Программа по дисциплине Теоретические основы электротехники
 Скачать 5.49 Mb.
|
б) Расчет электрических цепей с использованием законов Ома и КирхгофаЗаконы Ома и Кирхгофа используют, как правило, при расчете относительно простых электрических цепей с небольшим числом контуров, хотя принципиально с их помощью можно рассчитать сколь угодно сложные электрические цепи. При расчете электрических цепей в большинстве случаев известны параметры источников ЭДС или напряжения, сопротивления элементов электрической цепи, и задача сводится к определению токов в ветвях цепи. Зная токи, можно найти напряжения на элементах цепи, мощность, потребляемую отдельными элементами и всей цепью в целом, мощность источников питания и др. Расчет цепи с одним источником питанияЭлектрическая цепь, схема которой приведена на рис. 21.3, состоит из одного источника питания, имеющего ЭДС E и внутреннее сопротивление r0, и резисторов R1, R2, R3, подключенных к источнику по смешанной схеме. Операции расчета такой схемы рекомендуется производить в определенной последовательности. Рис. 22.3 1. Обозначение токов и напряжений на участках цепи. Резистор R1 включен последовательно с источником, поэтому ток I1 для них будет общим, токи в резисторах R2 и R3 обозначим соответственно I2 и I3. Аналогично обозначим напряжения на участках цепи. 2. Расчет эквивалентного сопротивления цепи. Резисторы R2 и R3 включены по параллельной схеме и заменяются эквивалентным сопротивлением: . В результате цепь на рис. 21.3 преобразуется в цепь с последовательно соединенными резисторами R1, R23 и r0. Тогда эквивалентное сопротивление всей цепи запишется в виде: Rэ = r0 + R1 + R23 3. Расчет тока в цепи источника. Ток I1 определим по закону Ома  4. Расчет напряжений на участках цепи. По закону Ома определим величины напряжений:  Напряжение U на зажимах ab источника питания определим по второму закону Кирхгофа для контура I (рис. 21.3): E = I1r0 + U; U = E - I1r0. 5. Расчет токов и мощностей для всех участков цепи. Зная величину напряжения U23, определим по закону Ома токи в резисторах R2 и R3:  Определим величину активной электрической мощности, отдаваемую источником питания потребителям электрической энергии: P = EI1 В элементах схемы расходуются активные мощности:  На внутреннем сопротивлении r0 источника питания расходуется часть электрической мощности, отдаваемой источником. Эту мощность называют мощностью потерь   6. Проверка правильности расчетов. Эта проверка производится составлением уравнения баланса мощностей : мощность, отдаваемая источником питания, должна быть равна сумме мощностей, расходуемых в резистивных элементах схемы:   Кроме того, правильность вычисления токов можно проверить, составив уравнение по первому закону Кирхгофа для узла схемы: I1 = I2 + I3. Расчет разветвленной электрической цепи с несколькими источниками питанияОсновным методом расчета является метод непосредственного применения первого и второго законов Кирхгофа. В качестве примера рассмотрим цепь, схема которой приведена на рис. 21.4. Схема цепи содержит 6 ветвей (m=6) и 4 узла: a, b, c, d (n=4). По каждой ветви проходит свой ток, следовательно число неизвестных токов равно числу ветвей, и для определения токов необходимо составить m уравнений. При этом по первому закону Кирхгофа составляют уравнения для (n–1) узлов. Недостающие m–(n–1) уравнения получают по второму закону Кирхгофа , составляя их для m–(n–1) взаимно независимых контуров. Рекомендуется выполнять операции расчета в определенной последовательности.  Рис. 22.4 1. Обозначение токов во всех ветвях. Направление токов выбираем произвольно, но в цепях с источниками ЭДС рекомендуются, чтобы направление токов совпадало с направлением ЭДС. 2. Составление уравнений по первому закону Кирхгофа. Выбираем 4–1=3 узла (a, b, c) и для них записываем уравнения: узел a: I1 - I2 - I3 = 0; узел b: I2 - I4 + I5 = 0; узел c: I4 - I5 + I6 = 0. 3. Составление уравнений по второму закону Кирхгофа. Необходимо составить 6–3=3 уравнения. В схеме на рис. 21.4 выбираем контура I, II, III и для них записываем уравнения: контур I: E1 = I1(r01 + R1) + I3R3; контур II: 0 = I2R2 + I4R4 + I6R7 - I3R3; контур III: -E2 = -I5(r02 + R5 + R6) - I4R4. 4. Решение полученной системы уравнений и анализ результатов. Полученная система из шести уравнений решается известными математическими методами. Если в результате расчетов численное значение тока получено со знаком «минус», это означает, что реальное направление тока данной ветви противоположно принятому в начале расчета. Если в ветвях с ЭДС токи совпадают по направлению с ЭДС, то данные элементы работают в режиме источников, отдавая энергию в схему. В тех ветвях, где направления тока и ЭДС не совпадают, источники ЭДС работает в режиме потребителя. 5. Проверка правильности расчетов. Для проверки правильности произведенных расчетов можно на основании законов Кирхгофа написать уравнения для узлов и контуров схемы, которые не использовались при составлении исходной системы уравнений: узел d: I3 + I6 - I1 = 0 внешний контур схемы: E1 - E2 = I1(r01 + R1) + I2R2 - I5(r02 + R5 +R6) +I6R7. Независимой проверкой является составление уравнения баланса мощностей с учетом режимов работы элементов схемы с ЭДС:  .Если активная мощность, поставляемая источниками питания, равна по величине активной мощности, израсходованной в пассивных элементах электрической цепи, то правильность расчетов подтверждена. в) Соединение элементов электрической цепи по схемам «звезда» и «треугольник»В электротехнических и электронных устройствах элементы цепи соединяются по мостовой схеме (рис. 22.5). Сопротивления R12, R13, R24, R34 включены в плечи моста, в диагональ 1–4 включен источник питания с ЭДС Е, другая диагональ 3–4 называется измерительной диагональю моста.
В мостовой схеме сопротивления R13, R12, R23 и R24, R34, R23 соединены по схеме «треугольник». Эквивалентное сопротивление этой схемы можно определить только после замены одного из треугольников, например треугольника R24 R34 R23 звездой R2 R3 R4 (рис. 21.6). Такая замена будет эквивалентной, если она не вызовет изменения токов всех остальных элементов цепи. Для этого величины сопротивлений звезды должны рассчитываться по следующим соотношениям: ; ; . Для замены схемы «звезда» эквивалентным треугольником необходимо рассчитать сопротивления треугольника: ; ; . После проведенных преобразований (рис. 22.6) можно определить величину эквивалентного сопротивления мостовой схемы (рис. 22.5)  г) . Нелинейные элементы электрических цепей. |
