Автор Анна Евкова
Преподаватель который помогает студентам и школьникам в учёбе.

Цепи периодического несинусоидального тока

Содержание:

Цепи периодического несинусоидального тока:

До сих пор изучались линейные электрические цепи однофазного и трехфазного токов, в которых все э. д. с., токи и напряжения изменялись синусоидально с одинаковой частотой.

При разборе принципа генерирования синусоидальной э. д. с. отмечалось, что для получения синусоидальной э. д. с. в обмотке как явнополюсного, так и неявнополюсного генератора стремятся получить синусоидальную форму распределения магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором. В действительности, однако, распределение магнитной индукции может отступать от синусоиды, вследствие чего э. д. с., наводимая генератором, может быть не точно синусоидальной. Электронные генераторы, применяемые в технике высоких частот, генерируют токи, которые в зависимости от режима работы электровакуумных и полупроводниковых приборов также могут в большей или меньшей степени отличаться от синусоидальных. По этим причинам, а также если источники синусоидальных э. д. с., присоединенные к цепи, имеют разные частоты, напряжения и токи в цепи оказываются несинусоидальными.

Во многих электротехнических и радиотехнических устройствах несинусоидальный режим работы цепи является нормальным режимом. Особенно характерен такой режим для нелинейных цепей. Даже при синусоидальной э. д. с. форма кривой тока может резко отличаться от синусоиды при наличии в цепи нелинейного элемента1 (электрической дуги, индуктивной катушки с насыщенным магнитопроводом, полупроводникового прибора и т. п.).

Настоящая глава посвящена исследованию периодических процессов в линейных электрических цепях, находящихся под воздействием несинусоидальных э. д. с. Электрические и магнитные величины в таких цепях представляют собой периодические несинусоидальные функции.

Явления, происходящие в линейной электрической цепи с периодической несинусоидальной э. д. с., проще всего поддаются исследованию, если эту э. д. с. разложить на сумму постоянной и синусоидальных слагающих (называемых гармониками), затем на основе уже изученных методов расчета линейных электрических цепей определить токи и напряжения, вызванные каждой слагающей э. д. с. в отдельности, и, наконец, просуммировать соответствующие величины. Полученные таким образом токи и напряжения будут представлять собой периодические несинусоидальные функции времени, причем их период будет равен периоду заданной несинусоидальной э. д. с.

Кроме вычисления токов и напряжений в электрической цепи по заданной несинусоидальной э. д. с. источника (или заданному току источника тока), на практике может возникнуть необходимость выявления гармонического состава или степени отклонения от синусоиды той или иной периодической функции времени, полученной, например, экспериментально в результате осциллографирования.

На рис. 13-1 в виде примера показана периодическая несинусоидальная функция времени с периодом Т:

Цепи периодического несинусоидального тока

Вид разложения такой функции зависит от выбора начала отсчета.

Цепи периодического несинусоидального тока

В пределах интервала времени Т функция f (t) может быть либо непрерывной, либо иметь точки разрыва непрерывности. Будем считать, что все эти точки разрыва непрерывности обладают следующим свойством: если функцияЦепи периодического несинусоидального токапретерпевает разрыв непрерывности в точке Цепи периодического несинусоидального тока (рис. 13-1), то существуют конечные пределы функции f (t) при приближении к точке разрыва как справа (т. е. от значений Цепи периодического несинусоидального тока так и слева (т. е. от значений Цепи периодического несинусоидального тока-Эти пределы условно обозначаютсяЦепи периодического несинусоидального тока или, что то же,Цепи периодического несинусоидального тока Как известно, такие точки разрыва непрерывности называются точками разрыва первого рода.

Будем также считать, что в пределах интервала времени Г число разрывов первого рода, а также число максимумов и минимумов функции f (t) конечны.

Таким образом, будем рассматривать функции, удовлетворяющие условиям Дирихле; следует заметить, что э. д. с., токи и напряжения в реальных электрических цепях удовлетворяют этим условиям.

Известно, что периодическая несинусоидальная функция, удовлетворяющая условиям Дирихле, может быть представлена в виде бесконечно гармонического ряда — ряда Фурье. Сумма этого ряда совпадает со значениями
 

Цепи периодического несинусоидального тока для всех точек непрерывности этой функции, а в точках разрыва дает среднее арифметическое левого и правого предельных значений Цепи периодического несинусоидального тока, т. е.

Цепи периодического несинусоидального тока

Обозначим Цепи периодического несинусоидального тока и будем называть со основной угловой частотой. Синусоидальная и косинусоидальная слагающие с угловой частотой о образуют основную гармонику. Слагающие с более высокими угловыми частотами представляют собой высшие гармоники.

Гармонический ряд в тригонометрической форме имеет вид:

Цепи периодического несинусоидального тока

Цепи периодического несинусоидального тока

здесь Цепи периодического несинусоидального тока— постоянная слагающая; Цепи периодического несинусоидального тока— амплитуды косинусоидальных и синусоидальных членов ряда.
Цепи периодического несинусоидального тока      

Постоянная слагающая Цепи периодического несинусоидального тока определяемая на основании (13-2) при n — О, представляет собой среднее значение функции f (t) за период. Она равна нулю, когда площади положительных и отрицательных значений f (t) одинаковы (рис. 13-2).

Коэффициенты ряда Фурье Цепи периодического несинусоидального тока не зависят от Цепи периодического несинусоидального тока поэтому значениеЦепи периодического несинусоидального токаможет быть выбрано произвольно. В этом легко убедиться, если учесть, что подынтегральные функции в (13-2) и (13-3) имеют период Т. Обозначив подынтегральную функцию через g (t), получим:

Цепи периодического несинусоидального тока

Так какЦепи периодического несинусоидального тока
Заменой переменной x — t — T находим:

Цепи периодического несинусоидального тока

Следовательно,

Цепи периодического несинусоидального тока

Полученный результат можно еще объяснить так: площади, выражаемые интеграламиЦепи периодического несинусоидального тока равны, так как в силу периодичности подынтегральной функции любое изменениеЦепи периодического несинусоидального тока не меняет площади, ограниченной данной функцией и осью абсцисс за период.

Положив Цепи периодического несинусоидального тока= 0 и введя новую переменную а = Цепи периодического несинусоидального тока найдем (с учетом того, что, Цепи периодического несинусоидального тока

Цепи периодического несинусоидального тока
где

Цепи периодического несинусоидального тока
Если принятьЦепи периодического несинусоидального токато пределы интегрирования

будут равны соответственно Цепи периодического несинусоидального тока

Сумма косинусоид и синусоид, выражаемая формулой (13-1) или (13-4), может быть представлена в виде суммы только одних синусоид с соответствующими начальными фазами.

Так, если принять

Цепи периодического несинусоидального тока

где

Цепи периодического несинусоидального тока

то ряд получит видЦепи периодического несинусоидального тока

Цепи периодического несинусоидального тока

Напомним, что угол Цепи периодического несинусоидального тока находится с учетом знаков Цепи периодического несинусоидального тока и Цепи периодического несинусоидального токаопределяющих знаки синуса и косинуса.

Форма (13-8) удобна в том случае, когда требуется знать процентное содержание каждой гармоники; она обычно применяется для расчета несинусоидальных токов и напряжений в электрических цепях.

Хотя теоретически ряд Фурье содержит бесконечное число слагаемых, однако он обычно быстро сходится. Сходящийся ряд может выражать заданную функцию с любой требуемой степенью точности; если он сходится быстро, то практически достаточно взять небольшое число гармоник для получения требуемой степени точности.

Встречающиеся на практике периодические несинусоидальные функции могут быть разбиты на две группы. Первая группа включает в себя кривые геометрически правильной формы. Вторая группа включает в себя кривые более сложной формы; разложение их в ряд Фурье производится графоаналитически.

Цепи периодического несинусоидального токаИногда периодическую функцию представляют в виде следующего ряда:

Цепи периодического несинусоидального тока

что следует из равенства

Цепи периодического несинусоидального тока

Графоаналитический метод разложения в ряд Фурье представляет приближенный метод численного интегрирования, при котором вычисление определенного интеграла заменяется нахождением суммы конечного числа слагаемых. С этой целью период функции f (а) , равный Цепи периодического несинусоидального тока разбивается на m равных интервалов Цепи периодического несинусоидального тока так что Цепи периодического несинусоидального тока

Расстояние от начала координат до середины k-го интервала составляет угол Цепи периодического несинусоидального тока

Пусть Цепи периодического несинусоидального тока есть значение периодической несинусоидальной функции в середине k-го интервала.

Интегралы, входящие в (13-5) и (13-6), заменяются суммами:

Цепи периодического несинусоидального тока

Если в пределах периода имеются точки разрыва, то при указанном графическом методе разложения целесообразно делать разбивку на интервалы так, чтобы точки разрыва не были в серединах интервалов.

В описанной выше технике выполнения графоаналитического разложения в ряд Фурье брались значения функции в середине интервалов; если вместо этого брать значения в конце или начале интервалов, то в случае четной функции наряду с косинусоидами в разложении появятся и синусоиды, которых четная функция не содержит.

Случаи симметрии

Периодические несинусоидальные функции, изображающие электрические и магнитные величины, обладают обычно каким-либо видом симметрии и это облегчает разложение их в ряд Фурье.

Рассмотрим следующие случаи симметрии:

1.    Функция f (а) симметрична относительно оси ординат (рис. 13-3), т. е.Цепи периодического несинусоидального тока Такие функции называются четными. Поскольку синусоиды любых частот являются нечетными функциями, они не входят в состав ряда.

Поэтому при данном виде симметрии

Цепи периодического несинусоидального тока

т. е. четная функция может содержать только косинусоиды и постоянную составляющую.

Цепи периодического несинусоидального тока
Важным свойством четных функций является также то, что для определения коэффициентовЦепи периодического несинусоидального тока достаточно пользоваться кривой f (а) за половину периода, т. Цепи периодического несинусоидального тока

Это следует из равенства

Цепи периодического несинусоидального тока

Замена в первом интеграле а на —а приводит к (13-9).

2.    Функция f (а) симметрична относительно начала координат (рис. 13-4), т. е. f(а) = —f (—а). Та'кие функции называются нечетными. Поскольку постоянная слагающая и косинусоиды этому условию не удовлетворяют, при данном виде симметрии ряд примет вид:

Цепи периодического несинусоидального тока

т. е. нечетная функция может содержать только синусоиды.

В этом случае, так же как и в предыдущем, для определения коэффициентов Ьп достаточно пользоваться кривой f (а) за половину периода, т. е.
Цепи периодического несинусоидального тока
3.    Функция f (а) симметрична относительно оси абсцисс при совмещении двух полупериодов во времени (рис. 13-5), т. е.Цепи периодического несинусоидального тока

Цепи периодического несинусоидального тока
Заменяя f.(а) в соответствии с (13-4), получаем:

Цепи периодического несинусоидального тока

откуда для четных n

Цепи периодического несинусоидального тока

Это условие удовлетворяется при произвольных значениях а только в том случае, если Цепи периодического несинусоидального тока при четных n.

Поэтому при данном виде симметрии

Цепи периодического несинусоидального тока

т. е. функция, симметричная относительно оси абсцисс при совмещении двух полупериодов во времени, содержит только нечетные гармоники.

Коэффициенты Цепи периодического несинусоидального тока могут вычисляться в этом случае по формулам (13-9) и (13-10).

Раскладывая периодическую несинусоидальную функцию в ряд Фурье, следует предварительно выяснить, не обладает ли заданная функция каким-либо видом симметрии. Наличие симметрии позволяет заранее предсказать, каких гармоник следует ожидать в разложении.

Если одновременно выполняются условия симметрии по пп. 1 и 3, то в разложении содержатся только нечетные косинусоиды, если по пп. 2 и 3, то содержатся только нечетные синусоиды.

Допустим, что функция, содержащая только нечетные косинусоиды, удовлетворяет, кроме того, условию f (а) = —f Цепи периодического несинусоидального токаТак как при нечетных Цепи периодического несинусоидального токаЦепи периодического несинусоидального тока то в этом случае для определения коэффициентов Цепи периодического несинусоидального тока достаточно пользоваться кривой f (а) за четверть периода:

Цепи периодического несинусоидального тока

В свою очередь если функция, содержащая только нечетные синусоиды, удовлетворяет условиюЦепи периодического несинусоидального токато ввиду того что при нечетных n sin na = sin Цепи периодического несинусоидального тока и в этом случае для определения коэффициентов Цепи периодического несинусоидального токадостаточно пользоваться кривой f (а) за четверть периода:

Цепи периодического несинусоидального тока

Виды симметрии зависят от выбора начала отсчета. Если начало отсчета может быть выбрано произвольно, то целесообразно выбрать его так, чтобы получить наибольшую симметрию.

Данные о коэффициентах ряда Фурье, относящиеся к разобранным выше случаям симметрии, сведены в табл. 13-1.

Пример 13-1. Требуется разложить в ряд Фурье пилообразную функцию, показанную на рис. 13-6. Эта функция удовлетворяет условию

Цепи периодического несинусоидального тока

Заданная функция является нечетной, поэтому в разложении в ряд отсутствуют постоянная составляющая и косинусоиды; на основа-
 

Цепи периодического несинусоидального тока

нии (13-10)
Цепи периодического несинусоидального тока

СледовательноЦепи периодического несинусоидального тока

В точкахЦепи периодического несинусоидального тока сумма ряда равна нулю, т. е. среднему арифметическому левого и правого предельных значений функции Цепи периодического несинусоидального тока
Цепи периодического несинусоидального тока
 

Пример 13-2.

Требуется разложить в ряд Фурье знакопеременную прямоугольную функцию, показанную на рис. 13-7. Эта функция удовлетворяет условиямЦепи периодического несинусоидального тока
Заданная функция нечетна и, кроме того, симметрична относительно оси абсцисс при совмещении полу периодов. Поэтому в разложении в ряд отсутствуют постоянная составляющая, все косинусоиды и четные синусоиды. Кроме того, выполняется условие Цепи периодического несинусоидального тока Поэтому для определения коэффициентов Цепи периодического несинусоидального токавоспользуемся формулой (13- 10а):

Цепи периодического несинусоидального тока

где л — нечетно, отсюда
Цепи периодического несинусоидального тока
 

Перенос начала отсчета

Положим, что для некоторой периодической несинусоидальной функции f (а) коэффициентыЦепи периодического несинусоидального тока являются заданными, т. е. известно разложение данной функции в ряд Фурье:
Цепи периодического несинусоидального тока

Если сместить начало отсчета на некоторый отрезок р вправо или влево относительно исходного начала координат, то разложение в ряд Фурье относительно новой координатной системы будет получено заменой Цепи периодического несинусоидального тока, где Цепи периодического несинусоидального тока— абсцисса в новой системе координат; положительное значение Цепи периодического несинусоидального токасоответствует смещению нового начала отсчета вправо, а отрицательное — влево. Итак,

Цепи периодического несинусоидального тока

Эта формула позволяет быстро находить разложение в ряд Фурье функции, если известны коэффициенту ряда

Фурье для другой функции, получаемой в результате смещения первой по оси абсцисс на постоянное значение.
Цепи периодического несинусоидального тока

Пример 13-3.

Требуется найти разложение в ряд Фурье функции, изображенной на рис. 13-8, использовав результаты примера 13-2.

Функция на рис. 13-8 получается при переносе начала координат на рис. 13-7 (точка 0) вправо на отрезок Цепи периодического несинусоидального тока Следовательно, в соответствии с (13-11)

Цепи периодического несинусоидального тока

Комплексная форма ряда Фурье

Тригонометрическая форма ряда Фурье может быть преобразована в комплексную следующим образом. Исходя из того, что

Цепи периодического несинусоидального тока

выражение, заключенное в скобки в формуле (13-4), приводится к виду

Цепи периодического несинусоидального тока

и ряд (13-4) записывается следующим образом:

Цепи периодического несинусоидального тока

На основании (13-5) и (13-6) Цепи периодического несинусоидального токачетная, а Цепи периодического несинусоидального токанечетная функция относительно n, т. е. Цепи периодического несинусоидального токасохраняет свой знак при отрицательных значениях n, а Цепи периодического несинусоидального токаменяет его:

Цепи периодического несинусоидального тока

Поэтому с учетом того, что

Цепи периодического несинусоидального тока
Таким образом, ряд Фурье в комплексной форме имеет
вид:
Цепи периодического несинусоидального тока
где комплексный коэффициент (комплексная амплитуда)Цепи периодического несинусоидального токасогласно (13-5) и (13-6)

Цепи периодического несинусоидального тока

1. Применявшаяся ранее для представления синусоидальной функции комплексная амплитуда, например Цепи периодического несинусоидального тока, связана с введенным здесь одноименным понятием соотношением
Цепи периодического несинусоидального тока
откуда следует:Цепи периодического несинусоидального тока

Как указывалось выше, Цепи периодического несинусоидального тока следовательно, ряд (13-12) содержит два бесконечных ряда сопряженных относительно действительной оси векторов, вращающихся в противоположные стороны с угловыми скоростями Цепи периодического несинусоидального токаГеометрическая сумма каждой пары сопряженных векторов дает только действительное значение (рис. 13-9). В результате суммирования двух бесконечных рядов сопряженных векторов получается действительная функция Цепи периодического несинусоидального тока

Цепи периодического несинусоидального тока
Рис. 13-9. Синусоидальная функция как сумма двух сопряженных векторов, вращающихся в противоположных направлениях.

Применение ряда Фурье к расчету периодического несинусоидального процесса

Пусть требуется найти ток в электрической цепи под воздействием периодической несинусоидальной э. д. с.

Цепи периодического несинусоидального тока

Здесь индексом т обозначены амплитуды гармоник. Если цепь линейна, т. е. параметры г, L, М и С неизменны, то ток в цепи находится методом наложения, путем суммирования токов, создаваемых каждой из слагающих э. д. с. в отдельности:

Цепи периодического несинусоидального тока

где

Цепи периодического несинусоидального тока

Под z (0) подразумевается сопротивление цепи при частоте, равной нулю, т. е. сопротивление постоянному току; Цепи периодического несинусоидального тока — полное сопротивление при частоте Цепи периодического несинусоидального тока

УголЦепи периодического несинусоидального тока определяется как арктангенс отношения реактивного сопротивления цепи к ее активному сопротивлению при частоте Цепи периодического несинусоидального тока

В случае, когда цепь состоит из последовательно соединенных элементов r, L и С,
Цепи периодического несинусоидального тока
При этом Цепи периодического несинусоидального тока, так как цепь для постоянного тока разомкнута.

По мере повышения номера гармоники, т. е. с увеличением частоты то, индуктивное сопротивление Цепи периодического несинусоидального тока растет по закону прямой линии, а емкостное сопротивление Цепи периодического несинусоидального тока убывает по закону гиперболы. Поэтому в цепи, состоящей из последовательно соединенных r и L, гармоники тока выражены слабее, чем в э. д. с. источника. В отличие от этого высшие гармоники тока в цепи, состоящей из r и С могут достигать больших значений.

В смешанной индуктивно-емкостной цепи при Цепи периодического несинусоидального токаЦепи периодического несинусоидального тока наступает явление резонанса для n-й гармоники.

В общем случае цепи, состоящей из элементов r, L и С, как реактивное, так и активное сопротивления являются функциями частоты.

Периоды различных гармоник обратно пропорциональны номеру гармоники. Поэтому если по оси абсцисс откладывается не время t, а угол Цепи периодического несинусоидального тока то углу а основной гармоники соответствует на той же абсциссе угол на для n-й гармоники (рис. 13-10).

Расчет периодических несинусоидальных токов и напряжений в разветвленных электрических цепях ведется, как правило, в комплексной форме.

Если периодическая несинусоидальная э. д. с. задана в тригонометрической форме ряда Фурье вида (13-8), то э. д. с. и ток могут быть представлены так:
Цепи периодического несинусоидального тока

гдеЦепи периодического несинусоидального тока

Следовательно, комплексная форма расчета периодического несинусоидального тока заключается в нахождении комплексных амплитуд токов Цепи периодического несинусоидального тока соответствующих

Цепи периодического несинусоидального тока

заданным комплексным амплитудам э. д. с. Цепи периодического несинусоидального тока для разных значений т. При этом, ввиду того что отдельные слагающие имеют неодинаковые частоты, не складываются непосредственно комплексные амплитуды, а суммируются проекции векторов, вращающихся с разными угловыми

скоростями Цепи периодического несинусоидального токат. е. суммируются мгновенные значения отдельных гармоник.

Цепи периодического несинусоидального тока

Пример 13-4.

Вычислить суммарный ток в схеме на рис. 13-11. Задано:

Цепи периодического несинусоидального тока
Искомый ток находится методом наложения, т. е, поочередным вычислением постоянной слагающей и гармоник тока с последующим суммированием их.

Сопротивление постоянному току Цепи периодического несинусоидального токаПостоянная слагающая тока

Цепи периодического несинусоидального тока

Комплексное Сопротивление цепи для основной частоты 

Цепи периодического несинусоидального тока

Комплексная амплитуда тока основной частоты 

Цепи периодического несинусоидального тока
Комплексное сопротивление цепи для утроенной частотыЦепи периодического несинусоидального тока

Комплексная амплитуда тока третьей гармоники 

Цепи периодического несинусоидального тока

Мгновенное значение суммарного тока

Цепи периодического несинусоидального тока
В заключение следует отметить, что в простых случаях установившийся периодический ток может быть получен не только в виде суммы гармоник, но и в более удобной форме аналитического выражения, справедливого для определенного интервала времени (например, полу-периода). Для этого интервала записывается дифференциальное уравнение для тока, которое решается так называемым классическим методом или с помощью преобразования Лапласа . Полученное решение включает в себя неизвестное начальное значение тока, которое затем находят из условия периодичности.

Рассмотрим простой пример. Пусть в цепи последовательно соединенных г и L действует периодическая знакопеременная э. д. с. такого вида, как изображено на рис. 13-7. Тогда для первого полупериода справедливо уравнение Цепи периодического несинусоидального токарешение которого имеет вид

Цепи периодического несинусоидального тока При Цепи периодического несинусоидального тока следовательно, Цепи периодического несинусоидального тока

Цепи периодического несинусоидального тока Кривая тока, так же как и кривая э. д. с., будет симметрична

относительно оси времени и не будет иметь скачков благодаря индуктивному характеру цепи. Поэтому Цепи периодического несинусоидального токато дает:

Цепи периодического несинусоидального тока
Отсюда находится i (0)Цепи периодического несинусоидального токаЦепи периодического несинусоидального тока

Подставив это в выражение для тока, получим окончательно для первого полупериода Цепи периодического несинусоидального тока

Цепи периодического несинусоидального тока
Во втором полупериоде кривая тока будет иметь тот же вид, но противоположный знак.

Итак, периодическая несинусоидальная функция представляется не только в виде ряда Фурье, но и в замкнутой форме, т. е. в виде аналитического выражения с конечным числом слагаемых, справедливого для выбранного интервала времени.

Действующее и среднее значения периодической несинусоидальной функции

Действующее значение периодической несинусоидальной функции / (0 определяется по формуле 
Цепи периодического несинусоидального тока

Если функция задана в виде (13-8), то после возведения ее в квадрат интеграл под знаком корня разложится на ряд интегралов, дающих в результате сумму квадрата постоянной слагающейЦепи периодического несинусоидального тока, и средних значений квадратов отдельных гармоник (которые согласно равны Цепи периодического несинусоидального тока, средние же значения удвоенных произведений гармоник разных порядков или произведений постоянной слагающей на отдельные гармоники будут равны нулю.

Следовательно, действующее значение периодической несинусоидальной функции выражается формулой

Цепи периодического несинусоидального тока
Поскольку Цепи периодического несинусоидального тока— амплитуда n-й гармоники, Цепи периодического несинусоидального тока — действующее значение гармоники. Таким образом, полученное выражение показывает, что действующее значение периодической несинусоидальной функции равно корню квадратному из суммы квадратов действующих значений гармоник и квадрата постоянной слагающей.

Отсюда следует, что действующее значение функции, представляющее собой сумму гармоник разных частот, не зависит от начальных фаз этих гармоник, а всецело определяется их действующими значениями.

Например, если несинусоидальный ток выражается формулой (13-14), то действующее значение тока равно:

Цепи периодического несинусоидального тока

Действующее значение периодической несинусоидальной функции может быть измерено, так же как и при синусоидальных токах, с помощью электроизмерительного прибора электромагнитной, электродинамической, тепло-вой или других систем.

Наряду с понятием действующего значения периодической несинусоидальной функции в электротехнике и радиотехнике пользуются понятием среднего значения функции, взятого по абсолютному значению; последнее в соответствии  выражается интегралом вида

Цепи периодического несинусоидального тока

Этот интеграл равен среднему значению функции Цепи периодического несинусоидального тока за положительный полупериод, если Цепи периодического несинусоидального тока имеет одинаковые положительную и отрицательную полуволны:

Цепи периодического несинусоидального тока

Среднее значение функции за полупериод измеряется с помощью магнитоэлектрического прибора с выпрямителем (магнитоэлектрический прибор без выпрямителя измеряет постоянную слагающую).

Мощность в цепи периодического несинусоидального тока

В соответствии с (2-26) активная мощность равна среднему значению мощности:
Цепи периодического несинусоидального тока

Если вместо и и i подставить их выражения через тригонометрический ряд вида (13-8), то интеграл разложится на ряд интегралов, дающих в результате сумму произведения постоянных слагающих напряжения и тока и средних значений произведений гармоник напряжения и тока одного и того же порядка. Остальные интегралы будут равны нулю, так как они представляют собой средние значения произведений гармоник разных порядков или произведений постоянной слагающей на отдельные гармоники.

Итак,

Цепи периодического несинусоидального тока

т. е. активная мощность периодического несинусоидального тока равна сумме активных мощностей отдельных гармоник плюс мощность постоянных слагающих.

Иначе говоря, активная мощность от взаимодействия разноименных гармоник напряжений и токов или взаимодействия гармоник с постоянными слагающими равна нулю.

По аналогии с понятием реактивной мощности для синусоидальных функций может быть введено понятие реактивной мощности в цепи с периодическими несинусоидальными величинами. Она определяется как сумма реактивных мощностей отдельных гармоник.

Содержание в одной из кривых (напряжения или тока) гармоник, отсутствующих в другой кривой, не отражается на величинах активной и реактивной мощностей, но повышает действующее значение той функции, которая содержит эти гармоники. Поэтому, если полную мощное ть в рассматриваемой цепи определять как произведение действующих напряжения и тока Цепи периодического несинусоидального тока, то на основании сказанного можно заключить, что в отличие от синусоидального режима сумма квадратов активной и реактивной мощностей в цепи с периодическими несинусоидальными величинами не равна квадрату полной мощности:

Цепи периодического несинусоидального тока
Величина Т носит название мощности искажения; она характеризует степень различия в формах кривых напряжения u и тока i. Если сопротивление цепи активное, то кривые напряжения и тока подобны; при этом Q = 0 и Т = 0.

Пример 13-5.

Вычислить активную мощность, поступающую в цепь в примере 13-4.

е (/) = 30    15 sin <£>l + 20 sin 3to/;

i    (/) = 20 + 7,65 sin (со/ - 33,6°) + 1,04 sin (3co/ + 8,9°).

На основании (13-15)

Цепи периодического несинусоидального тока
 

Коэффициенты, характеризующие периодические несинусоидальные функции

По аналогии с синусоидальными функциями отношение активной мощности при несинусоидальных токах к полной мощности называется коэффициентом мощности и обозначается Цепи периодического несинусоидального тока
Цепи периодического несинусоидального тока
Отношение в правой части (13-16) обращается в единицу только при наличии прямой пропорциональности между u и i.

Положим, что напряжение синусоидально, а ток несинусоидален. В этом случае активная мощность в соответствии с (13-15) определяется мощностью первой гармоники:

Цепи периодического несинусоидального тока

При этом действующее значение тока

Цепи периодического несинусоидального тока

Следовательно, коэффициент мощности

Цепи периодического несинусоидального тока
Множитель Цепи периодического несинусоидального тока называется коэффициентом искажения.

В радиотехнике и электротехнике пользуются также коэффициентами формы кривой Цепи периодического несинусоидального тока и амплитудыЦепи периодического несинусоидального тока

Коэффициент формы кривой определяется как отношение действующего значения функции к среднему,взятому по абсолютному значению,
Цепи периодического несинусоидального тока
Для синусоиды
Цепи периодического несинусоидального тока
Коэффициент амплитуды определяется как отношение максимального значения функции к действующему значению ее:
Цепи периодического несинусоидального тока
Для синусоидыЦепи периодического несинусоидального тока
Несинусоидальные кривые напряжения и тока заменяются в ряде случаев эквивалентными синусоидами. Замена производится таким образом, что действующие значения синусоидальных функций принимаются равными действующим значениям несинусоидальных функций, а угол сдвига фаз между эквивалентными синусоидами принимается равным углу Цепи периодического несинусоидального тока где Цепи периодического несинусоидального тока определяется из (13-16).

Высшие гармоники в трехфазных электрических цепях

При установившемся режиме в симметричных трехфазных электрических цепях кривые напряжения и тока во второй и третьей фазах аналогичны кривой напряжения и тока первой фазы со сдвигом на треть периода. Так, например, если напряжениеЦепи периодического несинусоидального тока в фазе А выражается функцией

Цепи периодического несинусоидального тока

тоЦепи периодического несинусоидального тока

Гармоники порядка, кратного 3 (n = 3, 6, 9, ...), во всех фазах тождественны, так как

Цепи периодического несинусоидального тока

Поэтому они образуют систему напряжений нулевой последовательности.

Гармоники порядка Цепи периодического несинусоидального тока где k — любое целое число, т. е. при n = 1, 4, 7, 10, 13 и т. д., образуют симметричную систему напряжений прямой последовательности, так как при этом:

Цепи периодического несинусоидального тока

и, следовательно, n-я гармоника в фазе В отстает от n-й гармоники в фазе А на 120°, а в фазе С опережает ее на 120°.

Наконец, гармоники при n = 3k—1, где k — любое целое число, т. е. при n= 2, 5, 8, 11, 14 и т. д., образуют симметричную систему напряжений обратной последовательности, так как при этом:

Цепи периодического несинусоидального тока

и, следовательно, n-я гармоника в фазе В опережает n-ю гармонику в фазе А на 120°, а в фазе С отстает от нее на 120°. Все эти случаи весьма наглядно представляются на векторных диаграммах, построенных для каждой частоты в отдельности.

В практически встречающихся случаях постоянная составляющая и четные гармоники обычно отсутствуют, и поэтому в дальнейшем можно ограничиться рассмотрением только нечетных гармоник.

При соединении источника электроэнергии и нагрузки звездой с нейтральным проводом в последнем в соответствии с изложенным выше протекает ток, равный сумме всех гармоник с порядковым номером, кратным 3:

Цепи периодического несинусоидального тока

Действующее значение этого тока определится:

Цепи периодического несинусоидального тока

При отсутствии нейтрального провода токи в фазах не содержат гармоник порядка, кратного 3.

В линейных напряжениях, равных разностям фазных напряжений, будут отсутствовать гармоники с порядковым номером, кратным 3.

Ввиду отсутствия в линейных напряжениях гармоник порядка, кратного 3, отношение действующего линейного напряжения к действующему фазному напряжению при несинусоидальных напряжениях получается меньшеЦепи периодического несинусоидального тока

Цепи периодического несинусоидального тока

Если фазы генератора соединены треугольником, то во внешней цепи гармоники порядка, кратного 3, отсутствуют; в обмотках же генераторов, соединенных треугольником, действует э. д. с., равная утроенной сумме высших гармоник, кратным 3. Однако она полностью уравновешивается падением напряжения в контуре треугольника от токов этих гармоник. Поэтому гармоники, порядок которых кратен 3, отсутствуют не только в линейных токах и напряжениях, но и в фазных напряжениях.

Разность потенциалов на выводах вторичной обмотки трансформатора напряжения, соединенной разомкнутым треугольником (см. рис. 12-28, в), в случае несинусоидальных фазных напряжений равна:

Цепи периодического несинусоидального тока

Действующее значение этого напряжения
Цепи периодического несинусоидального тока

Поэтому даже при симметричной трехфазной электрической цепи возможно появление составляющих токов и напряжений нулевой последовательности, обусловливаемых несинусоидальностью фазных э. д. с. генераторов.