1.5 电路的工作状态

由于电源所带负载情况不同,电路存在不同的状态。这些不同的状态,表现在电路中的电流、电压、功率等不同。其中有的状态是异常的,应尽量避免。因此,了解电路所处状态的条件和特点,对合理用电和安全用电是非常重要的。

电路可能出现三种状态,即通路、开路和短路。现以图1.5.1所示最简单的直流电路为例,分析和讨论电路处于这三种状态时的电流、电压和功率。

图1.5.1 电路的工作状态

1.5.1 通路状态

将图1.5.1中的开关S合上,电源与负载接通,电路则处于通路状态,又称为有载状态。

电路中电流为

式中,US为电源电压,R0为电源内阻,USR0一般为定值。电源的端电压为

由式(1.5.2)可得

式(1.5.3)两边乘以电流I,得

式中,IUS是电源发出的功率PSI2RL为负载消耗的功率;I2R0是电源内阻R0消耗的功率。由此可见,电源发出功率之和等于电路中其他元件所消耗功率之和,这种关系称为功率平衡。

由式(1.5.2)可知,当电源的电动势US和内阻R0一定时,电源端电压U随着电流I的增大而减小,电源端电压U与电源输出电流I之间的关系曲线U=fI)称为电源的伏安特性曲线,如图1.5.2所示。

图1.5.2 电源伏安特性曲线

电压源内阻R0越大,在一定输出电流情况下,内阻R0上电压降越大,端电压下降越大,伏安特性曲线越陡。内阻R0越小,伏安特性曲线越平坦。当内阻R0为零时,内阻R0上的电压降为零,U=US。由于电源内阻R0通常很小,当R0远小于RL时,电源端电压U随电流I的增大而下降很少,实际的电源伏安特性曲线可以看成是一条微下斜的直线。

当电路(电气设备)中的电压、电流和功率的实际值等于额定值时,电路(电气设备)的工作状态称为额定状态,即满载状态。在额定状态下工作时,可充分利用设备容量;当实际值大于额定值时,称为过载,这将导致事故发生;当实际值小于额定值时,称为轻载或欠载,这时,设备不能得到充分利用、不够经济或不能正常工作,有时甚至也会导致设备的损坏。

1.5.2 开路状态

在图1.5.1所示电路中,当开关S断开时,电路则处于开路(Open Circuit)状态,由于电路没有接上负载,故也称为空载状态。这时,电路中没有电流,此时电源的端电压称为开路电压,又称为断路状态,用UOC表示,它等于电源US,即

1.5.3 短路状态

在图1.5.1所示电路中,由于某种原因使电源两端直接短接时,电路则处于短路(Short Circuit)状态。短路时,外电路的电阻为0。这时电流称为短路电流ISC,即

由于电源的内阻R0通常很小,故电源短路电流ISC会远远超过电源的额定电流。这时,电源内部消耗的功率很大,其值为PS=I2R0。如不及时切断,将会烧坏电源。因此,在电路中必须采用短路保护,即当电路发生短路事故时,立即切断电路,使故障设备脱离电源。通常在电路中必须安装断路器或熔断器等,以防止电源短路事故的发生。但是,有的时候,需要将电路中的某部分或某一元件两端用导线连接起来,这种现象称为短接。所以,短接是有目的的人为操作,而短路是一种意外事故。

特别提示

电源被短路时,短路电流比电路正常工作时大得多,时间稍长,便会导致电路中的设备烧毁甚至引起火灾。因此,在实际电路中一定要避免电源被短路的现象。

例1.5.1 实验中测出某电源开路电压UOC=10V、短路电流ISC=100A,求该电源电压和内阻。

:由式(1.5.5)可得

US=UOC=10V

由式(1.5.6)可得

练习与思考

1)电路可能存在哪几种状态?

2)什么叫额定状态?什么是过载和轻载?

3)什么叫短路和短接?

4)负载开路时,图1.5.1所示电路中的功率有多大?