Линейные цепи постоянного тока Расчет и исследование сложных электрических схем

Линейные цепи синусоидального тока

Общие сведения

 В электроэнергетике используют в основном переменный ток. В настоящее время почти вся электрическая энергия вырабатывается в виде энергии переменного тока. Основное преимущество переменного тока по сравнению с постоянным током заключается в возможности просто и с минимальными потерями преобразовывать напряжение при передаче энергии. Генераторы и двигатели переменного тока имеют более простое устройство, надежней в работе и проще в эксплуатации по сравнению с машинами постоянного тока.

Амплитуда, частота и фаза синусоидального тока и напряжения

 В современной технике широко используются переменные токи: синусоидальные, прямоугольные, треугольные и др. (рис. 2.1). Значение тока в любой момент времени называется мгновенным значением. Мгновенные значения тока, напряжения, ЭДС обозначаются буквами . Токи, мгновенные значения которых повторяются через равные промежутки времени, называют периодическими, а наименьший промежуток времени, через который эти повторения наблюдаются, называют периодом Т (рис. 2.1).

 

Рис. 2.1 

Если кривая изменения периодического тока описывается синусоидой, ток называется синусоидальным. Если кривая отличается от синусоиды – ток несинусоидальный. В электрических цепях переменного тока наиболее часто используют синусоидальную форму, характеризующуюся тем, что все напряжения и токи являются синусоидальными функциями времени. В генераторах переменного тока стремятся получить ЭДС, изменяющуюся во времени по закону синуса. Тем самым обеспечивается наиболее выгодный эксплуатационный режим работы электрических установок.

 Все синусоидальные функции времени (например, ток) записывают в одинаковой форме:

 (2.1)

где – мгновенное значение тока; – максимальное (амплитудное) значение тока (рис. 2.2);  – угловая частота;   – начальная фаза.

Аргумент синуса  называется фазой. Угол  равен фазе в начальный момент времени = 0 и поэтому называется начальной фазой. Фаза с течением времени непрерывно растет (рис 2.2). После ее увеличения на  весь цикл изменения тока повторяется. В течение периода  фаза увеличивается на . Поэтому отношение определяет скорость изменения фазы и называется угловой частотой (2.2) 

где  – частота, равная числу периодов в секунду, Гц. При стандартной частоте = 50 Гц угловая частота За аргумент синусоидальной функции принимают время  или угол .

Рис. 2.2

 Таким образом, для определения мгновенных значений  и  необходимо определить их параметры: амплитуду, угловую частоту и начальную фазу.

 Постоянный ток можно рассматривать как частный случай переменного тока, частота которого равна нулю. В современной технике используется широкий диапазон частот переменных токов от сотых долей до миллиардов Герц. В электроэнергетике нашей страны и Европы стандартная частота 50 Гц, США – 60 Гц. Синусоидальные ЭДС в современной технике получают различными методами в электромашинных или электронных генераторах и других устройствах. Наглядным примером является наведение ЭДС за счет электромагнитной индукции в рамке, вращающейся в однородном магнитном поле (рис. 2.3).

Рис. 2.3

Допустим, что рамка площадью  содержит  витков и вращается с постоянной угловой скоростью   в магнитном поле с индукцией . Тогда потокосцепление рамки

.

 По закону электромагнитной индукции в рамке наводится ЭДС

.

 Следовательно, ЭДС изменяется по синусоидальному закону.

 Рассмотренный способ получения ЭДС является лишь наглядной иллюстрацией и в технике не используется ввиду экономической нецелесообразности создавать достаточно сильное равномерное магнитное поле в таком большом воздушном промежутке.

 В промышленности для получения синусоидальных ЭДС применяют электрические машины – синхронные генераторы, приводимые во вращение тепловыми, газовыми, гидравлическими и др. двигателями.

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = Uхх = f (Iв).
Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (Iя) и при постоянной частоте вращения (n2 = const)
Характеристика холостого хода генератора показана на рис. 11.8.
Из-за остаточного магнитного потока ЭДС генератора не равна нулю при токе возбуждения, равном нулю.
При увеличении тока возбуждения ЭДС генератора сначала возрастает пропорционально.
Соответствующая часть характеристики холостого хода будет прямолинейна. Но при дальнейшем увеличении тока возбуждения происходит магнитное насыщение машины, отчего кривая будет иметь изгиб. При последующем возрастании тока возбуждения ЭДС генератора почти не меняется. Если уменьшать ток возбуждения, кривая размагничивания не совпадает с кривой намагничивания из-за явления гистерезиса.
Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки
U = f (I) при токе возбуждения Iв = const называют внешней характеристикой генератора.
Электрическая энергия и электрическая мощность