Меню

Последовательное соединение элементов в цепи однофазного переменного тока это

6 Переменный ток в цепи с последовательным соединением элементов r, l, c

Переменный ток в цепи с последовательным соединением элементов r, l, c

Предположим, что имеется цепь, содержащая резистор R, катушку с индуктивностью L и конденсатор с емкостью С. Подведем к зажимам цепи переменное напряжение u. По цепи потечет переменный ток i. На отдельных участках цепи возникнут падения напряжений, для которых в соответствии со вторым законом Кирхгофа можно записать:

.

Определим, какую форму изменения будут иметь падения напряжений на участках цепи, если ток изменяется по закону:

.

Падения напряжений на участках цепи определяются из соотношений известных из курса физики:

, , ( i=C).

После подстановки в исходные уравнения значения тока i получим:

(т.к. (sin kx)’ = k cos kx, = k sin(kx+π/2 ))

( т.к. ∫ sin kx dx = — 1/k cos kx).

Проанализируем полученные уравнения. Величины , и имеют размерность [B] и представляют собой соответственно амплитудные значения напряжений резисторе, катушке индуктивности и конденсаторе.

Величины R, и имеют размерность [Ом] и называются соответственно: R — активное сопротивление, xL — реактивное индуктивное сопротивление, xC — реактивное емкостное сопротивление.

Активное сопротивление R не зависит от частоты тока, а реактивные сопротивления xL и xC являются функцией частоты тока .

Сравнение фаз тока и напряжений позволяет сделать следующие выводы:

− в цепи с активным сопротивлением ток и напряжение совпадают по фазе j=0;

− в цепи с индуктивностью ток отстает от напряжения на угол 90°;

− в цепи с емкостью ток опережает напряжение на 90°.

Для соответствующих участков электрической цепи векторные диаграммы токов и напряжений будут выглядеть следующим образом.

Треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей

На векторных диаграммах можно выделить прямоугольный треугольник напряжений.

В зависимости от соотношения xL и xC возможны три режима работы цепи:

а) напряжение цепи опережает ток по фазе на угол j и цепь в целом имеет активно-индуктивный характер;

б) напряжение цепи отстает по фазе от тока на угол j и цепь в целом имеет активно-емкостный характер;

в) напряжение и ток совпадают по фазе, характер цепи в целом чисто активный. Такой режим цепи называется резонансом напряжений, при котором UL=UC, xL =xC. Настроить цепь в резонанс напряжений можно путем изменения xL или xC, т.е. изменяя C, L или f (частота, при которой наступает резонанс f = 1/(2π√LC) ). При резонансе напряжений сопротивление цепи минимально, а ток максимальный.

Цепи электроснабжения в строительной отрасли чаще всего имеют активно-индуктивный характер, поэтому далее рассмотрим соответствующие треугольники с положительным углом j.

По теореме Пифагора можно установить связь между полным напряжением цепи и напряжениями на ее отдельных участках:

.

Если разделить стороны треугольника напряжений на ток (в цепи с последовательным соединением элементов ток одинаков во всех участках), то (в соответствии с законом Ома) получим треугольник сопротивлений.

Здесь х=xL — xC — реактивное сопротивление цепи, а Zполное сопротивление цепи:

.

Полученное уравнение устанавливает связь межу различными сопротивлениями цепи.

Если умножить стороны треугольника напряжений на ток, то получим треугольник мощностей:

Здесь Р=URIактивная мощность, которая выделяется на активных сопротивлениях цепи. Она связана с необратимыми преобразованиями электрической энергии, то есть с совершением работы (полезной) в электроустановке. Активная мощность измеряется в ваттах [Вт].

Q=UxIреактивная мощность. Связана в электроустановках с совершением обратимых преобразований энергии, полезной работы она не совершает. В электроустановках затрачивается на создание электрических (С) и магнитных (L) полей. Реактивная мощность измеряется вольт амперах реактивных [вар].

Реактивная мощность оказывает существенное влияние на режим работы электрической цепи. Циркулируя по проводам трансформаторов, генераторов, двигателей, линий электропередач, она нагревает их. Поэтому расчет проводов и других элементов устройств переменного тока производят из полной мощности, которая учитывает активную и реактивную мощности.

S=UI — полная мощность, измеряется в вольт амперах [В*А]. Из треугольника мощностей определим:

.

Коэффициент мощности

Из треугольника мощностей можно записать:

,

.

Множитель cosj — называется коэффициентом мощности. Коэффициент мощности это отношение активной мощности к полной. Он показывает, какая часть от полной мощности потребленной электроустановкой из сети затрачивается на совершение полезной работы. Очевидно, чем выше коэффициент мощности, тем эффективнее преобразование энергии в электроустановке. Наилучшее значение cosj=1, в этом случае вся потребленная из сети энергия затрачивается на совершение полезной работы.

И приведенных соотношений можно выразить ток, потребляемый электроустановкой из сети:

.

Из выражения следует, что чем ниже cosj, тем больший ток потребляет она из сети на совершение той же самой работы. На практике пропускная способность линий электропередач (ЛЭП) ограничена, поэтому снижение cosj электроприемников ведет к повышенной загрузке их током, и еще больше ограничивает их пропускную способность.

При снижении cosj повышаются потери энергии DР в ЛЭП, что следует из выражения:

,

здесь R — активное сопротивление ЛЭП. Увеличение потерь энергии ведет к возрастанию стоимости ее транспортировки.

Таким образом, задача повышения cosj является важной народно-хозяйственной проблемой.

Повысить cosj можно, уменьшив (желательно до нуля) потребляемую из сети реактивную мощность. Так как низкий cosj имеют электродвигатели, трансформаторы и т.п. электроустановки, работающие на холостом ходу или с недогрузкой, то для повышения cosj необходимо обеспечить полную загрузку этих электроустановок и своевременное их отключение. Указанные мероприятия называют организационными.

Для повышения cosj применяют синхронные компенсаторы и конденсаторные батареи. Эти устройства способны вырабатывать реактивную энергию необходимую потребителям.

Электрические цепи однофазного переменного тока с параллельным соединением элементов R, L, C

Цепь с параллельным соединением элементов состоит из ряда параллельных ветвей, включенных между двумя узлами. Рассмотрим простейшую цепь.

По первому закону Кирхгофа для токов можно записать:

.

Действующие значения токов в отдельных ветвях будут определяться:

, , .

Построение векторных диаграмм для параллельного соединения элементов цепи начинают с вектора U (т.к. оно одинаково для всех участков цепи).

Цепь в зависимости от соотношения сопротивлений xL и xC также может иметь индуктивный, емкостный или чисто активный характер.

Режим, когда I1=I, т. е. I2 + I3 =0 называют режимом резонанса токов. Для рассмотренной схемы условие возникновения резонанса также может быть записано:

.

Уменьшение тока в цепи при резонансной частоте свидетельствует о значительном возрастании сопротивления цепи при этой частоте. Поэтому режим резонанса токов часто используется в электрических фильтрах, когда требуется подавить какую-либо гармонику в электрическом сигнале.

На построенных диаграммах можно выделить треугольник токов.

IA — активная составляющая тока;

IP — реактивная составляющая тока.

Связь между полным током и его составляющими выражается:

.

Параллельное соединение реальных элементов электрической цепи

Реальные элементы электрической цепи отличаются от идеализированных, рассмотренных выше. Рассмотрим электрическую цепь.

К цепи подведено напряжение U. В соответствии с первым законом Кирхгофа для мгновенных значений токов получим:

Действующие значения токов в ветвях равны:

, ,

где , .

Построение векторной диаграммы начинают с вектора напряжения U. Затем откладывают токи I1 и I2 в ветвях. Токи сдвинуты по отношению к напряжению на фазы, соответственно j1 и j2, которые определяются из выражений:

, .

В ветви 1 (R1, C) ток опережает напряжение на угол j1. В ветви 2 (R2, L) ток отстает от напряжения на угол j2. Находим полный ток I как векторную сумму токов I1 и I2. Между общим напряжением и полным током обозначаем угол сдвига фаз j.

Далее откладывают падения напряжений на участках R1, R2, xC, xL.

Для ветви 1. Падение напряжения на R1 совпадает по фазе с током I1. Падение напряжения на xC перпендикулярно току I1 и отстает от него.

Для ветви 2. Падение напряжения на R2 совпадает по фазе с током I2. Падение напряжения на xL перпендикулярно току I2 и опережает его.

Однако сумма падений напряжений на ветвях равна напряжению на зажимах АB цепи.

Источник

Однофазные цепи переменного тока

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ОДНОФАЗНЫЕ ЦЕПИ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Методические указания к лабораторным работам 6,7 по курсу «Электротехника и электроника»

для студентов химико-технологических

и технологических специальностей

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

Читайте также:  Через 372 5 г 20 раствора хлорида калия пропустили электрический ток

технического университета

Лабораторная работа 6

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОЙ ЦЕПИ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ

СОЕДИНЕНИЕМ РЕЗИСТОРА, ИНДУКТИВНОЙ

КАТУШКИ И КОНДЕНСАТОРА

Цель работы: экспериментальное изучение линейной цепи синусоидального тока, состоящей из последовательно соединенных резистора, индуктивной катушки и конденсатора; изучение основных закономерностей в такой цепи; получение резонанса напряжений и изучение свойств цепи в этом режиме.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Рассмотрим цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора (R), индуктивной катушки (L, Rк) и конденсатора С. Схема цепи показана на рис.1.

Рис.1. Последовательное соединение элементов R, L и С

Пусть цепь включена на синусоидальное напряжение , начальная фаза которого равна нулю. Тогда по цепи потечет ток, амплитуда которого будет определяться амплитудой напряжения Um и полным сопротивлением цепи Z, а начальная фаза тока будет зависеть от соотношений реактивных сопротивлений индуктивности XL и емкости XC. Возможны три случая: если XL >XC, то ток отстает от напряжения на угол j; если XL XC векторная диаграмма показана на рис.2.

Рис. 2. Векторная диаграмма

При построении вектор напряжения в масштабе mU откладывают по направлению тока I, затем к концу вектора прибавляют вектор напряжения на активном сопротивлении катушки , затем к концу вектора прибавляют вектор напряжения на индуктивности . Этот вектор опережает ток на 90°. Вектор напряжения на емкости прибавляют к концу вектора , отстающим от тока на 90°. Вектор напряжения сети проводят из качала вектора в конец вектора . При правильном построении длина вектора , умноженная на масштаб mU, должна быть равна напряжению на зажимах цепи. Вектор напряжения на катушке равен геометрической сумме векторов и . Величина этого напряжения равна

Векторные диаграммы для последовательной цепи при XL , то в режиме резонанса напряжения на катушке и конденсаторе будут больше напряжения сети, что приводит к опасности пробоя изоляции в катушке или конденсаторе, поэтому в силовых цепях такой режим недопустим.

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

В радиотехнике, где абсолютные величины напряжений не велики, резонанс напряжений может использоваться для усиления сигнала. При

XL >>R; UL>>U сети.

Для цепи (рис.1) справедливы следующие соотношения для мощностей:

— активная мощность (Вт, кВт);

— реактивная мощность (В×Ар; кВ×Ар);

— полная мощность (В×А кВ×А); или ; ; ; ; .

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Описание экспериментальной установки

Исследование последовательной цепи проводится на лабораторном стенде под названием «Однофазный ток». На стенде имеется схема опыта, необходимые приборы, изображены схемы замещения резистора, индуктивной катушки и конденсатора. От каждого из элементов выведены два зажима, необходимые для сборки цепи. Схема опыта представлена на рис.5.

Для изменения величины емкости в цепи батарея конденсаторов имеет несколько тумблеров и два щеточных переключателя, позволяющих включать десятки или единицы микрофарад емкости. Суммарная емкость батареи конденсаторов — 110 мкФ.

Напряжение источника питания стенда 24 и 36 вольт.

Приборы и методика измерений

Амперметры и вольтметры, постоянно установленные на стенде, имеют электромагнитную систему измерительного механизма. Приборы измеряют действующие значения переменных величин. Класс точности приборов 1,5. Переносной многопредельный лабораторный ваттметр класса точности 0,5 ферродинамической системы. Он имеет три переключателя: переключатель тока, переключатель напряжения, переключатель рода работы (измерение тока, или измерение напряжения, или измерение мощности). Предел измерения ваттметра определяется положением его переключателей

где I — ток, на который установлен переключатель тока;

U — напряжение, на которое установлен переключатель напряжения.

Цена деления ваттметра определяется по формуле

где n — число делений шкалы прибора.

Мощность, измеряемая ваттметром, будет равна Р = С× n’, где n’ — число делений шкалы, показываемое стрелкой прибора.

В данной лабораторной работе при измерениях используется метод непосредственного отсчета с прямыми однократными измерениями.

Точность прямых измерений оценивается определением абсолютной максимальной погрешности по формуле

где Am – верхний предел измерения прибора;

К — класс точности прибора.

Результат измерения записывается в виде

А±DА,

где А — показание прибора.

ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ТРУДА

1. Перед сборкой схемы убедитесь в том, что стенд отключен от сети. Ручка пакетного выключателя при этом находится в положении “откл”, а сигнальная лампа не горит.

2. Стенд включается только преподавателем или лаборантом после проверки схемы.

3. При измерениях не касайтесь оголенных токоведущих частей. Провода, подключенные к переносным приборам, держите за изолированные части.

4. Не прикасайтесь к зажимам отключенных конденсаторов, так как заряд на них может сохраняться длительное время.

5. По окончании измерений выключите стенд.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться со стендом и схемой опыта.

Рис. 5. Схема опыта

2. Собрать схему опыта (рис. 5).

3. Записать технические характеристики применяемых приборов, указав: наименование прибора, его марку, тип измерительного механизма, предел измерения, класс точности, заводской номер,

4. Собранную схему показать преподавателю для проверки. После проверки включить стенд в работу, при этом загорится сигнальная лампочка.

5. Изменяя величину емкости конденсаторов, добиться в цепи максимального тока; при этом должно выполняться условие Uк >UC. При этом условии в цепи наступит резонанс напряжений.

Записать показания всех приборов в табл.1, в четвертой строке.

U, B

C, мкФ

I, A

UR, B

UК, В

UC, B

P, Вт

R, Ом

RК, Ом

ХC, Ом

ХL, Ом

ZК, Ом

jК,

S, B×A

cosj

6. Произвести измерения тока, мощности и напряжений на элементах цепи при трех значениях емкости батареи конденсаторов меньших, чем при резонансе. Данные занести в табл.1, строки 1¸3. При этом необходимо следить, чтобы при записи данных в табл.1 от первой строки (для С= О) к последней (С= 110 мкФ) емкость монотонно увеличивалась.

7. Произвести измерения тока, мощности и напряжения на элементах для трех значений емкости больших, чем при резонансе. Данные занести в табл.1,строки 5, 6, 7.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ НАБЛЮДЕНИЙ

1. По данным наблюдений вычислить величины:

R (Ом); RК (Ом); L (Гн); ХL (Ом); ХС (Ом); ZК (Ом);jК ; Z (Ом); cosj.

Вычисления провести для всех строк табл.1, имея в виду, что величины R; RК; L; XL; ZК; jК — постоянные, поэтому их достаточно вычислить один раз для режима резонанса напряжений. Остальные величины — переменные, и их вычисления следует проводить для каждой строки табл.1. Вычисления проводить по формулам:

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

где Р – мощность, измеряемая ваттметром Вт; IРЕЗ — ток в цепи в режиме резонанса.

R= UR/IРЕЗ,

где UR — падение напряжения на резисторе в режиме резонанса.

RК=RS R, Ом,

где f=50 Гц; СРЕЗ – в мкФ.

где С – текущее значение емкости в мкФ.

Z= U/I, где U – напряжение в начале цепи.

cosj = RS/z.

2. По результатам наблюдений в одной и той же системе координат построить следующие кривые: I = f(C); Uк= f(C); UC = f(C).

3. По данным измерений и вычислений построить векторные диаграммы для трех случаев: а) XL > XC, б) XL = XC, в) XL XC, б) XL = XC, в) XL I3. Это и будет резонанс токов. Записать показания всех приборов в табл.2, в четвертой строке.

Источник

Цепи однофазного переменного тока (ОПТ)

date image2015-04-01
views image11702

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Элементы цепи ОПТ и их свойства

Однофазным переменным током называют ток, меняющийся по закону синуса / косинуса:

Здесь Im — амплитуда колебаний тока; ω=2πν — циклическая частота колебаний; φI — начальная фаза колебаний.

Источниками переменного тока являются генераторы переменного тока, чье напряжение меняется по аналогичному закону. Цепи переменного тока формируются так же, как и цепи постоянного тока, т.е содержат источник электрической энергии и потребителей этой энергии. Эти цепи могут быть простыми и сложными , разветвленными и неразветвленными, с одним или несколькими источниками напряжения. Для токов и напряжений в таких цепях также справедливы первый и второй законы Кирхгофа, законы Ома, Джоуля-Ленца и т.д.

Читайте также:  Крутизна фронта импульса тока

Однако физические процессы в таких цепях намного сложнее и разнообразнее, чем в цепях постоянного тока. Здесь уместна их аналогия с фото и видео: хотя любое видео, технологически, сводится к большой совокупности фотографий, его информационные возможности несопоставимо богаче информационных возможностей фотографий.

Соответственно, математическое описание переменного тока требует более сложного математического аппарата и графического инструментария.

Основными элементами цепи переменного тока являются:

1) источники переменного напряжения, E (U)

4) катушки (индуктивности), L

Первые два типа элементов присутствуют и в цепях постоянного тока. Однако два последних в них не используются : 1) конденсаторы создают разрывы в цепи и не пропускают постоянный ток; 2) катушки пропускают постоянный ток, но обладают в нем нулевым сопротивлением , и, следовательно, не оказывают на распределение токов и напряжений никакого влияния.

Если конденсатор включить в цепь с переменным напряжением, то амперметр зарегистрирует наличие тока. Это значит, что он пропускает переменный ток. Как такое возможно? Причина заключается в том , что разрыв, создаваемый конденсатором в цепи, не является препятствием для электрического поля, через которое заряды на одной пластине конденсатора влияют на заряды другой. При постоянном токе это взаимодействие прекращает ток — заряды, набежавшие на пластину ближайшую к источнику тока, останавливают набегающие от источника заряды путем их отталкивания.

В переменном токе это взаимодействие, наоборот, поддерживает ток, приводя в движение заряды по другую сторону разрыва. Что касается взаимодействия набежавших и набегающих зарядов на пластине, обращенной к источнику тока, то оно вызывает не прекращение тока, а лишь его торможение. В результате конденсатор оказывает сопротивление току и создает на себе падение напряжения.

Если , аналогично, включить в цепь переменного тока катушку, то вольтметр зарегистрирует на ней падение напряжения, что является признаком появления у ней сопротивления. Откуда оно взялось — ведь в постоянном токе катушка обладает нулевым сопротивлением?

Ответ кроется в явлении электромагнитной индукции (ЭМИ). При изменении тока в катушке, изменяется ее магнитное поле, а согласно закону ЭМИ изменение последнего порождает вихревое электрическое поле. Согласно правилу Ленца вихревое поле ЭМИ всегда противофазно полю создающему ток и , следовательно, оказывает ему сопротивление.

Появление в цепях переменного тока катушек и конденсаторов кардинально меняет их (цепей) электрические свойства.

Это проявляется в:

1) расфазировке (рассогласовании) колебаний тока и напряжения;

2) реактивном характере потребления энергии

Первое свойство означает несовпадение динамики изменения тока и напряжения как на конденсаторе, так и на катушке, а именно: когда напряжение по модулю максимально, ток равен нулю, и наоборот. Второе свойство означает принципиально новую форму потребления энергии — и катушка и конденсатор, забирая энергию у источника тока, возвращают ее затем ему обратно.

Реактивностью, реакцией, как известно, называют свойство объекта формировать отклик (реакцию) на внешнее воздействие. Например реактивное движение возникает как результат ответного влияния отбрасываемого объекта на отбрасывающий объект ( ракета, морские моллюски и т.д.). Реактивный характер потребления энергии выражается в последующем отбрасывании от себя полученной энергии.

Расфазировка колебаний тока и напряжения на конденсаторе определяется противоположным характером влияния накопленного им заряда на ток и напряжение:

1) чем больше заряда оказывается на конденсаторе, тем меньше к нему ток, так как набежавшие заряды отталкивают набегающие;

2) чем больше заряда на конденсаторе, тем силнее его электрическое поле, — и тем больше напряжение

Расфазировка колебаний тока и напряжения на катушке определяется противоречивым характером влияния тока на величину вихревого поля ЭМИ:

а) наибольшую ЭДС ЭМИ ток создает при нулевом значении ( в этот момент он, — а следовательно и магнитное поле, — изменяется быстрее всего);

б) наименьшую ЭДС ЭМИ (ноль) ток создает при максимальном значении, когда его рост прекращается.

Наиболее наглядно точный характер расфазировки колебаний тока и напряжения можно показать на временных диаграммах (рис.6, рис.7) Сплошными линиями на графиках показаны синусоиды колебания напряжения, пунктирными — тока.

Рисунок 6 показывает как соотносятся колебания этих параметров на катушке, а рисунок 7 — на конденсаторе. Сдвиг в фазах в обоих случаях одинаков и составляет 90 0 , однако при одной и той же фазе напряжения , фазы токов в катушке и конденсаторе противоположны. Говорят, что напряжение в катушке опережает ток на 90 0 , а на конденсаторе — отстает . Это следует из того, что ток на катушке идет в область положительных значений, с некоторым запаздыванием по отношению к напряжению, а у конденсатора — с опережением.

Физически это объяснимо:

1) в катушке при большом внешнем напряжениивозникает противоположная по знаку эдс ЭМИ — в результате ток в ней подавляется; он начинает нарастать лишь по мере ее ослабевания;

2) в конденсаторе, наоборот — даже при нулевом значении напряжения ток уже достигает максимальной величины, что есстественно: отсутствие напряжения означает отсутствие на конденсаторе зарядов и, как следствие, – отсутствие какого-либо сопротивления набегающим зарядам.

Наконец на рисунке 8 показаны ко-лебания тока и напряжения на резисторе. Здесь никакой расфазировки не наблюдается, так как падение напряжения создается самим током (а не зарядами или ЭДС, как у конденсатора или катушки).

Векторные диаграммы цепей ОПТ

Рассогласование колебаний тока и напряжения на реактивных элементах ОПТ (т.е. катушке и конденсаторе) резко усложняет их математическое и даже наглядное описание. Действительно, если электрическая цепь состоит из большого количества таких разнородных элементов, то, например, при втекании в один провод пяти расфазированных токов, суммарный ток будет представлять «кашу» из синусоид и определение суммарного тока может оказаться весьма сложной задачей ( ситуация оказывается похожей на описание поведения поверхности воды под дождем).

Для решения этой проблемы используется метод векторных диаграмм (ВД). На них колебания каждого электрического параметра ассоциируют с вращающимся вектором ( например, вращающийся на нити шарик создает на стене, — при его освещении, — колеблющуюся тень). Если в один провод втекает несколько токов, то на ВД для такого провода рисуют соответствующее количество векторов. Так как все токи колеблются , то соответствующие им вектора на ВД должны находиться в совместном вращении. Однако важнейшей особенностью колебаний любых электрических параметров в цепях ОПТ является одинаковость их периодов.

На ВД это выражается в одинаковой скорости вращения всех векторов. Последнее означает неподвижность этих вектров относительно друг друга, а следовательно непринципиальность самого факта вращения. Это позволяет изобразить все колеблющиеся электрические параметры в виде неподвижных векторов.

Наличие вращения, тем не менее, учитывают через:

1) увязывание угла, под которым рисуется вектор на графике, с циклической частотой и фазой колебания всех электрических параметров φ = ω?t + φ =2πν?t + φ ;

2) выбором положительного отсчета углов и направления вращения векторов ( теперь уже «воображаемого» ) против часовой стрелки.

Если требуется учесть колебания всех электрических параметров цепи, то независимо от того на каких участках полной цепи они появляются, все их можно отобразить на одно й диаграмме, поскольку принципиальное значение имеет лишь временная расфазировка

Пространственная расфазировка в цепях ОПТ отсутствует из-за огромной скорости распрос-транения электромагнитных взаимодействий, т.е. в любой точке цепи в заданны й момент времени все значения рассматриваемого параме-тра имеют одну и туже фазу колебания.

Предположим, что втекающие в один провод несколько токовмы изобразили в виде нескольких векторов а, b, c (рис.9) . Каким образом можно найти полный ток ? Ответ на этот вопрос теперь уже не представляет сложности — для этого используем правило векторного сложения, которое имеет несколько вариантов применения:

1) в виде известного правила «параллелограма»;

2) в виде правила последовательного соединения складываемых векторов друг за другом (начало последующего вектора соединяем с концом предыдущего — итоговый вектор соединяет начало самого первого вектора с концом самого последнего (рис.9).

Читайте также:  Чем меньше сила тока в катушке тем ее магнитное действие

Если все сказанное применить теперь к векторному способу отображения колебаний тока и напряжения на катушке, конденсаторе и резисторе, то получим ВД на рис.10, рис.11, рис.12. (длинный вектор соответствует напряжению, короткий — току). На рис. 10 видно, что в катушке значениям тока и напряжения, отмеченным черными кружками на временнóй диаграмме, соответствует положения векторов на левой круговой диаграмме; правая круговая диаграмма иллюстрирует точную ориентацию и угол между векторами напряжения и тока для катушки. Аналогичное соответствие между временными значениям тока и напряжения, и положениями векторов на векторных диаграммах, иллюстрируют графики для конденсатора (рис.11) и резистора (рис.12)

Законы Ома для элементов R-L-C цепей ОПТ

Математический анализ зависимости тока и напряжения на различных эле-ментах переменной цепи показывает, что для них справедлив закон Ома.

1. На резисторе закон Ома записывается точно также как и для постоянного тока — формула справедлива для любого момента времени:

2. На катушке закон Ома соблюдается только для амплитудных значений, или для тех значений тока и напряжения, которые имеют одну и ту же фазу:

где — индуктивное сопротивление катушки

Из формулы следует , что сопротивление катушки тем больше, чем больше ее индуктивность и циклическая частота переменного тока. Это согласуется и с физической природой сопротивления катушки переменному току. Действительно, индуктивность L является показателем величины магнитного поля , создаваемого током ( Ф = LI), а ω — показателем скорости его изменения. И то и другое в прямой пропорции увеличивают вихревую ЭДС, создающую сопротивление току.

2. На конденсаторе закон Ома также соблюдается только для амплитудных значений, или для тех значений тока и напряжения, которые имеют одну и ту же фазу:

, где — емкостное сопротивление конденсатора

В этом случае из формулы вытекает, что сопротивление конденсатора наоборот уменьшается — как с ростом частоты, таки с ростом емкости конденсатора. Это объясняется тем, что с ростом частоты заряды не успевают набежать на обкладки конденсатора и, следовательно, — создать заметное сопротивление набегающим зарядам. Рост емкости, также вызывает уменьшение сопротивления, поскольку он означает снижение, тем или иным способом, величины взаимного отталкивания зарядов.

Указанные графические методы и математические формулы позволяют перейти к описанию и анализу конкретных цепей переменного тока. Для образовательных целей наиболее принципиальными среди них являются последовательная и параллельная R-L-C-цепи.

Последовательная R-L-C цепь ОПТ

Для цепей ОПТ, как и для цепей постоянного тока, расчет сводится к определению токов и напряжений на всех участках цепи. В данном случае, при известном напряжении на генераторе (U) , его циклической частоте ω, требуется определить ток в цепи (I) и напряжения на всех ее участках(UR, UL, UC). Слож-ность расчета заключается в неодинако-вости фаз колебаний рассматриваемых параметров. Как уже указывалось выше, учет этих фаз можно осуществить через построение векторов.

Из схемы (рис.13) следует, что через все элементы цепи проходит один и тот же ток — следовательно, с него и надо начинать построение диаграммы. Так как в реальности все вектора вращаются, то рассмотрим схему в тот момент, когда вектор общего тока находится в горизонтальном положении и направлен вправо (рис.14): для всех последующих расчетов это не имеет никакого значения.

Выбор ориентации вектора тока предопределяет ориентацию напряжений на резисторе (всегда параллелен току), на катушке (направляем вверх – опережает при вращении ток) и на конденсаторе (направляем вниз — отстает при вращении от тока).

Общее напряжение на генераторе (U) получим, сложив все напряжения векторным образом, а связь между суммарным напряжением и составляющими найдем из получившегося треугольника напряжений по теореме Пифагора:

Используя законы Ома для отдельных элементов

и подставляя их в полученную формулу, получим:

Так как ток во всех элементах одинаков, его можно вынести за квадратный корень, индуктивное и емкостное сопротивления выразить через Lи С:

Полученное выражение можно рассматривать как закон Ома для последовательной R-L-C цепи. Параметр Zназывают полным или комплексным сопротивлением всей цепи.

Зная значение Z, нетрудно рассчитать напряжения на всех участках цепи:

Из чертежа видно, что между векторами напряжения на генераторе и полным током существует угол φ, который по своему физическому смыслу представляет собой не что иное, как сдвиг фаз между колебаниями тока и напряжения. Из чертежа следует, что он может быть вычеслен через тангенс треугольника напряжений:

Или сокращая , ток и переходя к основным параметрам элементов, получим окончательное выражение:

Из чертежа видно, что по модулю угол φ, в общем случае, может меняться от 0 до . По установленным в математике правилам угол считается положительным, если он отсчитывается от горизонтальнойоси ОХ, направленной вправо, против часовой стрелки. В электротехнике сдвиг фаз считается положительным, если при вращении против часовой стрелке вектор напряжения оказывается впереди (левее) вектора тока, т.е. если напряжение опережает по фазе ток. Поскольку такое положение вещей всегда имеет место в катушке – индуктивности — то любая цепь, где напряжение опережает ток называется активно-индуктивной , а сдвиг фаз считается положительным

0 ХС угол φ оказывается отрицательным, а из векторной диаграммы — что ток при этом опережает напряжение по фазе. Это соответствует активно-емкостной цепи.

При ХL 0 ( положительный знак φ означает, что формула для тока непосредственно описывает активно-емкостную цепь; для активно-индуктивной цепи φ надо взять со знаком «- »). Тогда обозначая непоглощаемую, т.е. реактивную мощность буквой Q, запишем:

Далее используем известную алгебраическую формулу:

Аналогичным образом формула мощности содержит постоянную ( знак «-» связан с выбором опережающего характера тока) и переменную составляющие.

Так как переменные составляющие не представляют интереса , мы приходим окончательно к двум важнейшим формулам мощности переменного тока:

Учитывая известное выражение , введем понятие полной мощности переменного тока:

Из формул следует что реальные мощности оказываются в 2 раза меньше максимально возможных. В связи с этим в электротехнике введены понятия действующих значений тока и напряжения:

Во всех дальнейших формулах подразумеваются только действующие значения токов и напряжений и индексы при них не ставятся.

Источник



ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Соединение элементов в цепи переменного напряжения и тока

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал о воздействии переменного напряжения на элементы цепи (сопротивление, индуктивность и ёмкость) и воздействие этих элементов на напряжение, ток и мощность. В данной статье я расскажу о последовательном и параллельном соединении элементов цепи и воздействии на такие цепи переменного напряжения и тока.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Последовательное соединение элементов цепи при переменном напряжении

Начнём с последовательного соединения сопротивления R, индуктивности L и ёмкости C и рассмотрим воздействие на неё переменного напряжения с частотой ω.

последовательное соединение

Последовательное соединение элементов цепи.

В данной цепи входное переменное напряжение U в соответствии со вторым законом Кирхгофа будет равно алгебраической сумме переменных напряжений на отдельных элементах

где UR, UL, UC – напряжение на элементах цепи, сопротивлении R, индуктивности L и ёмкости С, соответственно,

Im­ – амплитудное значение переменного тока.

Графическое изображение напряжений и токов на последовательно соединённых элементах цепи представлено ниже

Напряжения и токи при последовательном соединении

Напряжения и токи при последовательном соединении.

Итоговое выражение является тригонометрической формой записи второго закона Кирхгофа для мгновенных напряжений и его можно переписать в виде

где R – активное сопротивление,

Х – реактивное сопротивление.

Значение активного сопротивления R всегда только положительно, а реактивное сопротивление Х может принимать, как положительное значение Х > 0, тогда оно имеет индуктивный характер, так и отрицательное значение X 0, тогда она имеет индуктивный характер, а может быть отрицательной b « Предыдущая статья

Источник