Основы теории электрических цепей Юрия Петровича Усова Лекции профессора ЭЛТИ

реклама
Лекция 6
Основы теории
электрических цепей
Лекции профессора ЭЛТИ
Юрия Петровича Усова
08.10.09
1
Лекция 6
Лаб.раб.№3
08.10.09
2
Лекция 6
Лаб.раб.№3
08.10.09
3
Лекция 6
Лаб.раб.№3
08.10.09
4
Лекция 6
Генератор – нагрузка?
08.10.09
5
Лекция 6
Линейные электрические
цепи с взаимной
индуктивностью
08.10.09
6
Лекция 6
Электрические цепи со взаимной
индуктивностью образуют
трансформаторы, электрические
машины и другие устройства
с магнитными потоками,
характеризуемые индуктивной связью.
08.10.09
7
Лекция 6
Две катушки с токами индуктивно
связаны, если часть магнитного
потока одной катушки сцепляется
с витками другой катушки и наоборот.
08.10.09
8
Лекция 6
Параметрами индуктивной связи
являются взаимная индуктивность М и
коэффициент связи КСВ , причем М
пропорциональна взаимным магнитным
потокам Ф12=Ф21
08.10.09
9
Лекция 6
Взаимная индуктивность
W1Ф12
W2 Ф 21
M

, Гн
i2
i1
Коэффициент связи
К св 
08.10.09
М
1
L1L 2
10
Лекция 6
Где
W1 и W2
• числа витков катушек
Ф12 и Ф 21 • взаимные магнитные
потоки
i1 и i 2
• токи катушек
L1 и L 2
• собственные
индуктивности катушек
08.10.09
11
Лекция 6
Различают согласное и встречное
включение двух индуктивно
связанных катушек
08.10.09
12
Лекция 6
1. Согласное включение
Ф11
Ф 21
Ф12
i1
*
08.10.09
u1
i2
Ф 22
*
u2
13
Лекция 6
M
*
i1
+
08.10.09
L1
u1
*
i2
+
L2
u2
14
Лекция 6
Включение двух катушек называется
согласным, если их взаимные
магнитные потоки Ф12 и Ф21 совпадают
по направлению между собой. При этом
токи катушек i1 и i2 ориентированы
одинаковым образом относительно
одноименных зажимов (*)
08.10.09
15
Лекция 6
Напряжения
d(Ф11  Ф12 )
di 2
di1
u1  W1
 L1
M
dt
dt
dt
d(Ф 22  Ф 21 )
di 2
di1
u 2  W2
 L2
M
dt
dt
dt
08.10.09
16
Лекция 6
При гармонических токах и
напряжениях
U1  jL1 I1  jMI2  U L1  U M1
U 2  jL 2 I2  jMI1  U L 2  U M2
08.10.09
17
Лекция 6
где
U L1  jL1 I1  jХ L1 I1
U L 2  jL 2 I2  jХ L 2 I2
• составляющие, обусловленные
собственными индуктивностями
08.10.09
18
Лекция 6
Где
U M1  jM I2  jХ M I2
U M2  jM I1  jХ M I1
• составляющие, обусловленные
взаимной индуктивностью
08.10.09
19
Лекция 6
Где
Х L1  L1
Х L 2  L 2
• индуктивные сопротивления
Х M  M
• сопротивление взаимной
индукции
08.10.09
20
Лекция 6
+j
U M2
U2
U M1
U1
UL2
I1
U L1
+1
I2
08.10.09
21
Лекция 6
При согласном включении
составляющие напряжений
взаимной индукции UM1 и UM2
опережают токи их
создающие I2 и I1
соответственно на 900
08.10.09
22
Лекция 6
2. Встречное включение
Ф11
Ф 21
Ф12
i1
*
08.10.09
u1
Ф 22
*
u2
i2
23
Лекция 6
M
*
i1
+
08.10.09
L1
u1
*
L2
u2
i2
+
24
Лекция 6
Включение двух катушек называется
встречным, если их взаимные магнитные
потоки Ф12 и Ф21 направлены навстречу
друг другу. При этом токи катушек i1 и i2
ориентированы различным образом
относительно одноименных зажимов (*)
08.10.09
25
Лекция 6
Напряжения
d(Ф11  Ф12 )
di 2
di1
u1  W1
 L1
M
dt
dt
dt
d(Ф 22  Ф 21 )
di 2
di1
u 2  W2
 L2
M
dt
dt
dt
08.10.09
26
Лекция 6
При гармонических токах и
напряжениях
U1  jL1 I1  jMI2  U L1  U M1
U 2  jL 2 I2  jMI1  U L 2  U M2
08.10.09
27
Лекция 6
Где
U M1   j M I2   jХ M I2
U M2   jM I1   jХ M I1
• составляющие, обусловленные
взаимной индуктивностью
08.10.09
28
Лекция 6
+j
U M1
U L1
UL2
U M2
U2
I1
U1
+1
I2
08.10.09
29
Лекция 6
При встречном включении
составляющие напряжений
взаимной индукции UM1 и UM2
отстают от токов их
создающих I2 и I1
соответственно на 900
08.10.09
30
Лекция 6
Последовательное соединение
индуктивно связанных
элементов
08.10.09
31
Лекция 6
к
jX L 2
d
U2
jX M
Е
U R1
а
R2
UR2
I
U1
b
R1
jX L1
с
I1=I2=I
08.10.09
32
Лекция 6
По 2 закону Кирхгофа
Е  U R1  U1  U R 2  U 2
• или
Е  R1 I  ( jХ L1 I  jX M I) 
 R 2 I  ( jХ L 2 I  jX M I)
08.10.09
33
Лекция 6
В результате
I
E
R1  R 2  j( Х L1  Х L 2  2 X M )
;
X M  M
• знак + - согласное включение,
• знак - - встречное включение
08.10.09
34
Лекция 6
В результате больший ток I
соответствует встречному
включению
08.10.09
35
Лекция 6
1. Согласное включение (+)
U 2к
+j
c
U М1
к
UМ2
UL2
Е
UR 2 d
U1к
U L1
а
UR1
08.10.09
b
I  Ie
j0
+1
36
Лекция 6
2. Встречное включение (-)
UМ2
+j
U 2к
к
UL2
U М1
U1к
c
U L1
а
UR1
08.10.09
b
Е
UR 2 d
I  Ie
j0
+1
37
Лекция 6
Параллельное соединение
индуктивно связанных
элементов
08.10.09
38
Лекция 6
I
jX L1
Е
U2
R1
jX L 2
I2
I1
U R1
08.10.09
U1
jX М
UR2
R2
39
Лекция 6
Уравнения по законам Кирхгофа:
I  I1  I2
Е  U R1  U1  R1 I1  ( jХ L1 I1  jX M I2 )
Е  U R 2  U 2  R 2 I2  ( jХ L 2 I2  jX M I1 )
08.10.09
40
Лекция 6
В результате
 Z 2  ( jX M ) 
I1  

E

2
 Z1 Z 2  X M 
 Z1  ( jX M ) 
I2  
E
2 
 Z1 Z 2  X M 
 Z1  Z 2  2( jX M ) 
I

E

2
Z1 Z 2  X M


08.10.09
41
Лекция 6
Где
Z1  R1  jX L1
Z 2  R 2  jX L 2
• знак + - согласное включение,
• знак - - встречное включение
08.10.09
42
Лекция 6
В результате больший ток I
соответствует встречному
включению
08.10.09
43
Лекция 6
1. Согласное включение (+)
+j
U М1
Е
UМ2
U L1
UR1
UR 2
08.10.09
UL2
I2
I1
+1
44
Лекция 6
2. Встречное включение (-)
+j
UМ2
UL2
U М1
Е
UR 2
08.10.09
U L1
UR1
I2
I1
+1
45
Лекция 6
Расчет линейных цепей с
взаимной индуктивностью
при гармонических токах и
напряжениях
08.10.09
46
Лекция 6
Расчет цепей со взаимной
индуктивностью осуществляется
при помощи законов Ома и
Кирхгофа или метода контурных
токов в комплексной форме,
причем через каждый
индуктивно связанный элемент
должен проходить один свой
контурный ток
08.10.09
47
Лекция 6
Z1
Е1
I1
U J 2 к.
1 к.
I3
b
Z3
Z М  jX М
08.10.09
I4
с
Z4
J +
а
3 к.
Е2
I2
d ZМ
Z5
I5
48
Метод законов Кирхгофа:
Лекция 6
b: I1 – I3 – I5 = 0
a: I2 + I3 – J = 0
d: I2 – I4 + I5 = 0
1 к: Z1 I1 + Z3 I3 = E1 + UJ
2 к: (Z4 I4 + ZM I5 ) =  E2  UJ
3 к:  Z3 I3  (Z5 I5 + ZM I4 ) = E2
08.10.09
49
Лекция 6
Причем
• знак “+” - при согласном включении
• знак “-” - при встречном включении
08.10.09
50
Z1
Е1
I1
Z3
с
08.10.09
Z4
+
J
а
I33
Z М  jX М
I4
UJ
I11
I3
b
I22
Лекция 6
Е2
I2
d ZМ
Z5
I5
51
Лекция 6
Метод контурных токов:
I11  J
I 22 ( Z 1  Z 3  Z 4 )  I 33 Z 3 
 I 11 ( Z 1  Z 3 )  I 33 Z M  E 1  E 2
I33 (Z 3  Z 5 )  I22 Z 3  I11 Z 3 
 I22 Z М  E 2
08.10.09
52
Лекция 6
Причем
• знак “+” - при одинаковой ориентации
относительно одноименных зажимов
индуктивно связанных контурных токов
• знак “-” - при различной ориентации
этих токов
08.10.09
53
Лекция 6
I22
После определения
находим:
и I33
I1  I11  I22
I 4  I22
I2  I33  I22
I5  I33
I3  I11  I22  I33
U J   E1  Z1 I1  Z 3 I3
08.10.09
54
Лекция 6
Баланс мощностей в линейных
цепях при гармонических
напряжениях и токах
08.10.09
55
Лекция 6
Баланс мощностей
рассчитывается для проверки
правильности расчетов и
заключается в определении
следующих величин
08.10.09
56
Лекция 6
Комплекс полной вырабатываемой
мощности (для примера):
где: PB>0 – активная
вырабатываемая мощность, Вт
QB – реактивная вырабатываемая
мощность, ВАр
08.10.09
57
Лекция 6
Где:
I1  I1  e
j (  1 )
I 2  I 2  e j (  2 )
j (  )

J  J e
- сопряженные значения токов
08.10.09
58
Лекция 6
Активная потребляемая мощность:
08.10.09
59
Лекция 6
Где
Z1  R1  jX1
Z 3  R 3  jX 3
Z 4  R 4  jX 4
Z 5  R 5  jX 5
• комплексные сопротивления
08.10.09
60
Лекция 6
Реактивная потребляемая
мощность:
 I Õ4  I Õ5  QM , ÂÀð
2
4
08.10.09
2
5
61
Лекция 6
Реактивная мощность
обусловленная взаимной
индуктивностью:
08.10.09
62
Лекция 6
Где
• знак + - согласное включение,
• знак - - встречное включение
I 4  I 4e
j 4
,
I 5  I 5e
j 5
• индуктивно связанные токи
08.10.09
63
Лекция 6
В результате относительные
погрешности:
08.10.09
64
Лекция 6
ВЕКТОРНЫЕ
ДИАГРАММЫ
08.10.09
65
Лекция 6
Векторные диаграммы строится
для графической проверки
правильности расчетов, причем
построение начинается с
лучевой диаграммы токов и
затем совмещенной с ней
строится топографическая
диаграмма напряжений
08.10.09
66
Z1
Е1
Лекция 6
I1
I4
с
Z4
U1
U3
b
UJ
U4
+
I3
Z3
*
J
а
Е2
I2
d ZМ
U5
Z5
Встречное включение
08.10.09
*
I5
67
Лекция 6
Дано:
E 1 , E2 , J
Z1 , Z 3 , Z4 , Z 5 , ZM
UJ , I 1 , I 2 , I 3 , I 4 , I 5
08.10.09
68
Лекция 6
Определяем напряжения:
U1=Z1I1
U3=Z3I3
U4=Z4I4-ZMI5
U5=Z5I5-ZMI4
08.10.09
69
Лекция 6
+j
I3
I4
I1
+1
50
J
08.10.09
mI=…А/мм
I5
I2
70
Лекция 6
mU=…B/мм
mI=…А/мм
+j
I3
E1
U3
U1
a
I4
I1
UJ
c
+1
b
J
08.10.09
I5
I2
71
Лекция 6
mU=…B/мм
mI=…А/мм
+j
I3
E1
U3
U1
a
I4
I1
c
UJ
U4=U4ej a4
a4>0
E2
+1
b
J
08.10.09
I5
I2
U
5
d
72
Лекция 6
Развязка
индуктивной
связи
Лекция 6
Развязка индуктивной связи
применяется для ее исключения с
целью упрощения расчетов и может
быть доказана при помощи
законов Кирхгофа
в комплексной форме
Лекция 6
1. Два индуктивно связанных
комплексных сопротивления подходят
одинаковым образом к общему узлу (d)
Лекция 6
Лекция 6
2. Два индуктивно связанных
комплексных сопротивления
подходят различным образом к
общему узлу (d)
Лекция 6
Лекция 6
После развязки индуктивной
связи для расчета цепи
можно использовать любой
известный метод
в комплексной форме
Пример
Лекция 6
Лекция 6
Дано:
Е  Ee
ja
J  Je
j
Z 1  R1  jX 1
Z 2  R2  jX 2
Z  R  jX
Z М  jX М
Определить:
I ?
Лекция 6
После развязки:
Лекция 6
Используем метод эквивалентного
генератора
Лекция 6
Е Г  U xx  E  J  ( Z 1  Z M )  E Г e
ja Г
Z Г  (Z 2  Z M )  (Z 1  Z M ) 
 RГ  jX Г  Z Г e
j Г
Лекция 6
I
EГ
ZГ Z
 Ie
j
Действующее значение тока:
I
EГ
( R Г  R)  ( X Г  X )
2
2
Лекция 6
Активная мощность нагрузки
Z:
PI R
2

2
EГ R
2
( R Г  R)  ( X Г  X )
2

 f (R)
Лекция 6
P
Pm
P  f (R)
0
Rm
Rm  R Г2  ( Х Г  Х ) 2 ;
R
Е Г2
Pm 
2( Rm  R Г )
Лекция 6
ТРАНСФОРМАТОР
В ЛИНЕЙНОМ
РЕЖИМЕ
Лекция 6
Трансформаторы предназначены
для преобразования величин
переменных напряжений и токов.
Простейший трансформатор –
это две индуктивно связанные
катушки, помещенные на
ферромагнитный сердечник
(магнитопровод)
Лекция 6
1
+
u1
1’
i2
i1
w2
w1
Ф
Ф – магнитный поток, Вб
2
+
u2
2’
Лекция 6
В линейном режиме
магнитопровод ненасыщен или
отсутствует
(воздушный трансформатор)
При этом индуктивности и
сопротивления катушек
трансформатора постоянны
Лекция 6
Передача энергии из одной
катушки в другую
осуществляется за счет взаимной
индукции и ток i2(t) согласно
правилу Ленца выбирает
такое направление, что
катушки будут включенными
встречно
Лекция 6
Если пренебречь потерями
энергии в магнитопроводе,
то тогда схема замещения
трансформатора в линейном
режиме будет следующей
Лекция 6
Схема замещения:
1
+
i1
*
L1
u1
1’
М
R1
*
L2
R2
i2
2
+
u2
2’
Лекция 6
Если u1 является напряжением
источника, а u2 – напряжением
на пассивной нагрузке, то тогда
получаем
Лекция 6
Уравнения по 2 закону Кирхгофа:
di1
di2
u1  R1i1  L1
M
dt
dt
di2
di1
0  u 2  R2i2  L2
M
dt
dt
Лекция 6
Комплексная схема замещения:
1
U1
1’
I1
ZМ
*
Z1
I2
*
Z2
2
U2
ZН
2’
Лекция 6
Уравнения по 2 закону Кирхгофа
в комплексной форме:
U 1  Z 1 I 1  Z M I 2

0  ( Z 2  Z н ) I 2  Z M I 1
где
U2  ZН I2
Лекция 6
Из решения этих уравнений
можно найти токи I1 и I2
Лекция 6
Векторная диаграмма при
холостом ходе ( I2=0 ):
1
2
U1
 jX М I 1 U 2
R1 I 1
2’ 1’
jX L1 I 1
I 1  I1e
j 0
Лекция 6
Векторная диаграмма при
сопротивлении нагрузки
ZH=ZHejH
H>0
Лекция 6
+j
 jX М I 1
U2
1’
2’
2
jX L2 I 2
R2 I 2
н
I2
+1
jX L1 I 1
R1 I 1
( jX М ) I 2
U1
1
I1
Лекция 6
Схема замещения трансформатора
без индуктивной связи:
1
+
I 1 Z1  Z M
Z2  ZM
ZM
U1
I2
2
+
U2
I0
2’
1’
I0
- ток намагничивания
Лекция 6
Линейные цепи
с гармоническими напряжениями
и токами, содержащие
трансформаторы, могут быть
рассчитаны при помощи
законов Кирхгофа или
метода контурных токов
в комплексной форме
Лекция 6
Пример:
I11
Z3
Е
*
I22
I3
ZM
I2
I1
*
I33
Z2
J
Z1
+
UJ
ZH
I11
Лекция 6
Дано:
E , J , Z1 , Z2 , Z3 , ZH
Определить:
I1 , I2 , I3 , UJ
Лекция 6
По методу контурных токов:
I11=J
I22(Z2+Z3) - I33ZM - I11Z3 = E
- I22ZM + I33(Z1+ZH) + I110 = 0
Лекция 6
Далее находим:
I1 = I11
I2 = I22
I3 = I22 – I11
UJ = E – Z3I3
Скачать