Цепи с параллельным соединением приемников
В разветвленной электрической цепи переменного тока с параллельным включением катушки индуктивности L, конденсатора С и реостата R приемники электроэнергии находятся под одинаковым напряжением .
Ток по параллельным ветвям распределяется обратно пропорционально их сопротивлению. Причем, сдвиг по фазе между напряжением и током в соответствующей параллельной ветви зависит от величины ее реактивного сопротивления.
Резонанс токов.
Ток в неразветвленной цепи совпадает по фазе с напряжением на зажимах параллельной цепи и имеет минимальное значение.
Такое совпадение по фазе может быть осуществлено подбором индуктивного сопротивления катушки, емкостного сопротивления конденсатора или изменением частоты таким образом, чтобы реактивные составляющие токов катушки и конденсатора были равны.
Условие резонанса токов: входная реактивная проводимость В = 0.
Применение режима резонанса токов:
1. Фильтр-пробка для определенной частоты.
|
|
2. Для улучшения коэффициента мощности.
Активная, реактивная и полная мощность
Электрическая мощность – это физическая величина, характеризующая скорость генерации, передачи или потребления электрической энергии в единицу времени. Чем больше мощность, тем большую работу может совершить электроустановка в единицу времени.
Активная мощность.
Среднее значение полной мощности за период.
Активная мощность физически представляет собой энергию, которая выделяется за единицу времени в виде теплоты на участке цепи с сопротивлением R.
Активную мощность измеряют в ваттах.
Реактивная мощность.
Реактивная мощность измеряется в вольт-ампер реактивных (вар).
Может быть положительной и отрицательной.
Реактивная мощность пропорциональна среднему за четверть периода значению энергии, которая отдается источником питания на создание переменной составляющей электрического и магнитного поля индуктивности и емкости.
За один период переменного тока сумма энергий магнитного и электрического полей дважды отдается генератором в цепь и дважды он получает ее обратно, т.е. реактивная мощность является энергией, которой обмениваются генератор и потребитель.
В цепях постоянного тока значение мгновенной и средней мощности за какой-то промежуток времени совпадают, а понятие реактивной мощности отсутствует.
В цепях переменного тока так происходит только в том случае, если нагрузка чисто активная (электронагреватель или лампа накаливания). При такой нагрузке в цепи переменного тока фаза напряжения и фаза тока совпадают и вся мощность передается в нагрузку.
|
|
Если нагрузка индуктивная (трансформаторы, электродвигатели), то ток отстает по фазе от напряжения, если нагрузка емкостная (различные электронные устройства), то ток по фазе опережает напряжение. Поскольку ток и напряжение не совпадают по фазе (реактивная нагрузка), то в нагрузку (потребителю) передается только часть мощности (полной мощности), которая могла бы быть передана в нагрузку, если бы сдвиг фаз был равен нулю (активная нагрузка).
Полная мощность.
В паспорте прибора указывается значение мощности, которое он может отдавать потребителю, если сопротивление чисто активное.
Коэффициент мощности.
Разделение полной мощности на активную и реактивную зависит от угла
сдвига фаз φ между напряжением и током. Величина угла φ определяется
соотношением между активным и реактивным сопротивлениями потребителя.
Косинус угла φ называют коэффициентом мощности, потому что от
его величины зависит, какая доля полной мощности потребляется.
Способы повышения коэффициента мощности.
Для повышения cos φ нужно увеличивать активную мощность и активное сопротивление либо уменьшать реактивную мощность и реактивное сопротивление.
Естественный путь – увеличение активной мощности, повышение загрузки оборудования. Асинхронные двигатели и трансформаторы, работающие недогруженными, снижают cos φ в сетях и на станциях.
- обеспечить полную загрузку электродвигателей и трансформатора;
- устранить холостые ходы; заменить недогруженные электродвигатели и трансформаторы, средняя нагрузка которых не превышает 30%;
- производить качественный ремонт электродвигателей. Большое значение имеет сохранение в норме величины воздушного зазора и расчетных данных при перемотке; установить, где это возможно, синхронные электродвигатели.
Искусственный путь – уменьшение реактивной мощности, которая связана с реактивным сопротивлением.
Основные современные потребители электроэнергии имеют активно-индуктивный характер. Уменьшить реактивное сопротивление, не изменяя параметры схемы потребителя, позволяет режим резонанса токов.
Параллельно нагрузке подключают батарею конденсаторов, параметры которой подбирают таким образом, чтобы выполнялось условие резонанса токов: BL = BC. В этом случае цепь имеет чисто активный характер.
Трехфазные цепи
Трехфазная симметричная система ЭДС –это совокупность трех синусоидальных ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, сдвинутых по фазе на 1200.
Симметричная система ЭДС – это три синусоиды, сдвинутые относительно друг друга по фазе на угол 120°. Принято считать, что начальная фаза
ЭДС фазы А равна нулю, ЭДС фазы В отстает от ЭДС фазы А на 120°, ЭДС
фазы С отстает от ЭДС фазы В на 120°.
Совокупность трехфазной системы ЭДС, трехфазной нагрузки и соединительных проводов называют трехфазной цепью.
Фаза – участок трехфазной цепи, по которому протекает одинаковый ток (или аргумент синусоидально изменяющейся величины).
Из всех самый неэкономичный способ подключения нагрузки с генератором является подключение каждой фазы двумя проводами, т.е. шестипроводная система. Поэтому применяются схемы соединения: звезда и треугольник.
При включении нагрузки звездой концы фаз, соединенные вместе, образуют нулевую точку, к которой может быть подключен провод, называемый нейтральным. При подключении этого провода имеем четырехпроводную схему.
При включении нагрузки треугольником конец одной фазы соединяется с началом последующей.
Звезда.
В общем случае линейные и фазные напряжения связаны системой уравнений:
При соединении нагрузки звездой ток в подводящих проводах будет одновременно и током фазы: I л = I ф.
|
|
Если сопротивления нагрузки отдельных фаз равны между собой, т. е. za = zb = zc, то такая нагрузка называется равномерной.
При равномерной нагрузке фаз сумма мгновенных значений тока всех фаз или геометрическая сумма векторов каждого тока равна нулю. Ток в нулевом проводе будет отсутствовать, следовательно, при равномерной нагрузке нет необходимости его подключать. Схема в этом случае становится трехпроводной.
Неравномерная нагрузка, соединенная звездой, обычно подключается по четырехпроводной схеме, т. е. с нулевым проводом, так как при наличии нулевого провода, обладающего малым сопротивлением, неравномерная нагрузка не приводит к значительному изменению фазных напряжений.
По нулевому проводу будет протекать уравнительный ток I 0.
Треугольник.
При включении потребителей треугольником фазные нагрузки подключаются на линейные напряжения, а поэтому фазные напряжения равны линейным: . Линейный ток каждой фазы равен разности токов примыкающих фаз (геометрическая разность векторов фазных токов):
3. Магнитные цепи.
Магнитная цепь – это совокупность тел для замыкания магнитного потока.
Вокруг проводника с током возникает магнитное поле.
Индукционное действие магнитного поля – наведение ЭДС в катушке, пронизываемой переменным магнитным потоком, а также в проводнике, движущимся относительно магнитного поля.
Силовое действие магнитного поля – на электрические заряды, проводники с токами, находящиеся в магнитном поле, действуют электромагнитные силы.
Магнитное поле в любой его точке характеризуется по интенсивности и направленности действия вектором магнитной индукции
Величина и направление магнитного поля характеризуются его напряженностью.
Магнитная индукция и напряженность связаны зависимостью:
Все вещества по магнитным свойствам делят на три группы:
1. Диамагнитные, у которых относительная магнитная проницаемость μ <1.
2. Парамагнитные, у которых μ >1.
3. Ферромагнитные, у которых μ >>1.
Относительная магнитная проницаемость показывает, во сколько раз
|
|
абсолютная магнитная проницаемость вещества μа больше магнитной проницаемости вакуума.
Для создания магнитных цепей используют преимущественно ферромагнитные материалы.
Магнитные цепи из ферромагнитных материалов являются нелинейными, так как у них относительная магнитная проницаемость – величина переменная.
Магнитный поток через некоторую поверхность – это поток вектора магнитной индукции через эту поверхность. Единицей измерения магнитного потока является вебер (Вб).
У ферромагнитных материалов магнитная проницаемость велика. Эти материалы намагничиваются в магнитном поле, т. е. после того, как перестает действовать магнитное поле, они сохраняют магнитные свойства. Такие материалы называются ферромагнетиками.
Свойства ферромагнитных материалов характеризуются зависимостью магнитной индукции от напряженности магнитного поля: петля гистерезиса.
(При периодическом изменении напряженности поля зависимость между В и Н приобретает петлевой характер).
Явление гистерезиса – отставание изменения магнитной индукции В от изменения напряженности магнитного поля Н.
Гистерезис обусловлен внутренним трением областей самопроизвольного намагничивания. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, которая расходуется на перемагничивание материала.
Материалы с широким циклом магнитного гистерезиса называют магнитотвердыми, с узким – магнитомягкими.
При расчетах пользуются основной кривой намагничивания.
Основная кривая намагничивания – это геометрическое место вершин
симметричных циклов магнитного гистерезиса, зависимость магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Она практически
совпадает с кривой первоначального намагничивания.
Индукция насыщения (В m ) - максимальная индукция, кото-рую может обеспечить ферромагнетик.
Остаточная индукция (Вr) которая устанавливается в ферромагнетике при отключении поля;
Коэрцитивной силой (Нc),т. е. значением напряженности поля, необходимого для размагничивания ферромагнетика (для установления индукции В = 0). Коэрцитивная сила характеризует способность материала сохранять остаточную намагниченность.
Принцип непрерывности магнитного потока – линии магнитной индукции непрерывны и замкнуты.
Поэтому магнитный поток через замкнутую поверхность Ф = 0.
Отсюда следует, что в неразветвленных цепях магнитный поток на всех участках одинаков, а в разветвленных цепях алгебраическая сумма магнитных потоковв точке разветвления равна нулю.
Закон полного тока – линейный интеграл напряженности магнитного поля вдоль замкнутого контура равен алгебраической сумме токов, пронизывающих этот контур.
Положительными считают токи, направление магнитного поля которых совпадает с направлением обхода контура. Положительное направление интегрирования связано с положительным направлением тока правилом правого винта.
Способность тока возбуждать магнитное поле характеризуется магнитодвижущей силой (МДС). Эта сила называется еще намагничивающей, или полным током. Магнитодвижущая сила численно равна силе тока.