Квант
Практикум абитуриента

Расчёт цепей переменного тока с помощью векторных диаграмм

Мякишев Г. Я.

51

Г. Мякищев

Расчет цепей переменного тока значительно сложнее, чем цепей постоянного тока. Однако в случае, если направление и сила тока изменяются по гармоничческому закону, существует довольное простой и наглядный метод расчета цепей — метод векторных диаграмм. С ним мы и хотим познакомить читатель в этой статье.

Уравнение, описывающее вынужденные колебания в колебательном контуре

Промышленный переменный ток — это вынужденные электромагнитные колебания. Если направление u=u(t)u = u(t) на концах цепи меняется по гармоничческому закону
u=U0cos⁡ωt,u = U_0 \cos \omega t,
(1)
то сила тока ii также меняется гармоничски с той же частотой ω\omega, но в общем случае ток свинут по фазе относительно направления на постоянную величину φ\varphi:
i=I0cos⁡(ωt+φ).i = I_0 \cos (\omega t + \varphi).
(2)

Впрочем, в первый момент после замыкания цепи колебания тока имеет гораздо более сложную форму. При замыкании электрическая цепь как бы получает «толчок», и если она обладает собственной частотой колебаний ω0\omega_0, то в ней возникают свободные электромагнитные колебания. Эти колебания накладывают на вынужденные колебания частоты ω\omega, но постепенно затухают из-за наличия в цепи активного сопротивления RR (на котором проискudit выделение энергии в виде тепла). Лишь после того как свободные колебания затухут, вынужденные колебания можно считать установленными. Амплитуда сила тока I0I_0 в формуле (2) — это амплитуду установленных механических колебаний (более подробно об этом см., например, в статье Г. Я. Мякищева «Вынужденные механические колебания», «Квант», 1974, № 11).

Довольно простой, но очень важный частный случай представляют собой вынужденные колебания в цепи, состоящей из последовательно соединенных проводника с активным сопротивлением RR, катушки индуктивности LL и конденсатора емкости CC (рис. 1). Такую цепь называют последовательным колебательным контуром. Пусть направление uu на концах цепи меняется по закону, описываемой уравнением (1); тогда сила тока ii в цепи меняется в соответствии с выражением (2). Чему равна амплитуда тока I0I_0 и сдвиг фаз φ\varphi?

Как известно, уравнение, описывающее вынужденные колебания тока в этом контуре, имеет следующий вид:
LΔiΔt+Ri+qC=U0cos⁡ωt.L \frac{\Delta i}{\Delta t} + Ri + \frac{q}{C} = U_0 \cos \omega t. (3)
Здесь qq — заряд конденсатора. (Это

52

Уравнение аналогично уравнению, описывающего вынужденные механические колбания, например, колбания груза наружне.)

Уравнение (3) можно использовать следующим образом. В любой момент времени полное напряжение (u=U0cos⁡ωtu = U_0 \cos \omega t) на концах цепи равно сумме напряжений на активном сопротивлении (uR=Riu_R = Ri), на катушке индуктивности (uL=LΔiΔtu_L = L \frac{\Delta i}{\Delta t}) и на конденсатор (uC=qCu_C = \frac{q}{C}):

uL+uR+uC=u.u_L + u_R + u_C = u. (4)

Колебания всех трех напряжений происходит с одной и той же частотой, но имеют различные амплитуды и сdwнуты по фазе друг относительно друга.

Чтобы найти амплитуду колбаний силы тока и сdwиг фаз между током и напряжением, нужно уметь складывать гармоничские колбания, сdwинутые по фазе. Для этого надо знать амплитуды напряжения uRu_R, uLu_L и uCu_C, а также сdwиг фаз этих напряжений относительно силы тока. Об этом и пойдет речь в следующих трех параграфах.

Напряжение на активном сопротивлении

Нибольшее простой случай электрической цепи — это, цепь, содержащая только активное сопротивление RR. Для такой цепи основное уравнение (3) будет иметь следующий вид:

Ri=U0cos⁡ωt.Ri = U_0 \cos \omega t. (5)

Отсюда

i=U0Rcos⁡ωt=I0cos⁡ωt.i = \frac{U_0}{R} \cos \omega t = I_0 \cos \omega t. (6)

Амплитуда напряжения связана с амплитудой силы тока соответствием

U0=I0R.U_0 = I_0 R. (7)

Колебания силы тока и напряжения на активном сопротивлении совпадают по фазе. Заметим, что равенство (7) ничего не отличается от закона Ома для постоянного тока.

Напряжение на индуктивном сопротивлении

Пусть цель состоит из катушки с индуктивностью LL. Активным сопротивлением катушки пребрежем. Вместо уравнения (3) будем иметь в этом случае более простое уравнение

LΔiΔt=U0cos⁡ωt,L \frac{\Delta i}{\Delta t} = U_0 \cos \omega t,

или

ΔiΔt=U0Lcos⁡ωt.\frac{\Delta i}{\Delta t} = \frac{U_0}{L} \cos \omega t. (8)

Тепер скорость изменения силы тока (ΔiΔt\frac{\Delta i}{\Delta t}) совершает гармоничские колбания, совпадающие по фазе с колбаниями напряжения. Амплитуда этих колбаний равна U0L\frac{U_0}{L}.

Для того чтобы выражение для силы тока, воспользоваться аналогичей между электромагнитными колбаниями в контуре и механическими колбаниями груза наружне. Как известно, сила тока ii соответствует скорости колбаний груза vv, а скорость изменения силы тока ΔiΔt\frac{\Delta i}{\Delta t} соответствует ускорению груза aa. Но колбания скорости отстают от колбаний ускорения на π/2\pi/2, и амплитуда скорости v0v_0 связана с амплитудой ускорения a0a_0 соответствием v0=a0/ωv_0 = a_0/\omega. Это справедливо для гармоничских колбаний любой природы. Поэтому если скорость изменения силы тока удовлетворяет уравнению (8), то сила тока изменяется со временем по закону

i=U0Lωcos⁡(ωt−π2)=I0cos⁡(ωt−π2).i = \frac{U_0}{L \omega} \cos \left(\omega t - \frac{\pi}{2}\right) = I_0 \cos \left(\omega t - \frac{\pi}{2}\right). (9)

Амплитуда напряжения связана с амплитудой силы тока соответствием

U0=I0Lω=I0RL.U_0 = I_0 L \omega = I_0 R_L. (10)

Величину RL=LωR_L = L \omega называют индуктивным сопротивлением.

53

Итак, совласно выражением (1) и (9) сила мока на индуктивном сопротивлении отстаем по фазе от напряжения на π/2.

Напряжение на конденсаторе

Рассмотрим цепь, состоящую из конденсатора emкости C. Активным сопротивлением и индуктивностью цепи претензейем. Вынужденные колебания в этой цепи будут описывать уравнение

qC=U0cos⁡ωt.(11)\frac{q}{C} = U_0 \cos \omega t. \tag{11}

Заряд конденсатора колебляется в фазе с напряжением, и амплитуда этих колебаний равна U0CU_0 C:

q=U0Ccos⁡ωt.(12)q = U_0 C \cos \omega t. \tag{12}

В случае электромагнитных колебаний заряд соответствует координате тела, совершающего механическое колебания, а сила тока, представляющая собой скорость изменения заряда (i=ΔqΔti = \frac{\Delta q}{\Delta t}), аналогична скорости этого тела. Так как при любых гармоничских колебаниях амплитуда скорости величины в ω\omega раз больше амплитуды самой величины и скорость операяет величины по фазе на π/2, то в нашем случае

i=ΔqΔt=U0Ccos⁡(ωt+π2)=I0cos⁡(ωt+π2).(13)i = \frac{\Delta q}{\Delta t} = U_0 C \cos \left( \omega t + \frac{\pi}{2} \right) = I_0 \cos \left( \omega t + \frac{\pi}{2} \right). \tag{13}

Следовательно, сила мока определяем напряжение на конденсаторе на π/2, или, что же самое, напряжение от стыма мока на π/2.

Амплитуда напряжения равна

U0=I0Cω=I0RC,(14)U_0 = \frac{I_0}{C \omega} = I_0 R_C, \tag{14}

где RC=1CωR_C = \frac{1}{C \omega} — сопротивление конденсатора, называемое емкостьным сопротивлением.

Сложение гармоничских колебаний с помощью векторных диаграмм

Складывать гармоничские колебания можно по-разному (аналитических, графических и т. д.). Однако в частичке случае, когда частоты колебаний одинаковы, удобнее всего воспользоваться методом векторных диаграмм. В чем же состоит этот метод?

Из курса физики для 10-го класса известно, что проекция на любое направление вектора, врашающего с постоянной угловой скоростью ω\omega, совершает гармоничское колебание. Если модель вектора x0x_0 равен x0x_0, то его проекция на ось OXOX равна x=x0cos⁡φx = x_0 \cos \varphi (рис. 2). При равномерном врашении вектора x0x_0 угол φ\varphi меняется со временем по закону

φ=ωt+φ0,\varphi = \omega t + \varphi_0,

где φ0\varphi_0 — значение угла φ\varphi в начальной момент времени t=0t=0. Следовательно, проекция врашающего вектора колебляется по закону

x=x0cos⁡(ωt+φ0).(15)x = x_0 \cos \left( \omega t + \varphi_0 \right). \tag{15}

Рис. 2.

Рис. 3.

54

Рассмотрим теперь сложение двух гармоничческих колебаний, произходящих с одинаковыми частотами ω\omega, но с различными амплитудами x01x_{0_1} и x02x_{0_2} и различными начальные фазами φ01\varphi_{0_1} и φ02\varphi_{0_2}:

x1=x01cos⁡(ωt+φ01),x_1 = x_{0_1} \cos(\omega t + \varphi_{0_1}),
x2=x02cos⁡(ωt+φ02).x_2 = x_{0_2} \cos(\omega t + \varphi_{0_2}).

Складываемые колебания в любой момент времени имеют разность фаз φ=φ01−φ02\varphi = \varphi_{0_1} - \varphi_{0_2}. Эти колебания можно представить как колебания проекций векторов x01x_{0_1} и x02x_{0_2}, повернуть друг относительно друга на угол φ\varphi и врашающся с угловой скоростью ω\omega (рис. 3).

Сложив векторы x01x_{0_1} и x02x_{0_2}, получим суммарный вектор x0=x01+x02x_0 = x_{0_1} + x_{0_2}. Проекция xx этого вектора на направление OXOX тоже совершает гармоничное колебание. Но проекция суммарного вектора равна сумме проекций складываемых векторов. Следовательно,

x=x1+x2=x0cos⁡(ωt+φ0),x = x_1 + x_2 = x_0 \cos(\omega t + \varphi_0),

(16) где x0x_0 — амплитуда, а φ0\varphi_0 — начальная фаза результатующего колебания. Величины x0x_0 и φ0\varphi_0 можно найти, зная x01,x02,φ01x_{0_1}, x_{0_2}, \varphi_{0_1} и φ02\varphi_{0_2}. Нетрудно показать (см. рис. 3), что

x02=x012+x022+2x01x02cos⁡(φ01−φ02),x_0^2 = x_{0_1}^2 + x_{0_2}^2 + 2x_{0_1}x_{0_2} \cos(\varphi_{0_1} - \varphi_{0_2}),
tgφ0=x01sin⁡φ01+x02sin⁡φ02x01cos⁡φ01+x02cos⁡φ02.tg \varphi_0 = \frac{x_{0_1} \sin \varphi_{0_1} + x_{0_2} \sin \varphi_{0_2}}{x_{0_1} \cos \varphi_{0_1} + x_{0_2} \cos \varphi_{0_2}}.

Итак, каждое гармоничное колебание можно представить с помощью вектора, врашающегося с постоянной угловой скоростью, а сумму гармони-

Рис. 4.

ческих колебаний — с помощью результирующего (суммарного) вектора, врашающегося с той же скоростью. Графическое изображение с помощью значений гармоничческих изменяющих величины и соответствий между ними и называют векторной диаграмой.

Векторная диаграмма последовательного колебательного контура

Вернемся снова к цепи, изображенной на рисунке 1, и построим для нее векторную диаграмму токов и напряжений. Это позволяет нам определить амплитуду силы тока в цепи и сdwг фаз между силой тока и приложенным напряжением.

Сила тока в данной момент времени одинакова во всех участках цепи*). Поэтому удобно построение векторной диаграммы на basis с вектора I0I_0, соответствующего силе тока. Его можно орентировать произвольно. Для орентирования изобразим вектор I0I_0 вертикальной стрелкой (рис. 4).

Напряжение на активном сопротивлении совпадает по фазе с силой тока. Поэтому вектор U0RU_{0R}, изображенной это напряжением, совпадает по направлению с вектором I0I_0. Его модуль U0R=I0RU_{0R} = I_0R. Колебания напряжения на индуктивном сопротивлении определяют колебания силы тока на π/2\pi/2, и соответствующей вектор U0LU_{0L} должен быть поверхности вектора I0I_0 на π/2∗∗\pi/2**. Его модуль U0L=I0LωU_{0L} = I_0L\omega. И наконец, вектор U0CU_{0C}, соответствующий напряжению на конденсаторе,

*) Ток, удовлетворяющий данному условияю, называют квазистационным. При частоте промышленного тока 50 2π2\pi его практические всегда можно считать квазистационным.
**) Положительному сdwг фаз на рис. 4 соответствует поворот вектора против частей стрелки. Можно было, конечно, отсчитывать угол φ\varphi в противоположном направлении.

55

отстает по фазе от вектора I0I_0 на π/2\pi/2 (см. рис. 4). Его модуль U0C=I0/CωU_{0C} = I_0/C\omega.

Для того чтобы найти суммарное напряжение (см. уравнение (4)), нужно сложить три вектора: U0RU_{0R}, U0LU_{0L} и U0CU_{0C}. Вначале удобно сложить векторы U0LU_{0L} и U0CU_{0C} (рис. 5). Модуль этой суммы ∣U0L+U0C∣=I0(Lω−1Cω)|U_{0L} + U_{0C}| = I_0\left(L\omega - \frac{1}{C\omega}\right),

если Lω>1CωL\omega > \frac{1}{C\omega}. Именно такой случай изображен на рис. 5. После этого, сложив вектор U0L+U0CU_{0L} + U_{0C} с вектором U0RU_{0R}, получим вектор U0U_0, изображющий колебания напряжения на концах цепи.

Треугольник ABD прямогольный. По теореме Пифагора

U02=U0R2+(U0L−U0C)2=I02R2+I02(Lω−1Cω)2.U_0^2 = U_{0R}^2 + \left(U_{0L} - U_{0C}\right)^2 = I_0^2 R^2 + I_0^2 \left(L\omega - \frac{1}{C\omega}\right)^2.

Отсюда амплитуда силы тока

I0=U0R2+(Lω−1Cω)2=U0Z,I_0 = \frac{U_0}{\sqrt{R^2 + \left(L\omega - \frac{1}{C\omega}\right)^2}} = \frac{U_0}{Z},

где Z=R2+(Lω−1Cω)2Z = \sqrt{R^2 + \left(L\omega - \frac{1}{C\omega}\right)^2} — полное сопротивление цепи. Сдвиг фаз между силой тока и напряжением равен углу φ\varphi между векторами U0U_0 и I0I_0. Из треугольника ABD

tgφ=Lω−1CωR.tg\varphi = \frac{L\omega - \frac{1}{C\omega}}{R}.

На рисунке 5 изображен случай, когда сила тока отстает по фазе от напряжения (при Lω<1CωL\omega < \frac{1}{C\omega} сила тока операжала бы напряжение по фазе).

Формулы (17) и (18) полностью описывают вынужденные колебания в последовательном колебательном контуре. Расмотрим для примера один частный случай.

Сила тока в колебательном контуре достигает максимального значения I0=U0RI_0 = \frac{U_0}{R} при Lω=1CωL\omega = \frac{1}{C\omega}, т. е. когда частота приложенного к контуру напряжения равна собственной частоте колебаний контура ω0=1LC\omega_0 = \frac{1}{\sqrt{LC}}. Наступает, как говоря, резонанс. При резонансе напряжения uLu_L и uCu_C одинаковы по амплитуде, но колеблются в противофазах, поэтому в любой момент времени они компенсируют друг друга. Векторная диаграмма для случая резонанса изображена на рисунке 6. Сдвиг фаз между током и приложенным напряжением становится нулю. Прижжение на активном сопротивлении оказывается равным напряжению на концах цепи: uR=iR=U0cos⁡ωtu_R = iR = U_0\cos\omega t. Resонанс в последовательном колебательном контуре называют обычно резонансом напряжения. Дело в том, что в реализном контуре индуктивное и емкостью сопротивления всегда городадо большие активного сопротивления, и при резонансе амплитуды напряжения U0LU_{0L} и U0CU_{0C} оказываются большие амплитуды приложенного напряжения U0U_0.

56

Энергия, потребляемая
колебательным контуром

С помощью векторной диаграммы можно легко показать, что потребляемая контурная энергия выделяется только на активном сопротивлении RR.

Мощность в цепи переменного тока определяется формулой

P=I0U02cos⁡φ.P = \frac{I_0 U_0}{2} \cos \varphi. (19)

Из треугольника ABDABD на рис. 5

U0R=I0R=U0cos⁡φ.U_{0R} = I_0 R = U_0 \cos \varphi. (20)

Подставляя в выражение (19) вместо U0cos⁡φU_0 \cos \varphi его значение из равенства (20), получим

P=I02R2=I2R,P = \frac{I_0^2 R}{2} = I^2 R, (21)

где II — действующее значение силы тока.

Заметим, что при резонансе, когда амплитуда силы тока достигает максимума, колебательный контур потребляет извне набольшее количество энергии. Создаются оптимальные условия для передачи энергии от источника к колебательной системе.

Примеры расчета
целей переменного тока
с помощью векторных диаграмms

Рассмотрим две конкретиные задачи.

Задача 1. К магистрали переменного тока с напряжением U=120U = 120 в (U — действующее значение напряжения) через дроссель с индуктивностью L=0,05L = 0,05 г и активным сопротивлением R=1R = 1 от подключена осветимельная семь квартиры (рис. 7).

Каково напряжение U1U_1 на входе в квартиру, если потребляемый ток I=2aI = 2a? Напряжение меняется с частотой v=50v = 50 гц. Индуктивность и емкость электрической цепи квартиры можно преберечь.

Дроссель и осветительная сеть квартиры подключены к магистрали последовательно, поэтому ток одинаков

57

на всех участках цепи. Напряжение U1U_1 и напряжение URU_R на активном сопротивлении дросселя совпадает по фазе с силой тока II. Напряжение ULU_L на индуктивном сопротивлении дросселя определяет ток на π/2\pi/2. Следовательно, векторная диаграмма цепи имеет вид, изображенный на рисунке 8. По теореме Пифогора
U2=UL2+(UR+U1)2=I2ω2L2+(IR+U1)2.U^2 = U_L^2 + (U_R + U_1)^2 = I^2 \omega^2 L^2 + (IR + U_1)^2.
Отсюда
U1=−IR±U2−I2L2ω2,U_1 = -IR \pm \sqrt{U^2 - I^2 L^2 \omega^2},
где ω=2πv\omega = 2\pi v. Так как действующее значение напряжения всегда положительное, т. е. U1>0U_1 > 0, то
U1=−IR+U2−I2L24π2v2≈114θ.U_1 = -IR + \sqrt{U^2 - I^2 L^2 4\pi^2 v^2} \approx 114\theta.
Задание 2. При какой частоте ω\omega отсутствует соль мока ii и напряжение uu цепи, изображенной на рисунке 9?
В этой задаче рассматривается электрическая цепь, состоящая из двух ветвей, соединенных параллельно. Одна ветвь содержит активное и индуктивное сопротивление, другая—емкость сопротивление. Данную цепь называют параллельным колебательным контуром.
Построение векторной диаграммы начинаем с вектора, соответствующего приложению напряжения, поскольку именно напряжение одинаково для обенных ветвей цепи. Направим вектор U0U_0 вертикально вверх (рис. 10). Ток ii является суммой токов i1i_1 и i2i_2 (см. рис. 9). Колебания тока i1i_1 отстают по фазе от колебаний напряжения, так как верхий участок цепи содержит индуктивное сопротивление. Вектор I01I_{01} повернуть относительно вектора U0U_0 на угол φ\varphi в отрицательную сторону. Согласно формулам (17) и (18)
I01=U0R2+L2ω2I_{01} = \frac{U_0}{\sqrt{R^2 + L^2 \omega^2}} и tgφ=LωRtg\varphi = \frac{L\omega}{R}.
Так i2i_2, текущий через конденсатор, определяет по фазе напряжение на π/2\pi/2. Соответствующий вектор I02I_{02} повернуть на угол π/2\pi/2 в положительной стороне. Его модель I02=U0CωI_{02} = U_0 C\omega. По условию задачи ток ii совпадает по фазе с приложенным напряжением, следовательно, вектор I0I_0 направлен так же, как вектор U0U_0. Окончательная векторная диаграмма представляет на рисунке 10. Из этой диаграммы следует, что амплитуды токов в ветях связи соответствуют.
I02=I01sin⁡φ.I_{02} = I_{01} \sin \varphi. (22)
Подставляя значения I01I_{01}, I02I_{02} и sin⁡φ=tgφ1+tg2φ=LωR2+L2ω2\sin\varphi = \frac{tg\varphi}{\sqrt{1 + tg^2\varphi}} = \frac{L\omega}{\sqrt{R^2 + L^2 \omega^2}} в равенство (22), получим
U0Cω=U0R2+L2ω2LωR2+L2ω2.U_0 C\omega = \frac{U_0}{\sqrt{R^2 + L^2 \omega^2}} \frac{L\omega}{\sqrt{R^2 + L^2 \omega^2}}.
Отсюда
ω=1LC−R2L2.\omega = \sqrt{\frac{1}{LC} - \frac{R^2}{L^2}}.
При такой частоте ток ii и напряжение uu колебатятся в фазе.
Если активное сопротивление RR мало, так что
R2L2≪1LC\frac{R^2}{L^2} \ll \frac{1}{LC}
(в реализном колебатальном контреле это практический так), то
ω=1LC\omega = \frac{1}{\sqrt{LC}}
— это часть переменного напряжения совпадает с частотой собственных колебаней контура.