Расчет и анализ электрических цепей

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Курсовой проект по дисциплине «Теоретические основы электротехники» является заключительным этапом в изучении разделов по расчету электрических цепей постоянного, переменного и трехфазного тока.

Основными задачами курсового проектирования являются:

- закрепление теоретических знаний;

-формирование профессиональных навыков связанных с самостоятельной деятельностью специалиста;

- воспитание ответственности за качество принятых решений;

- приобщение к работе со специальной и нормативной литературой;

- выработка навыков творческого мышления;

- привитие практических навыков, применение норм проектирования, методика расчетов, технологических инструкций, типовых проектов;

- применение современных расчётно-графических и математических методов, использование современных информационных технологий.

Тема курсового проекта - «Расчет и анализ электрических цепей». Результатом выполнения курсового проекта является анализ электрических цепей постоянного тока, выполненный на основе цепи содержащей линейные элементы и источники.

Для анализа цепей постоянного тока используются методы: контурных токов, узловых потенциалов и расчет схемы с помощью законов Кирхгофа.

Анализ электрических цепей переменного тока выполнен на основе цепи содержащей индуктивные, емкостные и резистивные элементы с одним источником питания и трехфазной цепи при соединении нагрузки приемников звездой.

1. РАСЧЕТ ЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Числовые параметры эклектической цепи постоянного тока приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Параметры электрической цепи постоянного тока

U2, В	E3, В	R1,Ом	R2,Ом	R3,Ом	r02,Ом	r03,Ом
31,2	24	8	7,6	23,7	0.4	0,3

Схема линейной электрической цепи представлена на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 - Схема линейной электрической цепи

1.1 Расчет электрической цепи постоянного тока, используя законы Кирхгофа

Составим схему замещения заданной цепи. Схема замещения цепи представлена на рисунке 1.2.

Задаем направлением токов и направлением обхода контуров в заданной цепи как показано на рисунке 1.2.

Рисунок 1.2 - Схема замещения линейной электрической цепи

По первому закону Кирхгофа необходимо составить количество уравнений равное:

(1.1)

где у = 2 - количество узлов в цепи.

По второму закону Кирхгофа необходимо составить количество уравнений равное:

(1.2)

где в = 3 - количество ветвей в цепи;

вJ = 0 - количество ветвей в цепи содержащих источник тока.

Система уравнений имеет вид:

(1.3)

По второму уравнению из системы 1.3 выразим тoк I1:

(1.4)

Из третьего уравнения системы 1.3 выразим ток I3:

(1.5)

По первому закону Кирхгофа заменим ток I3 на разность токов I1-I2:

 (1.6)

Таким образом:

1.2 Расчет электрической цепи постоянного тока методом контурных токов

Количество уравнений необходимое для расчета цепи по методу контурных токов равно количеству уравнений, которое необходимо составить по первому закону Кирхгофа, т.е. согласно 1.1

Задаем направление контурных токов, совпадающее с направлением обхода контуров при составлении уравнений по второму закону Кирхгофа, как показано на рисунке 1.2.

(1.9)

Подставляем в систему 1.9 исходные данные и решаем ее:



Контурные токи равны:

Определяем токи ветвей через контурные токи:

1.3 Расчет электрической цепи постоянного тока методом узловых потенциалов

По первому закону Кирхгофа:

(1.10)

Выразим токи, протекающие в цепи через узловые потенциалы:

(1.11)

Подставим выраженные токи в закон Кирхгофа для данной электрической цепи и произведем расчет:

Подставим значение ц1 в выражения токов 1.11 и получим значение токов в ветвях:

1.4 Расчет баланса мощностей цепи

Рассчитаем мощность источников питания:

(1.12)

Общая мощность источников равна:

Рассчитаем мощность нагрузки:

По условию равновесия схемы Iн должна равняться Iист общ:

Из этого следует, что схема расcчитана верно.

2. РАСЧЕТ ОДНОФАЗНОЙ ЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Числовые параметры эклектической цепи переменного тока приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Параметры электрической цепи переменного тока

E, В	f, Гц	С2, мкФ	L1, мГн	L3, мГн	R1, Ом	R3, Ом
220	50	3,18	15,9	47,7	10	10

Схема линейной электрической цепи представлена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 - Схема линейной электрической цепи

Составим уравнение эквивалентного сопротивления каждой ветви:

(2.1)

2.1 Расчет реактивных сопротивлений цепи

(2.2)

Рассчитаем сопротивление каждой ветви:

(2.3)

Рассчитаем общее сопротивление 2 и 3 ветвей:

(2.4)

Общее сопротивление равно:

(2.5)

2.2 Расчет комплексов действующих значений токов цепи

Ток цепи определяем по закону Ома:

(2.6)

Напряжение 1 ветви:

(2.7)

Напряжение 2 и 3 ветвей будут равны, т.к. 2 и 3 ветви параллельны друг другу:

(2.8)

Рассчитаем оставшиеся токи:

(2.9)

2.3 Расчет баланса активных и реактивных мощностей цепи

Рассчитаем активную и реактивную мощность нагрузки:

Рассчитаем активную и реактивную мощности источника питания:

Определим относительные погрешности баланса мощностей:

2.4 Построение векторной диаграммы токов и напряжений

Построение векторной диаграммы будем проводить исходя из расчетов выполненных в пункте 2.2. При построении будем пользоваться линейкой, карандашом и транспортиром. Построение проведем на миллиметровой бумаге. Векторная диаграмма представлена в приложении А.

Для построения векторной диаграммы используем рассчитанные токи из раздела 2.2. Ток I1=А, I2= А, I3=А. По показателю степени определяем угол отклонения тока от оси на диаграмме токов и напряжений, а по числу определяем длину отрезка. Таким образом ток I1 имеет длину 7,543 см и отклонение 45,882 градусов по часовой стрелке, I2 имеет длину 0,143 см и отклонение 101,248 градус против часовой стрелки, а ток I3 имеет длину 7,952 см и отклонение 45,022 градусов по часовой стрелке.

3. РАСЧЕТ ТРЕХФАЗНОЙ ЛИНЕЙНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Числовые параметры трехфазной линейной электрической цепи переменного тока приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Параметры трехфазной линейной электрической цепи переменного тока

Ra, Ом	xa, Ом	xc,Ом	xb,Ом	Uл, В
15	10	7	3	220

Рисунок 3.1- Схема трёхфазной линейной электрической цепи переменного тока

3.1 Расчет комплексов действующих значений линейных и фазных токов цепи

Определим напряжение фазы по формуле:

(3.1)

Выразим из формулы Uф и подставим значения:

(3.2)

Определим сопротивления ветвей нагрузки:

(3.3)

Рассчитаем фазовые токи по закону Ома для участка цепи:

(3.4)

Рассчитаем ток на нулевом проводе:

(3.5)

3.2 Расчет активной и реактивной мощности цепи

электрический ток сопротивление цепь

Определим активную и реактивную мощность цепи:

Рассчитаем полную мощность схемы:

3.3 Построение векторной диаграммы токов и напряжений

Построение векторной диаграммы будем проводить исходя из расчетов выполненных в пункте 3.1. При построении будем пользоваться линейкой, карандашом и транспортиром. Построение проведем на миллиметровой бумаге. Векторная диаграмма представлена в приложении Б.

Для изображения векторной диаграммы будем использовать токи Ia=А ,Ib=А ,Ic=А. Сначала изобразим оси векторной диаграммы. Между осями угол, составляющий 120 градусов. Для построения используем масштаб 1:10.

Ток I имеет длину 0,706 см и отклонение от оси фазы А, составляющее 33,7 градуса по часовой стрелке, ток I имеет длину 4,23 см и отклонение от оси фазы В, составляющее 30 градусов по часовой стрелке, а ток I имеет длину 1,814 см и отклонение от оси фазы С, составляющее 210 градусов против часовой стрелки.

4. ЭНЕРГО- И МАТЕРИАЛОСБЕРЕЖЕНИЕ

Проблема энергосбережения в Республике Беларусь возведена в ранг государственной политики. Наряду с этим была создана республиканская система управления процессом энергосбережения. Верхним звеном этой системы является государственный комитет по энергосбережению и Энергонадзору, который был создан в 1993г. Данным комитетом в 1998г. Был принят закон об энергосбережении, который оглашает все проблемы современности связанные с перепотреблением, незаконным и некорректным использованием электрической, тепловой и других видов энергии.

С целью экономного использования электрической энергии все предприятия связанные с разработкой электронных устройств проектируют устройства, выпускаемые в массовое производство таким образом, чтобы оно как можно меньше потребляло электроэнергии. Для этого, например, проводятся попытки к минитюаризации отдельных элементов, что позволяет комбинировать их единые блоки небольших размеров. Это даёт возможность сберегать электрическую энергию за счёт использования для питания этих блоков уже один источник питания, а не по одному для каждого из элементов. На специализированных форумах и выставках предприятия делятся своими новыми разработками в области энергосберегающей аппаратуры.

5. ОХРАНА ТРУДА

Факторы производственной среды оказывают существенное влияние на работоспособность человека. Существует разделение производственных факторов на опасные и вредные. Опасный производственный фактор - это производственный фактор, воздействие которого в определенных условиях приводит к травме или к другому внезапному ухудшению здоровья. Воздействие же вредного производственного фактора в определенных условиях приводит к заболеванию или снижению работоспособности.

Значительным физическим фактором является микроклимат рабочей зоны, особенно температура и влажность воздуха. Человек постоянно находится в процессе теплового взаимодействия с окружающей средой. Исследования показывают, что высокая температура в сочетании с высокой влажностью воздуха оказывает большое влияние на работоспособность человека. Увеличивается время реакции, нарушается координация движений, резко увеличивается число ошибочных действий. Высокая температура на рабочем месте отрицательно влияет на психологические функции: понижается внимание, уменьшается объем оперативной памяти, снижается способность к ассоциациям.

Температура, относительная влажность и скорость движения воздуха влияют на теплообмен и необходимо учитывать их комплексное воздействие. Нарушение теплообмена вызывает тепловую гипертермию, или перегрев.

Мероприятия по приведению температуры воздуха рабочей зоны, влажности, подвижности воздуха к оптимальным значениям:

Для обеспечения установленных норм микроклиматических параметров и чистоты воздуха в машинных залах и других помещениях применяют вентиляцию. Общеобменная вентиляция используется для обеспечения в помещениях соответствующего микроклимата; местные вентиляторы - для охлаждения ЭВМ и вспомогательных устройств. Периодически должен вестись контроль за атмосферным давлением и влажностью воздуха.

В холодное время года предусматривается система отопления. Для отопления помещений используются водяные, воздушные и панельно-лучевые системы центрального отопления.

Нагревательные поверхности отопительных приборов должны быть достаточно ровными и гладкими, чтобы на них не задерживалась пыль, и можно было легко очищать их от загрязнения.

Освещение рабочего места - важнейший фактор создания нормальных условий труда. Освещению следует уделять особое внимание, так как при работе с наибольшее напряжение получают глаза.

При организации освещения необходимо иметь в виду, что увеличение уровня освещенности приводит к уменьшению контрастности изображения на дисплее. В таких случаях выбирают источники общего освещения по их яркости и спектральному составу излучения.

Общая чувствительность зрительной системы увеличивается с увеличением уровня освещенности в помещении, но лишь до тех пор, пока увеличение освещенности не приводит к значительному уменьшению контраста.

Для определения приемлемого уровня освещенности в помещении необходимо:

*определить требуемый уровень освещенности изготавливаемого устройства и инструмента внешними источниками света;

*если требуемый уровень освещенности не приемлем для работающих в данном помещении, надо найти способ сохранения требуемого контраста изображения другими средствами.

Неудовлетворительное освещение утомляет не только зрение, но и вызывает утомление всего организма в целом. Неправильное освещение часто является причиной травматизма (плохо освещенные опасные зоны, слепящие лампы и блики от них). Резкие тени ухудшают или вызывают полную потерю ориентации работающих, а также вызывают потерю чувствительности глазных нервов, что приводит к резкому ухудшению зрения.

Для общего освещения помещений лучше использовать люминесцентные лампы. Это обусловлено такими их достоинствами:

*высокой световой отдачей;

*продолжительным сроком службы;

*малой яркостью светящейся поверхности.

Светильники с люминесцентными лампами размещаются рядами, параллельно с окнами. Главными недостатками люминесцентных ламп являются производимый ими шум и мерцание.

Кроме рабочего освещения нормами предусмотрено устройство:

*аварийного;

*эвакуационного;

*охранного.

Пожарная безопасность объекта должна обеспечиваться системами вращения пожара и противопожарной защиты. В этом помещении нет легко воспламеняющихся, самовозгорающихся и взрывчатых веществ, мощных электроустановок и искрящегося оборудования, механизмов с движущимися частями, износ и коррозия которых могли бы привести к пожару. Применяемое оборудование достаточно сложное, чтобы его ремонтировать или эксплуатировать с нарушением технологических карт, поэтому, оно также не может быть источником пожара. Все основные причины возникновения пожаров практически исключены, но это не является причиной пренебрежения пожарной безопасностью. Помимо этого в помещении производится работа с паяльником.

Поэтому некоторые меры должны быть приняты:

*обеспечение эффективного удаления дыма, т.к. в процессе пайки выделяются летучие ядовитые вещества и едкий дым;

*обеспечение правильных путей эвакуации;

*наличие огнетушителей и пожарной сигнализации;

*соблюдение всех противопожарных требований к системам отопления и кондиционирования воздуха.

Организационными мероприятиями по обеспечению пожарной безопасности являются обучение людей правилам пожарной безопасности разработка и реализация норм и правил пожарной безопасности, инструкций о порядке работы с пожароопасными материалами, разработка путей эвакуации людей и извещение людей об этом, путем изготовления различных схем, плакатов. Важная мера - организация пожарной охраны объекта, предусматривающей профилактическое и оперативное обслуживание охраняемых объектов.

Одним из проявлений оптимальных условий труда является длительное сохранение работоспособности. Для этого нужна такая организация труда, которая опирается на знание закономерностей трудовой деятельности. Во время трудовой деятельности функциональная способность человеческого организма изменяется во времени. Изменения обнаруживаются на протяжении рабочей смены и называются динамикой работоспособности.

В изменениях соотношений между продуктивностью, работоспособностью и эмоционально-волевым направлением можно отметить 7 периодов:

*период врабатываемости. В этот период работоспособность повышается и в конечном итоге достигает максимального уровня. Продуктивность обычно нарастает;

*период оптимальной работоспособности. Уровень максимальной работоспособности, продуктивности и волевого усилия относительно стабилизирован;

*период "полной компенсации". Возникающее утомление несколько снижает уровень максимальной работоспособности, однако, благодаря эмоционально-волевому напряжению, продуктивность сохраняется на прежнем уровне;

*период неустойчивой компенсации. С нарастанием утомления максимальная работоспособность продолжает снижаться. Интенсивность волевого напряжения колеблется. В момент его ослабления продуктивность падает, в момент усиления - возрастает;

*“конечный порыв”. Утомление все более нарастает, а максимальный уровень работоспособности падает. Однако продуктивность может быть увеличена при значительном волевом усилии;

*период прогрессивного снижения продуктивности. Здесь еще более снижается, максимальны уровень работоспособности и падает волевое усилие;

*прекращение работы. Возбуждение сменяется вялостью.

Поскольку максимальная работоспособность осуществляется в периоды 2 и 3 фаз, один из путей создания оптимальных условий труда и повышения надежности системы человек - машина со стороны человеческого фактора - это отдаление периода утомляемости. Для этого можно использовать такие средства, как: смена способов работы. Например, обучение оператора производится с таким расчетом, чтобы он мог овладеть несколькими способами выполнения той или иной операции. Чередование труда и отдыха. В психологии и физиологии труда установлено, что эффективность труда повышается в том случае, если в течение смены устраивать короткие паузы. Наиболее эффективными являются перерывы, устраиваемые не тогда, когда начинает, уменьшается производительность труда, а при появлении нерегулярности и вариантности действий. Сюда же относится вопрос об активизации отдыха (о производственной гимнастике, о смене рабочих мест, о функциональной музыке и др.) Для отдыха должны быть представлены специальные зоны, соответствующие требованиям технической.

6. ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

В настоящее время - время бурного развития и внедрения, постоянно совершенствующихся и обновляющихся технологий производства конечной продукции - все больше внимания стало уделяться влиянию этих новых технологий на окружающую среду. Сейчас повсеместно открываются новые заводы и фабрики и никто не обращает внимание на экологическую зону, находящуюся под надзором этого предприятии. В результате чего следуют грубые нарушения правил природопользования со стороны предприятия, самое распространенное - загрязнение близлежащих водоемов и рек сбрасываемыми отходами производства. Эти действия уничтожают многих обитателей животного и растительного мира; загрязняют пресную воду нефтью и отходами нефтепродуктов, веществами органического и минерального происхождения; загрязняют почву токсичными веществами, золой, промышленными отходами, кислотами, соединениями тяжелых металлов и др. Также распространены случаи загрязнения атмосферы. Атмосфера загрязняется промышленными выбросами, содержащими оксиды серы, азота, углерода, углеводороды, частицы пыли. Такие случаи не единичны, поэтому все государства всерьез задумались о контроле соблюдения правил природопользования. Создаются специальные службы, комитеты и т.д. следящие за соблюдением правил природопользования со стороны предприятий. Поэтому новые проекты производства должны проходить экологическую экспертизу. Экологическая экспертиза - система комплексной проверки всех возможных экологических и социально-экономических последствий осуществления проектов и реконструкций, направленная на предотвращение их отрицательного влияния на окружающую среду и на решение намеченных задач с наименьшими затратами ресурсов.

Для развития и соблюдения правил природопользования, также применяется экологическое образование. Во многих учебных заведениях, в том числе и в нашем оно тоже существует. Вопросами развития окружающей среды занимается экология - наука о взаимоотношении живых организмов и среды их обитания. Рациональное решение экологических проблем возможно лишь при оптимальном взаимодействии природы и общества.

Исходя из такого положения вещей, производство продукции и сама продукция не должны никоим образом загрязнять окружающую среду. Поэтому на предприятиях используются разного рода очистные сооружения. Методика очистки промышленных выбросов по характеру протекания физико-химических процессов делят на 4 группы:

- промывка выбросов растворителями примесей (абсорбция);

- промывка выбросов растворами реагентов, связывающих примеси химически (хемосорбция);

- поглощение газообразных примесей твердыми активными веществами (адсорбция);

- термическая нейтрализация отходящих газов и поглощение примесей путем применения каталитического превращения.

При разработке устройства были соблюдены правила природопользования. Данная конструкция не загрязняет окружающую среду в процессе своей работы. При производстве печатной платы необходимо соблюдать технику безопасности, тогда никаких вредных воздействий на окружающую среду и человека не будет. Устройство не излучает никаких вредных для здоровья человека и природы излучений. Радиоэлементы, на которых собрано устройство не оказывают вредных воздействий на окружающую среду и человека. Устройство может быть утилизировано как бытовой отход.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта была рассчитана линейная электрическая цепь постоянного тока, однофазная линейная электрическая цепь переменного тока и трехфазная линейная электрическая цепь переменного тока. На основе расчетов, была построена векторная диаграмма токов и напряжений по однофазной и трехфазной линейной электрической цепи переменного тока.

В данном курсовом проекте были рассмотрены вопросы, касающиеся энерго- и материалосбережения, охраны труда и окружающей среды.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. -- Учебное пособие. -- М.: Высшая школа, 1983. -- 463 с.

2. Калашников С. Г. Электричество. -- Учебное пособие. -- М.: Физматлит, 2003. -- 625 с.

3. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. -- 11-е издание. -- М.: Гардарики, 2007.

4. Л.А.Бессонов. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. Издание девятое переработанное и дополненное. Москва, "Высшая школа", 1996

5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. -- М.: Гардарики, 2002. -- 638 с. --ISBN 5-8297-0026-3.

6. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. -- М.: Высшая школа, 1996. -- 224 с.. --ISBN 5-8297-0159-6

7. Зернов Н. В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. -- М. -- Л.: Энергия, 1965. -- 892 с.

8. Джонс М. Х. Электроника -- практический курс. -- М.: Техносфера, 2006. -- 512 с. ISBN 5-94836-086-5

9. Tildon H. Glisson. Introduction to Circuit Analysis and Design. -- Springer, 2011. -- P. 768. -- ISBN9789048194421.

10. Электротехника: Учеб. для вузов/А. С. Касаткин, М. В. Немцов.-- 7-е изд., стер.-- М.: Высш. шк., 2003.-- 542 с.: ил. ISBN 5-060003595-6

11. Попов В. С. Теоретическая электротехника. М.: Энегоатомиздат, 1990.

12. Евдокимов Ф. Е. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1999.

13. Константинов В. И., Симонов А. Ф., Федоров-Королев А. А. Сборник задач по теоретической электротехнике. М.: Энергия, 1975.

14. Зайчик М. Ю. Сборник задач и упражнений по теоретической электротехнике. М.: Энергоатомиздат, 1988.

15. Третье правило Лоторейчука: расстановка знаков в уравнениях, составленных по второму закону Кирхгофа/ Е.А. Лоторейчук.-пат. №7265,23.04.2004.

Размещено на Allbest.ru