KonspektElektrotekhnika_i_elektronika
.pdfЭлектротехника и электроника
1.8. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНОВ КИРХГОФА ДЛЯ РАСЧЕТОВ СЛОЖНЫХ ЦЕПЕЙ
При помощи первого и второго законов Кирхгофа можно найти токи во всех ветвях разветвленной цепи с произвольным числом источников энергии, если заданы ЭДС всех источников и сопротивления всех участков цепи. Для этого:
1.Произвольно намечают на схеме стрелками направления искомых токов,
которые называют положительными направлениями.
2.Число неизвестных токов равно числу ветвей n цепи. Составляют систе- му уравнений, в которой:
- число уравнений, составленных по первому закону Кирхгофа, должно быть на единицу меньше числа узлов цепи (m - 1);
- недостающие уравнения n – (m-1) должны быть составлены по второму закону Кирхгофа. Каждый следующий контур, для которого пишется уравне- ние, должен содержать хотя бы одну ветвь, не вошедшую в уже обойденные контуры.
3.Решая полученную систему уравнений, находят все токи. Те из них, дей- ствительные направления которых отличны от намеченных, получат при реше- нии отрицательные числовые значения.
4.По действительным направлениям токов определяют режимы работы ис- точников.
5.Определяют мощности, генерируемые и потребляемые элементами цепи. Баланс мощностей должен сходиться.
Например, цепь, представленная на рис.1.28, содержит пять ветвей n = 5. Таким образом, имеем пять неизвестных токов.
Так как цепь имеет три узла m= 3, то по первому закону Кирхгофа для нее
I1 |
R1 |
a I2 |
R2 |
|
R3 |
I3 |
должно быть составлено: |
b |
(m-1) = 3 - 1 = 2 два уравнения, |
||||||
|
|
I5 |
|
I4 |
|
|
а по второму: |
Е1 |
|
|
|
Е2 |
n - (m - 1) = 5 - (3 - 1) = 3 - осталь- |
||
|
|
R |
|
R4 |
|
|
ные три уравнения. |
|
R01 |
5 |
|
|
R02 |
По первому закону Кирхгофа по- |
|
|
|
|
|
||||
|
|
c |
|
c |
|
|
лучим: |
|
|
|
|
|
для узла а: I1 + I2 - I5= 0; |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 1.28 |
|
|
|
для узла b: I3 - I2 - I4 = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
В качестве контуров для приме- |
нения второго закона Кирхгофа выберем те три ячейки, на которые ветвями ас |
|||||||
и bс разбивается весь внешний контур цепи. Обходя ячейки по направлению |
|||||||
движения часовой стрелки, получим: |
|
||||||
для левой ячейки: |
E1 = (R01 + R1) I1 + R5I5; |
||||||
для средней ячейки, в которой нет источников энергии: |
0 = - R2I2 + R4I4 – R5 I5;
для правой ячейки: - E2 = - (R02 + R3) I3 – R4 I4.
Решая полученную систему уравнений, можно найти все пять токов.
- 20 -
2. Однофазные электрические цепи
2.ОДНОФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
2.1. ПОЛУЧЕНИЕ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ЭДС
Электрические цепи, в которых величины и направления ЭДС, напряжения и тока периодически изменяются во времени по синусоидальному закону, на-
зываются цепями синусоидального переменного тока. Преимущества синусоидальных токов
1)возможность при помощи трансформаторов повышать и понижать напряже- ние для передачи энергии на большие расстояния;
2)простота устройства и меньшая стоимость электродвигателей переменного тока.
|
|
|
|
|
|
|
Для получения |
синусоидаль- |
|||
|
|
N |
|
|
|
|
ной ЭДС служат генераторы пере- |
||||
|
|
|
|
|
ω |
менного тока, в основе работы ко- |
|||||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
b |
торых |
лежит закон |
электромаг- |
|||
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
a |
e |
i |
|
|
нитной |
индукции. Явление элек- |
|||
|
|
|
|
|
тромагнитной индукции заключа- |
||||||
|
|
щ1 |
|
|
e |
|
|||||
EL |
u |
|
|
|
ется в |
том, |
что при |
изменении |
|||
i |
|
|
c |
|
|||||||
|
|
|
|
|
магнитного |
потока |
Ф, |
пронизы- |
|||
|
|
d |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
вающего замкнутый |
проводящий |
||||
|
i |
+ щ2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
контур, в этом контуре наводится |
|||||
|
|
S |
|
|
|
|
(индуктируется) ЭДС. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
На рис. 2.1 изменение магнит- |
||||
|
|
Рис. 2.1 |
|
|
|
|
ного потока сквозь контур проис- |
||||
|
|
|
|
|
|
ходит благодаря движению про- |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
водников рамки abcd в магнитном |
||||
поле между полюсами постоянного магнита (N – северный , S - южный). |
|||||||||||
|
Рамка вращается с постоянной угловой скоростью ω . Провода рамки ab и |
||||||||||
cd (длиной l) пересекают силовые линии магнитного поля. В них наводится |
|||||||||||
ЭДС, величина которой пропорциональна магнитной индукции В, длине про- |
|||||||||||
водника l, скорости перемещения проводника в магнитном поле v и синусу угла |
|||||||||||
α между направлением магнитного поля и направлением движения проводника |
|||||||||||
(рис. 2.2): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
N |
|
eab |
v |
|
|
v |
|
α |
ecd ω |
B |
S |
Рис. 2.2
e = B·l·v·sin α,
где произведение v·sinα определяет нормальную к направле- нию поля составляющую скорости.
С учетом двух проводников ЭДС контура: e = 2 B·l·v·sin α = Em sin α,
где Em= 2 B·l·v - максимальное значение ЭДС.
Для определения направления индуктированной ЭДС ис- пользуется правило правой руки: если расположить правую руку так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, а отстав- ленный на 90º большой палец указывал направление движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление
- 21 -
Электротехника и электроника
индуктированной ЭДС.
ЭДС е = 0, когда α = 0º, т.е. плоскость рамки перпендикулярна линиям маг- нитной индукции (горизонтальное положение). ЭДС принимает максимальное значение Em, когда α = 90º, т.е. плоскость рамки совпадает с осью магнитного поля (вертикальное положение - рис. 2.1).
Угол α изменяется во времени и равен произведению угловой скорости ω на время t: α = ω·t.
Таким образом, в рамке - синусоидальная ЭДС e= Em sin ωt.
Если в начальный момент времени t =0 ЭДС не равна нулю, то выражение ЭДС записывается в общем виде:
e= Em sin (ωt + ψе),
где угол ψе учитывает начальное положение рамки.
Через контактные кольца, которые вращаются вместе с рамкой, и через на- ложенные на них неподвижные щетки щ1 и щ2 ЭДС передается на выходные зажимы генератора, образуя на них синусоидальное напряжение u:
u= Um sin (ωt + ψu).
Если замкнуть цепь на приемник (лампа EL), появится синусоидальный ток i = Im sin (ωt + ψi), направление которого в каждом проводнике рамки совпадает
снаправлением индуктированной ЭДС.
2.2.ФОРМЫ ИЗОБРАЖЕНИЯ СИНУСОИДАЛЬНЫХ ЭДС,
НАПРЯЖЕНИЯ И ТОКА
2.2.1. Аналитическая форма
Аналитические выражения синусоидальных функций ЭДС, тока и напря- жения записываются в виде тригонометрических формул:
e = Em sin (ωt + ψе); i = Im sin (ωt + ψi); u = Um sin (ωt + ψu),
где e, i, и - мгновенные значения ЭДС, тока и напряжения, т.е. их значения в произвольный момент времени t;
-Em, Im, Um - амплитуды, т.е. максимальные значения ЭДС, тока и напряжения;
-аргумент синуса (ωt+ ψ) – фаза синусоидальной величины;
-углы ψе, ψi и ψu, определяющие значение е, i и u в момент t= 0, называются
начальной фазой;
-ω - угловая частота. Единица измерения – радиан в секунду [рад/с] или [с–1 ].
e |
|
2.2.2. Графическая форма |
|
|
Временная диаграмма - график измене- |
||
e0 |
|
||
Em |
|
ния синусоидальной величины во времени |
|
|
(рис. 2.3). Полный цикл изменения ЭДС, тока |
||
0 |
ω |
||
t или напряжения называется периодом Т [с]. |
|||
ψ e |
|
Число периодов в 1 секунду называется |
|
|
|
частотой f = 1/Т. Единица измерения час- |
|
T |
|
тоты - Герц [Гц]. |
|
|
Угловая частота ω = 2π f = 2π . |
||
360o, 2π |
|
||
|
|
T |
|
Рис. 2.3 |
|
Стандартной частоте 50 Гц соответствует |
- 22 -
|
|
|
2. Однофазные электрические цепи |
|
u, i |
|
u |
|
период Т= 0,02 с и угловая частота: |
|
|
i |
|
ω = 2π·50= 314 с-1. |
|
|
|
|
Фаза синусоидальной величины от- |
0 |
|
|
ω t |
считывается от точки перехода функции |
ψ u |
− ψ i |
|
через нуль от отрицательных значений к |
|
|
положительным. При ψ > 0 начало сину- |
|||
ϕ |
|
|
|
соиды сдвинуто влево от начала коорди- |
|
|
|
нат, а при ψ < 0 – вправо. |
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2.4 |
|
Разность начальных фаз двух функ- |
|
|
|
ций называется сдвигом фаз. Угол сдви- |
|
|
|
|
|
|
га фаз между напряжением и током обозначается: |
||||
|
|
|
φ= ψu – ψi. |
|
Для рис. 2.4 ψu > ψi и φ= ψu – (- ψi) > 0. Это выражение показывает, что на- |
||||
пряжение опережает по фазе ток на угол φ. Возможны также следующие ком- |
||||
бинации: |
|
|
|
|
ψu = ψi – |
напряжение и ток совпадают по фазе: φ = 0; ψu < ψi – напряжение от- |
|||
стает по фазе от тока на угол φ< 0. |
|
2.2.3. Действующие значения
При расчете цепей переменного тока, изменяющиеся во времени ЭДС, токи и напряжения заменяют эквивалентными, неизменными во времени величина- ми - действующими значениями. Обозначаются также как и постоянные вели- чины I, U, E.
Действующее значение переменного тока равняется такому постоянному току, который за время, равное периоду, выделяет в каком-либо сопротивлении такое же количество тепла, что и данный переменный ток.
Для синусоидального тока i = I m sin ωt действующее значение в 2 раз меньше амплитуды:
I = I m .
2
Действующие значения переменного напряжения и ЭДС:
U = U m ; E = Em .
2 2
Вольтметры и амперметры, предназначенные для работы в цепи синусои- дального тока, градуируются так, чтобы они показывали действующие значе- ния напряжения или тока.
2.2.4. Векторное изображение
Расчет и анализ цепей переменного тока с помощью тригонометрических формул и временных диаграмм весьма громоздок и сложен. Тот же результат может быть получен гораздо быстрее и легче, если представить синусоидаль- ные величины в векторной форме.
Длинна вектора в известном масштабе равна амплитуде синусоидальной величины, например ЭДС Еm. В начальный момент (t = 0) вектор образует с го-
- 23 -
Электротехника и электроника
|
у |
Em |
|
||
|
e1 |
|
|||
|
|
|
Em |
||
ω |
e0 |
ω |
t1 |
||
|
|||||
|
|
|
ψ |
е |
|
|
|
|
|
х |
e |
|
|
e1 |
|
|
e0 |
|
|
0 |
ω |
t1 |
ψ е |
|
|
Рис. 2.5
ризонталью угол ψе равный на- чальной фазе
(рис. 2.5). Его
ω t проекция на вер- тикаль в том же масштабе соот- ветствует мгно- венному значе- нию ЭДС:
е0 = Еm sin ψе.
Вектор вращается против направления движения часовой стрелки со скоро- стью равной угловой частоте ω. Тогда в момент времени t1 он образует с гори- зонталью угол ωt1+ ψе и его проекция на вертикаль имеет выражение:
e = Em sin (ωt1 + ψе).
В произвольный момент t:
e = Em sin (ωt + ψе),
то есть получили синусоидальную функцию ЭДС. Конец вектора описывает окружность. Одному обороту вектора (повороту на угол 360º) соответствует один период изменения синусоидальной величины. В технике углы измеряются в радианах. Радиан – угол, дуга которого равна радиусу R, т.е. окружность дли-
ной 2π·R содержит 2π R = 2π радиан. Отсюда соответствие:
R
угол 360º - 2π, 180º - π, 90º - π/2 и т.д.
Алгебраической сумме мгновенных значений двух синусоидальных вели- чин одинаковой частоты соответствует геометрическая сумма векторов этих величин, которая находится как диагональ построенного на них параллело- грамма.
Совокупность нескольких векторов, которые изображают синусоидальные величины одной частоты, называется векторной диаграммой.
Векторы изображают для момента времени t = 0. Угол ψ считается положи- тельным, если он получается поворотом вектора относительно горизонтали против направления движения часовой стрелки, и отрицательным — в обрат- ном случае. Так как конечной целью расчета являются обычно действующие значения токов или напряжений, то векторные диаграммы строят для дейст- вующих значений величин.
Например, нужно сложить токи: i1= I1m sin ωt, i2= I2m sin (ωt - 90°) . Алгебраической сумме мгновенных значений i= i1+ i2 соответствует сумма
векторов действующих значений: I = I1 + I2. |
|
|
|
|
|
|
|
Длины векторов равны действующим значениям токов: I |
1 |
= I1m |
, I |
2 |
= |
I2m |
. |
|
|||||||
|
2 |
|
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
Откладываем векторы I1 и I2 относительно горизонтали с учетом углов:
ψ1= 0° и ψ2 = - 90°.
- 24 -
|
|
|
2. Однофазные электрические цепи |
|
||||
Чтобы получить вектор I, изображающий суммарный ток i нужно сложить |
||||||||
векторы I1 и I2 по правилу параллелограмма (рис. 2.6). |
|
|||||||
|
I1 |
ω |
Амплитуда суммарного тока Im = |
2 I ; начальная |
||||
|
|
|
|
|
|
|
||
ψ 2 ψ |
фаза соответствует углу ψ и имеет отрицательное значе- |
|||||||
|
ние. |
|
|
|
|
|
||
I |
|
|
Выражение суммарного тока i = Im sin (ωt - ψ). |
|||||
I2 |
|
|
Пример 2.1. Напряжение в цепи переменного тока |
|||||
Рис. 2.6 |
изменяется по закону u = 280·sin 314t. Определить, что |
|||||||
покажет вольтметр и частотомер. |
|
|||||||
|
|
|
Решение. Общее выражение мгновенного значения |
|||||
синусоидального напряжения в виде тригонометрической формулы следующее: |
||||||||
u = U m sin ωt . |
|
|
|
|
|
|
||
Вольтметр показывает действующее значение напряжения: |
|
|||||||
U = U m = 280 = 197 В. |
|
|
|
|
|
|||
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
Так как угловая частота ω= 2π·f, то показания частотомера будут: |
||||||||
f = ω = 314 = 50 Гц. |
|
|
|
|
|
|||
2π |
2π |
|
|
|
|
|
|
|
Пример 2.2. В сети синусоидального тока измерены U = 220 В, f = 50 Гц. |
||||||||
Записать закон изменения напряжения u(t). |
|
|
|
|||||
Решение. Общее выражение мгновенного значения синусоидального на- |
||||||||
пряжения в виде тригонометрической формулы следующее: |
|
|||||||
u = U m sin ωt , |
|
|
|
2 U = |
2 220 = 311В, |
|||
где максимальное значение напряжения Um = |
||||||||
а угловая частота ω = 2π·f = 2π ·50 = 314 c-1. |
|
|
|
|
||||
Получаем закон изменения напряжения: u(t) = 311·sin314·t. |
|
|||||||
Пример 2.3. Найти ток І3, і3(t), который направлен от узла, если известны |
||||||||
два тока, направленные к узлу: |
|
|
|
|
|
|||
i1(t) = 3√ 2 sin(314t + 90°) А и i2(t) = 4,24√ 2 sin(314t - 45°) А. |
|
|||||||
Решение. Согласно первому закону Кирхгоффа для мгновенных значений |
||||||||
I1 |
|
тока: Σ i= 0, т.е. i3 = i1+ i2. Для векторов действующих значе- |
||||||
|
ний токов имеем: I3= I1 + I2. Сложение векторов осуществляем |
|||||||
90o |
ω |
на векторной диаграмме (рис. 2.7). Начальные фазы токов: |
||||||
ψ1 = 90° и ψ2 = - 45°. Действующие значения токов: |
||||||||
I3 |
|
|
= I1m = 3 |
2 = 3 А, |
|
= I 2m = 4,24 2 = 4,24 А. |
||
-45o |
|
I1 |
I2 |
|||||
|
|
|
2 |
2 |
|
2 |
2 |
|
I2 |
|
Откладываем вектора в масштабе 1А/см. Получили: век- |
||||||
|
тор I3 совпадает с горизонталью, следовательно: ψ3= 0°; длина |
|||||||
|
|
|||||||
Рис. 2.7 |
|
вектора I3 равна длине вектора I1 |
(из равнобедренного тре- |
|||||
|
угольника), то есть I3 = I1 = 3 А. |
|
|
|||||
|
|
|
|
|||||
Максимальное значение тока i3 I3m = |
2 I3 = 3 |
2 А. |
|
|||||
Мгновенное значение і3(t) = 3√ 2 sin 314t. |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
- 25 - |
|
|
|
|
Электротехника и электроника
2.3. РЕЗИСТИВНЫЙ, ИНДУКТИВНЫЙ И ЕМКОСТНЫЙ ЭЛЕМЕНТЫ В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Энергетические процессы, протекающие в цепях переменного тока, прин- ципиально отличаются от процессов в цепях постоянного тока, где при неиз- менных токах и напряжениях электрические и магнитные поля, связанные с це- пью не изменяются. Периодическое изменение напряжений и токов вызывает соответствующее изменение указанных полей. Вследствие изменения магнит- ных полей возникают ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции, а при изменении электрических полей протекают зарядные и разрядные токи. Эти процессы ока- зывают непрерывное влияние на работу цепи переменного тока.
Способность объекта преобразовывать электрическую энергию в энергию магнитного поля при нарастании тока, а при снижении – наоборот, характери-
зует индуктивный элемент (рис. 2.8,а).
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Энергия магнитного поля WL = |
L I 2 |
||
L |
|
|
|
C |
m |
, где L – индуктив- |
||||||
2 |
||||||||||||
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ность. Единица измерения индуктивности – Генри [Гн]. |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
а) |
б) |
Устройства, предназначенные для накопления энергии в |
||||||||||
Рис. 2.8 |
|
|
|
|
|
магнитном поле – катушки индуктивности. |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Емкостный элемент (рис. 2.8,б) отображает способ- |
ность объекта накапливать электрический заряд и преобразовывать электриче- скую энергию в энергию электрического поля при нарастании напряжения, а при снижении – наоборот.
Энергия электрического поля WС |
= |
С U m2 |
|
2 |
|||
|
|
, где С – емкость. Единица из-
мерения емкости – Фарада [Ф].
Устройства, предназначенные для накопления энергии в электрическом поле – конденсаторы.
При протекании переменного тока через резистивный элемент электриче- ская энергия преобразуется в другие виды энергии и рассеивается в виде тепла. При этом его сопротивление переменному току больше сопротивления посто- янному току за счет неравномерного распределения тока в сечении проводника и потерь энергии в окружающую среду (см. п.2.6 - явление поверхностного эф- фекта). Это сопротивление называется активным и обозначается r, в отличие от сопротивления постоянному току R.
При расчетах реальные элементы цепи переменного тока заменяют иде- альными, имеющими только один параметр (сопротивление, индуктивность или емкость) и отображающими основные физические процессы в цепи. Такое до- пущение, являясь научной абстракцией, справедливо для большинства практи- ческих расчетов. Например, главное свойство электрических катушек – созда- ние магнитного поля. Поэтому основной их параметр – индуктивность. Вместе с тем при прохождении тока по катушке выделяется тепло, так как провод катушки обладает сопротивлением. В конденсаторе также имеют место потери энергии, которые на низких частотах невелики. Поэтому учитывается только один параметр – емкость.
- 26 -
|
|
|
2. Однофазные электрические цепи |
|
|||
Основные физические законы, сформулированные для цепей постоянного |
|||||||
тока, справедливы и для цепей переменного тока. |
|
||||||
2.3.1. Цепь с резистивным элементом |
|
|
|||||
і |
r |
|
|
u |
|
В цепь с напряжением |
|
|
|
U |
m |
|
|
u = Um sin ωt |
|
|
|
|
|
|
включен резистор. В схеме за- |
||
|
|
|
i |
|
|
||
u |
|
Im |
|
|
мещения (рис. 2.9,а) он пред- |
||
|
|
|
|
|
ω t |
ставлен резистивным элемен- |
|
a) |
|
0 |
π |
2π |
том с сопротивлением r. По за- |
||
|
|
|
|
кону Ома мгновенное значение |
|||
|
|
|
|
|
|
||
I |
U |
ω |
|
|
|
тока: |
|
|
|
|
i = u = U m sin ω t = Im sin ω t , |
||||
в) |
|
|
|
б) |
|
||
|
|
|
|
r |
r |
||
|
|
Рис. 2.9 |
|
|
где Im |
= U m - амплитуда тока. |
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
Разделив на 2 обе части равенства, получим выражение закона Ома для дей- |
|||||||
ствующих значений величин: |
|
|
|
|
I = U . r
Ток, также как и напряжение, изменяется синусоидально (временная диа- грамма - рис. 2.9,б). Начальные фазы тока и напряжения одинаковые:
ψu = ψi = 0,
то есть ток и напряжение совпадают по фазе. Графики u и i выходят из начала координат.
Угол сдвига фаз между током и напряжением:
φ= ψu - ψi = 0,
то есть вектор U на векторной диаграмме (рис. 2.9,в) совпадает по направлению с вектором I.
Мгновенная мощность:
p = ui = U |
m |
I |
m |
sin 2 ωt = I U |
m |
(1 − cos 2ωt ) = I |
2 U |
2 |
(1 − cos 2ωt ) = UI (1 − cos 2ωt ) |
||||
|
|
m |
2 |
2 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Из графика мгновенной мощности (рис. 2.10) |
|
р |
|
|
|||||||||
видно, что она изменяется с частотой в 2 раза |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||
большей частоты переменного тока. Независимо |
|
|
|
|
|||||||||
от направления тока в цепи мощность всегда по- |
|
|
Р |
|
|||||||||
ложительна. |
Энергия перемещается в одном на- |
|
|
ω |
t |
||||||||
правлении от источника к приемнику, то есть идет |
0 |
π |
|||||||||||
2π |
|
||||||||||||
необратимый процесс преобразования электро- |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
||||||||||
энергии в другой вид энергии, величина которой |
|
i |
|
|
|||||||||
за время t эквивалентна тепловой энергии: |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
u |
|
|
||||||||
W = I 2r t . |
|
|
|
|
|
Рис. 2.10 |
|
|
|||||
Средняя за период мощность: |
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
- 27 - |
|
|
|
|
|
|
Электротехника и электроника
|
1 |
T |
1 |
T |
|
Р = |
∫ pdt = |
∫[UI − UI cos 2ω t]dt = U I |
|||
|
|
||||
T |
0 |
T |
0 |
называется активной мощностью. Единица активной мощности – Ватт [Вт]. Активная мощность характеризует среднюю скорость преобразования электри- ческой энергии в тепловую, механическую, химическую и др. виды энергии. Таким образом, резистивный элемент является активным элементом.
Пример 2.4. Построить векторную диаграмму, найти активную мощность Р и потребление энергии резистивным приемником за время работы t = 1 час, если известно U = 200 B, I = 10 A.
Решение. Для резистивного приемника: P = U·I = 200·10= 2000 Вт= 2 кВт.
Потребляемая энергия W = I 2r t = P t = 2 1 = 2 кВт·час. |
I |
U |
||
Угол сдвига фаз между напряжением и током φ= 0, то есть |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
на векторной диаграмме (рис. 2.11) вектор U совпадает по на- |
Рис. 2.11 |
|
|
|
правлению с вектором I. |
|
|
||
|
|
|
|
2.3.2. Цепь с индуктивным элементом
В цепь с напряжением u = Um sin ωt включена катушка индуктивности. В схеме замещения (рис. 2.12,а) она представлена индуктивным элементом с индуктивностью L.
i |
L |
u |
eL |
|
a)
u, i |
u |
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
0 |
|
ω |
t |
U |
ω |
π |
2π |
|
|
|
|
|
ϕ |
= 900 |
|
||
|
|
|
|
||
ψ |
=−900 |
б) |
I |
в) |
|
|
|
||||
|
i |
|
|
|
|
|
Рис. 2.12 |
|
|
|
Под действием приложенного напряжения по цепи проходит переменный ток, который создает переменный магнитный поток, индуктирующий ЭДС са-
моиндукции: eL = −L di . Знак минус указывает, что при возрастании тока (когда dt
di > 0) ЭДС самоиндукции направлена навстречу току, а при уменьшении тока dt
(когда di <0) - совпадает по направлению с током, то есть в соответствии с за- dt
коном Ленца ЭДС eL противодействует изменению тока.
Согласно второму закона Кирхгоффа: u = - eL или u = L |
di |
. Тогда: |
|||||||
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dt |
||
|
1 |
T |
U m |
|
U m |
|
|
|
|
i = |
∫U m sin(ω t)dt = |
cosω t = |
sin(ω t − 90 ) = Im sin(ω t − 90 ) , |
||||||
|
ω L |
|
|||||||
|
L 0 |
|
ω L |
- 28 -
|
|
|
|
|
|
2. Однофазные электрические цепи |
|
|
||||
где Im = |
U m |
- амплитуда тока. Разделив на |
2 обе части равенства, получим |
|||||||||
ω L |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
выражение закона Ома для действующих значений величин: |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
I = U , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Х L |
|
|
|
|
где ХL= ωL= 2 π f L - индуктивное сопротивление [Ом]. |
|
|
||||||||||
На временной диаграмме (рис. 2.12,б) ток изменяется синусоидально. |
||||||||||||
Начальная фаза тока |
|
ψi |
= − π = −90o . |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
Угол сдвига фаз |
|
|
|
|
ϕ = ψu − ψi = π , |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
то есть напряжение опережает ток на 90º. Векторная диаграмма напряжения и |
||||||||||||
тока представлена на рис. 2.12,в. Угол φ отсчитывают от вектора I к вектору U. |
||||||||||||
Мгновенная мощность: |
|
|
|
|
||||||||
|
p = ui = −U |
m |
I |
m |
sin ω t cosω t = −I U |
sin 2ω t = −UI sin 2ω t |
|
|||||
|
|
|
|
|
m m |
2 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
изменяется синусоидально с частотой, вдвое большей частоты переменного то- |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ка (рис. 2.13). Мгновенная мощность положи- |
||||
|
|
р |
|
|
|
|
|
тельная пока ток в цепи возрастает - происходит |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
u |
|
|
|
|
|
|
|
накопление энергии в магнитном поле катушки. |
||||
|
|
i |
|
|
|
|
|
Когда ток убывает, мощность отрицательная — |
||||
|
|
|
|
|
|
|
ω t |
энергия возвращается источнику. |
|
|
||
0 |
|
|
|
|
|
|
Средняя за период, т.е. активная мощность: |
|||||
|
π |
|
|
|
2π |
|
Р = 0 . |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
В цепи происходит периодический обмен |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
энергией между источником и приемником без |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
преобразования ее в другие виды. Эта энергия |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
характеризуется |
реактивной |
индуктивной |
||
|
Рис. 2.13 |
|
|
|
|
|
мощностью: |
QL= U·I= I2·XL. |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Единица реактивной мощности - вольт-ампер реактивный [вар]. |
|
|||||||||||
Таким образом, индуктивный элемент является реактивным элементом. |
||||||||||||
Пример 2.5. Построить векторную диаграмму, найти активную мощность |
||||||||||||
Р и потребление энергии индуктивным приемником ХL за время работы t = 1час, |
||||||||||||
если известно U = 200 B, I = 10 A. Определить реактивную индуктивную мощ- |
||||||||||||
ность. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
Решение. Для индуктивного приемника: P = 0 Вт. |
|
|||||||||||
Потребляемая энергия W = I 2r t = P t = 0 1 = 0 Вт·час. |
90 |
o |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
||
Угол сдвига фаз между напряжением и током ϕ = π , то есть |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Рис. 2.14 |
||
на векторной диаграмме (рис. 2.14) вектор напряжения U опе- |
||||||||||||
режает вектор тока I на 90º. |
|
|
|
|
||||||||
Реактивная индуктивная мощность QL = U·I = 200·10 = 2000 вар= 2 квар. |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
- 29 - |
|
|
|