Анализ цепей синусоидального тока Метод законов Кирхгофа Векторные диаграммы Резонанс в электрических цепях Топологические методы расчета Расчет сложных трехфазных цепей Теория нелинейных цепей Уравнения Максвелла

Электротехника. Расчет электрических цепей в задачах курсового расчетах

Метод двух узлов

Метод двух узлов является частным случаем метода узловых потенциалов при числе узлов в схеме n = 2. Пусть требуется выполнить расчет режима в заданной схеме (рис. 20).



Принимаем j0 = 0, тогда уравнение для узла 1 по методу узловых потенциалов будет иметь вид: j1G11 = J11, откуда следует непосредственное определение напряжения между узлами схемы:

   - уравнение метода двух узлов.

  Применительно к схеме рис. 20 данное уравнение примет конкретную форму:

.

Токи в ветвях схемы определяются из потенциальных уравнений:

7. Принцип наложения. Метод наложения

Принцип (теорема) наложения гласит, что ток в любой ветви (напряжение на любом элементе) сложной схемы, содержащей несколько источников, равен алгебраической сумме частичных токов (напряжений), возникающих в этой ветви (на этом элементе) от независимого действия каждого источника в отдельности. Для упрощения доказательства теоремы выберем одну из наружных ветвей сложной схемы за номером 1, в которой действительный ток равен контурному: I1 = Ik1. Составим для сложной схемы систему контурных уравнений  и решим ее относительно тока I1 = Ik1 методом определителей (Крамера):

Здесь G11 – входная проводимость ветви 1, G12, G13, …, G1n– взаимные проводимости между 1-й и остальными ветвями, I11 = E1G11 – частичный ток в ветви 1 от источника ЭДС  E1, I12 = E2G12, …, I1n = EnG1n – частичные токи в ветви 1 от источников ЭДС E2,…, En.

Принцип наложения выполняется только для тех физических величин, которые описываются линейными алгебраическими уравнениями, например, для токов и напряжений в линейных цепях. Принцип наложения не выполняется для мощности, которая с током связана нелинейным уравнением P=I2×R.

Принцип наложения лежит в основе метода расчета сложных цепей, получившего название метода наложения. Сущность этого метода состоит в том, что в сложной схеме с несколькими источниками последовательно рассчитываются частичные токи от каждого источника в отдельности. Расчет частичных токов выполняют, как правило, методом преобразования схемы. Действительные токи определяются путем алгебраического сложения частичных токов с учетом их направлений.

Пример. Задана схема цепи (рис. 21) и параметры ее элементов: E1 =12 B; E2 =9 B; R1= R2 =R3 = 2 Ом. Требуется определить токи в ветвях схемы методом наложения.

 


На рис. 22а представлена схема цепи для определения частичных токов от источника ЭДС Е1, а на рис. 22б - от источника ЭДС Е2.











Частичные токи в схеме рис. 22а от E1:

Ом;  I11= E1/R11=12/3 = 4A; I21= I31= 2А.

Частичные токи в схеме рис. 22б от E2:

Ом; I22 = E2/R22 = 9/3 = 3A; I12= I32 = 1,5А.

Действительные токи как алгебраические суммы частичных токов:

I1 = I11 - I12 = 4 – 1,5 = 2,5 A

I2 = - I21 + I22 = -2 + 3 =1 A

I3 = I31+ I32 = 2 + 1,5 =3,5 A

8. Теорема о взаимности

Выделим из сложной схемы две произвольные ветви “m” и “n”, в одной из которых включен источник ЭДС E (в ветви m). Теорема о взаимности гласит, что если источник ЭДС E, включенный в ветви “m”, вызывает в ветви “n” частичный ток I , то такой же источник ЭДС E, включенный в ветвь “n”, вызовет в ветви “m” такой же частичный ток I (рис.23) .





Доказательство теоремы о взаимности вытекает из принципа наложения. Частичные токи равны:

- для схемы рис. 23а, - для схемы рис. 23б.

Так как взаимные проводимости в линейной цепи равны (Gmn= Gnm), то соответственно равны токи в обеих схемах.

9. Теорема о компенсации

Формулировка теоремы: любой пассивный элемент электрической схемы можно заменить а) идеальным источником напряжения с ЭДС, равной напряжению на этом элементе (E=U) и направленной навстречу току, б) идеальным источником тока J, равным току в этом элементе (J=I) и направленным согласно току I.

Выделим пассивный элемент Rk с током Ik и напряжением Uk из схемы цепи (рис. 24а). Для доказательства п. а) теоремы включим последовательно с элементом Rk навстречу друг другу два идеальных источника ЭДС  (рис. 24б). Такое включение источников ЭДС не вызовет изменения режима сложной схемы, так как их действие взаимно компенсируются. Cоставим потенциальное уравнение между точками “a” и “d” :

, откуда следует, или   .

Точки “a” и “d”, как точки равного потенциала, можно закоротить и закороченный участок “a- d” из схемы удалить без нарушения ее режима. В результате удаления закороченного участка схема получает вид рис. 24в, в которой пассивный элемент Rk заменен идеальным источником ЭДС .

Для доказательства п. б) теоремы включим параллельно с элементом Rk два идеальных источника тока , направленные навстречу друг другу (рис. 25б).

Такое включение источников тока  не вызовет изменения режима сложной схемы, так как их действия взаимно компенсируются. С другой стороны, ток в ветви “a- c” равен нулю ( и эту ветвь можно отключить без нарушения режима остальной части схемы. В результате отключения схема получает вид рис. 25в, в которой пассивный элемент Rk заменен идеальным источником тока Jk=Ik .

10. Теорема о линейных отношениях

Формулировка теоремы: если в произвольной к-ой ветви сложной схемы изменяется ЭДС источника Ek или сопротивление резистора Rk, то параметры режима в двух других ветвях (например, 1 и 2, I1 и I2, U1 и U2, U1 и I2, I1 и U2 ) изменяются так, что между ними сохраняется линейная зависимость (и т.д.).

Пусть изменяется ЭДС Eк. В соответствии с принципом наложения ток каждой ветви равен сумме частичных токов от каждого источника в отдельности:

Исключим из уравнений переменную величину Eк путем подстановки:

, что требовалось доказать.

Если в схеме изменяется сопротивление резистора , то для доказательства теоремы о линейных отношениях переменный резистор  следует заменить в соответствии с теоремой о компенсации переменной ЭДС  и повторить доказательство.


Методы расчета электрических полей постоянного тока