Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА / Электротехника и электроника Лукьянычев 2000

.pdf
Скачиваний:
98
Добавлен:
04.06.2015
Размер:
1.98 Mб
Скачать

где

Eii

— контурная э.д.с. в контуре i, то есть алгебраическая сумма э.д.с.,

действующих в данном контуре; э.д.с. совпадающие с направлением обхода, берутся со

знаком плюс, а направленные встречно – со знаком минус;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rii

— собственное сопротивление контура i;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rik

— общее сопротивление контуров i и k.

 

 

 

 

 

 

 

 

Собственные сопротивления Rii войдут со знаком плюс,

так как обход контура

принимается совпадающим с положительным направлением контурного тока Iii . Общие

сопротивления Rik войдут со знаком минус,

когда

токи

Ii

и

I k

направлены

в них

встречно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение системы уравнений (*) относительно искомых контурных токов может

быть найдено с помощью определителей. Общее решение системы n уравнений

относительно тока Iii :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= E11 i1

+ E22 i2 +L+ Enn

in ,

 

1

n

 

 

 

 

 

 

Iii

Iii =

Ekk ik ,

(**)

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

где

— определитель системы;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

im

— алгебраическое дополнение, полученное из определителя путем

вычеркивания i столбца и m строки и умножения полученного определителя на (1)i+m .

- симметричен относительно главной диагонали, так как Rim

= Rmi , поэтому im

= ∆mi .

Уравнения (*), выражающие второй закон Кирхгофа, записан в предположении,

что источниками электрической энергии служат источники напряжения. При наличии в

электрической схеме источников тока они могут быть заменены эквивалентными

источниками напряжения. Если проводимости источников тока равны нулю, то

целесообразно выбрать заданные токи в качестве контурных; тогда число неизвестных

контурных токов и соответственно число уравнений сократиться на число заданных токов.

 

 

2.2 МЕТОД УЗЛОВЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ

 

 

 

 

Метод узловых потенциалов заключается в том, что на основании первого закона

Кирхгофа определяются напряжения в узлах электрической цепи относительно

некоторого базового узла. Эти искомые потенциалы называются узловыми потенциалами.

Напряжение на какой-либо ветви равно разности узловых потенциалов концов

данной ветви; произведение же этого напряжения на проводимость данной ветви равно

току в этой ветви. Таким образом, зная узловые напряжения в электрической цепи, можно

найти токи в ветвях.

 

 

 

 

 

ϕ

R3

ϕ

 

 

Если принять потенциал базисного узла рав-

 

 

 

2

 

 

 

 

1 1

 

 

2

 

ным нулю, то напряжение между остальными уз-

 

 

 

R

 

 

 

I2

лами и базисным узлом будут равны также потен-

I

 

 

 

R

 

циалам этих узлов.

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3ϕ3

2

 

 

На рис.2.2 в виде примера изображена элек-

 

 

 

 

 

 

 

 

трическая схема с двумя источниками тока, имею-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

щая три узла: 1,2,3. В качестве базиса выбран узел

 

 

 

 

Рис.2.2

 

 

 

3, потенциалы узлов 1 и 2 обозначены через ϕ1 и ϕ2 .

 

 

 

 

 

 

 

Проводимости ветвей соответственно равны: G 1

= 1

R1

;

G 2

= 1

;

G 3 =

1

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R 2

 

 

R 3

Для заданной электрической цепи с тремя узлами могут быть записаны два

уравнения по первому закону Кирхгофа:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для узла 1

I1 = G1(ϕ1 ϕ3 )+G3 (ϕ1 ϕ2 )= (G1 +G3 )ϕ1 G3ϕ2 ; ϕ3 = 0;

 

 

для узла 2

 

 

I 2 = G2 (ϕ2 ϕ3 )+ G3 (ϕ2 ϕ1 )= (G2 + G3 )ϕ2 G3ϕ1 ; ϕ3 = 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

величина G1 + G3 , представляющая собой сумму проводимостей ветвей, сходящихся в узле 1, называется проводимостью узла 1; величина G3 , равная проводимости ветви

между узлами 1 и 2, входящая в уравнения со знаком минус, называется общей проводимостью между узлами 1 и 2.

Если заданы токи источников тока и проводимости ветвей, то узловые потенциалы находятся совместным решением уравнений. В общем случае если электрическая схема содержит q узлов, то на основании первого закона Кирхгофа получается система из q-1 уравнений (узел q принят за базисный):

ϕ1G11 +ϕ2 G12 +K+ϕq1G1,q1 = I11 ;

ϕ1G21 +ϕ2 G22 +K+ϕq1G2,q1 = I 22 ;

K K K K

ϕ1Gq1,1 +ϕ2 Gq1,2 +K+ϕq1Gq1,q1 = I q1,q1 ;

I kk — узловой ток k-го узла. Здесь ток источника тока, проходящий к узлу, включается в ток I kk со знаком плюс, а отходящий от узла – со знаком минус;

Gkk — собственная проводимость всех ветвей, сходящихся в данном узле k; Gki — общая проводимость между узлами k и i, входящая со знаком минус.

Решив систему уравнений при помощи определителей, получим формулу для

 

 

 

1

q1

 

потенциала k-го узла относительно базиса:

ϕk

=

Iii ik ,

(***)

 

 

 

 

i=1

 

где определитель системы, ik

— алгебраическое дополнение элемента Gik

главного определителя системы.

Система уравнений, выражающая первый закон Кирхгофа, записана в предположении, что в качестве источников электрической энергии служат источники тока. При наличии в электрической схеме источников напряжения последние должны быть заменены эквивалентными источниками тока.

Если в схеме имеются ветви, содержащие только э.д.с. (проводимости таких ветвей бесконечно велики), то эти ветви следует рассматривать как источники неизвестных токов, которые затем исключаются при сложении соответствующих уравнений. Дополнительными связями между неизвестными узловыми потенциалами будут являться известные напряжения между узлами, равные заданным э.д.с.

При наличии только одной ветви с э.д.с. и бесконечной проводимостью целесообразно принять за базисный узел один из узлов, к которому примыкает данная ветвь; тогда потенциал другого узла становится известным и число неизвестных сокращается на одно.

Метод узловых потенциалов имеет преимущество перед методом контурных токов в том случае, когда число уравнений, записанных по первому закону Кирхгофа, меньше числа уравнений, записанных по второму закону Кирхгофа. Если заданная электрическая схема имеет q узлов и p ветвей, то в соответствии со сказанным выше, метод узловых потенциалов представляет преимущество при q-1<p-q+1, или при 2(q-1)<p.

Здесь имеется в виду общий случай, когда число уравнений не сокращается за счет известных контурных токов или узловых потенциалов.

2.3МЕТОД НАЛОЖЕНИЯ

Влинейной электрической цепи, содержащей источники напряжения, контурные токи (и соответственно токи в ветвях) представляют собой линейные функции контурных э.д.с. Математически они выражаются формулой (**):

 

1

n

Iii =

Ekk ik

 

k =1

 

 

22

Физический смысл этой формулы заключается в том, что ток в любом контуре линейной электрической цепи может быть получен как алгебраическая сумма токов, вызываемых в этом контуре каждой из э.д.с. в отдельности.

Метод расчета токов, основанный на определении токов в одном и том же контуре (или ветви) при поочередном воздействии э.д.с. и последующем алгебраическом сложении токов, называется методом наложений.

При определении частичных слагающих токов по методу наложения необходимо считать включенными внутренние сопротивления тех источников напряжения, которые принимаются отсутствующими при вычислении слагающих токов. Если в цепи заданы источники э.д.с., то есть внутренние сопротивления источников равны нулю, то при определении токов, вызываемых какой-либо э.д.с., все остальные источники э.д.с. закорачиваются.

В линейной электрической цепи, содержащей источники тока, узловые потенциалы (и, соответственно, напряжения на ветках) представляют собой линейные функции задающих токов источников. Математически они выражаются формулой (***):

1 q1

ϕk = i=1 Iii ik .

Физический смысл этой формулы заключается в том, что узловой потенциал любого узла линейной электрической цепи может быть получен как алгебраическая сумма напряжений, вызываемых в этом узле каждым из задающих токов в отдельности. Таким образом, формула (***), так же как и (**), представляет собой математическую запись метода наложения, справедливого для линейных электрических цепей.

При определении частичных слагающих узловых напряжений по методу наложения необходимо считать включенными внутренние проводимости тех источников тока, которые принимаются отсутствующими при вычислении слагающих напряжений. Если источники тока заданы без внутренних проводимостей, то есть проводимости их равны нулю, то при пользовании методом наложения ветви с неучтенными источниками тока разрываются.

Если в линейной электрической цепи заданными являются одновременно источники напряжения и источники тока, то метод наложения применим и в этом случае. Например, ток в каком-либо контуре данной цепи может быть получен в результате алгебраического сложения токов, вызываемых в этом контуре поочередным действием источников напряжения и тока. При этом отсутствующие источники напряжения заменяются внутренними сопротивлениями, а отсутствующие источники тока – внутренними проводимостями.

2.4 МЕТОД ЭКВИВАЛЕНТНОГО ГЕНЕРАТОРА

Этот метод целесообразно применять в тех случаях, когда необходимо определить ток в одной ветви сложной линейной электрической цепи. Особенно метод удобен при определении тока в одной ветви, когда сопротивление этой ветви изменяется.

В любой электрической схеме всегда можно выделить одну ветвь, а всю остальную часть обозначить прямоугольником. По отношению к выбранной ветви вся

схема представляет собой двухполюсник.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Двухполюсник –

это

обобщенное

 

 

I

 

 

 

I

 

E

название схемы, которая своими двумя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

выходами (полюсами) присоединяется к

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

A

 

m

 

 

П

 

 

 

 

 

выделенной ветви. Двухполюсники бывают

 

n R

 

 

 

 

n

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

активными (рис.2.3а), если они содержат

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

источники напряжения и/или тока, и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

пассивными (рис.2.3б), если они состоят

 

Рис.2.3а

 

 

 

Рис.2.3б

 

 

 

 

 

только из пассивных элементов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сущность метода заключается в том, что ветвь сложной цепи, в которой

необходимо определить

ток,

следует рассматривать как нагрузку

для некоторого

23

эквивалентного генератора, которым является вся остальная часть электрической цепи, состоящей из источников и пассивных элементов (двухполюсник).

Этот метод опирается на теорему об эквивалентном источнике, у которой существует два варианта: вариант с источником напряжения и вариант с источником тока.

2.4.1 Теорема об эквивалентном источнике напряжения

Ток в любой ветви mn линейной электрической цепи не изменится, если электрическую цепь, к которой подключена данная ветвь, заменить эквивалентным источником напряжения; э.д.с. этого источника должна быть равна напряжению на зажимах разомкнутой ветви mn, а внутреннее сопротивление источника должно равняться входному сопротивлению пассивной электрической цепи со стороны зажимов m и n при разомкнутой ветви mn.

 

Данная теорема доказыва-

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

Umn Umn

 

 

ется следующим образом: в ветвь

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mn вводятся две равные по вели-

 

 

A

 

m

R

 

 

=

A

 

m

 

 

 

 

 

R

 

 

=

 

 

 

 

n

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

чине и противоположно направлен-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ные

э.д.с.

U mn при

условии, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Umn

 

I

 

 

 

Umn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U mn

равно напряжению между за-

=

 

 

 

 

m

 

 

 

m

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

П

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

жимами m и n при

разомкнутой

 

A

 

 

 

R

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

ветви mn. То есть напряжению хо-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

лостого хода (рис.2.4).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

Umn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение метода наложе-

=

 

 

 

 

 

m

Umn +

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ния в соответствии с рис.2.4 приво-

 

A

 

 

 

П

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n

 

R

 

 

 

 

 

 

 

дит к выводу, что ток в ветви R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

равен:

I =

U mn

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0 + R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0 — сопротивление всей пассивной цепи П. Таким образом, ток в ветви R получается в

предположении, что данная ветвь подключена к источнику напряжения, э.д.с. которого равна U mn , а внутреннее сопротивление равно R0 .

При наличии в электрической цепи нескольких источников э.д.с. и тока напряжение холостого хода является линейной функцией заданных э.д.с. и токов источников.

2.4.2 Теорема об эквивалентном источнике тока

Ток в любой ветви mn линейной электрической цепи не изменится, если электрическую цепь, к которой подключена данная ветвь, заменить эквивалентным источником тока; ток этого источника должен быть равен току, проходящему между зажимами m и n , замкнутыми накоротко, а внутренняя проводимость источника должна равняться входной проводимости пассивной электрической цепи со стороны зажимов m и n при разомкнутой ветви mn.

Данное

положение вытекает

из условия

 

I

 

 

 

 

 

 

 

I

 

 

 

 

эквивалентности источников

напряжения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и тока, а именно: источник напряжения,

 

 

Umn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

э.д.с. которого равна

напряжению холо-

 

R0

R

 

 

 

 

R0

 

 

 

R

 

 

стого хода U mn , а внутреннее сопротив-

 

 

 

 

 

Imn

=

Umn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0

 

 

ление равно R0 (рис.2.5а),

может быть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

заменен

 

источником

тока

(рис.2.5б):

 

 

Рис.2.5а

 

 

 

 

 

Рис.2.5б

 

 

 

 

 

U mn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I mn =

= G0U mn .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Последнее выражение есть не что иное, как ток, проходящий между зажимами m и n, замкнутыми накоротко (ток короткого замыкания). Искомый ток в цепи равен:

24

I =

R0

I mn =

 

G

I mn , где

G =

1

.

R0

+ R

G0

+ G

R

 

 

 

 

 

При наличии в электрической цепи нескольких источников тока и э.д.с. ток короткого замыкания является линейной функцией заданных э.д.с. и токов источников.

Метод эквивалентного генератора эффективен при экспериментальных исследованиях. Для определения внутреннего сопротивления R0 можно использовать

короткое замыкание между зажимами m и n:

R0

=

U mn

. Таким образом,

 

 

 

 

I mn

последовательность определения тока в нагрузке (ток в ветви R) необходимо замерить напряжение холостого хода U ХХ на зажимами m и n, а затем ток короткого замыкания I КЗ

на тех же зажимах. Искомый ток в нагрузке будет равен:

I =

U mn

 

U ХХ

 

=

 

.

Umn / Imn + R

U XX / I КЗ + R

Поэтому данный метод еще называют – метод холостого хода и короткого замыкания.

2.5ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

2.5.1Расчет электрической цепи на основе законов Кирхгофа

В мостовой схеме, представленной на рис.2.6, заданы все сопротивления и э.д.с. E. Требуется определить ток I5 в ветви R5 (ток в диагонали мостовой схемы).

Схема содержит четыре узла и шесть ветвей. Следовательно, могут быть составлены три уравнения по первому закону Кирхгофа и три уравнения по второму закону Кирхгофа:

для узла A

 

I 1 I 2 + I 6 = 0 ;

 

 

 

 

 

I6

 

 

A

 

 

для

узла

B

 

 

 

 

 

 

I1

 

 

 

 

I2

 

I 2 I 3 +

I 5 = 0 ;

 

 

 

 

R6

R1

I5

R2

для

узла

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

 

B

 

I 3 + I 4

I 6 = 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

R

R5

R3

для

контура

ABDA

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I3

 

R 1 I 1 +

R 2 I 2 R 5 I 5 =

0 ;

 

 

 

I4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для

контура

BCDB

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

R 3 I 3

R 4 I 4 + R 6 I 6

= 0 ;

 

 

 

 

Рис. 2.6

для

контура

ABCA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R 2 I 2 + R 3 I 3 + R 6 I 6 = E .

В полученной системе шести уравнений неизвестными являются токи в ветвях. Решая систему уравнений относительно искомого тока, находим:

I

5

=

E

(R

R

4

R R

),

 

 

 

 

 

M

2

 

1

3

 

 

где M = R5 [(R1 + R4 )(R2 + R3 )+ R6

(R1

+ R2

+ R3

+ R4 )]+ R1 R4 (R2 + R3 )+

+ R 2 R3 (R1 + R4 )+ R6 (R1 + R2 )(R3

+ R4 ).

Полученное выражение показывает, что ток в диагонали равен нулю, если выполнено условие R1 R3 = R2 R4 (условие равновесия мостовой схемы).

2.5.2 Расчет методом контурных токов

Пользуясь методом контурных токов, требуется определить ток в диагонали мостовой схемы рис.2.7.

25

Выбранные положительные направления контурных токов I11 , I 22 и I33 указаны на

схеме стрелками. Число уравнений, записы-

ваемых по второму закону Кирхгофа, равно

трем (по числу независимых контуров):

(R1 + R2 + R3 )I11 R5 I 22 R2 I33 = 0;

R5 I11

+ (R3 + R4 + R5 )I 22 R3 I33 = 0;

R2 I11

R3 I 22 + (R2 + R3 + R6 )I33 = −E.

Решение полученной системы уравне-

R1

 

 

R

R6

I11

 

2

R5

 

 

 

I33

 

 

 

E

I22

 

R3

R

 

 

4

 

 

 

ний относительно контурных токов I11 и I 22

дает:

Рис.2.7

 

I

11

= −

E

[R

R

5

+ R

2

(R

3

+ R

4

+ R

5

)];

I

22

= −

E

[R

R

5

+ R(R

+ R

2

+ R

5

)],

 

 

 

 

M

3

 

 

 

 

 

 

 

 

M

2

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где M имеет то же значение, что и в предыдущем примере 2.5.1.

Искомый ток в диагонали мостовой схемы равен разности контурных токов:

I5 = I 22 I11 = ME (R2 R4 R1 R3 ),

что совпадает с полученным в примере 2.5.1 ответом.

Если в заданной схеме контуры выбрать так, чтобы через ветвь R5 проходил

только один контурный ток, то искомый ток в ветви R5 будет равен именно этому

контурному току, то есть задача сведется к нахождению только одного контурного тока (вместо двух).

2.5.3 Расчет методом узловых потенциалов

 

 

 

 

Пользуясь методом узловых потенциалов, требуется определить ток в диагонали

мостовой схемы (см. рис.2.7).

 

 

 

 

 

В результате замены заданного источника напряжения эквивалентным источником

тока получится схема (рис.2.8), содержащая четыре узла. Для этой схемы по первому

закону Кирхгофа записывают 4-1=3 уравнения (по числу независимых узлов). Если

выбрать в данной схеме в качестве базиса узел 4 и направить токи в ветвях к базису, то

уравнения примут вид:

 

 

 

1

 

для узла1

 

 

 

 

 

(G1 + G2 + G6 )ϕ1 G2ϕ2 G6ϕ3 = G6 E;

 

R1

 

R

для узла2

 

 

4

 

2

 

R

 

2

G2ϕ1 + (G2 + G3 + G5 )ϕ2 G3ϕ3

 

 

= 0;

6

 

R5

= EG

R4

R3

для узла3

I

 

6

 

 

 

 

 

 

 

 

G6ϕ1 G3ϕ2 + (G3 + G4 + G6 )ϕ3 = −G6 E.

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.8

Решение полученной системы уравнений относительно ϕ2 даст:

ϕ

2

=

E

G

(G

G

4

G G

),

 

 

 

N

6

2

 

1

3

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N = G5 [(G1 + G2 )(G3 + G4 )+ G6 (G1

+ G2 + G4 )]+ G1G4 (G2 + G3 )+

+ G2 G3 (G1 + G4 )+ G6 (G1 + G4 )(G2 + G3 ).

 

 

 

Умножив найденный узловой потенциал

ϕ2 на проводимость G5 диагональной

ветви мостовой схемы и изменив знак в соответствии с выбранным ранее направлением тока I5 (см. рис.2.6), найдем искомый ток:

26

I5 = NE G5G6 (G1G3 G2 G4 ).

2.5.4 Расчет методом эквивалентного генератора

Пользуясь теоремой об эквивалентном источнике напряжения, определить ток в диагональной ветви мостовой схемы рис.2.9а.

R1

R

R1

 

 

R

R1

R2

 

2

 

 

 

2

 

I5

 

I5

 

 

U

 

 

E

E

m

mn n

 

 

 

 

 

 

 

R5

 

 

 

 

 

R5

 

 

 

 

 

 

Umn

R

R

R

 

 

R

R

R3

3

 

 

3

4

 

4

 

4

 

 

 

 

 

Рис.2.9а

Разомкнув ветвь R5 ,

Рис.2.9б

Рис.2.9в

находим напряжение холостого хода U mn

как разность

напряжений на участках R4

и R3 (рис.2.9б):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U mn = R4

 

 

E

 

 

 

R3

 

 

 

 

 

E

 

 

=

 

 

 

 

R2 R4

R1 R3

 

 

E.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R + R

4

R

2

+ R

3

 

 

(R

+ R

4

)(R

2

+

R

3

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сопротивление между зажимами m и n при E=0 и разомкнутой ветви R5 равно

 

 

(рис.2.9в):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1 R4

 

 

 

 

 

 

R2 R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0 =

 

 

+

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1 + R4

 

 

R2 + R3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда на основании метода эквивалентного генератора:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I5 =

 

 

 

U mn

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R0 +

R5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пользуясь теоремой об эквивалентном источнике тока, определить ток I3

в ветви

 

 

R3 схемы рис.2.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ток эквивалентного источ-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ника равен току короткого замы-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

IК

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E2

 

 

 

 

 

R

 

 

IК

 

R

 

 

кания ( R3 =0, рис.2.10а):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

3

 

 

I

mn

= I

к

=

E1

+

E

= G E + G

2

E

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.10а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.2.10б

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Проводимость эквивалентного источника равна G0

= G1

+ G2 . Следовательно, на

 

 

основании метода эквивалентного генератора искомый ток равен:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I3 =

 

G3

 

 

 

I К

=

 

 

 

 

 

 

G3

 

 

 

 

 

 

I К

=

 

 

 

 

R2 E1 + R1 E2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G0

+ G3

 

G1

+ G2 + G3

 

R1 R2 + R2 R3

+

R3 R1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.6 БАЛАНС МОЩНОСТИ В ЦЕПЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА

При протекании тока по элементам электрической цепи имеет место безвозвратное превращение энергии источников в другие виды энергии (тепловую, механическую, световую и т.д.). При этом согласно закону сохранения энергии, работа и мощность источников электрической энергии какой-либо цепи должна равняться работе и мощности всех потребителей этой цепи.

Например, для цепи, представленной на рис.2.11, уравнение баланса мощностей будет иметь вид:

E2 I 2 + E3 I3 + I12 R1 + I 22 R2 + I32 R3 .

27

 

В левой части уравнения баланса мощностей

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стоит

сумма мощностей, отдаваемых источниками

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

э.д.с.

Правая часть уравнения представляет собой

R1

 

 

 

R2

 

 

 

R3

 

 

сумму мощностей отдельных приемников. При

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

подсчете баланса мощностей в ряде случаев может

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

оказаться, что мощность, отдаваемая источником

 

 

 

 

E2

 

 

E3

 

электрической энергии, отрицательна. Это будет иметь

 

 

 

 

 

 

место в тех случаях, когда э.д.с. E и ток I источника

 

 

 

I1

 

 

 

I2

 

 

 

направлены противоположно. В этом случае источник

 

 

 

 

 

 

 

I3

 

работает в режиме потребителя. Примером такого

 

 

 

 

 

 

 

 

 

режима работы источника может служить процесс

 

 

 

 

Рис.2.11

 

 

 

зарядки аккумуляторных батарей.

 

 

 

 

 

 

 

В теории электрических цепей баланс мощностей может использоваться для проверки правильности определения токов. Действительно, уравнение баланса мощностей для цепи будет выполняться только при условии точного расчета токов в этой цепи.

2.7КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ПО МОДУЛЮ 2

1.Пояснить целесообразность применения различных методов расчета электрических цепей к схемам разной конфигурации.

2.Проиллюстрировать на примере практическую целесообразность применения теоремы об эквивалентном источнике тока и напряжения.

3.Как определяется проводимость узла и общая проводимость между узлами при использовании метода узловых потенциалов?

4.Почему потенциал базисного узла можно приравнять к нулю?

5.Почему метод эквивалентного генератора часто называют методом холостого хода и короткого замыкания?

Выполнить лабораторные работы по темам «Метод контурных токов», «Метод узловых потенциалов» и «Метод эквивалентного генератора», используя соответствующие моделирующие программы.

Задания для расчетной работы по теме «Метод контурных токов».

Определить значения контурных токов, составив систему уравнений по методу контурных токов, определить все токи в ветвях и составить баланс мощностей для всей электрической цепи.

Схема и контуры, для которых необходимо составить уравнения, определяются в соответствие с выданным вариантом. Для расчета использовать моделирующую программу.

Ва-

Рисунок

Контуры

Ва-

Рисунок

Контуры

Ва-

Рисунок

Контуры

риант

схемы

 

риант

схемы

 

риант

схемы

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

1.1

11

1

1.11

21

3

3.1

2

1

1.2

12

1

1.12

22

3

3.2

3

1

1.3

13

2

2.1

23

3

3.3

4

1

1.4

14

2

2.2

24

3

3.4

5

1

1.5

15

2

2.3

25

3

3.5

6

1

1.6

16

2

2.4

26

3

3.6

7

1

1.7

17

2

2.5

27

3

3.7

8

1

1.8

18

2

2.6

28

3

3.8

9

1

1.9

19

2

2.7

29

 

 

10

1

1.10

20

2

2.8

30

 

 

28

 

4

E1

R1

 

 

Дано:

 

 

 

3

 

E1

=3 В

 

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

E2 =4

В

R6

 

R3

 

 

E3

=5

В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E4

= 3 А

 

 

 

E2

 

R4

 

 

 

 

R1

=2 Ом

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

R2

=1

Ом

E3

 

R5

E4

 

 

 

 

 

R3

=6 Ом

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

R4 =2

Ом

 

 

 

Схема 1

 

 

R5 =10 Ом

 

 

 

 

 

R6

= 3

Ом

 

 

 

 

 

 

 

Варианты контуров для схемы 1.

 

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

1.9

1.10

1.11

1.12

1

 

Дано:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E1 =25 В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E2 =10 В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R5

 

 

 

R6

E1

E6 =20 В

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J = 2 А

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4

 

 

 

E6

R3

R2 =10 Ом

4

 

 

 

 

 

 

R3 =20 Ом

 

 

3

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

R4 =10 Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

R5 =8 Ом

 

 

 

E2

 

R2

 

 

 

R6 = 5 Ом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема 2

29

 

 

Варианты контуров для схемы 2.

 

2.1

 

2.2

 

2.3

2.4

2.5

 

2.6

 

2.7

2.8

3

R1

I1

 

Дано:

 

 

 

 

E1

 

R3

R2

 

E1 =2 В

 

 

 

 

E2 =3 В

 

 

 

E2

R5

 

 

 

E3 =2 В

 

 

I3

 

 

E4 = 4 В

 

 

 

 

R1 =1 Ом

 

 

 

I4

2

R2 =2 Ом

 

 

E3

R3 =3 Ом

 

 

R4

 

 

R4 =2 Ом

 

 

 

 

 

 

1

I5

E4

 

R5 =3 Ом

 

 

Схема 3

 

 

 

 

 

Варианты контуров для схемы 3.

 

3.1

3.2

3.3

3.4

3.5

3.6

3.7

3.8

Задания для расчетной работы по теме «Метод узловых потенциалов».

Определить значения потенциалов узлов, составив систему уравнений по методу узловых потенциалов, и определить все токи в ветвях.

Схема и базисный узел (номер узла) определяется в соответствие с выданным вариантом. Для расчета использовать моделирующую программу.

30