- •"Электротехника и электроника"
- •Раздел I. Электрические цепи с сосредоточенными параметрами
- •1. Основные понятия и законы теории цепей
- •2. Основные свойства и методы расчета линейных цепей постоянного тока
- •8. Операторный метод расчета переходных процессов в линейных цепях
- •Раздел II. Нелинейные цепи
- •9. Нелинейные электрические цепи
- •10. Магнитные цепи постоянного тока
- •Введение
- •Раздел I. Электрические цепи с сосредоточенными параметрами
- •1 Основные понятия теории цепей
- •1.1 Основные величины
- •1.2 Электрическая схема и её элементы
- •Типовые элементы
- •1.3 Топологические элементы схем
- •1.4 Основные законы цепей
- •2 Основные свойства и методы расчета линейных цепей постоянного тока
- •2.1 Метод уравнений Кирхгофа
- •Примерный порядок расчета
- •Примеры составления уравнений по законам Кирхгофа.
- •2.2 Расчет режима простейших цепей (метод сворачивания или свертки)
- •2.3 Закон Ома для участка цепи, содержащего источники эдс
- •2.4 Метод узловых потенциалов
- •2.5 Метод наложения
- •Примерный порядок расчета
- •2.6 Теорема об эквивалентном генераторе
- •2.7 Метод эквивалентного генератора
- •Примерный порядок расчета
- •2.8 Передача мощности от активного двухполюсника в нагрузку
- •2.9 Эквивалентные преобразования структуры линейных цепей
- •3 Анализ и расчет линейных цепей синусоидального тока
- •3.1 Способы представления и параметры
- •3.2 Элементы r,l,c в цепи синусоидального тока
- •3.3 Алгебра комплексных чисел
- •3.4 Символический метод
- •3.5 Законы цепей в символической форме
- •3.6 Фазовые соотношения между напряжением и током на элементах r,l,c Комплексы амплитуд напряжения и тока на элементах r,l,c связаны между собой.
- •3.7 Применение символического метода
- •Примерный порядок расчета режима в цепи синусоидального тока.
- •3.8 Векторные и топографические диаграммы
- •Топографические диаграммы
- •Построения количественной топографической диаграммы
- •Построение диаграммы качественно
- •3.9 Мощности в цепях синусоидального тока
- •3.10 Передача мощности от активного двухполюсника в нагрузку в цепи синусоидального тока
- •4 Анализ и расчет цепей с индуктивной связью
- •4.1 Индуктивно связанные элементы цепи
- •4.2 Расчёт режимов цепей с индуктивными связями
- •4.3 Способы «замены» индуктивных связей
- •4.4 Трансформатор
- •5 Трехфазные цепи
- •5.1 Понятие о многофазных источниках питания и о многофазных цепях
- •Классификация многофазных цепей
- •5.2 Соединения звездой и многоугольником
- •5.3 Расчет симметричных и несимметричных режимов трехфазных цепей
- •Соединение звезда-звезда с нулевым проводом
- •6 Линейные цепи периодического несинусоидального тока
- •6.1 Способы представления и описания
- •1) Используют только среднее значение
- •2) Действующее значение
- •3) Средневыпрямлённое значение
- •6.2 Расчет режима
- •6.3 Мощности в цепи несинусоидального тока
- •7 Классический метод расчета переходных процессов в линейных цепях
- •7.1 Возникновение переходных процессов и законы коммутации
- •7.2 Способы получение характеристического уравнения
- •Способы получения характеристического уравнения
- •7.3 Особенности переходных процессов в цепях с одним реактивным элементом
- •7.4 Переходные процессы в цепях с двумя разнородными реактивными элементами
- •7.5 Временные характеристики цепей
- •Переходная характеристика
- •Импульсная характеристика
- •7.6 Особенности расчета переходных процессов в цепях с некорректными начальными условиями
- •8 Операторный метод расчета переходных процессов в линейных цепях
- •8.1 Применение преобразования Лапласа и его свойств к расчету переходных процессов
- •Предельные соотношения
- •8.2 Переход от изображения к оригиналу. Формулы разложения
- •8.3 Законы цепей в операторной форме
- •8.4 Эквивалентные операторные схемы замещения
- •Раздел II. Нелинейные цепи
- •9 Нелинейные электрические цепи
- •9.1 Классификация нелинейных элементов
- •9.2 Параметры нелинейных элементов и некоторые схемы их замещения
- •9.3 Графические методы расчета нелинейных цепей постоянного тока
- •10 Магнитные цепи постоянного тока
- •10.1 Основные величины, характеризующие магнитное поле
- •10.2 Основные законы магнитных цепей
- •10.3 Основные характеристики магнитных материалов
3 Анализ и расчет линейных цепей синусоидального тока
3.1 Способы представления и параметры
Переменный ток (напряжение) – это ток (напряжение), изменяющийся во времени либо по величине, либо по направлению, либо и по величине и по направлению. Частным случаем переменного тока является периодический ток.
Минимальный промежуток времени, по истечении которого повторяются мгновенные значения в том же порядке, называется периодом T с функции.
Синусоидальные токи и напряжения – это частный случай периодических токов и напряжений:
Величину обратную периоду называют частотой: Гц.
Периодические токи и напряжения характеризуются:
- амплитудным значением (Im, Um) – максимальным значением за период;
- средним значением (I0 ,, IСР , U0 ,, UСР)
;
- средневыпрямленным значением (Iср. в., Uср. в.)
;
- действующим значением (I, U, Е, J).
Действующим значением периодического тока называется такая величина постоянного тока, которая за период оказывает такое же тепловое действие, что и периодический ток.
Пусть
тогда мгновенная мощность переменного тока:
.
Энергия, выделяющаяся за период в сопротивлении
.
Пусть по тому же сопротивлению R протекает постоянный ток, тогда мгновенная мощность постоянна:
.
Приравнивая энергии и , получим величину постоянного тока, оказывающего такое же тепловое действие, что и периодический ток, т.е. действующее значение периодического тока:
.
Аналогично записывают формулу для действующего значения напряжения.
Активная мощность Р - это среднее значение мгновенной мощности за период:
.
Наиболее распространенным периодическим током является синусоидальный ток. Это связано с тем, что периодические сигналы , встречающиеся в электротехнике, можно представить в виде суммы синусоидальных функций кратных частот (ряд Фурье) и синусоидальный режим является наиболее экономичным режимом в цепях (минимальные потери).
В стандартной форме синусоидальные токи и напряжения записывают следующим образом:
и
- и - амплитудные значения,
- - называется фазой и показывает состояние, в котором находится изменяющаяся величина.
- - угловая частота,
- - начальная фаза, т.е. фаза в момент начала отсчета времени. На графике начальную фазу определяют от момента перехода синусоиды с отрицательных значений к положительным до начала координат.
Два колебания одинаковой частоты совпадают по фазе, если у них одинаковые начальные фазы; сдвинуты по фазе, если у них разные начальные фазы. Синусоида с большей начальной фазой опережает синусоиду с меньшей начальной фазой. Если сдвиг фаз равен говорят, что синусоиды в противофазе. Если сдвиг фаз , то синусоиды в квадратуре.
Для синусоидальных колебаний имеем:
Интеграл от второго слагаемого =0 (см. вывод среднего значения).
В цепях синусоидального тока и напряжения мощность в каждый момент времени различна. Поэтому из равенства теплового действия выводят понятие активной мощности Р.
3.2 Элементы r,l,c в цепи синусоидального тока
Пусть через каждый элемент протекает синусоидальный ток .
Тогда, согласно компонентным уравнениям и с учетом синусоидальности тока получаем:
;
;
Напряжения на элементах в цепи синусоидального тока так же синусоидальны и имеют ту же частоту, но другие амплитуды и начальные фазы. Учитывая стандартную запись напряжения , получаем
R |
L |
C |
|
|
|
|
|
|
Напряжение на сопротивлении совпадает с током по фазе, напряжение на емкости отстает от тока на 900, напряжение на индуктивности опережает ток на 900.
Определим мгновенную и активную мощности на каждом элементе:
;
;
.
для R
для L
для C
Таким образом, мгновенная мощность во всех элементах изменяется с двойной частотой тока. Однако мгновенная мощность в сопротивлении R содержит еще постоянную составляющую, поэтому активная мощность получается больше нуля. Индуктивность и емкость активной мощности не потребляют: половину периода мощность поступает от внешней цепи, а во вторую половину периода эти элементы отдают мощность во внешнюю цепь. В те моменты времени, когда индуктивность потребляет активную мощность, емкость генерирует её и наоборот.
Так как сопротивление R потребляет активную мощность, то его называют активным сопротивлением. Индуктивность и емкость активной мощности не потребляют, поэтому их называют реактивными сопротивлениями и обозначают соответственно Oм и Oм.
Для расчета режима в цепи синусоидального тока можно записать систему уравнений по законам Кирхгофа, используя полученные соотношения между напряжением и током на элементах. Это будет система тригонометрических уравнений. Уравнения будут содержать синусоиды различной амплитуды и начальной фазы и необходимо проводить много тригонометрических преобразований, что не всегда удобно. Поэтому разработан специальный метод анализа режимов цепей синусоидального тока – метод комплексных величин или символический метод.