ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Сборник задач с решениями

Электротехника
Расчет трансформатора
Выбор типа выпрямителя
Выбор типа сглаживающего фильтра
Определение тока холостого хода
Расчет магнитной системы
Методы расчета электрических цепей
Курсовая работа
Метод проводимостей
Метод узловых и контурных уравнений
Метод законов Кирхгофа
Метод контурных токов
Метод узловых потенциалов
Метод двух узлов
Расчет электрических цепей переменного тока
Расчёт трёхфазной цепи
Векторные диаграммы переменных токов
Мощность переменного тока
Активные и реактивные составляющие токов и напряжений
Резонанс в электрических цепях
резонанса токов
Достоинства трехфазной системы
Мощность трехфазной цепи
Расчет магнитных цепей
Магнитносвязанные электрические цепи
Сложная цепь с магнитносвязанными катушками
Круговая диаграмма тока и напряжений
Топологические методы расчета
Уравнения Ома и Кирхгофа в матричной форме
Вращающееся магнитное поле
Расчет токов коротких замыканий
Курсовая работа по ТОЭ
Анализ линейных электрических цепей
Расчет методом узловых потенциалов
Расчет методом эквивалентного генератора
Расчет методом контурных токов
Переходные процессы в линейных цепях
Сборник задач с решениями по ТОЕ
Цепи постоянного тока
ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ТРЕХФАЗНЫЕ ЦЕПИ
 

ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Синусоидальные токи, напряжения и ЭДС.

В линейной электрической цепи при действии периодических ЭДС с одинаковым периодом Т, спустя достаточно большой промежуток времени от начала действия этих ЭДС, устанавливаются во всех участках цепи периодические токи и напряжения с тем же периодом Т. Величина  является частотой ЭДС, тока или напряжения. Частота численно равна числу периодов в единицу времени и измеряется в герцах (Гц).

Наибольший интерес представляют периодические синусоидальные токи, напряжения и ЭДС:

 (2.1)

Величины e, u, i называют мгновенными значениями. Их наибольшие значения Em, Um, Im называют амплитудными значениями. Величину  называют угловой частотой. Аргумент синуса называют фазой, величины ψe, ψu, ψi – начальной фазой.

2. Действующие и средние значения синусоидальных величин:

 (2.2)

3. Изображение синусоидальной функции комплексным числом.

В курсе теории линейных электрических цепей используются следующие формы записи комплексного числа:

алгебраическая ;

показательная ; (2.3)

тригонометрическая ,

здесь  – модуль комплексного числа;

 – аргумент комплексного числа;

 – действительная часть комплексного числа;

 – мнимая часть комплексного числа.

Алгебраическая форма удобна при сложении и вычитании комплексных чисел, а показательная – при умножении, делении, возведении в степень, извлечении корня.

4. Комплексные выражения синусоидальной функции времени, ее производной и интеграла приведены в табл. 2.1.

Соответствующие комплексные амплитуды запишем так:

 (2.4)

Таблица 2.1

Временная и комплексная записи

Функция

Производная функции

Интеграл от функции

Запись во временной области

Комплексная функция

времени

Комплексная амплитуда

Комплексное действующее значение

Согласно ГОСТу любое комплексное значение обозначается соответствующей буквой с чертой под ней, например , . Однако для величин, изменяющихся с течением времени синусоидально, разрешается комплексные величины обозначать с точкой над соответствующей буквой, таковы , напряжение , ток . Так что такие записи эквивалентны: , , .

5. Пассивные элементы электрической цепи (табл. 2.2).

Пассивный элемент электрической цепи определяется своим комплексным сопротивлением  – комплексным числом, равным отношению комплексного напряжения на зажимах данного элемента к комплексному току этого элемента:

. (2.5)

В табл. 2.2 приведены пассивные элементы, их изображения и обозначения.

6. Законы Кирхгофа.

 (2.6)

7. Комплексная мощность.

, (2.7)

где  – полная мощность;

 – активная мощность;

 – реактивная мощность;

 – сопряженный комплекс тока.

Баланс мощностей

. (2.8)


Примеры решения задач

Задача 2.1

Временная диаграмма напряжения на зажимах резистора с сопротивлением R=2 Ом изображена на рис. 2.1. Определить значение тока в моменты t1=0,25 c, t2=0,5 c, t3=1 c. Составить уравнение мощности в промежутках времени (0–0,5) с и (0,5–1) с, построить временную диаграмму мощности. Найти количество тепла, выделяемого в резисторе в течение одной секунды [9].

Решение

Аналитическое выражение напряжения (рис. 2.1)

 при ,

 при .

Аналитическое выражение тока

 при ,

 при .

Временные диаграммы тока и напряжения подобны, так как . Ток в заданные моменты времени  А,  А, .

Уравнение мощности

,

 при ,

 при .

Временная диаграмма мощности приведена на рис. 2.2.

Количество тепла, выделяемого в течение одной секунды:

 Дж.

Задача 2.2

В цепи (рис. 2.3) действует идеальный источник тока [9]. На рис. 2.4 изображена временная диаграмма тока источника, параметры цепи R=2 Ом, L=1 Гн.


Определить напряжения uR(t), uL(t), u(t) и построить их временные диаграммы. Найти максимальное значение напряжения на зажимах источника. Составить уравнение мгновенной мощности и определить мощность для моментов времени  c и  с.

Решение

Аналитически ток источника тока может быть записан в виде

Тогда

Напряжение на зажимах источника определяется на основании второго закона Кирхгофа


На рис. 2.5, 2.6 и 2.7 изображены временные диаграммы напряжений uR, uL и u. Максимального значения напряжение источника достигает при t=0,5 с (рис. 2.7): Umax=8 В.

Уравнения мгновенной мощности:

В момент времени  с

 Вт.

В момент времени  с

 Вт.

Катушка с активным сопротивлением R=10 Ом, индуктивностью L=0,05 Гн подключена к источнику синусоидального напряжения, действующее значение которого U=120 В, а частота f=50 Гц Определить полное сопротивление катушки, ток и сдвиг фаз между напряжением и током. Чему равна активная, реактивная и полная мощности? Вычислить активную и реактивную составляющие напряжения на зажимах катушки. Чему равна ЭДС самоиндукции, наводимая в катушке? Построить векторную диаграмму напряжений и тока.

Приборы, подключенные к пассивному двухполюснику, при разомкнутом контакте S показали напряжение  В, ток  А, мощность  Вт. Для определения характера реактивного сопротивления двухполюсника параллельно ему был подключен конденсатор (контакт S замкнут), емкостное сопротивление которого  Ом. При этом приборы показали напряжение  В, ток  А, мощность  Вт. Определить эквивалентные параметры двухполюсника.

Резонансные явления Реактивные сопротивления и проводимости электрических цепей могут быть как положительными, так и отрицательными величинами и, следовательно, могут взаимно компенсироваться. Поэтому возможны случаи, когда, несмотря на наличие в цепи индуктивных катушек и конденсаторов, входное реактивное сопротивление или входная реактивная проводимость всей цепи оказываются равными нулю. При этом ток и напряжение на входе цепи совпадают по фазе, и эквивалентное сопротивление всей цепи будет активным. Такое явление называют резонансным.

Параллельный контур с малыми потерями настроен в резонанс токов. Параметры контура:  Ом,  пФ,  мкГн. Найти: резонансную частоту, эквивалентное сопротивление на резонансной частоте, добротность, а также величину общего тока при резонансе и для случая увеличения частоты питающего напряжения  В на .

Цепи со взаимной индуктивностью Явлением взаимной индукции называется наведение ЭДС в электрической цепи при изменении потокосцепления взаимной индукции, обусловленного током в другой электрической цепи. Цепи, в которых наводятся ЭДС взаимной индукции, называются индуктивно связанными цепями.

Расчет методом узловых потенциалов