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 x_L и x_C 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.

I_A - активная составляющая тока;

I_P - 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:

i=i₁+i_2.

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 ₁ и ₂, которые определяются из выражений:

, .

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

Далее откладывают падения напряжений на участках R₁, R₂, x_C, x_L.

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

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

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

Комплексный (символический) метод расчета цепей синусоидального тока

Вектор синусоидально изменяющейся величины может быть представлен и на комплексной плоскости. Комплексные представления позволяют совместить простоту и наглядность векторных диаграмм, имеющим недостаток – ограниченную точность, с возможностью проведения точных аналитических расчетов. При оперировании с векторами можно воспользоваться теорией, разработанной для комплексных чисел. Вектору, расположенному на комплексной плоскости, однозначно соответствует комплексное число. В соответствии с формулой Эйлера для комплексного числа равнозначны алгебраическая, тригонометрическая и показательная формы записи. При суммировании комплексных чисел удобна алгебраическая форма, при умножении и делении – показательная.

Использование комплексной формы представления позволяет заменить геометрические операции над векторами алгебраическими операциями над комплексными числами. В результате этого к анализу цепей переменного тока могут быть применены все методы анализа цепей постоянного тока.

Следует обратить внимание на то, что комплексные изображения, как и векторные диаграммы, несут информацию только о двух параметрах синусоиды – амплитуде и начальной фазе, не отражая ее третьего параметра – угловую частоту ω. Векторы на комплексной плоскости и соответствующие им комплексные числа принято изображать той же буквой, что и амплитуду изображаемой синусоиды с точкой наверху.

Мнимая единица в электротехнике обозначается символом j , поскольку символ i используется для обозначения мгновенного тока.

Ток i(t) = I_m sin(ωt + φ_о) можно представить комплексным числом Í_m на комплексной плоскости

где амплитуда тока I_m – модуль, а угол φ_о, являющийся начальной фазой, – аргумент комплексного тока.

Все параметры цепи представляются в комплексной форме.

Алгебраическая форма записи комплексного числа: İ_m = I_m^’ + j I_m^’’, при записи в тригонометрической форме проекции вектора выражают через его длину I_m и угол φ_о: İ_m = I_mcosφ_о + j I_msinφо = I_m(cosφ_о + j sinφ_о). Показательная форма записи имеет вид İ_m = I_me ^jφо .

В этих выражениях I_m = √ (I_m^{’ 2}+ I_m^’’2 ) – модуль комплексного числа, φ_о = arctg(I_m^’’/ I_m^’) - его аргумент, I_m^’= I_mcos φ_о, I_m^’’= I_msin φ_о.

– комплексное действующее значение силы тока (без индекса m); – комплексное действующее значение напряжения (без индекса m).

Пример, представить действующее значение тока

в показательной форме. Результат:

.