Разложение периодических несинусоидальных функций
Общие определения
Часть 1. Теория линейных цепей (продолжение)
ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Учебное пособие для студентов электроэнергетических специальностей
Т. Электрические цепи периодического несинусоидального тока
Как известно, в электроэнергетике в качестве стандартной формы для токов и напряжений принята синусоидальная форма. Однако в реальных условиях формы кривых токов и напряжений могут в той или иной мере отличаться от синусоидальных. Искажения форм кривых этих функций у приемников приводят к дополнительным потерям энергии и снижению их коэффициента полезного действия. Синусоидальность формы кривой напряжения генератора является одним из показателей качества электрической энергии как товара.
Возможны следующие причины искажения формы кривых токов и напряжений в сложной цепи:
1) наличие в электрической цепи нелинейных элементов, параметры которых зависят от мгновенных значений тока и напряжения [ R, L, C=f (u,i)], (например, выпрямительные устройства, электросварочные агрегаты и т. д.);
2) наличие в электрической цепи параметрических элементов, параметры которых изменяются во времени[ R, L, C=f (t)];
3) источник электрической энергии (трехфазный генератор) в силу конструктивных особенностей не может обеспечить идеальную синусоидальную форму выходного напряжения;
4) влияние в комплексе перечисленных выше факторов.
Нелинейные и параметрические цепи рассматриваются в отдельных главах курса ТОЭ. В настоящей главе исследуется поведение линейных электрических цепей при воздействии на них источников энергии с несинусоидальной формой кривой.
Из курса математики известно, что любая периодическая функция времени f (t), удовлетворяющая условиям Дирихле, может быть представлена гармоническим рядом Фурье:
.
Здесь А 0 – постоянная составляющая, - k -я гармоническая составляющая или сокращенно k -я гармоника. 1-я гармоника называется основной, а все последующие - высшими.
Амплитуды отдельных гармоник Ак не зависят от способа разложения функции f (t) в ряд Фурье, в то же время начальные фазы отдельных гармоник зависят от выбора начала отсчета времени (начала координат).
Отдельные гармоники ряда Фурье можно представить в виде суммы синусной и косинусной составляющих:
.
Тогда весь ряд Фурье получит вид:
.
Соотношения между коэффициентами двух форм ряда Фурье имеют вид:
.
Если k -ю гармонику и ее синусную и косинусную составляющие заменить комплексными числами, то соотношение между коэффициентами ряда Фурье можно представить в комплексной форме:
.
Если периодическая несинусоидальная функция времени задана (или может быть выражена) аналитически в виде математического уравнения, то коэффициенты ряда Фурье определяются по формулам, известным из курса математики:
,
,
,
.
На практике исследуемая несинусоидальная функция f (t) обычно задается в виде графической диаграммы (графически) (рис. 118) или в виде таблицы координат точек (таблично) в интервале одного периода (табл. 1). Чтобы выполнить гармонический анализ такой функции по приведенным выше уравнениям, ее необходимо предварительно заменить математическим выражением. Замена функции, заданной графически или таблично математическим уравнением, получила название аппроксимации функции.