Министерство науки и высшего образования Российской Федерация
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения высшего образования
«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовыx»
(ВлГУ)
Кафедра «Электротехника и электроэнергетика»
Курсовая работа (Курсовой проект)
По дисциплине
Выполнил:
Ст.гр. Аи-117
Исаев М. О.
Проверил:
Владимир 2019
Характеристики и схемы замещения источников и приемников (потребителей) электрической энергии
Математическая модель электрической цепи не может быть сформулирована на основе только уравнений по законам Кирхгофа. Необходимы уравнения, связывающие напряжения и токи на отдельных элементах. В цепях с постоянными токами основными характеристиками элементов электрических цепей являются зависимости их напряжения от тока. Такие зависимости называют вольт-амперпыми характеристиками.
Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. Все источники электрической энергии являются активными элементами, они характеризуются определенным значением ЭДС Е. Приемники электрической энергии могут быть пассивными или активными. Пассивными называются приемники, в которых не возникает ЭДС.
Вольт-амперные характеристики (ВАХ) пассивного элемента можно получить экспериментально с помощью схемы на рис. 1.3.1.
Рис. 13.1. Схема опыта для получения ВАХ приемника II при изменении напряжения источника И
Вольт-амперные характеристики пассивных элементов проходят через начало координат — в отсутствие напряжения ток этих элементов равен нулю. Пассивные элементы характеризуются электрическим сопротивлением R = U/I, которое у одних приемников зависит от приложенного напряжения, а у других не зависит. В первом случае приемники имеют нелинейные ВАХ (рис. 1.3.2, а), поэтому их называют нелинейными элементами (выпрямительные диоды, стабилитроны и др.).
Линейные пассивные элементы имеют линейную ВАХ:
показанную на рис. 1.3.2, 6. Сопротивление линейных элементов не зависит от напряжения (R = const), при этом тангенс угла наклона прямой к оси тока определяет постоянное электрическое сопротивление элемента: 
Рис. 13.2. Нелинейная (а) и линейная (б) ВАХ приемников, условные обозначения нелинейного (в) и линейного (г) резистивных элементов
где ти, и тк — масштабы графиков по напряжению, току и сопротивлению. Единицей сопротивления является ом (Ом).
Величину, обратную сопротивлению, называют электрической проводимостью и обозначают буквой С:
Единицей электрической проводимости является сименс (См).
Зависимость тока от напряжения в линейном элементе определяется законом Ома:
Условные графические обозначения нелинейного и линейного резистивных элементов приведены соответственно на рис. 1.3.2, в, г. Линейные пассивные элементы имеют один параметр — сопротивление.
Вольт-амперные характеристики источников электрической энергии, которые часто называют внешними характеристиками, можно получить в опытах по схеме на рис. 1.3.3, а при изменении сопротивления пассивного линейного приемника. ВАХ источника также может быть нелинейной или линейной (рис. 1.3.3, б, в). У большинства источников электрической энергии напряжение между их полюсами Аи В с ростом тока уменьшается за счет падения напряжения на внутреннем сопротивлении /?вт.
Рис. 1.3.3. Схема опыта для получения ВАХ источника при изменении сопротивления линейного приемника (а). Нелинейная (б) и линейная (в) внешние характеристики источников электрической энергии
Линейная внешняя характеристика источника электрической энергии (см. рис. 1.3.3, в) может быть описана уравнением 11= их- /?вт/. Здесь IIх — напряжение на источнике при токе / = 0 (напряжение в режиме холостого хода). Оно равно электродвижущей силе источника Е. /?вт — внутреннее сопротивление источника, /?вт = их/1к. /к— ток источника при напряжении, равном нулю (режим короткого замыкания). Отсюда следует уравнение состояния линейного источника электрической энергии 
Если сопротивление приемника изменяется в таких пределах, что оно много больше внутреннего сопротивления источника (1?п Лвт), то ток изменяется в пределах малых значений и напряжение и практически остается неизменным и равным ЭДС Е. Такой источник электрической энергии называют идеальным источником ЭДС. ВАХ идеального источника ЭДС приведена на рис. 1.3.4, а, а его условное графическое обозначение — на рис, 1.3.4, б. Поскольку напряжение источника в этом случае является неизменным (11 =?), на схемах вместо источника ЭДС часто показывают полюса, между которыми задано напряжение II (рис. 1.3.4, г). Для наглядности на рисунках знаками (+) и (-) дополнительно указаны полярности напряжений. В ряде компьютерных программ для схемотехнического анализа используется упрощенное обозначение идеального источника ЭДС (рис. 1.3.4, в).
Рис. 13.4. ВАХ (а)у условные обозначения идеального источника ЭДС (б, в и г)
Реальному источнику электрической энергии (#вт # 0) соответствует схема замещения, состоящая из идеального источника ЭДС Е и резистивного элемента, сопротивление /?вт которого равно внутреннему сопротивлению источника (рис. 1.3.5, а).
Рис. 13.5. Схема замещения реального линейного источника (а)
и схема замещения цепи, состоящей из источника (выделено пунктиром) и пассивного приемника (б)
Упражнение 1.3.1[1]. Состояние и параметры генератора
Электрический генератор постоянного тока (ГПТ) имеет параметры, заданные табл. 1.3.1. Определите недостающий параметр.
Схема замещения электрической цепи — это графический образ математической модели реального устройства, учитывающей физические процессы, которые происходят в реальном устройстве. Математическая модель строится из идеальных элементов, соединенных таким образом, что уравнения схемы замещения соответствуют математическому описанию реальных объектов. Схемы замещения отображают свойства электрической цепи при определен Таблица 1.3.1
К вариантам упражнения 1.3.1
| Параметр ГПТ | Вариант | |||
| ?, В | ? | |||
| и, В | ? | |||
| /, А | ? | |||
| /?вт, Ом | ? |
ных условиях. Одной и той же электрической цепи для разных условий (напряжений и токов источников, температуры, освещенности, магнитных и электрических полей) могут соответствовать различные схемы замещения.
В схемах замещения электрических цепей используют универсальные обозначения источников и приемников электрической энергии независимо от вида энергии, преобразуемой в электрическую в источниках, и от вида энергии, в которую преобразуется электрическая энергия в приемниках. Следовательно, вместо многочисленных условных графических обозначений источников и приемников электрической энергии (см. примеры на рис. 1.2.6 и 1.2.7) в схемах замещения цепей применяют единые обозначения источников ЭДС и резистивных элементов (см. рис. 1.3.4 и 1.3.5, а).
Резистивный элемент включают в схему замещения любого элемента электрической цепи, в котором происходит необратимый процесс преобразования электрической энергии в другой вид энергии.
Если к источнику электрической энергии подключен пассивный приемник с сопротивлением /?и, то электрическую цепь можно представить ее схемой замещения, состоящей из идеального источника ЭДС Е и двух резистивных элементов с сопротивлениями #вт и /?п (см. рис. 1.3.5, б).
Для однозначности описания процессов, происходящих в цени, необходимо знать не только значения токов и напряжений, но также их направления. Стрелки, поставленные на схемах, указывают направления ЭДС, напряжений и токов, для которых значения обозначенных величин положительны. Из курса физики известно, что за положительное направление тока принято направление движения положительных зарядов, за положительное направление ЭДС — направление действия сторонних сил на положительный заряд, за положительное направление напряжения — направление убывания потенциала. Поскольку положительные заряды внутри источника движутся в направлении сторонних сил, то положительные направления тока и ЭДС совпадают, а напряжения — противоположны. В приемнике положительные заряды движутся в направлении убывания потенциала, следовательно, положительные направления тока и напряжения приемника совпадают. В схеме замещения неразветвленной электрической цепи (см. рис. 1.3.5, б) ЭДС Е, направленная внутри источника от «минуса» к «плюсу», создает ток I того же направления.
Уравнение состояния этой цепи может быть составлено следующим образом. Напряжение на источнике согласно (1.3.5) равно II = Е - 7?вт/. Оно равно также, согласно уравнению (1.3.1), напряжению на приемнике 11= /?,,/. Отсюда следует 
Сравнивая (1.3.5) с уравнением (1.2.3), легко увидеть, что здесь получена другая форма уравнения по второму закону Кирхгофа — при обходе по контуру сумма напряжений на резистивных элементах, которые выражены через ток и сопротивления по закону Ома, равна сумме ЭДС.
Из (1.2.3) следует выражение для тока через ЭДС и сопротивления элементов цени: 
В рассматриваемой цепи все элементы соединены последовательно, так как имеют один ток (одноконтурная цепь).
Скорость преобразования энергии в электрической цепи в различных элементах цепи описывается физической величиной, которая называется мощностью. Единица измерения мощности — Ватт (Вт).
В цепи постоянного тока мощность пассивного элемента равна
В источнике электрической энергии мощность источника ЭДС равна 
а мощность потерь —
Коэффициент полезного действия источника равен отношению мощности приемника, подсоединенного к источнику, к мощности источника ЭДС (последняя равна, например, мощности рабочей машины, вращающей ротор электрического генератора):
Рассмотрим теперь неразветвленную цепь, состоящую из генератора постоянного тока и аккумуляторной батареи, находящейся в режиме подзарядки. Пользуясь условными обозначениями источников (см. рис. 1.2.5), изобразим схему такой простейшей цепи (рис. 1.3.6, а).
Генератор постоянного тока — это источник электрической энергии, его схема замещения представлена на рис. 1.3.5, а. Аккумулятор, находящийся в режиме подзарядки, — активный приемник, в котором процесс преобразования энергии сопровождается возникновением ЭДС, направленной противоположно направлению зарядного тока.
Рис. 1.3.6. Схема цепи, состоящей из генератора Г и аккумулятора Ак (я), ВАХ активного приемника — аккумулятора (б) и схема замещения цепи (в)
Приложенное к активному приемнику напряжение уравновешивает противо-ЭДС и падение напряжения на внутреннем сопротивлении /?вт, т.е. всегда больше электродвижущей силы приемника
Здесь напряжение на внутреннем сопротивлении Явт1 аккумулятора — с положительным знаком в отличие от (1.3.5). ВАХ приемника, построенная но выражению (1.3.12), приведена на рис. 1.3.6, 6. При составлении схемы замещения генератор заменяют идеальным источником ЭДС Е{ и резистивным элементом /?ВТ1, а аккумуляторную батарею — идеальным источником ЭДС Е2 и резистивным элементом /?вт2 (см. рис. 1.3.6, в).
Ток в схеме совпадает по направлению с ЭДС?, и противоположен ЭДС Е2. Напряжение между полюсами приемника направлено от полюса А с высшим потенциалом к полюсу В с низшим потенциалом.
Контурное уравнение по второму закону Кирхгофа при обходе по часовой стрелке (см. рис. 1.3.6, в) имеет вид
Отсюда ток равен
