Расчет сложных цепей переменного тока

Вопросы для подготовки к занятиям

1. Как рассчитать ток, потребляемый из сети, при параллельном соединении резистора, индуктивной катушки и конденсатора, если параметры потребителей и приложенное напряжение известны?

2. Как рассчитать активную и реактивную составляющие тока отдельной ветви и общего тока, если известны параметры параллельно включенных потребителей и приложенное напряжение?

3. Построить векторные диаграммы токов и напряжений для цепей, содержащих параллельное соединение R и L, R и C, реальной катушки (с активным сопротивлением R и индуктивностью L) и C.

4. Что такое коэффициент мощности потребителя? Объяснить экономическое значение коэффициента мощности.

5. Как рассчитать коэффициент мощности цепи, если известны параметры параллельно включенных потребителей энергии?

6. Как рассчитать активную, реактивную и полную мощности цепи при параллельном соединении потребителей, параметры которых известны?

7. Как повысить коэффициент мощности цепи?

8. С какой целью повышают коэффициент мощности цепи?

9. Как рассчитать необходимую емкость конденсатора, включенного для полной компенсации реактивной энергии?

10. Как должен изменяться потребляемый из сети ток при повышении коэффициента мощности цепи?

11. Изменится ли ток в цепи потребителя, если к нему параллельно подключить конденсатор?

12. Как изменится потребляемая из сети активная мощность при подключении параллельно индуктивной катушке: а) резистора, б) конденсатора?

13. Каковы принципы расчета цепей переменного тока комплексным методом?

Расчет цепи с параллельным соединением элементов

Задача 1. К источнику с напряжением 220 В и частотой 50 Гц подключены параллельно два двигателя, активные мощности и коэффициенты мощности которых P₁ = 0,3 кВт, P₂ = 0,4 кВт, cos φ₁ = 0,6, cos φ₂ = 0,7. Начертить электрическую схему замещения цепи. Определить токи каждого двигателя и ток, потребляемый схемой от источника, ее активную, реактивную и полную мощности. Для повышения cos φ цепи до 0,9 подключить параллельно нагрузке конденсатор и определить его емкость, рассчитать ток, потребляемый схемой от источника в этом режиме. Построить в масштабе векторную диаграмму напряжения и токов.

Анализ и решение задачи 1

1. Схема замещения каждого двигателя может быть представлена в виде последовательного соединения резистивного и индуктивного элементов, т.к. в двигателе происходит как необратимое преобразование электрической энергии в механическую и тепловую, так и колебательный обмен энергией между магнитным полем двигателя и сетью. Схема замещения к задаче представлена на рис. 6.11.

2. Токи двигателей рассчитываются по паспортным данным:

А; А.

Сдвиги токов по фазе по отношению к напряжению: φ₁ = 53,1°, φ₂ = 45,5°.

3. Мощности ветвей приведены в исходных данных, поэтому расчет схемы удобно вести через треугольники мощностей.

Реактивные мощности двигателей:

Q₁ = U I₁ sin φ₁ = 220 · 2,27 · 0,8 = 399 ВАр;

Q₂ = U I₂ sin φ₂ = 220 · 2,6 · 0,713 = 407 ВАр.

Активная и полная мощности всей цепи:

P = P₁ + P₂ = 300 + 400 = 700 Вт;

Q = Q₁ + Q₂ = 399 + 407 = 806 ВАр;

ВА.

Ток в цепи источника

I = S / U = 1068 / 220 = 4,85 А.

Коэффициент мощности схемы

cos φ = P / S = 700 / 1068 = 0,655.

4. Рассчитаем емкость конденсатора, необходимую для повышения коэффициента мощности схемы до cos φ' = 0,9.

Включение конденсатора параллельно нагрузке не изменяет ее активную мощность, а уменьшает реактивную и полную мощности, потребляемые всей схемой от источника. Поэтому по активной мощности цепи и заданному значению cos φ' определим полную мощность цепи

S' = P / cos φ' = 700 / 0,9 = 777,8 ВА.

Реактивная мощность цепи

ВАр.

Реактивная мощность всей цепи равна алгебраической сумме реактивных мощностей ее участков. В данном случае Q' = Q - Q_C, поэтому мощность конденсатора

Q_C = Q - Q' = 806 - 339 = 467 ВАр.

Многоугольник мощностей показан на рис. 6.12.

Ток в цепи конденсатора и его сопротивление:

I_C = Q_C / U = 467 / 220 = 2,12 А; X_C = U / I_C = 220 / 2,12 = 103 Ом.

Емкость конденсатора

C = 1 / (2πf X_C) = 1 / (2π · 50 · 103) = 30,7·10^-6 Ф = 30,7 мкФ.

Результатирующий ток источника

I' = S' / U = 777,8 / 220 = 3,535 А.

На рис. 6.13 приведены векторные диаграммы напряжения и токов схемы без конденсатора (а) и после подключения параллельно нагрузке конденсатора (б).

5. Если в исходных данных приведены сопротивления ветвей или их токи и коэффициенты мощности, то расчет удобно вести через треугольники токов (их активные и реактивные составляющие).

Активные составляющие токов ветвей:

I_1а = I₁ cos φ₁ = 2,27 · 0,6 = 1,362 А;
I_2а = I₂ cos φ₂ = 2,6 · 0,7 = 1,818 А;
I_а = I_1а + I_2а = 1,362 · 1,818 = 3,18 А.

Реактивные составляющие токов ветвей:

I_1р = I₁ sin φ₁ = 2,27 · 0,8 = 1,818 А;
I_2р = I₂ sin φ₂ = 2,6 · 0,713 = 1,852 А;
I_р = I_1р + I_2р = 1,818 · 1,852 = 3,67 А.

Полный ток источника

А.

Коэффициент мощности эквивалентной нагрузки

cos φ = I_а / I = 3,18 / 4,854 = 0,655.

Реактивная составляющая тока источника после подключения конденсатора

I'_р = I_а tg φ' = 3,18 · 0,484 = 1,54 А.

Ток конденсатора I_C = I_р - I'_р = 3,67 - 1,54 = 2,13 А.

Далее определяются X_C и С, как было рассмотрено выше.

Дополнительные вопросы к задаче 1

1. Как по результатам расчета определить параметры последовательной схемы замещения двигателей и всей схемы в целом?

Полные сопротивления двигателей определяются по закону Ома:

Z₁ = U / I₁; Z₂ = U / I₂.

Активные и реактивные составляющие сопротивлений рассчитываются через треугольники сопротивлений:

R₁ = Z₁ cos φ₁; R₂ = Z₂ cos φ₂; X₁ = Z₁ sin φ₁; X₂ = Z₂ sin φ₂.

Сопротивления можно подсчитать также и через треугольники мощностей. Например, для схемы в целом

R = P / I² = 700 / 4,856² = 29,68 Ом; X = Q / I² = 339 / 4,856² = 14,37 Ом.

2. Какова схема замещения цепи при представлении токов ветвей в виде суммы активных и реактивных составляющих.

Разложение тока на составляющие соответствует представлению реального элемента цепи в виде соединенных параллельно идеальных активного и реактивного сопротивлений (рис. 6.14).

Параметры схемы подсчитываются по закону Ома или через мощности:

R' = U / I_а = U² / P; X' = U / I_р = U² / Q; Z = U / I = U² / S.

3. Как изменятся токи в схеме, если параллельно двигателю подключить осветительную (чисто активную) нагрузку?

За счет увеличения активной составляющей (освещение) ток источника возрастет, токи в ветвях схемы не изменятся.

4. Как рассчитать схему графоаналитическим методом?

Для определения тока источника рассчитываются, как это было приведено выше, токи в ветвях I₁ и I₂ и их сдвиги по фазе φ₁ и φ₂ по отношению к напряжению. Далее строится в масштабе векторная диаграмма токов и по диаграмме определяется величина тока I и его сдвиг по фазе по отношению к напряжению φ (рис. 1.13).

5. Как рассчитать токи в схеме комплексным методом?

Для расчета связываем векторную диаграмму с комплексной плоскостью; для упрощения выкладок один из векторов, например напряжение, направим по действительной оси, т.е. U = 220 В.

Токи в ветвях в комплексной форме:

Í₁ = 2,27e^-j53,1° = 2,27 (cos 53,1° - j sin 53,1°) = (1,36 - j 1,81) А;
Í₂ = 2,6e^-j45,5° = 2,6 (cos 45,5° - j sin 45,5°) = (1,82 - j 1,84) А.

По первому закону Кирхгофа ток источника

Í = Í₁ + Í₂ = 1,36 - j 1,81 + 1,82 - j 1,84 = 3,18 - j 3,66 = 4,85e^-j49° А.

Мощность цепи в комплексной форме:

S = Ú Î = 220 · 4,85e^j49° =1067e^j49° = (700 + j 806) ВА;
S = 1067 ВА; P = 700 Вт; Q = 806 ВАр.

Батарея конденсаторов рассчитывается, как это было рассмотрено выше.