Виды сопротивлений переменному току

Электрическая цепь переменного тока с резистивным сопротивлением

В таких приемниках вся электрическая энергия необратимо превращается в другой вид энергии (в резисторах — в тепловую). Идеальное активное сопротивление эквивалентно сопротивлению резистора (R) на постоянном токе. Напряжение и ток совпадают по фазе, т.е.= 0,cos= 1 (см рис. 14).

Рис. 14. Векторная диаграмма цепи с активным сопротивлением

Т.е. кривые изменения напряжения U_rи токаIв один и тот же момент времениtдостигают максимального значения и одновременно проходят нулевые значения.

Электрическая цепь переменного тока с индуктивным элементом

Если из сверхпроводника (r= 0) намотать катушку и подключить ее к источнику синусоидального напряжения, то величина тока не будет равна бесконечности, как это следовало бы из закона Ома для постоянного тока или для идеального активного сопротивления, а будет ограничена определенным значением, т.е. в такой цепи появилось какое-то сопротивление. Причина этого – наводимая в катушке переменным магнитным полем ЭДС самоиндукции (e

L) (рис. 15).

Рис. 15. Электрическая цепь с катушкой индуктивности

По II-ому закону Кирхгофа

откуда

Так как гдеL– индуктивность, то при имеем

т.е. напряжение опережает ток на 90 электрических градусов, или ток отстаетот напряжения на 90

0.

Произведение “L” имеет размерность сопротивления (Ом) и называется индуктивным сопротивлением:

Векторная диаграмма и закон Ома для идеального индуктивного сопротивления имеют вид (рис. 16):

Рис. 16. Векторная диаграмма для идеального индуктивного сопротивления

Реальные катушки индуктивности наматывают не из сверхпроводника, т.е. . Поэтому они обладают некоторым активным сопротивлением, которое тем больше, чем тоньше обмоточный провод и больше витков в катушке индуктивности.

Таким образом, реальную индуктивность можно представить как последовательное соединение идеальной индуктивности и внутреннего активного сопротивления реальной катушки (рис.17).

Рис.17. Векторная диаграмма реального индуктивного сопротивления

Напряжение реального индуктивного сопротивления U_Lвекторно складывается из двух векторов: вектора напряжения на идеальном реактивном элементеU_ри вектора напряжения на внутреннем активном сопротивленииU_а.

Сдвиг фаз между током и напряжением зависит от параметров конкретной катушки (длины векторовU

риU_а).

Электрическая цепь переменного тока с емкостным элементом

Если к источнику синусоидального напряжения подключить конденсатор емкостью С (рис. 18),

Рис. 18. Электрическая цепь с конденсатором

то амперметр покажет, что по этой цепи проходит ток. Это объясняется процессами зарядки и разрядки конденсатора при постоянных изменениях направления тока, т.е. заряды циркулируют по обеим полуветвям от источника и обратно, конечно, не проходя сквозь сам конденсатор (это будет его пробой).

Величина тока определяется выражением:

Заряд на конденсаторе qзависит от его емкости и величины приложенного к нему напряжения:.

Отсюда для тока получаем

При имеем

т.е. в конденсаторе ток опережает напряжение на угол /2 (рис. 19). Произведение “С” имеет размерность Ом^–1= См – (симменс), отсюда

называют емкостным сопротивлением.

Для такого идеального сопротивления имеем:

Рис. 19. Векторная диаграмма идеального емкостного сопротивления

Реальные конденсаторы также имеют внутреннее активное сопротивление. Поэтому их можно представить как последовательное соединение идеального конденсатора и внутреннего активного сопротивления (рис.20):

Рис.20. Векторная диаграмма реального емкостного сопротивления

Напряжение на реальном конденсаторе U_свекторно складывается из векторов реактивной (идеальной) и активной составляющих напряжения конденсатора.

Сдвиг фаз между током и напряжением меньше 90^ои зависит от внутренних параметров конденсатора.

Последовательное соединение

r-, L-, C— элементов. Закон Ома

Второй закон Кирхгофа для цепи с последовательным соединением r-,L-,C- элементов, при векторном изображении величин, будет выглядеть следующим образом (рис. 21):

Рис. 21. Последовательное соединение r-, L-, C- элементов.

Строим векторную диаграмму (рис. 22), проводя операцию сложения векторов. За базовый вектор возьмем ток, так как при последовательном соединении он единый для всей цепи. Получили треугольник напряжений, из которого, зная значения составляющих напряжений, можно найти

Рис. 22. Векторная диаграмма последовательного соединения r-, L-, C- элементов

Разделив стороны этого треугольника на ток, получим подобный треугольник, отражающий наличие и величины сопротивлений в данной цепи (рис. 23).

Рис. 23. Треугольник сопротивлений

Здесь Z=U/Iназывается полным сопротивлением и определяется выражением:

.

(X=X_L

-X_C) – общее реактивное сопротивление.

Сдвиг по фазе между током и общим напряжением можно также найти из треугольника сопротивлений:

.

При положительном тангенсе ток отстает от напряжения, а при отрицательном опережает его.

С учетом изложенного закон Ома для последовательного соединения имеет вид (в общем случае):

.

Однотипные сопротивления складываются арифметически.

Мощность цепи синусоидального тока

Мощность в цепи переменного тока является ткакже переменной величиной и на любом заданном участке цепи в любой момент времени tопределяется как произведение мгновенных значений напряжения и тока.

Так для идеального активного сопротивления, принимая

,, имеем:

Следовательно, активная мощность имеет постоянную составляющую и переменную, изменяющуюся с двойной частотой.

Найдем среднюю мощность за период:

.

Эта мощность называется активнойи измеряется в ваттах (Вт). Она характеризует необратимые преобразования электрической энергии на данном участке цепи.

Для реактивных сопротивлений, учитывая, что в катушке индуктивности напряжение опережает ток на 90

0, а в конденсаторе отстает от него на 90⁰, будем иметь:

Полученные выражения показывают, что реактивная мощность содержит только переменную составляющую, изменяющуюся с двойной частотой; ее среднее значение равно нулю. Но за четверть основного периода тока мощности положительные, что означает накопление магнитной энергии в катушке или заряд конденсатора, вторую четверть они отрицательны. Значит, энергия отдается обратно в сеть и необратимо ни во что не превращается (средняя за период мощность равна нулю). Поэтому такая мощность называется реактивной, имеет свое обозначение (Q) и размерность — ВАр (вольт-ампер реактивный):

Кроме активной и реактивной мощностей цепи переменного тока характеризуются полноймощностью (S). Единица измерения – ВА (вольт-ампер). Это максимально возможная мощность при заданныхUиI:

Соотношение между мощностями определяется из треугольника мощностей (рис. 24),

Рис. 24. Треугольник мощностей

который можно получить из треугольников напряжений или токов.

Для расчета мощностей в зависимости от схемы соединения применяют различные формулы, вытекающие из основной:

Активная мощность:

Реактивная мощность:

Полная мощность:

.

Из формулы выразимcos:

.

Отношение активной мощности Р к полной Sназываюткоэффициентом мощности.Он показывает, какую долю всей вырабатываемой источником мощности составляет активная мощность.

ПРОГРАММА РАБОТЫ И УКАЗАНИЯ К ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ

1. Перед выполнением работы изучить схему установки, систему расположения источников питания с регулятором напряжения, измерительных приборов, элементов схемы, необходимых для работы. Собрать электрическую цепь согласно рис. 25.

Рис. 25. Схема электрическая принципиальная

2. Включить сетевое напряжение стенда и напряжение питания цепи. Вольтметром замерить напряжение U, подводимое к цепи, а также на отдельных элементахU_r,U_k,U_cи записать в таблицу 4. Измерить напряжение на активных и реактивных элементах, если убрать один резистор; один конденсатор; одну катушку индуктивности (опыт 1).

Таблица 4

№ опыта	I,m (A)	U, (B)	Ur, (B)	Uk, (B)	Uc, (B)	f, Гц
1 2 3						50 50 50

3. Из схемы, изображенной на рис. 25, исключить батарею конденсаторов. Схема принимает вид (рис. 26):

Рис. 26. Последовательное соединение r -, L – элементов.

4. Собрать электрическую цепь согласно рис. 26 и после проверки ее преподавателем провести измерение напряжений и тока. Данные измерения занести в таблицу 4 (опыт 2).

5. Из схемы, изображенной на рис. 25, исключить индуктивные элементы. Схема примет вид (рис. 27):

Рис. 27. Последовательное соединение r -, C – элементов.

6. Собрать электрическую цепь согласно рис. 27 и после проверки ее преподавателем провести измерение напряжения и тока в цепи. Данные измерения занести в таблицу 1 (опыт 3).

7. Стенд отключить, данные всех измерений показать преподавателю.

8. Пользуясь соответствующими формулами рассчитать:

а) общее активное сопротивление резистивных элементов цепи и косвенную погрешность Rво всех опытах;

б) емкостное сопротивление батареи конденсаторов X_С, ее емкость С и косвенную погрешностьС во всех опытах;

в) индуктивное сопротивление X_L, индуктивностьL_Kи косвенную погрешностьL_Kво всех опытах;

г) активную мощность Р, потребляемую всей цепью и косвенную погрешность Р, а также коэффициент мощностиcosво всех опытах;

Данные расчетов занести в таблицу 5.

Таблица 5

№ опыта	R, (Ом)	R, (Ом)	XС, (Ом)	С, мкФ	С, мкФ	XL, (Ом)	LK, (Гн)	LK, (Гн)	P, Вт	Р, Вт	cos
1 2 3

9. Построить в масштабе векторные диаграммы напряжений и тока для 2-го и 3-го опытов. Рассчитать внутреннее активное сопротивление конденсатора и катушки индуктивности.

10. Зная внутренние активные сопротивления конденсатора и катушки индуктивности построить в масштабе векторную диаграмму для 1-го опыта.

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1. Название работы.

2. Цель работы.

3. Оборудование.

4. Основные сведения из теории.

5. Схемы исследуемых цепей.

6. Данные экспериментов, сведенные в таблицу 4.

7. Расчет параметров схем: R,X_С,C,X_L,L_K,P,cos.

8. Данные расчета параметров цепей, сведенных в таблице 5.

9. Построенные в масштабе векторные диаграммы напряжений и тока для всех опытов.

10. Выводы по результатам работы (смотри контрольные вопросы).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дать определение переменного тока. Назвать параметры переменного синусоидального тока.

2. Закон Ома, закон Кирхгофа для расчета цепей переменного тока.

3. Чем характеризуются активные и реактивные элементы в цепях переменного тока?

4. Формулы активных и реактивных сопротивлений и мощностей.

5. Что называется векторной диаграммой электрической цепи?

6. Объяснить расчет параметров, исследуемых в работе электрических цепей.

7. Построить векторную диаграмму для предложенной произвольной схемы электрической цепи.

8. Объяснить расчет параметров, исследуемых в работе электрических цепей.

9. Записать выражение для определения полного сопротивления исследуемых в работе схем, а также для предложенной произвольной схемы неразветвленной электрической цепи.

10. В каких цепях переменного тока имеет место сдвиг фаз между током и напряжением, и в каких цепях он отсутствует?

11. В каких электрических цепях и при каком условии напряжение на реактивном элементе может значительно превысить напряжение на входе цепи? Как называется данное явление?

ЛИТЕРАТУРА

1. Электротехника под ред. Пантюшина В.С. М.: Высшая школа, 1976.

2. Касаткин А.С. Электротехника. – М.: Энергия, 1973.

3. Общая электротехника под ред. Блажкина. — Л.: Энергия, 1979.

4. Евсюков А.А. Электротехника. – М.: Просвещение, 1979.

5. Электротехника под ред. Шихина А.Я. – М.: Высшая школа, 2001.

6. Попов В.С, Николаев С.А. Общая электротехника с основами электроники. – М.: Энергия,1976.

7. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002.

8. Синдеев Ю.Г. Электротехника: [Учеб.для вузов].- Ростов н/Д: Феникс, 1999.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4

ИССЛЕДОВАНИЕ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель работы:

1. Физические явления в электрической цепи переменного тока при параллельном соединении проводников

2. Вычисление параметров электрической цепи.

3. Построение векторных диаграмм при параллельном соединении проводников.

4. Коэффициент мощности.

studfiles.net

Виды сопротивлений | Техника и Программы

Существуют следующие сопротивления:

1. Омическое сопротивление

2. Активное сопротивление

3. Индуктивное сопротивление

4. Емкостное сопротивление

Индуктивное и емкостное сопротивления являются реактивными, что значит не вызывающими безвозвратных потерь энергии переменного тока.

 
 
Омическое сопротивление – это сопротивление цепи постоянному току вызывающее безвозвратные потери энергии постоянного тока.

Единственной причиной вызывающей потери постоянного тока является противодействие материала  проводника. На преодоление этого противодействия затрачивается часть энергии постоянного тока, которая превращается в тепловую энергию нагревающую проводник. Эта часть энергии обратно в проводник в виде энергии постоянного тока не возвращается.

На резисторах написана величина их омического сопротивления, т. е. сопротивления постоянному току.

Величина омического сопротивления не зависит от величины тока.

 
Активное сопротивление – это сопротивление цепи переменному току вызывающее безвозвратные потери энергии переменного тока.

Причины вызывающие безвозвратные потери переменного тока:

-противодействие материала проводника

-поверхностный эффект

-вихревые токи (они образуются в сердечниках катушек и нагревают их)

-потери энергии электрического тока за счет перемагничивания сердечника, т. е. на ликвидацию остаточного магнетизма при перемагничивании сердечника

-потери за счет излучения электромагнитной энергии ( любой проводник по которому идет переменный ток излучает электромагнитные волны которые уходят в пространство)

-в радиоаппаратуре провода идут  вблизи друг от друга, переменный ток проходя по одному проводу индуктирует токи в  близлежащих проводах

 

Индуктивное сопротивление – это противодействие тока самоиндукции катушки нарастающему  току генератора.

На преодоление этого противодействия затрачивается часть энергии переменного тока генератора. Вся эта часть энергии полностью превращается в энергию магнитного поля катушки. Когда ток генератора будет убывать, магнитное поле катушки тоже будет убывать пересекая витки катушки и индуктируя в цепи ток самоиндукции. Теперь ток самоиндукции будет идти в одном направлении с убывающим током генератора. Таким образом вся энергия затраченная током генератора на преодоление противодействия тока самоиндукции катушки полностью вернулась в цепь в виде энергии электрического тока. Поэтому индуктивное сопротивление является реактивным, что значит не вызывающим безвозвратных потерь энергии. Слово реакция обозначает обратное действие.

 

Емкостное сопротивление – это противодействие электродвижущей силы заряжаемого конденсатора заряду этого конденсатора.

 Вся энергия затрачиваемая источником тока на преодоление емкостного сопротивления превращается в энергию электрического поля конденсатора. Когда конденсатор будет разряжаться вся энергия электрического поля вернется обратно в цепь в виде энергии электрического тока. Таким образом емкостное сопротивление является реактивным.

 

nauchebe.net

Электрическое сопротивление и его виды

Основные понятия и определения электротехники

Любые устройства, служащие для получения, передачи или потребления электроэнергии, обладают сопротивлением.

Электрическое сопротивление — это способность эле­мента электрической цепи противодействовать в той или иной степени прохождению по нему электрического тока. Сопротивление, в общем случае, зависит от материала эле­мента, его размеров, температуры, частоты тока и измеряется в омах (Ом). Различают активное (омическое), реактивное и полное сопротивления. Они обозначаются, соответственно, г, х, z. Используются также прописные буквы R, X, Z, чаще всего для обозначения элементов на электрических схемах:

 

 

Рис. 1.1. Электрическая схема цепи, содержащей два источника ЭДС с внутренними сопротивлениями R81 л R62, две активные и одну пассивную ветви,

соединенные в узлах а и Ь

Активное сопротивление элемента — это сопротивление постоянному току, Ом,

где р — удельное сопротивление материала, Ом-м,

 

а — температурный коэффициент сопротивления, °С»1;

t — интервал изменения температуры, °С;

/ — длина проводника, м;

5 — поперечное сечение проводника, м2.

Природу активного или омического сопротивления, связан­ного с нагревом материала, по которому протекает ток, объ­ясняют столкновением носителей заряда с узлами кристал­лической решетки этого материала.

Если электрическое сопротивление цепи или его элемента не зависит от величины проходящего тока, то такие цепи или элементы называют линейными. В противном случае говорят о нелинейных цепях.

Проводимость (активная) — величина обратная омичес­кому сопротивлению и измеряемая в сименсах (См):

 

В зависимости от величины удельной проводимости или

удельного сопротивления электротехнические материалы делят на проводники и диэлектрики или изоляторы (более подробные сведения в главах 3 и 4).

Индуктивное сопротивление — это сопротивление эле­мента, связанное с созданием вокруг него переменного или из­меняющегося магнитного поля. Оно зависит от конфигурации и размеров элемента, его магнитных свойств и частоты тока-

где xL — индуктивное сопротивление, Ом;

/ — частота тока, Гц;

со = Znf — угловая частота, рад/с;

L — индуктивность элемента цепи, (Гн).

Индуктивность можно определить как меру магнитной инерции элемента в отношении электромагнитного поля. По смыслу индуктивность в электротехнике можно уподобить массе в механике. Например, чем больше индуктивность элемента, тем медленнее и тем большую энергию магнитного поля он за­пасает.

Следует отметить, что индуктивным сопротивлением и, сле­довательно, индуктивностью обладают в разной мере все эле­менты электрической цепи переменного тока: обмотки электри­ческих машин, провода, шины, кабели и т. д. В цепях посто­янного тока индуктивное сопротивление проявляется лишь в переходных режимах.

Выражения для определения индуктивности элементов раз­личной конфигурации приведены в разделе 1.4.

Индуктивное сопротивление обозначается на электрических схемах:

где С —- электрическая емкость, Ф.

 

Емкостное сопротивление — это сопротивление элемента, связанное с созданием внутри и вокруг него электрического поля. Оно зависит от материала элемента, его размеров, конфигурации и частоты тока; измеряется в Омах (Ом):

Электрическую емкость можно определить как меру инертности элемента электрической цепи по отношению к электромагнитному полю. Электрическое поле между обклад­ками конденсатора создается вследствие разделения зарядов. Разделение зарядов происходит благодаря токам смещения, протекающим в диэлектрике между обкладки конденсатора под воздействием внешнего напряжения. Ток смещения следует понимать как процесс переориентации электрических диполей диэлектрика вдоль электромагнитного поля. Как видно, опреде­ление для тока, предложенное Фарадеем, наиболее привле­кательно для понимания сути токов смещения.

Таким образом, электромагнитная энергия аккумулируется в конденсаторе в виде энергии электрического поля, скон­центрированного в поляризованном диэлектрике между об­кладками конденсатора.

Если напряжение, приложенное к конденсатору, постоянно, то происходит его единичный заряд, после завершения которого ток через конденсатор, уменьшаясь, стремится к нулю. При перемен­ном напряжении происходит периодический перезаряд конденса­тора, поскольку токи смещения изменяют свой знак под воздейст­вием периодически изменяющего свой знак напряжения.

Практически все элементы электрической цепи переменного и постоянного тока в разной мере обладают емкостью. Для линий электропередач учет емкости поводов друг по отноше­нию к другу и по отношению к земле имеет принципиальное значение, поскольку влияет на режим электрических сетей. Например, обычные электрические кабели обладают емкост­ным сопротивлением порядка 10 Ом на 1 км.

На электрических схемах емкостные сопротивления обо­значаются:

 

 

 

 

 

 

Выражения для определения емкости элементов различной конфигурации приведены в разделе 1.4.

Реактивная проводимость, соответственно, делится на

 индуктивную, См,

и емкостную, См,

www.proelectro2.ru

Активное и реактивное сопротивление. Треугольник сопротивлений

Активное и реактивное сопротивление — сопротивлением в электротехнике называется величина, которая характеризует противодействие части цепи электрическому току. Это сопротивление образовано путем изменения электрической энергии в другие типы энергии. В сетях переменного тока имеется необратимое изменение энергии и передача энергии между участниками электрической цепи.

При необратимом изменении электроэнергии компонента цепи в другие типы энергии, сопротивление элемента является активным. При осуществлении обменного процесса электроэнергией между компонентом цепи и источником, то сопротивление реактивное.

В электрической плите электроэнергия необратимо преобразуется в тепло, вследствие этого электроплита имеет активное сопротивление, так же как и элементы, преобразующие электричество в свет, механическое движение и т.д.

В индуктивной обмотке переменный ток образует магнитное поле. Под воздействием переменного тока в обмотке образуется ЭДС самоиндукции, которая направлена навстречу току при его увеличении, и по ходу тока при его уменьшении. Поэтому, ЭДС оказывает противоположное действие изменению тока, создавая индуктивное сопротивление катушки.

С помощью ЭДС самоиндукции осуществляется возвращение энергии магнитного поля обмотки в электрическую цепь. В итоге обмотка индуктивности и источник питания производят обмен энергией. Это можно сравнить с маятником, который при колебаниях преобразует потенциальную и кинетическую энергию. Отсюда следует, что сопротивление индуктивной катушки имеет реактивное сопротивление.

Самоиндукция не образуется в цепи постоянного тока, и индуктивное сопротивление отсутствует. В цепи емкости и источника переменного тока изменяется заряд, значит между емкостью и источником тока протекает переменный ток. При полном заряде конденсатора его энергия наибольшая.

В цепи напряжение емкости создает противодействие течению тока своим сопротивлением, и называется реактивным. Между конденсатором и источником происходит обмен энергией.

После полной зарядки емкости постоянным током напряжение его поля выравнивает напряжение источника, поэтому ток равен нулю.

Конденсатор и катушка в цепи переменного тока работают некоторое время в качестве потребителя энергии, когда накапливают заряд. И также работают в качестве генератора при возвращении энергии обратно в цепь.

Если сказать простыми словами, то активное и реактивное сопротивление – это противодействие току снижения напряжения на элементе схемы. Величина снижения напряжения на активном сопротивлении имеет всегда встречное направление, а на реактивной составляющей – попутно току или навстречу, создавая сопротивление изменению тока.

Настоящие элементы цепи на практике имеют все три вида сопротивления сразу. Но иногда можно пренебречь некоторыми из них ввиду незначительных величин. Например, емкость имеет только емкостное сопротивление (при пренебрежении потерь энергии), лампы освещения имеют только активное (омическое) сопротивление, а обмотки трансформатора и электромотора – индуктивное и активное.

Активное сопротивление

В цепи действия напряжения и тока, создает противодействие, снижения напряжения на активном сопротивлении. Падение напряжения, созданное током и оказывающее противодействие ему, равно активному сопротивлению.

При протекании тока по компонентам с активным сопротивлением, снижение мощности становится необратимым. Можно рассмотреть резистор, на котором выделяется тепло. Выделенное тепло не превращается обратно в электроэнергию. Активное сопротивление, также может иметь линия передачи электроэнергии, соединительные кабели, проводники, катушки трансформаторов, обмотки электромотора и т.д.

Отличительным признаком элементов цепи, которые обладают только активной составляющей сопротивления, является совпадение напряжения и тока по фазе. Это сопротивление вычисляется по формуле:

R = U/I, где R – сопротивление элемента, U – напряжение на нем, I – сила тока, протекающего через элемент цепи.

На активное сопротивление влияют свойства и параметры проводника: температура, поперечное сечение, материал, длина.

Реактивное сопротивление

Тип сопротивления, определяющий соотношение напряжения и тока на емкостной и индуктивной нагрузке, не обусловленное количеством израсходованной электроэнергии, называется реактивным сопротивлением. Оно имеет место только при переменном токе, и может иметь отрицательное и положительное значение, в зависимости от направления сдвига фаз тока и напряжения. При отставании тока от напряжения величина реактивной составляющей сопротивления имеет положительное значение, а если отстает напряжение от тока, то реактивное сопротивление имеет знак минус.

Активное и реактивное сопротивление, свойства и разновидности

Рассмотрим два вида этого сопротивления: емкостное и индуктивное. Для трансформаторов, соленоидов, обмоток генераторов и моторов характерно индуктивное сопротивление. Емкостный вид сопротивления имеют конденсаторы. Чтобы определить соотношение напряжения и тока, нужно знать значение обоих видов сопротивления, которое оказывает проводник.

Реактивное сопротивление образуется при помощи снижения реактивной мощности, затраченной на образование магнитного поля в цепи. Снижение реактивной мощности создается путем подключения к трансформатору прибора с активным сопротивлением.

Конденсатор, подключенный в цепь, успевает накопить только ограниченную часть заряда перед изменением полярности напряжения на противоположный. Поэтому ток не снижается до нуля, так как при постоянном токе. Чем ниже частота тока, тем меньше заряда накопит конденсатор, и будет меньше создавать противодействие току, что образует реактивное сопротивление.

Иногда цепь имеет реактивные компоненты, но в результате реактивная составляющая равна нулю. Это подразумевает равенство фазного напряжения и тока. В случае отличия от нуля реактивного сопротивления, между током и напряжением образуется разность фаз.

Катушка имеет индуктивное сопротивлением в схеме цепи переменного тока. В идеальном виде ее активное сопротивление не учитывают. Индуктивное сопротивление образуется с помощью ЭДС самоиндукции. При повышении частоты тока возрастает и индуктивное сопротивление.

На индуктивное сопротивление катушки оказывает влияние индуктивность обмотки и частота в сети.

Конденсатор образует реактивное сопротивление из-за наличия емкости. При возрастании частоты в сети его емкостное противодействие (сопротивление) снижается. Это дает возможность активно его применять в электронной промышленности в виде шунта с изменяемой величиной.

Треугольник сопротивлений

Схема цепи, подключенной к переменному току, имеет полное сопротивление, которое можно определить в виде суммы квадратов реактивного и активного сопротивлений.

Если изобразить это выражение в виде графика, то получится треугольник сопротивлений. Он образуется, если рассчитать последовательную цепь всех трех видов сопротивлений.

По этому треугольному графику можно увидеть, что катеты представляют собой активное и реактивное сопротивление, а гипотенуза является полным сопротивлением.

Похожие темы:

electrosam.ru

Виды сопротивлений в цепях переменного электрического тока.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 15Следующая ⇒

В переменном электрическом токе элементы цепи обладают 2 видами сопротивлений: активным и реактивным.

При каждом виде сопротивления энергия электрического тока преобразуется в другие виды энергий.

Сопротивление называется активным, если энергия электрического тока преобразуется в виде теплоты.

Сопротивление называется реактивным, если энергия тока преобразуется на образование электромагнитного поля.

Известно 2 вида реактивного сопротивления.

Индуктивное сопротивление — это сопротивление, возникающее в результате явления самоиндукции.

Индуктивное сопротивление

Где ω — циклическая частота тока,

L — индуктивность.

Емкостное сопротивление — это сопротивление, которое оказывает переменному току конденсатор.

 

§ Генератором переменного тока называется электротехническое устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в энергию переменного тока.

Основными частями генератора являются (рис. 1):

§ индуктор — электромагнит или постоянный магнит, который создает магнитное поле;

§ якорь — обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС;

§ коллектор со щетками — устройство, посредством которого снимается с вращающихся частей или подается по ним ток.

 

Рис. 1

Неподвижная часть генератора называется статором, а подвижная — ротором. В зависимости от конструкции генератора его якорь может быть как ротором, так и статором. При получении переменных токов большой мощности якорь обычно делают неподвижным, чтобы упростить схему передачи тока в промышленную сеть.

Мощные генераторы вырабатывают напряжение 15-20 кВ и обладают КПД 97-98 %.

Принцип действия

Принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции.

Пусть проводящая рамка площадью S вращается с угловой скоростью ω вокруг оси, расположенной в ее плоскости перпендикулярно однородному магнитному полю индукцией B⃗ (см. рис. 1).

При равномерном вращении рамки угол α между направлениями вектора индукции магнитного поля B⃗ и нормали к плоскости рамки n⃗ меняется со временем по линейному закону. Если в момент времени t = 0 угол α₀ = 0 (см. рис. 1), то

α=ω⋅t=2π⋅ν⋅t,

где ω — угловая скорость вращения рамки, ν — частота ее вращения.

В этом случае магнитный поток, пронизывающий рамку будет изменяться следующим образом

 

Φ(t)=B⋅S⋅cosα=B⋅S⋅cosω⋅t.

Тогда согласно закону Фарадея индуцируется ЭДС индукции

e=−Φ′(t)=B⋅S⋅ω⋅sinω⋅t=Em⋅sinω⋅t.

Подчеркнем, что ток в цепи проходит в одном направлении в течение полуоборота рамки, а затем меняет направление на противоположное, которое также остается неизменным в течение следующего полуоборота.

Действующие значения силы тока и напряжения

§ Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.

Обозначается буквой I.

§ Действующим (эффективным) значением напряжения переменного тока называется напряжение такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток.

Обозначается буквой U.

В контактной сети электрифицированных ж. д. используется постоянный электрический ток напряжением 3 кВили переменный однофазный ток промышленной частоты напряжением 25 кВ.
При питании переменным током усложняется конструкция подвижного состава, но значительно упрощаются устройства энергоснабжения электрических железных дорог, увеличивается расстояние между тяговыми подстанциями при тех же потерях до 50 км (20—25 км при постоянном токе), снижается стоимость строительства контактной сети до 10%, в 2,5 раза меньше расход меди.

 

 

Билет № 11

1 Механическая работа. Мощность.

Если действующая на тело сила F вызывает его перемещение s, то действие этой силы характеризуется величиной, называемой механической работой (или, сокращенно, просто работой).

Механической работой А называют скалярную величину, равную произведению модуля силы F, действующей на тело, и модуля перемещения s, совершаемого телом в направлении действия этой силы, т. е.

А=Fs. (3.9)

В случае, описываемом формулой (3.9), направление перемещения тела совпадает с направлением силы. Однако чаще встречаются случаи, когда сила и перемещение составляют между собой угол, не равный нулю или α. (рис. 30)

А=Fsсоsα. (3.10)

Таким образом, в общем случае механическая работа равна произведению модуля силы и модуля перемещения на косинус угла между направлениями силы и перемещения. Работа силы, направленной вдоль перемещения тела, положительна, а силы, направленной против перемещения тела, — отрицательна. По формулам (3.9) и (3.10) вычисляют работу постоянной силы. Единицу механической работы устанавливают из формулы (3.9). В СИ за единицу работы принята работа силы 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м. Эта единица имеет наименование джоуль (Дж):
1 Дж = 1Н·1м.

Мощность-это величина, характеризующая быстроту совершения работы. Мощностью N называют величину, равную отношению работы А к промежутку времени t, в течение которого эта работа была совершена:

N=A/t (3.11)

Из формулы (3.11) следует, что в СИ единицей мощности является 1 Дж/с (джоуль в секунду). Эту единицу иначе называют ватт (Вт), 1 Вт= 1 Дж/с.

Связь между мощностью и скоростью при равномерном движении найдем, подставив (3.10) в (3.11):

N=Fvcosα.

(Эта формула справедлива и для переменного движения, если под N понимать мгновенную мощность, а под V — мгновенную скорость). Если направление силы совпадает с направлением перемещения, то cosα=1 и N=F·v. Из последней формулы следует, что

F=N/v и v=N/F.

Из этих формул видно, что при постоянной мощности двигателя скорость движения обратно пропорциональна силе тяги и наоборот. На этом основан принцип действия коробки скоростей (коробки перемены передач) различных транспортных средств.

Рекомендуемые страницы:

lektsia.com

§49. Виды сопротивлений в электрической цепи переменного тока

При изучении цепей постоянного тока мы установили, что все проводники обладают электрическим сопротивлением, на преодоление которого затрачивается определенное количество электрической энергии. В цепях переменного тока мы встречаемся с несколькими видами сопротивлений, различающихся своей физической природой. Все эти сопротивления можно подразделить на две

Рис. 174. Условные обозначения основных элементов электрических цепей переменного тока

основные группы: активные и реактивные. В активных сопротивлениях при включении в цепь переменного тока электрическая энергия преобразуется в тепловую. Активным сопротивлением R обладают, например, провода электрических линий, обмотки электрических машин и аппаратов и пр., т. е. те же устройства, которые обладают электрическим сопротивлением в цепи постоянного тока. В реактивных сопротивлениях электрическая энергия, вырабатываемая источниками, не расходуется. Как будет показано ниже, при включении реактивного сопротивления в цепь переменного тока возникает лишь обмен энергией между ним и источником электрической энергии.

Реактивное сопротивление создают индуктивности и емкости. Под индуктивностью L будем понимать идеализированный элемент электрической цепи (идеализированную катушку индуктивности), способный запасать энергию в своем магнитном поле, который не имеет активного сопротивления R и емкости С. Аналогично под емкостью С будем понимать идеализированный элемент электрической цепи (идеализированный конденсатор), способный запасать энергию в своем электрическом поле, который не имеет активного сопротивления R и индуктивности L.

При проведении расчетов реальные катушки индуктивности и конденсаторы, в которых имеются потери мощности (из-за наличия активного сопротивления R), часто могут быть заменены с некоторым приближением этими идеализированными элементами, так как переменный ток, проходящий через реальную катушку индуктивности при заданном напряжении и частоте, определяется в основном ее индуктивностью L, а ток, проходящий через реальный конденсатор,—его емкостью С. На рис. 174, а—г стрелками показаны условные положительные направления в идеализированных элементах электрической цепи тока i, напряжения и и э. д. с.

electrono.ru

Омическое(активное) сопротивление — это сопротивление цепи постоянному току вызывающее безвозвратные потери энергии постоянного тока.

Поиск Лекций

---

Переменный электрический ток.

Переменным называется ток, который с течением времени изменяет свою величину или направление.

В промышленности наибольшее распространение получил синусоидальный переменный ток, то есть ток, величина которого изменяется со временем по закону синуса или косинуса:

i =Im*cos(wt+j0 ) (1)

где Im- амплитуда тока, F=(w t+j0 ) — фаза колебаний, j0 — начальная фаза.

Цепь переменного тока с омическим сопротивлением. Соединим последовательно активное сопротивление R, катушку индуктивностью L и конденсатор электроемкостью С . Напряжение U, приложенное к данной цепи, распределяется на трех сопротивлениях — активном R, индуктивном XL и емкостном Хс.

Омическое(активное) сопротивление — это сопротивление цепи постоянному току вызывающее безвозвратные потери энергии постоянного тока.

Единственной причиной вызывающей потери постоянного тока является противодействие материала проводника. На преодоление этого противодействия затрачивается часть энергии постоянного тока, которая превращается в тепловую энергию нагревающую проводник. Эта часть энергии обратно в проводник в виде энергии постоянного тока не возвращается.

На резисторах написана величина их омического сопротивления, т. е. сопротивления постоянному току.

Величина омического сопротивления не зависит от величины тока.

I = ^U/_r.

Как следует из последнего выражения, вид закона Ома для цепи переменного тока, содержащей сопротивление r, тот же, что для цепи постоянного тока. Кроме того, из закона Ома видна пропорциональность между мгновенным значением напряжения и мгновенным значением тока. Отсюда следует, что в цепи переменного тока, содержащей сопротивление r, напряжение и ток совпадают по фазе. На рис. 135 даны кривые напряжения и тока и векторная диаграмма для рассматриваемой цепи, причем длины векторов обозначают действующие значения напряжения и тока.

Рис. 135. Графики и векторная диаграмма для цепи переменного тока, содержащей активное сопротивление

Сопротивление проводников переменному току несколько больше их сопротивления постоянному току^* (см. § 65). Поэтому сопротивление проводников переменному току называют активным в отличие от сопротивления, которое оказал бы этот проводник при постоянном токе. Обозначается оно также буквой r.

^* (Это объясняется тем, что при переменном токе наблюдается неравномерное распределение тока по сечению проводника, так что плотность тока будет возрастать от оси к поверхности проводника. Это явление называется поверхностным эффектом. Неравномерная плотность тока приводит к увеличению сопротивления проводника. Однако при стандартной частоте 50 гц, небольшом сечении и медных или алюминиевых проводах явление поверхностного эффекта сказывается слабо. При высокой частоте, большем сечении и стальных проводах оно значительно.)

 

Цепь переменного тока с индуктивностью.Рассмотрим цепь (рис. 4.6), в которой к катушке индуктивности L, не обладающей активным сопротивлением (R = 0), приложено синусоидальное напряжение (4.6).

 

Рис. 16. Векторная диаграмма для идеального индуктивного сопротивления

Рис.17. Векторная диаграмма реального индуктивного сопротивления

Рис. 19. Векторная диаграмма идеального емкостного сопротивления

 

Реальные конденсаторы также имеют внутреннее активное сопротивление. Поэтому их можно представить как последовательное соединение идеального конденсатора и внутреннего активного сопротивления (рис.20):

Рис.20. Векторная диаграмма реального емкостного сопротивления

 

Протекающий через катушку переменный ток создает в ней ЭДС самоиндукции , которая в соответствии с правилом Ленца направлена таким образом, что препятствует изменению тока. Другими словами, ЭДС самоиндукции направлена навстречу приложенному напряжению. Тогда в соответствии со вторым правилом Кирхгофа можно записать:

(4.9)
Согласно закону Фарадея ЭДС самоиндукции
(4.10)
Подставив (4.10) в (4.9), получим:

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:
(4.12), где (4.13)
Деля обе части равенства (4.13) на , получим для действующих значений

(4.14)
Соотношение (4.14) представляет собой закон Ома для цепи с идеальной индуктивностью, а величина называется индуктивным сопротивлением.Индуктивное сопротивление измеряется в омах.
Мгновенная мощность в цепи с чисто индуктивным сопротивлением равна:
(4.15)

Положительные значения мощности соответствуют потреблению энергии катушкой, а отрицательные — возврату запасенной энергии обратно источнику. Средняя за период мощность равна нулю. Следовательно, цепь с индуктивностью мощности не потребляет — это чисто реактивная нагрузка. В этой цепи происходит лишь перекачивание электрической энергии от источника в катушку и обратно. Индуктивное сопротивлениеявляется реактивным сопротивлением.

Цепь переменного тока с емкостьюРассмотрим электрическую цепь, в которой переменное напряжение (4.6) приложено к емкости С.
Мгновенное значение тока в цепи с емкостью равно скорости изменения заряда на обкладках конденсатора:
; но поскольку q = СU, то
, где (4.25)
Мы видим, что в этой цепи ток опережает напряжение на 2. Переходя в формуле (4.25) к действующим значениям переменного тока

) , получим: (4.26)

Это закон Ома для цепи переменного тока с емкостью, а величина — называется емкостным сопротивлением. Векторная диаграмма для этой цепи показана на рис. 4.12, а временная – на рис. 4.13
Мгновенная мощность в цепи, содержащей емкость:
(4.27)

Мы видим, что мгновенная мощность изменяется с удвоенной частотой (рис. 4.13). При этом положительные значения мощности соответствуют заряду конденсатора, а отрицательные — его разряду и возврату запасенной энергии в источник. Средняя за период мощность здесь равна нулю, поскольку в цепи с конденсатором активная мощность не потребляется, а происходит обмен электрической энергией между конденсатором и источником. Следовательно, конденсатор так же, как и индуктивность, является реактивным сопротивлением.

 

В общем случае ток и напряжение достигают своих максимальных значений не одновременно. При этом говорят, что имеет место разность фаз тока и напряжения (сдвиг по фазе).

Разностью фаз тока и напряжения называется доля периода, на которую одна функция опережает другую (или отстает от нее).

При этом если ток по фазе отстает от напряжения, разность фаз считается положительной (φ >0), в противном случае разность фаз считается отрицательной(φ<0). Нередко разность фаз измеряют не в долях периода, а в угловых градусах. При этом полный период соответствует 360⁰_. В примере, приведенном на рис.2.1, ток опережает напряжение, значит, φ <0.

φ = — ^°

Приведенный пример определяет метод измерения разности фаз: измерив по шкале на экране осциллографа и Т, разность фаз можно определить по формуле:

φ = (2.10)

Разность фаз напряжения и тока

Условимся под разностью фаз j напряжения и тока всегда понимать разность начальных фаз напряжения и тока (а не наоборот):

Поэтому на векторной диаграмме угол j отсчитывается в направлении от вектора I к вектору U (рис. 3.10).

 

Именно при таком определении разности фазугол j равен аргументу комплексного сопротивления. Угол j положителен при отстающем токе ( ) и отрицателен при опережающем токе ( ).
Разность фаз между напряжением и током зависит от соотношения индуктивного и емкостного сопротивлений. При имеем и ток отстает по фазе от напряжения, . При имеем , ток совпадает по фазе с напряжением, rLC-цепь в целом проявляет себя как активное сопротивление. Это случай так называемого резонанса в последовательном контуре. Наконец, при имеем , ток опережает по фазе напряжение.

 

 

Векторные диаграммы для трех возможных соотношений даны на рис. 3.11. При построении этих диаграмм начальная фаза тока ; принята равной нулю. Поэтому равны друг другу.
Рассматривая при заданной частоте цепь по рис. 3.8 в целом как пассивный двухполюсник, можно ее представить одной из трех эквивалентных схем: при как последовательное соединение сопротивления и индуктивности ( ), при как сопротивление r и при как последовательное соединение сопротивления и емкости ( ). При заданных L и С соотношение между зависит от частоты, а потому от частоты зависит и вид эквивалентной схемы.
Выше, в разделе, было принято, что задан ток, а определялись напряжения на элементах и на входных выводах цепи. Однако часто бывает задано напряжение на выводах, а ищется ток. Решение такой задачи не представляет труда. Записав по заданным величинам комплексное напряжение U и комплексное сопротивление Z, определим комплексный ток

и тем самым действующий ток и начальную фазу тока.
Часто равной нулю принимается начальная фаза заданного напряжения: . В этом случае, как следует из раздела, начальная фаза тока ; равна и противоположна по знаку разности фаз j, т. е .
Установленные выше соотношения между амплитудами и действующими токами и напряжениями, а также выражение для сдвига фаз ф позволяют вычислить ток и не прибегая к записи закона Ома в комплексной форме. Подробно этот путь решения показан в примере 3.4.

Полное сопротивление в цепи переменного тока (Z).

 

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

poisk-ru.ru

No related posts.