Курсовая работа: Расчет линейных электрических цепей переменного тока

Название: Расчет линейных электрических цепей переменного тока
Раздел: Рефераты по физике
Тип: курсовая работа

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждение образования

«Гродненский государственный университет имени Янки Купалы»

Технологический колледж

Специальность: 2-360331 «Монтаж и эксплуатация

электрооборудования»

Группа МиЭЭ-17з

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

«Теоретические основы электротехники»

Расчет линейных электрических цепей

переменного тока

Вариант №44

Разработал: Куликов А.Г.

Руководитель: Дубок Н.Д.


Задание на курсовую работу

Заданы три приёмника электрической энергии со следующими параметрами: Z 1 = -j65 Ом, Z 2 = 14+j56 Ом, Z 3 =56- j23 Ом. Рассчитать режимы работы электроприёмников при следующих схемах включения:

1.Присоединить приёмники последовательно к источнику с напряжением U = 300 В. Определить полное сопротивление цепи Z, ток I, напряжения на участках, угол сдвига фаз, мощности участков и всей цепи, индуктивности и ёмкости участков. Построить топографическую векторную диаграмму цепи.

2. Присоединить приёмники параллельно к источнику с напряжением

U = 300 В. Определить токи в ветвях и в неразветвленной части цепи, углы сдвига фаз в ветвях и во всей цепи, мощности ветвей и всей цепи. Построить векторную диаграмму цепи.

3. Составить из приёмников цепь с двумя узлами, включив в каждую

ветвь соответственно электродвижущую силу E 2 =230 В и Е 3 = j240 B. Рассчитать в комплексной форме токи в ветвях, напряжения на участках, мощности источников и приёмников, составить уравнение баланса мощностей. Построить векторную диаграмму в комплексной плоскости. Для расчёта применить метод контурных токов.

4. Соединить приёмники в звезду с нулевым проводом (Z N = -j32 Ом), и подключить их к трёхфазному источнику с линейным напряжением UЛ =380 В. Определить фазные токи и напряжения источника, напряжение смещения нейтрали и ток в нулевом проводе. Построить топографическую векторную диаграмму в комплексной плоскости.

5. Соединить приёмники в треугольник и подключить его к тому же источнику трехфазного напряжения. Определить фазные и линейные напряжения и токи, мощности фаз и всей цепи. Построить векторную диаграмму цепи в комплексной плоскости.

6. Присоединить приёмники последовательно к источнику несинусоидального тока i=7Sin(wt+130 )+1,2Sin(2wt-860 )+0,4Sin3wtA. Определить действующие значения тока и напряжения, активную мощность цепи. Записать уравнения мгновенных значений напряжения в цепи. Значения сопротивлений считать для частоты первой гармоники.

Частоту напряжения считать равной f = 50 Гц.


1 Расчёт неразветвлённой цепи с помощью векторных диаграмм

В задании на курсовую работу сопротивления даны в комплексной форме. Так как расчёт цепи нужно выполнить с помощью векторных диаграмм, определяем соответствующие заданным комплексам активные и реактивные сопротивления: XС1 = 65 Ом, R2 = 14 Ом, XL 2 =56 Ом, R3 =56 Ом ,ХC 3 = 23 Ом.

Из заданных приёмников составляем неразветвлённую цепь (рис. 1).

Рисунок 1

Определяем активные и реактивные сопротивления всей цепи:

R = R2 + R3 = 14 + 56 = 70 Ом;

X = -XC 1 + XL 2 – XC 3 = - 65 + 56 - 23 = - 32 Ом.

Полное сопротивление всей цепи тогда определяем из выражения:

Z = = = 77 Ом.

Ток в цепи будет общим для всех приёмников и определится по закону Ома:


I = U / Z = 300/77 = 3.9 A.

Угол сдвига фаз между напряжением и током определяется по синусу

Sin j = X / Z или тангенсу Tg j = X / R,

так как эти функции являются нечётными и определяют знак угла “плюс” или “минус”. Положительный знак угла указывает на активно-индуктивный (или чисто индуктивный) характер нагрузки, а отрицательный знак угла указывает на активно-ёмкостный (или чисто ёмкостный) характер. Таким образом, угол сдвига фаз между напряжением и током определим по синусу

Sin j= X/Z = - 32/77 = - 0,4156;j = - 24.56°; Cos j = 0,9096.

Напряжения на участках цепи определяем также из формулы закона Ома:

UC1 = I * XC1 = 3.9 *65 =253.5 B.

UR2 = I * R2 = 3.9 * 14 = 54.6 B.

UL2 = I * XL2 = 3.9 * 56 = 19.5 B

UR3 = I * R3 = 3.9 * 56 = 19.5 B

UC 3 = I * XC 3 = 3.9 * 23 = 89.7 B.

Определяем активные и реактивные мощности участков цепи:

QC1 = I2 * XC1 =3.92 *65 = 989 вар.

P2 = I2 * R2 =3.92 * 14 = 213 Bт.

QL2 = I2 * XL2 = 3.92 *56 = 852 вар.

P3 =I2 *R3 = 3.92 *56= 852 Вт

QС3 = I2 * XС3 = 3.92 *23 =350 вар.


Активная, реактивная и полная мощности всей цепи соответственно будут равны:

P = P2 + P3 = 213 +852 =1065 Вт.

Q = -QC 1 + QL 2 - QС3 = -989+852- 350 = - 487 вар.

S = = =1171 B*A.

Полную, активную и реактивную мощности всей цепи можно определить также по другим формулам:

S = U * I =300 *3.9 =1170 В*А.

Р = S * Cosj =1170* 0,9096 =1064 Вт,

Q = S * Sin j=1170*( - 0,4154) = - 486 вар.

Определяем ёмкость и индуктивность участков. Угловая частота ω = 2 πf = 2 * 3,14 * 50 = 314 с-1

C1 = 1/wXc1 =1/(314*65)= 0,000049 Ф = 49 мкФ

L2 = XL 2 /w = 56/314 = 0,178 Гн

С3 = 1/wXС3 = 1/(314*23) = 0,000138 Ф = 138 мкФ.

Для построения векторной диаграммы задаёмся масштабами тока и напряжения, которые будут соответственно равны MI = 0,25 A/см и MU = 25 B/см.

Построение топографической векторной диаграммы начинаем с вектора тока, который откладываем вдоль положительной горизонтальной оси координат. Векторы напряжений на участках строятся в порядке обтекания их током с учётом того, что векторы напряжений на активных элементах R2 и R3 совпадают по фазе с током и проводятся параллельно вектору тока. Вектор напряжения на индуктивности L2 опережает ток по фазе на угол 900 и поэтому откладывается на чертеже вверх по отношению к току. Векторы напряжений на ёмкости С1 и отстают от тока по фазе на угол 900 и откладываются на чертеже вниз по отношению к току. Вектор напряжения между зажимами цепи проводится с начала вектора тока в конец вектора С3 . На векторной диаграмме отмечаем треугольник напряжений ОАВ, из которого активная составляющая напряжения

Uа = UR 2 + UR 3

и реактивная составляющая напряжения

Uр = -UС1 + UL 2 – UС3 .

Топографическая векторная диаграмма построена на рисунке 2.


Ua

O

φ

MI = 0,5 А/см

МU = 25 В/см

UC1 U UP

UR3

UR2 UL2


UC 3

Рисунок 2

2 Расчёт разветвлённой цепи с помощью векторных диаграмм

Присоединяем заданные приёмники параллельно к источнику напряжения. Это значит, что цепь состоит из трех ветвей, для которых напряжение источника является общим. Схема цепи показана на рисунке 3.

Расчёт параллельной цепи выполняем по активным и реактивным составляющим токов.


Рисунок 3

Этот метод предусматривает использование схемы замещения с последовательным соединением элементов. В данном случае три параллельные ветви рассматриваются как три отдельные неразветвлённые цепи, подключенные к одному источнику с напряжением U. Поэтому в начале расчёта определяем полные сопротивления ветвей:

Z1 = Хс1 = 65 Ом.

Z2 = = = 57.7 Ом.

Z3 = = 60.5 Ом.

Углы сдвига фаз между напряжениями и токами в ветвях определяются также по синусу (или тангенсу):

Sinφ1 = -1; j1 = - 90°;Cosφ1 = 0

Sinφ2 = XL 2 / Z2 = 56 / 57.7 = O.9705; j2 = 76.05°; Cosφ2 = 0.241.

Sinφ3 = - XC 3 /Z3 = - 23/60.5= - 0.38; φ3 = - 22.34°; Cosφ3 = 0.9249.

Затем можно определять токи в ветвях по закону Ома:


I1 = U / Z1 =300 / 65 = 4.62 А.

I2 = U / Z2 = 300 / 57.7 = 5.2 А.

I3 = U / Z3 = 300 / 60.5 = 4.96А.

Для определения тока в неразветвлённой части цепи нужно знать активные и реактивные составляющие токов в ветвях и неразветвленной части цепи:

Ip1 = I1 *Sinj1 = 4.62*(- 1) = - 4.62 A.

Ia2 = I2 *Cosφ2 = 5.2 * 0,241 = 1.25A;

Ip2 = I2 *Sinφ2 = 5.2 * 0,9705 = 5.05A;

Ia3 = I3 *Cosj3 = 4.96*0.9249 = 4.59 A.

Ip3 = I3 *Sinj3 = 4.96*(- 0.38) = - 1.88 A.

Активная и реактивная составляющие тока в неразветвлённой части цепи:

Ia = Ia2 + Ia3 = 1.25+4.59 = 5.84 A.

Ip = Ip1 + Ip2 + Ip3 = - 4.62+5.05 – 1.88 = - 1.45 A.

Полный ток в неразветвлённой части цепи:

I = = = 6.02 A.

Угол сдвига фаз на входе цепи:

Sinφ = IP / I = - 1.45/6.02 = - 0.2409; φ = -13.940 ; Cosφ = 0.9706.

Активные, реактивные и полные мощности ветвей:


QC1 = I1 2 *XC1 = 4.622 *65 = 1387 вар.

S1 = U*I1 = 300*4.62 = 1387 B*A.

P2 = I2 2 * R2 = 5.22 * 14 = 379Вт.

QL2 = I2 2 * XL2 = 5.22 * 56 =1514 вар.

S2 = U * I2 = 300 * 5.2 =1560 В*А.

P3 = I3 2 *R3 = 4.962 *56 = 1378 Bт

QC3 = I3 2 * XC3 = 4.962 * 23 =566 вар.

S2 = U * I2 = 300 *4.96 = 1488 В*А

Активные, реактивные и полные мощности всей цепи:

P = P2 + P3 = 379 + 1378 =1757 Вт.

Q = - QC 1 + QL 2 - QC 3 = - 1387 +1514 -566 = - 439 вар.

S = = = 1811 В*А, или

S = U * I = 300*6.02 = 1806 В*А.

P = S*Cosφ = 1806 * 0,9706 = 1753 Вт.

Q = S * Sinφ = 1806*(- 0.2404) = - 434вар.

Для построения векторной диаграммы задаёмся масштабами напряжений MU = 25 В/см и токов MI = 0.5 А/см. Векторную диаграмму начинаем строить с вектора напряжения, который откладываем вдоль горизонтальной положительной оси. Векторная диаграмма токов строится с учётом того, что активные токи Ia2 и Ia3 совпадают по фазе с напряжением, поэтому их векторы параллельны вектору напряжения; реактивный индуктивный ток Ip 2 отстает по фазе от напряжения, и его вектор строим под углом 900 к вектору напряжения в сторону отставания; реактивные емкостные токи Ip 1 и Ip 3 опережают по фазе напряжение, и их векторы строим под углом 90° к вектору напряжения в сторону опережения. Вектор тока в неразветвлённой части цепи строим с начала построения в конец вектора емкостного тока Ip3 . Векторная диаграмма построена на рисунке 4.

Ia2

MI = 0,5 А/см

МU = 25 В/см

I2

I1 =Ip1 Ip2

OIa U

Ia3

I3 Ip3 Ip

I

Рисунок 4

3 Расчёт сложных цепей переменного тока символическим методом

Электрическая схема цепи и комплексная схема замещения представлены на рисунке 5а и б соответственно.


Рисунок 5

Намечаем в независимых контурах заданной цепи, как показано на рисунке 5б, контурные токи I K 1 и I K 2 – некоторые расчётные комплексные величины, которые одинаковы для всех ветвей выбранных контуров. Направления контурных токов принимаются произвольно. Для определения контурных токов составляем два уравнения по второму закону Кирхгофа:

I K1 *(Z 1 + Z 2 ) – I K2 *Z 2 = E 2

- I K1 *Z 2 +I K2 *(Z 2 +Z 3 )= E 3 - E 2

Подставляем данные в систему:

I K 1 *(- j65+14+j56) – I K 2 *(14+j56) = 230

-IK 1 *(14+j56) +I K 2 *(14+j56+56 – j23) = j240-230

I K 1 *(14-j9) – I K 2 *(14+j56) = 230

-I K 1 *(14+j56) + I K 2 *(70+j33) = -230+ j240

Решаем систему с помощью определителей. Определитель системы:


=1277-j168+2940– j1568=4217-j1736

Частные определители :

= = 16100+j7590–16660-j9520= -560–j1930.

=-1060+j5430+3220+j12880 = 2160+j18310

Определяем контурные токи:

I K 1 = = = 0.0476-j0.438 A.

I K 2 = = = - 1.09+ j3.89 A.

Действительные токи в ветвях цепи определяем как результат наложения контурных токов:

I 1 = I K1 = 0.0476 – j0.438 = 0.441 A

I 2 = I K1 -I K2 = 0.0476.- j0.438+1.09- j3.89 = 1.14 – j4.33 = 4.48 A

I 3 = I K 2 = -1.09 + j3.89 = 4.04A.

Составляем уравнение баланса мощностей в заданной электрической цепи. Определяем комплексные мощности источников:

S E 2 = E 2 * =230(1.14+j4.33) = 262+j996=1030B*A

S E 23 = E 3 * = j240*(-1.09 – j3.89) = 912 – j262 = 949B*A

Определяем комплексные мощности приёмников электрической энергии:

S 1 = I1 2 *Z 1 =0.4412 *( – j65) = – j12.6 =12.6 B*A

S 2 = I2 2 *Z 2 = 4.482 *(14+j56) = 281+j1124=1159 B*A

S 3 = I3 2 *Z 3 = 4.042 *(56 – j23) = 914– j375 =988B*A.

Уравнение баланса комплексных мощностей!

S Е 1 + S E2 =S 1 + S 2 +S 3 ;

262+j996+912-j262 = – j12.6+281+j1124+914– j375

1174+ j734 @ 1182+ j749; 1385@ 1400

Относительная и угловая погрешности незначительны.

Для построения векторной диаграммы задаёмся масштабами токов MI = 0.25 А/см и ЭДС ME = 50 В/см. Векторная диаграмма в комплексной плоскости построена на рисунке 6.

4 Расчёт трёхфазной цепи при соединении приемника в звезду

Схема заданной цепи изображена на рисунке 7.

Определяем систе­му фазных напряжений генератора. Фазное напряжение:


UФ = Uл/= 380/1,73=220 В.

Комплексные фазные напряжения генератора:

U A = UФ = 220 B

U B = U A e- j 120 = 220e- j 120 = –110 – j191 B

U C = U A ej 120 = 220ej 120 = –110 + j191 B

Определяем полные проводимости фаз приёмника:

Y A = = j0,01538 См.

Y B = = 0.0042-j0.0168 См.

Y C = = 0.0153+j0.00628Cм.

YN === j0.03125 См.

Рисунок 7


Узловым напряжением является в данном случае напряжение смещения нейтрали, которое определяется по формуле:

U N =

= (j3.38-3.67+j1.05-2.88+j2.23)/(0.05075+j0.00486) = (-6.55+j6.66)/(0.0195+j0.03611)= 67+j218 = 228B.

Определяем фазные напряжения на нагрузке:

U A / = U AU N = 220- (67+j218) = 153-j218 = 266 B.

U B / = U BU N = (–110-j191) - (67+j218) = -177-j409 =446 B.

U C / = U CU N =(–110+j191) - (67+j218) = -177 – j27 = 179 B.

Определяем токи в фазах нагрузки:

I A = U A / *Y A = (153-j218)*(j0.01538) = 3.35+j2.35 = 4.1 A.

I B = U B / *Y B = (-177-j409)*(0.0042-j0.0168) = -7.61+j1.26 =7.72A.

I C =U C / *Y C = (-177 – j27)*(0.0153+j0.00628)=- 2,53–j1,52= 2,96A.

I N = U N *Y N = (67+j218)*j0.03125 = - 6,8 + j2,09 = 7,12*

Проверяем правильность определения токов по первому закону Кирхгофа для точки N’:


I A + I B + I C =I N

3.35+j2.35 -7.61+j1.26 - 2,53 – j1,52 @ - 6,8 + j2,09;

- 6,79+j2.09 @ - 6,8 + j2,09.

Определяем комплексные мощности фаз и всей цепи:

S A = IA 2 * Z 1 = 4,12 *(-j65) = -j1092=1092 B*A.

S B = IB 2 * Z 2 = 7,722 *(14+j56) = 834+j3338 =3440 B*A

S C = IC 2 * Z 3 = 2,962 *(56-j23) = 491 – j 202 = 530 B*A.

S = S A + S B + S C = -j1092+ 834+j3338+ 491 – j 202 = 1325+j2044 =

= 2436B*A.

Для построения векторной диаграммы задаёмся масштабами токов MI = 1 А/см и напряжений MU = 40 B/см. Векторная диаграмма на комплексной плоскости построена на рисунке 8.

5 Расчёт трёхфазной цепи при соединении приёмника в треугольник

Схема заданной цепи изображена на рисунке 9

Рисунок 9.


В данном случае линейные напряжения генератора являются фазными

напряжениями нагрузки:

U AB = UЛ = 380 В.

U BC = 380 = -190-j329 B.

U CA = 380= -190+j329 B.

Определяем систему фазных токов нагрузки:

I AB = = = j5,85 = 5,85 A

I BC = = = -6,32+j1,81 = 6,58 A

I CA = = = -4,96+j3,83 = 6,27A

Систему линейных токов определяем из соотношений:

I A = I ABI CA = j5,85+4,96-j3,83 = 4,96+j2,02 = 5,36 A

I B = I BCI AB = -6,32+j1,81-j5,85 = -6,32-j4,04 = 7,5A

I C = I CAI BC = -4,96+j3,83+6,32-j1,81 = 1,36+j1,92 =2,35 A

Определяем мощности фаз приемника:

S AB =IAB 2 *Z 1 = 5,852 *(-j65) = -j2224 = 2224B*A.

S BC = IBC 2 *Z 2 = 6,582 *(14+j56) = 606+j2425 = 2499B*A.

S CA = ICA 2 *Z 3 = 6,272 *(56 – j23) =2201– j904 = 2380*B*A.

Определяем мощность трехфазной нагрузки:

S AB +S BC +S CA = -j2224+606+j2425+2201– j904 =2807 – j703 =

= 2894B*A.

Для построения векторной диаграммы задаёмся масштабами токов MI =1 A/см и напряжений MU = 50A/см. Векторная диаграмма построена на рисунке 10.

6 Расчёт неразветвлённой цепи с несинусоидальными напряжениями и токами

Составляем схему заданной цепи, подключая последовательно соединённые приёмники к источнику несинусоидального напряжения, под действием которого в цепи возникает ток с мгновенным значением

i=7Sin(wt+130 )+1,2Sin(2wt-860 )+0,4Sin3wt A,который на схеме замещения представляем как последовательно соединённые три источника переменного напряжения u1 , u2 и u3 c разными частотами (рисунок 11)

Величины сопротивлений заданы для частоты первой гармоники:

XC 11 = 18 Ом, R2 = 23 Ом, XL 21 = 14 Ом, R3 = 12 Ом, XC 31 = 62 Ом. Поскольку напряжения источников имеют разные частоты, то и реактивные сопротивления для них будут иметь разные величины. Активные сопротивления считаем от частоты не зависящими. Поэтому расчёт ведём методом наложения, то есть отдельно для каждой гармоники.

.

Рисунок 11.


Первая гармоника

Определяем активное и реактивное сопротивления всей цепи:

R = R2 + R3 = 14+56 = 70 Ом. X1 = -XC11 + XL21 - XC31 = - 65+56–23 =

= -32 Ом.

Полное сопротивление цепи:

Z1 = = = 76,7 Ом.

Амплитудные значения напряжения и тока:

Im 1 = 7 A, Um 1 = Im 1 *Z1 = 7*76.7 =537 B.

Действующие значения напряжения и тока:

U1 = Um 1 / = 537 / 1,41 = 381 B.

I1 = Im 1 / = 7 / 1,41 = 4.96 A.

Угол сдвига фаз между напряжением и током определяем по синусу:

Sinφ1 = X1 /Z1 = -32/76.7 = - 0.4172. j1 = - 24.66°, Cosφ1 =0.9088.

Активная и реактивная мощности первой гармоники:

P1 = I1 2 * R = 4.962 * 70 =1722 Вт.

Начальная фаза тока определяется из соотношения:


φ1 = yU1 – yI1 , отсюдаyU1 =yI1 + j1 = 13°- 24.66°= - 11.66°

Мгновенное значение напряжения первой гармоники

u1 = Um 1 * Sin (ωt + yU 1 ) = 537 * Sin (ωt – 11.66°) B.

Вторая гармоника.

Для остальных гармоник напряжения расчёты приводим без дополнительных разъяснений.

X2 = XC 11 / 2 + XL 21* 2 - XC 31 / 2 = -65/ 2 + 56* 2 - 23 / 2 = 68 Ом.

Z2 ===97.6 Ом,

Im2 =1.2 A, Um2 = Im2 *Z2 =1.2*97.6 =117 B.

U2 = Um2 / =117 / 1,41 = 83 B.I2 = Im2 / = 1.2 / 1,41 = 0.85 A.

Sin φ2 = X2 / Z2 = 68/97.6= 0,6967.j2 = 44.16°, Cos φ2 = 0,7173.

P2 = I2 2 * R2 = 0.852 *70 = 51 Вт.

yU2 =yI2 + j2 = -86°+ 44.16°= - 41.9°

u2 = Um2 * Sin (2ωt + yU2 ) = 117 * Sin (2ωt – 41.9°) B.

Третья гармоника

X3 = XC 11 /3 + XL 11 * 3 – XC 31 / 3 = - 65 / 3 + 56* 3 - 23 / 3 =139 Ом.

Z3 = = 156 Ом. Im3 =0.4 A, Um3 = Im3 *Z3 =0.4 *156 =

= 62.4 B.

U3 = Um3 / =62.4/ = 44.3 B. I3 = Im3 / = 0.4 / 1,41 = 0.28 A.

Sin φ3 = X3 / Z3 =139 /156 = 0,891. j3 = 63°. Cos φ3 = 0,454.

P3 = I3 2 * R = 0.282 *70 = 0.5 Вт.

yU3 =yI3 + j3 = 63°.

u3 = Um3 * Sin (3ωt + yU3 ) =44.3 * Sin (3ωt +63°) B.

Определяем действующие значения тока и напряжения:

I = = = 5.04 A.

U = = = 559 B.

Активная и реактивная мощности цепи:

P = P1 +P2 +P3 =1722+51+0.5=1774 Вт.

Средневзвешенный коэффициент мощности цепи:

Cos Х = Р / (U * I) = 1774/ (559 *5.04) = 0,6296.

Уравнение мгновенных значений напряжения между зажимами цепи:

u=u1 +u2 +u3 =537 * Sin (ωt – 11.66°)+117 * Sin (2ωt – 41.9°)+

+44.3 * Sin (3ωt +63°) B.


Литература

1. Ф.Е. Евдокимов. Теоретические основы электротехники. - М. “Высшая школа “,1981 г.

2. В.С. Попов. Теоретическая электротехника. – М. “Энергия”,

1978 г.

3. Ю.В. Буртаев, П. И. Овсянников. Теоретические основы электротехники.– М. “Энергоатомиздат”, 1984 г.

4. Л.А. Частоедов. Электротехника. - М. “Высшая школа”, 1984 г.

5. М.Ю. Зайчик. Сборник задач и упражнений по теоретической электротехнике. – М. “Энергоатомиздат” , 1988 г.