- •Курс лекций по теории электрических цепей
- •Часть 1
- •Предисловие
- •1.Основные определения, понятия и законы в теории электрических цепей
- •1.1.Закон Ома для участка цепи, не содержащего эдс
- •1.2.Законы Кирхгофа
- •2.Цепи однофазного синусоидального тока и напряжения
- •2.1.Среднее и действующее значение периодической функции (тока и напряжения)
- •2.2.Элементы r,l,c в цепях синусоидального тока
- •2.2.1.Сопротивление (r)
- •2.2.2.Индуктивность (l)
- •2.2.3.Ёмкость (с)
- •2.3.Изображение синусоидальных функций времени (напряжение, сила тока, мощность) векторами на комплексной плоскости
- •2.4.Основы символического (комплексного) метода расчета цепей синусоидального тока
- •2.5.Последовательное соединение элементов r,l,c
- •2.6.Резонанс напряжений
- •2.7.Частотные характеристики последовательного колебательного контура
- •2.8.Параллельное соединение элементов r, l, c; проводимости
- •2.9.Резонанс токов
- •2.10.Частотные характеристики параллельного колебательного контура
- •2.11.Мощности
- •2.12.Выражение мощности в комплексной форме
- •2.13.Передача энергии от активного двухполюсника к пассивному
- •2.14.Коэффициент мощности
- •3.Методы расчета сложных цепей
- •3.1.Применение законов Кирхгофа для расчета разветвленных электрических цепей
- •3.2.Метод контурных токов
- •3.3.Метод узловых потенциалов
- •3.4.Метод двух узлов
- •3.5.Принцип наложения, метод наложения
- •3.6.Входные и взаимные проводимости
- •3.7.Свойство взаимности
- •3.8.Преобразование треугольника сопротивлений в эквивалентную звезду и обратное преобразование
- •3.9.Метод эквивалентного генератора (активного двухполюсника)
- •4.Трехфазные цепи
- •4.1.Трехфазный генератор
- •4.2.Способы соединения фаз генератора и нагрузки звездой и треугольником
- •4.2.1.Соединение фаз генератора и нагрузки четырехпроводной звездой
- •4.2.2. Соединение фаз генератора и нагрузки треугольником
- •4.3.Режимы работы трехфазных цепей
- •4.3.1.Соединение «звезда-звезда» с нулевым проводом и без нулевого провода
- •1. Симметричная нагрузка
- •2. Несимметричная нагрузка
- •3. Обрыв фазы
- •4. Короткое замыкание фазы
- •5. Разнородная нагрузка
- •4.3.2.Соединение потребителей треугольником
- •4.4.Мощность трехфазных цепей
- •4.5.Измерение мощности в трехфазных цепях
- •4.6.Метод симметричных составляющих
- •4.7.Фильтры симметричных составляющих
- •5.Способы Получения вращающегося Магнитного поля
- •5.1.Пульсирующее магнитное поле
- •5.2.Вращающееся магнитное поле системы двух катушек
- •5.3.Вращающееся магнитное поле системы трёх катушек
- •6.Цепи со взаимной индуктивностью
- •6.1.Эдс взаимоиндукции
- •6.2.Расчет цепей при наличии взаимной индуктивности
- •6.2.1.Последовательное согласное соединение катушек
- •6.2.2.Последовательное встречное соединение
- •6.2.3.Параллельное согласное соединение
- •6.2.4.Параллельное встречное соединение
- •6.2.5.Расчет разветвлённых цепей при наличии взаимной индуктивности
- •6.2.6."Развязывание" магнитосвязанных цепей
- •6.2.7.Линейный (воздушный) трансформатор
- •6.2.8.Вносимое сопротивление трансформатора
- •7.Несинусоидальные токи
- •7.1.Разложение периодической функции в тригонометрический ряд
- •7.2.Амплитудное, среднее и действующее значения периодических несинусоидальных функций
- •7.3.Коэффициенты, характеризующие форму несинусоидальных периодических функций
- •7.4.Мощность периодических несинусоидальных токов
- •7.5.Несинусоидальные функции времени с периодической огибающей
- •7.5.1.Биения
- •7.5.2.Модуляция
- •7.6.Резонансные явления в цепях с несинусоидальными источниками
- •7.7.Методика расчета цепей с несинусоидальными источниками
- •7.8.Высшие гармоники в трехфазных цепях
- •7.8.1.Высшие гармоники при соединении фаз источника и приемника звездой
- •7.8.2.Высшие гармоники при соединении фаз генератора и приемника треугольником
- •Часть 1
- •625000, Тюмень, ул. Володарского, 38
- •625000, Тюмень, ул. Володарского, 38
2.12.Выражение мощности в комплексной форме
Пусть на входе некоторого двухполюсника известны комплексные изображения напряжения и тока
; .
Мощность в комплексной форме выражается в виде произведения
, 68(2.65)
где – сопряженный комплекс тока.
. 69(2.66)
2.13.Передача энергии от активного двухполюсника к пассивному
При работе любой электрической цепи должен иметь место баланс мощностей, т.е. алгебраические суммы активных и реактивных мощностей, развиваемых генераторами, должны равняться алгебраическим суммам активных и реактивных мощностей, поступающих во все пассивные элементы цепи, включая и внутреннее сопротивление генераторов.
Полная мощность, развиваемая генератором
.
Полная мощность, поступающая в любой приемник
Тогда уравнение баланса мощностей
70 , блн (2.67)
где rгk и xгk – соответственно внутренние активные и реактивные сопротивления генераторов.
Пусть в электрической цепи работает один источник энергии. Оценим условия, при которых в нагрузке будет выделяться максимальная мощность. Ток в цепи
Реактивное сопротивление цепи должно равняться нулю
xг + xн = 0,
т.е. цепь должна работать в резонансном режиме, следовательно xг и xн должны быть равными по величине и противоположными по характеру (индуктивное и емкостное сопротивления). В итоге
Найдем соотношение между rг и rн. Определим мощность приемника
и полагая, что сопротивление нагрузки rн переменно, исследуем функцию Pн на экстремум
откуда
. 71(2.68)
Следовательно, для получения максимальной мощности в нагрузке необходимо, чтобы
. 72(2.69)
Режим работы цепи при этом условии называется согласованным режимом. КПД источника при этом условии
.
При таком низком КПД согласованный режим работы используется только в слаботочных цепях, таких как телефонные линии, линии автоматики и телемеханики, где важна величина полезного сигнала по сравнению с помехами.
2.14.Коэффициент мощности
Наибольшие действующие значения напряжения и тока, допускаемые для генераторов и трансформаторов, производящих и, соответственно, преобразующих электрическую энергию, зависят от их конструкции, а наибольшая мощность, которую они могут развивать, не подвергаясь опасности быть поврежденными, определяется произведением этих значений. Поэтому рациональное использование электрических машин и трансформаторов может быть достигнуто лишь в том случае, когда приемники электрической энергии обладают высоким коэффициентом мощности cosφ.
Обычно реактивный ток потребителей энергии носит индуктивный характер, т.е. φ > 0, т.к. наиболее широко используемые асинхронные двигатели потребляют из сети реактивный (индуктивный) ток для создания магнитного поля в машине.
Для улучшения (увеличения) cosφ группы приемников параллельно им включают конденсаторы. Покажем, как рассчитать емкость, необходимую для повышения cosφ.
Пусть суммарная активная мощность приемников
При увеличении cosφ и неизменном напряжении сети
Следовательно, I2 < I1.
Проиллюстрируем расчет необходимой величины емкости для повышения коэффициента мощности до значения cosφ1 с помощью векторной диаграммы.
Рис.2.41. Векторная диаграмма, иллюстрирующая повышение коэффициента мощности
Рассчитаем необходимый емкостной ток
, отсюда
. 73(2.70)
Такую же роль, как конденсаторы, могут играть синхронные двигатели, работающие в «перевозбужденном» режиме. Они при этом потребляют из сети ток, реактивная составляющая которого носит емкостной характер.