Линейные электрические цепи Векторные диаграммы


Векторные диаграммы переменных токов и напряжений

Активные и реактивные составляющие токов и напряжений

При расчете электрических цепей переменного тока реальные элементы цепи (приемники, источники) заменяются эквивалентными схемами замещения, состоящими из комбинации идеальных схемных элементов R, L и С.

Пусть некоторый приемник энергии носит в целом активно-индуктивный характер (например, электродвигатель). Такой приемник может быть представлен двумя простейшими схемами замещения, состоящими из 2-х схемных элементов R и L: а) последовательной (рис. 51а) и б) параллельной  (рис. 51б):

 

Обе схемы будут эквивалентны друг другу при условии равенства параметров режима на входе: , . Расчет цепей несинусоидального переменного тока Расчет электрических цепей

Для последовательной схемы (рис. 51а) справедливы соотношения:

,

.

Для параллельной схемы (рис. 51б) справедливы соотношения:

,

.

Сравнивая правые части уравнений для U и I, получим соотношения между параметрами эквивалентных схем:

, .

Из анализа полученных уравнений следует сделать вывод, что в общем случае  и  и соответственно  и , как это имеет место для цепей постоянного тока.

Математически любой вектор можно представить состоящим из суммы нескольких векторов или составляющих.

При наличии аналитического выражения функции i(t) и возможности взятия интеграла от ее квадрата действующее значение i(t) определяется точно. Однако в общем случае на практике действующее значение переменной определяется на основе информации о  действующих значениях конечного ряда гармонических.

Пусть . Тогда

Очевидно, что каждый из интегралов от тригонометрических функций в последнем выражении равен нулю. Таким образом,

или

.

Аналогичные выражения имеют место для ЭДС, напряжения и т.д.

Из геометрии рис. 52а следуют соотношения: . Треугольник, составленный из векторов , ,  получил название треугольника напряжений.

Если стороны треугольника напряжений разделить на ток I, то получится новый треугольник, подобный исходному, но сторонами которого являются полное сопротивление Z, активное сопротивление R и реактивное сопротивление X. Треугольник со сторонами Z, R, X  называется треугольником сопротивлений (рис. 52б). Из треугольника сопротивлений следуют соотношения: R=Z×cosφ, X=Z×sinφ, , .

Параллельной схеме замещения соответствует представление вектора тока в виде суммы двух составляющих: активной составляющей Iа, совпадающей с вектором напряжения U, и реактивной составляющей Iр, перпендикулярной к вектору U (рис. 53а):

Передача энергии от активного двухполюсника (источника) к пассивному двухполюснику (приемнику)

Двухполюсником называется устройство или часть схемы (цепи) с двумя выводами (полюсами). Если внутри двухполюсника содержатся источники энергии, то он называется активным (A), в противном случае – пассивным (П).

Энергетические характеристики передачи энергии от активного двухполюсника (источника) к пассивному двухполюснику (приемнику) на переменном токе зависят от соотношения параметров приемника и источника между собой (рис. 54)

Компенсация реактивной мощности приемников энергии

Активная мощность приемника P=UIcosj характеризует интенсивность потребления им энергии и зависит от режима его работы.

Реактивная мощность приемника Q=UIsinj  характеризует интенсивность обмена энергией между электромагнитным полем приемника и остальной цепью. Эта мощность положительна при индуктивном характере приемника () и отрицательна при емкостном характере (). В промышленных условиях преобладающее большинство приемников имеют активно-индуктивный характер () и потребляют положительную реактивную мощность. Параллельное подключение к таким приемникам конденсаторов, потребляющих отрицательную реактивную мощность  и, таким образом, являющихся генераторами реактивной мощности для приемников, позволяет уменьшить (компенсировать) суммарную реактивную мощность: .

Компенсация реактивной мощности позволяет при неизменной активной мощности уменьшить потребляемый от сети ток:

При увеличении емкости компенсирующего конденсатора С пропорционально будет увеличиваться потребляемый им ток . Ток линии, равный геометрической сумме токов нагрузки и конденсатора (), вначале будет уменьшаться (при QL>QC), достигнет своего минимального значения при полной компенсации реактивной мощности , а затем начнет возрастать при QC > QL (рис. 57).

 

Из геометрии рис. 57 следует соотношение:

.

Тот же ток из закона Ома:

.

Из совместного решения этих двух уравнений вытекает формула для расчeта емкости компенсирующего устройства от первоначального значения tgj2 до заданного tg:

Резонансные явления в цепях несинусоидального тока В цепях несинусоидального тока резонансные режимы возможны для различных гармонических составляющих. Как и при синусоидальных токах, резонанс на к-й гармонике соответствует режиму работы, при котором к-е гармоники напряжения и тока на входе цепи совпадают по фазе, иначе говоря входное сопротивление (входная проводимость) цепи для  к-й гармоники вещественно.


Энергетический баланс в электрической цепи