Теоретические основы электротехники-1
.pdfГлава 5. Расчет цепей при синусоидальном и постоянном токах |
253 |
Ðèñ. 5.14
Матрица соединений для графа схемы (рис. 5.14, â) равна (здесь, как и ранее, пустые клетки обозначают нулевые элементы)
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
3 |
4 |
|
|
|
|
5 |
|
|
6 |
|
|
7 |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
1 |
|
–1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
–1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
À 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
–1 |
|
|
|
1 |
|
–1 |
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|||||||||
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
–1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
–1 |
|
|
|
|
|
|||||
Кроме того, можем записать |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
~ t |
|
|
|
|
|
|
|
~ |
~ |
~ |
~ |
~ |
~ |
|
~ |
~ |
|
|
|
; |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
U1 |
U |
2 U |
3 |
U |
4 U 5 |
U |
6 |
U |
7 |
|
|
|
U |
8 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
E |
t |
|
|
|
|
0 0 0 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
E 5 |
E 6 |
|
E 7 |
|
|
E 8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Y diag (Y1 |
Y2 |
Y3 |
|
|
|
|
|
Y4 |
Y5 |
Y6 |
Y7 |
|
|
|
Y8 ); |
||||||||||||||||||||||||||||||||
It |
|
|
|
|
|
|
I1 |
I 2 |
I 3 |
I 4 |
|
|
|
|
|
I 5 |
|
I 6 |
I 7 |
I 8 |
|
|
|
; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
= |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 0 0 0 0 0 0 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
U0t |
|
|
|
|
U10 |
U 20 |
U 30 |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Здесь для удобства записи вместо матрицы-столбца напряжений обобщенных
~
ветвей U записана ее транспонированная матрица в виде матрицы-строки. Аналогичная запись сделана для остальных матриц-столбцов. Также для удобства
254 Часть 2. Теория линейных электрических цепей
и квадратная диагональная матрица проводимостей цепи Y записана в краткой форме.
Имея в виду особенности матричного произведения AY и диагональный характер Y-матрицы, элементы матрицы AY можно записать непосредственно по матрице A (см. § 5.11). Имеем
|
|
1 |
2 |
|
3 |
|
4 |
5 |
6 |
7 |
|
8 |
|
|
|
1 |
–Y1 |
|
|
|
|
|
|
–Y6 |
Y7 |
|
Y8 |
|
|
||
AY 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y2 |
|
Y3 |
–Y4 |
|
Y6 |
–Y7 |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
Y4 |
–Y5 |
|
|
|
–Y8 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
1 |
Y1 + Y6 + Y7 + Y8 |
|
|
– Y6 – Y7 |
|
|
|
|
– Y8 |
|
|||||
è AYAt 2 |
– Y6 |
– Y7 |
|
|
|
|
Y2 + Y3 + Y4 + Y6 + Y7 |
|
– Y4 |
. |
|||||
3 |
– Y8 |
|
|
|
|
|
– Y4 |
|
|
|
|
|
Y4 + Y5 + Y8 |
|
Произведение AY íà At можно, конечно, получить по формальным правилам матричного умножения. Но этот же результат можно получить простым сопоставлением строк матрицы A (èëè AY), как это сделано в § 5.11 с матрицей контуров.
Произведение YE есть матрица-столбец, которая в транспонированном виде равна
|
(YE) |
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
||
|
|
0 0 0 0 Y5 E 5 |
Y6 E 6 |
Y7 E 7 |
Y8 E 8 |
|
|
|
||||||||
что очень просто записать непосредственно по матрице E. |
|
|
|
|
||||||||||||
Òàê êàê |
(= YE) |
t |
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
, òî |
||
|
|
=1 |
0 0 Y5 E 5 |
Y6 E 6 |
Y7 E 7 |
Y8 E 8 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– =1 |
– Y6 E 6 + Y7 E 7 + Y8 E 8 |
|
|
|
|
=11 |
||||
|
A(= |
+ YE) 2 |
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
|||||
|
Y6 E 6 |
– Y7 E 7 |
|
|
|
= 22 |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– Y5 E |
5 – Y8 E 8 |
|
|
|
|
|
|
= 33 |
определяет матрицу-столбец, элементы которой являются суммой тех элементов матрицы (= YE), номера которых совпадают с номерами столбцов матрицы A
с ненулевыми элементами. Например, во второй строке матрицы A имеются лишь следующие ненулевые элементы: a22 1, a23 1, a24 –1, a26 1, a27 –1. Следовательно, имеем сумму Y6E6 – Y7E7.
В результате всех операций получаем
Глава 5. Расчет цепей при синусоидальном и постоянном токах |
255 |
|
|
|
|
Y11 |
|
Y12 |
|
Y13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U10 |
|
|
|
=11 |
|
|
|||||
|
t |
U0 |
|
Y21 |
|
Y22 |
|
Y23 |
|
? |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
AYA |
|
|
|
|
U 20 |
|
|
=22 |
|
|
||||||||||
|
|
|
|
Y31 |
|
Y32 |
|
Y33 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
U 30 |
|
|
|
=33 |
|
|
|||||
èëè |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
Y11U10 |
Y12U 20 |
Y13U 30 |
=11; |
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
|
|
|||
|
|
|
Y21U10 |
|
Y22U |
20 |
Y23U 30 |
=22 |
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|||
|
|
|
Y31U10 |
|
Y32U |
20 |
Y33U 30 |
=33 |
|
|
|
|
||||||||
ãäå |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y11 Y1 Y6 Y7 Y8 ; |
Y22 Y2 Y3 Y4 Y6 Y7 ; |
|
||||||||||||||||||
|
|
Y12 Y21 Y6 Y7 ; |
|
Y13 Y31 Y8 ; |
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|||
=11 |
=1 |
Y6 E 6 Y7 E 7 Y8 E |
8 ; = |
22 Y6 E |
6 Y7 E 7 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
Y33 Y4 Y5 Y8 ; |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
Y23 |
Y32 |
Y4 ; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
=33 |
Y5 E 5 Y8 E 8 . |
|
|
|
|
|
Таким образом, собственная проводимость узлов есть сумма проводимостей, присоединенных к данному узлу, а общая проводимость узлов есть сумма проводимостей ветвей, соединяющих данную пару узлов, взятая с обратным знаком.
|
|
|
|
|
|
|
|
, подключенного меж- |
||
При наличии в цепи только одного источника тока =0k |
||||||||||
ду опорным и k-м узлом, имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1k |
|
|
kk |
|
|
|
mk |
|
U10 |
=0k |
|
; ; U k 0 |
=0k |
|
; ; U m0 |
=0k |
|
. |
Величину / kk, имеющую размерность проводимости, назовем в х о д н о й
п р о в о д и м о с т ь ю между опорным и k-м узлами, а величину / mk — в з а - и м н о й п р о в о д и м о с т ь ю между k-ì è m-м узлами.
5.13. Метод сечений
Аналогично методу узловых напряжений, можно уменьшить число искомых ве-
личин до q – 1 выбором в качестве неизвестных — напряжений ветвей дерева |
||||
~ |
~ |
~ |
~ |
, имея в виду, что произведена упорядо- |
U1 |
,U |
2 , ,U q 1 |
или матрицы-столбца U1 |
ченная нумерация ветвей графа схемы, а именно сначала пронумерованы ветви дерева, а затем связи. Обратим внимание на то обстоятельство, что для метода узловых напряжений нет такой необходимости. Согласно второму закону Кирхгофа, имеем
~
CU
1 (q 1), q p
|
|
|
|
~ |
~ |
~ |
q |
|
|
|
U1 |
||
|
F |
1 |
? |
~ |
0 èëè U2 –FU1. |
|
|
|
|
U2 |
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
256 Часть 2. Теория линейных электрических цепей
Тогда напряжения всех обобщенных ветвей графа схемы можно выразить через напряжения ветвей дерева в следующем виде:
Запишем также следующие соотношения для активных и пассивных элементов цепи:
|
~ |
U E; |
~ |
||
|
U |
I I =. |
|||
Для сечений цепи имеем |
|
|
|
|
|
|
~ |
|
èëè |
DI D=. |
|
|
DI 0 |
||||
|
|
~ |
+ E, можно записать |
||
Учитывая, что I YU è U U |
|||||
|
|
~ |
|
|
|
|
DYU D(= YE). |
||||
~ |
t ~ |
, получим |
|||
С учетом того, что U=D U1 |
|||||
|
DYDtU~ |
1 D(= YE). |
Мы получили в матричной форме уравнение относительно напряжений ветвей дерева (q – 1 скалярных уравнений), куда входят:
DYDt — квадратная матрица проводимостей сечений порядка (q – 1) ? q – 1). Эту матрицу запишем в виде, аналогичном матрице узловых проводимостей, а именно:
|
Y11 |
Y12 |
|
Y1, q 1 |
|
DYDt |
Y21 |
Y22 |
|
Y2, q 1 |
, |
|
. . . . . . . . . . . . |
|
|||
|
Yq 1,1 |
Yq 1, 2 |
Yq 1, q 1 |
|
ãäå Ykk — собственная проводимость k-го сечения; Ykm — общая проводимость се- чений k è m;
D= — матрица-столбец порядка (q – 1) ? 1, состоящая из элементов, представляющих собой суммы токов источников тока ветвей, пересекаемых данным сечением, номер которого определяет номер ветви дерева;
D (YE) — матрица-столбец порядка (q – 1) ? 1, состоящая из элементов, представляющих собой суммы токов эквивалентных источников тока, образованных за счет преобразования источников ЭДС в ветвях в источники тока (YE).
В развернутой форме совокупность уравнений, полученных по методу сече- ний, имеет вид
~ |
~ |
~ |
|
; |
Y11U1 Y12U 2 Y1, q 1U q 1 |
=11 |
|||
. . . . . . . . . . . . . . . |
|
|||
. . . . . . . . . . . . . . . |
|
|||
~ |
~ |
|
~ |
|
Yq 1,1U1 |
Yq 1, 2U 2 |
Yq 1, q 1U q 1 |
|
.
.
=q 1, q 1.
258 Часть 2. Теория линейных электрических цепей
|
~ |
~ |
|
~ |
|
|
|
|
Y11U1 |
Y12U 2 |
Y13U 3 |
=11; |
|
|
|
|
~ |
~ |
|
~ |
|
; |
|
|
Y21U1 |
Y22U 2 |
Y23U 3 |
= 22 |
|
||
|
~ |
~ |
|
~ |
|
, |
|
|
Y31U1 |
Y32U 2 |
Y33U 3 |
= 33 |
|
||
ãäå |
|
|
|
|
|
|
|
Y11 Y1 Y4 Y5 Y6 ; |
Y22 Y2 Y5 Y6 ; |
||||||
Y21 Y12 Y5 Y6 ; |
Y13 Y31 Y4 Y5 ; |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
; |
=11 |
= 6 Y1E1 Y5 E 5 ; |
= 22 |
= 6 |
Y5 E 5 |
|||
|
Y33 Y3 Y4 Y5 ; |
|
|
||||
|
Y23 Y32 |
Y5 ; |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 33 Y3 E 3 |
Y5 E 5 . |
|
|
Все эти величины могут быть получены путем формальных матричных операций и анализа элементов матрицы D точно так, как это делалось в § 5.11 и 5.12.
Метод сечений и метод узловых напряжений сводятся к формированию и решению системы, состоящей из q – 1 уравнений, и в этом отношении они равноценны. Однако в методе узловых напряжений используется матрица соединений, составление которой во всех случаях является обязательным, если речь идет не о непосредственной записи уравнений при помощи визуального способа составления матриц контуров и сечений. При использовании вычислительных машин процедура составления матриц C è D должна быть формализована. Одним из таких методов является расчет матрицы F через подматрицы A1 è A2. Поэтому в вычислительном отношении метод узловых напряжений более экономичен. Однако методы сечений и контурных токов позволяют выделить те напряжения и токи, которые могут представлять непосредственный интерес, а поэтому данные методы даже в отношении использования вычислительной техники имеют свои области применения.
5.14. Метод смешанных величин
При решении некоторых задач, особенно задач расчета переходных процессов, часть ветвей целесообразно характеризовать сопротивлением, а другую часть — проводимостью, т. е. для части схемы может быть задано Iy YyUy, а для другой части — Uz ZzIz. Здесь индексы y è z показывают принадлежность матриц y- èëè z-ветвям (назовем для краткости ветви, характеризуемые проводимостью, y-в е т в я м и, а ветви, характеризуемые сопротивлением, z-â å ò â ÿ ì è).
Различный вид записи закона Ома предопределяет и выбор соответствующих искомых величин. Для Y-части схемы (часть схемы или графа схемы, содержащая только y-ветви) целесообразно в качестве искомых величин выбирать напряжения ветвей дерева. Для Z-части схемы (часть схемы или графа схемы, содержащая только z-ветви) целесообразно в качестве искомых величин (искомых переменных, как иногда говорят) выбирать токи в связях. Исходя из этой особенности, следует y-ветви отнести к ветвям дерева и только при невозможно-
260 Часть 2. Теория линейных электрических цепей
ãäå
1 Fyyt Dy.
Соответственно такому разделению топологических матриц должно быть проведено разделение матриц Z è Y. Каждая из этих матриц будет состоять из двух диагональных блоков. Согласно приоритету ветвей, в верхней левой части будут расположены ветви, отнесенные к дереву, в нижней правой части — отнесенные к связям. Соответственно, верхним подматрицам параметров ветвей дерева припишем нижний индекс 1, нижним подматрицам параметров связей — нижний индекс 2. Эти матрицы будут иметь вид
Yy |
Y1 |
|
; |
Zz |
Z1 |
|
. |
|
Y2 |
|
Z2 |
||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
Матрицы-столбцы токов, напряжений, источников ЭДС и тока также разделим по этому принципу. Имеем
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
E1y |
|
|
|
|
=1y |
|
|
|
|
|
|
I1y |
|
|
|
|
|
|
|
U1y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
~ |
|
~ |
|
|
~ |
|
|
~ |
|
~ |
|
|
~ |
|
|
E 2y |
|
E y |
|
|
=2y |
|
= y |
|
|
|
I2y |
|
|
Iy |
|
|
|
U2y |
|
|
Uy |
|
|
|
|
|
|
||||||||
I |
|
|
|
|
; |
U |
|
|
|
|
|
|
; E |
|
|
|
; |
= |
|
|
|
, |
|||
~ |
|
~ |
~ |
|
~ |
|
E1z |
E z |
=1z |
=z |
|||||||||||||||
|
|
I1z |
|
|
Iz |
|
|
|
|
U1z |
|
|
Uz |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
|
~ |
|
|
|
|
|
|
E 2z |
|
|
|
|
=2z |
|
|
|
|
|
I2z |
|
|
|
|
|
|
|
U2z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
ãäå |
Iy |
|
I1y |
|
; |
|
Iz |
|
I1z |
|
è ò. ä. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
I2y |
|
|
|
I2z |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Применим к части графа схемы, составленной из y-ветвей, метод сечений. Запись уравнений будет аналогична записи системы уравнений для сечений
(ñì.t |
~§ 5.13) с дополнительным членом, учитывающим токи z-связей, равным |
||||
–FzyI |
2z . Имеем |
|
|
|
|
|
|
t ~ |
t ~ |
Dy (YyE y |
=y ). |
|
|
Dy YyDy U1y |
FzyI2z |
Глава 5. Расчет цепей при синусоидальном и постоянном токах |
261 |
Точно так же, если применить метод контурных токов к части графа, состав-
ленной из z-ветвей, можно записать матричное уравнение, аналогичное получен-
~
ному в § 5.11 с добавлением напряжений y-ветвей дерева, которые равны FzyU1y .
Имеем
t ~ |
~ |
Cz (Z z=z E z ). |
CzZ zCzI2z |
FzyU1y |
Эти уравнения можно записать вместе:
D Y D |
t |
F |
t |
|
|
~ |
|
|
D |
(Y E |
|
= |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
U |
|
|
|
|
||||||
y y |
y |
|
zy |
t |
|
~ |
1y |
|
y |
y |
y |
y |
|
. |
Fzy |
|
C zZ zC z |
|
I2z |
|
C z (Z z=z E z ) |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Эта система матричных уравнений и составляет систему уравнений для смешанных величин.
Нетрудно заметить, что если все ветви схемы отнести или к y-ветвям, или к z-ветвям, то получим, соответственно, уравнение метода сечений или метода контурных токов.
Для графа схемы (рис. 5.15) имеем
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ðèñ. 5.15 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Γ y-связь |
4 |
–1 |
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 |
|
–1 |
|
|
–1 |
1 |
|
|
Η |
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
ϑ |
1 |
–1 |
–1 |
|
|
|
1 |
|
||
7 |
|
|
|
|
Ι z-связь |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ϑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
8 |
–1 |
|
1 |
|
–1 |
|
|
1 |
Κ |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
1 |
|
|
–1 |
1 |
Η |
2 |
|
1 |
|
–1 |
|
1 |
1 |
|
ϑ |
|
|
|
|
Ι y-дерево |
|||||
D |
|
|
|
|
|
|
|
|
ϑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3 |
|
|
1 |
|
|
|
1 |
–1 |
Κ |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Γ z-дерево |
5 |
|
|
|
|
1 |
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|