Расчет разветвленных цепей символическим методом

Уравнения, выражающие законы Кирхгофа в комплексной форме для цепей синусоидального тока, имеют совершенно такой же вид (это было показано в предыдущих разделах), как соответствующие уравнения для цепей постоянного тока:

,

только токи, напряжения, ЭДС и сопротивления входят в эти уравнения в виде комплексных величин.

Все методы расчета цепей постоянного тока получены на основе законов Кирхгофа. Если повторить все рассуждения и выводы, взяв за основу уравнения Кирхгофа в комплексной форме, то для цепей синусоидального тока можно обосновать те же методы, которые были получены для цепей постоянного тока. Несмотря на общность методов расчета цепей синусоидального и постоянного токов, расчеты цепей синусоидального тока сложнее и обладают рядом особенностей, которые будут рассмотрены в следующих разделах.

При последовательном соединении n приемников с комплексными сопротивлениями эквивалентное или общее комплексное сопротивление цепи

При параллельном соединении n приемников с комплексными проводимостями эквивалентная или общая комплексная проводимость цепи

. (3.42)

Пример смешанного соединения приемников дан на рис. 3.21.

Известно, что R ₁ = 10 Ом, R ₂ = 2 Ом, R ₃ = 1 Ом, X_L = 1 Ом, X_C = 2 Ом.

Для данной схемы общее или эквивалентное комплексное сопротивление определяется следующим образом:

,

Переход от известного сопротивления к проводимости осуществляется по формуле

,

а переход от известной проводимости к сопротивлению

.

При преобразовании соединения потребителей треугольником в эквивалентную звезду (рис. 3.22) и обратно применяются формулы, аналогичные формулам для постоянного тока, в которых используются комплексные сопротивления и проводимости:

– преобразование «треугольник – звезда»

(3.45)

– преобразование «звезда – треугольник»

(3.46)

Следует иметь в виду, что после преобразования соединения пассивных элементов треугольником в эквивалентное соединение звездой или обратно комплексные сопротивления преобразованной схемы могут получиться с отрицательными действительными частями, т.е. отрицательными активными сопротивлениями. Эти сопротивления имеют исключительно расчетный смысл.

^ 38) Закон Ома и Кирхгофа в символической форме

По I закону Кирхгофа алгебраическая сумма мгновенных значений токов, сходящихся в любом узле электрической цепи, равна нулю, т.е. .

В соответствии с теоремой о сумме I закон Кирхгофа в символической или комплексной форме записывается в виде

По II закону Кирхгофа алгебраическая сумма мгновенных значений падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю, т.е.

или или .

Но в соответствии с теоремами символического метода II закон Кирхгофа в символической или комплексной форме записи имеет следующий вид:

или . (3.33)

Рассмотрим закон Ома в символической форме записи для элементов цепи гармонического тока (рис. 3.15).

Если, (по теореме о линейном преобразо­вании), то. Это закон Ома в символи­ческой форме.	(по теореме о производной) Закон Ома:.	(по теореме об инте­грале) Закон Ома:.

На рис. 3.16 приведены векторные диаграммы напряжений и токов соответственно для сопротивления, индуктивности и емкости.

39)Метод контурных токов (гармонический ток)

Алгоритм расчета цепей гармонического тока методом контурных токов аналогичен рассмотренному при изучении цепей постоянного тока (глава 2.3.2) с поправкой на символический метод.

При решении задачи данным методом составляется система уравнений вида

,

где – квадратная матрица комплексных сопротивлений, в которой – собственное комплексное сопротивление,

– общее комплексное сопротивление i и j контуров;

– матрица-столбец контурных токов;

– матрица-столбец контурных ЭДС.

40)Метод узловых потенциалов (гармонический ток)

Алгоритм расчета цепей гармонического тока методом узловых потенциалов аналогичен рассмотренному при изучении цепей постоянного тока (глава 2.3.3) с поправкой на символический метод.

При решении задачи данным методом составляется система уравнений вида

,

где – квадратная матрица комплексных проводимостей, в которой – собственная комплексная проводимость,

– общая комплексная проводимость ветвей, соединяющих i и j узлы;

– матрица-столбец потенциалов;

– матрица-столбец узловых токов.

Для представленной цепи на рис. 3.25 система уравнений вырождается в одно уравнение, поскольку в цепи два узла.

41) Метод эквивалентного генератора (гармонический ток)

Алгоритм расчета аналогичен рассмотренному при изучении цепей постоянного тока (глава 2.3.5). Рассмотрим применение этого метода на примере определения тока схемы на рис. 3.25. На рис. 3.27 представлены схема цепи в режиме холостого хода (обрыв потребителя в ветви, где ищется ток) и пассивная схема, в которой удалены источники (напоминаем, что источники исключаются из схемы по следующему правилу: источники ЭДС замыкаются накоротко, а ветви с источниками тока обрываются).

.

42) Метод наложения (гармонический ток)

Алгоритм расчета аналогичен рассмотренному при изучении цепей постоянного тока (глава 2.3.4). Рассмотрим применение этого метода на примере схемы на рис. 3.25, которую можно заменить на две составляющие подсхемы (рис. 3.26):

.

43)Резонанс напряжений: условия возникновения, резонансная частота, волновое сопротивление, добротность, векторная диаграмма.

Резонанс напряжений наблюдается в последовательных цепях. Рассмотрим режим резонанса напряжений для последовательной RLC- цепи.

Для схемы на рис. 4.1 справедливо

. (4.1)

Изменим частоту генератора или параметры катушки индуктивности или емкости так, чтобы для этой схемы было , тогда напряжение на входе , т.е. ток и напряжение на входе совпадают по фазе. В цепи – режим резонанса:

.

Частота, при которой наблюдается резонанс, может быть определена из соотношения

.

Ток в цепи в режиме резонанса

т.е. максимально возможный при данных параметрах контура.

Полная мощность цепи , т.е. равна мощности, выделяемой на активном сопротивлении.

В каждый момент времени . Учитывая, что , получаем

где? – характеристическое, или волновое сопротивление резонансного контура, измеряемое в омах.

Отношение напряжения на реактивных элементах ( и ) к напряжению на входе в режиме резонанса называют добротностью контура:

. (4.5)

Чем больше и чем меньше активное сопротивление в цепи, тем выше напряжение на реактивных элементах по сравнению с напряжением на входе контура.

^ 44) Частотные характеристики и резонансные кривые последовательного резонансного контура.

Зависимости параметров контуров RLC -контура от частоты называют частотными характе­ристиками. Это индуктивное со­противление , емкост­ное сопротивление , реактивное сопротивление , активное сопротивление , полное сопротивление , угол сдвига фаз .

В момент резонанса .

Зависимости тока I (?), напряжения на индуктивности U_L (?), напряжения на емкости U_C (?) называют резонансными характеристиками.

При добротности контура Q < 5 максимумы напряжений U_L и U_C смещаются друг от друга на одно и то же значение частоты от резонансной?_0. При добротности контура Q > 5 максимумы этих напряжений при резонансной част,оте? =?₀ сливаются.

^ 45) Резонанс токов: условие возникновения, резонансная частота, волновая проводимость, добротность, векторная диаграмма. Контур с потерями.

Резонанс токов наблюдается в параллельных ветвях. При резонансе токов по фазе совпадают ток общей ветви и напряжение на параллельном участке. Рассмотрим резонанс токов в схеме с параллельными ветвями RL и RC (рис. 4.11, а).

Заменим данную схему эквивалентной, приведенной на рис. 4.11, б.

В этой схеме приняты следующие обозначения:

(4.8)

Для данной схемы справедливо

В режиме резонанса . Это возможно, если будет выполнено условие

и соответственно

При резонансе полная мощность, которая потребляется контуром, минимальна и носит активный характер

.

В режиме резонанса ток на входе параллельного контура , т.е. минимальный ток для этой схемы при неизменном напряжении на входе . При G? 0 I? 0. Сопротивление такой цепи Z??. Для резонансной частоты?₀ такой контур принято называть фильтром - пробкой.

Величина резонансной частоты для приведенной схемы определяется из условия

.

Приведя к общему знаменателю и умножив обе части на?₀, после преобразований получим .

Резонанс в такой схеме может иметь место, если только выполняются следующие условия:

1. 
   ;
2. 
   .

При схема находится в резонансе при любых частотах. Это так называемый всеволновой резонанс.

Основой для построения векторной диаграммы является описание схемы с помощью выражения (4.9). При построении совместим с вещественной осью напряжение , тогда векторная диаграмма будет иметь вид, представленный на рис. 4.12, если учесть, что .

Под добротностью контура при резонансе токов понимают отношение тока на реактивных элементах I_L или I_С к току на входе контура I

. (4.14)

При незначительных потерях в контуре токи I_L и I_C могут многократно превышать токи на входе схемы.

46)Обобщенная резонансная характеристика, полоса пропускания.

Из приведенных характеристик следует, что RLC - контур обладает избирательными свойствами. Самое большое значение тока имеет место в режиме резонанса (? =?₀). Для оценки избирательных свойств контура вводят понятие полосы пропускания контура. Она равна разности частот, которым соответствует отношение до и после резонанса, равное . Параметры цепи оказывают большое влияние на избирательность. Чем больше добротность контура, тем выше его избирательность. В этом можно убедиться при рассмотрении кривых на рис. 4.7

( – отношение тока текущей

частоты к току резонансной частоты; – отношение текущей частоты к резонансной. Чем больше добротность контура, тем лучше его избирательные свойства и тем меньше полоса пропускания.

47) Частотные характеристики и резонансные кривые параллельного резонансного контура.

В качестве частотных характеристик в контуре на рис. 4.13 выступают зависимости , значения которых при приведены в табл. 4.3.

Характер изменения зависимостей приведен на рис. 4.14.

Таблица 4.3

w
0	¥	0	¥
?0			0
¥	0	¥	¥

Учитывая, что , характер резонансных кривых полностью совпадает с соответствующими частотными зависимостями. При такой контур выполняет роль фильтра – пробки, проводимость его, а следовательно, и ток общей ветви, равны нулю, а сопротивление – бесконечности.

^ 48)Резонанс напряжений в разветвленных электрических цепях. 49)Резонанс токов в разветвленных электрических ветвях

В сложных схемах, в которых имеет место одновременно и последовательное, и параллельное соединение ветвей с индуктивностью и емкостью, может наблюдаться резонанс напряжения и токов. Покажем это на примере схемы, приведенной на рис. 4.15. Входное сопротивление

В этой схеме резонанс напряжений возможен при условии , при этом резонансная частота

.Входная проводимость этой схемы

. (4.17)

При резонансе токов В = 0. При этом резонансная частота

.

Численные значения частот в режиме резонанса токов и напряжений различны для одной и той же схемы.

Таким образом, цепь с несколькими RLC - контурами, которые могут быть соединены произвольно, может давать несколько резонансов токов и напряжений. Анализ осуществляется путем расчета цепи. Рассматривается , которая представляет собой дробь. Известно, что условие резонанса напряжений X=0, т.е. . Следовательно, равенство нулю числителя дает резонансную частоту для резонанса напряжений. Условие резонанса токов B = 0 или , т.е. . Следовательно, равенство нулю знаменателя дает резонансную частоту для резонанса токов. Таким образом, задача сводится к определению нулей и полюсов .

где U, I – действующие значения соответственно напряжения и тока.

Полная мощность равна наибольшему значению активной мощности при заданных напряжениях и токах. Также амплитуда гармонической составляющей мгновенной мощности численно равна полной мощности. Размерность полной и активной мощностей одинаковая, однако единицу измерения мощности в применении к полной мощности S называют вольт-ампер ().

Отношение активной мощности к полной, равное косинусу угла сдвига фаз между напряжением и током, называется коэффициентом мощности:

Для эффективного использования электрических машин и аппаратов желательно иметь более высокий коэффициент мощности или меньший сдвиг по фазе тока относительно напряжения, т.е. .

Высокий коэффициент мощности также желателен для уменьшения потерь при передаче энергии по линиям электропередачи. При данном значении Р приемника ток в линии тем меньше, чем больше : .

При расчетах электрических цепей находит применение реактивная мощность Q:

(3.52)

которая положительна при индуктивном характере цепи (? > 0) и отрицательна при емкостном характере цепи (? < 0). Единицу мощности в применении к измерению реактивной мощности называют вар.

Активная, реактивная и полная мощности связаны соотношениями

. (3.53)

Как следует из формул, для повышения коэффициента мощности приемника нужно уменьшать его реактивную мощность.

В то время, как активная мощность определяет совершаемую работу или передаваемую энергию в единицу времени, полная и реактивная мощности не определяют ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии в единицу времени. Однако в электроэнергетике по аналогии с понятием активной мощности приписывают реактивной мощности аналогичный смысл, рассматривают ее как мощность отдачи, получения или передачи некоторой величины, которую хотя она и не является энергией, условно называют реактивной энергией (вар?ч), на практике измеряют счетчиками.

Введем понятие комплексной мощности. Для того чтобы получить полную, активную и реактивную мощности из известных комплексов тока и напряжения, используют следующие соотношения

)

Отсюда видно, что действительная часть комплексной мощности равна активной мощности, а мнимая часть – реактивной мощности. Модуль комплексной мощности равен полной мощности S:

. Рассмотрим комплексные мощности для различных потребителей:

для активного сопротивления:

для индуктивного сопротивления:

для емкостного сопротивления:

^ 35) Баланс мощностей в цепи с гармоническим источником

Из закона сохранения энергии следует, что в любой цепи соблюдается баланс как мгновенных, так и активных мощностей. Сумма всех отдаваемых мощностей равна сумме всех получаемых мощностей. Рассмотрим, как соблюдается баланс для комплексных мощностей, а, следовательно, и для реактивных мощностей.

Пусть общее число узлов схемы равно n. Запишем для каждого узла уравнение по I закону Кирхгофа для комплексных сопряженных токов:

Эти уравнения записаны в общей форме в предположении, что каждый узел (здесь узел – место соединения не менее двух ветвей) связан с остальными n – 1 узлами. При отсутствии каких-либо ветвей соответствующие слагаемые в уравнениях становятся равными нулю. При наличии между какой-либо парой узлов нескольких ветвей число слагаемых соответственно увеличивается.

Умножим каждое уравнение (3.59) на комплексный потенциал узла, для которого составлено уравнение:

(3.60)

Просуммируем все уравнения (3.60) с учетом того, что сопряженные комплексные токи входят в эти уравнения дважды (для двух различных направлений), причем и т.д. В результате получим

(3.61)

В этом выражении столько слагаемых, сколько ветвей и каждое слагаемое представляет собой комплексную мощность ветви . Таким образом, сумма комплексных получаемых мощностей во всех ветвях равна нулю. Полученное равенство выражает баланс мощностей . Из него следует равенство нулю в отдельности суммы определяемых активных и суммы определяемых реактивных мощностей.

Следует отметить, что взаимное направление токов и напряжений на потребителях и на источниках противоположно, как показано на рис. 3.24. Поскольку отрицательные получаемые мощности представляют собой мощности отдаваемые, то можно утверждать, что суммы всех отдаваемых и всех получаемых реактивных мощностей равны друг другу: или .

.

(3.62)

При равенстве сумм комплексных величин суммы их модулей в общем случае не равны друг другу. Отсюда следует, что для полных мощностей S баланс не соблюдается.

Дата добавления: 2015-05-06