Активное сопротивление и конденсатор в цепи переменного тока

На практике часто встречаются случаи, когда в цепи последовательно с емкостью включено активное сопротивление. Общее сопротивление цепи в этом случае определяется по формуле

Следовательно, полное сопротивление цепи, состоящей из активного и емкостного сопротивлений, переменному току равно корню квадратному из суммы квадратов активного и емкостного сопротивлений этой цепи.

Закон Ома остается справедливым и для этой цепи I = U/Z.

На рис. 3 приведены кривые, характеризующие фазовые соотношения между током и напряжением в цепи, содержащей емкостное и активное сопротивления.

Рис. 3. Ток, напряжение и мощность в цепи с конденсатором и активным сопротивлением

Как видно из рисунка, ток в этом случае опережает напряжение уже не на четверть периода, а меньше, так как активное сопротивление нарушило чисто емкостный (реактивный) характер цепи, о чем свидетельствует уменьшенный сдвиг фаз. Теперь уже напряжение на зажимах цепи определится как сумма двух слагающих: реактивной слагающей напряжения uс, идущей на преодоление емкостного сопротивления цепи, и активной слагающей напряжения преодолевающей активное ее сопротивление.

Чем больше будет активное сопротивление цепи, тем меньший сдвиг фаз получится между током и напряжением.

Кривая изменения мощности в цепи (см. рис. 3) дважды за период приобрела отрицательный знак, что является, как нам уже известно, следствием реактивного характера цепи. Чем менее реактивная цепь, тем меньше сдвиг фаз между током и напряжением и тем большую мощность источника тока эта цепь потребляет.

1. Цепь синусоидального тока с емкостью – Вопрос № 36, 38, 39

Энергетический процесс – Вопрос № 35

Мгновенная, активная и реактивная мощности – Вопрос № 35

40. При последовательном соединении конденсатора и резистора рис.5-3, ток, протекающий по ним одинаковый, а электрическое состояние цепи определяется уравнением по второму закону Кирхгофа в комплексной форме:

U = U _R + U _C.

Графически это уравнение отражено на векторной диаграмме, рис.5-4.

Напряжение на резисторе U _R совпадает по фазе с током, на конденсаторе U _C отстает от тока на 90^о. Из треугольника напряжений следует соотношение между модулями напряжений.

Из треугольника сопротивлений следует:

модуль полного сопротивления;

Z = R - jX_C - комплексное значение полного сопротивления цепи.

Из треугольника мощностей:

модуль полной мощности;

S = P - jQ_C - комплексное значение полной мощности;

коэффициент мощности цепи.

Временная и векторная диаграммы – Вопрос № 36

Закон Ома для действующих и амплитудных значений тока и напряжения. – Вопрос № 38

41. Треугольники напряжений и сопротивлений – Вопрос № 37

Полное сопротивление – Вопрос № 34

Угол сдвига фаз между напряжением и током – Вопрос № 34

Закон Ома для действующих и амплитудных значений тока и напряжения – Вопрос № 31, 33, 38, 40

42. Энергетический процесс- Доделать111 Вопрос № 35

Мгновенная, активная, реактивная и полная мощности - Вопрос № 35

Треугольник мощностей – Вопрос № 35

Коэффициент мощности – Вопрос № 35

43. В общем случае в цепях переменного тока обычно имеются все виды сопротивлений: активное, индуктивное и емкостное. Например, электрические двигатели переменного тока могут быть представлены эквивалентной схемой, состоящей из индуктивного сопротивления имеющихся в нем катушек и активного сопротивления образующих эти катушки проводов. Воздушные линии элек-

Рис. 192. Схема цепи переменного тока, содержащей последовательно включенные активное, индуктивное и емкостное сопротивления (а), векторные диаграммы (б и а), кривые тока и напряжения и (г)

тропередачи или кабельные линии обычно представляют в виде совокупности активного, индуктивного и емкостного сопротивлений. Активное сопротивление обусловлено сопротивлением электрических проводов, индуктивное — индуктивностью линии, а емкостное — емкостью, возникающей между отдельными проводами, между проводами и землей или же между отдельными жилами кабеля и между жилами кабеля и его оболочкой.

Расчет электрических цепей переменного тока существенно отличается от расчета цепей постоянного тока, так как при переменном токе в активном, индуктивном и емкостном сопротивлениях имеют место различные сдвиги фаз между токами и напряжениями.

Ток, напряжение и полное сопротивление. При последовательном включении в цепь переменного тока активного R, индуктивного X_L и емкостного Х_с сопротивлений (рис. 192, а) к ним приложены напряжения: активное u_a=iR, индуктивное u_L = iX_L и емкостное u_c=iX_c. Мгновенное значение напряжения и, приложенного к данной цепи, согласно второму закону Кирхгофа равно алгебраической сумме напряжений:

u = u_a + u_L + u_c

Но для действующих значений эта формула неприменима, так как между всеми указанными напряжениями имеется сдвиг по фазе (амплитудные значения этих напряжений не совпадают по

Рис. 193. Треугольник со противлении

времени). Чтобы учесть сдвиг по фазе между напряжениями u_а, u_L и u_c. осуществляют сложение их векторов:

? =?_a +?_L +?_C

Для этого строят векторную диаграмму, на которой откладывают в определенном масштабе векторы тока? и напряжений?_a,?_L,?_C. Из этих напряжений первое совпадает по фазе с током, второе опережает его на 90°. Векторная диаграмма (рис. 192,б) построена для цепи, в которой индуктивное сопротивление X_L больше емкостного X_c (вектор?_L, больше вектора?_C.), а рис. 192, в — для цепи, в которой X_L меньше Хс (вектор?_L, меньше вектора?_C). Вектор напряжения U является замыкающим — он сдвинут по фазе относительно вектора тока? на некоторый угол?. Напряжение U (действующее значение) может быть определено из треугольника ЛВС по теореме Пифагора:

U =?(U²_a + (U_L – U_c)²)

Таким образом, из-за наличия угла сдвига фаз? напряжение U всегда меньше алгебраической суммы U_a + U_L + U_C. Разность U_L – U_C = U_p называется реактивной составляющей напряжения.

Рассмотрим, как изменяются ток и напряжение в последовательной цепи переменного тока.

В цепи, содержащей все три вида сопротивления, ток i и напряжение и оказываются сдвинутыми по фазе на некоторый угол ср (рис. 192, г), при этом 0<?<90°.

Полное сопротивление и угол сдвига фаз. Если подставить в формулу (71) значения U_a = IR; U_L = l?L и U_C=I/(?C), то будем иметь: U =?((IR)²+ [I?L-I/ (?С) ]²), откуда получаем формулу закона Ома для последовательной цепи переменного тока:

I = U / (? (R²+ [?L-1 / (?С) ]²)) = U / Z (72)

где Z =? (R²+ [?L-1 / (?С) ]²) =? (R²+ (X_L– X_c)²)

Величину Z называют полным сопротивлением цепи, оно измеряется в омах. Разность?L — l/(?C) называют реактивным сопротивлением цепи и обозначают буквой X. Следовательно, полное сопротивление цепи

Z =? (R²+ X²)

Соотношение между активным, реактивным и полным сопротивлениями цепи переменного тока можно также получить по теореме Пифагора из треугольника сопротивлений (рис. 193). Треугольник сопротивлений А’В’С’ можно получить из треугольника напряжений ABC (см. рис. 192,б), если разделить все его стороны на ток I.

Угол сдвига фаз? определяется соотношением между отдельными сопротивлениями, включенными в данную цепь. Из треугольника А’В’С (см. рис. 193) имеем:

sin? = X / Z; cos? = R / Z; tg? = X / R

Например, если активное сопротивление R значительно больше реактивного сопротивления X, угол? сравнительно небольшой. Если в цепи имеется большое индуктивное или большое емкостное сопротивление, то угол сдвига фаз? возрастает и приближается к 90°. При этом, если индуктивное сопротивление больше емкостного, напряжение и опережает ток i на угол?; если же емкостное сопротивление больше индуктивного, то напряжение и отстает от тока i на угол?.

Дата добавления: 2015-07-15