- •1. Электрические цепи
- •Ветвь – участок электрической цепи с последовательным соединением элементов.
- •1.5. Схемы замещения электрической цепи
- •1.5.2.Схемы замещения пассивных элементов на низких частотах
- •3.12.1.Полярность индуктивно-связанных катушек
- •4. Электрические цепи трехфазного тока
- •Нагрузка
- •4.5. Схема замещения четырехполюсника
1.5. Схемы замещения электрической цепи
Схема замещения составляется с помощью идеальных элементов и описывает основные физические процессы, происходящие в реальном устройстве.
1.5.1. Идеальные элементы
Сопротивление – это элемент, в котором происходит необратимое превращение электрической энергии в тепловую.
Основной закон, связывающий напряжение и ток на сопротивлении
–закон Ома..
u =i R формула
i=uG,
где: R- сопротивление,
G – проводимость.
Сопротивление зависит от размеров и материала проводника.
= ρ---- формула
Основная характеристика -связь между напряжением и током (вольтамперная характеристика).
Индуктивность – идеальный элемент, способный накапливать энергию в своем магнитном поле
Напряжение на индуктивности пропорционально скорости изменения тока (закон Фарадея для самоиндукции).
L –индуктивность проводника, величина зависящая от формы, размеров проводника и магнитных свойств среды. [L] = Гн
Основная характеристика – связь между потокосцеплением и током
(вебер-амперная характеристика).
Для линейной индуктивности существует линейная связь между потокосцеплением и током.
Ψ =Li,
Где: =WФ – потокосцепление равно произведение магнитного потока на число витков катушки.
p=ui (p>0 - запасает энергию p<0 – индуктивность играет роль псевдоисточника, отдает энергию в сеть )
3. Емкость – идеальный элемент, способный накапливать энергию в своем электрическом поле.
i
; p=ui (p>0-запас энергии p<0-отдает энергию)
-нелинейная характеристика c=q/u ~ tg
1.5.2.Схемы замещения пассивных элементов на низких частотах
Р
3) реальный конденсатор
1.5.3. Идеальные источники энергии
идеальный источник ЭДС – источник, напряжение на зажимах которого не зависит от тока.
в
R i – внутреннее сопротивление
источника Ri=0
i
идеальный источник тока – источник, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.
G
Ri=
i
J
1.5.4. Схемы замещения источников
2. МЕТОДЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И АНАЛИЗА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
2.1. Основные законы электрических цепей
2.1.1. Закон Ома
а) для пассивного участка цепи:
u
б
2
3=0
- закон Ома для активного участка цепи с источником ЭДС
i+j=iR i=iR-j=
О
2.1.2. Законы Кирхгофа
1-й закон Кирхгофа:
1
Правило знаков: токи, втекающие в узел берутся со знаком «-», а вытекающие со знаком «+». ПРИМЕР: -i1-i2+i3+i4-i5-i6=0
2) Сумма токов втекающих в узел равна сумме токов из узла вытекающих:
ПРИМЕР: i1+i2+i5+i6=i3+i4
Второй закон Кирхгофа:
1). Алгебраическая сумма напряжений на элементах контура равна нулю.
2). Алгебраическая сумма напряжений на пассивных элементах контура равна алгебраической сумме э.д.с. контура.
Правило знаков: напряжения и э.д.с. берутся со знаком «+», если они совпадают с направлением обхода.
2.2. Методы преобразования электрических цепей
Последовательное соединение элементов.
Параллельное соединение элементов.
Смешанное последовательно-параллельное соединение элементов.
Преобразование треугольника сопротивлений в звезду и наоборот.
Преобразование n – параллельных ветвей в одну.
Ji=Ei/Ri
Ji=EiGi
Jэ= Ji = Gэ=
EЭ=Jэ/Gэ=JэRэ
6) Перенос источника ЭДС.
С хемы эквивалентны. Проверка II – закона Кирхгофа, записанный для любого контура 1 и 2 схемы.
Перенос источника тока.
2.2.Методы анализа разветвленных цепей
2.2.1. Метод непосредственного использования законов Кирхгофа.
Определяем топологические характеристики цепи : ветвей – 3; узлов – 2.
Количество уравнений, составляемых по закону Кирхгофа равно число ветвей минус число ветвей с источником тока: n=в-ви ви=0 => n=3
Произвольно указываем направление токов в ветвях .
Число независимых уравнений, составляемых по I – закону Кирхгофа
n1=y-1
Записываем уравнение по 1 закону Кирхгофа:
–I1+I2+I3=0
Число независимых уравнений, составляемых по II закону Кирхгофа
nII=n-nI => nII=2.
Выбираем независимые контуры (контуры, включающие хотя бы одну новую ветвь). Произвольно указываем направление обхода контура. Записываем уравнение по второму закону Кирхгофа.
I1R1+I3R3=E1;
I2R2-I3R3= -E2
Решаем систему уравнений, находим неизвестные токи. Если значение токов получилось отрицательным, то на схеме меняем его направление на противоположное.
2.2.2. Метод наложения
Рекомендуется применять для цепей с малым количеством источников. Число уравнений, составляемых по данному методу, равно числу источников.
Считаем, что каждый источник действует независимо от других. Рассчитываем токи, вызванные действием каждого источника в отдельности (частичные токи). Результирующий ток определяется как алгебраическая сумма частичных токов.
;
;
; ;
2.2.3. Метод контурных токов
Метод рекомендуется использовать для цепей, в которых количество независимых контуров меньше количества узлов. Число уравнений, составляемых по этому методу, равно числу уравнений, составляемых по второму закону Кирхгофа.
N
R11=R1+R3
–собственные сопротивления
R22=R2+R3
контура R12=R21=-R3
-сопротивление смежной ветви
E11=E1 E22=-E2
- контурные ЭДС
Контурный ток k-го контура определяется как:
Где: - главный определитель системы уравнений.
nk – алгебраическое дополнение определителей, которое получается вычеркиванием n – ой строки, k – го столбца и умножением полученного минора на (-1)п+k.
Действительное значение тока в ветви определяется как алгебраическая сумма контурных токов, протекающих в данной ветви.
; ; .
2.2.4. Метод узловых потенциалов
И
пуп=у-1=3;
Заземляем четвертый узел, 4=0.
Записываем уравнение по I – закону Кирхгофа. Для 1, 2, 3 узлов:
« 1» -I2+I1+I4-I5+I6=0
«2» -I1+I2+I3-J2=0 (1)
«3» J2-I3-I4+I7-J1=0
Каждый ток расписываем по обобщенному закону Ома:
I1=(1-2+E1)G1; I2=(2-1)G2;
I3=(2-3+E3)G3; I4=(1-3-E4); I5=(-1+E5)G5; I6=1G6; I7=3G7.
Подставляем токи из системы 2 в систему 1. Раскрывая скобки, приводим подобные и получаем следующую систему.
-
сумма проводимости ветвей сходящихся
в n
– м узле.
Gпк – сумма проводимостей ветвей, соединяющих п – й и к – й узел, взятая со знаком «-». G12=G21=-(1/R1+1/R2); G23=G32=-(+1/R3); G13=G31=-1/R4.
Inn – узловой ток. Равен алгебраической сумме произведений ЭДС на проводимость ветви и сумме токов источников тока.
«+» ставится, если ЭДС или источник тока направлен к п – му узлу.
I11=-E1G1+E4G4+E5G5; I22=J2-E3G3+E1G1; I33=J1-J2+E3G3-E4G4
2.3. Входные и взаимные проводимости ветвей
В цепи только один источник, выделяем ветвь с источником.
; - взаимная провод. к-й и i-й ветви.
Физический смысл: входная проводимость численно равна току в этой ветви, если в эту же ветвь включен источник, ЭДС которого равен 1В (т.е. это реакция ветви на включение одного источника ЭДС).
Gki – численно равна току в к – й ветви, если в i – ю ветвь включен источник, ЭДС которого равен 1В.
2.4. Теорема обратимости
Ток в к – й ветви, вызываемый действием ЭДС, находящейся в i – й ветви, будет равен току в i – й ветви, если этот источник будет находиться в к – й ветви. Ii=GiiEi Ik(1)=GkiEi.
Ei=Ek; Ik=EkGkk; Ii(2)=EkGik=EiGik
,
Реакция на источник будет одинакова.
2.5.Теорема компенсации
В электрической цепи без изменения величины тока можно заменить сопротивление эквивалентным источником ЭДС, направление которого противоположно направлению тока, а величина равна IR т.е.
1
E1=IR1 <=>
E1=IR1
2) IR=E-E1
IR=E-IR1
2. 6. Метод эквивалентного генератора
Рекомендуется использовать, если необходимо рассчитать ток только в одной ветви.
Ток в выделенной ветви численно равен отношению напряжения холостого хода этой ветви к сумме сопротивлений ветви и входного сопротивления двухполюсника со стороны выделенной ветви.
Uавхх
Uавхх
=>
Используем метод наложения и заменяя полученную схему двумя схемами.
Uавхх
Uавхх
I1=0 (источник компенсировал напряжение на зажимах активного двухполюсника). Таким образом получаем:
I=I1+I11=I11;
З
Rbxab
Er=
Uавхх
3.Электрические цепи однофазного синусоидального тока
3.1. Способы представления синусоидальных напряжений и токов.3.1.1. Представление тригонометрическими функциями
i=Imsin( t+i)
u=Umsin( t+u),
где: Im, Um – амплитудные значения соответственно тока и напряжения;
i, u – начальные фазы соответственно тока и напряжения;
=2f – циклическая частота;
f – частота электрического тока.
3.1.2. Графическое представление
u i
=u -i – угол сдвига фаз.
u
i
3.1.3.Представление векторами на декартовой плоскости.
Векторная диаграмма – совокупность векторов, изменяющихся с одинаковой частотой и построенная для фиксированного момента времени (т.е. обычно tнач.=0).
y
mv=…
в/см
t=t1=>i(t1)=Imy|t=t1 mi=…
А/см
t=t1=>u(t1)=Umy|t=t1
-
u x
i
3.1.4. Способ представления синусоидальных токов комплексными числами.
m – комплексная амплитуда тока.
m =Imeji
m – комплексная амплитуда напряжения
m=Umeju
i, U - начальные фазы соответственно тока и напряжения.
Приборы электромагнитным и электродинамическим способом измеряют действующие значения.
Действующее значение тока и напряжения:
; .
Комплекс действующего значения тока и напряжения
=Ieji; =Ueju .
3.1.5. Векторные диаграммы на комплексной плоскости.
mu=…
В/см mi=…
А/см
=U
- i
>0
u
i 1
3.2. Идеальные элементы в цепи переменного тока
|
Связь между напряжениями и токами на элементах |
||
|
|
|
|
Во временной области |
|||
Компонентное уравнение |
u=Ri |
|
|
Мгновенное значение тока и напряжения |
i=Imsint u=RImsint |
i=Imsint u=LImsin(t+/2) |
u=Umsint i=CUmsin(t+/2) |
Амплитуда |
Um=RIm |
Um=LIm |
Im=CUm |
Действующиие значения тока и напряжения |
U=RI |
U=LI |
I=CU |
Сопротивление Проводимость |
R – акт. сопрот. G=1/R – акт. провод. |
XL=L – инд. сопрот. BL=1/L – инд. пров. |
XC=1/C емк. сопр. BC=C емк. пров. |
Начальная фаза тока и напряжения |
u=i |
u=i+/2 |
u=i-/2 |
Угол сдвига фаз между током и напряжением |
0 |
+/2 |
-/2 |
Графики тока и напряжения Исправить |
|
|
|
Векторная диаграмма |
|
|
|
Комплексные изображения |
|||
Мгновенные значения тока и напряжения |
i-> mejt u-> mejt |
i-> mejt u->L mej(t+/2) u->jL mejt |
u-> mejt i->jC mejt |
Комплексная амплитуда |
m=R m |
m=jL m |
m |
Комплексные действующие значения |
=R |
=jL |
|
Комплексные сопротивления |
Z(R)=R |
Z=jL=jXL |
Z=-j =-jXC |
Комплексная проводимость |
Y=1/R |
Y=-j =-jBL |
Y=jC=jBC |
3.3.Последовательное соединение идеальных элементов
Для данного двухполюсника запишем уравнение для второго закона Кирхгофа.
В дифференциальной форме u=iR+L
i=Imsin(t+i)
u=RImsin(t+i)+ImLcos(t+i)-Im cos(t+i)=
=RImsin(t+i)+ImXLcos(t+i)-IXCcos(t+i).
X=XL – XC -- реактивное сопротивление цепи.
u=Im(Rsin(t+i)+Xcos(t+i)) msin ncos= cos() =arctg n/m.
u=Im sin(t+I+) =arctg X/R
Um=Im ; Z – модуль сопротивления цепи; Z=
В комплексной форме записи:
m= mR+jXL m-jXC m= m(R+j(XL-XC))= m(R+jX);
Z=R+j(XL-XC)=R+jX – комплексное сопротивление цепи.
XL>XC; >0 – характер сопротивления – активно-индуктивный.
XL<XC; <0 – характер сопротивления – активно-ёмкостной.
XL=XC; =0 – характер сопротивления – активный.
Z=
;
=arcsin X/Z = arcos X/Z
= arctg X/R R=Zcos;
X=Zsin
Z jX
<0 1 - закон Ома в комплексной форме записи.
U
mp
-
m
реакт.=
mL+
mC
mR=
mC
– активные составляющие U Uma
=Umcos;
Ump=Umsin Um=
J m
m
mp i UmR=UmA
1
mC
3.4.Параллельное соединение идеальных элементов в цепи переменного тока
i
Imsin(t-)= C cos t
U=Umsint
i=Um(Gsint-(BL-BC)cost)=Um(Gsin t-Bcos t)=
=Um sint-.
G=1/R; BL= ; BC=C; B= BL-BC – реактивная проводимость.
=arctg B/G; J= - полная проводимость цепи.
i=UmJsin(t-)=Imsin(t-); Im=UmJ Im – амплитуда тока.
В комплексной форме: = R+ L+ C= = (G-jBL+jBC);
= (G-jB); Y=G-jB – комплексная проводимость, В=ВL –ВC – реактивная проводимость
=
Y
- закон Ома в комплексной записи для параллельного соединения элементов.
Y=G-j(BL-BC)=Ye-j
>0; BL>BC – характер проводимости активно-индуктивный.
<0; BL>BC – характер проводимости активно-ёмкостной.
=0; BL=BC – характер проводимости активный (резонанс токов).
j
реакт.=
L+
C
; (IP=IL-IC)
a=IR
I=
Ia=I
cos;
Ip=I
sin
X
jB C a= R
>0 G 1 p 1
L I
3.5 Метод комплексных амплитуд
Метод заключается в представлении синусоидально изменяющихся с одинаковой частотой напряжений и токов комплексными числами. Метод позволяет перейти от системы дифференциальных уравнений к решению системы алгебраических уравнений относительно искомых токов или напряжений.
3.6.Мощность цепи синусоидального тока.
Напряжение и ток пассивного двухполюсника равны:
u
i=Imsin(t-);
Мгновенная мощность определяется как:
p=ui=UmIm sint sin(t-)== (cos - cos(2t-))
=UI(cos - cos(2t-))
График
- активная мощность (среднее значение мгновенной мощности за период). Характеризует энергию, рассеиваемую в цепи.
Q
сети
Q= Qэл + Qсети
Полная мощность: S=UI
S2=P2+Q2
– полная мощность,
- угол, характеризующий характер
нагрузки.
j
S Q
P 1
cos=P/S – доля активной мощности; в полной. Коэффициент мощности cos необходимо поддерживать достаточно большим ( 0,95 ….0.98). В настоящее время нормируется не cos, а tg. tg=Q/Р. Т.к. нагрузка обычно носит активно-индуктивный характер, то для повышения коэффициента мощности параллельно входу подключают или батарею конденсаторов, или синхронный компенсатор. Схема для компенсации индуктивной мощности приведена на рисунке.
x
е
[p]=Вт;
[P]=Вт;
[S]=ВА
п
jXLп
= п+ е
Комплекс полной мощности определяется как произведение комплекса действующего значения сопротивления на сопряженный комплекс тока.
Где: - комплекс действующего значения напряжения
- сопряженный комплекс действующего значения тока.
; ;
Баланс мощности (следствие закона сохранения энергии):
- полная комплексная мощность источника (потребителя).
; ; ;
Qn=QLn-QCn Баланс мощности:
3.7.Пассивный двухполюсник в цепи переменного тока
Исправить рисунок
Задача: составить схему замещения двухполюсника и определить параметры элементов в схеме замещения.
Z=U/I – модуль полного сопротивления;
R=P/I2 – активное сопротивление;
X= - реактивное сопротивление;
=arcos ;
Знак угла - ? Если в схему можно включить фазометр, то знак угла будет известен по показаниям. Если включен ваттметр, то знак угла определяется с помощью дополнительных конденсаторов.
x
>0 активно-индуктивная нагрузка
<0 активно емкостная нагрузка
=0 активная нагрузка
02 01
Z=R+jX(последов.)=Zej; Y=G-jB(паралл.)=Ye-j
Передача энергии от активного двухполюсника к нагрузке
Определить уравнение: Pн=Pmax (мощность, выделяющаяся в нагрузке максимальна). Это режим согласованной нагрузки.
Используем метод эквивалентного генератора и заменим активный двухполюсник эквивалентным генератором.
Z=Zвхав; E=Uaвхх; Pн=I2Rн; Z=R+jX; ; ;
Условие Pн=Pmax=>X+Xн=>Xн=-X ; Нагрузка индуктивная=>двухполюсник емкостной
Условие ; Rн=R; Pmax= ;
Этот режим используется для цепей малой мощности (в связи с низким КПД)
3.8.Частотные свойства электрических цепей
Переходные функции цепей синусоидального тока
(напряжение или ток на выходе)=K(j)
K(j) – передаточная функция электрической цепи.
K(j)= K()ej; K() – показывает во сколько раз модуль выхода больше (меньше) модуля выхода.
K
KU(j)
KI(j)
Z12(j)
Y12(j)
режим - ХХ режим - КЗ
j
K(j)=K()ej(); K() – АЧХ; () - ФЧХ
- АФХ K(j)=Kв(Re) jKм(Jm)()
=0 =
Re
Логарифмические частотные характеристики:
2
K
10
102
103
104
2
1.12
20lgK,
дб
20
40
60
80
-6
~3
~1
3.9. Частотные свойства колебательных контуров
Для определения частотных свойств электрических цепей нужно решить следующие задачи:
Определение зависимости модуля сопротивления или модуля проводимости контура от частоты z(), y().
Определение зависимости угла сдвига фаз от частоты ()
Определение возможных видов резонансов и резонансных частот. Резонансом в электрической цепи называется режим работы электрической цепи при совпадении по фазе напряжения и тока на входе цепи. При этом входное сопротивление цепи и мощность, потребляемая из сети, носят чисто активный характер. Рез=>=0=>S=P.
3.9. Последовательный резонансный контур. Резонанс напряжений.
- простейший контур, в котором происходит резонанс напряжений.
Входное сопротивление двухполюсника
Z=R+j(XL-XC)
Условие резонанса
XL0=XC0 (для этой цепи) 0L= ;
Добротность последовательного колебательного контура – величина, которая показывает во сколько раз напряжение на индуктивности или емкости при резонансе больше входного напряжения.
= ; ; UL0=I00L; UC0=I0
= ; = ; = ; - волновое сопротивление.
- затухание контура. ;
K
- коэффициент
передачи по напряжению, если выходным
является сопротивление на резисторе.
1
1
В
2
1 0
2
P(1)=P(2)=1/2 Pmax 1>2; = - чем выше , тем острее пик.
WM (энергия магнитного поля) =
WЭ (энергия электрического поля) =
W=WM + WЭ=WMmax=WЭ max
При резонансе обмен энергией происходит между индуктивностью и конденсатором. Из сети потребляется активная мощность, рассеиваемая на активном сопротивлении цепи (2 реактивных элемента обмениваются энергией т.е. колеблются).
XL()
X()
XC()
0
2) R 0
Z()
X()
UC
UL
U
R()
0
0
0
3.10.Параллельный колебательный контур
Y
Условие резонанса токов b=0
параллельного колебательного контура величина, которая показывает во сколько раз ток через индуктивность или емкость при резонансе больше входного тока.
= ; I0=gU; IL0= ; IC0=U0C; ; -волновая проводимость
При резонансе
конденсатор и катушка обмениваются
энергией. реактивной
мощности равна 0.
Из сети параллельного
колебательного контура потребляется
активная мощность которая, рассеивается
на активном сопротивлении.
j
C0
R 1
L0
1) R=0.
/2
bL
0
0
bC
-/2
2) R 0
I
IC()
g()
I()
0
/2
b()
IC()
0
IR
-/2
0
3.11.Параллельный колебательный контур с потерями
Y1=1/Z1=
=G1-jB1.
G1 – активная проводимость.
B1 – реактивная проводимость.
Y2=1/Z2=
=G2+jB2.
Y= Y1+ Y2=( G1+ G2)-j(B1- B2)
Условие резонанса токов B=0 => B1=B2=>
; - резонансная часть в контуре с потерями.
j
2
1
1
a) R2=0
j
2
1
1
б) R1=R2=0
j
1 p=0=
2 =0 1
3.12.Индуктивносвязанные цепи
Ф1=Ф11+Ф12 – магнитный поток, создаваемый 1ой катушкой.
Магнитный поток создается 1ой катушкой и замыкается вокруг самой себя.
Ф12 – создается первой, пронизывает вторую.
Ф2=Ф22+Ф12; Ф2 - магнитный поток, создаваемый 2ой катушкой. Ф22 создается второй, пронизывает первую.
Ф10 – магнитный поток пронизывающий первую катушку.
Ф10=Ф11+Ф21 Ф20=Ф22+Ф12
Потокосцепление 1ой катушки: 10=1121; 20=2212; =Ф
11=L1 - т.е. катушки без ферромагнитных сердечников.
22=L2i2 11, 22 – потокосцепление самоиндукции.
21=Мi2
12=Mi1 M – коэффициент пропорциональности – коэффициент взаимной индукции, т.е. он характеризует связь первой катушки со второй.
21, 12 – потокосцепление взаимной индукции.
e1 – ЭДС индукции, возникающей в первой катушке.
e1= ;
eL1 – ЭДС самоиндукции, eM1 – ЭДС взаимной индукции.
e1=