- •Содержание
- •Введение
- •Раздел первый электрические и магнитные цепи Электрические цепи постоянного тока
- •Электрическая цепь
- •Закон Ома
- •Работа тока. Закон Джоуля - Ленца
- •Мощность
- •Элементы электрических и магнитных цепей
- •Нагревание проводников электрическим током
- •Короткое замыкание
- •Соединения резисторов
- •Законы Кирхгофа
- •Расчет электрических цепей
- •Преобразование химической энергии в электрическую. Химические источники электрической энергии (аккумуляторы)
- •Электромагнетизм и магнитные цепи Характеристики магнитного поля. Магнитный поток
- •Закон полного тока и магнитодвижущая сила
- •Магнитные свойства веществ
- •Гистерезис
- •Магнитные цепи
- •Характеристики магнитной цепи
- •Расчет магнитной цепи
- •Электромагнитная индукция
- •Самоиндукция
- •Взаимоиндукция
- •Взаимодействие тока и магнитного поля
- •Задачи Магнитное поле. Характеристики магнитной цепи
- •Неразветвленные магнитные цепи
- •Электрические цепи переменного тока Переменный ток и его получение
- •Параллельное соединение сопротивлений
- •Мощность в цепи переменного тока. Коэффициент мощности
- •Резонанс в электрической цепи переменного тока
- •Трехфазный ток
- •Понятие о несимметричных режимах трехфазной цепи
- •Мощность трехфазной системы
- •Раздел второй
- •Электротехнические устройства
Электрические цепи переменного тока Переменный ток и его получение
Постоянный ток в металлах представляет собой установившееся поступательное движение свободных электронов. Если же эти электроны вместо поступательного совершают колебательное движение, то ток периодически, через равные промежутки времени, изменяется как по значению, так и по направлению и называется переменным.
Переменный ток обладает способностью трансформироваться (изменять напряжение с помощью трансформаторов), что обеспечивает экономную передачу электрической энергии на большие расстояния. Кроме того, двигатели переменного тока отличаются простотой устройства и малыми габаритами. Поэтому переменный ток применяется очень широко и почти вся электрическая энергия вырабатывается генераторами переменного тока.
Работа генераторов переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции. В магнитном поле электромагнита, возбуждаемом постоянным током в его обмотке, помещен виток. Концы витка соединены с металлическими кольцами, изолированными друг от друга и от корпуса и вращающимися вместе с витком. На кольцах установлены неподвижные щетки, посредством которых виток может быть замкнут на сопротивление нагрузки.
Предположим, что магнитное поле между полюсами однородно. За время одного оборота плоскость витка описывает угол в 360. Отдельные положения витка относительно магнитного поля:
Рис.27 Генерирование
переменного тока. Временная диаграмма
При вращении витка в магнитном поле меняется магнитный поток. В рамке наводится переменная ЭДС индукции. Если цепь замкнута, то возникает индукционный ток, который непрерывно меняется по модулю, а через 1/2T - по направлению.
Используя основной закон электромагнитной индукции, получаем уравнение
Вынужденные электрические колебания,
возникающие в цепях под действием
напряжения, осуществляются по
синусоидальному или косинусоидальному
закону
или
.
При равномерном вращении ротора в
обмотках статора наводится ЭДС:
,
где n – число оборотов
ротора в секунду; N – число
витков обмотки статора.
При анализе и расчете цепей переменного тока используются векторные диаграммы, на которых каждая синусоидальная величина представляется в виде вектора с длиной, равной в определенном масштабе действующему значению тока или напряжения. В основе способа лежит возможность представления синусоиды с помощью вращающегося вектора, длина которого равна Imax или Umax. Совокупность векторов токов и напряжений элементов одной цепи называется векторной диаграммой. Если же изобразить вектор в комплексной плоскости, то тогда синусоидальный ток или напряжение можно выразить в виде комплексного числа. В этом случае появляется возможность использовать для расчета цепей переменного тока все методы расчета, которые применялись в цепях постоянного тока.
Значение переменной величины в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением.
Наибольшее из мгновенных значений называется ее максимальным, или амплитудным.
Под периодом Т понимается наименьший интервал времени, по истечению которого мгновенные значения тока и напряжения повторяются. Величина обратная периоду, называется частотой переменного тока.
Частота равна числу периодов синусоидального тока или напряжения в секунду. Для промышленных цепей переменного тока в нашей стране принято стандартное (промышленное) значение 50 Гц.
Угловая скорость, или угловая частота вращения равна углу поворота вектора в единицу времени.
Амплитудное и мгновенное значения переменного тока полностью определяют его свойства, однако энергетические соотношения в цепи связаны с действующими значениями.
Под действующим значением понимается такая величина постоянного тока, которая оказывает такое же тепловое и электромеханическое действие, как и переменный ток. Связь между действующими и амплитудными значениями для синусоидального тока
и
.
В большинстве случаев при расчетах и построении векторных диаграмм оперируют действующими значениями токов и напряжений.
Для цепей с резистором закон Ома справедлив для действующих и амплитудных значений, т. е. U = IR. Энергия источника, как и в цепи постоянного тока, преобразуется в резисторе в тепловую, т. е. он имеет активное сопротивление.
Катушка индуктивности, если не учитывать
активного сопротивления, имеет реактивное
сопротивление, пропорциональное ее
индуктивности и угловой частоте
переменного тока:
.
Рис.28 Схема
замещения катушки индуктивности
,
т.е. в комплексной форме
.
Реальные катушки индуктивности имеют
также определенное активное сопротивление Ra
и полное сопротивление катушки определяется по соотношению
.
Для оценки характеристик реальных
катушек индуктивности применяется
понятие добротности
.
Нагрузка в цепи переменного тока
Активное сопротивление |
Реактивное сопротивление |
|
Индуктивное |
Емкостное |
|
Электрические устройства, преобразующие электрическую энергию во внутреннюю, называются активными сопротивлениями (высокоомные провода, спирали нагревательных приборов, резисторы).
|
|
При включении конденсатора в цепь постоянного напряжения сила тока I = 0, а при включении конденсатора в цепь переменного напряжения сила тока I ≠ 0. следовательно конденсатор в цепи переменного напряжения создает сопротивление меньше, чем в цепи постоянного напряжения.
|
Мгновенное значение напряжения |
||
|
|
|
Мгновенное значение силы тока |
||
Колебания силы тока совпадают по фазе с колебаниями напряжения. |
Напряжение опережает ток по фазе на . В любое мгновение времени изменению силы тока противодействует ЭДС самоиндукции. |
Колебания напряжения отстают от колебаний тока по фазе на . Изменению силы тока в любое мгновение противодействует электрическое поле между обкладками конденсатора. |
Конденсатор в цепи переменного тока
имеет реактивное сопротивление, обратно
пропорциональное его емкости и угловой
частоте:
.
Энергия источника в конденсаторе не
расходуется, а идет на создание
электрического поля между пластинами
при заряде конденсатора и возвращается
обратно в источник при его разряде.
Поэтому для переменного тока конденсатор
является реактивным сопротивлением.
Ток конденсатора опережает напряжение
на
,
т. е. в комплексной форме
.
Р
еальные
конденсаторы имеют также шунтирующее
активное сопротивление Rш, и полная проводимость
конденсатора определяется соотношением:
.
Д
Рис. 29 Схема
замещения конденсатора
вводятся понятия добротности
,
а также тангенса угла
диэлектрических потерь
.
К простейшим цепям переменного тока могут быть отнесены цепи с последовательным, параллельным и смешанным соединениями однотипных элементов R, L, С.
Эквивалентное сопротивление
последовательного и параллельного
соединений резисторов соответствует
соотношениям, приведенным для постоянного
тока. Аналогично определение эквивалентной
индуктивности катушек:
.
Для эквивалентной емкости последовательного
и параллельного соединений конденсаторов
имеются обратные соотношения:
.
При смешанном соединении элементов используются также правила преобразования электрических цепей, как и для цепей постоянного тока, но с использованием комплексной формы значений сопротивлений и проводимостей.
Последовательно соединение
Активного сопротивления и индуктивности |
Активного сопротивления и емкости |
Активного сопротивления, индуктивности и емкости |
1 |
2 |
3 |
ЭДС самоиндукции в катушке отстает по фазе от тока на 90. Вектор тока I отстает от вектора напряжения U на угол φ:
В катушке, содержащей только индуктивное сопротивление, ток отставал от напряжения сети на угол 90, а при учете активного сопротивления ток отстает от
|
Напряжение сети U представляет собой геометрическую сумму падений напряжения на отдельных участках цепи, т. е. активного падения напряжения Uа, совпадающего по фазе с током, и падения напряжения на емкостном сопротивлении Uс, отстающего от тока по фазе на 90. Ток опережает по фазе напряжение, приложенное к зажимам цепи, на угол φ, тангенс угла которого:
Из векторной диаграммы находим:
конденсатора с реальным диэлектриком в цепи переменного тока можно представить схематически как последовательное соединение R и ХС.
|
Закон Ома:
Расчетная величина
Если XL , больше XC, то цепь носит индуктивный характер, т.е. вектор тока I отстает по фазе от вектора напряжения цепи U. Если же XC больше XL, то цепь в целом носит емкостный характер, т.е. вектор I опережает по фазе вектор общего напряжения U. Треугольник сопротивлений:
|

В
катушке, включенной в цепь переменного
напряжения, сила тока меньше силы тока
в цепи постоянного напряжения для
этой же катушки. Следовательно, катушка
в цепи переменного напряжения создает
большее сопротивление, чем в цепи
постоянного напряжения.