3602

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» (ННГАСУ)

Кафедра технологии строительства

Н. Л. Александрова, В. П. Костров

Электрические цепи

Учебно-методическое пособие к лабораторным работам компьютерном классе по дисциплине «Теоретические основы электротехники» для обучающихся по специальности 08.05.01Строительство уникальных зданий и сооружений, специализация – строительство гидротехнических сооружений повышенной ответственности

Нижний Новгород

2016

УДК 621.3

Александрова Н.Л.Электрческие цепи, [электронный ресурс]: учеб. – метод. пос. / Н. Л. Александрова, В. П. Костров]: Нижегор. гос. архитектур. – строит. ун-т – Н. Новгород:

ННГАСУ, 2016 электрон. опт. диск (CD – RW)

Приведены необходимые теоретические сведения по разделу «Теория линейных электрических цепей» дисциплины «Теоретические основы электротехники», дается последовательность выполнения заданий на компьютере.

©Н.Л. Александрова В.П. Костров

©ННГАСУ, 2016

2

Общие сведения.

Курс «Теоретические основы электротехники» охватывает обширную область теоретических и экспериментальных электромагнитных явлений и их техническое применение. Курс состоит их 4-х частей. Первая часть «Основные понятия и законы электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей», вторая часть «Теория линейных электрических цепей», третья часть «Теория нелинейных электрических и магнитных цепей», четвертая часть «Теория электромагнитного поля».

Для студентов направления 27101.65 «Строительство уникальных зданий и сооружений» специализации «Строительство высотных и большепролетных зданий и сооружений» наиболее близка вторая часть ТОЭ «Теория линейных электрических цепей», в которой излагаются свойства линейных электрических цепей и методы расчета процессов в таких цепях. Данная дисциплина базируется на основных понятиях физики и математики – дисциплин, предшествующих данному курсу.

Лабораторные занятия по дисциплине ТОЭ проводятся в компьютерном классе. Содержание лабораторного занятия включает в себя однофазные цепи переменного тока, трехфазные цепи при соединении потребителей по схеме четырех и трехпроводной звезды при симметричной и несимметричной нагрузке, а также при соединении потребителей по схеме треугольник; в работах рассматриваются аварийные режимы цепей. Расчет цепей производится с использованием символического(комплексного) метода как наиболее универсального. Для выполнения лабораторной работы используется компьютерная программа «Электронный учебник».

Программа используется таким образом, что каждый раздел включает в себя теоретическую часть, изучая которую студент также и проверяет свои знания, ведя диалог с компьютером. Затем по каждой теме студент выполняет задание, предлагаемое компьютером.

Электронный учебник генерирует для каждого студента свой индивидуальный вариант учебного задания по одной и той же теме. Перед началом выполнения задания студент регистрируется, записывая в компьютер фамилию, имя и отчество, число и группу. В процессе решения при необходимости можно пользоваться подсказками компьютера. Необходимые графические работы студент вычерчивает на дисплее. После окончания выполнения задания компьютер выставляет оценку в баллах от 0 до 5. Оценка за выполнение задания рассчитывается компьютером с учетом общего числа заданных вопросов, числа безошибочных ответов с первой попытки, количества попыток. В некоторых случаях вводится весовой коэффициент для учета различной степени сложности задаваемых вопросов.

В программе имеется калькулятор, который вызывается нажатием клавиши «С». Убрать калькулятор можно нажатием клавиши «Esc».

3

ОДНОФАЗНЫЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ № 1.

Символический (комплексный) метод анализа цепей синусоидального

тока.

Сущность комплексного метода:

Анализ цепи синусоидального тока осуществляют, используя символические изображения синусоидальных функций времени в виде комплексных чисел.

Метод позволяет перейти от интегро-дифференциальных уравнений для мгновенных значений синусоидальных величин к алгебраическим уравнениям для их изображений, что существенно упрощает анализ цепей синусоидального тока.

+j

A

b

α

Комплексное число А можно представить вектором на комплексной плоскости.

Формы записи комплексного числа: Алгебраическая а Показательная

Тригонометрическая cos sin

Здесь:

√1 – мнимая величина

a- вещественная часть комплексного числа

4

b- мнимая часть к омплексного числа

A -модуль комплексного числа

α-аргумент комплекс ного числа

Отсчет аргумента производится от оси +1,

Если α > 0 – отсчет пр отив часовой стрелки Если α < 0 – отсчет по часовой стрелке.

Примеры изображения синусоидальных функций времен и комплексным числом показаны в таблице 2.

5

Работа на компьютере.

Решение задач на преобразование одной формы записи комплексных чисел в другие

1.Открыть программу OZ -2.1.

2.Ознакомиться с теоретической частью, записать в тетрадь основные правила и формулы.

3.Открыть программу OZ -2.2, раздел «ПРИМЕРЫ». Зарегистрироваться, записав в компьютер свою фам илию, номер группы и дату.

4.Решить четыре задания, используя, если нужно, поддсказки компьютера.

5.Построить на д исплее графики и векторные диагра ммы, округляя величины в соответствии с указаниями компьютера.

6.Записать решение в тетрадь.

7.Получить оценк у у компьютера.

Л АБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ №2.

Мощность цепи синусоидального ток а.

i

u

Рис. 3

Напряжение и ток на зажимах пассивного двухполююсника изменяются гармонически:

u =Um sin ( t + ψu),

i= Imsin ( t + ψi).

6

Ради простоты положим ψu = 0, тогда φ ψu - ψi = -ψi . Мгновенная мощность (скорость совершения работы):

! ""# $ % &' ()* +, -' ()* .ω, 01

Когда p> 0, энергия поступает от источника в приемник.

Когда p< 0, приемник возвращает энергию источнику.

Энергия А, поступающая в приемник за интервал времени, равный периоду Т, определяется площадью, ограниченной кривой р и осью абсцисс на данном интервале:

44

Активная мощность (среднее за период значение мгновенной мощности)

Активная мощность Р численно равна энергии, поступающей от источника в приемник за единицу времени (за секунду),

- коэффициент мощности.

Активную мощность можно определить через активное сопротивление:

9 & - 567 0 > - - 567 0 > 567 0 -? @ -? ;<8=

Комплексную мощность можно также рассчитать как произведение

комплексного значения напряжения Uна комплексное значение токаC. A I C

= *

7

Треугольник мощностей: A A O

+1Рис.4

Работа на компьютере.

Расчет мощности цепей синусоидального тока.

1.Открыть программу OZ -3.

2.Ознакомиться с теоретической частью, записать в тетрадь основные правила и формулы.

3.Открыть раздел «ПРИМЕРЫ». Зарегистрироваться, записав в компьютер свою фамилию, номер группы и дату.

4.Решить предложенные задачи, используя, если нужно, подсказки компьютера.

5.Записать решение в тетрадь.

6.Получить оценку у компьютера.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ № 3.

Комплексные сопротивления.

Комплексное сопротивление того или иного участка цепи есть отношение комплексов напряжения и тока этого участка.

Здесь:

8

B IC модуль комплексного сопротивления .полное сопротивление1

H cd ce- аргумент комплексного сопротивления, равный углу сдвига фаз между напряжением и током;

Формы записи комплексного сопротивления:

Здесь:

h B cos H активное сопротивление G B sin φ реактивное сопротивление

Работа на компьютере.

Расчет комплексных сопротивлений.

1.Открыть программу OZ -2-4.

2.Ознакомиться с теоретической частью, записать в тетрадь основные правила и формулы.

3.Открыть раздел «ПРИМЕРЫ». Зарегистрироваться, записав в компьютер свою фамилию, номер группы и дату.

4.Решить предложенные задачи, используя, если нужно, подсказки компьютера.

5.Записать решение в тетрадь.

6.Получить оценку у компьютера.

ЛАБОРАТОРНОЕ ЗАНЯТИЕ № 4.

Смешанное соединение проводников.

Анализ цепи со смешанным соединением приемников чаще всего осуществляют путем преобразования схем.

При последовательном соединении двух приемников эквивалентное комплексное сопротивление

Bэкв. Bl BD

9

При параллельном соединении двух приемников эквивалентное комплексное сопротивление определяется по формуле

Заметим, что сложение и вычитание комплексных чисел удобно производить, представляя их в алгебраической форме, а умножение и деление в показательной. При этом следует помнить, что при умножении двух комплексных чисел в показательной форме их модули умножаются, а аргументы складываются, а при делении – модули делятся друг на друга, а аргументы вычитаются.

Например,

Работа на компьютере.

Исследование однофазной электрической цепи

1.Открыть программу OZ -5.

2.Ознакомиться с теоретической частью, записать в тетрадь основные правила и формулы.

3.Открыть раздел «ЗАДАНИЕ». Зарегистрироваться, записав в компьютер свою фамилию, номер группы и дату.

4.Вычертить в тетради предложенную компьютером схему смешанного соединения потребителей с сопротивлениями R, XL,XC.

5.Определить полные сопротивления Z последовательных и параллельных цепей в символической форме, используя, если нужно, подсказки компьютера.

6.Определить и записать на дисплее токи всех ветвей, напряжения на отдельных участках, мощности P, Q и S на всех участках, используя, если нужно, подсказки компьютера.

7.Построить на дисплее векторные диаграммы.

8.По виду векторной диаграммы напряжений и токов дать ответ о характере электрической цепи (активно-индуктивный, активноемкостной, активный)

9.Рассчитать активную, реактивную и полную мощности всей цепи.

10.Записать решение в тетрадь.

10