Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы электротехники. Учебное пособие.pdf
R2 = 6 Ом, R3 = 4 Ома, R4 = 6 Ом, R5 = 10 Ом, R6 = 6 Ом, Е1 = 6 В, Е2 = 8 В, Е3 =
Е
Е
Е3Е
R
10 В, Е4 = 8 В.
Ответ: I1 = 0,392 А, I2 = 0,948 А, I3 = 1,339 А, I4 = – 0,18 А, I5 = 0,212 А,
I6 = 1,16 А.
R
1
Е
R
R
2
а
U
4
аб
R
3
б
R
5
Рисунок 2.34
R
4
5
3
4
6
1
R
R
2
1
R
2
R
Рисунок 2.35
2.8.6 Применяя метод контурных токов, выполнить расчет токов во всех
ветвях схемы (рисунок 2.35). Параметры элементов схемы: R1 = 6 Ом, R2 = 4
Ома, R3 = 6 Ом, R4 = 4 Ома, R5 = 6 Ом, R6 = 4 Ома, Е1 = 12 В, Е2 = 8 В, Е3 = 8 В,
Е4 = 10 В.
Ответ: I1 = 0,51 А, I2 = 0,74 А, I3 = 1,25 А, I4 = 0,14 А, I5 = 0,65 А, I6 = 1,39
А.
2.9 Тестовые задания к разделу 2
2.9.1 Приемниками в электрической цепи являются:
а) аккумуляторы, солнечные батареи, резисторы;
б) резисторы, аккумуляторы, гальванические элементы;
в) аккумуляторы, гальванические элементы, электромеханические
генераторы;
г) резисторы, нагревательные элементы, электрические двигатели;
д) электромеханические генераторы, лампы накаливания.
81
2.9.2 Основными топологическими понятиями схемы замещения
являются:
а) резистор, конденсатор, катушка индуктивности;
б) узел, ветвь, контур;
в) источники и приемники электромагнитной энергии;
г) напряжение, ток, сопротивление;
д) источники ЭДС, источники тока.
2.9.3 Узлом электрической цепи называют место соединения:
а) двух или более ветвей;
б) не менее четырех ветвей;
в) двух или более контуров;
г) трех или более контуров;
д) трех или более ветвей.
2.9.4 Выбрать уравнение, описывающее вольт-амперную характеристику
реального источника ЭДС:
вн
ireu −=
;
вн
eiru
−=
;
ugii −=
;
внg
а)
б)
в)
г)
iugi −= ;
gвн
д) iRu = .
2.9.5 Выбрать уравнение, описывающее вольт-амперную характеристику
реального источника тока:
вн
ireu −=
;
вн
eiru
−=
;
ugii −=
;
внg
iugi −= ;
gвн
а)
б)
в)
г)
д) iRu = .
2.9.6 Выбрать математическое выражение, соответствующее первому
закону Кирхгофа:
m
а)
i
б)
n
=
EU
==
вн
;
k
11
;
∑∑
i
k
ireu −=
в) iRu = ;
n
г)
д)
∑
k
=
I
0;
k
=
1
ugii −=
.
внg
2.9.7 Выбрать математическое выражение, соответствующее второму
закону Кирхгофа:
82
m
I
U
I
U
а)
i
б)
n
=
EU
==
вн
;
k
11
;
∑∑
i
k
ireu −=
в) iRu = ;
n
г)
д)
∑
k
=
I
0;
k
=
1
ugii −=
.
внg
2.9.8 При последовательном соединении п резистивных элементов общее
сопротивление участка цепи равно:
n
а)
R
б)
в)
R
г)
д) UIR
экв
экв
экв
=
∑
i
=
1
n
=
∑
i
=
1
= ;
n
=
∑
i
=
1
= .
1
;
R
i
GR
;
iэкв
RR
;
iэкв
2.9.9 При параллельном соединении п резистивных элементов общая
проводимость участка цепи равна:
n
а)
б)
G
G
экв
экв
1
=
=
∑
i
=
∑
i
=
;
R
i
1
n
1
;
G
i
1
в)
G
= ;
экв
n
г)
д) UIG
экв
=
RG
∑
i
=
1
= .
;
iэкв
2.9.10 Разность потенциалов между точками а и б участка цепи (см.
рисунок 2.36), при Е = 20 В, I = 0,1 A, R = 50 Ом, равна:
Е
б
R
а
I
Рисунок 2.36
а) 15−=ϕ
аб
В;
83
б) 15=ϕ
в) 25−=ϕ
г)
д) 20=ϕ
аб
аб
аб
аб
В;
В;
В;
25=ϕ
В.
2.9.11 Разность потенциалов между точками а и б участка цепи (см.
рисунок 2.37), при Е = 20 В, I = 0,1 A, R = 50 Ом, равна:
а) 15−=ϕ
б) 15=ϕ
в)
г) 25=ϕ
д)
аб
аб
аб
аб
аб
Е
б
R
а
I
Рисунок 2.37
В;
В;
В;
25−=ϕ
В;
В.
20=ϕ
84
3 Анализ установившегося режима в цепях синусоидального
тока
3.1 Основные параметры сигналов синусоидальной формы
Как показано ранее, электрические цепи можно разделить на два вида:
цепи постоянного тока и цепи переменного тока. Особенностью
электрических цепей переменного тока является то, что действующие в них
ЭДС, напряжения и токи с течением времени изменяются по значению и
направлению, причем эти изменения повторяются через некоторые равные
промежутки времени Т (рисунок 3.1), называемые периодом.
u(t)
Т
t
i(t)
Т
t
a б
е(t)
t
Т
в
Рисунок 3.1
Особый интерес, в частности, для электроэнергетики, представляют цепи
синусоидального тока. Электрическими
цепями синусоидального тока
называют цепи, в которых действуют синусоидальные ЭДС, напряжения и
токи (рисунок 3.1, в).
Синусоидальными ЭДС, напряжениями и токами называются такие
переменные ЭДС, напряжения и токи, которые аналитически можно описать с
помощью синусоидальной функции в синусной или косинусной форме:
e(t) = E
sin(ωt + ψ
m
’
) = E
e
cos(ωt + ψ
m
), (3.1)
e
u(t) = U
sin(ωt + ψ
m
’
) = U
u
cos(ωt + ψ
m
), (3.2)
u
i(t) = I
sin(ωt + ψ
m
’
) = I
i
cos(ωt + ψ
m
), (3.3)
i
85
где
T
t
ϕ
ω
ψ
′
π
+Ψ=Ψ
.
2
Величины е, и, i в (3.1), (3.2), и (3.3) называют, соответственно,
мгновенными ЭДС, напряжением и током. Основными параметрами
синусоидальных величин являются амплитуда (наибольшие значения ЭДС Ет,,
напряжения Um и тока Iт), угловая частота
колебания) и начальная фаза (ЭДС ψ
, напряжения ψи и тока ψi). Единица
е
d
=ω
d
π
2
=
(где ϕ = ωt + ψ – фаза
измерения угловой частоты – рад/с. Величина, обратная периоду
колебания (Tf1= ), называется циклической частотой. Она численно
равна числу периодов в единицу времени и измеряется в герцах (Гц).
Аргумент синуса, отсчитываемый от ближайшей предыдущей точки
перехода синусоидальной величины через нуль от отрицательных к
положительным ее значениям, называют фазой. Аргумент синуса в начале
координат называют начальной фазой синусоидальной величины.
Положительные начальные фазы ψ > 0 откладываются от начала координат
влево (следовательно, отрицательные – вправо, указывая тем самым на
запаздывание фазы во времени).
Периодом Т ЭДС (напряжения, тока) называется интервал времени,
в течение которого фаза ЭДС (напряжения, тока) изменяется на 2π
радиан.
На рисунке 3.2 в качестве примера изображено синусоидальное напряжение
с периодом Т и начальной фазой ψ
.
и
и(t)
t
и
Рисунок 3.2
На рисунке 3.3 показаны два напряжения с одинаковым периодом и
разными начальными фазами (напряжение u1 опережает напряжение u2).
Рисунок 3.3
86
В современной технике используют переменные токи очень широкого
диапазона частот – от долей герца до миллиардов герц. В энергетических
системах России и европейских стран применяются источники переменного
тока (переменной ЭДС) с частотой 50 Гц.
Как постоянный, так и синусоидальный токи используются для
совершения какой-либо работы, в процессе которой электроэнергия
преобразуется в другие виды энергии (тепловую, механическую и т. д.). Для
количественной оценки синусоидального тока (ЭДС и напряжения), который в
течение времени непрерывно периодически изменяется, используют значение
постоянного тока, эквивалентное значению синусоидального тока по
совершаемой работе. Такое значение будет действующим для
синусоидального тока.
Действующим значением синусоидального тока называют такое
значение постоянного тока, при котором в одном и том же резисторе с
сопротивлением R за время одного периода Т выделяется столько же
теплоты, сколько и при синусоидальном токе.
При синусоидальном токе вида
i(t) = I
sin(ωt + ψ
m
)
i
за время Т (за один период) в резисторе с сопротивлением R выделяется
тепловая энергия
T
2
=
Т
∫
0
.
dtRiW
(3.4)
По определению действующего значения синусоидального тока такое же
количество тепловой энергии в таком же резисторе должно выделяться при
постоянном токе за тот же интервал времени Т:
W
= RI2T. (3.5)
T
Следовательно,
T
RI
2
T =
2
dtRi
∫
0
, (3.6)
откуда
действующее значение синусоидального тока равно
T
2
I
1
=
dti
∫
T
0
, (3.7)
то есть является среднеквадратичным значением тока за время, равное одному
периоду.
87
Если в последнее выражение подставить мгновенное значение
I
E
U
синусоидального тока i и вычислить интеграл, то можно найти соотношение
между амплитудным и действующим значениями синусоидального тока:
m
I 7070
≈=
2
. (3.8)
I,
m
Аналогично для синусоидальной ЭДС и напряжения
E 707,0
m
==
2
, (3.9)
E
m
U 707,0
m
==
2
. (3.10)
U
m
На практике используют еще одну характеристику синусоидальных
величин – их среднее значение. Если определять среднее значение тока
(напряжения, ЭДС) за период, то оно будет равно нулю, так как положительная
и отрицательная полуволны синусоидальной кривой совпадают по форме
(рисунок 3.4). Поэтому обычно среднее значение синусоидального тока, ЭДС
или напряжения определяют за положительный полупериод.
Рисунок 3.4
Например, если начальная фаза тока равна нулю, то среднее значение
тока в цепи будет определяться соотношением
/T
2
2
∫∫
T
m
0
sin
tdtI
=ω==
/T
2
2
I 6370
cp
T
idt
0
Аналогично, для ЭДС и напряжения
≈
Е
0,637Ет, (3.12)
ср
≈
U
0,637Uт. (3.13)
ср
88
I
2
m
≈
π
I,
. (3.11)
m
3.2 Способы представления синусоидальных величин
Известны несколько способов представления синусоидально
изменяющихся величин: в виде тригонометрических функций, в виде
графиков изменения во времени, в виде вращающихся векторов и, наконец,
в виде комплексных чисел.
Ранее были использованы способы представления синусоидально
изменяющихся величин в виде
тригонометрической (синусоидальной)
функции (например выражения (3.1), (3.2), (3.3)) и в виде графика изменений
во времени
(рисунки 3.1, в, 3.2, 3.3).
Синусоидально изменяющуюся величину, например а = Атsin(ωt + ψ),
можно представить вращающимся вектором. Для этого достаточно построить
радиус-вектор Аm этой величины длиной (с учетом масштаба), равной
амплитуде Ат, под углом ψ (где ψ – начальная фаза) к горизонтальной оси
(рисунок 3.5). Это будет исходное положение вращающегося вектора в момент
начала отсчета времени t = 0.
Рисунок 3.5
Если радиус-вектор (рисунок 3.5, а) вращать с постоянной угловой
скоростью ω против направления движения часовой стрелки, то его проекция
на вертикальную ось плоскости координат (рисунок 3.5, б) будет равна
мгновенным значениям величины а = Атsin(ωt + ψ) в текущие моменты
времени t. По значениям этих величин можно построить график зависимости
синусоидальной величины от фазы ωt или от времени t. Такое построение
приведено для некоторых значений t на рисунке 3.5, б.
Применение вращающихся векторов позволяет компактно представить на
одном рисунке совокупность различных синусоидально изменяющихся
величин одинаковой частоты.
Пусть имеем ЭДС е, равную сумме ЭДС е1 и е2 одной и той же частоты:
е = е1 + е2 = E
sin(ωt + ψ
1m
) + Е
1
sin(ωt + ψ
2т
) = E
2
sin((ωt + ψ).
m
89
Изобразим ЭДС е1 и е2 вращающимися векторами (рисунок 3.6). Так как
A
AeA
=
проекция на любую ось геометрической суммы двух векторов равна
алгебраической сумме их проекций на эту ось, то ЭДС е изображается
вращающимся вектором, который равен геометрической сумме векторов,
изображающих ЭДС е1 и е2.
Рисунок 3.6
При рассмотрении установившихся синусоидальных процессов
начальную фазу одной из величин можно выбрать произвольно, например
начальную фазу ЭДС или приложенного напряжения. Соответственно
произвольно может быть расположен в начальный момент времени вектор,
изображающий эту величину. Векторы всех остальных величин при этом будут
повернуты по отношению к нему на углы, равные сдвигам фаз. Совокупность
векторов, характеризующих процессы, происходящие в той или иной цепи
переменного тока, и построенных с соблюдением правильной ориентации их
друг относительно друга, называют векторной диаграммой.
Поскольку на практике обычно интересуются действующими
значениями синусоидальных функций, которые в 2 меньше их амплитуд, то
целесообразно на векторной диаграмме длину векторов выбирать равной в
избранном масштабе действующим ЭДС, токам и напряжениям.
В практике анализа электрических цепей переменного тока широко
применяется представление синусоидальных величин
числами
. Это позволяет представить решение задачи анализа, особенно в
комплексными
случае сложной электрической цепи, в более компактной форме.
Как известно из математики, комплексное число
&
может быть
представлено с помощью одной из форм записи: показательной,
алгебраической и тригонометрической. При показательной форме записи
комплексное число представляют с помощью двух величин – модуля А и
аргумента ψ
в следующем виде
А
j
ψ
&
A
, (3.14)
где j = 1− – мнимая единица;
90