Полное сопротивление (импеданс) — комплексная величина электрической цепи, выраженная действительным сопротивлением и мнимым реактивным сопротивлением, препятствующая прохождению электрического тока. При измерении импеданса мы всегда должны питать цепь переменным током, в случае постоянного тока мы будем измерять только действительную составляющую импеданса.
Значение импеданса
В цепях постоянного тока активное сопротивление R играет важную роль. Что касается цепей синусоидального переменного тока, то здесь не обойтись одним лишь активным сопротивлением. Ведь если в цепях постоянного тока емкости и индуктивности заметны только при переходных процессах, то в цепях переменного тока данные компоненты проявляют себя гораздо более значительно.
Поэтому для адекватного расчета цепей переменного тока вводится термин «электрический импеданс» - Z или комплексное (полное) сопротивление двухполюсника гармоническому сигналу. Иногда говорят просто «импеданс», отбрасывая слово «электрический».
Импеданс, будучи комплексным числом, учитывает как активное сопротивление, так и реактивное сопротивление, которое включает в себя индуктивное и емкостное сопротивления.
Представление об импедансе позволяет применять закон Ома к участкам цепей переменного синусоидального тока. Проявление двухполюсником (нагрузкой) индуктивной составляющей приводит к отставанию тока от напряжения на данной частоте, а проявление емкостной составляющей — к отставанию напряжения от тока. Активная же составляющая не вызывает задержки между током и напряжением, проявляя себя по сути так же, как и в цепи постоянного тока.
Выражение импеданса
Составляющая импеданса, содержащая емкостной и индуктивный компоненты, называется реактивной составляющей X. Графически активную составляющую R импеданса можно отложить по оси оX, а реактивную — по оси оY, тогда импеданс в целом представится в форме комплексного числа, где j-мнимая единица (мнимая единица в квадрате равна минус 1).
В данном случае наглядно видно, что реактивная составляющая X может быть разложена на емкостную и индуктивную составляющие, которые имеют противоположное направление, то есть оказывают противоположное влияние на фазу тока: при преобладании индуктивной составляющей, импеданс цепи окажется в целом положительным, то есть в цепи ток будет отставать от напряжения, если же станет преобладать емкостной компонент, то напряжение будет отставать от тока.
Схематически этот двухполюсник в приведенном виде изображается так:
Принципиально любая схема линейного двухполюсника может быть приведена к аналогичному виду. Здесь можно определить активную составляющую R, которая от частоты тока не зависит, и реактивную составляющую X, включающую в себя емкостную и индуктивную составляющие.
Из графической модели, где сопротивления представлены векторами, ясно, что модуль импеданса для заданной частоты синусоидального тока вычисляется как длина вектора, представляющего собой сумму векторов X и R. Измеряется импеданс в Омах.
Альтернативные термины
Практически в описаниях цепей синусоидального переменного тока с точки зрения импеданса, можно встретить такие термины, как «активно-индуктивный характер нагрузки» или «активно-емкостная нагрузка» или «чисто активная нагрузка». Имеется ввиду следующее:
-
Если в цепи преобладает влияние индуктивности L, значит реактивная составляющая X положительна, при этом активная составляющая R мала — это индуктивная нагрузка. Пример индуктивной нагрузки — катушка индуктивности.
-
Если в цепи преобладает влияние емкости C, значит реактивная составляющая X отрицательна, при этом активная составляющая R мала — это емкостная нагрузка. Пример емкостной нагрузки — конденсатор.
-
Если в цепи преобладает активное сопротивление R, при этом реактивная составляющая X мала — это активная нагрузка. Пример активной нагрузки — лампа накаливания.
-
Если в цепи активная составляющая R значительна, но индуктивная составляющая преобладает над емкостной, то есть реактивная составляющая X положительна, нагрузку называют активно-индуктивной. Пример активно-индуктивной нагрузки — асинхронный двигатель.
-
Если в цепи активная R составляющая значительна, при этом емкостная составляющая преобладает над индуктивной, то есть реактивная составляющая X отрицательна, нагрузку называют активно-емкостной. Пример активно-емкостной нагрузки — блок питания люминесцентной лампы.
Альтернативные термины, такие как «активно-индуктивная» и «активно-емкостная нагрузка», помогают более точно описать характеристики цепи и предсказать её поведение в различных условиях. Это особенно важно при проектировании и анализе сложных электрических систем, где необходимо учитывать все возможные факторы, влияющие на работу и безопасность.
Резонанс в цепях переменного тока
Когда индуктивная и емкостная составляющие в цепи уравновешены, цепь находится в состоянии резонанса. В этом случае реактивное сопротивление цепи равно нулю, и она ведет себя как чисто активная нагрузка. Резонанс может быть использован для увеличения эффективности передачи энергии, но также может вызвать перенапряжения, которые опасны для электрооборудования.
Фазовый сдвиг в цепях переменного тока
Фазовый сдвиг между напряжением и током в цепи переменного тока является важным показателем, который определяется соотношением активной и реактивной составляющих импеданса. Фазовый сдвиг влияет на коэффициент мощности, который является мерой эффективности использования электрической энергии в цепи.
Импеданс в электроснабжении
С импедансом также можно столкнуться при оценке безопасности низковольтных электроустановок (например, при ревизиях). Величина импеданса сети TN определяет безопасность установки, определяя скорость срабатывания вышестоящего аппарата защиты (предохранителя, автоматического выключателя и т. д.). Чтобы автоматический выключатель отключился в случае неисправности за достаточно короткое время, импеданс должен быть достаточно низким.
Импеданс играет ключевую роль в обеспечении быстрого отключения электрической цепи при возникновении короткого замыкания или другой неисправности. Это связано с тем, что время срабатывания защитного устройства прямо пропорционально величине импеданса цепи. Следовательно, чем ниже импеданс, тем быстрее произойдет отключение, что снижает риск возгорания или повреждения оборудования.
Смотрите также: Что такое коэффициент мощности (косинус фи)