Практическое использование электротехники

СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение…
2. Основная часть…
2.1 Основы электроники..2.2 Показатель схемы и расчеты…
2.3 Трехфазный приемник электронной энергии. Определение. Расчет…
3. Заключение…
4. Список используемой литературы…

1. ВВЕДЕНИЕ
Дисциплина «Электротехника и электроника» занимает важное место в базовой подготовке специалистов в области информатики и вычислительной техники. Содержание дисциплины составляет изучение процессов, происходящих в различных электротехнических и электронных устройствах, а также принципов построения и использования этих устройств. Как наука электротехника начала формироваться в середине XIX века. Ее основы заложены в работах Г. Кирхгофа, Г. Ома, М. Фарадея, Дж. Максвелла, Г. Герца.
Практическое использование электротехники связано с именами Т. Эдисона, Н. Теслы, П. Н. Яблочкова, М. О. Доливо-Добровольского. За прошедшие 150 лет электротехника коренным образом изменила жизнь человеческого общества. Электричество стало основой развития промышленности, транспорта, связи, без него невозможна автоматизация производственных процессов. Столь широкому распространению электрической энергии способствовало удобство ее передачи на дальние расстояния и преобразования в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую и др. Первые десятилетия ХХ века ознаменовались развитием радиоэлектроники - области науки и техники, занимающейся исследованием и разработкой устройств, предназначенных для передачи и обработки информации. Началом первого этапа развития радиоэлектроники считается 1904 г., когда английским ученым Д. Флемингом была изготовлена первая электронная лампа - диод. Позднее был предложен триод - лампа с управляющим электродом, способная усиливать и генерировать электрические сигналы.
Триод стал первым управляемым электронным прибором. Второй этап развития радиоэлектроники начался в конце 1940-х гг. с изобретения американскими учеными У. Браттейном, Д. Бардиным и В. Шокли биполярного транзистора. Новый прибор мог усиливать и генерировать электрические сигналы, а также выполнять функции электронного ключа. За это изобретение его создатели были удостоены Нобелевской премии. Первые транзисторы изготавливали на основе полупроводника германия. Рабочая температура таких приборов не превышала 70 °С. Во многих случаях этого было недостаточно. Во второй половине 1950-х гг. вместо германия стали применять другой полупроводник - кремний. Рабочая температура кремниевых транзисторов составляет 120-150 °С. Кроме того, для крем- ниевых транзисторов была разработана планарная технология, позволяющая создавать на одной пластине полупроводника тысячи и миллионы транзисторов. Появление планарной технологии и совершенствование методов выращивания кристаллов кремния привели к созданию в 1960-х годах нового полупроводникового прибора - транзистора со структурой металл - окисел - полупроводник (МОП-транзистора). Третий этап связан с появлением микроэлектроники - направления электроники, охватывающего разработку и производство качественно нового типа приборов – интегральных микросхем. Интегральная микросхема, или просто интегральная схема (ИС), - совокупность большого числа электронных компонентов, изготовленных в едином технологическом цикле на кристалле полупроводникового материала, которая выполняет определенные функции преобразования и обработки сигналов. Первая цифровая интегральная схема была изобретена в 1959 году и содержала всего 12 транзисторов.
Но уже через несколько лет появились большие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи элементов. В настоящее время на кристалле сверхбольшой интегральной схемы (СБИС) расположены десятки миллионов транзисторов, размеры которых составляют менее 0,1 мкм. В эпоху микроэлектроники кардинально изменилась не только цифровая, но и аналоговая схемотехника. Создание интегральных операционных усилителей связано с именем Р. Видлара, определившего на многие годы структуру аналоговых интегральных схем. Начало 1970-х гг. ознаменовалось созданием микропроцессоров. Они были разработаны фирмой Intel под руководством М. Хоффа. Первый микропроцессор Intel 4004 содержал 2300 транзисторов и работал на частоте 750 кГц. Современные микропроцессоры содержат десятки миллионов транзисторов и работают на частотах, достигающих нескольких ГГц. Они заменяют целые блоки и устройства радиоэлектронной аппаратуры предшествующих поколений. Благодаря микропроцессорам компьютеры стали массовым, общедоступным продуктом. Микропроцессоры широко используются для автоматизации технологических процессов и в быту. Любой электронный прибор представляет электромагнитное устройство, работу которого можно строго описать методами теории электромагнитного поля. В теории электромагнитного поля оперируют векторными величинами, такими как напряженность электрического поля, магнитная индукция, плотность тока. Методы теории поля дают возможность изучать различные явления в любых электротехнических и электронных устройствах. Однако эти методы сложны и трудоемки даже при решении простых задач. Для инженерных расчетов применяют приближенные методы анализа, позволяющие с достаточной степенью точности анализировать поведение электронных и электротехнических устройств. Такие методы дает теория электрических цепей, в которой вместо векторных величин теории поля, зависящих от пространственных координат и времени, используют скалярные величины: ток и напряжение. Для приближенного учета процессов, происходящих в электронных устройствах, в теории цепей введены идеальные элементы.
Соединяя между собой эти идеальные элементы, получают схему замещения, или модель, приближенно отображающую процессы в реальном устройстве. Методы теории цепей менее универсальны, чем методы теории электромагнитного поля. В частности, их нельзя применять при действии высокочастотных сигналов, когда длина волны электромагнитного колебания сравнима с размерами исследуемого устройства.
Тем не менее методы теории цепей широко используют как при ручных расчетах, так и в компьютерных программах моделирования электронных цепей. Таким образом, теория цепей дает инженерам эффективный инструмент для исследования и проектирования электротехнических и электронных устройств. По существу она является языком радиоэлектроники. Без знания основ теории цепей невозможно изучить электронику и схемотехнику, а также специальные дисциплины, связанные с передачей и обработкой сигналов.
2. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Электрическая энергия, ее особенности и области применения. Роль электротехники и электроники в современном производстве. Развитие электротехники как науки. Значение электротехнической подготовки для инженеров не электротехнических специальностей. Содержание и структура курса. Методика организации процесса обучения.
Линейные электрические цепи постоянного тока. Основные понятия и определения. Источники и приемники электрической энергии. Параметры элементов электроцепей. Схемы замещения. Выбор положительных направлений ЭДС, напряжений и токов. Режимы работы источника энергии. Холостой ход, короткое замыкание, согласованный режим работы источника.
Методы анализа однофазных линейных электрических цепей. Применение к анализу законов Ома и Кирхгофа. Анализ цепей методом эквивалентных преобразователей. Метод контурных токов. Метод узловых напряжений. Анализ цепей методом эквивалентного активного двухполюсника.
Линейные электрические цепи синусоидального тока. Однофазные цепи. Достоинства переменного тока. Генерирование переменного тока. Мгновенные, амплитудные, действующие значения синусоидально-изменяющихся величин. Начальная фаза. Сдвиг фаз. Изображение синусоидальных величин с помощью векторов. Метод векторных диаграмм.
Комплексное изображение синусоидального тока. Комплексные сопротивление и проводимость. Комплексное сопротивление. Комплексная проводимость. Треугольник напряжений, треугольник сопротивлений.
Энергетические характеристики электрических цепей синусоидального тока. Мгновенная мощность цепи с RL и С элементами. Активная, реактивная, полная мощность. Выражение мощности в комплексной форме.
Резонансные свойства электрических цепей синусоидального тока. Резонанс токов. Резонанс напряжений.
Понятие о расчете сложных цепей символическим методом.
Трехфазные линейные электрические цепи Принцип построения трехфазных линейных электрических цепей. Фазные и линейные величины. Схемы соединения трехфазных цепей. Соотношения между линейными и фазными напряжениями и токами. Мощность трехфазной цепи. Анализ схем трехфазных электрических цепей.
Магнитные цепи и электромагнитные устройства Основы теории магнетизма. Основные физические величины и соотношения. Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Магнитные цепи постоянного тока. Особенности физических процессов в магнитных цепях переменного тока.
Физические основы построения и работы простейших электромагнитных устройств. Свойства магнитопровода с регулируемым зазором. Физические основы построения ферромагнитных стабилизаторов. Принцип работы электромагнитных механизмов. Электромагнитные реле.
Трансформаторы. Общие сведения о трансформаторах напряжений. Принцип работы однофазных трансформаторов.
Режимы работы трансформаторов. Опыт холостого хода трансформатора. Опыт короткого замыкания. Внешняя характеристика и КПД трансформатора.
2.1 Основы электроники
Электронные приборы. Электроника и ее роль в современном, производстве. Принцип действия полупроводникового диода, его характеристики. Понятие о стабилитроне. Принцип действия, характеристики и назначение биполярного и полевого транзисторов. Тиристоры, принцип действия, назначение и характеристики.
Электронные устройства. Выпрямители. Электрические схемы и принципы работы однофазных и трехфазных выпрямителей. Понятие об управляемых выпрямителях. Электрические сглаживающие фильтры.
Усилители. Определение, классификация и основные параметры усилителей. Общие принципы работы электронных усилителей, динамические характеристики.
Классы усиления. Практические схемы, назначение элементов. Особенности усилителей постоянного тока. Операционные усилители и их применение.
Импульсные устройства. Интегрирующие и дифференцирующие цепи. Транзисторный ключ. Симметричный триггер, применение. Электронные генераторы с самовозбуждением. Мультивибратор. Понятие о преобразовательных устройствах
Цифровая электроника. Введение в цифровую электронику. Общие сведения о цифровых сигналах. Основные операции и элементы алгебры логики. Комбинационные устройства: шифраторы, дешифраторы, мультиплексеры, демультиплексеры, сумматоры.
Последовательностные устройства. Триггеры: RC триггеры на элементах "ИЛИ-НЕ", "И-НЕ"; синхронные триггеры; Т-триггеры; I-K триггеры; D триггеры.
Двоичные счетчики импульсов на сумму и на разность. Понятие о реверсивных счетчиках. Принцип построения декадного счетчика.
Параллельные и последовательные регистры.
Цифровые преобразователи. Общие сведения. Цифро-аналоговые и аналаго-цифровые преобразователи.
Программируемые цифровые устройства. Оперативное запоминающее устройство. Арифметико-логическое устройство. Упрощенная структурная схема микропроцессора.
2.2 Показательные схемы и расчеты
Для данной схемы состоящей из источников ЭДС и тока, активных, индуктивных и ёмкостных сопротивлений:
-найти линейную частоту;
-определить действующие значения токов во всех ветвях схемы и напряжения на всех комплексных сопротивлениях и каждом пассивном элементе;
-определить полную, активную и реактивную мощности каждого источника электроэнергии и всех действующих в цепи источников;
-составить баланс активных мощностей;
-записать уравнения мгновенных значений ЭДС для источников ЭДС;
-построить векторные диаграммы токов и напряжений

R1 =10Ом; R2 =40Ом; R4 =25Ом; R5 =15Ом;
L1 =65мГн; L6 =50мГн;
C1 =65мкФ; C3 =250мкФ; C4 =125мкФ;
Еm2 =24,5B ψ=80°; Еm6 =24,5B ψ=-10°;
ω=400рад/с;
Jm5 =5,5A ψ=0°
Решение:
Для определения линейной частоты f следует использовать связывающее её с угловой частотой ω соотношение:
ω=2πf
f= ω/2π=400/2×3,14=63,69рад/сРасчёт токов в ветвях следует вести в изложенной ниже последовательности
а) сопротивление реактивных элементов
XL = ω×L
XC =1/ ω×СXL 1 = ω×L1 =400×65×10-3 =26Ом
XC 1 =1/ ω×С1 =1/400×65×10-6 =1/0,026=38,5Ом
XC 3 =1/ ω×С3 =1/400×250×10-6 =1/0,1=10Ом
XC 4 =1/ ω×С4 =1/400×125×10-6 =1/0,05=20Ом
XL 6 = ω×L6 =400×50×10-3 =20Ом
б) заданные числа в комплексной форме
Z1 =R1 +j (XL1 - XC1 ) =10+j (26-38,5) =10-j12,5=16e-j51°34'
À=a-jb=Aejφ
 =arctg (-12,5/10) =-51°34'
A=
Z2 =R2 =40=40ej0°
Z3 =-j XC3 =-j10=10e-j90°
Z4 = R4 -j XC4 =25-j20=32,015e-j36°66'
Z5 = R5 =15=15ej0°
Z6 =j XL 6 =j20=20ej 90°
в) преобразуем источник тока J5 в источник ЭДС E с внутренним сопротивлением Z5
E= J5 Z5 =5,5ej 0° ×15ej 0° =82,5ej 0°
Таблица 1-Результаты расчёта заданных величин и параметров схемы в алгебраической и показательной форме.
Величина Алгебраическая форма Показательная форма
Z1 10-j12,5 16e-j 51 °34 '
Z2 40 40ej0°
Z3 -j10 10e-j90°
Z4 25-j20 32,015e-j36°66'
Z5 15 15ej0°
Z6 j20 20ej 90°
E2 4,25+j24,127 24,5ej8 0°
E6 9,85-j1,736 10e-j10°
J5 5,5 5,5ej0°
E 82,5 82,5ej0°
г) контурные уравнения для заданной расчётной схемы имеют вид






д) по найденным определителям вычисляем контурные токи:



е) по контурным токам определяем токи в ветвях цепи:
 = =-0,5136+j2,0998=2,1617ej 103°74'
 = =0,5470239-j0,134203=0,5632e- j13°78'
 = =-4,2601-j3,76139=5,683e- j138°55'
 ==0,0334239+j1,965597=1,96588ej89°02'
 ==4,80712+j3,627187=6,022ej37°03'
 = =-4,7737-j1,66159=5,0546e-j160°80'
Таблица 2 - Результаты расчётов токов и напряжений.
Искомая величина Алгебраическая форма Показательная форма Действующее значение
Токи ветвей, А -0,5136+j2,0998 2,1617ej103°74' 2,1617
0,5470239-j0,134203 0,5632e-j13°78' 0,5632
-4,2601-j3,76139 5,683e-j138°55' 5,683
0,0334239+j1,965597 1,96588ej89°02' 1,96588
4,80712+j3,627187 6,022ej37°03' 6,022
-4,7737-j1,66159 5,0546e-j160°80' 5,0546
Напряжения на сопротивлениях,
В EZ1 21,1115+j27,418 34,604ej52°40' 34,604
UR1 -5,136+j20,998 21,61ej103°74' 21,61
UXL1 -54,59-j13,35 56, 204e-j166°25' 56, 204
UXc1 80,75+j19,75 83,13ej13°74' 83,13
EZ2 21,8809-j5,368 22,5298e-j13°78' 22,5298
UR2 21,8809-j5,368 22,529e-j13°78' 22,529
EZ3 -37,6139+j42,601 56,83ej131°44' 56,83
UXc3 -37,6139+j42,601 56,83ej131°44' 56,83
EZ4 40,1475+j48,4714 62,9389ej50°36' 62,9389
UR4 0,8355+j49,139 49,147ej89°02' 49,147
UXc4 39,31-j0,668 39,31e-j0°97' 39,31
EZ5 72,1068+j54,4078 90,3305ej37°03' 90,3305
UR5 72,106+j54,407 90,33ej37°03' 90,33
EZ6 33,2318-j95,474 101,092e-j70°80' 101,092
UXL6 33,23-j95,474 101,09e-j70°80' 101,09
ж) по найденным токам в ветвях и комплексным сопротивлениям находим комплексные ЭДС в ветвях цепи:
ĖZ1 = ×Z1 = (-0,5136+j2,0998) × (10-j12,5) =21,1115+j27,418=34,604ej 52°40'
ĖZ2 = ×Z2 = (0,5470239-j0,134203) × (40+j0) =21,8809-j5,368=22,5298e- j13°78'
ĖZ3 = ×Z3 = (-4,2601-j3,76139) × (-j10) =-37,6139+j42,601=56,83ej 131°44'
ĖZ4 = ×Z4 = (0,0334239+j1,965597) × (25-j20) =40,1475+j48,4714=62,9389ej 50°36'
ĖZ5 = ×Z5 = (4,80712+j3,627187) × (15+j0) =72,1068+j54,4078=90,3305ej 37°03'
ĖZ6 = ×Z6 = (-4,7737-j1,66159) × (j20) =33,2318-j95,474=101,092e- j70°80'
з) находим напряжения на каждом сопротивлении и их элементах по закону Ома U=J×R
UR 1 = ×R1 = (-0,5136+j2,0998) × (10+j0) =-5,136+j20,998=21,61ej 103°74'
UXL 1 = ×XL 1 = (-0,5136+j2,0998) × (j26) =-54,59-j13,35=56, 204e- j166°25'
UXc1 = ×XC1 = (-0,5136+j2,0998) × (-j38,46) =80,75+j19,75=83,13ej13°74'
UR2 = ×R2 = (0,5470239-j0,134203) × (40+j0) =21,8809-j5,368=22,529e-j13°78'
UXc3 = ×XC3 = (-4,2601-j3,76139) × (-j10) =-37,6139+j42,601=56,83ej131°44'
UR4 = ×R4 = (0,0334239+j1,965597) × (25+j0) =0,8355+j49,139=49,147ej89°02'
UXc4 = ×XC4 = (0,0334239+j1,965597) × (-j20) =39,31-j0,668=39,31e-j0°97'
UR5 = ×R5 = (4,80712+j3,627187) × (15+j0) =72,106+j54,407=90,33ej37°03'
UXL6 = ×XL6 = (-4,7737-j1,66159) × (j20) =33,23-j95,474=101,09e-j70°80'
3) Находим комплекс мощности S источника питания, как произведение комплекса ЭДС источника на сопряжённый комплекс тока J даваемое этим источником
S1 =EZ1 ×J1 = (21,1115+j27,418) × (-0,5136-j2,0998) =46,729-j58,4118=74,80e-j51°34'
P1 =S1 ×cosφ=74,80×cos (-51°34') =46,727Вт
Q1 = S1 ×sinφ=74,80×sin (-51°34') =-58,408ВАр
S2 =EZ2 ×J2 = (21,8809-j5,368) × (0,5470239+j0,134203) =12,689+j0=12,689ej0°
P2 =S2 ×cosφ=12,689×cos0=12,689Вт
Q2 = S2 ×sinφ=0
S3 =EZ3 ×J3 = (-37,6139+j42,601) × (-4,2601+j3,76139) =-j322,965=322,965e-j90°
P3 =S3 ×cosφ=322,965×cos (-90) =0
Q3 = S3 ×sinφ=322,965×sin (-90) =-322,965ВАр
S4 =EZ4 ×J4 = (40,1475+j48,4714) × (0,0334239-j1,965597) =96,617-j77,293=123,73e-j38°66'
P4 =S4 ×cosφ=123,73×cos (-38°66') =96,616Вт
Q4 = S4 ×sinφ=123,73×sin (-38°66') =-77,293ВАр
S5 =EZ5 ×J5 = (72,1068+j54,4078) × (4,80712-j3,627187) =543,973-j0=543,973ej0°
P5 =S5 ×cosφ=543,973, Q5 = S5 ×sinφ=0
S6 =EZ6 ×J6 = (33,2318-j95,474) × (-4,7737+j1,66159) =0+j510,981ej90°
P6 =S6 ×cosφ=0
Q6 = S6 ×sinφ=510,981×sin90=510,981Вар
4) для составления баланса активных мощностей определяем активную мощность потребляемую активными сопротивлениями
PR =J1 2 ×R1 +J2 2 ×R2 +J4 2 ×R4 +J5 2 ×R5 =2,16172 ×10+0,56322 ×40+1,965882 ×25+ +6,0222 ×15=700Вт
отдаваемая мощность источниками ЭДС
P1 +P2 +P3 +P4 +P5 +P6 =46,727+12,689+0+96,616+543,973+0=700Вт
после подстановки числовых значений баланс мощностей выполняется, что свидетельствует о правильности вычисления токов в ветвях.
5) уравнения мгновенных значений заданных ЭДС имеют вид:
e=Em sin (ωt+ψ), где
ω-угловая частота, ψ-начальная фаза каждой ЭДС
e1 =EZ1 ×sin (400t+ψ) =34,604×sin (400t+52°40')
e2 =EZ2 ×sin (400t+ψ) =22,5289×sin (400t-13°78')
e3 =EZ3 ×sin (400t+ψ) =56,83×sin (400t+131°44')
e4 =EZ4 ×sin (400t+ψ) =62,9389×sin (400t+50°36')
e5 =EZ5 ×sin (400t+ψ) =90,3305×sin (400t+37°03')
e6 =EZ6 ×sin (400t+ψ) =101,092×sin (400t-70°80’)
6) Построение векторной диаграммы:
Таблица 3 - Длины векторов тока и напряжения, их действительных и мнимых частей
Величина Масштаб, 1/см Длина вектора, смДлина действительной части, смДлина мнимой части, смТоки ветвей mJ=0,5A/см 4,32 -1 4
1,12 1,09 -0,268
11,36 -8,52 -7,52
3,93 0,06 3,93
12,04 9,6 7,25
10,1 -9,54 -3,32
ЭДС и напряжения EZ1 mu=15 B/см 2,3 1,4 1,82
UR1 1,44 -0,34 1,39
UXL1 3,74 -3,639 -0,89
UXc1 5,54 5,38 1,316
EZ2 =UR2 1,5 1,45 -0,36
EZ3 =UXc3 3,78 -2,5 2,84
EZ4 4, 19 2,67 3,23
UR4 3,27 0,05 3,27
UXc4 2,62 2,62 0,04
EZ5 =UR5 6,02 4,8 3,62
EZ6 =UXL6 6,74 2,21 -6,36

2.3 Трехфазный приемник электрической энергии. Определение. Расчет.
Трёхфазный приёмник электрической энергии соединён звездой и включен в четырёхпроводную сеть трёхфазного тока с линейным напряжением UЛ =660В. Сопротивления фаз приёмника: активные-RА =20Ом, RВ =16Ом, RС =16Ом; индуктивные-XL в =12Ом; ёмкостные-XCC =12Ом; сопротивления нулевого провода: активное-R0 =0,6Ом, индуктивное-X0 =0,8Ом.
Определить:
1) Напряжение смещения нейтралиа) при наличии нулевого провода;
б) при обрыве нулевого провода;
2) напряжение на каждой фазе приёмника
а) при наличии нулевого провода;
б) при обрыве нулевого провода;
3) при наличии нулевого провода
а) фазные, линейные токи и ток в нулевом проводе;
б) активную, реактивную и полную мощности каждой фазы и всей цепи;
в) коэффициент мощности каждой фазы и всей цепи.
Построить:
а) векторную диаграмму токов и напряжений для цепи с неповреждённым нулевым проводом;
б) векторную диаграмму токов и напряжений для цепи с оборванным нулевым проводом;
в) топографическую диаграмму напряжений при обрыве нулевого провода.

Решение: напряжение смещения нейтрали.
Напряжение смещения нейтрали U0 может быть найдено методом узловых потенциалов где ŮА , ŮB , ŮC ,-фазные напряжения фаз А, В, и С; GA , GB , GC и G0 - проводимости фаз А, В, С и нулевого провода.
При соединении фаз звездой действующие значения фазных UФ . и линейных UЛ . напряжений связаны соотношением
UФ . = UЛ . /
Таким образом, ŮА =ŮB =ŮC =660/=380В.
Комплексы напряжений, сопротивлений и проводимостей в показательной и алгебраической формах:
ŮА =380ej 0 = (380+j0) В;
ŮB =380e- j120° = (-190-j328) В;
ŮC =380ej 120° = (-190+j328) В;
ZA =20=20ej 0°
GA =1/ ZA =1/20ej0° =0,05ej0°
ZB =16+j12=20ej37°
GB =1/ ZB =1/20ej37° =0,04-j0,03=0,05e-j37°
ZC =16-j12=20e-j37°
GC =1/ ZC =1/20e-j37° =0,04+j0,03=0,05ej37°
Z0 =0,6+j0,8=1ej53°
G0 =1/ Z0 =1/1ej 53° =0,6-j0,8=1e- j53°
Напряжение смещения нейтрали по:
Ů0 = (ŮА ×GA +ŮB ×GB +ŮC ×GC ) / (GA +GB +GC +G0 ),
а) при наличии нулевого провода
Ů0 = (380ej 0 ×0,05ej 0° +380e- j120° ×0,05e- j37° +380ej 120° ×0,05ej 37° ) /
/0,05+ (0,04-j0,03) + (0,04+j0,03) + (0,6-j0,8) =-9,88-j10,83=14,66e- j132°38'
б) при обрыве нулевого провода
Ů'0 = (380ej 0 ×0,05ej 0° +380e- j120° ×0,05e- j37° +380ej 120° ×0,05ej 37° ) /
/0,05+ (0,04-j0,03) + (0,04+j0,03) =-122,15+j0=122,15ej 180°
Определение фазных напряжений нагрузки
Напряжение на каждой фазе нагрузки Ůнагр. является разностью фазного напряжения источника питания Ů и напряжения смещения нейтрали Ů0
Ůнагр. = Ů - Ů0
Напряжение на фазах нагрузки
а) при наличии нулевого провода
ŮАнагр. =ŮА -Ů0 =380- (-9,88-j10,83) =389,88+j10,83=390ej 1°59'
ŮВнагр. =ŮВ -Ů0 = (-190-j328) - (-9,88-j10,83) =-180,12-j317,17=364,74e- j120°
ŮCнагр. =ŮC -Ů0 = (-190+j328) - (-9,88-j10,83) =-180,12+j338,83=383,73ej 118°
б) при обрыве нулевого провода
Ů'Анагр. =ŮА -Ů'0 =380- (-122,15+j0) =502,15+j0=502,15ej 0°
Ů'Внагр. =ŮВ -Ů'0 = (-190-j328) - (-122,15+j0) =-67,85-j328=334,94e- j102°
Ů'Cнагр. =ŮC -Ů'0 = (-190+j328) - (-122,15+j0) =-67,85+j328=334,94ej 102°
3) Определение фазных и линейных токов, тока в нулевом проводе
При соединении звездой фазные и линейные токи равны, т.е.
IФ. А =IЛ. А ; IФ. В =IЛ. В ; IФ. С =IЛ. С ;Если известны напряжения Ů и проводимости G-участков, токи через них можно определить по закону Ома
İ= Ů×G
а) Фазные и линейные токи при наличии нулевого провода
İф. А =İл. А =ŮАнагр. ×GA = (389,88+j10,83) ×0,05=19,494+j0,5415=19,50ej 1°59'
İф. B =İл. B =ŮBнагр. ×GB = (-180,12-j317,17) × (0,04-j0,03) =-16,7190-j7,28=
=18,237e- j156°46'
İф. C =İл. C =ŮCнагр. ×GC = (-180,12+j338,83) × (0,04+j0,03) =
=-17,3697+j8,1496=19,1865ej 155°
Ток в нулевом проводе
İ0 =Ů0 ×G0 = (-9,88-j10,83) × (0,6-j0,8) =-14,592+j1,406=14,659ej 175°
Этот же ток может быть найден по второму закону Кирхгофа.
İ0 = İф. А + İф. B + İф. C = (19,494+j0,5415) + (- 16,7190-j7,28) + (- 17,3697+j8,1496) =-14,592+1,406=14,659ej 175°
б) Фазные и линейные токи при обрыве нулевого провода
İ'ф. А =İ'л. А =Ů'Анагр. ×GA = (502,15+j0) ×0,05=25,1075=25,1075ej 0°
İ'ф. B =İ'л. B =Ů'Bнагр. ×GB = (-67,85-j328) × (0,04-j0,03) =-12,554-j11,0845=
=16,747e- j138°55'
İ'ф. C =İ'л. C =Ů'Cнагр. ×GC = (-67,85+j328) × (0,04+j0,03) =-12,554+j11,0845=
=16,747ej 138°55'
Ток в нулевом проводе
İ'0 =Ů'0 ×G0 т.к при обрыве нулевого провода его проводимость равна 0
4а) Определение мощностейПолные мощности фаз SФ находятся как произведение комплексов фазных напряжений ŮФ на сопряжённые комплексы фазных токов İф SФ = ŮФ × İф Полная мощность каждой фазы
SА = ŮАнагр. ×İф. А = (389,88+j10,83) × (19,494-j0,5415) =7606,185+j0=7606,185ej 0°
SB = ŮBнагр. ×İф. B = (-180,12-j317,17) × (-16,7190+j7,28) =5320,585+j3991,777=6651,535ej 36°88'
SC = ŮCнагр. ×İф. C = (-180,12+j338,83) × (-17,3697-j8,1496) =5889,959-j4417,469=7362,449e- j36°88'
Полная мощность всей нагрузки
S=SА +SB +SC = (7606,185+j0) + (5320,585+j3991,777) + (5889,959-j4417,469) =18816,729-j425,695=18821,543e- j1°29'
Активная и реактивная мощности фаз и всей нагрузки находятся как действительная и мнимая части соответствующих комплексов полных мощностей т.е. активная мощность фаз
PA =7606,185Вт
PB =5320,585 Вт
PC =5889,959 Вт
активная мощность всей нагрузки
P=18816,729Вт
реактивная мощность фаз
QA =0
QB =3991,777ВАр
QC =-4417,469ВАр
реактивная мощность всей нагрузки
Q=-425,695ВАр
Активная мощность каждой фазы может быть найдена по выражению
PA =ݲф. А ×RфА =19,50²×20=7606Вт
PВ =ݲф. В ×RфВ =18,237²×16=5321Вт
PС =ݲф. С ×RфС =19,1865²×16=5889,9Вт
4б) Определение коэффициентов мощностиКоэффициент мощности cosφ является отношением действительных частей комплексов полной мощности или полного сопротивления к их модулям
сosφ=a/A,
где a-действительная часть комплекса
А - модуль величины
Таким образом коэффициенты мощности фаз, найденные с использованием различных величин, при правильном решении должны совпасть.
сosφА =PA /SА =7606,185/7606,185=1
сosφВ =PВ /SВ =5320,585/6651,535=0,79
сosφС =PС /SС =5859,959/7362,449=0,79
или
сosφА = RA /ZA =20/20=1
сosφВ = RВ /ZB =16/20=0,8
сosφС = RС /ZC =16/20=0,8
(несовпадение значений сosφВ и сosφС во втором знаке вызвано округлением чисел при расчётах)
Средний коэффициент мощности нагрузки находится по мощности всей цепи
Сosφнагр. ср. =P/S=18816,729/18821,543=0,99
Таблица 1-Результаты расчёта трёхфазной четырёхпроводной цепи
Режим работы цепи Величина Комплекс величины Действующее значение
В алгебраической форме В показательной форме Нулевой провод исправен Напряжение смещения нейтрали Ů0, В-9,88-j10,83 14,66e- j132°38' 14,66
Фазные напряжения,
В ŮАнагр. 389,88+j10,83 390ej 1°59' 390
ŮВнагр. -180,12-j317,17 364,74e- j120° 364,74
ŮСнагр. -180,12+j338,83 383,73ej 118° 383,73
Фазные
(линейные) токи, А İф. А =İл. А 19,494-j0,5415 19,50ej 1°59' 19,50
İф. В =İл. В -16,7190+j7,28 18,237e- j156°46' 18,237
İф. С =İл. С -17,3697+j8,1496 19,1865ej 155° 19,1865
Ток в нулевом проводе İ0, А -14,592+j1,406 14,659ej 175° 14,659
Полная
мощность
фаз, ВА SА 7606,185+j0 7606,185ej 0° 7606,185
SВ 5320,585+j3991,77 6651,535ej 36°88' 6651,535
SС 5889,959-j4417,469 7362,449e- j36°88' 7362,449
Полная мощность цепи S, ВА 18816,729-j425,695 18821,54e- j1°29' 18821,54
Активная мощность фаз, ВтPA - - 7606,185
PВ - - 5320,585
PС - - 5889,959
Активная мощность цепи Р, Вт - - 18816,729
Реактивная мощность фаз, Вар QA - - 0
QВ - - 3991,777
QС - - -4417,469
Реактивная мощность цепи Q, Вар - - -425,695
Коэффици-
енты мощ-
ности фаз сosφА- - 1
сosφВ- - 0,79
сosφС- - 0,79
Средний коэффициент мощности цепи сosφ - - 0,99
Нулевой провод оборудован Напряжение смещения ней-
трали Ů'0, В -122,15+j0 122,15ej 180° 122,15
Фазные на-
пряжения,
В Ů'Анагр. 502,15+j0 502,15ej 0° 502,15
Ů'Внагр. -67,85-j328 334,94e- j102° 334,94
Ů'Снагр. -67,85+j328 334,94ej 102° 334,94
Фазные
(линейные) токи, А İ'ф. А =İ'л. А 25,1075 25,1075ej 0° 25,1075
İ'ф. В =İ'л. В -12,554-j11,0845 16,747e- j138°55' 16,747
İ'ф. С =İ'л. С -12,554+j11,0845 16,747ej 138°55' 16,747
Ток в нулевом проводе İ'0 , А 0 0 0
Построение векторных диаграмм токов и напряжений
Таблица 2-Длины векторов тока и напряжения, их действительных и мнимых частей для случая неповреждённого нулевого провода
Величина Масштаб
1/см Длина вектора, смДлина действительной части, смДлина мнимой части, смНапряжения фаз сети UA 50В/см 7,6 7,6 0
UB 7,6 -3,8 -6,56
UC 7,6 -3,8 6,56
Напряжения фаз нагрузки ŮАнагр. 50В/см 7,8 7,79 0,21
ŮВнагр. 7,29 -3,6 -6,34
ŮСнагр. 7,67 -3,6 6,77
Ů0 0,29 -0, 19 -0,21
Токи фаз нагрузки İф. А 5А/см 3,9 3,89 0,1
İф. В 3,6 -3,3 -1,4
İф. С 3,8 -3,4 1,6
İ0 2,93 -2,91 0,28
3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время электроника развивается очень стремительно, т.к. она определяет прогресс во многих отраслях науки и техники. Особая роль отводится интегральной электронике. Каждый год разрабатываются все новые и новые микросхемы, улучшаются их характеристики и параметры. Уже созданы большие интегральные схемы с количеством полупроводниковых элементов более 4 миллионов на одном кристалле.
Существуют АЦП с разрядностью 24. Разработаны сигнальные микропроцессоры и интегральные схемы, в которых объединены первичные преобразователи информации со схемами электронного обрамления. Однако развитие интегральной электроники сталкивается с рядом принципиальных проблем, обусловленных предельными возможностями интегральной электроники - ее быстродействия. Важнейшей проблемой является проблема межсоединений элементов в интегральных схемах, ограничивающих их быстродействие за счет паразитных параметров.
Одним из возможных путей дальнейшего развития электроники может являться использование динамических неоднородностей в качестве носителя информации при обработке больших массивов. В устройствах функциональной электроники массив информационных сигналов может быть обработан целиком, а не в виде отдельных бит информации, как в схемотехнической электронике.
При этом возможна обработка информации в аналоговом и цифровом виде одновременно. Это позволяет достигнуть производительности более 1015 оп/с. Важным свойством функциональной электроники является использование в процессах обработки информации элементарных функций высшего порядка, например, Фурье-преобразование, операции свертки, корреляции и автокорреляции и т.д.
Таким образом, можно предполагать, что дальнейшее развитие электроники пойдет не только по пути микроминиатюризации классической схемотехнической электроники, но и по пути развития функциональной электроники, способной решить сложные вопросы обработки больших массивов информации в реальном масштабе времени.
4. СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.С. Касаткин, М.В. Немцов. Электротехника. М., Энергоатомиздат, 1983 год.
2. В.Ю. Ломоносов, К.М. Поливанов, О.П. Михайлов. Электротехника. М. Энергоатомиздат, 1990 год.
3. Справочное пособие по электротехнике и основам электроники. М., Высшая школа, 1986 год.
4. В.В. Пасынков, Л.К. Чиркин. Полупроводниковые приборы. М., Высшая школа, 1987 год.
5. Ю.В. Виноградов. Электронные приборы. М., Связь, 1977 год.
6. И.П. Жеребцов. Основы электроники. Л. Энергоатомиздат,1985 год.
7. Радиотехнические цепи и сигналы. Примеры и задачи. М., Радио и связь, 1989год.
8. Справочник по полупроводниковым диодам, транзисторам и интегральным схемам. М., Энергия, 1972 год.
9. Г.Г. Рекурс, В.Н. Чесноков. Лабораторные работы по электротехнике и основам электроники. М., Высшая школа,1989 год.
10. В.Т. Фролкин, Л.Н. Попов. Импульсные устройства. М.,Сов. Радио, 1980 год.
11. Л.М. Гольденберг. Импульсные и цифровые устройства. М., Связь, 1973 год.
12. Л.М. Гольденберг. Импульсные устройства. М., Радио и связь, 1981 год.
13. И.С. Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Радио и связь, 1986год.
14. С.И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы. М., Высшая школа, 1988 год.
15. Е.И. Манаев. Основы радиоэлектроники. М., Сов. Радио, 1976 год.
16. Электротехника. Под редакцией Герасимова. М., Высшая школа, 1985 год.
17. УМП. О.А. Динерштейн. Электротехника и основы электроснабжения. Ч1, ЧГУ, 1999 год.
18. А.А. Анисимов, А.Н. Нохрин. Электротехника и промышленная электроника. ЧГУ, 1997 год.
19. А.А. Анисимов, А.Н. Нохрин. Руководство для выполнения лабораторных работ. УПМ, ЧГИИ, 1996 год.
20. В.А. Прянишников. Электроника. С.-П., "КОРОНА-принт", 1998 год.