Расчет сложных электрических цепей переменного синусоидального тока
Содержание:
Введение
Зарождение науки об электричестве относится к XVI в., когда английский ученый У. Гильберт (1544-1603) написал свой знаменитый трактат «О магните, проведены многочисленные опыты, позволившие установить существование электрических зарядов двух типов – положительных и отрицательных, изобрести первый конденсатор (Ж. Нолпе, 1745), разработать первую последовательную теорию электрических явлений (Б. Франклин).
Во второй половине XVIII в. началось «количественное изучение» электрических и магнитных явлений, появились измерительные приборы – электроскопы. В 1756 г. петербургский физик Ф. Эпинус (1724 – 1802) изобрел воздушный конденсатор, с помощью которого показал, что стекло в «лейденской» банке обладает свойством накапливать электричество, открыл явление электризации некоторых тел (турмалин) при нагревании (пироэлектричество). В работе Ф. Эпинуса впервые предпринята систематическая попытка подойти к изучению электрических явлений не только с качественной, но с количественной стороны. В частности, им было установлено, что сила взаимодействия между зарядами пропорциональна величине этих зарядов. И хотя он не установил, как эта сила зависит от расстояния, однако, значение его работы очень велико, так как она дала определенное направление дальнейшим исследованиям. Наконец, в 1784 г. французский 48-летний военный инженер Ш. Кулон (1736-1806) открывает закон, согласно которого сила взаимодействия между электрическими зарядами обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. С помощью созданных им крутильных весов, и также ряда оригинальных методов (методы колебаний) этот человек, никогда специально не занимавшийся электричеством и магнетизмом, проводя в качестве побочного занятия свои исследования. Заложил основы количественной электростатики.
Законы Ома (1826 г.). Законы Кирхгофа (1847 г.). Открытие И. Фарадеем (1831 г.) явления электромагнитной индукции. Русский ученый (Э. Ленц) в (1833 г.) открыл закон, установивший связь между направлением индукционных токов и их электромагнитными взаимодействиями. Таким образом, к концу 19 в. было установлено единство электромагнитных явлений, получившее свое завершение в работах Дж. Максвелла. В конце 19 в. – начале 20 в. открыт дискретный характер зарядов (Дж. Томсон, 1897 г.) – начался новый этап в развитии науки об электричестве. Со второй половины XIX в. началось широкое использование электрических и магнитных явлений в технике:
- электродвигатели;
- генераторы тока;
- освещение (изобретение эл. связи Яблочковым)
- электротехнологии (Б.С. Якоби в 1893 г.) он предложил использовать электрический ток для нанесения металлических покрытий.
Русский инженер Доливо-Добровольский к концу 90-х г.г. 19 в. разработал трехфазные асинхронные электрические двигатели. Он построил 3-х фазную линию электропередач на 175 км.
Современная энергетика – это ключевая отрасль экономики страны. Она играет определенную роль в развитии научно-технического прогресса, интенсификации производства любой отрасли. Во всех областях деятельности современного общества применяется электрическая энергия. Ряд ее замечательных свойств обеспечивают преимущества над другими видами энергии:
1. Относительная простота получения за счет преобразования из других видов энергии (механической, химической, тепловой, световой, атомной).
2. Простота передачи энергии с высоким КПД на большие расстояния и распределение ее между потребителями.
3. Совершенство потребления к одному источнику самой различной мощности.
4. Простота изменения параметров (напряжения и тока).
5. Возможность практически мгновенной передачи сигналов на большие расстояния (телефония, телеграфия, радиотехника).
Эти свойства электрической энергии позволили в очень короткий исторический срок не только решить основные вопросы самой электроэнергетики, но и модернизировать «неэлектрическую технику», перевести ее на качественно новый уровень. На базе электротехнической науки начали развиваться электроника, радиотехника, производство различных электротехнических устройств, в том числе вычислительная техника. Возникновение электротехники относится к периоду создания источника постоянного тока (начало 19 в.) и последовавших затем открытий в области электричества и магнетизма.
Исходные данные и рассчитываемая схема
Таблица 1. Исходные данные
Параметр |
E1, [B] |
ψe1, [град] |
E4, [B] |
ψe4, [град] |
E5, [B] |
ψe5, [град] |
E7, [B] |
ψe7, [град] |
E8, [B] |
||||||||||||||||||
Значение |
9 |
54 |
30 |
-95 |
27 |
119 |
7 |
-5 |
13 |
||||||||||||||||||
Параметр |
ψe8, [град] |
E10, [В] |
ψe10, [град] |
J2, [А] |
ψi2, [град] |
J3, [А] |
ψi3, [град] |
J4, [А] |
ψi4, [град] |
f, [Гц] |
|||||||||||||||||
Значение |
-45 |
14 |
34 |
12 |
62 |
25 |
15 |
1 |
-70 |
50 |
|||||||||||||||||
Параметр |
Z1, [Ом] |
Z3, [Ом] |
Z6, [Ом] |
Z7, [Ом] |
Z9, [Ом] |
Z10, [Ом] |
Z11, [Ом] |
Z13, [Ом] |
ik |
Ваттметр |
|||||||||||||||||
Значение |
j30 |
j41 |
j50 |
j25 |
-j55 |
75 |
-j35 |
9 |
i10 |
1, 3 |
Пояснения к таблице 1:
В таблице использованы следующие обозначения:
i10 – рассчитывается мгновенное значение тока через сопротивление Z10;
Ваттметр: 1, 3 – ваттметр включается в одну из ветвей между узлами 1 и 3;
Вектора: должна быть построена векторная диаграмма для тока, протекающего по цепи с ваттметром, и напряжения между узлами этой ветви.
Рис. 1. Исходная схема
Содержание задания
Для электрической цепи переменного синусоидального тока, соответствующей индивидуальному заданию, необходимо выполнить следующие расчеты и графические построения:
1. Составить систему уравнений по законам Кирхгофа в интегрально-дифференциальном виде для мгновенных значений напряжений и токов.
2. Выполнить расчет токов в ветвях электрической цепи методом узловых потенциалов, с проверкой правильности расчетов посредством баланса мощностей и оценкой их точности.
3. Определить режимы работы источников, имеющихся в заданной электрической цепи.
4. Рассчитать ток в указанной ветви методом эквивалентного генератора (МЭГ).
5. Для заданного тока i(t) построить график мгновенных значений.
6. Рассчитать показание ваттметра, включенного в одну из ветвей электрической цепи.
7. Построить векторную диаграмму токов и напряжений для ветви, в которой включен ваттметр.
Система уравнений по законам Кирхгофа
Система уравнений по законам Кирхгофа в интегрально-дифференциальном виде для мгновенных значений токов и напряжений
Произвольно выбираем условно-положительные направления токов в ветвях и направления обхода контуров – по часовой стрелке (рис. 2).
Рис. 2. Схема цепи к составлению уравнений по законам Кирхгофа
В рассматриваемой схеме: узлов , ветвей , независимых контуров . Следовательно, по первому закону Кирхгофа должно быть составлено уравнения, а по второму закону Кирхгофа уравнений.
Для мгновенных значений токов, напряжений и ЭДС система уравнений по законам Кирхгофа имеет вид:
С учетом того, что:
система уравнений записывается в виде:
Метод узловых потенциалов и баланс мощностей
Запишем комплексы действующих значений ЭДС и токов источников:
Расчетная схема с комплексными источниками ЭДС и тока и комплексными сопротивлениями ветвей показана на рис. 3.
Рис. 3. Схема цепи к методу узловых потенциалов
Принимаем потенциал узла 4 равным нулю, тогда потенциал узла 2:
В.
Составляем систему уравнений:
Подставляем в систему исходные данные:
Решая систему уравнений, получаем значения узловых потенциалов:
Определяем значения токов в ветвях:
Составим баланс мощности.
Полную мощность источников определим по формуле:
Найдем напряжения на источниках тока по 2-му закону Кирхгофа:
Полная мощность источников:
Активная мощность источников равна , реактивная - .
Активная мощность потребителей:
Реактивная мощность потребителей:
Погрешность расчета мощностей:
- по активной мощности:
- по реактивной мощности:
Режимы работы источников
Режимы работы источников электроэнергии определяются следующим образом: рассчитывается активная мощность источника, и, если она имеет знак «плюс», то источник работает в режиме генерирования электроэнергии, если знак «минус» - в режиме потребления.
Определяем режимы работы источников электроэнергии:
- источник Е1 работает в режиме потребителя;
- источник Е4 работает в режиме потребителя;
- источник Е5 работает в режиме потребителя;
- источник Е7 работает в режиме потребителя;
- источник Е8 работает в режиме потребителя;
- источник E10 работает в режиме потребителя;
- источник J2 работает в режиме потребителя;
- источник J3 работает в режиме генератора;
- источник J4 работает в режиме генератора.
Действующее значение тока через заданное сопротивление методом эквивалентного генератора
Исключим из схемы ветвь 2-3, содержащую сопротивление Z10, и определим мгновенное значение тока через эту ветвь (рис. 4).
Рис. 4. Схема эквивалентного генератора напряжения
Для того, чтобы по второму закону Кирхгофа и по закону Ома определить напряжение , нужно рассчитать значение тока :
.
Рассчитаем ток при помощи метода контурных токов. Составляем систему уравнений:
Подставим в систему известные значения ЭДС, сопротивлений и тока источника и упростим ее:
Решая систему уравнений, получаем значения контурных токов:
По первому закону Кирхгофа определяем ток :
Определяем напряжение холостого хода:
Исключим из схемы все источники электроэнергии и определим внутреннее сопротивление двухполюсника (рис. 5).
Рис. 5
Определяем внутреннее сопротивление активного двухполюсника:
Ом.
Определяем значение тока :
График мгновенных значений заданного тока
Запишем мгновенное значение тока :
График мгновенных значений тока показан на рис. 6.
Рис. 6. График мгновенных значений тока i4
Расчет показания ваттметра
Изобразим схему включения ваттметра для измерения активной мощности в ветви 1-3 (рис. 7).
Рис. 7. Ветвь с ваттметром
Напряжение на обмотке ваттметра:
Ток, протекающий через токовую обмотку ваттметра, равен:
Показание ваттметра:
Векторная диаграмма тока и напряжения заданной ветви
Напряжение между точками 1 и 3 было найдено в предыдущем пункте:
Ток ветви .
Векторная диаграмма показана на рис. 8.
Рис. 8. Векторная диаграмма тока и напряжения ветви с ваттметром
Заключение
В ходе выполнения курсовой работы были выполнены следующие задачи:
1. Составлены уравнения для заданной цепи по первому и второму законам Кирхгофа в интегрально-дифференциальной форме.
2. Выполнен расчет токов цепи методом контурных токов и составлен баланс мощностей источников и потребителей.
3. Определены режимы работы источников ЭДС и тока.
4. Определен ток заданной ветви методом эквивалентного генератора, а также построен график его мгновенных значений.
5. Рассчитано показание ваттметра, включенного в заданную ветвь, и построена векторная диаграмма тока и напряжения этой ветви.
Список использованной литературы
1. Общая электротехника. Под ред. Пантюшина. Учебник для машиностроит., горных, металлургич. теплоэнергетич. специальностей вузов. М., «Высш. школа», 1970.
2. Электротехника/Ю. М. Борисов, Д. Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 552 с., ил.
3. Иванов И. И., Соловьев Г. И. Электротехника: Учебное пособие. 6-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2009. – 496 с.: ил. – (Учебники для вузов. Специальная литература).
- Составление бизнес – плана конкретного предприятия (план маркетинга).
- История возникновения и развития языка программирования Си (С++) и Java. (Происхождение C хорошо известно: CPL -> BCPL -> B -> C)
- Инновационная деятельность предприятия
- Бизнес – план проектируемого Оптово-розничного магазина-склада ООО «Праймтекс»
- Планирование численности персонала на предприятии
- Малые предприятия: преимущества, недостатки, перспективы развития, ИП Поляковой А.С
- Дизайн конца 19 века и СССР (РСФСР)
- Организационно-экономическая характеристика ИП
- Теоретические основы SWOT-анализа, его место в фирме
- Понятие и правовая природа корпораций и корпоративных правоотношений
- Многомерные (матричные) методы маркетингового исследования на примере предприятия ООО «БМП «Росток»
- Формирование и использование прибыли предприятия