Електричні кола змінного струму

2.1. Загальні поняття та визначення теорії електричних кіл (лекція 3)

В теорії електричних кіл реальні споживачі електричної енергії прийнято замінювати певними ідеалізованими елементами. Цим елементам приписують такі електричні і магнітні властивості, щоб у сукупності вони з достатньою точністю відображали б явища, які відбуваються у реальних споживачах.

Ідеалізований елемент, в якому відбувається незворотне перетворення енергії електричного струму в теплову,електричного кола постійного струму називаютьелектричним опором R.

У колах змінного струму в більшості випадків властивості реальних споживачів характеризують такими ідеалізованими елементами: резистор r, індуктивність L і ємність C (рис. 2.1).

Резистором r, Ом, називають ідеалізований елемент електричного кола, в якому відбувається незворотний процес перетворення електричної енергії у теплову.

Індуктивність L, Гн, характеризує властивості ідеалізованого елемента, наприклад, індуктивної котушки, під дією струму створювати власне магнітне поле.

Ємність С, Ф, характеризує властивості ідеалізованого елемента, наприклад, конденсатора, накопичувати електричні заряди і створювати електричне поле.

Ділянки електричного кола можуть бути з’єднані між собою послідовно, паралельно і мішано (рис. 2.2). Послідовним називають з’єднання, при якому на всіх ділянках кола діє один і той же струм. З’єднання, в якому всі ділянки кола підключені до однієї пари вузлів, тобто знаходяться під однією напругою, називають паралельним. Мішане з’єднання являє собою комбінацію послідовного і паралельного включення ділянок.

Електричні кола поділяють:

1. За видом струму – кола постійного і змінного (синусоїдного – однофазні і багатофазні, та несинусоїдного) струму.

2. За способом з’єднання елементів між собою - нерозгалужені (послідовне з’єднання елементів) і розгалужені (паралельне або змішане з’єднання елементів) кола.

3. За кількістю джерел електричної енергії та способу їх з’єднання між собою - прості (нерозгалужені і розгалужені кола з одним джерелом) і складні (розгалужені кола з двома і більше джерелами) кола.

4. За видом вольт-амперної (вебер-амперної, кулон-вольтової) характеристики - лінійні і нелінійні кола.

У загальному випадку під поняттям “розрахунок електричного кола” можуть розуміти вирішення однієї з двох протилежних за умовами і кінцевими результатами задач – задачі аналізу або задачі синтезу електричного кола.

Відомо, що будь-який споживач електричної енергії може нормально працювати тільки при певних (номінальних) значеннях струму і напруги. Тому для практики важливим є визначення струмів і напруг на ділянках і елементах заданого електричного кола, тобто вирішення задачі аналізу електричного кола. Очевидно, що при відомих ЕРС джерел і параметрах елементів електричного кола, струми і напруги всіх його елементів визначаються однозначно. Аналіз електричного кола виконують з використанням рівнянь, складених за законом Ома і законами Кірхгофа.

Задача синтезу електричного кола є оберненою по відношенню до задачі аналізу. Задачу синтезу ставлять і вирішують при розробці та проектуванні електротехнічного обладнання. При цьому, за заданими напругами, струмами і потужностями спочатку находять структуру та параметри елементів кола, а, далі, за каталогами вибирають самі елементи. В загальному випадку задача синтезу електричного кола є складнішою у порівнянні з задачею аналізу, оскільки вона, як правило, має декілька рішень.

Змінний синусоїдний струм

Хоча історично спочатку використовували постійний струм, сучасна електрифікація здійснюється на змінному струмі.

З усіх можливих форм періодичних струмів найбільше розповсюдження отримав синусоїдний струм. Синусоїда - це найпростіша періодична функція, в результаті виконання математичних дій (додавання, віднімання, множення, ділення, диференціювання, інтегрування) з якою, одержують також синусоїдну функцію. Технічне значення цієї обставини полягає в тому, що на всіх ділянках лінійного електричного кола форма кривих струмів і напруг буде однаковою – синусоїдною, або, інакше кажучи, гармонійною.

У порівнянні з постійним синусоїдний струм має такі переваги:

1. Його параметри (напругу та силу) технічно більш просто і з меншими втратами можна змінювати (підвищувати або понижувати). Це особливо важливо при передачі електричної енергії на великі відстані.

2. Електричне обладнання, яке працює на синусоїдному струмі, простіше за конструкцією та надійніше у експлуатації, ніж те, що працює на постійному струмі.

Варто відмітити також, що у разі необхідності з допомогою відносно простих пристроїв – випрямлячів, синусоїдний струм завжди можна перетворити в постійний.

Вперше синусоїдний струм був отриманий в 1876 р. П.М. Яблочковим. Однак його широке впровадження у практику стало можливим лише після того як у кінці 19 століття М.О. Доліво-Добровольський розробив прототип сучасного промислового генератора трифазного змінного струму, трансформатор, асинхронний двигун (1888-89) та здійснив передачу (1891) електричної енергії на 170 км – порівняно велику на той час відстань.

В Україні, як і у більшості країн світу, виробляють і використовують синусоїдний струм частотою 50 Гц. Лише в Японії, США та Канаді частота струму складає 60 Гц. Змінний струм широко використовують для освітлення приміщень і територій, живлення електродвигунів та різноманітного електрифікованого обладнання тощо.