40798

Линейные электрические цепи при несинусоидальных периодических токах

Лекция

Физика

Линейные электрические цепи при несинусоидальных периодических токах. Причины возникновения несинусоидальных напряжений и токов могут быть обусловлены или несинусоидальностью источника питания или и наличием в цепи хотя бы одного нелинейного элемента. Кроме того в основе появления несинусоидальных токов могут лежать элементы с периодически изменяющимися параметрами. Характеристики несинусоидальных величин Для характеристики несинусоидальных периодических переменных служат следующие величины и коэффициенты приведены на примере...

Русский

2013-10-22

64.74 KB

11 чел.

Лекция 18. Линейные электрические цепи при несинусоидальных периодических токах.

Предыдущие лекции были посвящены анализу электрических цепей при синусоидальных токах и напряжениях. На практике ЭДС и токи в большей или меньшей степени являются несинусоидальными. Это связано с тем, что реальные генераторы не обеспечивают, строго говоря, синусоидальной формы кривых напряжения, а с другой стороны, наличие нелинейных элементов в цепи обусловливает искажение формы токов даже при синусоидальных ЭДС источников.

На практике к несинусоидальности напряжений и токов следует подходить двояко:

  1.  в силовой электроэнергетике несинусоидальные токи обусловливают в общем случае дополнительные потери мощности, пульсации момента на валу двигателей, вызывают помехи в линиях связи; поэтому здесь необходимо «всеми силами» поддержание синусоидальных режимов;
  2.  в цепях автоматики и связи, где несинусоидальные токи и напряжения лежат в основе принципа действия электротехнических устройств, задача наоборот заключается в их усилении и передаче с наименьшими искажениями.

В общем случае характер изменения величин может быть периодическим, почти периодическим и непериодическим. В данном разделе будут рассматриваться цепи только с периодическими переменными.

Периодическими несинусоидальными величинами называются переменные, изменяющиеся во времени по периодическому несинусоидальному закону. Причины возникновения несинусоидальных напряжений и токов могут быть обусловлены или несинусоидальностью источника питания или (и) наличием в цепи хотя бы одного нелинейного элемента. Кроме того, в основе появления несинусоидальных токов могут лежать элементы с периодически изменяющимися параметрами.

В качестве примера на рис. 1,а представлена цепь с нелинейным резистором (НР), нелинейная вольт-амперная характеристика (ВАХ) которого обусловливает несинусоидальную форму тока i в цепи при синусоидальном напряжении u на ее входе (см. рис. 1,б).

Характеристики несинусоидальных величин

Для характеристики несинусоидальных периодических переменных служат следующие величины и коэффициенты (приведены на примере периодического тока):

  1.  Максимальное значение - .
  2.  Действующее значение - .
  3.  Среднее по модулю значение - .
  4.  Среднее за период значение (постоянная составляющая) - .
  5.  Коэффициент амплитуды (отношение максимального значения к действующему) - .
  6.  Коэффициент формы (отношение действующего значения к среднему по модулю) - .
  7.  Коэффициент искажений (отношение действующего значения первой гармоники к действующему значению переменной) - .
  8.  Коэффициент гармоник (отношение действующего значения высших гармонических к действующему значению первой гармоники) - .

 

Разложение периодических несинусоидальных
кривых в ряд Фурье

Из математики известно, что всякая периодическая функция , где Т – период, удовлетворяющая условиям Дирихле, может быть разложена в тригонометрический ряд. Можно отметить, что функции, рассматриваемые в электротехнике, этим условиям удовлетворяют, в связи с чем проверку на их выполнение проводить не нужно.

При разложении в ряд Фурье функция представляется следующим образом:

 

  .

(1)

Здесь  - постоянная составляющая или нулевая гармоника;  - первая (основная) гармоника, изменяющаяся с угловой частотой , где Т – период несинусоидальной периодической функции.

В выражении (1) , где коэффициенты  и  определяются по формулам

;

.

Свойства периодических кривых, обладающих симметрией

Коэффициенты ряда Фурье для стандартных функций могут быть взяты из справочной литературы или в общем случае рассчитаны по приведенным выше формулам. Однако в случае кривых, обладающих симметрией, задача существенно упрощается, поскольку из их разложения выпадают целые спектры гармоник. Знание свойств таких кривых позволяет существенно сэкономить время и ресурсы при вычислениях.

  1.  Кривые, симметричные относительно оси абсцисс.

К данному типу относятся кривые, удовлетворяющие равенству  (см. пример на рис. 2). В их разложении отсутствуют постоянная составляющая и четные гармоники, т.е. .

  1.  Кривые, симметричные относительно оси ординат.

К данному типу относятся кривые, для которых выполняется равенство  (см. пример на рис. 3). В их разложении отсутствуют синусные составляющие, т.е. .

  1.  Кривые, симметричные относительно начала координат.

К этому типу относятся кривые, удовлетворяющие равенству  (см. пример на рис. 4). При разложении таких кривых отсутствуют постоянная и косинусные составляющие, т.е. .

Действующее значение периодической несинусоидальной переменной

Как было показано выше, действующим называется среднеквадратичное за период значение величины:

.

При наличии аналитического выражения функции i(t) и возможности взятия интеграла от ее квадрата действующее значение i(t) определяется точно. Однако в общем случае на практике действующее значение переменной определяется на основе информации о  действующих значениях конечного ряда гармонических.

Пусть . Тогда

Очевидно, что каждый из интегралов от тригонометрических функций в последнем выражении равен нулю. Таким образом,

или

.

Аналогичные выражения имеют место для ЭДС, напряжения и т.д.

 

Мощность в цепях периодического несинусоидального тока

Пусть  и .

Тогда для активной мощности можно записать

.

Как было показано при выводе соотношения для действующего значения несинусоидальной переменной, среднее за период значение произведения синусоидальных функций различной частоты равно нулю. Следовательно,

,

где .

Таким образом, активная мощность несинусоидального тока равна сумме активных мощностей отдельных гармонических:

.

Аналогично для реактивной мощности можно записать

.

Полная мощность

,

где Т – мощность искажений, определяемая произведениями действующих значений разнопорядковых гармонических тока и напряжения.

Методика расчета линейных цепей при периодических несинусоидальных токах

Возможность разложения периодических несинусоидальных функций в ряд Фурье позволяет свести расчет линейной цепи при воздействии на нее несинусоидальных ЭДС (или токов) источников к расчету цепей с постоянными и синусоидальными токами в отдельности для каждой гармоники. Мгновенные значения искомых токов и напряжений определяются на основе принципа наложения путем суммирования найденных при расчете гармонических составляющих напряжений и токов. В соответствии с вышесказанным цепь на рис. 5 при воздействии на нее ЭДС

(при расчете спектр рассматриваемых гармоник ограничивается) в расчетном плане представляется суммой цепей на рис. 6.

Здесь .

Тогда, например, для тока в ветви с источником ЭДС, имеем

,

где каждая к-я гармоника тока рассчитывается символическим методом по своей к-й расчетной схеме. При этом (поверхностный эффект не учитывается) для всех гармоник параметры  и С постоянны.

;

.

Необходимо помнить, что ввиду различия частот суммировать комплексы различных гармоник недопустимо.

Таким образом, методика расчета линейных цепей при несинусоидальных токах сводится к следующему:

  1.  ЭДС и токи источников раскладываются в ряды Фурье.
  2.  Осуществляется расчет цепи в отдельности для каждой гармонической.
  3.  Искомые величины определяются как алгебраические суммы соответствующих гармонических.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

27010. Реляционные языки 95.5 KB
  Например составьте список все студентов со средним баллом превышающим 4 σSRBAL 4STUDENT Проекция операция над одним отношением. Например создать список среднего балла студентов с указанием атрибутов FIO NGR SRBAL ПFIONGRSRBALSTUDENT.Получить список номеров читателей которые в срок не сдали книги 6.Получить список книг которые ни разу не брали читатели 8.
27011. Построение запросов с использованием обобщающих функций 86 KB
  Таблица 3: onum номер заявки amt сумма заявкиodate дата cnum номер покупателя snun номер продавца Чтобы найти сумму на которую сделаны заявки: SELECT SUMamt FROM Orders; Подсчитать число продавцов имеющих заказы: SELECT COUNTDISTINCT snum FROM Orders; Результат: 5. Подсчитать количество читателей имеющих отчество Иванович Подсчитать количество книг которое числится за каждым читателем Отыскать читателя который взял максимальное число книг. Подсчитать общее число экземпляров книг издательства Мир Подсчитать...
27012. Создание и использование представлений 77 KB
  Введение в представления. В отличии от них представления это таблицы которые содержат данные других таблиц. В действительности представления это запросы выполняемые всякий раз когда представление является объектом команды. Например: CREATE VIEW СотрудникиМН AS SELECT FROM СОтрудники WHERE №отд = ‘О2; В результате создается представление СотрудникиМН с этим представлением можно выполнять любые операции то есть формировать запросы удалять вставлять соединять с другими таблицами и представлениями.
27013. Учет расчетов с подотчетными лицами 14.51 KB
  В бухгалтерском учете операции с подотчетными лицами отражаются следующими проводками: 1 выдан аванс на командировочные расходы: Дебет счета 71 Расчеты с подотчетными лицами Кредит счета 50 Касса; 2 отражены расходы по найму жилого помещения без учета НДС: Дебет счета 44 Расходы на продажу Кредит счета 71 Расчеты с подотчетными лицами; 3 учтена сумма НДС уплаченная за найм жилого помещения: Дебет счета 19 Налог на добавленную стоимость по приобретенным ценностям Кредит счета 71 Расчеты с подотчетными лицами; 4 возврат...
27014. Учет вложений в нефинансовые активы 15.97 KB
  Учет операций по вложениям в объекты основных средств нематериальных непроизведенных активов при их приобретении в том числе в сумме затрат связанных с выполнением научноисследовательских опытноконструкторских технологических работ отражается по дебету соответствующих счетов аналитического учета счета 010600000 Вложения в нефинансовые активы 010611310 010613330 010631310 010632320 с кредитом соответствующих счетов аналитического учета счета 010700000 Нефинансовые активы в пути 010711310 010731310 в случае приобретения объектов...
27015. Документальное оформление, оценка и учет отгрузки (отпуска) и продажи продукции, работ и услуг покупателям и заказчикам. Аналитический и синтетический учет отгрузки и реализации продукции 22.19 KB
  Аналитический и синтетический учет отгрузки и реализации продукции.Учет готовой продукции осуществляется в количественных и стоимостных показателях. Оценка готовой продукции ГП учитывается по фактическим затратам связанным с ее изготовлением по фактической производственной себестоимости включающей затраты связанные с использованием в процессе производства ос сырья материалов топлива энергии трудовых ресурсов и других затрат на производство продукции.
27016. Система нормативного регулирования бюджетного учета 14.8 KB
  Система нормативного регулирования бюджетного учета Бухгалтерский учет упорядоченная система сбора регистрации и обобщения информации в денежном выражении об имуществе обязательствах организаций и их движении путем сплошного непрерывного и документального учета всех хозяйственных операций. Бюджетный учет представляет собой упорядоченную систему сбора регистрации и обобщения информации в денежном выражении о состоянии финансовых и нефинансовых активов и обязательств Российской Федерации субъектов Российской Федерации и муниципальных...
27017. Анализ состояния и использования ОФ 18.16 KB
  Анализ состояния и использования ОФ Задачами анализа состояния и эффективности использования основных производственных фондов являются: установление обеспеченности предприятия и его структурных подразделений основными фондами соответствия величины состава и технического уровня фондов потребности в них; выяснение выполнения плана их роста обновления и выбытия; изучение технического состояния основных средств и особенно наиболее активной их части машин и оборудования; определение степени использования основных ...
27018. Аудиторские доказательства 13.93 KB
  Аудиторские доказательства Аудиторские доказательства это информация полученная аудитором при проведении проверки и результаты анализа указанной информации на которых основывается мнение аудитора. К аудиторским доказательствам относятся первичные документы и бухгалтерские записи являющиеся основой финансовой бухгалтерской отчетности а также письменные разъяснения уполномоченных сотрудников аудируемого лица и информация полученная из различных источников от третьих лиц. ОЦЕНКА Аудитор должен выбрать и выполнить уместные в рамках...