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电源有载工作、开路与短路


2017-04-28 10:32   点击:75
                        

以最简单的直流电路(图1)为例,分别讨论电源有载工作、开路与短路时的电流、电压和功率。

图1 电源有载工作

图2电源的外特性曲线

1、电源有载工作

将图1中的开关合上,接通电源与负载,这就是电源有载工作。

(1)电压与电流关系

应用欧姆定律可列出电路中的电流I

   (1)

和负载电阻R两端的电压U

并由上两式可得出

   (2)

由上式可见,电源端电压小于电动势,两者之差为电流通过电源内阻所产生的电压降。电流愈大,则电源端电压下降得愈多。表示电源端电压U与输出电流I之间关系的曲线,称为电源的外特性曲线,如图1.6所示,其斜率与电源内阻有关。电源内阻一般很小。当时,则

上式表明,当电流(负载)变动时,电源的端电压变动不大,这说明它带负载能力强。

(2)功率与功率平衡

式 (2)各项乘以电流I,则得功率平衡式

   (3)

式中:,是电源产生的功率;,是电源内阻上损耗的功率;,是电源输出的功率。

功率的单位是瓦[特](W)或千瓦(kW)。

(3)电源与负载的判别

分析电路,还要判别哪个电路元件是电源(或起电源的作用),哪个是负载(或起负载的作用)。

根据电压和电流的实际方向可确定某一元件是电源还是负载:

电源UI的实际方向相反,电流从“+”端流出,发出功率;

负载UI的实际方向相同,电流从“+”端流入,取用功率。

根据电压、电流的参考方向判别

若电压、电流的参考方向相同

为正值,是负载,取用功率;

为负值,是电源,发出功率。

电压、电流的参考方向不相同

为正值,是电源,发出功率;

为负值,是负载,取用功率。

(4) 额定值与实际值

各种电气设备的电压、电流及功率等都有一个额定值。例如一盏电灯上标的220V40W,这就是它的额定电压和额定功率。额定值是制造厂为了使产品能在给定的工作条件下正常运行而规定的正常容许值。电气设备或元件的额定值常标在铭牌上或写在其他说明中。额定电压、额定电流和额定功率分别用表示。

使用时,电压、电流和功率的实际值不一定等于它们的额定值,这也是一个重要的概念。

究其原因,一个是受到外界的影响。例如电源额定电压为220V,但电源电压经常波动,稍低于或稍高于220V。这样,额定值为220V 40W的电灯上所加的电压不是220V,实际功率也就不是40W了。

另一原因是在一定电压下电源输出的功率和电流决定于负载的大小,就是负载需要多少功率和电流,电源就给多少,所以电源通常不一定处于额定工作状态,但是一般不应超过额定值。对于电动机也是这样,它的实际功率和电流也决定于它轴上所带的机械负载的大小,通常也不一定处于额定工作状态。

2、电源开路

在图1.5所示的电路中,当开关断开时,则电源处于开路(空载)状态,如图1.7所示。开路时外电路的电阻对电源来说等于无穷大,因此电路中电流为零。这时电源的端电压(称为开路电压或空载电压)等于电源电动势,电源不输出电能。

如上所述,电源开路时的特征可用下列各式表示:

   (4)

3、电源短路

在图1所示的电路中,当电源的两端由于某种原因而连在一起时,电源则被短路,如图4所示。电源短路时,外电路的电阻可视为零,电流有捷径可通,不再流过负载。因为在电流的回路中仅有很小的电源内阻,所以这时的电流很大,此电流称为短路电流。短路电流可能使电源遭受机械的与热的损伤或毁坏。短路时电源所产生的电能全被内阻所消耗。

图3电源开路

图4电源短路

电源短路时由于外电路的电阻为零,所以电源的端电压也为零。这时电源的电动势全部降在内阻上。

如上所述,电源短路时的特征可用下列各式表示:

   (5)

短路也可发生在负载端或线路的任何处。

短路通常是一种严重事故,应该尽力预防。产生短路的原因往往是由于绝缘损坏或接线不慎,因此经常检查电气设备和线路的绝缘情况是一项很重要的安全措施。此外,为了防止短路事故所引起的后果,通常在电路中接入熔断器或自动断路器,以便发生短路时,能迅速将故障电路自动切除。但是,有时由于某种需要,可以将电路中某一段短路(常称为短接)或进行某种短路实验。

由电源的开路电压和短路电流可计算它的电动势和内阻。

电源的电动势

电源的内阻   (6)

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