Меню

Неразветвленные цепи переменного тока расчет векторные диаграммы

Расчет неразветвленных цепей переменного тока

ads

Порядок расчета, установленный для цепи при последовательном соединении катушки и конденсатора, можно применить и для цепи, содержащей произвольное число катушек и конденсаторов, соединенных последовательно.

Расчет неразветвленных цепей переменного тока

На рис. 14.7, а для примера дана схема неразветвленной цепи, состоящей из пяти участков: конденсатора (R1 Х1) и катушки (R2, Х2), представленных активными и реактивными сопротивлениями; резистора R3; идеальных конденсатора Х4 и катушки Х5.

Предположим, что кроме сопротивлений известен ток в цепи i = Imsinωt. Требуется найти напряжения на участках, общее напряжение в цепи и мощность.

Векторная диаграмма

Произвольно выберем условно-положительное направление тока i, в данном случае по часовой стрелке. Для мгновенных величин в соответствии со вторым законом Кирхгофа уравнение напряжений (а — падение напряжение на активном сопротивлении; р — падение напряжения на реактивном элементе )

Для действующих величин необходимо записать векторную сумму:

Численно векторы напряжений определяются произведением тока и сопротивления соответствующего участка. На рис. 14.7, б построена векторная диаграмма, соответствующая этому уравнению. За исходный, как обычно при расчете неразветвленных цепей, принят вектор тока, а затем проведены векторы падения
напряжения на каждом участке схемы, причем направления их относительно веrтора тока выбраны в соответствии с характером сопротивления участков.

При построении диаграммы напряжений выбрана начальная точка 6 совпадающая с началом вектора тока i. Из этой точки проведен вектор U5.2 реактивного напряжения индуктивности (по фазе опережает ток на 90°) между точками 5 и 6 цепи. Из конца его проведен вектор U реактивного напряжения емкости (по фазе отстает от тока на 90° ) между точками 4 и 5 цепи. Затем отложен вектор U3a активного напряжения на резисторе (совпадает по фазе с током) между точками
3 и 4 цепи и т. д., если следовать по цепи против направления тока.Точки векторной диаграммы, где сходятся начало следующего вектора с концом предыдущего, обозначены теми же номерами, какими на схеме обозначены точки, отделяющие одни элемент от другого.

При таком, построении напряжение между любыми двумя точками цепи можно найти по величине и фазе, проведя вектор на диаграмме между точками с теми же номерами. Например, напряжение U5.2 между точками 5 и 2 выражается вектором, проведенным из точки 2 в точку 5 (вектор U2.5 направлен в обратную сторону); напряжение U3.1 между точками 3 и 1 выражается вектором, проведенным из точки
1 в точку 3.

Векторная диаграмма, построенная в соответствии с чередованием элементов цепи, называется топографической, так как точки, отделяющие векторы друг от друга, соответствуют точкам, разделяющим элементы схемы.

Расчетные формулы

Из векторной диаграммы видно, что все активные составляющие векторов напряжений направлены одинаково — параллельно вектору тока, поэтому векторное сложение их можно заменить арифметическим и найти активную составляющую напряжения цепи: Ua = U1a + U2a + U3a

Реактивные составляющие векторов напряжений перпендикулярны вектору тока, причем индуктивные напряжения направлены в одну сторону, а емкостные — в другую. Поэтому реактивная составляющая напряжения цепи Up определяется их алгебраической суммой, в которой индуктивные напряжения считаются положительными, а емкостные — отрицательными: Up = — U + U2p — U4p + U5p.

2

Векторы активного, реактивного и полного напряжений цепи образуют прямоугольный треугольник, из которого следует

Подставив падения напряжения, выраженные через ток и соответствующие сопротивления, получим:

3

Таким образом снова получена знакомая уже формула, связывающая ток, напряжение и полное сопротивление цепи [ср. (14.4) и (14.1)].

Полное сопротивление неразветвленной цепи

В этой формуле ∑Rn—общее активное сопротивление, равное арифметической сумме всех активных сопротивлений, входящих в неразветвленную цепь; ∑Xn — общее реактивное сопротивление, равное алгебраической сумме всех реактивных сопротивлений, входящих в неразветвленную цепь. В этой сумме индуктивные сопротивления считаются положительными, а емкостные — отрицательными. Полное сопротивление неразветвленной цепи

В общем случае полное сопротивление цепи определяется как гипотенуза прямоугольного треугольника, катетами которого являются выраженные в определенном масштабе активное и реактивное сопротивления всей цепи. Из треугольника сопротивлений следует:

треугольника сопротивлений следует

формулы для определения мощностей в цепи

От треугольника напряжений можно перейти также к треугольнику мощностей и получить уже известные формулы для определения мощностей в цепи:

Вместе с тем активную мощность цепи можно представить как арифметическую сумму активных мощностей в элементах с активным сопротивлением. Реактивная мощность цепи равна алгебраической сумме мощностей реактивных элементов.

В этой сумме мощность индуктивных элементов считается положительной, а емкостных — отрицательной:

7

Формулы (14.2)—(14.7) являются общими; из них можно получить конкретное выражение для любой неразветвленной цепи.

Источник

Расчет неразветвленной электрической цепи переменного тока

Презентация к уроку

Назад Вперёд

Загрузить презентацию (134,6 кБ)

При изучении основных разделов теории цепей переменного тока основные проблемы восприятия материала заключаются в том, что электромагнитные явления нельзя увидеть наглядно, поэтому без наглядного материала в изучении рассматриваемой темы обойтись невозможно. Информационные технологии позволяют представить сложные электромагнитные явления в виде яркой картинки, мультфильма и др. В большинстве учебных заведений большие сложности с организацией электромонтажных лабораторий, связанные с ограниченными средствами на приобретение оборудования, необходимостью оформления специальных сертификатов на право проведения занятий в таких лабораториях и т.д. Электронные виртуальные лаборатории требуют только наличие компьютерного класса и поэтому дают студентам возможность углубленно изучить основные электромагнитные явления, понять законы электротехники, научиться сборке электрических схем.

Читайте также:  Подшипниковый узел в машинах постоянного тока

Рассмотрим правила расчета неразветвленной электрической цепи переменного тока. В практической части исследования измерим токи и напряжения на активном сопротивлении, катушке и конденсаторе, а сейчас зададим все параметры и построим векторную диаграмму.

Применение векторных диаграмм для описания синусоидальных сигналов позволяет использовать геометрические приёмы для расчета электрической цепи.

Эксперимент 1.

Дана электрическая цепь, содержащая последовательно соединенные активное сопротивление R = 100 Ом и катушку индуктивности L = 0.2 Гн. (См. рисунок 1.1)

2.JPG

Рисунок 1.1. Схема 1

3.JPG

Рисунок 1.2. Треугольник сопротивлений

Вычислим индуктивное сопротивление XL = 2π f L = 2 * 3,14 * 50 * 0,2 = 62,8 Ом

Так как ток в катушке отстает от напряжения на 90º, а в активном сопротивлении ток и напряжение совпадают по фазе для вычисления полного сопротивления цепи воспользуемся треугольником сопротивлений (См рисунок 1.2)

По теореме Пифагора вычислим Z = = = =118,08 Ом

По закону Ома вычислим максимальные значения тока и напряжения на рассмотренных элементах электрической цепи.

Im = Uc/z = 120/118.08 = 1.016 A Так как элементы электрической схемы соединены последовательно, ток, протекающий по ним общий, т.е IR = IL = 1.014 A. Падение напряжения на каждом элементе определяется:

UR = I * R = 1.014 * 100 = 101.6 В; UL = I * XL = 1.016 * 62.8 = 63.8 В.

Мы исследуем цепь переменного тока, поэтому сумма падений напряжения на каждом элементе не будет равна общему напряжению. Для вычисления мгновенных значений тока и напряжений построим векторную диаграмму. (См. рис.1.3)

Выберем масштаб по току и напряжению: m I = 2 : 1; m U = 1 : 10

Рисунок 1.3 Векторная диаграмма

Из векторной диаграммы найдем значение напряжения: U = = = = 119.7 В

Было задано напряжение 220 В Вычисления в пределах допустимой погрешности.

φ = arccos(UL/U) = arccos(63.8/119.7) = 57.82º

Вывод: В рассмотренной электрической схеме (рис.1.1) ток отстает от напряжения на 57°

Эксперимент 2.

Рисунок 2.1. Схема 2

Рисунок 2.2. Треугольник сопротивлений

Вычислим емкостное сопротивление Xс = 1/(2π f С) = 1/(2 * 3,14 * 50 * 20 * 10 –6 ) = 159,23 Ом

Так как ток в конденсаторе опережает напряжения на 90º, а в активном сопротивлении ток и напряжение совпадают по фазе для вычисления полного сопротивления цепи воспользуемся треугольником сопротивлений (См рисунок 2.2)

По теореме Пифагора вычислим Z = = = =188,03 Ом

По закону Ома вычислим максимальные значения тока и напряжения на рассмотренных элементах электрической цепи.

Im = Uc/z =120/188.03 = 0.64 A

Так как элементы электрической схемы соединены последовательно, ток, протекающий по ним общий, т.е IR = IC = 0,64 A. Падение напряжения на каждом элементе определяется:

UR = I * R = 0,64 * 100 = 64 В; UC = I * XC = 0,64 * 159,23 = 101.9 В.

Мы исследуем цепь переменного тока, поэтому сумма падений напряжения на каждом элементе не будет равна общему напряжению. Для вычисления мгновенных значений тока и напряжений построим векторную диаграмму. (См рис.2.3)

Выберем масштаб по току и напряжению: m I = 2 : 1; m U = 1 : 10

Рисунок 2.3. Векторная диаграмма

Из векторной диаграммы найдем значение напряжения: U = = = = 120.3 В

Было задано напряжение 220 В Вычисления в пределах допустимой погрешности.

φ = arccos(Uс/U) = arccos(101,9/120,3) = 32.12º

Вывод: В рассмотренной электрической схеме (рис. 2.3) ток опережает напряжение на 32°

Эксперимент 3.

Дана электрическая цепь, содержащая последовательно соединенные активное сопротивление R=100 Ом, конденсатор емкостью С=20 мкф. и катушку индуктивности L= 0.2 Гн. (См. рисунок 3.1) Напряжение сети 120 В, определить ток, протекающий в электрической цепи и падение напряжения на активном сопротивлении, конденсаторе и катушке.

Рисунок 3.1. Схема 3

Рисунок 3.2. Треугольник сопротивлений

Значения индуктивного и емкостного сопротивления возьмем из предыдущих экспериментов. XC = 159,23 Ом XL= 62,8 Ом

Так как ток в конденсаторе опережает напряжения на 90º, а в индуктивности ток отстает от напряжения на 90º, то катет аб в треугольнике сопротивлений (См рисунок 3.2) определяется как X = XL – XC = 159,23 – 62,8 = 96,43 Ом

По теореме Пифагора вычислим Z = = = =138,9 Ом
По закону Ома вычислим максимальные значения тока и напряжения на рассмотренных элементах электрической цепи.

Im = Uc/z = 120/138.9 = 0.86 A

Так как элементы электрической схемы соединены последовательно, ток, протекающий по ним общий, т.е IR = IC = IL = 0,86 A. Падение напряжения на каждом элементе определяется:

UR = I * R = 0,86 * 100 = 86 В; UC = I * XC= 0,86 * 159,23 = 136.9 В. UL = I * XL= 0,86 * 62.8 = 54 В.

Мы исследуем цепь переменного тока, поэтому сумма падений напряжения на каждом элементе не будет равна общему напряжению. Для вычисления мгновенных значений тока и напряжений построим векторную диаграмму. (См рис.3.3)

Выберем масштаб по току и напряжению: m I = 2 : 1; m U = 1 : 10

д3.JPG

Рисунок 3.3 Векторная диаграмма

Из векторной диаграммы найдем значение напряжения: U = = = = 119.45 В

Было задано напряжение 220 В Вычисления в пределах допустимой погрешности.

φ = arcos((UC – UL)/U) = arccos(82.9/119,45) = 46.07º

Вывод: В рассмотренной электрической схеме (рис. 3.3) ток опережает напряжение на 32°

Источник

Расчет неразветвленной цепи переменного тока

Цепь переменного тока содержит различные элементы (резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы), включенные последовательно. Общий вид цепи показан на рисунке 1. В зависимости от данных нарисовать схему и определить следующие величины:

1) полное сопротивление цепи Z;

2) падение напряжения на каждом элементе и напряжение U, приложенное к цепи;

3) ток I в неразветвленной части цепи;

4) угол сдвига фаз (по величине и знаку);

Читайте также:  Какие действия электрического тока всегда сопровождают его прохождение через металлы

5) активную, реактивную и полную мощности для всей цепи;

6) определить характер цепи.

Начертить в масштабе векторную диаграмму напряжений, треугольники сопротивлений и мощностей, и пояснить их построение.

№ п/п Активное сопротивление, Ом Емкостное сопротивление, Ом Индуктивное сопротивление, Ом Емкость, мкФ Индуктивность, мГн Частота, Гц Дополнительный параметр
R1 R2 R3 XC2 XC3 XL1 XL3 С1 С2 L1 L2 f
I=4 A
P1=150 Вт
S=180 ВА
Q=150 Вар
Р=24 Вт
Q=300 Вар
Q=64 Вар
Р1=48 Вт
S=300 ВА
I=4 А
38,2 U=120 В
U=140 В
Uа1=100 В
U=120 В
Р1=120 Вт

R1 R2 R3 XC2 XC3 XL1 XL3 С1 С2 L1 L2 f
Q=500 Вар
I=4 А
Р1=48 В
S=200 ВА
Q=640 Вар
I=6 А
S=150 ВА
Р=200 Вт
Р2=40 Вт
Uа3=40 В
Q=300 ВА
Р1=100 Вт
U=56 В
I=2 А
Р=100 Вт

Расчет разветвленной цепи переменного тока

Разветвленная цепь переменного тока состоит из трех параллельных ветвей, содержащих различные элементы (резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы). Общий вид цепи показан на рисунке 1. П Р И М Е Ч А Н И Е: Индекс «1» — у дополнительного параметра означает, что он относится к первой ветви; индекс «2» — ко второй, «3» — к третьей. В зависимости от данных нарисовать схему и определить следующие величины:

7) полные сопротивления ветвей Z1, Z2, Z3;

8) активные и реактивные проводимости параллельных ветвей;

10) ток I в неразветвленной части цепи;

11) угол сдвига фаз (по величине и знаку);

12) активную, реактивную и полную мощности для всей цепи.

Начертить в масштабе векторную диаграмму и пояснить ее построение.

№ п/п Активное сопротивление, Ом Емкостное сопротивление, Ом Индуктивное сопротивление, Ом Дополнительный параметр
R1 R2 R3 XC2 XC3 XL1 XL3
I1=5 A
P2=128 Вт
S=180 ВА
Q=150 Вар
UR1=144 В
I2=5 A
UL1=144 В
U=48 В
U=50 В
QL2=120 Вар
U=100 В
R1 R2 R3 XC2 XC3 XL1 XL3
U=140 В
Uа1=100 В
Uа2=120 В
Р1=50 Вт
Q=90 Вар
S=100 ВА
U=50 В
Р=40 Вт
Q=100 Вар
U=50 В
S=120 ВА
U=80 В
Р=40 Вт
Q=80 Вар
U=100В
Р=120 Вт
Q=100 Вар
U=60 В
S=80 ВА

Расчет трехфазной цепи.

1. В трехфазную четырехпроводную сеть с линейным напряжением Uл включили звездой разные по характеру сопротивления (рисунок 1). Определить фазное напряжение, активную, реактивную, полную мощности. Найти линейные токи и начертить в масштабе векторную диаграмму цепи. По векторной диаграмме определить числовое значение тока в нулевом проводе (задача для четных номеров).

Рисунок 1. Рисунок 2.

2. В трехфазную сеть с линейным напряжением Uл включены треугольником разные по характеру сопротивления (рисунок 2). Определить фазные и линейные токи, активную, реактивную и полную мощности потребляемой всей цепью. Начертить векторную диаграмму цепи и по ней определить числовые значения линейных токов. (задача для нечетных номеров)

ПРИМЕЧАНИЕ. Все данные приведены в таблице №1. Схему рисовать исходя из данных.

№ п.п. Дополнительный параметр Сопротивления фазы А, Ом Сопротивления фазы В, Ом Сопротивления фазы С, Ом
R XL XC R XL XC R XL XC
1. Uл=380 В
2. Uл=380 В
3. Uф=220 В
4. Uл=660 В
5. Uф=380 В
6. Uл=380 В
7. Uф=220 В
8. Uл=220 В

№ п.п. Дополнительный параметр Сопротивления фазы А, Ом Сопротивления фазы В, Ом Сопротивления фазы С, Ом
R XL XC R XL XC R XL XC
9. Uф=220 В
10. Uл=380 В
11. Uл=680 В
12. Uф=127 В
13. Uл=180 В
14. Uф=220 В
15. Uл=480 В
16. Uл=220 В
17. Uл=280 В
18. Uф=380 В
19. Uф=320 В
20. Uф=200 В
21. Uф=300 В
22. Uф=120 В
23. Uл=400 В
24. Uф=220 В
25. Uл=600 В
26. Uф=320 В
27. Uф=420 В
28. Uф=420 В
29. Uф=200 В
30. Uф=220 В

1.6. Примеры решения типовых задач

Определить эквивалентное сопротивление цепи показанной на рис.1, если R1=R3=R5=R6=3 Ом, R2=20 Ом, R4=24 Ом. Найти силу тока идущего через каждый резистор, если к цепи приложено напряжение U=36В.

1. Определяем эквивалентное сопротивление цепи Rэк. Сопротивления R3, R4, R5 соединены последовательно

2. Сопротивления R2 и R3-5 соединены параллельно, поэтому

3. Сопротивления R1, R2-5, R6 соединены последовательно

4. Показываем на схеме токи, протекающие по каждому сопротивлению, и находим их. Так как напряжение U приложено ко всей цепи, то согласно закону Ома

5. Так как сопротивления R1, R2-5, R6 соединены последовательно, то А

6. Найдем падения напряжения

Указания к решению задач 2 и 3.

Эти задачи относятся к разветвленным и неразветвленным переменного тока. Перед их решением изучите материал темы 3.1., ознакомьтесь с методикой построения векторных диаграмм.

Пример 2. Активное сопротивление катушки rк=6 Ом, индуктивность ее L=0,0318. Последовательно с катушкой включено активное сопротивление R=2 Ом и конденсатор емкостью С=795 мкФ. К цепи приложено напряжение U=100 В. Определить: полное сопротивление цепи, силу тока, коэффициент мощности, активную, реактивную и полную мощности, напряжения на каждом сопротивлении. Начертить в масштабе векторную диаграмму. Частота тока в цепи f=50 Гц.

Читайте также:  Как подключить транзистор чтобы он усилил ток

Решение:

1. Найдем индуктивное сопротивление катушки и емкостное сопротивление конденсатора

2. Полное сопротивление цепи Ом

4. Коэффициент мощности , по таблице Брадиса находим

Определяя угол сдвига фаз через четную функцию косинус, мы теряем знак угла. Поэтому в тех случаях, где важен знак угла, следует пользоваться нечетными его функциями (синусом или тангенсом). В нашем примере

Знак плюс у угла показывает, что напряжение опережает ток.

5. Активная мощность Вт

6. Реактивная мощность Вар

7. Полная мощность ВА

8. Для построения векторной диаграммы найдем напряжения на сопротивлениях цепи

Построение векторной диаграммы начнем с выбора масштабов для тока и напряжения. Задаемся масштабом по току: в 1 См-4 А и масштабом по напряжению: в 1См – 20 В.

Построение векторной диаграммы начнем с вектора тока, который откладываем по горизонтали в масштабе

Вдоль вектора тока откладываем напряжения на активных сопротивлениях rk и R:

Из конца вектора UR откладываем в сторону опережения (против часовой стрелки) вектора тока на 90 0 вектор напряжения UL на индуктивном сопротивлении. Длина вектора

Из конца вектора UL откладываем в сторону отставания от вектора тока на 90 0 вектор напряжения на емкостном сопротивлении UC. Длина вектора

Геометрическая сумма векторов Uk, UR, UL, UC представляет полное напряжение U. Так как длина вектора равна 5 см, то величина напряжения составит

Пример 3. Катушка с активным сопротивлением r=20 Ом и индуктивным сопротивлением XL= 15 Ом, соединена параллельно с конденсатором, емкостное сопротивление которого XC=50 Ом. Определить токи в ветвях и в неразветвленной части цепи, активные и реактивные мощности ветвей и всей цепи; начертить в масштабе векторную диаграмму. К цепи приложено напряжение U=100 В.

Решение:

1. Найдем токи в ветвях

2. Углы сдвига фаз будем находить по синусам во избежание потери знаков углов:

1>0, т.е. напряжение опережает ток)

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник



Общий случай расчета неразветвленной цепи. Топографические векторные диаграммы.

Для неразветвленной цепи, содержащей несколько активных и реактивных сопротивлений различного характера, справедливо геометрическое равенство напряжений.

1. Напряжение цепи равно геометрической сумме на всех участках

2. Активное напряжение цепи равно арифметической сумме активных напряжений активных участков

3. Реактивное напряжение цепи равно алгебраической сумме реактивных напряжений на реактивных участках цепи.

Далее строим топографическую диаграмму.

Активная и реактивная составляющая тока. Проводимости цепей переменного тока.

Для расчета разветвленных цепей синусоидального тока вводятся расчетные величины активного и реактивного токов.

Если к цепи, с активным сопротивлением и индуктивностью, приложено синусоидальное напряжение, то ток, проходящий по данной цепи, будет отставать от напряжения на ϕ.

Данный ток разложим на две составляющие:

IAактивный ток. Он совпадает по фазе с напряжением.

IРреактивный ток. Он отстает от напряжения на 90 О .

Эти токи не имеют физического смысла, являются расчетными величинами и значительно облегчают расчет разветвленных цепей синусоидального тока.

Из треугольника токов запишем выражение для активного и реактивного токов, через общий ток:

— активная проводимость.

Активная проводимость определяет активный ток и определяется величиной активного сопротивления, деленного на квадрат полного сопротивления цепи.

— реактивная проводимость.

Реактивная проводимостьопределяет реактивный ток и является отношением реактивного сопротивления деленного на квадрат полного сопротивления цепи.

Из выражения полного тока найдем полную проводимость:

— полная проводимость.

Полная проводимость является обратной величиной полного сопротивления

46. Разветвленная RLC цепь.

Если к источнику синусоидального напряжения подключить катушку индуктивности и

конденсатор параллельно, то токи в ветвях будут протекать следующим образом:

Построим векторную диаграмму токов и напряжений:

Из диаграммы видно, что обычный ток i будет равен i=Imsin(ωt±ϕ).

Знак «-», перед начальной фазой, означает, что характер цепи – индуктивный.

Знак «+», перед начальной фазой, означает, что характер цепи – емкостной.

Если знак не тот и не другой, то ϕ отсутствует.

47. Резонанс токов.

Резонанс токов наступает в цепи синусоидального тока с параллельным соединением катушки индуктивности и конденсатора, при равенстве реактивных проводимостей: bL=bC
Особенности цепи при резонансе:

1. Полная проводимость равна активной проводимости

2. Результирующий ток при резонансе токов

— min

3. Полная мощность при резонансе токов

4. Коэффициент мощности при резонансе токов

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник