- •1. Расчет и анализ РезисТивных электрических цепей
- •2. Анализ установившегося синусоидального РежимА в
- •3. Трёхфазные электрические цепи.
- •3.1 Краткие теоретические сведения.
- •3.1.2 Соединение в треугольник. Схема, определения
- •3.2 Расчёт симметричных режимов работы трёхфазных цепей
- •4. Электрические цепи периодического несинусоидального тока
- •4.3 Методика расчета линейных цепей при периодических несинусоидальных токах
- •4.2 Основные характеристики периодических
- •4.2 Мощность в цепях периодического несинусоидального тока
- •2. Определение комплексной амплитуды выходного напряжения
- •5. Построение линейчатых спектров напряжений
- •5.2. Построение линейчатых спектров напряжений
2. Анализ установившегося синусоидального РежимА в
ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ
Задачей анализа
установившегося синусоидального режима
является расчет амплитуды и фазы
соответствующей реакции (тока иди
напряжения) электрической цепи при
воздействии на входе ее источника
сигналов синусоидальной формы. В отличие
от реакции цепей при постоянной внешнем
воздействии, синусоидальные напряжения
u(t)
токи
являются периодическими функциями
времени. Связь между ними на элементахL
и С описываются известными дифференциальными
или интегральными уравнениями. Используя
алгебру комплексных чисел, можно
интегрально-дифференциальные уравнения
относительно действительных функций
u(t)
и
преобразовать в уравнения алгебраические
относительно их комплексных амплитуд
[1], которые не зависят от времени и
являются функциями угловой частоты ω.
По окончании расчета, выполненного
относительно комплексных величин,
необходимо осуществить обратное
преобразование комплексных токов и
напряжений в действительные функции
тока
и напряженияu(t).
Такой подход к анализу установившегося
синусоидального режима находит широкое
применение в теории электрических
цепей. Он является одним из простейших
методов анализа в частотной области и
называется комплексным методом или
методом комплексных амплитуд.
2.1. Краткие теоретические сведения
Как известно, любое комплексное число, может быть представлено в алгебраической, тригонометрической и показательной формах:
|
|
(6) |
где
– модуль комплексного числа;
–аргумент
комплексного числа.
В выражении (6) модуль и аргумент комплексного числа – произвольные числа.
Если допустить,
что
,
,
то синусоидальную функцию тока
можно изобразить в виде:
![]()
где
– мгновенное значение тока;
–комплексная
амплитуда, вещественный модуль которой
равен амплитуде, а аргумент – начальной
фазе тока
.
Таким образом, представляется возможным для произвольной синусоидальной функции записать соответствующее комплексное число. При этом используют следующую форму записи:
|
или
|
(7) |
где
– знак соответствия;
–комплекс
действующего значения тока; в дальнейшей
комплексный ток.
В выражении (7)
опущен множитель
,
т.к. он является общим для всех
синусоидальных функций, входящих в
уравнения электрической цепи, и, очевидно,
может быть сокращен.
Запись мгновенного
значения функции по заданной комплексной
амплитуде производится просто. Например,
если
,
то
|
|
(8) |
Данную процедуру можно считать обратным преобразованием из частотной области во временную.
При переходе к
комплексным амплитудам операции
дифференцирования и интегрирования
относительно мгновенных значений u(t)
или
заменяется операциями умножения и
деления наjω
соответствующих комплексных амплитуд.
Например
|
|
(9) |
|
|
(10) |
где
– комплексное индуктивное сопротивление;
–комплексное
емкостное сопротивление.
Из соотношений (9) и (10) следует, что анализ в частотной области позволяет ввести понятие комплексного сопротивления для индуктивности и емкости и получить уравнения для этих элементов, аналогичные уравнению резистивного элемента. Следовательно, представляется возможным формально подойти к расчету цепей синусоидального тока с элементами R, L и C так же, как к расчету резистивных цепей.
Например, для
электрической цепи, в которой все
элементы представлены в виде комплексных
сопротивлений Z
ветвей с неизвестными токами
,
система уравнений узловых напряжений
имеет вид:
|
……………………………
|
(11) |
где ynn – собственная комплексная проводимость узда n;
ynk – взаимная комплексная проводимость ветви между уздами n и k.
Приведенная система уравнений формально совпадает с системой (1).
Сохраняется при этом и порядок расчета правой части и комплексных коэффициентов левой части каждого из уравнений.
После расчета узловых напряжений по аналогии с (8) находится ток:
|
|
(12) |
Формальная аналогия с уравнениями резистивных цепей может быть использована при анализе установившегося синусоидального режима методами контурных токов, эквивалентного генератора, наложения и т.д.
Как известно, в электрических цепях синусоидального тока различают активную, реактивную и полную мощности. Наиболее просто их можно рассчитать используя выражение для полной мощности в комплексной форме:
|
|
(13) |
где
– активная мощность (Вт);
–реактивная
мощность (ВАР);
–сопряженный
комплекс тока;
φ – угол сдвига
фаз между
и
.
Из выражения (13) следует, что модуль полной мощности равен:
(ВА)
Положительный знак при мнимой части соответствует активно-индуктивной нагрузке, отрицательный – активно-емкостной.
Если сопротивление Z нагрузки известно, то расчет полной мощности нагрузки можно выполнить по формуле:
|
|
(14) |
где Z – комплексное сопротивление;
–модуль комплексного
сопротивления;
I – модуль действующего значения тока.
Расчет полной мощности источников в комплексной форме можно выполнить по формулам:
=
![]()
(15)
- для источника э.д.с. (источника
напряжения), где
- сопряженный
комплекс тока источника э.д.с.;
=
![]()
(16) - для источника тока, где
-
комплекс напряжения источника;
-
сопряженный комплекс тока источника
тока.
Проверка баланса мощности производится обычным порядком (см. раздел 1.1.4.), раздельно для каждой из мощностей.
2.2. Содержание задания.
Содержание соответствует заданию 1 задача 1.2. для студентов-заочников технических специальностей высших учебных заведений
Для заданного варианта исходных данных:
1. Составить систему уравнений по законам Кирхгофа в дифференциальной и комплексной формах.
2. Найти комплексы действующих значений токов всех ветвей электрической цепи. Записать выражения для мгновенных значений этих величин.
3. Определить показания приборов.
4. Проверить баланс активной, реактивной и полной мощностей..
5. Написать выражения мгновенных значений напряжения и тока на входе приемника; построить графики этих величин.
6. Составить по законам Кирхгофа уравнения в дифференциальной и комплексной формах с учетом взаимной индукции между индуктивными элементами L2 и L3 и встречного включения их.
2.3. Указания к расчету.
1. Выбор варианта.
Вариант задания определяется двумя последними цифрами номера зачётной книжки студента.
2. Для записи
уравнений в комплексной форме необходимо
представить комплексную расчетную
схему, в которой элементы R,
L
и С заменяются комплексными сопротивлениями
Z
(проводимостями Y)
ветвей ( 9,10) с неизвестными токами
и напряжениями
(или
m
и
m
) .
3. Система алгебраических уравнений с комплексными коэффициентами решается любым известным методом относительно узловых напряжений. Расчет тока производится в соответствии с выражением (12).
Запись мгновенных значений выполняется на основании обратного преобразования из частотной области во временную ( 8 ).
4. Расчет по пункту 4 производится в соответствии и на основании расчетных формул (13), (14), (15) и (16).
5. Графики напряжения и тока на входе приемника должны быть построены в масштабе по результатам расчета, представленного в форме таблицы 4. или в графическом редакторе математического пакета Matchcad.
Таблица 4
|
ωt |
|
|
|
|
|
|
|
u, В |
|
|
|
|
|
|
|
i, А |
|
|
|
|
|
|
На графиках следует показать начальные фазы, угол сдвига фаз φ и амплитуды представленных величин.
