Режимы работы электрической цепи
Известно, что электрическая цепь – это совокупность определённых устройств, которые обеспечивают постоянное, непрерывное прохождение электрического тока. Работа цепи невозможна, если в ней отсутствуют какие-либо элементы; в обязательном порядке должны присутствовать как источники энергии, так и её проводники, а приёмники, как правило, — это основные устройства, образующие данную цепь.
Если учесть, что в электрической цепи встречаются различные элементы, которые делятся на три основные группы: источники энергии, проводники тока и приёмники, т. е., те элементы, которые питаются от тока и преобразуют энергию в другие её виды, то можно предположить, что существует и различные режимы работы электрических цепей.
Основные режимы работы электрических цепей
Как уже было сказано ранее, любая электрическая цепь может иметь довольно сложную структуру, зависящую от количества элементов в ней и её разветвлённости.
Всё это приводит к тому, что цепь может работать в различных режимах.
Выделяют три основных режима работы: нагрузочный (или согласованный), режим короткого замыкания, а также режим холостого хода. Они отличаются друг от друга нагрузкой на электрическую цепь. Также можно выделить номинальный режим работы. В этом режиме работы все устройства в цепи работают при условиях, указанных для них как оптимальные. Эти характеристики прописываются производителем в паспортных данных при изготовлении устройства на заводе.
Нагрузочный, или согласованный режим работы. Если к источнику энергии в электрической цепи подключается какой-либо приёмник, то он обладает неким сопротивлением. Таким приёмником может быть любое устройство, например электрическая лампочка.
Если есть напряжение, то действует закон Ома, таким образом, ЭДС источника получается из суммы напряжений внешнего участка цепи и на внутреннем сопротивлении источника. Падение напряжение во внешней цепи будет равным напряжению на зажимах источника.
Оно зависит от нагрузочного тока: чем меньше сопротивление нагрузки, тем больше ток и, соответственно, меньше напряжение на зажимах источника питания цепи.
Другими словами можно сказать, что нагрузочный или согласованный режим работы представляет собой режим, при котором происходит передача нагрузки повышенной мощности от источника. В этом режиме сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника, при этом расходуется максимальная мощность.
Однако, такой режим не рекомендуется использовать, так как при длительном превышении номинальных значений устройства могут выйти из строя.
Режим работы холостого хода. Этот режим работы электрической цепи характеризует разомкнутое её состояние – ток отсутствует, и все элементы отключены от источника питания.
В таком состоянии цепи внутреннее падение напряжение равно нулю, а напряжение на зажимах источника питание совпадает с ЭДС источника.
Т. е., можно сказать, что режим холостого хода характеризует электрическую цепь, когда она находится в разомкнутом состоянии, а сопротивление нагрузки отсутствует полностью или отключено.
Такое состояние цепи можно использовать для измерения ЭДС источника питания.
Режим короткого замыкания. Этот режим работы считается аварийным, электрическая цепь не может работать нормально. Короткое замыкание возникает при соединении двух различных точек цепи, разница потенциалов которых отличается. Такое состояние не предусмотрено изготовителем устройства и нарушает его нормальную работу.
В этом режиме работы зажимы источника энергии замкнуты проводником («закорочены»), при этом его сопротивление близко к нулю. Часто, короткое замыкание происходит в тех случаях, когда соединяются два провода, которые связывают между собой источник и приёмник в цепи, как правило, их сопротивление незначительно, так что его можно назвать нулевым.
При возникновении режима короткого замыкания, ток в цепи значительно превышает номинальные значения (из-за отсутствия сопротивления). Это может привести в непригодное состояние источник энергии и приёмники в электрической цепи.
В некоторых случаях это является результатом неправильных действий со стороны персонала, работающего с электротехническим оборудованием.
Переменный (синусоидальный) ток и основные характеризующие его величины.
Переменный ток (англ. alternating current — AC) — электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление в электрической цепи неизменным.
В быту для электроснабжения переменяется переменный, синусоидальный ток.
Синусоидальный ток представляет собой ток, изменяющийся во времени по синусоидальному закону (Рисунок 1):
Рисунок 1Максимальное значение функции называют амплитудой. Её обозначают с помощью заглавной (большой) буквы и строчной буквы m — максимальное значение. К примеру:
- амплитуду тока обозначают lm;
- амплитуду напряжения Um.
Период Т— это время, за которое совершается одно полное колебание.
Частота f равна числу колебаний в 1 секунду (единица частоты f — герц (Гц) или с-1)
f = 1/T
Угловая частота ω (омега) (единица угловой частоты — рад/с или с-1)
ω = 2πf = 2π/T
Аргумент синуса, т. е. (ωt + Ψ), называют фазой. Фаза характеризует состояние колебания (числовое значение) в данный момент времени t.
Любая синусоидально изменяющаяся функция определяется тремя величинами: амплитудой, угловой частотой (ω) и начальной фазой Ψ (пси)
В странах СНГ и Западной Европе наибольшее распространение получили установки синусоидального тока частотой 50 Гц, принятой в энергетике за стандартную. В США стандартной является частота 60 Гц.
Диапазон частот практически применяемых синусоидальных токов очень широк: от долей герца, например в геологоразведке, до миллиардов герц в радиотехнике.
Синусоидальные токи и ЭДС сравнительно низких частот (до нескольких килогерц) получают с помощью синхронных генераторов (их изучают в курсе электрических машин). Синусоидальные токи и ЭДС высоких частот получают с помощью ламповых или полупроводниковых генераторов (подробно рассматриваемых в курсе радиотехники и менее подробно — в курсе ТОЭ). Источник синусоидальной ЭДС и источник синусоидального тока обозначают на электрических схемах так же, как и источники постоянной ЭДС и тока, но обозначают их е и j (или e(t) и j(t)).
Обратите внимание! При обозначении величин на схемах или в расчетах важен регистр букв, то есть заглавные буквы (
04.02.2014
ТОЭ,Переменный ток
Цепи синусоидального тока
Все, что вам нужно знать о переходных процессах в электрических цепях | Блог системного анализа
Ключевые выводы
-
Виды переходных процессов в электрических цепях.
-
Источники переходных процессов в электрических цепях.
-
Влияние переходных процессов в электрических цепях.
Молния — внешний источник, вызывающий переходные процессы в электрических цепях
Когда в электрической цепи происходит коммутационное действие, напряжение и ток проходят через переходное состояние, прежде чем достигнут установившихся условий. Переходные процессы в электрических цепях возникают кратковременно сразу после коммутационного действия.
Продолжительность переходных процессов в основном находится в диапазоне от микросекунд до нескольких миллисекунд и зависит от параметров цепи, таких как сопротивление, индуктивность, емкость и т. д. Величина переходного напряжения и токов в электрических цепях продолжает быстро изменяться до установившегося состояния. Достигнут. В любой электрической цепи переходные процессы указывают на нестабильную систему, поэтому контроль переходных процессов повышает надежность системы. В этой статье мы обсудим типы, источники и последствия переходных процессов в электрических цепях.
Переходные процессы в электрических цепях
Когда электрическая мощность, подаваемая в цепь, мгновенно изменяется в течение короткого промежутка времени, это называется переходными процессами. Переходные процессы неизменно влияют на напряжение и ток. Цепи переменного и постоянного тока одинаково уязвимы к переходным процессам, а установившиеся значения достигаются после переходного периода.
В соответствии со стандартами ANSI длительность переходного процесса составляет примерно 1/16 временного периода кривой напряжения или тока, или примерно одну миллисекунду. Типичная продолжительность переходных процессов напряжения составляет 50 микросекунд, а переходных процессов тока около 2 микросекунд. Переходные процессы, генерируемые в цепи, могут быть однополярными или биполярными.
Переходные процессы — это кратчайшее нарушение качества электроэнергии с выбросом энергии в цепи. Энергия переходных процессов может добавляться или вычитаться из номинальной энергии стационарного сигнала. Как правило, аддитивная энергия проявляется в переходных режимах с повышением напряжения или тока, в несколько раз превышающим номинальное стационарное значение. В переходных условиях компонентам, присутствующим в цепи, становится трудно выдерживать скачки напряжения и скачки тока, поскольку она рассчитана на установившиеся значения напряжения и тока. Переходные процессы также связаны с аномальными изменениями частоты, которые могут достигать 5 МГц.
Типы переходных процессов в электрических цепях
Переходные процессы в электрических цепях можно классифицировать как:
-
- Колебательные переходные процессы — Колебательные переходные процессы аналогичны импульсным переходным процессам, но они биполярные или двунаправленные. Полярность колебательных переходных процессов может быстро меняться с отрицательной на положительную и наоборот. Колебательные переходные процессы характеризуются своей величиной, продолжительностью и спектральным составом.
Как импульсные, так и колебательные переходные процессы дополнительно классифицируются по частоте.
В таблице ниже приведены классификации.
|
Сл.№ |
Классификация |
Типичная продолжительность |
|
|
Импульсные переходные процессы |
Колебательные переходные процессы |
||
|
1 |
Низкочастотный |
Более 1 мс |
от 0,3 до 50 мс |
|
2 |
Средняя частота |
от 50 нс до 1 мс |
До 20 мкс |
|
3 |
Высокочастотный |
Менее 50 нс |
До 5 мкс |
Классификация переходных процессов на основе частоты
Источники переходных процессов в электрических цепях
Существует несколько источников, вызывающих переходные процессы в электрических цепях.
Источники могут быть как внутренними, так и внешними по отношению к цепи. В таблице ниже перечислены эти источники.
|
Внутренние источники |
Внешние источники |
|
|
Внутренние и внешние источники переходных процессов
Эффекты переходных процессов в электрических цепях
Эффекты переходных процессов влияют не только на линии электропередач, но также на сигнальные линии и линии управления.
Эффекты переходных процессов можно разделить на четыре типа:
- Периодические прерывания — Приводит к потере данных или повреждению данных в линиях данных или линиях управления.
- Хроническая деградация — Повторяющееся возникновение переходных процессов ухудшает характеристики компонентов электрической цепи и снижает ее производительность, что в конечном итоге приводит к полному отказу цепи.
- Скрытые сбои — Аналогично хронической деградации, за исключением того, что компонент продолжает работать со сниженной производительностью.
- Катастрофические сбои — Компонент немедленно перестает работать.
Генерация переходных процессов в электрических цепях не может быть остановлена до тех пор, пока в цепи не появятся элементы накопления энергии, полупроводниковые переключатели, реле, автоматические выключатели, трансформаторы и т.
д. Программное обеспечение Cadence может помочь вам внедрить методы подавления переходных процессов в вашу схему.
Подпишитесь на нашу рассылку, чтобы быть в курсе последних обновлений. Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, поговорите с нашей командой экспертов.
Свяжитесь с нами
Решение задач электромагнитного, электронного, теплового и электромеханического моделирования, чтобы ваша система работала в широком диапазоне условий эксплуатации.
Посетите вебсайт Больше контента от Cadence System Analysis
Доступ к электронной книгеСпектроскопия электрохимического импеданса — Engineering LibreTexts
-
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 373
Спектроскопия электрохимического импеданса (EIS) — это высокочувствительный метод характеризации, используемый для неразрушающего определения электрического отклика химических систем.
Системы EIS характеризуют временную характеристику химических систем с использованием напряжения переменного тока (AC) с малой амплитудой в диапазоне частот. С помощью электродной установки, состоящей из рабочего электрода, электрода сравнения и противоэлектрода, известное напряжение подается с рабочего электрода через раствор электролита на противоэлектрод. Количественные измерения производятся с помощью EIS и позволяют оценить мелкомасштабные химические механизмы на границе раздела электродов и в растворе электролита. Таким образом, EIS полезен для определения широкого диапазона диэлектрических и электрических свойств компонентов в областях исследований, изучающих батареи, коррозию и т. д.
Экспериментальная установка
Электрохимическая ячейка используется для проведения химической реакции и электрически соединена с электрохимическим спектрометром для получения электрического отклика раствора электролита. Системы EIS работают с использованием компьютерных программ, специально разработанных для тестирования EIS.
Таким образом, перед проведением эксперимента EIS важно, чтобы все компоненты системы были достигнуты.
Как правило, в исследованиях EIS используется трехэлектродный режим, состоящий из рабочего электрода (материал образца), противоэлектрода (обычно графитового или платинового) и электрода сравнения. Хотя геометрия электродов может варьироваться, общая экспериментальная установка остается аналогичной процедуре, описанной ниже.
Три электрода установлены на платформе электродов и закреплены. Раствор электролита готовят и переносят в контейнер для проб. Металлический контейнер для образцов обеспечит дополнительные пути для электронов во время экспериментов, что приведет к снижению токового отклика ЭИС, поскольку электроны движутся в металл, а не в электроды сравнения. Следовательно, контейнер для образца должен быть изготовлен из изоляционного материала, такого как стекло или пластик, который не будет мешать переносу электронов во время тестирования. Затем держатель электрода помещается на контейнер для образца таким образом, чтобы часть каждого электрода была погружена в раствор электролита.
Четыре провода используются для подключения трех электродов к анализатору частотных характеристик EIS. Рабочий провод и встречный провод используются для передачи тока, тогда как рабочий измерительный провод и эталонный провод используются для измерения напряжения. Рабочий провод и рабочий измерительный провод соединяют открытый конец рабочего электрода с ЭИС. Референтный провод подключается к электроду сравнения, а противоэлектрод подключается к противоэлектроду. Четвертый провод рекомендуется заземлять во время тестирования. Как только все отведения подключены, система EIS настроена и готова к тестированию.
Комплексное полное сопротивление
Закон Ома используется во многих распространенных электрических цепях для определения сопротивления [R]:
\[E=I*R\]
Однако это соотношение только между током [I] и потенциалом [E] применяется к приложениям постоянного тока (DC) и некоторым уникальным случаям переменного тока, где частота указана при 0 Гц.
Значения потенциала измеряются в напряжении [В], ток измеряется в амперах [А], а сопротивление измеряется в омах [Ом]. Более всеобъемлющий аналог закона Ома переменного тока определяется следующим образом:
\[E=I*Z\]
, когда частота не равна нулю, а полное сопротивление [Z] указано в омах. Хотя импеданс присутствует только в системах переменного тока (AC), он работает аналогично сопротивлению, противодействуя потоку тока или движению электронов. Сопротивление менее ограничено режимом системы и может возникать как в системах постоянного тока (DC), так и в системах переменного тока. Таким образом, импеданс представляет собой полное сопротивление электронов в цепи и часто представляется как комплексное число, учитывающее вклад резисторов, конденсаторов и катушек индуктивности.
Комплексный импеданс может быть представлен как в полярных, так и в декартовых координатах.
Полярная форма:
Используя полярную форму комплексного импеданса, величина импеданса задается Z, а разность фаз задается Ѳ, что совпадает с рисунком 1.
В этом уравнении i является мнимой единицей. Однако комплексный импеданс также можно использовать в декартовых координатах.
Декартова форма:
Декартова форма показывает, что сопротивление (R) — это действительная составляющая комплексного импеданса, где X — мнимая часть. X — это реактивное сопротивление, которое определяется суммой индуктивности и емкости. Следовательно, выражение импеданса в виде комплексного числа обозначает сопротивление как действительную составляющую, а сумму емкости и индуктивности как мнимую составляющую или реактивное сопротивление.
Рис. 2. График комплексного импеданса относительно мнимой и действительной составляющих. На рис. 2 комплексный импеданс представлен в виде вектора Z, состоящего как из амплитуды (|Z|), так и из фазы (Ѳ). Комплексная форма импеданса оценивает отношение напряжения к току для одного отклика на заданной частоте [w]. Эта характеристика выражается в омах и представлена в полярной форме, чтобы легко соотнести амплитуду и фазу напряжения и тока.
- Величина = Отношение амплитуды напряжения к амплитуде тока
- Фаза = Расстояние, на которое ток срабатывания смещен относительно напряжения
Ожидается изменение способности конденсаторов и катушек индуктивности ограничивать поток электронов между цепями переменного тока. Следовательно, величина результирующего токового отклика [I], определенная с помощью EIS, будет отклоняться от входного потенциала [E] в зависимости от того, как образец взаимодействует с приложенным напряжением. Зависящие от времени отклики изменений фазы и амплитуды могут показать, как электроны взаимодействуют с поверхностью электрода, а также информацию о размере или типе ионов.
Используя простые геометрические свойства, вектор импеданса можно переписать как:
, где Z’ — действительная составляющая, а Z” — мнимая составляющая.
Таким образом, абсолютная величина компонента импеданса может быть определена по квадратичной формуле.
Кроме того, фазовый угол может быть определен как:
Свойства материала электрода и ионные свойства электролита изменяют действительную и мнимую составляющие импеданса. Следовательно, при тестировании EIS требуется воспроизводимый метод оценки.
Аналоговые модели цепей
Из-за сложной природы результатов импеданса для лучшего понимания взаимосвязей, установленных в EIS, требуются упрощенные модели. Поэтому элементы схемы используются для описания явления импеданса в системах EIS. Соотношения между элементами схемы и импеданса перечислены ниже.
Таблица 1. Соотношение между эквивалентными значениями цепи и импеданса.
В таблице 1 , w — частота, C — емкость, L — индуктивность, j — комплексная составляющая, t — время, а E, Z, R, I соответствуют ранее установленным отношения для потенциала, импеданса, сопротивления и тока соответственно.
Наиболее распространенной аналоговой моделью схемы является упрощенная ячейка Рэндлса, которая представляет собой эквивалентную схему для интерфейса между электролитом и электродом для одиночной электрохимической ячейки. В этой схеме учитываются некомпенсированное сопротивление электролита (R s ), сопротивление поляризации (R p ) и емкость двойного слоя (C dl ).
Рис. 4. Эквивалентная схема для упрощенной ячейки Рэндлса.Упрощение компонентов системы EIS позволяет получить полное представление о том, как различные компоненты взаимодействуют с химическими и электрическими свойствами системы. Хотя Randles Cell не точно моделирует все электрохимические системы, она служит трамплином для более сложных моделей.
Сопротивление электролита
Когда напряжение проходит через раствор электролита от рабочего электрода к электроду сравнения, ионы действуют как резисторы, препятствующие потоку электронов. Результирующее напряжение, регистрируемое электродом сравнения, используется для определения сопротивления электролита путем сравнения входного и выходного напряжений.
Таблица 1 показывает, что импеданс и сопротивление напрямую связаны. Таким образом, сопротивление электролита будет напрямую влиять на импеданс электрохимического элемента.
Такие свойства, как концентрация ионов, тип ионов, температура и геометрия носителей тока, влияют на сопротивление ионных растворов. Геометрия носителя тока относится к электроду или материалу, используемому в EIS для передачи тока внутри ячейки. Когда площадь носителя тока фиксирована, сопротивление определяется как
, где A — фиксированная площадь, l — длина, по которой проходит однородный ток, а p — удельное сопротивление раствора. Однако, поскольку проводимость k используется более широко, для получения функционального уравнения сопротивления раствора берется величина, обратная удельному сопротивлению:
Следовательно, сопротивление раствора можно найти, записав проводимость электролита и рассчитав второе уравнение сопротивления электролита. Если экспериментальное определение электропроводности невозможно, в стандартных химических справочниках указываются значения k для определенных растворов.
Стандартные единицы измерения электропроводности представлены в виде сейменов на метр (См/м) или обратной величины ома (1/Ом).
Однако идеальные условия, как правило, недостижимы, поэтому приведенное выше уравнение сопротивления решения применимо только как оценка создаваемого сопротивления. Ожидается, что сопротивление экспериментального раствора будет отличаться от этой модели.
Емкость двойного слоя
Электрическая емкость двойного слоя (C dl ) относится к поляризации ионного заряда на поверхности электродов системы EIS. Количество накопленного заряда напрямую связано с площадью поверхности электрода и размером иона. Следовательно, чем больше площадь поверхности электрода, тем выше емкость двойного слоя. Разумное приближение для этой зависимости предполагает, что площадь электрода 1 см 2 приведет к емкости в диапазоне от 20 до 60 мкФ.
Рисунок 5. Распределение анионов и катионов в ячейке EIS от заряженных до незаряженных состояний.
Когда в электрохимическую ячейку вводится разность потенциалов, заряженные ионы начинают двигаться к электроду с противоположным зарядом. Граница между электродом и электролитом известна как двойной электрический слой. Следовательно, в результате поглощения ионов, когда зарядка электрода завершена, ячейка действует как конденсатор для накопления заряда. И наоборот, десорбция ионов происходит во время разряда, когда возникает противоположный ток и ионы отталкиваются друг от друга. Когда энергия, вырабатываемая во время разряда, достаточно высока, может производиться свет.
Сопротивление поляризации
Сопротивление поляризации относится к ограничению переноса заряда на границе между электродом и электролитом. Поляризация электрода возникает, когда потенциал выводится из равновесия за счет приложения внешнего напряжения. Когда система пытается восстановить равновесие, отрицательный заряд может передаваться посредством электрохимических реакций, вызывающих протекание тока на поверхности электрода и в электролит.
Кинетика реакций и диффузия реагентов изменит то, как ток взаимодействует с электродом, который контролирует величину поляризационного сопротивления.
Сопротивление поляризации оценивает изменения приложенного потенциала (E) и сравнивает эти значения с результирующим током поляризации (i).
Когда поляризационное сопротивление металла велико, ожидается, что материал будет иметь высокую коррозионную стойкость и низкую коррозионную стойкость, когда маленькое. Поэтому скорость равномерной коррозии обратно пропорциональна поляризационному сопротивлению.
График Найквиста
Графики Найквиста часто используются для оценки данных электрохимического импеданса. На этих графиках реальные данные импеданса отложены по оси x, тогда как отрицательные мнимые данные отложены по оси y. Графики Найквиста используют электрические компоненты, установленные эквивалентными схемами, для характеристики частотной зависимости откликов импеданса.
.
Рис. 6.
Связь между компонентами графика Найквиста.
На пересечении высоких частот или вблизи начала графика значение действительной оси дает сопротивление решения. Низкочастотное пересечение действительной оси обеспечивает суммирование сопротивления поляризации и сопротивления раствора. Следовательно, диаметр полукруга будет равен сопротивлению поляризации.
Приложения EIS
EIS — это простой метод перевода сложных химических реакций в электронный вид, который можно интерпретировать и использовать в будущих исследованиях. Как видно из ячейки Рэндлса, эти отклики более точно представлены за счет использования аналогичной электронной схемы, которая учитывает сопротивление и емкость. Следовательно, импеданс, полученный во время электрохимических экспериментов, можно оценить с помощью одной или нескольких эквивалентных схем. Хотя определение аналогичных схем может быть затруднено, создание точной модели может привести к проверке механических режимов, которые возникают в данной системе.
Эти методы могут использоваться во многих областях исследований для широкого круга приложений.
Практические задачи
Задача 1.
График Найквиста для упрощенной ячейки Рэндлса предполагает, что электрод размером 1 см 2 подвергается равномерной коррозии на 1 мм в год. Используя приведенный ниже рисунок и зная, что емкость составляет 40 мкФ/см 2 , а сопротивление раствора, R s , равно 20 Ом, определите сопротивление поляризации, R p ?
Рис. 8. График Найквиста для практических расчетов.Задача 2.
Электрод имеет высоту 35 мм и ширину 100 мм. Какова наименьшая ожидаемая емкость двойного электрического слоя?
Задача 3.
Во время эксперимента ЭИС зафиксировала большое изменение потенциала и небольшое изменение тока поляризации.
Каков ожидаемый результат для коррозионной стойкости рабочего электрода?
Practice Solutions
Solution 1.
R p = 250 Ω
Solution 2.
C dl = 700 uF
Solution 3.
Ожидается, что в результате рабочий электрод будет иметь низкую коррозионную стойкость, поскольку поляризационное сопротивление обратно пропорционально коррозионной стойкости.
Ссылки
[1] «Основы спектроскопии электрохимического импеданса», Принстонские прикладные исследования (2003) 1-13.
[2] Бизли, К., «Электрохимическая импедансная спектроскопия и ее применение в анализе аккумуляторов», PlugVolt (2015).
[3] Кук, Д., «Начало работы с вашим первым экспериментом: методы электрохимического импеданса EIS300 — спектроскопия потенциостатического электрохимического импеданса», Gamry (2014) 1.
