3.3. Анализ и расчет последовательной rlc-цепь
П
ри
последовательном
соединении элементов R,
L
и C
(рис. 3.10) приложенное к зажимам цепи
напряжение
равно сумме напряжений на элементах
цепи:
u
= uR
+
uL
+
uС
=
После
подстановки тока
)
имеем
Вид векторной диаграммы напряжений и тока и характер электрических процессов, протекающих в цепи, зависят от соотношения сопротивлений XL и XC:
при
(XL
>
XC)
и UmL
>
UmC
цепь
носит
активно-индуктивный
характер;
ток
i
отстает по фазе от напряжения u
на угол
(рис. 3.11а);
при
(XL
<
XC)
и
UmL
<
UmC
цепь
носит
активно-ёмкостный
характер;
ток
i
опережает по фазе напряжение u
на угол
(рис. 3.11б);
при
(XL
=
XC)
и UmL
=
UmC
цепь
для источника энергии
чисто
активная
нагрузка;
вследствие
возникшего в цепи резонанса напряжений
угол между входным током и напряжением
=
0
(рис. 3.11в).
И
з
треугольников напряжения (см. рис. 3.11а,
б)
следует, что
,
откуда амплитуда тока
Из треугольников сопротивлений (рис. 3.12а, б) следует, что полное сопротивление последовательной RLC-цепи равно
,
где
полное
реактивное
сопротивление
RLC-цепи.
Сдвиг фаз между напряжением u(t) и током i(t) в RLC-цепи (рис. 3.12)
алгебраическая
величина, зависящая от соотношения
сопротивлений XL,
XC
и R.
3.4. Мощности цепи синусоидального тока
При
синусоидальном напряжении
приложенном к зажимам RLC-цепи
(рис. 3.13а),
и установившемся в ней токе
(при
,
рис. 3.13б)
выражение мгновенной мощности
имеет вид
p(t)
= dW/dt
= u(t)i(t)
= (uR
+
uL
+
uС
)i
=
После подстановки тока i и напряжения
u
=
получим
=
график которой приведён на рис. 3.13в.
Проведём анализ каждой составляющей мощности р(t) цепи.
Активная
мощность цепи.
Анализируя выражение мгновенной
мощности
=
в
резистивном
элементе R
(рис. 3.14а,
б),
замечаем, что она знакоположительная
функция.
Это
означает, что электрическая
энергия источника необратимо
преобразуется в элементе R
в другие виды,
например, в тепловую энергию. Такую
мощность называют активной
и
измеряют в ваттах [Вт].
Степень
необратимого преобразования
энергии в цепи оценивают средним
значением мгновенной
мощности р(t)
за
период T
и
обозначают символом P:
Примечание. Напомним, что интеграл от гармонических функций типа sint, cost, cos2t, cos(t ), cos(2t ) и т. д. за период Т равен нулю.
Итак, активная мощность цепи синусоидального тока есть среднее значение общей мощности р(t) за период T. Она равна произведению действующих значений приложенного к цепи напряжения U и тока I, умноженному на cos, т. е.
P = UI cos = RI2.
Реактивная индуктивная мощность. Анализ мгновенной мощности в индуктивном элементе L
показывает, что это знакопеременная функция, изменяющаяся с двойной частотой по отношению к частоте изменения напряжения uL и тока iL в цепи (рис. 3.15б). Среднее значение мощности pL(t) за период T равно нулю.
В индуктивном элементе в первую четверть периода T (см. рис. 3.15а) напряжение uL и ток iL имеют знак плюс, поэтому мощность pL = uLiL > 0, т.е. индуктивный элемент потребляет электрическую энергию источника и преобразовывает её в магнитную, накапливая её в магнитном поле катушки. Во вторую четверть периода напряжение uL и ток iL имеют противоположные знаки, поэтому мощность pL = uLiL < 0. В это время накопленная магнитная энергия возвращается источнику, преобразовываясь в электрическую энергию. В третьей четверти происходит накопление энергии в магнитном поле элемента L, в четвертой её возврат источнику энергии.
И
нтенсивность
преобразования электрической энергии
источника в магнитную в
элементе
L
и
обратно оценивается реактивной
индуктивной
мощностью
+QL,
которая равна амплитуде мощности
(см. рис. 3.15б),
всегда
берётся со знаком плюс
и
измеряется в
варах (вольт-ампер
реактивный)
[вар],
т.е.
.
Реактивная ёмкостная мощность цепи. Анализируя мгновенную мощность в ёмкостном элементе
заключаем, что это знакопеременная функция времени (рис. 2.16б), изменяющаяся с частотой 2 и находящаяся в противофазе с реактивной индуктивной мощностью pL(t) (см. рис. 3.16б). Среднее значение мощности pС(t) за период T равно нулю.
В
ёмкостном
элементе
в первую четверть периода T
напряжение uС
и ток iС
имеют разные знаки (см. рис. 3.16а),
что означает, что ёмкостный элемент
возвращает
накопленную в электрическом
поле конденсатора электрическую
энергию источнику
(конденсатор разряжается).
Во вторую четверть периода ток iС
и напряжение uС
имеют одинаковое направление. В этом
случае ёмкостный элемент (конденсатор)
потребляет
энергию источника
и накапливает её в электрическом
поле (конденсатор заряжается). В третью
четверть периода накопленная в
электрическом поле конденсатора энергия
возвращается источнику, в четвертую
конденсатор вновь заряжается
(потребляет энергию источника).
Интенсивность преобразования энергии в конденсаторе оценивается реактивной ёмкостной мощностью -QC, которая равна амплитуде pС (см. рис. 3.14б), всегда берётся со знаком минус и измеряется в варах [вар], т.е.
.
Полная
мощность цепи синусоидального тока.
Для определения значения
полной
мощности
и соотношений между полной, активной
и реактивной мощностями последовательной
RLC-цепи
(рис. 3.13а)
при
построим векторную диаграмму
напряжений цепи (рис.
3.17а).
Умножив все стороны треугольника напряжений на значение тока Im/2, получим подобный треугольник мощностей (рис. 3.17б), в котором полная мощность
,
т.е.
полная
мощность S
цепи
равна произведению действующих значений
напряжения и тока на её зажимах.
Eё
измеряют в вольт-амперах [ВА]
или в киловольт-амперах
[кВА].
Реактивная мощность цепи
.
Мощности P, Q и S, потребляемые цепью синусоидального тока, связаны соотношением
Отметим, что накопление энергии в индуктивном и ёмкостном элементах происходит в разное время: если в магнитном поле индуктивной катушки накапливается магнитная энергия, то в это время электрическая энергия, запасённая в электрическом поле конденсатора, возвращается источнику и обратно.
