Практикум: Электрические цепи постоянного тока и методы их расчета

Практические занятия проводятся с целью успешного освоения студентами теоретического материала и применения его для решения задач и анализа полученных результатов. На практических занятиях №1 и №2 подробно рассмотрены примеры расчета электрических цепей с помощью различных методов, показано, как надо проверять правильность решения задачи и проанализированы возможные режимы работы всей цепи и отдельных ее элементов.

6.1. Практическое занятие №1
Расчет электрических цепей с использованием законов Ома и Кирхгофа

Рабочие файлы: [Инструмент решения СЛАУ]

6.1.1. Вопросы для подготовки к занятиям

1. Сформулировать закон Ома для участка и для замкнутого контура.

2. Нарисовать схемы с последовательным и параллельным соединением пассивных элементов, указать основные свойства этих соединений, схему со смешанным соединением пассивных элементов; дать порядок расчета этих схем.

3. Нарисовать схемы соединения пассивных элементов звездой и треугольником и объяснить порядок их расчета.

4. Сформулировать первый и второй законы Кирхгофа, объяснить правила знаков.

5. Сформулировать уравнение баланса мощностей.

6. Как составляется система уравнений для расчета сложных схем при помощи уравнений Кирхгофа?

6.1.2. Расчет цепи с одним источником питания

gif-file, 2KB

Задача 1. В цепи, схема которой приведена на рис. 1.29, ЭДС аккумуляторной батареи Е = 78 В, ее внутреннее сопротивление r0 = 0,5 Ом. Сопротивления резисторов R1 = 10 Ом, R2 = 5 Ом, R3 = 4 Ом. Вычислить токи во всех ветвях цепи и напряжения на зажимах батареи и на каждом их резисторов.

Анализ и решение задачи 1

1. Обозначение токов и напряжений на участках цепи.

Резистор R3 включен последовательно с источником, поэтому ток I для них будет общим, токи в резисторах R1 и R2 обозначим соответственно I1 и I2. Аналогично обозначим напряжения на участках цепи.

2. Определение эквивалентного сопротивления цепи:

Rэ = r0 + R3 + R1 R2 / (R1 + R2) = 0,5 + 4 + 5 * 10 / (5 +10) = 7,8 Ом

3. Ток в цепи источника рассчитываем по закону Ома:

I = E / Rэ = 78 / 7,8 = 10 А.

4. Определение напряжений на участках цепи:

U12 = R12 I = 3,3 * 10 = 33 В; U3 = R3 I = 4 * 10 = 40 В;

U = E - r0 I = 78 - 0,5 * 10 = 73 В.

5. Определение токов и мощностей всех участков:

I1 = U12 / R1 = 33 / 10 = 3,3 А; I2 = U12 / R2 = 33 / 5 = 6,6 А;

P1 = R1 I12 = U12 I1 = 108,9 Вт; P2 = R2 I22 = U12 I2 = 217,8 Вт;

P3 = R3 I2 = U3 I = 400 Вт.

Мощность потерь на внутреннем сопротивлении источника

DP = r0 I2 = 50 Вт.

Мощность источника P = E I = 780 Вт.

Дополнительные вопросы к задаче 1

1. Как проверить правильность решения задачи?

Правильность вычисления токов можно проверить, составив уравнение на основании первого закона Кирхгофа: I = I1 + I2.

Правильность расчета мощностей проверяют по уравнению баланса мощностей: P = P1 + P2 + P3 + DP.

2. Каким будет напряжение на зажимах источника, при обрыве в цепи резистора R3?

Это будет режим холостого хода источника ЭДС, при котором U = E, т.к. ток I равен 0 и I r0 = 0.

3. Каким будет ток в цепи источника при коротком замыкании на его зажимах?

В режиме короткого замыкания U = 0 и ток источника ограничивается только его внутренним сопротивлением

Iкз = E / r0 = 78 / 0,5 = 156 А.

4. Как изменятся токи в схеме при увеличении R1?

При увеличении R1 увеличивается сопротивление параллельного участка схемы R12, поэтому увеличивается сопротивление Rэкв, что приводит к уменьшению тока I. При уменьшении I уменьшаются падения напряжения I R3 и I r0 и, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, напряжение на разветвлении U12 = E - I (R3 + r0) возрастает, что приводит к увеличению тока в резисторе R2. Т.к. ток I уменьшается, а ток I2 возрастает, ток I1 = I - I2 уменьшается.

6.1.3. Расчет сложных цепей при помощи уравнений Кирхгофа

Задача 2. Рассчитать схему рис. 1.30, составив систему уравнений на основании законов Кирхгофа.

gif-file, 2KB

Исходные данные к задаче:

E1 = 60 В; E2 = 80 В; E3 = 70 В;

R1 = 20 Ом; R2 = 50 Ом; r03 = 5 Ом; R4 = 65 Ом; R5 = 85 Ом.

Анализ и решение задачи 2

1. Определение необходимого числа уравнений.

В схеме рис. 1.30 пять ветвей и для расчета токов в них надо составить пять уравнений. По первому закону Кирхгофа составляются уравнения для всех узлов, кроме одного (уравнение для него будет следствием предыдущих), по второму – для независимых контуров (в каждый последующий контур входит хотя бы одна ветвь, не вошедшая в ранее рассмотренные). Для данной схемы надо составить два уравнения по первому закону и три – по второму.

2. Составление и решение системы уравнений.

Для составления уравнений задаемся произвольно направлениями токов в ветвях и направлениями обхода контуров (рис. 1.30).

Уравнение для узла d: I1 + I3 - I4 = 0.
Уравнение для узла е: - I2 - I3 + I5 = 0.
Уравнение для контура bcd: I1R1 + I4R4 = E1.
Уравнение для контура abe: I2R2 + I5R5 = E2.
Уравнение для контура bde: I3r03 + I4 R4 + I5R5 = E3.

Подставив в уравнения численные значения величин, получим алгебраическую систему уравнений:

I1 + I3 - I4 = 0;
- I2 - I3 + I5 = 0;
20 I1 + 65 I4 = 60;
50 I2 + 85 I5 = 80;
5 I3 + 65 I4 + 85 I5 = 70.

Решение системы дает значения токов: I1 = 1,093 А; I2 = 0,911 А; I3 =  –0,506 А; I4 = 0,587 А; I5 = 0,405 А.

Дополнительные вопросы к задаче 2

1. Что означает минус перед численным значением тока I3?

Знак «–» говорит о том, что реальное направление тока в данной ветви противоположно принятому в начале расчета.

2. В каких режимах работают элементы схемы, содержащие источники ЭДС?

В ветвях с E1 и E2 токи совпадают по направлению с ЭДС, т.е. данные элементы работают источниками, отдавая энергию в схему; в ветви с ЭДС E3 ток направлен против ЭДС, т.е. данный элемент работает потребителем (например, машина постоянного тока в режиме двигателя).

3. Как проверить правильность решения задачи?

Для проверки правильности расчета можно на основании законов Кирхгофа написать уравнения для узлов и контуров схемы, которые не использовались при составлении исходной системы. Независимой проверкой является уравнение баланса мощностей: сумма мощностей источников равна сумме мощностей, расходуемых в резистивных элементах схемы. Т.к. элемент схемы с ЭДС может работать как в режиме источника, так и в режиме потребителя, соответствующее слагаемое в левой части уравнения берется с плюсом, если Е и I совпадают по направлению (источник), и с минусом, если направления противоположны (потребитель).

Мощности элементов схемы с ЭДС:

E1I1+ E2I2 - E3I3 = 60 * 1 * 1,093 + 80 * 0,911 - 70 * 0,506 = 104,04 Вт.

Мощности, расходуемые в резистивных элементах схемы:

I12R1 + I22R2 + I32r03 + I42R4+ I52R5 = 1,0932 * 20 + 0,9112 * 50 + 0,5062 * 5 + 0,5872 * 65 + 0,4052 * 85 = 103,01 Вт

SEI = SP Баланс мощностей сошелся, следовательно задача решена верно.

6.2. Практическое занятие №2.
Методы расчета сложных цепей

6.2.1. Вопросы для подготовки к занятиям

1. Назовите основные режимы работы электрических цепей и укажите на их особенности.

2. Поясните, что такое активный и пассивный двухполюсники?

3. В каком случае источники питания можно представить в виде «источника ЭДС» или «источника тока» ?

4. Чем объясняется наклон внешних характеристик источников ЭДС и тока при работе под нагрузкой?

5. В каком случае целесообразно использовать для расчета метод узлового напряжения и в чем его особенности?

6. Что такое «метод эквивалентного генератора»?

7. Как определить параметры эквивалентного генератора (активного двухполюсника) расчетным и экспериментальным путем?

6.2.2. Расчет цепи методом узлового напряжения

Задача 1. В схеме рис. 1.31 E1 = 60 В, E2 = 48 В, E3 = 6 В, R1 = 200 Ом, R2 = 100 Ом, r03 = 0,5 Ом, R3 = 9,5 Ом. Определить токи в ветвях схемы.

gif-file, 2KB

Анализ и решение задачи 1

1. Вычисление узлового напряжения. Для схемы с двумя узлами напряжение между ними можно подсчитать по формуле

gif-file, 2KB,

где Еi – ЭДС i-й ветви, gi – ее проводимость gif-file, 2KB.

Подставляем числовые значения:

gif-file, 2KBВ.

2. Расчет токов в ветвях

Токи определяем на основании закона Ома для ветви с источником: напряжение на зажимах источника равно его ЭДС минус падение напряжения на его внутреннем сопротивлении:

gif-file, 2KBА;

gif-file, 2KBА;

gif-file, 2KBА.

Дополнительные вопросы к задаче 1

1. Как повлияет на порядок расчета изменение полярности ЭДС в одной из ветвей схемы?

В формуле узлового напряжения и при расчете тока в этой ветви данную ЭДС надо брать со знаком «минус».

2. В каких режимах работают источники схемы?

По результатам расчета Uab < E1, Uab < E2, т.е. эти элементы схемы работают источниками; т.к. Uab > E3, т.к. в третьей ветви направлен против E3 и принятого перед началом расчета направления I3, т.е. этот элемент схемы работает в режиме потребления энергии.

3. В каких режимах будут работать источники, если за счет изменения величины ЭДС E3 увеличить узловое напряжение Uab до 48 В?

Увеличением E3 можно установить Uab = 48 В = E2, при этом ток I2 будет равен нулю (режим холостого хода), источник E1 вырабатывает энергию, E3 – потребляет. Ток в схеме и необходимую величину E3 определим на основании второго закона Кирхгофа:

gif-file, 2KBА;

E3 = Uab + I3 (r03 + R3) = 48 - 0,06 * 10 = 47,4 В.

6.2.3. Расчет цепей методом эквивалентного генератора

gif-file, 2KB

Задача 2. В схеме рис. 1.32 E1 = 10 В, E2 = 25 В, R1 = 20 Ом, R2 = 40 Ом, R3 = 5 Ом, R4 = 6,36 Ом. Определить ток в ветви с резистором R4.

gif-file, 2KB

Анализ и решение задачи 2

1. Заменим по отношению к ветви с резистором R4 всю остальную схему эквивалентным генератором (активным двухполюсником) с ЭДС Eэ и внутренним сопротивлением r (рис. 1.33, а). ЭДС Eэ определяется по результатам расчета режима холостого хода генератора как напряжение между точками «а» и «с» схемы рис. 1.32 при разомкнутой ветви с резистором R4.

После размыкания ветви с R4 получается схема с двумя узлами рис. 1.33, б. Узловое напряжение

gif-file, 2KBВ.

Ток в ветви с ЭДС E3

I3 = (E3 - Ubd) / R3 = (25 -20) / 5 = 1 А.

Для расчета напряжения между точками «а» и «с» в схеме рис. 1.33, б примем потенциал точки «а» равным нулю, тогда

ja = 0; j b = ja + E1 = 10 В; jc = jb + I3R3 = 15 В; Er = jc - j a = 15 В.

2. Для расчета внутреннего сопротивления генератора в схеме рис. 1.33, б закорачиваются все ЭДС (рис. 1.33, в) и определяется сопротивление по отношению к точкам «а» и «с»:

gif-file, 2KB; rоэ = 3,64 Ом

3. Ток в ветви с резистором R4 (схема рис. 1.33, а)

I4 = Eэ / (r + R4) = 20 / (3,64 + 6,36) = 2 А.

Дополнительные вопросы к задаче 2

1. Как экспериментально определить параметры эквивалентного генератора?

Исходя из эквивалентности схем рис. 1.32, а и рис. 1.33, а, Eэ и r можно рассчитать по результатам двух опытов. Разомкнув ветвь с R4, измеряем напряжение между точками «с» и «а» Uxx, равное ЭДС Eэ, (опыт холостого хода). Для определения r проводится (если это допустимо) опыт короткого замыкания: заданная ветвь замыкается накоротко и измеряется ток в ней (Iк). При этом r = Eэ / Iк.

2. Выбрать величину сопротивления резистора R4 так, чтобы в нем выделялась максимально возможная мощность.

Для схемы рис. 1.33, а gif-file, 2KB. Максимум мощности Р4 определяется решением уравнения gif-file, 2KB: Rн.экстр = r, при этом gif-file, 2KBВт. Режим, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника, называется согласованным, он часто используется в маломощных электронных устройствах, когда КПД установки (@ 50 %) не имеет существенного значения, но важно передать в нагрузку максимальную мощность (усилители напряжения, маломощные усилители мощности, линии связи и т.д.). При этом все устройство по отношению к нагрузке представляется в виде эквивалентного генератора, параметры которого определяются по результатам анализа работы и расчета устройства.

6.3. Практическое занятие №3
Самостоятельная работа студента

В процессе выполнения самостоятельной работы студент должен решить нижеприведенные задачи, используя результаты первого и второго практических занятий. Отчет о проделанной работе должен быть представлен преподавателю по форме, указанной в методических указаниях. В отчете привести ответы на вопросы, приведенные в первом и втором практических занятиях и решения нижеприведенных задач.

gif-file, 2KB gif-file, 2KB

Задача 1. В схеме (рис. 1.34) R1 = R3 = 40 Ом, R2 = 20 Ом, R4 = 30 Ом, I3 = 5 А. Вычислить напряжение источника U и ток I4. Ответ: 900 В; 6,67 А.

Задача 2. В схеме (рис. 1.34) напряжение U = 65 В, напряжение на зажимах резистора R4 равно 20 В. Определить все токи в схеме, если R2 = 15 Ом, R3 = 10 Ом, R4 = 30 Ом. Ответ: I1 = I2 = 2 А; I3 = 1,5 А; I4 = 0,5 А.

Задача 3. В схеме (рис. 1.35) – R1 = 10 Ом, R2 = 5 Ом, R3 = 10 Ом, I3 = 2 А. Найти напряжение источника U. Ответ: 80 В.

Задача 4. К схеме (рис. 1.35) приложено напряжение U = 45 В, при этом ток источника I1 = 1,25 А. Сопротивления ветвей параллельной части схемы равны: R2 = 40 Ом, R3 = 10 Ом. Найти R1 и токи I2, I3. Ответ: R1 = 28 Ом, I2 = 0,25 А, I3=1 А.

Задача 5. В схеме (рис. 1.36) – R1 = 50 Ом, ток источника I = 0,6 А, ток в резисторе R3 равен I3 = 0,4 А, мощность, расходуемая в резисторе R4: P4 = 0,4 Вт; напряжение на резисторе R2: U2 = 36 В. Определить напряжение источника U. Ответ: U = 68 В.

Задача 6. Мощности, расходуемые в сопротивлениях схемы (рис. 1.36): P1 = 15 Вт, P2 = 20 Вт, P3 = 10,8 Вт, P4 = 7,2 Вт. Определить напряжения на участках схемы и токи в ее ветвях, если приложенное к ней напряжение U = 106 Вт. Ответ: I = 0,5 А; I3 = 0,3 А; I4 = 0,2 А; U1 = 30 В; U2 = 40 В; U = 36 В.

gif-file, 2KB gif-file, 2KB

Задача 7. Для схемы (рис. 1.37) дано: R1 = 2 Ом, R2 = 4 Ом, R3 = 10 Ом, R4 = 60 Ом, R5 = 22 Ом, R6 = 5 Ом, E = 12 В. Вычислить ток в диагонали моста R4, используя преобразование треугольника резисторов R2, R3, R4 в эквивалентную звезду. Ответ: I4 = 0,077 А.

Задача 8. В схеме (рис. 1.37) определить ток источника, используя преобразование звезды резисторов R2, R4, R5 в эквивалентный треугольник, если R2 = 6 Ом, R3 = 42 Ом, R4 = 12 Ом, R5 = 24 Ом, R6 = 28 Ом, I3 = 0,5 А. Ответ: I =  2,75 А.

gif-file, 2KBgif-file, 2KB

Задача 9. Для схемы (рис. 1.38) входные напряжения: U1 = +10 В, U2 = -15 В, U3 = +20 В, R1 = R2 = R3 = 500 Ом, Rн = 1000 Ом. Методом узлового напряжения определить выходное напряжение Uвых. Ответ: Uвых = 4,3 В.

Задача 10. В схеме (рис. 1.39) E1 = 120 В, E5 = 140 В, R1 = 70 Ом, R2 = 30 Ом, R3 = 135 Ом, R4 = 210 Ом, R5 = 140 Ом. Определить методом эквивалентного генератора величину и направление тока в резисторе R3. Ответ: I3 = 0,2 А.