Metody podłączania odbiorników energii elektrycznej

Dzięki jednoczesnemu włączeniu kilku odbiorników mocy do tej samej sieci, odbiorniki te można łatwo traktować po prostu jako elementy jednego obwodu, z których każdy ma swoją rezystancję.

W niektórych przypadkach takie podejście okazuje się całkiem akceptowalne: żarówki, grzejniki elektryczne itp. - mogą być postrzegane jako rezystory. Oznacza to, że urządzenia można zastąpić ich opornością i łatwo jest obliczyć parametry obwodu.

Sposób podłączenia odbiorników mocy może być jednym z następujących: połączenie szeregowe, równoległe lub mieszane.

Połączenie szeregowe

Gdy kilka odbiorników (rezystorów) jest podłączonych do obwodu szeregowego, to znaczy drugie wyjście pierwszego jest podłączone do pierwszego wyjścia drugiego, drugie wyjście drugiego jest połączone z pierwszym wyjściem trzeciego, drugie wyjście trzeciego z pierwszym wyjściem czwartego itd., Gdy podłącza się taki obwód do źródło zasilania, przez wszystkie elementy prądu obwodu I przepłynie tej samej wielkości. Pomysł ten wyjaśniono na rysunku.

Zastępując urządzenia ich rezystancjami, przekształcamy figurę w obwód, a następnie rezystancje R1 do R4, połączone szeregowo, będą przyjmować określone napięcia, co w sumie da wartość EMF na zaciskach źródła zasilania. Dla uproszczenia poniżej przedstawimy źródło w postaci ogniwa galwanicznego.

Wyrażając spadek napięcia przez prąd i przez rezystancję, otrzymujemy wyrażenie na równoważną rezystancję obwodu szeregowego odbiorników: całkowita rezystancja szeregowego połączenia rezystorów jest zawsze równa sumie algebraicznej wszystkich rezystancji, które tworzą ten obwód. A ponieważ napięcia w każdej z sekcji obwodu można znaleźć na podstawie prawa Ohma (U = I * R, U1 = I * R1, U2 = I * R2 itd.) I E = U, to dla naszego obwodu otrzymujemy:

Napięcie na zaciskach zasilacza jest równe sumie spadków napięcia na każdym z szeregowo połączonych odbiorników tworzących obwód.

Ponieważ prąd przepływa przez cały obwód o tej samej wartości, można śmiało powiedzieć, że napięcia w szeregowo połączonych odbiornikach (rezystorach) są proporcjonalne do rezystancji. Im wyższa rezystancja, tym wyższe napięcie przyłożone do odbiornika.

W przypadku szeregowego połączenia rezystorów w liczbie n elementów o tych samych opornikach Rk, równoważna całkowita rezystancja obwodu jako całości będzie n razy większa niż każda z tych rezystorów: R = n * Rk. W związku z tym napięcia przyłożone do każdego z oporników obwodu będą sobie równe i będą n razy mniejsze niż napięcie przyłożone do całego obwodu: Uk = U / n.

Następujące właściwości są charakterystyczne dla szeregowego podłączenia odbiorników mocy: jeśli zmienisz rezystancję jednego z odbiorników obwodu, wówczas zmienią się napięcia na pozostałych odbiornikach obwodu; gdy jeden z odbiorników ulegnie awarii, prąd zatrzyma się w całym obwodzie, we wszystkich innych odbiornikach.

Ze względu na te cechy połączenie szeregowe jest rzadkie i jest stosowane tylko wtedy, gdy napięcie sieciowe jest wyższe niż napięcie znamionowe odbiorników, przy braku alternatyw.

Na przykład przy napięciu 220 woltów można zasilać dwie połączone szeregowo lampy o jednakowej mocy, z których każda jest przystosowana do napięcia 110 woltów. Jeśli lampy o tym samym znamionowym napięciu zasilania mają inną moc znamionową, jedna z nich zostanie przeciążona i najprawdopodobniej natychmiast się przepali.

Połączenie równoległe

Równoległe połączenie odbiorników obejmuje włączenie każdego z nich między parę punktów obwodu elektrycznego, aby tworzyły równoległe gałęzie, z których każdy zasilany jest napięciem źródła. Dla jasności ponownie zastąpimy odbiorniki ich rezystancjami elektrycznymi, aby uzyskać obwód, zgodnie z którym wygodnie jest obliczyć parametry.

Jak już wspomniano, w przypadku połączenia równoległego każdy opornik jest zasilany tym samym napięciem. I zgodnie z prawem Ohma mamy: I1 = U / R1, I2 = U / R2, I3 = U / R3.

Tutaj jest prąd źródłowy. Pierwsze prawo Kirchhoffa dla tego obwodu pozwala nam zapisać wyrażenie dla prądu w jego nierozgałęzionej części: I = I1 + I2 + I3.

Stąd całkowity opór dla równoległego połączenia elementów obwodu ze sobą można znaleźć ze wzoru:

Odwrotność rezystancji nazywa się przewodnością G, a wzór na przewodność obwodu, składającą się z kilku równoległych elementów, można również zapisać: G = G1 + G2 + G3. Przewodność obwodu w przypadku równoległego połączenia tworzących go oporników jest równa sumie algebraicznej przewodności tych oporników. Dlatego, gdy do obwodu zostaną dodane równoległe odbiorniki (rezystory), całkowita rezystancja obwodu spadnie, a całkowita przewodność odpowiednio wzrośnie.

Prądy w obwodzie składającym się z połączonych równolegle odbiorników są rozdzielane między nimi wprost proporcjonalnie do ich przewodności, czyli odwrotnie proporcjonalnie do ich rezystancji. Tutaj możemy podać analogię z hydrauliki, w której przepływ wody jest rozprowadzany przez rury zgodnie z ich sekcjami, wtedy większy odcinek jest podobny do niższego oporu, to znaczy większej przewodności.

Jeśli obwód składa się z kilku (n) identycznych rezystorów połączonych równolegle, wówczas całkowita rezystancja obwodu będzie n razy niższa niż rezystancja jednego z oporników, a prąd przez każdy z oporników będzie n razy mniejszy niż całkowity prąd: R = R1 / n; I1 = I / n.

Obwód składający się z połączonych równolegle odbiorników podłączonych do źródła zasilania charakteryzuje się tym, że każdy z odbiorników jest zasilany przez źródło zasilania.

W przypadku idealnego źródła energii elektrycznej stwierdzenie jest prawdziwe: podczas podłączania lub odłączania rezystorów równolegle do źródła prądy w pozostałych podłączonych opornikach nie zmienią się, to znaczy, jeśli jeden lub więcej odbiorników obwodu równoległego ulegnie awarii, reszta będzie nadal działać w tym samym trybie.

Ze względu na te cechy połączenie równoległe ma znaczącą przewagę nad połączeniem szeregowym iz tego powodu jest to połączenie równoległe najczęściej występujące w sieciach elektrycznych. Na przykład wszystkie urządzenia elektryczne w naszych domach są zaprojektowane do równoległego podłączenia do sieci domowej, a jeśli je odłączysz, nie zaszkodzi to reszcie.

Porównanie obwodów szeregowych i równoległych

Mieszany związek

Przez mieszane połączenie odbiorników rozumie się takie połączenie, gdy część lub kilka z nich jest połączonych szeregowo, a inna część lub kilka równolegle. Co więcej, cały łańcuch może być utworzony z różnych związków takich części między sobą. Rozważmy na przykład schemat:

Trzy szeregowo połączone rezystory są podłączone do źródła zasilania, dwa kolejne są połączone równolegle z jednym z nich, a trzeci jest podłączony równolegle do całego obwodu.Aby znaleźć impedancję obwodu, przechodzą kolejne transformacje: złożony obwód jest sekwencyjnie prowadzony do prostej formy, sekwencyjnie obliczając rezystancję każdego łącza, a zatem znajduje całkowitą równoważną rezystancję.

Dla naszego przykładu. Najpierw znajduje się całkowita rezystancja dwóch rezystorów R4 i R5 połączonych szeregowo, następnie rezystancja ich równoległego połączenia z R2, następnie są dodawane do uzyskanej wartości R1 i R3, a następnie obliczana jest wartość rezystancji całego obwodu, w tym równoległej gałęzi R6.

Różne metody podłączania odbiorników mocy są stosowane w praktyce do różnych celów w celu rozwiązania określonych zadań. Na przykład mieszany związek można znaleźć w obwodach miękkiego ładowania. kondensatory elektrolityczne w potężnych zasilaczach, w których obciążenie (kondensatory za mostkiem diodowym) najpierw otrzymuje szeregowo moc przez rezystor, następnie opornik jest mostkowany przez styki przekaźnika, a obciążenie jest połączone równolegle z mostkiem diodowym.