
KonspektElektrotekhnika_i_elektronika
.pdf
Электротехника и электроника
2.3.3. Поверхностный эффект
Причина явления, получившего название «поверхностный эффект» (п.2.3) кроется в том, что при переменном электрическом токе части проводника рас- положенные ближе к оси охватываются большим магнитным потоком, величи- на которого уменьшается по мере удаления от оси к поверхности. Но чем меньше магнитный поток, тем меньше индуктивность и индуктивное сопротив- ление. Поэтому плотность тока неодинакова в различных точках поперечного сечения проводника: у поверхности проводника она получается больше, чем при постоянном токе, а в центре – меньше. Переменный ток как бы вытесняется к поверхности провода.
Разница в плотностях тока у оси и на периферии провода возрастает с уве- личением диаметра провода, проводимости материала, его магнитной прони- цаемости и частоты переменного тока.
Отношение активного сопротивления проводника r к его сопротивлению R при постоянном токе (омическому сопротивлению) называется коэффициентом
поверхностного эффекта ξ = r . |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
R |
|
|
|
|
|
|
2.3.4. Цепь с емкостным элементом |
|
|
|
|
|
||||
i |
С |
u, i |
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
i |
|
|
|
I |
ϕ=− 900 |
ω |
u |
|
|
|
|
ω t |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
0 |
π/2 |
π |
2π |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
U |
||||
|
a) |
|
|
б) |
|
|
|
в) |
|
|
|
|
|
Рис. 2.15 |
|
|
|
|
|
В цепь с напряжением u = Um sin ωt включен конденсатор. В схеме замеще- |
|||||||||
ния (рис. 2.15,а) он представлен емкостным элементом с емкостью С. Конден- |
|||||||||
сатор периодически заряжается и разряжается, то есть в цепи протекает пере- |
|||||||||
менный ток: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
i = dq = С du , где q = C·u - величина заряда. dt dt
Тогда: i = С d (U m sin ω t) = Сω U m cos ω t или i= Im sin (ωt+90о), dt
где амплитуда тока:
Im = Um ωC.
Разделив на 2 амплитуды тока и напряжения, получим выражение закона Ома для действующих значений:
I = ωCU = |
U |
= |
U |
, |
1 |
|
|||
|
|
X С |
||
|
ωC |
|
|
|
- 30 -

|
|
|
|
|
2. Однофазные электрические цепи |
|
|
|
|
|
|
где ХС |
= |
1 |
= |
1 |
- емкостное сопротивление [Ом]. |
|
2πfС |
||||
|
|
ωС |
|
Ток изменяется синусоидально (временная диаграмма - рис. 2.15,б).
Начальная фаза тока |
ψi |
= |
π |
= 90o . |
|||
|
|||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
Угол сдвига фаз |
ϕ = ψu − ψi |
= − |
π |
, |
|||
|
|||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
то есть напряжение отстает от тока на 90º. Векторная диаграмма напряжения и тока представлена на рис. 2.15,в.
Мгновенная мощность:
p = ui = U |
|
I |
|
sin ω t cosω t = I U |
|
sin 2ω t |
= UI sin 2ω t |
m |
m |
m |
|
||||
|
|
m |
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
изменяется синусоидально с частотой, вдвое большей частоты переменного то- ка (рис. 2.16). Мгновенная мощность положительна, пока возрастает напряже- ние на конденсаторе - конденсатор заряжается;
|
р |
|
происходит накопление энергии в его электри- |
|
u |
|
ческом поле. Когда напряжение понижается, |
|
|
конденсатор разряжается на источник, то есть |
|
|
|
i |
|
|
|
энергия из электрического поля возвращается |
|
|
|
|
|
0 |
π |
ω t |
назад к источнику. |
2π |
Средняя за период (активная) мощность: |
||
|
|
|
Р = 0 . |
|
|
|
В цепи происходит обмен энергией между |
|
|
|
источником и приемником. Эта энергия харак- |
|
|
|
теризуется реактивной емкостной мощно- |
|
Рис. 2.16 |
|
стью: |
|
|
QС = U·I = I2·XС, [вар]. |
|
|
|
|
|
Таким образом, емкостной элемент является реактивным элементом. |
Пример 2.6. Построить векторную диаграмму, найти активную мощность Р и потребление энергии емкостным приемником ХС за время работы t = 1 час, если известно U = 200 B, I = 10 A. Определить реактивную емкостную мощ-
ность. |
|
|
|
|
|
|
I |
Решение. Для емкостного приемника: P = 0 Вт. |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
-90o |
|||
Потребляемая энергия W = I |
2 |
r t = P t = 0 1 = 0 |
Вт·час. |
|
|||
|
|
|
|||||
Угол сдвига фаз между напряжением и током ϕ = − |
π |
, то |
|
U |
|||
|
|
2 |
|
|
есть на векторной диаграмме (рис. 2.17) вектор напряжения U |
Рис. 2.17 |
|
отстает от вектора тока I на 90º: |
||
|
||
Реактивная емкостная мощность: |
|
|
QС = U·I = 200·10= 2000 Вар= 2 квар. |
|
- 31 -

Электротехника и электроника
2.4. ЦЕПЬ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ РЕЗИСТИВНОГО, ИНДУКТИВНОГО И ЕМКОСТНОГО ЭЛЕМЕНТОВ
В цепь с напряжением u = U m sin ωt включены последовательно соединен-
ные резистор с сопротивлением r, катушка с индуктивностью L и конденсатор с |
|||||||
емкостью С. В схеме замещения (рис. 2.18,а) они представлены идеальными |
|||||||
элементами. При прохождении тока на выводах элементов возникают напряже- |
|||||||
ния: ua – на резистивном элементе, uL – |
на индуктивном элементе, uС – на емко- |
||||||
стном элементе. |
Согласно второму закону Кирхгоффа, мгновенное значение |
||||||
|
|
|
|
|
|
полного напряжения: |
|
i |
r |
L |
C |
|
|
u = ua + uL + uС. |
|
|
|
|
|
UL |
|
Ток и напряжения изменя- |
|
|
|
|
|
|
ются синусоидально. Это по- |
||
|
ua |
uL |
uС |
UC |
ω |
||
u |
U |
зволяет перейти к векторному |
|||||
|
|
|
|||||
|
|
|
|
изображению величин. Дейст- |
|||
|
|
|
|
Up |
|
||
|
|
|
ϕ |
Ua |
I |
вующее значение полного на- |
|
|
|
|
|
|
|
пряжения U равно геометриче- |
|
|
|
а) |
|
б) |
|
ской сумме напряжений на от- |
|
|
|
|
|
дельных элементах: |
|||
|
|
|
Рис. 2.18 |
|
|
||
|
|
|
|
|
U = Ua + UL + UC, |
||
|
|
|
|
|
|
где Ua = I·r - активное напряжение совпадает по фазе с током I (φа = 0);
UL = I XL - индуктивное напряжение опережает ток на 90° ( φL = 90о); UC = I XC - емкостное напряжение отстает от тока на 90° ( φС = - 90о).
Для определения полного напряжения построим векторную диаграмму (рис. 2.18,б). Начинаем с вектора тока I, который является общим для всей схе- мы. Под углом 0о относительно вектора тока проводим вектор Ua, из конца ко- торого под углом φL = 90о откладываем вектор UL; из конца вектора UL под уг- лом φС = - 90о относительно вектора I проводим вектор UС. Допускаем, что XL>XC , поэтому вектор UL длиннее вектора UC. Результирующий вектор U со- единяет начало вектора Ua с концом вектора UC.
Общее напряжение на реактивных элементах называется реактивным на- пряжением U L + U C = U р . Так как векторы индуктивного и емкостного на-
пряжений имеют противоположные направления, то действующее значение ре- активного напряжения:
Uр= UL - UC .
Векторы U, Uа, Uр являются сторонами прямоугольного треугольника - треугольника напряжений, где действующее значение полного напряжения:
U = U a2 + U p2 =
U a2 + (U L − UС )2 .
Активная и реактивная слагающие напряжения:
U a = U cosϕ ; U p = U sinϕ .
Угол между векторами U и Uа: |
U L − UC |
|||
ϕ |
U p |
|||
= arctg |
|
= arctg |
|
|
|
|
|||
|
U a |
|
U a |
- угол сдвига фаз между напряжением U и током I.
- 32 -

2. Однофазные электрические цепи
Разделив все стороны треугольника напряжений на величину тока I, полу-
чим треугольник сопротивлений (рис. 2.19), где:
r = |
U a |
|
|
- активное сопротивление; |
|
|
||||||
|
|
|
Z |
|||||||||
|
|
I |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
||||
|
|
U |
|
|
|
|
|
ϕ |
||||
Z = |
- полное сопротивление; |
r |
||||||||||
|
I |
|
||||||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
X = |
U p |
|
- результирующее реактивное сопротивление, |
Рис. 2.19 |
||||||||
I |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
X = XL - XC, где X L = |
U L |
- индуктивное сопротивление; |
|
|
||||||||
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
U
X C = C - емкостное сопротивление.
I
Таким образом, знак Х позволяет определить, является ли оно индуктив- ным или емкостным.
Из треугольника сопротивлений получим:
|
|
|
|
|
; X = Z sinϕ ; r = Z cosϕ , |
|
|
Z = |
r 2 + (X L − X C )2 |
||
где ϕ = arctg |
X |
= arctg |
X L − X C |
- угол сдвига фаз межу напряжением и током. |
|
|
|
||||
|
r |
r |
Величина и знак угла φ позволяют определить характер нагрузки (показы- вает, какие элементы присутствуют в эквивалентной схеме замещения):
φ > 0 – активно-индуктивная (r и L); φ < 0 – активно-емкостная (r и С); φ = 0 – активная (r); φ = 90о – индуктивная (L); φ= - 90о – емкостная (С).
Таким образом, возможны пределы изменения − π ≤ φ ≤ π в зависимости
от соотношения r, XL, XC. |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
Выражение закона Ома для этой цепи: |
|
|
|
I = |
U |
= U . |
|
r 2 |
+ ( X L − X C )2 |
Z |
|
Пример 2.7. В цепи с последовательным соединением элементов r, L, C из- вестны U = 100 B, r = 4 Oм, XL = 5 Oм, XC = 2 Oм. Найти ток І и напряжения на выводах элементов Ur, UL, UC. Построить векторную диаграмму.
Решение. Полное сопротивление цепи:
Z = r 2 + (X L − X C )2 = 42 + (5 − 2)2 = 5 Ом.
= U = 100 =
Действующее значение тока I 20 А.
Z 5
Действующие значения напряжений на элементах:
U а = U r = I r = 20 4 = 80 В;
U L = I X L = 20 5 =100 В; UC = I X C = 20 2 = 40 В.
Для полученных значений напряжений векторная диаграмма изображена на рис. 2.18,б.
- 33 -

Электротехника и электроника
Если все стороны треугольника напряжений умножить на величину тока I,
то получим треугольник мощностей (рис. 2.20), где:
P = Ua·I - активная мощность [Вт]; |
S |
|
|
||
Q = Up·I - реактивная мощность [вар]; |
|
|
Q |
|
|
S = U·I - полная мощность. Единица - вольт-ампер [ВА]. |
|
|
ϕ P |
|
|
Q = QL - QC , |
|
|
|
|
где QL = UL·I - реактивная индуктивная мощность; QC = UC·I - реактивная емкостная мощность. Из треугольника мощностей следует:
|
S = |
P2 |
+ Q2 |
. |
|
|||
Так как S = U I, а U = I·Z, то S = I2·Z. |
|
|
|
|
||||
P = S cosϕ |
= UI cosϕ . Так как U·cosϕ |
= Ua= I r, то |
||||||
Q = S sinϕ |
= UI sinϕ . Так как U·sinϕ |
= Up= I Х, то |
||||||
Угол сдвига фаз: |
|
QL − QC |
|
|||||
|
ϕ = arctg |
Q |
= arctg |
. |
||||
|
|
|
||||||
|
|
P |
|
|
P |
Рис. 2.20
P = Ua·I= I2·r.
Q = Up·I= I2·Х.
Поскольку Q = QL - QC, то знак реактивной мощности позволяет определить, является ли она индуктивной «+» или емкостной «-». При этом соответственно угол сдвига фаз будет ϕ > 0 или ϕ < 0.
Если в цепи находится два или более последовательно соединенных одно- типных приемника, то для вычисления полной мощности нужно сначала найти суммарные активную и реактивную мощности:
|
|
= |
|
|
|
|
. |
S = (∑P )2 |
+ (∑Q )2 |
(∑P )2 |
+ (∑Q |
Lk |
− ∑Q )2 |
||
k |
k |
|
k |
|
Ck |
Выражение активной мощности отличается от выражения мощности по- стоянного тока наличием множителя cos φ, называемого коэффициентом мощ-
ности:
cosϕ = P = |
P |
. |
|
P2 + Q2 |
|||
S |
|
Коэффициент полезного действия - отношение полезно используемой при- емником мощности Р2 к потребляемой им из сети мощности Р1:
η = |
P |
= |
P − ∆ P |
|
|
2 |
1 |
, |
|||
P |
P |
||||
|
|
|
|||
|
1 |
|
1 |
|
|
где потери мощности ∆P= P1 - P2. |
|
|
|
|
Пример 2.8. По значениям U = 100 B, I = 10 A, ϕ = -30° определить Р, Q, S цепи. Указать характер нагрузки. Найти энергию, которую получает нагрузка за t = 30 с работы.
Решение. Полная мощность S = U I =100 10 =1000 ВА.
Активная мощность P = S cosϕ =1000 cos30o =1000 |
3 |
= 860 Вт. |
|||
2 |
|||||
|
|
1 |
|
||
Реактивная мощность Q = S sinϕ =1000 sin(− 30) = −1000 |
= −500 вар. |
||||
|
|||||
|
2 |
|
- 34 -

2. Однофазные электрические цепи
Так как Q отрицательная, то она является емкостной мощностью. Следова- тельно, полная мощность имеет две составляющие: активную и реактивную ем- костную. Характер нагрузки: активно – емкостной.
Потребляемая электрическая энергия W = P t = 860 0,5 = 450 Вт·час.
2.4.1. Резонанс напряжений
Возникает в цепи с последовательным соединением резистивного, индук- тивного и емкостного элементов при условии:
XL = XC .
Следовательно, реактивные индуктивное UL = IХL и емкостное UС = IХС на- пряжения компенсируют друг друга UL – UС = 0. Векторная диаграмма пред- ставлена на рис. 2.21.
Полное сопротивление Z = r 2 + ( X L − X C )2 = r имеет минимальное зна-
чение.
Ток I = U = U максимален.
|
|
|
|
Z |
r |
|
|
|
X L − X C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
Угол сдвига фаз ϕ |
= arctg |
= 0, |
то есть ток совпадает по фазе с |
||||||||||||||||||||||||||
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
напряжением. |
|
|
пряжением. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
UL |
|
|
|
Полное |
|
|
|
напряжение |
|
|
|
|
цепи |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= I r |
|
|
|
|
|
|
||||||
UC |
|
ω |
U = |
U a2 + (U L − UС )2 |
|
= U a |
приложено к |
актив- |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ному сопротивлению. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I r |
|
|
I r |
|
||||||||||
|
|
U=Ua |
|
|
I |
|
Из соотношений |
|
|
U |
= |
U |
= |
|
= |
полу- |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I X |
|
I X |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
L |
U |
C |
L |
|
C |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
Рис. 2.21 |
|
|
чим |
|
U L = UC = U |
X L |
= U |
|
X C |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, если индуктивное XL и емкостное XC сопротивления цепи больше ее активного сопротивления, то напряжения на XL и XC при резонансе
напряжений превосходят приложенное к цепи напряжение в X L = X C раз, то r r
есть на участках с XL и XC возникают перенапряжения. Вследствие этого в элек- тротехнических установках может быть пробита изоляция. Например, если в кабельную линию включить последовательно катушку какого-нибудь аппарата, индуктивность которой находится в резонансном соотношении с емкостью ка- беля.
Однако во многих областях электротехники резонанс находит полезное применение. Например, в радиотехнике для усиления электрических сигналов, настройке радиоприемников на частоту передатчика.
Цепь, содержащая индуктивный и емкостной элементы, представляет со- бой колебательный контур. Если в первую четверть периода конденсатор с ем-
2
костью С заряжается; в электрическом поле запасается энергия W = CU m 2 .
- 35 -

Электротехника и электроника
В течение следующей четверти периода конденсатор разряжается на ка- тушку с индуктивностью L. В магнитном поле накапливается энергия
2
W = LI m 2 . После этого энергия магнитного поля катушки индуктивности
преобразуется в энергию электрического поля конденсатора. Таким образом, происходит непрерывный обмен энергией между индуктивным и емкостным элементами. Поступающая от источника энергия полностью преобразуется в тепловую W = r I 2t в резистивном элементе с активным сопротивлением r.
Пример 2.9. Цепь с последовательным соединением элементов r, L, C ра- ботает в режиме резонанса напряжений. Известны:
U = 100 B, Ur = 100 В, UL = 30В, І = 1 А.
Найти UС и емкостное сопротивление конденсатора.
Решение. При резонансе: U |
|
= U |
|
= 30 B, тогда X |
|
= |
U |
С |
= |
30 |
= 30 Ом. |
L |
C |
C |
|
|
|||||||
|
|
|
|
I |
1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2.5. ЦЕПЬ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ РЕЗИСТИВНОГО, ИНДУКТИВНОГО И ЕМКОСТНОГО ЭЛЕМЕНТОВ
В цепь с напряжением u = U m sin ωt включены параллельно соединенные
резистор с сопротивлением r,
i
ia iL iC
u r |
L C |
а)
Рис. 2.22
катушка с индуктивностью L и конденсатор с ем-
|
|
|
|
|
|
|
|
костью С. В схеме замещения |
|
|
|
|
|
|
U |
ω |
(рис. 2.22,а) они представлены |
ϕ |
|
Ia |
|
|
|
|
идеальными элементами. Со- |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
I |
|
|
|
|
гласно первому закону Кирх- |
||
|
I |
|
|
|
|
|||
|
|
р |
|
|
|
|
гоффа мгновенное значение |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
IC |
|
|
IL |
|
полного тока (тока в нераз- |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
ветвленной части цепи): |
||
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
i = ia + iL + iС, |
|
|
б) |
|
|
|
|
|
где ia – ток в ветви с рези- |
|
|
|
|
|
|
|
|
стивным элементом, iL – ток в |
|
|
|
|
|
|
|
|
ветви с индуктивным элемен- |
том, iС – ток в ветви с емкостным элементом.
Токи изменяются синусоидально, поэтому переходим к их векторному изо- бражению. Действующее значение полного тока I представляет собой геомет- рическую сумму токов отдельных ветвей:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I = I a + I L + I C , |
где |
I |
|
= |
U |
, |
I |
|
= |
U |
, I |
|
= |
U |
- действующие значения соответственно актив- |
a |
|
L |
|
С |
|
|||||||||
|
|
|
r |
|
|
X L |
|
|
X C |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ного, индуктивного и емкостного токов.
Для определения полного тока строим векторную диаграмму (рис. 2.22,б). Общим для всех ветвей является напряжение. Приняв начальную фазу ψu = 0, проводим вектор U горизонтально. Под углом φа = 0о относительно вектора U проводим вектор Ia (ток Ia совпадает по фазе с напряжением U), из конца кото- рого под углом φL = 90о относительно U откладываем вектор IL, учитывая, что ток IL отстает от U; из конца вектора IL под углом φС = - 90о относительно U
- 36 -

2. Однофазные электрические цепи
проводим вектор IC, учитывая, что ток IC опережает U. Допускаем, что XL < XC (поэтому вектор IL длиннее вектора IC). Результирующий вектор I соединяет на- чало вектора Ia с концом вектора IC.
Общий ток ветвей с реактивными элементами называется реактивным током I L + I C = I p . Так как векторы индуктивного и емкостного токов имеют
противоположные направления, то действующее значение реактивного тока:
I р= I L - I C .
Векторы I, Iа, Iр являются сторонами прямоугольного треугольника - тре-
угольника токов, где полный ток:
I = Ia2 + I p2 =
Ia2 + (I L − IC )2 .
Активная и реактивная слагающие тока:
|
Ia = I cosϕ |
; I p = I sinϕ . |
|||||
Угол между векторами I и Iа: |
|
− I |
|
||||
ϕ |
= arctg |
I p |
= arctg |
I |
L |
C |
|
Ia |
|
|
Ia |
|
|||
|
|
|
|
|
|
- угол сдвига фаз между напряжением и током.
Разделив все стороны треугольника токов на напряжение
угольник проводимостей (рис. 2.23), где:
ϕ G
B
Y
Рис. 2.23
U, получим тре-
G = |
1 |
= |
Ia |
|
|
- активная проводимость; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Y = |
1 |
= |
|
I |
|
- полная проводимость; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
B = |
1 |
|
= |
|
|
|
I p |
|
|
- результирующая реактивная проводимость. |
|||||||||||||||||||||
|
X |
|
|
|
U |
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
В= BL - BC |
, где BL = |
1 |
= |
I L |
– реактивная индуктивная проводимость; |
||||||||||||||||||||||||||
X L |
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
B |
= |
|
|
|
1 |
|
= |
IC |
– реактивная емкостная проводимость. |
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
C |
|
|
|
|
X C |
|
|
|
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Из треугольника проводимостей следует: |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G= Y·cos φ; B= Y·sin φ; Y = G 2 + B2 = |
|
G 2 + (B |
L |
− B )2 , |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
C |
||
где угол сдвига фаз |
|
|
|
|
BL − BC |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
ϕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ϕ = arctg |
|
= arctg |
B |
. |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
P |
|
|
Q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
G |
|
|
G |
|
|
|
|||||||||||
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Закон Ома для параллельного соединения выражается |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
формулой: |
|
|
|
|
I = U Y . |
|
|
|
||||||||
Рис. 2.24 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Если умножить стороны треугольника токов на напряже- |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ние U то получим треугольник мощностей (рис. 2.24), в кото- |
ром катеты треугольника изображают активную Ia·U = P и реактивную Ip·U = Q мощности, а гипотенуза — полную мощность U·I =S.
- 37 -

Электротехника и электроника
Реактивная мощность цепи Q = QL - QC имеет две составляющие: IL·U = QL
– реактивную индуктивную мощность и IC·U = QC - реактивную емкостную мощность.
Гипотенуза S и катет P образуют между собой угол φ, равный углу сдвига фаз между напряжением U и током I.
Таким образом, имеем: S = P2 + Q2 .
P = S cosϕ |
= UI cosϕ ; но I cosϕ |
= Ia |
= |
U |
; тогда P = Ia |
U = |
U 2 |
. |
||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
r |
||||
Q = S sinϕ |
= UI sinϕ |
; но I sinϕ |
= I p |
= |
U |
; тогда Q = I p |
U = |
U 2 |
. |
|||||||
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
X |
|
|
X |
|||||
S=U I; I = |
U |
; S = |
U 2 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Z |
Z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Соотношение, определяющее угол сдвига фаз: ϕ = arctg Q .
P
Пример 2.10. В цепи с параллельным соединением элементов r, L, C из-
вестны U = 100 B, r = 25 Oм, XL = 20 Oм, XC = 50 Oм. Определить токи І, Ir, IL, IC.
Построить векторную диаграмму.
Решение. Активный ток Iа |
= I r |
= |
U |
= |
100 |
= 4 A. |
||||||||
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r 25 |
|||
Индуктивный ток I L = |
U |
|
|
= |
100 |
= 5 A. |
||||||||
X L |
|
|
||||||||||||
|
|
20 |
|
|
|
|
|
|
||||||
Емкостный ток IC = |
U |
= |
100 |
= 2 A. |
||||||||||
|
|
|||||||||||||
|
X C |
50 |
|
|
|
|
|
|
|
Общий ток I = I r2 + (I L − IC )2 =
42 + (5 − 2)2 = 5 A.
Задаемся направлением вектора напряжения, относительно которого откла- дываем вектора токов. Ток Ia совпадает по направлению с U; из конца вектора Ia откладываем вектор тока IL, который отстает от U на 90о; из конца вектора IL – вектор IС, который опережает U на 90о. Результирующий вектор соединяет на- чало вектора Ia с концом вектора IC. Для полученных значений токов векторная диаграмма соответствует рис. 2.22,б.
2.5.1. Резонанс токов
Возникает в цепи с параллельным соединением индуктивного и емкостного элементов при условии:
|
|
|
U |
ω |
|
|
|
BC = BL. |
||
|
|
|
|
|
При этом реактивные токи: индуктивный IL = U·ВL и |
|||||
I= I |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
||||||
a |
|
|
|
|
емкостный IC = U·ВС, компенсируют друг друга IL – IС= 0. |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
IC |
|
I |
|
Векторная диаграмма представлена на рис. 2.25. |
||||||
|
|
|
L |
|
Полная проводимость равна активной проводимости |
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y = G 2 + (B |
L |
− B )2 = G , то есть имеет минималь- |
||
|
|
|
|
|
|
|||||
Рис. 2.25 |
|
|
|
C |
||||||
|
ное значение. |
|
|
|
- 38 -

2. Однофазные электрические цепи
Общий ток I также имеет минимальное значение:
I = Ia2 + (I L − IС )2 = Ia = U G
ипротекает в ветви с резистором. Угол сдвига фаз:
ϕ= arctg ВL − ВC = 0,
G
то есть ток совпадает по фазе с напряжением.
При резонансе токи IL, IC замыкаются в контуре, образуемом ветвями с ин- дуктивным и емкостным элементами. Они могут во много раз превосходить ток I в неразветвленной части цепи, что может быть опасно.
В цепи происходит непрерывный обмен реактивной энергией между ин- дуктивным и емкостным элементами (QC = QL). Энергия от источника покрыва-
ет только потери в ветви с активным сопротивлением ( S = P2 + Q2 = P = Ia2 r ).
Пример 2.11. В цепи с параллельным соединением элементов r, L, C из- вестны U = 100 B, Ir = 4 A, IL = 3 A. Найти ток ІC и емкостное сопротивление конденсатора, чтобы в цепи состоялся резонанс токов.
Решение. Вследствие резонанса I L = IC = 3 A. Тогда:
X C |
= |
U |
= |
100 |
= 33,3 Ом. |
|
|
||||
|
|
IC 3 |
|||
|
|
|
|
2.6. КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ И ЕГО |
|
|
|
|
|
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ |
Коэффициентом мощности называют отношение активной мощности P к полной S. Численно он равен косинусу угла сдвига фаз между напряжением и током:
P = UI cosϕ = ϕ cos .
SUI
Сточки зрения рационального использования электрических машин и ап- паратов, которые служат источниками электрической энергии, желательно иметь как можно более высокий коэффициент мощности, то есть приближаю- щийся к cos φ = 1. Например, для питания приемника мощностью Р = 100 кВт при cos φ = 0,7 источник питания должен быть рассчитан на полную мощность:
S = |
P |
= |
100 |
=143кВА, |
cosϕ |
|
|||
|
0,7 |
|
а при cos φ = 1 – только на 100 кВА.
Высокий коэффициент мощности желательно также иметь для уменьшения потерь при передаче энергии по проводам ЛЭП. При мощности приемника в
конце ЛЭП P = U·I·cos φ ток |
I = |
P |
, а мощность потерь энергии в линии: |
||||||
U cosϕ |
|||||||||
∆ P |
= I 2r |
= |
|
P2 |
|
|
r , |
|
|
U 2 cos2 |
ϕ |
|
|
||||||
ЛЭП |
ЛЭП |
|
|
ЛЭП |
|
то есть чем больше cos φ, тем меньше потери в ЛЭП.
- 39 -