1.Мощности в синусоидальных цепях.2.Линейные электрические цепи несинусоидального тока. Способы представления несинусоидальных величин

1.

 

Энергетические процессы в цепях переменного тока являются функциями времени. Рассмотрим мощности отдельных участков цепи с последовательным соединением R, L, C (рис. 2.15), для чего допустим, что к ней приложено напряжение и протекает ток .

Мощность в активном сопротивлении

.

Учитывая RI = U_R, а также равенство U_R = Ucosφ, полученное из треугольника напряжений, будем иметь

.

Рис. 2.15. Схема последовательной цепи

Из этого выражения видно:

1) мгновенная мощность в активном сопротивлении всегда положительна (т.е. всегда потребляется);

2) мгновенная мощность колеблется с двойной частотой около своего среднего значения, равного U I cos φ.

Кривая изменения мощности на активном сопротивлении показана на рис. 2.16.

Рис. 2.16. Мгновенная мощность на активном сопротивлении

Мощность в индуктивности

.

Рис. 2.17. Кривые тока и мощности на индуктивности

Мощность в емкости

.

Кривые тока и мощности показаны на рис. 2.18.

Рис. 2.18. Кривые тока и мощности на емкости

Средняя мощность

.

Эта мощность выделяется в приемниках электрической энергии. Множитель cos φ носит наименование коэффициента мощности.

;

.

Согласно (2.34) мгновенная мощность колеблется с двойной частотой 2ω относительно средней мощности P = U I cos φ.

На рис. 2.19 показаны кривые изменения во времени тока, напряжения и мощности цепи.

На практике пользуются понятиями активной, реактивной и полной мощности.

Рис. 2.19. Кривые изменения тока, напряжения и мощности

Под активной мощностью понимают среднее значение полной мгновенной мощности за период

P = U I cos φ.

Активная мощность никогда не бывает отрицательной, так как ею характеризуется потребление энергии цепью. Единицей измерения активной мощности принят ватт (Вт).

Реактивная мощность (Q) характеризует ту часть энергии, которой цепь обменивается с источником без потребления. Ее величина определяется амплитудным значением мгновенной реактивной мощности, выражение которой было ранее получено в виде U I sinφ sin 2ωt. Следовательно,

Q = U I sin φ.

Полезная работа, совершаемая элементами цепи, характеризуется активной мощностью P. Однако эта мощность зависит от угла сдвига фаз φ, значение которого может меняться в зависимости от режима работы цепи. Следовательно, активная мощность не может быть той расчетной величиной, на которую можно приводить расчет электрических машин, аппаратов и других устройств. Поэтому их характеризуют полной мощностью

являющейся произведением действующих значений тока и напряжения. Полная мощность равна наибольшему значению активной мощности, которую можно получить при заданных токе и напряжении. Единицей измерения полной мощности принят вольт-ампер (ВА).

Активная, реактивная и полная мощности связаны между собой соотношениями прямоугольного треугольника, называемого треугольником мощностей (рис. 2.20):

;

Рис. 2.20. Треугольник мощностей

Необходимо обратить внимание на особенности в понимании активной, реактивной и полной мощностей.

Активная мощность определяет ту работу, которая в среднем совершается (передается) в электрической цепи. Полная и реактивная мощности не определяют ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии. Полная мощность, часто называемая кажущейся, является пределом, которого следует добиваться в целях повышения КПД. Реактивная мощность является условной величиной, характеризующей энергию электрических и магнитных полей, имеющихся в цепи.

Запишем мощность в комплексной форме

Символическое представление действующих значений тока I и напряжения U позволяет легко и просто найти активную реактивную и полную мощности. Для этого необходимо взять произведение комплексного напряжения U и комплекса , сопряженного с комплексным током I

.

Из этого выражения видно, что вещественная часть комплексной мощности равна активной мощности, мнимая часть – реактивной. Модуль комплексной мощности S равен полной мощности S.

; ;

;

.

 

2.

 

 

Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.

Источник тока - устройство, в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля. В источнике тока на заряженные частицы в замкнутой цепи действуют сторонние силы. Причины возникновения сторонних сил в различных источниках тока различны. Например в аккумуляторах и гальванических элементах сторонние силы возникают благодаря протеканию химических реакций, в генераторах электростанций они возникают  при движении проводника в магнитном поле, в фотоэлементах - при действия света на электроны в металлах и полупроводниках.

Электродвижущей силой источника тока называют отношение работы сторонних сил к величине положительного заряда, переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.

 

Основные понятия.

 

Сила тока - скалярная физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через проводник, ко времени, за которое этот заряд прошел.

где I - сила тока, q - величина заряда (количество электричества), t - время прохождения заряда.

Плотность тока - векторная физическая величина, равная отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника.

где j -плотность тока,  S - площадь сечения проводника.

Направление вектора плотности тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Напряжение - скалярная физическая величина, равная отношению полной работе кулоновских и сторонних сил при перемещении положительного заряда на участке к значению этого заряда.

где A - полная работа сторонних и кулоновских сил,  q - электрический заряд.

Электрическое сопротивление - физическая величина, характеризующая  электрические свойства участка цепи.

где ρ - удельное сопротивление проводника, l - длина участка проводника,  S - площадь поперечного сечения проводника.

 

Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению

где  G - проводимость.

 

 

Законы Ома.

 

Закон Ома для однородного участка цепи.

Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении участка  и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении.

где U - напряжение на участке,  R - сопротивление участка.

 

 

Закон Ома для произвольного участка цепи, содержащего источник постоянного тока.

где   φ₁ - φ₂ + ε = U напряжение на заданном участке цепи, R - электрическое сопротивление  заданного участка цепи.

 

 

Закон Ома для полной цепи.

Сила тока в полной цепи равна отношению электродвижущей силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участка цепи.

где R - электрическое сопротивление внешнего участка цепи,  r - электрическое сопротивление внутреннего участка цепи.

 

Короткое замыкание.

Из закона Ома для полной цепи следует, что сила тока в цепи  с заданным источником тока зависит только от сопротивления внешней цепи R.

Если к полюсам источника тока подсоединить проводник с сопротивлением  R<< r, то тогда только  ЭДС источника тока и его сопротивление будут определять  значение силы тока в цепи. Такое значение силы тока будет являться предельным для данного источника тока и называется током короткого замыкания. 

 

Последовательное и параллельное

соединение проводников.

 

Электрическая цепь включает в себя источника тока и проводники (потребители, резисторы и др), которые могут соединятся  последовательно или параллельно.

 

 

Смешанное соединение - комбинация  параллельного и последовательного  соединений.

 

 

Правила Кирхгофа.

Для расчета разветвленных цепей, содержащих неоднородные участки, используют правила Кирхгофа. Расчет сложных цепей состоит в отыскании токов в различных участках цепей.

Узел - точка разветвленной цепи, в которой сходится более двух проводников.

1 правило Кирхгофа: алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле, равна нулю;

где n - число проводников, сходящихся в узле, I_i - сила тока в проводнике.

токи, входящие в узел считают положительными, токи, отходящие из узла - отрицательными.

2 правило Кирхгофа: в любом произвольно выбранном замкнутом контуре разветвленной цепи алгебраическая сумма произведений сил токов и сопротивлений каждого из участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС в контуре.

 

Чтобы учесть знаки сил токов и ЭДС выбирается определенное направление обхода контура(по часовой стрелке или против нее). Положительными считают токи, направление которых совпадает с направлением обхода контура, отрицательными считают  токи противоположного направления. ЭДС источников  электрической энергии считают положительными если они создают токи, направление которых совпадает с направлением обхода контура, в противном случае - отрицательными.

 

Порядок расчета сложной цепи постоянного тока.

1. Произвольно выбирают направление токов во всех участках цепи.

2. Первое правило Кирхгофа  записывают  для  (m-1)  узла, где m - число узлов в цепи.

3. Выбирают произвольные замкнутые контуры, и после выбора направления обхода записывают второе правило Кирхгофа.

4. Система из составленных уравнений должна быть разрешимой: число уравнений должно соответствовать количеству неизвестных.

 

 

 

Способы представления

Первым способом (наиболее наглядным) представления периодических несинусоидальных электрических величин являются графики зависимости их мгновенных значений от времени. 

Вторым способом представления периодических несинусоидальных величин является аналитический способ разложения периодических функций в ряд Фурье, состоящий из постоянной составляющей и конечного или бесконечного числа гармонических составляющих, из которого для практических целей берут ограниченное число первых членов ряда. В общем, случае периодическое несинусоидальное напряжение может быть представлено следующим рядом Фурье:


u=U₀+U_1msin(ωt+ψ₁)+U_2msin(2ωt+ψ₂)+…+U_kmsin(kωt+ψ_k)+…,


где U₀ – постоянная составляющая; U_1msin(ωt+ψ₁) – основная, или первая гармоническая составляющая, имеющая период Т=2π/ω, равный периоду данного несинусоидального напряжения; U_2msin(2ωt+ψ₂) ,…, U_kmsin(kωt+ψ_k) – высшие гармонические составляющие; U_1m, U_2m,…,U_km – амплитуды гармонических составляющих; ψ₁ ψ₂,…, ψ_k – начальные фазы гармонических составляющих. Основную и высшие гармонические составляющие часто называют просто гармоники.

Любой периодический сигнал состоит из синусоидального колебания основной частоты, соответствующий полному периоду данного сигнала (f₁=1/T), и ряда синусоидальных колебаний с частотами, в целое число раз превышающими основную частоту: 2f₁, 3f₂, 4f₁ и.т.д., которые называются высшими гармоническими составляющими, или просто “гармониками”. Амплитуды гармоник, как правило, убывают с увеличением номера гармоники. На рисунке 3 показаны результирующие колебания при разных начальных фазах второй гармоники:





Рисунок 3 – Результирующие колебания при разных начальных фазах второй гармоники