- •Содержание
- •Г л а в а 6. Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •Приложение
- •Введение
- •Электростатическое поле
- •1. Закон кулона
- •2. Напряженность электрического поля
- •3. Диэлектрическая проницаемость
- •Контрольные вопросы
- •Проводники в электрическом поле. Цепи постоянного тока. Токопроводящие материалы.
- •1. Электрический ток
- •2. Напряженность электрического поля, потенциал, напряжение и эдс
- •3. Электрическое сопротивление и проводимость
- •4. Закон ома
- •5. Законы кирхгофа
- •6. Соединение резисторов
- •7. Закон джоуля-ленца. Нагревание проводников.
- •8. Короткое замыкание и перегрузки. Тепловая защита.
- •9. Мощность
- •10. Электрические цепи с несколькими источниками энергии
- •11. Делитель напряжения
- •12. Потери напряжения и мощности в проводах
- •13. Передача электрической энергии по проводам
- •14. Токопроводящие материалы
- •Контрольные вопросы
- •Диэлектрики в электрическом поле. Изоляция электротехнических материалов. Диэлектрические материалы.
- •1. Строение диэлектрика.
- •2. Диэлектрик в электрическом поле. Поляризация диэлектрика
- •3. Электрическая емкость. Конденсаторы.
- •4. Соединение конденсаторов
- •5. Энергия электрического поля конденсатора
- •6. Электрический пробой диэлектрика
- •7. Диэлектрические материалы. Изоляция электротехнических материалов.
- •Контрольные вопросы
- •Магнитное поле. Электромагнетизм и электромагнитная индукция. Магнитные материалы.
- •1. Магнитное поле в неферромагнитной среде. Основные понятия
- •2. Напряженность и индукция магнитного поля
- •3. Магнитный поток.
- •4. Индуктивность.
- •5. Магнитные свойства веществ. Магнитная проницаемость
- •Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Намагниченность.
- •7. Циклическое перемагничивание. Гистерезис.
- •8. Ферромагнитные материалы
- •9. Электромагнитные силы
- •10. Электромагнитная индукция
- •11. Вихревые токи
- •12. Эдс самоиндукции и взаимоиндукции
- •Контрольные вопросы
- •Линейные электрические цепи переменного тока
- •Основные определения
- •Сложение синусоидальных величин
- •Среднее значение синусоидальных величин
- •Контрольные вопросы
- •Элементы и параметры электрических цепей переменного тока
- •1. Цепь с активным сопротивлением
- •2. Электрическая цепь с индуктивностью
- •Резонанс напряжений
- •Параллельное соединение r, l, c – элементов
- •Контрольные вопросы
- •Трехфазные электрические цепи
- •Принципы построения трехфазных электрических цепей
- •Соединение звезда. Несимметричная нагрузка. Явление перекоса фаз
- •Нулевой провод
- •Мощность трехфазной системы
- •Контрольные вопросы
- •Нелинейные электрические цепи
- •Характеристики нелинейных электрических цепей и элементов
- •Электрическая цепь с нелинейным индуктивным элементом
- •Трансформаторы
- •Контрольные вопросы
- •Электрические машины переменного тока
- •Вращающееся магнитное поле
- •Устройство асинхронного двигателя
- •Принцип работы асинхронного двигателя
- •Регулирование числа оборотов асинхронного двигателя
- •Однофазные асинхронные двигатели
- •Синхронный генератор. Устройство и принцип работы
- •Синхронный двигатель. Принцип работы
- •Контрольные вопросы
- •Машины постоянного тока
- •Общие сведения
- •Устройство и работа генератора постоянного тока
- •Типы генераторов постоянного тока
- •Генератор с независимым возбуждением
- •Генератор с параллельным возбуждением
- •Генератор с последовательным возбуждением
- •Генератор со смешанным возбуждением
- •Двигатели постоянного тока
- •Контрольные вопросы
- •Переходные процессы в электрических цепях
- •Основные определения
- •2. Зарядка и разрядка конденсатора
- •3. Релаксационные колебания
- •4. Включение и выключение реальной индуктивной катушки при постоянном напряжении источника
- •5. Разрядка конденсатора на индуктивность
- •Контрольные вопросы
- •Современные способы получения электрической энергии. Виды силовых электростанций. Альтернативная электроэнергетика.
- •1. Тепловые электростанции (тэс)
- •Экологические проблемы тэс
- •2. Гидравлические электрические станции (гэс).
- •3. Гидроаккумулирующие электрические станции (гаэс)
- •4. Приливные электрические станции
- •5. Атомные электрические станции (аэс)
- •55Cs140→56Ba140→57La140→58Ge140→стабильное ядро;
- •37Rb94→38Sr94→39y94→40Zr90→ стабильное ядро.
- •Магнитогидродинамическое преобразование энергии (мгд-генераторы).
- •7. Термоэмиссионные генераторы
- •8. Солнечные электростанции
- •9. Электрохимические генераторы
- •10. Термоэлектрические генераторы
- •11. Геотермальные электростанции
- •12. Термоядерная энергетика
- •13. Водородная энергетика
- •14. Понятие о единой энергетической системе.
- •Контрольные вопросы
- •Атомно-молекулярная теория строения вещества
- •Структура и строение атома
- •Линейчатый спектр. Постулаты бора и квантование орбит
- •Корпускулярно - волновой дуализм нанообъектов. Волны де-бройля
- •Туннелирование
- •Классификация наноматериалов
- •8. Трехмерные наноматериалы
- •Размерные эффекты и свойства нанообъектов
- •Химические свойства наноматериалов
- •Тепловые свойства нанообъектов
- •Магнитные свойства нанообъектов
- •Функциональные и конструкционные углеродные наноматериалы.
- •Получение углеродных наноструктур
- •Применение и использование наноматериалов в практической деятельности
- •Контрольные вопросы
- •Приложение
- •Сложение векторов.
- •Метод комплексных чисел
- •Расчет цепей методом узлового напряжения
Параллельное соединение r, l, c – элементов
В цепь переменного тока параллельно включены реальная катушка индуктивности и конденсатор с потерями (рис. 81 ). Эту цепь можно представить как цепь с двумя ветвями, в одной из которых включены элементы R1иL1, а в другой элементыR2иC2(рис. 81а). Ветви электрической цепи находятся под одинаковым напряжением
(6-51)
а б в
Рис. 81 Параллельное соединение R, L, C – элементов: а –схема, б.в – векторные диаграммы токов.
Первая ветвь содержит активное сопротивление и индуктивность, следовательно, ток отстает от напряжения на угол , т.е
. (6-52)
Причем,
,
Характер второй ветви активно – емкостной, следовательно, ток опережает напряжение на уголи
. (6-53)
Причем,
,
Полный или результирующий ток
(6-54)
При сложении получается синусоидальная величина с той же частотой и начальной фазой φ. Для нахожденияивоспользуемся правилом векторного сложения.
Построение векторной диаграммы начинаем с ориентации на плоскости вектора U (рис. 81б,в). Под угломφ1к напряжению откладывается вектор амплитудного ( с учетом знака), либо действующего значения токаI1в первой ветви, а под угломφ2вектор токаI2 во второй ветви ( с учетом знака). Суммируем вектора ( правило параллелограмма) и получаем вектор результирующего тока. Модуль этого вектора определяем по теореме косинусов
+(6-55)
Можно поступить иначе и от косого треугольника токов перейти к прямоугольному треугольнику.
Спроектируем вектора токов на вектор напряжения, получим активную составляющую тока:
(6-56)
Cоставляющие, направленные по линии, перпендикулярной линии напряжения, называют реактивными:
=(6-57)
Составляющие результирующего тока могут быть определены как
Т.е. равны сумме составляющих отдельных ветвей. При этом необходимо учитывать их знак. Для ветви с индуктивным элементом реактивную составляющую тока берут со знаком плюс, для ветви с емкостным элементом – со знаком минус.
Из треугольника токов находим
. (6-58)
Электрическая проводимость. Каждый элемент цепи может характеризоваться сопротивлением или проводимостью. Разделим все стороны треугольников токов (рис. 81в ) на напряжение. Получим треугольник проводимостей, где каждая из сторон представляет соответствующую проводимость.
Отношение активного тока к напряжению – активная проводимостьq:
(6-59)
Отношение реактивного тока к напряжению – реактивная проводимостьb:
(6-60)
Отношение результирующего тока к напряжению – полная проводимостьy:
(6-61)
Единица измерения проводимости –сименс (См=1/ом).
Из диаграммы видно, что составляющие полной проводимости могут быть определены как
;; (6-62)
Тогда полная проводимость
. (6-63)
Аналогично для каждой отдельной ветви можно записать
Воспользовавшись диаграммой можно записать
===
===
===
Связь между сопротивлением и проводимостью. Часто при решении практических задач исходными данными являются сопротивления отдельных элементов цепи, а необходимо определить проводимости и сопротивления всей цепи.
Известно, что Если эти значения подставить в ( ), то
(6-64)
Аналогично ;. Подставляя эти выражения в ( ), получим
(6-65)
Реактивные проводимости сохраняют знак соответствующего сопротивления, т.е.
(6-66)
Полную проводимость можно получить из ( )
(6-67)
Таким образом, полная проводимость цепи равна обратной величине полного сопротивления.
Электрическая мощность. Диаграмму мощностей можно получить из диаграммы токов. Для этого необходимо модули токов умножить на напряжениеU:
(6-68)
(6-69)
Из диаграммы мощностей следует
. (6-70)
Таким образом, при любом числе элементов, включенных параллельно, результирующие ток, проводимость, мощность записываются как корень квадратный из суммы квадратов арифметических сумм активных и алгебраических сумм реактивных значений соответствующих параметров.
РЕЗОНАНС ТОКОВ.
Режим, при котором сдвиг фаз между напряжением и током равен нулю в цепи с двумя узлами называется резонансом токов. В этом режиме реактивные токи в ветвях равны по величине.
а б в г
Рис. 82 Электрическая схема с двумя узлами, в которой реальная катушка индуктивности и конденсатор с потерями соединены параллельно: а – схема; б,в,г – векторные диаграммы токов (б), проводимостей (в), мощностей (г).
Условие резонанса токов:
(6-71)
На рис. 82б,в,г показаны векторные диаграммы токов, проводимости и мощности при резонансе.
, (6-72)
Так как =то
. (6-73)
Аналогично полная проводимость цепи
. (6-74)
Так как то полная реактивная проводимость
(6-75)
Полная мощность цепи
. (6-76)
Так как =то полная реактивная мощность=O. Тогда
(6-77)
Сдвиг фаз между напряжением и током
(6-78)
Следовательно, электрическая цепь в состоянии резонанса для источника цепи представляет собой чисто активную нагрузку.
Из равенства реактивных проводимостей можно получить выражение для частоты собственных колебаний рассматриваемой цепи:
;
После преобразований получаем выражение:
;(6-79)
Из выражения видно, что резонансная частота зависит от активных сопротивлений катушки и конденсатора.
Обычно на практике для определения частоты собственных колебаний пользуются приближенной формулой, вытекающей для случая идеальной цепи (нулевые потери энергии). При этом в обеих ветвях отсутствуют активные сопротивления Тогда
=; (6-80)
Эти выражения совпадают с формулами, полученными ранее, для резонанса напряжений и резонанс наступает в электрической цепи при совпадении частот вынужденных и собственных колебаний системы.
Рассмотрим, как меняются проводимость и ток в цепи при изменении частоты.
Ток в неразветвленной части цепи
(6-81)
Таким образом, при резонансе в случае, когда ток минимален и равен суммарному активному току. До и после резонанса ток увеличивается. По величине тока можно установить наличие резонанса, а именно: минимальное значение тока в цепи указывает на момент резонанса.
а б
Рис. 83 Частотные зависимости проводимости (а) и тока (б) в цепи с двумя узлами.
На рис. 83 б показаны резонансная кривая общего тока в цепи и его реактивных составляющих.
Как и в последовательной цепи, резонанса токов в нашем случае можно добиться изменением частоты источника питания или параметров цепи LиC.