Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лекции по электротехнике Часть 1.doc
Скачиваний:
11
Добавлен:
19.08.2019
Размер:
8.88 Mб
Скачать

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

  1. 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).

  1. 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

=c cст = ; сдиф=

; p=ui (p>0-запас энергии p<0-отдает энергию)

q - линейная характеристика

-нелинейная характеристика c=q/u ~ tg

1.5.2.Схемы замещения пассивных элементов на низких частотах

  1. Р

    езистор
    2) реальная индуктивная катушка

3) реальный конденсатор

1.5.3. Идеальные источники энергии

  1. идеальный источник ЭДС – источник, напряжение на зажимах которого не зависит от тока.

в

нешняя характеристика u

R i – внутреннее сопротивление

источника Ri=0

i

  1. идеальный источник тока – источник, ток которого не зависит от напряжения на его зажимах.

G

(проводимость)=1/R Gi=0 u

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

12=iR; I=u12/R

б

) для активного участка цепи:

2

3=0

=3-e; 1=2+iR (ток от большего потенциала к меньшему) u13=1-3=iR-e;

- закон Ома для активного участка цепи с источником ЭДС

i+j=iR i=iR-j=

О

бобщенный закон Ома для обобщенного участка цепи:

2.1.2. Законы Кирхгофа

1-й закон Кирхгофа:

1

) Алгебраическая сумма токов в угле равна нулю.

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

  1. Последовательное соединение элементов.

  2. Параллельное соединение элементов.

  3. Смешанное последовательно-параллельное соединение элементов.

  4. Преобразование треугольника сопротивлений в звезду и наоборот.

  5. 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.

  1. 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.

  1. Количество уравнений, составляемых по закону Кирхгофа равно число ветвей минус число ветвей с источником тока: n=в-ви ви=0 => n=3

  1. Произвольно указываем направление токов в ветвях .

  2. Число независимых уравнений, составляемых по I – закону Кирхгофа

n1=y-1

Записываем уравнение по 1 закону Кирхгофа:

–I1+I2+I3=0

  1. 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

  1. 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

кт=NII=N-NI. Контурные токи – расчетные токи, текущие по всем ветвям выбранного контура. Действительные токи в ветвях находятся как алгебраическая сумма контурных токов. Направление контурных токов и направление обхода контура выбирается произвольно. Для каждого контура записывается уравнение по II – закону Кирхгофа.

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

спользуется для цепей с большим количеством ветвей и малым количеством узлов. Число уравнений по этому методу, равно числу уравнений, составляемых по первому закону Кирхгофа.

пуп=у-1=3;

Заземляем четвертый узел, 4=0.

Записываем уравнение по I – закону Кирхгофа. Для 1, 2, 3 узлов:

«-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.

Gпксумма 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.

Innузловой 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.

; - контурные токи.

; - 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).

Gkiчисленно 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

,

т.к. Gki=Gik

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

) IR+IR1=E

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

амечание: 1)
Uавхх - напряжение между точками в режиме хх данной ветви (Ix=0) 2) При определении Rbxab источники шунтируются и в схеме остаются только их внутренние сопротивления ( для идеального источника ЭДС это сопротивление равно 0, а для идеального источника тока равно )

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, Umамплитудные значения соответственно тока и напряжения;

i, uначальные фазы соответственно тока и напряжения;

=2f – циклическая частота;

fчастота электрического тока.

3.1.2. Графическое представление

u i

=u -iугол 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

j

>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=XLXC -- 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 ; Zмодуль 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

j

Z jX

>0

<0 1 - закон Ома в комплексной форме записи.

U

mp - m реакт.= mL+ mC

mR= mCактивные составляющие U

Uma =Umcos; Ump=Umsin

Um=

mL

J m

m

mpi UmR=UmA

1

mC

3.4.Параллельное соединение идеальных элементов в цепи переменного тока

i

=iR+iL+ic;

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 Imамплитуда 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>BCхарактер проводимости активно-индуктивный.

<0; BL>BCхарактер проводимости активно-ёмкостной.

=0; BL=BCхарактер проводимости активный (резонанс токов).

j

реакт.= L+ C ; (IP=IL-IC)

a=IR I=

Ia=I cos; Ip=I sin

j

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

=Um sint.

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

=UI sin - реактивная мощность характеризует энергию, которой обмениваются друг с другом (Qэл ) и с сетью (Qсети) реактивные элементы.

Q= Qэл + Qсети

Полная мощность: S=UI

S2=P2+Q2полная 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. 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

= 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.

  1. Z=U/I – модуль полного сопротивления;

  2. R=P/I2 – активное сопротивление;

  3. X= - реактивное сопротивление;

  4. =arcos ;

  5. 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 >0

>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; ; ;

  1. Условие Pн=Pmax=>X+Xн=>Xн=-X ; Нагрузка индуктивная=>двухполюсник емкостной

  2. 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)

()=F2/F1; =2-1 ; 2-выход; 1 – вход.

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

0
lgK=f(lg)

3.9. Частотные свойства колебательных контуров

Для определения частотных свойств электрических цепей нужно решить следующие задачи:

  1. Определение зависимости модуля сопротивления или модуля проводимости контура от частоты z(), y().

  2. Определение зависимости угла сдвига фаз от частоты ()

  3. 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.

U(j)=

1

1

- полоса пропускания.

В

2

1 0 2

не полосы пропускания частот, активная мощность сигнала по сравнению с max, уменьшается в 2 раза.

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()

J 1) R=0 (контур идеальный) XL=L XC= X= XL- XC

X()

XC()

L0

0

R 1

C0

2) R 0

Z()

X()

UC

UL

U

R()

0

0

0

3.10.Параллельный колебательный контур

Y

=g-j(bL-bC) g=1/R; bL= ; bC=C

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

Ф11112 магнитный поток, создаваемый 1ой катушкой.

Магнитный поток создается 1ой катушкой и замыкается вокруг самой себя.

Ф12 – создается первой, пронизывает вторую.

Ф22212; Ф2 - магнитный поток, создаваемый 2ой катушкой. Ф22 создается второй, пронизывает первую.

Ф10магнитный поток пронизывающий первую катушку.

Ф101121 Ф202212

Потокосцепление 1ой катушки: 10=1121; 20=2212; =Ф

11=L1 - т.е. катушки без ферромагнитных сердечников.

22=L2i2 11, 22 – потокосцепление самоиндукции.

21i2

12=Mi1 M – коэффициент пропорциональности – коэффициент взаимной индукции, т.е. он характеризует связь первой катушки со второй.

21, 12 – потокосцепление взаимной индукции.

e1ЭДС индукции, возникающей в первой катушке.

e1= ;

eL1ЭДС самоиндукции, eM1 – ЭДС взаимной индукции.

e1=