Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова» Кафедра «Электротехника» ЭЛЕКТРОТЕХНИКА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКИХ РАБОТ Ижевск Издательство ИжГТУ 2013 УДК 621. 3. 378 (07) Рецензент Юран С.И., д-р техн. наук, профессор кафедры «Автоматизированный электропривод» ИжГСХА Со с т а в и т е л и Пиманова О.В., старший преподаватель Штин А.А., канд. техн. наук, доцент Рекомендовано к изданию на заседании кафедры «Электротехника» ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т.Калашникова» (протокол № 44 от 6 ноября 2013 г.). Электротехника. : Метод. указ. по вып. рас.- граф. раб. / сост. О.В.Пиманова, А.А.Штин. – Ижевск : Изд-во ИжГТУ, 2013. – Учебно-методическое пособие методические указания содержат исходные данные к пяти расчетно-графическим работам в количестве 100 вариантов. Для каждой расчетно-графической работы приведен пример решения с конкретными числовыми данными. Методические указания предназначены для использования в курсах «Электротехника», «Электротехника и электроника», «Электротехника и электропривод». УДК 621.3 (07) ФБГОУ ВПО «Ижевский государственный технический университет имени М.Т.Калашникова, 2013 Пиманова О.В., Штин А.А., составление, 2013 Общие указания по выполнению расчетно-графических работ 1. Расчетно-графические работы выполняются на листах формата А4. Текст, формулы и векторные диаграммы набираются в каком-либо текстовом редакторе (шрифт Times New Roman, размер - 14). Допускается выполнение расчетно-графической работы в рукописной форме аккуратным почерком. 2. Графики желательно выполнять с помощью какой-либо программы (Advanced Grapher, Excel и т.п.). 3. Все этапы выполнения расчетно-графической работы должны быть кратко объяснены. 4. Расчетно-графическая работа должна включать список литературы. 5. Титульный лист расчетно-графической работы должен включать: - название учебного заведения; - название кафедры; - название расчетно-графической работы (или нескольких работ, если они объединены в одной пояснительной записке); - номер варианта; - фамилию, и., о. студента; - индекс группы; - фамилию, и., о. преподавателя, выдавшего задание. Расчетно-графическая работа № 1 Расчет линейных цепей постоянного тока 1. По заданному номеру варианта из табл.1 выбрать схему цепи и численные данные для расчета. Знак «– » означает, что данный элемент отсутствует. 2. Рассчитать все токи в цепи классическим методом на основе законов Кирхгофа. 3. Рассчитать все токи в цепи методом контурных токов. 4. Сравнить полученные результаты. 5. Произвести проверку расчетов с помощью баланса мощностей. R3 R4 E2 R1 E1 R1 R6 R3 E2 Рис. 1. Схема №1 R5 R2 R5 R2 E3 R6 R4 E1 Рис. 2. Схема №2 E3 R3 R3 E2 E3 R5 R2 R1 R5 R2 R6 R4 E1 R1 E1 E3 Рис. 3. Схема №3 R6 R4 E2 Рис. 4. Схема №4 Таблица 1 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 Рис. № 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 2 2 E1, В 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 10 10 20 20 30 30 40 40 E2, В 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 30 40 30 40 30 40 30 40 30 40 50 60 50 60 50 60 50 60 E3, В - R1, Ом R2, Ом R3, Ом R4, Ом R5, Ом R6, Ом 10 10 10 10 10 10 10 10 20 20 20 20 20 20 20 30 30 30 30 30 30 30 30 30 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 40 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 30 30 30 30 30 30 30 30 60 60 60 60 60 60 60 60 30 30 30 30 30 30 30 30 60 60 60 60 20 20 20 20 40 40 40 40 20 20 20 20 40 40 40 40 20 20 20 20 40 40 40 40 20 20 20 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 - 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 4 4 4 50 50 60 60 70 70 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 - 50 60 50 60 50 60 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 10 10 20 20 30 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 30 40 30 40 30 40 30 40 30 40 50 60 50 60 50 60 50 60 50 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 30 40 30 40 30 40 40 40 40 40 40 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 40 40 40 40 40 40 40 40 40 60 60 60 60 60 60 60 - 60 60 60 60 60 60 10 10 10 10 10 10 10 10 20 20 20 20 20 20 20 30 30 40 30 40 50 60 50 60 50 60 50 60 50 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 30 40 30 40 30 60 60 60 60 30 30 40 40 40 40 40 40 40 40 40 60 60 60 40 40 40 40 20 20 40 40 40 40 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 10 10 10 10 10 10 10 10 20 20 20 20 20 20 20 60 60 60 10 20 10 20 10 20 20 40 40 40 40 20 20 20 20 40 40 40 40 20 20 20 20 40 40 40 40 20 20 20 20 40 40 40 40 20 20 40 40 40 40 60 60 60 60 20 40 40 40 40 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 20 40 40 40 40 20 20 20 10 20 10 20 10 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 - 30 40 40 50 50 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 70 70 80 80 90 40 30 40 30 40 50 60 50 60 50 60 50 60 50 60 50 60 50 60 10 20 10 - 40 50 60 50 60 50 60 50 60 50 10 20 10 20 10 20 10 20 10 20 30 40 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 60 10 10 40 40 40 40 40 40 40 60 60 60 60 60 60 60 10 10 10 10 10 10 10 10 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 40 40 40 40 20 20 40 40 40 40 60 60 60 60 20 40 40 40 20 10 20 10 20 10 20 10 20 20 40 40 40 40 20 20 20 10 20 10 20 10 Пример расчета Пусть необходимо рассчитать цепь, схема которой показана на рис.5. R4 I4 R5 R2 I1 R1 E1 I2 I3 R3 I5 E2 R6 I6 E3 Рис. 5 Исходные данные: Е1 = 20 В, E2 = 0, E3 = 30 В, R1 = 10 Ом, R2 = 20 Ом, R3 = 25 Ом, R4 = 40 Ом, R5 = 15 Ом, R6 = 0. Расчет цепи классическим методом 1. Определяем топологические элементы цепи. В частности, цепь содержит четыре узла, шесть ветвей и семь контуров. Поэтому необходимо найти значения шести токов. Число уравнений, составляемых по законам Кирхгофа, также равно шести. При этом число уравнений по пер- вому закону Кирхгофа должно быть на единицу меньше числа узлов, то есть оно в данном случае равно трем. 2. Выбираем обозначения и направления токов в ветвях, как показано на рис. 5. 3. Выбираем три контура и направления их обхода. На рис.5 выбраны три внутренних контура и направления обхода по часовой стрелке. Контура должны включать все элементы цепи. 4. Составляем три уравнения по первому закону Кирхгофа и три уравнения по второму закону Кирхгофа (1) I1 I 2 I 4 0 I I I 0 2 3 5 I 4 I 5 I 6 0 I1R1 I 2 R2 I 3 R3 E1 E2 I 2 R2 I 4 R4 I 5 R5 0 I 3 R3 I 5 R5 `E2 E3 (1) 5. Решаем систему (1) любым методом и получаем значения токов: I1 = –0,13 A, I2 = 0,087 A, I3 = 0,783 A, I4 = –0,217 A, I5 = –0,696 A, I6 = 0,913 A. На рис. 6 показан листинг для программы MathCAD 13, позволяющей решить алгебраическую систему практически без затрат времени. Можно решить систему вручную методом подстановки, изложенном в курсе средней школы. Рис. 6 Рис. 6 Заметим, что отрицательные значения токов свидетельствуют о несоответствии реальных направлений токов ранее выбранным направлениям. Расчет цепи методом контурных токов 1. Определяем количество уравнений, составляемых в соответствии с данным методом. Оно должно быть равно числу уравнений, составляемых по второму закону Кирхгофа в классическом методе расчета, то есть трем. 2. Выбираем три контура и направления соответствующих контурных токов. Выберем контурные токи I11, I22 и I33, как показано на рис. 7. R4 I4 I22 R5 R2 I1 R1 I2 E1 I3 I5 R3 E2 I11 I33 R6 I6 E3 Рис. 7 3. Составляем систему уравнений по методу контурных токов I11( R1 R2 R3 ) I 22 R2 I 33R3 E1 E 2 I11R2 I 22 ( R2 R4 R5 ) I 33R5 0 . I R I R I ( R R ) E E 5 2 3 11 3 22 5 33 3 (2) 4. Решаем систему (2) и находим контурные токи: I11 = –0,13 A, I22 = –0,217 A, I33 = –0,913 A. 5. Находим реальные значения токов в ветвях: I1 = I11= –0,13 A, I2 = I11–I22 = 0,087 A, I3 = I11–I33 = 0,783 A, I4 = I22 = –0,217 A, I5 = I22–I33 = 0,696 A, I6 = –0,913 A. Отрицательное значение тока свидетельствует о том, что реальное направление тока противоположно направлению соответствующего контурного тока. Сравнивая значения токов, полученных двумя методами, можно заметить, что они практически совпадают. Проверка результатов расчета методом баланса мощностей Баланс мощностей основан на законе сохранения энергии и выражается следующей формулой n n n k 1 k 1 k 1 Ek I k J kU k I k2 Rk , (3) где k – номер ветви, n – число ветвей, Ek – ЭДС источника напряжения, Jk – ток источника тока, Ik – ток, Rk – активное сопротивление. Для цепи, показанной на рис.5, формула (3) приводится к следующему виду E1 I1 E2 I 3 E3 I 6 I12 R1 I 22 R2 I 32 R3 I 42 R4 I 52 R5 I 62 R6 . Подставляем численные данные и получаем 24,79 Вт = 24,79 Вт. Таким образом, проверка методом баланса мощностей подтвердила правильность расчетов. Расчетно-графическая работа № 2 Расчет линейной цепи переменного синусоидального тока 1. По заданному номеру варианта из табл.2 выбрать численные данные для расчета. Прочерк в графе означает, что данный элемент отсутствует. 2. Рассчитать все токи в цепи на рис.8 символическим методом. 3. Построить векторную диаграмму. Вектора токов и напряжений отложить на одной диаграмме. 4. Рассчитать показания ваттметра P. Примечание: частота источников напряжения равна 50 Гц. В табл.2 обозначены: - начальная фаза, Em – амплитудное значение ЭДС. R1 L1 * * R3 P C1 R2 E1 E3 E2 Рис. 8 Таблица 2 Вариант 1 2 3 4 Em1, В Em2, В Em3, В , град. R1, Ом R2, Ом R3, Ом L1, Гн 20 20 20 20 - - 30 60 90 120 10 10 20 20 20 30 40 50 - 0,10 0,15 0,20 0,25 C1 , мкФ 20 30 40 50 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 20 20 40 40 40 40 40 40 60 60 60 60 60 60 80 80 80 80 80 80 100 100 100 100 100 100 120 120 120 120 - 20 20 20 20 20 20 40 40 40 40 40 40 60 60 60 60 60 60 80 80 - 150 180 210 240 270 300 330 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 30 60 90 120 150 180 30 30 40 40 50 50 60 60 60 70 70 80 80 90 90 100 100 110 110 120 120 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 60 70 70 80 80 90 90 100 100 110 110 120 120 - 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 10 10 20 20 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 - 80 80 80 80 100 100 100 100 100 100 120 120 - 20 20 20 20 20 20 40 40 40 40 40 40 60 60 60 60 60 60 80 80 80 80 80 80 100 100 100 100 100 100 120 120 20 20 210 240 270 300 330 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0 30 60 90 120 Пример расчета 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 40 50 60 70 80 90 100 20 30 30 40 40 50 50 60 60 60 70 70 80 80 90 90 100 100 110 110 120 120 10 10 20 20 30 30 40 40 50 50 60 60 60 70 70 80 80 90 90 100 100 110 110 120 120 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 0,15 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 40 50 60 70 80 20 30 Пусть необходимо произвести расчет цепи (рис. 8) для следующих числовых значений параметров: Em1 = 100 В, Em2 = Em3 = 0, = 90о, R1 = 200 Ом, R2 = 300 Ом, R3 = 0, L1 = 0,7 Гн, С1 = 10 мкФ. 1. Находим реактивные сопротивления индуктивности L1 и емкости C1 X C1 1 , X L1 2fL1 . 2fC1 (4) Подставив в формулу (4) численные данные, получаем XC1 = 318 Ом, XL1 = 220 Ом. 2. Представим источник синусоидального напряжения в виде e1 (t ) Em1 sin( t ), где Em1 = 100 В, = 90o. Для расчета цепи символическим методом необходимо представить источник в виде так называемого комплекса действующего значения o E E1 m1 e j 71e j 90 В 2 3. Обозначим токи İ1, İ2 и İ3, и выберем их направления, как показано на рис.9. İ1 İ3 İ2 Рис. 9 Рис. 2 Рис. 10 Рис. 10 Находим комплексное сопротивление цепи относительно зажимов источника Е1. Схема цепи при этом будет выглядеть, как показано на рис. 10. Комплексное сопротивление определяем по правилам для последовательного и параллельного соединения элементов 1 jC1 Z 1 jL1 R1 . 1 R2 jC1 R2 Подставив в формулу (5) численные значения, получаем (5) Z 1 366 e j11 Ом. o 4. Находим ток İ1 j 90o o E 71 e I1 1 0,19 e j 79 A. j11o Z1 366e 5. Находим комплексное сопротивление участка цепи, содержащего элементы R2 и C1 1 o jC1 Z2 219 e j 43 Ом. 1 R2 jC1 R2 6. Находим падение напряжения на элементах R2 и C1 o o o U R2 U C1 I1 Z 2 0,19 e j 79 219 e j 43 42 e j 36 В. 7. Находим токи İ2 и İ3 U R2 j 36o j 36o j 36o U o 42 e 42 e 42 e C j 36 j126o 1 I2 0,14 e A, I3 A. o 0,13 e 1 R2 300 j 318 318 e j 90 jC1 8. Методика построения векторной диаграммы токов и напряжений. Для построения найдем напряжения U R1 и U L1 o o U R1 I1 R1 0,19 e j 79 200 38 e j 79 В, o o o o U L1 I1 jL1 0,19 e j 79 j 220 0,19 e j 79 220 e j 90 42 e j169 В. Выбираем масштабы по току и по напряжению mU = 10 В/см, mI = 0,05 А/см. Определяем длины векторов: 0,19 0,14 0,13 38 3,8см, l I 2 2,8см, l I3 2.6см, lU R1 3,8см, 0,05 0,05 0,05 10 42 42 71 4,2см, lU R lUC1 4,2см, l E1 7,1см. 2 10 10 10 l I1 lU L1 Откладываем вектора вышеуказанных величин на комплексной плоскости с соответствующими углами, как показано на рис.11. E1 I1 U R1 U L1 I3 U R2 U C1 I2 Рис. 11. Векторная диаграмма для токов и напряжений Как видно из рис. 11, для данной цепи выполняются первый и второй законы Кирхгофа I1 I2 I3 , E1 U R1 U L1 U R2 . 9. Рассчитываем показания ваттметра. Для вычисления мощности в комплексной форме необходимо перемножить комплекс напряжения на сопряженный комплекс тока. Действительная часть полученного выражения будет соответствовать активной мощности, то есть представлять показания ваттметра. Применительно к данной цепи полная мощность o ~ S U R2 I3 P jQ, I3 0,13 e j126 . В результате получаем o o o ~ S 42 e j 36 0,13 e j126 5,5 e j 90 5,5 j. (6) Поскольку действительная часть выражения (6) равна нулю, то и активная мощность в данном случае равна нулю P 0 Вт Действительно, нагрузкой для ваттметра является идеальная емкостная нагрузка С1, которая не потребляет активной мощности. Контрольная работа № 3 Расчет амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик четырехполюсника 1. По заданному номеру варианта выбрать схему цепи и параметры элементов. 2. Рассчитать амплитудно-частотную характеристику цепи. 3. Рассчитать фазо-частотную характеристику цепи. 4. Построить график амплитудно-частотной характеристики. 5. Построить график фазо-частотной характеристики. L1 R1 C1 R2 R1 Рис.12 R1 R2 Рис.13 R1 R2 R2 L1 Рис.14 Рис.15 R1 R1 R2 Рис.16 L1 R2 Рис.17 C1 L1 C1 R1 R1 R2 R2 Рис.18 Рис.19 Примечания: - графики желательно (но не обязательно) построить в логарифмическом масштабе; - на графиках нужно показать частоту среза. Таблица 3 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 № схемы 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 12 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 13 14 14 14 R1, кОм 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4,7 4,7 4,7 4,7 5,6 5,6 5,6 5,6 1 1 1 1 2 2 2 R2, кОм 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 L1, мГн 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 0,25 0,30 0,35 C1, мкФ 0,1 0,15 0,22 0,33 0,47 0,68 0,1 0,15 0,22 0,33 0,47 0,68 - 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 14 14 14 14 14 14 14 14 14 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 15 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 16 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 17 18 18 18 18 18 2 3 3 3 3 4,7 4,7 4,7 4,7 5,6 5,6 5,6 5,6 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4,7 4,7 4,7 4,7 5,6 5,6 5,6 5,6 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4,7 4,7 4,7 4,7 5,6 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 0,40 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,10 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 - 0,1 0,15 0,22 0,33 0,47 0,68 0,1 0,15 0,22 0,33 0,47 0,68 0,1 0,15 0,22 0,33 0,47 0,68 0,1 0,15 0,22 0,33 0,47 0,68 1,0 0,91 0,82 0,75 0,68 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 18 18 18 18 18 18 18 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 19 5,6 5,6 5,6 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4,7 4,7 4,7 4,7 5,6 5,6 5,6 5,6 3 3 3 3 3 3 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 3 3 3 3 3 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 10 15 20 25 0,56 0,51 0,47 0,43 0,39 0,36 0,33 - Пример расчета 1. Пусть необходимо рассчитать АЧХ и ФЧХ схемы, представленной на рис. 20. Исходные данные: R1 = 1 кОм, R2 = 2 кОм, L1 = 50 мГн. Рис. 20 1. Определяем комплексный коэффициент передачи. Известно, что комплексный коэффициент передачи Г-образной цепи определяется в виде K ( j ) Z 1 R1 , Z2 , где Z1 Z 2 Z2 R2 jL1 . R2 jL1 Получаем комплексный коэффициент передачи R2 jL1 R2 jL1 R2 jL1 K ( j ) . R2 jL1 R R j L R j L R 1 2 1 1 1 2 R1 R2 jL1 (7) 2. Находим модуль комплексного коэффициента передачи (АЧХ). Модуль комплексной дроби можно представить в виде отношения модуля числителя к модулю знаменателя K ( j ) R2L1 ( R1 R2 ) 2 (L1 R1 L1 R2 ) 2 . 3. Находим аргумент комплексного коэффициента передачи ( ) arctg Im K ( j ) , Re K ( j ) где ImK(j) и ReK(j) – соответственно мнимая и действительная части комплексного коэффициента передачи. Для определения ImK(j) и ReK(j) необходимо представить K(j) в явной алгебраической форме a + jb. Умножаем числитель и знаменатель в формуле (7) на сопряженное к знаменателю число K ( j ) R2 jL1 ( R1 R2 jL1 R1 jL1 R2 ) . ( R1 R2 jL1 R1 jL1 R2 ) ( R1 R2 jL1 R1 jL1 R2 ) Получаем ImK(j) и ReK(j) в виде L1R1R22 2 L12 R1R2 2 L12 R22 Im K ( j ) , Re K ( j ) . ( R1 R2 ) 2 (L1 R1 L1 R2 ) 2 ( R1 R2 ) 2 (L1R1 L1 R2 ) 2 Находим ФЧХ ( ) arctg R2 R1 . L1 R1 L1 R2 Строим графики АЧХ и ФЧХ. При построении графиков нужно необходимо по оси Х откладывать частоту f в Гц (вместо параметра нужно подставлять 2f). Для построения графиков можно использовать такие программы как MS Excel, Mathcad, Advanced Grapher. Последняя программа выложена на сайте ИжГТУ (istu.ru). Допускается выполнение графиков вручную. При этом они должны выполняться на миллиметровой бумаге. На рис. 10 показан график АЧХ данной цепи, построенный в MS Excel. |K(j) 1 Рис. 10 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 f, кГц Рис. 10 На рис. 11. показан график ФЧХ данной цепи, построенный в MS Excel. () 100 80 60 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 f, кГц Рис. 11 На рис. 12 показан график АЧХ, построенный в программе Mathcad 14. Рис. 12 На рис. 12 показан график ФЧХ, построенный в программе Mathcad 13. 100 80 60 ( f) 40 20 0 2 4 6 f Рис. 13 8 10 Расчетно-графическая работа № 4 Расчет переходных процессов 1. По заданному номеру варианта из табл.4 выбрать схему цепи и численные данные для расчета. 2. Рассчитать переходные процессы для всех токов и напряжений. 3. Построить графики токов и напряжений. Примечания: - контакт замыкается в момент времени t = 0; - расчет переходных процессов производить классическим методом; - характеристическое уравнение составлять на основе комплексного сопротивления Z(jω); - расчет производить для нулевых начальных условий. K1 R1 R2 R1 R2 L1 Е L1 Е K1 Рис. 14 K1 Рис. 15 R1 R2 R1 R2 Е Е C1 K1 C1 Рис. 16 Рис. 17 Таблица 4 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 Рис. № 1 2 3 4 1 2 3 4 E, В 2 4 6 8 10 12 14 16 R1, Ом 100 150 200 250 300 350 400 450 R2, Ом 300 350 400 200 500 100 200 400 C1, мкФ – – 1 1 – – 2 2 L1, Гн 0,1 0,2 – – 0,3 0,4 – – 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500 100 150 200 300 350 450 100 150 200 150 300 250 200 300 200 300 350 400 200 500 100 200 400 300 350 – – 3 3 – – 4 4 – – 5 5 – – 1 1 – – 2 2 – – 0,5 0,5 – – 0,6 0,6 – – 0,7 0,7 – – 0,1 0,2 – – 0,3 0,4 – – 0,5 0,5 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 2 4 6 8 10 12 14 16 250 300 350 400 450 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500 100 150 200 450 100 150 200 150 300 250 200 300 200 300 350 400 200 500 100 200 400 300 350 450 100 150 200 150 300 250 3 3 – – 4 4 – – 5 5 – – 1 1 – – 2 2 – – 3 3 – – 4 4 – – – 0,6 0,6 – – 0,7 0,7 – – 0,1 0,2 – – 0,3 0,4 – – 0,5 0,5 – – 0,6 0,6 – – 0,7 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 120 250 300 350 400 450 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 200 300 200 300 350 400 200 500 100 200 400 300 350 450 100 150 200 150 300 250 200 300 200 300 350 400 200 500 100 200 400 300 350 450 100 150 200 150 300 250 200 300 200 – 5 5 – – 1 1 – – 2 2 – – 3 3 – – 4 4 – – 5 5 – – 1 1 – – 2 2 – – 3 3 – – 4 4 – – 5 5 0,7 – – 0,1 0,2 – – 0,3 0,4 – – 0,5 0,5 – – 0,6 0,6 – – 0,7 0,7 – – 0,1 0,2 – – 0,3 0,4 – – 0,5 0,5 – – 0,6 0,6 – – 0,7 0,7 – – Пример расчета Пусть необходимо рассчитать переходный процесс в цепи, показанной на рис.5. K1 R1 R2 R1 L1 Е E Рис. 18 R2 Рис. 19 Исходные данные: Е = 20 В, R1 = 10 Ом, R2 = 20 Ом, L1 = 0,1 Гн. Порядок расчета 1. Определяем величины, которые нужно рассчитать: iR1, iR2, iL1, uR1, uR2=uL1. 2. Находим принужденные значения величин. Для этого ветви с конденсаторами размыкаем, индуктивности заменяем участками с нулевым сопротивлением. В результате данную цепь можно представить виде, показанном на рис. 6. Из очевидных соображений (закон Ома) находим: iR1пр = E/R1 = 2 А, iR2пр = 0, iL1пр = E/R1 = 2 А, uR1пр = E = 20 В, uR2пр = uL1пр = 0. 3. Находим корень характеристического уравнения. Составляем выражение для комплексного входного сопротивления цепи. Для этого необходимо разорвать любую ветвь, например ветвь с индуктивностью. Источник напряжения при этом заменяем участком с нулевым сопротивлением. Цепь приобретает вид, показанный на рис.20. R1 R2 L1 Рис. 20 Пользуясь известными методами вычисления эквивалентных сопротивлений, находим Z ( j ) jL1 R1 R 2 . R1 R 2 Заменяем j на p и приравниваем полученное выражение к нулю Z ( p ) pL1 R1 R 2 0. R1 R 2 Находим корень характеристического уравнения p R1 R 2 67 с-1. ( R1 R 2) L1 4. Расчет начинаем с тех величин, для которых выполняются законы коммутации. В нашем случае это iL1. Записываем решение в общем виде iL1 = iL1пр + iL1св. Подставляем выражения для свободной и принужденной составляющих iL1 = 2 + A1ept. Учитывая, что iL1(0-) = iL1(0+) = 0, для t = 0 получаем 0 = 2 + A1, откуда A1= -2 A. Получаем выражение для iL1 iL1 = 2(1 – e-67t) A. Далее находим iR1 = iR1пр + iR1св или iR1 = 2 + A2ept. Поскольку iL1(0+) = 0, то iR1(0+) = iR2(0+) = E/(R1 + R2) = 0,67 A. Для t = 0 получаем 0,67 = 2 + A2, откуда A2 = -1,33 A. Получаем выражение для iR1 iR1 = 2 – 1,33e-67t A. Величину iR2 находим по первому закону Кирхгофа iR2 = iR1 – iL1 = 0,67e-67t A. Находим uR1 и uR2 по закону Ома uR1 = iR1R1 = iR1 = 20 – 13,3e-67t В, uR2 = uL1 = iR2R2 = 13,3e-67t В. 5. Строим графики полученных зависимостей для токов и напряжений. Рис.21. Графики токов (iL1, iR1, iR2) Рис.22. Графики напряжений (uR1, uR2 = uL1) В любом случае для получения нормального масштаба графика желательно выбирать временной диапазон от нуля до -3/p, где p – корень характеристического уравнения. Шаг желательно брать примерно -0,5/p. В нашем случае это приблизительно 0,048 с и 0,008 с. На рис.21 показаны графики для токов, на рис.22 – графики для напряжений. Графики построены с использованием программы Advanced Grapher. Контрольная работа № 5 Расчет линейных трехфазных цепей Задание. 1. По заданному номеру варианта из табл.2 выбрать схему цепи и численные данные для расчета. 2. Вычислить линейные и фазные токи, а также ток в нулевом проводе. 3. Определить суммарную активную, реактивную и полную мощности цепи. 4. Построить векторную диаграмму для токов и напряжений. 5. Сравнить результаты расчетов с векторной диаграммой. Примечания: - фазные токи определить символическим методом по закону Ома; - частоту линейного напряжения считать равной 50 Гц. А А R1 R1 C2 L2 0 О L1 R2 С R2 С C1 В В Рис. 23 А R1 L1 Рис. 24 А R1 C1 О R2 С C1 О L1 R2 С В В Рис. 25 A Рис. 26 R2 L2 A C1 L1 C R2 C2 R1 C R1 B B Рис. 27 Рис. 28 A A R2 L1 L1 C1 R1 C R1 C R2 C1 B B Рис. 29 Рис. 30 Таблица 5 Вариант 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 Рис. № 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14 15 16 U л, В 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 R1, Ом 50 50 100 100 200 200 50 50 100 100 100 200 200 100 50 50 100 100 200 200 50 50 100 100 200 200 50 50 100 100 200 200 200 50 50 100 100 200 200 R2, Ом 100 100 100 100 200 200 200 200 400 400 400 400 100 100 100 100 200 200 200 200 400 400 400 400 100 100 100 100 200 200 200 200 400 400 400 400 100 100 100 C1, мкФ – 16 16 16 – 16 16 16 – 33 33 33 – 33 33 33 – 66 66 66 – 66 66 66 – 16 16 16 – 16 16 16 – 33 33 33 – 33 33 C2, мкФ – 16 – – – 16 – – – 16 – – – 16 – – – 33 – – – 33 – – – 33 – – – 33 – – – 66 – – – 66 – L1, Гн 0,32 – 0,32 0,32 0,32 – 0,16 0,16 0,16 – 0,32 0,32 0,32 – 0,32 0,16 0,16 – 0,16 0,16 0,32 – 0,32 0,32 0,32 – 0,16 0,16 0,16 – 0,16 0,32 0,32 – 0,32 0,32 0,16 – 0,16 L2, Гн 0,16 – – – 0,32 – – – 0,16 – – – 0,16 – – – 0,16 – – – 0,16 – – – 0,32 – – – 0,16 – – – 0,16 – – – 0,32 – – 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Вариант 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 17 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 Рис. № 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 12 13 14 15 16 17 10 11 380 220 380 220 380 220 380 220 380 220 380 U л, В 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 380 360 340 320 300 320 300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 50 50 100 100 200 200 50 50 100 100 200 R1, Ом 60 60 120 120 100 100 150 150 100 100 100 200 200 100 60 60 100 100 200 200 50 50 100 100 200 200 50 50 100 100 220 220 220 50 50 100 100 200 200 50 50 100 100 200 200 50 50 100 100 200 200 200 200 400 400 400 400 100 100 R2, Ом 100 100 100 100 200 200 200 200 300 300 300 300 100 100 100 100 200 200 200 200 400 400 400 400 100 100 100 100 200 200 200 200 300 300 300 300 100 100 100 100 200 200 200 200 400 400 400 400 33 – 16 16 16 – 16 16 16 – 16 C1, мкФ – 16 16 16 – 16 16 16 – 33 33 33 – 33 33 33 – 66 66 66 – 66 66 66 – 16 16 16 – 16 16 16 – 33 33 33 – 33 33 33 – 16 16 16 – 16 16 16 – – 66 – – – 66 – – – 66 C2, мкФ – 16 – – – 16 – – – 16 – – – 16 – – – 33 – – – 33 – – – 33 – – – 33 – – – 66 – – – 66 – – – 66 – – – 66 – – 0,16 0,16 – 0,32 0,32 0,32 – 0,16 0,16 0,16 – L1, Гн 0,32 – 0,32 0,32 0,32 – 0,16 0,16 0,16 – 0,32 0,32 0,32 – 0,32 0,16 0,16 – 0,16 0,16 0,32 – 0,32 0,32 0,32 – 0,16 0,16 0,16 – 0,16 0,32 0,32 – 0,32 0,32 0,16 – 0,16 0,16 0,16 – 0,32 0,32 0,32 – 0,16 0,16 – 0,32 – – – 0,16 – – 0,16 – L2, Гн 0,16 – – – 0,32 – – – 0,16 – – – 0,16 – – – 0,16 – – – 0,16 – – – 0,32 – – – 0,16 – – – 0,16 – – – 0,32 – – – 0,32 – – – 0,16 – – 99 100 12 13 420 440 100 200 – 16 100 100 – 66 0,16 – 0,16 – Пример расчета при соединении звездой Пусть требуется рассчитать схему, показанную на рис.31. А R1 L2 0 L1 R2 С В Рис. 31 Исходные данные: Uл = 380 В, f = 50 Гц, R1 = 100 Ом, R2 = 50 Ом, L1 = 0,64 Гн, L2 = 0,33 Гн. Порядок расчета 1. Находим реактивные сопротивления индуктивностей L1 и L2 X L1 2fL1 200 Ом, X L 2 2fL2 100 Ом. 2. Находим комплексные сопротивления фаз R1 jX L 2 100 j100 100e j 90 ZA 70e j 45 Ом, j 45 R1 jX L 2 100 100 j 1,4e Z B R2 50 Ом, Z C 200 j 200e j 90 Ом. 3. Задаем фазные напряжения в соответствии с общепринятыми правилами [1] 380 j 90 380 j 30 380 j150 В, U C В. U A e В, U B e e 3 3 3 Находим фазные токи (в данной схеме они равны линейным токам) j 90 j 30 I U A 220e 3,1e j 45 А, I U B 220e 4,4e j 30 А, A B j 45 ZA ZB 50 70e j150 I U C 220e 1,1e j120 А. C ZC 200e j 90 4. Находим ток в нулевом проводе как сумму фазных токов I0 IA IB IC . Преобразуем фазные токи из показательной в алгебраическую форму IA 3,1 (cos 45 j sin 45 ) 2,2 2,2 j А, IB 4,4 (cos( 30 ) j sin( 30 )) 3,8 2,2 j А, IC 1,1 (cos120 j sin 120 ) 0,55 0,96 j А. В результате получаем I0 2,2 2,2 j 3,8 2,2 j 0,55 0,96 j 5,45 0,96 j 5,53e j10 А. 5. Находим активную, реактивную и полную мощности по формулам P UI cos , Q UI sin , S P 2 Q 2 . Для соединения звездой Pобщ PA PB PC , Qобщ Q A QB QC , S общ Pобщ Qобщ . 2 Активная мощность PA U A I A cos A 220 3,1 cos 45 482 Вт, PB U B I B cos B 220 4,4 cos 0 968 Вт, PC U C I C cos C 220 1,1 cos 90 0 Вт, Pобщ 1450 Вт. Реактивная мощность QA U A I A sin A 220 3,1 sin 45 482 ВАр, QB U B I B sin B 220 4,4 sin 0 0 ВАр, QC U C I C sin C 220 1,1 sin 90 242 ВАр, Qобщ 724 Вар. Полная мощность Sобщ 1450 2 724 2 1620 ВА. 6. Построение векторной диаграммы. 2 Выбираем масштабы для токов и напряжений mI = 1 A/см, mU = 30 В/см. Для других исходных данных более удобными могут быть другие масштабы. Сначала строится равносторонний треугольник линейных напряжений. Длина сторон треугольника Lл = 380/30 12,7 см. Затем из центра треугольника строятся вектора фазных напряжений длиной Lф 7,3 см, как показано на рис.32. U A IC U CA U AB I0 IA IB U B U C U BC Рис. 32 Откладываем вектор тока I A длиной LA = 3,1/1 = 3,1 см под углом 45. Откладываем вектор тока IB длиной LB = 4,4/1 = 4,4 см под углом -30. Откладываем вектор тока IC длиной LC = 1,1/1 = 1,1 см под углом 120. Строим вектор тока в нулевом проводе путем суммирования фазных токов (показан красным цветом). Убеждаемся в том, что длина и угол полученного вектора соответствуют расчетным данным. В частности, длина вектора должна быть L0 = 5,5/1 = 5,5 см, а угол - 10, что видно из векторной диаграммы. Пример расчета при соединении треугольником Пусть требуется рассчитать схему, показанную на рис.33. Исходные данные: Uл = 300 В, f = 50 Гц, R2 = 200 Ом, R1 = 100 Ом, L1 = 0,67 Гн, С1 = 16 мкФ. A R2 C1 L1 R1 C B Рис. 33 Порядок расчета 1. Находим реактивные сопротивления индуктивности L1 и емкости С1 X L1 2fL1 200 Ом, X C1 1 200 Ом. 2fC1 2. Находим комплексные сопротивления фаз Z AB R2 ( jX C1 ) 200 j 200 200e j 90 140e j 45 Ом, Z BC R1 100 Ом, j 45 200 200 j 1,4e R2 jX C1 Z CA 200 j 200e j 90 Ом. 3. Задаем линейные напряжения в соответствии с общепринятыми правилами [1] U AB 300e j120 В, U BC 300e j 0 В, U CA 300e j120 В. Находим фазные токи j120 j 0 I U AB 300e 2,1e j165 А, I U BC 300e 3e j 0 А, AB BC Z AB 140e j 45 Z BC 100 ICA U CA 300e j120 j 210 1 , 5 e А. Z CA 200e j 90 4. Находим линейные токи по первому закону Кирхгофа IA IAB ICA , IB IBC IAB , IC ICA IBC . Преобразуем фазные токи из показательной в алгебраическую форму IAB 2,1 (cos165 j sin 165 ) 2,03 0,54 j А, IBC 3 (cos 0 j sin 0 ) 3 А, I 1,5 (cos( 210 ) j sin( 210 )) 1,3 0,75 j А. CA В результате получаем IA 2,03 0,54 j 1,3 0,75 j 0,73 0,21 j 0,76e j164 А, IB 3 2,03 0,54 j 5,03 0,54 j 5,06e 6 А, I 1,3 0,75 j 3 4,3 0,75 j 4,36e j170 А, C 5. Находим активную, реактивную и полную мощности по формулам P UI cos , Q UI sin , S P 2 Q 2 . Для соединения треугольником Pобщ PAB PBC PCA , Qобщ Q AB QBC QCA , S общ Pобщ Qобщ . 2 2 Активная мощность PAB U AB I AB cos AB 300 2,1 cos(45 ) 441 Вт, PBC U BC I BC cos BC 300 3 cos 0 900 Вт, PCA U CA I CA cos CA 300 1,5 cos 90 0 Вт, Pобщ 1341 Вт. Реактивная мощность QAB U AB I AB sin AB 300 2,1 sin( 45 ) -441 ВАр, QBC U BC I BC sin BC 300 3 sin 0 0 ВАр, QCA U CA I CA sin CA 300 1,5 sin 90 450 ВАр, Qобщ 9 ВАр. Полная мощность Sобщ 13412 9 2 1341ВА. 6. Построение векторной диаграммы. Выбираем масштабы для токов и напряжений mI = 0,5 A/см, mU = 25 В/см. Для других исходных данных более удобными могут быть другие масштабы. Сначала строится равносторонний треугольник линейных напряжений. Длина сторон треугольника Lл = 300/25 = 12 см, как показано на рис. 34. IBC ICA IC U CA U AB IBC U BC IAB IB IAB ICA IA Рис. 34 Откладываем вектора фазных токов. Вектор тока IAB длиной 4,2 см под углом 165. Вектор тока IBC длиной 6 см под углом 0. Вектор тока ICA длиной 3 см под углом -210. Строим вектора линейных токов как разности соответствующих фазных токов (на векторной диаграмме показаны красным цветом). Убеждаемся в том, что полученные графическим построением вектора соответствуют расчетным значениям. Вектор тока IA должен иметь длину 1,5 см и угол -164. Вектор тока IB должен иметь длину 10,1 см и угол -6. Вектор тока IC должен иметь длину 8,6 см и угол 170. Литература 1. Теоретические основы электротехники: В 3-х томах. Учебник для вузов. – 4-е изд./ К.С.Демирчян, Л.Р.Нейман, Н.В.Коровкин, В.Л. Чечурин. – СПб.: Питер, 2009. 2. Новгородцев А.Б. Теоретические основы электротехники. 30 лекций по теории электрических цепей: учебное пособие. 2-е издание. – СПб.: Питер, 2008. 3. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2012. – 701с. 4. Коровкин Н.В., Семина Е.Е., Чечурин В.Л. Теоретические основы электротехники. Сборник задач. – СПб.: Питер, 2010.