Лекция 2. Гармонический сигнал - основная форма токов в электросиловых цепях. Метод комплексных амплитуд – линеаризация уравнений при условии линейности аналогов. Потенциальные и векторные диаграммы. Активная, реактивная и полная мощность. Простые RC- RL-цепи. Электрический резонанс напряжений и токов. Вторичные параметры. Как уже известно, электрохимические, а также прямого преобразования, источники электропитания обеспечивают потребителя постоянной мощностью. В этом случае реактивная мощность отсутствует, т.е.нет необходимости в применении линейных аналоговых элементов L и С. В схемах замещения при расчётах в режиме постоянного тока они заменяются, соответственно, проводником и разрывом. Это серьёзно упрощает систему уравнений – она становится алгебраической и меньшего порядка. Так как при постоянном токе остаётся только активная мощность, то в основном это приближение применяется для оценки активных потерь или нагрева системы. В отдельных случаях эти источники применяются для получения постоянных электрических и магнитных полей, но здесь просто переходят от напряжений и токов к напряженностям полей Е и Н. Для электростатического поля используют соотношения E=-grad U или q=СU, а для магнитного поля это закон Ампера или полного тока I=Hdl. Другой тип источников электропитания - это электромеханические генераторы, которые в основной своей массе основаны на вращении рамки с током в магнитном поле. Магнитный поток, пронизывающий рамку, и, как следует из закона Фарадея или электромагнитной индукции, э.д.с на выходных клеммах, изменяются по гармонической функции еj(t+) = cos (t+) + jsin (t+) . Здесь j = -1, мнимая единица, а числа, изображаемые с её помощью – комплексные числа. - начальный фазовый угол. Фаза - это событие, которое повторяется с одинаковым временным смещением в каждом периоде гармонических колебаний относительно его начала. Например, ежегодно празднуемый в один и тот же день Ваш день рождения. Вся прелесть этой функции в том, что она не боится действия интегральных и дифференциальных операторов в том плане, что её зависимость от времени при этом не меняется. Если U=Um еj(t+) , то обобщённый закон Ома для линейных элементов перепишется I = U/ R = Y U еj(t+) или I R = U еj(t+) I= С dU/dt= jС U еj(t+) или I/ jС = U еj(t+) или I/С = U еj/2 I =1/ L U dt= Um еj(t+)/ j L или I j L = Um еj(t+) или I L = U еj/2 Но тогда значит и ток должен меняться по такому же гармоническому закону и с той же частотой , только на реактивных элементах между током и напряжением появляется разность фаз /2. Если бы это было не так, то в какой-то момент времени у нас нарушились бы законы сохранения энергии и заряда (правила Кирхгофа). То есть в линейных системах гармонический сигнал не порождает новые частоты. Это очень хорошо для передачи силовой энергии, но плохо для систем передачи информации. И если также учесть, что для систем передачи информации мощность электрического сигнала должна быть минимальной (он служит носителем информации), а в силовых цепях максимальной, то здесь из электротехники начинают выделяться её силовая часть и электроника. Это принципиально разные подходы к созданию электрических устройств. В силовой электротехнике идёт борьба за максимум передаваемой энергии при минимуме частот (все гармоники основной частоты считаются паразитами и с ними идёт жестокая борьба). А в электронике идёт борьба за минимум передаваемой энергии при максимальной ширине области передаваемых частот (в пределе прямоугольный импульс как носитель бита информации). Изменение тока и напряжения в системах с линейными элементами по гармоническому закону с одной частотой позволяет упростить систему уравнений. Сократив все члены уравнений на временную функцию еjt , мы просто переведём её из интегральной в алгебраическую формы. Как бы сделаем моментальную фотографию распределения токов и напряжений в системе. Расплатой будет являться переход от действительных чисел, отображаемых на числовой действительной оси х, в область комплексных чисел, отображаемых на плоскости с осями координат (х, j). В этом случае соотношения обобщенного закона Ома будут выражены как Um еj = R Im еj Im еj = jС Um еj=( j/ХC ) Um еj Um еj = j L Im еj= jХL Im еj Um еj=- jХC Im еj Если обозначить комплексные числа Ue j U и Ie j I , то получим обобщенный закон Ома в виде U Z I . Для отдельных элементов он будет выглядеть следующим образом U R I U jX I C U jX L I Значения U и I получили название комплексов. Эти комплексные числа содержат значение числа и фазовый угол. На комплексной плоскости они изображаются отрезком прямой с длиной, равной значению параметра, и который расположен под углом равным . Величину Z называют импедансом или полным сопротивлением, а величины ХC =1/ωС и ХL =ωL называют реактансами участков цепи. Ясно, что при последовательном соединении всех трёх аналоговых элементов Z=R+j(XLXC). То есть мы можем достаточно просто составлять и разрешать алгебраические уравнения, как это делали бы в приближении постоянного тока. Видно, что данные выражения для комплексов приведены в тригонометрической форме комплексного числа. Их также можно записать в алгебраической форме как a+jb. Выражения для перехода из одной формы записи в другую также хорошо известны: Um (Im)= (a2+b2) , arctg =b/a . Здесь a и b проекции отрезка на соответствующие оси координат (х, j). Если на комплексной плоскости нанесены точки потенциалов с соединяющими их отрезками напряжения, то это будет потенциальная диаграмма напряжений. А если на комплексную плоскость нанести значения токов с присущими им направлениями, то это будет векторная диаграмма токов. Таким образом, мы получаем наглядный графический метод решения системы уравнений. Мгновенное значение полной мощности в комплексной форме S U Iˆ Ue j Ie j UIe j ( ) Здесь, чтобы получить более удобное в работе значение разности фаз (), взяли комплексно-сопряженное значение тока. В алгебраической форме S =U I cos() + j U I sin()=Р+jQ , где Р= U I cos() – активная мощность, а Q =U I sin()=– реактивная. Если учесть временную функцию еjt , то мощность изменяется во времени как еj2t. Однако практически все нагрузки, особенно в силовой электротехнике, работают с постоянными времени много больше периода колебаний поступающего переменного тока. Поэтому на практике в энергосетях пользуются среднеквадратичным значением параметра, которое называют действующим или эффективным значением напряжения, тока или мощности и т.п. Для гармонического сигнала среднеквадратичное значение, как нетрудно показать, равно 2 1 I m 2 e j 2t dt I m T 2 Отметим, что для обозначения амплитудного значения гармонического параметра применяют индекс m, в то время как для обозначения действующего значения никаких индексов не применяется из-за его большого практического использования. I Здесь показано напряжение и активная мощность на сопротивлении R. Micro-Cap 9 Evaluation Version RC гармон.CIR 1.500 1.000 0.500 0.000 -0.500 -1.000 200.000u v(1) (V) 250.000u 300.000u 350.000u 400.000u 300.000u 350.000u 400.000u T (Secs) 1.250m 1.000m 0.750m 0.500m 0.250m 0.000m 200.000u PD(r) (W) 250.000u T (Secs) Таким образом, мы пришли к очень серьёзному выводу – в системе с гармоническим сигналом кроме активной мощности, постоянно находится и реактивная, которая, проходя через активные элементы, превращается в активную энергию, т.е. в тепло. Так реальные реактивные компоненты – конденсаторы и катушки индуктивности, всегда содержат в себе небольшую долю активного сопротивления (проводящие включения в материал диэлектрика или сопротивление проводов). Поэтому при больших уровнях реактивной мощности, развиваемой этими элементами, они могут существенно нагреваться, что, в свою очередь, может привести к физическому изменению свойств материалов, из которых они изготовлены. Просто говоря – сгореть. Например, категорически запрещается включать электролитический конденсатор в цепь переменного тока. Электролит содержит большие тяжёлые органические молекулы, которые на переменном токе начнут суетиться и толкаться, обеспечивая тем самым серьёзные активные потери. Из-за плохого теплоотвода произойдёт практически мгновенный нагрев электролитной жидкости до температуры кипения. И образовавшийся пар просто разорвёт тонкую алюминиевую колбу конденсатора, со всеми вытекающими тяжёлыми последствиями. В то же время, наличие индуктивности и ёмкости в распределённой форме вызывает совсем другое распределение энергии в системе, чем при постоянном токе. Так, наличие емкости между проводами линии электропередачи и землёй приводит к существенным емкостным токам утечки энергии из системы, т.е. потерям. А незамкнутые магнитопроводы и одиночные провода с сильными токами создают в пространстве переменные магнитные поля, которые могут навести (индуцировать) токи в близлежащих металлических объектах, вызывая их нагрев и увеличивая активные потери в устройстве. Но реактивная энергия не уходит из электрической системы, её уменьшение в одном месте компенсируется увеличением в другом. Гармоническое изменение потенциала одной точки приводит к соответствующему изменению потенциала соседней точки, т.к. между ними всегда действуют электрические силы или существует емкостная связь. Но точно таким же образом электрический ток в одном месте будет приводить к индуцированию тока по соседству за счёт действия магнитных сил, то есть возникает магнитная связь. Если не учитывать эти связи, а они порой не всегда очевидны в реальных устройствах, так как для осуществления этих связей нет необходимости устанавливать специальные проводники, то мы можем получить реактивную энергию в том месте, где её не ожидали. То есть у нас возникнут электромагнитные помехи, если эта реактивная энергия нам не нужна, и радиосвязь, если эту реактивную энергию использовать для передачи информации. Два индуктивных элемента, объединённых магнитной связью, или магнитосвязаные катушки очень широко используют для гальванического разделения цепей и преобразования величин токов и напряжений (трансформатор). Что же делает реактивная энергия в простейших цепях, содержащих один активный и один реактивный элемент? Подключим RC-цепочку к источнику гармонического сигнала Е. Уравнение, записанное в комплексах, выглядит следующим образом E U R U C IR jIX C E X C E E R 2 j Отсюда I , где реактанс XC=1/С 2 R jX C R X C 2 R2 X C Для указанных на схеме значений элементов и с учётом фазы источника равной 0 ХС=1,6 кОм I E(0,28 j 0,45) мА 0,53Ee j 58 мА U R 0,53Ee j 58 U C 0,85Ee32 Модули мощности для этих данных Р=0.28 мВт и Q=0,45 мВАр. Сдвиг фаз между ними /2. На комплексной плоскости можно отложить значения модулей мощностей, тогда полная мощность будет являться их графической суммой. Мы получим так называемый треугольник мощностей, где P=Scosφ и Q=Ssinφ. Угол φ является разностью фаз между напряжением источника и протекающим через него током. Ниже представлены временные развёртки тока напряжений на элементах UR и UC, а также э.д.с. источника и соответствующих мощностей. Отсюда вытекают очень интересные заключения. Во-первых, реактивная мощность в течение времени может быть отрицательной и положительной, в то время как активная мощность только положительная. То есть реактивный элемент в течение одного полупериода проходящего через него тока накапливает энергию и отдаёт её в цепь. Это обеспечивает протекание через ёмкость переменного электрического тока. В то же время переменные токи, проходя через конденсатор, совершают определённую механическую работу при перемещении зарядов между обкладками и нагревают этот компонент. Поэтому производители емкостных компонентов накладывают ограничения на величину переменных токов и их частоту. Во-вторых, источником реактивной мощности являются реактивные элементы в нагрузке, которые обмениваются ею с источником. Протекающая через источник реактивная энергия вызывает дополнительные нагрузки в виде повышенных токов, что приводит к дополнительным потерям на внутреннем сопротивлении источника. Поэтому в силовой энергосети существует понятие фактора мощности, который при учёте одной частоты (основной гармоники) выражается через параметр cos φ=P/S. В соответствии с существующими правилами потребитель электроэнергии не должен допускать работу своего оборудования при значениях cos φ0,8, таким образом, поставщик накладывает ограничения на количество реактивной мощности генерируемой потребителем. В современной трактовке к этому правилу «cos φ» добавляют учёт токов гармоник основной частоты, которые тоже создаёт оборудование потребителя и которые также создают дополнительные нагрузки на оборудование поставщика электроэнергии. Поэтому растущую заботу о повышении фактора мощности иногда называют энергетической экологией. В электронике, где имеют дело с передачей информационного сигнала в широкой полосе частот, важен такой параметр, как коэффициент передачи цепи К=Uвых/Uвх. В нашем случае U в х E I( R jX C ) , а U вых U C jX C I . Тогда jX C 1 1 j 2 2 jX C R 1 j 1 1 2 2 где τ = RC – постоянная времени RC-цепи. KC Если исследовать значение модуля и фазы комплексного числа К(), то получим следующие амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики, АЧХ и ФЧХ. Micro-Cap 9 Evaluation Version RC гармон.CIR 1.250 1.000 0.750 0.500 0.250 0.000 1K v(c)/v(1) 10K Fв 100K 1M 100K 1M F (Hz) 25.000 0.000 -25.000 -50.000 -75.000 -100.000 1K ph(v(c)) (Degrees) 10K Fв F (Hz) Здесь FB верхняя граничная частота, при которой модуль К=1/2, а фаза φ= -/4. Это очень характерная точка, которая определяется из условия τ=1, или в=1/τ. Её физический смысл в том, что при этой частоте реактивная энергия в RC-цепи равна активной. Отсюда видно, что все сигналы с частотами Fв теряют незначительное количество энергии при прохождении этой цепочки. То есть RC-цепь в рассматриваемом варианте работает как низкочастотный фильтр. Если же в качестве выходного элемента рассматривать сопротивление, то получим высокочастотный фильтр. Micro-Cap 9 Evaluation Version RC гармон.CIR 1.250 1.000 0.750 0.500 0.250 0.000 1K v(r)/v(1) 10K Fв 100K 1M 100K 1M F (Hz) 125.000 100.000 75.000 50.000 25.000 0.000 1K ph(v(r)) (Degrees) 10K Fв F (Hz) R 1 2 2 j 2 2 R jX C 1 j / 1 1 2 2 Если какую-либо функцию, представляющую электрический сигнал, разложить по гармоникам в виде ряда Фурье, то ограничение высоких частот свойственно операции интегрирования этой функции, а ограничение низких частот – её дифференцированию. Поэтому данные цепочки получили название, соответственно, интегрирующих и дифференцирующих. Данные математические свойства простых линейных электрических цепей, наряду с возможными другими математическими операциями, позволили создать довольно успешно работающие аналоговые вычислительные машины, которые в настоящее время практически вытеснены цифровой техникой. KR Всё вышесказанное можно отнести и к RL-цепям. Уравнение, записанное в комплексах, выглядит следующим образом E U R U L IR jIX L E X E E R 2 j 2 L 2 , где реактанс XL=L Отсюда I 2 R jX L R X L R XL Для указанных на схеме значений элементов и с учётом фазы источника равной 0 ХL=0,63 кОм I E(0,71 j 0,45) мА 0,83Ee j 32 мА U R 0,83Ee j 32 U L 0,53Ee j 58 Модули мощности для этих данных Р=0.69 мВт и Q=0,44 мВАр. Сдвиг фаз между ними /2. Треугольник мощностей Ниже представлены временные развёртки тока напряжений на элементах UR и UL, а также э.д.с. источника и соответствующих мощностей Гармонические колебания в электрических цепях открыли возможность применения очень интересного эффекта – электрического резонанса, при котором возможно накопление реактивной энергии в системе с гармоническим источником. Рассмотрим простые задачи: последовательное и параллельное соединение всех трёх аналоговых элементов. Простейшая схема последовательного соединения выглядит следующим образом Из её анализа следует, что ток в контуре будет равен I = Ie j = Ee Ze j j где Z R 2 (L 1 / C ) 2 - импеданс контура L 1 / C arctg - угол сдвига фаз между напряжением источника E и током R в контуре I. Отсюда видно, что при L=1/C импеданс Z будет иметь минимальное значение равное активному сопротивлению контура R. Мы получим явление резонанса в электрических цепях – увеличение токов и напряжений на отдельных участках цепи при изменении частоты гармонического сигнала. Физической основой резонанса в электрических цепях является обмен реактивной энергией между емкостными и индуктивными элементами, включенными в данную цепь. Если эта энергия проходит через источник (последовательное включение), то мы имеем так называемый резонанс напряжений (ImZ=0, мнимая часть полного сопротивления нагрузки равна 0), а если не проходит через источник (параллельное включение), то мы имеем резонанс токов (ImY=0, мнимая часть полной проводимости нагрузки равна 0). При значении резонансной частоты рез 1/ LC L C ток и напряжение совпадают по фазе, ток принимает максимальное значение Е/R, а реактансы равны XL=Xc=L/C= . Эта величина называется характеристическим сопротивлением контура и имеет размерность Ом. Она характеризует количество реактивной энергии находящейся в контуре. При резонансе в последовательной цепи напряжения на реактивных элементах могут превысить входное напряжение, если параметр добротности контура будет Q UL рез UR UC рез UR I RI L/C 1 R Наибольшие значения напряжений на конденсаторе и индуктивности достигаются при частотах, несколько отличающихся от резонансной частоты. 1 1 1 /( 2Q 2 ) Название «резонанс напряжений» отражает тот факт, что действующие значения напряжений на реактивных элементах в момент резонанса равны (но противоположны по фазе) и могут в Q раз превышать значение э.д.с. источника. Рассмотрим зависимости от частоты действующего значения тока I (амплитудночастотная характеристика, АЧХ) и разности фаз между э.д.с. источника и током в контуре (фазочастотная характеристика, ФЧХ), которые приведены на рис.2. Выделим на них две знаменательные точки – когда разность фаз = ±/4. Эти точки аналогичны частоте Fв в рассмотренных ранее простых RC- и RL-цепочках, то есть при этих частотах активная энергия в контуре равна реактивной. При этих частотах (1 и 2) R L 1/ C , и величина тока будет в 2 раз меньше амплитудного значения. Разность частот = 1 - 2 называется полосой пропускания, а величина 2 1 S= 1 называется затуханием контура. рез Q C рез 1 1 /( 2Q) 2 L рез Границы полосы пропускания можно определить по соотношению 1, 2 рез (1 1 2Q ) Переход от первичных параметров аналоговых элементов L, C, R к вторичным параметрам, а именно - резонансной частоте рез, добротности Q и полосе пропускания , очень важен с практической точки зрения. В значения параметров элементов, кроме электрических характеристик материалов, входят трудно определяемые размеры пространства, занятого электромагнитным полем, особенно, когда невозможно выделить соответствующие компоненты в виде отдельных конструктивных деталей. А вторичные параметры непосредственно измеряются и несут в себе информацию, необходимую конструктору электрических устройств. rezonans_laba.CIR 4.000 3.200 2.400 1.600 9.504K,999.976m 11.214K,704.751m 0.800 0.000 4.000K 4.800K 6.000K 7.200K 8.400K Left 3.045 999.976m 3.040 9.504K 9.600K 10.800K Right 1.819 704.751m 2.528 11.214K 12.000K 13.200K Delta -1.226 -295.226m -512.051m 1.710K 14.400K 16.000K Slope -717.010u -172.652u -299.454u 1.000 6.000K 7.200K 8.400K Left 110.189m 9.514K 9.600K 10.800K Right 45.031 11.204K 12.000K 13.200K Delta 44.921 1.690K 14.400K 16.000K Slope 26.585m 1.000 v(2,3) (V) B v(3) (V) v(1,2) (V) F (Hz) 90.000 45.000 0.000 -45.000 -90.000 4.000K 4.800K ph(v(1))-ph(v(3)) F (Hz) Простейшая схема параллельного соединения выглядит следующим образом Из её анализа следует, что ток источника будет равен I Ie j YU Ye j Ue j где Y G 2 ( BL BC ) 2 arctg источника Е. BC BL G При угловой частоте - полная проводимость цепи - угол сдвига фаз между общим током и напряжением рез 1/ LC Реактансы параллельных ветвей с реактивными элементами одинаковы XL=XC= L/C , общий ток и напряжение источника совпадают по фазе, причём общий ток принимает минимальное значение GU=U/R. Название «резонанс токов» отражает равенство действующих значений токов в индуктивном и емкостном элементах в момент резонанса (но противоположны по фазе) и могут в Q раз превышать значение общего тока при противоположных фазах. I Lрез U /( рез L) I C рез рез CU Если вместо источника э.д.с. применить источник тока, то при малых значениях тока источника можно достичь значительного увеличения токов в ветвях с реактивными элементами. Рассмотрим зависимости от частоты действующего значения общего тока I (амплитудночастотная характеристика, АЧХ) и разности фаз между э.д.с. источника и общим током (фазочастотная характеристика, ФЧХ), которые приведены на рис.4. Выделим на них две знаменательные точки 1 и 2 – когда разность фаз = ±/4. При этих частотах активная проводимость будет равна реактивной G C 1/L , и величина общего тока будет в 2 раз больше минимального значения. Здесь также полностью применимы понятия полосы пропускания и затухания контура S. Следует обратить внимание, что при резонансе тока измерять полосу пропускания по АЧХ достаточно трудно, особенно при высоких значениях добротности. IL rezonans_para_laba.CIR 6.000m 4.800m IL 3.600m IC IC 2.400m I 1.200m 0.000m 4.000K 4.800K 6.000K 7.200K i(4,2) (A) i(1,0) (A) i(4,3) (A) F (Hz) 8.400K Left 2.875m 249.290u 3.051m 9.798K 9.600K 10.800K Right 2.964m 176.984u 2.960m 9.504K 12.000K 13.200K Delta 88.834u -72.306u -91.141u -293.423 14.400K 16.000K Slope -302.751n 246.422n 310.613n 1.000 10.800K Right -44.216 9.798K 12.000K 13.200K Delta -43.616 283.305 14.400K 16.000K Slope -153.955m 1.000 90.000 45.000 9.514K,-599.946m 0.000 9.798K,-44.216 -45.000 -90.000 4.000K 4.800K B ph(v(4))-ph(v(1,0)) F (Hz) 6.000K 7.200K 8.400K Left -599.946m 9.514K 9.600K Чтобы использовать явление резонанса, необходимо иметь генераторы гармонических колебаний с широким набором частот, лучше даже плавно перестраиваемой частоты. Так как на линейных элементах это сделать нельзя, то начали изобретать различные нелинейные элементы и схемы с их использованием. В начале появились электромеханические устройства. Первым их стал использовать Никола Тесла для получения высоких напряжений в колебательных контурах (трансформатор Тесла или два магнито-связаных колебательных контура). С их помощью ему удалось создать люминесцентный источник света, демонстрация которого оказывала в те тёмные времена потрясающее впечатление на публику. В 1988 году Генрих Герц, используя колебательные контура в качестве источника и приёмника высокочастотного гармонического сигнала, продемонстрировал возможность его передачи на расстояние без проводов по ёмкостной связи. И стало ясно, что при расстояниях много больше длины волны гармонического сигнала, электрическое поле успевает преобразоваться в магнитное и обратно. Так родилась радиотехника с её электромагнитными волнами. В дальнейшем появились генераторные и усилительные электронные лампы, что позволило создать мощные источники гармонических колебаний одновременно с чувствительными приёмниками и охватить радиосвязью весь мир. Приход полупроводников существенно снизил размеры передающих и принимающих устройств и, в результате, мобильная связь стала неотъемлемым условием нашего образа жизни. Были созданы ламповые генераторы в гигагерцовой области частот, что привело к созданию сверхвысокочастотной техники, в которой длина волны сравнима с размерами самого устройства. А далее были созданы генераторы в миллиметровой (мазеры) и даже в световой (лазеры) области частот с передачей этих сигналов по оптоволокну. Естественно, для создания электротехнических устройств этого уровня нужно использовать уравнения Максвелла, так как аналоговый поход с токами инапряжениями приводит к уравнениям с матрицами практически бесконечного порядка. А это привело к тому, что электротехники, работающие в разных частотных диапазонах, перестали понимать друг друга. Появились электрики и электронщики, радиотехники и «СВЧшники», а позднее и «цифровики» с программистами.