К выполнению контрольных заданий

К представленным на рецензию контрольным заданиям предъявляются следующие требования:

1. Контрольная работа выполняется каждая в отдельной тетради. В тетради следует оставлять поля шириной не менее 3 см для замечаний рецензента.

2. Основные положения принимаемых решений должны иметь достаточно подробные пояснения.

3. Рисунки, графики, все схемы должны быть выполнены аккуратно и в удобочитаемом масштабе. Масштабы всех графиков должны быть показаны вдоль осей равномерными цифровыми метками. В конце осевых линий графиков указывают отложенную величину измерения и единицы её измерения (графики удобно выполнять на миллиметровой бумаге).

4. Решение каждой задачи должно начинаться с перечерчивания схемы задания индивидуального варианта. В соответствии с вариантом должны быть выписаны все числовые данные задания.

5. Все электрические величины: ЭДС, напряжения, токи, сопротивления и т. д., буквенные обозначения которых указываются в ходе решения, должны быть показаны на схемах, сопровождающих решения задач.

6. Размерность окончательных численных результатов должна быть обязательно указана.

7. Вычисления должны быть сделаны с точностью до четвёртой (не менее) значащей цифры результата.

8. После решения задач необходимо выполнить проверку полученных результатов.

9. Контрольные задания должны быть датированы и подписаны студентом на последней странице решения.

10. Не зачтённое контрольное задание должно быть выполнено заново и прислано на повторную рецензию вместе с первоначальной работой и замечаниями рецензента. Исправление ошибок в отрецензированном тексте не допускается – все исправления следует записывать после первоначального текста под заголовком “Исправление ошибок”.

Контрольные задания зачитываются, если решение не содержит ошибок принципиального характера и учтены все перечисленные требования к выполнению.

Работа над контрольными заданиями позволяет оценить усвоение отдельных разделов курса «ТОЭ», выработать навыки чётко, кратко и аргументировано излагать свои мысли. Для этого целесообразно руководствоваться следующими правилами и принципами:

1. Начиная решение задачи, указать, какие физические законы или расчётные методы предполагается использовать при решении, привести математическую запись этих законов и методов.

2. Тщательно продумать и пояснить, какие буквенные или цифровые обозначения предполагается использовать в решении.

3. В ходе решения не допустимо изменять однажды принятые направления токов и напряжений, наименование узлов схемы, обозначения сопротивлений и других величин.

4. Расчёт каждой величины следует выполнить сначала в общем виде, а затем в полученную формулу подставить численные значения и получить окончательный результат с указанием единиц измерения.

5. Для всех элементов электрических схем следует использовать обозначения, применяемые в учебниках по ТОЭ.

6. Каждому этапу решения необходимо давать пояснения, указывать обоснование принятых действий.

7. Градуировку осей при построении графиков выполнять, начиная с нуля, равномерно через один или два сантиметра. Весь график в целом и отдельные кривые на нём должны иметь названия.

Методические указания к решению задачи 1

Для расчёта линейных электрических цепей синусоидального тока применяют комплексный метод расчёта. Он заключается в том, что изменяющимся по синусоидальному закону функциям времени ставится в соответствие числа комплексного переменного.

Синусоидальным функциям времени тока, напряжения, ЭДС (мгновенным значениям К выполнению контрольных заданий - student2.ru ) ставятся в соответствие комплексные действующие значения этих величин:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru ;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru ;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru ,

где К выполнению контрольных заданий - student2.ru амплитудные значения, соответственно, синусоидальных тока, напряжения и ЭДС; К выполнению контрольных заданий - student2.ru начальные фазы тока, напряжения и ЭДС; К выполнению контрольных заданий - student2.ru – комплексные действующие значения синусоидальных тока, напряжения и ЭДС.

Закон Ома для участка электрической цепи в комплексной форме запишется:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru ,

где К выполнению контрольных заданий - student2.ru ; К выполнению контрольных заданий - student2.ru – комплексное сопротивление участка цепи;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru К выполнению контрольных заданий - student2.ru – модуль комплексного сопротивления участка;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru – угол сдвига фаз;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru – активное сопротивление участка цепи;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru – реактивное сопротивление уча-стка цепи.

Активное сопротивление К выполнению контрольных заданий - student2.ru участка электрической цепи учитывает потребление (рассеивание) электрической энергии, реактивные сопротивления К выполнению контрольных заданий - student2.ru учитывают энергию магнитных (реактивное индуктивное сопротивление К выполнению контрольных заданий - student2.ru ) или электрических (реактивное ёмкостное сопротивление К выполнению контрольных заданий - student2.ru ) полей.

Для элементов электрической цепи закон Ома в комплексной форме записывается:

– для резистивного элемента (потребление энергии):

К выполнению контрольных заданий - student2.ru ;

– для индуктивного элемента (энергия магнитного поля):

К выполнению контрольных заданий - student2.ru ;

– для ёмкостного элемента (энергия электрического поля): К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

Здесь: R , L , C – параметры элементов электрической цепи;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru – угловая частота синусоидальных вели чин, К выполнению контрольных заданий - student2.ru ;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru – частота, Гц; Т – период изменения, с.

Законы Кирхгофа в комплексной форме записываются:

1) закон токов Кирхгофа (ЗТК) – 1-й закон Кирхгофа

К выполнению контрольных заданий - student2.ru ;

2) закон напряжений Кирхгофа (ЗНК) – 2-й закон Кирхгофа

К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

Пример расчёта.

Заданная электрическая цепь синусоидального тока (вариант №19 из таблицы 1.1) содержит два источника энергии (источника ЭДС), имеет два узла (у = 2) и три ветви (в = 3) (рисунок 1.21).

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Рисунок 1.21 – Электрическая цепь синусоидального тока

Параметры элементов электрической цепи и источников ЭДС:

L1, мГн L2, мГн C1, мкФ R2, Ом R3, Ом f, Гц
15,92 35,81 3,978

К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

1. По законам Кирхгофа для расчёта токов ветвей необходимо составить одно уравнение по закону токов [для одного из узлов цепи – К выполнению контрольных заданий - student2.ru ] и два уравнения по закону напряжений [для двух независимых контуров – К выполнению контрольных заданий - student2.ru ].

а) дифференциальная форма:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

а) комплексная форма:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

где К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

2. Комплексные действующие значения ЭДС источников в показательной форме записи запишутся:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru В;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru В.

По формуле Эйлера определится алгебраическая форма записи комплексные действующие значения ЭДС источников энергии:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru В;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru В.

Реактивные сопротивления индуктивностей и ёмкости токам заданной частоты определятся:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru Ом;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru Ом;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru Ом.

Для расчёта комплексных действующих значений токов ветвей электрической цепи схема принимает вид, показанный на рисунке 1.22а.

Комплексные сопротивления ветвей электрической цепи (рисунок 1.22а):

К выполнению контрольных заданий - student2.ru Ом; К выполнению контрольных заданий - student2.ru Ом;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru Ом.

1) Расчёт действующих значений токов ветвей электрической цепи методом контурных токов.

На основании метода контурных токов для заданной электрической цепи (рисунок 1.22б) необходимо составить два уравнения К выполнению контрольных заданий - student2.ru для двух контурных токов К выполнению контрольных заданий - student2.ru и К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

Задаёмся независимыми контурами и указываем в них произвольно направления их контурных токов К выполнению контрольных заданий - student2.ru и К выполнению контрольных заданий - student2.ru (рисунок 1.22б).

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

а) б)

Рисунок 1.22 – Расчётная схема электрической цепи

Уравнения для контуров электрической цепи по методу контурных токов запишутся в общем виде (обход контура выбирается совпадающим с направлением собственного контурного тока):

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Собственные сопротивления контуров [два одинаковых индекса] – равные арифметической сумме комплексных сопротивлений ветвей, входящих в рассматриваемый контур:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Общие сопротивление смежных контуров [два различных индекса] равны арифметической сумме комплексных сопротивлений ветвей, расположенных между соответствующими контурами. Эти сопротивления положительны, если направления контурных токов смежных контуров в них совпадают (и отрицательны, если не совпадают):

К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

Контурные ЭДС равны алгебраической сумме комплексных действующих значений ЭДС источников, входящих в контур. Значения ЭДС положительны, если их направления совпадают с направлением собственного контурного тока:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Для определения контурных токов в электрической цепи (рисунок 1.22б) имеем систему уравнений:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Решение системы уравнений для контурных токов можно найти с помощью программы компьютерной математики MathCAD:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

По найденным контурным токам определятся токи в ветвях:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

2) Расчёт действующих значений токов ветвей электрической цепи методом узловых потенциалов.

Метод узловых потенциалов основан на применении законов токов Кирхгофа и Ома. По этому методу составляются уравнения для узловых потенциалов узлов схемы, при условии, что один из узлов цепи принимается за опорный и заземляется (его потенциал принимается равным нулю). Число уравнений, которые необходимо составить для цепи по методу узловых потенциалов на единицу меньше числа узлов схемы: К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

Заданная электрическая цепь (рисунок 2б) имеет два узла, следовательно, по методу узловых напряжений для цепи необходимо составить одно уравнения для узлового потенциала К выполнению контрольных заданий - student2.ru . Если в качестве опорного принять узел схемы «с», уравнение для узлового напряжения К выполнению контрольных заданий - student2.ru запишется:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

Здесь: К выполнению контрольных заданий - student2.ru – напряжение узла электрической цепи по отношению к узлу, выбранному за опорный (узел «c »);

К выполнению контрольных заданий - student2.ru – собственная узловая проводимость узла «f», равная арифметической сумме комплексных проводимостей ветвей, присоединённых к этому узлу;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru – узловой ток, равный сумме токов короткого замыкания ветвей, подходящих к узлу « f » (алгебраическая сумма произведений комплексных действующих значений ЭДС источников в ветвях на комплексную проводимость этих ветвей; если ЭДС ветви направлена к узлу, то составляющая тока короткого замыкания для ветви записывается со знаком «плюс»).

Для заданной электрической цепи (рисунок 1.22б) имеем:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Узловое напряжение электрической цепи относительно опорного узла определится:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

На основании закона Ома найдутся токи ветвей цепи:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Значения токов ветвей, найденные методом узловых потенциалов совпали со значениями токов, определёнными методом контурных токов.

3. Баланс комплексных, активных и реактивных мощностей источников электрической энергии и приёмников запишется:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru ; К выполнению контрольных заданий - student2.ru ; К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

Комплексная мощность, отдаваемая источниками энергии:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Здесь: К выполнению контрольных заданий - student2.ru – сопряжённый комплекс тока К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

Активная и реактивная мощности источников энергии:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru Вт; К выполнению контрольных заданий - student2.ru ВАр.

Активная мощность приёмников энергии:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Реактивная мощность приёмников энергии:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Относительные погрешности выполненного расчёта:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru ;

К выполнению контрольных заданий - student2.ru .

Расчёт режима электрической цепи выполнен верно, баланс мощностей соблюдается с требуемой точностью.

4. Для построения топографической векторной диаграммы находим комплексные действующие значения напряжений на всех элементах электрической цепи:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Комплексные потенциалы точек схемы (рисунок 1.22а) при условии, что потенциал точки « а » схемы равен нулю:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Задаёмся комплексной плоскостью и в масштабе тока К выполнению контрольных заданий - student2.ru строим векторы токов ветвей. Выбираем масштаб напряжений (потенциалов) К выполнению контрольных заданий - student2.ru и в этом масштабе строим на комплексной плоскости векторы потенциалов точек схемы (векторы напряжений на элементах электрической цепи).

Примечание: построение векторов токов, потенциалов (напряжений) удобно выполнять через их проекции на координатные оси комплексной плоскости.

Векторная диаграмма токов и топографическая векторная диаграмма напряжений для заданной цепи (рисунок 1.22а) показана на рисунке 1.23.

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Рисунок 1.23 – Векторная диаграмма токов и топографическая диаграмма напряжений для электрической цепи

5. Полагаем, что между индуктивными катушками К выполнению контрольных заданий - student2.ru и К выполнению контрольных заданий - student2.ru электрической цепи имеется индуктивная связь при взаимной индуктивности К выполнению контрольных заданий - student2.ru (рисунок 1.24).

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Рисунок 1.24 – Электрическая цепь с взаимной индуктивностью

С учётом направлений токов в ветвях с индуктивностями (рисунок 1.21) указываем одноимённые зажимы индуктивных катушек, обеспечивая их встречное включение (встречное направление в катушках магнитных потоков самоиндукции и взаимной индукции).

По законам Кирхгофа с учётом индуктивной связи электрическая цепь опишется тремя уравнениями.

Дифференциальная форма записи законов Кирхгофа:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Комплексная форма записи законов Кирхгофа:

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

где К выполнению контрольных заданий - student2.ru – сопротивление взаимной индуктивности индуктивно-связанных катушек.

Методические указания к решению задачи 2

С учётом индивидуального варианта задачи ( №19 из таблицы 2.1) схема заданной электрической цепи, подключенной к трёхфазному генератору, имеет вид, приведённый на рисунке 2.21.

К выполнению контрольных заданий - student2.ru

Рисунок 2.21 – Схема трёхфазной электрической цепи

Наши рекомендации