Последовательное соединение индуктивности и активного сопротивления, активная и реактивная составляющая напряжения, треугольник сопротивлений.

В общем случае в цепях переменного тока обычно имеются все виды сопротивлений: активное, индуктивное и емкостное. Например, электрические двигатели переменного тока могут быть представлены эквивалентной схемой, состоящей из индуктивного сопротивления имеющихся в нем катушек и активного сопротивления образующих эти катушки проводов. Воздушные линии элек-

Рис. 192. Схема цепи переменного тока, содержащей последовательно включенные активное, индуктивное и емкостное сопротивления (а), векторные диаграммы (б и а), кривые тока и напряжения и (г)

тропередачи или кабельные линии обычно представляют в виде совокупности активного, индуктивного и емкостного сопротивлений. Активное сопротивление обусловлено сопротивлением электрических проводов, индуктивное — индуктивностью линии, а емкостное — емкостью, возникающей между отдельными проводами, между проводами и землей или же между отдельными жилами кабеля и между жилами кабеля и его оболочкой.

Расчет электрических цепей переменного тока существенно отличается от расчета цепей постоянного тока, так как при переменном токе в активном, индуктивном и емкостном сопротивлениях имеют место различные сдвиги фаз между токами и напряжениями.

Ток, напряжение и полное сопротивление. При последовательном включении в цепь переменного тока активного R, индуктивного X_L и емкостного Х_с сопротивлений (рис. 192, а) к ним приложены напряжения: активное u_a=iR, индуктивное u_L = iX_L и емкостное u_c=iX_c. Мгновенное значение напряжения и, приложенного к данной цепи, согласно второму закону Кирхгофа равно алгебраической сумме напряжений:

u = u_a + u_L + u_c

Но для действующих значений эта формула неприменима, так как между всеми указанными напряжениями имеется сдвиг по фазе (амплитудные значения этих напряжений не совпадают по

Рис. 193. Треугольник со противлении

времени). Чтобы учесть сдвиг по фазе между напряжениями u_а, u_L и u_c. осуществляют сложение их векторов:

? =?_a +?_L +?_C

Для этого строят векторную диаграмму, на которой откладывают в определенном масштабе векторы тока? и напряжений?_a,?_L,?_C. Из этих напряжений первое совпадает по фазе с током, второе опережает его на 90°. Векторная диаграмма (рис. 192,б) построена для цепи, в которой индуктивное сопротивление X_L больше емкостного X_c (вектор?_L, больше вектора?_C.), а рис. 192, в — для цепи, в которой X_L меньше Хс (вектор?_L, меньше вектора?_C). Вектор напряжения U является замыкающим — он сдвинут по фазе относительно вектора тока? на некоторый угол?. Напряжение U (действующее значение) может быть определено из треугольника ЛВС по теореме Пифагора:

U =?(U²_a + (U_L – U_c)²)

Таким образом, из-за наличия угла сдвига фаз? напряжение U всегда меньше алгебраической суммы U_a + U_L + U_C. Разность U_L – U_C = U_p называется реактивной составляющей напряжения.

Рассмотрим, как изменяются ток и напряжение в последовательной цепи переменного тока.

В цепи, содержащей все три вида сопротивления, ток i и напряжение и оказываются сдвинутыми по фазе на некоторый угол ср (рис. 192, г), при этом 0<?<90°.

Напряжение на зажимах цепи равно сумме падений напряжения на отдельных участках цепи: активного падения напряжения н падений напряжений иа индуктивном и емкостном сопротивлениях.

Напряжения U_L и U_c сдвинуты между собой по фазе на полпериода (180°). Поэтому при геометрическом сложении векторов они взаимно вычитаются.
Из векторной диаграммы находим:

 

т . е. цепь будет вести себя так, как будто она содержит только одно активное сопротивление. При этом ток и напряжение сети совпадают по фазе. Этот случай называется резонансом напряжений. График и векторная диаграмма для резонанса напряжений показаны на фиг. 164. Условием резонанса напряжений является равенство

 

Поэтому резонанс напряжений может наступить:
1) если при постоянной индуктивности емкость меняется и становится равной:

2) если при постоянной емкости меняется индуктивность и становится равной:

3) если изменение обеих величин L и С приводит к равенству:

 

4) если, наконец, угловая частота сети, изменяясь, становится равной:

 

Активная мощность приемника P=UIcosj характеризует интенсивность потребления им энергии и зависит от режима его работы.

Реактивная мощность приемника Q=UIsinj характеризует интенсивность обмена энергией между электромагнитным полем приемника и остальной цепью. Эта мощность положительна при индуктивном характере приемника () и отрицательна при емкостном характере (). В промышленных условиях преобладающее большинство приемников имеют активно-индуктивный характер () и потребляют положительную реактивную мощность . Параллельное подключение к таким приемникам конденсаторов, потребляющих отрицательную реактивную мощность и, таким образом, являющихся генераторами реактивной мощности для приемников, позволяет уменьшить (компенсировать) суммарную реактивную мощность: .

Компенсация реактивной мощности позволяет при неизменной активной мощности уменьшить потребляемый от сети ток: