Меню

Электрические цепи однофазного синусоидального тока векторная диаграмма



3.1 Расчет цепей синусоидального тока методом векторных диаграмм

3.1 Расчет цепей синусоидального тока методом векторных диаграмм

Полезной иллюстрацией расчета любой электрической цепи является ее топографическая диаграмма напряжений и векторная лучевая диаграмма токов или векторная диаграмма токов и векторная диаграмма напряжений на комплексной плоскости, которая позволяет находить графическим путем напряжения между любыми точками электрической цепи без дополнительных вычислений Примеры решения типовых задач методом векторных диаграмм

Задача 3.1.1 Для схемы рис. 3.1.1 определить токи во всех ветвях и напряжения на всех участках, составить баланс активных и реактивных мощностей, построить полную векторную диаграмму цепи, записать мгновенные значения токов, если U = Umsin(ωt + ψU), Um =600 В, ψU = –90°, R1 = 10 Ом, Х2 = R3 = Х3 = 20 Ом, Х4 = 50 Ом.

1. Заменим разветвленный участок эквивалентной ветвью с параметрами R23 и X23, для чего рассчитаем активные и реактивные проводимости параллельных ветвей

g 2 = R 2 Z 2 2 = R 2 R 2 2 + X 2 2 = 0 ; b 2 = X 2 Z 2 2 = X 2 R 2 2 + X 2 2 = 20 0 + 20 2 = 0,05 С м ; g 3 = R 3 Z 3 2 = R 3 R 3 2 + X 3 2 = 20 20 2 + 20 2 = 0,025 С м ; b 3 = − X 3 Z 3 2 = − X 3 R 3 2 + X 3 2 = − 20 20 2 + 20 2 = − 0,025 С м ; g 23 = g 2 + g 3 = 0 + 0,025 С м ; b 23 = b 2 + b 3 = 0,05 + ( − 0,025 ) = 0,025 С м ; R 23 = g 23 y 23 2 = g 23 g 23 2 + b 23 2 = 0,025 0,025 2 + 0,025 2 = 20 О м ; X 23 = b 23 y 23 2 = b 23 g 23 2 + b 23 2 = 0,025 0,025 2 + 0,025 2 = 20 О м .

2. Эквивалентная схема приведена на рис. 3.1.2, по которой рассчитаем ток неразветвленной части исходной схемы

i 1 = I 1 m sin ( ω t + ψ U − φ в х ) ,

I 1 m = U m ( R 1 + R 23 ) 2 + ( X 23 − X 4 ) 2 = 600 ( 10 + 20 ) 2 + ( 20 − 50 ) 2 = − 10 2 А ; φ в х = a r c t g X 23 − X 4 R 1 + R 23 = a r c t g 20 − 50 10 + 20 = − 45 ° .

Таким образом, мгновенное значение тока

i 1 = I 1 m sin ( ω t + ψ U − φ в х ) = 10 2 sin [ ω t + ( − 90 ° ) − ( − 45 ° ) ] = 10 2 sin ( ω t − 45 ° ) А .

Действующее значение тока

I 1 = I 1 m 2 = 10 2 2 = 10 А .

3. Напряжение на эквивалентном участке

U b d = U b d m sin ( ω t + ψ U − φ в х + φ 23 ) ,

U b d m = I 1 m Z 23 = I 1 m R 23 2 + X 23 2 = 10 2 ⋅ 20 2 + 20 2 = 400 В ; φ 23 = a r c t g X 23 R 23 = a r c t g 20 20 = 45 ° .

U b d = U b d m sin ( ω t + ψ U − φ в х + φ 23 ) = 400 sin [ ω t + ( − 90 ° ) − ( − 45 ° ) + 45 ° ] = 400 sin ( ω t ) В .

4. Действующее значение токов параллельных ветвей и напряжения эквивалентного участка:

U b d = U b d m 2 = 400 2 = 200 2 В ; I 2 = U b d Z 2 = U b d X 2 = 200 2 20 = 10 2 А ; I 3 = U b d Z 3 = U b d R 3 2 + X 3 2 = 200 2 20 2 + 20 2 = 10 А .

5. Углы сдвига фаз напряжений и токов второй и третьей ветвей

φ 2 = a r c t g X 2 R 2 = a r c t g 20 0 = 90 ° ; φ 3 = a r c t g − X 3 R 3 = a r c t g − 10 20 = − 45 ° .

6. Мгновенные значения токов параллельных ветвей

i 2 = I 2 2 sin ( ω t + ψ U b d − φ 2 ) = 20 sin ( ω t − 90 ° ) А ; i 3 = I 3 2 sin ( ω t + ψ U b d − φ 3 ) = 10 2 sin ( ω t + 45 ° ) А ,

ψ U b d = ψ U − ψ в х + φ 23 = ( − 90 ° ) − ( − 45 ° ) + 45 ° = 0.

7. Проверим баланс активных мощностей

P и с т = U I 1 cos φ в х = 600 2 ⋅ 10 ⋅ cos ( − 45 ° ) = 3000 В т ; P п о т р = I 1 2 R 1 + I 3 2 R 3 = 10 2 ⋅ 10 + 10 2 ⋅ 20 = 3000 В т ; P и с т = P п о т р = 3000 В т .

8. Проверим баланс реактивных мощностей

Q и с т = U I 1 sin φ в х = 600 2 ⋅ 10 ⋅ sin ( − 45 ° ) = − 3000 в а р ; Q п о т р = I 1 2 ( − X 4 ) + I 2 2 X 2 + I 3 2 ( − X 3 ) = 10 2 ⋅ ( − 50 ) + ( 10 2 ) 2 ⋅ 20 + 10 2 ⋅ ( − 20 ) = − 3000 в а р ; Q и с т = Q п о т р = − 3000 в а р .

Таким образом, баланс активных и реактивных мощностей сходится, т.е. задача решена верно, и можно переходить к построению полной векторной диаграммы.

9. Рассчитаем напряжения на элементах электрической цепи

U a b = I 1 R 1 = 10 ⋅ 10 = 100 В ; U b d = I 2 X 2 = 10 2 ⋅ 20 = 200 2 В ; U b c = I 3 R 3 = 10 ⋅ 20 = 200 В ; U c d = I 3 X 3 = 10 ⋅ 20 = 200 В ; U d e = I 1 X 4 = 10 ⋅ 50 = 500 В .

Векторная диаграмма приведена на рис. 3.1.3.

Задача 3.1.2 В схеме рис. 3.1.4 известны показания приборов вольтметра – 100 В, первого амперметра – 3 А, второго амперметра – 2 А, ваттметра – 160 Вт.

Рассчитать параметры схемы X1, X2, R2.

Показание ваттметра определяется выражением активной мощности участка электрической цепи

Читайте также:  Схема электромагнитного двигателя постоянного тока

P W = U W I W cos ( U ¯ W I ¯ W ^ ) = U I 2 cos φ 2 = I 2 2 R 2 = P 2 ,

R 2 = P 2 I 2 2 = P W I 2 2 = 160 2 2 = 40 О м .

Полное сопротивление второй ветви

Z 2 = R 2 2 + X 2 2 = U I 2 = 100 2 = 50 О м ,

X 2 = Z 2 2 − R 2 2 = 50 2 − 40 2 = 30 О м .

Из треугольника сопротивлений второй ветви

cos φ 2 = R 2 Z 2 = 40 50 = 0,8 ; sin φ 2 = X 2 Z 2 = 30 50 = 0,6.

Активная составляющая тока

I 2 а = I 2 cos φ 2 = 2 ⋅ 0,8 = 1,6 А .

Реактивная составляющая тока

I 2 р = I 2 sin φ 2 = 2 ⋅ 0,6 = 1,2 А .

На основании векторной диаграммы рис. 3.1.5 определяем ток в емкости

I 1 = I 2 р + I 2 − I 2 а 2 = 1,2 + 3 2 − 1,6 2 = 3,74 А .

По закону Ома находим емкостное сопротивление

Источник

Электрические цепи однофазного синусоидального тока векторная диаграмма

Идеальный резистивный элемент не обладает ни индуктивностью, ни емкостью. Если к нему приложить синусоидальное напряжение (см. рис. 1), то ток i через него будет равен

Соотношение (1) показывает, что ток имеет ту же начальную фазу, что и напряжение. Таким образом, если на входе двухлучевого осциллографа подать сигналы u и i , то соответствующие им синусоиды на его экране будут проходить (см. рис. 2) через нуль одновременно, т.е. на резисторе напряжение и ток совпадают по фазе.

Переходя от синусоидальных функций напряжения и тока к соответствующим им комплексам:

— разделим первый из них на второй:

Полученный результат показывает, что отношение двух комплексов есть вещественная константа. Следовательно, соответствующие им векторы напряжения и тока (см. рис. 3) совпадают по направлению.

2. Конденсатор

Идеальный емкостный элемент не обладает ни активным сопротивлением (проводимостью), ни индуктивностью. Если к нему приложить синусоидальное напряжение (см. рис. 4), то ток i через него будет равен

Полученный результат показывает, что напряжение на конденсаторе отстает по фазе от тока на /2. Таким образом, если на входы двухлучевого осциллографа подать сигналы u и i , то на его экране будет иметь место картинка, соответствующая рис. 5.

Введенный параметр называют реактивным емкостным сопротивлением конденсатора. Как и резистивное сопротивление, имеет размерность Ом. Однако в отличие от R данный параметр является функцией частоты, что иллюстрирует рис. 6. Из рис. 6 вытекает, что при конденсатор представляет разрыв для тока, а при .

Переходя от синусоидальных функций напряжения и тока к соответствующим им комплексам:

— разделим первый из них на второй:

В последнем соотношении — комплексное сопротивление конденсатора. Умножение на соответствует повороту вектора на угол по часовой стрелке. Следовательно, уравнению (4) соответствует векторная диаграмма, представленная на рис. 7.

3. Катушка индуктивности

Идеальный индуктивный элемент не обладает ни активным сопротивлением, ни емкостью. Пусть протекающий через него ток (см. рис. 8) определяется выражением . Тогда для напряжения на зажимах катушки индуктивности можно записать

Полученный результат показывает, что напряжение на катушке индуктивности опережает по фазе ток на /2. Таким образом, если на входы двухлучевого осциллографа подать сигналы u и i , то на его экране (идеальный индуктивный элемент) будет иметь место картинка, соответствующая рис. 9.

Введенный параметр называют реактивным индуктивным сопротивлением катушки; его размерность – Ом. Как и у емкостного элемента этот параметр является функцией частоты. Однако в данном случае эта зависимость имеет линейный характер, что иллюстрирует рис. 10. Из рис. 10 вытекает, что при катушка индуктивности не оказывает сопротивления протекающему через него току, и при .

Переходя от синусоидальных функций напряжения и тока к соответствующим комплексам:

разделим первый из них на второй:

В полученном соотношении — комплексное

сопротивление катушки индуктивности. Умножение на соответствует повороту вектора на угол против часовой стрелки. Следовательно, уравнению (6) соответствует векторная диаграмма, представленная на рис. 11

4. Последовательное соединение резистивного и индуктивного элементов

Пусть в ветви на рис. 12 . Тогда

Уравнению (7) можно поставить в соответствие соотношение

которому, в свою очередь, соответствует векторная диаграмма на рис. 13. Векторы на рис. 13 образуют фигуру, называемую треугольником напряжений. Аналогично выражение

графически может быть представлено треугольником сопротивлений (см. рис. 14), который подобен треугольнику напряжений.

5. Последовательное соединение резистивного и емкостного элементов

Опуская промежуточные выкладки, с использованием соотношений (2) и (4) для ветви на рис. 15 можно записать

На основании уравнения (7) могут быть построены треугольники напряжений (см. рис. 16) и сопротивлений (см. рис. 17), которые являются подобными.

Читайте также:  Трансформатор тока расшифровка маркировки

6. Параллельное соединение резистивного и емкостного элементов

Для цепи на рис. 18 имеют место соотношения:

, где [См] – активная проводимость;

, где [См] – реактивная проводимость конденсатора.

Векторная диаграмма токов для данной цепи, называемая треугольником токов, приведена на рис. 19. Ей соответствует уравнение в комплексной форме

Треугольник проводимостей, подобный треугольнику токов, приведен на рис. 20.

Для комплексного сопротивления цепи на рис. 18 можно записать

Необходимо отметить, что полученный результат аналогичен известному из курса физики выражению для эквивалентного сопротивления двух параллельно соединенных резисторов.

7. Параллельное соединение резистивного и индуктивного элементов

Для цепи на рис. 21 можно записать

, где [См] – активная проводимость;

, где [См] – реактивная проводимость катушки индуктивности.

Векторной диаграмме токов (рис. 22) для данной цепи соответствует уравнение в комплексной форме

Треугольник проводимостей, подобный треугольнику токов, приведен на рис. 23.

Выражение комплексного сопротивления цепи на рис. 21 имеет вид:

1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.

2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

Контрольные вопросы и задачи

1. В чем сущность реактивных сопротивлений?

2. Какой из элементов: резистор, катушку индуктивности или конденсатор – можно использовать в качестве шунта для наблюдения за формой тока?

3. Почему катушки индуктивности и конденсаторы не используются в цепях постоянного тока?

4. В ветви на рис. 12 . Определить комплексное сопротивление ветви, если частота тока .
Ответ: .

5. В ветви на рис. 15 . Определить комплексное сопротивление ветви, если частота тока .
Ответ: .

6. В цепи на рис. 18 . Определить комплексные проводимость и сопротивление цепи для .
Ответ: ; .

7. Протекающий через катушку индуктивности ток изменяется по закону А. Определить комплекс действующего значения напряжения на катушке.
Ответ: .

Источник

Однофазные цепи переменного тока. Векторные диаграммы

Последовательная цепь с резистивным, индуктивным и емкостным элементом:

Треугольник напряжений при последовательном соединении R, L и С:

Треугольники напряжений и сопротивлений при последовательном соединении R, L и С:

Треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей при последовательном соединении R, L и С:

Треугольники напряжений, сопротивлений и мощностей:

Цепь с параллельным соединением R , L и С:

Треугольники токов при параллельном соединением R , L и С:

Треугольники токов и проводимостей при параллельном соединением R , L и С:

Треугольники токов, проводимостей и мощностей при параллельном соединением R , L и С:

Треугольники токов и проводимостей:

График мгновенных значений u, i и p при резонансе напряжений:

Диаграмма для параллельной цепи R , L и С при резонансе токов:

Электрическая цепь при последовательном соединении элементов R и L:

Электрическая цепь при последовательном соединении элементов R и C:

Источник

Векторные диаграммы электрических цепей

При исследовании электрических цепей и моделировании часто пользуются векторными диаграммами токов и напряжений. Под векторной диаграммой понимается совокупность векторов, изображающих синусоидальные функции времени [1].

Воспользуйтесь программой онлайн-расчёта электрических цепей. Программа позволяет рассчитывать электрические цепи по закону Ома, по законам Кирхгофа, по методам контурных токов, узловых потенциалов и эквивалентного генератора, а также рассчитывать эквивалентное сопротивление цепи относительно источника питания.

Представление синусоидальных функций в виде комплексных чисел

Векторная диаграмма – это удобный инструмент представления синусоидальных функций времени, коими являются, к примеру, напряжения и токи электрической цепи переменного тока.

Рассмотрим, например, произвольный ток, представленный в виде синусоидальной функции

$$ i(t) = 10 \sin(\omega t + 30 \degree). $$

Данный синусоидальный сигнал можно представить в виде комплексной величины

$$ \underline = 10 \angle 30 \degree. $$

Для формирования комплексного числа используются модуль и фаза синусоидального сигнала.

Закон Ома в комплексной форме

Известно [1], что напряжение $ \underline $ на сопротивлении $ \underline $ связано с током $ \underline $, протекающим через это сопротивление, согласно закону Ома:

$$ \underline = \underline \cdot \underline. $$

Кроме того, известны соотношения, определяющие активное сопротивление резистора, индуктивное сопротивление катушки и ёмкостное сопротивление конденсатора:

где $ X_ = \omega L $, $ X_ = \frac<1> <\omega C>$, $ R $ – сопротивление резистора, $ L $ – индуктивность катушки, $ C $ – ёмкость конденсатора, $ \omega = 2 \pi f $ – циклическая частота, $ f $ – частота сети, $ j $ – мнимая единица.

Читайте также:  Измерительный датчик постоянного тока

Векторная диаграмма при последовательном соединении элементов

Для построения векторных диаграмм сперва составляют уравнения по законам Кирхгофа для рассматриваемой электрической цепи.

Рассмотрим электрическую цепь, представленную на рис. 1, и нарисуем для неё векторную диаграмму напряжений. Обозначим падение напряжение на элементах.

Последовательное соединение элементов электрической цепи для построения векторной диаграммы напряжений

Рис. 1. Последовательное соединение элементов цепи

Составим уравнение для данной цепи по второму закону Кирхгофа:

$$ \underline_ + \underline_ + \underline_ = \underline. $$

По закону Ома падение напряжений на элементах определяется по следующим выражениям:

$$ \underline_ = \underline \cdot R, $$

$$ \underline_ = \underline \cdot jX_, $$

$$ \underline_ = -\underline \cdot jX_. $$

Для построения векторной диаграммы необходимо отобразить приведённые в уравнении слагаемые на комплексной плоскости. Обычно вектора токов и напряжений отображаются в своих масштабах: отдельно для напряжений и отдельно для токов.

Из курса математики известно, что $ j = 1 \angle 90 \degree $, $ -j = 1 \angle -90 \degree $. Отсюда при построении векторной диаграммы умножение какого-либо вектора на мнимую единицу $ j $ приводит к повороту этого вектора на 90° против часовой стрелки, а умножение на $ -j $ приводит к повороту этого вектора на 90° по часовой стрелке.

При построении векторной диаграммы напряжений на комплексной плоскости сперва отобразим вектор тока $ \underline $, после чего относительного него будем отображать вектора падений напряжений (рис. 2) с учётом приведённых выше соотношений для мнимой единицы.

Падение напряжения на резисторе $ \underline_ $ совпадает по направлению с током $ \underline $ (т.к. $ \underline_ = \underline \cdot R $, а $ R $ – чисто действительная величина или, простыми словами, нет умножения на мнимую единицу). Падение напряжения на индуктивном сопротивлении опережает вектор тока на 90° (т.к. $ \underline_ = \underline \cdot jX_ $, а умножение на $ j $ приводит повороту этого вектора на 90° против часовой стрелки). Падение напряжения на ёмкостном сопротивлении отстаёт от вектора тока на 90° (т.к. $ \underline_ = -\underline \cdot jX_ $, а умножение на $ -j $ приводит повороту этого вектора на 90° по часовой стрелке).

Векторная диаграмма напряжений при последовательном соединение элементов цепи
Рис. 2. Векторная диаграмма напряжений при последовательном соединении элементов цепи

Векторная диаграмма при параллельном соединении элементов

Рассмотрим электрическую цепь, представленную на рис. 3, и нарисуем для неё векторную диаграмму токов. Обозначим направление токов в ветвях.

Параллельное соединение элементов электрической цепи для построения векторной диаграммы напряжений

Рис. 3. Параллельное соединение элементов цепи

Составим уравнение для данной цепи по первому закону Кирхгофа:

$$ \underline— \underline_— \underline_— \underline_ = 0, $$

$$ \underline = \underline_ + \underline_ + \underline_ = 0. $$

Определим по закону Ома токи в ветвях по следующим выражениям, учитывая, что $ \frac<1> = -j $:

Для построения векторной диаграммы необходимо отобразить приведённые в уравнении слагаемые на комплексной плоскости.

При построении векторной диаграммы токов на комплексной плоскости сперва отобразим вектор ЭДС $ \underline $, после чего относительного него будем отображать вектора токов токов (рис. 4) с учётом приведённых выше соотношений для мнимой единицы.

Ток в резисторе IR совпадает по направлению с ЭДС $ \underline $ (т.к. $ \underline_ = \frac<\underline> $, а $ R $ – чисто действительная величина или, простыми словами, нет умножения на мнимую единицу). Ток в индуктивном сопротивлении отстаёт от вектора ЭДС на 90° (т.к. $ \underline_ = -j \frac<\underline>> $, а умножение на $ -j $ приводит повороту этого вектора на 90° по часовой стрелке). Ток в ёмкостном сопротивлении опережает вектор ЭДС на 90° (т.к. $ \underline_ = j \frac<\underline>> $, а умножение на $ j $ приводит повороту этого вектора на 90° против часовой стрелки). Результирующий вектор тока определяется после геометрического сложения всех векторов по правилу параллелограмма.

Векторная диаграмма токов при параллельном соединении элементов цепи

Рис. 4. Векторная диаграмма токов при параллельном соединении элементов цепи

Для произвольной цепи алгоритм построения векторных диаграмм аналогичен вышеизложенному с учётом протекаемых в ветвях токов и прикладываемых напряжений.

Обращаем ваше внимание, что на сайте представлен инструмент для построения векторных диаграмм онлайн для трёхфазных цепей.

Список использованной литературы

  1. Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей. Учебник для вузов. Изд. 4-е, переработанное. М., «Энергия», 1975.

Рекомендуемые записи

При расчёте электрических цепей, в том числе для целей моделирования, широко применяются законы Кирхгофа, позволяющие…

При расчёте электрических цепей, помимо законов Кирхгофа, часто применяют метод контурных токов. Метод контурных токов…

Источник