Конспект треугольник сопротивлений напряжений и мощности

Обновлено: 04.07.2024

Из векторной диаграммы следует, что вектора напряжений образуют треугольник напряжений, в котором гипотенуза – входное напряжение цепи U, катет, прилегающий к углу φ - активная составляющая напряжения U_R, второй катет U_L – U_C = U_P – реактивная составляющая напряжения

U_R = Ucosφ; U_P = Usinφ;

Если в треугольнике напряжений все стороны разделить на ток I, то получим треугольник сопротивлений, а если умножить на I 2 – треугольник мощностей.

сопротивлений Треугольник мощностей

Из треугольника сопротивлений

R = Zcosφ; X = Zsinφ;

Из треугольника мощностей

P = Scosφ; Q = Ssinφ; S =

Из треугольников определяют

cosφ = U_R/U = R/Z = P/S.

Свое название cosφ получил из треугольника мощностей – коэффициент мощности – важный показатель электрооборудования. Определяет, какую часть от полной мощности составляет активная мощность, мощность, расходуемая на совершение полезной работы.

Резонанс напряжений

Резонанс – это явление в электрической цепи, при котором ток и напряжение цепи совпадают по фазе. Резонанс напряжений возникает в цепи при последовательном соединении элементов, при X_L = X_C. Так как при этом Z = R, т. е. полное сопротивление имеет минимальное значение, следовательно, ток цепи будет максимальным. В этом режиме резко возрастают напряжения на реактивных элементах X_L и X_C. Происходит непрерывный обмен энергии между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора.

Равенства Х_L и X_C можно добиться изменением L, C, f. Изменение I, U_R, U_L, U_C, U, φ при разных ω показаны на рисунке.

Зависимость напряжения и тока от частоты

Явление резонанса широко используется в устройствах радиотехники, телевидения, автоматики и др

Векторная диаграмма для режима резонанса напряжений

Если электрическая цепь имеет такие L и С, что резонансной для этой цепи является ω₀ = , то ток этой частоты f будет максимальным. Изменяя индуктивность L или емкость С, можно настроить контур на эту частоту, т. е. усилить ток этой цепи.

В электросиловых устройствах это явление не нашло применения, так как в режиме резонанса напряжений резко увеличиваются U_L и U_C, что может привести к пробою изоляции.

Лекция №6. Цепь с параллельным соединением резистивного, индуктивного и емкостного элементов

При подаче напряжения u = U_m_ахsinωt в электрическую цепь с параллельным соединением R, L, C в ветвях создаются токи i_R = I_m_ах_Rsinωt в ветви с R; i_L = I_m_ах_Lsin(ωt - π/2) в ветви с L; i_C = I_m_ах_Csinωt(ωt + π/2) в ветви с С.

Схема электрической цепи при параллельном соединении

элементов с R, L, C

Действующие значения токов в ветвях соответственно будут равны

I_R =U/R=GU; I_L=U/X_L = B_LU; I_C = U/X_C = B_CU.

где G = 1/R; B_L = 1/X_L; B_C = 1/X_C, Y = 1/Z – активная, индуктивная, емкостная и полная проводимости цепи.

I = U/Z =YU,

По I ЗК для цепи

I = İ_R + İ_L + İ_С_.

В комплексной форме записи: напряжение источника питания ,

Полное сопротивление цепи:

Z _экв= Z _R Z _L Z _c /( Z _R Z _L + Z _C Z _L₊ Z _R Z _C ) = Z _эквe jφ

Токи İ = /Z _экв_. = Ie j ψ _i, I = U/Z _экв_.; ψ_i = ψ_U – φ = – φ.

İ_R = /R = Ue j 0 ° /Re j 0 ° = I_Re j 0° = I_R;

İ_L = /Z_L = Ue j 0° /(X_Le + j 90° ) = U/X_Le –j 90° =I_Le – j 90° ;

İ_C = /Z_C = Ue j 0° /(X_Ce – j 90° ) = I_Ce + j 90° .

При построении векторной диаграммы цепи за начальный вектор удобно принимать вектор напряжения, а вектора токов откладывать на комплексной плоскости с учетом их сдвига по фазе по отношению к вектору напряжения. Вектор полного комплексного тока İ определяют геометрическим сложением векторов токов İ_R, İ_L, и İ_С

Из векторной диаграммы цепи с последовательным соединением имеем треугольник напряжений:

,
где cos j – коэффициент мощности, .

Согласно закону Ома ; ; .
Делим каждую сторону треугольника напряжений на ток и получаем треугольник сопротивлений:

; ;
; .
Умножаем каждую сторону треугольника напряжений на ток, и получаем треугольник мощностей:

; ;
; ,
здесь P – активная мощность [Вт]; S – полная мощность, вырабатываемая источником [ВА]; Q – реактивная мощность [ВАр].
Коэффициент мощности показывает, насколько эффективно и рационально используется энергия. Р характеризует ту часть энергетического процесса, в которой электрическая энергия потребляется приемником и преобразуется в другие виды энергии, т.е. в полезные дела. Q характеризует ту часть энергетического процесса, которая связана с изменением энергии электрического поля емкости или магнитного поля индуктивности. Реактивная мощность не совершает полезной работы, т.к. электрическая энергия не преобразуется в другие виды энергии.

Треугольники сопротивлений, проводимостей, мощностей, напряжений и токов

Сопротивление, проводимость, мощность, напряжение, ток треугольника. Общее сопротивление, проводимость, двухполюсник и их составляющие удовлетворяют соотношению и могут быть представлены треугольником (рисунок 2.3).

Комплексное напряжение и ток двухполюсной сети могут быть выражены в виде двух ортогональных компонентов.

В этом случае фаза напряжения соответствует текущей фазе, а фаза напряжения отличается от текущей фазы на ± π / 2. Аналогично, фаза совпадает с фазой, а фаза отличается от фазы на ± π / 2. Это связано с тем, что действующее напряжение и ток, а также их активные и реактивные компоненты также могут быть представлены в форме треугольника (рисунок 2.4). Если фазы тока и напряжения нескольких RLC-биполяр одинаковы, то есть биполяр имеет чисто активное сопротивление, его реактивная мощность равна нулю () и называется резонансной.

Резонанс может быть достигнут путем изменения параметров схемы R, L, C или угловой частоты ω внешнего напряжения (тока). Ток в последовательном контуре RLC наблюдается на частоте, называемой резонансной частотой.

Коэффициент качества схемы характеризует резонансные характеристики цепи и определяется уравнением. (2.5) Зависимость тока этой цепи от частоты ω приложенного внешнего напряжения с инвариантностью эффективного значения U = const имеет вид. (2.6) Зависимость (2.6) называется резонансной кривой, а I0 = U / R — текущее значение в резонансе.

Когда ω = ω0. Ширина полосы пропускания (ω1-ω2) определяется из соотношения: ω1 и ω2 — частоты, на которых эффективное значение тока в 1 раз превышает фактические элементы схемы (приемник, источник) при расчете резонансного тока I0 = U / AC электрическая схема Идеальная комбинация элементов схемы R, L, C Эквивалентная эквивалентная схема, состоящая из Приемники энергии, как правило, являются по существу активной индукцией (например, электродвигатели).

Такой приемник может быть представлен двумя простейшими эквивалентными цепями, состоящими из двух элементов схемы R и L: а) напряжение последовательно (рис. 53а) и б) параллельные стороны треугольника тока Разделите на U, чтобы получить новый треугольник, похожий на исходный треугольник.

Но его стороны являются проводящими: полный Y, активный-G, реакция-B (рисунок 55b).

Треугольники со сторонами Y, G, B называются треугольниками проводимости. Отношения продолжаются от треугольника проводимости. Любой, у кого есть идея векторной диаграммы, заметит, что треугольник напряжения прямоугольника, отражающий общее напряжение цепи, напряжение сопротивления и напряжение реактивного сопротивления, очень хорошо виден.

Решение задач	Лекции
Расчёт найти определения	Учебник методические указания

Согласно теореме Пифагора о напряжении, связь между этими напряжениями (между общим напряжением цепи и напряжением этой секции) Напряжение Если следующий шаг делит эти значения напряжения на ток (один и тот же ток протекает через все части последовательной цепи), тогда значение сопротивления получается в соответствии с законом Ома.

То есть мы можем говорить о прямоугольном прямоугольнике сопротивления: согласно теореме Пифагора мы устанавливаем взаимосвязь между сопротивлением цепи и реактивным сопротивлением аналогичным образом (как в случае напряжения). Связь выражается как: Общее сопротивление цепи Затем подайте ток на сопротивление. Фактически, увеличивайте каждую сторону прямоугольного треугольника определенное количество раз.

В результате получается прямоугольный треугольник емкости: силовой треугольник Активная мощность, выделяемая активным сопротивлением цепи, связанной с необратимым преобразованием электрической энергии (преобразование в тепло, выполнение работ на оборудовании), составляет Электрическая мощность в катушке и конденсаторе явно связана с реактивной мощностью, участвующей в обратимом преобразовании энергии), и вся электрическая мощность подается в электрическую установку.

Активная мощность измеряется в ваттах (Вт), реактивная мощность измеряется в вар (VAR — реактивная мощность в вольт-амперах), а общая мощность измеряется в ВА (вольт-амперах). По теореме Пифагора мы имеем право написать: Обратите внимание, что силовой треугольник здесь имеет угол фи, и его косинус может быть легко определен в первую очередь по активной мощности и кажущейся мощности.

Косинус этого угла (косинус фи) называется коэффициентом мощности. Это указывает, какая часть общей мощности будет потеряна и не будет возвращена в сеть после завершения полезных работ по электромонтажу.

Образовательный сайт для студентов и школьников

На векторных диаграммах можно выделить прямоугольный треугольник напряжений.

В зависимости от соотношения x_L и x_C возможнытри режима работы цепи:

а) напряжение цепи опережает ток по фазе на угол j и цепь в целом имеет активно-индуктивный характер;

б) напряжение цепи отстает по фазе от тока на угол j и цепь в целом имеет активно-емкостный характер;

в) напряжение и ток совпадают по фазе, характер цепи в целом чисто активный. Такой режим цепи называется резонансом напряжений, при котором U_L=U_C, x_L =x_C. Настроить цепь в резонанс напряжений можно путем изменения x_L или x_C, т.е. изменяя C, L или f (частота, при которой наступает резонанс f = 1/(2π√LC) ). При резонансе напряжений сопротивление цепи минимально, а ток максимальный.

Цепи электроснабжения в строительной отрасли чаще всего имеют активно-индуктивный характер, поэтому далее рассмотрим соответствующие треугольники с положительным углом j.

По теореме Пифагора можно установить связь между полным напряжением цепи и напряжениями на ее отдельных участках:

Если разделить стороны треугольника напряжений на ток (в цепи с последовательным соединением элементов ток одинаков во всех участках), то (в соответствии с законом Ома) получим треугольник сопротивлений.

Здесь х=x_L - x_C - реактивное сопротивление цепи, а Z - полное сопротивление цепи:

Полученное уравнение устанавливает связь межу различными сопротивлениями цепи.

Если умножить стороны треугольника напряжений на ток, то получим треугольник мощностей:

Здесь Р=U_RI - активная мощность, которая выделяется на активных сопротивлениях цепи. Она связана с необратимыми преобразованиями электрической энергии, то есть с совершением работы (полезной) в электроустановке. Активная мощность измеряется в ваттах [Вт].

Q=U_xI - реактивная мощность. Связана в электроустановках с совершением обратимых преобразований энергии, полезной работы она не совершает. В электроустановках затрачивается на создание электрических (С) и магнитных (L) полей. Реактивная мощность измеряется вольт амперах реактивных [вар].

Реактивная мощность оказывает существенное влияние на режим работы электрической цепи. Циркулируя по проводам трансформаторов, генераторов, двигателей, линий электропередач, она нагревает их. Поэтому расчет проводов и других элементов устройств переменного тока производят из полной мощности, которая учитывает активную и реактивную мощности.

S=UI - полная мощность, измеряется в вольт амперах [В*А]. Из треугольника мощностей определим:

Коэффициент мощности

Из треугольника мощностей можно записать:

Множитель cosj - называется коэффициентом мощности. Коэффициент мощности это отношение активной мощности к полной. Он показывает, какая часть от полной мощности потребленной электроустановкой из сети затрачивается на совершение полезной работы. Очевидно, чем выше коэффициент мощности, тем эффективнее преобразование энергии в электроустановке. Наилучшее значение cosj=1, в этом случае вся потребленная из сети энергия затрачивается на совершение полезной работы.

И приведенных соотношений можно выразить ток, потребляемый электроустановкой из сети:

Из выражения следует, что чем ниже cosj, тем больший ток потребляет она из сети на совершение той же самой работы. На практике пропускная способность линий электропередач (ЛЭП) ограничена, поэтому снижение cosj электроприемников ведет к повышенной загрузке их током, и еще больше ограничивает их пропускную способность.

При снижении cosj повышаются потери энергии DР в ЛЭП, что следует из выражения:

здесь R - активное сопротивление ЛЭП. Увеличение потерь энергии ведет к возрастанию стоимости ее транспортировки.

Таким образом, задача повышения cosj является важной народно-хозяйственной проблемой.

Повысить cosj можно, уменьшив (желательно до нуля) потребляемую из сети реактивную мощность. Так как низкий cosj имеют электродвигатели, трансформаторы и т.п. электроустановки, работающие на холостом ходу или с недогрузкой, то для повышения cosj необходимо обеспечить полную загрузку этих электроустановок и своевременное их отключение. Указанные мероприятия называют организационными.

Для повышения cosj применяют синхронные компенсаторы и конденсаторные батареи. Эти устройства способны вырабатывать реактивную энергию необходимую потребителям.