toe2

Лабораторно-практическое занятие № 2

ИЗУЧЕНИЕ АНАЛИТИЧЕСКИХ МЕТОДОВ РАСЧЕТА ЦЕПЕЙ И ИХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА


Типовые задачи


Задача 2.1. Определить показания вольтметра pV (рис.2.1) и указать, в каких режимах работают источники ЭДС (Ri, Ом,  Ej, B), используя данные таблицы 2.1.


Решение

1. Определение тока.

Поскольку вольтметр имеет бесконечно большое сопротивление, он не оказывает влияние на величину тока рассматриваемой одноконтурной электрической цепи, и поэтому при определении величины тока не играет никакой роли и не учитывается.

Направление тока, как и направление обхода контура, выбирается произвольно (рис.2.2).

     По второму закону Кирхгофа:

E1- E2 = R1I + R2I = (R1+ R2)I,

I =(E1- E2) /(R1+ R2) =

= (60-10) / (30+20).



2. Определение показания вольтметра.

Показание вольтметра не зависит от того, какая часть схемы рассматривается с целью его определения.

Для определения показания вольтметра составляется уравнение, согласно II закону Кирхгофа (направления обхода контуров показаны на рис. 2.3, а и  2.3,б)


Е1 = R1 I + Uab  ,        UabE1 R1 I = 60 30 · 1 = 30, B

или        Е2 = R2 I + Uab ,        UabE2 R2 I = 10 20 · 1 = 30, B.

Вольтметр показывает значение, равное Vab, в рассматриваемом случае 30 В.

3.Определение режимов работы источников ЭДС.

Если мощность источника ЭДС  P = I E величина положительная, то источник работает в режиме генератора, в противном случае в режиме приемника:

P1 = IE1 = 1· 60 =  60, Вт источник ЭДС E1 в режиме генератора;

P2 = I E2 = 1· 10 =  10, Вт источник ЭДС E2 в режиме приемника.


Задача 2.2.  Рассчитать цепь методом контурных токов. Составить баланс мощностей, используя данные таблицы 2.2.


Решение

1. Определение токов в ветвях.

Направление токов в ветвях и контурных токов (II ÷ IIII) выбираются произвольно, причем целесообразнее чтобы направления контурных токов совпадали  с обходами соответствующих контуров (рис. 2.4).

Согласно методу контурных токов составляются уравнения  ко II закону Кирхгофа для замкнутых независимых контуров цепи относительно не токов в ветвях, а контурных токов:

R II + R2 III ………………     = -E2 + E1;

+ R2 II +(R2 + R4 + R3) III R3 IIII = (E3 + E2);

……………- R3 III + (R3 + R5) IIII  = E3

или                       2II + 2 III ……………… = - 2 + 6;

2 II + (2 + 6 + 4)III   4IIII     = - 10 2;

….………….- 4III + (4 + 2)IIII = 10,

откуда значения контурных токов:

II = 36/11 А,     III = 14/11 А,    IIII = 9/11 А

Токи во внешних ветвях:

I1 = II = 36/11 А,    I4 = III = 14/11 А,    I5 = IIII = 9/11 А,

а токи в смежных ветвях:

I2 = - II III = - 36 / 11 + 14 / 11 = - 2, А,

I3 = IIII III = 9 / 11 + 14 / 11 = 23 / 11, А.

2. Составление управления баланса мощности энергии алгебраическая сумма мощностей всех источников цепи равна арифметической сумме мощностей всех ее приемников:

I1 E1 + I2 E2 + I3 E3 = R2 I2 + R3 I32 + R4 I42 + R5 I5 2

или в числовом выражении

36/11·6 (-2) 2 + 23/11·10 = 2(-2)2 + 4(23/11)2 + 6(14/11)2 + 2(9/11)2, Вт

402/11  =  402/11,  Вт.

Задача 2.3. Определить токи в ветвях электрической цепи методом междуузлового напряжения (Ri, Ом,  Ej, В) (рис. 2.5), используя данные таблицы 2.3.

Решение

1. Определение междуузлового напряжения.

Потенциальные узлы отмечаются буквами с целью соблюдения знаков узловых токов, например, а u b (рис. 2.5), тогда искомое напряжение

где gi = 1/Ri проводимость i-ой ветви, См, или в числовом выражении

2. Определение токов в ветвях.

Направления токов в ветвях выбираются произвольно (рис. 2.5), а их величины определяются согласно закону Ома для активного или пассивного участков цепи:

I1 = (E1+Uab)/R1 = (60+120)/60 = 3 A;

I2 = (E2 Uab)/R2 = (240120)/8 = 15 A;

I3 = - Uab/R3 = - 120/60 = -2 A;

I4 = Uab/R4 = 120/30 = 4 A;

I5 = Uab/R5 = 120/20 = 6 A.

3. Проверкой служит уравнение, составленное по первому закону Кирхгофа, при подстановке в нее рассчитанных числовых значений токов:

- I1 + I3 + I2 I4 I5 = 0    или     - 3 + (-2) + 15 4 6 = 0.


Задача 2.4. Определить показание вольтметра в электрической цепи (рис. 2.6), используя данные таблицы 2.4.

Решение


С учетом того, что ЭДС источника питания всегда направлена от минуса к плюсу, а заземленные узлы равно потенциальны, предлагаемая схема может быть изображена следующим образом (рис. 2.7)


Показание вольтметра в такой схеме, как известно, определяется методом междуузлового напряжения как модуль напряжения между двумя узлами a и b :



Задача 2.5.  Для электрической цепи определить ток в ветви с резистором R4 методом активного двухполюсника (рис. 2.8), используя данные таблицы 2.5.

Решение


     Согласно методу активного двухполюсника (или эквивалентного генератора МЭГ) воздействие всех источников питания на ветвь с неизвестным током заменяется воздействием одного, так называемого «эквивалентного», генератора, который на эквивалентной схеме замещения (рис.2.9) соединяется последовательно с исследуемой ветвью:

,

где напряжение между зажимами эквивалентного генератора а и b  в режиме холостого хода;  сопротивление между зажимами а и b пассивного двухполюсника, полученного из схемы, соответствующей холостому ходу  эквивалентного генератора.

В рассматриваемом случае схема, соответствующая холостому ходу эквивалентного генератора, выглядит так (рис. 2.10.)

Пассивный двухполюсник (рис. 2.11) образуется при исключении источников питания,  по сохранения их внутренних сопротивлений (в данном случае нулевых).

1. Определение ЭДС эквивалентного генератора (рис. 2.10). В двухконтурной схеме  определяются токи в ветвях и далее на основе двух  законов Кирхгофа в контуре aсb расcчитывается :

I1хх = (-E1 E2)/(R1 + R2) = ( - 6 - 10)/(3 + 6)= -2 A,

I3хх= - E3 /(R3 + R5) = - 4/(4 + 4)= - 0,5 A,

-E2 = R5I3хх + R2I1хх

или        = E2 + R5I3хх + R2I1хх =10 + 4(-0,5) + 6(-2) = - 4 В.

Таким образом, = - 4 В.

2. Определение внутреннего сопротивления эквивалентного генератора (рис. 2.11). Как видно, R1 и R2 соединены параллельно друг другу, R5 и Rаналогично, между  собой они соединены последовательно, поэтому:

= R1R2/(R1 + R2) +R3R5/(R3 + R5) = 36/(3+6) + 44/(4+4) = 4 Ом,

или   RЭ.Г. = = 4 Ом.

3. Определение тока в исследуемой ветви (рис. 2.9)

I4 = EЭ.Г. /(RЭ.Г. + R4) = (4) /(4 + 2) = 2/3 A.


Задача 2.6. В электрической цепи (рис.2.12) определить ток в ветви  с линейным элементом R5, используя данные таблицы 2.6. Вольтамперная характеристика (ВАХ) нелинейного элемента (НЭ) приведена на рис. 2.13.


Решение


1. Определение параметров эквивалентного генератора

Для определения тока в одной ветви схемы (в рассматриваемом случае, в ветви  с НЭ) используется метод  эквивалентного генератора. Эквивалентная схема замещения исходной цепи, а так же схемы эквивалентного генератора на холостом ходу и пассивного двухполюсника приводится на рис. 2.14, 2.15 и 2.16.








Аналогично решению предыдущей задачи ЭДС эквивалентного генератора (рис. 2.14) ЕЭ.Г. =,   причем (рис. 2.15)

-+ R2- R4= 0,

то есть  EЭ.Г.= =+ R2- R4.

Токи и  определяются любым известным методом, например,

= - E / (R1 + R2) = -120 / (20 + 30) = -2,4 A;

= -E / (R3 + R4) = -120 / (10 + 40) = -2,4 A.

Тогда   EЭ.Г. == 30(-2.4) - 40 (-2,4) = 24 В, внутреннее сопротивление эквивалентного генератора (рис. 2.16)

.

Таким образом, внешняя характеристика эквивалентного генератора

Uab = EЭ.Г.-RЭ.Г.I =24 - 20I имеет вид (рис. 2.17)

2. Определение тока в ветви с НЭ,

Поскольку напряжение на зажимах эквивалентного генератора является одновременно и напряжением на зажимах НЭ и по ним протекает один и тот же ток (рис. 2.14), согласно методу пересечения характеристик

Uab = 17,5 B ,  I = 0,325 А (рис. 2.18)