DZ_No1_post_tok_chast_2_MU (Методические указания по решению домашних задач)

электротехника и электроника

МОДУЛЬ 1. «Цепи постоянного тока. Основы анализа и расчета электрических цепей»

Автор - Князькова Т.О.

Выполнение домашнего задания № 1 (вторая часть)

Тема «Расчёт линейных цепей синусоидального тока»

Методические указания

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

1. 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.

6. Рассчитать эквивалентное сопротивление схемы и определить характер цепи.

7. Определить токи в ветвях методом эквивалентных преобразований.

Записать токи в алгебраической, показательной и во временной форме.

1. Составить и рассчитать баланс мощностей. Определить коэффициент мощности цепи.

2. Рассчитать напряжения на элементах и построить векторную диаграмму токов и напряжений всей цепи.

3. Определить показания приборов.

4. 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.

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

1. Указания по оформлению расчетно-графической работы:

1. Выписать параметры сопротивлений ветвей схемы в соответствии с номером варианта (таблица приложение1). 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. Схема представлена в приложении 2.

4. Образец оформления титульного листа представлен в приложении 2.

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 (векторные 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 9 неделя семестра.

1. 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

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

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, что и в цепях постоянного тока.

Первый закон Кирхгофа в комплексном виде:

Второй закон Кирхгофа в комплексном виде:

Таблица 1

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 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.

RLC цепь LC цепь.

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 = I²_maxR 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:

В₁ – реактивная проводимость первой ветви,

В₂ – реактивная проводимость второй ветви.

Признаки резонанса токов:

1. Реактивные составляющие токов ветвей равны I_PC = I_PL и находятся в противофазе в случае, когда напряжение на входе чисто активное;

2. Токи ветвей превышают общий ток цепи, который имеет минимальное значение;

3. и совпадают по фазе.