Расчет разветвленной электрической цепи

Задача 2. На участке механической обработки установлено электрооборудование: 1) привод металлорежущих станков – асинхронные двигатели, для которых известны параметры R₁ = 4 Ом; cos φ₁ = 0,8; 2) осветительные приборы – люминесцентные лампы, сопротивление которых R₂ = 8 Ом; 3) батарея конденсаторов, емкостью С = 200 мкФ, для повышения коэффициента мощности. К участку электрическая энергия подводится по кабельной линии сопротивлением R_Л = 1,8 Ом и Х_Л = 0,6 м от источника с напряжением U_C = 660 В. Вычислить токи на всех участках цепи и напряжение, подведенное к потребителям U_П.

Анализ и решение задачи 2

1. По условию задачи составим схему замещения цепи (рис. 6.15), в которой кабельная линия электропередачи представлена в виде последовательного соединения резистивного и емкостного элементов.

2. Определим неизвестные параметры и запишем в комплексном виде сопротивления всех элементов цепи.

Линия электропередачи

R_Л = 1,8 Ом; Х_Л = 0,6 Ом; Ом; cos φ_Л = R_Л / Z_Л = 0,947;
φ_Л = arctg(-X_Л / R_Л) = -19°; Z_Л = 1,9e^-j19°.

Асинхронные двигатели

R₁ = 4 Ом; cos φ₁ = 0,8; Z₁ = R₁ / cos φ₁ = 4 / 0,8 = 5 Ом; Ом;
φ₁ =arccos R₁ / Z₁ =37°; Z₁ = 5e^+j37° Ом.

Люминесцентные лампы

R₂ = 8 Ом; φ₂ = 0°; Z₂ = 8e^+j0° Ом.

Конденсатор

С₃ = 200 мкФ; X₃ = 1 / (2πf C) = 1 / (2π · 50 · 200 · 10^-6) = 16 Ом; Z₃ = 16e^-j90° Ом.

3. Расчет комплексного эквивалентного сопротивления Z_экв схемы замещения.

В схеме замещения к линии электропередачи с сопротивлением Z_Л параллельно подключена группа потребителей с сопротивлениями Z₁, Z₂, Z₃, поэтому для расчета Z_эквнеобходимо сначала определить их общее сопротивление Z_П, используя метод проводимостей.

Определим активные и реактивные проводимости параллельно включенных ветвей

q₁ = R₁ / Z₁² = 4 / 25 = 0,16 см; b₁ = X₁ / Z₁² = 3 / 25 = 0,12 см;
q₂ = 1 / R₂ = 1 / 8 = 0,125 см; b₃ = 1 / -X₃ = -1 / 16 = -0,0625 см.

Определим активную, реактивную и полную проводимости параллельного участка цепи

q_П = q₁ + q₂ = 0,16 + 0,125 = 0,285 см;
b_П = b₁ - b₃ = 0,12 - 0,0625 = 0,0575 см;
см.

Определим активное, реактивное и полное сопротивления параллельного участка цепи

Z_П = 1 / Y_П = 1 / 0,29 = 3,45 Ом; R_П = q_П Z_П² = 3,38 Ом; X_П = b_П Z_П² = 0,68 Ом;
φ_П = arctg(X_П / R_П) = arctg 0,2 = 11°; Z_П = 3,45e^+j11°Ом.

Нарисуем эквивалентную схему замещения (рис. 6.16), где все сопротивления включены последовательно

Определим эквивалентные активное, реактивное и полное сопротивления всей цепи

R_экв = R_Л + R_П = 1,8 + 1,38 = 5,18 Ом;
X_экв = -X_Л + X_П = -0,6 + 0,68 = 0,08 Ом;
Ом;
φ_экв = arctg(X_экв / R_экв) = 1°; Z_экв = 5,1806e^+j1°Ом.

4. Определим токи и напряжения на всех участках цепи.

Ток в линии электропередачи

Í_Л = Ú_C / Z_экв = 660e^+j0° / 5,181e^+j1° = 127,4e^-j1° А.

Падение напряжения в линии электропередачи

Ú_Л = Z_Л Í_Л = 1,9e^-j19° · 127,4e^-j1° = 242e^-j20° В.

Напряжение, подаваемое на потребители

Ú_П = Z_П Í_Л = 3,45e^+j11° · 127,4e^-j1° = 440e^+j10° В.

Токи в параллельных ветвях

Í₁ = Ú_П / Z₁ = 440e^+j10° / 5e^+j37° = 88e^-j27° А;
Í₂ = Ú_П / Z₂ = 440e^+j10° / 8e^+j0° = 55e^+j10° А;
Í₃ = Ú_П / Z₃ = 440e^+j10° / 16e^-j90° = 27,5e^+j100° А.

5. Построим векторные диаграммы для токов и напряжений.

Запишем второй закон Кирхгофа для схемы замещения (рис. 6.15)

Ú_C = Ú_П + Ú_Л; 660e^+j0° = 440e^+j10° + 242e^-j20°.

Векторную диаграмму для напряжений строим на комплексной плоскости (рис. 6.17), направив вектор напряжения Ú_C по действительной оси, т.е. Ú_C = 660e^+j0° В. Построение произведем в масштабе: в 1 см – 60 В.

Векторную диаграмму для токов строим на основании первого закона Кирхгофа записанного для узла а схемы замещения (рис. 6.15)

Í_Л = Í₁ + Í₂ + Í₃; 127,4e^-j1° = 88e^-j27° + 55e^+j10° + 27,5e^+j100°.

Дополнительные вопросы к задаче 2

1. Как проверить правильность произведенных расчетов.

Приближенно расчеты проверяются по векторной диаграмме. Построив в масштабе вектора напряжений Ú_C и Ú_Л, измеряют величину суммарного вектора Ú_C и сравнивают с исходной U_C = 660 В. Вектора токов Í₁, Í₂, Í₃ строят на комплексной плоскости с соблюдением масштаба по величине и углов фазового сдвига φ₁, φ₂, φ₃относительно действительной оси. Измеряют величину и фазу суммарного вектора и сравнивают с расчетным значением Í_Л.

Точная проверка расчетов, как и в цепях постоянного тока, производится составлением баланса мощностей.

Определим активные и реактивные мощности для всех элементов цепи.

P_Л = R_Л I_Л² = 1,8 · 127,4² = 29215 Вт;
Q_Л = X_Л I_Л² = -0,6 · 127,4² = -9738 ВАр;
P₁ = R₁ I₁² = 4 · 88² = 30976 Вт; Q₁ = X₁ I₁² = 3 · 88² = 23232 ВАр;
P₂ = R₂ I₂² = 8 · 55² = 24200 Вт; Q₃ = X₃ I₃² = -16 · 27,5² = -12100 ВАр.

Определим расходуемые мощности для всей цепи

P_экв = P₁ + P₂ + P_Л = 84091 Вт;
Q_экв = Q₁ + Q₃ + Q_Л = 23232 - 12100 - 9738 = 1493 ВАр;
ВА.

Определим величины активной, реактивной и полной мощности, поставляемые из сети.

S_C = U_C I_Л = 660 · 127,4 = 84084 ВА;
P_C = S_C cos φ_C = 84084 · 0,999 = 84071 Вт;
Q_C = S_C sin φ_C = 84084 · 0,0174 = 1467 ВАр.

Величины мощностей, поставляемых для данной цепи, практически совпадают с расходуемыми во всех элементах цепи мощностями, следовательно расчеты произведены верно.

2. Как изменится схема замещения цепи, если напряжение U_C будет подводиться по воздушной линии электропередачи.

Схема замещения воздушной линии электропередачи представляется в виде последовательного соединения резистивного R_Л и индуктивного X_Л элементов.

Практическое занятие №6.

Самостоятельная работа студента

В процессе выполнения самостоятельной работы студент должен решить нижеприведенные задачи, используя лекционный материал, примеры расчета и анализа задач, рассмотренных на практических занятиях №4 и №5.

Отчет о проделанной работе должен быть представлен преподавателю по форме, указанной в методических указаниях. В отчете, кроме решенных задач, привести ответы на вопросы к практическим занятиям №4 и №5.

Задача 1. Для схемы (рис. 6.18) определить показания вольтметра, если задано: U = 50 В; X_L = 3 Ом; R = 4 Ом.

Ответ: 40 В.

Задача 2. Для схемы (рис. 6.19) определить U_L, если задано: U = 10 В; U_R = 6 В; U_C = 2 В; а X_L > X_C.

Ответ: 10 В.

Задача 3. Для схемы (рис. 6.20) определить X_C, если U = 150 В; а показания приборов PW = 500 В; PA = 5 A.

Ответ: 22,4 Ом.

Задача 4. В схеме (рис. 6.21) определить показания амперметра, если U = 240 Ом; X_C = 60 Ом; R = 80 Ом.

Ответ: 5 А.

Задача 5. Для схемы (рис. 6.22) определить по векторной диаграмме как изменятся показания амперметра при замыкании ключа, если R = X_L = X_C = 2 Ом.

Ответ: уменьшаться.

Задача 6. Для схемы (рис. 6.23) определить как изменятся показания приборов, если частота питающего напряжения увеличится. Ответ дать в доказательной форме.

Ответ: I₂ не изменится, P, I₁, I₃ – уменьшаться.

Задача 7. Для схемы (рис. 6.24) определить величину приложенного напряжения U, если X_L = 8 Ом, а приборы показывают PW = 96 Вт; PA = 4 А.

Ответ: 40 В.

Задача 8. Для схемы (рис. 6.25) определить показания приборов, если U = 100 Вт; X_L1 = X_L2 = X_С = R = 1 Ом.

Ответ: PW = 0 Вт; PA = 0 А.