8. Электрическая цепь переменного тока. Характеристики идеальных и реальных элементов це­пи переменного тока. Условно-графические обозначения. Понятие об активной, реактивной и полной мощностях.

ОТВЕТ: В реальной цепи переменного тока происходит сложный энергетический процесс необратимого преобразования и периодического обмена электрической энергией. Для удобства и расчёта таких цепей составляют условные идеальные, так называемые, электрические схемы замещения (ЭСЗ или СЗ), которые полностью отражают электрофизические закономерности реальной цепи и составлены из так называемых идеальных электрических элементов.

Источники ЭДС и тока называются активными элементами, а резистивные, индуктивные и емкостные элементы – пассивными элементами схем замещения.

Идеальный электрический элемент – это участок идеальной электрической цепи (СЗ), выделенной условно-графическим обозначением (УГО) или буквенно-цифровым обозначением (БЦО), и в которой происходит только один энергетический процесс.

1. R – резистивный (активный) идеальный элемент. Отражает процесс необратимого преобразования электрической энергии в другие виды.

2. Х – реактивный идеальный элемент. Отражает процесс обмена электрической энергией между переменными электромагнитными полями реальной цепи (потребителя электроэнергии) и источником.

1) R. В нём отсутствуют переменные электромагнитные поля, что обозначает отсутствие обмена реактивной мощностью. Полное преобразование электроэнергии в другие виды энергии.

2) R. Различают два типа реактивных элементов: x_L – индуктивный элемент, x_C – емкостный элемент.

Индуктивный элемент (идеальная катушка)

Емкостной элемент

Индуктивный элемент характеризуется понятием индуктивность и связан с наличием переменного магнитного поля. - индуктивность. - магнитное потокосцепление, где - число витков, - магнитный поток. В простейшем случае индуктивность катушки определяют по следующей формуле: , , где - магнитная проницаемость среды, - длина и поперечное сечение магнитопровода катушки. . Наиболее просто и удобно применять индуктивность катушки за счёт изменения путём перемещения ферромагнитного сердечника катушки. .

Характеризуется понятием «ёмкость» и характеризует процесс обмена электрической энергией между переменным электрическим полем емкостного элемента и источником. Никакого преобразования электрической энергии не происходит. Ёмкость: , где - заряд конденсатора, - напряжение на обкладках (зажимах) конденсатора. В простейшем случае ёмкость плоско-параллельного конденсатора: , где - диэлектрическая постоянная, - площадь пластин, - расстояние между пластинами.

Реальная катушка и реальный конденсатор (активно-индуктивный (R-L) и активно-емкостной (R-C) элементы в цепи переменного тока).

В любом электротехническом изделии, включённом в цепь переменного тока, происходит два энергетических процесса:

1. Процесс преобразования электроэнергии. Происходит в активном элементе R.

2. Периодический обратимый процесс обмена электроэнергией. Происходит в реактивном элементе x.

Поэтому любое электротехническое устройство на схеме может быть представлено как комбинация двух идеальных элементов.

z – реальное электротехническое устройство → .

С целью упрощения ЭЦ в ряде случаев можно пренебречь наличием переменных электромагнитных полей (ЭМП). → Q=0 → x=0.

Примером такого устройства может служить резистор, лампа накаливания, нагревательный элемент. В этом случае:

1. .

2. Если в электротехническом устройстве можно пренебречь тепловыми потерями (преобразованиями) электроэнергии, то → Р=0 → R=0, тогда:

. Катушка рассматривается как идеальный индуктивный элемент.

3. .

R-L (реальная катушка)	R-С (реальный конденсатор)
Реальная катушка наряду с индуктивность L, связанной с наличием переменного магнитного поля (ПМП), обладает активным сопротивлением, обусловленным сопротивлением провода ( ), из которого изготовлена катушка и на которой происходят Джоулиевы потери, вызывающие нагрев катушки, то есть:	В реальном конденсаторе наряду с ёмкостью С, связанной с наличием переменного электрического поля (ПЭП), существуют тепловые потери элек5троэнергии в следствии переменной поляризации диэлектрика конденсатора и приводящие его к нагреванию. Эти тепловые потери на схеме можно представить в виде фиктивного элемента. .
Уравнение электрического равновесия
для действительного значения. ,	,
Особенности цепи
1. Сдвиг фаз
В RL цепи: Напряжение опережает ток.	В RС цепи: Ток опережает напряжение.
2. Коэффициент использования мощности (КИМ) .
Характеризует степень преобразования электроэнергии в другие виды, то есть в работу как полную так и бесполезную. КИМ .
3. Результирующая векторная диаграмма.
, .	, . Знак «-» обычно опускается и обозначает емкостной характер цепи. .
4. Треугольники напряжений, сопротивлений и мощности.
Если вектор напряжения на векторной диаграмме (ВД) разложить на активную и реактивную составляющие, то получим треугольник напряжений.
Если напряжения поделить на ток, получим скалярный треугольник сопротивления R.
, , , , , .
Если треугольник сопротивлений умножить на квадрат силы тока (I2), получим треугольник мощности.
, , , , , .
5. Закон Ома. , .

Произведение действующих значений напряжения между выводами источника и тока источника определяет так называемую полную мощность источника, равной полной мощности пассивного двухполюсника: .

Процесс обмена энергией между источником энергии и совокупностью индуктивных и емкостных элементов пассивного двухполюсника отображается его реактивной мощностью, равной реактивной мощности источника: .

Активная мощность двухполюсника и источника зависит от действующих значений напряжения и тока, а также от - коэффициента мощности. Активная мощность пассивного двухполюсника всегда положительна и не зависит от знака угла ( ). Она определяет энергетический режим пассивного двухполюсника в целом, то есть среднюю скорость необратимого преобразования энергии во всех резистивных элементах пассивного двухполюсника. , .

. .