Линейные электрические цепи Векторные диаграммы


Линейные электрические цепи

Энергетический баланс в электрической цепи

Энергия от источника переносится приемнику электромагнитным полем со скоростью распространения волны. Для воздушных линий электропередачи эта скорость близка к скорости света с=300000 км/с, для кабельных линий она чуть меньше . Таким образом, электромагнитная волна за единицу времени  (1 сек) многократно пробегает путь от источника энергии до приемника.

Согласно закону сохранения энергии в любой электрической цепи за любой промежуток времени T должен выполняться баланс между генерируемой и потребляемой энергией: åWист=åWпр. Количество энергии, за единицу времени (1сек), называется мощностью, следовательно, в любой цепи существует баланс между мощностью источников и приемников: åРист=åРпр.

В любой энергосистеме, состоящей из электростанций, линий электропередачи и потребителей электроэнергии в любой момент времени существует динамическое равновесие между суммарными мощностями источников и приемников электрической энергии, при этом источники энергии должны постоянно приспосабливаться к изменяющимся запросам потребителя. Электростанции в энергосистеме работают без промежуточного склада готовой продукции!

5. Физические процессы в электрической цепи

Электрической цепью называется совокупность технических устройств, образующих пути для замыкания электрических токов и предназначенных для производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии. Любая электрическая цепь предполагает наличие в своей структуре как минимум трех элементов, а именно: источников энергии, приемников энергии и соединяющих их проводов или линий электропередачи. Как известно, носителем энергии является электромагнитное поле, которое сосредоточено как внутри так и вне проводов. Таким образом, для рассмотрения физических явлений в электрической цепи во всей полноте необходимо проводить расчет и исследование электромагнитного поля заданной цепи. При физическом решении этой задачи пользуются дифференциальными понятиями и параметрами, характеризующими электромагнитное поле в рассматриваемой точке, такими как `Е,`Н,`d, `В,`D, m, g, e . Математическое описание электромагнитных полей на основе дифференциальных понятий оказывается сложной задачей.

Электрическая цепь состоит, как правило, из отдельных однородных участков. В этом случае предоставляется возможность с достаточной для инженерных расчетов точностью описывать процессы  на отдельных участках с помощью интегральных понятий:

  электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии;

  электрическое напряжение;

  электрический ток;

 электрический заряд;

 магнитный поток;

  электрическое сопротивление.

Применение интегральных понятий к расчетам электрических цепей позволяет получать сравнительно простые решения задач с допустимой методической погрешностью.

В каждой реальной электрической цепи можно одновременно наблюдать следующие физические процессы:

1) процесс генерирования электрической энергии, который происходит в источниках (генераторах) в результате преобразования одного из видов энергии (механической, химической и др.) в электрическую;

2)процесс преобразования электрической энергии в другие виды, который протекает в приемниках энергии;

3)процесс накопления (или возврата) энергии в объеме магнитного поля:

4)процесс накопления (или возврата) энергии в объеме электрического поля:

Перечисленные физические процессы в том или другом сочетании присущи всем элементам электрической цепи, протекают одновременно и связаны между собой законом сохранения энергии.

Двухполюсное короткое замыкание без земли    (рис. 3).

Для рассматриваемого случая можно записать

Последнее равенство объясняется отсутствием пути для протекания токов нулевой последовательности.

Из двух последних соотношений вытекает, что . При этом , так как  и .

Подставив полученные выражения для напряжений и токов прямой и обратной последовательностей в (1) и (2), запишем

;       

(8)

.     

(9)

Вычитая из (8) соотношение (9) и учитывая, что в силу симметрии источника , получим

,

откуда

.

При расчете режима электрической цепи она представляется некоторой условной схемой или схемой замещения, состоящей из комбинации идеальных схемных элементов. Каждый идеальный схемный элемент отображает на схеме один из физических процессов. Таких схемных элементов всего 5.

1) Идеальный источник напряжения (ЭДС) Е - это схемный элемент, который генерирует на своих выводах постоянную по величине ЭДС (Е=const), не зависящую от тока, имеет символьное обозначение, показанное на рис. 5а, характеризуется напряжением [В].

2) Идеальный источник тока J-это схемный элемент, который генерирует в цепи постоянный по величине ток (J=const), не зависящий от напряжения на его зажимах, имеет символьное обозначение, показанное на рис. 5б, характеризуется током [A]. 

3) Идеальный резистор R – это схемный элемент, в котором происходит только процесс преобразования электрической энергии в другие виды, имеет символьное обозначение, показанное на рис. 5в, характеризуется сопротивлением [Ом].

Теоремы и методы расчета сложных резистивных цепей

1. Основные определения

Узлом электрической цепи (схемы) называется точка, в которой сходятся не менее трех ветвей.

Ветвью электрической цепи (схемы) называется участок, состоящий из последовательно включенных элементов, расположенных между двумя смежными узлами.

Сложной называется электрическая цепь (схема), содержащая не менее двух узлов, не менее трех ветвей и не менее двух источников энергии в разных ветвях.

В сложной электрической цепи наблюдаются одновременно в той или иной мере разнородные физические процессы, а именно, процесс генерирования электрической энергии, процесс преобразования электрической энергии в другие виды и процесс обмена энергией между магнитным полем, электрическим полем и источниками энергии. В общем случае для отображения этих физических процессов схема замещения цепи должна содержать кроме источников энергии (E, J) все разнородные схемные элементы (R, L, C). Математически физические процессы в такой схеме можно описать системой дифференциальных уравнений, составленных для схемы замещения по законам Кирхгофа.

Метод преобразования (свертки) схемы

Если схема электрической цепи содержит только один источник энергии (E или J), то пассивная часть схемы может быть преобразована (свернута) к одному эквивалентному элементу RЭ ( рис. 7).

 

 

 

 

 

Свертка схемы начинается с самых удаленных от источника ветвей, проводится в несколько этапов до достижения полной свертки. После полной свертки схемы по закону Ома определяется ток источника: . Токи в остальных элементах исходной схемы находятся в процессе обратной развертки схемы. Такой метод расчета токов получил название метода последовательного преобразования (свертки) схемы.

При применении данного метода возможны следующие виды преобразований.

3) Взаимное преобразование схем звезда-треугольник (рис. 4) возникает при свертке сложных схем.

Условием эквивалентности двух схем являются равенства для них токов (I1, I2, I3), напряжений (U12, U23, U31) и входных сопротивлений (R12, R23, R31) и соответственно входных проводимостей ( G12, G23, G31).

Приравняем входные сопротивления для обеих схем со стороны двух произвольных ветвей при отключенной третей (рис. 10):

 (1)

  (2)

 (3)

Замена параллельных ветвей эквивалентной ветвью (рис. 12) осуществляется согласно теореме об эквивалентном генераторе.

 

 

 

 

 

 

 

Напряжение холостого хода Uxxaв=EЭ определяется по методу двух узлов:

  .

Эквивалентное входное сопротивление находится методом свертки схемы:

Принцип действия асинхронного и синхронного двигателей

Вращающееся магнитное поле, создаваемое расположенными на статоре обмотками с током, взаимодействует с токами ротора, приводя его во вращение. Наибольшее распространение в настоящее время получил асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ввиду своей простоты и надежности. В пазах ротора такой машины размещены токонесущие медные или алюминиевые стержни. Концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены  медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Отсюда и произошло такое название ротора.


Энергетический баланс в электрической цепи