По данным значениям напряжения, частоты и параметров элементов цепи, символическим методом найдите токи во всех ветвях цепи, составьте баланс комплексных мощностей и постройте векторные диаграммы напряжений и токов.
Дано: U=100 В; f=100 Гц; C3=100 мкФ; L1=15,9 мГн; L2=15,9 мГн; L3=115 мГн; R1=10 Ом; R2=5 Ом; R3=10 Ом.
Решение
Угловая частота переменного тока:
ω=2∙π∙f=2∙π∙100=628,319 радс
Определяем реактивные сопротивления элементов схемы:
XL1=ωL1=628,319∙15,9∙10-3=9,99 Ом
XL2=ωL2=628,319∙15,9∙10-3=9,99 Ом
XL3=ωL3=628,319∙115∙10-3=72,257 Ом
XC3=1ωC3=1628,319∙100∙10-6=15,915 Ом
Записываем полные комплексные сопротивления ветвей:
Z1=R1+jXL1=10+j9,99=14,135ej44,972° Ом
Z2=R2+jXL2=5+j9,99=11,172ej63,413° Ом
Z3=R3+jXL3-jXC3=10+j72,257-j15,915=10+j56,341=57,222ej79,935° Ом
Комплексные сопротивления Z2 и Z3 соединены параллельно. Их эквивалентное сопротивление:
Z23=Z2∙Z3Z2+Z3=11,172ej63,413°∙57,222ej79,935°5+j9,99+10+j56,341=639,26ej143,348°15+j66,331=639,26ej143,348°68,006ej77,258°=9,4ej66,09°=3,81+j8,593 Ом
Комплексные сопротивления Z1 и Z23 соединены последовательно. Найдём комплексное полное сопротивление цепи:
Z=Z1+Z23=10+j9,99+3,81+j8,593=13,81+j18,584=23,153ej53,383° Ом
Приняв U=U, найдём ток в неразветвленной части цепи:
I1=UZ=10023,153ej53,383°=4,319e-j53,383°=2,576-j3,467 А
Напряжения на отдельных участках:
U1=I1∙Z1=4,319e-j53,383°∙14,135ej44,972°=61,052e-j8,411°=60,395-j8,93В
U23=I1∙Z23=4,319e-j53,383°∙9,4ej66,09°=40,6ej12,707°=39,605+j8,93 В
Токи в параллельных ветвях:
I2=U23Z2=40,6ej12,707°11,172ej63,413°=3,634e-j50,706°=2,302-j2,812 А
I3=U23Z3=40,6ej12,707°57,222ej79,935°=0,71e-j67,228°=0,275-j0,654 А
Комплекс полной мощности источника:
791776-7623Sист=U∙I1=100∙4,319ej53,383°=431,91ej53,383°=257,616+j346,67 ВА
Активная и реактивная мощности источника энергии:
Pист=ReSист=Re257,616+j346,67=257,616 Вт
Qист=ImSист=Im257,616+j346,67=346,67 вар
Комплексы полных мощностей, активные и реактивные мощности участков цепи:
727710-7620S1=U1∙I1=61,052e-j8,411°∙4,319ej53,383°=263,687ej44,972°=186,546+j186,364 ВА
P1=ReS1=Re186,546+j186,364=186,546 Вт
Q1=ImS1=Im186,546+j186,364=186,364 вар
798195-13335S2=U23∙I2=40,6ej12,707°∙3,634ej50,706°=147,545ej63,413°=66,036+j131,943 ВА
P2=ReS2=Re66,036+j131,943=66,036 Вт
Q2=ImS2=Im66,036+j131,943=131,943 вар
798195-8255S3=U23∙I3=40,6ej12,707°∙0,71ej67,228°=28,806ej79,935°=5,034+j28,363 ВА
P3=ReS3=Re5,034+j28,363=5,034 Вт
Q3=ImS3=Im5,034+j28,363=28,363 вар
Комплекс полной мощности приемников:
Sпр=S1+S2+S3=186,546+j186,364+66,036+j131,943+5,034+j28,363=257,616+j346,67=431,91ej53,383° ВА
Активная и реактивная мощности приемников:
Pпр=ReSпр=Re257,616+j346,67=257,616 Вт
Qпр=ImSпр=Im257,616+j346,67=346,67 вар
Составим баланс активных и реактивных мощностей:
Pист=Pпр
257,616 Вт=257,616 Вт
Qист=Qпр
346,67 вар=346,67 вар
Для построения векторной диаграммы вычислим напряжения на всех элементах цепи:
UR1=I1∙R1=4,319e-j53,383°∙10=43,19e-j53,383°=25,762-j34,667 В
UL1=I1∙jXL1=4,319e-j53,383°∙j9,99=4,319e-j53,383°∙9,99ej90°=43,149ej36,617°=34,633+j25,736 В
UR2=I2∙R2=3,634e-j50,706°∙5=18,171e-j50,706°=11,508-j14,062 В
UL2=I2∙jXL2=3,634e-j50,706°∙j9,99=3,634e-j50,706°∙9,99ej90°=36,306ej39,294°=28,098+j22,993 В
UR3=I3∙R3=0,71e-j67,228°∙10=7,1e-j67,228°=2,746-j6,542 В
UL3=I3∙jXL3=0,71e-j67,228°∙j72,257=0,71e-j67,228°∙72,257ej90°=51,267ej22,772°=47,271+j19,843 В
UC3=I3∙-jXC3=0,71e-j67,228°∙-j15,915=0,71e-j67,228°∙15,915e-j90°=11,292e-j157,228°=-10,412-j4,371 В
Строим векторную диаграмму