Энергия и мощность в цепи синусоидального тока с идеальными R, L, C элементами
В цепи постоянного тока мощность определялась выражением .
Рассмотрим цепь переменного тока с последовательным соединением R, L, C элементов.
Запишем подведенное напряжение: и ток .
png">. При yi=0 yu=j.
Если XL >XC, то j > 0 и наоборот.
Для мгновенных значений справедливо выражение:
.
Отдельно здесь запишем: .
.
Результат: – это выражение для мгновенной мощности.
Энергия, которая поступает в цепь, определяется средним значением мощности за период:
.
Но , поэтому .
– коэффициент мощности.
Из треугольника напряжений , поэтому
активная мощность.
Таким образом, среднюю мощность называют активной мощностью.
Рассмотрим цепь с активным элементом, т.е. j = 0.
.
Построим график этой функции:
Мощность больше нуля, значит на активном элементе энергия поступает от источника в цепь и здесь тратится. Что это за энергия?:
– это энергия тепловая.
Рассмотрим цепь с индуктивным элементом, т.е. j = p/2.
.
Но и первое и второе выражения равны нулю, т.е. среднее значение мощности за период равно нулю. Из общего выражения для мгновенной мощности:
За период мощность дважды меняет знак.
Положительное значение мощности соответствует режиму, при котором энергия поступает в цепь. Отрицательное значение мощности соответствует режиму, при котором энергия возвращается источнику. Таким образом идеальный индуктивный элемент энергии не потребляет.
Найдем значение энергии, поступающей с цепь за четверть периода:
– это выражение для энергии магнитного поля.
Здесь мы сделали замену пределов интеграла: при t=0 i=0; при t=T/4 i=Im.
Таким образом, энергия, поступившая в цепь с идеальным индуктивным элементом, преобразуется в энергию магнитного поля. Мощность положительна, когда ток растет по абсолютной величине.
В этот момент энергия поступает в цепь и преобразуется в энергию магнитного поля.
При уменьшении тока запасенная энергия в индуктивном элементе возвращается источнику, т.е. в такой цепи между источником и потребителем происходит непрерывный обмен энергиями.