Контрольная работа: Основы электротехники

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

Пример 4. Применение метода рассмотрим на примере рис. 2.7.

Цепь состоит из двух независимых контуров I и II, в которых протекают контурные токи I11 и I22. Их положительные направления заданы кривыми стрелками. Составим систему уравнений для контурных токов I11 и I22.

I11•(R1+R2)-I22•R2=E1+E2

I22•(R2+R3)-I11•R2=-E2

Как видно из рис. 2.7, отдельные ветви схемы входят в два смежных контура. Действительный ток в такой общей ветви определяется алгебраической суммой контурных токов смежных контуров (в данном случае это ветвь R2, E2).

Решением системы уравнений являются значения контурных токов I11 и I22., которые и определяют действительные токи в каждой ветви схемы.

Подставим числовые данные в полученную систему уравнений:

100•I11-40•I22=144

-40•I11+80•I22=-64

Решая систему, получим I11=1,4 А, I22=-0,1 А.

Анализируя схему цепи, получим: I1=I11=1,4 А; I2=-I22-I1=-0,1-1,4=-1,5 А; I3=-I22=0,1 А. Полученный результат повторяет предыдущие расчеты.

3.5 Метод эквивалентного генератора

Метод эквивалентного генератора рационально применять в случае необходимости определения тока в одной ветви сложной электрической цепи.

Для этой цели разбивают сложную электрическую цепь на две части - на сопротивление R, ток которого I нужно определить, и всю остальную цепь, ее называют активным двухполюсником, так как эта часть имеет две клеммы а и b, к которой и подключается сопротивление R (рис. 2.9).

Активным этот двухполюсник называют потому, что в нем имеется источник ЭДС. Этот активный двухполюсник обладает определенной ЭДС Еэ и определенным внутренним сопротивлением Rэ и называется эквивалентным генератором.

Ток в резисторе с сопротивлением R определяют по закону Ома. Таким образом, определение тока I сводится к вычислению ЭДС эквивалентного генератора Еэ и его внутреннего сопротивления Rэ.

Величина ЭДС Еэ определяется любым методом расчета цепей постоянного тока относительно точек а и b при разомкнутых клеммах, т. е. в режиме холостого хода. Практически эту ЭДС можно измерить вольтметром, подключенным к клеммам а и b при холостом ходе.

Внутреннее сопротивление эквивалентного генератора Rэ вычисляется относительно точек а и b после предварительной замены всех источников сложной схемы эквивалентного генератора их внутренними сопротивлениями.

Пример 5. Найдем методом эквивалентного генератора ток в сопротивлении R3 цепи, изображенной на рис. 2.7. Разорвем ветвь R3, получим схему рис. 2.10. Найдем напряжение холостого хода между точками a и b:

I=(E1+E2)/(R1+R2)=144/100=1,44 A;

Uab=I•R2-E2=-6,4 В.

Найдем сопротивление между точками а и b:

Rэ=(R1•R2)/(R1+R2)=24 Ом.

С учетом знака напряжения Uab схема эквивалентного генератора примет вид, изображенный на рис. 2.9. направление тока в сопротивлении R3 однозначно определяется направлением ЭДС. Ток в этой ветви будет равен:

I=Еэ/(Rэ+R3)=6,4/64=0,1 A.

Полученный результат повторяет предыдущие расчеты.

3.6 Баланс мощностей цепи

Баланс мощности цепи составляют для проверки расчетов. Его записывают в виде:

Ррез?Рист, где Ррез= , Рист=

В уравнении баланса произведение (мощность источника) подставляют со знаком "плюс", если истинное направление тока, протекающего через источник, и направление ЭДС источника совпадают, и со знаком "минус" - при встречном направлении (источник работает в режиме приемника). Совпадение P1 и P2 говорит о том, что расчеты выполнены правильно (ошибки могут составлять 5%).

4.Задание для самостоятельного решения

Для заданной электрической цепи постоянного тока выполнить расчеты методом непосредственного применения законов Кирхгофа*. (*- задание метода расчета преподавателем). Выберите схему электрической цепи и значения для силы тока и эдс согласно своего варианта.

Таблица 2. Варианты задания для самостоятельного решения.

№ варианта

№ рисунка/схемы

R1, Ом

R2, Ом

R3, Ом

е1, В

е2, В

е3, В

1

рис. 1

2

3

4

40

20

15

2

рис. 2

3

6

18

120

120

-

3

рис. 3

10

5

20

110

60

-

4

рис. 4

5

8

10

-

10

40

5

рис. 5

2

4

2

1

3

5

6

рис. 6

36

60

40

120

-

-

7

рис. 7

2

3

4

40

20

15

8

рис. 8

5

8

10

-

10

40

9

рис. 3

10

5

20

110

60

-

10

рис. 5

2

4

2

1

3

5

Контрольные вопросы:

1. Как выбираются контуры при расчете методом контурных токов?

2. Что такое контур цепи? Перечислите все независимые и смежные контуры Вашей цепи. Что такое узел цепи? Сколько узлов в вашей цепи?

3. Может ли направление тока в ветви, содержащей источник ЭДС, быть встречно направлению этой ЭДС?

4. Для чего составляют баланс мощностей цепи? Напишите уравнение баланса мощностей цепи.

5. Электрическая цепь содержит шесть ветвей и четыре узла. Сколько уравнений следует составлять по первому и сколько по второму законам Кирхгофа.

6. Охарактеризуйте основные этапы метода контурных токов.

7. На сколько число уравнений по этому методу меньше числа уравнений по методу непосредственного применения законов Кирхгофа?

8. В чем состоит достоинство метода двух узлов?

9. Сформулируйте принцип и метод наложения.

10. Приведите примеры, показывающие полезность преобразования звезды в треугольник и треугольника в звезду.

5.Символический метод расчета цепей переменного синусоидального тока

Основным понятием в данном методе является комплексная амплитуда, поэтому его называют также методом комплексных амплитуд. Синусоидальные функции (ток, напряжение, ЭДС) очень просты, но их графическое изображение и операции с ними трудоемки и недостаточно точны. Эти операции можно существенно упростить, если синусоидальные функции времени изобразить комплексными числами.

Из курса математики известно, что любое комплексное число можно представить:

а) - в алгебраической форме ;

б) - в тригонометрической форме ;

в) - в показательной форме .

г) - вектором на комплексной плоскости (рис. 3.12), где A -длина (модуль) вектора, - мнимая единица,

Вещественная часть комплексного числа (real - реальный, вещественный).

Рис.3.12 Мнимая часть комплексного числа (imaginary - мнимый, воображаемый).

Модуль комплексного числа ;

аргумент комплексного числа .

формула Эйлера .

Угол б отсчитывают от положительного направления оси вещественных (ось +1). Положительный угол отсчитывают в направлении, противоположном движению часовой стрелки, отрицательный -- в направлении движения часовой стрелки.

Сложение и вычитание комплексных чисел

.

Умножение комплексных чисел

Умножение комплексного числа на число eiц сводится к повороту вектора на угол ц.

Умножение комплексных величин на +j=ejр/2 сводится к повороту вектора против часовой стрелки на угол р/2, а умножение на -j=ejр/2 - к повороту вектора на прямой угол по часовой стрелке.

Комплексные числа и называются сопряженными. Произведение сопряженных комплексных чисел вещественно и равно квадрату их модуля

.

Деление комплексных чисел

или в показательной форме .

Возведение комплексных чисел в степень

.

Извлечение корня из комплексного числа (n - целое и положительное число)

;

где k- целое число, равное 0, 1, 2, … ,(n-1).

Запишем в трех формах выражения для единичных действительных и мнимых комплексных чисел (случай А=1):

,

,

,

.

Следует обратить внимание на то, что комплексные изображения несут информацию только о двух параметрах синусоиды - амплитуде и фазе, не отражая ее третьего параметра - угловую частоту щ. Поэтому аппарат комплексных чисел применим для анализа цепи, в которой действуют источники одной известной и неизменной угловой частоты щ.

Рассмотрим синусоидальный ток i=Imsin(щt+шi) и комплексное число

,

модуль и аргумент которого соответственно равны амплитуде и фазе синусоидального тока. С одной стороны, данное комплексное число представляет аналитическую запись вектора с модулем Iт, вращающегося в комплексной плоскости с постоянной угловой скоростью щ, равной угловой частоте синусоидального тока, в направлении, противоположном движению часовой стрелки. С другой стороны, данное комплексное число, согласно формуле Эйлера, можно представить в тригонометрической форме:

Сравнивая последнее с формулой для тока i=Imsin(щt+шi) видно, что

,

т. е. синусоидальный ток равен проекции на ось мнимых чисел вращающегося вектора, изображающего комплексное число.

Таким образом, синусоидальному току i (оригиналу) может быть поставлено в соответствие комплексное число (изображение) . Условная запись такого преобразования имеет вид

Аналогичные преобразования могут быть выполнены для синусоидальных напряжений и ЭДС:

Над комплексными числами, изображающими синусоидальные ЭДС, напряжения и токи, можно производить все алгебраические действия. При сложении и вычитании комплексных чисел удобнее пользоваться алгебраической формой записи, а при умножении, делении, возведении в степень и извлечении корней -- показательной формой.

Комплексное число

,

модуль и аргумент которого соответственно равны амплитуде и начальной фазе синусоидального тока, называют комплексной амплитудой тока.

Комплексным действующим током (комплексным током) называют комплексное число

.

Такими же соотношениями связаны комплексные амплитуды и комплексные действующие напряжения и ЭДС.

Комплексное число ejщt называют множителем вращения. При выполнении условия щ=const взаимное расположение всех векторов (ЭДС, напряжения, тока) не изменяются, поэтому весь процесс рассматривают для момента времени t=0 и множитель вращения в дальнейшем не учитывают, т. к. ejщt=0 при t=0. Расчет ведут с использованием комплексных амплитуд или комплексов действующих значений.

Таким образом, при изображении синусоидальных величин комплексными числами в показательной форме записи в качестве модуля следует брать амплитуду (или действующее значение) синусоидальной величины, а в качестве аргумента -- ее начальную фазу.

Режим работы электрической цепи переменного тока, как правило, описывается системой дифференциальных уравнений для мгновенных значений синусоидальных токов, напряжений и ЭДС, членами которых могут быть производные любого порядка и интегралы от синусоидальных функций времени. Поскольку производные любого порядка и интегралы от синусоидальных функций также являются синусоидальными функциями, то им, как и синусоидальным токам, напряжениям и ЭДС, можно поставить в соответствие комплексные числа, являющиеся изображениями этих величин. Так, для синусоидального тока, для которого имеем , получим

Таким образом, производной от синусоидального тока можно поставить в соответствие комплексное число, изображающее этот синусоидальный ток, умноженное на jщ, а интегралу от синусоидального тока -- комплексное число, изображающее синусоидальный ток, деленное на jщ.

Аналогичные преобразования могут быть выполнены и для синусоидальных напряжений и ЭДС.

Комплексный метод расчета электрических цепей синусоидального тока применим только при установившихся режимах работы цепей. Сущность его заключается в том, что, используя указанные преобразования, систему дифференциальных уравнений для действительных функций времени можно заменить системой алгебраических уравнений с комплексными токами, напряжениями и ЭДС. Переход от дифференциальных уравнений к алгебраическим уравнениям с комплексными числами осуществляют заменой в них мгновенных значений тока i, напряжения и, ЭДС е, а также производных и интегралов от них -- комплексными числами.

Так как комплексные амплитуды тока, напряжения и ЭДС и комплексные действующие токи, напряжения и ЭДС можно изображать векторами на комплексной плоскости, то расчет электрических цепей полезно сопровождать построением векторных диаграмм, под которыми: понимают совокупность векторов на комплексной плоскости, изображающих синусоидально изменяющиеся функции времени одной и той же частоты и построенных с соблюдением правильной их ориентации относительно друг друга по фазе, что в ряде случаев позволяет выявить ошибки расчета. На векторных диаграммах принято изображать векторы комплексных токов, напряжений и ЭДС или комплексные амплитуды этих величин для момента времени t=0.

Источник: https://otherreferats.allbest.ru/download/1315360/