Введение в цифровую электронику Магнитные цепи Полупроводниковые приборы Передача дискретных сигналов Выражение мощности в комплексной форме Резонанс напряжений Преобразователи напряжения Сглаживающие фильтры

Расчетные задания курсовой по электронике и электротехнике

Синусоидальный ток.

 В практике электротехники в качестве переменного тока широкое применение нашел ток синусоидальной формы. Это обусловлено рядом преимуществ:

-генераторы синусоидального тока значительно дешевле в производстве, чем генераторы постоянного тока;

- переменный ток легко преобразуется в постоянный;

- трансформация и передача электрической энергии переменным током экономичнее чем постоянным;

-двигатели переменного тока имеют простую конструкцию, высокую надежность и невысокую стоимость.

  В настоящее время переменный ток применяется в промышленном приводе и в электроосвещении, в сельском хозяйстве и на транспорте, в технике связи и в быту. Производство электрической энергии также осуществляется на переменном токе. Огромную роль в деле внедрения переменного тока сыграли русские ученые П.Н.Яблочков и М.О.Доливо-Добровольский.

1.Основные параметры синусоидального тока

 Переменным называют ток (напряжение, ЭДС), изменяющийся во времени по величине и направлению. Синусоидальный ток может быть представлен посредством действительной функции времени - синусной и косинусной, например:

  (2.1)

где Im - максимальная амплитуда тока (амплитудное значение);

 w - угловая частота, причем ;

 f - частота колебаний [Гц];

 Т - период [C];

 ji - начальная фаза, определяет значение тока в момент времени t=0, т.е.

 i(t=0) = Im× sin ji.

 На рис. 2.1 приведен график двух колебаний с разными начальными фазами j1 и j2, причем j1 > j2. Амплитуда гармоник проходит через нуль, когда:

wt + j = pn (n = 0,1,2...), т.е. в моменты

Так как j1> j2, то t1 имеет место раньше t2:

 

 Рис.2.1

 Начальная фаза часто задается в градусах. Поэтому при определении мгновенного значения тока аргумент синуса ( слагаемые wt и j)  нужно привести к одной единице измерения (рад. или градус).

Иногда гармоническое колебание представляется в косинусной форме. Легко видеть, что для перехода к такой форме в (2.1) достаточно изменить лишь начальную фазу, т.е.:

 Промышленная частота переменного тока в России и всех странах Европы равна 50 Гц, в США и Японии - 60 Гц, в авиации - 400 Гц. Снижение частоты ниже 50 Гц ухудшает качество освещения. Увеличение частоты ухудшает условия передачи электроэнергии на большие расстояния.

 Выражение для синусоидального напряжения аналогично (2.1), т.е.:

 u(t) = Um × sin (wt + ju)  (2.2) 

 Аналогично (2.1) определяются и основные параметры напряжения.

  Кроме уже названных параметров, в практике электротехники часто пользуются понятиями среднего и действующего значений тока и напряжения. Рассмотрим их.

 Под средним значением синусоидального тока понимают его среднее значение за полпериода:

 (2.3)

 Видим, что среднее значение синусоидального тока составляет 2/p » 0,64 от амплитудного. Аналогично определяется среднее значение синусоидального напряжения

.

 Действующим называют среднее квадратичное значение синусоидального тока (напряжения) за период:

.

 Так как:

,

то:

.

 Видим, что действующее значение синусоидального тока составляет 0,707 от амплитудного. Аналогично определяется действующее значение синусоидального напряжения:

.

 Если говорят о значениях переменного тока или напряжения, то, как правило, подразумевают их действующее значения. Например, напряжение в однофазной сети переменного тока 220 В - действующее. При этом амплитудное значение Um @ 310 В.

2.Представление синусоидального тока (напряжения) радиус - вектором.

 При анализе состояния электрических цепей переменного тока возникает необходимость вычисления суммы или разности колебаний одинаковых частот, но с разными амплитудами и начальными фазами. Решать такую задачу с помощью рассмотренной формы представления (т.е. с помощью тригонометрических функций) достаточно трудно.

 Пусть нужно найти ток i(t) = i1(t) + i2(t), причем:

i1(t) = Im1× sin (w t + j1),

i2(t) = Im2× sin (w t + j2).

 Так как частоты колебаний одинаковы, то задача сводится к нахождению суммарных амплитудного значения Im и начальной фазы j. Если применить для решения известные тригонометрические преобразования, то получим:

,

 .

 Видим, что даже окончательный результат имеет громоздкий и ненаглядный вид.

 Значительное упрощение достигается применением графического метода. Векторное представление синусоидальных величин известно из тригонометрии. Синусоидальный ток (напряжение) изображается в виде радиус-вектора, вращающегося против часовой стрелки с частотой w. Длина вектора равна амплитудному значению - Im. Один оборот вектор совершает, за время периода (рис.2.2).

 Положение радиус-вектора относительно оси Х в момент начала отсчета t=0 определяется углом j. Проекция вектора на ось Y определяется выражением (2.1).

 На одной векторной диаграмме могут быть изображены векторы нескольких колебаний, например i1(t) и i2(t) (рис. 2.3). Для упрощения анализа все векторы изображаются в момент времени t=0. Тогда сумма двух векторов определится по правилу параллелограмма. Результирующий радиус-вектор также вращается относительно начала координат с частотой w, а его проекция на ось Y определяется выражением

i(t) = Im × sin (w t + j),

где j - положение суммарного вектора относительно оси Х в момент времени t=0.

  Простота решения очевидна. Однако графический метод обладает существенным недостатком - низкой точностью. Поэтому его применяют чаще всего для качественного анализа электрических цепей с помощью топографических векторных диаграмм напряжений.

  Для построения топографической векторной диаграммы в анализируемой электрической цепи выделяют несколько участков по направлению обхода. Падение напряжения на каждом участке может быть определено вектором. Устанавливая каждый последующий вектор (по направлению обхода) в точку конца предыдущего вектора получим топографическую векторную диаграмму напряжений. Вектор между любыми двумя точками этой диаграммы характеризует напряжение между соответствующими точками электрической цепи.