Законы Кирхгофа для мгновенных значений цепей изменяющегося тока 1 страница

1) Алгебраическая сумма мгновенных значений токов в проводниках, соединённых в узел, равна нулю:

. (2.10)

2) Алгебраическая сумма мгновенных напряжений на всех элементах любого замкнутого контура схемы равна нулю:

. (2.11)

Векторные диаграммы для различного характера цепи – Вопрос № 30, 33, 36, 40, 43

Активные и реактивные составляющие токов и напряжений

При расчете электрических цепей переменного тока реальные элементы цепи (приемники, источники) заменяются эквивалентными схемами замещения, состоящими из комбинации идеальных схемных элементов R, L и С.

Пусть некоторый приемник энергии носит в целом активно-индуктивный характер (например, электродвигатель). Такой приемник может быть представлен двумя простейшими схемами замещения, состоящими из 2-х схемных элементов R и L: а) последовательной (рис. 51а) и б) параллельной (рис. 51б):

Обе схемы будут эквивалентны друг другу при условии равенства параметров режима на входе: , .

Для последовательной схемы (рис. 51а) справедливы соотношения:

,

.

Для параллельной схемы (рис. 51б) справедливы соотношения:

,

.

Сравнивая правые части уравнений для U и I, получим соотношения между параметрами эквивалентных схем:

, , , .

Из анализа полученных уравнений следует сделать вывод, что в общем случае и и соответственно и , как это имеет место для цепей постоянного тока.

Математически любой вектор можно представить состоящим из суммы нескольких векторов или составляющих.

Последовательной схеме замещения соответствует представление вектора напряжения в виде суммы двух составляющих: активной составляющей Uа, совпадающей с вектором тока I, и реактивной составляющей Uр, перпендикулярной к вектору тока (рис. 52а):

Из геометрии рис. 52а следуют соотношения: , , . Треугольник, составленный из векторов , , получил название треугольника напряжений.

Если стороны треугольника напряжений разделить на ток I, то получится новый треугольник, подобный исходному, но сторонами которого являются полное сопротивление Z, активное сопротивление R и реактивное сопротивление X. Треугольник со сторонами Z, R, X называется треугольником сопротивлений (рис. 52б). Из треугольника сопротивлений следуют соотношения: R=Z×cosφ, X=Z×sinφ, , .

Параллельной схеме замещения соответствует представление вектора тока в виде суммы двух составляющих: активной составляющей Iа, совпадающей с вектором напряжения U, и реактивной составляющей Iр, перпендикулярной к вектору U (рис. 53а):

Из геометрии рисунка следуют соотношения:

, , .

Треугольник, составленный из векторов получил название треугольника токов.

Если стороны треугольника токов разделить на напряжение U, то получится новый треугольник, подобный исходному, но сторонами которого являются проводимости: полная – Y, активная - G, реактивная – B (рис. 53б). Треугольник со сторонами Y, G, B называется треугольником проводимостей. Из треугольника проводимостей следуют соотношения:

, , , .

Разложение напряжений и токов на активные и реактивные составляющие является математическим приемом и применяется на практике для расчета несложных цепей переменного тока.

10. Передача энергии от активного двухполюсника (источника) к пассивному двухполюснику (приемнику)

Двухполюсником называется устройство или часть схемы (цепи) с двумя выводами (полюсами). Если внутри двухполюсника содержатся источники энергии, то он называется активным (A), в противном случае – пассивным (П).

Энергетические характеристики передачи энергии от активного двухполюсника (источника) к пассивному двухполюснику (приемнику) на переменном токе зависят от соотношения параметров приемника и источника между собой (рис. 54)

По закону Ома ток в схеме равен:

.

Активная мощность приемника:

.

Активная мощность источника: PE=E×I.

При постоянных параметрах источника энергии активная мощность приемника зависит от его параметров: . Исследуем эту функцию на максимум при изменении отдельных параметров.

Условие первое: X2 = var, R2=const:

или .

Максимум мощности приемника имеет место при условии равенства реактивных сопротивлений приемника и источника по модулю и противоположности их по знаку, например, если реактивное сопротивление источника носит индуктивный характер, то реактивное сопротивление приемника должно быть емкостным, и наоборот.

Условие второе: R2 = var, X2 = const.

или .

Максимум мощности приемника имеет место при равенстве активных сопротивлений приемника и источника

Резонанс в электрических цепях Определение резонанса В электрической цепи, содержащей катушки индуктивности L и конденсаторы C, возможны свободные гармонические колебания энергии между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора . Угловая частота этих колебаний wo, называемых свободными или собственными, определяется структурой цепи и параметрами ее отдельных элементов R, L,C.

Резонанс в цепи с параллельным соединением источника энергии и реактивных элементов L и C получил название резонанса токов

Резонанс в сложных схемах Схемы замещения реальных электрических цепей могут существенно отличаться от рассмотренных выше простейших последовательной или параллельной схем. Хотя условие резонансного режима в общем виде [ Im(Zвх)=0 и Im(Yвх)=0 ] для любой схемы сохраняется, однако конкретное содержание этих уравнений будет определяться структурой схемы замещения.

Проводимости ветвей и полная проводимость – ДОДЕЛАТЬ111

В настоящее время создано большое количество самых разнообразных электронных приборов и устройств. При практическом использовании они соединяются между собой с помощью электрических цепей, в простейших случаях состоящих из пассивных компонентов: резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности.

;

[См] – активная проводимость;

[См] – реактивная проводимость катушки индуктивности.

Векторной диаграмме токов (рис. 22) для данной цепи соответствует уравнение в комплексной форме

;

.

Треугольник проводимостей, подобный треугольнику токов, приведен на рис. 23.

	Рассмотрим более подробно свойства цепей, содержащих резисторы и конденсаторы, так называемые RC – цепи. Прежде всего заметим, что конденсатор может заряжаться или разряжаться, но через него не может проходить постоянный электрический ток (между пластинами конденсатора – диэлектрик!).

Переменный синусоидальный ток в течение периода имеет различные мгновенные значения. Естественно поставить вопрос, какое же значение тока будет измеряться амперметром, включенным в цепь?

При расчетах цепей переменного тока, а также при электрических измерениях неудобно пользоваться мгновенными или амплитудными значениями токов и напряжений, а их средние значения за период равны нулю. Кроме того, об электрическом эффекте периодически изменяющегося тока (о количестве выделенной теплоты, о совершенной работе и т. д.) нельзя судить по амплитуде этого тока.

Наиболее удобным оказалось введение понятий так называемых действующих значений тока и напряжения. В основу этих понятий положено тепловое (или механическое) действие тока, не зависящее от его направления.

Действующее значение переменного тока - это значение постоянного тока, при котором за период переменного тока в проводнике выделяется столько же теплоты, сколько и при переменном токе.

Для оценки действия, производимого переменным током, мы сравним его действия с тепловым эффектом постоянного тока.

Мощность Р постоянного тока I, проходящего через сопротивление r, будет Р = Р²r.

Мощность переменного тока выразится как средний эффект мгновенной мощности I²r за целый период или среднее значение от (Im х sinωt)² х r за то же время.

Пусть среднее значение t2 за период будет М. Приравнивая мощность постоянного тока и мощность при переменном токе, имеем: I²r = Mr, откуда I = √M,

Величина I называется действующим значением переменного тока.

Среднее значение i2 при переменном токе определим следующим образом.

Построим синусоидальную кривую изменения тока. Возведя в квадрат каждое мгновенное значение тока, получим кривую зависимости Р от времени.

Действующее значение переменного тока

Обе половины этой кривой лежат выше горизонтальной оси, так как отрицательные значения тока (-i) во второй половине периода, будучи возведены в квадрат, дают положительные величины.

Построим прямоугольник с основанием Т и площадью, равной площади, ограниченной кривой i² и горизонтальной осью. Высота прямоугольника М будет соответствовать среднему значению Р за период. Это значение за период, вычисленное при помощи высшей математики, будет равно 1/2I²m. Следовательно, М = 1/2I²m

Так как действующее значение I переменного тока равно I = √M, то окончательно I = Im / √2

Аналогично зависимость между действующим и амплитудным значениями для напряжения U и Е имеет вид:

U = Um / √2,E= Em / √2

Действующие значения переменных величин обозначаются прописными буквами без индексов (I, U, Е).

На основании сказанного выше можно сказать, что действующее значение переменного тока равно такому постоянному току, который, проходя через то же сопротивление, что и переменный ток, за то же время выделяет такое же количество энергии.

Электроизмерительные приборы (амперметры, вольтметры), включенные в цепь переменного тока, показывают действующие значения тока или напряжения.

При построении векторных диаграмм удобнее откладывать не амплитудные, а действующие значения векторов. Для этого длины векторов уменьшают в √2раз. От этого расположение векторов на диаграмме не изменяется.

Энергетический процесс – ДОДЕЛАТЬ111

47. Сущностьсимволического метода расчета состоит в том, что при синусоидальном токе можно перейти от уравнений, составленных для мгновенных значений и являющихся дифференциальными уравнениями [ см., например, к алгебраическим уравнениям, составленным относительно комплексов тока и ЭДС.

Пользуясьсимволическим методом и воспользовавшись законными с точки зрения практики радиотехнических устройств допущениями, легко произвести исследование установившегося режима в таком контуре.

Три формы записи комплексного числа – Алгебраическая: комплексного числа в виде , , называется алгебраической формой комплексного числа.

Тригонометрическая: Если вещественную и мнимую части комплексного числа выразить через модуль и аргумент (, ), то всякое комплексное число , кроме нуля, можно записать в тригонометрической форме

Показательная: Также может быть полезна показательная форма записи комплексных чисел, тесно связанная с тригонометрической через формулу Эйлера:

где — расширение экспоненты для случая комплексного показателя степени.

Отсюда вытекают следующие широко используемые равенства:

48. Выражение тока, напряжения, сопротивления, проводимости, ЭДС электромагнитной индукции, мощности комплексными числами – ДОДЕЛАТЬ111

Выражение закона Ома в символической форме было получено ранее. Применительно к изображениям действующих значений он записывался в виде

I = U / Z; U = Z I; U = I / Y; I = Y U.

Этими выражениями учитывается не только связь между действующими значениями тока и напряжения, но и сдвиг фаз между ними.

I закон Кирхгофа.

Для мгновенных значений токов, сходящихся в каком-либо узле цепи закон записывается в виде .

Если , то изображение вращающегося вектора амплитуды токов будет

.

Взяв сумму всех векторов и приравняв ее нулю, получим

или .

Отсюда . Учитывая, что , для действующих значений можно записать .

II закон Кирхгофа.

Применительно к контуру цепи для мгновенных значений ЭДС и напряжений второй закон имеет вид .

В случае синусоидальных величин, когда и , закон можно представить в виде вращающихся изображающих векторов

.

Отсюда .

Здесь ; ; – комплексы амплитуд ЭДС, напряжений и токов k-й ветви контура.

Принимая во внимание связь между амплитудными и действующими значениями, выражение закона можно записать в виде:

.

Если в какой-либо k-й ветви имеются последовательно соединенные элементы R_k, L_k, C_k, то

.

Тогда для этой ветви получим

.

Как и в случае цепей постоянного тока, перед составлением уравнений по II закону Кирхгофа необходимо задавать положительные направления ЭДС, токов и напряжений во всех ветвях цепи, обозначив эти направления стрелками.

Можно показать, что все методы расчета цепей постоянного тока применимы и для расчета цепей синусоидального тока, если использовать при этом символическое изображение функций.

Следует четко представлять, что при расчете цепей синусоидального тока реальные направления величин периодически изменяются. Поэтому произвол в выборе положительных направлений отражается на их фазах: изменение выбранного положительного направления на противоположное меняет фазу на 180°, что соответствует изменению направления изображающего вектора на обратное.

49. Важнейшей характеристикой линейной электрической цепи является комплексная передаточная функция H (j ). При этом электрическую цепь удобно изображать в виде четырехполюсника (рис. 4.1), на входные зажимы (1 – 1') которого подается сигнал в виде напряжения с комплексной амплитудой U _m 1, или тока с комплексной амплитудой I _m 1, а реакция снимается с выходных зажимов (2 – 2') также в виде напряжения или тока с комплексными амплитудами U _m2, I _m2 >. Комплексная передаточная функция (КПФ) определяется как отношение комплексной амплитуды реакции цепи к комплексной амплитуде входного воздействия.

В зависимости от типов входного воздействия и реакции цепи различают следующие виды КПФ:

1. Комплексная передаточная функция по напряжению

, (4.1)

где U _m 1, U _m2, U ₁, U ₂ – комплексные амплитуды и комплексные действующие значения напряжения воздействияна входе и напряжения реакции на выходе.

2. Комплексная передаточная функция по току

, (4.2)

где I _m1, I _m2, I ₁, I ₂ — комплексные амплитуды и действующие значения тока воздействия и тока реакции.

3. Комплексное передаточное сопротивление

. (4.3)

4. Комплексная передаточная проводимость

(4.4)

Из данных определений следует, что H_u (j ) и H_i (j ) являются безразмерными величинами, a H_Z (j ) и H_Y (j ) – имеют соответственно размерности сопротивления и проводимости.

Комплексные передаточные функции определяются на частоте

Рис. 4.1

Рис. 4.2

сигнала воздействия и зависят только от параметров цепи.

Как всякую комплексную величину H (j ) можно представить в показательной, тригонометрической и алгебраической форме:

; (4.5)

; (4.6)

, (4.7)

где – модуль комплексной передаточной функции называется амплитудно-частотной характеристикой цепи (АЧХ), а – аргумент комплексной передаточной функции называют фазо-частотной характеристикой цепи (ФЧХ).Величины

(4.8)

есть вещественная и мнимая части комплексной передаточной функции цепи.

Из (4.5)–(4.8) нетрудно получить соотношения, связывающие АЧХ и ФЧХ с вещественными и мнимыми частями комплексной передаточной функции и

; (4.9)

. (4.10)

АЧХ и ФЧХ являются наиболее фундаментальными понятиями теории цепей и широко используются на практике. Важность этих характеристик для систем электрической связи, радиовещания и телевидения объясняется самой природой передачи сигналов определенного спектрального состава по каналам связи. Требования к АЧХ и ФЧХ различных устройств являются определяющими при проектировании любой аппаратуры связи, так как от степени их выполнения во многом зависит качество передачи информации.

Если на вход объекта подавать периодический сигнал заданной амплитуды и частоты, то на выходе будет также периодический сигнал той же частоты, но в общем случае другой амплитуды со сдвигом по фазе. Взаимосвязь между параметрами периодических сигналов на входе и выходе объекта определяют частотные характеристики. Чаще всего их используют для описания одноканальных систем:

, n >= m.

(2.40)

Формально обобщенная частотная характеристика может быть получена из передаточной функции заменой p на

(2.41)

и представлена в виде

.

(2.42)

Составляющие обобщенной частотной характеристики имеют самостоятельное значение и следующие названия:

· вещественная частотная характеристика (ВЧХ),

· мнимая частотная характеристика (МЧХ),

· амплитудная частотная характеристика (АЧХ),

· фазовая частотная характеристика (ФЧХ).

Частотная характеристика по выражению (2.42) может быть построена на комплексной плоскости. В этом случае конец вектора, соответствующий комплексному числу , при изменении от 0 до прочерчивает на комплексной плоскости кривую, которая называется амплитудно-фазовой характеристикой (АФХ).

Рис.2.6. Пример амплитудно-фазовой характеристики системы

Фазо-частотная характеристика (ФЧХ) - графическое отображение зависимости сдвига по фазе между входным и выходным сигналами в зависимости от частоты,

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: