83654

Закон Ома для участка цепи с источником ЭДС

Лекция

Физика

Положительных направлений напряжений и токов. Однако число уравнений подлежащих решению может быть сокращено если воспользоваться специальными методами расчета к которым относятся методы контурных токов и узловых потенциалов. Метод контурных токов Идея метода контурных токов: уравнения составляются только по второму закону Кирхгофа но не для действительных а для воображаемых токов циркулирующих по замкнутым контурам т. Направления истинных и контурных токов выбираются произвольно.

Русский

2015-03-15

189.5 KB

1 чел.

Лекция N 9

Закон Ома для участка цепи с источником ЭДС


Возьмем два участка цепи
a-b  и c-d (см. рис.  1) и составим для них уравнения в комплексной форме с учетом указанных на рис. 1 положительных направлений напряжений и токов.

                

Объединяя оба случая, получим

  

(1)

или для постоянного тока

.   

(2)

 

Формулы (1) и (2) являются аналитическим выражением закона Ома для участка цепи с источником ЭДС, согласно которому ток на участке цепи с источником ЭДС равен алгебраической сумме напряжения на зажимах участка цепи и ЭДС, деленной на сопротивление участка. В случае переменного тока все указанные величины суть комплексы. При этом ЭДС и напряжение берут со знаком “+”, если их направление совпадает с выбранным направлением тока, и со знаком “-”, если их направление противоположно направлению тока.

 

Основы символического метода расчета цепей
синусоидального тока
 

 

Расчет цепей переменного синусоидального тока может производиться не только путем построения векторных диаграмм, но и аналитически – путем операций с комплексами, символически изображающими синусоидальные ЭДС, напряжения и токи. Достоинством векторных диаграмм является их наглядность, недостатком – малая точность графических построений. Применение символического метода позволяет производить расчеты цепей с большой степенью точности.

Символический метод расчета цепей синусоидального тока основан на законах Кирхгофа и законе Ома в комплексной форме.

Уравнения, выражающие законы Кирхгофа в комплексной форме, имеют совершенно такой же вид, как и соответствующие уравнения для цепей постоянного тока. Только токи, ЭДС, напряжения и сопротивления входят в уравнение в виде комплексных величин.

1.     Первый закон Кирхгофа в комплексной форме:

(3)

 

2.     Второй закон Кирхгофа в комплексной форме:

(4)

 

или применительно к схемам замещения с источниками ЭДС

(5)

 

3.     Соответственно матричная запись законов Кирхгофа в комплексной форме имеет вид:

§         первый закон Кирхгофа:

. ;   

(6)

 

§         второй закон Кирхгофа

.

(7)

 

Пример.

Дано:

Определить:  

1) полное комплексное сопротивление цепи ;

 

2) токи

 

Рис. 2

 

Решение:

 

1.     .

2.     .

3.    

                                             .

4.     Принимая начальную фазу напряжения за нуль, запишем:

.

Тогда

.

5.     Поскольку ток распределяется обратно пропорционально сопротивлению ветвей (это вытекает из закона Ома), то

6.     .

7.     Аналогичный результат можно получить, составив для данной схемы уравнения по законам Кирхгофа в комплексной форме

или после подстановки численных значений параметров схемы

 

Специальные методы расчета

 

Режим работы любой цепи полностью характеризуется уравнениями, составленными на основании законов Кирхгофа. При этом необходимо составить и решить систему с n неизвестными, что может оказаться весьма трудоемкой задачей при большом числе n ветвей схемы. Однако, число уравнений, подлежащих решению, может быть сокращено, если воспользоваться специальными методами расчета, к которым относятся методы контурных токов и узловых потенциалов.

 

Метод контурных токов

Идея метода контурных токов: уравнения составляются только по второму закону Кирхгофа, но не для действительных, а для воображаемых токов, циркулирующих по замкнутым контурам, т.е. в случае выбора главных контуров равных токам ветвей связи. Число уравнений равно числу независимых контуров, т.е. числу ветвей связи графа . Первый закон Кирхгофа выполняется автоматически. Контуры можно выбирать произвольно, лишь бы их число было равно  и чтобы каждый новый контур содержал хотя бы одну ветвь, не входящую в предыдущие. Такие контуры называются независимыми. Их выбор облегчает использование топологических понятий дерева и ветвей связи.

Направления истинных и контурных токов выбираются произвольно. Выбор положительных направлений перед началом расчета может не определять действительные направления токов в цепи. Если в результате расчета какой-либо из токов, как и при использовании уравнений по законам Кирхгофа, получится со знаком “-”, это означает, что его истинное направление противоположно.

Пусть имеем схему по рис. 3.

Выразим  токи ветвей через контурные токи:

           ;

           ; ;

           ; .

Обойдя контур aeda, по второму закону Кирхгофа имеем

.

Поскольку ,

то

.

Таким образом, получили уравнение для первого контура относительно контурных токов. Аналогично можно составить уравнения для второго, третьего и четвертого контуров:

совместно с первым решить их относительно контурных токов и затем по уравнениям, связывающим контурные токи и токи ветвей, найти последние.

Однако данная система уравнений может быть составлена формальным путем:

При составлении уравнений необходимо помнить следующее:

 - сумма сопротивлений, входящих в i-й контур;

 - сумма сопротивлений, общих для i-го и k-го контуров, причем    ;

члены на главной диагонали всегда пишутся со знаком “+”;

знак “+” перед остальными членами ставится в случае, если через общее сопротивление  i-й и k- й контурные токи проходят в одном направлении, в противном случае ставится знак “-”;

если i-й и k- й контуры не имеют общих сопротивлений, то ;

в правой части уравнений записывается алгебраическая сумма ЭДС, входящих в контур: со знаком “+”, если направление ЭДС совпадает с выбранным направлением контурного тока, и “-”, если не совпадает. 

В нашем случае, для первого уравнения системы, имеем:

Следует обратить внимание на то, что, поскольку , коэффициенты контурных уравнений всегда симметричны относительно главной диагонали.

Если в цепи содержатся помимо источников ЭДС источники тока, то они учитываются в левых частях уравнений как известные контурные токи: k- й контурный ток, проходящий через ветвь с k- м источником тока равен этому току .

 

Метод узловых потенциалов

Данный метод вытекает из первого закона Кирхгофа. В качестве неизвестных принимаются потенциалы узлов, по найденным значениям которых с помощью закона Ома для участка цепи с источником ЭДС затем находят токи в ветвях. Поскольку потенциал – величина относительная, потенциал одного из узлов (любого) принимается равным нулю. Таким образом, число неизвестных потенциалов, а следовательно, и число уравнений равно , т.е. числу ветвей дерева .

Пусть имеем схему по рис. 4, в которой примем .

Допустим, что  и  известны. Тогда значения токов на основании закона Ома для участка цепи с источником ЭДС

Запишем уравнение по первому закону Кирхгофа для узла а:

и подставим значения входящих в него токов, определенных выше:

.

Сгруппировав соответствующие члены, получим:

.

Аналогично можно записать для узла b:

.

Как и по методу контурных токов, система уравнений по методу узловых потенциалов может быть составлена формальным путем. При этом необходимо руководствоваться следующими правилами:

1.      В левой части i-го уравнения записывается со знаком “+”потенциал  i-го узла, для которого составляется данное i-е уравнение, умноженный на сумму проводимостей  ветвей, присоединенных к данному i-му узлу, и со знаком “-”потенциал  соседних узлов, каждый из которых умножен на сумму проводимостей  ветвей, присоединенных к i-му и k-му узлам.

Из сказанного следует, что все члены , стоящие на главной диагонали в левой части системы уравнений, записываются со знаком “+”, а все остальные – со знаком “-”, причем . Последнее равенство по аналогии с методом контурных токов обеспечивает симметрию коэффициентов уравнений относительно главной диагонали.

2.      В правой части i-го уравнения записывается так называемый узловой ток , равный сумме произведений ЭДС ветвей, подходящих к  i-му узлу, и проводимостей этих ветвей. При этом член суммы записывается со знаком “+”, если соответствующая ЭДС направлена к i-му узлу, в противном случае ставится знак “-”. Если в подходящих к i-му узлу ветвях содержатся источники тока, то знаки токов источников токов, входящих в узловой ток простыми слагаемыми, определяются аналогично.

В заключение отметим, что выбор того или иного из рассмотренных методов определяется тем, что следует найти, а также тем, какой из них обеспечивает меньший порядок системы уравнений. При расчете токов при одинаковом числе уравнений предпочтительнее использовать метод контурных токов, так как он не требует дополнительных вычислений с использованием закона Ома. Метод узловых потенциалов очень удобен при расчетах многофазных цепей, но не удобен при расчете цепей со взаимной индуктивностью.

 

Литература

 

1.     Основы теории цепей: Учеб.для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.

2.     Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с

.

Контрольные вопросы и задачи

 

1.      В ветви на рис. 1     . Определить ток .

Ответ: .

2.      В чем заключается сущность символического метода расчета цепей синусоидального тока?

3.      В чем состоит сущность метода контурных токов?

4.      В чем состоит сущность метода узловых потенциалов?

5.      В цепи на рис. 5 ; ; ;       . Методом контурных токов определить комплексы действующих значений токов ветвей.

Ответ: ; ; .

6.      В цепи на рис. 6                 . Рассчитать токи в ветвях, используя метод узловых потенциалов.

Ответ: ; ; ; ; ; ; .

64


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

321. Распознавание принадлежности объектов к заданным классам детерминированными методами 66.5 KB
  Принадлежность объектов к одному из заданных классов. Мера сходства между объектами aj и ak по одному количественному признаку. определение принадлежности заданного объекта к одному из классов по средней мере сходства этого объекта и объектов заданных классов.
322. Создание базы данных 315 KB
  Данная курсовая работа рассматривает создание базы данных Справочная ГИБДД. В курсовой работе разрабатывается БД, с помощью которой, можно будет вести отчет по любому водителю и его автомобилю.
323. Проектирование промышленного здания в Макеевке 227.5 KB
  Проектируемое здание предназначено для размещения основного производства, одноэтажное, с металлическим каркасом. Применяемый тип колон – сплошного сечения. Здание имеет II степень долговечности – срок службы составляет не менее 50 лет.
324. Малоэтажный жилой дом из мелкоразмерных элементов в г. Владимир 201 KB
  Индивидуальный мансардный одноквартирный 5-комнатный жилой дом с пристроенными гаражом и хозпостройкой. Здание имеет бескаркасную конструктивную схему с опиранием перекрытий на продольные и поперечные стены.
325. Теория международных отношений 697.39 KB
  Правовое регулирование МО. Социально-гуманитарные науки, изучающие мировые политические процессы, в качестве объекта исследования рассматривают общественные явления. Цели, средства и стратегии участников МО. Международное сотрудничество.
326. Исследование работы разрядной лампы с балластными сопротивлениями различных видов 86 KB
  Изучить влияние активного, индуктивного и ёмкостного балластного сопротивления на работу люминесцентной лампы. С увеличением коэффициента амплитуды резко снижается поток излучения лампы и срок службы электродов.
327. Анализ устойчивости элементов металлических конструкций 523 KB
  Коэффициент запаса устойчивости для данной стойки составляет. Значения критических усилий, определенные по методике СП, практически не отличаются от полученных в программе SCAD. Упругопластическая работа стержня с начальными несовершенствами.
328. Анализ чувствительности задач линейного программирования с использованием Microsoft Excel 261.5 KB
  Освоить технологию анализа чувствительности задач ЛП на основе различных типов отчетов, выдаваемых Microsoft Excel. Допустимое увеличение производства деталей первого типа.
329. Разработка организации технического обслуживания и ремонта МТП в ЦРМ хозяйства 2.51 MB
  Определение количества технических обслуживаний и ремонтов тракторов и автомобилей, распределение их по кварталам. Определение трудоемкости технических обслуживаний и ремонтов для тракторов и автомобилей. Подбор основного технологического оборудования и расчет площади участка.