Мощность переменного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

11

1. Мощность переменного тока

В сложной электрической цепи, состоящей из разнородных элементов R, L, C, одновременно происходят следующие физические процессы:

а) необратимый процесс преобразования электрической энергии в другие виды (тепловую, механическую и др.), который называется активным;

б) обратимый процесс колебания энергии между переменным электрическим полем конденсаторов , магнитным полем катушек и источником энергии, который называется реактивным.

Процесс преобразования и процесс колебания энергии взаимно накладываются друг на друга, создавая в цепи единый сложный энергетический процесс.

Пусть электрическая цепь носит активно-индуктивный характер и может быть представлена простой схемой, состоящей из источника ЭДС е и пассивных элементов R и L, включенных последовательно (рис. 39):

Размещено на http://www.allbest.ru/

11

Напряжение и ток на входе схемы как функции времени и их комплексные изображения будут равны:

;

.

Мгновенная мощность, как функция времени, состоит из двух слагаемых:

Первое слагаемое характеризует процесс преобразования электрической энергии в другие виды (активный процесс). Второе слагаемое изменяется по периодическому закону с частотой 2 и характеризует процесс обмена энергией между магнитным полем приемника и источником энергии (реактивный процесс).

Количество энергии, которое преобразуется в приемнике в другие виды в единицу времени, называется активной мощностью P. Математически активная мощность может быть получена как среднее значение мгновенной мощности за период:

Реактивная мощность Q характеризует интенсивность обмена энергией между магнитным полем приемника и источником и определяется по формуле:

Реактивная мощность индуктивного характера положительна, а емкостного характера отрицательна. Противоположность знаков указывает на тот факт, что колебания энергии в разнородных элементах совершаются в противофазе.

В технике используется понятие полной мощности S, которая не имеет физического смысла и определяется по формуле:

.

Мощности S, P, Q образуют прямоугольный треугольник, который называется треугольником мощностей (рис. 40).

Размещено на http://www.allbest.ru/

11

Хотя физическая размерность мощностей S, P, Q одинакова, а именно , для каждой из них на практике применяется своя единица измерения: для активной мощности P ватт , для реактивной мощности Q вольтампер реактивный , для полной мощности S вольтампер .

В соответствии с законом сохранения энергии в цепи переменного тока должны балансироваться независимо друг от друга активные и реактивные мощности приемников и источников энергии: и . Баланс для полных мощностей не соблюдается.

При расчете цепей переменного тока комплексным методом мощности S, P, Q представляют в комплексной форме:

где сопряженный комплекс тока . Таким образом

модуль комплексной мощности;

вещественная часть;

мнимая часть.

2. Переменные ток в однородных идеальных элементах

Существует три типа идеальных схемных элементов: резистор R, катушка L и конденсатор C. Рассмотрим процессы в цепи с каждым из названных элементов в отдельности.

а) Цепь с идеальным резистором R.

Пусть к цепи с резистором R (рис. 41а) приложено переменное напряжение:

.

Ток и напряжение на зажимах резистора связаны между собой физическим законом Ома, т. е.

,

где , уравнения закона Ома для амплитудных и действующих значений функций.

Угол сдвига фаз между напряжением и током , следовательно, в цепи с резистором R ток и напряжение совпадают по фазе.

Комплексное сопротивление резистора является чисто вещественным:

.

Мгновенная мощность в цепи с резистором R всегда положительна:

Это означает, что в цепи с резистором R протекает только процесс преобразования электрической энергии в другие виды (активный процесс). По этой причине сопротивление резистора R на переменном токе называется активным.

Графические диаграммы функций времени u(t), i(t), p(t) представлены на рис. 42, а векторная диаграмма напряжения и тока на рис. 41б.

б) Цепь с идеальной катушкой L

Пусть к цепи с идеальной катушкой L (рис. 43а) приложено переменное напряжение:

Ток и напряжение на зажимах катушки связаны между собой физическим законом электромагнитной индукции

,

откуда следует:

,

где индуктивное реактивное сопротивление катушки,

Уравнения закона Ома для амплитудных и действующих значений функций:

Угол сдвига фаз

,

т.е. в цепи с катушкой L ток отстает от напряжения (напряжение опережает ток) на угол .

Комплексное сопротивление катушки является чисто мнимым и положительным:

Мгновенная мощность цепи изменяется по синусоидальному закону с частотой 2:

Это означает, что в цепи с катушкой L происходит только периодический процесс обмена энергией между магнитным полем катушки и источником (реактивный процесс). По этой причине сопротивление катушки переменному току X_L =L называется реактивным.

Графические диаграммы функций времени u(t), i(t), p(t) представлены на рис. 44, а векторная диаграмма напряжения и тока на рис. 43б.

в). Цепь с идеальным конденсатором С.

Пусть к цепи с идеальным конденсатором С (рис. 45а) приложено переменное напряжение

Ток и напряжение на зажимах конденсатора связаны между собой физическим законом сохранения заряда:

,

где емкостное реактивное сопротивление [Ом].

Уравнения закона Ома для амплитудных и действующих значений функций:

, .

Угол сдвига фаз

,

т. е. в цепи с конденсатором С ток опережает напряжение (напряжение отстает от тока) на угол 90°.

Комплексное сопротивление конденсатора является чисто мнимым и отрицательным:

.

Мгновенная мощность цепи изменяется по синусоидальному закону с частотой 2:

Это означает, что в цепи с конденсатором С происходит только периодический процесс обмена энергией между электрическим полем конденсатора и источником (реактивный процесс). По этой причине сопротивление конденсатора переменному току

называется реактивным.

Графические диаграммы функций времени u(t), i(t), p(t) представлены на рис. 46, а векторная диаграмма напряжения и тока - на рис. 45б.

электрический ток конденсатор

Размещено на Allbest.ru