Меню

Векторная диаграмма токов примеры решения задач

Векторная диаграмма токов примеры решения задач

Совокупность радиус-векторов, изображающих синусоидально изменяющиеся ЭДС, напряжения, токи и т. д., называется векторной диаграммой. Векторные диаграммы наглядно иллюстрируют ход решения задачи. При точном построении векторов можно непосредственно из диаграммы определить амплитуды и фазы искомых величин. Приближенное (качественное) построение диаграмм при аналитическом решении служит надежным контролем корректности хода решения и позволяет легко определить квадрант, в котором находятся определяемые векторы.

При построении векторных диаграмм для цепей с последовательным соединением элементов за базовый (отправной) вектор следует принимать вектор тока (см. лекцию № 8), а к нему под соответствующими углами подстраивать векторы напряжений на отдельных элементах. Для цепей с параллельным соединением элементов за базовый (отправной) вектор следует принять вектор напряжения (см. лекцию № 8), ориентируя относительно него векторы токов в параллельных ветвях.

Для наглядного определения величины и фазы напряжения между различными точками электрической цепи удобно использовать топографические диаграммы. Они представляют собой соединенные соответственно схеме электрической цепи точки на комплексной плоскости, отображающие их потенциалы. На топографической диаграмме, представляющей собой в принципе векторную диаграмму, порядок расположения векторов напряжений строго соответствует порядку расположения элементов в схеме, а вектор падения напряжения на каждом последующем элементе примыкает к концу вектора напряжения на каждом предыдущем элементе.

В качестве примера построим векторную диаграмму токов, а также топографическую диаграмму потенциалов для схемы, расчет которой был приведен в лекции № 5 (см. рис. 1).

При данных параметрах и заданном напряжении на входе схемы найденные значения токов (см. лекцию № 5) равны: ; ; .

При построении векторной диаграммы зададимся масштабами токов и напряжений (см. рис. 2). Векторную диаграмму можно строить, имея запись комплекса в показательной форме, т.е. по значениям модуля и фазы . Однако на практике удобнее проводить построения, используя алгебраическую форму записи, поскольку при этом вещественная и мнимая составляющие комплексной величины непосредственно откладываются на соответствующих осях комплексной плоскости, определяя положение точки на ней.

Построение векторной диаграммы токов осуществляется непосредственно на основании известных значений их комплексов. Для построения топографической диаграммы предварительно осуществим расчет комплексных потенциалов (другой вариант построения топографической диаграммы предполагает расчет комплексов напряжений на элементах цепи с последующим суммированием векторов напряжений вдоль контура непосредственно на комплексной плоскости).

При построении топографической диаграммы обход контуров можно производить по направлению тока или против. Чаще используют второй вариант.

В этом случае с учетом того, что в электротехнике принято, что ток течет от большего потенциала к меньшему, потенциал искомой точки равен потенциалу предыдущей плюс падение напряжения на элементе между этими точками. Если на пути обхода встречается источник ЭДС, то потенциал искомой точки будет равен потенциалу предыдущей плюс величина этой ЭДС, если направление обхода совпадает с направлением ЭДС, и минус величина ЭДС, если не совпадает. Это вытекает из того, что напряжение на источнике ЭДС имеет направление, противоположное ЭДС.

Обозначив на схеме по рис. 1 точки между элементами цепи e и a и приняв потенциал точки а за нуль( ), определим потенциалы этих точек:

Таким образом, в результате проведенных вычислений получено, что . Но разность потенциалов точек е и а равно напряжению U, приложенному к цепи, а оно равно 120 В. Таким образом, второй закон Кирхгофа выполняется, а следовательно, вычисления выполнены верно. В соответствии с полученными результатами строится топографическая диаграмма на рис. 2. Следует обратить внимание на ориентацию векторов, составляющих топографическую диаграмму, относительно векторов тока: для резистивных элементов соответствующие векторы параллельны, для индуктивного и емкостных – ортогональны.

В заключение заметим, что векторы напряжений ориентированы относительно точек топографической диаграммы противоположно положительным направлениям напряжений относительно соответствующих точек электрической цепи. В этой связи допускается не указывать на топографической диаграмме направления векторов напряжений.

Потенциальная диаграмма

Потенциальная диаграмма применяется при анализе цепей постоянного тока. Она представляет собой график распределения потенциала вдоль участка цепи или контура, при этом по оси абсцисс откладываются сопротивления резистивных элементов, встречающихся на пути обхода ветви или контура, а по оси ординат – потенциалы соответствующих точек. Таким образом, каждой точке рассматриваемого участка или контура соответствует точка на потенциальной диаграмме.

Читайте также:  Как будут взаимодействовать соседние витки катушки с током

Рассмотрим построение потенциальной диаграммы на примере схемы на рис. 3.

При параметрах схемы ; ; ; ; и токи в ветвях схемы равны: ; ; .

Построим потенциальную диаграмму для контура abcda.

Для выбора масштаба по оси абсцисс просуммируем сопротивления резисторов вдоль рассматриваемого контура: после чего определим потенциалы точек контура относительно потенциала произвольно выбранной точки a, потенциал которой принят за нуль:

Таким образом, координаты точек потенциальной диаграммы: а(0;0);b(4;-20); c(4;17); d(7;2). С учетом выбранных масштабов на рис. 4 построена потенциальная диаграмма для выбранного контура.

Преобразование линейных электрических схем

Для упрощения расчета и повышения наглядности анализа сложных электрических цепей во многих случаях рационально подвергнуть их предварительному преобразованию. Очевидно, что преобразование должно приводить к упрощению исходной схемы за счет уменьшения числа ее ветвей и (или) узлов. Такое преобразование называется целесообразным. При этом при любых способах преобразований должно выполняться условие неизменности токов в ветвях участков схемы, не затронутых этими преобразованиями. Из последнего вытекает, что, если преобразованию подвергаются участки цепи, не содержащие источников энергии, то мощности в исходной и эквивалентной схемах одинаковы. Если в преобразуемые участки входят источники энергии, то в общем случае мощности в исходной и преобразованной цепях будут различны.

Рассмотрим наиболее важные случаи преобразования электрических цепей.

1. Преобразование последовательно соединенных элементов

Рассмотрим участок цепи на рис. 5,а. При расчете внешней по отношению к этому участку цепи данную ветвь можно свести к виду на рис. 5,б, где

При этом при вычислении эквивалентной ЭДС k-я ЭДС берется со знаком “+”, если ее направление совпадает с направлением эквивалентной ЭДС, и “-”, если не совпадает.

2. Преобразование параллельно соединенных ветвей

Пусть имеем схему на рис. 6,а.

Согласно закону Ома для участка цепи с источником ЭДС

; (3)
, (4)

причем со знаком “+” в (4) записываются ЭДС и ток , если они направлены к тому же узлу, что и ЭДС ; в противном случае они записываются со знаком “-”.

3. Взаимные преобразования “треугольник-звезда”

В ряде случаев могут встретиться схемы, соединения в которых нельзя отнести ни к последовательному, ни к параллельному типу (см. рис. 7). В таких случаях преобразования носят более сложный характер: преобразование треугольника в звезду и наоборот.

Преобразовать треугольник в звезду – значит заменить три сопротивления, соединенных в треугольник между какими-то тремя узлами, другими тремя сопротивлениями, соединенными в звезду между теми же точками. При этом на участках схемы, не затронутых этими преобразованиями, токи должны остаться неизменными.

Без вывода запишем формулы эквивалентных преобразований

  1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш.шк., 1978. –528с.

Контрольные вопросы и задачи

  1. Что представляют собой векторные диаграммы?
  2. Что такое топографические диаграммы, для чего они служат?
  3. В чем сходство и различие топографической и потенциальной диаграмм?
  4. Какой практический смысл преобразований электрических цепей?
  5. В чем заключается принцип эквивалентности преобразований?
  6. Построить потенциальные диаграммы для левого и внешнего контуров цепи рис.3.

  • Полагая в цепи на рис. 8 известными ток и параметры всех ее элементов, качественно построить векторную диаграмму токов и топографическую диаграмму потенциалов для нее.
  • Определить входное сопротивление цепи на рис. 8, если .

    Определить сопротивления ветвей треугольника, эквивалентного звезде между узлами a,c и d в цепи на рис. 8.

    Определить сопротивления ветвей звезды, эквивалентной треугольнику в цепи на рис. 8, состоящему из элементов , и .

    Источник

    

    Векторная диаграмма токов примеры решения задач

    Тема 6. АНАЛИЗ ПРОСТЕЙШИХ ЦЕПЕЙ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА.
    ВЕКТОРНЫЕ ДИАГРАММЫ (задачи с решением)

    Задача 6.1. Записать выражение для мгновенного значения синусоидального тока (см. п. 7.1) с периодом T = 12 мс и действующим значением I = 2 мА, если при t = 0 мгновенный ток равен 1 мА, а через 2,31 мс ток достигнет ближайшего максимума. Является ли полученное решение единственным?

    Параметры, входящие в общее выражение для мгновенного значения тока i = Imsin( w t + y) — амплитуда Im, частота w и начальная фаза y определяются через заданные величины следующим образом

    В результате получим i = 2,828sin(523,6t + 0,3614 ) . Многозначность функции arcsin не делает ответ многозначным, так как из условия следует, что начальная фаза находится в первой четверти.

    При работе в режиме изучения теоретического материала вернитесь назад к тексту Лекции 7 .

    Задача 6.2. Построив векторную диаграмму, определить действующие значения входного напряжения и тока для цепи, схема которой изображена на рис. П6.1 при числовых данных: U1 = U3 = 20 В, U5 = 10 В, I2 = 1 А, I4 = I5 = 2 А;

    Построение векторной диаграммы следует начать с изображения вектора напряжения или тока, относительно которого можно однозначно сориентировать наибольшее количество векторов, отвечающих другим токам или напряжения в данной цепи.

    Правила изображения на векторной диаграмме токов и напряжений на отдельных элементах цепи см. в > Табл. 7.1 .

    Для цепи, изображенной на рис. П6.1, такой величиной является напряжение U5, относительно которого известен фазовый сдвиг токов I5 и I4. Отложим U 5 на диаграмме (рис. П6.2) вертикально. Вектор тока в резистивной ветви I 5 совпадает по направлению с U 5, а I 4 в индуктивности отстает от U 5 на угол p /2. Далее используем первый закон Кирхгофа в векторной форме и строим вектор I 3 = I 4 + I 5.

    Как следует из диаграммы: I3 = 2 Ц 2 А. Вектор напряжения на конденсаторе U 3 отстает от I 3 на p /2. Используя второй закон Кирхгофа, строим U 2 = U 3 + U 5. Из диаграммы найдем U2 = 14 В. Ток I2 в резистивной ветви совпадает по фазе с U2. Далее суммируем векторы I вх = I 2 + I 3. Численное значение этого тока определим из диаграммы: I вх = 3,4 А. Вектор напряжения на катушке U 1опережает I вх на p /2. Наконец, строим вектор U вх = U 1 + U 2 и находим U вх = 14,8 В. Полностью векторная диаграмма изображена на рис. П6.2. Как следует из диаграммы, цепь в целом имеет индуктивный характер, так как U вх опережает I вх по фазе.

    При работе в режиме изучения теоретического материала вернитесь назад к тексту Лекции 7 .

    Задача 6.3. Определить эквивалентные параметры R э , X э , z э , y э , B э , G э двухполюсника (см. п. 7.4 теоретического материала), изображенного на рис. П6.3, а , при = 1 Ом.

    помощью соотношений между эквивалентными параметрами R, X и G, B двухполюсника (п.7.4) преобразуем в исходной задаче параллельную R 2 C цепочку с проводимостями параллельных ветвей G 2 = 1/ R 2 и B 3 = – ωC к эквивалентной последовательной RC цепи, параметры которой определятся формулами

    В результате приходим к эквивалентной цепи, изображенной на рис П6.3, б , для которой . Используя вышеуказанные соотношения, найдем по формулам y э = 1/ z э = 0,6325 См,

    При работе в режиме изучения теоретического материала вернитесь назад к тексту Лекции 7 .

    Источник

    3.1 Расчет цепей синусоидального тока методом векторных диаграмм

    3.1 Расчет цепей синусоидального тока методом векторных диаграмм

    Полезной иллюстрацией расчета любой электрической цепи является ее топографическая диаграмма напряжений и векторная лучевая диаграмма токов или векторная диаграмма токов и векторная диаграмма напряжений на комплексной плоскости, которая позволяет находить графическим путем напряжения между любыми точками электрической цепи без дополнительных вычислений Примеры решения типовых задач методом векторных диаграмм

    Задача 3.1.1 Для схемы рис. 3.1.1 определить токи во всех ветвях и напряжения на всех участках, составить баланс активных и реактивных мощностей, построить полную векторную диаграмму цепи, записать мгновенные значения токов, если U = Umsin(ωt + ψU), Um =600 В, ψU = –90°, R1 = 10 Ом, Х2 = R3 = Х3 = 20 Ом, Х4 = 50 Ом.

    1. Заменим разветвленный участок эквивалентной ветвью с параметрами R23 и X23, для чего рассчитаем активные и реактивные проводимости параллельных ветвей

    g 2 = R 2 Z 2 2 = R 2 R 2 2 + X 2 2 = 0 ; b 2 = X 2 Z 2 2 = X 2 R 2 2 + X 2 2 = 20 0 + 20 2 = 0,05 С м ; g 3 = R 3 Z 3 2 = R 3 R 3 2 + X 3 2 = 20 20 2 + 20 2 = 0,025 С м ; b 3 = − X 3 Z 3 2 = − X 3 R 3 2 + X 3 2 = − 20 20 2 + 20 2 = − 0,025 С м ; g 23 = g 2 + g 3 = 0 + 0,025 С м ; b 23 = b 2 + b 3 = 0,05 + ( − 0,025 ) = 0,025 С м ; R 23 = g 23 y 23 2 = g 23 g 23 2 + b 23 2 = 0,025 0,025 2 + 0,025 2 = 20 О м ; X 23 = b 23 y 23 2 = b 23 g 23 2 + b 23 2 = 0,025 0,025 2 + 0,025 2 = 20 О м .

    2. Эквивалентная схема приведена на рис. 3.1.2, по которой рассчитаем ток неразветвленной части исходной схемы

    i 1 = I 1 m sin ( ω t + ψ U − φ в х ) ,

    I 1 m = U m ( R 1 + R 23 ) 2 + ( X 23 − X 4 ) 2 = 600 ( 10 + 20 ) 2 + ( 20 − 50 ) 2 = − 10 2 А ; φ в х = a r c t g X 23 − X 4 R 1 + R 23 = a r c t g 20 − 50 10 + 20 = − 45 ° .

    Таким образом, мгновенное значение тока

    i 1 = I 1 m sin ( ω t + ψ U − φ в х ) = 10 2 sin [ ω t + ( − 90 ° ) − ( − 45 ° ) ] = 10 2 sin ( ω t − 45 ° ) А .

    Действующее значение тока

    I 1 = I 1 m 2 = 10 2 2 = 10 А .

    3. Напряжение на эквивалентном участке

    U b d = U b d m sin ( ω t + ψ U − φ в х + φ 23 ) ,

    U b d m = I 1 m Z 23 = I 1 m R 23 2 + X 23 2 = 10 2 ⋅ 20 2 + 20 2 = 400 В ; φ 23 = a r c t g X 23 R 23 = a r c t g 20 20 = 45 ° .

    U b d = U b d m sin ( ω t + ψ U − φ в х + φ 23 ) = 400 sin [ ω t + ( − 90 ° ) − ( − 45 ° ) + 45 ° ] = 400 sin ( ω t ) В .

    4. Действующее значение токов параллельных ветвей и напряжения эквивалентного участка:

    U b d = U b d m 2 = 400 2 = 200 2 В ; I 2 = U b d Z 2 = U b d X 2 = 200 2 20 = 10 2 А ; I 3 = U b d Z 3 = U b d R 3 2 + X 3 2 = 200 2 20 2 + 20 2 = 10 А .

    5. Углы сдвига фаз напряжений и токов второй и третьей ветвей

    φ 2 = a r c t g X 2 R 2 = a r c t g 20 0 = 90 ° ; φ 3 = a r c t g − X 3 R 3 = a r c t g − 10 20 = − 45 ° .

    6. Мгновенные значения токов параллельных ветвей

    i 2 = I 2 2 sin ( ω t + ψ U b d − φ 2 ) = 20 sin ( ω t − 90 ° ) А ; i 3 = I 3 2 sin ( ω t + ψ U b d − φ 3 ) = 10 2 sin ( ω t + 45 ° ) А ,

    ψ U b d = ψ U − ψ в х + φ 23 = ( − 90 ° ) − ( − 45 ° ) + 45 ° = 0.

    7. Проверим баланс активных мощностей

    P и с т = U I 1 cos φ в х = 600 2 ⋅ 10 ⋅ cos ( − 45 ° ) = 3000 В т ; P п о т р = I 1 2 R 1 + I 3 2 R 3 = 10 2 ⋅ 10 + 10 2 ⋅ 20 = 3000 В т ; P и с т = P п о т р = 3000 В т .

    8. Проверим баланс реактивных мощностей

    Q и с т = U I 1 sin φ в х = 600 2 ⋅ 10 ⋅ sin ( − 45 ° ) = − 3000 в а р ; Q п о т р = I 1 2 ( − X 4 ) + I 2 2 X 2 + I 3 2 ( − X 3 ) = 10 2 ⋅ ( − 50 ) + ( 10 2 ) 2 ⋅ 20 + 10 2 ⋅ ( − 20 ) = − 3000 в а р ; Q и с т = Q п о т р = − 3000 в а р .

    Таким образом, баланс активных и реактивных мощностей сходится, т.е. задача решена верно, и можно переходить к построению полной векторной диаграммы.

    9. Рассчитаем напряжения на элементах электрической цепи

    U a b = I 1 R 1 = 10 ⋅ 10 = 100 В ; U b d = I 2 X 2 = 10 2 ⋅ 20 = 200 2 В ; U b c = I 3 R 3 = 10 ⋅ 20 = 200 В ; U c d = I 3 X 3 = 10 ⋅ 20 = 200 В ; U d e = I 1 X 4 = 10 ⋅ 50 = 500 В .

    Векторная диаграмма приведена на рис. 3.1.3.

    Задача 3.1.2 В схеме рис. 3.1.4 известны показания приборов вольтметра – 100 В, первого амперметра – 3 А, второго амперметра – 2 А, ваттметра – 160 Вт.

    Рассчитать параметры схемы X1, X2, R2.

    Показание ваттметра определяется выражением активной мощности участка электрической цепи

    P W = U W I W cos ( U ¯ W I ¯ W ^ ) = U I 2 cos φ 2 = I 2 2 R 2 = P 2 ,

    R 2 = P 2 I 2 2 = P W I 2 2 = 160 2 2 = 40 О м .

    Полное сопротивление второй ветви

    Z 2 = R 2 2 + X 2 2 = U I 2 = 100 2 = 50 О м ,

    X 2 = Z 2 2 − R 2 2 = 50 2 − 40 2 = 30 О м .

    Из треугольника сопротивлений второй ветви

    cos φ 2 = R 2 Z 2 = 40 50 = 0,8 ; sin φ 2 = X 2 Z 2 = 30 50 = 0,6.

    Активная составляющая тока

    I 2 а = I 2 cos φ 2 = 2 ⋅ 0,8 = 1,6 А .

    Реактивная составляющая тока

    I 2 р = I 2 sin φ 2 = 2 ⋅ 0,6 = 1,2 А .

    На основании векторной диаграммы рис. 3.1.5 определяем ток в емкости

    I 1 = I 2 р + I 2 − I 2 а 2 = 1,2 + 3 2 − 1,6 2 = 3,74 А .

    По закону Ома находим емкостное сопротивление

    Источник

    Метка: Метод векторных диаграмм

    Векторные диаграммы ТОЭ. Применение векторных диаграмм

    Задачи с решением по теме: неразветвленные цепи переменного тока

    Задача 14.3. Определить ток и составить баланс мощностей для цепи, схема которой изображена на рис. 14.8. Построить топографическую диаграмму и по ней определить напряжение U8,5 между точками 8 и 5 и U6,1 между точками 6 и 1. Читать далее ››

    Задачи для схемы с последовательным соединением катушки и конденсатором с решением

    Пример решения

    Задача 14,1

    Конденсатор емкостью С = 3,4 мкФ и катушка с активным сопротивлением R = 50 Ом и индуктивностью L = 29,8 мГн подключены последовательно к генератору с напряжением U = 200 В (рис. 14.6).9

    Определить ток, активную, реактивную и полную мощности катушки, конденсатора и всей цепи при неизменном напряжении генератора и трех значениях частоты: f=fp;
    f fр. где fр — резонансная частота.

    Решение.

    Векторные диаграммы. Построение векторных диаграмм

    При расчете электрических цепей переменного тока пользуются весьма простым и наглядным способом графического изображения синусоидальных величин при помощи вращающихся векторов.

    Источник