Рис.2.21 изображает неразветвлённую цепь с активным сопротивлением R и индуктивностью L.
Рис.2.21. Цепь переменного тока с активным сопротивлением и индуктивностью
Пусть мгновенный ток в цепи изменяется по закону . Тогда мгновенное напряжение на активном сопротивлении , так как на этом участке напряжение и ток совпадают по фазе. Напряжение на катушке индуктивности , поскольку на индуктивности напряжение опережает по фазе ток на угол .
Построим для действующих значений напряжения и тока векторную диаграмму для рассматриваемой цепи (рис. 2.22).
Векторы и образуют треугольник напряжений. Выведем закон Ома для этой цепи. Из треугольника напряжений имеем . Но , а , где - индуктивное сопротивление, следовательно:
, откуда
. (2.22)
Рис.2.22. Векторная диаграмма действующих значений тока и напряжения цепи переменного тока с активным сопротивлением и индуктивностью
Введем обозначение , где Z - полное сопротивление цепи. Тогда выражение закона Ома примет вид:
. (2.23)
Полное сопротивление Z можно определить из треугольника сопротивлений (рис. 2.23).
Рис.2.23. Треугольник сопротивлений цепи переменного тока с активным сопротивлением и индуктивностью
Сдвиг фаз между током и напряжением определяется из треугольника сопротивлений:
, (2.24)
. (2.25)
Поскольку вектор сдвинут по фазе относительно вектора на угол против часовой стрелки, этот угол имеет положительное значение.
Если , то мгновенная мощность . Для действующих значений произведение , откуда . Выражение . Исходя из этого,
. (2.26)
Таким образом, мгновенная мощность переменного тока может быть представлена в виде постоянной величины и, изменяющейся около неё с двойной частотой, величины (рис. 2.24).
Введем понятие средней или активной мощности:
. (2.27)
Активная мощность характеризует расход энергии на активном сопротивлении.
Реактивная мощность характеризует обмен энергий между индуктивной катушкой и источником:
. (2.28)
Полная мощность оценивает предельную мощность нагрузки:
. (2.29)
Рис.2.24. Зависимости мгновенных значений напряжения, тока и мощности цепи переменного тока с активным сопротивлением и индуктивностью
Совокупность всех мощностей можно определить из треугольника мощностей (рис. 2.25).
Рис.2.25. Треугольник мощностей
Так: Обозначим коэффициент мощности в виде соотношения .
Коэффициент мощности cosφ изменяется от 0 до 1. По его величине судят, какую часть полной мощности составляет активная мощность. На практике стремятся к увеличению cosφ.