
|
|
Главная \ Методичні вказівки \ Електротехніка
Електротехніка« Назад
Електротехніка 03.10.2015 13:42
ВСТУП
У розрахункових завданнях з дисципліни «Електротехніка» за розділом «Електричні кола постійного струму» (завдання 1, 2) потрібно за заданими параметрами джерел і елементів кола розрахувати струми і напруги на всіх ділянках кола. Точність розрахунку необхідно перевірити за балансом потужностей. Розглядаються найбільш поширені методи розрахунку кіл постійного струму, а саме: метод згортання кіл (завдання 1), методи рівнянь Кірхгофа, контурних струмів, вузлової напруги, еквівалентного генератора (завдання 2) [1]. У розрахунково-графічних завданнях 3-5 (розділ «Лінійні електричні кола синусоїдального струму») потрібно визначити миттєві значення струмів і напруг на ділянках кола символічним методом [1,7]. Рішення цих завдань аналогічні розрахункам кіл постійного струму, але дещо складніші, що викликано особливостями природи синусоїдальних ЕРС, струмів і напруг, резистивного, індуктивного та ємнісного елементів кіл. У завданнях 6, 7 розглядаються методи розрахунку трифазних кіл, опори в яких з’єднані «зіркою», або «трикутником». Всі розрахунки виконуються символічним методом. Для трифазних кіл справедливі всі формули, якими користуються для кіл однофазного змінного струму, але необхідно знати співвідношення між лінійними та фазними струмами та напругами при різних способах з’єднання навантаження. За результатами розрахунків фіксуються миттєві значення параметрів кола, будуються векторні діаграми струмів і напруг, визначаються схеми заміщення складних кіл.
Умовні позначки
1) Буквені позначення комплексних величин у математиці: A = ± a ± jb = Aejα a – дійсна частина комплексної величини; jb – уявна частина комплексної величини; j = √-1 – уявна одиниця; A = √a2 + b2 – модуль комплексної величини; α = arctg(±b/a) – аргумент комплексної величини (у радіанах, або градусах); = Ae-jα – спряжена комплексна величина.
2) Буквені позначення основних фізичних величин: е = Emsin(ωt+ψe), В, і = Imsin(ωt+ψi), A, u = Umsin(ωt+ψu), В – відповідно, миттєві ЕРС, струм, напруга; Em , Im, Um – амплітуди цих же величин; E = Em /√2, I = Im /√2, U = Um /√2 – діючі значення; (ωt + ψ) – фаза (миттєва фаза) струмів і напруг (у радіанах, або градусах); ω = 2πf – кругова частота струмів і напруг(рад/с), де f = 1/T – частота (Гц), Т – період (с); ψe, ψi, ψu – початкові фази, відповідно, ЕРС, струму і напруги (частіше в градусах); ψe/ω, ψi/ω, ψu/ω – початкові зміщення в часі (у секундах); φ = ψu – ψi – зсув за фазою струму відносно напруги (частіше в градусах); Ė, İ, Ů, або E, I, U – комплекс діючих ЕРС, струму і напруги; Ia, Ua, Ip, Up – відповідно, активна і реактивна складові струму і напруги; E’’m, I’’m, U’’m або E’’, I’’, U’’ – спряжені амплітудні або діючі ЕРС, струм, напруга; U12, U21 – комплексні діючи напруги взаємоіндукції, відповідно, в першій індуктивності від струму другої індуктивності і навпаки; A(1), A(2) – комплексні величини (струм, опір, напруга, провідність, потужність), що отримують у методі накладання при розрахунках від одного, другого і іншого джерел; U0, I0 – діючі значення струму і напруги при резонансі; R, X, XL, XC, X12, Z, Z – активний (резистивний), реактивний, індуктивний, ємнісний, взаємоіндукції, повний і комплексний опори (Ом); G, B ,BL, BC, Y, Y – активна (резистивна), реактивна, індуктивна, ємнісна, повна і комплексна провідності (См); P(Вт), Q(вар), S(ВА), S(ВА) – активна, реактивна, повна і комплексна потужності; Qд – добротність послідовного кола при резонансі.
УМОВНІ ГРАФІЧНІ ПОЗНАЧЕННЯ В ЕЛЕКТРИЧНИХ СХЕМАХ
Продовження
Продовження
ПРАКТИЧНА РОБОТА № 1
ЕЛЕКТРИЧНІ КОЛА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З ОДНИМ ДЖЕРЕЛОМ ЖИВЛЕННЯ
ЗАВДАННЯ 1. Визначити струми і напруги на всіх ділянках кола. 2. Обчислити баланс потужностей.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Електричні кола постійного струму умовно розділяють: 1. Нерозгалужені – з одним або кількома джерелами живлення, з’єднаними узгоджено або зустрічно в одній гілці, і з послідовно з’єднаними споживачами. 2. Розгалужені – з джерелами в одній гілці і розгалуженим споживачем, що містить в собі змішане з’єднання елементів, у тому числі послідовне та паралельне. Розрахунок першого типу задач виконують з використанням закону Ома для повного електричного кола або другого закону Кірхгофа. Спади напруг визначають за законом Ома для ділянки кола з пасивним елементом. При розв’язанні задач другого типу розгалужений споживач замінюють еквівалентним опором – загальна напруга на споживачі і потужність розсіювання до і після перетворень залишаються незмінними. Еквівалентні перетворення виконують за таким правилом: Явно виражені ділянки розгалуженого споживача з послідовним або паралельним з’єднанням замінюють еквівалентними, поки залишиться один еквівалентний опір. Далі схему розраховують за раніше позначеним методом. При послідовному з’єднанні еквівалентний опір дорівнює сумі опорів (рис. 1.1):
Rе = R1 + R2 + R3 = ΣRі (1.1)
Рис. 1.1. Послідовне з’єднання опорів
При паралельному з’єднанні доцільно вести розрахунки за допомогою провідностей: (Gi = 1/Ri). Eквівалентна провідність паралельного кола дорівнює сумі провідностей (рис. 1.2):
Gе = G1 + G2 + G3 = ΣGі (1.2)
Рис. 1.2. Паралельне з’єднання опорів
Ці співвідношення дають змогу визначити еквівалентний опір кола і тоді схема буде мати вигляд:
Рис. 1.3. Еквівалентна схема кола
Струм джерела живлення визначають згідно з законом Ома: I = E/Re = ЕGe
а) б) Рис. 1.4. а) – розподіл напруг при послідовному з’єднанні опорів; б) – розподіл струмів при паралельному з’єднанні опорів
Струми і напруги на окремих ділянках кола знаходять за допомогою співвідношень: а) при послідовному з’єднанні опорів (рис.1.4,а):
Uab/Ubc = R1/R2
Uab = E·R1/(R1+R2)
Ubc =E·R2/(R1+R2)
б) розподіл струмів у паралельно з’єднаних гілках кола (рис.1.4,б)
I1/I2 = R2/R1
I1 = I·R2/(R1+R2)
I2 = I·R1/(R1+R2)
Точність розрахунків можна перевірити склавши баланс потужностей, згідно з яким сума потужностей, що розсіюється на опорах, дорівнює потужності, яку розвиває джерело живлення:
ΣРдж= Σ Рспож, або ΣІЕ = ΣIi2Ri.
Допустиме розходження для технічних розрахунків складає ±1%. Варіанти схем та чисельні дані для розрахунків наведені в табл.1.1 та 1.2.
Таблиця1.1 Варіанти схем для розрахунків
Таблиця 1.2 Чисельні дані для розрахунків
ПРАКТИЧНА РОБОТА № 2
РОЗРАХУНКИ СКЛАДНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ КІЛ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ З КІЛЬКОМА ДЖЕРЕЛАМИ ЖИВЛЕННЯ
ЗАВДАННЯ
1. Визначити струми в усіх гілках кола: а) методом законів Кірхгофа; б) методом контурних струмів; в) методом вузлової напруги; г) методом еквівалентного генератора. 2. Скласти баланс потужності і визначити режим роботи кожної ЕРС.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Розглянемо різні методи рішення на прикладі кола, яке зображене на рис. 2.1.
Рис. 2.І. Розгалужене коло з кількома джерелами живлення
Це коло має три гілки, отже, потрібно обчислити три значення струмів, довільно вибрані напрямки яких показані стрілками. а) метод законів Кірхгофа
Для визначення струмів треба скласти три рівняння, користуючись першим і другим законами Кірхгофа. 3а першим законом Кірхгофа складають рівнянь на одиницю менше, ніж кількість вузлів у колі. Решту рівнянь складають за другим законом Кірхгофа. В нашому випадку схема (рис. 2.2) має 2 вузли, тому за першим законом Кірхгофа складаємо одне рівняння (2-1=1). Наприклад, для вузла А:
- I1 + I2 – I3 = 0 (2.1)
Для складання рівнянь за другим законом Кірхгофа, треба обрати незалежні контури і напрямок їх обходу. Обираємо контури КАZВК і АZВА. Напрямок їх обходу показаний на рис. 2.1. Для контуру КАZВК другий закон Кірхгофа має вигляд:
E1= (R1+R2+R3)I1 - (R5+R6)I3 (2.2)
Для контуру АZВА
-E2 = -I2 R4 – I3(R5+R6) (2.3)
Сумісне рішення системи трьох рівнянь (2.1)-(2.3) дає змогу визначити невідомі струми.
б) Метод контурних струмів
Рис. 2.3. Розгалужене коло для розрахунку методом контурних струмів
Цей метод дозволяє в ході аналізу складних кіл з кількома джерелами живлення виключити рівняння, що складені на основі першого закону Кірхгофа. Це стає можливим завдяки використанню суто розрахункових, так званих контурних струмів, що замикаються лише через контури, які обрані для аналізу. Коло, яке наведене на рис 2.3, має 2 дотичних контури, в кожному з них протікає свій контурний струм ІКІ та ІК2. Напрямок контурних струмів задаємо довільно. При складанні рівнянь згідно з другим законом Кірхгофа треба враховувати вплив сусідніх контурних струмів, які перебігають по гілці (якщо вони є). Таким чином, для обраних контурів КАВК та АZВА другий закон Кірхгофа має вигляд:
-E1 - E2 = IK1(R1 + R2 + R3 + R4) - IK2R4 (2.4) E2 = -IK1R4 + IK2(R4 + R5 + R6).
Розв’язання цієї системи рівнянь дає змогу знайти невідомі контурні струми ІК1 та ІК2. Реальні струми в гілках знаходять як алгебраїчну суму контурних струмів які перебігають по кожній гілці. Для наведеного прикладу маємо:
I1= -IK1; I3 = IK2; I2 = IK2- IК1.
в) метод вузлової напруги
Рис. 2.4. Розгалужене коло для розрахунку струмів методом вузлової напруги
Цей метод являється корисним, коли коло має лише 2 вузли (рис. 2.4). У даному випадку це вузли А і В. Напрямок напруги обирається довільно. Напруга між вузлами визначається рівнянням:
UAB= ΣEi Gi/ΣGi, (2.5)
де G = 1/R – провідність відповідної гілки. Для нашого прикладу G1 = 1 / (R1+R2+R3), G2 = 1/ R4, G3 = 1/(R5 + R6).
UAB= (-E1G1 + E2G2 )/(G1 + G2 + G3) (2.6)
Якщо напруга має напрямок від А до В, то ЕРС, які спрямовані до вузла А мають знак "+", а від вузла А – "-". Далі, користуючись узагальненим законом Ома, легко знайти значення струмів у кожній гілці:
I1 = (U АВ + Е1)/(R 1+ R 2 + R3); I2 = (E2 - UAB )/R4; I3 = UAB /(R5+R6) (2.7)
г) метод еквівалентного генератора
Рис. 2.5. Розгалужене коло для розрахунку струмів методом еквівалентного генератора
Використання цього методу доцільно, коли треба визначити силу струму в одній з гілок розгалуженого електричного кола. Метод дозволяє відмовитися від розв’язання системи рівнянь з багатьма невідомими. Цінність методу значно зростає у випадку визначення струму при зміні параметрів гілки при умові, що параметри інших гілок залишаються незмінними. У нашому прикладі потрібно визначити силу струму I2 у гілці АВ кола, зображеного на рис. 2.5. Вона складається з резистора R2 і ЕРС Е2. Розкладемо коло на дві частини: гілку з струмом I2 і решту кола, яка перетворюється на активний двополюсник (рис.2.6а,). Необхідна і достатня умова для цієї дії – наявність у складі двополюсника хоча б однієї ЕРС. Тепер розмикаємо другу гілку, а двополюсник замінюємо еквівалентним джерелом напруги, на затискачах якого діє напруга холостого ходу Uхх (рис. 2.6,б). З курсу теоретичних основ електротехніки відомо, що будь-який активний двополюсник можна замінити еквівалентним джерелом живлення (генератором) з ЕРС Еекв = Ехх і опором Rекв = Rкз (рис. 2.6,в).
а) б) в) Рис. 2.6. Еквівалентні схеми заміщення методом еквівалентного генератора: а) електрична схема; б) схема активного двополюсника; в) розрахункова схема
ЕРС такого джерела чисельно дорівнює напрузі на затискачах розімкненої гілки (тобто напрузі холостого ходу): Еекв = Uхх. Слід мати на увазі, що напрямок ЕРС поки що обираємо довільно. Розрахунок кола у режимі холостого ходу (рис. 2.6,а) виконують будь-яким відомим методом:
I = Е/(R1+ R2 + R3+R5 +R6 ). (2.8)
Тоді напруга холостого ходу:
Uхх = I(R5 +R6 ) = Е(R5 +R6 )/(R1 + R2 + R3+R5 +R6 ) = Ехх. (2.9)
Примітка: якщо коло має більше паралельних гілок (див. варіанти нашого завдання), величину Uхх краще розраховувати методом вузлової напруги. Слід пам’ятати: напрямки ЕРС і напруги джерела – протилежні одне одному. Внутрішній опір еквівалентного джерела Rекв визначаємо як вхідний опір пасивного двополюсника відносно затискачів А і В. Такий двополюсник утворюється з активного, якщо джерело Е1 замінити короткозамкненою ділянкою (рис. 2.6,б):
Rекв = [(R1+ R2 + R3)·(R5 +R6 )]/(R1 + R2 + R3+ R5 + R6 ) =Rкз, (2.10)
тобто гілки ввімкнені паралельно. Таким чином, остаточно маємо схему еквівалентного генератора, на затискачі якого підключено тепер другу гілку (рис. 2.6 в): Отже, величина шуканого струму І2 остаточно дорівнює:
І2 = (Еек + Е2)/(Rекв + R4) (2.11)
2. Баланс потужностей Точність розрахунків можна перевірити, склавши баланс потужностей, згідно з яким сума потужностей, що розсіюється на опорах, дорівнює алгебраїчній сумі потужностей джерел живлення:
Σ(±ІіЕі ) = ΣIi2Rі
Правило знаків: зі знаком “+” записують потужність джерел, які працюють в режимі генератора; зі знаком “-” – потужність джерел, які працюють в режимі споживача. Для визначення режиму роботи джерела потрібно порівняти напрямок ЕРС і реальний напрямок струму в гілці, де знаходиться ця ЕРС. Якщо ці напрямки співпадають, ЕРС працює у режимі генератора; якщо ці напрямки протилежні, ЕРС – споживає електричну енергію. Варіанти схем та чисельні дані для розрахунків наведені в табл. 2.1 та 2.2.
Таблиця 2.1 Чисельні дані для розрахунків
Таблиця 2.2 Варіанти схем для розрахунків
ПРАКТИЧНА РОБОТА № 3
ПОСЛІДОВНЕ КОЛО ЗМІННОГО СТРУМУ
ЗАВДАННЯ 3а: Робота з комплексними величинами
Для заданої синусоїдної величини ЕРС (табл. 3.1, графа 2) знайдіть: 1. Діюче значення. 2. Частоту f. 3. Період Τ. 4. Миттєве значення при t = 0. 5. Запишіть комплекс діючого значення синусоїдної величини у показовій та алгебраїчній формах. 6. Побудуйте на комплексній площині вектор діючого значення ЕРС. 7. Побудуйте хвильову діаграму. 8. Для заданих значень напруги та струму (табл. 3.1, графи 3, 4) побудуйте векторну діаграму. 9. Визначте повну, активну та реактивну потужності. 10. Визначте параметри кола заміщення і намалюйте це коло.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Параметри синусоїдної величини:
е = Еmsin(ωt + ψe).
1) діюче значення: Е = Еm/√2; 2) частота f = ω/2π; 3) період T = 1/f; 4) миттєве значення при t = 0: ео = Еmsin ψe; 5) комплекс діючого значення у показовій формі: Ė = Ejψe, цією формою користуються при множенні та діленні синусоїдних величин; 6) комплекс діючого значення у алгебраїчній формі:
Ė = Ecosψe + jEsinψe = Еа + jEp,
цю форму використовують для складання та віднімання синусоїдних величин. 7) вектор діючого значення синусоїдної величини будується у обраному масштабі на комплексній площині (рис. 3.1):
8) Хвильова діаграма (рис. 3.2) будується за миттєвими значеннями ЕРС (е1,е2, е3 …) які розраховуються для довільно обраних проміжків часу (40 – 50 точок за період).
Рис. 3.2. Хвильова діаграма
8. Для того, щоб визначити коло заміщення, треба розрахувати опір цього кола (табл. 3.І; графи 3,4). Якщо задані напруга та струм кола, то опір розраховують згідно з законом Ома. Комплекс повного опору:
Z = Ů/İ = Uejψu/Iejψi = Zej(ψu – ψi) = Zcos(ψu – ψi) ± j Zsin(ψu – ψi) = R ± jX.
Аналізуючи вираз комплексу повного опору, будують схему заміщення. Дійсна складова комплексного числа – це активний опір R, а уявна складова X – реактивний. Якщо X має знак "+", то схема має індуктивність L, якщо X має знак "-", то до схеми входить ємність С. Комплекс повної потужності:
Š = Ů·Ĩ = UIej(ψu – ψi) = Sej(ψu – ψi) = Sejφ = Scosφ ± Ssinφ = P ± jQ.
Тут Ĩ – спряжений комплекс струму, який відрізняється від комплексу струму İ знаком у показнику ступеня:
İ = Iejψi; Ĩ = Ie-jψi.
Дійсна складова повної потужності Ρ – це активна потужність, уявна складова Q – реактивна потужність. Якщо Q має знак "+", то це коло з індуктивністю, якщо "-", то коло з ємністю. Дані для розрахунків наведені в табл. 3. 1.
Приклад: Ů = 50 - j86,6; İ = 5е-j30. Модуль напруги: U = √Ua2 + Up2 = √ 502 + 86,62 = 100 B, sin ψu = Up /Ua = -0,866; ψu = -60°. Комплекс напруги у показовій формі: Ů = 100е-j60º.
Комплекс повного опору: Z = 100е-j60º/5е-j30 = 20е-j30 = 20 cos(-30º) - j20sin(-30º) = 17,3 – j10 (Ом).
Звідси: Z = 20 Ом, R = 17,3 Ом, Xc = 10 Ом. Схема заміщення наведена на рис.3.3.
Рис. 3.3. Схема заміщення Потужності: Š = Ů·Ĩ = 100е-j60º·5еj30 = 500е-j30 = 500 cos(-30º) + j500sin(-30º) = 433 – j250 (ВА). Š = 500 ВА, Р = 433 Вт, Q = -250 вар.
Таблиця 3.1 Чисельні дані для розрахунків завдання 3,а
Продовження табл. 3.1
Завдання 3б Розрахувати послідовне коло змінного струму (рис. 3.4). Визначити I, UR, UL, UC, cosφ, S, P, Q, Y, f0, L0, C0, I0. Побудувати векторну діаграму для даних умов та векторну діаграму для випадку резонансу напруг кола. Записати миттєві значення струму і напруг на всіх ділянках кола. Чисельні значення варіантів завдання наведені в табл. 3.2.
Рис. 3.4. Коло з послідовним з'єднанням R, L, С
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
1. Струм в комплексній формі:
İ = Ů/Z = Ů/[ R + j(XL-XС)] = Uejψu /zejφ = Iejψi.
2. Напруга на активному опорі:
ŮR = İ·R = R·Iejψi = URejψі.
3. Напруга на індуктивному опорі:
ŮL = jXL·İ = XL·Iejψi ·ej90º = ULе j(ψi + 90º).
4. Напруга на ємнісному опорі:
ŮC = -jXC·İ = XC·Iejψi ·e-j90º = UСе j(ψi - 90º). 5. Коефіцієнт потужності: cosφ = R/Z = cos(ψu -ψi).
6. sin φ = √1 - cos2 φ.
7. Комплекс повної потужності:
Š = Ů·Ĩ = U·Iej(ψu – ψi) = Sej(ψu – ψi) = Sejφ = Scosφ ± jSsinφ = P ± jQ
8. Повна провідність:
Y = 1/Z = 1/[ R + j(XL-XС)] = (R/Z2) - j[(XL-XС)/Z2] = G – jB,
де G – активна провідність, B – реактивна провідність.
9. Індуктивність: L = XL /2π f, Ємність: С = 1/2π f XC.
10. Резонансна частота:
fo= 1 / 2π√LC.
11. Величина індуктивностi для одержання резонансу при частоті 50 Гц:
Lo= 1/ω 2С =1/ 3142С.
12. Величина ємності для одержання резонансу при частоті 50 Гц:
Co = 1/ ω2 L= 1/3142L.
13. Резонансний струм:
Io= U/R. 14. Ємнісний та індуктивний опори при резонансі:
ХL = Хc = 2π fo L = 1/ 2πfoC.
15. Діючі значення напруг на індуктивному та ємнісному опорах при резонансі:
ULo = UCo = Io XLo = IoXCo.
16. Векторні діаграми (рис.3.5, 3.6) будують в довільно обраних масштабах струму (mI) і напруги (mU): а) зображуємо вісі комплексної площини: +1; +j; б) будуємо вектор струму İ = Іеjψi; в) будуємо вектори напруг, ŮR, ŮL, Ůc. Всі вектори будують з початку координат. г) складаємо вектори ŮR, ŮL, Ůc і отримуємо сумарний вектор повної напруги. Таблиця 3.2 Чисельні дані для розрахунку завдання 3,б
Рис.3.5. Векторна діаграма для послідовного з'єднання R,L,C
Використаємо розраховані параметри для запису миттєвих значень струму та напруг на всіх ділянках кола: i = Imsin(ωt ± ψi), u = Umsin(ωt ± ψu), uR = URmsin(ωt ± ψi), uL = ULmsin(ωt ± ψi + 90º), uC = UCmsin(ωt ± ψi - 90º).
ПРАКТИЧНА РОБОТА №4
ПАРАЛЕЛЬНЕ КОЛО ЗМІННОГО СТРУМУ
ЗАВДАННЯ
1. Для паралельного кола (рис. 4.1) визначити: а) комплексні опори та комплексні провідності для кожної гілки; б) комплексні струми у паралельних гілках: İ1, İ2, İ3, İ4 та струм у нерозгалуженій частині кола İ; в) активну, реактивну та повну потужності кола; г) коефіцієнти потужності: cos φ1, cos φ2, cos φз, cos φ4, cos φ; д) повну провідність кола Υ. е) еквівалентний опір кола Zекв; ж) побудувати схему заміщення кола. 2. Написати вирази миттєвих значень струму і напруги кола. 3. Побудувати в масштабі векторну діаграму струмів та напруги.
Рис. 4.1. Схема паралельного з'єднання елементів
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
а) комплексні опори визначають за формулою
Zi = Ri + j(XLi – XCi);
б) комплексні струми гілок визначають за законом Ома:
İі = Ů/Zі.
Отримані комплекси струмів у показовій формі можна записати в алгебраїчній формі:
İі = Iі ejψі = Iіcos ψі ± jIіsin ψі = Iaі ± jIpі .
Струм у нерозгалуженій частині кола згідно з першим законом Кірхгофа дорівнює сумі комплексних струмів, які перебігають в паралельних гілках:
İ = İ1 + İ2 + İ 3 + İ 4 = (Ia1 + Ia2 + Ia3+ Ia4) + j(Ip1 +Ip2 +Ip3+Ip4) = Ie±jψi.
Модуль струму: I = √ I2a + I2p.
в) комплекс повної потужності:
Š = Ů· Ĩ = UIe(ψu - ψi) = Sej(ψu - ψi) = Sejφ = Scos φ ± jS sin φ = P±jQ.
г) cos φі = Iaі / Iі = Rі/Zі. д) Якщо гілка має тільки активний елемент, то
B = 0; G = 1 /R.
Якщо гілка має тільки реактивний елемент, то
B = 1/X; G = 0.
Якщо гілка має активний та реактивний елементи, тo
BL= XL /Z2; BC = XC /Z2; G = R/Z2.
Повна комплексна провідність Yi = Gi + j(BCi – BLi).
Модуль повної провідності Yi = √(ΣGi)2 + (ΣBi)2. Сума активних провідностей ΣGi – арифметична, а сума реактивних провідностей ΣBi – алгебраїчна, причому, BL беруть зі знаком "-", а bс – зі знаком “+”. е) Комплекс еквівалентного опору кола Zекв = Ů/İ = R ± jX = 1/Yекв. є) Схема заміщення паралельного кола будується на основі розрахованого комплексного еквівалентного опору кола. 2. Миттєві значення напруги, загального струму і струмів ділянок кола:
u = U√2·sinωt,
3. Векторну діаграму будують в масштабі. Спочатку на комплексній площині будують вектор напруги. Потім відкладають вектори струмів кожної гілки і отримують вектор струму в нерозгалуженій частині кола, як векторну суму струмів паралельних гілок. На рис. 4.2 наведена якісна векторна діаграма для схеми рис.4.1. . Рис. 4.2 Векторна діаграма для схеми 4.1
Варіанти схем та числові дані для розрахунків наведені в табл. 4.1 та 4.2.
Таблиця 4.1 Варіанти схем для розрахунку завдання
Продовження табл. 4.1
Таблиця 4.2 Чисельні дані варіантів розрахунку
ПРАКТИЧНА РОБОТА № 5
РОЗРАХУНОК РОЗГАЛУЖЕНОГО КОЛА ОДНОФАЗНОГО СТРУМУ
ЗАВДАННЯ 1. В заданому електричному колі знайти діючі та миттєві значення струмів в усіх гілках кола. 2. Скласти баланси активних і реактивних потужностей. 3. Побудувати топографічну векторну діаграму і визначити напругу між точками a і b. Цю ж напругу знайти аналітично. Варіанти схем та чисельні значення наведені в табл. 5.1, 5.2.
Таблиця 5.1 Чисельні значення для розрахунків
Таблиця 5.2 Варіанти схем
Приклад рішення наведений для схеми 5.1. Дано: L1 = 0,2 Гн; L2 = 0,1 Гн; R1 = 10 Ом; R2 = 10 Ом; C = 100 мкФ; f = 50 Гц; u = 120 sin(ωt + 40º), В.
Рис. 5.1. Розгалужене коло однофазного змінного струму
1. Знаходимо опір індуктивностей та ємності:
XL1 = 2ωL1 = 2πfL1 = 62,8 Ом;
XL2 = 2ωL2 = 2πfL2 = 31,4 Ом;
XC = 1/ωC = 1/2πfC = 31,8 Ом.
2. Визначаємо повний комплексний опір кола методом еквівалентних перетворень. Паралельні гілки замінюємо однією з еквівалентним опором:
Zbd = [(R2 + jXL2) · (-jXC)]/(R2 + jXL2 – jXC) = [10 + j31,4) · (-j31,8)]/(10 + j31,4 – j31,8) = = (33ej72,3º · 31,8e-j90º)/10e-j2,3º = 105e-j15,2º = (101,3 – j27,9).
Після такої заміни коло складається з трьох послідовно з'єднаних опорів. Повний комплексний опір всього кола:
Z = j XL1 + Zbd +R1 = 111,3 + j34,9 = 116,8e j17,4º.
3. За законом Ома İ = Ů/Z:
Ů = (120/√2)ej40º = 85ej40º;
İ =85ej40º/116,8e j17,4º = 0,728e j22,6º.
Миттєве значення вхідного струму
i1 = 0,728·√2 sin(ωt + 22,6º) = 1,03 sin(ωt + 22,6º). Для знаходження струмів İ2 та İ3 визначаємо напругу на паралельних гілках Ůbd:
Ůbd = Zbd · İ1 = 76,5ej7,2º.
Звідки, İ2 = Ůbd/(R2 + jXL2) = 2,32e-j65,09º;
İ3 = Ůbd /(-jXC) = 2,4 ej97,12º.
Миттєві значення струмiв i2 = 3,28sin(ωt – 65,09º) A,
i3 = 3,4·sin(ωt + 97,12º) A.
4. Баланс потужностей в колах синусоїдного струму складається окремо для активних і реактивних потужностей. При складанні балансу реактивних потужностей слід пам’ятати, що індуктивні та ємнісні потужності мають різні знаки. Знаходимо активну потужність джерела:
Рдж = U·I1·cosφ1 = 85·0,728·cos 17,4º = 59,1 Вт.
Активна потужність споживачів:
Pсп = I12R1 + I22R2 = 59,1 Вт.
Реактивна потужність джерела:
Qдж = U·I1· sinφ1 = 18,6 вар.
Реактивна потужність споживачів:
Qсп = I12 XL1 + I22XL2 – I32XC = 18,9 вар.
Таким чином: ∑ Рдж =∑ Pсп; ∑ Qдж = ∑ Qсп.
Допустиме розходження для технічних розрахунків ±1%. 4. Векторна діаграма (рис. 5.2). Побудову діаграми починають з вектора струму найскладнішої з паралельних гілок. Якщо побудову діаграми виконувати не на комплексній площині, то напрямок струму I2 можна вибрати довільно. Відкладемо в вибраному масштабі струмів струм I2 горизонтально. Вибравши додатний напрямок напруг на елементах кола, що збігаються з напрямками струмів, почнемо побудову векторів напруг з точки b. На ділянці bc напруга Ubc випереджає струм I2 на кут 90°, тому в вибраному масштабі напруг відкладаємо з точки b вектор Ubc. На ділянці cd напруга Ucd збігається з струмом I2 за напрямком. З'єднавши на діаграмі точки b і d, одержуємо напругу Ubd, що водночас прикладена і до гілки, що містить ємність С. Оскільки на ємності струм випереджає напругу на 90°, то струм I3 проводимо з початку вектора струму I2 під кутом 90° до вектора Ubd. Геометрична сума струмів I2 і I3, згідно з першим законом Кірхгофа, дасть величину струму I1. На ділянці dn напруга Udn збігається за фазою зі струмом I1, тому з точки d проводимо вектор Udn паралельно вектору струму I1. На індуктивності L1 напруга Uab випереджає струм I1 на 90° і направлена від точки a в точку b. Вектор, що з'єднує точки а і n, є вектором прикладеної напруги.
З векторної діаграми шукана напруга між точками a і b визначається за формулою
де – довжина вектора Uab: mu – масштаб напруги. Для визначення Uab аналітично можна використати закон Ома для ділянки кола з пасивним елементом: Uab = I1·XL1
Порівняйте значення Uab, які знайдені графічно і аналітично. Допустима похибка ±5%.
ПРАКТИЧНЕ ЗАНЯТТЯ № 6
З’ЄДНАННЯ ТРИФАЗНИХ СПОЖИВАЧІВ "ЗІРКОЮ" З НУЛЬОВИМ ПРОВОДОМ
ЗАВДАННЯ 6а 1. Розрахувати струми фаз. 2. Знайти струм в нульовому проводі. 3. Визначити активну потужність трифазного кола. 4. Побудувати векторну діаграму. Варіанти схем та чисельні значення наведені в табл. 6.1, 6.2.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Будемо вважати, що початкова фаза ЕРС фази А дорівнює 0. Тоді можна записати миттєві значення ЕРС для всіх фаз у вигляді:
еА = Еm sin ωt, eB = Em(ωt - 120°), eC = Em(sin(ωt + 120°).
Або у комплексній формі для діючих значень:
ĖA = E; ĖB = Ee-j120º = E[cos (-120°) – jsin (-120°)] = E(-(1/2)-j(√3/2)); ĖB = Eej120º = E[cos (120°) – jsin (120°)] = E(-(1/2)+j(√3/2)).
Якщо у схемі присутній нейтральний провід, напруги фаз споживача дорівнюють відповідним фазним ЕРС генератора:
Ůa = ĖA ; Ůb= ĖB; Ůc = ĖC.
Модулі напруг всіх фаз рівні за величиною і менші за лінійну напругу в√3 раз: Uф=Uл/√3.
Повні опори фаз заходимо, користуючись співвідношенням:
Zф = Rф + j(XLф – XCф)= Zфejφф
Фазні струми знаходимо за законом Ома і переводимо у комплексну алгебраїчну форму: İa = Ůa/Za = Iejψa = Iaa+ jIap; İb = Ůb/Zb = Iejψb = Iba+ jIbp; İc= Ůc/Zc = Iejψc = Ica+ jIcp. Струм в нульовому проводі, згідно з першим законом Кірхгофа:
İN = İa + İb + İс = (Iaa + Iab +Iac) + j(Ipa + Ipb +Ipc) = IaN + jIpN = INejψ
При несиметричному навантаженні знаходимо активну потужність окремо для кожної фази:
Pa = UaIacosφa ; Pb = UbIbcosφb; Pc = UcIccosφc.
Активну потужність трифазної системи одержимо, як арифметичну суму потужностей всіх фаз:
P = Pa+Pb+Pc.
Векторна діаграма наведена на рис. 6.2. Порядок побудови векторної діаграми: 1. Будуємо вектори фазних напруг EA = Ua, EB = Ub, ЕC = Uc, які рівні за величиною і зсунені за фазою на 120°. Ці вектори виходять з однієї нейтральної точки. 2. З'єднуємо початки векторів і отримаємо лінійні напруги UAB, UBC, UCA. 3. З нейтральної точки будуємо вектори фазних струмів İa, İb, İс. 4. Будуємо вектор струму İN, як суму фазних струмів. Варіанти схем та чисельні дані для розрахунків наведені в табл.6.1 і 6.2.
а)
Рис.6.2. а) – електрична схема "зірка з нейтральним проводом"; б) – векторна діаграма для цієї схеми
5. Запишемо розраховані фазні струми і струм нейтралі в аналітичній формі:
iа = Imаsin(ωt ± ψiа), ib = Imbsin(ωt ± ψib), iс = Imсsin(ωt ± ψiс), iN = ImNsin(ωt ± ψiN).
Таблиця 6.1 Чисельні дані варіантів
Таблиця 6.2 Варіанти схем
ЗАВДАННЯ 6б. З’єднання "зірка" без нульового проводу
1. Визначити напругу зсуву нейтралі. 2. Розрахувати фазні напруги споживача. 3. Розрахувати фазні струми. 4. Побудувати векторну діаграму. Для завдання 6б використати чисельні дані та схеми з табл. 6.1 і 6.2.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
1. Напруга зсуву нейтралі:
ŮN = (∑Ė·Y)/( ∑Y) = (ĖaYa+ ĖbYb +ĖcYc) / (Ya+ Yb +Yc) = UNejψ
де Ya = 1/Za, Yb = 1/Zb, Yc = 1/Zc – повні комплексні провідності фаз.
2. Фазні напруги навантаження:
Ůa = Ėa - ŮN; Ůb = Ėb - ŮN; Ůc = Ėc - ŮN;
в) фазні струми
İa = Ůa/Za = Iejψa = Iaa + jIap; İb = Ůb/Zb = Iejψb = Iba + jIbp; İc = Ůc/Zc = Iejψc = Ica + jIcp.
Перевірити, чи виконується рівняння İa + İb + İc = 0.
Для схеми рис. 6.3 показана векторна діаграма (рис 6.4).
Рис. 6.3. З’єднання опорів зіркою без нульового проводу
Порядок побудови векторної діаграми (рис. 6.4): 1. Будуємо три вектори ЕРС генератора EA, EB, ЕC,, які рівні за величиною і зсунені за фазою на кут 120º. Вектори будують з нейтральної точки генератора N. 2. Із точки N відкладаємо вектор ŮN і одержуємо точку n. 3. Із точки n проводимо вектори в точки А, В, С і одержуємо зірку фазних напруг навантаження Ua ,Ub, Uc. 4. Із точки n окремо для кожної фази відкладаємо вектори фазних струмів. 5. Проводимо графічне складання векторів фазних струмів з метою перевірки правильності розрахунків (IN = 0).
Рис. 6.4. Приклад векторної діаграми для схеми 6.3
Запишемо значення фазних струмів і напруг в функції часу аналогічно тому, як це було показано у завданні 6а, пункт 5.
ПРАКТИЧНЕ ЗАНЯТТЯ № 7
З’ЄДНАННЯ ТРИФАЗНИХ СПОЖИВАЧІВ "ТРИКУТНИКОМ"
ЗАВДАННЯ 1. Розрахувати струми фаз. 2. Знайти значення лінійних струмів. 3. Визначити активну потужність трифазного кола. 4. Побудувати векторну діаграму. Варіанти схем та чисельні значення наведені в табл. 7.1, 7.2.
МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ
Рис. 7.1. Загальна електрична схема для завдання 7
1. При з’єднанні навантаження "трикутником" його фазні напруги дорівнюють лінійним напругам генератора:
ŮAB = ĖA- ĖB = Uej30º = U[(√3/2) +j (1/2)] = Ůab, ŮBC = ĖB- ĖC = Ue–j90º = -j U = Ůbc, ŮCA= ĖC- ĖA = Uej150º = U[(-√3/2) +j (1/2)] = Ůса,
2. Фазні струми визначають за законом Ома:
İab= Ůab/Zab; İbc= Ůbc/Zbc; İca= Ůca/Zca.
Повні комплексні опори фаз знаходять, користуючись співвідношенням:
Zф = Rф + j(XLф –XCф)= Zфejφф
Лінійні струми визначають за першим законом Кірхгофа для вузлів а, b, c (рис.7.1): İA = İab – İca; İB = İbc – İab; İC = İca – İbc;
Активні потужності кожної фази:
Pab = UabIabcosφab ; Pbc = UbcIbccosφbc; Pca = UcaIcacosφca.
Активна потужність трифазного опору, який з'єднаний "трикутником":
P = Pab + Pbc + Pca.
Векторна діаграма для схеми рис. 7.2 показана на рис.7.3. Порядок її побудови: І. Будуємо вектори ЕРС генератора ЕA, ЕB, EC, які рівні за величиною і зсунені за фазою на кут 120°. 2. З’єднуємо кінці векторів і одержуємо вектори лінійних напруг UAВ, UBC, UCA. 3. Відкладаємо вектори фазних струмів від початків векторів відповідних фазних напруг. 4. Будуємо вектори лінійних струмів ІА, ІВ, ІС, віднімаючи графічно відповідні фазні струми.
Рис. 7.2. Приклад схеми з'єднання «трикутником»
Рис. 7.3 Векторна діаграма для схеми 7.2
Таблиця 7.1 Чисельні дані варіантів
Таблиця 7.2 Варіанти електричних схем
Запишемо значення струмів і напруг в функції часу аналогічно тому, як це було показано у завданні 6а, пункт 5. СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. В.І. Черненко, Ю.Е. Удовенко. Електротехніка та промислова електроніка. – Київ: ІЗМН, 1996. – 503 с. 2. Электротехника / Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1985. – 479 с. 3. Электротехника / Под ред. B.C. Пантюшина. – М.: Высш. шк., 1976. –316 с. 4. Борисов Ю.М., Липатов Д.Н., Зорин Ю.Н. Электротехника. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 378 с. 5. Сборник задач по общей электротехнике / Под ред. B.C. Пантюшина. –М.: Высш. шк., 1979. – 213 с. 6. Державний стандарт України. Електротехніка. Літерні позначення основних величин, 1998. 7. Выгодский М.Я. Справочник по элементарной математике. – М.: Изд. Наука, 1964.
КомментарииКомментариев пока нет Пожалуйста, авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||