Меню

Линейные электрические цепи синусоидального тока задачи с решениями

Расчет линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока

Для цепи, изображенной на рис. 1 требуется:

  1. Определить комплексным методом действующие значения напряжений и токов на всех участках цепи.
  2. Определить активные, реактивные и полные мощности каждого участка цепи и всей цепи.
  3. Составить баланс активных и реактивных мощностей и оценить погрешность расчета.
  4. Построить векторную диаграмму токов и напряжений.

Частота питающего напряжения 50 Гц.


Рис. 1

Исходные данные:
U = 127 В , r1 = 15 Ом , C1 = 60 мкФ, r2 = 10 Ом , L2 = 80 мГн, r3 = 15 Ом , C3 = 90 мкФ.

Решение. Заказать у нас работу! Решить онлайн! (New. )

  1. Определим комплексные сопротивления каждой ветви.

2. Определим полное сопротивление цепи.

3. Приняв найдем токи и напряжения в ветвях.

4. Определим активные, реактивные и полные мощности участков цепи и всей цепи целиком.

Мощность первого участка:
(ВА)
Мощность второго участка:
(ВА)
Мощность третьего участка:
(ВА)
Полная мощность всей цепи:
(ВА)

Проверим баланс активных мощностей:
P = P1 + P2 + P3
P = 205,2 (BA)
P1 + P2 + P3 = 61,25 + 82,44 + 61,22 = 204,91 (Вт)
Абс. погр-ть Δ = P – (P1 + P2 + P3) = 205,2 – 204,91 = 0,29 (Bт)
Отн. погр-ть

Проверим баланс реактивных мощноcтей:
S = S1 + S2 + S3
S =- 153,96 (BA)
S1 + S2 + S3 = — 216,7 + 207,19 – 144,5 = — 154,01 (ВА)
Абс. погр-ть Δ = |S – (S1 + S2 + S3)| = |153,96 – 154,01| = 0,05 (BA)
Отн. погр-ть

5. Построим векторную диаграмму на комплексной плоскости.

Для этого определим напряжения на каждом элементе схемы.
(В)
(В)
(В)
(В)
(В)
(В)

Источник

Задача 1.2. Линейные электрические цепи синусоидального тока (Примеры решений)

Описание файла

Файл «Задача 1.2. Линейные электрические цепи синусоидального тока» внутри архива находится в папке «Примеры решений». Документ из архива «Примеры решений», который расположен в категории «разное». Всё это находится в предмете «теоретические основы электротехники (тоэ)» из третьего семестра, которые можно найти в файловом архиве РТУ МИРЭА. Не смотря на прямую связь этого архива с РТУ МИРЭА, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе «остальное», в предмете «теоретические основы электротехники (тоэ)» в общих файлах.

Онлайн просмотр документа «Задача 1.2. Линейные электрические цепи синусоидального тока»

Текст из документа «Задача 1.2. Линейные электрические цепи синусоидального тока»

ЗАДАНИЕ 1 Приложение 2

Задача 1.2. Линейные электрические цепи синусоидального тока

Рис. 1. Схема в системе
оригиналов

Рис. 2. Схема в системе сим­волических изображений

1. Система уравнений по законам Кирхгофа

а) в системе оригиналов (рис.1), т.е. в интегрально-дифферен­циальной форме. Стрелкой показано направление обхода контуров.

б) в системе символических изображений (рис.2), т.е. в комплексной форме.

При переходе в систему изображений операции дифферен­цирования заменяются умножением на оператор , операции ин­тегрирования делением на оператор , благодаря чему система становится алгебраической, как в постоянном токе, что позволяет в дальнейшем применять для расчета токов все методы расчета цепей постоянного тока.

Учтем, что .

2. Расчет токов в системе изображений

Значения комплексных сопротивлений: .

Для расчета приме­ним метод 2 узлов, как наи­более рациональный. Для об­легчения расчетов вместо ком­плексных сопротивлений вет­вей введем ком­плексную проводимость .

Выполним проверку токов по 1-му закону Кирхгофа.

(допустимая погрешность не более 5% от минималь­ного значения величины).

Для действительных частей

Для мнимых частей

3. Определение показания ваттметра

Активная мощность .

4. Топографическая диаграмма

Для построения топографической диаграммы рассчитываем потенциалы всех точек схемы, двигаясь по I, II и III ветви от точки к точке a (рис. 3).

I Ветвь

Вектор тока и напряжения совпадает по фазе (участок a-d).

II Ветвь

III Ветвь

Разброс значений потенциала , полученного тремя разными путями и методом 2 узлов, не превышает 5% от минимального значения , что служит критерием правильности расчета.

Строим топографическую диаграмму, совмещенную с диаграммой токов. Построение потенциалов точек и векторов токов выполняем каждый в своем масштабе: 1 деление соответствует 0,5А и 20В. Сначала строим вектор тока. Конец каждого вектора определяют две координаты. Затем строим по координатам точки , одновременно проверяем правильность расположения векторов относительно для элементов R, L, C. При проверке положения вектора начало координат мысленно перемещаем в начало этого вектора.

Взаимное расположение каждой пары вектора напряжения и тока для каждого из элементов R, L и C должно соответствовать диаграмме приведенной на рис.2.20.

Рис. 3. Топографическая диаграмма

На рис. 3 разнохарактерными пунктирами показаны после­довательности расположения точек для каждой из трех ветвей при движении от общего узла d к общему узлу a. Положение вектора также необходимо сравнить с его расчетным значением в п.2 и обратить внимание, что на диаграмме .

Читайте также:  Стабилизатор напряжения питания переменного тока

5, 6. Выполняются факультативно

7. Значения токов i1, i2, i3 и их графики

Рис. 4. График токов в системе оригиналов

Рис. 5. Схема в системе символических изображений. Встречное включение катушек

. Система МЗК при наличии в схеме 2 магнит­но-связанных катушек

Поскольку в заданной схеме лишь одна катушка, дополни­тельно введем в одну из вет­вей, не содержащих L, вто­рую катушку и обозначим включение катушек как со­гласное или встречное. При согласном включении ток в обеих катушках направлен одинаково относительно на­чала обмоток, обозначенных звездочками. При встречном (см. рис. 5) он направлен различно.

а) Запишем систему уравнений по законам Кирхгофа в системе оригиналов, т.е. в интегрально-дифференциальной форме, для встречного включения катушек.

б) Система уравнений в системе символических изображе­ний, т.е в комплексной форме.

комплексное сопротивление взаимоиндукции;

комплексное индуктивное сопротивление;

комплексное емкостное сопротивление.

Источник



2.3.7. Примеры решения задач расчета цепи синусоидального тока Задача 1

Расчет цепи с одним источником энергии, представленной на рис. 2.25,а. Значения параметров элементов: R1 = 10 Ом, R2 = R3 = 5 Ом, XL = 5 Ом, XC = 5 Ом. Определить токи в цепи при подводимом напряжении от источника U = 100 B.

Расчет проводится с использованием метода преобразования цепи. Последовательность преобразования цепи показана на рис. 2.25. В отличие от расчета цепи постоянного тока используются векторные представления электрических параметров.

Полное сопротивление Zвc =

Величина тока I:

Величина тока 2 рассчитывается по формуле для делителя тока:

Величина тока 3:

7. Проверка выполнения условия баланса мощности

Мощности в активных элементах цепи:

P1 = R1I 2 = R1 [Ia 2 + Ip 2 ] = 10[7 2 + 2,16 2 ] = 1053,67 = 536,7 Вт;

Суммарная активная мощность, потребляемая цепью:

Мощность реактивных элементов цепи:

QL = XLI 2 = XL [Ia 2 + Ip 2 ] = 5[7 2 + 2,16 2 ] = 553,67 = 268,35 вар;

Суммарная реактивная мощность цепи:

Активная мощность источника:

Рист = Ia = 1007 = 700 Вт.

Реактивная мощность источника:

Qист = Ip = 1002,16 = 216 вар.

Отрицательный знак реактивной компоненты тока указывает, что этот ток по фазе отстает от напряжения. Следовательно, реактивность источника индуктивная и берется со знаком «плюс».

Сравнение результатов расчета показывает, что с учетом погрешности вычислений баланс как активной, так и реактивной мощностей выполняется.

Задача 2

Расчет токов в цепи с двумя источниками ЭДС, схема которой приведена на рис. 2.26,а.

При расчете используется метод межузлового напряжения, величина которого равна (см. рис. 2.26,б):

где 0,00385 – j0,01923 См;

j0,2 См;

0,2 См.

-3,734 – j29,741 B.

-0,2016 – j1,9657 A;

0,9482 + j7,9132 A;

-0,7468 – j5,9482 A.

Для проверки правильности решения используется условие баланса мощности.

Потребляемая активная мощность:

= 10(0,2016 2 + 1,9657 2 ) + (0,7468 2 +

+ 5,9482 2 ) = 39,046 + 179,649 = 218,695 Вт.

Потребляемая реактивная мощность:

= 50(0,2016 2 + 1,9657 2 ) — 5(0,9482 2 +

+ 5,9482 2 ) = 195,23 – 317, 59 = -122,36 вар.

Мощность источника Е1:

100 (-0,2016 + j1,9657) = -20,16 + j196,71 ВА.

Мощность источника Е2:

(43,3 + j25)(0,9482 – j7,9132) = 238,887 – j318,936 ВА.

Активная мощность источников Е1 и Е2:

-20,16 + 238,887 = 218,727 ВА.

Реактивная мощность источников Е1 и Е2:

196,71 – 318,936 = -122,226 вар.

Как видно, условие баланса мощности выполняется.

Источник

Решение типовых задач. Синусоидальные токи, напряжения

Синусоидальные токи, напряжения. Параметры идеальных элементов электрических цепей синусоидального тока

Общие сведения

Электромагнитный процесс в электрической цепи считается периодическим, если мгновенные значения напряжений и токов повторяются через равные промежутки времени Т. Время Т называется периодом. Напряжения u(t) = u(t+T) и токи i(t)=i(t+T) ветвей электрической цепи являются периодическими функциями времени.

Величина, обратная периоду (число периодов в единицу времени), называется частотой: f = 1/T. Частота имеет размерность 1/c, а единицей измерения частоты служит Герц (Гц).

Широкое применение в электротехнике нашли синусоидальные напряжения и токи:

В этих выражениях:

u(t), i(t) – мгновенные значения,

Um, Im – максимальные или амплитудные значения,

ω = 2π/T = 2πf – угловая частота (скорость изменения аргумента),

ψu, ψi – начальные фазы,

ωt + ψu, ωt + ψi – фазы, соответственно напряжения и тока.

Графики изменения u(t), i(t) удобно представлять не в функции времени t, а в функции угловой величины ωt , пропорциональной t (рис. 1.1).

Величина φ = (ωt + ψu) – (ωt + ψi) = ψu, — ψi называется углом сдвига фаз. На рис. 1.1 ψu > 0, ψi > 0, φ = ψuψi > 0, т.е. напряжение опережает ток. Аналогично можно ввести понятие углов сдвига фаз между двумя напряжениями или токами.

Количество тепла, рассеиваемого на сопротивление R при протекании по нему тока, электромагнитная сила взаимодействия двух проводников с равными токами, пропорциональны квадрату тока. Поэтому о величине тока судят по действующему значению за период. Действующее значение периодического тока i(t) определяется по выражению

Для квадратов левой и правой частей этого равенства, после умножения их на RT, будем иметь:

Читайте также:  Рассчитать силу тока для трехфазного двигателя

Из этого равенства следует, что действующее значение периодического тока равно по величине такому постоянному току I, который на неизменном сопротивлении R за время T выделяет тоже количество тепла, что и ток i(t).

При синусоидальном токе i(t) = Im sin ωt интеграл

Следовательно, действующее значение синусоидального тока равно

Действующее значение синусоидальных напряжений u(t), э.д.с. e(t) определяются аналогично:

Для измерения действующих значений используются приборы электромагнитной, электродинамической, тепловой и др. систем.

Среднее значение синусоидального тока определяется как среднее за половину периода. Поэтому,

Средние значения синусоидальных напряжений u(t), э.д.с. e(t) определяются аналогично:

Отношение амплитудного значения к действующему называется коэффициентом амплитуды ka, а отношение действующего значения к среднему – коэффициентом формы kф. Для синусоидальных величин, например, тока i(t), эти коэффициенты равны:

Для синусоидальных токов i(t) = Im sin(ωt + ψi) уравнения идеальных элементов R, L, C при принятых на рис. 1.2. положительных направлениях имеют вид

На активном сопротивлении R мгновенные значения напряжения и тока совпадают по фазе. Угол сдвига фаз φ = 0.

На индуктивности L мгновенное значение тока отстает от мгновенного значения напряжения на угол . Угол сдвига фаз .

На емкости C мгновенное значение напряжения отстает от мгновенного значения тока на угол . Угол сдвига фаз .

Величины ωL и 1/ωC имеют размерность [Ом] и называются реактивным сопротивлением индуктивности или индуктивным сопротивлением XL:

и реактивным сопротивлением емкости или емкостным сопротивлением XС:

Величины 1/ωL и ωC имеют размерность [Ом -1 ] и называются реактивной проводимостью индуктивности или индуктивной проводимостью BL:

и реактивной проводимостью емкости или емкостной проводимостью BС:

Связь между действующими значениями напряжения и тока на идеальных элементах R, L, C устанавливают уравнения:

Для синусоидального напряжения u = Um sin ωt начальная фаза тока на входе пассивного двухполюсника (рис. 1.3.) равна

ψi = – φ, поэтому i = Im sin(ωt – φ)

Проекция напряжения на линию тока

называется активной составляющей напряжения.

Проекция напряжения на линию, перпендикулярную току,

называется реактивной составляющей напряжения.

Проекция тока на линию напряжения

называется активной составляющей тока.

Проекция тока на линию, перпендикулярную напряжению,

называется реактивной составляющей тока.

Имеют место очевидные соотношения:

В цепи синусоидального тока для пассивного двухполюсника по определению вводятся следующие величины:

1. Полное сопротивление Z:

2. Эквивалентные активное Rэк и реактивное Xэк сопротивления:

3. Полная проводимость Y:

4. Эквивалентные активная Gэк и реактивная Bэк проводимости:

Из треугольников сопротивлений и проводимостей (рис. 1.4) следует:

Эквивалентные параметры являются измеряемыми величинами, поэтому могут быть определены из физического эксперимента (рис. 1.5).

Электрическая цепь по схеме рис. 1.5 должна содержать амперметр А и вольтметр U для измерения действующих значений напряжения и тока, фазометр φ для измерения угла сдвига фаз между мгновенными значениями напряжения и тока на входе пассивного двухполюсника П.

Угол сдвига фаз пассивного двухполюсника .

Физическая величина, численно равная среднему значению от произведения мгновенных значений напряжения u(t) и тока i(t), называется активной мощностью Р.По определению имеем:

называются полной мощностью S и реактивной мощностью Q в цепи синусоидального тока. Имеет место равенство

Коэффициент мощности kм в цепи синусоидального тока определяется выражением:

Единицей измерения активной мощности является Ватт [Вт]. Для измерения активной мощности служит ваттметр. Ваттметр включается по схеме рис. 1.6.

Единица измерения полной мощности [ВА], реактивной – [ВАр].

Для вычисления мощностей удобно использовать следующие выражения:

Решение типовых задач

Для измерения мгновенных значений напряжений u(t) и токов i(t) служит осциллограф. Поскольку сопротивление входа этого прибора очень большое, непосредственно для измерения тока осциллограф использовать нельзя. Измеряют не ток, а пропорциональное току напряжение на шунте Rш (рис. 1.7, а).

Задача 1.1

К источнику синусоидального напряжения частотой f = 50 Гц подключена катушка индуктивности (рис. 1.7, а). Активное сопротивление провода, из которого изготовлена катушка, R = 10 Ом, индуктивность L = 1,6 мГн. Осциллограмма напряжения uш(t) представлена на рис. 1.7, б. Сопротивление шунта Rш = 0,1 Ом. Масштаб по вертикальной оси осциллограммы mu = 0,02 В/дел (0,02 вольта на деление).

Рассчитать действующие значения напряжения uRL, составляющих uR и uL этого напряжения. Построить графики мгновенных значений напряжений uRL, составляющих uR и uL.

Решение.

По осциллограмме рис. 1.7, б двойная амплитуда напряжения на шунте 2А = 10 дел. Находим амплитудное значение Im тока i:

Реактивное сопротивление Х индуктивности L на частоте

Амплитудные значения напряжений uR и uL:

Мгновенные значения составляющих напряжения на сопротивление R катушки индуктивности и индуктивности L соответственно равны (ψi = 0):

Мгновенное значение напряжения на активном сопротивлении в фазе с током, на индуктивности – опережает на угол .

Действующие значения напряжений:

Векторные диаграммы напряжений и тока приведены на рис. 1.8.

Зависимости uR(ωt); uL(ωt); uRL(ωt) представлены на рис. 1.9.

Задача 1.2

Читайте также:  Плотность тока проводимости в проводниках

К цепи со схемой рис.1.10 приложено синусоидальное напряжение u = 141 sin 314t B.

Найти мгновенные и действующие значения тока и напряжения на всех участках цепи, если R = 30 Ом,

С = 79,62 мкФ.

Решение.

Назначаем положительные направления тока и напряжений как на рис. 1.10. Определяем реактивное сопротивление ХС емкости C на частоте ω = 314с -1 :

Полное сопротивление цепи:

– напряжения на резисторе R: ;

– напряжения на емкости С: .

Угол сдвига фаз между напряжением u и током i:

Начальная фаза тока i определяется из соотношения . Откуда,

Мгновенные значения тока и напряжений на участках цепи:

Задача 1.3

Для пассивного двухполюсника (рис. 1.5) экспериментально определены:

U = 10 В; I = 2 А; φ = 30 о .

Найти полное и эквивалентные активное и реактивное сопротивления двухполюсника.

Решение.

Имеем по определению:

Задача 1.4

По цепи по схеме рис. 1.10 действующие значения тока i на частотах

f1 = 500 Гц и f2 = 1000 Гц равны, соответственно, I1 = 1 А и I2 = 1,8 А.

Определить параметры цепи R и C, если на этих частотах напряжение на входе U = 100 В.

Решение.

По определению на частотах f1 и f2 имеем:

Непосредственно по схеме цепи рис. 1.10 находим:

Значения параметров R и С найдем из решения системы уравнений

Программа расчета в пакете MathCAD.

U:=100 f1:=500 f2:=1000 I1:=1 I2:=1.8 ←Присвоение переменным заданных условием задачи величин.
←Расчет полных сопротивлений на частотах f1 и f2.
←Расчет угловой частоты.
←Задание приближенных значений параметров R и C цепи.
Giver
←Решение системы нелинейных уравнений. Для набора «=» нажмите [Ctrl]=.
←Присвоение вектору RC найденных значений параметров R и C цепи.

Значения параметров цепи: .

Задача 1.5

Вычислить действующее значение тока и активную мощность на входе пассивного двухполюсника с эквивалентными активной проводимостью

G = 0,011 Ом -1 и реактивной проводимостью B = 0,016 Ом -1 . Напряжение на входе двухполюсника U = 30 В.

Решение.

Действующее значение тока

Задача 1.6

Действующее значение синусоидального тока ветви с резистором R равно 0, 1 А (рис. 1.11). Найти действующие значения напряжения u, и токов iL и i, если R = 430 Ом; XL = 600 Ом. Чему равна активная, реактивная и полная мощности этого двухполюсника?

Решение.

Положительные направления напряжения и токов указаны на рис. 1.11.

Действующее значение тока IR = 0,1 А.

По закону Ома U = IRR = 0,1∙430 = 43 В.

Действующее значение тока I можно вычислить, определив полную проводимость Y цепи. По виду схемы имеем

Задача 1.7

Действующее значение синусоидального напряжения на емкости С в цепи со схемой рис. 1.10 UС = 24 В. Найти действующее значение напряжения u и тока i, если XC = 12 Ом; R = 16 Ом.

Решение.

Определяем действующее значение тока i

Полное сопротивление цепи

Определяем действующее значение напряжения u

Задача 1.8

Для определения эквивалентных параметров пассивного двухполюсника в цепи синусоидального тока были сделаны измерения действующих значений напряжения, тока и активной мощности (рис. 1.12).

A → 0,5 A, U → 100 B, W → 30 Вт.

Для определения характера реактивного сопротивления (проводимости) параллельно двухполюснику была включена емкость С (ВС ˂ Вэк). При этом показания амперметра уменьшились. Рассчитать эквивалентные сопротивления и проводимости двухполюсника.

Решение.

Действующее значение: I = 0,5 A, U = 100 B. Активная мощность, потребляемая двухполюсником, P = 30 Вт. Полное сопротивление двухполюсника

Эквивалентное активное сопротивление

Эквивалентное реактивное сопротивление

Характер реактивного сопротивления индуктивный (Хэк = ХL, φ > 0). После включения параллельно двухполюснику емкости С, ток I’ ˂ I. Этому случаю соответствует векторная диаграмма рис. 1.13 а. Емкостному характеру соответствует векторная диаграмма рис. 1.13 б.

Полная проводимость двухполюсника

Эквивалентная активная проводимость

Эквивалентная реактивная проводимость

Следует обратить внимание, что треугольники сопротивлений и проводимостей для одного и того же двухполюсника подобны (рис. 1.4). Поэтому,

1.3. Задачи и вопросы для самоконтроля

1. Какими параметрами описываются синусоидальные токи в электрических цепях?

2. Как связаны между собой круговая частота ω и период Т синусоидального тока?

3. Что такое действующее значение переменного тока?

4. Запишите формулы для вычисления индуктивного и емкостного сопротивлений.

5. Объясните, как определить напряжение на участке цепи, если заданы и r и x.

6. Нарисуйте треугольник сопротивлений и треугольник проводимостей с необходимыми обозначениями.

7. Запишите формулы для вычисления активной и реактивной мощностей.

8. Напряжение на индуктивности L = 0,1 Гн в цепи синусоидального тока изменяется по закону . Найти мгновенное значение тока и индуктивности.

9. Ток в емкости С = 0,1 мкФ равен . Найти мгновенное значение напряжения на емкости.

10. На участке цепи с последовательно включенными активным сопротивлением R = 160 Ом и емкостью С = 26,54 мкФ мгновенное значение синусоидального тока . Найти мгновенные значения напряжений на емкости и на всем участке цепи. Чему равны действующие значения этих величин?

Дата добавления: 2016-01-29 ; просмотров: 84938 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник