2.5.5. Замена параллельных ветвей эквивалентной ветвью
Допустим, имеется схема, представленная на рисунке 2.107.
Рисунок 2.107 – Схема электрической цепи
Доказательство:
На первом этапе ветви с источниками напряжения и последовательно соединенными резистивными сопротивлениями, заменим эквивалентными ветвями с источниками тока (рис. 2.108).
Рисунок 2.108 – Доказательство замены параллельных ветвей
В результате получим схему с параллельно соединенными источниками тока и ветви с параллельно соединенными сопротивлениями. Ветви с параллельно соединенными источниками тока заменяем эквивалентной схемой:
.
Ветви с параллельно соединенными сопротивлениями заменяем эквивалентной схемой:
.
Подобное
доказательство можно обосновать с
помощью метода узловых потенциалов.
Принимаем потенциал точки
.
Тогда
,
.
2.5.6. Взаимное преобразование схем звездатреугольник
Соединение, представленное на рисунке 2.109 а, называют трехлучевой звездой, а на рис. 2.109 б – треугольник сопротивлений.
Ставится задача осуществить преобразование звезды сопротивлений в эквивалентный треугольник и наоборот.
В
общем случае звезда (треугольник)
сопротивлений подключены к разветвленной
схеме в узлах 1,
2,
3.
Преобразования должны быть эквивалентными,
т.е. в результате преобразований в
остальной части схемы никаких изменений
нет. Токи
,
,
и
потенциалы
,
,
остаются неизменными.
Рисунок 2.109 – Трехлучевая звезда и треугольник сопротивлений
Для
доказательства рассмотрим преобразования
треугольника сопротивлений (рис. 2.109 б)
в эквивалентную звезду схему треугольник
(рис. 2.109 а). В этом случае исходными
данными являются величины сопротивлений
треугольника
,
,
.
Необходимо определить величины
сопротивлений эквивалентной звезды –
,
,
.
Из схемы треугольник (рис. 2.109 б), согласно второго закона Кирхгофа, имеем:
Используя первый закон Кирхгофа для 1 и 2 узлов, соответственно получим:
,
.
Подставим полученные выражения, в уравнение, составленное по второму закона Кирхгофа. В результате имеем:
,
откуда
.
Тогда
напряжение
между узлами1
и 2:
.
Рассмотрим схему звезда (рис. 2.109 а). Для данной схемы
.
Сравнивая полученные выражения для U12,
.
Так
как схемы эквивалентные то напряжение
одинаково и коэффициенты при токах
и
тоже должны быть одинаковыми. Следовательно:
,
,
.
Пример 2.27. Рассмотрим эффективность преобразование треугольника сопротивлений в звезду сопротивлений.
1.
Исходная схема (рис. 2.110 а) содержит
ветвей и
узла.
2.
Преобразовываем треугольник сопротивлений
,
,
в эквивалентную звезду
,
,
,
сопротивления которой соответственно
равны :
,
,
.
В результате преобразования получим эквивалентную схему, представленную на рисунке 2.110 б.
Рисунок 2.110 – Преобразование треугольника сопротивлений
в эквивалентную звезду
Таким образом, после преобразования произошло упрощение схемы: вместо шести ветвей в первой схеме получили три ветви во второй; вместо четырех узлов в первой схеме получили два узла во второй.
Пример 2.28. Рассмотрим пример взаимных преобразований треугольник–звезда на конкретном примере. В схеме, приведенной на рисунке 2.111, заданы напряжения источников ЭДС Е1 = 20 В, Е3 = 15 В и значения сопротивлений r1 = 150 Ом, r2 = 50 Ом, r3 = 75 Ом, r4 = 1000 Ом, r5 = 800 Ом, r6 = 200 Ом. Определить токи ветвей.
Рисунок 2.111 – Исходная электрическая цепь постоянного тока
1.
Исходная схема (рис. 2.111) содержит
ветвей и
узла.
2.
Преобразовываем треугольник сопротивлений
,
,
в эквивалентную звезду
,
,
,
сопротивления которой соответственно
равны:
Ом,
Ом,
Ом.
В результате преобразования получим эквивалентную схему, представленную на рисунке 2.112.
Рисунок 2.112 – Преобразование треугольника сопротивлений
в эквивалентную звезду
Таким образом, после преобразования произошло упрощение схемы: вместо шести ветвей в исходной схеме получили три ветви в преобразованной схеме; вместо четырех узлов в исходной схеме получили два узла в преобразованной схеме.
3. Рассчитываем токи в электрической схеме, приведенной на рисунке 2.112, методом узловых потенциалов.
3.1. Осуществляем предварительный анализ схемы.
Количество
ветвей –
,
количество узлов –
.
3.2. Рассчитываем токи в ветвях методом узловых потенциалов.
Потенциал
четвертого узла принимаем равным нулю:
.
Следовательно, необходимо определить
потенциал пятого узла
.
3.2.1.
Составляем уравнение для определения
потенциала
:
.
5.2.1.1.
Подставляем числовые значения и находим
потенциал
.
5.2.1.2. Сумма проводимостей ветвей, подключенных к соответствующим узлам:
См;
Узловые токи
мА.
5.2.1.3.
После подстановки цифровых значений,
определяем потенциал
:
В.
5.2.2. Определяем токи в ветвях электрической цепи, приведенной на рисунке 2.112.
мА,
мА,
мА.
3.2.5.
Используя второй закон Кирхгофа,
определяем токи
и
в электрической цепи, приведенной на
рисунке 2.111:
мА;
мА.
3.2.6.
Используя первый закон Кирхгофа,
определяем ток
в электрической цепи, приведенной на
рисунке 2.111:
мА.
4. Проверяем решение, составив баланс мощностей.
4.1. Мощность, генерируемая источниками питания:
Вт,
Вт.
Суммарная мощность источников:
Вт.
4.2. Мощность, потребляемая приемниками:
Вт,
Вт,
Вт,
Вт,
Вт,
Вт.
Суммарная мощность, потребляемая приемниками:
Вт.
4.3.
Из сравнения генерируемой мощности
источником и потребляемой мощности
приемниками, следует, что погрешность
вычислении
и непревышает
0,5%.
Возможно и обратное преобразование – звезды сопротивлений в эквивалентный треугольник (рис. 2.113).
Рисунок 2.113 – Треугольник сопротивлений и трехлучевая звезда
В
этом случае исходными данными являются
сопротивления
,
,
.
Необходимо определить сопротивления
,
,
.
Рассмотрим
схему звезда (рис. 2.113 б). Ток
равен:
.
Из
метода узловых потенциалов
.
Тогда ток
.
Из
схемы треугольник (рис. 2.113 а), имеем:
.
Ток
,
.
Тогда ток
.
Сравнивая
ток
при соединении звездой и треугольником,
и учитывая эквивалентность преобразований,
имеем:
,
.
Аналогично
.
Если
в вышеуказанные формулы вместо
проводимостей
,
,
,
подставить величины сопротивлений
,
,
,
,
тогда
.
В общем виде формулы преобразования имеют вид:
;
;
.
Пример 2.29. Рассмотрим пример взаимных преобразований звезда–треугольник на конкретном примере. В схеме, приведенной на рисунке 2.114 а, заданы ЭДС Е = 20 В и значения сопротивлений r1 = 4 Ом, r2 = 1 Ом, r3 = 1 Ом, r4 = 2 Ом, r5 = 4 Ом, r6 = 5 Ом. Определить токи ветвей.
Рисунок 2.114 – Электрическая схема
1.
Расчет токов целесообразно осуществлять,
преобразуя предварительно звезду
в треугольник по схеме, приведенной на
рисунке 2.114 б. В соответствии с формулами
преобразования звезды сопротивлений
в треугольник
Ом,
Ом,
Ом.
2.
Токи в ветви
определяем по закону Ома:
А.
3.
Ветви
,
также как и ветви
,
соединены параллельно:
Ом,
Ом.
4.
Ветви
и
соединены последовательно:
Ом.
5.
Общий ток:
А.
6.
Определяем напряжение
и
:
В,
В.
7.
Токи
и
в схеме цепи, приведенной на рисунке
2.114 а, определяем по закону Ома:
А,
А.
8.
Ток
в
схеме цепи, приведенной на рисунке 2.114
а, определяем из уравнения, составленного
по первому закону Кирхгофа для узла 2:
А.
9.
Ток
в схеме цепи, приведенной на рисунке
2.114 а, определяем из уравнения,
составленного по второму закону Кирхгофа
для контура 1421:
А.
10.
Ток
в схеме цепи, приведенной на рисунке
2.114 а, определяем из уравнения, составленного
по первому закону Кирхгофа для узла 4:
А.
11.
Ток
в ветви с источником ЭДС в схеме цепи,
приведенной на рисунке 2.114 а, определяем
из уравнения, составленного по первому
закону Кирхгофа для узла 1:
А.
12. Проверяем решение системы уравнений, составив баланс мощностей.
12.1. Мощность, генерируемая источником напряжения:
Вт.
12.2.Мощность приемников:
Вт,
Вт,
Вт,
Вт,
Вт,
Вт,
Суммарная мощность приемников:
Вт.
12.3.
Из сравнения генерируемой мощности
источниками и потребляемой мощности
приемниками, следует, что погрешность
вычислений
и непревышает
0,5%.