Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Электротехинка и электроника (Брякин).doc
Скачиваний:
2
Добавлен:
01.03.2025
Размер:
1.59 Mб
Скачать

1.7. Расчёт схемы методом эквивалентных преобразований

При расчётах сложных цепей целесообразно производить по возможности упрощение схемы путём замены последовательно или параллельно включенных резисторов одним. Такие преобразования позволяют во многих случаях суще­ственно упростить схему, исключив необходимость решения сложной системы уравнений. Используемые при этом эквивалентные преобразования хорошо из­вестны. Известно, что сопротивление последовательно включенных резисторов равно их сумме:

i

где Rэ - эквивалентное сопротивление последовательно включенных рези­сторов с известными сопротивлениями Ri.

Сопротивление параллельно включенных резисторов определяется из ра­венства:

Если используются проводимости параллельных ветвей gi, то эквивалент­ное сопротивление Rэ может быть рассчитано из выражения:

Пример: В качестве примера применения эквивалентных преобразований рассмотрим порядок преобразований и расчёта предложенной ниже на рисунке 1.9а схемы.

а) б) в)

Рисунок 1.9 Резисторы R3, R4, R5 включены параллельно, что даёт возможность за­менить этот участок цепи одним резистором Ra (смотри рисунок 1.9б) с сопро­тивлением, определяемым из выражения:

1/Ra=1/R3+1/R4+1/R5. Это позволяет использовать формулу сопротивления последовательного соединения резисторов R1, R2, Ra и заменить все три резистора одним, как по­казано на рисунке 1.9в. При этом справедливо, что Rb=R1+Ra+R2. Задача рас­чёта тока в цепи источника э.д.с. E1 сводится к закону Ома: I1=I2=E1/Rb. Далее следует расчёт падения напряжения на резисторе Ra:

Ua = RaI1 . Это позволяет определить токи в резисторах R3, R4, R5 из выражений:

I3 =Ua/ R3,I4 =Ua/ R4,I5 =Ua/ R5.

Можно заметить, что метод эквивалентных преобразований не требует составления системы уравнений и кажется достаточно наглядным.

Задание: В предложенной схеме проверьте правильность расчётов со­противлений Ra, Rb, рассчитайте токи во всех ветвях цепи и проверьте ре­зультаты моделированием на компьютере.

В процессе эквивалентных преобразований схемы может возникнуть та­кая ситуация, когда упомянутые эквивалентные преобразования непосредст­венно к цепи применить невозможно. Примером подобной схемы может слу­жить цепь, предложенная на рисунке 1.10а. Можно заметить, что резисторы R2, R3, R5 между собой соединены треугольником. Возникает проблема эквива­лентного преобразования соединения «треугольник» в соединение, известное под названием «звезда».

Замена «треугольника» на «звезду» позволяет прийти к схеме, предло­женной на рисунке 1.10б. Легко заметить, что полученная схема значительно проще для анализа, поскольку последовательно включенные два резистора в каждой ветви могут быть заменены при анализе одним резистором с учётом следующих равенств:

Ra = R1+ R1' ; Rb = R4 + R2' ; Rc = R6+ R5'.

а) б)

Рисунок 1.10 Задание: проверьте эквивалентность предложенных на рисунке 1.10 схем с учётом номинальных значений сопротивлений резисторов путём

моделирования и расчётом с использованием формул эквивалентных пре­образований треугольника в звезду, предлагаемых ниже. Эквивалентное преобразование «треугольника» в «звезду» и наоборот осуществляется с учётом сохранения потенциалов узловых точек и токов во внешней по отношению к преобразуемому участку схеме. Рассмотрим процеду­ру преобразования «звезды» в «треугольник». Схемы «звезды» и «треугольни­ка» предложены на рисунках 1.11а и 1.11б.

II

1

13

12

I31 R31

φЗ yS R^

13 /*'

J -Ч

Ъз

II

i12

12

а) б)

Рисунок 1.11

Преобразование схем будет эквивалентным, если сохранятся токи I1, I2, I3 в узлах 1, 2, 3 и сохранятся узловые потенциалы φ1, φ2, φ3.

При анализе предложенных схем удобнее использовать проводимости вместо сопротивлений резисторов:

g1 =1/ R1;g2 =1/ R2;g3 =1/ R3; g12 =1/ R12;g23 =1/ R23;g31 =1/ R31.

Для предложенной на рисунке 10а звезды справедливо следующее равен­ство:

I1+ I2 + I3 = 0.

Выразим токи через разности потенциалов и проводимости ветвей схемы «звезда»:

Л = (y(pi -(p0)-gxJ2 = (ср2 -(p0)-g2;I3 = (сръ -ср0).

Подставив значения токов в равенство, получим:

Я\ ' <Р\ + §2 ' <Р2 + §3 ' <Ръ = (Я\ + §2 + §3 ) ' <Ро ■ ■

Пусть gj + g2 + g3 = а. Выразим потенциал точки 0:

#1 #9 Яъ

<Ро = <Р\ ' + Ч>2 + Рз

а а а

Выразим значение тока II с учётом потенциала нулевой точки:

#1 £Ч Я^ %i (#9 + Я т.) Я) ■ Яч Я1 ■ Я^

Л = Я\ ■ Я>\ - Я\ ■ {<Р\ ■ + Ч>2 ' + Рз ' ) = —^ • (Р\ - Я>2 - ' Я>з ■

а а а а а а

Для предложенной на рисунке 10б схемы «треугольника» для тока II

справедливо:

Л = 1и - 1Ъ1 =(х-2)- Яп - (<Рз - <Р\ ) Я\3 = (#12 + Я\3 ) ' <Р\ ~ Яп ' Я>2 ~ Я\3 ' Я>3

Можно заметить, что ток II первого узла в обеих схемах выражается че­рез значения потенциалов узловых токов. При эквивалентности схем ток II одинаков для обеих схем. Это возможно только в том случае, если коэффициен­ты при узловых потенциалах в последних двух уравнениях для токов II будут равны. То есть должны быть справедливы следующие равенства:

Я\ ' Я2 Я\' Яз

Я\2 = ><?13 =

Я\ + Я 2 + Яз Я\ + Я 2 + Яз

Коэффициенты при потенциале первого узла φi приводят к громоздкому выражению, поэтому использовать это выражение нецелесообразно. Но если повторить предложенные выше преобразования для тока 12 или 13, то можно получить следующее равенство, подобное полученным выражениям для прово-димостей gi3 и g12:

Я 2 ' Яз

Я 23 -

Я\ + Я 2 + Яз

Выразим значения сопротивлений резисторов «треугольника» (R12, R23, R3i) через значения сопротивлений «звезды» (Rl, R2, R3), пользуясь известным

соотношением: gi = \IRi и полученными формулами преобразований проводи-

мостей [1].

Выполните необходимые преобразования самостоятельно.

В результате преобразований получим следующие формулы преобразо­вания «звезды» в «треугольник»:

Rn = m/R3;

R23 =mlR\;

R31 = m/R2;

R1-R2 + R2-R3 + R3- Rl

m = .

RI-R2- R3

Формулы преобразования «треугольника» в «звезду» предлагаются без доказательства [1]:

R^-R^

R\ = - ;

Rn + R23 + R3l

R^ ■ Rii

R2 = ;

Ru +R23 +R3l

R^ ■ R-v

R3 = ii .

Ru +R23 +R3l

Попробуйте самостоятельно осуществить преобразование «треуголь­ника» в «звезду».