Пример 4.1
Использованная ранее методика расчета цепей несинусоидального тока при последовательном и параллельном соединении R, L, C применима и к более сложным случаям. Рассмотрим пример расчета цепи при воздействии на входе трапецеидального напряжения (пример 4.1).
L 2 xL |
i 2 R 2 |
i 0 |
u |
i 1 R 1 |
Рис. 4.1.1.
B u
U m=50B
t
0,5 T T
Рис. 4.1.2.
К источнику питания, напряжение которого изменяется согласно графику рис. 4.3.2 (период Т = 0,02 с, Um = 50 B) включены параллельно резистор R 1 = 20 Ом и катушка индуктивности с R 2 = 10 Ом и L = 35 мГн.
Найти мгновенные и действующие значения токов в ветвях, вычислить коэффициент мощности c, составить баланс активных мощностей.
Решение
Трапецию можно разложить в ряд Фурье по следующему выражению:
Для заданной трапеции:
.
Ограничимся несколькими первыми слагаемыми ряда. Так как , т.е. , а , то в ряде напряжения будут отсутствовать гармоники, кратные 5. Ряд Фурье для заданного напряжения:
(4.1.1)
Определяем круговую частоту первой (основной) гармоники приложенного напряжения:
|
|
Гц – частота переменного напряжения промышленной частоты. Угловая частота:
.
Реактивное сопротивление индуктивности для первой гармоники:
Ом.
Ток i 1 определяем по закону Ома:
. (4.1.2)
Комплексная амплитуда для 1-, 3- и 7-й гармоник:
A; A; A.
Для определения тока i 2 используем метод комплексных амплитуд применительно к каждой гармонике напряжения:
Ток i 2:
(4.1.3)
Определим закон изменения входного тока схемы i 0. Этот же ток протекает через источник питания:
Ток в неразветвленной части цепи:
Сделаем проверку по первому закону Кирхгофа для момента времени t = 0.
Ток в неразветвленной части цепи:
Токи в параллельных ветвях:
.
Т.е. первый закон выполняется.
Действующее значение приложенного напряжения:
Действующее значение входного тока:
Активная мощность генератора:
здесь: ,
.
Т. к. то и .
Тогда:
Активная мощность приемников:
Т. е. баланс активных мощностей выполняется.
Полная мощность:
Коэффициент мощности:
.
Действующие значения токов в ветвях:
Соотношение между реактивными мощностями генератора и приемников рассмотрим для каждой гармоники отдельно.
Реактивная мощность генератора на первой гармонике:
Реактивная мощность приемников (реактивная мощность будет только в индуктивности L 2):
Третья гармоника:
Седьмая гармоника:
Т. е. баланс реактивных мощностей по каждой гармонике выполняется.
Пример 4.2
Схема (рис. 4.2.1) на вход которой действует периодическое напряжение u 1(t), график которого приведен на рис.4.2.2.
|
|
Параметры схемы: L = 1 мГн; С = 1 мкФ; Т = 0,314 мс;
Um = 100 В; Rн = 25 Ом.
C |
u 1(t) |
u 2 (t) |
С |
L |
Рис.4.2.1
Um |
u |
t |
t ' |
0
Рис.4.2.2.
Требуется:
1. Разложить напряжение u 1( t ) в ряд Фурье до 5-й гармоники включительно, используя табличное разложения, приведенное в учебнике.
2. Обозначив сопротивления элементов схемы в общем виде как Rн; jxc и - jxc, вывести формулу для комплексной амплитуды напряжения на нагрузке через комплексную амплитуду входного напряжения . Полученное выражение пригодно для каждой гармоники, только под x L и x C следует понимать сопротивления для соответствующей гармоники.
3. Используя формулу п.2, определить комплексную амплитуду напряжения на выходе (на нагрузке) для следующих гармоник ряда Фурье: нулевой, 1-й, 3-й и 5-й гармоник.
4. Записать мгновенное значение напряжения на нагрузке в виде ряда Фурье.
5. Построить друг под другом линейчатые спектры входного и выходного напряжений.
6. Определить токи в схеме при заданной нагрузке и сделать проверку по закону Кирхгофа для фиксированного момента времени (t = 0).
Решение
1. Заданное напряжение u1 ( t ) относительно оси времени t несимметрично. Симметричным оно будет относительно новой оси времени t ', поднятой относительно действительной оси t на величину . Поэтому заданное напряжение в разложении в ряд Фурье должно иметь постоянную составляющую равную:
.
Относительно новой оси t ' напряжение будет симметричным, и тогда его можно записать в ряд Фурье, используя готовое (табличное) разложение [Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники, 1973, с.228]:
.
Для заданной кривой: В.
График заданного напряжения на время смещён (опережает) во времени «табличную» кривую (см. рис. 4.2.2). Поэтому в разложении заданного напряжения это смещение должно быть учтено в аргументах синусоидальных функций, а именно:
.
Тогда с учетом постоянной составляющей график заданного напряжения будет описываться следующим выражением:
Подставляем числовые значения, учитывая, что:
;
;
.
Тогда разложение в ряд Фурье входного напряжения:
На рис. 4.2.3 приведено графическое изображение входного напряжения u 1( t ).
Рис. 4.2.3. Разложение входного напряжения u1 ( t ) на гармоники, где:
-jxc(k) |
-jxc(k) |
jxL(k) |
a |
b |
Rн |
Рис. 4.2.4
Вывод проведем для комплексных амплитуд k -й гармоники (т.е. для любой гармоники при k = 1; 3 и т.д.). Уравнение по второму закону Кирхгофа для внешнего контура:
. (2)
По первому закону Кирхгофа (для узла а):
. (3)
Так x c( k ) и Rн включены параллельно, то:
, .
Тогда:
. (4)
Подставляя (4) в (2), получим:
Преобразуем полученное выражение:
Отсюда получаем:
. (5)
3. Используя полученное выражение (5) вычисляем комплексную амплитуду напряжения на нагрузке (на выходе) для 0, 1-й, 3-й, 5-й гармоник.
Угловая частота первой гармоники:
Реактивные сопротивления элементов схемы для первой гармоники:
3.1. Постоянная составляющая (нулевая гармоника), k = 0.
Так как активное сопротивление идеальной индуктивности равно нулю, а конденсатор постоянного тока не пропускает, то для данной схемы напряжение на выходе будет равно напряжению на входе.
.
3.2. Первая гармоника: k = 1.
Закон изменения во времени первой гармоники входного напряжения [см.выражение (1)]:
.
Комплексная амплитуда входного напряжения 1-й гармоники:
.
Тогда, используя (5), получаем комплекс амплитудного значения напряжения на нагрузке для 1-й гармоники:
(6)
Мгновенное значение (закон изменения во времени) выходного напряжения первой гармоники:
|
|
. (7)
3.3. Третья гармоника: k =3.
Согласно (5) комплексная амплитуда напряжения на нагрузке для 3-й гармоники:
где: B [см. выражение (1)];
Ом,
Ом,
тогда комплекс амплитудного значения напряжения на нагрузке для 3-й гармоники:
(8)
Мгновенное значение этого напряжения:
В. (9)
3.4. Пятая гармоника: k =5
где: согласно (1):
.
Тогда комплексная амплитуда напряжения на нагрузке для 5-й гармоники:
(10)
Мгновенное значение этого напряжения:
В. (11)
4. Закон изменения во времени (мгновенное значение) напряжения на нагрузке:
u 2(t) = u 2(0) + u 2(1) + u 2(3) + u 2(5) = 50 + 63,662 sin(ωt + 36,87°) +
+ 5,9979 sin(3ωt + 132,7094°) + 1,2928 sin(5ωt – 66,0375°), B. (12)
5. На рис. 4.2.5 приведены линейчатые спектры входного и выходного напряжений.
6. Определим токи в схеме рис. 4.2.4 при заданной нагрузке Rн и проверим выполнение законов Кирхгофа в фиксированный момент времени (например, t = 0).
6.1. Постоянная составляющая: U 2(0) = 50 B.
Ток в нагрузке: А.
Ток через конденсатор:
I 1(0) = 0.
Ток I 3(0) = I 1(0) + I 2(0) = 2 A.
Напряжение на участке «в – а»: U 3(0) = 0.
6.2 Первая гармоника k = 1.
Здесь см. (6).
12,7324 |
21,2207 |
63,662 |
k ω |
В U1(k)m |
ω 2ω 3ω 4ω 5ω 6ω |
k ω |
90° |
270° |
90° |
φ1(k) |
ω 2ω 3ω 4ω 5ω 6ω |
360° 270° 180° 90° 0 |
k ω |
-66,0375° |
132,7094° |
36,87° |
φ2(k) |
ω 2ω 3ω 4ω 5ω 6ω |
360° 270° 180° 90° -90° |
1,2928 |
5,9979 |
63,662 |
k ω |
В U2(k)m |
ω 3ω 5ω |
Рис. 4.2. 5. Линейчатые спектры входного и выходного напряжений.
Ток на основании первого закона Кирхгофа для узла а схемы рис.3.1:
= + = (-0,764 + j 1,019) + (2,037 + j 1,528) =
=1,273 + j 2,547 = 2,847 e j 63,447° A.
Напряжение на участке в – а: (напряжение на индуктивности):
(13)
II-й закон Кирхгофа для первой гармоники:
+ = . (14)
Левая часть выражения (14):
т.е. II -й закон Кирхгофа для первой гармоники напряжений выполняется.
6.3. Третья гармоника (k = 3).
По (8): В.
А.
Ток в 3-й ветви:
Напряжение на участке в – а для 3-й гармоники:
В. (15)
II-й закон Кирхгофа для 3-й гармоники:
|
|
(16)
Левая часть выражения (16):
= (-4,068 + j 4,4073) + (4,0684 - j 25,628) =
= - j 21,2207 = 21,2207 B.
Т.е. 21,2207 . Верно!
6.4. Пятая гармоника.
По (10): В.
А;
А.
Напряжение на индуктивности для 5-й гармоники:
(17)
Второй закон Кирхгофа для 5-й гармоники:
. (18)
Левая часть выражения (18):
т.е. практически равно правой части выражения (18), получаем
(согласно выражению (1)).
Следовательно (с учетом погрешности вычислений) II-й закон Кирхгофа выполняется и для 5-й гармоники.
Закон измерения во времени напряжения на индуктивности:
(19)
Проверим выполнение II-го закона Кирхгофа для внешнего контура схемы рис.4.2.4: при фиксированном моменте времени, например t = 0.
Из выражения (12) получаем при t = 0:
Из выражения (19) при t=0 получаем:
+ В.
В.
Из выражения (1) при t = 0 получаем:
B.
Т.е с учетом погрешности вычислений (менее 0,005%) второй закон Кирхгофа выполняется и при t = 0.
На рис.4.2.6 приведено графическое изображение второго закона Кирхгофа для внешнего контура схемы рис.4.2.4.
Рис. 4.2.6. Графическое изображение второго закона Кирхгофа для внешнего контура схемы рис.4.2.4: