Построение векторной диаграммы

Содержание

1 Задача 1 (Расчёт цепи  постоянного тока)

1.1 Составление на основании  законов Кирхгофа системы уравнения 

1.2 Определение токов методом контурных токов

1.3 Составление баланса  мощности 

1.4 Определение токов  методом эквивалентного преобразования

1.5 Определение токов методом  узлового напряжения

1.6 Определение токов методом  наложения 

2 Задача 2 (Расчет цепи  переменного тока)

3 Задача 3 (Расчет трёхфазной  цепи)

3.1 Определение токов трёхфазной цепи при соединении потребителей звездой

3.2 Определение токов трёхфазной цепи при соединении потребителей треугольником

3.3 Построение векторной  диаграммы 

4 Литература

5 Перечень используемых  ГОСТов 


ПриложенияИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

1

КР 2-360331-0101. 0294 ПЗ

ПЗ

 

 

 Разраб.

ПрикотенкоА.к

 

 Провер.

Шевелева Л. П.

 Реценз.

 

 Н. Контр.

 

 Утверд.

 

Курсовая работа по ТОЭ

Лит.

Листов

 

 «МПЭК» Группа 7 

 

Задача 1 (Расчет цепи постоянного  тока)

Определить токи ветвей

Дано:

E1 = 30 В; E2 = 40 В;

R1 = 26 Ом; R2 = 64 Ом;

R3 = 43 Ом; R4 =35 Ом;

R5 = 51 Ом; R6 = 16 Ом;

 

 

 

 

 

Рисунок 1 – Схема электрической  цепи

1.1  Составление на основании  законов Кирхгофа системы уравнения  для определения токов во всех ветвях схемы

В данной цепи 4 узла, 6 ветвей, 6 неизвестных токов. Направление  токов и обхода контуров выбираются произвольно. По двум законам Кирхгофа нужно записать 6 уравнений, так как 6 неизвестных токов. По первому – 3 уравнения, так как узлов – 4; по второму – 3 уравнения, так как 6-3=3

Для узла “a”: I1 = I3 + I4

Для узла “b”: I6 = I4 + I2

Для узла “c”: I3 = I2 + I1

Для узла “d”: I2 = I3 + I5

 


Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

2

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 


 


Остальные три уравнения записываем по второму закону КирхгофаИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 


 

Для контура “1”

E1 = I4R4+ I6R6 + I1R1

Для контура “2”

-E1 = -I1R1 – I3R3 + I5R5

Для контура “3”

-E2 = -I2R2 - I5R5 - I6R6

Система уравнений имеет  вид                             

 I1 = I3 + I4

 I6 = I2 + I4

I2 = I3 + I5

 E1 = I4R4+ I6R6 + I1R1

 -E1 = -I1R1 – I3R3 + I5R5

-E2 = -I2R2 - I5R5 - I6R6

После подстановки значений сопротивления ЭДС ,система уравнений имеет вид

I1 = I3 + I4

 I6 = I2 + I4

I2 = I3 + I5

30 = 26 I1 +35 I4 +16 I6

30 = 26 I1+43 I3 -51 I5

40= 64 I2 + 51 I5 + 16 I6

 

 

 

 

 

1.2 Определить токи во всех узлах схемы методом контурных токов

 


Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

4

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 

 


 

 

 

 

 

Рисунок 2 – Схема электрической  цепи с контурными токами

По второму закону Кирхгофа составляем три уравнения для  данной схемы, используя контурные токи

Для контура “1”

E1 = Ik1 (R1 + R4 + R6) + Ik2R1 + Ik3 R6

Для контура “2”

E1 = Ik2 (R1 + R3 +R5) + Ik1R1 - Ik3 R5

Для контура “3”

E2 = Ik3 (R6 + R5 + R2) + Ik1 R6 - Ik2 R5

Система уравнений имеет  вид

30= Ik1 (26 + 35 + 16) + Ik226 + Ik316

30 = Ik2 (26 + 43 +51) + Ik126 - Ik343

40 = Ik3 (16 + 51 + 64) - Ik1 16 + Ik2 51

30 = 77 Ik1 + 64 Ik2 + 16 Ik3

30 = 26 Ik1 + 120 Ik2 - 51 Ik3

40 = 16 Ik1 - 51 Ik2 + 131 Ik


 Систему уравнений решаем, используя определители КрамераИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 

 


 

        77   64   16    77120131 + 64(-51)16 + 1626(-51) - 1612016 -             

∆ =  26  120  -51      =   -6426131- 77(-51)(-51)=1210440-52224-21216-

         16   -51  131          -30720-217984-200277=688019

                                 

 

            30  64     16           30 120 131 + 64(-51) 40 + 16 30 (-51) -

∆Ik1  =  30 120   -51   =   - 16 120 40 – 64 30 131 – 30 (-51) (-51) =

          40   -51   131       =471600 – 130560 – 24480 – 76800 – 251520 -                                  

                                        - 78030= -89790

 

           77    30   16           77 30 131 + 30 16 (-51) + 16 26 40 –

∆Ik2  =  26  30   -51 =   - 16 30 16 - 30 26 131 - 77 40 (-51) =

            16   40   131       = 302610 – 24480 + 16640 – 7680 – 102180 +         

+ 157080 = 341990

 

            77   64    30          77 120 40 + 64 30 16 +30 26 (-51) -

∆Ik3  =  26   120  30   =   - 30 120 16 - 26 64 40 - 77 30 + (-51) =

            16   -51   40      = 369600 + 30720 – 39780 – 57600 – 66560 +

                              + 117810 = 354190

 

Контурные токи

Ik1 = = -   = -0,1305 А

Ik2  = = 0,497 А

Ik3 = = 0,514 А

Действительные токи ветвей находятся как алгебраическая сумма контурных токов

I1 = Ik1 + Ik2 = -0,1305 + 0,497 = 0,366 A

I2 = Ik3 = 0,514 A

I3 = Ik2 = 0,497 A

I4 = Ik1 = -0,1305 A

I5 = Ik3 - Ik2 = 0,514 - 0,497 = 0,017 А


I6 = Ik1 + Ik3 = Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 

 


-0,1305 + 0,514 = 0,3835А             

1.3 Составление баланса мощности

Мощность источников  Pист  = ∑EI

Мощность потребителей Рпорт = ∑I2R

∑EI = ∑I2R

E1I1 + E2I2 = I12R1 + I22R2 + I32R3 + I42R4 + I52R5 +I62R6

10,995 + 20,56 = 3,492 + 16,908 + 10,621 + 0,596 + 0,0147 + 2,353

31,555 Вт = 31,389 Вт, баланс мощности выполняется.

    1. Определение токов в ветвях методом эквивалентного преобразования при закороченном источнике Е2 (Приложение 1, рисунок 1)

Преобразуем треугольник сопротивлений R2 R3 R5 в эквивалентную звезду (Приложение 1, рисунок 2)

Находим сопротивление ветвей

Ra = =   = 24,916 Ом

Rb = = = 7,816 Ом

Rc = = = 6,229 Ом

R3 и Rd, R1 и Rc, R4 и Rb–включены последовательно(Приложение 1, рисунок 3)

R3d = R3 + Rd = 43 + 24.916  = 67.916 Ом

R1c = R1 + Rc = 26 + 6.229 = 32.229 Ом

R4b = R4 + Rb = 35 + 7.816 = 42.816 Ом

R3d и R4b – включены параллельно, поэтому

R3d4b = = = 26.26 Ом

 

 

Ток по закону Ома


I = =   = 0.512 AИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 

 


 

    1.  Определение токов методом узлового напряжения

При закороченном  R5 схема имеет вид (Приложение 2, рисунок 1)

Проводимости ветвей

G1 = = = = 0.0238 См

G2 = = = 0.009 См

G3 =

Узловое напряжение

Uad =

Токи ветвей

I1 = = = 0.576 A

I2 = = = 0.427 A

I3 = = = 0.164 А

    1. Определение токов ветвей для схемы п.1.5 методом наложения (Приложение 2, рисунок 1)

Для определения частичных  токов по очереди закорачивают источники

Закорачиваем  E2 (Приложение 2, рисунок 3)

После замены последовательно  включеных  R1 и R6, R2 и R3

Приложение 2, рисунок 4

R16 = R1 + R6 = 26 + 16 = 42 Ом

R23 = R2 + R3 = 64 + 43 = 107 Ом


R234 = = = = 26.373 ОИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 


м

Находим частичный ток  I1҆

I1 ҆ = = = = 0.438 А

Напряжение разветвления

Uab = I1 ҆ R234  = 0,438 26,373 = 11,551 B

Частичные токи

I3 ҆ = = = 0.33 A

I2 ҆ = = = 1079 A

Проверка по первому закону Кирхгофа

I1 = I2 + I3= 0.438=0.33+0.1079

Закоротим E (Приложение 2, рисунок 5)

R4 и R16 соединены параллельно, поэтому общее сопротивление

Rab = = =19.09 Ом

Частичный ток

I2'' = = = 0.317 А

Напряжение разветвление

Uab = I2'' Rab  = 0,317 19.09 = 6.055 B

Частичные токи ветвей

I3'' = =   = 0,173 А

I1'' = =   = 0,144 А

Проверка по первому закону Кирхгофа

I2'' = I3'' + I1'' ; 0.317=0.173+0.144

 

Значение токов ветвей методом наложения, занесём в  таблицу 1

Таблица 1-Значение частичных  токов

I1 = 0,582   ↓

I = 0.4249 ↑

I3 =0.157  ↑

I1҆  = 0,438  ↓

I2҆ = 0.1079 ↑

I3҆ = 0,33   ↑

I1 = 0,144 ↓

I2 = 0.317 ↑

I3 = 0.173 ↓





Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 


 

 

I1 = I1҆  - I1 =0.438 + 0.144 = 0.585 A

I2 = I2- I2҆ = 0,1079 + 0,317 = 0,4249 A

I3 = I3҆ + I3 = 0,33 - 0,173 = 0,157 A

Значение токов с двумя узлами ,разными способами расчёта занесём в таблицу 2

Таблица 2-Значение частичных  токов

Метод   расчёта

I1

I2

I3

Метод  узлового напряжения

0,576

0,427

0,164

Метод наложения

0,582

0,4249

0,157




 

Проверяем расчет составлением баланса мощности

Мощность источника Рист = ∑EI

Мощность потребителя  Рпотр = ∑I2R

∑EI = ∑I2R

E1I1 + E2I2 = I12 (R1+R6) + I2(R2 + R3 )+ I32 R4 )

18,52+9,553 = 12,2 + 15,217 + 0,521

28,073 Вт = 27,938 Вт

Баланс мощности выполняется

 

2 Задача 2 (Расчёт цепи переменного тока)

 

                                                                              Дано: E = 50 B; f= 50 Гц;

                                                                               R1= 5 Oм; R2=10 Ом; R3=80 Ом;

                                                                              C2 = 318 мкФ; L1= 15,9 мГн;

        L3 = 31,8 мГн.

 

 

Рисунок 3 – Схема цепи переменного тока

Реактивные сопротивления в цепи

XL1 = 2пfL 10-3 = 2 3,14 50 15,9 10-3 = 5 Ом

XL3 = 2пfL 10-3 = 2 3,14 50 31,8 10-3 = 10 Ом

XC2 = = =  10 Ом

Схема замещения ( Приложение 2,рисунок 4)

Полные сопротивления  ветвей схемы

Z1 = R1 + jXL1 = 5 + j5 ,Ом

Z2 = R2 – jXС2 = 10 – j10 ,Ом

Z3 = R3 + jXL3 = 80 + j10 ,Ом

Сопротивление разветвления

Z23 = =   = =

=10- j7.777 ,Ом


Полное  сопротивление цепи Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 

 


 

Zобщ = Z1 + Z23 = 5 + j5 + 10 – j7.777 =15 – j2.777 ,Ом

 

 

Общий ток цепи

I1 = = = = =

= 3.222+j0.596 = e jarctg   = 3.276 j10.4 ,A

Напряжение  разветвления

U23 = I1 Z23 = (3,222+j0.596) = 32.22- j25.057+ j5.96+ +4.635= =36.855- j19.09= e jarctg   = 41.505 e j-27.3

Напряжение до разветвления

U1 = I1 Z1 = (3,222+j0.596) (5 + j5) = 16,11+j16.11 + j2.98 + 2.98=

=19.09 + j19.09 = e jarctg   = 26,997e j45

Токи разветвления

I2 = = = = 2,797+j0.888= e jarctg = 2,934e j17,6

I3 = = = = = =0,482- j0.291= e jarctg = 0,562 ej-31,1 ,A

Проверка по первому закону Кирхгофа

I2 + I3 = I1

2.797+j0.888 +0,482- j0.291=3,222 + j0.596 ,A

3.279 + j0.596 = 3.222 + j0.596 ,А

Активные мощности в цепи

P1 = I12 R1= 3,2762 5 = 53,66 Вт

P2 = I22 R2= 2,934 2 10 = 86,083 Вт

P3 = I32 R3= 0,5622 80 = 25,267 Вт


P = P1 + P2 + P3= 53,66 +86,083 +25,267 =167,01ВтИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 


 

 

 

Реактивные мощности в  цепи

Q1 = I12 XL1 =3.2762 5 = 53,66 Bap

Q2 = I22 XC2 =2,934 2 10 = 86,083 Bap

Q3 = I32 XL3    = 0,5622 10 = 3,158 Bap

Q = Q1 +  Q3 - Q2 = 53,66 -86,083 +3,158 = -29,265 Bap

Полная мощность в цепи

S = U I1 =50 (3,222 –j0,596) = 161,1 –j29,8 ,BA

Для построения векторной  диаграммы выбираем масштабы тока и  напряжения

mI =2,5 A/см          mU = 5 B/см

Длины векторов

LI1 = 13,1 см             LU1 = 5,3 см

LI2 = 11,7 см            LU23 = 8,3 см

LI3 = 2,2 см           

Векторная диаграмма имеет  вид (приложение 3,рисунок 1) (приложение 3,рисунок 2)

 

 

 

 


Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ


 

 

3 Задача 3 (Расчет трёхфазной цепи)

3.1 Определение токов трёхфазной  цепи при соединении потребителей  звездой 

Схема соединения                          Дано: Uл = 380 В; R1 =8 Ом; R2 = 8 Ом;

                                                                                        R3 = 7 Ом; XС1 = 6 Ом;  

 XС2 = 4 Ом;   XL3 = 6 Ом;

 

 

 

 

Рисунок 4 – Схема соединения потребителей звездой

Полные сопротивления  фаз

ZA = RA – jXCA =8 – j6 = e jarctg = 10 e -j36,8

ZB = RB –jXCB =8 – j4 = e jarctg = 8,994 e –j26.5 ,Ом


ZC = RC +jXLB =7 + j6 = e jarctg   = 9.219 e j40.6  ,ОмИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ

 


 

Фазные напряжения

UФ = 220 В        

UA = 220 B      UB = 220 e –j120 В           UC = 220 e j120 В

Фазные токи

IA = = =22e j36.8 = 22(cos 36.8+jsin36.8)= 22(0.8+j0.599) =

= -17.6+j13.178, A

IB = = = 24.597 e j( -120+26.5) = 24.597e –j93.5 =24.597(cos(-93.5) + +jsin(-93.5)) = 24.597(-0,061 + j(-0.998)) = -1.5 – j24.547,А


IC = = = 23.863e j(120-40.6) = 23.863e j79.4=23.863(cos 79.4+ jsИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ


in 79.4) =

= 23.863(0,183+ j0,982) = 4.366 + j23.433,А

Ток в нулевом проводе

IN = IA + IB + IC

IN = 17.6 + j13.178 + (-1.5) – j24.547 + 4.366 + j23.433= 20.466+j12.064 = e jarctg = 23.757 e j30.5, A

Для построения векторной  диаграммы выбираем масштабы тока и  напряжения

mU = 20B/см                                      mI = 6 A/см

Длины векторов

L = 5,5 см = LUA = LUB = LUC                         LIA = 3,6 см      LIC = 3,9 см

                                                             LIB = 4 см      LIN = 3,9 см

Векторная диаграмма имеет  вид (приложение 4,рисунок 1)

Активные мощности фаз и соединений

PA = IA2 RA = 21,9862 8 = 3867,073 Bт

PB = IB2 RB = 24,5972 8 = 4840,099 Вт

PC = IC2 RC = 23,8632 7 = 3986,099   Вт

P = PA + PB + PC = 3867,073+ 4840,099+3986,099= 12693,271 Вт

Реактивные мощности фаз и соединений

QA = IA2 XA = 21.9862 6 = 2900.305 Вар

QB = IB2 XB = 24.5972 4 = 2420.049 Вар

QC = IC2 XC = 23.8632 3 = 3416.656 Вар

Q = QA + QB + QC = -2900.305 – 2420.049 + 3416.656= -1903.698  Вар

 


Полные мощности фаз и соединенийИзм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ


 

SA =UA IA= 220 21,986e – j36,8=4836,92e – j36,8 =4836,92(cos(-36.8)+jsin(-36.8))= =4836.92(0.8– j0.599)= 3869.536– j2896.775 ВА

SB = UB IB = 220 e – j120 24.597 e j93.5 = 5411.34 e j-26.5 =5411.34 (cos(-26.5)+

+jsin(-26.5)) = 5411.34(0.894 – j0.446) = 4837.737 – j2413.457 BA

SC = UC IC = 220 e j120 23.863 e –j79.4 =5249.86 e j40.6 = 5249.86(cos40.6 +

+jsin 40.6) =5249.86(0.759 + j0,65) = 3984.64 + j3412.409 ,ВА

S =   = = 12834.964 ВА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача 3 (Расчет трёхфазной цепи)

Определение токов трёхфазной цепи при соединений потребителей треугольником

Схема соединения

Дано: UЛ = 220 В; RAB = 4 Ом;

  RBC = 3 Ом; RCA = 11.5 Ом;

XAB = 3 Ом; XBC = 4 Ом;


Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

16

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ


         ZCA=7.65 Ом.

 

 

 

 

 

Рисунок 5 – Схема соединения потребителей треугольником

Полные сопротивления  фаз

Z = RAB +jXAB = 4 + j3 = e jarctg = 5 e j41 Ом

ZBC = RBC - XBC= = 3 – j4  = e arctg   = 5 e-j59  Ом

ZCA = RCA = 11,5 + j7.65 = e arctg = 13.812 e j37.3  Ом

Фазные напряжения

UAB = 220  B;  UBC = 220 е - j120 B;  UCA = 220 e j120 B

Фазные токи

I = = = 44 e – j41 = 44(cos (-40.9) + j sin (-40.9)) =

=44(0,755 – j0,0.654) = 33.22 – j28.776 ,А  


  I = = = = = 44 (cos(-61) + j sin(-61)) =  =44(0,484 – j0,654)= 33.22 – j 28.776 ,А                       Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

17

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ


 

  I = = = = 15.928 (cos82.7 + jsin82.7) =

=15.928(0.127 + j 0.991)= 2.022 + j 15.784 ,А

Линейные токи

IA = I - I = (33.22 – j28.776) – (2.022 + j15.784) = 31.198 – j44.56=

= e jarctg = 54.395 e – j55

IВ = IВС – IАВ = (21.296 – j38.456) – (33.22 – j28.776)= -11.924 – j9.68= = e jarctg = 15.358 e j219 , A

IС = IСА – IВС = (2.022 + j15.784) – (21.296 – j38.456) = -19.274 + j54.24=

= e jarctg 57.562 e j110 А

Для построения векторной  диаграммы выбираем масштабы тока и  напряжений

mU = 40 B/см                                              mI = 10 A/см

Длины векторов

LU = 5.5 см = LUAВ = LUBС = LUCА                    LIA =5.4см            LIAB = 4.4 см

                                                               LIB = 1.5 см           LIBC = 4.4 см

                                                               LIC = 5.7см            LICA = 1.5 см

Векторная диаграмма имеет  вид (приложение 4,рисунок 2)

Активные мощности фаз  и соединений

P = I2 R = 442 4 = 7744 Вт

P = I2 R = 442 3 = 5808 Вт

P = I2 R = 15.928 2 11.5 = 2917.563 Вт

P = P + P + P = 7744 + 5808 + 2917.563 = 16469.563 Вт


Реактивные мощности фаз и соединений Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

18

КР 2-360331-0101. 0296 ПЗ


 

Q = I2 X = 442 3 = 5808 Вар

Q = I2 X = 442 4 = 7744 Вар

Q = I2 X = 15.9282 = 1940 Вар

Q = Q + Q + Q = 5808 – 7744 + 1940 = 4 Вар

Полные мощности фаз и соединений

S = U I = 220 44 e j40.9 = 9680 e j40.9 = 9680 (cos 40.9 + jsin 40.9) =

=9680 (0.755 + j0.654) = 7308.4 + j6330.72 ,ВА

S = U I = 220 e– j120 44 e j61 =6980 e j-59 = 9680 (cos(-59) + jsin(-59))= =9680 (0,515 – j0,857)= 4985.2 – j8295.76 ,ВА

S = U I =220 e j120 15.928 e –j82.7 =3504.16 e j37.3 = 3504.16 (cos 37.3 +  +jsin 37.3) = 3504.16 (0.795 +j0.605)= 2785.807 + j2123.48 ,ВА

S =   =   = 16469.563  ВА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Построение векторной диаграммы