Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Tretyak_Tikhonov_Uch_posobie_2012.pdf
Скачиваний:
129
Добавлен:
02.05.2015
Размер:
8.19 Mб
Скачать

В режиме короткого замыкания ак-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

тивного двухполюсника (рис. 1.13) вы-

 

R1

 

 

 

 

 

 

R4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

числяется ток короткого замыкания

E

 

R3

 

 

R2

Iкз

 

Iкз =

Еэкв

.

(1.50)

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rэкв

 

Рис. 1.13. Схема активного

По полученным двум точкам для

двухполюсника в режиме

режимов холостого хода и короткого за-

короткого замыкания

мыкания (U=Еэкв, I=0 и U=0, I=Iкз) стро-

ится вольт-амперная характеристика активного двухполюсника (рис. 1.14).

 

U

 

Еэкв

1

2

 

 

I

Iab

Iкз

Рис. 1.14. Вольт-амперные характеристики: 1 – активного двухполюсника;

2 – сопротивления Rab

В этой же координатной системе строится вольт-амперная характеристика сопротивления Rab. Абсцисса точки пересечения двух вольт-амперных характеристик в масштабе соответствует току Iab (см.

рис. 1.14).

1.7.Примеры расчета электрической цепи

содним источником питания

Имеется цепь постоянного тока (рис. 1.15).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

R1

R

 

 

 

 

R3

R4

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I5

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

5

b

Рис. 1.15. Исходная схема электрической цепи постоянного тока

21

Дано: Е=100 В; R1=R4=5 Ом; R2=R3=R5=10 Ом. Определить ток I5.

1.7.1. Решение методом свертывания схемы

Решение наглядно представлено в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Решение методом свертывания схемы

Вид преобразованной схемы

Выполняемое действие

 

в соответствии с приведенной схемой

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R3

 

 

R45

 

R45=R4+R5=5+10=15 Ом

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

R

R

 

 

 

 

 

 

10 15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

45

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R345

R

 

=

 

 

 

3

 

 

=

 

 

 

 

= 6 Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

345

 

 

 

R3

+ R45

 

 

10 +15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

R2 R345

 

 

 

 

10 6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2345

 

 

R

=

 

 

=

= 3,75 Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2345

 

 

R2 + R345

 

 

10 +6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rэкв

 

 

Rэкв=R1+R2345=5+3,75=8,75 Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

Uab=I·R2345=11,43·3,75=42,86 Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2345

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

I5

 

=

 

 

 

U ab

 

=

42,86

= 2,86 А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R3

 

 

R5

 

R

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I5

 

 

 

 

 

4

+ R

 

 

 

5 +10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22

1.7.2. Решение методом эквивалентного генератора

Составим схему замещения электрической цепи (рис. 1.16), разделив исходную схему (см. рис. 1.15) на две части таким образом, чтобы первая часть содержала только сопротивление R5, а вторая часть – все остальные сопротивления и источник ЭДС.

 

 

a

 

Eэкв

Rэкв

R5

I5

U

A

 

b

 

Рис. 1.16. Схема замещения электрической цепи посредством активного двухполюсника

Схема для режима холостого хода активного двухполюсника представлена на рис. 1.17, а, где (см. рис. 1.15)

R

23

=

 

R2 R3

=

10 10

= 5 Ом; R = R + R = 5 +5 =10 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2 + R3

10 +10

 

 

123

1

 

 

23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I =

 

 

E

=

100

=10

А; Е

экв

=U

xx

= I R

23

=10 5 = 50 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R123

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

R4

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

R4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

R3

 

Uхх

 

 

 

R2

 

 

 

R3

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

б

Рис. 1.17. Схема режимов холостого хода для двухполюсника: активного (а) и пассивного (б)

Для расчета Rэкв принимаем Еэкв=0, тогда активный двухполюсник превращается в пассивный (рис. 1.17, б). Сопротивление этого двухполюсника относительно зажимов ab и будет эквивалентным сопротивлением.

R

экв

=

R1 R23

+ R

4

=

5 5

+5 = 7,5 Ом.

 

5 +5

 

 

R + R

23

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

По закону Ома (см. рис. 1.15)

23

I5

=

 

Eэкв

=

50

10

=2,86 А.

 

 

 

 

Rэкв + R8

 

7,5 +

 

 

 

 

1.7.3. Решение графическим методом

 

Построим вольт-амперные характеристики активного и пассивно-

го двухполюсников (рис. 1.16). Так как схема содержит линейные

элементы, то эти характеристики будут прямолинейными. Вольт-

амперную характеристику активного двухполюсника удобно строить

по точкам, соответствующим режимам холостого хода (U=Uxx, I=0) и

короткого замыкания (U=0, I=Iкз). Вольт-амперную характеристику

 

 

 

 

пассивного двухполюсника (сопротив-

 

 

 

a

ление R5=10 Ом) – по точкам, одной из

Rэкв

 

 

 

которых

является

начало

координат

Eэкв

Iкз

 

(0;0), а другой, например, точка с коор-

 

 

 

 

динатами (2;20), т.е при токе, равном 2

A

 

 

b

А, напряжение на сопротивлении R5

Рис. 1.18. Схема режима

равно 20 В (2·10=20 В).

 

 

 

 

При решении методом эквива-

короткого замыкания

 

 

лентного генератора найдено

 

активного двухполюсника

 

 

 

 

 

Еэкв =U xx = 50 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

В режиме короткого замыкания (рис. 1.18)

 

 

 

 

 

Iкз

=

Еэкв

=

50 = 6,67 А.

 

 

 

 

 

 

 

Rэкв

 

7,5

 

 

 

 

 

U, В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uxx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

I5

 

 

 

 

6 Iкз 7 I, А

1

 

2

 

4

 

5

Рис. 1.19. Вольт-амперные характеристики

 

активного (1) и пассивного (2) двухполюсников

 

24

На рис. 1.19 представлены вольт-амперные характеристики: активного и пассивного двухполюсников. Находим абсциссу точки пересечения этих характеристик, которая в масштабе соответствует искомому току

I5 = 2,85 А.

1.8.Анализ сложных электрических цепей

снесколькими источниками питания

Для расчета сложных электрических цепей применяются законы Кирхгофа.

Согласно первому закону Кирхгофа для цепей постоянного тока алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю.

n

 

 

 

 

Ik

= 0,

 

 

(1.51)

k =1

 

 

 

 

т.е. сумма токов, направленных от

 

 

 

 

узла, равна сумме токов, направ-

 

 

I4

 

ленных к узлу. При составлении

 

 

I5

уравнений токи, направленные к

 

 

 

 

узлу, берутся с одним знаком, а

 

I3

 

токи, направленные от узла, – с

 

 

 

I1

противоположным.

 

I2

Например, для узла электри-

 

 

 

 

 

 

ческой цепи на рис. 1.20 уравне-

 

 

 

 

ние, составленное по первому за-

Рис. 1.20. Узел электрической цепи

кону Кирхгофа, будет иметь вид

 

 

 

 

I1+I2+I4=I3+I5,

 

 

(1.52)

или

 

 

 

 

I1+I2I3+I4I5=0.

 

 

(1.53)

Согласно второму закону Кирхгофа для цепей постоянного тока в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений на резистивных элементах равна алгебраической сумме ЭДС

m

n

 

Ik Rk = ∑Ek ,

(1.54)

k =1

k =1

 

где m – число резистивных элементов; n – число источников ЭДС в контуре.

Со знаком «плюс» записываются ЭДС и токи, направления которых совпадают с произвольно выбранным направлением обхода кон-

25

тура, а со знаком «минус» – ЭДС и токи, направления которых проти-

воположны выбранному направлению обхода.

 

 

 

 

 

 

Рассмотрим сложную электрическую цепь (рис. 1.21), содержа-

щую 6 ветвей. В том случае, когда по условию задачи заданы величи-

ны всех ЭДС и сопротивлений, а требуется определить токи в ветвях,

то получается задача с шестью неизвестными.

 

 

 

 

задачи

 

 

 

 

Подобного

рода

 

R4

I4

 

решаются

с

использованием

 

 

законов Кирхгофа. При этом

R1

 

R2

 

должно

быть

 

составлено

a

c

столько

уравнений,

сколько

b

 

 

неизвестных токов.

 

 

 

I1

 

I2

 

Порядок расчета.

 

 

 

 

1. С целью упрощения по-

 

 

 

 

E1

R3

I3

E2

следовательные

и

параллель-

r0

 

r0

ные

соединения

сопротивле-

 

 

 

 

 

 

ний, содержащиеся в цепи, за-

I5

 

I6

 

меняются эквивалентными.

 

 

d

 

 

2.

Произвольно

указыва-

 

 

 

ются

направления

токов

во

Рис. 1.21. Сложная электрическая цепь

всех ветвях. Если принятое

 

 

 

 

направление тока не совпадает

с действительным, в результате расчета такой ток оказывается отри-

цательным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Составляются уравнения по первому закону Кирхгофа, количе-

ство которых

равно

(n–1), где n – количество узлов в схеме.

 

4. Остальные уравнения составляются по второму закону Кирхго-

фа. При этом направления обхода контуров выбираются произвольно.

Положительными считаются ЭДС и токи, направления

которых сов-

падают с направлением обхода контуров.

 

 

 

 

 

 

 

В качестве примера составим систему уравнений для схемы на

рис. 1.21. Для выбранных направлений токов запишем уравнения по

первому закону Кирхгофа для узлов a, b, c:

 

 

 

 

 

 

 

I1 + I2 + I3 = 0;

 

I5 I1 I4 = 0;

(1.55)

I4 I2 I6 = 0.

 

26

Приняв направление обхода контуров по часовой стрелке, составим уравнения по второму закону Кирхгофа для трех произвольно выбранных контуров:

E1 = I1R1 I3 R3 + I5 r01;

 

 

 

E1 E2 = I1R1 I2 R2 + I5 r01

+ I6 r02

;

(1.56)

0 = −I1R1 + I2 R2 + I4 R4 .

 

 

 

 

 

 

Решая уравнения (1.55) и (1.56) совместно как систему, определим токи в ветвях.

Легко заметить, что решение полученной системы уравнений без применения современных вычислительных средств является весьма трудоемкой операцией. Поэтому при анализе электрических цепей с несколькими источниками питания трехконтурную схему обычно преобразуют в двухконтурную заменой «треугольника» сопротивлений эквивалентной «звездой». При этом «треугольник» сопротивлений, входящий в состав сложной схемы, не должен содержать источников ЭДС.

В качестве примера проведем преобразование «треугольника» abc в схеме на рис. 1.21 в эквивалентную «звезду» (рис. 1.22). Исходный «треугольник» образован сопротивлениями R1, R2, R4. При преобразовании обязательно сохраняется условие эквивалентности схем, т.е. токи в проводах, подходящих к преобразуемой схеме, и напряжения между узлами не меняют своих величин.

 

I3

I3

 

 

a

a

 

 

 

R1

R2

Rao

 

Rco

 

 

Rbo

b

R4

b

c

 

c

I6

 

 

I5

 

I5

I6

 

Рис. 1.22. Преобразование «треугольника» сопротивлений в эквивалентную «звезду»

27

28

При преобразовании «треугольника» в «звезду» используются расчетные формулы:

Rao =

 

R1 R2

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

R

+ R

2

+ R

4

 

 

 

 

1

 

 

 

 

Rbo =

 

 

R1 R4

 

 

(1.57)

 

 

 

 

 

 

;

 

R1

+ R2

+ R4

 

 

 

 

 

Rco =

 

 

 

R2 R4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

R1

+ R2 + R4

 

 

 

 

 

 

Врезультате преобразования исходная схема (см. рис. 1.21) упрощается (рис. 1.23).

Впреобразованной схеме только три ветви и соответственно три

тока I3, I5, I6. Для расчета этих токов достаточно иметь систему из трех уравнений, составленных по законам Кирхгофа:

I5 + I3 I6 = 0;

 

 

E1 = I5 (Rbo + r01 ) I3 (R3 + Rao );

 

(1.58)

E2 = I3 (R3 + Rao ) + I6 (Rco + r02 ).

 

При составлении уравнений направление токов и обхода контуров выбирается так же, как в трехконтурной схеме. Решив систему урав-

нений (1.58), определим токи I3, I5, I6.

 

 

состав-

Подстановкой полученных значений токов в уравнения,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ленные для трехконтурной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

o

 

 

 

 

 

 

 

 

схемы, определим осталь-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rco

 

 

 

 

ные токи: I1, I2, I4.

 

 

 

 

 

 

Rao

 

 

 

 

 

 

 

 

I6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rbo

 

 

 

 

 

 

 

 

I3

 

 

Часто

для

расчета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сложных

электрических

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

c

 

цепей применяется

метод

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

контурных токов. При ре-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

шении этим

методом

E1

 

 

R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E2

количество уравнений рав-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r01

 

 

 

 

 

 

I3

 

 

 

 

r02

но количеству ячеек. Ячей-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I5

 

 

 

 

 

I6

 

 

 

кой называется такой кон-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тур, внутри которого от-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сутствуют ветви. В рас-

Рис. 1.23. Преобразованная схема после

сматриваемой схеме (рис.

замены «треугольника» сопротивлений

 

1.24) таких контуров-ячеек

 

 

 

 

эквивалентной «звездой»

 

три.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет сложных электрических цепей методом контурных токов ведется следующим образом.

1.Вводя понятие «контурный ток», произвольно задаемся направлением контурных токов в ячейках. Удобнее все токи указать в одном направлении, например по часовой стрелке (см. рис. 1.24).

2.Составляем для каждого контура-ячейки уравнение по второму закону Кирхгофа, обходя контур по часовой стрелке.

Уравнение для первого контура

E1 = Iк1 (R1 +R3 +r01) Iк2 R3 Iк3 R1;

(1.59)

уравнение для второго контура

 

 

 

 

E2

= Iк2 (R2 + R3 + r02 ) Iк1 R3 Iк3 R2 ;

(1.60)

уравнение для третьего контура

 

 

 

 

0 = Iк3 (R2 + R3 + R4 ) Iк1R1 Iк2 R2 .

 

(1.61)

 

 

R4

 

I4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

Iк3

 

R2

 

 

b

a

 

c

 

 

 

 

 

 

 

I1

 

 

I2

 

 

E1

Iк1

R3

 

 

E2

 

I3

Iк2

r02

 

r0

 

 

 

 

 

 

 

 

I5

d

I6

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1.24. Схема к расчету электрической цепи

 

 

 

методом контурных токов

 

 

3.Решая уравнения (1.59), (1.60), (1.61) совместно как систему, определяем контурные токи. Если контурный ток оказался отрицательным, значит, его направление противоположно выбранному на схеме.

4.Токи во внутренних ветвях схемы I1, I2, I3 определяются как сумма или разность соответствующих контурных токов. Если контурные токи в ветви совпадают по направлению, берется их сумма; если не совпадают, берется их разность.

5.Токи во внешних ветвях схемы I4, I5, I6 равны соответствующим контурным токам.

29

1.9. Пример расчета сложной электрической цепи методом контурных токов

Имеется цепь постоянного тока, схема которой изображена на

рис. 1.24.

Е2=120 В; r01=r02=0,5 Ом;

R1=5 Ом;

R2=10 Ом;

Дано: Е1=100 В;

R3=2 Ом; R4=10 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определить токи в ветвях.

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя уравнения (1.59), (1.60), (1.61), получаем

 

 

100 = 7,5Iк1 2Iк2 5Iк3 ;

 

 

 

120 = −2Iк1 +12,5Iк2 10Iк3

;

 

 

0 = −5Iк1 10Iк2 +25Iк3.

 

 

 

 

 

Выразим Iк3 через Iк1 и Iк2:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I к3 =

5

I к1

+

10

I

к2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

 

25

 

 

 

 

и произведем соответствующие подстановки:

 

 

 

 

100 = 6,5Iк1

4Iк2 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

120 = −4Iк1 +8,5Iк2 .

 

 

Совместное решение полученных уравнений дает:

 

 

Iк1=–5,2 А; Iк2=–33,5 А; Iк3=–14,4 А.

 

Определяем токи в ветвях:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1=Iк1Iк3=–5,2+14,4=9,2 А;

 

 

 

 

I2=Iк3Iк2=–14,4+33,5=19,1 А;

 

 

 

 

I3=Iк1Iк2=–5,2+33,5=28,3 А;

 

 

 

 

 

 

 

 

I4=–Iк3=14,4 А;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I5=–Iк1=5,2 А;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I6=–Iк2=33,5 А.

 

 

 

 

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Определить эквивалентное сопротивление RЭ,

если R1=1

Ом; R2=R3=4 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1) 9 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

R3

 

 

 

 

 

 

 

 

2) 3 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) 4 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4) 5 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

2. Определить эквивалентное

сопротивление RЭ, если R1=12

Ом; R2=8 Ом; R3=4 Ом; R4=4 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

12 Ом;

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4

2)

6 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

10 Ом;

 

 

R2

 

R3

 

 

 

 

 

 

4)

8 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Определить эквивалентное сопротивление RЭ, если R1=4 Ом;

R2=4 Ом; R3=6 Ом; R4=6 Ом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

10 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

R3

2)

5 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

12 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4)

8 Ом.

 

 

R2

 

 

 

R4

 

4. Определить эквивалентное сопротивление RЭ, если R1=6 Ом;

R2=4 Ом; R3=5 Ом, R4=5 Ом.

1)

10 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

R2

 

2)

15 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

5 Ом;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4)

9 Ом.

 

 

 

 

 

R3

 

 

R4

 

5. На рисунке показана часть сложной цепи. Задано: I1=3 А; I2=2,4 А; Е1=70 В; Е2=20 В; R1=8 Ом; R2=5 Ом. Найти напряжение Uаб.

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

1)

Uаб= –62 В;

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)

Uаб= –86 В;

 

E1

3)

Uаб= 14 В;

I1

4)

Uаб= 86 В;

 

 

 

 

Uаб

 

 

 

E2

5)

Uаб= –14 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

I2

 

 

 

 

 

 

 

б

 

 

 

 

31

6. Как изменится ток в цепи при замыкании ключа К (напряжение

U=const)?

 

K

1)

увеличится;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2)

уменьшится;

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

R2

 

 

R3

3)

не изменится?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.Как включают в электрическую цепь амперметр, вольтметр:

1)амперметр последовательно с нагрузкой, вольтметр параллельно нагрузке;

2)амперметр и вольтметр последовательно с нагрузкой;

3)амперметр и вольтметр параллельно нагрузке?

8.Как изменятся напряжения на сопротивлениях R2, R3 и R1 при увеличении R1 (U=const):

U

R1

R2

R3

1)напряжения на R2 и R3 увеличатся, а напряжение на R1 уменьшится;

2)напряжения на R2 и R3 уменьшатся, а напряжение на R1 увеличится;

3)напряжения на R2 и R3 не изменятся, а на R1 увеличится;

4)напряжения на R2 и R3 не изменятся, а напряжение на R1 уменьшится?

9.Определить, какие из трех источников ЭДС генерируют энергию, а какие потребляют, если R1=6 Ом; R2=8 Ом; R3=3 Ом; Е1=10 В;

Е2=30 В; Е3=30 В.

R1

 

 

R2

 

R3

 

1)

Е1 – генер., Е2

и Е3

– потр.;

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Е2

– генер., Е1

и Е3

– потр.;

 

 

 

 

 

 

 

3)

Е2

и Е3

– генер., Е1

– потр.;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4)

Е3

– генер., Е1

и Е2

– потр.;

E1

E2

E3

 

 

 

 

 

 

 

5)

Е1

и Е3

– генер., Е2

– потр.

32

10. Как изменятся напряжения U1 и U2 на зажимах источников

при уменьшении сопротивления R:

 

 

 

 

 

 

 

1)

U1 увеличится; U2 уменьшится;

 

 

 

R

 

 

2)

U1, U2 увеличатся;

E1

 

 

 

 

 

E2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

U1 уменьшится; U2 увеличится;

 

U1 U2

 

 

 

4)

U1, U2 уменьшатся?

r01

 

 

r02

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11. Какая из приведенных систем уравнений дает возможность найти неизвестные токи в приведенной схеме?

 

I1 I2 I3 = 0;

 

 

 

 

 

1)

 

= I1R1

+ I3 R3

;

 

 

 

E1

a

R2 I2

 

E

 

= I

 

R

 

I

 

R .

 

2

2

2

3

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

I1 = I2 + I3 = 0;

 

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= I R + I

 

R ;

 

 

 

 

 

R3

 

 

2) E

3

 

 

E1

 

 

 

E2

 

 

1

1 1

3

 

 

 

I3

 

 

 

+ I3 + I1 = 0.

 

 

 

 

 

 

 

I2

 

 

 

 

 

 

 

E1 = I1R1 + I3 R3 ;

 

 

 

I1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3)

E2

= −I2 R2 + I3 R3 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

R

.

 

 

R1

 

 

E

E

2

= −I

1

R + I

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

12. Сколько узловых и контурных уравнений по методам законов Кирхгофа необходимо составить для определения неизвестных токов в этой схеме:

d E2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1)

4

узловых и 4

контурных;

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E1

 

 

 

 

 

R2

 

 

2)

3

узловых и 3

контурных;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R3

 

 

 

 

 

 

 

 

R4

 

 

3)

4

узловых и 2

контурных?

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R5

 

 

 

 

 

 

13. Укажите положение движка реостата, соответствующее максимальной нагрузке.

1) 1; 2) 2; 3) 3.

U

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

14. На рисунке показана часть сложной цепи. Определите напряжение Uаб.

I1

R1

 

E1

 

а

 

 

 

 

 

 

 

1) Uаб=Е1+Е2I1R1+I2R2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

2) Uаб=–Е1+Е2I1R1+I2R2;

 

 

Uаб

 

 

 

 

 

I2

3) Uаб=I1R1I2R2Е1Е2;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4) Uаб=Е1+Е2I1R1I2R2;

.

 

E2

б

5) Uаб=–I1R1+I2R2Е1Е2.

 

 

 

15. Какое из приведенных уравнений не соответствует рисунку:

 

I2

 

1) I1+I2=I3+I4;

 

 

I1

I3

2)

I1+I2I3I4=0;

 

 

 

3)

I1+I2+I3+I4=0;

 

I4

 

 

 

 

 

 

 

 

4)

I3+I4I1I2=0?

 

 

 

16. Как изменится ток потребителя RН при коротком замыкании на линии:

U

 

 

1)

резко увеличится;

 

RН

2)

станет равным нулю;

 

 

 

3)

уменьшится?

 

 

 

17.Нагревательный прибор с сопротивлением R=44 Ом включен

всеть с напряжением U=220 В. Найти ток I и мощность Р прибора.

1)2А, 240 Вт; 2) 5А, 600 Вт; 3) 5А, 1100 Вт; 4) 10 А, 600 Вт.

18.Какое сопротивление должна иметь спираль нагревательного элемента, если его потребляемая мощность Р=1 кВт, а напряжение сети U=220 В.

1)0,22 Ом; 2) 48,4 Ом; 3) 100 Ом.

19.Если R=30 Ом, сопротивление участка цепи Rab составит

а

R

 

b 1) 10 Ом; 2) 30 Ом;

 

R

R

3) 90 Ом; 4) 45 Ом.

34

2. ОДНОФАЗНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

2.1. Основные понятия о переменном токе

Переменным называется электрический ток, который периодически изменяется во времени как по величине, так и по направлению.

В электрических цепях используется синусоидальный переменный ток, который возникает в цепи под действием синусоидальной ЭДС

(рис. 2.1).

Синусоидальные ЭДС, ток и напряжение характеризуются мгно-

венными и действующими значениями.

 

Мгновенное

значение

это

е

 

значение синусоидальной вели-

 

 

 

чины в любой момент времени. Em

 

t

Мгновенные

значения

е,

i,

 

 

 

u определяются по выражени-

 

 

ям:

 

 

 

 

 

e = Em sin ωt;

 

 

 

T

 

 

(2.1)

 

 

i = Im sin ωt;

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.1. Временная диаграмма

u =U m sin ωt,

 

 

 

где Еm, Im, Um

– амплитудные

 

изменения синусоидальной ЭДС

 

 

(максимальные) значения соответственно ЭДС, тока и напряжения; ω

– круговая (циклическая) частота; ωt – угол или фаза (в системе СИ измеряется в радианах – величина безразмерная).

ω=f,

(2.2)

где f – линейная частота изменения синусоидальной величины (число

периодов в единицу времени). Промышленная частота в

России рав-

на 50 Гц.

 

1

 

 

f =

,

(2.3)

T

 

 

 

где T – период (время полного цикла) изменения синусоидальной величины.

Таким образом, в отличие от цепей постоянного тока, в цепях переменного тока ЭДС, ток и напряжение характеризуются не только величиной (амплитудой), но и фазой.

На практике для количественной оценки действия переменного тока пользуются действующим значением.

35

Действующим называется значение такого переменного тока, который производит тот же тепловой эффект, что и равный ему по величине постоянный ток. Действующие значения ЭДС, напряжения и тока являются среднеквадратичными значениями их мгновенных значений и обозначаются E, U, I.

Действующие значения синусоидальных величин меньше амплитудных значений этих величин в 2 раз:

I=

Im

; U = U m

;

E =

E m .

(2.4)

 

2

2

 

 

2

 

Номинальные величины тока, напряжения и ЭДС источников и потребителей переменного тока являются действующими значениями этих величин.

Амперметры и вольтметры переменного тока измеряют преимущественно действующие значения тока и напряжения.

2.2. Временные и векторные диаграммы и их взаимосвязь

При анализе электрических цепей с помощью временных диаграмм по оси абсцисс обычно откладывают не время t, а произведение ωt. Это произведение представляет собой угол или фазу, которая в системе СИ измеряется в радианах. Однако фазу часто измеряют и в градусах. Аналитические зависимости u =Umsinωt и i = Imsin(ωt ϕ )

графически можно представить временными диаграммами (рис. 2.2).

u, i

u

i

ωt

φ

Рис. 2.2. Временная диаграмма напряжения и тока

Из аналитических зависимостей и временных диаграмм, изображенных на рис. 2.2, видно, что фазы тока и напряжения не совпадают: ток отстает по фазе от напряжения на угол φ (или напряжение опере-

36

жает по фазе ток на угол φ). При этом начальная фаза напряжения равна нулю, начальная фаза тока равна углу φ.

Однако временные диаграммы являются довольно громоздкими. Поэтому на практике для графического анализа цепей переменного тока часто пользуются векторными диаграммами. Векторными величинами являются напряжение, ток, ЭДС, магнитный поток, магнитодвижущая сила (МДС). Мощность, а также сопротивление и проводимость, которые будут рассматриваться в дальнейшем, являются скалярными величинами.

На векторной диаграмме каждый ток и каждое напряжение представлены вектором. Длина вектора в масштабе соответствует действующему значению тока или напряжения, а направление вектора определяет их фазу. Если, например, ток отстает по фазе от напряжения на угол φ, то вектор тока должен быть повернут относительно вектора напряжения на этот угол по часовой стрелке. Если ток опережает по фазе напряжение на угол φ, то вектор тока должен быть повернут относительно вектора напряжения на этот угол против часовой стрелки.

Векторная диаграмма может быть по-

+J

 

вернута на плоскости на любой угол,

 

 

при этом взаимное положение векто-

 

 

ров должно сохраняться. Построение

U

 

векторной диаграммы обычно начи-

+1

нают с вектора той величины, которая

φ

 

является общей для

всех элементов

I

 

цепи. Направление первого вектора

 

 

 

может выбрано произвольно. Когда

 

 

известна начальная

фаза векторной

Рис. 2.3. Векторная диаграмма

величины, вектор привязывается к

напряжения и тока

 

комплексной плоскости. На рис. 2.3

 

 

приведена векторная диаграмма, эквивалентная временной диаграмме (см. рис. 2.2). Векторные диаграммы позволяют проводить графический анализ цепи переменного тока.

2.3. Элементы и параметры электрических цепей переменного тока

При анализе электрических цепей переменного тока все электротехнические устройства можно рассматривать состоящими из резистивного (активного), индуктивного и емкостного элементов. Чтобы

37

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]