6.10. Мощность в цепи синусоидального тока
Мгновенной мощностью называют произведение
мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.
Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по
формулам:
Тогда
(6.23)
Среднее значение мгновенной мощности
за период
Из треугольника сопротивлений ,
а .
Получим еще одну формулу:
.
Среднее арифметическое
значение мощности за период называют активной мощностью и обозначают
буквой P.
Эта мощность измеряется в ваттах и характеризует необратимое
преобразование электрической энергии в другой вид энергии, например,
в тепловую, световую и механическую энергию.
Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость).
Активная мощность в этом элементе , так
как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе
на 90o. В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери
электрической энергии, не происходит нагрева элементов.
Происходит обратимый процесс в виде обмена
электрической энергией между источником и приемником. Для качественной
оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности
Q.
Преобразуем выражение (6.23):
где
- мгновенная мощность в активном сопротивлении;
- мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).
Максимальное или амплитудное значение мощности p2
называется реактивной мощностью
,
где x - реактивное сопротивление
(индуктивное или емкостное).
Реактивная мощность, измеряемая в вольтамперах реактивных,
расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического
поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности,
периодически возвращается источнику питания.
Амплитудное значение суммарной мощности p = p1
+ p2 называется полной мощностью.
Полная мощность, измеряемая в вольтамперах,
равна произведению действующих значений напряжения и тока:
,
где z - полное сопротивление цепи.
Полная мощность характеризует предельные возможности источника
энергии. В электрической цепи можно использовать часть полной мощности
,
где
- коэффициент мощности или "косинус "фи".
Коэффициент мощности является одной
из важнейших характеристик электротехнических устройств. Принимают специальные
меры к увеличению коэффициента мощности.
Возьмем треугольник сопротивлений и умножим его
стороны на квадрат тока в цепи. Получим подобный треугольник мощностей
(рис. 6.18).
Из треугольника мощностей получим ряд формул:
,
,
Рис.6.18
, .
При анализе электрических цепей символическим методом
используют выражение комплексной мощности, равное произведению комплексного
напряжения на сопряженный комплекс тока.
Для цепи, имеющей индуктивный характер (R-L цепи)
,
где
- комплекс напряжения;
- комплекс тока;
- сопряженный комплекс
тока;
- сдвиг по фазе
между напряжением и током.
, ток как в R-L цепи,
напряжение опережает по фазе ток.
Вещественной частью полной комплексной
мощности является активная мощность.
Мнимой частью комплексной мощности - реактивная
мощность.
Для цепи, имеющей емкостной характер (R-С цепи),
. Ток опережает по фазе напряжение.
.
Активная мощность всегда положительна.
Реактивная мощность в цепи, имеющей индуктивный характер, - положительна,
а в цепи с емкостным характером - отрицательна.
6.11. Баланс мощностей
Для схемы на рис.
6.19 запишем уравнение по второму закону Кирхгофа. Умножим левую
и правую части уравнения на сопряженный комплекс тока
где
- результирующее реактивное сопротивление;
I2-
квадрат модуля тока.
где
- полная комплексная, активная и реактивная мощности источника питания.
где
- активная и реактивная мощности, потребляемые элементами схемы.
Получим уравнение
.
(6.24)
Рис. 6.19
Два комплексных числа равны, если
равны по отдельности их вещественные и мнимые части, следовательно уравнение
(6.24) распадается на два:
.
(6.25)
Полученные равенства выражают законы
сохранения активных и реактивных мощностей.
6.12. Согласованный
режим работы электрической цепи.
Согласование нагрузки с источником
В схеме на рис. 6.20
- полное, активное
и реактивное сопротивления источника ЭДС,
- полное, активное
и реактивное сопротивления нагрузки.
Активная мощность может выделяться только в активных сопротивлениях
цепи переменного тока.
Активная мощность, выделяемая в нагрузке,
. (6.26)
Активная мощность, развиваемая генератором
.
Коэффициент полезного действия для данной схемы:
.
Рис. 6.20
Из формулы (6.26) видно, что выделяемая
в нагрузке мощность будет максимальной, когда знаменатель минимален.
Последнее имеет место при , т.е. при
. Это означает, что реактивные сопротивления
источника и нагрузки должны быть одинаковы по модулю и иметь разнородный
характер. При индуктивном характере реактивного сопротивления источника
реактивное сопротивление нагрузки должно быть емкостным и наоборот.
. (6.27)
Установим условие, при котором от
источника к нагрузке будет передаваться наибольшая мощность.
.
отсюда .
От источника к нагрузке передается
наибольшая мощность, когда
.
. (6.28)
Величина наибольшей мощности
.
Режим передачи наибольшей мощности от
источника к нагрузке называется согласованным режимом, а подбор сопротивлений
согласно равенствам (6.28) - согласованием нагрузки с источником.
В согласованном режиме
.
Половина мощности теряется внутри
источника. Поэтому согласованный режим не используется в силовых энергетических
цепях. Этот режим используют в информационных цепях, где мощности могут
быть малыми, и решающими являются не соображения экономичности передачи
сигнала, а максимальная мощность сигнала в нагрузке.
|