Особенностью расчета разветвленных цепей переменного тока является то, что при расчете используется метод проводимостей, с помощью которого определяют все искомые величины. При таком подходе выражение для определения полной проводимости ветвей или цепи с параллельным соединением элементов имеет такой же достаточно простой вид, как и выражение для определения полного сопротивления в цепи с последовательным соединением элементов:
(4.1)
Здесь Y – полная проводимость цепи или ветви;
g – активная проводимость ветви;
bL – индуктивная проводимость ветви;
bC – емкостная проводимость ветви.
В символической (комплексной) форме полная проводимость цепи или ветви записывается в виде
(4.2)
Закон Ома для определения величины тока цепи или ветви:
(4.3)
в комплексной форме
(4.4)
где – комплекс действующего значения тока;
– комплекс действующего значения напряжения;
U, I – соответственно действующее значение напряжения и тока;
φi, φu – соответственно начальные фазы тока и напряжения;
|
|
е – основание натурального логарифма.
В ряде случаев расчет разветвленных цепей переменного тока можно проводить не через проводимости, а через сопротивления. Наиболее удобно в этом случае проводить расчет, используя символический (комплексный) метод, так как он позволяет применять все те же методы расчета, как и для цепей постоянного тока.
Рассмотрим несколько примеров расчета разветвленных цепей переменного тока.А. Цепь с параллельным соединением идеализированных элементов (рис. 4.1).
Рис. 4.1
Проводимости ветвей цепи:
(4.5)
где R – сопротивление резистивного элемента;
– сопротивление идеальной индуктивной катушки;
– сопротивление идеального конденсатора.
Полная проводимость цепи
(4.6)
Комплексная полная проводимость цепи
(4.7)
Токи, протекающие в ветвях, и общий ток цепи
(4.8)
Общий ток цепи, в комплексной форме:
(4.9)
где – комплекс общего тока;
– комплекс напряжения, приложенного к цепи;
– соответственно начальные фазы тока и напряжения.
Построение векторной диаграммы токов и напряжений для цепи, изображенной на рис. 4.1, а (и подобных цепей), следует начинать с построения вектора напряжения, так как напряжение одно и то же. При построении векторов токов необходимо учитывать характер сопротивлений, по которым протекают токи. Следовательно, векторы тока и напряжения на резисторе совпадают по фазе. Ток, протекающий по идеальной индуктивности, отстает по фазе от приложенного напряжения на угол 90°. Так как конденсатор обладает незначительным активным сопротивлением, его можно считать идеальным емкостным элементом, а ток, протекающий по конденсатору, опережает приложенное к нему на1пряжение на угол 90°. Тогда векторная диаграмма токов и напряжения для цепи, в которой на основании I закона Кирхгофа , при условии, что bl > bС, следовательно, IL > IС, будет иметь вид, представленный на рис. 4.1, б.
|
|
В случае, когда в цепи (рис. 4.1, а) реактивные проводимости будут равны между собой (bl = bС), то и реактивные токи также будут равны между собой (IL = IC) и взаимно компенсируются, здесь имеет место явление резонанса токов. В этом случае общий ток в цепи IO и напряжение на входе цепи U совпадают по фазе (φ = φu – φio =0, cosφ =1). Общий ток в цепи равен току, проходящему через резистор:
(4.10)
Мощности цепи (рис. 4.1, а): активная
(4.11)
реактивная
(4.12)
полная
(4.13)
Комплексная полная мощность
(4.14)
где – сопряженный комплекс общего тока
Б. Цепь из двух параллельных ветвей Проводимости ветвей цепи (рис. 4.2, а):
– активная проводимость первой ветви;
– индуктивная проводимость первой ветви;
– активная проводимость второй ветви;
– емкостная проводимость второй ветви.
Рис. 4.2 |
Полная проводимость ветвей цепи
(4.15)
Комплексная полная проводимость ветвей цепи
(4.16)
Токи в ветвях и общий ток цепи:
(4.17)
где – активная составляющая тока I1;
– индуктивная составляющая тока I1;
– активная составляющая тока I2;
– ёмкостная составляющая тока I1;
В комплексной форме токи в ветвях и общий ток цепи:
(4.18)
Расчет электрической цепи при параллельном соединении ветвей можно выполнить и без предварительного определения активных и реактивных проводимостей, представляя элементы цепи в схеме замещения их активными и реактивными сопротивлениями.
Для цепи, изображенной на рис. 4.2, а, полное сопротивление ветвей определяется:
(4.19)
Токи в ветвях и общий ток цепи:
(4.20)
где ; ; ; .
Комплексные полные сопротивления:
(4.21)
Токи в ветвях и общий ток в цепи:
Векторная диаграмма токов и напряжения для цепи представлена на рис. 4.2, б.
Мощности цепи (рис. 4.2, а):
активная
(4.22)
реактивная
(4.23)
полная
(4.24)
Домашнее задание
Изучите основные теоретические положения, относящиеся к разветвленным цепям переменного тока, понятия о проводимостях параллельных ветвей в грамм токов. Принцип построения векторных диаграмм токов. Выпишите формулы расчета параметров, указанных в таблицах лабораторной работы. Запишите условия возникновения резонанса токов.
Порядок выполнения работы
1. Параллельное соединение резистора и катушки индуктивности 1.1. Соберите цепь по схеме рис. 4.3.
Рис. 4.3 |
1.2. Введите полностью реостат R1. Установите заданное напряжение и в течение опыта поддерживайте постоянным это значение.
1.3. Изменяя сопротивление R1, произведите три опыта. Показания приборов запишите в табл. 4.1.
1.4. По результатам опытов вычислите требуемые параметры электрической цепи (табл. 4.1). Постройте векторные диаграммы токов и напряжения.
1.5. Изменяя индуктивность катушки перемещением ее сердечника, произведите три опыта. Показания приборов занесите в табл. 4.1.
1.6. По результатам опытов вычислите требуемые параметры электрической цепи (табл. 4.1). Постройте векторные диаграммы токов и напряжения.
Таблица 4.1
№ | ||||||||
Условие опыта | R1 – var | LK – var | ||||||
Измерено | U | В | ||||||
P | Вт | |||||||
I | A | |||||||
I1 | A | |||||||
I2 | A | |||||||
Вычислено | cosφ | – | ||||||
Y | 1/Ом | |||||||
g | 1/Ом | |||||||
g1 | 1/Ом | |||||||
gк | 1/Ом | |||||||
Yк | 1/Ом | |||||||
bLК | 1/Ом | |||||||
Lк | Гн | |||||||
Iак | А | |||||||
Iрк | А |
2. Параллельное соединение резистора и конденсатора.
|
|
2.1. Соберите цепь по схеме рис. 4.4.
2.2. Введите полностью реостат R1. Установите заданное напряжение и в течение опыта поддерживайте это напряжение постоянным. Изменяя сопротивление R1, проведите три опыта, результаты которых занесите в табл. 4.2.
2.3. По результатам опытов вычислите требуемые параметры электрической цепи (табл. 4.2). Постройте векторные диаграммы токов и напряжения.
Рис.4.4
Таблица 4.2
№ | Условие опыта | Измерено | Вычислено | ||||||||
U | P | I | I1 | I2 | cosφ | Y | g | вC | С | ||
В | Вт | А | А | А | – | 1/Ом | 1/Ом | 1/Ом | Ф, | ||
R1 – var | |||||||||||
C – var | |||||||||||
2.4. Установите ток I1 согласно значению, указанному в табл. 4.2. Изменяя емкость конденсаторов, проведите 3 опыта, результаты которых занесите в табл. 4.2.
2.5. По результатам опытов вычислите требуемые параметры электрической цепи (табл. 4.1). Постройте векторные диаграммы токов и напряжения.
3. Параллельное соединение резистора, катушки индуктивности и конденсатора.
3.1. Соберите цепь по схеме (рис. 4.5).
Рис. 4.5
3.2. Введите полностью реостат R1. Установите напряжение 100 В.
3.3. Установите емкость конденсаторов С = 0 (конденсаторы выключены). Проведите первый замер.
3.4. Постепенно включая конденсаторы, добейтесь минимального значения общего тока (резонанс токов). Проведите второй замер.
3.5. Установите максимальную емкость конденсаторов. Проведите третий замер. Результаты опытов занесите в табл. 4.3.
Таблица 4.3
№ | 1. | 2. | 3. | ||
Условие опыта | bc < bL | bc = bL | bc > bL | ||
Измерено | U | В | |||
P | Вт | ||||
I | A | ||||
I1 | A | ||||
I2 | A | ||||
I3 | A | ||||
Вычислено | cosφ | – | |||
Y | 1/Ом | ||||
g | 1/Ом | ||||
b | 1/Ом | ||||
g1 | 1/Ом | ||||
gк | 1/Ом | ||||
Yк | 1/Ом | ||||
bc | 1/Ом | ||||
bLK | 1/Ом | ||||
Iак | А | ||||
Iрк | А |
Контрольные вопросы
|
|
1. Напишите уравнения электрического состояния для каждой схемы в комплексной форме.
2. Запишите комплексные значения полной проводимости каждой
цепи.
3. Переход от векторной диаграммы токов к треугольнику проводимостей и мощностей.
4. Влияние параметров параллельной цепи на cosφ.
5. Условия возникновения резонанса токов.
6. Электрические явления, возникающие при резонансе токов.
Литература:
[1, §2.13, 2.17, 2.19; 2, §2.15–2.17, 2.20,2.21; 3, §2.13–2.19].
Лабораторная работа №5
ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ПРИЕМНИКОВ,
СОЕДИНЕННЫХ ПО СХЕМАМ ЗВЕЗДА И ТРЕУГОЛЬНИК