Расчет емкостного сопротивления в цепи переменного тока
Содержание
Емкостное сопротивление свойственно проводникам, обладающим заметной емкостью. Они называются конденсаторами. Их сопротивление в цепи постоянного тока бесконечно большое. При подключении переменного напряжения конденсаторы начинают периодически перезаряжаться, вследствие чего в цепи возникает ток. Поэтому можно говорить, что емкость отражает способность проводника накапливать определенный заряд при прохождении электрического тока за определенный период времени.
Как устроен конденсатор
Конструктивно этот элемент представляет собой две токопроводящие пластины, между которыми находится диэлектрик.
На емкость конденсатора влияют такие основные факторы:
- Площадь обкладок. На большой площади накапливается больше заряда, а это способствует увеличению емкости и емкостного сопротивления.
- Зазор между обкладками: чем он меньше, тем больше сопротивление. Это связано с тем, что при наличии небольшого зазора концентрируется более сильное электрическое поле, которое воздействует на обкладки, увеличивая емкость конденсатора.
- Характеристики диэлектрика. Для диэлектрической прослойки используются разные материалы, которые по-разному влияют на емкостное сопротивление. Некоторые из них уменьшают емкость, а другие увеличивают. Например, увеличение ёмкости наблюдается при использовании диэлектрика, обладающего высокой диэлектрической проницаемостью.
- Температура окружающей среды. Под влиянием этого фактора могут изменяться свойства используемых материалов, поэтому емкость конденсатора при изменении температурного режима может увеличиваться или уменьшаться.
- Частота тока. Увеличение емкостного сопротивления при высоких частотах может происходить вследствие диэлектрических потерь, обусловленных неподвижностью заряженных частиц в диэлектрике.
Конденсатор в цепи переменного тока
Идеальный конденсатор или емкость, не имеющая активного сопротивления, функционирует в цепи переменного тока, периодически заряжаясь и разряжаясь.
Период синусоиды переменного тока распадается на четыре этапа:
- Первый этап. Наблюдается максимальный ток заряда. Емкостное сопротивление переменному току мало. По мере нарастания напряжения ток падает, а емкость заряжается.
- Второй этап. При достижении максимального напряжения емкость начинает разряжаться, при переходе напряжения через 0 ток достигает максимального значения.
- Третий этап. Со сменой полярности конденсатор начинает заряжаться до достижения амплитуды обратной полярности синусоиды напряжения.
- Четвертый этап. После перехода напряжения через максимум начинается разряд емкости с отдачей тока в цепь.
Анализируя графики, можно сделать вывод, что ток в цепи переменного тока с емкостным сопротивлением по фазе сдвинут от напряжения на 90 градусов. Вследствие этого значение мощности будет равно 0. Это означает, что цепь переменного тока при наличии только емкостной нагрузки не расходует энергию. Наблюдается лишь обмен энергии между емкостной нагрузкой и источником напряжения.
Нагрузка, которая не расходует энергию, называется реактивной. Сопротивление, присущее такой нагрузке также называется реактивным. Оно делится на реактивно-емкостное и реактивно-индуктивное. Единица измерения ёмкостного сопротивления в цепи, как и любого другого, это ом.
Расчет емкостного сопротивления
Амплитуду тока можно найти, используя такое уравнение:
Если это уравнение сравнить с законом Ома
То можно понять, что выражение 1/C выступает в роли сопротивления. Следовательно, формула для емкостного сопротивления будет выглядеть так:
Анализ данной формулы показывает, что емкостное сопротивление конкретного конденсатора в цепи переменного тока зависит лишь от частоты колебаний тока.
Ток в цепи при наличии только емкостной нагрузки определяется с помощью уравнения:
Определение мощности осуществляется по такой формуле:
Например, можно рассчитать сопротивление емкости 5 мкФ в цепи с частотой тока 50 Гц.
Величина тока при использовании такого конденсатора в цепи с напряжением 220 В будет равна:
Мощность будет составлять
Полное сопротивление
Реальные электрические цепи состоят из емкости, индуктивности и активного сопротивления.
Активная составляющая полного сопротивления определяется потерями на нагрев диэлектрика при поляризации, утечками и самостоятельным разрядом. Индуктивная часть сопротивления возникает на входных контактах элемента за счет колебания электромагнитного поля, емкостная отражает способность накопленного заряда сопротивляться изменению тока. Индуктивное сопротивление, как и емкостное, зависит от частоты тока. Его формула выглядит так:
Разность индуктивной и емкостной составляющих сопротивления отражает реактивную часть импеданса реального конденсатора.
Векторная диаграмма падений напряжения и тока в реальном конденсаторе показывает, что падение напряжения на емкости значительно больше, чем на индуктивности. Ток опережает полное напряжение участка цепи на угол φ градусов
Косинус угла φ (cos φ) в энергетике называется коэффициентом мощности. Он играет важную роль в формулах активной и реактивной мощности электрических сетей.
Активная мощность P (Вт) трансформируется в другие полезные виды энергии. Реактивная мощность Q (вар) — это обменная энергия между генерацией и реактивными компонентами цепей переменного тока. Этот вид мощности не несет полезной нагрузки, он связан с потерями.
В электроснабжении принимаются меры по компенсации реактивной энергии. Для этого используются батареи конденсаторов значительной мощности. Они подсоединяются параллельно нагрузке, благодаря чему нагрузка становится активной.
Самая популярная сфера применения конденсаторов — это разнообразные фильтры. Эти устройства обеспечивают прохождение одних сигналов и задержку других. Фильтры электропитания позволяют сглаживать и поддерживать определенное напряжение на нагрузке за счет устранения нежелательных междукаскадных связей, способствующих нестабильной работе.
Загрузка...
