главнаяреклама на сайтезаработоксотрудничество Библиотека Revolution
 
 
Сколько стоит заказать работу?   Искать с помощью Google и Яндекса
 



Электрические цепи переменного тока

Принцип получения переменной ЭДС. Действующие значение тока и напряжения. Метод векторных диаграмм. Последовательная цепь, содержащая активное сопротивление, индуктивность и емкость. Проводимость и расчет электрических цепей. Резонанс напряжений и токов.

Рубрика: Физика и энергетика
Вид: реферат
Язык: русский
Дата добавления: 19.02.2009
Размер файла: 1,3 M

Полная информация о работе Полная информация о работе
Скачать работу можно здесь Скачать работу можно здесь

рекомендуем


Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже.

Название работы:
E-mail (не обязательно):
Ваше имя или ник:
Файл:


Cтуденты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны

Подобные работы


1. Расчет линейных электрических цепей переменного тока
Расчёт неразветвлённой цепи с помощью векторных диаграмм, разветвлённой цепи с помощью векторных диаграмм. Расчет ложных цепей переменного тока символическим методом, трёхфазной цепи при соединении приемника в звезду, неразветвлённой цепи.
курсовая работа [123,9 K], добавлена 03.11.2010

2. Исследование цепей постоянного и переменного тока
Расчет линейных электрических цепей постоянного тока, определение токов во всех ветвях методов контурных токов, наложения, свертывания. Нелинейные электрические цепи постоянного тока. Анализ электрического состояния линейных цепей переменного тока.
курсовая работа [351,4 K], добавлена 10.05.2013

3. Расчет однофазной цепи переменного тока
Расчёт токов и напряжений цепи. Векторные диаграммы токов и напряжений. Расчёт индуктивностей и ёмкостей цепи, её мощностей. Выражения мгновенных значений тока неразветвлённой части цепи со смешанным соединением элементов для входного напряжения.
контрольная работа [376,9 K], добавлена 14.10.2012

4. Линейные и нелинейные электрические цепи постоянного тока
Анализ электрического состояния линейных и нелинейных электрических цепей постоянного тока. Расчет однофазных и трехфазных линейных электрических цепей переменного тока. Переходные процессы в электрических цепях, содержащих конденсатор и сопротивление.
курсовая работа [4,4 M], добавлена 14.05.2010

5. Исследование электрической цепи переменного тока с активным и емкостным сопротивлением
Изучение неразветвленной цепи переменного тока, построение векторных диаграмм. Определение фазового сдвига векторов напряжений на активном и емкостном сопротивлении. Подключение к генератору трёхфазного напряжения и подача синусоидального напряжения.
лабораторная работа [164,3 K], добавлена 12.01.2010

6. Расчет сложных электрических цепей гармонического тока
Применение метода комплексных амплитуд к расчёту цепей гармонического тока, особенности построения векторных диаграмм. Расчет методом контурных токов мгновенного значения токов в ветвях, проверка баланса мощностей, векторной диаграммы токов и напряжений.
курсовая работа [160,3 K], добавлена 19.12.2009

7. Расчет электрических цепей
Расчет линейной электрической цепи постоянного тока. Определение токов во всех ветвях методом контурных токов и узловых напряжений. Электрические цепи однофазного тока, определение показаний ваттметров. Расчет параметров трехфазной электрической цепи.
курсовая работа [653,3 K], добавлена 02.10.2012

8. Исследование электрической цепи переменного тока с активным и индуктивным сопротивлением
Изучение неразветвленной цепи переменного тока. Особенности построения векторных диаграмм. Определение фазового сдвига векторов напряжения на активном и индуктивном сопротивлении. Построение векторной диаграммы и треугольников сопротивления и мощностей.
лабораторная работа [982,7 K], добавлена 12.01.2010

9. Исследование и расчет цепей синусоидального тока
Расчет эквивалентных параметров цепей переменного тока. Применение символического метода расчета цепей синусоидального тока. Проверка баланса мощностей. Исследование резонансных явлений в электрических цепях. Построение векторных топографических диаграмм.
контрольная работа [1,4 M], добавлена 09.02.2013

10. Исследование резонанса напряжений в цепи переменного тока
Схема цепи с активным, индуктивным и емкостным сопротивлениями, включенными последовательно. Расчет значений тока и падения напряжения. Понятие резонанса напряжений. Снятие показаний осциллографа. Зависимость сопротивления от частоты входного напряжения.
лабораторная работа [3,6 M], добавлена 10.07.2013


Другие документы, подобные Электрические цепи переменного тока


- 22 -

Федеральное агентство по образованию РФ

Курчатовский филиал

Курского государственного политехнического колледжа

Реферат

по дисциплине: "Электротехника"

на тему: "Электрические цепи переменного тока"

Работу выполнил:

Асеев Евгений Сергеевич

студент 2 курса специальности

"Атомные станции и установки"

Проверил: Горлов А.Н.

Курчатов

2008

Содержание

Введение

Принцип получения переменной ЭДС. Действующее значение тока и напряжения

Метод векторных диаграмм

Цепь переменного тока с активным сопротивлением и индуктивностью

Цепь переменного тока с разной нагрузкой

Последовательная цепь, содержащая активное сопротивление, индуктивность и емкость

Резонанс напряжений и токов

Проводимость и расчет электрических цепей

Введение

До конца 19 века использовались только источники постоянного тока - химические элементы и генераторы. Это ограничивало возможности передачи электрической энергии на большие расстояния. Как известно, для уменьшения потерь в линиях электропередачи необходимо использовать очень высокое напряжение. Однако получить достаточно высокое напряжение от генератора постоянного тока практически невозможно. Проблема передачи электрической энергии на большие расстояния была решена только при использовании переменного тока и трансформаторов.

1. Принцип получения переменной ЭДС

Переменный ток имеет ряд преимуществ по сравнению с постоянным: генератор переменного тока значительно проще и дешевле генератора постоянного тока; переменный ток можно трансформировать; переменный ток легко преобразуется в постоянный; двигатели переменного тока значительно проще и дешевле, чем двигатели постоянного тока.

В принципе переменным током можно назвать всякий ток, который с течением времени изменяет свою величину, но в технике переменным током называют такой ток, периодически изменяет и величины и направление. Причем среднее значение силы такого тока за период Т равно нулю. Периодическим переменный ток называется потому, что через промежутки времени Т, характеризующие его физические величины принимают одинаковые значения.

В электротехнике наибольшее распространение получил синусоидальный переменный ток, т.е. ток, величина которого изменяется по закону синуса (или косинуса), обладающий рядом достоинств по сравнению с другими периодическими токами.

Переменный ток промышленной частоты получают на электростанциях с помощью генераторов переменного тока (трехфазных синхронных генераторов). Это довольно сложные электрические машины, рассмотрим только физические основы их действия, т.е. идею получения переменного тока.

Пусть в однородном магнитном поле постоянного магнита равномерно вращается с угловой скоростью ? рамка площадью S .(рис. 1).

Магнитный поток через рамку будет равен:

Ф=BS cos? (1.1)

где ? - угол между нормалью к рамке n и вектором магнитной индукции B. Поскольку при равномерном вращении рамки ?= ?/t, то угол ? будет изменяться по закону ?= ? t и формула(1.1) примет вид:

Ф=BScos?t (1.2)

Поскольку при вращении рамки пересекающий ее магнитный поток все время меняется, то по закону электромагнитной индукции в ней будет наводиться ЭДС индукции Е :

Е= -dФ/dt =BS?sin?t =E0sin?t (1.3)

где Е0 = BS? - амплитуда синусоидальной ЭДС. Таким образом, в рамке возникнет синусоидальная ЭДС, а если замкнуть рамку на нагрузку, то в цепи потечет синусоидальный ток.

Величину ?t = 2?t/Т = 2?ft, стоящую под знаком синуса или косинуса, называют фазой колебаний, описываемых этими функциями. Фаза определяет значение ЭДС в любой момент времени t. Фаза измеряется в градусах или радианах.

Время Т одного полного изменения ЭДС (это время одного оборота рамки) называют периодом ЭДС. Изменение ЭДС со временем может быть изображено на временной диаграмме (рис. 2).

Величину, обратную периоду, называют частотой f = 1/T. Если период измеряется в секундах, то частота переменного тока измеряется в Герцах. В большинстве стран, включая Россию, промышленная частота переменного тока составляет 50Гц (в США и Японии - 60 Гц).

Величина промышленной частоты переменного тока обусловлена технико-экономическими соображениями. Если она слишком низка, то увеличиваются габариты электрических машин и, следовательно, расход материалов на их изготовление; заметным становится мигание света в электрических лампочках. При слишком высоких частотах увеличиваются потери энергии в сердечниках электрических машин и трансформаторах. Поэтому наиболее оптимальными оказались частоты 50 - 60 Гц. Однако, в некоторых случаях используются переменные токи как с более высокой, так и более низкой частотой. Например, в самолетах применяется частота 400 Гц. На этой частоте можно значительно уменьшить габариты и вес трансформаторов и электромоторов, что для авиации более существенно, чем увеличение потерь в сердечниках. На железных дорогах используют переменный ток с частотой 25 Гц и даже 16,66 Гц.

Действующие значения тока и напряжения

Для описания характеристик переменного тока необходимо избрать определённые физические величины. Мгновенные и амплитудные значения для этих целей неудобны, а средние значения за период равны нулю. Поэтому вводят понятие действующих значений тока и напряжения. Они основаны на тепловом действии тока, не зависящем от его направления.

Действующими значениями тока и напряжения называют соответствующие параметры такого постоянного тока, при котором в данном проводнике за данный промежуток времени выделяется столько же теплоты, что и при переменном токе. Найдем соотношение между действующими и амплитудными значениями.

В активном сопротивлении R при постоянном токе I за период постоянного тока T по закону Джоуля-Ленца выделится следующее количество теплоты:

Q=I RT (1.4)

При переменном токе i в том же сопротивлении R за бесконечно малый промежуток времени dt выделится следующее количество теплоты:

dQ = i Rdt (1.5)

где мгновенное значение тока i определяется формулой:

i = I0sin?t (1.6)

Тогда теплота, выделяемая переменным током за период Т равна:

Интеграл (1.7) вычисляется следующим образом:

Второй интеграл равен нулю, поскольку это интеграл от периодической функции за один период. Приравняв, согласно определению (1.4) и (1.8), получим:

Таким образом, действующее значение переменного тока в v2 раз меньше его амплитудного значения. Аналогично вычисляются действующие значения напряжения и ЭДС:

U = U0/v2; E = E0/v2 (1.10)

Действующие значения обозначаются прописными латинскими буквами без индексов.

2. Метод векторных диаграмм

Метод векторных диаграмм - то есть изображение величин, характеризующих переменный ток векторами, а не тригонометрическими функциями, чрезвычайно удобен.

Переменный ток, в отличие от постоянного, характеризуется двумя скалярными величинами - амплитудой и фазой. Поэтому для математического описания переменного тока необходим математический объект, также характеризуемый двумя скалярными величинами. Существуют два таких математических объектов - это вектор на плоскости и комплексное число. В теории электрических цепей и те и другие используются для описания переменных токов.

При описании электрической цепи переменного тока с помощью векторных диаграмм каждому току и напряжению сопоставляется вектор на плоскости в полярных координатах, длина которого равна амплитуде тока или напряжения, а полярный угол равен соответствующей фазе. Поскольку фаза переменного тока зависит от времени, то считается, что все векторы вращаются против часовой стрелки с частотой переменного тока. Векторная диаграмма строится для фиксированного момента времени.

Более подробно построение и использование векторных диаграмм будет изложено ниже на примерах конкретных цепей.

3. Цепь переменного тока с активным сопротивлением и индуктивностью

Рассмотрим цепь (рис. 3), в котором к активному сопротивлению (резистору) приложено синусоидальное напряжение:

U (t) = U0sin ?t (1.11)

Тогда по закону Ома ток в цепи будет равен:

I (t) = U (t)/R = U0sin ?t/R = I0 sin ?t (1.12)

Мы видим, что ток и напряжение совпадают по фазе. Векторная диаграмма для этой цепи приведена на рисунке 4:

I U

Рис. 4

Выясним, как изменяется со временем мощность в цепи переменного тока с резистором. Мгновенное значение мощности равно произведению мгновенных значений тока и напряжения:

p (t) = i(t)u(t) = I0 U0 sin ?t = I0 U0(1- cos2 ?t)/2 (1.13)

Из этой формулы мы видим, что мгновенная мощность всегда положительна и пульсирует с удвоенной частотой (рис. 5):

Это означает, что электрическая энергия необратимо превращается в теплоту независимо от направления тока в цепи.

Вычислим среднее значение мощности за период:

T T T

Pср = 1/T ? p(t)dt = I0U0/2T ? dt ? I0U0/2T ? cos2?t dt = (I0U0/2T) •T = IU = I R

0 0 0 (1.14)

поскольку второй интеграл равен нулю как интеграл от периодической функции за период.

Мы видим, что в цепи с резистором вся электрическая энергия необратимо превращается в тепловую энергию. Те элементы цепи, на которых происходит необратимое преобразование электрической энергии в другие виды энергии (не только в тепловую), называются активными сопротивлениями. Поэтому резистор представляет собой активное сопротивление.

Рассмотрим цепь (рис. 6), в котором к катушке индуктивности L, не обладающей активным сопротивлением (R=0), приложено синусоидальное напряжение (1.11):

Протекающий через катушку переменный ток создает в ней ЭДС самоиндукции eL. Тогда в соответствии со вторым правилом Кирхгофа можно записать:

U + eL = 0 (1.15)

Согласно закону Фарадея, ЭДС самоиндукции равна:

eL = ?LdI/dt (1.16)

Подставив (1.16) в (1.15), имеем:

dI/dt = ? eL/L = U/L = U0 sin ?t/L (1.17)

Интегрируя это уравнение, получим:

I =? U0cos ?t/? L + const = U0sin (?t ? ?/2)/ ?L+ const (1.18)

где const - постоянная интегрирования, которая говорит о том, что в цепи может быть и постоянный ток. При отсутствии постоянного тока она равна нулю. При отсутствии постоянного тока она равна нулю. Окончательно имеем:

I = I0 sin (?t ? ?/2) (1.19)

где I0 = U0/ ?L. Деля обе части на v2, получим:

I = U/ ?L= U/ XL (1.20)

Соотношение (1.20) представляет собой закон Ома для цепи с идеальной индуктивностью, а величина XL= ?L называется индуктивным сопротивлением.

Из формулы (1.19) мы видим, что в рассмотренной цепи ток отстает по фазе от напряжения на ?/2. Векторная диаграмма для этой цепи изображена на рисунке 7.

Вычислим мощность, потребляемую цепью с чисто индуктивным сопротивлением.

Мгновенная мощность равна:

p (t)= I0 U0 sin ?t(?t ? ?/2)= ? I0 U0 sin2 ?t/2 (1.21)

Мы видим, она изменяется по закону синуса с удвоенной частотой (рис. 8).

Положительные значения мощности соответствуют потреблению энергии катушкой, а отрицательные -- возврату запасенной энергии обратно источнику.

Средняя за период мощность равна:

Т T

Pср = 1/T ? p(t)dt = (? I0 U0 /2T) ? sin2 ?t dt = 0 (1.22)

Мы видим, что цепь с индуктивностью мощности не потребляет - это чисто реактивная нагрузка.

5. Цепь переменного тока с разной нагрузкой

Цепь переменного тока с активно-индуктивной нагрузкой

Рассмотрим электрическую цепь (рис. 9), в котором через катушку индуктивности L, обладающую активным сопротивлением R, протекает переменный ток:

I = I0 sin ?t (1.23)

Напряжение, приложенное к цепи, равно векторной сумме падений напряжений на катушке индуктивности и на резисторе:

U = UL+UR (1.24)

Напряжение на резисторе, как показано выше, совпадает по фазе с током:

UR = U0R sin ?t (1.25)

а напряжение на индуктивности равно ЭДС самоиндукции со знаком “минус” (по второму правилу Кирхгофа):

UL = L(dI/dt)= I0 ?Lcos ?t = U0Lsin(?t + ?/2) (1.26)

где U0L= I0 ?L (1.27)

Напряжение на индуктивности опережает ток на ?/2. Переходя к формуле (1.27) к действующим значениям переменного тока (I = I0/v2; U= U0/v2), получим:

I = UL/XL (1.28)

Это закон Ома для цепи с идеальной индуктивностью (т.е. не обладающей активным сопротивлением), а величина XL= ?L называется индуктивным сопротивлением. Построив векторы I, UR и UL и воспользовавшись формулой (1.24), мы найдем вектор U.

Как видно из векторной диаграммы, модуль вектора U равен

U= v UR + UL = v I R + I (?L) = Iv R + (?L) = IZ (1.29)

где величина

Z = v R + (?L) (1.30)

называется полным сопротивлением цепи.

Сдвиг по фазе ? между током и напряжением также определяется из векторной диаграммы:

tg ? = UL/ UR = ?L/ R (1.31)

В данной цепи угол сдвига фаз между током и напряжением зависит от значений R и L и изменяется в пределах от 0 до ?/2.

Теперь рассмотрим как изменяется со временем мощность в цепи с активно-индуктивной нагрузкой. Мгновенные значения тока и напряжения можно представить в виде:

U(t) = U0 sin ?t (1.32)

I(t) = I0 sin(?t ? ?)

Тогда мгновенное значение мощности равно:

p(t)= I(t) U(t) = I0 U0 sin ?t sin(?t ? ?)=(I0 U0/2)[cos? ? cos(2?t ? ?)] = =(I0 U0/2)(1? cos2?t) cos? ? (I0 U0/2) sin2?t sin ? (1.33)

Мгновенное значение мощности имеет две составляющие: первое слагаемое -- активная, и второе -- реактивная (индуктивная). Поэтому средняя за период мощность не равна нулю:

T T T

Pср = 1/T ? pdt = (I0 U0/2T) cos? ?dt ? (I0 U0/2T) cos? ? cos2?t dt ?

0 0 0

T

?(I0 U0/2T) sin ? ? sin2?t dt = (I0 U0/2) cos? (1.34)

0

и является активной мощностью. Соответствующая этой мощности электрическая энергия превращается в активном сопротивлении R в теплоту.

Цепь переменного тока с емкостью

Рассмотрим электрическую цепь, в которой переменное напряжение (1.11) приложено к емкости С (рис. 11). Мгновенное значение тока в цепи с емкостью равно скорости заряда на обкладках конденсатора:

I = dq/dt (1.35)

но, т.к. q = CU, то

I = C (dU/dt) = ?CU0 cos ?t = I0 sin (?t + ?/2) (1.36)

где

?CU0 = I0 (1.37)

В этой цепи ток опережает напряжение на ?/2. Переходя в формуле (1.37) к действующим значениям переменного тока (I = I0/v2; U= U0/v2), получим:

I0 = U/Xc (1.38)

Это закон Ома для цепи переменного тока с емкостью, а величина

Xc= 1/?C называется емкостным сопротивлением. Векторная диаграмма для этой цепи показана на рис. 12.

Найдем мгновенную и среднюю мощность в цепи, содержащей емкость. Мгновенная мощность равна:

p(t)= i(t) u(t) = I0U0 sin (?t + ?/2) sin ?t = IUsin2 ?t (1.39)

Мгновенная мощность изменяется с удвоенной частотой (рис. 13). При этом положительные значения мощности соответствуют заряду конденсатора, а отрицательные -- его разряду и возврату запасенной энергии в источник. Средняя за период мощность здесь равна нулю

T T

Pср = 1/T ? p(t)dt = IU/T ? sin2 ?t dt = 0 (1.40)

0 0

т.к. в цепи с конденсатором активная мощность не потребляется, а проходит обмен электрической энергией между конденсатором и источником.

Цепь переменного тока с активно-емкостной нагрузкой

Реальная цепь переменного тока с емкостью всегда содержит активное сопротивление -- сопротивление проводов, активные потери в конденсаторе и т.п. Рассмотрим реальную цепь, состоящую из последовательно соединенных конденсатора С и активного сопротивления R (рис. 14). В этой цепи протекает ток I = I0 sin ?t .

В соответствии со вторым правилом Кирхгофа, сумма напряжений на резисторе и на емкости равна приложенному напряжению:

U = UR + UC (1.41)

Напряжение на резисторе совпадает по фазе с током:

UR = U0R sin ?t (1.42)

а напряжение на конденсаторе отстает от тока:

UC = U0C sin (?t ? ?/2) (1.43)

Построив векторы I,UR и UC и воспользовавшись формулой (1.41), найдем вектор U. Векторная диаграмма для этой цепи показана на рисунке 15.

Как видно из векторной диаграммы, модуль вектора U равен

U =v UR + UC =v I R + I (1/?C) = I v R + (1/?C) = IZ1 (1.44)

где величина

Z1=v R + (1/?C) (1.45)

называется полным сопротивлением цепи.

Сдвиг по фазе ? между током и напряжением в данной цепи также определяется из векторной диаграммы:

tg ? = UC/ UR = (1/?C)/ R (1.46)

В рассмотренной цепи угол сдвига фаз между током и напряжением зависит от значений R и C и изменяется в пределах от 0 до ?/2.

Рассмотрим теперь, как изменяется со временем мощность в цепи с активно - емкостной нагрузкой. Мгновенные значения тока и напряжения можно представить в виде:

U (t) = U0 sin ?t

I (t) = I0 sin (?t + ?) (1.47)

Тогда мгновенное значение мощности равно:

p(t)= I(t) U(t) = I0 U0 sin ?t sin(?t + ?)=(I0 U0/2)[cos? ? cos(2?t + ?)] = =(I0 U0/2)(1? cos2?t) cos? + (I0 U0/2) sin2?t sin ? (1.48)

Мгновенное значение мощности имеет две составляющие: первое слагаемое -- активная, а второе -- реактивная (емкостная). Поэтому средняя за период мощность не равна нулю:

T T T

Pср =1/T ? pdt = I0U0/2T cos? ? dt ? I0U0/2T cos? ? cos2 ?tdt + I0U0/2T •

0 0 0

T

sin ? ? sin2?t dt = I0U0/2T cos? (1.49)

0

и является активной мощностью. Соответствующая этой мощности электрическая энергия превращается в активном сопротивлении R в теплоту.

6. Последовательная цепь, содержащая активное сопротивление, индуктивность и емкость

Теперь рассмотрим цепь переменного тока, содержащую индуктивность, емкость и резистор, включенные последовательно (рис. 16).

Напряжение, приложенное к цепи, равно векторной сумме падений напряжений на катушке индуктивности, на емкости и на резисторе:

U = UL + UC + UR (1.50)

Напряжение на резисторе совпадает по фазе с током, напряжение на катушке опережает ток по фазе на ?/2, а напряжение на емкости отстает от тока по фазе на ?/2. Можно записать эти напряжения в следующем виде:

UR = U0R sin ?t = I0R sin ?t

UL = U0Lsin (?t + ?/2) = I0 ?L (?t + ?/2) (1.51)

UC = U0C sin (?t ? ?/2) = (I0/?C) sin (?t ? ?/2)

Поскольку нам известны амплитуды и фазы этих векторов, мы можем построить векторную диаграмму и найти вектор U (рис. 17)

Из полученной векторной диаграммы мы можем найти модуль вектора приложенного к цепи напряжения U и сдвиг по фазе ? между током и напряжением:

U = v UR + (UL ? UC) = I v R +( ?L? 1/?C) = IZ (1.52)

где

Z = v R +( ?L? 1/?C) (1.53)

называется полным сопротивлением цепи. Из диаграммы видно, что сдвиг по фазе между током и напряжением определяется уравнением:

tg ? =(UL ? UC)/ UR = ( ?L? 1/?C)/R (1.54)

В результате построения диаграммы мы получили треугольник напряжений, гипотенуза которого равна приложенному напряжению U. При этом разность фаз между током и напряжением определяется соотношением векторов UL, UC и UR. При UL > UC (рис. 17) угол ? положителен и нагрузка имеет индуктивный характер. При UL < UC угол ? отрицателен и нагрузка имеет емкостный характер (рис. 18, а ). А при

UL = UC угол ? равен нулю и нагрузка является чисто активной (рис. 18, б).

Разделив стороны треугольника напряжений (рис. 17) на значение тока в цепи, получим треугольник сопротивлений (рис. 19, а), в котором R - активное сопротивление, Z - полное сопротивление, а x = xL?xC - реактивное сопротивление. Кроме того,

R = Zcos?; x = Zsin? (1.55)

Умножив стороны треугольника напряжений на значение тока в цепи, получим треугольник мощностей (рис. 19, б). Здесь S - полная мощность, Q - реактивная мощность и P - активная мощность. Из треугольника мощностей следует:

S = IU = vP + Q ; Q = Ssin ? ; P = S cos ? = IU cos ? (1.56)

Реактивная мощность Q всегда связана с обменом электрической энергией между источником и потребителем. Ее измеряют в вольт - амперах реактивных (Вар).

Полная мощность S содержит в себе как активную, так и реактивную составляющие -- это мощность, которая потребляется от источника электроэнергии. При P = 0 вся полная мощность становится реактивной, а при Q = 0 - активной. Следовательно, составляющие полной мощности определяются характером нагрузки. Полная мощность измеряется в вольт - амперах (ВА). Эта величина указывается на табличках приборов переменного тока.

Активная мощность P связана с той электрической энергией, которая может быть преобразована в другие виды энергии -- теплоту, механическую работу и т.д. Она измеряется в Ваттах (Вт). Активная мощность зависит от тока, напряжения и cos ?. При увеличении угла ? уменьшается cos ? и мощность P, а при уменьшении угла ? активная мощность P возрастает. Таким образом, cos ? показывает, какая часть полной мощности теоретически может быть преобразована в другие виды энергии. cos ? называют коэффициентом мощности.

Для более рационального использования мощности переменного тока, вырабатываемого источниками электрической энергии, стараться сделать нагрузку такой, чтобы cos ? в цепи был близок к единице. На практике, в масштабах предприятия добиться этого довольно трудно и хорошим показателем является cos ? =0,9 -- 0,95.

При низких значениях cos ? возникают дополнительные потери на нагревание проводника.

Предположим, что одинаковые активные мощности передаются при одинаковом напряжении к двум равным нагрузкам с cos ?0 =1 и cos ?1 <1. Тогда

I0U cos ?0 = I1U cos ?1 (1.57)

Отсюда

I1 = I0 / cos ?1 (1.58)

Мощность, которая расходуется на нагревание проводов равна

P0 = I0 R

P1 = I1 R = I0 R / cos ?1 (1.59)

то есть потери на нагревание проводов обратно пропорциональны квадрату коэффициента мощности. Так и должно быть, потому что реактивная мощность создает в проводах дополнительный реактивный ток, а потери на нагревание проводов пропорциональны квадрату тока. Поэтому повышение cos ? имеет большое практическое значение.

7. Резонанс напряжений и токов

Резонанс напряжений

Когда напряжения на индуктивности и емкости UL и UC , взаимно сдвинутые по фазе на 180 , равны по величине, то они полностью компенсируют друг друга (рис. 18, б). Напряжение, приложенное к цепи, равно напряжению на активном сопротивлении, а ток в цепи совпадает по фазе с напряжением. Этот случай называется резонансом напряжений.

Условием резонанса напряжений является равенство напряжений на индуктивности и емкости или равенство индуктивного и емкостного сопротивлений цепи:

xL = xC или ?L = 1/?C (1.60)

При резонансе напряжений ток в цепи равен

I = U/vR + 0 = U/R (1.61)

то есть, цепь в данном случае имеет наименьшее возможное сопротивление, как будто в нее включено только активное сопротивление R. Ток в цепи при этом достигает максимального значения.

При резонансе напряжения на реактивных сопротивлениях xL и xC могут заметно превышать приложенное к цепи напряжение. Если мы возьмем отношение приложенного напряжения к напряжению на индуктивности (или емкости), то получим

U/ UL = IZ/I xL = Z/ xL или UL = U xL /R (1.62)

то есть напряжение на индуктивности будет больше приложенного напряжения в xL /R раз. Это значит, что при резонансе напряжений на отдельных участках цепи могут возникнуть напряжения, опасные для изоляции приборов, включенных в данную цепь. Векторная диаграмма для случая резонанса напряжений показана на рис. 18 б.

Если в последовательной цепи, содержащей активное сопротивление, индуктивность и емкость изменять величину одного из элементов цепи (например, емкости) при неизменном приложенном напряжении, то будут изменяться многие величины, характеризующих ток в цепи. Кривые, показывающие как меняются ток, напряжение, называются резонансными. Резонансные кривые при изменении емкости показаны на рисунке 20.

Резонанс токов

В отличие от последовательных цепей переменного тока, где ток, протекающий по всем элементам цепи одинаков, в параллельных цепях одинаковым будет напряжение, приложенное к параллельно включенным ветвям цепи.

Рассмотрим параллельное включение емкости и ветви, состоящей из индуктивности и активного сопротивления (рис. 21).

Обе ветви находятся под одним и тем же приложенным напряжением U. Построим векторную диаграмму для этой цепи. В качестве основного вектора выберем вектор приложенного напряжения U (рис. 22).

Затем найдем длину вектора I1 из соотношения

I1 = U/z1 = U/vR1 + xL (1.63)

и отложим этот вектор по отношению к вектору U под углом ?1 , который определяется по формуле

tg ?1 = xL/ R1 (1.64)

Полученный таким образом вектор тока I1 разложим на две составляющие: активную Iа1 = I1 cos ?1 и реактивную Ip1 = I1 sin ?1 (рис. 22).

Величину вектора тока I2 находим из соотношения

I2 = U/ xC = U/(1/?C) = ?CU (1.65)

и откладываем этот вектор под углом 90 против часовой стрелки относительно вектора приложенного напряжения U.

Общий ток I равен геометрической сумме токов I1 и I2 или геометрической сумме реактивного тока Ip1 ? I2 =IL ? IC и активного тока Iа1. длина вектора I равна

I = v(IL ? IC ) +( Iа1) (1.66)

Сдвиг по фазе между общим током I и приложенным напряжением U можно определить из соотношения

tg? =(IL ? IC )/ Iа1 (1.67)

Из векторной диаграммы видно, что длина и положение вектора общего тока зависят от соотношения между реактивными токами IL и IC. В частности, при IL > IC общий ток отстает по фазе от приложенного напряжения, при IL < IC - опережает его, а при IL = IC - совпадает с ним по фазе. Последний случай (IL = IC) называется резонансом токов. При резонансе токов общий ток равен активной составляющей тока в цепи, то есть происходящие в цепи процессы таковы, как будто в ней содержится только активное сопротивление (в этом случае ? = 0 и cos ? = 1). При резонансе общий ток в цепи принимает минимальное значение и становится чисто активным, тогда как реактивные токи в ветвях не равны нулю и противоположны по фазе.

Если в параллельной цепи, изображенной на рисунке 21, изменять величину емкости при неизменном приложенном напряжении, то будут изменяться многие величины, характеризующие ток в цепи. Кривые, показывающие как изменяются ток, напряжения на участках цепи и сдвиг по фазе между током и напряжением, называются резонансными.

... читать дальше >>>

Поcмотреть текст работы Поcмотреть полный текст
Скачать работу можно здесь Скачать работу "Электрические цепи переменного тока" можно здесь
Сколько стоит?

Рекомендуем!

база знанийглобальная сеть рефератов