Детально про електрорушійні сили (ЕРС), реальний і ідеальний джерела ЕРС, трифазні ланцюга

Відомий факт - одні тіла можуть нагріватися більше, інші менше. Величину нагріву тіла називають температурою. Точно так же, одні тіла електрілізуются більше, ніж інші. Величину електризації тіла називають потенціалом тіла або електричним потенціалом.

Наелектризоване тіло - це тіло, якому повідомили електричний заряд, тобто додавання певної кількості електронів в разі, коли тіло заряджають негативно, або ж позбавлення електронів, коли тіло заряджають позитивно. Таким чином тіло отримає певну ступінь електризації (потенціал). Позитивний потенціал придбає позитивно заряджене тіло і навпаки, негативний потенціал придбає негативно заряджене тіло.

Різницею електричних потенціалів називають різницю рівнів електричних зарядів тел.

Необхідно враховувати, що різниця потенціалів буде присутній між двома однаковими однойменно зарядженими тілами, особливо коли одне тіло більше, ніж інше. Також різниця потенціалів буде присутній між тілами, якщо одне з них заряджена, а інше немає. Наприклад, якщо ми візьмемо абстрактне тіло з деяким потенціалом і ізолюємо його від землі, то різниця потенціалів між землею (потенціал землі приймають рівним нулю) і таким тілом буде рівною потенціалу тіла. Тобто, якщо тіла мають різні потенціали, то між такими тілами обов'язково буде існувати різниця потенціалів.

Згадаймо зі шкільної програми відомий приклад електризації гребінця, коли відбувається тертя об волосся - це і естьсозданіе різниці потенціалів між волоссям людини і гребінцем. Під час тертя гребінця по волоссю деякі електрони переходять на гребінець і заряджають її негативно, а волосся втрачає частину електронів і заряджаються позитивно. Так створюється різниця потенціалів, яку можна привести до нуля доторкнувшись гребінцем до волосся, при цьому можна почути характерне клацання, що ілюструють перехід електронів назад.

Отримати різниця потенціалів можна не тільки між двома зарядженими тілами, а й між окремими частинами одного тіла. Наприклад, якщо впливати будь-якої зовнішньої силою на вільні електрони, що знаходяться в мідному дроті, і перемістити їх до одного з кінців дроту, то на іншому кінці виявиться недолік електронів, а між кінцями мідного дроту буде спостерігатися різниця потенціалів. Як тільки вплив зовнішньої сили буде припинено, сила тяжіння різнойменних зарядів поверне електрони до зарядженого позитивно кінця дроту, тобто туди, де спостерігається нестача електронів, що призведе до електричного рівноваги в усьому шматку дроту.

Щоб весь час підтримувати електричний струм в провіднику, необхідно використовувати зовнішні джерела енергії для підтримки різниці потенціалів на різних кінцях провідника. В якості таких джерел енергії використовують джерела електроструму, у яких присутня певна електрорушійна сила, яка створює і тривалий час підтримує різницю потенціалів на різних кінцях провідника.

Електрорушійну силу (ЕРС) позначають буквою «Е», вимірюють у вольтах (В, міжнародне позначення - V). "

Щоб електричний струм протікав безперервно, необхідно використовувати електрорушійну силу в якості джерела електроструму.

Першим з таких джерел струму був «вольтів стовп», що складається з лав цинкових і мідних кіл, які були прокладені шкірою, яку змочували підкисленою водою. Це показує, що один із способів отримати електрорушійну силу - це коли деякі з речовин взаємодіють хімічно, таким чином перетворюючи хімічну енергію в електричну. Джерело струму, в якому створюють електрорушійну силу описаним вище способом, називають хімічним джерелом струму.

Зараз в електроенергетиці і електротехніці широко застосовують такі хімічні джерела електроструму як акумулятори, генератори і гальванічні елементи.

На електричних станціях встановлюють генератори в якості єдиного джерела струму, щоб живити електричною енергією промислові підприємства, дати електричне освітлення в міста, на електричні залізниці, трамваї, метро, ​​тролейбуси і т.д.

Електрорушійна сила діє однаково як на хімічні джерела електроструму (акумулятори і елементи), так і на генератори. Її дія полягає в створенні різниці потенціалів на кожному з затискачів джерела електроструму та підтримці її протягом тривалого часу. Затискачі джерела електроструму називають полюсами. На одному з полюсів джерела електроструму завжди відбувається нестача електронів, тобто такий полюс заряджений позитивно (маркується «+»), на іншому полюсі відбувається надлишок електронів, тобто цей полюс заряджений негативно (маркується «-»).

Джерела струму використовують для живлення електрострумом всіляких приладів, які є споживачами струму. За допомогою провідників споживачі струму приєднують до полюсів джерел струму, так що утворюється замкнуте електричне коло. Різниця потенціалів, що встановлюється в замкнутій електроланцюзі між полюсами джерела струму, називають напругою і позначають буквою «U». Одиниця виміру - вольт. Наприклад, запис U = 12 В означає, що напруга джерела електроструму дорівнює 12 В.

Щоб виміряти напругу або ЕРС використовують вольтметр.

При необхідності провести вимірювання ЕРС або напруги джерела електроструму вольтметр підключають безпосередньо до полюсів. При розімкнутої електричної ланцюга вольтметр показуватиме ЕРС джерела електроструму. При замкнутому ланцюзі вольтметр покаже напруга на кожному затиску джерела електроструму. Джерело струму завжди розвиває ЕРС більше, ніж напруга на затискачах.

Просте відео, популярно пояснює суть електрорушійної сили (ЕРС)

Окремим випадком багатофазних ланцюгів є трифазні електричні ланцюги. Багатофазні системи електроланок складаються з декількох однофазних електроланок, причому в кожній з них протікають синусоїдальні ЕРС однакових частот, які створюються одним джерелом енергії і є зсунутими по фазі на однаковий кут по відношенню один до одного. Щоб позначити кут, який буде характеризувати стадії періодичного процесу, або щоб дати назву однофазної ланцюга, яка входить в багатофазну ланцюг, використовують термін «фаза».

На практиці використовують багатофазні симетричні системи, амплітудні значення ЕРС яких однакові, фази зсуваються по відношенню один до одного на кут m (число фаз). В електротехніці в основному застосовують шести-, трьох- і двофазні ланцюга. Системи трифазні знайшли широке практичне застосування в електроенергетиці (рис. 1).

Трифазними ланцюгами прийнято називати три однофазні ланцюга, де відбувається дія синусоїдальних ЕРС однакової частоти, ланцюги зрушені по фазі на кут 2π / 3. Джерелом в такому колі виступає синхронний генератор (три його обмотки зрушені на кут 2π / 3), де індукуються три різних ЕРС, також зсунутих на кут 2π / 3. Мал. 2 схематично ілюструє трифазний синхронний генератор.

Мал. 1. Схема трифазного синхронного генератора. А, В, С - показують початку обмоток, X, Y, Z - показують кінці обмоток.

В осерді статора розташовують три аналогічні обмотки. Почала обмоток і їх кінці зміщують на кут, рівний 2π / 3. ЕРС індукується магнітним полем, які порушуються постійним струмом, який проходить по обмотці збудження. Синусоїдальні ЕРС зсуваються по фазі на кут, рівний 2π / 3, щодо один одного.

Трифазна система є симетричною системою. Обмотки статора в електричних схемах представляють так, як показано на рис. 2, а. Умовним позитивним напрямком приймається напрямок обмотки від кінця до початку. Мал. 2, б ілюструє, як змінюються миттєві значення ЕРС для трифазного генератора.

Мал. 2. Напрямок обмоток статора (а), зміна величин миттєвих значень для ЕРС (б)

Схеми векторних діаграм для прямої і зворотної послідовностей чергування фаз представлені на рис. 3, а, б.

Мал. 3. Пряма (а) і послідовна (б) послідовності чергування фаз

Послідовність фаз (порядок чергування) - послідовність, коли ЕРС стає однакових значень в фазних обмотках генератора. Наприклад, коли ротор генератора обертається як на рис. 1, отримуємо послідовність фаз АВС, таким чином, відбувається відставання ЕРС фази В від ЕРС фази А і т.д. Таку систему прийнято називати системою прямої послідовності. При зміні обертання ротора генератора в зворотну сторону послідовність чергування фаз також зміниться. Але послідовність чергування фаз не змінюється в силу того, що ротори генераторів обертаються в одну сторону.

У практиці використовують пряму послідовність чергування фаз, від якої залежить напрямок обертання трифазних двигунів. Якщо поміняти місцями дві фази двигуна, то виникне зворотна послідовність чергування фаз і обертання двигуна в зворотну сторону. Обов'язково потрібно враховувати послідовність фаз під час паралельного включення трифазних генераторів.

Мал. 4. Схема трифазного ланцюга

Ідеальні і реальні джерела ЕРС

Формулою зовнішньої характеристики ЕРС (1) є вираз залежності напруги на кожному з затискачів джерела від величин навантаження (струм джерела задається навантаженням). При цьому напруга на кожному з затискачів джерела струму менше ЕРС на значення величини падіння напруги, що відбувається на внутрішньому опорі джерела струму:

Дану формулу ілюструє діаграма зовнішньої характеристики ЕРС, яку будували за двома точками - а) якщо = 0 E = U і б) U = 0 E = R0I (рис. 5).

Мал. 5. Діаграма зовнішньої характеристики ЕРС

Як видно з діаграми, чим менше внутрішній опір джерела ЕРС, тим вище напруга на його затискачах.

У разі ідеального джерела ЕРС напруга не буде залежати від значення навантаження, R0 = 0, U = E. Але аналіз і розрахунок ланцюга джерела електричної енергії не завжди є можливим представити у вигляді джерела ЕРС. Уявімо ситуацію, коли значення зовнішнього опору кола буде значно перевищено значенням внутрішнього опору джерела, наприклад, в електроніці, в цьому випадку струм в ланцюзі буде дорівнює I = U / (R + R0) і практично не буде залежати від опору навантаження при R0 >> R, тоді джерелом струму буде виступати джерело енергії. Для цього формулу (1) розділимо на R0, отримаємо формулу (2):

Формулу (2) можна проілюструвати схемою заміщення (рис. 2), де. В даному випадку отримуємо формулу (3):

R0 = ∞ у ідеального джерела. Реальний і ідеальний джерела струму мають вольтамперні характеристики, представлені на рис. 6.

Мал. 6. Вольтамперні характеристики для ідеального і реального джерел струму

Якщо величини R і R0 не розмежовано, то розрахунковим еквівалентом джерела енергії беруть джерело ЕРС або джерело електроструму. При використанні джерела електроструму формулу (3) застосовують для обчислення падіння напруги.

Джерело напруги є активним елементом ланцюга, у нього присутні два висновки. Напруга на висновках не буде залежати від опору використовуваної мережі, тобто напруга на висновках не змінюється незалежно від струму, створюваного джерелом ЕРС.

Прийнято вважати, що всередині джерела ЕРС не присутні пасивні елементи (індуктивність, активний опір, ємність), тобто внутрішній опір дорівнює нулю. У пасивних елементах електрострум йде від більшого потенціалу до меншого потенціалу, а в джерелі ЕРС цей процес протікає навпаки. Внутрішні сили джерела виконують роботу по перенесенню заряду з негативного на позитивний полюс.

Ідеального джерела ЕРС не існує, тому що із закону Ома I = U / R видно, що коротке замикання висновків нульовим опором викликало б нескінченно велику величину струму (якщо R = 0, то отримуємо I = U / 0).

У реальному джерелі ЕРС обов'язково є внутрішній опір, і коротке замикання висновків при зменшенні величини напруги на внутрішньому опорі буде врівноважувати ЕРС джерела. Таким чином, струм короткого замикання буде кінцевим.

Мал. 7 ілюструє схеми реального і ідеального джерел ЕРС. Тут реальне джерело позначений джерело ЕРС, у якого включено послідовний опір. Значення його підбирають так, щоб показати, як буде себе вести реальне джерело. Величина внутрішнього опору зазвичай є мізерно малою і в розрахунок не береться, проте слід враховувати поставлену задачу і конкретну ланцюг.

Мал. 7. Ідеальний (а) і реальний (б) джерела ЕРС

Джерело працює при наступних режимах:

А) Номінальний - на цей режим роботи джерело розрахований виробником. У паспорті такого джерела вказані номінальні величини - струм Iном і напруга Uном (або номінальна потужність Pном).

Б) Холостий хід - зовнішній ланцюг відключають від джерела, при цьому струм джерела дорівнює нулю, а напругою на затискачах є напруга холостого ходу U = Е (формула 1).

В) Коротке замикання - в цьому випадку опір зовнішньої ланцюга дорівнює нулю, а струм джерела обмежений внутрішнім опором. З формули (1) отримаємо I = IКВ = U / R0 при U = 0. Щоб зменшити втрати енергії в джерелі R0должно дорівнювати нулю, а з огляду на IКВ >> Iном, що неприпустимо для джерела.

Г) Погоджений - режим передачі від джерела споживачеві максимальної потужності, яку визначають за допомогою параметрів джерела. Потужність навантаження Р = I2R, при R = R0 отримаємо Pmax = E2 / 4R0. При такому режимі ККД не перевищить 50%, тому цей режим в промисловій електротехніці не застосовують. Цей режим ідеально підходить для слабкострумових ланцюгів в електронних пристроях