Последовательное соединение r, L, c элементов

Уравнение напряжений для цепи (рисунок 14 а) имеет вид: Ū = Ū_r + Ū_l + Ū_c

Электрическая цепь, содержащая последовательно включенные r, L и С (а), ее векторная диаграмма (б), треугольники сопротивлений и мощностей (в и г) цепи при x_L > x_C, векторная диаграмма (д), треугольники сопротивлений и мощностей (е и ж) цепи при x_C > x_L.

Векторные диаграммы для цепи (Рисунок 14 а) изображены на рисунках 14 (б) и 14 (в). Вектор напряжения на активном сопротивлении совпадает с вектором тока, вектор напряжения на индуктивности Ū_l опережает вектор тока на 90°, вектор напряжения на емкости Ū_c отстает от вектора тока на 90°. Следовательно, между векторами напряжения на индуктивности и емкости образуется угол в 180°.

Если x_L > x_C, то и UL > Ū_c и векторная диаграмма будет такой (Рисунок 14 б), а треугольник сопротивлений – на рисунке 14 (в), где x = x_L – x_C. Если x_C > x_L, то U_C > U_L и векторная диаграмма будет иметь вид, изображенный на рисунке 16 (е), где x = x_C – x_L.

Рисунок 14 - Последовательное соединение R, L, C

Значение напряжения, приложенного к цепи:

Выразив напряжение через ток и сопротивления, получим:

Последнее выражение представляет собой закон Ома для последовательной цепи r, L, C:

где z – полное сопротивление цепи;

x – реактивное сопротивление цепи.

На основании проведенного анализа цепи, состоящей из последовательно соединенных r, L, C, можно сделать следующие выводы.

Если x_L > x_C, то напряжение сети опережает по фазе ток на угол φ: υ = U_m sin (ω t + φ).

Цепь имеет активно(индуктивный характер.

Если x_C > x_L, то напряжение сети отстает по фазе от тока на угол φ: υ = U_m sin (ω t + φ).

Цепь имеет активно-емкостный характер.

РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

В цепях переменного тока, где есть индуктивность и емкость, могут возникнуть явления резонанса, которые аналогичны явлению резонанса в механической системе. Полная аналогия – равенство собственной частоты колебаний электрического контура частоте возмущающей силы (частоте напряжения сети) – возможна не во всех случаях.

В общем случае под резонансом электрической цепи понимают такое состояние цепи, когда ток и напряжение совпадают по фазе, и, следовательно, эквивалентная схема цепи имеет место при определенном соотношении ее параметров r, L, C, когда резонансная частота цепи равна частоте приложенного к ней напряжения.

При резонансе в электрической цепи малые напряжения, приложенные к цепи, могут вызвать значительные токи и напряжения на отдельных участках. В цепи, где r, L, C соединены последовательно, может возникнуть резонанс напряжений, а в цепи, где r, L, C соединены параллельно, – резонанс токов.

Откуда:

где f – частота напряжения, подведенного к контуру;

f _рез – резонансная частота.

Таким образом, при x_L = x_C в цепи возникает резонанс напряжений, так как резонансная частота равна частоте напряжения, подведенного к цепи.

При резонансе:

Ix_L = Ix_C = U_L = U_C; U_r = I_R = U;

Q = Q_L – Q_C = U_LI – U_CI = 0.

РЕЗОНАНС ТОКОВ

Резонанс токов может возникнуть в параллельной цепи (рисунок 15), одна из ветвей которой содержит L и r, а другая – C и r.

Резонансом токов называется такое состояние цепи, когда общий ток совпадает по фазе с напряжением, реактивная мощность равна нулю и цепь потребляет только активную мощность.

Как видно из векторной диаграммы, общий ток цепи совпадает по фазе с напряжением, если реактивные составляющие токов ветвей с индуктивностью и емкостью равны по модулю: I _1p = I _2p.

Рисунок 15 - Резонанс токов в параллельной цепи

Общий реактивный ток цепи, равный разности реактивных токов ветвей, в этом случае равен нулю: I _1p – I _2p = 0.

Общий ток цепи имеет только активную составляющую, равную сумме активных составляющих токов ветвей: I _a = I _1a = I _2a.

В идеальном случае, когда

При резонансе токов коэффициент мощности равен единице: cos φ = 1.

Полная мощность равна активной мощности: S = P.

Реактивная мощность равна нулю: Q = Q_L – Q_C = 0.

Энергетические процессы в цепи при резонансе токов аналогичны процессам, происходящим при резонансе напряжений.

Реактивная энергия действует внутри цепи: в одну часть периода энергия магнитного поля индуктивности переходит в энергию электрического поля емкости, в следующую часть периода энергия электрического поля емкости переходит в энергию магнитного поля индуктивности. Обмена реактивной энергией между потребителями цепи и источником питания не происходит. Ток в проводах, соединяющих цепь с источником, обусловлен только активной мощностью.

Для резонанса токов характерно, что общий ток при определенном сочетании параметров цепи может быть значительно меньше токов в каждой ветви. Например, в идеальной цепи, когда r ₁ = r ₂ = 0, общий ток равен нулю, а токи ветвей с емкостью и индуктивностью существуют: они равны по модулю и сдвинуты по фазе на 180°. Резонанс в цепи при параллельном соединении потребителей называется резонансом токов.

Резонанс токов может быть получен путем подбора параметров цепи при заданной частоте источника питания или путем подбора частоты источника питания при заданных параметрах цепи.

ТРЕХФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Трёхфазная система электроснабжения — частный случай многофазных систем электрических цепей, в которых действуют созданные общим источником синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые друг относительно друга во времени на определённый фазовый угол. Таким образом, каждая такая ЭДС находится в своей фазе периодического процесса, поэтому часто называется просто фазой. Также «фазами» называют проводники — носители этих ЭДС. В трёхфазных системах угол сдвига равен 120 градусам.