3.1 Элементы электрических цепей

Явление электрического тока проводимости имеет огромное практическое значение. С ним связаны важнейшие энергетические преобразования: получение электрической энергии из других видов энергии, передача электрической энергии на расстояние и её преобразование в другие виды энергии.

Эти энергетические преобразования осуществляются в электрических цепях.

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока. Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определённую функцию, называется элементом электрической цепи.

Электрические цепи можно классифицировать по виду тока – цепи постоянного и переменного тока; по составу элементов – цепи активные пассивные; цепи линейные и нелинейные. Электрические цепи переменного тока, кроме того, различают по числу фаз – однофазные и трёхфазные.

Электрические цепи, в которых получение электрической энергии в источниках, её передача и преобразование в приёмниках происходят при постоянных во времени токах и напряжениях, называют электрическими цепями постоянного тока.

Элементы электрических цепей могут быть активными и пассивными. Активные элементы являются источниками энергии (и информации), а пассивные только потребляют или накапливают энергию электрического и магнитного полей. Электрические цепи, состоящие из пассивных элементов, называются пассивными. Цепи, содержащие хотя бы один активный элемент, называются активными.

Различают линейные и нелинейные элементы. Параметры линейных элементов не зависят от величины протекающего тока или приложенного напряжения. График зависимости напряжения на элементе от величины протекающего тока называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Рис. 3.1 Вольт-амперные характеристики элементов:

а) линейного б) нелинейного

ВАХ линейного элемента имеет вид прямой линии (рис. 3.1,а), а нелинейного – не является прямолинейной (рис. 3.1,б).

В электрической цепи источники и приёмники соединяются с помощью проводов, кабелей, шин и т. д., называемых просто проводами, которые обеспечивают передачу электрической энергии от источников к приёмникам.

3.2 Схемы электрических цепей

Графическое изображение электрической цепи называется схемой. Натурное изображение электротехнических устройств и их соединений привело бы к громоздким и трудоёмким чертежам, которые можно упростить, если каждое электротехническое устройство изобразить его условным обозначением. Такое графическое изображение называется принципиальной схемой. На принципиальной схеме приводится полный состав элементов и указаны связи между ними. Эта схема даёт детальное представление о принципах работы изделия (установки). Условные обозначения элементов установлены стандартами системы ЕСКД.

Принципиальная схема простейшей электрической цепи (рис. 3.2) состоит из трёх основных элементов: источника электрической энергии, например, аккумулятора 1, приёмника электрической энергии 2 и соединительных проводов 3.

Рис. 3.2 Схема простейшей электрической цепи

Источники электрической энергии

Источники электрической энергии – это преобразователи какого либо вида неэлектрической энергии в электрическую. Турбогенераторы тепловых электростанций и гидрогенераторы гидроэлектростанций – это машины переменного тока.

Для цепей постоянного тока применяются электромеханические генераторы постоянного тока; преобразователи химической энергии в электрическую – гальванические элементы и аккумуляторы.

Источниками электрической энергии служат электрические трансформаторы и выпрямители. Эти устройства не вырабатывают электрическую энергию, а получают её от тех же генераторов переменного тока, изменяют её характеристики: трансформаторы изменяют величину напряжения, а выпрямители преобразуют переменное напряжение в постоянное. Трансформаторы и выпрямители, с одной стороны, являются приёмниками электрической энергии, а с другой – приёмниками.

Приёмники электрической энергии

Приёмники электрической энергии являются наиболее многочисленными и разнообразными элементами электрических цепей. Они преобразуют электрическую энергию в другие виды энергии: механическую (электродвигатели, тяговые электромагниты); тепловую (электрические печи, бытовые нагревательные приборы, сварочные аппараты); световую (лампы накаливания); химическую (аккумуляторы в процессе зарядки и др.).

Приёмник потребляет энергию от источника, т. е. нагружает его, называется эквивалентным сопротивлением нагрузки и обозначается .

В соединительных проводах и кабелях, при наличии в них электрического тока, выделяется теплота, поэтому в расчётах они выступают как преемники электрической энергии.

Кроме основных элементов в схему входят различные вспомогательные элементы для управления (рубильники, переключатели и др.), защиты (плавкие предохранители, реле и др.), регулирования (реостаты, стабилизаторы напряжения и тока, трансформаторы), контроля (амперметры, вольтметры и т. д.). Вспомогательные элементы, так же как и основные, включаются в цепь с помощью проводов.

В электрических цепях и их схемах различают последовательное и параллельное соединение элементов. Группы элементов из последовательно и параллельно соединённых элементов между собой могут быть включены последовательно или параллельно – так образуются сложные электрические цепи.

Кроме принципиальных схем при разработке, конструировании и монтаже электротехнических изделий и установок используются структурные, функциональные, монтажные и др. схемы.

Условные обозначения как основных, так и вспомогательных элементов различных видов электрических схем установлены стандартами системы ЕСКД [5].