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

Электротехника

.pdf
Скачиваний:
31
Добавлен:
14.03.2016
Размер:
709 Кб
Скачать
☆

3

Тема: «Расчет линейных электрических цепей с использованием законов Ома и Кирхгофа».

Втеории электрических цепей решаются задачи двух типов. К первому типу относятся задачи анализа эл. цепей, когда известна конфигурация цепи, ее элементы, а требуется определить токи, напряжения и мощности тех или иных участков.

Ко второму типу относятся обратные задачи – задачи синтеза эл. цепей, в которых заданы токи и напряжения, а требуется найти конфигурацию цепи и выбрать ее элементы. Следует отметить, что задачи анализа намного проще задач синтеза.

Впрактической электротехнике мы будем рассматривать задачи анализа эл. цепей. Порядок расчета цепей с использованием ЗК:

1.Выбираем произвольные положительные направления токов во всех ветвях эл. схемы.

2.Составить (у-1) уравнение по 1ЗК для токов.

3.Выбираем независимые контуры k = в – у +1.

4.Выбираем произвольные положительные направления обхода независимых контуров.

5.Составляем k уравнений по 2ЗК для напряжений.

6.Решаем систему уравнений (порядка в) и находим Iв.

Поскольку конфигурация цепей может быть достаточно сложной (в>3), то система уравнений, составленная с использованием законов Кирхгофа, может быть достаточно громоздкой. Поэтому для ее решения применяются машинные методы расчета, а уравнения записываются в матричной форме.

1ЗК:

A×I = 0

, где

 

1

2

3

в

 

 

0

1

−1

 

0

 

 

0

1

 

 

1

 

- (квадратная) матрица соединений порядка в×(у −1)

A = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

0

 

 

 

 

 

1

 

0

 

I1

I2

I = I3 - матрица-столбец токов (в)

I4

2ЗК: R × I = E , где

4

 

 

1

2

3

 

m

 

R

+

R

R

R

 

R

 

R =

1

 

2

2

3

 

m

- матрица сопротивлений порядка

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R2

 

R2+3

 

 

 

 

 

 

 

 

Rmk

m × k

I - матрица-столбец токов (m)

E1

E = E2 - матрица-столбец ЭДС (m).

Em

Составленные таким образом уравнения будут взаимно независимыми, что в сумме дает необходимое и достаточное количество уравнений для определения m во всех ветвях.

3.2. Метод контурных токов.

При расчете этим методом составляют систему уравнений по 2ЗК для всех независимых контуров. Затем полагают, что в каждом независимом контуре протекает свой контурный ток Iкк, условное положительное направление которого совпадает с направлением обхода этого контура. Выразив токи в ветвях через контурные токи, получают систему уравнений:

R I

11

+ R I

22

+ + R I

kk

= E

 

 

 

11

 

12

 

1k

11

 

R21I11 + R22 I22

+ + R2k Ikk

= E22

или в матричном виде: R × I = E

 

 

 

 

R

I

11

+ R

I

22

+ + R I

kk

= E

33

 

 

k1

 

k 2

 

kk

 

 

где R11; R22;…Rkk – собственные сопротивления независимых контуров, равные сумме сопротивлений всех резисторов, принадлежащих контуру.

R12=R21; R23=R32 и т.д. – взаимные сопротивления контуров. Это сопротивления резисторов смежных ветвей, принадлежащие как первому, так и второму контурам и т.д.

При этом взаимные сопротивления надо принимать:

А) Положительными, если контурные токи в них направлены одинаково. Б) Отрицательными, если они направлены встречно.

В) Равными нулю, если контуры не имеют общей ветви.

E11, E22, …, Enn – контурные ЭДС, равные алгебраической сумме ЭДС в соответствующих контурах.

5

Причем ЭДС считают положительными, если их направления совпадают с выбранным направлением обхода контура (контурного тока) и отрицательными, если их

направление противоположно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Порядок расчета МКТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R3

 

I3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

Выбираем

условные

положительные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1

 

 

 

I11

 

 

 

 

I2

 

 

I22 I4

 

 

 

 

I33

 

 

I5

 

 

 

 

 

направления токов в ветвях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

Выбираем

k = m − n +1

независимых

 

R1

 

 

 

 

 

R2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R4

 

 

 

 

R5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

контуров.

 

 

 

 

E1

 

 

 

 

E2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.

Выбираем направления обхода контуров,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

совпадающие

с

 

условными

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

положительными

 

 

направлениями

 

 

 

 

 

 

(R1

+ R2 )− R2 I

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

контурных токов Ikk.

 

 

 

 

 

 

I11

22

=

 

E1

− E2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

Составляем систему уравнений по 2ЗК.

I

 

(R

 

R11

 

 

 

 

R12

 

 

 

 

 

R13

=0 E11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22

 

+ R

 

+ R )

−

 

R I

11

− R I

33

=

E

2

5.

Решаем систему относительно контурных

 

 

2

 

3

 

4

 

 

 

2

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

токов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R22

 

 

 

 

 

R21

 

 

 

 

 

 

 

R23

 

 

 

 

E22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ R5 )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I33 (R4

− R4

I22 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

По контурным

токам

определяем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R33

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

истинные

токи ветвей,

которые равны

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1 +

R2

 

−R2

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

I11

 

E1 −E2

 

 

алгебраической сумме контурных токов:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−R

 

 

R +

R

+ R

 

 

−R

 

 

 

× I

 

=

 

 

E

 

 

 

 

 

“+” – если направление совпадает

 

 

0

2

 

 

2

 

3

4

R

 

4

 

 

 

 

 

 

 

22

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

R

 

 

 

 

+ R

 

 

 

 

I

 

 

 

 

0

 

 

 

 

“-“ – если оно противоположно

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

4

 

 

5

 

 

 

 

 

33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I1 = I11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I3 = I22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I5 = I33

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I2 = I22 − I11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I4 = I33 − I22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

(*) Граф электрической схемы – это условное графическое изображение эл. схемы без указания конкретных элементов, включенных в электрическую схему.

Граф состоит из ветвей и узлов.

Если в ветвях указаны УПН токов, то такой граф называют направленным, иначе – ненаправленным.

(**) Дерево – это путь, соединяющий все узлы без образования контуров.

Все ветви, которые входят в дерево – это ветви дерева, все другие ветви – ветви связи. Независимые контуры образуются путем добавления к дереву по 1 ветви. Следовательно, количество независимых контуров равно количеству ветвей связи.

Пример: 1) Эл. схема с 1 станицы.

2) Граф, соответствующей этой электрической схеме.

3

1 2

1

2

4

5

3

Лекция № 3

Метод узловых потенциалов.

Метод узловых потенциалов ( МУП ) основан на применении первого закона Кирхгофа и закона Ома. Этот метод особенно эффективен, если число узлов в схеме меньше или равно числу независимых контуров т.е. m ≤ k . В любой электрической схеме потенциал одного из узлов можно принять равным нулю, тогда, число узлов, потенциалы которых необходимо определить относительно этого узла, будет равно (n −1). Следовательно, количество уравнений, необходимых для расчета, равно n −1.

Ток в любой ветви эл. цепи можно определить по известным потенциалам, или направлениями между узлами.

 

I

R

 

E

по 2ЗК ( з-н Ома для уч-ка цепи )

в

 

 

а

IR +Uab = E; Uab =ϕa −ϕb

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I =[E − (ϕa −ϕb )]/ R =[E − (ϕa −ϕb )]G

 

 

 

Uав

 

 

1

R3

I3

2

 

I1

I2

U12

 

I4

I5

R1

R2

 

 

R4

R5

 

 

 

 

E1

E2

 

U23

 

 

 

 

 

 

 

 

U13

 

 

 

3

ϕ3 = 0

1у: I1 + I2 − I3 = 0;

2у: I3 + I4 − I5 = 0;

I1 = (E1 −ϕ1 )G1; (U13 =ϕ1 − 0 =ϕ1 )

I2 = (E2 −ϕ1 )G2 ;

 

 

 

I3 = (ϕ1 −ϕ2 )G3;

 

 

 

 

I

4

= (ϕ

3

−ϕ

2

)G

4

= −ϕ

2

G

;

 

 

 

 

 

4

 

 

 

=ϕ2G5;

 

 

 

 

 

 

 

I5

 

 

 

 

 

 

 

1у: E1G1 −ϕ1G1 + G2 E2 −ϕ1G2 −ϕ1G3 +ϕ2G3 = 0 2у: ϕ1G3 −ϕ2G3 −ϕ2G4 −ϕ2G5 = 0

проведем преобразования:

ϕ1

(G1

+ G2 + G3 )−ϕ2 G3 = E1G1

+ E2G2

 

 

 

 

 

[G]×[ϕ]=[EiGi ]

 

G

 

2

G12

∑E G

i

 

−ϕ1 G3 +ϕ

(G3 + G4

+ G5 )

= 0

 

 

11

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

G

21

 

G22

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где G11; G22 - сумма проводимостей ветвей, присоединенных к рассматриваемому

узлу;

7

G12 =G21 - сумма проводимостей ветвей, соединяющих соответствующие узлы;

∑Gi Ei - алгебраическая сумма произведений ЭДС ветвей, подходящих к узлу, на

i

проводимости этих ветвей.

EiGi берется со знаком “+”, если ЭДС направлена к рассматриваемому узлу, и со знаком “-“, если ЭДС направлена от узла ( аналогично, для источника тока ).

 

ϕi ∑Gi − ∑ϕ jGij = ∑EiGi + ∑Ji

 

(1)

 

i

j

i

i

 

 

 

 

 

 

Если в схеме только два узла, к которым подходят несколько параллельных ветвей, то

основная формула (1)

значительно

упрощается

и

принимает вид:

ϕ2 = 0 ϕ1∑Gi = ∑EiGi + ∑Ji

 

 

 

 

 

 

U12 =ϕ1 −ϕ2 =ϕ1 =

∑EiGi + ∑Ji

 

(2)

 

 

 

∑Gi

 

 

 

 

Метод расчета эл. схем с использованием формулы (2) называется методом двух

узлов.

Зная потенциалы всех узлов схемы по закону Ома находят напряжения и токи ветвях

схемы.

8

Пример: Схема рис. 1. Составим уравнения по законам Кирхгофа:

1у: I1 + I2 − I3 = 0

 

 

 

 

2у: I3 + I4 − I5 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

Iк:

R1I1 − R2 I2 = E1 − E2

 

 

 

 

IIк:

R I

2

+ R I

3

− R I

4

= E

2

 

 

2

3

4

 

 

IIIк:

R4 I4 + R5I5 = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

Решением этой

системы из 5 уравнений являются токи 5 ветвей

I1; ; I5

В матричной форме:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

3

4

5

 

I1

 

 

 

 

 

 

1

1

 

−1

0

0

 

 

 

0

 

 

 

0

0

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

−1

I2

 

 

 

 

 

R

− R

 

0

0

0

 

× I

3

 

= E

− E

 

 

 

1

R2

2

R3 − R4

0

 

 

 

 

1

E2

2

 

 

0

 

 

I4

 

 

 

 

 

 

0

0

 

0

R4

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

R5

I5

 

 

 

 

 

Зная токи ветвей, с помощью закона Ома можно определить падения напряжений на различных сопротивлениях ветвей.

Для полной характеристики электрического состояния цепи надо знать не только токи

инапряжения, но также мощности источников и приемников энергии.

Взамкнутой электрической цепи в соответствии с законом сохранения энергии развиваемая источниками энергия равна энергии, потребляемой приемниками. Иначе, алгебраическая сумма мощностей, развиваемых источниками ЭДС и тока, равна сумме мощностей, потребляемых всеми сопротивлениями:

∑Ei Ii + ∑Ui Ji = ∑Ri I 2 - уравнение баланса мощностей.

Если направление I и E совпадают, то мощность такого источника входит в уравнение с положительным знаком, и источник отдает энергию в цепь ( т.е. работает в режиме генератора ). Если направления ЭДС и тока противоположны, то мощность источника записывается в уравнении со знаком “-“, и такой источник работает в режиме приемника, потребляя энергию.

Лекция № 4

Тема: «Гармонические воздействия» Гармонические колебания являются основным видом возмущений и

реакций в энергетических электрических цепях и системах.

Кгармоническим воздействиям относят синусоидальные и

косинусоидальные функции, аргументом которой является время или угол

Θ = wt :

x(t)= Am cos(wt +ϕ0 )= Am cos(Θ +ϕ0 ) или x(t)= Am sin(Θ +ϕ0 ).

Преимущества применения переменного sin тока:

1.Его форма остается неизменной во всех участках сколь угодно сложной эл. цепи. Все устройства, потребляющие эл. энергию, можно включать на любом участке цепи и заранее проектировать их на оптимальный режим работы при данном виде воздействия.

2.Линейная комбинация нескольких гармонических колебаний с одной и той же частотой дает результирующее гармоническое колебание той же частоты.

3.Гармоническая функция является единственной периодической функцией, воспроизводящейся при многократных операциях дифференцирования или интегрирования:

 

d

A cos(wt +ϕ)= wA

cos(wt +ϕ + 90°)

 

 

dt

 

 

m

 

m

 

 

 

∫Am cos(wt +ϕ)=

Am

cos(wt +ϕ − 90°)

 

 

w

 

4. Простота генерирования

переменного эл. тока

в диапазоне

 

f

=10 −103 Гц

электромеханическими

генераторами.

(подробнее рассмотрены в ЭМ).

Величины, характеризующие sin ток.

i(t)= Im sin(wt +ϕ0 )

i(t)- мгновенное значение.

1. Im - амплитуда – это абсолютное значение max отклонения sin

процесса от нулевого значения(> 0)

2. T - период – расстояние между 2-мя точками, синусоиды, колеблющимися в одинаковой фазе.

3. Частотой - f = T1 - число периодов изменения за 1 секунду.

4. Угловая частота - w = 2π f - скорость изменения аргумента – угла wt = Θ.

5.Фаза - (wt +ϕ0 ) - это состояние процесса в данный момент времени (аргумент sin ф-ции).

6.Начальная фаза - ϕ0 - это значение фазы при t = 0. Начальная фаза

зависит от выбора начала отсчета времени. она может быть

> 0, < 0, = 0.

Правило знаков: 1. Если в момент времени t = 0 мгновенное

значение sin величины положительно, значит

ϕ0 > 0

2.Аналогично –«»—отрицательно, ϕ0 < 0

3.x(t)=(0,1) ϕ0 = 0

sin cos

При изучении одного установившегося процесса начальная фаза не имеет значения, т.к. всегда можно выбрать момент начала отсчета времени тока, чтобы ϕ0 = 0 . При рассмотрении двух или нескольких процессов таким способом можно выбрать начало отсчета только для одного из них. В таких случаях важным понятием является сдвиг фаз или разность фаз:

∆ϕ = wt +ϕ1 − (wt +ϕ2 )=ϕ1 −ϕ2

При этом изменение начала отсчета одинаково изменяет значения ϕ0 для всех процессов. Поэтому разность фаз не зависит от выбора начала отсчета.

Если ∆ϕ > 0, то колебание x1(t)опережает x2 (t)

Если ∆ϕ < 0, то колебание x1(t)отстает от x2 (t)

2

Если ∆ϕ = 0, то колебание x1(t)находится в фазе с x2 (t)

Если ∆ϕ = ±180°, то колебания x1(t) и x2 (t) находятся в противофазе

Если ∆ϕ = ±90°, то колебания x1(t) и x2 (t) находятся в квадратуре

Векторные диаграммы. ( в.д. )

Наиболее наглядно исследование sin переменных величин (i, u, e) производится применением векторных диаграмм.

Преимущества и особенности использования в.д.

1.Векторные изображения очень наглядны и дают большую экономию в расчетах (также как и методы векторной алгебры по сравнению с аналитическими методами).

2.Применение векторного изображения удобно только для sin токов, т.к. только для них длина вектора (амплитуда) не изменяется во времени.

3.В.д. строятся только для сигналов с равными частотами. В этом случае взаимное расположение векторов остается неизменным, а их

сумма – постоянной.

4. В.д., являясь удобным геометрическим способом изображения, не указывают направление в пространстве (как это имеет место для векторов напряженности поля, магнитной индукции и т.п.)

Векторы для переменных токов изображают только амплитуды (своей длиной) и их проекции на оси, которые являются мгновенными значениями для

любого момента времени.

 

 

 

+ j

i(t)= Im cos(wt +ϕ0 )

 

 

 

 

 

 

 

t1

 

 

Im

 

 

Im

 

 

 

t2

Im sinθ

t = 0

t2

 

 

ϕ0

t1

t3

t4

wt

 

Im cosθ t4

ϕ0

 

 

 

 

 

t3 3

T

w

(t = 0)

+1