- •А.А. Башев, а.А. Кралин, н.Г. Панкова
- •Часть 1
- •140400 «Электроэнергетика и электротехника» Нижний Новгород 2014
- •Оглавление
- •3.1. Основные определения. Трехфазная система эдс …..………….. 69
- •1.2. Источники электрической энергии: источники эдс и источники тока
- •1.3. Законы Ома, Кирхгофа и закон сохранения энергии
- •1.5. Методы расчета линейных электрических цепей Расчет цепей с использованием законов Кирхгофа
- •Метод контурных токов
- •Метод узловых потенциалов. Метод двух узлов
- •Принцип и метод наложения (суперпозици)
- •Метод эквивалентного генератора
- •2. Электрические цепи однофазного синусоидального тока
- •2.1. Основные определения. Изображения синусоидальных функций времени векторами на комплексной плоскости
- •2.2. Активное сопротивление, индуктивность и конденсатор в цепи синусоидального тока
- •2.3. Комплексное сопротивление и проводимость. Законы Ома и Кирхгофа в комплексной форме. Векторные и потенциальные (топографические) диаграммы
- •2.4. Активная, реактивная и полная мощности. Баланс мощностей
- •2.5. Методы расчета разветвленных цепей синусоидального тока, основанные на свойствах линейных цепей
- •2.6. Резонансные режимы в цепи. Резонанс напряжения, резонанс токов. Частотные характеристики резонансных цепей
- •2.7. Расчет цепей с индуктивно связанными элементами
- •3. Электрические цепи трехфазного тока
- •3.1. Основные определения. Трехфазная система эдс
- •3.2. Схемы соединения трехфазных цепей
- •3.3. Расчет трехфазных цепей
- •Соединение нагрузки треугольником
- •3.4. Активная, реактивная и полная мощности трехфазной системы
- •4. Практическая часть
- •Раздел 1. Цепи постоянного тока
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Раздел 2. Основы символического метода
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Раздел 3. Расчет цепей символическим методом
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Решение:
- •Раздел 4. Трёхфазные цепи. Высшие гармоники в трёхфазных цепях
- •Список литературы
- •Башев Александр Александрович
1.3. Законы Ома, Кирхгофа и закон сохранения энергии
Под напряжением на некотором участке электрической цепи понимают разность потенциалов между крайними точками этого участка. Пусть имеется некоторый участок цепи (рис. 1.7), крайние точки которого обозначены буквами а и b. Пусть ток I течет от точки а к точке b (от более высокого потенциала к более низкому). Следовательно, потенциал точки а(φa) выше потенциала точки b(φb) на значение, равное произведению тока I на сопротивление R: φa=φb+IR.
Рис. 1.7
В соответствии с определением напряжение между точками а и b Uab=φa-φb.
Следовательно, Uab=IR, т.е. напряжение на сопротивлении равно произведению тока, протекающего по сопротивлению, на значение этого сопротивления.
В электротехнике разность потенциалов на концах сопротивления принято называть либо напряжением на сопротивлении, либо падением напряжения.
Положительное направление падения напряжения на каком-либо участке (направление отсчета этого напряжения), указываемое на рисунках стрелкой, совпадает с положительным направлением отсчета тока, протекающего по данному сопротивлению.
Рассмотрим вопрос о напряжении на участке цепи, содержащей кроме сопротивления R, ЭДС Е (рис. 1.8, а, б). Найдем разность потенциалов (напряжение) между точками а и с для этих участков. По определению Uaс=φa-φс. Выразим потенциал точки а через потенциал точки с. При перемещении от точки с к точке b встречно направлению ЭДС Е (см. рис. 1.8, а) потенциал точки b оказывается меньше, чем потенциал точки с, на значение ЭДС Е: φb=φc-E. При перемещении от точки с к точке b согласно направлению ЭДС Е (рис.1.8, б) потенциал точки b больше, чем потенциал точки с, на значение ЭДС: φb=φc+E.
Так как ток течет от более высокого потенциала к более низкому, в обеих схемах потенциал точки а выше потенциала точки b на величину падения напряжения на сопротивлении R: φа=φb+IR.
а) б)
Рис. 1.8
Таким образом, для рис. 1.8, а:
(1.1)
для рис. 1.8, б:
(1.2)
Положительное направление напряжения Uaс показывают стрелкой от а к с. Согласно определению, Uса=φс-φа, поэтому Uас=-Uса, т.е. изменение чередования индексов равносильно изменению знака этого напряжения. Следовательно, напряжение может быть как положительной величиной, так и отрицательной.
Закон Ома для участка цепи, не содержащего ЭДС Е, устанавливает связь между током и напряжением на этом участке. Применительно к рис.1.7
или . (1.3)
Закон Ома для участка цепи, содержащего источник ЭДС Е, позволяет найти ток этого участка по известной разности потенциалов (φa-φс) на концах этого участка цепи и имеющейся на участке ЭДС Е.
Так, из уравнения (1.1) для схемы рис.1.8, а следует
.
Из уравнения (1.2) для схемы рис.1.8, б следует:
.
В общем случае
. (1.4)
Все электрические цепи подчиняются первому и второму законам Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа можно сформулировать двояко:
1) алгебраическая сумма токов, подтекающих к какому-либо узлу схемы, равна нулю;
2) сумма подтекающих к любому узлу токов равна сумме утекающих от этого узла токов.
Рис. 1.9
Применительно к рис.1.9, если подтекающие токи к узлу считать положительными, а вытекающие - отрицательными, то согласно первой формулировке I1-I2-I3-I4=0; согласно второй I1=I2+I3+I4. Физически первый закон Кирхгофа означает, что движение электрических зарядов в цепи происходит так, что ни в одном из узлов они не скапливаются. В противном случае изменялись бы потенциалы узлов и токи в ветвях.
Второй закон Кирхгофа также можно сформулировать двояко:
1) алгебраическая сумма падений напряжения в любом замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС, входящих в данный контур:
, (1.5)
где m - число резистивных элементов; п – число ЭДС в контуре (в каждую из сумм соответствующие слагаемые входят со знаком плюс, если они совпадают с направлением обхода контура, и со знаком минус, если они не совпадают с ним);
2) алгебраическая сумма напряжений вдоль любого замкнутого контура
, (1.6)
где т - число элементов контура.
Второй закон Кирхгофа является следствием равенства нулю циркуляции вектора напряженности электрического поля вдоль любого замкнутого контура в безвихревом поле.
Законы Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.
При протекании токов по сопротивлениям в них выделяется теплота. На основании закона сохранения энергии количество теплоты, выделяющееся в единицу времени в сопротивлениях цепи, должно равняться энергии, доставляемой за то же время источником питания. Если направление тока I, протекающего через источник ЭДС E, совпадает с направлением ЭДС, то источник ЭДС доставляет в цепь энергию в единицу времени, равную EI, и произведение ЕI входит в уравнение энергетического баланса с положительным знаком. Если же направление тока I встречно ЭДС Е, то источник ЭДС не поставляет энергию, а потребляет ее (например, заряжается аккумулятор), и произведение ЕI войдет в уравнение энергетического баланса с отрицательным знаком. Уравнение энергетического баланса при питании только от источников ЭДС имеет вид
. (1.7)
В случае питания электрической цепи не только источниками ЭДС, но и источниками тока, при составлении уравнения энергетического баланса необходимо учесть и энергию, доставляемую источниками тока. Предположим, что к узлу а схемы подтекает ток J от источника тока, а от узла b этот ток утекает. Доставляемая источником тока мощность равна UаbJ. Общий вид уравнения энергетического баланса:
. (1.8)
1.4. Эквивалентные преобразования пассивных участков
электрической цепи
При наличии в цепи только одного источника энергии в большинстве случаев цепь можно рассматривать как смешанное соединение источника и приемников энергии, т.е. нескольких резисторов, соединенных между собой параллельно, включенных последовательно с другими сопротивлениями (рис.1.10). Расчет смешанного соединения целесообразно начинать с определения эквивалентной проводимости параллельного соединения, а на основании этой проводимости легко найти обратную величину - эквивалентное сопротивление разветвления R. Для схемы, приведенной на рис. 1.10, а:
После замены разветвления эквивалентным сопротивлением (рис. 1.10, б) цепь можно рассчитывать как последовательное соединение; ток в неразветвленной части цепи:
а) б)
Рис. 1.10
В ряде случаев расчет сложной схемы, состоящей из линейных сопротивлений, существенно упрощается, если в этой схеме заменить группу сопротивлений другой эквивалентной группой, в которой сопротивления соединены иначе, чем в замещаемой группе. Взаимная эквивалентность двух групп сопротивлений выразится в том, что после замены электрические условия во всей остальной схеме не изменятся.
Рассмотрим преобразование звезды в треугольник и треугольника в звезду. Соединение трех сопротивлений, имеющих вид трехлучевой звезды, называют звездой (рис. 1.11), а соединение трех сопротивлений так, что они образуют собой стороны треугольника, - треугольником (рис.1.12). Обозначим токи, подтекающие к узлам 1, 2, 3, через I1, I2 и I3. Выведем формулы преобразования. С этой целью выразим токи I1, I2 и I3 в звезде и в треугольнике через разности потенциалов точек и соответствующие проводимости.
Рис. 1.11
Для звезды:
, (1.9)
; ;, (1.10)
где φо,φ1,φ2,φ3 - потенциалы в точках 0, 1, 2, 3 соответственно. Подставим (1.10) в (1.9) и найдем φ0:
.
Откуда
. (1.11)
Подставим о в выражение (1.10) для тока I1:
. (1.12)
С другой стороны, для треугольника в соответствии с обозначениями на рис. 1.12
. (1.13)
Рис.1.12
Так как ток I1 в схеме рис. 1.11 равен току I1 в схеме рис. 1.12 при любых значениях потенциалов 1, 2 и 3, то коэффициент при 2 в правой части формулы (1.13) равен коэффициенту при 2 в правой части уравнения (1.12), а коэффициент при 3 в правой части формулы (1.13) равен коэффициенту при 3 в правой части уравнения (1.12). Следовательно,
(1.14)
. (1.15)
Аналогично
. (1.16)
Формулы (1.14), (1.15) дают возможность определить проводимости сторон треугольника через проводимости лучей звезды.
Из уравнений (1.14)—(1.16) выразим сопротивления лучей звезды ;;через сопротивления сторон треугольника:
; ;.
С этой целью запишем дроби, обратные уравнениям (1.14)-(1.16):
; (1.17)
, (1.18)
где
; (1.19)
. (1.20)
Подставив формулы (1.17), (1.19) и (1.20) в выражение (1.18), получим
.
Следовательно,
.
Подставив m в выражение (1.19), найдем
. (1.21)
Аналогично:
; (1.22)
. (1.23)
Структура формул (1.21)—(1.23) аналогична структуре формул (1.14) -(1.16).