Совокупность векторов токов и напряжений, характеризующих процессы в цепи переменного тока, построенных в выбранных масштабах и с соблюдением правильной их ориентации друг относительно друга, называется векторной диаграммой.
Из курса математики известно, что комплексное число Z может быть представлено в следующих трех формах показательной, тригонометрической и алгебраической
показательная тригонометрическая алгебраическая
В основе перехода от одной формы комплексного числа к другой лежит известная из математики формула Эйлера
Здесь обозначены
j = – мнимое единичное число,
Z – модуль комплексного числа,
аргумент комплексного числа,
а – вещественная часть комплексного числа,
jb – мнимая часть комплексного числа.
Соотношения между коэффициентами различных форм комплексного числа вытекают из формулы Эйлера
a = Z cosb = Z sinZ = = arctg .
Приведем наиболее часто встречающиеся численные соотношения
ej0 = 1e j180 = 1ej90 = +je-j90 = j 1j = jj2 = 1j3 = jит. д.
Комплексное число Z = Zej = a + jb может быть изображено вектором на комплексной плоскости (рис. 38), при этом алгебраической форме числа соответствует декартовая система координат (ax; by), а показательной форме числа Z = полярная система координат (Z).
Можно утверждать, что каждой точке (вектору) на комплексной плоскости соответствует определенное комплексное число, и наоборот, каждому комплексному числу соответствует определенная точка (вектор) на комплексной плоскости.
Известно, что синусоидальную функцию можно изобразить вектором, а вектор в свою очередь можно представить комплексным числом. Таким образом, синусоидальные токи и напряжения, характеризующие установившийся режим цепи переменного тока, могут быть представлены комплексными числами
комплексная амплитуда,
комплексное действующее значение. Здесь знак соответствия.
При расчете цепей переменного тока возникает необходимость выполнения различного рода математических операций с синусоидальными функциями. При замене синусоидальных функций (оригиналов) комплексными числами (изображениями) соответствующие математические операции выполняются с комплексными числами.
Сложение (вычитание) комплексных чисел производится в алгебраической форме
Умножение комплексных чисел может выполняться, как в алгебраической, так и в показательной формах:
Деление комплексных чисел может выполняться как в алгебраической, так и в показательной формах:
Возведение в степень (извлечение корня) комплексного числа выполняется только в показательной форме:
Установим порядок дифференцирования и интегрирования синусоидальных функций в комплексной форме. Пусть задана некоторая функция тока и ее комплексное изображение:
Производная и интеграл от этой функции их комплексные изображения будут равны:
;
.
Таким образом, дифференцированию синусоидальной функции времени соответствует в комплексной форме умножение ее комплексного изображения на множитель j, а интегрированию – соответственно деление на тот же коэффициент:
Замена математических операций 2-го рода (дифференцирование, интегрирование) операциями 1-го рода (умножение, деление) существенно упрощает расчет цепей переменного тока в комплексной форме.
Тема урока: Принцип действия однофазного трехобмоточного трансформатора. Режим холостого хода.
Урок
В сложной электрической цепи, состоящей из разнородных элементов R, L, C, одновременно происходят следующие физические процессы:
а) необратимый процесс преобразования электрической энергии в другие виды (тепловую, механическую и др.), который называется активным;
б) обратимый процесс колебания энергии между переменным электрическим полем конденсаторов , магнитным полем катушек и источником энергии, который называется реактивным.
Процесс преобразования и процесс колебания энергии взаимно накладываются друг на друга, создавая в цепи единый сложный энергетический процесс.
Пусть электрическая цепь носит активно-индуктивный характер и может быть представлена простой схемой, состоящей из источника ЭДС е и пассивных элементов R и L, включенных последовательно (рис. 39):
Напряжение и ток на входе схемы как функции времени и их комплексные изображения будут равны:
;
.
Мгновенная мощность, как функция времени, состоит из двух слагаемых:
Первое слагаемое характеризует процесс преобразования электрической энергии в другие виды (активный процесс). Второе слагаемое изменяется по периодическому закону с частотой 2и характеризует процесс обмена энергией между магнитным полем приемника и источником энергии (реактивный процесс).
Количество энергии, которое преобразуется в приемнике в другие виды в единицу времени, называется активной мощностью P. Математически активная мощность может быть получена как среднее значение мгновенной мощности за период:
Реактивная мощность Q характеризует интенсивность обмена энергией между магнитным полем приемника и источником и определяется по формуле:
Реактивная мощность индуктивного характера положительна, а емкостного характера отрицательна. Противоположность знаков указывает на тот факт, что колебания энергии в разнородных элементах совершаются в противофазе.
В технике используется понятие полной мощности S, которая не имеет физического смысла и определяется по формуле:
.
Мощности S, P, Q образуют прямоугольный треугольник, который называется треугольником мощностей (рис. 40).
Хотя физическая размерность мощностей S, P, Q одинакова, а именно , для каждой из них на практике применяется своя единица измерения: для активной мощности P ватт , для реактивной мощности Q вольтампер реактивный , для полной мощности S вольтампер .
В соответствии с законом сохранения энергии в цепи переменного тока должны балансироваться независимо друг от друга активные и реактивные мощности приемников и источников энергии: и . Баланс для полных мощностей не соблюдается.
При расчете цепей переменного тока комплексным методом мощности S, P, Q представляют в комплексной форме:
где сопряженный комплекс тока .
Таким образом
модуль комплексной мощности;
вещественная часть;
мнимая часть.
Существует три типа идеальных схемных элементов: резистор R, катушка L и конденсатор C. Рассмотрим процессы в цепи с каждым из названных элементов в отдельности.
а) Цепь с идеальным резистором R.
Пусть к цепи с резистором R (рис. 41а) приложено переменное напряжение:
.
Ток и напряжение на зажимах резистора связаны между собой физическим законом Ома, т. е.
,
где , уравнения закона Ома для амплитудных и действующих значений функций.
Угол сдвига фаз между напряжением и током , следовательно, в цепи с резистором R ток и напряжение совпадают по фазе.
Комплексное сопротивление резистора является чисто вещественным:
.Мгновенная мощность в цепи с резистором R всегда положительна:
Это означает, что в цепи с резистором R протекает только процесс преобразования электрической энергии в другие виды (активный процесс). По этой причине сопротивление резистора R на переменном токе называется активным.
Графические диаграммы функций времени u(t), i(t), p(t) представлены на рис. 42, а векторная диаграмма напряжения и тока на рис. 41б.
Достарыңызбен бөлісу: |