Задача №2. Анализ линейной цепи переменного синусоидального тока



Варианты контрольных работ по дисциплине «электротехника и электроника»

Методические указания содержат краткие теоретические сведения и варианты контрольных задач. Данные указания имеют цель повысить эффективность усвоения учебного материала студентами-заочниками и сократить время выполнения расчёта.

Сведение на контрольную работу

Задача№1. Провести анализ линейной цепи постоянного тока.

Задача№2. Анализ линейной цепи переменного синусоидального тока.

Задача№3. Анализ трёхфазной электрической цепи при схеме соединения приёмников “звездой”.

Задача№4. Анализ трёхфазной электрической цепи при схеме соединения приёмников “треугольником”.

Задача№5. Провести анализ работы однофазного трансформатора.

Задача№6. Провести расчёт режима работы асинхронного двигателя.

 

Требования к контрольной работе.

1. Контрольная работа выполняется на листах А4 в клетку аккуратным разборчивым почерком.

2. Все схемы расчётные, таблицы и векторные диаграммы выполнять карандашом.

3. Задачи должны содержать исходные данные по вашему варианту, сведённые в таблицу, электрическую схему и необходимые пояснения к ходу решения. Все вычисления приводить в решении задач.

Задача№1 Анализ линейной цепи постоянного тока.

Схемы электрических цепей показаны на рис.1.

Параметры элементов схемы помещены в таблице1.

Требуется:

1. Составить уравнения по законам Кирхгофа (не решая их).

2. Определить токи ветвей методом контурных токов.

3. Составить баланс мощностей, провести проверку решения.

4. Определить показания вольтметра.

I . Краткие теоретические положения.

 

1.1 Законы Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в узле, равна нулю. Σ I=0.

Второй закон Кирхгофа. В замкнутом электрическом контуре алгебраическая сумма всех источников э.д.с. равна алгебраической сумме падений напряжений на сопротивлениях контура Σ .

При этом в левой части с плюсом берутся те эдс, направление которых совпадает с направлением обхода контура, а в правой части уравнения с плюсом берутся те падения напряжения, направление токов которых совпадает с направлением обхода контура.

Уравнения по законам Кирхгофа записывают для независимых узлов и контуров.

Независимый узел – это узел, в который входит хотя бы одна новая ветвь по сравнению с остальными узлами.

Независимый контур - это контур, включающий по крайней мере одну новую ветвь и ветви выбранных ранее контуров.

 

1.2. Баланс мощностей.

Сумма мгновенных значений мощностей источников в электрической цепи равна сумме мгновенных значений мощностей, потребляемых этой цепью ΣРгенер=ΣРпотр.; Σ±Еj Ij=ΣI²R.

При этом в левой части произведение с плюсом, если направление э.д.с. и тока совпадает.

 

1.3. Метод контурных токов.

Метод контурных токов позволяет уменьшить количество уравнений, составляемых по законам Кирхгофа, до числа уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа. Контурными называются условные (расчётные) токи, замыкающиеся только по своим контурам. Направлениями контурных токов задают произвольно.

Ток любой ветви находят как алгебраическую сумму контурных токов, замыкающихся по этой ветви.

Таблица 1

 

вар

№ рис

Е1 Е2 Е3 Е4 Е5 Е6 R1 R2 R3 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10

В

 

Ом

1 1 10 5 12 10 10 18 1 2 4 2 4 10 2 - - -
2 2 10 8 5 12 8 12 2 4 6 4 4 4 3 8 - -
3 3 15 6 8 5 15 15 4 8 10 6 8 8 5 - - -
4 4 18 8 6 8 8 10 6 10 8 2 8 6 6 - - -
5 5 12 10 10 6 12 8 2 8 2 4 10 8 5 2 - -
6 6 10 5 12 10 10 15 1 2 4 2 4 10 2 5 - -
7 7 10 8 5 12 8 12 2 8 2 4 10 8 5 2 - -
8 8 15 6 8 5 8 10 6 10 8 2 8 6 6 - - -
9 9 18 8 - 8 8 10 6 10 8 2 8 6 6 - - -
10 10 12 10 10 - 12 8 2 8 2 4 10 - 5 2 2 -
11 11 10 - 20 - 30 40 10 5 2 4 10 8 2 - - -
12 12 10 8 15 20 - 5 2 4 3 1 2 5 4 - - -
13 13 20 10 15 30 - - 2 8 10 12 10 1 - - - -
14 14 5 8 10 40 - - 3 5 8 10 2 12 10 - - -
15 15 15 20 40 10 - - 10 5 2 8 15 2 10 - - -
16 1 20 5 12 10 10 18 6 2 4 2 4 10 2 - - -
17 2 15 8 5 12 8 12 4 4 6 4 4 4 3 8 - -
18 3 20 6 8 5 15 15 8 8 10 6 8 8 5 - - -
19 4 15 8 6 8 8 10 3 10 8 2 8 6 6 - - -
20 5 18 10 10 6 12 8 5 8 2 4 10 8 5 2 - -
21 6 16 5 12 10 10 15 2 2 4 2 4 10 2 5 - -
22 7 22 8 5 12 8 12 4 8 2 4 10 8 5 2 - -
23 8 25 6 8 5 8 10 5 10 8 2 8 6 6 - - -
24 9 15 8 - 8 8 10 3 10 8 2 8 6 6 - - -
25 10 18 10 10 - 12 8 4 8 2 4 10 - 5 2 2 -
26 11 13 - 20 - 30 40 8 5 2 4 10 8 2 - - -
27 12 16 8 15 20 - 5 4 4 3 1 2 5 4 - - -
28 13 25 10 15 30 - - 4 8 10 12 10 1 - - - -
29 14 10 8 10 40 - - 5 5 8 10 2 12 10 - - -
30 15 22 20 40 10 - - 6 5 2 8 15 2 10 - - -

 

Рис.1. Схемы электрических цепей

Рис. 1. Схемы электрических цепей (продолжение)

Задача №2. Анализ линейной цепи переменного синусоидального тока

 Схема электрической цепи показана на рис.2. Параметры элементов схемы помещены в таблице 2.

Электрическая цепь переменного синусоидального тока с частотой f=50 Гц. Находится под действием источника напряжения е =Еm sin(ωt+φe). С учётом положения выключателей В1- В7 определить для своего варианта:

1) полные и комплексные сопротивления участков цепи;

2) все токи ветвей;

3) полные, реактивные и активные мощности отдельных участков цепи и всей электрической цепи;

4) построить векторные диаграммы токов и напряжений;

 

II. Краткие теоретические положения

2.1 Формы представления синусоидальных величин.

а) тригонометрическая форма записи мгновенных величин

i=Imsin(ωt+φi);

 

б) форма записи комплексных чисел показательная:

в) алгебраическая:

,            где

Рассмотрим несколько примеров перевода комплексных чисел из алгебраической формы в показательную:

,        где ,    ψ=arctg b/a;

,

,

,

где а и b- проекции на ось действительных и мнимых чисел соответственно.

 

 

Таблица 2

 

Em, B φe, C UL3, B I3, A R1, Ом R2, Ом R3, м R4, Ом R5, Ом XL1, Ом XL3, Ом XL6, Ом Xc1, Ом Xc4, Ом Xc7, Ом Выключате ли замкнуты
1 100 30 - - 2 - - 6 10 - - - 5 8 25 B1,B4,B5,B7
2 - - 32 - - 4 12 - 20 4 16 5 - - - B2,B3,B5,B6
3 150 40 - - 4 - 8 3 14 - 6 - 4 4 - B1,B3,B4,B5
4 100 60 - - 2 - - 6 10 - - - 5 8 25 B1,B4,B5,B7
5 - - 40 - - 4 12 - 20 10 16 50 - - - B2,B3,B5,B6
6 - - - 5 - 3 7 15 44 4 24 - - 20 - B2,B3,B4,B5
7 200 0 - - - 2 10 - 20 16 10 - - - 20 B2,B3,B5,B7
8 - - 64 - - 4 12 - 20 4 32 5 - - - B2,B3,B5,B6
9 - - - 10 - 3 7 15 44 4 24 - - 20 - B2,B3,B4,B5
10 141 20 - - 10 - 12 - 40 - 16 50 10 - - B1,B3,B5,B6
11 200 0 - - 4 - 24 3 20 - 7 - 4 4 - B1,B3,B4,B5
12 - - - 20 - 3 7 15 22 4 24 - - 20 - B2,B3,B4,B5
13 300 45 - - 10 - 6 - 40 - 8 50 10 - - B1,B3,B5,B6
14 - - 64 - 4 - 24 3 20 - 7 - 4 4 - B1,B3,B4,B5
15 282 30 - - 10 - 12 - 50 - 16 100 10 - - B1,B3,B5,B6
16 150 30 - - 2 - - 6 20 - - - 5 8 25 B1,B4,B5,B7
17 - - 32 - - 4 12 - 40 4 16 5 - - - B2,B3,B5,B6
18 300 40 - - 4 - 8 3 28 - 6 - 4 4 - B1,B3,B4,B5
19 200 60 - - 2 - - 6 20 - - - 5 8 25 B1,B4,B5,B7
20 - - 40 - - 4 12 - 40 10 16 50 - - - B2,B3,B5,B6
21 - - - 5 - 3 7 15 22 4 24 - - 20 - B2,B3,B4,B5
22 150 0 - - - 2 10 - 40 16 10 - - - 20 B2,B3,B5,B7
23 - - 64 - - 4 12 - 40 4 32 5 - - - B2,B3,B5,B6
24 - - - 10 - 3 7 15 22 4 24 - - 20 - B2,B3,B4,B5
25 200 20 - - 10 - 12 - 20 - 16 50 10 - - B1,B3,B5,B6
26 150 0 - - 4 - 24 3 40 - 7 - 4 4 - B1,B3,B4,B5
27 - - - 20 - 3 7 15 44 4 24 - - 20 - B2,B3,B4,B5
28 200 45 - - 10 - 6 - 20 - 8 50 10 - - B1,B3,B5,B6
29 - - 64 - 4 - 24 3 40 - 7 - 4 4 - B1,B3,B4,B5
30 300 30 - - 10 - 12 - 25 - 16 100 10 - - B1,B3,B5,B6

 

 

Задача3. Анализ трёхфазной электрической цепи при схеме соединения приёмников “ звездой”

 В трёхфазную сеть с симметричной системой линейных напряжений Uл включён трёхфазный потребитель электроэнергии, фазы которого имеют комплексные сопротивления Zа, Zb, Zс и соединены “звездой”.

Определить:

1) Линейные и фазные токи;

2) Активную Р, реактивную Q и полную S мощности потребителя;

3) Показания приборов: амперметра и вольтметра;

4) Построить векторную диаграмму токов и напряжений.

III. Краткие теоретические положения.

3.1 Трёхфазная система питания потребителей электроэнергии.

 Трёхфазная система питания электрических цепей представляет собой совокупность трёх синусоидальных ЭДС или напряжений, одинаковых по частоте и амплитудному значению, сдвинутых по фазе относительно друг друга на угол 120.

EA = EAm sin wt;

EB = EBm sin (wt-2 /3);

EC = ECm sin (wt+2 /3).

В симметричных источниках питания максимальные значения ЭДС равны, соответственно равны и действующие значения ЭДС

EA=EB=EC= Eф. Пренебрегая внутренним сопротивлением источника, можно принять соответствующие ЭДС источника равными напряжениям, действующим на его зажимах:

EA=UA, EB=UB, EC=UC.

Комплексные напряжения симметричного источника питания могут быть представлены системой уравнений:

      

Ua = Uф e j0 = Uф;

Ub = Uф e-j120 = Uф(-0,5- j /2);

Uс = Uф e+j120 = Uф(-0,5+ j /2).

Фазным называется напряжение между началом и концом фазы. Линейным назовём напряжение между двумя линиями или между началами двух фаз. Соотношение между линейным и фазным напряжениями симметричного источника питания: UЛ =  Uф.

3.2 Трёхфазные электрические цепи при соединении фаз приёмников “звездой”.

 При соединении фаз трёхфазного источника питания “звездой” концы фаз источника X,Y,Z объединены в общую нейтральную точку N, а начала фаз А,В,С подключаются к соответствующим линейным проводам Аа, Вв, Сс. Аналогичным образом при соединении трёхфазных потребителей объединяются в нейтральную точку n концы его фаз x,y,z, при начала фаз а,в,с подключаются к линейным проводам.

Линейные токи In в питающих линиях имеют условно-положительное направление от источника энергии к приёмнику. При соединении приёмника энергии по схеме “звезда” линейные токи IA,IB,IC одновременно являются и фазными токами приёмника Iа,Iв,Iс, т.е.  

IA= Iа; IB = Iв; IC = Iс.

Трёхфазные источники питания практически всегда выполняются симметричными. Трёхфазные потребители электроэнергии могут быть симметричными и несимметричными. Для симметричных приёмников электроэнергии справедливы соотношения, полученные для трёхфазных симметричных источников питания.

При этом:

Ua = Ub=Uc=Uф; UAB = UBC =UCA = UЛ; Za=Zb=Zc=Zф;

cosΨa = cosΨb = cosΨc = CosΨф ; UЛ= Uф.

Для несимметричных приёмников не все эти соотношения соблюдаются.

При анализе трёхфазных электрических цепей широко используется метод комплексных чисел.

При несимметричной нагрузке комплексные сопротивления фаз приёмника не одинаковы (Za≠Zb≠Zc), при этом комплексное напряжение

 UnN, действующее между нейтральными точками N и n системы, определяют по методу двух узлов

 

UnN =

где EA, EB, EC  – комплексные напряжения источника питания.

Ya = 1/Za; Yb = 1/Zb; Yc= 1/Zc – комплексные проводимости фаз приемника.

Комплексный ток в нейтральном проводе находят в соответствии с уравнением, составленным по первому закону Кирхгофа для нейтральной точки n цепи:

            

IN  =Ia + Ib + Ic.

Комплексные фазные напряжения приёмника электроэнергии находят из уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа для замкнутого контура:

 

Ua=EA- UnN;  Ub=EB - UnN;       Uc=EC - UnN.

 

При этом фазные токи приёмника определяют по закону Ома для соответствующих участков цепи:

 

Ia=Ua/Za; Ib=Ub/Zb; Ic=Uc/Zc.

Трёхфазная система обеспечивает приёмники электроэнергии симметричным питанием. При этом активная, реактивная и полная мощности могут быть определены по следующим формулам с учётом знака реактивных сопротивлений:

 

P = I2A Ra + I2B Rb + I2C Rc =UaIa cosΨa + UbIb cosΨb + UcIc cosΨc ;

Q= I2A Xa + I2B Xb + I2C Xc = IaUa sinΨa + IbUb sinΨb + IcUc sinΨc ;

S =   = I2A Za + I2B Zb + I2C Zc;

 

где cosΨa = Ra/ Za;   cosΨb = Rb/ Zb;  cosΨc = Rc/ Zc;

 

sinΨa = Xa/ Za; sinΨb = Xb/ Zb;  sinΨb = Xb/ Zb.

 

При симметричной нагрузке эти формулы приводят к виду:

P= 3 Iф²Rф= Uл Iл cosΨф ;

 

Q= 3 Iф²Xф= Uл Iл sinΨф ;

 

S=    = Uл Iл,

 


где cosΨф = Rф/ Zф; sinΨф = Xф/ Zф.

 

Таблица 3

№ вар. Za, Ом Zb, Ом Zc, Ом Uл, В
1 15+j10 10-j20 J40 380
2 10-j10 20+j20 J30˚ 10e 220
3 15-j20 15 j45˚ 20e 660
4 20+j10 J30 10 660
5 30 j45˚ 10e 10-j20 220
6 j40˚ 4e -j20 15+j10 380
7 -j30˚ 20e j15 10+j10 380
8 J90˚ 10e 10+j15 20 220
9 J40 -j45˚ 15e 40-j10 660
10 -j20 J30˚ 10e 15 380
11 10-j10 10+j10 j45˚ 15e 660
12 20+j20 30 J30˚ 20e 220
  13 -j90˚ 10e 10+j20 15 220
14 J60˚ 15e 25 -j30 660
15 j45˚ 25e 10+j30 J90˚ 10e 380
16 10+j10 10-j10 10 220
17 20-j20 10+j10 20-j10 380
18 5-j10 10+j5 10ej45 220
19 25+j25 10-j20 30ej30 660
20 20ej30 10+j20 30e-j30 380
21 50 40-j20 20+j40 660
22 10+j30 20e-j90 10 220
23 40 10-j20 30+j10 380
24 30-j10 50 20+j20 380
25 40-j20 30ej45 50 660
26 10 20ej30 30e-j60 220
27 40 20+j10 30-j30 220
28 50 10+j30 30e-j90 380
29 20-j20 60 50ej90 660
30 50ej90 50 40-j10 660

Задача 4. Анализ трёхфазной электрической цепи при схеме соединения приёмников “треугольником”

Потребитель электроэнергии, фазы которого имеют комплексные сопротивления: Zab, Zbc, Zca и соединены в трёхфазную электрическую цепь “треугольником” (рис.4) , питается симметричной системой линейных напряжений: UAB= UBC= UCA= UЛ.

С учётом данных, приведённых в таблице 4. Для каждого варианта задания, определить:

1. Фазные и линейные токи потребителя;

2. Активную Р, реактивную Q и полную S мощности потребителя;

3. Показания ваттметров W1,W2;

4. Построить векторную диаграмму токов и напряжений.

 

                IV . Краткие теоретические положения

4.1 Трёхфазные электрические цепи при соединении фаз приёмника “треугольником”.

В связанных трёхфазных системах наряду с соединением трёхфазных потребителей “звездой” применяется соединение фаз “треугольником”. При этом не имеет значения как соединены фазы источника - “звездой ” или “треугольником”.

При соединении “треугольником” фазные напряжения оказываются равными линейным напряжениям :   

                (Uф=Uл) :  Uab=UAB; Ubc=UBC ; Uca=UСA.

Соотношение между линейными и фазными токами определяют из уравнений, составленных для токов в соответствии с первым законом Кирхгофа для узлов a,b,c разветвления электрической цепи:

IА = Iab - Ica; IВ  = Ibc - Iab; IС  = Ica - Ibc.

При симметричной нагрузке линейные токи IА= IВ  = IС  = IЛ и фазные

Iab = Ibс = Iса = Iф. При этом угол сдвига фаз между фазными токами и напряжениями Ψab= Ψbc= Ψca= Ψф.

В соответствии с этим при симметричной нагрузке имеет место соотношение IЛ  =  Iф.

 

Таблица 4

№ вар Zab ,Ом Zbc ,Ом Zca ,Ом U ,В
1 7+j7 10+j10 4-j4 660
2 10-j10 J90˚ 10e -j20 380
3 20+j10 J45˚ 15e -j40 220
4 20-j15 -J90˚ 10e 30 220
5 30+j20 30 -j40 380
6 8+j8 -J60˚ 12e 15-j5 660
7 10+j30 -J30˚ 15e 20+j10 660
8 30-j20 J90˚ 20e 15+j5 380
9 20 15+j15 15-j10 220
10 -J90˚ 20e 25+j20 15+j15 220
11 -J45˚ 15e 20+j20 10-j10 220
12 J45˚ 15e -j30 20 380
13 15-j10 10+j20 5-j10 380
14 20 J30˚ 10e 10-j10 660
15 J30˚ 15e 20-j10 -j20 660
16 8-j8 10+j10 20 220
17 10ej45 20 10-j20 220
18 30 40-j10 20+j20 380
19 50ej90 40 30-j30 660
20 10-j8 20+j10 10 220
21 20e-j30 20+j10 20 380
22 40 50-j10 30+j30 660
23 20 10-j10 15ej60 220
24 20-j10 30 20ej30 380
25 10-j50 60 50ej90 660
26 20e-j45 50 10ej90 380
27 20 10-j5 15ej90 220
28 60 10-j50 25+j25 660
29 40 10-j20 20ej30 380
30 20 10-j10 20ej45 220



Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 1057; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!