Квант

51

Цепи переменного тока

А. Р. ЗИЛБЕРМАН

Переменный ток (или напряжение) представляет собой вынужденные электрические колабания. Величина тока изменяется со временем по гармоничческому закону

i=Imcos⁡(ωt+φ0),i = I_m \cos(\omega t + \varphi_0),

где ImI_m — амплитуда, ω\omega — крутовая (циклическая) частота (она измеряется в радианах за секунду, а пишут просто c−1c^{-1}), φ0\varphi_0 — начальная фаза колабания. Аналогичное вынуждение можно записать и для переменного напряжения.

Пример. Запишем зависимость от времени напряжения сети: 220 В, 50 Гц. В этом случае амплитуда Um=U2=2202U_m = U \sqrt{2} = 220 \sqrt{2} В≈311 В (напомним, что U=220U = 220 В — это действующое значение напряжения), крутовая частота ω=2πv≈6,28⋅50 c−1≈314 c−1\omega = 2\pi v \approx 6,28 \cdot 50 \text{ c}^{-1} \approx 314 \text{ c}^{-1}. Пусть еще нам известно, что в момент начала отчета (t=0t=0) напряжение было равно u0=50u_0 = 50 В и убывало. Тогда мы сможем найти начальную фазу φ0\varphi_0:

u0=Umcos⁡φ0,u_0 = U_m \cos \varphi_0,

откуда φ0=arccos⁡u0Um≈1,4\varphi_0 = \arccos \frac{u_0}{U_m} \approx 1,4 рад

(подумайте сами — где мы учили убывание напряжения). Итак,

u=311cos⁡(314t+1,4).u = 311 \cos (314t + 1,4).

Видно, что надлежащим выбором начала отчета времени — а это в нашей власти — можно сделать φ0\varphi_0 каким угодно, в частности нулем. Этим часто пользовется и без спецальных оговорок записывают

u=Umcos⁡ωt.u = U_m \cos \omega t.

Расчет цепей переменного тока обычно сводится к тому, чтобы при заданном напряжении источника определить токи. Совсем просто расчитывать токи в цепях, содержащих только резисторы. В любом месте такой цепи ток изменяется «в такт» с

52

Рис. 1.

приложенным направлением, то есть отсутствует сдвиг фаз между током и направлением. Сложнее обстоит дело, если в цепи есть накопители энергии — катушки и конденсаторы. В этом случае моменты максимумов направления и токов могут и не совпадают — появляются соответствующие сдвиги фаз. Известно, например, что при включении в сеть катушки максимумы тока отстают от максимумов направления на четверть периода (сдвиг фаз π/2), а при подключении конденсатора — наоборот, опережают на четверть периода.

При расчетах в цепях постоянного тока можно просто складывать величины направления на последовательно соединенных элементы и величины токов на разветвленных участках цепи. В случае переменного тока все сложнее — амплитуда суммы не всегда равна сумме амплитуд. Например, амплитуда суммы двух токов по 1 А каждой может оказаться любой — от 0 до 2 А, нужно обозначить учитываясь сдвиги фаз. Для расчета цепей переменного тока часто применяют удобный графический метод — метод векторных диаграмм. Он основан на простой идее.

Пусть вектор A⃗0\vec{A}_0 (длиной A0A_0) врашает всяorkруг одного из своих концов против часовой стрелки с угловой скоростью ω\omega. Тогда проекция второго конца на ось XX, начало которого находится в центре врашения (рис. 1), равна x=A0cos⁡(ωt+φ0)x = A_0 \cos (\omega t + \varphi_0).

To есть получается именно та функция, которая нас интересует. (Собственно говоря, круговую часть объзачают той же буквой, что и угловую

Рис. 2.

скорость, как раз име в виду эту модель.) На этом же рисунке можно изображить еще один вектор A⃗1\vec{A}_1, соответствующий другой функции с амплитудой A1A_1 и начальной фазой φ1\varphi_1. При φ1>φ0\varphi_1 > \varphi_0 вектор A⃗1\vec{A}_1 «опережает» вектор A⃗0\vec{A}_0 на угол Δφ=φ1−φ0\Delta \varphi = \varphi_1 - \varphi_0. Важно, что A0A_0 и A1A_1 могут иметь и различную размерность (например, A0A_0 может изменяться в волтах, а A1A_1 — в амперах).

Теперь о самом метода. Что такое «векторная диаграмма»? Это чертеж, на котором изображены в виде векторов (взапнее выбранном масштабе и с учетом сдвигов фаз) направления и тoki исследуемой цепи. В рассматриваемом нами случае гармоничных колебаний (в других случаях это неверно!) все эти векторы врашают в одну сторону с одинаковой угловой скоростью ω\omega, и углы между ними остаются постоянными, поэтому о врашении можно не говорить и рисовать «неподвижную» картину. Если чертеж построен — задача уже решена, ведь он содержит все необходимые сведения о направлениях и токах интерресуций нас цепи. Метод построения векторных диаграмм — это и есть способ получения таких чертежей.

Рассмотрим несколько конкретных примеров.

Задание 1. На рисунке 2 изображена простая электрическая цепь, содержащая последовательно соединенные конденсатор и резistor. Амплитуда тока в цепи составляет Im=0,1I_m = 0,1 А. Найдите амплитуд направления источника и сбез фаз между этим направлением и током в цепи.

Выберем подходящие масштабы для изображения токов и направлений. Нарисуем произвольно (так, как нам удобно!) вектор I⃗m\vec{I}_m (рис. 3). Тепер мы можем нарисовать вектор U⃗Rm\vec{U}_{Rm}, изображенной направлением на резistor (изображим его другим цветом, чтобы не путать векторы направлений и то-

53

ков). Его модуль
URm=ImR=50 В.U_{Rm} = I_m R = 50 \text{ В}.
По направлению вектор U⃗Rm\vec{U}_{Rm} совпадает с вектором I⃗m\vec{I}_m (ведь сдвиг фаз между током и направлением резистора равен нулю). Вектор направления на конденсаторе U⃗Cm\vec{U}_{Cm} равен по модулю UCm=ImXC=100 ВU_{Cm} = I_m X_C = 100 \text{ В}, где XC=1/(ωC)=1 кОм−емкостьное сопротивление,X_C = 1 / (\omega C) = 1 \text{ кОм} - \text{емкостьное сопротивление}, и отстает на π/2\pi/2 по фазе от тока. Нарисуем и этот вектор. Наряжение на источнике U⃗m\vec{U}_m соответствует сумме векторов U⃗Rm\vec{U}_{Rm} и U⃗Cm\vec{U}_{Cm}:
Um=URm2+UCm2≈112 В.U_m = \sqrt{U_{Rm}^2 + U_{Cm}^2} \approx 112 \text{ В}.
Заметим, что мы уже нашли (нарисовали!) угол между током I⃗m\vec{I}_m и направлением всей цепи U⃗m\vec{U}_m. Этот угол можно просто изменить трансортиром или посчитать тригонометрическим:
tgφ=UCmURm=2,\text{tg} \varphi = \frac{U_{Cm}}{U_{Rm}} = 2,
φ=arctg2≈1,1 рад≈64∘.\varphi = \arctg 2 \approx 1,1 \text{ рад} \approx 64^\circ.
Эту задачу можно сформулировать немного по-другому: задать амплитуду направления источника, например Um′=220 ВU'_m = 220 \text{ В}, а найти амплитуду тока в цепи. Такая задача сложнее — ведь мы должны найти рисовать диаграмму, не зная амплитуды тока Im′I'_m. Тут есть две возможности. Первая — решить вспомогательную задачу о нахождения амплитуды направления UmU_m при заданном токе ImI_m (мы только что такую задачу обсуили), а затем записать оченьное соответствие
Um′Um=Im′Im\frac{U'_m}{U_m} = \frac{I'_m}{I_m}
и найти из него амплитуду тока Im′I'_m:
Im′=ImUm′Um≈0,18 А.I'_m = I_m \frac{U'_m}{U_m} \approx 0,18 \text{ А}.
Вторая возможность — рисовать диаграмму не в конкретном численном масштабе, а в общем виде. При этом отношения длины векторов остаточной теми же, а значит, и углы между ними не изменяются. Полученную из диаграммы формулу
Um′=(URm′)2+(UCm′)2=(Im′R)2+(Im′XC)2U'_m = \sqrt{(U'_{Rm})^2 + (U'_{Cm})^2} = \sqrt{(I'_m R)^2 + (I'_m X_C)^2}
мы используем для нахождения Im′I'_m:
Im′=Um′R2+XC2≈0,18 А.I'_m = \frac{U'_m}{\sqrt{R^2 + X_C^2}} \approx 0,18 \text{ А}.
Способы эти по сложности примерно равноены.

Рис. 4.
Задача 2. К источнику переменного направления подключены две направленные ветви. Амплитуда тока в первой I1m=1 АI_{1m} = 1 \text{ А}, во второй I2m=0,3 АI_{2m} = 0,3 \text{ А}. В каких пределах может находиться амплитуда тока, протекающего через источник? Каким может быть максимальный сдвиг фаз между током и током в первой ветви?

Решение ясно из рисунка 4, на котором изображена векторная диаграмма для данной цепи (вектор I⃗2m\vec{I}_{2m} нарисован так, чтобы его удобнее было складывать с вектором I⃗1m\vec{I}_{1m}):
I1m−I2m≤Im≤I1m+I2m,I_{1m} - I_{2m} \leq I_m \leq I_{1m} + I_{2m},
0,7 А≤Im≤1,3 А.0,7 \text{ А} \leq I_m \leq 1,3 \text{ А}.
Максимальный угол между I⃗m\vec{I}_m и I⃗1m\vec{I}_{1m} соответствует:
sin⁡φmax⁡=I2mI1m=0,3,\sin \varphi_{\max} = \frac{I_{2m}}{I_{1m}} = 0,3,
φmax⁡≈0,31 рад≈18∘.\varphi_{\max} \approx 0,31 \text{ рад} \approx 18^\circ.
При этом Im=I1m2−I2m2≈0,95 АI_m = \sqrt{I_{1m}^2 - I_{2m}^2} \approx 0,95 \text{ А}. Угол между I⃗m\vec{I}_m и I⃗2m\vec{I}_{2m} может быть любым (от — π\pi до +π\pi).

Задача 3. В схеме, изображенной на рисунке 5, найдите ток, текущий через источник, и свыше фаз между этим током и направлением источника.

Начнем рисовать диаграмму, задавшись током через катушку. Положим, например, ILm=0,1 АI_{Lm} = 0,1 \text{ А}. Тогда направление на катушке U⃗Lm\vec{U}_{Lm} равно по модулю ULm=ILmXL=100 ВU_{Lm} = I_{Lm} X_L = 100 \text{ В}, где XL=ωL=1 кОм−индуктивное сопротивление,X_L = \omega L = 1 \text{ кОм} - \text{индуктивное сопротивление}, и определяет ток I⃗Lm\vec{I}_{Lm} по фазе

Рис. 5.

54

на π/2 (рис. 6). Ток через резистор с сопротивлением R2R_2 определяется этим напряжением совпадает с ним по фазе:

IR2m=ULmR2=0,05 A.I_{R_2m} = \frac{U_{Lm}}{R_2} = 0,05 \text{ A}.

Тогда общий ток

Im=ILm2+IR2m2≈0,112 A.I_m = \sqrt{I_{Lm}^2 + I_{R_2m}^2} \approx 0,112 \text{ A}.

Напряжение U⃗R1m\vec{U}_{R_1m} на резисторе с сопротивлением R1R_1 совпадает с этим током по фазе:

UR1m=ImR1≈112 B.U_{R_1m} = I_m R_1 \approx 112 \text{ B}.

Затем найдем суммарное напряжение U⃗m\vec{U}_m (сумму векторов U⃗R1m\vec{U}_{R_1m} и U⃗Lm\vec{U}_{Lm}). После простых вычислений (это можно сделать и графически, если аккуратно строить диаграмму!) получаем

Um≈180 B,φ≈0,52 рад≈30∘.U_m \approx 180 \text{ B}, \quad \varphi \approx 0,52 \text{ рад} \approx 30^\circ.

Тепер можно уточнить масштаб и найти общий ток в цепи при заданном напряжении источника:

Im′=ImUm′Um≈0,112200180 A≈0,124 A.I'_m = I_m \frac{U'_m}{U_m} \approx 0,112 \frac{200}{180} \text{ A} \approx 0,124 \text{ A}.

Все остальные токи и напряжения тоже увеличатся в Um′/Um≈1,1U'_m / U_m \approx 1,1 раза, а сdwги фаз при этом остаются теми же.

Реактивные элементы — катушки, конденсаторы — часто используются для получения определенного сdwга фаз между напряжением и током в цепи. Расмотрим конкретный пример.

Задача 4. Электродвигатель переменного тока содержит две одинаковые обмотки (индуктивность каждой леной фаз между напряжением и током в цепи. Расмотрим конкретный пример.

Задача 4. Электродвигатель переменного тока содержит две одинаковые обмотки (индуктивность каждой леной фаз между напряжением и током в цепи. Расмотрим конкретный пример.

При включении в себя (U=220 B,ν=50ΓuU = 220 \text{ B}, \nu = 50 \Gamma_u) одну из обмоток подключают к сети непосредственно, а другой — через последовательное соединение конденсатор емкости CC и резistor сопротивлением RR. Расчитай-te необходимые величины CC и RR. Погерями в обмотках претензий.

Ток в катушке, которая подключена к сети непосредственно, отстает по фазе на π/2 от напряжения сети. Его модуль

I1=UXL=U2πvL≈0,7 A.I_1 = \frac{U}{X_L} = \frac{U}{2\pi vL} \approx 0,7 \text{ A}.

Обратите внимание: мы нашли действующее значение тока, так как заданное значение UU — действующее. Ясно, что векторные диаграммы можно строить и для амплитудных, и для действующих значений — лишь бы на одной диаграмме были либо амплитуды, либо действующие значения.

Построим векторную диаграмму для последовательной цепи RCLRCL (рис. 7). Будем рисовать все в общем виде. Нарисуем вектор I⃗2\vec{I}_2, соответствующий току в цепи. Напряжение U⃗R\vec{U}_R (UR=I2RU_R = I_2R) совпадает по фазе с током, U⃗C\vec{U}_C (UC=I2XCU_C = I_2X_C) — отстает на π/2, U⃗L\vec{U}_L (UL=I2XLU_L = I_2X_L) — опережает на π/2. Общее напряжение U⃗\vec{U} должно совпасть по фазе с током I⃗2\vec{I}_2, при этом тoki I⃗1\vec{I}_1 и I⃗2\vec{I}_2 и будет сdwинуты по фазе на π/2.

Из диаграммы видно, что для этого нужно, чтобы

XC=XL,1ωC=ωL,X_C = X_L, \frac{1}{\omega C} = \omega L,

C=1ω2L=10−5Φ=10 мкФ.C = \frac{1}{\omega^2 L} = 10^{-5} \Phi = 10 \text{ мкФ}.

При этом I2=I1=U/RI_2 = I_1 = U/R, откуда

R=UI1≈314 Om.R = \frac{U}{I_1} \approx 314 \text{ Om}.

Отметим, что расчет такой цепи в реальном случае намного сложнее, так как сdwги фаз между напряжением и током в обмотках у нагруженого диаггателя не равны π/2, как у идеальной катушки, а зависит от напряжения на вал диггателя.

Энергетические расчеты в цепях переменного тока осложняются тем,

55

ЧТО МГНОВЕННАЯ МОЩНОСТЬ МЕНЯЕТСЯ СО ВРЕМЕНЕМ. Нас может интересовать как среднее значение мощности — для расчета работы источника или выделяющегося в цепи тепла, так и максимальное значение мГНОВЕННОЙ МОЩНОСТИ.

Задча 5. Амплитуда напряжения источника UmU_m, амплитуда тока, протекающего через него ImI_m, свызда фаз между напряжением и током ф. Надите работу источника за большой отрезок времени TT и максимальное значение мГНОВЕННОЙ МОЩНОСТИ.

Запишем выражение для мГНОВЕННОЙ мощности и приведем его к более удобному виду:
p=ui=UmImcos⁡ωtcos⁡(ωt+φ)=12UmImcos⁡(2ωt+φ)+12UmImcos⁡φ.p = ui = U_m I_m \cos \omega t \cos (\omega t + \varphi) = \frac{1}{2} U_m I_m \cos (2\omega t + \varphi) + \frac{1}{2} U_m I_m \cos \varphi.
Среднее значение первого слагаемого за большой (гораздо большие перiodа колебаний) промежуток времени равно нулю. Тогда среднее значение мощности
Pˉ=12UmImcos⁡φ\bar{P} = \frac{1}{2} U_m I_m \cos \varphi
и работа источника
A=PˉT=12UmImTcos⁡φ.A = \bar{P} T = \frac{1}{2} U_m I_m T \cos \varphi.
Максимальное значение первого слагаемого по модулю равно 1/2UmIm1/2 U_m I_m и
Pm=12UmIm(1+∣cos⁡φ∣).P_m = \frac{1}{2} U_m I_m (1 + |\cos \varphi|).
Видно, что при ∣φ∣≈π/2|\varphi| \approx \pi/2 максимальная мощность может во много раз превышать среднюю. Это связано с тем, что электрическая цепь.to накаливает энергию, то отдает ее назад источнику. Такой режим очень плох для питания сети — увеличиваются потери на тепловыходх. Пример такой цепи — лампа дневного света. Ток ее ограничается при помощи катушки с большой индуктивностью, и свыгг фаз получается

Рис. 8.

Рис. 9.

близким к π/2\pi/2. Выход несложен — подключить паралельно цепи конденсатор. Если правильно выбрать его емкость (подумайте — как), то катушка и конденсатор будет обменивать энергией между собой, а от сети будет оптимальным только полезная мощность.

Задча 6. Действующее значение напряжения сети в вечерние часы может nadать от 220 до 190 В. Для поддержания мощности кипятильника на приемнике уровне последовательно с ним рекомендуется включать результирующий источник постоянного напряжения. Каким должно быть его напряжение UnU_n при минимальном напряжении сети?

Напряжение, приложенное к кипятильнику,
uk=U2mcos⁡ωt+Un,u_k = U_{2m} \cos \omega t + U_n,
где U2m=1902 ВU_{2m} = 190 \sqrt{2} \text{ В} — наименьшее амплитудное значение напряжения сети. Сдвиг фаз между напряжением на кипятильнике и током равен нулю (кипятильник — резистор). Тогда средняя мощность
Pˉ=uk2R=U2m22R,\bar{P} = \frac{u_k^2}{R} = \frac{U_{2m}^2}{2R},
где U1m=2202 ВU_{1m} = 220 \sqrt{2} \text{ В}. Но
uk2=U2m2cos⁡2ωt+Un2+2Un⋅U2mcos⁡ωt=U2m22+Un2.u_k^2 = U_{2m}^2 \cos^2 \omega t + U_n^2 + 2U_n \cdot U_{2m} \cos \omega t = \frac{U_{2m}^2}{2} + U_n^2.
Отсюда
Un=U1m22−U2m22≈110 В.U_n = \sqrt{\frac{U_{1m}^2}{2} - \frac{U_{2m}^2}{2}} \approx 110 \text{ В}.
Уражнения

  1. Изображенная на рисунке 8 схема носит название «мост Вина». На какой части сдигг фаз между выходным и входным напряжениями равен нулю? Во сколько раз выходное напряжение на этой части меньше входного?
  2. Докажите, что в схеме, изображенной на рисунке 9, при частоте ω=1/LC\omega = 1/\sqrt{LC} ток через резистор не зависит его сопротивления. Найди этот ток.