Лекции по ТОЭ / ЛЕКЦИЯ7
.doc2.1.1 Символический метод расчёта при гармоническом воздействии
Расчет разветвленных
цепей при смешанном соединении элементов
в режиме гармонических воздействий
обычно осуществляется символическим
методом.
Это объясняется тем, что классический
метод расчета приводит к громоздким
интегрально-дифференциальным уравнениям
и требует
большого объема тригонометрических
преобразований.
Символический
метод
позволяет тригонометрические
операции над гармоническими колебаниями
и геометрические
операции над векторами свести
к алгебраическим
операциям над комплексными числами,
что существенно упрощает расчет. При
этом могут
быть использованы все методы преобразований
и анализа,
изложенные ранее. Допустимость
использования символического метода
объясняется тем, что в
линейных цепях
в режиме гармонических воздействий в
цепи устанавливаются
гармонические колебания той
же частоты.
Таким
образом, неизвестными
параметрами
токов и напряжений будут
лишь амплитуды и фазы,
определяемые
однозначно
их комплексными
амплитудами (
).
Запишем основные
законы
электрических цепей в
символической форме.
Для резистивного
элемента
R
связь
между комплексными амплитудами тока
и напряжения
можно определить
согласно закону Ома
путем замены мгновенных значений токов
i и
напряжений u
их комплексными амплитудами:
.
(1)
Для
индуктивного элемента
L
связь
между
и
(с
учётом, что
)
определится:
;
, (2, 3)
гдe j
= ej/2
- (из формулы Эйлера) множитель,
характеризующий фазовый сдвиг между
вектором тока
и
напряжением
.
Уравнение отражает закон Ома для
индуктивных элементов.
Для
емкостного элемента
С
можно записать (с
учётом, что
):
или
. (4, 5)
Аналогично можно
получить уравнения законов Кирхгофа в
комплексной форме. Так,
для
ЗТК,
заменив мгновенные значения токов ik
их комплексными амплитудами
,
получим:
,
а для
3HK:
.
(6, 7)
Полученные уравнения
законов Ома и Кирхгофа в комплексной
форме лежат в основе
символического
метода
расчета линейных
цепей при гармонических
воздействиях.
Причем,
при
переходе к комплексной записи операции
дифференцирования d/dt
заменяются умножением на j
, операции интегрирования
- делением на j.
В
результате вместо
системы интегрально-дифференциальных
уравнений получаем систему алгебраических
уравнений,
решение
которой определяет
амплитуды и начальные фазы искомых
токов и напряжений.
Например:
;
(8)
.
(9)
Применим символический метод к анализу гармонических колебаний в цепи при последовательном соединении элементов R, L, С. Для последовательного соединения R, L, С согласно ЗНК имеем:
=
,
(10)
или
. (11)
Величина
в
уравнении есть комплексное
сопротивление
цепи:
=
R + jX .
(12)
Комплексное сопротивление можно выразить в показательной или тригонометрической форме:
=
Zej
= Zcos
+ jZsin
.
(13)
Таким образом, рассмотренное ранее полное сопротивление цепи Z представляет собой модуль комплексного сопротивления:
Z = |
|
=
,
(14)
а фазовый сдвиг - аргумент (фазу) комплексного сопротивления:
= arg
=
arctg
(X/R)
.
(15)
При анализе различных электрических цепей часто возникает необходимость преобразования схемы последовательно соединенных элементов в эквивалентное параллельное соединение и наоборот (рисунок 7.1).

Рисунок 7.1 - Преобразование соединений элементов
В
основе
подобных преобразований лежит принцип
эквивалентности.
Согласно этому принципу ток
i и напряжение u в исходной и преобразованной
схемах должны остаться неизменными.
Для первой схемы
=
,
для второй
.
Из равенства токов
и
напряжений
для
обеих схем имеем:
.
(16)
Из этого равенства (16) следуют формулы преобразования параллельного участка в эквивалентный последовательный:
R = G/Y2 ; X = B/Y2 . (17, 18)
Аналогично из
равенства
=
l/
можно получить
формулы
преобразования последовательного
участка в эквивалентный параллельный:
G = R/Z2 ; B = X/Z2 . (19, 20)
Эти преобразования можно положить в основу разложения тока в последовательном участке и напряжения в параллельном на активную и реактивную составляющие.
Символический метод особенно эффективен при анализе сложных разветвленных цепей. Причем поскольку все методы расчета подобных цепей (метод контурных токов, узловых напряжений, наложения и др.) базируются на законах Ома и Кирхгофа, то эти методы могут использоваться и при комплексной форме с заменой соответствующих величин (токов, напряжений, сопротивлений, проводимостей) их комплексными значениями.
2.1.2 Мощность в цепях при гармонических воздействиях
Представим пассивную электрическую цепь, находящуюся под воздействием источника гармонического напряжения, в форме двухполюсника. Под воздействием напряжения u = Umsinwt в цепи будет протекать ток i = Imsin(t - ). Отдаваемая источником в цепь за период Т средняя мощность:
.
(21)
Согласно закону Ома U = IZ, или (так как Z = R/cosj), U = RI/cos .
Тогда P = I2R = U2G.
Таким образом, средняя за период мощность Р равна мощности, рассеиваемой на активном сопротивлении (проводимости) цепи. В этой связи мощность Р носит название активной и измеряется в Ваттах (Вт).
Кроме активной
мощности Р
в
цепях гармонического тока используют
понятие
реактивной
мощности
Q
= UIsin
= I2X
= U2B,
и комплексной
мощности
=
= P + jQ
= UIcosj
+ jsinj
= UIejj
=
Ie-jj
=
.
Модуль
комплексной мощности называется
полной
мощностью:
S = |
|
=
.
(22)
Единица
измерения реактивной и полной мощности
- Вольт
х Ампер
(В·А). Активная
мощность равна реальной части, а
реактивная - мнимой части комплексной
мощности
.
А также:
cos
= P/S.
Это отношение в энергетике называется коэффициентом мощности (косинусом ) и является важной характеристикой электрических машин и линий электропередач. Чем выше cos тем меньше потери энергии в линии и выше степень использования электрических машин и аппаратов. Максимальное значение cos = 1, при этом P = S; Q = 0, - т. е. цепь носит чисто активный характер и сдвиг фаз между током i и напряжением u равен нулю.
Условие
передачи максимальной мощности
от
генератора в нагрузку
можно найти из
условия:
,
где
-
комплексное внутреннее сопротивление
источника;
-
комплексно-сопряженное
сопротивление нагрузки. Это условие
следует непосредственно из рассмотрения
эквивалентной схемы, приведенной на
рисунке 7.2.

Рисунок 7.2 - Передача мощности в нагрузку
Ток
в данной
цепи достигает
максимума при Хг
= -Хн
и выполнении условия Rг =
Rн,
что и доказывает равенство
.
При этом мощность в нагрузке будет
определяться уравнением: рнmax
= uг2/(4Rг).
По аналогии с треугольниками токов, напряжений, сопротивлений и проводимостей можно ввести треугольники мощностей. Так треугольники мощностей для цепей, носящих индуктивный или ёмкостной характер, приведены на рисунке 7.2.
Рассмотрим условие
баланса мощности в цепях при гармоническом
воздействии.
В силу справедливости
первого и второго законов Кирхгофа для
комплексных действующих значений тока
и
напряжения
в
каждой из ветвей рассматриваемой цепи
можно
записать теорему Телледжена в комплексной
форме:
.
(23)
Однако поскольку
ЗТК
справедлив и по отношению к сопряженным
токам
то
можно
записать:
.
(24)
Это уравнение отражает баланс комплексной мощности, согласно которому сумма комплексных мощностей, потребляемых всеми ветвями цепи, равна нулю.
Баланс комплексной мощности можно сформулировать и в другой форме: сумма комплексных мощностей, отдаваемых независимыми источниками, равна сумме комплексных мощностей, потребляемых остальными ветвями электрической цепи:
.
(25)
Из условия баланса комплексной мощности следуют условия баланса активных и реактивных мощностей:
;
.
(26)
Условие баланса активных мощностей непосредственно вытекает из закона сохранения энергии.
Последовательный колебательный контур и его свойства
