Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методичка по ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ (часть 1).doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
6 Мб
Скачать
☆

6. Применение математического пакета «mathcad 11» для решения задач электротехники

Решение рассмотренных в пособии задач целесообразно выполнять, используя математический пакет «Mathcad 11».

Ввод математических выражений и выполнение простых расчетов.

После запуска пакета «Mathcad 11» появляется основное окно приложения, оно имеет ту же структуру, что и большинство приложений Windows. Сверху вниз располагаются заголовок окна, строка меню, панели инструментов (стандартная и форматированная) и рабочий лист или рабочая область документа. Новый документ создается автоматически при запуске Mathcad. В самой нижней части окна находится строка состояния.

В пакете имеется панель инструментов Math (Математика). С помощью этой панели удобно осуществлять ввод уравнений. Для выполнения простейших расчетов необходимо выполнить следующее:

- определить место в документе, где должно появиться выражение, щелкнув мышью в соответствующей точке документа;

- ввести левую часть выражения;

Ввести знак равенства <=>.

Листинг 1. Расчета простого выражения:

Более сложные вычисления можно выполнять при помощи встроенных функций. Для того чтобы ввести встроенную функцию в выражение нужно:

- определить место в выражении, куда следует вставить функцию;

- нажать кнопку с надписью f(x) на стандартной панели инструментов;

- в списке Function Category (Категория функции) появившегося диалогового окна Insert Functtion Name (Вставить функцию) выбрать категорию, к которой принадлежит функция – в нашем случае это категория Trigonometric (Тригонометрические);

- в списке Functtion (Имя функции) выбрать имя встроенной функции, под которым она фигурирует в Mathcad;

- нажать кнопку ОК- функция появится в документе;

- заполнить недостающие аргументы введенной функции и поставить знак равенства, справа от которого появится результат вычислений.

Листинг 2. Расчет простого выражения с применением математической функции

В Mathcad имеются специальные панели инструментов, одна из которых Math- служит для вставки в документы математических объектов (операторов, графиков, элементов программ и т.д.). Панель содержит кнопки, нажатие каждой из которых приводит к появлению на экране еще одной панели инструментов. Одной из таких панелей является панель Calculator (Калькулятор). С помощью этой панели можно ввести выражение для простых расчетов. Например, для определения нужно нажать кнопку и набрать подкоренное выражение, затем на этой же панели, кнопку =, чтобы получить ответ.

Листинг 3. Вычисление квадратного корня числа

Наибольший интерес представляет возможность задания переменных и операций с функциями. Для этого необходимо воспользоваться оператором присвоения, который применяется для задания значений переменным, его можно ввести с панели Calculator. Присвоение обозначается символом «:=», чтобы подчеркнуть его отличие от операции вычисления.

Листинг 4. Определении функции и расчет ее значения в точке х=2

Внимание: Большую часть окна Mathcad занимает рабочая область, в которую пользователь вводит математические выражения. При этом порядок размещения вводимых переменных и формул должен быть слева направо и сверху вниз, в противном случае появляется сообщение о том, что переменные не определены (неопределенные переменные выделяются красным цветом).

ТИПЫ ДАННЫХ

Наиболее простой ввод-вывод данных в Mathcad реализован присваиванием и выводом (либо численным, либо символьным) непосредственно в документе. Основными типами данных, обрабатываемых прцессорами системы Mathcad являются:

▲ числа (действительные, комплексные, встроенные константы)- Mathcad хранит все числа в формате двойной точности с плавающей точкой;

▲ строки- любой текст, заключенный в кавычки;

▲ массивы - упорядоченные последовательности чисел и строк.

Действительные числа.

Любое выражение, начинающееся с цифры Mathcad, интерпретирует как число. Поэтому вводить числа можно в наиболее подходящем представлении: как целое число, как десятичное число с любым количеством цифр после точки, в представлении с порядком, для чего после ввода числа печатается символ умножения и вводится 10 в нужной степени.

Листинг 5. Ввод действительных чисел

Комплексные числа.

Большинство операций в среде Mathcad по умолчанию осуществляется над комплексными числами. Комплексное число является суммой действительного и мнимого числа, получающегося путем умножения любого действительного числа на мнимую единицу i (или j). Для использования j вместо i, нужно в списке Imaginary Value (Мнимое значение) диалогового окна Result Format (Формат результата) доступного по команде Format/ Result/Display Options (Формат/ Результат/ Опции отображения) указать смену представления мнимой части числа.

Внимание: Для ввода мнимой единицы надо нажать клавиши 1, затем i. Если просто ввести i, то Mathcad воспримет ее как переменную.

Листинг 6. Комплексные числа

Операции с комплексными числами выполняются как операции с действительными числами.

Листинг 7. Операции с комплексными числами

МАССИВЫ

Массивами называют упорядоченные последовательности чисел или элементов массива. Доступ к любому элементу массива возможен по его индексу, т.е. номеру в последовательности чисел. Для решения рассмотренных задач электротехники используются векторы (одноиндексные массивы, листинг 8) и матрицы (двухиндексные, листинг 9).

Листинг 8. Вектор (x0=12 , x1=6 , x2 =3)

Листинг 9. Двумерный массив (матрица) (z0,0= 3, z0,1=-5, z 1,0=4, z1,1=10, z2,0 =12, z2,1=6)

ОПРЕДЕЛИТЕЛЬ КВАДРАТНОЙ МАТРИЦЫ.

Определитель (Determinant) матрицы обозначается стандартным математическим символом. Чтобы ввести оператор нахождения определителя матрицы, можно нажать кнопку (Определитель) на панели инструментов Matrix (Матрица) ( рис. 25) или набрать на клавиатуре <I> ( нажав клавиши <Shift>+<\>). В результате любого из этих действий появится местозаполнитель, в который следует поместить матрицу. Чтобы вычислить определитель матрицы нужно:

1. Переместить курсор в документе таким образом, чтобы поместить матрицу между линиями ввода (линия ввода - это вертикальный и горизонтальный отрезки синего цвета, образующие уголок, указывающий на текущую область редактирования).

2. Вввести оператор нахождения определителя матрицы.

3. Ввести знак равенства, чтобы вычислить определитель.

Листинг 10 демонстрирует нахождение определителей для матрицы примера 1. Чтобы вычисления были достаточно точными, необходимо иметь четыре знака после запятой.

Расчет определителя Δ

Рис. 25

Листинг 10. Нахождение определителей матриц

Расчет определителя Δ1

Расчет определителя Δ2

Расчет определителя Δ2

СИСТЕМА ЛИНЕЙНЫХ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ.

Система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) в матричной форме имеет вид: А∙х = b , где А- матрица коэффициентов СЛАУ размерности n x n, х- вектор неизвестных, b - вектор правых частей уравнений. В Mathcad СЛАУ можно решить, используя встроенную функцию lsolve(A,b) – решение системы линейных уравнений. Применение функции lsolve показано в листинге 11 для решения системы алгебраических уравнений примера 1.

Листинг 11. Решение системы линейных алгебраических уравнений

7. ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

ЗАДАНИЕ 1

Для схемы, соответствующей варианту задания, в соответствии с исходными данными, приведенными в таблице 1, выполнить следующее:

1. Составить системы уравнений по первому и второму законам Кирхгофа.

  1. Составить уравнения методом узловых потенциалов и методом контурных токов.

  2. Определить токи в ветвях схемы, решив уравнения, составленные одним из методов в п.2. ( по заданию преподавателя).

  3. Составить баланс мощностей.

  4. Построить потенциальную диаграмму для контура, содержащего вольтметр.

  5. Определить показания вольтметра.

ЗАДАНИЕ 2

Для схемы, соответствующей варианту задания, в соответствии с исходными данными, приведенными в таблице 2, выполнить следующее:

1. Записать в алгебраической, показательной, тригонометрической формах комплексные выражения для ЭДС и полных сопротивлений.

2. Записать уравнения методом контурных токов.

3. Определить действующие значения напряжений на участках цепи и токи в ветвях электрической цепи методом эквивалентирования.

  1. Построить векторную диаграмму токов и напряжений.

  2. Составить баланс мощностей.

ЗАДАНИЕ 3

В соответствии с исходными данными, соответствующими варианту задания и приведенными в табл.3 , выполнить следующее:

2. Определить фазные и линейные токи (ток в нулевом проводе для четырехпроводной схемы).

3. Активную, реактивную и полные мощности нагрузки.

4. Построить векторные диаграммы токов и напряжений на комплексной плоскости.

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

Рисунок 12

Рисунок 13

Рисунок 14

Рисунок 15

Рисунок 16

Рисунок 17

Рисунок 18

Рисунок 19

Рисунок 20

Рисунок 21

Рисунок 22

Рисунок 23

Рисунок 24

Рисунок 25

Рисунок 26

Рисунок 27

Рисунок 28

Рисунок 29

Рисунок 30

Рисунок 31

Рисунок 32

Рисунок 33

Рисунок 34

Рисунок 35

Рисунок 36

Рисунок 37

Рисунок 38

Рисунок 39

Рисунок 40

Рисунок 41

Рисунок 42

Рисунок 43

Рисунок 44

Рисунок 45

Рисунок 46

Рисунок 47

Рисунок 48

Рисунок 49

Рисунок 50

Рисунок 51

Рисунок 52

Рисунок 53

Рисунок 54

Рисунок 55

Рисунок 56

Рисунок 57

Рисунок 58

Рисунок 59

Рисунок 60

Таблица 1.

Номера

E1

E2

E3

E4

R1

R2

R3

R4

R5

R6

Вариантов

рисунков

B

B

B

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

Ом

1

1

4

9

18

-

2

10

4

8

10

2

2

2

21

4

10

-

5

4

2

8

1

1

3

3

6

20

4

-

4

5

4

4

2

2

4

4

10

6

24

-

5

5

8

8

4

1

5

5

5

16

30

-

8

4

5

2

5

4

6

6

14

25

26

-

5

2

8

2

2

8

7

7

16

5

32

-

10

2

2

4

1

5

8

8

36

10

25

-

4

8

2

1

2

8

9

9

55

18

4

-

8

4

5

2

4

4

10

10

22

24

10

-

2

1

8

4

10

8

11

11

8

40

10

-

5

4

4

4

2

1

12

12

40

25

8

-

4

2

2

4

5

2

13

13

5

10

36

-

1

8

5

2

2

2

14

14

10

32

10

-

1

4

1

8

2

5

15

15

30

16

10

-

2

5

4

1

8

5

16

16

12

30

25

-

1

5

1

1

8

4

17

17

3

66

9

-

1

4

2

2

8

5

18

18

36

9

24

-

5

4

2

1

5

1

19

19

54

27

3

-

8

4

1

4

2

2

20

20

15

63

6

-

5

4

1

2

10

4

21

21

9

6

27

-

4

2

8

10

4

5

22

22

12

30

9

-

5

2

5

5

1

5

23

23

12

48

6

-

2,5

1

4

10

2

2

24

24

72

12

4

-

8

1

10

4

10

4

25

25

8

6

36

-

4

2

1

8

8

8

26

26

12

6

40

-

2

5

8

5

8

8

27

27

12

36

12

-

5

5

1

5

8

10

28

28

48

12

6

-

4

4

2

10

8

2

29

29

16

8

9

-

2

8

8

5

10

5

30

30

4

24

6

-

8

8

1

10

10

4

31

31

4

9

18

-

2

10

4

8

10

2

32

32

21

4

10

-

5

8

2

8

1

1

33

33

6

20

4

-

4

5

4

4

5

5

34

34

10

6

24

-

5

5

8

8

8

1

35

35

5

16

30

-

8

4

4

2

5

5

36

36

20

22

9

-

1

2

8

4

8

4

37

37

14

25

28

-

5

2

8

2

2

8

38

38

16

5

32

-

10

5

2

4

1

5

39

39

36

10

25

-

4

8

8

1

2

2

40

40

55

18

4

-

8

4

5

2

4

4

41

41

15

20

25

10

5

2

1

4

8

4

42

42

8

12

15

10

5

2

1

4

8

-

43

43

20

6

1

10

5

2

8

4

10

10

44

4

10

6

16

-

5

2

8

4

10

5

45

45

10

30

20

10

5

2

8

4

5

2

46

46

30

20

10

-

4

5

8

2

2

1

47

47

30

20

10

10

4

5

8

4

4

-

48

48

16

18

14

2

5

5

8

10

5

4

49

49

30

20

10

10

4

10

8

2

4

2

50

50

16

8

4

-

5

5

8

10

4

5

51

51

12

48

6

-

2,5

1

4

2,5

2

2

52

52

12

36

12

10

5

5

1

5

8

-

53

53

12

48

16

8

2,5

4

2

10

2

2

54

54

8

6

36

10

5

2

1

8

8

-

55

55

18

20

36

15

5

2

1

5

8

8

56

56

12

16

40

10

2

5

8

5

8

8

57

57

12

36

24

-

5

5

1

5

8

8

58

58

48

12

6

-

4

4

2

10

8

2

59

59

25

18

30

-

2,5

8

5

5

10

5

60

60

20

24

16

-

10

8

1

5

10

4

СХЕМЫ К ЗАДАНИЮ 2

Р исунок 1 Рисунок 2

Рисунок 3 Рисунок 4

Р исунок 5 Рисунок 6

Рисунок 7 Рисунок 8

Рисунок 9 Рисунок 10

Рисунок 11 Рисунок 12

Рисунок 13 Рисунок 14

Рисунок 15 Рисунок 16

Р исунок 17 Рисунок 18

Р исунок 19 Рисунок 20

Рисунок 21 Рисунок 22

Рисунок 23 Рисунок 24

Рисунок 25 Рисунок 26

Рисунок 27 Рисунок 28

Рисунок 29 Рисунок 30

Рисунок 31 Рисунок 32

Рисунок 33 Рисунок 34

Рисунок 35 Рисунок 36

Рисунок 37 Рисунок 38

Рисунок 39 Рисунок 40

Рисунок 41 Рисунок 42

Рисунок 43 Рисунок 44

Рисунок 45 Рисунок 46

Таблица 2

Номера

E1

R 1

L 1

C 1

R 2

L 2

C 2

R 3

L 3

C 3

Вари-антов

Рисун-ков

F,

Гц

B

Ом

мГн

мкФ

Ом

мГн

мкФ

Ом

мГн

мкФ

1

1

50

100

12,78

637

2

4

2

2

50

80

15,92

1592

4

398

3

3

50

120

12,74

398

5

25,4

4

4

60

100

15,92

663

663

26,54

5

5

60

80

10,62

4

21,23

6

6

60

50

13,78

531

265

663

7

7

60

60

4

332

10,63

8

8

60

50

13,27

265

1327

8

9

9

60

80

10

531

265

10

10

60

100

8

10,62

21,23

11

11

60

120

13,27

5

265

12

12

50

80

12,74

5

10

13

13

50

60

637

4

31,85

14

14

50

50

1592

8

4

15

15

50

100

796

4

398

16

16

50

120

4

796

8

398

17

17

60

150

10

531

1327

265

18

18

60

120

4

1327

10,62

2

19

19

60

100

5

15,92

10

221

20

20

60

50

4

531

12

21

21

60

60

5

442

10,62

15,92

Продолжение табл. 2

Номера

E1

R 1

L 1

C 1

R 2

L 2

C 2

R 3

L 3

C 3

Вариан-тов

рисунков

f,

Гц

B

Ом

мГн

мкФ

Ом

мГн

мкФ

Ом

мГн

мкФ

22

22

50

80

15,92

31,85

8

398

23

23

50

100

8

25,4

796

2

24

24

50

120

10

637

318

25

25

50

80

2

10

398

1592

26

26

50

80

637

12

265

27

27

50

60

2

4

796

15,92

531

28

28

50

60

4

12,74

1592

531

29

29

50

50

8

6,4

12,74

2

30

30

50

50

5

19,92

10

19,1

796

31

31

50

100

5

10

1592

15

6,4

32

32

60

100

1327

663

5

21,23

265

33

33

60

120

2

4

8

13,27

1327

34

34

60

120

4

5,31

2

663

4

1327

35

35

60

80

10

5,31

1327

2

663

2

36

36

60

80

4

5,31

1327

10,62

8

663

37

37

60

80

2

1327

2

5,31

2

1327

38

38

60

60

663

4

332

8

221

39

39

60

60

5

1327

10

5

531

40

40

60

60

4

10,62

663

4

2

663

41

41

50

100

5

15,92

637

5

5

31,85

42

42

50

50

4

796

19,1

4

43

43

50

80

5

12,74

10

12,74

5

12,74

796

44

44

50

100

2

1592

2

6,4

4

6,4

1592

45

45

50

120

4

12,74

796

8

796

2

796

1592

46

46

50

100

5

12,74

796

10

796

25,4

795

47

9

50

60

4

531

398

48

8

50

50

15,92

637

265

4

49

7

50

100

5

796

19,1

50

34

50

120

8

12,74

4

796

8

398

51

35

50

150

6

19,1

531

6

531

6

52

36

50

120

2

19,92

1592

12,74

2

398

53

37

50

100

5

1592

5

12,74

5

637

54

38

50

50

637

8

1532

4

637

55

39

50

60

4

12,74

4

4

12,74

56

40

50

100

8

6,4

796

4

4

398

57

11

50

120

12,74

4

796

58

12

50

80

6,4

10

5

59

13

50

50

637

2

25,4

60

14

50

50

796

5

10

СХЕМЫ К ЗАДАНИЮ 3

Рис.1 Рис.2

Рис.3 Рис.4

Рис.5 Рис.6

Рис.7 Рис.8

Рис.9 Рис.10

Рис.11 Рис.12

Рис.13 Рис.14

Рис.15 Рис.16

Рис.17 Рис.18

Рис.19 Рис.20

Рис.21 Рис.22

Рис.23 Рис.24

Таблица 3

Номера

UЛ, В

Rа, Ом

Rв,

Ом

Rс,

Ом

Ха,

Ом

Хв,

Ом

Хс,

Ом

Rав, Ом

Rвс,

Ом

Rса,

Ом

Хав,

Ом

Хвс,

Ом

Хса,

Ом

Вариантов

рисунков

1

1

220

9

-

-

-

10

4

-

-

-

-

-

-

2

2

380

4

10

5

5

4

2

-

-

-

-

-

-

3

3

660

-

4

-

4

5

4

-

-

-

-

-

-

4

4

220

6

24

8

5

5

8

-

-

-

-

-

-

5

5

380

-

30

-

8

4

5

-

-

-

-

-

-

6

6

660

25

26

5

5

2

8

-

-

-

-

-

-

7

7

220

5

32

10

10

2

2

-

-

-

-

-

-

8

8

380

10

25

5

4

8

2

-

-

-

-

-

-

9

9

660

15

4

-

8

4

5

-

-

-

-

-

-

10

10

220

24

10

-

2

1

8

-

-

-

-

-

-

11

11

380

10

-

5

5

4

4

-

-

-

-

-

-

12

12

660

25

-

8

4

2

2/4

-

-

-

-

-

-

13

13

220

10

-

5

-

8

5

-

-

-

-

-

-

14

14

380

12

10

8

4

8

4

-

-

-

-

-

-

15

15

660

-

-

-

-

-

-

4

8

12

4

8

5

16

16

220

-

-

-

-

-

-

5

10

15

3

6

4

17

17

380

-

-

-

-

-

-

2

8

12

10

5

5

18

18

660

-

-

-

-

-

-

8

5

10

12

4

8

19

19

220

-

-

-

-

-

-

4

2

6

8

4

2

20

20

380

-

-

-

-

-

-

2

-

14

10

8

-

21

21

660

-

-

-

-

-

-

-

-

6

8

5

-

22

22

220

-

-

-

-

-

-

5

-

8

4

4

-

23

23

380

-

6

-

5

8

4

-

-

-

-

-

-

24

24

660

-

4

10

8

2

10

-

-

-

-

-

-

25

1

220

4

-

-

-

10

8

-

-

-

-

-

-

26

2

380

10

5

5

15

8

4

-

-

-

-

-

-

27

3

660

-

6

-

6

5

4

-

-

-

-

-

-

28

4

220

16

14

8

10

5

8

-

-

-

-

-

-

29

5

380

-

10

-

8

14

15

-

-

-

-

-

-

30

6

660

20

2

5

10

4

8

-

-

-

-

-

-

31

7

220

5

3

5

10

6

2

-

-

-

-

-

-

32

8

380

15

20

5

8

8

4

-

-

-

-

-

-

33

9

660

10

2

-

6

4

5

-

-

-

-

-

-

34

10

220

12

12

-

6

4

8

-

-

-

-

-

-

35

11

380

10

-

4

4

6

6

-

-

-

-

-

-

36

12

660

20

-

5

10

2

8/5

-

-

-

-

-

-

37

13

220

10

-

5

-

8

5

-

-

-

-

-

-

38

14

380

4

6

18

4

8

16

-

-

-

-

-

-

39

15

660

-

-

-

-

-

-

14

8

16

8

4

15

40

16

220

-

-

-

-

-

-

15

12

10

6

6

4

41

17

380

-

-

-

-

-

-

12

8

2

8

5

5

42

18

660

-

-

-

-

-

-

8

5

12

6

14

5

43

19

220

-

-

-

-

-

-

6

12

8

8

6

2

44

20

380

-

-

-

-

-

-

2

-

10

10

10

-

45

21

660

-

-

-

-

-

-

-

-

8

18

15

-

46

22

220

-

-

-

-

-

-

15

-

18

6

6

-

47

23

380

-

16

-

15

3

3

-

-

-

-

-

-

48

24

660

-

14

10

6

8

10

-

-

-

-

-

-

Приложение

Образец титульного листа расчетно-графической работы

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ