Электрические цепи постоянного тока и методы их расчета
1.1. Электрическая цепь и ее элементы
В электротехнике рассматривается устройство и принцип действия основных электротехнических устройств, используемых в быту и промышленности. Чтобы электротехническое устройство работало, должна быть создана электрическая цепь, задача которой передать электрическую энергию этому устройству и обеспечить ему требуемый режим работы.
Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.
Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения. Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппаратуры, представлена на рис. 1.1.
Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:
1) Источники электрической энергии (питания).
Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).
2) Потребители электрической энергии.
Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.
3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.
Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.
В электрической схеме на рис. 1.1 электрическая энергия от источника ЭДС E, обладающего внутренним сопротивлением r0, с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL1 и EL2.
1.2. Основные понятия и определения для электрической цепи
Для расчета и анализа реальная электрическая цепь представляется графически в виде расчетной электрической схемы (схемы замещения). В этой схеме реальные элементы цепи изображаются условными обозначениями, причем вспомогательные элементы цепи обычно не изображаются, а если сопротивление соединительных проводов намного меньше сопротивления других элементов цепи, его не учитывают. Источник питания показывается как источник ЭДС E с внутренним сопротивлением r0, реальные потребители электрической энергии постоянного тока заменяются их электрическими параметрами: активными сопротивлениями R1, R2, …, Rn. С помощью сопротивления R учитывают способность реального элемента цепи необратимо преобразовывать электроэнергию в другие виды, например, тепловую или лучистую.
При этих условиях схема на рис. 1.1 может быть представлена в виде расчетной электрической схемы (рис. 1.2), в которой есть источник питания с ЭДС E и внутренним сопротивлением r0, а потребители электрической энергии: регулировочный реостат R, электрические лампочки EL1 и EL2 заменены активными сопротивлениями R, R1 и R2.
Источник ЭДС на электрической схеме (рис. 1.2) может быть заменен источником напряжения U, причем условное положительное направление напряжения U источника задается противоположным направлению ЭДС.
При расчете в схеме электрической цепи выделяют несколько основных элементов.
Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных элементов. Схема на рис. 1.2 имеет три ветви: ветвь bma, в которую включены элементы r0, E, R и в которой возникает ток I; ветвь ab с элементом R1 и током I1; ветвь anb с элементом R2 и током I2.
Узел электрической цепи (схемы) – место соединения трех и более ветвей. В схеме на рис. 1.2 – два узла a и b. Ветви, присоединенные к одной паре узлов, называют параллельными. Сопротивления R1 и R2 (рис. 1.2) находятся в параллельных ветвях.
Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям. В схеме на рис. 1.2 можно выделить три контура: I – bmab; II – anba; III – manbm, на схеме стрелкой показывают направление обхода контура.
Условные положительные направления ЭДС источников питания, токов во всех ветвях, напряжений между узлами и на зажимах элементов цепи необходимо задать для правильной записи уравнений, описывающих процессы в электрической цепи или ее элементах. На схеме (рис. 1.2) стрелками укажем положительные направления ЭДС, напряжений и токов:
а) для ЭДС источников – произвольно, но при этом следует учитывать, что полюс (зажим источника), к которому направлена стрелка, имеет более высокий потенциал по отношению к другому полюсу;
б) для токов в ветвях, содержащих источники ЭДС – совпадающими с направлением ЭДС; во всех других ветвях произвольно;
в) для напряжений – совпадающими с направлением тока в ветви или элемента цепи.
Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные.
Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным, например электропечь.
Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке.
Следовательно, в линейной электрической цепи все элементы – линейные, а нелинейной называют электрическую цепь, содержащую хотя бы один нелинейный элемент.
Источник
Методы расчета электрических цепей постоянного тока
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
Заведующий кафедрой РЭТЭМ
Методы расчета электрических цепей постоянного тока
Методические указания к курсовой работе по дисциплинам «Информатика-2» и « Технологии прикладного
программирования радиоэлектронных средств» 110303 «Конструирование и технология электронных средств» (бакалавриат)
Разработчик: Доцент кафедры РЭТЭМ
Цели и задачи курсовой работы .
Тематика и содержание курсового проекта .
Требования по выполнения курсовой работы .
Организация и руководство курсовой работы .
Примерная структура курсовой работы .
Правила оформления курсовых работ .
Приложение 1 – Пример оформления титульного листа.
– Пример оформления задания к курсовой работе .
– Варианты задания на курсовую работу .
– Пример листинга расчетов в среде MathCAD (законы
1 Цели и задачи курсовой работы
Курсовая работа по дисциплинам «Информатика-2» и «Технологии прикладного программирования радиоэлектронных средств» ориентирована на практическое закрепление знаний по применению персонального компьютера (ПК) в профессиональной деятельности инженера-конструктора.
Курсовая работа должна подготовить студентов к последующим этапам учебной деятельности – умению решать свои инженерные задачи с помощью ПК, применять полученные знания во всех изучаемых дисциплинах и в будущем – в выпускной квалификационной работе.
Важнейшими целями курсовой работы являются закрепление, углубление и обобщение студентами знаний, полученных во время обучения, и выработка у них умения самостоятельно применять эти знания для творческого решения конкретных практических задач, связанных с различными аспектами использования компьютерной техники при проектировании радиоэлектронных средств (РЭС) и аппаратуры связи.
Особенностью выполнения курсовой работы является реализация поставленных задач на персональном компьютере в одной или нескольких интегрированных средах (например: с помощью электронных таблиц OpenOffice Calc 2, в среде программирования Lazarus 7, с помощью пакета MathCAD 8 и т.д.).
Под руководством преподавателя студент должен самостоятельно разобраться с поставленными задачами, отладить их на персональном компьютере и продемонстрировать преподавателю выполненный результат в соответствии с вариантом задания. Работа завершается защитой полученных результатов.
2 Тематика и содержание курсового проекта
Тематика курсовой работы посвящена методам расчета линейных электрических цепей постоянного тока. Электромагнитное устройство с происходящими в нем и в окружающем его пространстве физическими процессами в теории электрических цепей заменяют некоторым расчетным эквивалентом – электрической цепью. Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Постоянным током называют ток, неизменный во времени. Постоянный ток представляет собой направленное упорядоченное движение частиц, несущих электрические заряды.
Для практических расчетов электрических цепей разработано несколько методов, отличающихся по затратам времени и труда:
— метод расчета цепей по законам Кирхгофа;
— метод узловых потенциалов;
— метод эквивалентного генератора;
В курсовой работе студенту предлагается выполнить расчет всеми перечисленными методами для электрической схемы постоянного тока по своему варианту задания. Особенностью курсовой работы является применение для расчетов любого ранее изученного программного комплекса: OpenOffice Calc , Lazarus , MathCAD .
Задания, выдаваемые студенту на выполнение курсовой работы, отвечают следующим требованиям:
— соответствуют уровню подготовки студентов и ограничению по времени, отведенному на его выполнение;
— содержат задачи по методам вычислений, с которыми сталкивается инженер, занимающийся расчетной и конструкторской деятельностью:
— предусматривают необходимость ознакомления с дополнительной литературой;
— допускают выбор студентом темы по иной тематике, но связанной с проблемами профессиональной деятельности инженера-конструктора, актуальной и применимой в его практической деятельности. Выбранная таким образом тема должна быть согласована с руководителем.
3 Требования по выполнения курсовой работы
При выполнении курсовой работы студенту необходимо выполнить следующее:
1. Студент должен ознакомиться с рекомендуемой учебной литературой и внимательно изучить методические указания по выполнению курсовой работы.
2. Изучить вариант задания. Разобраться с расчетными методами, входящими в вариант задания. Дать краткий обзор применяемым расчетным методам по [16].
3. Разработать математические модели для рассматриваемых расчетных методов.
4. Реализовать расчеты в программном комплексе (либо OpenOffice Calc , либо Lazarus , либо MathCAD ) по своему варианту задания.
5. Заключительным этапом оформления работы являются оформление отчета в соответствии со стандартом ОС ТУСУР 01-2013 [17] и его защита.
6. К экзамену допускаются только те студенты, которые успешно защитили курсовую работу.
4 Организация и руководство курсовой работы
1. Руководитель до начала курсовой работы подготавливает варианты
2. Во время первого занятия руководитель доводит до сведения студентов номер варианта задания и уточняет конкретное задание для каждого студента.
3. Ко второму занятию студенты должны начать работу по выполнению курсовой работы и активно консультироваться с руководителем.
4. Контроль за ходом выполнения курсовой работы осуществляется руководителем.
5. Руководитель, в соответствии с установленным графиком, осуществляет консультации, на которых студент может уточнить содержание теоретической и/или практической частей курсовой работы.
6. Защита курсовой работы производится на последней неделе семестра (на зачетной неделе). Защита позволяет выявить уровень знаний студента, степень его самостоятельности в выполнении курсовой работы. Результаты защиты оцениваются по пятибалльной системе.
7. К защите курсовой работы студент допускается при наличии печатной, скрепленной и подписанной пояснительной записки (ПЗ).
8. Завершенная ПЗ сдается руководителю в установленные учебным графиком сроки. Руководитель оценивает содержание работы, степень самостоятельности ее выполнения, уровень грамотности и определяет, допускать ли студента к защите курсовой работы.
9. Если студент не допущен к защите, то курсовая работа должна быть доработана согласно замечаниям руководителя.
5 Примерная структура курсовой работы
1. Титульный лист , на котором указывается название университета, название кафедры, название дисциплины, вид работы, тема работы, руководитель, исполнитель, дата (см. Приложение 1).
2. Реферат оформляется по [17].
3. Содержание . В содержании указывается наименование разделов ПЗ и номера страниц, с которых начинается соответствующий раздел. Заголовки оглавления должны точно повторять заголовки в тексте.
4. Введение к курсовой работе должно содержать общие сведения о теоретической и практической части курсовой работы:
— краткое обоснование актуальности темы курсовой работы; — перечень вопросов, которые раскрывают тему; наименование задачи,
которая будет решена с использованием пакета (пакетов) прикладных программ на ПК н описана в практической части курсовой работы; краткие характеристики ПК и программного обеспечения, использованных для выполнения и оформления курсовой работы.
5. Задание на курсовую работу . Приводится текст варианта задания (см. Приложение 2).
6. Теоретическая часть имеет целью углубить знания по методам расчета электрических цепей постоянного тока и показать умение студента работать с литературой и текстовыми редакторами на ПК.
План изложения теоретической части должен быть продуман и составлен студентом после проработки литературных источников и согласования с руководителем. Рекомендуется следующий план теоретической части.
— Введение , где происходит описание электрической схемы (не более одной страницы машинописного текста). В схеме выделяются токи и напряжения, которые следует вычислить.
— Основные понятия , используемые при расчете электрической схемы. Раскрываются базовые определения: ветвь, узел, энергетический баланс, напряжение холостого хода и т.д. Кратко характеризуется каждый метод расчета.
— Ход решения . Описываются особенности, составляющие основу метода расчета. При оформлении теоретической части желательно привести иллюстративный материал (блок-схемы, аналитические выражения для методов расчета, рисунки).
7. Практическая реализация решения в программном комплексе ,
показывающая правильность проведенных методов расчетов. Приводится листинг реализации по каждому методу.
8. Заключение оформляется по [17]. В этой части работы излагаются итоги компьютерного расчета электрической схемы. Оно завершается обзором перспектив изучаемой проблемы.
9. Литература . Приводится список литературных источников, которые использовались при подготовке и выполнении курсовой работы.
6 Правила оформления курсовых работ
Работа должна быть выполнена печатным способом с использованием компьютера и принтера на одной стороне листа белой бумаги одного сорта формата А4 (210 297 мм). Приводимые в работе таблицы и иллюстрации большого размера допускается выполнять на других стандартных форматах, при этом они должны быть сложены на формат А4 «гармоникой» по ГОСТ
В оформлении всех структурных элементов
следует придерживаться единообразного стиля.
Источник