Меню

Чему равно индуктивное сопротивление если частота тока 50 гц



Индуктивное сопротивление катушки

Так как самоиндукция препятствует всякому резкому изменению силы тока в цепи, то, следовательно, она представляет собой для переменного тока особого рода сопротивление, называемое индуктивным сопротивлением.

Чисто индуктивное сопротивление отличается от обычного (омического) сопротивления тем, что при прохождении через него переменного тока в нем не происходит потери мощности.

Под чисто индуктивным сопротивлением мы понимаем сопротивление, оказываемое переменному току катушкой, проводник которой не обладает вовсе омическим сопротивлением. В действительности же всякая катушка обладает некоторым омическим сопротивлением. Но если это сопротивление невелико по сравнению с индуктивным сопро¬тивлением, то им можно пренебречь.

При этом наблюдается следующее явление: в течение одной четверти периода, когда ток возрастает, магнитное поле потребляет энергию из цепи, а в течение следующей четверти периода, когда ток убывает, возвращает ее в цепь. Следовательно, в среднем за период в индуктивном сопротивлении мощность не затрачивается. Поэтому индуктивное сопротивление называется реактивным (прежде его неправильно называли безваттным).

Индуктивное сопротивление одной и той же катушки будет различным для токов различных частот. Чем выше частота переменного тока, тем большую роль играет индуктивность и тем больше будет индуктивное сопротивление данной катушки. Наоборот, чем ниже частота тока, тем индуктивное сопротивление катушки меньше. При частоте, равной нулю (установившийся постоянный ток), индуктивное сопротивление тоже равно нулю.

Индуктивное сопротивление катушки

Рисунок 1. Зависимость индуктивного сопротивления катушки от частоты переменного тока. Реактивное сопротивление катушки возрастает с увеличением часторы тока.

Индуктивное сопротивление обозначается буквой XL и измеряется в омах.

Подсчет индуктивного сопротивления катушки для переменного тока данной частоты производится по формуле

XL=2π• f •L

где XL — индуктивное сопротивление в ом; f—частота переменного тока в гц; L — индуктивность катушки в гн

Как известно, величину 2π• f называют круговой частотой и обозначают буквой ω (омега). Поэтому приведенная выше формула может быть представлена так:

Отсюда следует, что для постоянного тока (ω = 0) индуктивное сопротивление равно нулю. Поэтому, когда, нужно пропустить по какой-либо цепи постоянный ток, задержав в то же время переменный, то в цепь включают последовательно катушку индуктивности.

Для преграждения пути токам низких звуковых частот ставят катушки с железным сердечником, так называемые дроссели низкой частоты, а для более высоких радиочастот — без железного сердечника, которые носят название дросселей высокой частоты.

ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!

Источник

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТРЕХфазного ТОКА

Примеры решения задач

Электроизмерительные приборы и электрические измерения

Задача № 1

Вольтметр с пределом измерения 7,5 В и максимальным числом делений 150 имеет наибольшую абсолютную погрешность Зб мВ. Определить класс точности прибора и относительную погрешность в точках 40, 80, 90, 100 и 120 делений.

Решение

С = Uмак / N = 0,05 В/дел ;

e = DU/Uизм × 100% = 1,8 %; 0,9 %; 0,8 %; 0,72 %; 0,6 %.

Задача № 2

Для расширения предела измерения амперметра с внутренним сопротивлением Rпр=0,5 Ом в 50 раз необходимо подключить шунт. Определить сопротивление шунта, ток полного отклонения прибора и максимальное значение тока на расширенном пределе, если падение напряжения на шунте Uш = 75 мВ.

Решение

Задача № 3

Магнитоэлектрический прибор с сопротивлением 10 Ом и током полного отклонения 7,5 мА может быть использован в качестве амперметра на 30 А. Определить сопротивление шунта.

Решение

Задача № 4

Милливольтметр с пределом измерения 75 мВ и внутренним сопротивлением Rп=25 Ом имеет 150 делений шкалы. Определить сопротивление шунта, чтобы прибором можно было измерять предельное значение тока 30 А. Определить цену деления прибора в обоих случаях.

Решение

Задача № 5

Верхний предел измерений вольтметра 100 В, его внутреннее сопротивление 10 кОм, число делений шкалы 100. Определить цену деления шкалы вольтметра, если он включен с добавочным резистором 30 кОм.

n = U ’ / U => U ’ = nU;

Задача № 6

Верхний предел измерения амперметра 1 А, его сопротивление RA . Определить сопротивление шунта Rш, чтобы при токе 5 А прибор показывал ток 1 А.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО однофазного ТОКА

Задача № 7

Определите действующее значение тока

i = 341sin (ωt + π/2) (А)

Задача № 8

Период переменного тока Т. В какой момент времени мгновенное значение тока достигает положительного максимума, если ток задан выражением i = imsin (ωt + π/4)?

Задача № 9

Действующее значение тока в цепи равно 1 А. Полное сопротивление цепи 10 Ом. Векторная диаграмма имеет вид:

Чему равна амплитуда напряжения, приложенного к цепи, и каков характер сопротивления?

Электрическая цепь обладает емкостным сопротивлением.

Задача № 10

В электрической цепи все элементы соединены последовательно. По векторной диаграмме напряжений восстановите принципиальную схему этой цепи.

Задача № 11

К резистору сопротивлением R=1,5 кОм приложено напряжение u=120sin(wt—p/6) В. Записать выражение для мгновенного значения тока, определить его амплитудное и действующее значения, мощность. Построить векторную диаграмму для момента времени t =0.

i = (u/R)sin(wt — p/6); im = um/ R = 0,08 A; i = 0,08sin(wt — p/6);

Задача №12

Действующее значение переменного напряжения U, измеренное на резисторе сопротивлением R=1,2 к0м, составляет 820 мВ. Начальная фаза ju = p/6 частота f = 150 Гц. Определить амплитудное и действующее значения тока в резисторе, записать выражение для его мгновенного значения. Зарисовать кривые изменения тока и напряжения и построить векторную диаграмму.

i = 0,96sin(942t + p/6).

Задача № 13

Через катушку индуктивности сопротивлением XL=1,2 Ом проходит переменный ток частотой f = 800 Гц и амплитудным значением Im =450 мА. Определить индуктивность катушки, действующее значение напряжения на ней, а также полную потребляемую мощность. Записать выражение для мгновенного значения напряжения на катушке.

Решение:

L = XL / 2pf = 0,24 мГн;

Задача № 14

Действующие значения переменного напряжения и тока с частотой f = 25 Гц в катушке индуктивности U = 36,5 В и I = 1,25 А соответственно. Определить индуктивность катушки, записать выражения — для мгновенных значений напряжения и тока, построить графики изменения этих значений во времени.

XL = U / I = 29,2 Ом;

L = XL / 2pf = 0,18 мГн;

Задача № 15

Мгновенные значения тока и напряжения в конденсаторе i = 0,72 sin(2198t+50°) А и u = 340sin(2198t — 40°) В. Определить емкость и сопротивление конденсатора, полную потребляемую мощность и период сигнала.

I = im / = 0,51 А; U = um / = 241 В;

XC = U / I = 472 Ом

C = 1 / w XC = 96 мкФ;

Т = 2p / w = 2,8×10 -3 с

Задача № 16

Два последовательно соединенных конденсатора емкостями С1=2 мкф и С2=1 мкФ подключены к источнику с частотой f = 100 Гц и действующим значением напряжения U = 105В. Определить действующие значения тока в цепи и напряжений на каждом из конденсаторов.

1 / 2pfC2 = 796,18 Ом;

I = U / XC = 0,044 A;

Задача № 17

В цепь переменного синусоидального тока частоты 50 Гц включены последовательно потребители: катушка индуктивности 0,4 Гн, резистор с сопротивлением 16 Ом и конденсатор емкостью 400 мкФ. Полное падение напряжения в цепи 500 В. Определить ток в цепи, напряжение на отдельных потребителях и активную мощность цепи.

XL = 2pfL = 125,6 Ом;

Z = (R 2 + (XL — XC) 2 ) 1/2 = 118,8 Ом;

P = UIcosj = 282,8 Вт.

Задача № 18

Полное сопротивление катушки 8 Ом, её индуктивность 300 мкГн. Действующее значение падения напряжения на ней составляет 4,8 В при частоте 2500 Гц. Определить угол сдвига фаз между током и напряжением и определить полную, активную и реактивную мощности, активное сопротивление катушки.

Z = (RL 2 + XL 2 ) 1/2 => RL = ( Z 2 — XL 2 ) 1/2 = 6,5 Ом;

P = Scos j = 2,32 Вт;

Q = Ssin j = 1,69 вар.

Задача № 19

К потребителю, состоящему из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подведено переменное напряжение с действующим значением 500 В. Активная мощность потребителя 320 Вт, коэффициент мощности равен 0,75. Определить ток в цепи, полную и реактивную мощность, полное, активное и реактивное сопротивление потребителя.

S = P/ Scos j = 426 ВА;

Q = Ssin j = 282 вар;

R = Z cos j = 441 Ом;

XC = Z sin j = 388 Ом.

Задача № 20

Катушка с индуктивным сопротивлением 140 Ом и конденсатор с емкостным сопротивлением 80 Ом соединены последовательно и подключены к источнику переменного тока с действующим значением напряжения 25 В и частотой 1 кГц. Амплитудное значение тока в цепи равно 282 мА. Определить полное сопротивление потребителя, активное сопротивление катушки и активную мощность.

I = im / 2 1/2 = 0,2 A;

Z = U / I = 125 Ом;

P = UIcosj = 4,4 Вт.

Задача № 21

К источнику переменного тока с действующим значением напряжения 50 В подключены параллельно соединенные катушка индуктивности с индуктивным сопротивлением 8 Ом и резистор сопротивлением 40 Ом. Определить токи в ветвях и неразветвленной части цепи и коэффициент мощности.

tg j =IL / IR = 5; j = 79 0 ; cosj = 0,19.

Задача № 22

Электрическая цепь состоит из включенных параллельно резистора, конденсатора и катушки индуктивности. Токи во всех трех ветвях одинаковы и равны 15 А. Определить ток в неразветвленной части цепи.

Задача № 23

Соединенные параллельно катушка индуктивности и конденсатор подключены к источнику переменного тока с напряжением 100 В. Определить ток в неразветвленной части цепи при индуктивном сопротивлении 20 Ом и емкостном сопротивлении 10 Ом.

Читайте также:  По прямому бесконечно длинному проводнику течет ток i 50a

К источнику переменного тока подключен резистор сопротивлением R = 160 Oм, соединенный параллельно с катушкой, индуктивность которой L = 0,023 Гн и активное сопротивление RL = 60 Ом. Мощность, выделившаяся на резисторе, Р = 35 Вт, действующее значение тока в катушке IL =702,5 мА. Определить емкость конденсатора, который необходимо подключить в цепь для получения резонанса токов, резонансную частоту, действующие значения входного напряжения и тока в неразветвленной части цепи до резонанса и в момент резонанса, а также активную и реактивную составляющие тока, полную, активную и реактивную мощности до резонанса и в момент резонанса. Построить векторные диаграммы для этих двух режимов.

Решение:

f = ( 1/2pL ) ( ZL 2 — RL 2 ) 1/2 = 612 Гц, XL= 88,4 Ом

cos j = 0,83 sin j = 0,56 S = UI = 77,6 В×А P = UI cos j = 64,4 Вт Q = UI sin j = 43,3 вар

XL = XC => C = 1/(4p 2 f 2 L) = 2,9 мкФ

Задача № 25

Чему равен ток в неразветвленной части цепи?

Задача № 26

К электрической цепи прикладывается напряжение U = 160 В. Сопротивление резистора R = 20 Ом, сопротивление катушки индуктивности XL = 60 Ом. Определить напряжение на конденсаторе при резонансе.

При резонансе в цепи протекает электрический ток = 8 А. При резонансе напряжений падение напряжения на катушке равно падению напряжения на конденсаторе.

Задача № 27

Последовательно соединены R, L и C. L = 0,1 Гн; XC = 31,4 Ом; f = 50 Гц. Выполняются ли условия резонанса?

=> = 100 мкФ; = 28,4 Гц. Не выполняется.

Задача № 28

Последовательно соединены R, L и C. При каком условии векторная диаграмма имеет вид, изображенный на рисунке?

При резонансе напряжений. XL = XC

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТРЕХфазного ТОКА

Задача № 29

Полная мощность, потребляемая трехфазной нагрузкой 1000 В·А. Реактивная мощность 600 Вар. Найдите коэффициент мощности нагрузки.

Задача № 30

Три одинаковые катушки включены в трехфазную сеть с линейным напряжением 380 В. Активное сопротивление каждой катушки 16 Ом, индуктивное 12 Ом. Катушки соединены треугольником. Определите активную мощность, потребляемую катушками.

Из треугольника сопротивлений è

Задача № 31

К трехфазной сети с линейным напряжением 380 В и частотой 50 Гц подключена равномерная нагрузка, соединенная звездой, с активным сопротивлением в фазе 70 Ом и индуктивностью 180 мГн. Определить линейный ток.

Задача № 32

В трехфазную сеть с действующим значением напряжения в фазе 380 В и частотой 50 Гц включена равномерная индуктивная нагрузка, соединенная треугольником. Коэффициент мощности нагрузки 0,85, а потребляемая мощность 1,44 кВт. Определить индуктивность катушек.

, из треугольника сопротивлений =>

Задача № 33

В каждую фазу трехфазной четырехпроводной цепи с нейтральным проводом последовательно включены активные, индуктивные и емкостные сопротивления. Сопротивления во всех фазах одинаковы и равны: активные 8 Ом, индуктивные 12 Ом, емкостные 6 Ом. Линейное напряжение сети 220 В. Определить фазные токи.

Задача № 34

Индуктивный потребитель мощностью 4,8 кВт соединен треугольником и подключен к трехфазной сети с линейным напряжением 380 В и частотой 50 Гц. Коэффициент мощности потребителя равен 0,8. Определить линейный ток.

Задача № 35

К источнику трехфазной сети с линейным напряжением Uл =380 В и частотой f = 50 Гц подключена равномерная нагрузка, соединенная звездой, с полным сопротивлением в фазе 90Ом и индуктивностью L = 180 мГн. Определить активную, реактивную и полную мощности, коэффициент мощности, действующие значения линейного тока и напряжения. Построить векторную диаграмму токов и напряжений.

Решение.

Реактивное сопротивление в фазе

Активное сопротивление в фазе

R = (Z 2 — XL 2 ) 1/2 = 70 Ом.

Коэффициент мощности катушки

Мощности, потребляемые нагрузкой:

Векторная диаграмма токов и напряжений представлена на рисунке:

Задача № 36

К трехфазной четырехпроводнрй сети с дей­ствующим значением линейного напряжения Uл= 380 В и частотой f = 50 Гц подключен приемник энергии, соединенный звездой. В фазу А включена катушка с индуктивностью L = 0,18 Гн и активным сопротивлением RA = 80 Ом, в фазу В -резистор сопротивлением RB = 69 Ом, в фазу С — конденсатор емкостью С = 30 мкФ с последова­тельно соединенным резистором сопротивлением RC = 40 Ом. Определить действующие значения линей­ных и фазных токов, полную потребляемую нагруз­кой мощность.

Решение.

в фазе С: ZC = (RC 2 + XC 2 ) 1/2 = 110 Ом.

Коэффициенты мощности в фазах:

Полная мощность нагрузки: S = (P 2 + Q 2 ) 1/2 = 1280 В×А

Задача № 37

В трехфазную сеть с действующим значением линейного напряжения 220 В и частотой 50 Гц включен потребитель, соединенный тре­угольником и имеющий равномерную нагрузку, со­стоящую из катушки с индуктивностью L = 0,3 Гн и последовательно включенного с ней резистора с активным сопротивлением 20 Ом в каждой фазе. Определить действующие значения линейных и фаз­ных токов, фазное напряжение, потребляемую полную, активную и реактивную мощности.

Решение.

Полное сопротивление нагрузки в фазе

Z = (R 2 + XL 2 ) 1/2 = 96 Ом.

Коэффициент мощности: cosj = R /Z = 0,208;

Активная: P = 3Uф Iф cosj = 317 Вт.

Реактивная: Q = 3Uф Iф sinj = 1470 вар.

Трансформатор

Задача № 38

Трехфазный трансформатор, обмотки которого соединены способом «звезда‑звезда», имеет следующие характеристики: потери холостого хода 140 Вт, потери в режиме короткого замыкания 650 Вт. Трансформатор отдает в нагрузку активную мощность 6000 Вт. Коэффициент загрузки трансформатора 0,8. Определить КПД трансформатора.

Задача № 39

Номинальное напряжение первичной обмотки трехфазного трансформатора, обмотки которого соединены способом «звезда‑звезда», равно10 кВ. Амплитудное значение магнитной индукции в сердечнике трансформатора 1,6 Тл, площадь поперечного сечения магнитопровода трансформатора 25см 2 , вторичная обмотка содержит 65 витков. Линейный коэффициент трансформации равен 15. Найдите частоту переменного тока в сети.

Задача № 40

Обмотки трехфазного трансформатора соединены способом «звезда‑звезда». Трансформатор имеет следующие характеристики: U = 690 В, Bm = 1,3 Тл, N2 = 70 витков. Частота переменного тока в сети 100 Гц. Определите площадь поперечного сечения магнитопровода.

Задача № 41

Трехфазный трансформатор характеризуется следующими параметрами: номинальный ток вторичной обмотки 87 А, потери холостого хода трансформатора 800 Вт, потери короткого замыкания 4000 Вт, КПД трансформатора 0,92. Рабочий ток во вторичной обмотке равен 71 А. Какая активная мощность передается нагрузке от трансформатора?

Задача № 42

Трехфазный трансформатор характеризуется следующими параметрами: полная мощность трансформатора 160 кВ×А, потери короткого замыкания 3000 Вт, КПД трансформатора 0,95. Трансформатор отдает нагрузке активную мощность 100 кВт. Коэффициент мощности нагрузки 0,85. Чему равны потери холостого хода?

Задача № 43

Чему равна полная мощность трехфазного трансформатора с номинальным током вторичной обмотки 91 А, если нагрузке с коэффициентом мощности 0,75 передается активная мощность 1000 кВт? Рабочий ток при этом равен 80 А.

Асинхронные двигатели

Задача № 44

Три катушки обмотки статора асинхронного двигателя питаются трехфазным током частотой 50 Гц. Частота вращения ротора 2850 об/мин. Найдите скольжение.

Задача № 45

Скольжение асинхронного двигателя 5 %; частота питающей сети 50 Гц; число пар полюсов вращающегося магнитного поля р = 1. Найдите частоту вращения ротора.

Задача № 46

Определить число полюсов у статора обмотки асинхронного трехфазного двигателя, имеющего номинальную частоту вращения 750 об/мин.

Задача № 47

Частота питающего тока 50 Гц. Найдите скорость вращения четырехполюсного вращающегося магнитного поля в об/мин.

Задача № 48

Чему равна сумма потерь асинхронного двигателя при КПД 90%, если он потребляет активную мощность 20 кВт?

Задача № 49

Определите КПД асинхронного двигателя, если потери энергии в нем 5 кВт, а потребляемая из сети мощность 25 кВт.

Источник

Цепь переменного тока с индуктивностью

Дата публикации: 30 марта 2015 .
Категория: Статьи.

В статье «ЭДС самоиндукции и индуктивность цепи» говорится, что при включении и при всяком изменении тока в электрической цепи вследствие пересечения проводника своим же собственным магнитным полем в нем возникает индуктированная электродвижущая сила (ЭДС). Эту ЭДС мы назвали ЭДС самоиндукции. ЭДС самоиндукции имеет реактивный характер. Так, например, при увеличении тока в цепи ЭДС самоиндукции будет направлена против ЭДС источника напряжения, и поэтому ток в электрической цепи не может установиться сразу. И, наоборот, при уменьшении тока в цепи индуктируется ЭДС самоиндукции такого направления, что, мешая току исчезать, она поддерживает этот убывающий ток.

Как нам уже известно, ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока в цепи и от индуктивности этой цепи (числа витков, наличия стальных сердечников).

В цепи переменного тока ЭДС самоиндукции возникает непрерывно, так как ток в цепи непрерывно изменяется.

На рисунке 1 представлена схема цепи переменного тока, содержащей катушку с индуктивностью L без стального сердечника. Для простоты будем считать сначала, что активное сопротивление катушки очень мало и им можно пренебречь.

Рассмотрим внимательнее изменение переменного тока за время одного периода. На рисунке 2 показана кривая изменения переменного тока. Первая половина периода разбита на мелкие одинаковые части.

Рисунок 2. Определение скорости изменения переменного тока

Читайте также:  Калькулятор расчета сечения проводника по току

За промежуток времени 1 величина тока изменилась от нуля до 11’. Прирост величины тока за это время равен а.

За время, обозначенное отрезком 12, мгновенная величина выросла до 22’, причем прирост величины тока равен б.

В течение времени, обозначенного отрезком 23, ток увеличивается до 33’, прирост тока показывает отрезок в и так далее.

Так, с течением времени переменный ток возрастет до максимума (при 90°). Но, как видно из чертежа, прирост тока делается все меньше и меньше, пока, наконец, при максимальном значении тока этот прирост не станет равным нулю.

При дальнейшем изменении тока от максимума до нуля убыль величины тока становится все больше и больше, пока, наконец, около нулевого значения ток, изменяясь с наибольшей скоростью, не исчезнет, но тут же появляется вновь, протекая в обратном направлении.

Рассматривая изменение тока в течение периода, мы видим, что с наибольшей скоростью изменяется ток около своих нулевых значений. Около максимальных значений скорость изменения тока падает, а при максимальном значении тока прирост его равен нулю. Таким образом, переменный ток меняется не только по величине и направлению, но также и по скорости своего изменения. Переменный ток, проходя по виткам катушки, создает переменное магнитное поле. Магнитные линии этого поля, пересекая витки своей же катушки, индуктируют в них ЭДС самоиндукции.

На рисунке 3 кривая i показывает изменение переменного тока в катушке. Как было уже указано, величина ЭДС самоиндукции зависит от скорости изменения тока и от индуктивности катушки. Но так как индуктивность катушки в нашем случае остается без изменения, ЭДС самоиндукции будет зависеть только от скорости изменения тока. Выше было показано, что наибольшая скорость изменения тока имеет место около нулевых значений тока. Следовательно, наибольшее изменение ЭДС самоиндукции имеет те же моменты.

Рисунок 3. ЭДС самоиндукции в катушке, включенной в цепь переменного тока

В момент а ток резко и быстро увеличивается от нуля, а поэтому, как следует из вышеприведенной формулы, ЭДС самоиндукции (кривая eL) имеет отрицательное максимальное значение. Так как ток увеличивается, то ЭДС самоиндукции по правилу Ленца должна препятствовать изменению (здесь увеличению) тока. Поэтому ЭДС самоиндукции при возрастании тока будет иметь направление, обратное току (положение б), что следует также из указанной формулы. Скорость изменения тока по мере приближения его к максимуму уменьшается. Поэтому ЭДС самоиндукции также уменьшается, пока, наконец, при максимуме тока, когда изменения его будут равны нулю, она не станет равной нулю (положение в).

Переменный ток, достигнув максимума, начинает убывать. По правилу Ленца ЭДС самоиндукции будет мешать току убывать и, направленная уже в сторону протекания тока, будет его поддерживать (положение г).

При дальнейшем изменении переменный ток быстро убывает до нуля. Резкое уменьшение тока в катушке повлечет за собой также быстрое уменьшение магнитного поля и в результате пересечения магнитными линиями витков катушки в них будет индуктироваться наибольшая ЭДС самоиндукции (положение д).

Ток в катушке опережает ЭДС самоиндукции по фазе на 90°

Во вторую половину периода изменения тока картина повторяется и снова при возрастании тока ЭДС самоиндукции будет мешать ему, имея направление, обратное току (положение е).

При убывании тока ЭДС самоиндукции, имея направление в сторону тока, будет поддерживать его, не давая ему исчезнуть сразу (положение з).

На рисунке видно, что ЭДС самоиндукции отстает по фазе от тока на 90° или на ¼ периода. Так как магнитный поток совпадает по фазе с током, то можно сказать, что ЭДС, наводимая магнитным потоком, отстает от него по фазе на 90° или на ¼ периода.

Нам уже известно, что две синусоиды, сдвинутые одна относительно другой на 90°, можно изобразить векторами, расположенными под углом 90° (рисунок 4).

Так как ЭДС самоиндукции в цепях переменного тока непрерывно противодействует изменениям тока, то, чтобы дать возможность току протекать по виткам катушки, напряжение сети должно уравновешивать ЭДС самоиндукции. Иными словами, напряжение сети в каждый момент времени должно быть равно и противоположно ЭДС самоиндукции.

Приложенное к катушке напряжение сети опережает ток на 90° и противоположно ЭДС самоиндукции

Вектор напряжения сети, равный и противоположный ЭДС самоиндукции eL, мы обозначим через U (рисунок 5). Только при условии, что к зажимам катушки будет приложено напряжение сети, равное и противоположное ЭДС самоиндукции, и, стало быть, это напряжение сети U уравновесит ЭДС самоиндукции eL, по катушке сможет проходить переменный ток I.

Но в этом случае напряжение сети U будет опережать по фазе ток I на 90°.

Таким образом, в цепях переменного тока ЭДС самоиндукции, возникая непрерывно, вызывает сдвиг фаз между током и напряжением. Возвращаясь к рисунку 3, мы видим, что ток i по катушке будет проходить и тогда, когда напряжение сети (кривая uL) равно нулю (положение в), и даже тогда, когда напряжение сети направлено в сторону, обратную току (положение г и з).

Итак отметим, что в цепи переменного тока, когда ЭДС самоиндукции отсутствует, напряжение сети и ток совпадают по фазе. Индуктивная же нагрузка в цепях переменного тока (обмотки электродвигателей и генераторов, обмотки трансформаторов, индуктивные катушки) всегда вызывает сдвиг фаз между током и напряжением.

Можно показать, что скорость изменения тока пропорциональна угловой частоте ω. Следовательно, действующее значение ЭДС самоиндукции eL может быть найдено по формуле:

Как было отмечено выше, напряжение, приложенное к зажимам цепи, содержащей индуктивность, в каждый момент времени должно быть по величине равно ЭДС самоиндукции:

Формула закона Ома для цепи переменного тока, содержащего индуктивность, будет такова:

Величина xL называется индуктивным сопротивлением цепи, или реактивным сопротивлением индуктивности, и измеряется в омах. Таким образом, реактивное индуктивное сопротивление представляет собой своеобразное препятствие, которое оказывает цепь изменениям тока в ней. Оно равно произведению индуктивности на угловую частоту. Формула индуктивного сопротивления имеет вид:

Индуктивное сопротивление проводника зависит от частоты переменного тока и индуктивности проводника. Поэтому индуктивное сопротивление катушки, включаемой в цепь токов различной частоты, будет различным. Например, если имеется катушка индуктивностью 0,05 Гн, то путем расчета индуктивного сопротивления выяснится, что в цепи частотой 50 Гц ее индуктивное сопротивление будет:

а в цепи тока частотой 400 Гц

Та часть напряжения сети, которая идет на преодоление (уравновешивание) ЭДС самоиндукции, называется индуктивным падением напряжения или реактивной слагающей напряжения.

Рассмотрим теперь, какая мощность потребляется от источника переменного напряжения, если к его зажимам подключена индуктивность.

Кривые мгновенных значений напряжения, тока и мощности для цепи, содержащей индуктивность

Рисунок 6. Кривые мгновенных значений напряжения, тока и мощности для цепи, содержащей индуктивность

На рисунке 6 даны кривые мгновенных значений напряжения, тока и мощности для этого случая. Мгновенное значение мощности равно произведению мгновенных значений напряжения и тока:

Из чертежа видно, что если u и i имеют одинаковые знаки, то кривая p положительная и располагается выше оси ωt. Если же u и i имеют разные знаки, то кривая p отрицательна и располагается ниже оси ωt.

В первую четверть периода ток, а в месте с ним и магнитный поток катушки увеличиваются. Катушка забирает из сети мощность. Площадь, заключенная между кривой p и осью ωt, есть работа (энергия) электрического тока. За первую четверть периода энергия, забираемая из сети, идет на создание магнитного поля вокруг витков катушки (мощность положительная). Количество энергии, запасаемое в магнитном поле за время роста тока, можно определить по формуле:

За вторую четверть периода ток убывает. ЭДС самоиндукции, которая в первую четверть периода стремилась помешать возрастанию тока, теперь, когда ток начинает уменьшаться, будет мешать ему уменьшаться. Сама катушка становится как бы генератором электрической энергии. Она возвращает в сеть энергию, запасенную в ее магнитном поле. Мощность отрицательна, и на рисунке 6 кривая p располагается ниже оси ωt.

За вторую половину периода явление повторяется. Таким образом, между источником переменного напряжения и катушкой, содержащей индуктивность, происходит обмен мощностью. В течение первой и третьей четвертей периода мощность поглощается катушкой, в течение второй и четвертой мощность возвращается источнику.

В этом случае, в среднем, расхода мощности не будет, несмотря на то, что на зажимах цепи есть напряжение U и в цепи протекает ток I.

Тот же результат мы получим, если вычислим среднюю или активную мощность по формуле, приведенной выше:

В нашем случае между напряжением и током существует сдвиг фаз, равный 90°, и cos φ = 90° = 0.

Поэтому активная мощность также равна нулю, то есть расхода мощности нет.

Источник: Кузнецов М. И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560 с.

Источник

Методические указания к решению задач. Задача 1. В цепь синусоидального тока напряжением U = 100 В и частотой f = 50 Гц включена катушка с активным сопротивлением R = 4 Ом и индуктивным XL = 5

Задача 1. В цепь синусоидального тока напряжением U = 100 В и частотой f = 50 Гц включена катушка с активным сопротивлением R = 4 Ом и индуктивным XL = 5 Ом.

Читайте также:  Назначение генератора переменного тока кратко

Определить: Ток в катушке; коэффициент мощности; полную, активную и реактивную мощности; емкость, при которой в цепи наступит резонанс токов; построить векторную диаграмму.

1. Определяем полное сопротивление индуктивной катушки:

2. Ток в катушке определяем по закону Ома: I= U/Z = 100/6,4= 15,6 А.

3. Определяем коэффициент мощности: соsj = R/Z = 4/6,4 = 0,625

4. Угол сдвига фаз между током I и напряжением U:

j = arcсоs R/Z = arcсоs 4/6,4 = arcсоs 0,625 = 51 о .

5. Полная мощность S = UI = 100×15,6 = 1560 ВА.

6. Активная мощность Р = UI соsj =100×15,6 ×0,625 = 975 Вт.

7. Реактивная мощность Q= UI sinj = 100×15,6 ×0,78 = 1217,5 ВАр.

8. Резонанс токов происходит в цепях с параллельным соединением индуктивной катушки и емкости при условии равенства их реактивных проводимостей bL = bC. Определим реактивную проводимость индуктивной катушки по формуле:

Так как проводимость емкости равна bC = 1/ХС = = wС, то емкость конденсатора, при которой произойдет резонанс токов, равна:

С = bC/w = bC/2pf = 0,122/2×3,14×50 = 0,0003885Ф = 388,5 мкФ.

9. Для построения векторной диаграммы определим напряжения на активном и реактивном сопротивлениях:

UR = IR = 15,6×4 = 62,4 В, UL = IXL = 15,6×5 = 78 В.

Выбираем масштаб: по току mI = 2 A/см, по напряжению mU = 10 В/см.

При построении векторной диаграммы первым строим вектор тока, так как он является общим при последовательном соединении элементов цепи. По направлению этого вектора строим вектор напряжения на активном сопротивлении. Под углом 90 о в сторону опережения строим вектор напряжения на индуктивности. Сумма векторов UR и UL дает вектор тока в начале электрической цепи U (рис.2.2).

Рис.2.2. Векторная диаграмма

Задача 2.Цепь переменного тока содержит различные элементы (резисторы, индуктивности, емкости), включенные последовательно. Начертить схему цепи и определить следующие величины, относящиеся к данной цепи: полное сопротивление Z; напряжение U, приложенное к цепи; ток I; угол сдвига фаз j (по величине и знаку); активную Р, реактивную Q и полную S мощности цепи. Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи и пояснить ее построение. Пояснить характер изменения (увеличится, уменьшится, останется без изменения) тока, активной и реактивной мощности в цепи при увеличении частоты тока в два раза. Напряжение, приложенное к цепи, считать неизменным.

Рис.2.3. Электрическая схема

Полное сопротивление цепи:

Напряжение, приложенное к цепи:

U = I×Z = 4×20 = 80 В.

Угол сдвига фаз:

j = аrctg = аrctg = аrctg = -53 о

Коэффициент мощности: соsj = соs53 о = 0,6

Определяем активную мощность цепи:

Р = I 2 R1 = 4 2 ×12 = 192 Вт. или Р = UIcоsj = 80×4×0,6 = 192 Вт.

Определяем реактивную мощность цепи:

Q = UIsinj = 80×4×(-0,8) = -256 вар.

Определяем полную мощность цепи:

S = = = 320 ВА или S = UI = 80×4 = 320 ВА.

Определяем падения напряжения на сопротивлениях цепи:

Построение векторной диаграммы начинаем с выбора масштаба для тока и напряжения. Задаемся масштабом по току mI = 0,5 А/см, по напряжению mU = 10 В/см. Длины векторов согласно выбранного масштаба: I = 8cм; U = 8 cм; UR = 4,8 cм; UL = 1,6 cм; UC1 = 4,8 cм; UC2 = 3,2 cм. Построение векторной диаграммы начинаем с вектора тока, который откладываем по горизонтали. Вектор падения напряжения на активном сопротивлении совпадает по фазе с вектором тока. Из конца этого вектора откладываем в сторону опережения на 90 о вектор напряжения на индуктивной катушке, а в сторону отставания на 90 о откладываем вектор напряжения на первом конденсаторе и к нему прибавляем вектор напряжения второго конденсатора. Геометрическая сумма векторов напряжений UR, UL, UC равна напряжению U, приложенному к цепи.

Рис.2.4. Векторная диаграмма

При увеличении частоты тока в два раза сопротивление индуктивного элемента цепи увеличится в два раза, а емкостных элементов уменьшится в два раза, так как XL = wL = 2pfL и XC = 1/wC = 1/2pfC, где f — частота тока. Реактивное сопротивление цепи X = XL — XС = 8-10 = 2 Ом уменьшится, следовательно уменьшится полное сопротивление цепи, а ток в цепи при неизменном напряжении увеличится. Так как ток увеличится, то активная мощность Р = I 2 R1 также увеличится. Так как реактивное сопротивление при увеличении частоты тока уменьшится, то реактивная мощность Q = I 2 Х также уменьшится.

Задача 3. Напряжение на зажимах цепи, изображенной на рис. 2.5, изменяется по закону u = Um sinwt. Амплитудное значение напряжение Um, значения активных сопротивлений R1 и R2, индуктивностей катушек L1 и L2, емкостей конденсаторов С1 и С2.

Частота питающего напряжения f= 50 Гц.

1. Определить показания приборов, указанных на схеме (см. рис.2.5).

2. Определить закон изменения тока в цепи.

3. Определить закон изменения напряжения между точками, к которым подключен вольтметр.

4. Определить активную, реактивную и полную мощности источника, активную, реактивную и полную мощности приемников. Составить и оценить баланс мощностей. Рассчитать коэффициент мощности.

5. Определить характер (индуктивность, емкость) и параметры элемента, который должен быть включен в электрическую цепь для того, чтобы в ней имел резонанс напряжений.

Дано. Um = 240 В, R1 = 10 Ом, R2 = 12 Ом, L1 = 0,01 Гн, С2 = 800 мкФ.

Рис.2.5. Электрическая схема

Определим полное сопротивление электрической цепи.

Для этого необходимо определить реактивные сопротивления индуктивной катушки и конденсатора:

Полное сопротивление: Z= = = 22,02 Ом.

Действующее значение U входного напряжения:

U = Um/ = 0,707 Um = 0,707×240 = 170 В.

Ток в цепи определим по закону Ома: I = U/Z = 170/22,02 = 7,72 А.

Угол сдвига фаз между напряжением U и током I:

j = arctg = arctg = -2,2 o

Активная мощность приемников, показываемая ваттметром:

Напряжение на конденсаторе показываемое вольтметром:

Для записи закона изменения тока в цепи найдем его амплитудное значение:

Im = I = 1,41×7,72 = 10,9 А,

тогда закон изменения тока в цепи:

i = Imsin(wt+j) = 10,9 sin(314t+2,2 o ).

Закон изменения напряжения на конденсаторе UС2:

uC2 = UmC2 sin(wt-j) = UC2 sin(wt-j) = 30,88×1,41×sin(314t-90 o ) = 43,5×sin(314t-90 o ).

Полная мощность источника: Sист = UI= 170×7,72 = 1312,4 ВА

Активная мощность источника:

Рист = UIcosj = 170×7,72×cos2,2 o = 1311,4 Вт.

Реактивная мощность источника:

Qист= UIsinj= 170×7,72×sin2,2 o =-50,4 ВАр.

Активная мощность приемников: Рпр =rI 2 = 1311,2 Вт.

Реактивная мощность приемников:

Полная мощность приемников:

Sпр = = = 1312,2 ВА.

Баланс мощностей источника и приемников электрической энергии:

Sист = 1312,4 » Sпр = 1312,2 ВА. Рист = 1311,4 » Рпр = 1311,2 Вт.

Коэффициент мощности: cosj = Рпр/Sпр = 1311,2/1312,2 = 0,999.

Резонанс напряжений имеет место в последовательной цепи R, L, C в том случае, если общее реактивное сопротивление цепи равно нулю, т.е. при XL = -XC. Для получения резонанса напряжений в цепь необходимо добавить индуктивную катушку с сопротивлением равным

Задача 4.Цепь переменного тока содержит различные элементы (резисторы, индуктивности, емкости), образующие две параллельные ветви. Схема цепи приведена на рис.2.6. Индекс «1» у дополнительного параметра означает, что он относится к первой ветви; индекс «2»- ко второй.

Начертить схему цепи и определить следующие величины: токи I1 и I2 в обоих ветвях; ток I в неразветвленной части цепи; напряжение U, приложенное к цепи; активную Р, реактивную Q и полную S мощности для всей цепи. Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи.

Каким образом в заданной цепи можно получить резонанс токов? Если цепь не позволяет достигнуть резонанса токов, то пояснить, какой элемент надо дополнительно включить в цепь для этого. Начертить схему такой цепи.

а) б)

Рис.2.6. Параллельное соединение ветвей

Полное сопротивление второй ветви:

Активная проводимость второй ветви: q2 = = = 0,16 См.

Реактивная проводимость второй ветви: b2 = = = 0,12 См

Угол сдвига фаз второй ветви: j2 = аrccos = аrccos = 37 o

Коэффициент мощности: соs j2 = = = 0,8

Ток второй ветви определим из формулы Р2 = I2 2 R2:

Напряжение U, приложенное к цепи: U = Р/Icosj = 16/2×0,8 = 10 В.

Ток первой ветви: I1 = U/R1 = 10/2 = 5 А.

Активный ток второй ветви: Ia2 = I2 cosj2 = 2×0,8 = 1,6 А.

Реактивный ток второй ветви: Iр2 = I2 sinj2 = 2× sin37 o = 2×0,6 = 1,2 А.

Ток I в неразветвленной части цепи:

Активная мощность первой ветви: Р1 = R1I1 2 = 2×5 2 = 50 Вт.

Реактивная мощность второй ветви: Q2 = XL2I2 2 = 3×2 2 = 12 ВАр.

Полная мощность электрической цепи:

Или S = UI = 10×6,7 = 67 ВА.

В электрической цепи с параллельными ветвями можно получить резонанс токов при условии равенства реактивных проводимостей в первой и второй ветвях, содержащих в одной ветви индуктивную катушку, а в другой конденсатор. Для получения резонанса токов в заданной электрической схеме необходимо в первой ветви добавить конденсатор, согласно рис.2.6 (б).

Для построения векторной диаграммы выбираем масштаб: по току

mI = 1 A/см, по напряжению mU = 1 В/см.

Первым строим вектор напряжения, так как он является общим для параллельных ветвей. По направлению этого вектора откладываем вектор тока первой ветви I1. Под углом 37 о в сторону отставания от напряжения строим вектор тока второй ветви I2, который получается сложением векторов активного и реактивного токов второй ветви. Сложение векторов тока первой и второй ветви дают вектор тока в неразветвленном участке цепи I.

Источник