ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫЭЛЕКТРОТЕХНИКИ
Задания для выполнения
Контрольной работы № 1
С методическими указаниями
Для студентов заочного обучения
Направления 650900 (специальность 100400)
Курган 2002
Кафедра: «Энергетика и технология металлов»
Дисциплина: «Теоретические основы электротехники»
(направление 650900, специальность 100400 – заочное обучение)
Составил: доцент, канд. техн. наук Мошкин В.И.
Составлено на основе переработанных контрольных заданий по курсу ТОЭ для специальностей 210700, 100400, 180700 / Сост. Р.Я. Сулейманов – Екатеринбург: УРГУПС, 1999. – 28 с.
Утверждены на заседании кафедры «29» мая 2002 г., протокол № 10.
Рекомендованы редакционно-издательским советом университета
«31 » 10 2002 г.
ВВЕДЕНИЕ
В первой контрольной работе студенты решают три задачи:
1. Расчет разветвленной линейной цепи постоянного тока.
2. Расчет линейной электрической цепи однофазного переменного тока символическим методом.
3. Расчет разветвленной линейной электрической цепи с учетом взаимной индукции.
Контрольные задания имеют 100 вариантов. Исходные расчетные данные к задачам определяются по двум последним цифрам шифра студента заочного обучения: по предпоследней выбирают номер схемы, по последней - номер строки в таблице данных. Например, для номера 019428 выбирается схема - 2, строка таблицы - 8.
Решению контрольной работы обязательно должно предшествовать изучение теоретического материала в соответствии с утвержденной программой курса. Основные определения и правила необходимо твердо знать. В ходе изучения материала следует решать типовые задачи. Это поможет запомнить методы решения и расчетные формулы.
Каждая работа должна оформляться на формате А4 или в отдельной тетради (для студентов заочного обучения), на титульном листе или обложке которой должны быть указаны Ф.И.О. студента, его группа и вариант (для студентов заочного обучения – дополнительно шифр). Условие каждой задачи должно быть сформулировано достаточно полно и четко.
Основные положения решения задачи должны иметь объяснения. Решение должно иллюстрироваться схемами, векторными диаграммами и графиками. На схемах должны быть указаны положительные направления токов и напряжений.
Графики, схемы и диаграммы выполняют с соблюдением действующих ГОСТов на условные графические обозначения, с обязательным соблюдением масштаба. Его следует выбирать так, чтобы на 1 см длины приходилось 1 . 10n, 2 . 10n или 5 . 10n единиц измерения физической величины, начиная с нуля, равномерно.
Задача 1
РАСЧЕТ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Для электрической цепи, соответствующей номеру варианта, выполнить следующее:
1. Начертить схему электрической цепи, дерево графа, дополненное ветвями связи. Написать уравнения по законам Кирхгофа (найти токи в ветвях, решив полученную систему на ЭВМ).
3. Проверить правильность решения по второму закону Кирхгофа по двум контурам.
4. Составить баланс мощностей цепи.
5. Построить потенциальную диаграмму для внешнего контура.
6. Определить ток в одной из ветвей (по своему выбору) по методу эквивалентного генератора. Определение токов в цепи после размыкания выбранной ветви выполнить методом узловых потенциалов.
Исходные данные приведены в таблице 1, схемы цепи показаны на рис. 1.
Таблица 1
Е1, В | Е2, В | Е3, В | Е4, В | Е5, В | Е6, В | R1, Ом | R2, Ом | R3, Ом | R4, Ом | R5, Ом | R6, Ом | J1, А | |
Рис. 1. Схемы к задаче 1
![]() | |||
Продолжение рис. 1. Схемы к задаче 1
![]() | |||
Окончание рис. 1. Схемы к задаче 1
Задача 2
РАСЧЕТ ЦЕПИ ОДНОФАЗНОГО СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА
СИМВОЛИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Для электрической цепи, соответствующей номеру варианта, выполнить следующее:
Заданы параметры цепи и напряжение на входе цепи
u = Umsin(wt + yu).
Требуется:
1. Определить токи и напряжения на всех участках цепи символическим методом.
2. Записать выражения для мгновенных значений всех токов и напряжений.
3. Сделать проверку правильности решения по законам Кирхгофа для момента времени t = 0.
4. Составить баланс активных и реактивных мощностей для цепи.
5. Построить временные диаграммы напряжения, тока и мощности на входе цепи в одних координатных осях.
6. Построить векторную диаграмму токов и напряжений для цепи.
Числовые данные приведены в табл. 2, схемы показаны на рис. 2.
Таблица 2
R1, Ом | L1, мГн | С1, мкФ | R2, Ом | L2, мГн | С2, мкФ | R3, Ом | L3, мГн | С3, мкФ | Um, B | yu, рад | f, Гц | |
I | 250 ![]() | π/6 | ||||||||||
50 ![]() | π/4 | |||||||||||
300 ![]() | π/3 | |||||||||||
.10 | 140 ![]() | π/2 | ||||||||||
160 ![]() | π/6 | |||||||||||
150 ![]() | π/4 | |||||||||||
100 ![]() | π/3 | |||||||||||
170 ![]() | π/2 | |||||||||||
280 ![]() | π/6 | |||||||||||
360 ![]() | π/2 |
Рис. 2. Схемы к задаче 2
![]() | |||
Окончание рис.2. Схемы к задаче 2
Задача 3
РАСЧЕТ РАЗВЕТВЛЕННОЙ ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА С ИНДУКТИВНОЙ СВЯЗЬЮ
1. Составить уравнения по законам Кирхгофа и найти токи во всех ветвях цепи.
2. Определить напряжения на всех элементах цепи.
3. Построить векторную диаграмму токов и топографическую диаграмму напряжений, показав на ней векторы всех напряжений, в том числе и векторы напряжений взаимной индукции.
Указание. В ходе расчета свести схему цепи к трем ветвям.
Таблица 3
E1, B | E2, B | α, рад | R1, Ом | L1, мГн | С1, мкФ | R2, Ом | L2, мГн | С2, мкф | R3, Ом | L3, мГн | С3, мкф | f, Гц | М, мГн | |
π/6 | ||||||||||||||
π/4 | ||||||||||||||
π/3 | ||||||||||||||
π/2 | ||||||||||||||
π/6 | ||||||||||||||
π/4 | 1.5 | |||||||||||||
π/3 | ||||||||||||||
π/2 | ||||||||||||||
π/6 | ||||||||||||||
π/4 | ||||||||||||||
Примечание: ![]() |
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЗАДАЧЕ I
В электротехнике широко применяются самые различные схемы, из которых в ТОЭ используют в основном схемы замещения. Эти схемы содержат только источники ЭДС или тока, потребители и соединительные провода. При решении задач необходимо сначала составить схему замещения, отбросив измерительные приборы, переключатели и ветви с нулевыми токами. Сложные электрические схемы состоят из ветвей, которые соединяются в узлах. Ветвью называется участок электрической цепи, состоящий из последовательно соединенных элементов, по которым протекает один и тот же ток. Узел - место (точка на схеме), где сходятся три и более ветвей. Замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром. Граф схемы – это геометрическая фигура, получаемая из схемы замещения путем замены ветви линией. Ветви графа и его узлы соответствуют ветвям и узлам схемы. Дерево графа – это геометрическая фигура, образованная минимальным числом ветвей, соединяющих все узлы графа, без образования замкнутых контуров.
Для расчета электрических цепей используются следующие методы:
1. Метод, основанный на эквивалентных преобразованиях.
2. Метод, основанный на непосредственном применении законов Кирхгофа.
3. Метод контурных токов.
4. Метод наложения.
5. Метод узловых потенциалов.
6. Метод эквивалентного генератора.
7. Метод двух узлов.
В методе эквивалентных преобразований используется принцип эквивалентности преобразований. Он заключается в том, что в непреобразованной части цепи токи должны остаться без изменения, потенциалы точек подсоединения также должны остаться без изменения. Этот метод используется при наличии только одного источника, цепь сворачивается (упрощается), начиная с дальних от источника ветвей. При наличии большего количества источников используются остальные методы, среди которых самый универсальный - метод, основанный на непосредственном применении двух законов Кирхгофа.
Метод, основанный на непосредственном применении законов Кирхгофа
Решение полученной системы дает значения токов. При этом некоторые токи могут получаться отрицательными. Это означает, что направления этих токов выбраны неправильно. Этот метод достаточно прост, но дает большое количество уравнений, которые удобно решать с помощью компьютерных программ. Уменьшить число уравнений позволяют общие и частные методы расчета электрических цепей, первым среди которых рассмотрим метод контурных токов, который основывается на втором законе Кирхгофа.
Метод контурных токов
Для облегчения расчетов вводится понятие контурного тока – фиктивного тока, который замыкается только по своему контуру. Число контурных токов и, соответственно, контуров равно числу уравнений, записываемых по второму закону Кирхгофа для независимых контуров. Если некоторые элементы ветви, например, резисторы, входят в несколько контуров, и по ним проходят несколько контурных токов, то ток в этой ветви будет равен алгебраической сумме контурных токов. Там, где по ветви проходит только один контурный ток, ток ветви равен контурному току по величине. Для отличия их от токов ветвей контурные обозначаются с двойными индексами (I11, I22 …).
При составлении уравнений по методу контурных токов можно достичь автоматизма, если выбрать направления обхода в каждом контуре одинаковым.
Метод узловых потенциалов
В этом методе число уравнений в системе равно числу уравнений, составляемых по первому закону Кирхгофа. В результате решения системы получаются потенциалы узлов с учетом того, что потенциал одного из узлов заранее приравнивается нулю. Токи ветвей определяются через потенциалы по закону Ома для участка цепи.
Уравнение составляется следующим образом (см. пример I). В качестве первого слагаемого берется произведение суммы проводимостей всех ветвей, подходящих к рассматриваемому узлу, на потенциал данного узла. Знак этого произведения всегда положительный. Все остальные слагаемые с отрицательными знаками представляют собой произведения потенциалов других узлов на сумму проводимостей ветвей, соединяющих эти узлы с рассматриваемым, соответственно. Правая часть уравнения представляет собой узловой ток. Он состоит, во-первых, из алгебраической суммы произведений ЭДС ветвей, подходящих к рассматриваемому узлу, на проводимости этих ветвей, а, во-вторых, из алгебраической суммы токов источников тока этих же ветвей. Если ЭДС направлена к узлу, то произведение берется со знаком "плюс", а если ток источника тока также направлен к узлу, то этот ток также берется с плюсом. Для каждого узла записывается свое уравнение.
Метод эквивалентного генератора
Все рассмотренные методы дают возможность рассчитать токи в цепях с постоянными параметрами. Если же какое-либо сопротивление элемента переменное и нужно определить протекающий по нему ток, то все эти методы будут требовать больших расчетов. Для определения тока только в одной ветви применяется метод эквивалентного генератора, основанный на теореме об активном эквивалентном двухполюснике. Эта теорема гласит, что по отношению к выделенной ветви аб всю оставшуюся часть любой сложной цепи можно заменить эквивалентным генератором, ЭДС которого равна напряжению между точками а и б при разомкнутой ветви аб, а внутреннее сопротивление равно сопротивлению пассивной части цепи по отношению к точкам а и б.
Методика решения методом эквивалентного генератора
Для определения тока в заданной ветви аб методом эквивалентного генератора необходимо:
• разорвать ветвь аб и перерисовать для этого случая схему;
• в оставшейся части цепи – активном двухполюснике- рассчитать токи известными методами, например, методом узловых потенциалов:
• найти разность потенциалов между точками а и б (напряжение холостого хода Uxx эквивалентного генератора) через токи ветвей этого двухполюсника;
• определить искомый ток по формуле (1):
. (1)
Метод двух узлов
Метод двух узлов является частным случаем метода узловых потенциалов. Он применим для определения токов в ветвях схемы с двумя узлами и любым числом параллельных ветвей. Принимая один из узлов с нулевым потенциалом , записываем уравнение по методу узловых потенциалов для другого узла, решая которое, получим:
, (2)




Запишем напряжения между узлами для схемы на рис. 4.
.
Откуда ,
и т.д. (3)
Рис. 4
Баланс мощностей
При прохождении токов по резисторам цепи в последних выделяется тепло. На основании закона сохранения энергии количество теплоты, выделяющейся за единицу времени (мощность) в резисторах цепи, должно равняться энергии, доставляемой за это же время источниками питания.
Уравнение энергетического баланса имеет вид:
. (4)
Потенциальная диаграмма
Графической иллюстрацией второго закона Кирхгофа является потенциальная диаграмма (рис. 6), изображающая изменение потенциала вдоль контура, представленного на рис.5. Для построения потенциальной диаграммы необходимо:
2. Произвольно выбрать направление обхода контура, например, по часовой стрелке.
3. По оси абсцисс (рис. 6) отложить в масштабе сопротивления участков контура в том порядке, в котором они встречаются в направлении обхода.
4. Отложить потенциалы на концах участков и соединить полученные точки.
Рис. 5
![]() | |||
Рис. 6
Пример 1
![]() | |||
![]() | |||
Рис. 7 а Рис. 7 б
I1 – I2 – I3 =0;
|

I2 -I5 + I6=0;
R1·I1 + R3·I3 + R4·I4 = E4;
R2· I2– R3 I3– R5 I5· = E5 – E2;
- R4·I4 – R5·I5 – R6 ·I6= E6– E4 – E5.
Уравнения, записанные по методу контурных токов:
|

– R3 ·I11+ (R2 + R3 + R5)· I22 – R5 ·I33 = E5 – E2;
– R4 ·I11 – R5 ·I22 +(R4+R5 + R6)· I33 = E6 – E4 – E5.
Решение этой системы дает значения контурных токов. При этом, с учетом выбранных положительных направлений токов в ветвях, их найдем через контурные (рис. 7 а):
I1 = I11 , I2 = I22 , I3 = I11 – I22, I4 = I11 – I33, I5 = I22 – I33 , I6 = I33..
Рассмотрим вычисление тока в резисторе R2 (рис. 7 а)методом эквивалентного генератора, для чего разорвем эту ветвь и перерисуем схему без этого резистора R2 (рис. 8), обозначив узлы 1, 2 и 3.
![]() |
Рис. 8
В оставшейся части цепи определим токи методом узловых потенциалов. Здесь число узлов уменьшилось и стало равным трем. Заземлим узел 3, для оставшихся узлов запишем уравнения по методу узловых потенциалов:
|


Решение полученной системы дает значения потенциалов узлов. Для определения напряжения холостого тока не обязательно вычислять все токи. Здесь достаточно определить ток I3. По закону Ома для участка цепи:
.
Uав.хх= φа – φв; φа= φ2 + R3· I3; φв= φ3 + E2 .
Для определения внутреннего сопротивления эквивалентного генератора перерисуем схему без источников (рис. 9а), имея в виду, что сопротивление источника ЭДС равно нулю, источника тока – бесконечности. Полученная схема не содержит ни последовательного, ни параллельного соединения элементов. Поэтому необходимо произвести преобразование одного из имеющихся треугольников в звезду (рис. 9б), затем вычислить эквивалентное сопротивление генератора (Rвн).
а) б)
Рис. 9
Ток вычисляется по формуле:
.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЗАДАЧЕ 2
Гармоническим (синусоидальным) называется ток, мгновенное значение которого i(t) изменяется по синусоидальному закону:
(5)

За промежуток времени t = Т фаза синусоиды увеличивается на 2π радиан или на 360°. Величина, обратная периоду Т, называется циклической частотой f (f = I/Т, Гц), а - круговой частотой, рад/с.
Любой синусоидальной функции можно сопоставить вращающийся вектор (рис.10). При этом между ними будет однозначное соответствие. Длина вектора равна амплитуде синусоиды, угловая скорость вращения равна круговой частоте ω. Начальное положение вектора (t = 0) определяется начальной фазой ψ. При таких условиях проекция вектора на ось ординат ОМ в каждый момент времени равна мгновенному значению тока в тот же момент времени.
![]() |
Рис. 10
Если нескольким синусоидальным величинам сопоставить векторы с соответствующими данными и начальными положениями, то они будут вращаться с одинаковыми частотами вращения, но их взаимное положение будет оставаться неизменным. Совокупность векторов, изображающих синусоидально изменяющиеся величины с одной и той же частотой, построенных с соблюдением правильной ориентации их относительно друг друга по фазе, называется векторнойдиаграммой.
Если изменяющиеся величины можно изобразить с помощью векторов, то сами векторы можно записать с помощью комплексных чисел. Как известно, любое комплексное число (а1 + jа2) можно изобразить на комплексной плоскости точкой (рис. 10). Каждой точке соответствует радиус-вектор (), проведенный от начала координат. Угол, образованный вектором и вещественной осью, называется аргументом. Он отсчитывается против часовой стрелки. Длина вектора называется модулем, а проекции – действительной (Re) и мнимой (Jm) частями комплексного числа, соответственно. При этом:
. (6)
Если проекции выразить через тригонометрические функции
то получим тригонометрическую форму записи комплексного числа:
a1 + ja2 = A·(cosα + jsinα). (7)
Воспользовавшись формулой Эйлера, можно получить показательную форму записи,
a1 + ja2 = A·ejα; a1 – ja2 = A·e-jα. (8)
Пусть имеется синусоидальная величина, которая определяется выражением: i = Imsin(ωt + ψ). Это выражение соответствует проекции вращающего вектора Im на вертикальную ось. С другой стороны, рассмотрим комплексное число:
Im·ejα = Im·cosα + jIm·sinα. (9)
Если положить, что α = ωt + ψ, то синусоидальной функции будет соответствовать мнимая часть комплексного числа:
i =Jm[ Im·ej(ωt + ψ)] = Jm[Im·ej ψ·ejωt ], (10)
где Jm- сокращенное название "мнимая часть".
Величину Im· ej ψ = İm называют комплексной амплитудой. Эта величина является изображением синусоидальной величины, или ее символом. Отсюда название символического метода. Множитель ejωt называется оператором поворота. Для всех векторов, вращающихся с одинаковой частотой, этот множитель одинаков, и в уравнениях обычно его опускают. В комплексной форме можно использовать все методы расчета, полученные для цепей постоянного тока.
Пример 2
Заданы параметры (рис.11) цепи и входное напряжение u=Umsin(ωt + ψ). Запишем исходные данные в комплексной форме:
, где
- действующее значение напряжения u(t)
Z 1 = R1 + jωL1; Z 2 = R2 + jωL2; Z 3 = R3 – j/ωC3
Рис. 11
Определим:
• Токи .
• Напряжения на отдельных участках: .
На основании полученных комплексных чисел записываются выражения для мгновенных значений токов и напряжений.
Комплексная мощность источника определяется путем умножения комплекса напряжения на сопряженный комплекс тока (сопряженное комплексное число имеет противоположный знак при мнимой части):
.
Комплексная мощность потребителей определяется как
Построение векторной диаграммы (рис.12) начинается с выбора масштаба по току и по напряжению. Их надо выбирать так, чтобы в одном сантиметре (клетке) было число, кратное 2; 5; 10. Диаграмму желательно разместить на листе формата основного текста, например, А4.
mU = …
mI = …
![]() |
Рис. 12
Сначала строится вектор напряжения . Далее строятся векторы токов İ2, İ3 и их сумма İ1. От начала координат строят векторы напряжений на резистивных элементах ветвей (в некоторых вариантах они отсутствуют).
После этого строятся векторы напряжений на реактивных элементах ветвей от концов соответствующих векторов напряжений на резистивных элементах. Они будут, во-первых, взаимно перпендикулярны, во-вторых, их суммы равны . Векторы напряжений на элементах первой ветви строятся от конца вектора
. При построении векторов рекомендуется пользоваться алгебраической формой записи комплексного числа.
Мгновенное значение мощности определяется как произведение мгновенных значений тока и напряжения:
p = u·i = Um·sinωt·Im sin (ωt + φ) = U·I·cosφ - U·I·cos(2ωt - φ).
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЗАДАЧЕ 3
Электрические цепи зачастую содержат индуктивные катушки, находящиеся пространственно в зоне действия магнитных полей других катушек. При изменении тока в одной катушке в другой возникает ЭДС взаимоиндукции, определяемая по закону электромагнитной индукции. Если цепь второй катушки замкнута, в ней возникает ток, который, в свою очередь, создает свой поток, пронизывающий первую катушку. В том случае, когда эти потоки направлены одинаково, соединение катушек называется согласным, а наоборот – встречным.
На схемах взаимоиндукцию принято обозначать условно (рис. 13). При этом если ток входит в одноименные зажимы (обозначенные звездочкой или иным способом), то включение согласное (рис.13а), и наоборот (рис. 13 б). Очевидно, если в цепи второй катушки нет источника, потоки могут быть направлены только встречно, так как возникающий при этом ток препя