Анализ и расчет электрических цепей. П1. Анализ и расчёт электрической цепи постоянного тока. Нелинейные цепи постоянного тока и их расчет

03.03.2020

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского" (МАТИ)

Кафедра “Прикладная матемаика, информационные

технологии и электротехника”

Курсовая работа по модулю 1 "Электротехника"

базовой дисциплины для вузов "Электротехника и электроника"

Анализ и расчёт электрических цепей

1МТМ-2ДБ-035

Прокопенко Д.А. КР6-25

Выполнил: "___" _______2017г.

Сдано преподавателю на проверку "___" июня 2017г.

Проверила: Орешина М.Н. (____________) "___" _______ 2017г.

Москва 2017

1.1. Составить систему расчетных уравнений для определения токов в ветвях схемы, используя оба закона Кирхгофа непосредственно (метод законов Кирхгофа);

1.1.1 На рис. 1 приведена исходная Рис. 1

схем замещения цепи постоянного

тока, параметры которой заданы

1.1.2. Преобразуем схему к удобному виду и произвольно зададим положительные направления токов в ветвях схемы (рис.2).

1.1.3.Составляем часть уравнений расчетной системы, используя только первый закон Кирхгофа. Выбираем q-1 узлов на схеме (данная схема содержит q=4 узла, которые отмечены арабскими цифрами) и для каждого из них составляем уравнение по первому закону Кирхгофа

(узел 1) I 3 -I 5 -I 6 =0

(узел 2) I 5 -I 2 -I 4 =0

(узел 3)I 6 +I 4 +I 1 =0

1.1.4.1. Всего необходимо составить p уравнений в расчетной системе (p - число неизвестных токов, равное числу ветвей на схеме). Поэтому число уравнений, которое необходимо составить, используя второй закон Кирхгофа, равно p-(q-1) (для данной схемы p=6 и p-(q-1)=3 ).

1.1.4.2. Выбираем p-(q-1) независимых контуров на схеме, в каждом из них произвольно задаем направление обхода контура (отмечено круглыми стрелками на рис.2).

1.1.4.3. Для каждого из выбранных контуров составляем уравнение, используя второй закон Кирхгофа, а также закон Ома (U=IR )

(контур I ). I 3 R 3 +I 5 R 5 +I 2 R 2 =-E 5

(контур II ). -I 4 R 4 -I 5 R 5 +I 6 R 6 =E 5 -E 6

(контур III ). I 2 R 2 +I 1 R 1 -I 4 R 4 =0

1.1.5. Полученные уравнения объединяем в систему, которую упорядочиваем и подставляем известные параметры

0+0+I 3 +0-I 5 -I 6 =0

0-I 2 +0-I 4 +I 5 +0=0

I 1 +0+0+I 4 +0+I 6 =0

0+12I 2 +20I 3 +0+10I 5 +0=-50

0+0+0-8I 4 -10I 5 +15I 6 =-50

16I 1 +12I 2 +0-8I 4 +0+0=0

Найдём с помощью калькулятора матриц значения токов

I 1 = I 2 =I 3 = I 4 =I 5 =

I 6 =

Первый пункт задания 1.1. выполнен.

1.2.1. Используя эквивалентно преобразованную схему (рис.2), произвольно задаем положительное направление реальных токов в каждой ветви схемы (рис.3) (в данном примере они оставлены без изменения).

1.2.2. Выбираем p-(q-1)=3 независимых контуров на схеме, в каждом из них произвольно задаем направление контурного тока I K1 ,I K2 ,I K3 (отмечено круглыми стрелками на рис.3).

1.2.3. Составим систему уравнений для контуров, в каждом из которых алгебраическая сумма ЭДС (контурная ЭДС) равна произведению контуроного тока данной ячейки на сумму всех

сопротивлений ячейки, минус произведения контурных токов соседних ячееек на оответствующие сопротивления общих ветвей.

(К1):-E 5 =(R 2 +R 3 +R 5 )I К1 -R 5 I К2 -R 2 I K3

(К2):E 5 -E 6 =(R 4 +R 5 +R 6 )I K2 -R 4 I K3 -R 5 I K1

(К3):0=(R 1 +R 2 +R 4 )I K3 -R 2 I K1 -R 4 I K2

1.2.4. После подстановки числовых значений имеем

-50=42I K1 -10I K 2 -12I K3

-50=-10I K1 +33I K2 -8I K3

0=-12I K1 -8I K2 +36I K3

1.2.5. Решив эту систему, найдём контурные токи:

I K1 =-2,14 A, I K2 =-2,47 A, I K3 =-1,26 A.

1.2.6. Токи ветвей определим, руководствуясь выбранными направлениями токов ветвей и правилами:

а)токи наружных (не имеющих соседних контуров) ветвей равны соответствующим контурным токам;

б)токи ветвей равны разности контурных токов соседних контуров ячеек:

I 1 =I K3 =-1,26 A,

I 3 =I K1 =-2,14 A,

I 6 =I K2 =-2,47 A,

I 2 =I K1 -I K3 =-2,14-(-1,26)=-0,88

I 4 =I K3 I K2 =-1,26-(-2,47)=1,21

I 5 =I K1 - I K2 =-2,14-(-2,47)=0,33

Второй пункт задания выполнен.

1.3.Проверить правильность расчета, определив токи методом двух узлов (методом узлового напряжения)

Рассматриваемая схема замещения содержит четыре узла, поэтому к заданной схеме метод двух узлов непосредственно не применим.

1.3.1. Используя эквивалентное преобразование участка схемы R 2 , R 4 , R 1 соединенного по схеме «треугольник», в участок R 7 , R 8 , R 9 , соединенный по схеме «звезда» (отмечен на рис. 4 пунктиром), приводим начальную схему к схеме, содержащей два узла (рис.5).

Рис. 4 Рис. 5

Эквивалентно объединяя последовательно соединенные R-элементы в каждой ветви, получаем исходную схему для расчета методом двух узлов (рис. 6).

При этом R 37 =R 3 +R 7 =20+5.3=25.3333 Ω, R 69 =R 6 +R 9 =15+3.5555=18.5555Ω

1.3.2. Произвольно задаем положительное направление токов в ветвях схемы и положительное направление узлового напряжения U 51 (рис. 6)

1.3.3. Рассчитываем проводимости ветвей схемы

1.3.4. Используя основную формулу метода, определяем узловое напряжение

Знак слагаемых числителя определяется несовпадением (+) или совпадением

(–) положительного направления и положительного направления ЭДС рассматриваемой ветви.

1.3.5. Рассчитываем неизвестные токи в ветвях, используя обобщенный закон Ома

I 37 =-U 51 G 37 =-(-54.1676)*0.03947=2.1379 A,

I 58 =(U 51 +E 5)G 85 =(-54.1676+50)*0.07964=0.33 A,

I 69 =(U 51 +E 6)G 69 =(-54.1676+100)*0.5389=2.4699 A.

Проанализируем результаты расчета. На рис. 5 в каждой ветви источник ЭДС и -элементы соединены последовательно. Поэтому токи в этих ветвях равны рассчитанным. Однако участки схемы в окрестности источников не были охвачены преобразованием. Следовательно, в соответствии с условием эквивалентности преобразования участков схем величина этих токов должна остаться такой же, как и до преобразования. Сравниваем по модулю значения токов, рассчитанных настоящим методом и методом контурных токов

Видно, что значения токов практически совпадают. Следовательно, оба расчета проведены корректно. Третий пункт задания выполнен.

1.4.Определить ток, протекающий через R 2 , методом эквивалентного генератора;

1. Разрываем шестую ветвь (рис. 7)

Рис.7. Рис. 8.

и произвольно задаем положительное направление токов в остальных ветвях, положительное направление напряжения холостого хода и напряжениямежду узлами 1 и 3 (рис. 8)

2. Определяем величину . Для этого предварительно рассчитываемметодом двух узлов.

Используя основную формулу метода, определяем узловое напряжение

Рассчитываем токи и, используя обобщенный закон Ома

Для контура, включающего , составляем уравнение по второму закону Кирхгофа (направление обхода контура указано круглой стрелкой) и рассчитываем

3. Определяем входное сопротивление схемы со стороны зажимов разомкнутой ветви . Для этого эквивалентно преобразуем участок схемы, соединенный звездой, в участок, соединенный треугольником.

Преобразованная схема будет иметь вид (рис. 10)

Рис. 9. Рис. 10.

Используя свойства параллельного последовательного соединения - элементов, определяем

4. Определяем искомый ток, используя закон Ома для замкнутой цепи

Аналогичный ток, рассчитанный методом контурных токов, составляет

Они практически совпадают. Расчет проведен верно. Четвертый пункт задания выполнен.

РЕФЕРАТ ПО ТЕМЕ:

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Введение

Общая задача анализа электрической цепи состоит в том, что по заданным параметрам (ЭДС, ТДС, сопротивлениям) необходимо рассчитать токи, мощность, напряжение на отдельных участках.

Рассмотрим более подробно методы расчета электрических цепей.

1. Метод уравнений Кирхгофа

Этот метод является наиболее общим методом решения задачи анализа электрической цепи. Он основан на решении системы уравнений, составленных по первому и второму законам Кирхгофа относительно реальных токов в ветвях рассматриваемой цепи. Следовательно, общее число уравнений p равно числу ветвей с неизвестными токами. Часть этих уравнений составляется по первому закону Кирхгофа, остальные – по второму закону Кирхгофа. В схеме содержащей q узлов, по первому закону Кирхгофа можно составить q уравнений. Однако, одно из них (любое) является суммой всех остальных. Следовательно, независимых уравнений, составленных по первому закону Кирхгофа, будет .

По второму закону Кирхгофа должны быть составлены недостающие m уравнений, число которых равно .

Для записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо выбрать m контуров так, чтобы в них вошли в итоге все ветви схемы.

Рассмотрим данный метод на примере конкретной схемы (рис. 1).

Прежде всего, выбираем и указываем на схеме положительные направления токов в ветвях и определяем их число p . Для рассматриваемой схемы p = 6. Следует отметить, что направления токов в ветвях выбираются произвольно. Если принятое направление какого-либо тока не соответствует действительному, то числовое значение данного тока получается отрицательным.

Следовательно, число уравнений по первому закону Кирхгофа равно q – 1 = 3.

Число уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа

m = p - (q – 1) = 3.

Выбираем узлы и контуры, для которых будем составлять уравнения, и обозначаем их на схеме электрической цепи.

Уравнения по первому закону Кирхгофа:

Уравнения по второму закону Кирхгофа:

Решая полученную систему уравнений, определяем токи ветвей. Расчет электрической цепи не обязательно заключается в вычислении токов по заданным ЭДС источников напряжения. Возможна и другая постановка задачи – вычисление ЭДС источников по заданным токам в ветвях схемы. Задача может иметь и смешанный характер – заданы токи в некоторых ветвях и ЭДС некоторых источников. Нужно найти токи в других ветвях и ЭДС других источников. Во всех случаях число составленных уравнений должно быть равно числу неизвестных величин. В состав схемы могут входить и источники энергии, заданные в виде источников тока. При этом ток источника тока учитывается как ток ветви при составлении уравнений по первому закону Кирхгофа.

Контуры для составления уравнений по второму закону Кирхгофа должны быть выбраны так, чтобы ни один расчетный контур не проходил через источник тока.

Рассмотрим схему электрической цепи, представленную на рис. 2.

Выбираем положительные направления токов и наносим их на схему. Общее число ветвей схемы равно пяти. Если считать ток источника тока J известной величиной, то число ветвей с неизвестными токами p = 4.

Схема содержит три узла (q = 3). Следовательно, по первому закону Кирхгофа необходимо составить q – 1 = 2 уравнения. Обозначим узлы на схеме. Число уравнений составленных по второму закону Кирхгофа m = p - (q – 1) =2.

Выбираем контуры таким образом, чтобы ни один из них не проходил через источник тока, и обозначаем их на схеме.

Система уравнений, составленная по законам Кирхгофа, имеет вид:

Решая полученную систему уравнений, найдем токи в ветвях. Метод уравнений Кирхгофа применим для расчета сложных как линейных, так и нелинейных цепей, и в этом его достоинство. Недостаток метода состоит в том, что при расчете сложных цепей необходимо составлять и решать число уравнений, равное числу ветвей p .

Заключительный этап расчета – проверка решения, которая может быть выполнена путем составления уравнения баланса мощности.

Под балансом мощностей электрической цепи понимается равенство мощностей, развиваемой всеми источниками энергии данной цепи, и мощности, потребляемой всеми приемниками той же цепи (закон сохранения энергии).

Если на участке цепи ab имеется источник энергии с ЭДС и по этому участку протекает ток , то мощность, развиваемая этим источником, определяется произведением .

Каждый из множителей этого произведения может иметь положительный или отрицательный знак относительно направления ab . Произведение будет иметь положительный знак, если знаки расчетных величин и совпадают (мощность, развиваемая данным источником, отдается приемникам цепи). Произведение будет иметь отрицательный знак если знаки и противоположны (источник потребляет мощность, развиваемую другими источниками). Примером может служить аккумулятор, находящийся в режиме зарядки. В этом случае мощность данного источника (слагаемое ) входит в алгебраическую сумму мощностей, развиваемых всеми источниками цепи, с отрицательным знаком. Аналогично определяется величина и знак мощности, развиваемой источником тока. Если на участке цепи mn имеется идеальный источник тока с током , то мощность развиваемая этим источником, определяется произведением . Как и в источнике ЭДС знак произведения определяется знаками множителей.

Теперь можно записать общий вид уравнения баланса мощностей

Для цепи, представленной на рис2.2 уравнение баланса мощности имеет вид

2. Метод контурных токов

Метод контурных токов сводится к составлению уравнений только по второму закону Кирхгофа. Число этих уравнений, равное , на уравнений меньше числа уравнений, необходимых для расчета электрических цепей по методу законов Кирхгофа.

При этом предполагаем, что в каждом выбранном контуре протекает независимые друг от друга расчетные токи, называемые контурными. Ток каждой ветви определяется как алгебраическая сумма контурных токов, замыкающихся через эту ветвь, с учетом принятых направлений контурных токов и знаков их величин.

Число контурных токов равно числу «ячеек» (элементарных контуров) схемы электрической цепи. Если рассматриваемая схема содержит источник тока, то независимые контуры необходимо выбирать так, чтобы ветвь с источником тока входила только в один контур. Для этого контура расчетное уравнение не составляется, так как контурный ток равен току источника.

Каноническая форма записи уравнений контурных токов для n независимых контуров имеет вид

где

Контурный ток n -го контура;

Алгебраическая сумма ЭДС, действующих в n -ом контуре, называемая контурная ЭДС;

Собственное сопротивление n -го контура, равная сумме всех сопротивлений, входящих в рассматриваемый контур;

Сопротивление принадлежащие одновременно двум контурам (в данном случае контуром n и i ) и называемое общим или взаимным сопротивлением этих контуров. Первым ставится индекс контура, для которого составляется уравнение. Из определения взаимного сопротивления следует, что сопротивления, отличающиеся порядком индексов, равны, т.е. .

Взаимным сопротивлением приписывается знак плюс, если протекающие по ним контурные токи и имеют одинаковые направления, и знак минус, если их направления противоположны.

Таким образом, составление уравнений контурных токов может быть сведено к записи симметричной матрицы сопротивлений

и вектора контурных ЭДС

При введении вектора искомых контурных токов || уравнения (5) можно записать в матричной форме

Решение системы линейных уравнений алгебраических уравнений (5) для тока n -го контура может быть найдено по правилу Крамера

где - главный определитель системы уравнений, соответствующий матрице контурных сопротивлений

Определитель получаем из главного определителя путем замены n -го столбца сопротивлений на столбец (вектор) контурных ЭДС.

Рассмотрим метод контурных токов на примере конкретной схемы электрической цепи (рис. 3).

Схема состоит из 3-х элементарных контуров (ячеек). Следовательно, независимых контурных токов три. Выбираем произвольно направление контурных токов и наносим их на схему. Контуры можно выбирать и не по ячейкам, но их обязательно должно быть три (для данной схемы) и все ветви схемы должны войти в состав выбранных контуров.

Для 3-х контурной схемы уравнение контурных токов в канонической форме имеют вид:

Находим собственные и взаимные сопротивления и контурные ЭДС.

Собственные сопротивления контуров

Напомним, что собственные сопротивления всегда положительные.

Определим взаимные сопротивления, т.е. сопротивления, общие для двух контуров.

Отрицательный знак взаимных сопротивлений обусловлен тем, что контурные токи, протекающие по этим сопротивлениям, противоположно направлены.

Контурные ЭДС

Подставляем значения коэффициентов (сопротивлений) в уравнения:

Решая систему уравнений (7), определяем контурные токи.

Для однозначного определения токов ветвей выбираем их положительные направления и указываем на схеме (рис. 3).

Токи ветвей

3. Метод узловых напряжений (потенциалов)

Сущность метода заключается в том, что в качестве неизвестных принимаются узловые напряжения (потенциалы) независимых узлов цепи относительно одного узла, выбранного в качестве опорного или базисного. Потенциал базисного узла принимается равным нулю, и расчет сводится к определению (q -1) узловых напряжений, существующих между остальными узлами и базисным.

Уравнения узловых напряжений в канонической форме при числе независимых узлов n =q -1 имеют вид

Коэффициент называется собственной проводимостью n -го узла. Собственная проводимость равна сумме проводимостей всех ветвей, присоединенных к узлу n .

Коэффициент называется взаимной или межузловой проводимостью. Она равна взятой со знаком «минус» сумме проводимостей всех ветвей, соединяющих напрямую узлы i и n .

Правая часть уравнений (9) называется узловым током, Узловой ток равен алгебраической сумме всех источников тока, подключенных к рассматриваемому узлу, плюс алгебраическая сумма произведений ЭДС источников на проводимость ветви с ЭДС

При этом со знаком «плюс» слагаемые записываются в том случае, если ток источника тока и ЭДС источника напряжения направлены к узлу, для которого составляется уравнение.

Приведенная закономерность определения коэффициентов существенно упрощает составление уравнений, которое сводится к записи симметричной матрицы узловых параметров

и вектора узловых токов источников

Уравнения узловых напряжений можно записать в матричной форме

Если в какой-либо ветви заданной схемы содержатся только идеальный источник ЭДС (сопротивление этой ветви равно нулю, т.е. проводимость ветви равна бесконечности), целесообразно в качестве базисного выбрать один из двух узлов, между которыми включена эта ветвь. Тогда потенциал второго узла становится также известным и равным по величине ЭДС (с учетом знака). В этом случае для узла с известным узловым напряжением (потенциалом) уравнение составлять не следует и общее число уравнений системы уменьшается на единицу.

Решая систему уравнений (9), определяем узловые напряжения, а затем по закону Ома определяем токи в ветвях. Так для ветви, включенной между узлами m и n ток равен

При этом с положительным знаком записываются те величины (напряжения, ЭДС), направление которых совпадает с выбранным координатным направлением. В нашем случае (11) – от узла m к узлу n . Напряжение между узлами определяется через узловые напряжения

Рассмотрим метод узловых напряжений на примере электрической цепи, схема которой представлена на рис. 4.

Определяем число узлов (в данном примере число узлов q =4) и обозначаем их на схеме.

Так как схема не содержит идеальных источников напряжения, то в качестве базисного может быть выбран любой узел, например узел 4.

При этом .

Для остальных независимых узлов схемы (q -1=3) составляем уравнения узловых напряжений в канонической форме.

Определяем коэффициенты уравнений.

Собственные проводимости узлов

Взаимные (межузловые) проводимости

Определяем узловые токи.

Для 1-го узла

Для 2-го узла

Для 3-го узла

Подставив значения коэффициентов (проводимостей) и узловых токов в уравнения (12), определяем узловые напряжения

Прежде чем перейти к определению токов ветвей, задаемся их положительным направлением и наносим на схему (рис. 5).

Токи определяем по закону Ома. Так, например, ток направлен от узла 3 к узлу 1. Так же направлена и ЭДС этой ветви. Следовательно

Токи остальных ветвей определяем по тому же принципу

Так как то

4. Принцип и метод наложения

Принцип наложения (суперпозиции) является выражением одного из основных свойств линейных систем любой физической природы и применительно к линейным электрическим цепям формулируется следующим образом: ток в какой-либо ветви сложной электрической цепи равен алгебраической сумме частичных токов, вызванных каждым действующим в цепи источником электрической энергии в отдельности.

Использование принципа наложения позволяет во многих схемах упростить задачу расчета сложной цепи, так как она заменяется несколькими относительно простыми цепями, в каждой из которых действует один источник энергии.

Из принципа наложения следует метод наложения, применяемый для расчета электрических цепей.

При этом метод наложения можно применять не только к токам, но и к напряжениям на отдельных участках электрической цепи, линейно связанных с токами.

Принцип наложения нельзя применять для мощностей, т.к. они являются не линейными, а квадратичными функциями тока (напряжения).

Принцип наложения не применим и к нелинейным цепям.

Рассмотрим порядок расчета методом наложения на примере определения токов в схеме рис. 5.

Выбираем произвольно направление токов и наносим их на схему (рис. 5).

Если бы предлагаемая задача решалась любым из методов (МЗК, МКТ, МУН), то необходимо было бы составлять систему уравнений. Метод наложения позволяет упростить решение задачи, сведя его фактически к решению по закону Ома.

Разбиваем данную схему на две подсхемы (по количеству ветвей с источниками).

В первой подсхеме (рис. 6) считаем что действует только источник напряжения, а ток источника тока J =0 (это соответствует разрыву ветви с источником тока).

Во второй подсхеме (рис. 7) действует только источник тока. ЭДС источника напряжения принимаем равной нулю E =0 (это соответствует закорачиванию источника напряжения).

Указываем направление токов на подсхемах. При этом следует обратить внимание на следующие: все токи, указанные на исходной схеме, должны быть указанны и на подсхемах. Например, в подсхеме рис.6 сопротивления и включены последовательно и по ним протекает один и тот же ток. Однако на схеме необходимо указывать токи и . цепей ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА 1.1 Основные...

Расчет разветвленных цепей постоянного тока

Контрольная работа >> Физика

Задание Необходимо решить задачу расчета токов во всех ветвях электрической цепи постоянного тока . Задание состоит из... двух частей. Первая часть задания Рассчитать токи ветвей методом ...

Вопросы:

Расчёт методом непосредственного применения закона Кирхгофа.
Расчёт методом контурных токов.
Расчёт методом суперпозиции.
Расчёт методом узловых напряжений.
Расчёт методом эквивалентного генератора.

Ход лекции:

I. Расчёт методом применения закона Кирхгофа.

Определяем кол-во узлов и ветвей.

Произвольно зададим направление токов всех ветвей.
Составляем уравнение по первому закону Кирхгофа для каждого независимого узла: k-1=3.

Для точки А: I 1 -I 3 -I 2 =0

Для точки В: I 3 +I 5 -I 4 =0

Для точки D: I 4 -I 1 +I 67 =0

Недостающие уравнения: m-(k-1)=3 составляем по второму закону Кирхгофа для каждого независимого контура:

E 1 =I 3 R 3 +I 4 R 4 +I 1 R 1

E 2 -E 5 = -I 3 R 3 +I 2 R 2 +I 5 *0

E 5 = I 67 (R 6 +R 7)-I 4 R 4

Решая систему уравнений находим неизвестные токи в ветвях.
По результатам полученных численно значений токов выполняем действия:

1). Уточняем направление тока в ветвях: если ток отрицательный, то пишем примечание – реальное направление тока противоположено показанному на схеме.

2). Определяем режим работы источника питания: если направление ЭДС и реального тока совпадают, то режим источника питания – режим генератора, если направление ЭДС и реального тока противоположно, то это режим потребителя.

7. Проверка решения – проверка уравнения баланса мощностей: алгебраическая сумма мощностей источников равна арифметической сумме мощностей нагрузок

Если направление ЭДС и реального тока совпадают, то Р ист =EI (>0), если направление ЭДС и реального тока не совпадают, то Р ист = -EI (<0).

Можность нагрузки Р потр =I n 2 R n

Итак, уравнение баланса мощностей для нашей схемы:

E 1 I 1 +E 2 I 2 -E 5 I 5 =I 1 2 R 1 +I 2 2 R 2 +I 3 2 R 3 +I 2 4 R 4 +I 2 67 (R 6 +R 7)

Итак, если поле подстановки численных значений величин уравнения баланса обращается в тождество, то задача решена верно.

Достоинство метода: Его простота.

Недостатки метода: Большое количество совместно решаемых уравнений для сильно разветвленных цепей.

Поэтому метод применяется для расчета сложных цепей на компьютерах, в ручную не рекомендуется.

II. Расчёт методом контурных токов.

Определение кол-ва узлов К=4, m=6
Находим независимые контуры и для каждого задаётся произвольно положительное направление контурного тока. Контурный ток – ток, обтекающий ветви своего независимого контура.
Составляем уравнения по второму закону Кирхгофа, учитывая все контурные токи, протекающие по ветвям выбранного контура.

I: E 1 =I k1 I(R 1 +R 3 +R 4)-I k2 R 3 -I k3 R 4

II: E 2 -E 5 =I k2 (R 2 +R 3)-R 3 I k1 -I k3 R 5

III. E 5 = I k3 (R 4 +R 6 +R 7)-I k1 R 4 -I k2 0

Решая систему уравнений например, методом Крамера, найдём контурные токи:

I k 1 =Δ 1 /Δ I k 2 = Δ 2 /Δ I k 3 =Δ 3 /Δ

Δ – коэффициент при контурных токах

R 1 +R 3 +R 4 -R 3 -R 4

Δ= -R 3 R 2 +R 3 0

R 4 0 R 4 +R 6 +R 7

Δ 1 , Δ 2 , Δ 3 получают заменой к-того столбца на левую часть уравнений.

Произвольно обозначаем направление токов в ветвях.
Выражаем токи в ветвях через алгебраическую сумму прилегающих контурных токов: контурный ток, совпадающий с током в ветви, записывают с плюсом.

I 1 =I k1 I 4 =I k1 -I k3

I 2 =I k2 I 5 =I k2 -I k3

I 3 =I k 1 -I k 2 I 67 =I k 3

по полученным значениям уточняем реальные направления токов в ветвях и определяем режимы работ.
Проверка режимов баланса мощностей.

Достоинства метода: более короткий алгоритм

Недостатки метода: необходимо знание этого алгоритма.

Область применения: очень широкая для расчёта тока в разветвленных ветвях.

III. Расчёт методом суперпозиции.

В электротехнике принцип суперпозиции проявляет себя как принцип независимости действия ЭДС. Согласно этому принципу каждая ЭДС возбуждает в любой ветви свою долю тока – частичный ток. Результирующий ток в ветви определяется как алгебраическая сумма частичных токов.

Задаём произвольное направление тока в ветвях.
Создаём первую частичную схему замещения: из исходной схемы замещения выбрасываем все источники ЭДС, кроме первого, но оставляем их внутреннее сопротивление. Находим частичные токи в ветвях методом свёртки схемы.

Создаём вторую частичную схему замещения: выбрасываем все источники ЭДС, кроме второго и оставляем их внутренние сопротивления.

Е 2

R э 2 =R 2 +R 134

Создаём третью частичную схему замещения аналогично прошлым.

R э3 = R 12 +R 34

Наложив частичные схемы одну на другую, определяем результирующий ток в каждой ветви как алгебраическую сумму частичных токов.

Истинное направление токов на исходной схеме замещения определяем по результатам аналитического расчёта по правилу:

Если значение тока положительно, то направление тока угадано верно, если значение тока отрицательно, то реальное направление тока противоположно.

Алгоритм метода прост, требует знание только закона Ома, однако не производительный, поэтому для полного анализа сложной электрической цепи не применяется. Рекомендуется для частичного анализа цепи.

IV. Расчёт методом узловых напряжений.

В приложении для цепи с параллельными ветвями получил название «метод двух узлов».

k=2, m=3
Нахождение токов всех ветвей: Задаём произвольно условно положительное направление узлового напряжения между узлами и определяем его по формуле:

, где

(см. задание КР6- 1)

П1.1. Основные определения. Электрическая цепь - это совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, электрическом токе и электрическом напряжении.

Электрический ток - это явление направленного движения свободных носителей электрического заряда q в веществе или в пустоте, количественно характеризуемое скалярной величиной, равной производной по времени от электрического заряда, переносимого свободными носителями заряда сквозь рассматриваемую поверхность, т.е.

Из выражения (1.1) получают единицу тока

[I ] = [q ]/[t ] = Кл/c = A × c /c = A (ампер).

Постоянный электрический ток (в дальнейшем ток ) – это неизменное и однонаправленное движение заряженных частиц (зарядов). При постоянном токе в течение каждого одинакового промежутка времени Dt переносится одинаковый заряд Dq . Поэтому ток где q - весь заряд (Кл) за время t (с).

Условное положительное направление тока I во внешней (от источника энергии) цепи противоположно направлению движения потока электронов (электрон – частица, обладающая наименьшим отрицательным зарядом (q e = -1,602×10 - 19 Кл, тогда 1 Кл = 6,24×10 18 электронов), т. е. он протекает от точки а с большим потенциалом к точке b с меньшим потенциалом, вызывая падение напряжения (в дальнейшем напряжение ) на сопротивлении этого участка

U ab = j а – j b . (1.2)

Электрическое напряжение – это работа, затрачиваемая на перенос единицы заряда (1 Кл) из точки а в точку b электрическогополя по произвольному пути. Однозначно определяют толькоразность потенциалов (напряжение ) между соответствующими точками. Когда говорят о потенциале точки электрической цепи, то подразумевают разность потенциалов между этой точкой и другой (обычно заземлённой), потенциал которой принимают равным нулю.

Электродвижущая сила E (в дальнейшем ЭДС E в вольтах) источника энергии численно равна работе (энергии) W в джоулях (Дж), затрачиваемой сторонним и индуктированным электрическими полями на перемещение единицы заряда (1 Кл) из одной точки поля в другую.

П1.2. Состав электрической цепи. Любая электрическая цепь состоит из следующих элементов:

· источников энергии (активныхэлементов), преобразующих различные виды энергии в электрическую. Это генераторы электрических станций, аккумуляторные и солнечные батареи, термопары и др.;

· приёмников электрической энергии (пассивныхэлементов), в которых электрическая энергия преобразуется в другие виды: тепловую (нагревательные элементы), механическую (электрические двигатели), световую (люминесцентные лампы), химическую (гальванические ванны) и др.;

· вспомогательных элементов (проводов, выключателей, предохранителей, резистивных регуляторов тока, измерительных приборов, разъёмов и др.).

Электрические цепи принято изображать в виде электрических схем: принципиальных, монтажных, схем замещения и др. Схема электрической цепи – это её графическое изображение, содержащее условные обозначения элементов цепи и показывающее соединения этих элементов.

При анализе электрических цепей их заменяют схемами замещения. Схема замещения электрической цепи – это её расчётно-математическая модель, содержащая идеальные пассивные (резистивные, индуктивные и ёмкостные) и активные (источники напряжения и источники тока) элементы. Элементом электрической цепи называют отдельное устройство, выполняющее в цепи определённую функцию Эти элементы являются эквивалентами (моделями) реальных устройств цепи, которым теоретически приписывают определённые электрические и магнитные свойства, отражающие главные (доминирующие) процессы в элементах цепи.

Пассивными называют элементы электрической цепи, которые не способны генерировать электрическую энергию. К пассивным элементам относят резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы (табл. П1.1).

Резистор – это пассивный элемент электрической цепи, предназначенный для использования его электрического сопротивления R . Резистор не может накапливать энергию: полученная им электрическая энергия необратимопреобразовывается в нёмв тепловую энергию.

Т а б л и ц а П1.1. Пассивные элементы цепей и их характеристики

Индуктивная катушка – это пассивный элемент цепи, предназначенный для использования его собственной индуктивности L и/или его магнитного поля. При нарастании тока в индуктивной катушке происходит преобразование электрической энергии в магнитную и её накопление в магнитном поле катушки, а при убывании тока – обратное преобразование энергии магнитного поля в электрическую энергию, возвращаемую источнику.

Конденсатор – это пассивный элемент цепи, предназначенный для использования его электрической ёмкости С . При нарастании напряжения на зажимах конденсатора в нём происходит преобразование электрической энергии внешнего источника в энергию электрического поля за счёт накопления зарядов противоположных знаков на двух его электродах (пластинах). При уменьшении напряжения происходит обратное преобразование энергии электрического поля в электрическую энергию, возвращаемую источнику.

Активные элементы - это источники электрической энергии (аккумуляторы, генераторы и др.). Различают:источники напряжения (ИН) и источники тока (ИТ) в зависимости от их внутреннего сопротивления (табл. П1.2). В источнике напряжения внутреннее сопротивление R вт значительно меньше сопротивления R нагрузки (в идеальном ИН R вт = 0), а в источнике тока R вт значительно больше сопротивления R нагрузки (в идеальном ИТ R вт = ¥), а проводимость (в сименсах)

G вт = 1/R вт << G = 1/R .

Т а б л и ц а П1.2. Активные элементы цепей и их характеристики

2 (-)

R вт

1 (+)

U 12

R вт I

I н

I к

I ,А

U , В

U н

ИН

В, Источник тока (ИТ)

I , A

I вт

G вт

U 12

0 I н J

ИT

I вт

U н

П1.3. Топологические параметры схем цепей . При анализе электрических схем пользуются следующими топологическими параметрами схем:

· ветвь (В ) - участок электрической цепи, вдоль которого протекает один и тот же электрический ток;

· узел (У ) - место соединения ветвей электрической цепи. Обычно место, где соединены две ветви, называют не узлом, а соединением (или устранимым узлом), а узел соединяет не менее трёх ветвей ;

· контур - последовательность ветвей электрической цепи, образующая замкнутый путь, в которой один из узлов одновременно является началом и концом пути, а остальные встречаются только один раз. В электрической цепи выделяют линейно независимые контуры k н, которые отличаются друг от друга хотя бы одной ветвью. Число независимых контуров зависит от числа ветвей В и числа узлов У в цепи:

k н = В – (У – 1). (1.3)

Так, в схеме электрической цепи (рис. П1.1) ветвей В = 5, узлов У = 3, соединений 2, независимых контуров k н = 3.

Примечания.

1. Точки 5 , 6 , 7 и 8 имеют одинаковый электрический потенциал, поэтому они могут быть геометрически объединены в одну общую точку - узел .

2. Точки 1 и 4 соединяют по два элемента, поэтому их называютточками соединений двух элементов , а не узлами.

Е 1

П1.4. Задача расчёта цепи . Расчёт электрической цепи заключается в описании её схемы замещения математическими уравнениями и в решении системы уравнений относительно электрических величин. Теория электрических и магнитных цепей базируется на введении параметров отдельных участков цепи, из которых основными являются сопротивления, индуктивности и ёмкости. Помимо этих параметров, вводят в рассмотрение еще множество других (например, магнитное сопротивление магнитной цепи, реактивные сопротивления и проводимости цепи переменного тока, и др.), находящихся в известной связи с ними или имеющих самостоятельное значение.

Задачей расчёта электрической цепи является, в первую очередь, определение токов и напряжений ветвей при заданных значениях параметров активных и пассивных элементов схемы цепи.

Для расчёта электрических цепей (точнее, их схем замещения) разработано несколько методов, наиболее общими из которых являются метод непосредственного применения законов Кирхгофа, метод узловых напряжений, метод переменных состояния, метод контурных токов.

Примечание.Понятия «электрическая цепь» и «схема электрической цепи» часто отождествляют.

П1.5. Законы Ома и Кирхгофа. Решение задач анализа электромагнитных процессов в известной схеме электрической цепи с заданными параметрами источников энергии и резистивных элементов базируется на применении закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа, которые записывают соответственно для ветвей , узлов и контуров (табл. П1.3).

Закон Ома устанавливает зависимость между током и напряжением на пассивной ветви при совпадении направлений тока и напряжения на ней. (см. табл. П1.3, вторая строка). Для ветви с источниками напряжения используют обобщенный закон Ома : (см. табл. П1.3, третья строка). Знак плюс перед ЭДС E и напряжением U 12 записывают при совпадении их направлений с условно положительным направлением тока I и знак минус - при не совпадении их направлений с направлением тока.

Первый закон Кирхгофа (1ЗК) записывают для узлов электрической схемы (см. табл. П1.3, четвертая строка). Закон формулируется следующим образом: алгебраическаясумма токов в любом узле схемы цепи равна нулю. При этом токи, направленные к узлу, принято записывать со знаком плюс, а уходящие от узла, со знаком минус.

Второй закон Кирхгофа (2ЗК) применяется к контурам электрической цепи (см. табл. П1.3, пятая строка) и формулируется следующим образом: в любом контуре схемы алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех участках с сопротивлениями, входящими в этот контур. При этом ЭДС и напряжения на элементах контура записывают со знаком плюс, если выбранное направление обхода контура (например, по ходу часовой стрелки) совпадает с направлением напряжений (токов) на этих элементах, и со знаком минус при несовпадении.

Таблица П1.3. Топологические параметры схем цепей и их описание

I 2

I 3

Первый закон Кирхгофа (1ЗК) åI k = 0, I 1 - J - I 2 - I 3 = 0 Контур

I 1

Е 2

Е 3

I 2

I 3

R 1

R 3

R 2

U 12

Второй закон Кирхгофа (2ЗК) åE k = åU k , E 2 - E 3 = R 1 I 1 + + R 2 I 2 - R 3 I 3 -U 12

П1.6. Метод расчёта, основанный на законах Кирхгофа . Анализ и расчёт любой электрической цепи постоянного тока можно провести в результате совместного решения системы уравнений, составленных посредством первого и второго законов Кирхгофа. Число уравнений в системе равно числу ветвей в цепи (N МЗК = В ), при этомчисло независимых уравнений, которые можно записать по 1ЗК, на одно уравнение меньше числа узлов, т. е.

N 1ЗК = У - 1, (1.4)

а число независимых уравнений, записываемых по 2ЗК,

N 2ЗК = B - (У - 1), (1.5)

где В - число ветвей с неизвестными токами (без ветвей с источниками тока); У - число узлов.

Составим посредством законов Кирхгофа необходимое число уравнений для определения токов ветвей схемы (рис. П1.2), если заданы ЭДС E 1 и E 2 источников напряжения, ток J источника тока и сопротивления R 1 ,…, R 5 резисторов.

N МЗК = N 1ЗК + N 2ЗК = В .

С этой целью:

1. Проведём топологический анализ схемы для определения числа независимых уравнений. В схеме B 1 = 6 ветвей, У = 3 узла. Однако в ветви с ИТ ток J задан, поэтому число независимых ветвей В = 5. Число независимых уравнений для решения задачи по методу законов Кирхгофа

N МЗК = В = 5.

3. Составим уравнения по 1ЗК (N 1ЗК = У - 1 = 3 - 1 = 2):

для узла 1 : I 1 - I 2 - J - I 3 = 0, (1)

для узла 2 : I 3 - I 4 + I 5 = 0. (2)

4. Выберем независимые контуры и направление обхода контуров, например, по ходу часовой стрелки. В нашем случае имеется три независимых контура, так как ветвь с заданным током J ИТ в уравнениях, составляемых по2ЗК, не учитывается:

N 2ЗК = B - (У - 1) = 5 – (3 – 1) = 3.

5. Составим три уравнения по 2ЗК:

для контура 1"-1-0-1" : E 1 = R 1 I 1 + R 2 I 2 , (3)

для контура 1-2-0-1 : 0 = R 3 I 3 + R 4 I 4 - R 2 I 2 , (4)

для контура 2-2"-0-2 : -E 2 = -R 5 I 5 - R 4 I 4 . (5)

6. Решив систему уравнений (1)…(5), например, методом Гаусса или с использованием формул Крамера можно определить все неизвестные токи ветвей цепи.

П1.6. Структурные преобразования схем замещения цепей. Расчёт электрических цепей можно упростить путём преобразованияих схем замещения в более простые и удобные для расчёта. Такие преобразования приводят, как правило, к уменьшению числа узлов схемы и, следовательно, необходимого числа исходных уравнений для расчёта.

Так, ветвь с последовательно соединёнными резисторами R 1 , R 2 , … , R n может быть преобразована в простую схему с одним резистивным элементом (рис. П1.4а ), эквивалентное сопротивление которого равно сумме сопротивлений:

а ветвь с несколькими последовательно соединёнными источниками напряжения и резисторами (рис. П1.4б ) также может быть преобразована в ветвь с одним эквивалентным ИН с параметрами R э и Е э (рис. П1.4в ):

б )

R 1

а )

в )

Рис. П1.4

R э

R 1

R 2

R n

R 2

R 3

R э

E 1

E 2

E 3

E э

Рис. П1.5

R 1

R 2

G э

а )

б )

R n

I 1

I n

I 2

Параллельно соединённые резисторы с сопротивлениями R 1 , R 2 ,…, R n (рис. П1.5а ) можно заменить одним резистором с проводимостью G э (рис. П1.5б ).

Так как напряжение на всех ветвях одно и тоже, равное U , то токи ветвей

где , - проводимости ветвей в сименсах.

В схеме с двумя узлами 1 и 2 (см. рис. П1.5а ) ток на входе цепи

а эквивалентная проводимость и эквивалентное сопротивление пассивного участка цепи между узлами 1 и 2 равны

Рис. П1.6

R 2

R 1

R 3

R 1

R 1-4

R 2-4

а )

б )

в )

R 4

Электрические схемы, имеющие сочетание последовательного и параллельного соединений участков цепи (смешанное соединение ), могут быть преобразованы в более простые эквивалентные схемы путём замены параллельных ветвей одной ветвью, а последовательно соединённые участки цепи – одним участком. Так, например, для схемы рис. П1.6а вначале нужно найти эквивалентное сопротивление параллельного участка 2 -3 с тремя параллельно включенными резисторами

а затем сложить его с сопротивлением R 1 (рис. П1.6б , в ):

В электрических цепях элементы могут быть соединены по схеме треугольник или по схеме звезда (рис. П1.7).Треугольником называют соединение трёх элементов, в котором конец первого элемента соединён с началом второго, конец второго с началом третьего, а конец третьего с началом первого (рис. П1.7а ). Звездой называют соединение, в котором концы трёх элементов соединены в одну общую точку п (рис. П1.7б ).

Рис. П1.7

б )

I 2

R 3

R 1

R 2

I 3

I 1

а )

I 2

I 3

R 1 2

R 23

R 31

С целью умньшения числа узлов в схеме цепи соединения элементов треугольником преобразуют в эквивалентное соединение звездой посредством следующих формул:

, , (1.10)

т. е.сопротивление луча эквивалентной звезды равно дроби, в числителе которой произведение двух сопротивлений сторон треугольника, примыкающих к рассматриваемому узлу, делённому на сумму всех сопротивлений сторон треугольника.

П1.7. Правило делителя напряжения. В ветви, состоящей их двух последовательно соединённых резисторов (рис. П1.8а ),напряжение на одном из резисторов равно приложенному к ветви напряжению, умноженному на сопротивление данного резистора и делённому на сумму сопротивлений обоих резисторов, т. е.

б )

R 1

R 2

а )

U 1

U 2

I 2

R 2

I 1

Рис. П1.8

R 1

и (1.11)

П1.8. Правило делителя тока . Для цепи с двумя параллельно соединёнными резисторами (рис. П1.8б ) ток одной из двух параллельных ветвей цепи равен подходящему к разветвлению току I , умноженному на сопротивление другой (противоположной) ветви и делённому на сумму сопротивлений обеих ветвей, т.е.

П1.9. Метод узловых напряжений. Метод узловых напряжений (МУН) базируется на первом законе Кирхгофа и обобщенном законе Ома. В нём за вспомогательные расчётные величины принимают так называемые узловые напряжения U k 0 - напряжения между каждым k -м узлом схемы и выбранным базисным узлом (его будем обозначать цифрой 0 ), потенциал которого принимают равным нулю. Число уравнений для расчёта схемы по МУН

N МУН = У - 1. (1.13)

Для каждого узла, кроме базисного, составляют уравнение по 1ЗК. В полученных уравнениях токи ветвей, присоединённых к базисному узлу, выражают через узловые напряжения и проводимости посредством обобщённого закона Ома:

где G k = 1/R k - проводимость k -й ветви.

Токв ветви, подключённой к узлам k и j ,

= (E kj - U k 0 + U j 0 )G kj , (1.15)

где U kj = U k 0 - U j 0 – межузловое напряжение; G kj = 1/R kj - межузловая проводимость.

После группирования членов при соответствующих узловых напряжениях и переноса E k G k и токов J k источников тока в правую часть, получают систему уравнений относительно неизвестных узловых напряжений.

Структура каждого уравнения одинаковая, например, уравнение относительно узла 1 :

G 11 U 10 - G 12 U 20 - ... - G 1n U n 0 = + (1.16)

где G 11 = G 1 + G 2 + ... + G n - собственная проводимость узла1 , равная сумме проводимостей ветвей, присоединённых к узлу 1 (проводимости ветвей с ИТ не учитываются, так как G j = 1/R j = 0 (R j = ¥)); G 12 , ... , G 1 n – межузловые проводимости; + - узловой ток узла 1 ; - алгебраическая сумма произведений ЭДС ветвей, присоединённых к узлу 1 , на проводимости этих ветвей, причём со знаком плюс (минус) записывают произведения, если ЭДС направлена к узлу 1 (от узла 1 ); - алгебраическая сумма токов источников тока ветвей, подключённых к узлу 1 , причём токи J k записывают со знаком плюс (минус), если они направлены к узлу 1 (от узла 1 ).

Решив систему уравнений относительно узловых напряжений, определяют межузловые напряжения и токи ветвей посредством соотношений (1.14) и (1.15).

Рис. П1.9

I 1

R 1

R 3

R 5

R 2

R 4

I 2

I 3

U 10

E 5

I 4

I 5

E 1

U 12

U 20

Пример П1.1. Пользуясь методом узловых напряжений, определить токи ветвей схемы (рис. П1.10), если E 1 = 12В, E 5 = 15В, J = 2А, R 1 = 1 Ом, R 2 = 5 Ом, R 3 = = R 4 = 10Ом, R 5 = 1 Ом. В схеме 6 ветвей и 3 узла.

Решение. 1. Выбираем базисный узел 0 и направления узловых напряжений U 10 и U 20 от узлов 1 и 2 к базисному (см. рис. П1.9).

2. Составляем (N МУН = У - 1 = 3 - 1 = 2) уравнения по МУН:

для узла 1 : G 11 U 10 - G 12 U 20 = E 1 G 1 - J ,

для узла 2 : -G 21 U 10 + G 22 U 20 = E 5 G 5 ,

где G 11 = G 1 + G 2 + G 3 , G 12 = G 3 = 1/R 3 , G 22 = G 3 + G 4 + G 5 , G 21 = G 12 = G 3 .

3. После подстановки числовых значений (G 1 = 1/R 1 = 1 См, G 2 = 0,2 См, G 3 = G 4 = = 0,1 См, G 5 = 1 См) имеем:

1,3U 10 - 0,1U 20 = 12 - 2 = 10,

0,1U 10 + 1,2U 20 = 15.

4. Воспользовавшись формулами Крамера, находим узловые напряжения:

Примечание. Вычисление узловых напряжений нужно проводить с большой точностью. В данном примере достаточно округлить четвёртый знак после запятой.

5. Межузловое напряжение

U 12 = U 10 - U 20 = 8,7097 - 13,226 = - 4,5163 B.

6. Искомые токи ветвей (см. выбранные направления токов ветвей на рис. П1.9):

I 1 = (E 1 - U 10)G 1 = 3,29 A, I 2 = U 10 G 2 = 1,754 A,

I 3 = U 12 G 3 = - 0,452 A, I 4 = U 20 G 4 = 1,323 A,

I 5 = (-E 5 + U 20)G 5 = -1,774 A.

7. Проверим результаты расчёта токов. Согласно 1ЗК для узла 2 :

= I 3 - I 4 - I 5 = - 0,452 - 1,323 + 1,774 = 0.

П1.10. Метод двух узлов . Метод двух узлов является частным случаем метода узловых напряжений и применяется для расчёта схем, содержащих (после преобразования) два узла и произвольное число параллельных пассивных и активных ветвей. Для расчёта токов ветвей цепи составляют и решают одно уравнение узлового напряжения , равное алгебраической сумме токов, создаваемыхвсеми источниками напряжения и источниками тока цепи, делённой на собственную проводимость узла , т. е.

а токи ветвей определяют по обобщённому закону Ома (см. (1.14)).

Пример П1.2. Упростить схему цепи (рис. П1.10а ) посредством преобразования пассивного треугольника в эквивалентную звезду и найти токи в преобразованной схеме метотом двух узлов. Токи ветвей пассивного треугольника исходной схемы найти из составленных уравнений 1ЗК для узлов треугольника и (при необходимости) уравнения 2ЗК для контура, в который входит одна из ветвей треугольника с искомым током. Параметры схемы замещения цепи: E 5 = 20 В, E 6 = 36 В; R 1 = 10 Ом, R 2 = 12 Ом, R 3 = 4 Ом, R 4 = 8 Ом, R 5 = 6 Ом, R 6 = 5 Ом.

Решение. 1. Обозначим узлы и пунктирными линиями лучи (ветви) эквивалентной звезды R 1 n , R 2 n , R 3 n (рис. П1.10б ), равные (см. (1.10))

2. В результате преобразований получили схему с двумя узлами: n и 4 (рис. П1.11), в которой узлы исходной схемы 1 , 2 и 3 стали соединениями.

3. Расчет схемы (рис. П1.11) методом двух узлом проведем в три этапа:

а ) выбираем базисный узел 4 и приравниваем его потенциал нулю (j 4 = 0);

а ) б ) Рис. П1.10. Расчетные схемы цепи

б) направим узловое напряжение U n 4 от узла n к узлу 4 и найдем его значение (см. (П1.11):

Выполнение домашнего задания № 1 (первая часть)

Тема « Расчёт сложной цепи постоянного тока »

Методические указания

Цель работы: освоение методов анализа линейных электрических цепей постоянного тока.

Задание:

1) Начертить схему согласно варианту.

2) Определить количество ветвей, узлов и контуров.

3) Составить уравнения по первому и второму законам Кирхгофа.

4) Определить токи всех ветвей методом узловых потенциалов и методом контурных токов.

6) Определить ток в ветви (номер ветви в таблице соответствует номеру резистора в схеме) методом эквивалентного генератора.

7) Определить показания приборов.

8) Построить потенциальную диаграмму.

9) Сделать выводы.

2. Указания по оформлению расчетно-графической работы

1) Начертить схему в соответствии с номером варианта (схема Приложение 1, таблица Приложение 2). Номер варианта соответствует номеру в учебном журнале.

2) Домашнее задание выполняется на листах формата А4 с одной стороны листа, желательно использовать компьютерные программы.

3) Выполнить чертеж схемы и её элементов в соответствии с ГОСТом.

4) Образец оформления титульного листа представлен в Приложении 3.

5) Каждый пункт задания должен иметь заголовок. Формулы, расчёты, диаграммы должны сопровождаться необходимыми пояснениями и выводами. Полученные значения сопротивлений, токов, напряжений и мощностей должны заканчиваться единицами измерения в соответствии с системой СИ.

6) Графики (диаграммы) должны выполняться на мм бумаге с обязательной градуировкой по осям и указанием масштабов по току и напряжению.

7) Если студент сделал ошибки при выполнении домашнего задания, то исправление проводится на отдельных листах с заголовком «Работа над ошибками».

8) Срок выполнения домашнего задания 5 неделя семестра .

3. Теоретическое введение

3.1 Топологические компоненты электрических схем

Количество ветвей - р

б) узел – q место соединения трех и более ветвей, узлы бывают потенциальные или геометрические рис. 1

Четыре узла геометрических (abcd) и три потенциальных (abc) так как потенциалы узлов с и d равны: φ с = φ d

в) Контур - замкнутый путь, проходящий через несколько ветвей и узлов разветвленной электрической цепи – abcd , рис. 1. Независимый контур имеющий хотя бы одну новую ветвь.

3.2. Баланс мощностей

Составляем уравнения для определения мощности приемника:

ΣР пр = Σ I ²·R

Составляем уравнения для определения мощности источника:

ΣP ист =Σ E · I

Баланс сходится при условии равенства уравнений мощностей источника и приемника, т.е.: ΣР пр = ΣP ист

Баланс считается сошедшимся, если погрешность не сходимости составляет не более 2%.

3.3. Эквивалентные преобразования пассивных участков электрической цепи

Соединения бывают: последовательное, параллельное и смешанное, звезда, треугольник, мостовое.

1. Последовательное соединение , когда ток в каждом элементе один и тот же.

R экв = R 1 +R 2 +R 3

I = E/R экв

U = U 1 +U 2 +U 3 =

= R 1 · I + R 2 · I + R 3 · I = R экв · I

Свойства последовательного соединения:

а) Ток цепи и напряжения зависит от сопротивления любого из элементов;

б) Напряжение на каждом из последовательно соединенных элементов меньше входного;

U i < U

в) Последовательное соединение является делителем напряжения.

2. Параллельное соединение

Соединение, при котором все участки цепи присоединяются к одной паре узлов, находящихся под воздействием одного и того же напряжения.

Свойства параллельного соединения :

1) Эквивалентное сопротивление всегда меньше наименьшего из сопротивлений ветвей;

2) Ток в каждой ветви всегда меньше тока источника. Параллельная цепь является делителем тока;

3) Каждая ветвь находится под одним и тем же напряжением источника.

3.Смешанное соединение

Это сочетание последовательных и параллельных соединений.

Метод эквивалентных преобразований

Решение любой задачи с одним источником питания с помощью законов Ома, Кирхгофа и умением сворачивания схемы.

3.4 Методы расчета электрических цепей с несколькими источниками питания

3.4.1 Метод с помощью законов Кирхгофа .

Самый точный метод, но с его помощью можно определять параметры схемы с небольшим количеством контуров (1-3).

Алгоритм :

1. Определить количество узлов q , ветвей p и независимых контуров;

2. Задаться направлениями токов и обходов контуров произвольно;

3. Установить число независимых уравнений по 1-ому закону Кирхгофа (q - 1) и составить их, где q-количество узлов;

4. Определить число уравнений по 2-ому закону Кирхгофа (p – q + 1) и составить их;

5. Решая совместно уравнения, определяем недостающие параметры цепи;

6. По полученным данным производится проверка расчетов, подставляя значения в уравнения по 1-ому и 2-ому законам Кирхгофа или составив и рассчитав баланс мощностей.

Пример:

Запишем эти уравнения согласно правилам:

для узла «а» I 1 - I 2 - I 4 = 0

для узла «b» I 4 - I 5 - I 3 = 0

для контура 1 R 1 ·I 1 +R 2 ·I 2 = E 1 - E 2

для контура 2 R 4 ·I 4 +R 5 ·I 5 - R 2 ·I 2 = E 2

для контура 3 R 3 ·I 3 - R 5 ·I 5 =E 3

Правило: если ЭДС и ток имеют одинаковое направление с направлением обхода контура, то они берутся с «+», если нет, то с «-».

Составим уравнения баланса мощностей:

P пр = R 1 ·I 1 ² + R 2 ·I 2 ² + R 3 ·I 3 ² + R 4 ·I 4 ² + R 5 ·I 5 ²

P ист = E 1 · I 1 + E 3 · I 3 - E 2 · I 2

3.4.2 Метод контурных токов

Используя этот метод, сокращается число уравнений, а именно исключаются уравнения по 1-ому закону Кирхгофа. Вводится понятие контурный ток (таких токов в природе не бывает – это виртуальное понятие), составляются уравнения по второму закону Кирхгофа.

Рассмотрим наш пример рис. 2

Контурные токи обозначены I м , I н , I л , заданы их направления, как показано на рис. 2

Алгоритм решения :

1. Запишем действительные токи через контурные: по внешним ветвям I 1 = I м ,

I 3 = I л , I 4 = I н и по смежным ветвям I 2 = I м - I н , I 5 = I н - I л

2. Составим уравнения по второму закону Кирхгофа, так, как контура три, следовательно будет и три уравнения:

для первого контура I м ·(R 1 + R 2) - I н ·R 2 = E 1 - E 2 , знак «–» перед I н ставится потому, что этот ток направлен против I м

для второго контура - I м ·R 2 + (R 2 + R 4 + R 5) ·I н - I л ·R 5 = E 2

для третьего контура - I н ·R 5 + (R 3 + R 5) ·I л = E 3

3. Решая полученную систему уравнений, находим контурные токи

4. Зная контурные токи, определяем действительные токи схемы (см. пункт 1.)

3.4.3 Метод узловых потенциалов

Предлагаемый метод самый эффективный из предложенных методов.

Ток в любой ветви схемы можно найти по обобщённому закону Ома. Для этого необходимо определить потенциалы узлов схемы.

Если схема содержит n-узлов, то уравнений будет (n-1):

Заземлим любой узел схемы φ = 0;
Необходимо определить (n-1) потенциалов;
Составляются уравнения согласно первому закону Кирхгофа по типу:

φ 1 ·G 11 + φ 2 ·G 12 +…+ φ (n-1) ·G 1,(n-1) = I 11

φ 1 ·G 21 + φ 2 ·G 22 +…+ φ (n-1 ) ·G 2,(n-1) = I 22

…………………………………………………

φ 1 ·G (n-1),1 + φ 2 ·G (n-1),2 +…+ φ (n-1 ) ·G (n-1),(n-1) = I (n-1), (n-1)

где I 11 … I (n -1), (n -1) узловые токи в ветвях с ЭДС подключенных к данному узлу, G kk –собственная проводимость (сумма проводимостей ветвей в узле k), G km – взаимная проводимость (сумма проводимостей ветвей соединяющие узлы k и m) , взятая со знаком «–».

Токи в схеме определяются по обобщенному закону Ома.

Пример:

φ а ( + + ) - φ b = E 1 + E 2

φ b (++) - φ a = - E 3

определив потенциалы φ а и φ b, найдем токи схемы. Составление формул для расчета токов осуществляется в соответствии с правилами знаков ЭДС и напряжений, при расчете по обобщенному закону Ома (см. лекция 1).

Правильность расчета токов проверяется с помощью законов Кирхгофа и баланса мощностей.

3.4.4 Метод двух узлов

Метод двух узлов это частный случай метода узловых потенциалов. Применяется в случае, когда схема содержит только два узла (параллельное соединение).

Алгоритм:

Задаются положительные направления токов и напряжение между двумя узлами произвольно;
Уравнение для определения межузлового напряжения

где G – проводимость ветви, J – источники тока;

Правило : G· E и J берутся со знаком «+», если Е и J направлены к узлу с большим потенциалом;
Токи схемы определяются по обобщенному закону Ома

Пример:

Составление формул для расчета токов осуществляется в соответствии с правилами знаков ЭДС и напряжений, при расчете по обобщенному закону Ома (см. лекция 1).

3.4.5 Метод активного двухполюсника

Данный метод применяется, когда необходимо рассчитать параметры одной ветви в сложной схеме. Метод основан на теореме об активном двухполюснике: «Любой активный двухполюсник может быть заменен эквивалентным двухполюсником с параметрами Е экв и R экв или J экв и G экв, режим работы схемы при этом не изменится».

Алгоритм:

1. Разомкнуть ветвь, в которой необходимо определить параметры.

2. Определить напряжение на разомкнутых зажимах ветви, т.е. при режиме холостого хода Е экв = U хх любимым методом.

3. Заменить активный двухполюсник, т.е. схему без исследуемой ветви, пассивным (исключить все источники питания, оставив их внутренние сопротивления, не забывая, что у идеальной ЭДС R вн = 0, а у идеального источника тока R вн = ∞). Определить эквивалентное сопротивление полученной схемы R экв .

4. Найти ток в ветви по формуле I = E экв /(R +R экв ) для пассивной ветви и

I = E ± E экв /(R +R экв ) для активной ветви.

3.5 Построение потенциальной диаграммы

Распределение потенциалов в электрической цепи можно представить с помощью потенциальной диаграммы.

Потенциальная диаграмма представляет собой зависимость φ(R ) в виде графика, на котором по вертикальной оси отложены значения потенциалов последовательного ряда точек выбранного контура, а по горизонтальной – сумма значений сопротивлений последовательно проходимых участков цепи этого контура. Построение потенциальной диаграммы начинается из произвольно выбранной точки контура, потенциал которой принят за нулевой φ 1 = 0. Последовательно обходим выбранный контур. Если построение диаграммы начали в точке 1, то и закончиться она должна в этой же точке 1. Скачки потенциала на графике соответствуют включенным в цепь источникам напряжения.

1.1. Определение показаний приборов

Вольтметр измеряет напряжение (разность потенциалов) между двумя точками в электрической цепи. Для определения показания вольтметра необходимо составить уравнение по второму закону Кирхгофа по контуру, в который входит измеряемое напряжение.

Ваттметр показывает мощность участка электрической цепи, которая определяется по закону Джоуля – Ленца.

4. Пример:

Дано : R 1 = R 5 =10 Ом, R 4 = R 6 = 5 Ом, R 3 = 25 Ом, R 2 = 20 Ом, Е 1 =100 В, Е 2 =80 В, Е 3 =50 В

Определить токи в ветвях разными методами, составить и рассчитать баланс мощностей.

Решение :

1) Метод контурных токов

Так как три контура, то будет три контурных тока I 11 , I 22 , I 33 . Направления этих токов выбираем по часовой стрелке рис 3. Запишем настоящие токи через контурные:

I 1 = I 11 - I 33 , I 2 = - I 22 , I 3 = - I 33 , I 4 = I 11 , I 5 = I 11 - I 22

Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для контурных уравнений в соответствии с правилами.

Правило: если ЭДС и ток имеют одинаковое направление с направлением обхода контура, то они берутся с «+», если нет, то с «–».

Решим систему уравнений математическим методом Гаусса или Крамера.

Решив систему, получаем значения контурных токов:

I 11 = 2,48 А, I 22 = - 1,84 А, I 33 = - 0,72 А

Определим настоящие токи: I 1 = 3, 2 А, I 2 = 1,84 А, I 3 = 0,72 А, I 4 = 2,48 А, I 5 = 4,32 А

Проверим правильность расчёта токов, подставив их в уравнения по законам Кирхгофа.

Составим уравнения для расчёта баланса мощностей:

Из расчёта видно, что баланс мощностей сошёлся. Погрешность меньше 1%.

2) Метод узловых потенциалов

Решаем туже задачу методом узловых потенциалов

Составим уравнения:

Ток в любой ветви схемы можно найти по обобщённому закону Ома. Для этого необходимо определить потенциалы узлов схемы. Заземлим любой узел схемы φ с = 0.

Решая систему уравнений, определяем потенциалы узлов φ a и φ b

φ a = 68 B φ b = 43,2 B

По обобщенному закону Ома определяем токи в ветвях. Правило: ЭДС и напряжение берутся со знаком «+», если их направления совпадают с направлением тока, и со знаком «–», если нет.

3)Построение потенциальной диаграммы внешнего контура

Определим значение потенциалов узлов и точек схемы.

Правило : обходим контур против часовой стрелки, если ЭДС совпадает с обходом тока, то ЭДС бреется с «+» (φ е). Если ток по обходу, то падение напряжения на резисторе, т.е «-» (φ b).

φ с = 0

Потенциальная диаграмма:

Список рекомендуемой литературы

Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. В 2-х томах. М.: Высшая школа, 1978.
Электротехника и электроника. Учебник для вузов. / Под редакцией В.Г.Герасимова. - М.: Энергоатомиздат, 1997.
Сборник задач по электротехнике и основам электроники. / Под редакцией В.Г. Герасимова. Учебное пособие для вузов.- М.: Высшая школа, 1987.
Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. Учебник для вузов – М.: Энергоатомиздат, 1985.
Липатов Д.Н. Вопросы и задачи по электротехнике для программированного обучения. Учебное пособие для студентов вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1984.
Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника, -М.: Энергоатомиздат, 1987.

Контрольные вопросы

Свойства последовательной цепи
Свойства параллельной цепи
Правила составления баланса мощностей
Правила составления уравнений по первому закону Кирхгофа
Как определяется мощность источника питания?
Независимый контур. Напишите уравнение по 2-ому закону Кирхгофа любого контура Вашей схемы.
Правила составления уравнений по 2-ому закону Кирхгофа
Как определяется мощность приемника?
Как определить количество уравнений по 1-ому закону Кирхгофа?
Алгоритм метода эквивалентного генератора
Как включается вольтметр в цепь?
Как включается амперметр в цепь?
Как определить количество уравнений по 2-ому закону Кирхгофа?
С помощью какого закона определяем ток в ветви, в методе эквивалентного генератора?
В чём смысл метода эквивалентных преобразований?

Приложение 1

Схема 1 и данные для группы СМ3 – 41

E 1=50 В, E 2 = 100 В, E 3 = 80 В,

R 1= 40 Ом, R 2 = 30 Ом, R 3 = 20 Ом,

R 4 = 30 Ом, R 5 = 20 Ом, R 6 = 30 Ом,

Е = 60 В

Схема 1 и данные для группы СМ3 – 42

E 1=100 В, E 2 = Е4= 50 В, E 3 = 80 В,

R 1= 80 Ом, R 2 = 50 Ом,

R 3 = 40 Ом, R 4 = 30 Ом,

R 5= R 7= 20 Ом, R 6 =30 Ом,

Е =40 В

Приложение 2.

Для группы СМ3 – 41

		Заменить

Для группы СМ3 – 42

		Заменить

Выполнение домашнего задания № 1 вторая часть

по курсу «Электротехника и электроника»

тема «Расчёт линейных цепей синусоидального тока»

Методические указания

Цель работы: освоение анализа электрических цепей однофазного синусоидального тока с использованием символического метода.

Задание

1) Изучить теоретическое введение и методические указания по выполнению домашнего задания.

2) Начертить схему с элементами согласно варианту.

3) Определить количество узлов, ветвей и независимых контуров.

4) Определить количество уравнений по первому и второму законов Кирхгофа.

5) Составить уравнения по первому и второму законов Кирхгофа.

7) Определить токи в ветвях методом эквивалентных преобразований.

Записать токи в алгебраической, показательной и во временной форме.

10) Определить показания приборов.

11) Начертить схему замещения исходя из характера цепи. Ввести в схему замещения дополнительный элемент, обеспечивающий в цепи резонанс напряжений. Рассчитать напряжения и ток, построить векторную диаграмму.

12) Ввести в схему замещения дополнительный элемент, обеспечивающий в цепи резонанс токов. Рассчитать напряжение и токи, построить векторную диаграмму.

13) Собрать исходную схему в среде MULTISIM

Указания по оформлению расчетно-графической работы

9) Выписать параметры сопротивлений ветвей схемы в соответствии с номером варианта (таблица приложение1). Номер варианта соответствует номеру в учебном журнале.

10) Домашнее задание выполняется на листах формата А4 с одной стороны листа, желательно использовать компьютерные программы.

11) Выполнить чертеж схемы и её элементов в соответствии с ГОСТом. Схема представлена в приложении 2.

12) Образец оформления титульного листа представлен в приложении 2.

13) Каждый пункт задания должен иметь заголовок. Формулы, расчёты, диаграммы должны сопровождаться необходимыми пояснениями и выводами. Полученные значения сопротивлений, токов, напряжений и мощностей должны заканчиваться единицами измерения в соответствии с системой СИ.

14) Графики (векторные диаграммы) должны выполняться на миллиметровой бумаге с обязательной градуировкой по осям и указанием масштабов по току и напряжению.

15) При работе с программой MULTISIM необходимо в рабочем поле собрать схему, подключить в ветви амперметры. Перевести картинку с результатами в Word . Амперметры убрать из ветвей. Подключить вольтметр и ваттметр и измерить напряжение и мощность. Перевести картинку с результатами в Word . Результаты включить в отчет.

16) Если студент сделал ошибки при выполнении домашнего задания, то исправление проводится на отдельных листах с заголовком «Работа над ошибками».

17) Срок выполнения домашнего задания 10 неделя семестра.

Теоретическое введение

3.1 Временная форма представления электрических величин, при синусоидальных воздействиях

Аналитическое выражение мгновенных значений тока, ЭДС и напряжения определяется тригонометрической функцией:

i(t) = I m sin(ωt + ψ i )

u(t ) = U m sin(ωt +ψ u )

e(t ) = E m sin(ωt + ψ e ),

где I m , U m , E m - амплитудные значения тока, напряжения и ЭДС.

(ωt + ψ) - аргумент синуса, который определяют фазовый угол синусоидальной функции в данный момент времени t .

ψ - начальная фаза синусоиды, при t = 0.

i (t ), u(t ) временные формы тока и напряжения.

По ГОСТу ƒ = 50 Гц, следовательно, ω = 2πƒ = 314 рад/сек.

Временную функцию можно представить в виде временной диаграммы, которая полностью описывает гармоническую функцию, т.е. дает представление о начальной фазе, амплитуде и периоде (частоте).

3.2 Основные параметры электрических величин

При рассмотрении нескольких функций электрических величин одной частоты интересуются фазовыми соотношениями, называемой углом сдвига фаз .

Угол сдвига фаз φ двух функций определяют как разность их начальных фаз.Если начальные фазы одинаковые, то φ = 0 , тогда функции совпадают по фазе, если φ = ± π , то функции противоположны по фазе .

Особый интерес представляет угол сдвига фаз между напряжением и током: φ = ψ u - ψ i

На практике используют не мгновенные значения электрических величин, а действующие значения. Действующим значением называют среднеквадратичное значение переменной электрической величины за период.

Для синусоидальных величин действующие значения меньше амплитудных в √2 раз, т.е.

Электроизмерительные приборы градуируются в действующих значениях.

3.3 Применение комплексных чисел

Расчет электрических цепей с использованием тригонометрических функций весьма сложен и громоздок, поэтому при расчете электрических цепей синусоидального тока используют математический аппарат комплексных чисел. Комплексные действующие значения записываются в виде:

Синусоидальные электрические величины, представленные в комплексной форме, можно изображать графически. На комплексной плоскости в системе координат с осями +1 и +j , которыми обозначены положительные действительная и мнимая полуоси, строятся комплексные векторы. Длина каждого вектора пропорциональна модулю действующих значений. Угловое положение вектора определяется аргументом комплексного числа. При этом отсчет положительного угла ведется против часовой стрелки от положительной действительной полуоси.

Пример: построение вектора напряжения на комплексной плоскости рисунок 1.

Напряжение в алгебраической форме записывается:

Длина вектора напряжения:

3.4 Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме

Закон Ома в комплексной форме:

Комплексное сопротивление выражается через комплексные действующие значения напряжения и тока в соответствии с законом Ома:

Анализ цепей синусоидального тока происходит при условии, что все элементы цепи R , L , C идеальны (таблица 1).

Электрическое состояние цепей синусоидального тока описывается теми же законами и рассчитываются теми же методами, что и в цепях постоянного тока.

Первый закон Кирхгофа в комплексном виде:

Второй закон Кирхгофа в комплексном виде:

Сводная таблица идеальных элементов и их свойств.

Таблица 1

Сопротивление	Угол сдвига фаз	Закон Ома	Мощность	Векторная диаграмма
Z = R			S = P
Z = - jX C			S = - jQ
Z = jX L			S = jQ

3.5 Баланс мощностей в цепях синусоидального тока

Для приемников вычисляем раздельно активную мощность

и реактивную мощность

При выполнении реальных расчетов мощности источников и приемников могут несколько отличаться. Эти погрешности обусловлены погрешностями метода, округления результатов расчётов.

Точность выполненного расчета схемы оценивают с помощью относительной погрешности при вычислении баланса активных мощностей

δ Р % =

и реактивных мощностей

δ Q % =

При выполнении расчетов погрешности не должны превышать 2%.

3.6 Определение коэффициента мощности

Электрооборудование энергетически выгодно эксплуатировать, если он совершает максимальную работу. Работа в электрической цепи определяется активной мощностью Р.

Коэффициент мощности показывает, насколько эффективно используется генератор или электрооборудование.

λ = P / S = cosφ ≤ 1

Мощность максимальна в случае, когда Р = S , т.е. в случае резистивной цепи.

3.7 Резонансы в цепях синусоидального тока

3.7.1 Резонанс напряжений

Режим работы RLC цепи рисунок 2 или LC - цепи, при условии равенства реактивных сопротивлений X C = X L , когда общее напряжение цепи совпадает по фазе с её током , называется резонансом напряжения.

X C = X L – условие резонанса

Признаки резонанса напряжения:

1. Напряжение на входе совпадает по фазе с током, т.е. сдвиг фаз между I и U φ = 0, cos φ = 1

2. Ток в цепи будет наибольшим и как следствие P max = I 2 max R мощность тоже максимальна, а реактивная мощность равна нулю.

3. Резонансная частота

Резонанс можно достигнуть, изменяя L , C или ω.

Векторные диаграммы при резонансе напряжений

LC цепь RLC цепь

3.7.2. Резонанс токов

Режим, при котором в цепи, содержащей параллельные ветви с индуктивными и емкостными элементами, ток неразветвленного участка цепи совпадает по фазе с напряжением (φ=0 ), называют резонансом токов .

Условие резонанса токов: разность реактивных проводимостей параллельных ветвейравна 0

В 1 – реактивная проводимость первой ветви,

В 2 – реактивная проводимость второй ветви

Признаки резонанса токов:

RLC – цепь Векторная диаграмма

LC – цепь Векторная диаграмма

Методические указания

4.1 Начертить схему с элементами согласно варианту.

Схема рисунок 1 преобразуем согласно варианту (Z 1 – RC , Z 2 – R , Z 3 – RL ).

Рисунок 1 Исходная схема

4.2 Рассмотрим схему рисунок 2, и запишем уравнения по законам Кирхгофа.

Схема содержит два узла, два независимых контура и три ветви.

Рисунок 2 Схема с элементами

Запишем первый закон Кирхгофа для узла а:

Запишем второй закон Кирхгофа для первого контура:

Запишем второй закон Кирхгофа для второго контура:

4.3 Определим эквивалентное сопротивление цепи.

Свернём схему рис 2.

По эквивалентному сопротивлению определяется характер цепи и чертится схема замещения.

Рисунок 3 свернутая схема

4.4 Определяем токи в ветвях схемы рисунок 2, методом эквивалентных преобразований: зная эквивалентное сопротивление, определяем ток первой ветви .

Рассчитываем ток в комплексной форме по закону Ома в соответствии со схемой рисунок 3:

Чтобы определить токи в остальных ветвях, нужно найти напряжение между узлами «ab» рисунок 2:

Определяем токи:

4.5 Запишем уравнения баланса мощностей:

где I 1 , I 2 , I 3 – действующие значения токов.

Определение коэффициента мощности

Расчёт коэффициента мощности проводят, определив активную и полную мощности: P / S = cosφ . Используем рассчитанные мощности, которые найдены при расчёте баланса.

Модуль полной мощности.

4.6 Рассчитаем напряжения на элементах, используя схему рисунок 2:

4.7 Построение векторной диаграммы

Построение векторной диаграммы ведется после полного расчета всей цепи, определения всех токов и напряжений. Построение начинаем с задания осей комплексной плоскости [+1; +j ]. Выбираются удобные для построения масштабы для токов и напряжений. Сначала строим на комплексной плоскости вектора токов (рисунок 4), в соответствии с первым законом Кирхгофа для схемы 2. Сложения векторов осуществляется по правилу параллелограмма.

Рисунок 4 векторная диаграмма токов

Затем строим на комплексной плоскости вектора рассчитанных напряжений проверка по таблице 1 рисунок 5.

Рисунок 5 Векторная диаграмма напряжений и токов

4.8 Определение показаний приборов

Амперметр измеряет ток, проходящий через его обмотку. Он показывает действующее значение тока в ветви, в которую он включен. В схеме (рис.1) амперметр показывает действующее значение (модуль) тока . Вольтметр показывает действующее значение напряжения между двумя точками электрической цепи, к которым он подключен. В рассматриваемом примере (рис.1) вольтметр подключен к точкам а и b .

Вычисляем напряжение в комплексной форме:

Ваттметр измеряет активную мощность, которая расходуется на участке цепи, заключенном между точками, к которым подключена обмотка напряжения ваттметра, в нашем примере (рис.1) между точками а и b .

Активную мощность, измеряемую ваттметром, можно вычислить по формуле

где - угол между векторами и .

В этом выражении действующее значение напряжения, на которое подключена обмотка напряжения ваттметра, и действующее значение тока, проходящего через токовую обмотку ваттметра.

Или рассчитываем полную комплексную мощность

ваттметр покажет активную мощность Р.

4.9 Расчёт резонансных цепей

4.9.1 Добавить в схему замещения элемент для получения резонанса напряжений. Например, схема замещения представляет RL цепь. Тогда необходимо добавить последовательно включённый конденсатор С – элемент. Получается последовательная RLC цепь.

4.9.2 Добавить в схему замещения элемент для получения резонанса токов. Например, схема замещения представляет RL цепь. Тогда необходимо добавить параллельно включённый конденсатор С – элемент.

5. Собрать схему в среде MULTISIM . Поставить приборы и измерить токи, напряжение и мощность.

Сборка схемы в среде Multisim 10.1. На рисунке 6 рабочее окно в среде Multisim . Панель приборов располагается справа.

Рисунок 6 рабочее окно в среде Multisim

Разместить на рабочем поле необходимые для схемы элементы. Для этого на верхней панели инструментов слева нажмём кнопку « Place Basic » (см. Рисунок 7). Выбор резистор: появится окно «Select a Component », где из списка «Family » выбрать «Resistor ». Под строкой «Component » появятся номинальные значения сопротивлений, выбираем нужное нажатием левой кнопки мыши или же непосредственным введением в графу «Component » необходимого значения. В Multisim используются стандартные приставки системы СИ (см. Таблицу 1)

Таблица 1

Обозначение Multisim (международное)	Русское обозначение	Русская приставка

Рисунок 7

В поле «Symbol » выбираем элемент. После выбора, нажимаем кнопку «OK » и размещаем элемент на поле схемы нажатием левой кнопки мыши. Далее можно продолжать размещение необходимых элементов или нажать кнопку «Close », чтобы закрыть окно «Select a Component ». Все элементы можно поворачивать для более удобного и наглядного расположения на рабочем поле. Для этого необходимо навести курсор на элемент и нажать левую кнопку мыши. Появится меню, в котором надо выбрать опцию «90 Clockwise » для поворота на 90° по часовой стрелке или «90 CounterCW » для поворота на 90° против часовой стрелки. Размещённые на поле элементы необходимо соединить проводами. Для этого наводим курсор на клемму одного из элементов, нажимаем левую кнопку мыши. Появляется провод, обозначенный пунктиром, подводим его к клемме второго элемента и снова нажимаем левую кнопку мыши. Проводу так же можно придавать промежуточные изгибы, обозначая их кликом мыши (см. Рисунок 8). Схему необходимо заземлить.

Подключаем к цепи приборы. Для того, чтобы подсоединить вольтметр, на панели инструментов выбираем «Place Indicator », в списке Family Voltmetr _ V », приборы перевести в режим измерения переменного тока (АС).

Измерение токов

Соединив все размещённые элементы, получаем разработанную схему рисунок.

На панели инструментов выбираем «Place Source ». В списке «Family » открывшегося окна выбираем тип элемента «P ower Souces », в списке «Component » - элемент «DGND ».

Измерение напряжения

Измерение мощности

6. Контрольные вопросы

1. Сформулируйте законы Кирхгофа и объясните правила составления системы уравнений по законам Кирхгофа.

2. Метод эквивалентных преобразований. Объясните последовательность расчета.

3. Уравнение баланса мощностей для цепи синусоидального тока. Объясните правила составления уравнения баланса мощностей.

4. Объясните порядок расчета и построения векторной диаграммы для Вашей схемы.

5. Резонанс напряжений: определение, условие, признаки, векторная диаграмма.

6. Резонанс токов: определение, условие, признаки, векторная диаграмма.

8. Сформулируйте понятия мгновенного, амплитудного, среднего и действующего значений синусоидального тока.

9. Напишите выражение для мгновенного значения тока в цепи, состоящей из соединенных последовательно элементов R и L , если к зажимам цепи приложено напряжение .

10. От каких величин зависит значение угла сдвига фаз между напряжением и током на входе цепи с последовательным соединением R , L , C ?

11. Как определить по экспериментальным данным при последовательном соединении сопротивлений R , X L и X C значения величин Z , R , X , Z К, R К, L , X C , C ,cosφ , cosφ К?

12. В последовательной RLC цепи установлен режим резонанса напряжений. Сохранится ли резонанс, если:

а) параллельно конденсатору подключить активное сопротивление;

б) параллельно катушке индуктивности подключить активное сопротивление;

в) последовательно включить активное сопротивление?

13. Как должен изменяться ток I в неразветвленной части цепи при параллельном соединении потребителя и батареи конденсаторов в случае увеличения емкости от С = 0 до С = ∞ , если потребитель представляет собой:

а) активную,

б) емкостную,

в) активно-индуктивную,

г) активно-емкостную нагрузку?

6. Литература

1. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники- М.: Высшая школа, 2012г.

2. Беневоленский С.Б., Марченко А.Л. Основы электротехники. Учебник для ВУЗов – М.,Физматлит, 2007г.

3. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. Учебник для вузов- М.: В. ш, 2000г.

4. Электротехника и электроника. Учебник для вузов, книга 1. / Под редакцией

В.Г.Герасимова. - М.: Энергоатомиздат, 1996г.

4. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника, -М.:

Энергоатомиздат, 1987г.