Топология электрических схем замещения

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Для выполнения курсовых работ

по дисциплине

«Теоретические основы электротехники»

Тема «Расчет электрических и магнитных цепей»

Для студентов очной формы обучения

направление 35.03.06 «Агроинженерия»

профиль «Электооборудование и электротехнологии в АПК»

Тюмень 2017

Введение

Дисциплина «Теоретические основы электротехники» в соответствии с учебным планом подготовки бакалавров по направлению 35.03.06 «Агроинженерия» профиль «Электрооборудование и электротехнологии в АПК» изучается в течение третьего и четвертого семестров. По окончании третьего семестра проводится зачет, в четвертом семестре студенты защищают курсовую работу и сдают экзамен.

Курсовая работа состоит из шести задач, которые решаются последовательно по мере изучения теоретического материала; таким образом, выполнение курсовой работы начинается в первые месяцы изучения дисциплины.

Задачи курсовой работы:

-расчет цепи постоянного тока, содержащей два узла;

-расчет цепи постоянного тока, содержащей четыре узла, методом контурных токов;

-расчет параметров тороидального магнитопровода;

-анализ пассивной ветви синусоидального переменного тока с резонансом напряжений;

-расчет трехфазной четырехпроводной цепи переменного синусоидального тока с несимметричным характером нагрузки;

-анализ измерений параметров пассивного двухполюсника в цепи переменного синусоидального тока по показаниям осциллографа.

В каждой задаче предусмотрено 100 вариантов. Свой вариант студент определяет по последним двум цифрам номера зачетной книжки или студенческого билета. Исходные данные по вариантам приведены в таблицах вместе с условиями задач.

В настоящих методических указаниях даны задания и требования к оформлению расчетно-пояснительной записки курсовой работы.

Теоретическая часть

В теоретической части рассмотрены основные понятия, формулы и законы электрических и магнитных цепей.

Топология электрических схем замещения

Электрическая цепь – это совокупность генерирующих, приемных ивспомогательных устройств, соединенных между собой электрическимипроводами.

В теории электрических цепей (ТЭЦ) оперируют не реальными электрическими цепями, а их схемами замещения.

Электрическая схема замещения – это графическое изображениеэлектрической цепи идеализированными элементами, которые учитываютявления, происходящие в реальной цепи.

Генерирующие устройства преобразуют различные виды энергии (механическую, химическую, тепловую, световую) в электрическую.

Роль источника энергии заключается в поддержании разности потенциалов. Для этого нужны силы неэлектрического происхождения (сторонниесилы), совершающие работу против сил электрического поля.

В ТЭЦ различают два вида идеализированных источников энергии:идеальный источник ЭДС (рис. 1) и идеальный источник тока(рис. 2).

Рисунок 1 – Идеализированный источник ЭДС

У идеального источника ЭДС сопротивление бесконечно мало. Вследствие этого напряжение на зажимах источника при изменении нагрузки неменяется, меняется ток. Стрелка источника показывает направление увеличения потенциала.

У идеального источника тока (рис. 2) сопротивление бесконечновелико. Поэтому при изменении нагрузки ток источника тока не меняется,меняется напряжение на его зажимах. Величины внутренних сопротивленийучтены в условных обозначениях: закоротка в кружке идеального источникаЭДС и разрыв – у идеального источника тока.

Рисунок 2 – Идеализированный источник тока

Идеальных устройств в реальной жизни нет. Реальный источник ЭДСобладает небольшим сопротивлением (рис. 3). Реальный источник токаобладает большим, но конечным сопротивлением (рис. 4).

Рисунок 3 – Реальный источник ЭДС

Рисунок 4 – Реальный источник тока

Приемные устройства образуют внешнюю часть схемы.

Различают три идеализированных приемных элемента.

Резистивный элемент, или идеальный резистор (рис. 5) учитываетпреобразование электрической энергии в другие виды энергии. Обладает сопротивлением R , которое измеряют в омах (Ом).

Рисунок 5 – Резистивный элемент

Сопротивление такого элемента определяется по выражении:

R=ρ·l/S,

где ρ – удельное электрическое сопротивления материала, из которого выполнен проводник, Ом·м/мм²;

l – длина проводника ,м;

S – площадь поперечного сечения проводника ,мм² (S=π·D²/4 для проводника круглого сечения, где D – диаметр проводника, мм).

Рисунок 6 – Проводник электрического тока – резистивный элемент

Индуктивный элемент, или идеальная индуктивная катушка(рис. 7) учитывает энергию магнитного поля катушки, а также ЭДС самоиндукции. Обладает индуктивностью L , которую измеряют в генри (Гн).

Рисунок 7 – Индуктивный элемент

Индуктивность соленоида (длинной, тонкой катушки) определяется по выражению:

L=µ₀·µ·N²·S/l,

где µ₀=1,257·10^-7 Гн/м– магнитная постоянная;

N – число витков;

S – площадь поперечного сечения катушки, м²;

l – длина катушки, м.

Рисунок 8 - Соленоид

Емкостный элемент, или идеальный конденсатор (рис. 9) учитывает энергию электрического поля конденсатора, а также токи смещения.Обладает емкостью С, измеряемой в фарадах (Ф).

Рисунок 9 – Емкостный элемент

Емкость электрическая плоского конденсатора определяется по выражению:

С=ε·d/S,

где ε – диэлектрическая проницаемость вещества между обкладками конденсатора, Ф/м;

d – расстояние между обкладками конденсатора, м;

S – площадь одной обкладки конденсатора, м².

Рисунок 10 – Плоский конденсатор

В общем виде элементы схем замещения можно классифицировать, используя схему, представленную на рисунке 11.

Рисунок 11 – Классификация элементов схем замещения

В реальных электрических цепях есть реальные резисторы, индуктивные катушки и конденсаторы. В схемы замещения реальных деталей входятвсе три идеальных элемента, но количественно значения их параметров существенно различны.

Рассмотрим схему замещения реальнойиндуктивной катушки, которую содержатбольшинство электротехнических устройств.Индуктивная катушка греется, что учитываетрезистивный элемент (рис. 12), в ней наводится ЭДС (индуктивный элемент). Емкостный элемент учитывает энергиюэлектрических полей между витками.

Рисунок 12 – Схема замещения реальной катушки индуктивности

Элементы электрических цепей различным образом соединяют междусобой, образуя геометрические элементы схем замещения (ветвь, узел, контур).

Ветвь – часть электрической схемы, состоящая из одного или нескольких последовательно соединенных источников и приемников энергии,ток в которых один и тот же.

Можно сформулировать короче. Ветвь – участок схемы с одним током.Ветви могут быть активными, содержащими источники энергии, и пассивными, состоящими из одних приемников.

Узел – это точка в схеме, где сходятся не менее трех ветвей. Тогдаветвь – участок схемы от одного узла до другого узла.

Контур – любой замкнутый по ветвям схемы путь. Схема можетбыть одноконтурной (рис. 13) и многоконтурный (рис. 14).

Рисунок 13 – Одноконтурная схема

Рисунок 14 – Многоконтурная схема

Подумайте, сколько узлов, активных и пассивных ветвей, а также контуров в схеме рис. 14.