток ответвляется и тем меньший ток поступает в нагрузку. Вольт-амперная характеристика реального источника показана на рис. 1.11 пунктирной линией. Источник тока – это теоретическое понятие, но оно часто применяется для расчета электрических цепей. Примером источника тока может служить пентод.

Эквивалентное преобразование источников конечной мощности

Преобразование какого-либо участка цепи по отношению к внешним зажимам называют эквивалентным, если напряжение u и ток i на внешних зажимах при этом не изменяются.

Рассмотрим условие эквивалентности реальных источников напряжения и тока, представленных на рис. 1.12, а,б. Воспользуемся уравнением внешней характеристики источника ЭДС

Поделим почленно это уравнение на r ₀

Здесь I – ток, протекающий через нагрузку;

Jкз = E/r0 – ток короткого замыкания источника ЭДС;

I0 = U/r0 – ток, протекающий через внутреннее сопротивление.

Отсюда можно заключить, что I0 = Jкз — I или I = Jкз — I0, то есть получили внешнюю характеристику источника тока.

Следовательно, схему источника ЭДС можно заменить схемой источника тока при условии, что ток короткого замыкания источника и внутренняя проводимость определятся выражениями:

В свою очередь, схему источника тока можно заменить схемой источника ЭДС при условии, что внутреннее сопротивление и э.д.с. источника определятся выражениями:

Мощность источника ЭДС определяется произведением электродвижущей силы источника и тока в нагрузке

Мощность источника тока определяется произведением тока короткого замыкания и напряжения на зажимах источника:

ТОЭ-УМК-бак. 11.11 (2к. 2 сес.) / Лаб. работы / Лаб. раб.2 источники

1. Ознакомление со способами получения электрической энергии, режимами работы источников электрической энергии и их характеристиками.

2. Приобретение навыков сборки простых электрических схем и проведения несложных исследований электрических цепей.

2. Приборы и оборудование:

2.1 — источник постоянного напряжения;

2.2 – цифровые мультиметры;

2.3 — активные сопротивления (резисторы).

3.1 Ознакомиться с назначением, видами источников электрической энергии и их характеристиками.

3.2 Исследовать источник постоянного тока.

3.3 Составить отчет о работе.

4 Указания и пояснения.

4.1 Общие сведения.

4.1.1 Источник электрической энергии (источник питания) – это преобразователь неэлектрической энергии в электрическую.

Механическая энергия преобразуется в электрическую в электромеханических генераторах постоянного и переменного тока; химическая – в гальванических элементах и аккумуляторах; световая – в фотоэлементах; тепловая в термопарах.

Источниками электрической энергии по отношению к потребителям являются также трансформаторы и выпрямители. Первые применяются в сетях переменного тока для изменения величины напряжения при передаче и распределении электроэнергии; вторые – для получения постоянного тока из переменного.

4.1.2 Источник электрической энергии характеризуется следующими величинами:

— электродвижущей силой (ЭДС) Е, которая измеряется в вольтах (В) и характеризует способность источника создавать ток во внешней цепи;

— внутренним сопротивлением r0, (Ом);

— напряжением на зажимах U, величина которого в реальном источнике

зависит от величины тока I, отдаваемого им в цепь и определяется выражением

— развиваемой мощностью Рист.;

— отдаваемой приемникам электрической цепи мощностью Рпр.;

Единицей мощности является ватт (Вт); 1 Вт = 1 В х 1 А = 1 Дж/с;

— коэффициентом полезного действия ;

= Рпр./Рист. = U х I/ Е х I = U/Е. (4)

4.1.3 Источники электрической энергии могут работать в разных режимах:

1) холостого хода — при разомкнутой цепи (сопротивление цепи R = , а ток в ней отсутствует);

2) номинальном – ток в питаемой цепи имеет значение, на которое рассчитаны ее элементы для работы весь срок их службы;

3) согласованном – внутреннее сопротивление источника электрической энергии и сопротивление питаемой цепи (сопротивление нагрузки) равны;

4) короткого замыкания – сопротивление нагрузки равно нулю, т.е. зажимы источника соединены накоротко, и напряжение на них также равно нулю.

1.4 Свойства источника электрической энергии определяет вольтамперная, или внешняя характеристика, — зависимость напряжения между его выводами U от тока I, т.е. U = f(I):

которой соответствует прямая на рис. 1,а. Уменьшение напряжения источника при увеличении тока объясняется увеличением падения напряжения на его внутреннем сопротивлении r0.

На рис. 1,б показана схема замещения источника электрической энергии.

При холостом ходе напряжение Uх. равно эдс источника Е; при коротком замыкании оно равно нулю, а ток короткого замыкания Iк.з. ограничен только внутренним сопротивлением источника:

Участок внешней характеристики при отрицательных значениях тока соответствует зарядке источника (например, аккумулятора).

На рис. 2 дана схема замещения простейшей электрической цепи с нагрузкой Rн

Во многих случаях внутреннее сопротивление r0 источника значительно меньше сопротивления нагрузки Rн, т.е. и потери напряжения на внутреннем сопротивлении малы; в этих случаях напряжение U на выводах источника практически не зависит от тока, что позволяет считать его равным эдс Е.

Источник с малым внутренним сопротивлением может быть заменен идеализированным, в котором r0 = 0. Такой источник называется идеальным источником эдс, или источником напряжения. Его внешняя характеристика приведена на рис. 3,а.

В ряде случаев внутреннее сопротивление источника электрической энергии может быть значительно больше сопротивления внешней цепи.

В таких цепях ток

IE/r0 = Iк.з. = const, (7)

т.е. практически равен току короткого замыкания источника. Источник электрической энергии с большим внутренним сопротивлением можно заменить идеализированным, у которого r0 =. Такой источник называется идеальным источником тока. Его внешняя характеристика определяется выражением

и приведена на рис. 3,б.

Источник напряжения можно заменить источником тока и наоборот, используя соотношения

Схемы замещения источников при таких преобразованиях даны на рис. 4.
Похожие публикации: