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,![](data:image/png;base64,iVBORw0KGgoAAAANSUhEUgAAAHUAAAAXCAYAAAA1OADtAAAACXBIWXMAAA7SAAAOhAGw3aCYAAADh0lEQVR4nO2ZSyh9QRzHv1eIvLtlIQulKKyUvApLG4kFOymvRMSCIo+4HqUoJY8FZSULC3aWHsnOwmOlrLxKIlkQ/7/fr+Y29zb33nOOc+4j51OnM+fcOTNz5jPzm2NE//sBNnpwhLoBgYgOdQNszMeWGiQcDgdHxJ/AaPlMt6UGCSEzGHJtqUHGW658zywskVpaWorT01OUlZXh6OjIUBkVFRU4ODjwm2dxcRE9PT2cHhoawvT09K/qGRgY4HJSU1N1l6MXWaTZgi2RenJygqioKMNCiUBCNzc3kZ2d7b7e3d1VSqV2fH9/a6onPz8f7e3t2N7eNtBi46gE/0auUur+/j6/3Pv7O1ZWVlBfX+/+jTrJG3+dRgwPD2N2dhZOpxOJiYkYHR3F4OAgnp+fMTY2hri4OIyMjCA+Ph5PT0/o6urC8vIylzsxMQGXy4WWlhYW2d/fj8nJSayvr2NnZ4fLpzyXl5fctqurK+Tm5mp6ebkeorKyEnNzc5qetQozwrNSam9vL7a2tpCcnIy6ujoPqYEEqpiamsLMzAyur69xf3+PgoIC3N7e4uXlBTk5OSyTZnVhYSHnX1pa4s4maACMj4/zdV9fH/Ly8ljq+fk5kpKSPPLIbZMHn0h7t12uh8jIyMDDw4Pu97MCLeGZ7quEK6Xe3NzwesgZoj2zGJmpApJAx+fnJ89aOujZ+fl51NbWsqzm5mafz9MAEHW9vr4iJibGZ16RL1D4lYmNjeVyww1f4ZkOlVil1KysLKytrfEHz9vbm8dvRmZqINra2lBVVYXi4mK/UmVSUlLw8fHBIgQUztPS0gy3g8qjcsMZLX8aKaUuLCxw51Ioamho4PVLD+Xl5XwWX5a0phKtra3o7u52pzs7OzmdkJCAr68vbGxs8HVNTY37XFRUxGkKvSUlJZymNZQ+ah4fH5GZmcn3aJZTaL67u/Noi79BKNezt7fHS0N6erqudw01cmgmSLJSanV1Na9/Rjk+Pva4pjWVDoHc0apOpw6WoTVT0NjYyGeKJmdnZ26pNHDE4NGKdz2Hh4c8MKzA7E0Hf+VE7OZDU1MTVldXTS3z4uLC9DIF9o6SRjo6Okwtz8jmhV6CITeipUYyVm4X2lJDjNm7SQRJDft/+v4VzArN9kwNQ34bmm2pYUyg0OxrRttSIwRVaBbbhN5bhbbUCMPXuiuLtaVGOPK6K8T+B/G02UCo1ATxAAAAAElFTkSuQmCC)
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:
![](data:image/png;base64,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)
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: |