73551

Методи розрахунку лінійних електричних кіл (ЛЕК) постійного струму при наявності двох і більше джерел живлення

Лекция

Физика

Метод вузлових і контурних рівнянь полягає в складанні на основі законів Кірхгофа системи вузлових і контурних рівнянь, що містять невідомі величини струмів, які протікають у вітках кола, та розв’язання цієї системи рівнянь шляхом підстановок або за допомогою матриць та формул Крамера.

Украинкский

2014-12-17

468 KB

12 чел.

Лекція 2. Методи розрахунку лінійних електричних   кіл (ЛЕК) постійного струму при наявності двох і більше джерел живлення.

(Л.1, с. 18 – 21; Л.2. с. 11 – 19)

  1.  Метод вузлових і контурних рівнянь та метод контурних струмів.

1.1. Метод вузлових і контурних рівнянь полягає в складанні на основі законів Кірхгофа системи вузлових і контурних рівнянь, що містять невідомі величини струмів, які протікають у вітках кола, та розв’язання цієї системи рівнянь шляхом підстановок або за допомогою матриць та формул Крамера.

Цей  метод розрахунку, як і наступні методи, застосовуються при розрахунку електричних кіл, що мають два і більше джерел електроенергії, на відміну від розглянутих раніше методів розрахунку електричних кіл з одним джерелом живлення. При цьому розрахунок виконується на основі загального порядку розрахунку, починаючи з побудови розрахункової схеми заміщення та її структурного аналізу.

1.1.1.. Складання системи рівнянь.

Вузлові рівняння складаються згідно першому закону Кірхгофа в кількість на одиницю менше кількості вузлів схеми. Розглянемо типову схему заміщення з двома джерелами ЕРС (рис.1).

 

     

Рис. 1. Схема заміщення кола з  двома джерелами живлення .

Очевидно, для цієї схеми необхідно скласти одне вузлове рівняння, яке згідно прийнятих напрямків струмів має вигляд:

                     (1.1)

Слід відмітити, що напрямки струмів, що вибираються довільно при структурному аналізі, можуть бути вибрані для деяких струмів неправильно, тоді при розрахунку буде отримано для тих струмів негативне значення, що буде вказувати на те, що ці струми в дійсності мають протилежний напрямок.

Контурні рівняння складаються згідно другому закону Кірхгофа для найбільш простих контурів в кількості, що дорівнює кількості невідомих струмів мінус число вузлових рівнянь. Для приведеної типової схеми, де кількість невідомих струмів рівна 3 та складено одне вузлове рівняння, кількість контурних рівнянь, очевидно, дорівнює двом .

Для наведеної типової розрахункової схеми контурні рівняння складаються для 2 суміжних контурів I і II при обході контурів за вказаними на схемі напрямками:

для I контура:        (1.2)

для II контура:      (1.3)

Система складених вище вузлових та контурних рівнянь являє собою систему трьох рівнянь першої степені з трьома невідомими струмами І1, І2, І3 та має вигляд:

       (1.4)

Цю систему рівнянь можна записати у матричному вигляді:

      (1.5)

1.1.2.Розв’язання системи вузлових і контурних рівнянь.

        Розв’язання системи вузлових і контурних рівнянь здійснюється шляхом підстановок, або матричним способом. Розглянемо порядок розв’язання цієї системи рівнянь (1.4) шляхом підстановок та застосування законів Ома і Кірхгофа на прикладі типової схеми (рис. 1).

1) Із рівняння (1.1) визначимо струм: І312;

2) Складемо рівняння (1.2) та (1.3) та підставимо І312 в (1.6):

+        (1.6)

Тоді отримаємо: або

звідси:                                                          (1.7)

3) Підставляючи (1.7) в (1.2), отримаємо

звідси:                        .        (1.8)

4) Підставляючи (1.7) в (1.3), отримаємо: ,

звідси: .            (1.9).

. Розв’язання системи вузлових і контурних рівнянь матричним способом за формулами Крамера:

  1.  Визначаємо визначник матриці (1.5):

 (1.10)

  1.  визначаємо часткові визначники (алгебраїчні доповнення):

а)     (1.11)

б)     (1.12)

в)        (1.13)

  1.  Визначимо значення величин струмів:

(1.14)

1.2. Метод контурних струмів полягає в складанні за другим законом Кірхгофа контурних рівнянь в суміжних контурах, де в спільній вітці протікають та складаються струми від декількох джерел, з якими з’єднана ця вітка, що дає можливість виключити вузлові рівняння.

Цей метод фактично є частковим варіантом попереднього методу, де також складається система тільки контурних рівнянь. Він також застосовується при наявності декількох джерел живлення. Розглянемо особливості його використання на прикладі типової розрахункової схеми (рис.1).

1.2.1. Складання системи рівнянь:

При складанні системи рівнянь для суміжних контурів необхідно врахувати, що в спільній вітці ав діють 2 контурних струми І1 та І2, які при складанні створюють струм І3.

Складання рівнянь контурних струмів:

1) для контура І:           (1.15)

2) для контура II:                    (1.16)

Об’єднання рівнянь в систему :

       (1.17)

або в матричній формі:

     (1.18)

!.2.2.Розв’язання системи рівнянь шляхом підстановок:

1) Із (1) отримаємо              (1.19)

2) Підставивши І2 в рівняння (2), отримаємо:

або

звідси:

3) Підставивши І1 в (1.19), отримаємо І2.

4) Визначення струму .

1.2.3. Розв’язання системи рівнянь матричним способом.

1) Визначення визначник матриці коефіцієнтів:

       (1.20)

2) визначення алгебраїчних доповнень:

                       (1.21)

                       (1.22)

3) визначення величин струмів:

 

2.Методи вузлових потенціалів та суперпозиції (накладання).

2.1. Методом вузлових потенціалів називається метод розрахунку електричних кіл, при якому за невідомі величини приймають потенціали вузлів схеми заміщення, а потім за їх допомогою визначають величини струмів в вітках між вузлами.

2.1.1. Сутність методу розглянемо за схемою заміщення електричного кола (Рис.2):

а)                               б)

Рис. 2. Схема заміщення електричного кола: а) для 3 вузлів; б) для 4 вузлів.

Позначимо в цій схемі вузли 1,2,3 та приймемо потенціал вузла 3 рівним нулю. Тоді за першим законом Кірхгофа для вузлів 1,2 запишемо вузлові рівняння:

для вузла 1:   

для вузла 2:

  1.  Замінивши знаки на протилежні, запишемо систему рівнянь:

      (2.1)

2) Враховуючи, що  , а  отримаємо згідно закону Ома значення величин струмів у вітках між вузлами:

       (2.2)

  1.  Підставимо значення величин струмів (1.2) в систему вузлових рівнянь (1.1) та одержимо, враховуючи знаки:

а) для вузла 1:

або

        (2.3)

б) для вузла 2:

або

       (2.4)

4) Введемо умовні позначення:

а)  

б)

в)                                        (2.5)

г)  

д)

5) Враховуючи позначення (2.5), запишемо рівняння (2.3) та (2.4):

а) для вузла 1:

б) для вузла 2:   тобто отримаємо систему двох рівнянь з двома невідомими  та :

       (2.6)

Рішення цієї системи рівнянь дає значення невідомих величин потенціалів  та , за допомогою яких за законом Ома визначаються величини струмів в усіх вітках кола.

2.1.2. Метод двох вузлів, як частковий випадок методу вузлових потенціалів. Дуже часто зустрічаються ЛЕК, які мають тільки два вузли. Схема заміщення такого кола надана на рис.3:

 

Рис. 3. Схема заміщення ЛЕК з двома вузлами.

      1) Прийнявши потенціал точки в рівним нулю, отримаємо

     (2.7)

2) При цьому рівняння для вузла а за допомогою метода вузлових потенціалів має вигляд:

де  

Тоді рівняння (2.7) прийме вигляд:

       (2.3)

3) Знаючи , визначимо величини струмів:

4). Приклад рішення типової задачі:

Рис. 4 Типова схема заміщення.

1)

2)

2.2. Метод суперпозиції (накладання) ґрунтується на тому, що величина струму у будь – якій вітці електричного кола дорівнює сумі часткових струмів, створених кожним діючим в колі джерелом електроенергії окремо.

У зв’язку з цим метод суперпозиції складається із наступних розрахункових операцій:

1) Заміни схеми заміщення з декількома джерелами електроенергії на декілька часткових схем заміщення з одним джерелом;

2) Визначення в кожній з часткових схем величин і напрямків часткових струмів усіх віток.

3) Суперпозиції (накладання) величин і напрямків часткових струмів для вихідної схеми заміщення.

Слід відзначити, що принцип і метод суперпозиції є втіленням однієї з основних властивостей лінійних систем будь якої фізичної природи і може застосовуватись в багатьох галузях науки і техніки, в тому числі в електротехніці. Тому, оволодіння цим методом має загальноосвітнє значення для фахівців усіх спеціальностей, особливо для фахівців електротехнічних спеціальностей, в тому числі та насамперед вашої спеціальності.

2.2.1. Сутність методу суперпозиції розглянемо на прикладі розрахунку типової схеми заміщення (рис. 5).  

Рис. 5. Типова схема заміщення ЛЕК з 2 джерелами живлення.

1) Замінемо вихідну схему заміщення з 2 джерелами на дві часткові схеми заміщення з одним джерелом (рис.6.)

   а)          в)

 

Рис. 6. Часткові схеми заміщення з одним джерелом.    

3Метод еквівалентного генератора та його застосування.

3.1.Визначення. Метод еквівалентного генератора полягає в заміні активної частини схеми заміщення кола активним двополюсником, до затискачів якого приєднана розрахункова вітка; визначенні напруги холостого ходу та вхідного опору двополюсника; і на основі отриманих значень параметрів активного двополюсника визначення величини струму в розрахунковій вітці за формулою еквівалентного генератора:

.

3.2. Метод складається із наступних операцій:

1) виділення розрахункової вітки та відокремлення активної частини схеми заміщення у вигляді схеми активного двополюсника;

2) перетворення електричної схеми двополюсника до найпростішого вигляду та визначення його параметрів;

3) визначення струму розрахункової вітки за формулою еквівалентного генератора.

3.3. Порядок застосування методу.

Треба визначити струм І3. Методом еквівалентного генератора.

3.3.2. Відокремлюємо активну частину схеми заміщення у вигляді активного двополюсника:

 

 

Рис. 3.2. Схема активного двополюсника.

3.3.3. Визначаємо параметри двополюсника:

         1) Напруга холостого ходу:

               (3.1.)

  1.  Вхідний опір (джерело шунтується):

  1.              (3.2.)

  1.  Визначаємо струм І3:

                 (3.3.)

3.3.4. Розглянемо туж схему при визначенні струму І2; при цьому, очевидно, отримуємо:

  1);  2);    3)     (3.4)

4.Основні властивості лінійних електричних кіл.

4.1. Усі розглянуті методи розрахунку електричних кіл основані, як показує їх аналіз, не тільки на використанні законів Ома та Кірхгофа, але й на особливих властивостях лінійних систем таких, як суперпозиція часткових значень параметрів, еквівалентність активних частин схем заміщення еквівалентним генератором електроенергії та інших властивостях, що слід знати та враховувати при розрахунках, як принципи розрахунку.

Отже, основними властивостями лінійних електричних кіл є наступні властивості:

  1.  властивість пропорційності значень величин струмів і напруг у вітках електричних кіл;
  2.  властивість суперпозиції (накладання) часткових значень величин струмів і напруг, що створюються окремими діючими в колах джерелами електроенергії;
  3.  властивість еквівалентності активних двополюсників, виділених в розрахункових схемах заміщення, умовним еквівалентним генераторам;
  4.  властивість можливості компенсації опорів джерелами ЕРС

4.2. Сукупність основних властивостей лінійних електричних кіл.

4.2.1. Властивість пропорційності величин полягає в тому, що величини струмів і напруг у вітках лінійних кіл, які мають декілька джерел живлення, являють собою суперпозицію (накладання, або суму) величин і напрямків часткових струмів і напруг, що створюються в цих вітках при дії в колі окремо кожного джерела живлення. На використанні цієї властивості і основан відповідно метод суперпозиції.

4.2.3. Властивість еквівалентності активних двополюсників, що створюються в лінійних колах при виділенні окремих розрахункових віток, умовним еквівалентним генераторам полягає в тому, що при замінні активного двополюсника еквівалентним генератором, який має Е = Uхх та Rвн=Rвх, величина струму у розрахунковій вітці не зміниться. На цій властивості основан метод еквівалентного генератора.

4.2.4. Властивість компенсації полягає в тому, що при заміні опору в будь – якій вітці лінійного кола джерелом ЕРС, величина якої дорівнює величині спаду напруги в цьому опорі, а її напрямок спрямований назустріч струму, струморозподіл в колі не зміниться. Ця властивість застосовується при переведенні схем заміщення до найпростішого виду.

4.2.5. Властивість взаємності полягає в тому, що, якщо джерело ЕРС увімкнене в один контур кола, викликає з’явлення в іншому контурі кола електричного струму певної величини, то перенесення цього джерела ЕРС в той інший контур викличе з’явлення електричного струму такої ж величини в першому контурі кола. Ця властивість використовується також при спрощені схем заміщення лінійних електричних кіл.

4.3. Теорема компенсації.

4.3.1. Сутність теореми: “В будь якому електричному колі можна без зміни струморозподілу замінити опір R, джерелом ЕРС, величина якої дорівнює спаду напруги на цьому опорі, а напрям спрямований на зустріч струму, що протікає через опір”.

Якщо у виділену вітку увімкненого два джерела, що мають однакові за величиною, але протилежно спрямовані ЕРС., Е1, та Е2, чисельні значення яких дорівнюють спаду напруги на опорі під дією струму (Е12=І·R), то струм у колі не зміниться (рис 1.1. б)

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

53418. Інноваційні технологій навчання у розвитку творчих здібностей учнів в класі спеціального фортепіано школи мистецтв 158 KB
  Апробовано спосіб інтеграції деяких сучасних технологій навчання у розвитку творчої особистості учня на уроках фортепіано Опис та презентація досвіду роботи Викладача вищої категорії з фортепіано дитячої школи мистецтв при НУКіМ ім. Тема досвіду: Інноваційні технологій навчання у розвитку творчих здібностей учнів в класі спеціального фортепіано школи мистецтв Базова модель досвіду Актуальність і перспективність досвіду: Забезпечує умови для розвитку творчої особистості дитини; Сприяє виконанню завдань Національної доктрини...
53419. Використання інтерактивних технологій у навчанні іноземних мов 68.5 KB
  Для забезпечення швидкого та ефективного включення учнів в інтерактивну діяльність пропоную їм памятки які містять опис алгоритму діяльності послідовний перелік дій які вони мають здійснювати у тій чи іншій навчальній ситуації Тема: Великобританія Ажурна пилка Домашні групи: Gret Britin Wles Scotlnd Northern Irelnd red green blueyellow pink...
53420. Інструктаж з безпеки життєдіяльності під час проведення лабораторногопрактикуму з фізики 54.5 KB
  Цю розробку можна також використовувати під час проведення вхідного інструктажу на початку навчального року. Інструктаж з безпеки життєдіяльності під час проведення лабораторногопрактикуму з фізики. Мета: Повторити основні правила техніки безпеки під час проведення лабораторних робіт та правила поведінки в надзвичайних ситуаціях.
53421. Современный урок с позиции интерактивного обучения 88.5 KB
  Во время интерактивного обучения учащиеся учатся быть демократичными общаться с другими критически мыслить принимать продуманные решения. Обсуждение вопросов будет проходить путём коллективного обдумывания мозгового штурма которые проводится так: 1 условие задания записывается на доске чтобы видно было всем; 2 все участники штурма имеют право высказать свои идеи для решения задания; 3 когда участники группы выясняют что идей достаточно их предложение останавливается; 4 поданные идеи анализируются обговариваются в группах;...
53422. Важливість упровадження в навчальний процес інтерактивних технологій як одного із засобів особистісно-зорієнтованого навчання 43 KB
  Сучасна школа стоїть перед прикрим фактом: в умовах традиційних форм та методів навчання школярі пасивно отримуючи інформацію не вміють здобувати її самостійно і застосовувати те що знають. Особистіснозорієнтоване навчання у цьому плані є досить перспективним оскільки воно виходить із самоцінності особистості її духовності та суверенності. Визначальним для особистіснозорієнтованого навчання має бути соціокультурний діалог у системі âпедагог дитинаâ на основі її розуміння прийняття і визнання.
53423. Зимова подорож до святого Миколая. Виготовлення листівки бажань 41.5 KB
  Зимова подорож до святого Миколая. Мета: розширити знання учнів про святого Миколая; вчити учнів правильно виразно читати поетичні твори; збагачувати словниковий запас учнів; виготовити листівку бажань; сприяти вихованню міцної внутрішньої опори людини що знаходить свій прояв у доброті чуйності лагідності. Сьогодні на уроці ми завітаємо у гості до святого Миколая. Я знаю що день святого Миколая улюблене свято українських дітей.
53424. Інтегроване заняття з використанням наочного моделювання 31 KB
  На основі знайомої казки Колосок за допомогою схемсимволів вчити дітей сприймати зміст казки. Хіба зможемо прожити ми без них Діти вам подобаються казки Що вам подобається в казках Так всі люблять казки кони ведуть нас у світ пригод вчать розпізнавати добро зло. 1 коробка Діти підійдіть до коробки з літерою А в коробці захована схема з гудзиків за казкою Колосок З якої казки герої Який був півник Якими були мишенята Як звали Півника мишенят Чому вчить ця казочка Хто не працює той не їсть Потрібно...
53425. Формування ключових компетентностей молодшого школяра шляхом впровадження інтегрованих уроків 299 KB
  Предметних компетентностей: ознайомити дітей з усіма варіантами числа 7; вчити учнів складати розвязувати читати вирази на додавання в межах 7; вивчити назви днів тижня; розвивати мислення память; розширити знання про фрукти їх користь для людей; збагатити словниковий запас поняттями екзотика екзотичні фрукти; виховувати бережливе ставлення до природи зокрема садупрагнення до здорового харчування. Обладнання: мультимедійний проектор компютер аудіозаписи мікрофон демонстраційний матеріалкартки із...
53426. Закріплення вивчених букв. Робота з дитячою книгою. Українська народна казка «Курочка Ряба». Виготовлення курочки з солоного тіста 209 KB
  Мета Формувати у дітей поняття про казку як художній твір,Розвивати навички слухання та інтонування почутого, мовлення, уяву, фантазію, логічне раціональне мислення, використовуючи методи інтерактивного навчання; закріплювати вміння читати слова, речення та тексти з вивченими буквами, вдосконалювати навички звукового аналізу слів;