Три основни параметъра-Съпротивление, индуктивност и капацитет

Резистори (R), индуктори (L) и кондензатори (C) са трите основни компонента и основни параметри във всички вериги. Нито една електрическа верига не може да работи без поне един от тях. Заслужава да се отбележи, че идеалните елементи на веригата са различни от реалните физически компоненти. Елементът на веригата е опростен идеален модел, предназначен да представя специфична електрическа характеристика на физическо устройство. Накратко, стандартизираните символи се използват в електрическите схеми, за да отразят електрическите свойства на действителното оборудване и компоненти. Например нагревателни устройства като резистивни товари, електрически пещи и нагревателни пръти могат да бъдат представени чрез модела на резистивен елемент в анализа на веригата.

 

Въпреки това някои електрически устройства не могат да бъдат моделирани само от един елемент на веригата. Намотките на двигателя служат като типичен пример. По същество структури на намотки, намотките могат да бъдат представени от индуктор. Те обаче идват и с присъща устойчивост. Поради тази причина трябва да се добави резистор, който да отразява това резистивно свойство. Съответно, когато се изгражда модел на верига за намотките на двигателя, те се изразяват като последователна комбинация от съпротивление и индуктивност.

 

Съпротивлението е най-простият и интуитивен електрически параметър. В съответствие със закона на Ом формулата му за изчисление е (R=U/I). В една верига съпротивлението действа като пречка за протичане на ток. Колкото по-висока е стойността на съпротивлението, толкова по-силно е инхибирането на електрически ток. Тъй като характеристиките на съпротивлението са относително ясни, ще преминем към разработване на индуктивност и капацитет.

 

1. Какво представляват индуктивността и капацитетът?

Както бе споменато по-горе, индуктивността и капацитетът, също като съпротивлението, са основни параметри и компоненти на веригата, но те приемат различни мерни единици.

 

Индуктивността се обозначава с букватаL, с единица хенри (H). Той определя способността на бобината да генерира магнитно поле. С други думи, когато входният ток остава постоянен, намотка с по-голяма индуктивност ще произведе по-силно магнитно поле. За сравнение съпротивлението характеризира противопоставянето на компонента на тока. При фиксирано напрежение по-високото съпротивление води до по-нисък работен ток.

 

Капацитетът е отбелязан с букватаC, измерено във фаради (F). Той описва способността на кондензатора да съхранява електрически заряд и електрическа енергия. При постоянно приложено напрежение, кондензатор с по-голям капацитет може да съхранява повече електрическа енергия.

 

По същия начин индуктивните компоненти също притежават способности за съхранение на енергия. По-силното магнитно поле носи по-голяма магнитна енергия. Тъй като магнитните полета съдържат енергия, те могат да упражняват механична сила върху близките магнити и да извършват работа върху тях.

 

2. Връзката между индуктивност, капацитет и съпротивление

По същество индуктивността и капацитетът нямат присъща корелация със съпротивлението и техните измервателни единици са напълно независими. Това разграничение обаче става видно във веригите с променлив ток (AC).

 

Във вериги с постоянен ток (DC) индукторите функционират като късо съединение, докато кондензаторите действат като отворени вериги. Във веригите за променлив ток обаче и индукторите, и кондензаторите генерират честотно-зависимо противодействие на тока. Този тип токо-ограничаващ ефект не се нарича съпротивление, а реактивно съпротивление, представено от символа X. Реактивното противопоставяне, произведено от индуктор, се определя като индуктивно съпротивление ((XL)), а това, генерирано от кондензатор, е капацитивно реактивно съпротивление ((XC)).

 

Както индуктивното, така и капацитивното съпротивление споделят една и съща единица като съпротивлението: ом. И трите величини възпрепятстват протичането на ток във веригите. Ключовата разлика се крие в зависимостта от честотата: съпротивлението остава постоянно независимо от честотата, докато индуктивното и капацитивното съпротивление се променят с колебанията на честотата. По същество реактивното съпротивление в променливотоковите вериги възниква от непрекъсната промяна на енергията, причинена от промяна на напрежението и тока.

 

При индукторите променливият ток води до непрекъснати промени в техните магнитни полета и съхранената енергия. Следвайки закона за електромагнитната индукция, индуцираното магнитно поле винаги противодейства на промените в първоначалното магнитно поле. С увеличаването на работната честота този противодействащ ефект се засилва, което води до по-високо индуктивно съпротивление.

 

Когато напрежението в кондензатор се колебае, електрическият заряд на неговите пластини се измества съответно. Колкото по-бързо се променя напрежението, толкова по-бързо и по-интензивно се движи зарядът между плочите. Насоченият поток от електрически заряд е точно електрически ток. Просто казано, по-бързите вариации на напрежението произвеждат по-голям капацитивен ток, което означава по-слабо инхибиране на тока от кондензатора и по-ниско капацитивно съпротивление.

 

В заключение, индуктивното съпротивление е право пропорционално на честотата, докато капацитивното съпротивление е обратно пропорционално на честотата.

 

3. Разлики в мощността между индуктивност, капацитет и съпротивление

Резистивните елементи консумират енергия непрекъснато както в DC, така и в AC вериги, където напрежението и токът остават перфектно във фаза. Диаграмата на кривата по-долу илюстрира характеристиките на напрежението, тока и мощността на резистор в AC верига. Както е показано на графиката, резистивната мощност винаги е по-голяма или равна на нула, което показва, че резисторите постоянно абсорбират и консумират електрическа енергия.

 

 

В променливотоковите вериги мощността, разсейвана от резистори, се нарича средна мощност или по-често активна мощност, обозначена с главна буква P. Активната мощност отразява изключително консумацията на енергия на електрическите компоненти. За всяко устройство, което консумира електричество, активната мощност определя количествено големината и скоростта на неговата загуба на енергия.

 

За разлика от тях индукторите и кондензаторите не консумират нетна електрическа енергия. Те само съхраняват и освобождават енергия циклично. Индукторите абсорбират електрическа енергия и я преобразуват в енергия на магнитното поле, след което освобождават съхранената магнитна енергия обратно в електрическа енергия в повтарящ се цикъл. По същия начин кондензаторите преобразуват входящата електрическа енергия в енергия на електрическото поле и по-късно изхвърлят тази енергия обратно във веригата под формата на електричество.

Този цикличен енергиен обмен между компонентите и захранването не включва реална консумация на енергия, така че не може да бъде количествено определен чрез активна мощност. За да дефинират тази специална форма на обмен на енергия, физиците въведоха концепцията за реактивна мощност, представена от главната буква Q.

 

Както активната мощност, така и реактивната мощност попадат в дефиницията за "мощност", която описва скоростта на трансфер или преобразуване на енергия. Активната мощност отразява колко бързо един резистор консумира електрическа енергия. Например електрическа крушка от 100 вата консумира енергия два пъти по-бързо от 50-ватова.

Реактивната мощност, напротив, измерва скоростта на цикличен обмен на енергия между индуктивни/капацитивни компоненти и електрическата мрежа. Важно е да се подчертае терминът енергиен обмен. По-високата реактивна мощност означава, че индукторите и кондензаторите черпят повече променлива енергия от захранването, въпреки че тази енергия се използва само за периодично съхранение и освобождаване, вместо да се консумира.