Ответы к экзамену по ЭТ, которых нет (или есть не полностью) в лекциях

7) Метод расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока с использованием нагрузочной характеристики.

Для нелинейных цепей неприменим принцип наложения. Это ограничивает применимость аналитических методов расчета цепей, которые на нем основаны. Расчет цепей с нелинейными резистивными элементами осуществляется графическими методами.

Рассмотрим расчет схемы с последовательным соединением источника ЭДС, линейного R и нелинейного резистивных элементов.

На линейном резистивном элементе напряжение по 2му закону Кирхгофа равно:

U_R = E – U (1), а ток по закону Ома с учетом (1) равен:

(2)

Уравнению (2) соответствует прямая линия, называемая нагрузочной характеристикой, проходящая через точки U=0, I=E/R на оси ординат и I=0, U=E на оси абсцисс. Точка А пересечения нагрузочной характеристики и ВАХ I(U) нелинейного резистивного элемента определяет рабочий режим цепи – ток I_A и напряжение U_A:

Графический метод расчета нелинейной цепи с помощью нагрузочной характеристики называется методом нагрузочной характеристики.

М етод нагрузочной характеристики пригоден и в случаях, если цепь содержит последовательное или параллельное соединение нелинейных резистивных элементов с известными ВАХ. Для этого необходимо в первом случае сложить ВАХ нелинейных резистивных элементов по напряжению, во втором – по току.

2 случай (парал. соед.)

1 случай (послед. соед.)

Определив рабочую точку на результирующей ВАХ методом нагрузочной характеристики, далее найдем ток и напряжение каждого нелинейного резистивного элемента.

Аналогично рассчитывается цепь, которая содержит смешанное соединение нелинейных резистивных элементов.

8) Метод расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока с использованием результирующей вах.

При использовании этих методов задача решается путем графических построений на плоскости. При этом характеристики всех ветвей цепи следует записать в функции одного общего аргумента. Благодаря этому система уравнений сводится к одному нелинейному уравнению с одним неизвестным. Формально при расчете различают цепи с последовательным, параллельным и смешанным соединениями.

а) Цепи с последовательным соединением резистивных элементов.

При последовательном соединении нелинейных резисторов в качестве общего аргумента принимается ток, протекающий через последовательно соединенные элементы. Расчет проводится в следующей последовательности. По заданным ВАХ    отдельных резисторов в системе декартовых координат    строится результирующая зависимость   . Затем на оси напряжений откладывается точка, соответствующая в выбранном масштабе заданной величине напряжения на входе цепи, из которой восстанавливается перпендикуляр до пересечения с зависимостью   . Из точки пересечения перпендикуляра с кривой    опускается ортогональ на ось токов – полученная точка соответствует искомому току в цепи, по найденному значению которого с использованием зависимостей    определяются напряжения    на отдельных резистивных элементах.

П рименение указанной методики иллюстрируют графические построения на рис. 2,б, соответствующие цепи на рис. 2,а.

Г рафическое решение для последовательной нелинейной цепи с двумя резистивными элементами может быть проведено и другим методом –методом пересечений. В этом случае один из нелинейных резисторов, например, с ВАХ    на рис.2,а, считается внутренним сопротивлением источника с ЭДС Е, а другой – нагрузкой. Тогда на основании соотношения    точка а (см. рис. 3) пересечения кривых    и    определяет режим работы цепи. Кривая    строится путем вычитания абсцисс ВАХ    из ЭДС Е для различных значений тока.

Использование данного метода наиболее рационально при последовательном соединении линейного и нелинейного резисторов. В этом случае линейный резистор принимается за внутреннее сопротивление источника, и линейная ВАХ последнего строится по двум точкам.

б) Цепи с параллельным соединением резистивных элементов.

При параллельном соединении нелинейных резисторов в качестве общего аргумента принимается напряжение, приложенное к параллельно соединенным элементам. Расчет проводится в следующей последовательности. По заданным ВАХ    отдельных резисторов в системе декартовых координат    строится результирующая зависимость   . Затем на оси токов откладывается точка, соответствующая в выбранном масштабе заданной величине тока источника на входе цепи (при наличии на входе цепи источника напряжения задача решается сразу путем восстановления перпендикуляра из точки, соответствующей заданному напряжению источника, до пересечения с ВАХ   ), из которой восстанавливается перпендикуляр до пересечения с зависимостью   . Из точки пересечения перпендикуляра с кривой    опускается ортогональ на ось напряжений – полученная точка соответствует напряжению на нелинейных резисторах, по найденному значению которого с использованием зависимостей    определяются токи    в ветвях с отдельными резистивными элементами.

Использование данной методики иллюстрируют графические построения на рис. 4,б, соответствующие цепи на рис. 4,а.

в) Цепи с последовательно-параллельным (смешанным) соединением резистивных элементов.

1. Расчет таких цепей производится в следующей последовательности:

Исходная схема сводится к цепи с последовательным соединением резисторов, для чего строится результирующая ВАХ параллельно соединенных элементов, как это показано в пункте б).

2. Проводится расчет полученной схемы с последовательным соединением резистивных элементов (см. пункт а), на основании которого затем определяются токи в исходных параллельных ветвях.

14) Сдвиг фаз между напряжением и током в активно-реактивных цепях +15) Полное, активное и реактивное сопротивления цепи переменного тока

В электрическую цепь могут быть включены различные элементы. Все они служат ее нагрузкой, т.е. сопротивлениями. А по своему действию на ток сопротивления подразделяются на активное, индуктивное и реактивное. Активное сопротивление R на схемах обозначаются как резисторы, индуктивные L как катушки индуктивности, а реактивные C как конденсаторы. Рассмотрим как взаимоизменяются ток и напряжение в электрической цепи переменного тока с каждым из этих сопротивлений. Для с лучая включения активного сопротивления представлен рис.1. Для наглядности графика взято сопротивление номиналом 2Ом. Как видно из графика - ток меняется одинаково с напряжением. Совпадают все нулевые, максимальные и минимальные значения(точки). Как говорят правильным электротехническим языком, напряжение и ток совпадают по фазе.

 

Совсем иная картина при включении в цепь катушки индуктивности. Здесь для наглядности сравнения графиков мы приняли индуктивное сопротивление за 1Ом. Также необходимо сразу сказать, что на графиках и в формулах между собою равны следующие обсуждаемые значения на оси времени: 0,005сек = п/2 = 90°; 0,01сек = п = 180°; 0,015сек = 1,5п = 270°; 0,02сек = 2п = 360°. Здесь п - число "пи" - и оно же 180°. Это все одно и то же. То есть период Т , за который величина возвращается в исходное положение - это 2п. Говорят, что в идеальной индуктивности ток отстает от напряжения на 90°. Разберемся, как это выглядит в действительности. В момент включения ток через катушку равен нулю, в то время как напряжение на катушке равно напряжению источника. Через время 0,005сек = п/2 = 90° ток через катушку имеет максимальное значение, а напряжение равно нулю. Еще через 90°(т.е. когда t = 0,01сек = п = 180°) напряжение на катушке снова максимально(разумеется, обратной полярности), а ток равен нулю. И так через каждые 90°. Это явление получило название самоиндукции. Самоиндукция препятствует резкому нарастанию тока при включении источника и убыванию тока при выключении источника. В этом, собственно, и заключается назначение дроссельного элемента люминесцентных ламп. Что касается мощности, то получается нижеследующая картина. В первую четверть( от 0сек до 0,005сек) периода мгновенная мощность положительна при нарастании тока(независимо от его знака) в индуктивном элементе - в это время энергия накапливается в магнитном поле индуктивного элемента. В течение следующей четверти(от 0,005сек до 0,01сек)периода при спадании тока индуктивный элемент уже не получает энергию от источника, а наоборот, отдает ему. Поэтому среднее значение мощности за период равно нулю, т.е синусоидальный ток в индуктивном элементе работы не совершает. И в отличие от резистивного элемента энергетический режим индуктивного элемента принято определять не активной, а реактивной индуктивной мощностью, равной максимальному положительному значению мгновенной мощности. Ее единицей является вольт-ампер реактивный (вар).

Настало время рассмотреть поведение емкостного элемента. Емкостной элемент(конденсатор) ведет себя по сравнению с индуктивностью с точностью до наоборот. Здесь ток опережает напряжение на 90°. Физически это означает, что в момент включения цепи ток в ней будет максимальным. По мере зарядки конденсатора напряжение на нем будет приближаться к напряжению источника и как только они сравняются, ток в цепи будет ноль. После этого в следующую четверть периода начнется разрядка напряжения, а ток будет возрастать. Далее синусоидальное напряжение сменит полярность и процесс повторится. Мгновенная мощность в емкостном элементе положительна в те интервалы времени, в течение которых напряжение(а не ток, как в индуктивном элементе) возрастает(независимо от знака). В течение этих интервалов происходит зарядка емкости и в его электрическом поле накапливается энергия. При уменьшении напряжения (опять-таки по модулю, т.е по абсолютному значению)на емкости мгновенная мощность отрицательна. Емкостной элемент разряжается и энергия, запасенная в его электрическом поле, возвращается к источнику. Таким образом, в емкостном элементе, так же как и в индуктивном, синусоидальный ток не совершает работы. Энергетический режим емкостного элемента принято определять реактивной емкостной мощностью, равной максимальному отрицательному значению мгновенной мощности.

Вкратце:

В цепях переменного тока выделяют следующие виды сопротивлений.

Активное. Активным называют сопротивление резистора. Условное обозначение

Единицей измерения сопротивления является Ом. Сопротивление резистора не зависит от частоты.

Реактивное. В разделе реактивные выделяют три вида сопротивлений: индуктивное xL и емкостное хс и собственно реактивное. Для индуктивного сопротивления получена формула X_L = ωL. Единицей измерения индуктивного сопротивления также является Ом. Величина xL линейно зависит от частоты.

Для емкостного сопротивления получена формула X_C = 1 / ωC. Единицей измерения емкостного сопротивления является Ом. Величина Хс зависит от частоты по обратно-пропорциональному закону. Просто реактивным сопротивлением цепи называют величину X = X_L - X_C.

Полное сопротивление. Полным сопротивлением цепи называют величину

.

Из этого соотношения следует, что сопротивления Z, R и X образуют треугольник: Z – гипотенуза, R и X – катеты. Для удобства в этом треугольнике рассматривают угол φ, который определяют уравнением

φ = arctg((X_L - X_C) / R),

и называют углом сдвига фаз. С учетом него можно дать дополнительные связи

R = Z cos φ,

X = Z sin φ.