Электрические цепи можно классифицировать по ряду признаков:
а) по роду тока – цепи постоянного тока, цепи переменного тока (однофазные, трехфазные);
б) по способу соединения элементов – цепи неразветвленные. Цепи разветвленные;
в) по количеству источников электрической энергии – цепи с одним и несколькими источниками;
г) по виду вольтамперных характеристик элементов – цепи линейные, цепи нелинейные.
В электрические цепи, кроме основных элементов – источников и приемников электрической энергии, входят различные вспомогательные аппараты и приборы, предназначенные для управления (рубильники, переключатели), регулирования (реостаты. Стабилизаторы тока и напряжения), защиты (плавкие предохранители, реле), измерения (вольтметры, амперметры и другие электроизмерительные приборы). Вспомогательные элементы, также как и основные, включаются в цепь при помощи проводов.
Основной целью расчета электрических цепей является анализ различных режимов. На основании которого можно оценить условия и эффективность работы электротехнического оборудования и приборов. Эта цель в большинстве случаев достигается определением токов во всех участках электрической цепи. Зная токи, нетрудно определить напряжение и мощности отдельных элементов.
Для облегчения расчета составляется схема замещения электрической цепи или просто электрическая схема.
На схеме изображают все элементы, влиянием которых на результат расчета нельзя пренебречь, и указывают также электрические соединения между ними, которые имеются в самой цепи. При этом пользуются условными графическими обозначениями, установленными ГОСТ 7624-62.
Элементы электрической цепи, в которых преобразование энергии осуществляется при наличии электродвижущей силы, характеризуются в большинстве случаев постоянными значениями э.д.с. Е и внутреннего сопротивления r0 (см. Рис.1, а). Такие элементы цепи называются активными.
Элементы цепи, в которых электрическая энергия преобразуется в тепло, характеризуются сопротивлением r или проводимостью g. Эти элементы называются пассивными.
На схемах стрелками отмечаются положительные направления э.д.с., напряжений и токов. Напряжение э.д.с. может быть указано обозначением полярности зажимов источника: внутри источника э.д.с. направлена от отрицательного зажима к положительному. Положительное направление напряжения на участке цепи совпадает с направлением тока – от точки большого потенциала к точке меньшего потенциала. У приемников направления напряжения и тока совпадают, а у источников они противоположны.
Рис.1. Электрическая цепь и ее схема замещения
На Рис.1. а изображена электрическая цепь, на Рис.1. б – ее схема замещения; указаны положительные направления тока и напряжения.
В этой схеме генератор Г электрической энергии представлен э.д.с. Е и внутринним сопротивлением r0; два приемника П1 и П2 заменены эквивалентным сопротивлением rп; сопротивление проводов линии Л заменено сосредоточенным сопротивлением rл; вспомогательные аппараты и приборы в схеме замещения отсутствуют, так как в данном случае предполагается, что на результаты расчета они не влияют.
Рассматривая схемы различных электрических цепей, можно выделить в них характерные участки.
Участок, вдоль которого ток имеет одно и то же значение, называют ветвью электрической цепи.
Место соединения трех или большего числа ветвей называется узлом электрической цепи; например, на схеме Рис.2 к узлу 6 подключены четыре ветви.
Рис.2. Схема разветвленной электрической цепи
Ветви, не содержащие источников электрической энергии, называются пассивными. Ветви, в которые входят источники электрической энергии, называются активными.
Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром электрической цепи. На Рис. 3. таких контуров три: Б-1-2-А-Б; А-3-4-Б-А; А-3-4-Б-1-2-А.
Рис.3. К расчету электрической цепи методом узлового напряжения
Элементы электрических цепей, которые характеризуются постоянными значениями сопротивления r и проводимости g, не зависимыми от тока в них или напряжения на их зажимах, называются линейными, так как имеют прямолинейную вольтамперную характеристику (Рис. 4). Электрическая цепь, составленная из линейных элементов, называется линейной.
Рис.4. Вольтамперные характеристики линейного сопротивления
Связь между э.д.с., напряжениями и токами линейных электрических цепей выражается линейными уравнениями, т. е. уравнениями первой степени, поэтому для расчета их применяются аналитические методы с обычными алгебраичными преобразованиями.
Электрическая цепь, в которую входит хотя бы один нелинейный элемент, называется нелинейной.
Расчет нелинейных электрических цепей значительно усложняется, так как вольтамперные характеристики нелинейных элементов не всегда удается выразить аналитически, а если это и возможно, то напряжения и токи входят в уравнения в степенях выше первой.
Для нелинейных цепей применяются графические и графо-аналитические методы расчета.
