П1. Анализ и расчёт электрической цепи постоянного тока. ДЗ - Расчёт сложной цепи постоянного тока Анализ и расчет электрических цепей

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО «МАТИ – Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского" (МАТИ)

Кафедра “Прикладная матемаика, информационные

технологии и электротехника”

Курсовая работа по модулю 1 "Электротехника"

базовой дисциплины для вузов "Электротехника и электроника"

Анализ и расчёт электрических цепей

1МТМ-2ДБ-035

Прокопенко Д.А. КР6-25

Выполнил: "___" _______2017г.

Сдано преподавателю на проверку "___" июня 2017г.

Проверила: Орешина М.Н. (____________) "___" _______ 2017г.

Москва 2017

1.1. Составить систему расчетных уравнений для определения токов в ветвях схемы, используя оба закона Кирхгофа непосредственно (метод законов Кирхгофа);

1.1.1 На рис. 1 приведена исходная Рис. 1

схем замещения цепи постоянного

тока, параметры которой заданы

1.1.2. Преобразуем схему к удобному виду и произвольно зададим положительные направления токов в ветвях схемы (рис.2).

1.1.3.Составляем часть уравнений расчетной системы, используя только первый закон Кирхгофа. Выбираем q-1 узлов на схеме (данная схема содержит q=4 узла, которые отмечены арабскими цифрами) и для каждого из них составляем уравнение по первому закону Кирхгофа

(узел 1) I 3 -I 5 -I 6 =0

(узел 2) I 5 -I 2 -I 4 =0

(узел 3)I 6 +I 4 +I 1 =0

1.1.4.1. Всего необходимо составить p уравнений в расчетной системе (p - число неизвестных токов, равное числу ветвей на схеме). Поэтому число уравнений, которое необходимо составить, используя второй закон Кирхгофа, равно p-(q-1) (для данной схемы p=6 и p-(q-1)=3 ).

1.1.4.2. Выбираем p-(q-1) независимых контуров на схеме, в каждом из них произвольно задаем направление обхода контура (отмечено круглыми стрелками на рис.2).

1.1.4.3. Для каждого из выбранных контуров составляем уравнение, используя второй закон Кирхгофа, а также закон Ома (U=IR )

(контур I ). I 3 R 3 +I 5 R 5 +I 2 R 2 =-E 5

(контур II ). -I 4 R 4 -I 5 R 5 +I 6 R 6 =E 5 -E 6

(контур III ). I 2 R 2 +I 1 R 1 -I 4 R 4 =0

1.1.5. Полученные уравнения объединяем в систему, которую упорядочиваем и подставляем известные параметры

0+0+I 3 +0-I 5 -I 6 =0

0-I 2 +0-I 4 +I 5 +0=0

I 1 +0+0+I 4 +0+I 6 =0

0+12I 2 +20I 3 +0+10I 5 +0=-50

0+0+0-8I 4 -10I 5 +15I 6 =-50

16I 1 +12I 2 +0-8I 4 +0+0=0

Найдём с помощью калькулятора матриц значения токов

I 1 = I 2 =I 3 = I 4 =I 5 =

I 6 =

Первый пункт задания 1.1. выполнен.

1.2.1. Используя эквивалентно преобразованную схему (рис.2), произвольно задаем положительное направление реальных токов в каждой ветви схемы (рис.3) (в данном примере они оставлены без изменения).

1.2.2. Выбираем p-(q-1)=3 независимых контуров на схеме, в каждом из них произвольно задаем направление контурного тока I K1 ,I K2 ,I K3 (отмечено круглыми стрелками на рис.3).

1.2.3. Составим систему уравнений для контуров, в каждом из которых алгебраическая сумма ЭДС (контурная ЭДС) равна произведению контуроного тока данной ячейки на сумму всех

сопротивлений ячейки, минус произведения контурных токов соседних ячееек на оответствующие сопротивления общих ветвей.

(К1):-E 5 =(R 2 +R 3 +R 5 )I К1 -R 5 I К2 -R 2 I K3

(К2):E 5 -E 6 =(R 4 +R 5 +R 6 )I K2 -R 4 I K3 -R 5 I K1

(К3):0=(R 1 +R 2 +R 4 )I K3 -R 2 I K1 -R 4 I K2

1.2.4. После подстановки числовых значений имеем

-50=42I K1 -10I K 2 -12I K3

-50=-10I K1 +33I K2 -8I K3

0=-12I K1 -8I K2 +36I K3

1.2.5. Решив эту систему, найдём контурные токи:

I K1 =-2,14 A, I K2 =-2,47 A, I K3 =-1,26 A.

1.2.6. Токи ветвей определим, руководствуясь выбранными направлениями токов ветвей и правилами:

а)токи наружных (не имеющих соседних контуров) ветвей равны соответствующим контурным токам;

б)токи ветвей равны разности контурных токов соседних контуров ячеек:

I 1 =I K3 =-1,26 A,

I 3 =I K1 =-2,14 A,

I 6 =I K2 =-2,47 A,

I 2 =I K1 -I K3 =-2,14-(-1,26)=-0,88

I 4 =I K3 I K2 =-1,26-(-2,47)=1,21

I 5 =I K1 - I K2 =-2,14-(-2,47)=0,33

Второй пункт задания выполнен.

1.3.Проверить правильность расчета, определив токи методом двух узлов (методом узлового напряжения)

Рассматриваемая схема замещения содержит четыре узла, поэтому к заданной схеме метод двух узлов непосредственно не применим.

1.3.1. Используя эквивалентное преобразование участка схемы R 2 , R 4 , R 1 соединенного по схеме «треугольник», в участок R 7 , R 8 , R 9 , соединенный по схеме «звезда» (отмечен на рис. 4 пунктиром), приводим начальную схему к схеме, содержащей два узла (рис.5).

Рис. 4 Рис. 5

Эквивалентно объединяя последовательно соединенные R-элементы в каждой ветви, получаем исходную схему для расчета методом двух узлов (рис. 6).

При этом R 37 =R 3 +R 7 =20+5.3=25.3333 Ω, R 69 =R 6 +R 9 =15+3.5555=18.5555Ω

1.3.2. Произвольно задаем положительное направление токов в ветвях схемы и положительное направление узлового напряжения U 51 (рис. 6)

1.3.3. Рассчитываем проводимости ветвей схемы

.

1.3.4. Используя основную формулу метода, определяем узловое напряжение

Знак слагаемых числителя определяется несовпадением (+) или совпадением

(–) положительного направления и положительного направления ЭДС рассматриваемой ветви.

1.3.5. Рассчитываем неизвестные токи в ветвях, используя обобщенный закон Ома

I 37 =-U 51 G 37 =-(-54.1676)*0.03947=2.1379 A,

I 58 =(U 51 +E 5)G 85 =(-54.1676+50)*0.07964=0.33 A,

I 69 =(U 51 +E 6)G 69 =(-54.1676+100)*0.5389=2.4699 A.

Проанализируем результаты расчета. На рис. 5 в каждой ветви источник ЭДС и -элементы соединены последовательно. Поэтому токи в этих ветвях равны рассчитанным. Однако участки схемы в окрестности источников не были охвачены преобразованием. Следовательно, в соответствии с условием эквивалентности преобразования участков схем величина этих токов должна остаться такой же, как и до преобразования. Сравниваем по модулю значения токов, рассчитанных настоящим методом и методом контурных токов

Видно, что значения токов практически совпадают. Следовательно, оба расчета проведены корректно. Третий пункт задания выполнен.

1.4.Определить ток, протекающий через R 2 , методом эквивалентного генератора;

1. Разрываем шестую ветвь (рис. 7)

Рис.7. Рис. 8.

и произвольно задаем положительное направление токов в остальных ветвях, положительное направление напряжения холостого хода и напряжениямежду узлами 1 и 3 (рис. 8)

2. Определяем величину . Для этого предварительно рассчитываемметодом двух узлов.

Используя основную формулу метода, определяем узловое напряжение

.

Рассчитываем токи и, используя обобщенный закон Ома

Для контура, включающего , составляем уравнение по второму закону Кирхгофа (направление обхода контура указано круглой стрелкой) и рассчитываем

3. Определяем входное сопротивление схемы со стороны зажимов разомкнутой ветви . Для этого эквивалентно преобразуем участок схемы, соединенный звездой, в участок, соединенный треугольником.

Преобразованная схема будет иметь вид (рис. 10)

Рис. 9. Рис. 10.

.

Используя свойства параллельного последовательного соединения - элементов, определяем

.

4. Определяем искомый ток, используя закон Ома для замкнутой цепи

.

Аналогичный ток, рассчитанный методом контурных токов, составляет

Они практически совпадают. Расчет проведен верно. Четвертый пункт задания выполнен.

Вопросы:

1. Расчёт методом непосредственного применения закона Кирхгофа.
2. Расчёт методом контурных токов.
3. Расчёт методом суперпозиции.
4. Расчёт методом узловых напряжений.
5. Расчёт методом эквивалентного генератора.

Ход лекции:

I. Расчёт методом применения закона Кирхгофа.

1. Определяем кол-во узлов и ветвей.

1. Произвольно зададим направление токов всех ветвей.
2. Составляем уравнение по первому закону Кирхгофа для каждого независимого узла: k-1=3.

Для точки А: I 1 -I 3 -I 2 =0

Для точки В: I 3 +I 5 -I 4 =0

Для точки D: I 4 -I 1 +I 67 =0

1. Недостающие уравнения: m-(k-1)=3 составляем по второму закону Кирхгофа для каждого независимого контура:

E 1 =I 3 R 3 +I 4 R 4 +I 1 R 1

E 2 -E 5 = -I 3 R 3 +I 2 R 2 +I 5 *0

E 5 = I 67 (R 6 +R 7)-I 4 R 4

1. Решая систему уравнений находим неизвестные токи в ветвях.
2. По результатам полученных численно значений токов выполняем действия:

1). Уточняем направление тока в ветвях: если ток отрицательный, то пишем примечание – реальное направление тока противоположено показанному на схеме.

2). Определяем режим работы источника питания: если направление ЭДС и реального тока совпадают, то режим источника питания – режим генератора, если направление ЭДС и реального тока противоположно, то это режим потребителя.

7. Проверка решения – проверка уравнения баланса мощностей: алгебраическая сумма мощностей источников равна арифметической сумме мощностей нагрузок

Если направление ЭДС и реального тока совпадают, то Р ист =EI (>0), если направление ЭДС и реального тока не совпадают, то Р ист = -EI (<0).

Можность нагрузки Р потр =I n 2 R n

Итак, уравнение баланса мощностей для нашей схемы:

E 1 I 1 +E 2 I 2 -E 5 I 5 =I 1 2 R 1 +I 2 2 R 2 +I 3 2 R 3 +I 2 4 R 4 +I 2 67 (R 6 +R 7)

Итак, если поле подстановки численных значений величин уравнения баланса обращается в тождество, то задача решена верно.

Достоинство метода: Его простота.

Недостатки метода: Большое количество совместно решаемых уравнений для сильно разветвленных цепей.

Поэтому метод применяется для расчета сложных цепей на компьютерах, в ручную не рекомендуется.

II. Расчёт методом контурных токов.

1. Определение кол-ва узлов К=4, m=6
2. Находим независимые контуры и для каждого задаётся произвольно положительное направление контурного тока. Контурный ток – ток, обтекающий ветви своего независимого контура.
3. Составляем уравнения по второму закону Кирхгофа, учитывая все контурные токи, протекающие по ветвям выбранного контура.

I: E 1 =I k1 I(R 1 +R 3 +R 4)-I k2 R 3 -I k3 R 4

II: E 2 -E 5 =I k2 (R 2 +R 3)-R 3 I k1 -I k3 R 5

III. E 5 = I k3 (R 4 +R 6 +R 7)-I k1 R 4 -I k2 0

1. Решая систему уравнений например, методом Крамера, найдём контурные токи:

I k 1 =Δ 1 /Δ I k 2 = Δ 2 /Δ I k 3 =Δ 3 /Δ

Δ – коэффициент при контурных токах

R 1 +R 3 +R 4 -R 3 -R 4

Δ= -R 3 R 2 +R 3 0

R 4 0 R 4 +R 6 +R 7

Δ 1 , Δ 2 , Δ 3 получают заменой к-того столбца на левую часть уравнений.

1. Произвольно обозначаем направление токов в ветвях.
2. Выражаем токи в ветвях через алгебраическую сумму прилегающих контурных токов: контурный ток, совпадающий с током в ветви, записывают с плюсом.

I 1 =I k1 I 4 =I k1 -I k3

I 2 =I k2 I 5 =I k2 -I k3

I 3 =I k 1 -I k 2 I 67 =I k 3

1. по полученным значениям уточняем реальные направления токов в ветвях и определяем режимы работ.
2. Проверка режимов баланса мощностей.

Достоинства метода: более короткий алгоритм

Недостатки метода: необходимо знание этого алгоритма.

Область применения: очень широкая для расчёта тока в разветвленных ветвях.

III. Расчёт методом суперпозиции.

В электротехнике принцип суперпозиции проявляет себя как принцип независимости действия ЭДС. Согласно этому принципу каждая ЭДС возбуждает в любой ветви свою долю тока – частичный ток. Результирующий ток в ветви определяется как алгебраическая сумма частичных токов.

1. Задаём произвольное направление тока в ветвях.
2. Создаём первую частичную схему замещения: из исходной схемы замещения выбрасываем все источники ЭДС, кроме первого, но оставляем их внутреннее сопротивление. Находим частичные токи в ветвях методом свёртки схемы.

1. Создаём вторую частичную схему замещения: выбрасываем все источники ЭДС, кроме второго и оставляем их внутренние сопротивления.

Е 2

R э 2 =R 2 +R 134

1. Создаём третью частичную схему замещения аналогично прошлым.

R э3 = R 12 +R 34

1. Наложив частичные схемы одну на другую, определяем результирующий ток в каждой ветви как алгебраическую сумму частичных токов.

Истинное направление токов на исходной схеме замещения определяем по результатам аналитического расчёта по правилу:

Если значение тока положительно, то направление тока угадано верно, если значение тока отрицательно, то реальное направление тока противоположно.

Алгоритм метода прост, требует знание только закона Ома, однако не производительный, поэтому для полного анализа сложной электрической цепи не применяется. Рекомендуется для частичного анализа цепи.

IV. Расчёт методом узловых напряжений.

В приложении для цепи с параллельными ветвями получил название «метод двух узлов».

1. k=2, m=3
2. Нахождение токов всех ветвей: Задаём произвольно условно положительное направление узлового напряжения между узлами и определяем его по формуле:

, где

Электрические цепи постоянного тока и методы их расчета

1.1. Электрическая цепь и ее элементы

В электротехнике рассматривается устройство и принцип действия основных электротехнических устройств, используемых в быту и промышленности. Чтобы электротехническое устройство работало, должна быть создана электрическая цепь, задача которой передать электрическую энергию этому устройству и обеспечить ему требуемый режим работы.

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.

Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения. Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппаратуры, представлена на рис. 1.1.

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

1) Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

2) Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой.

3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

В электрической схеме на рис. 1.1 электрическая энергия от источника ЭДС E, обладающего внутренним сопротивлением r 0 , с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL 1 и EL 2 .

1.2. Основные понятия и определения для электрической цепи

Для расчета и анализа реальная электрическая цепь представляется графически в виде расчетной электрической схемы (схемы замещения). В этой схеме реальные элементы цепи изображаются условными обозначениями, причем вспомогательные элементы цепи обычно не изображаются, а если сопротивление соединительных проводов намного меньше сопротивления других элементов цепи, его не учитывают. Источник питания показывается как источник ЭДС E с внутренним сопротивлением r 0 , реальные потребители электрической энергии постоянного тока заменяются их электрическими параметрами: активными сопротивлениями R 1 , R 2 , …, R n . С помощью сопротивления R учитывают способность реального элемента цепи необратимо преобразовывать электроэнергию в другие виды, например, тепловую или лучистую.

При этих условиях схема на рис. 1.1 может быть представлена в виде расчетной электрической схемы (рис. 1.2), в которой есть источник питания с ЭДС E и внутренним сопротивлением r 0 , а потребители электрической энергии: регулировочный реостат R, электрические лампочки EL 1 и EL 2 заменены активными сопротивлениями R, R 1 и R 2 .

Источник ЭДС на электрической схеме (рис. 1.2) может быть заменен источником напряжения U, причем условное положительное направление напряжения U источника задается противоположным направлению ЭДС.

При расчете в схеме электрической цепи выделяют несколько основных элементов.

Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных элементов. Схема на рис. 1.2 имеет три ветви: ветвь bma, в которую включены элементы r 0 , E, R и в которой возникает ток I; ветвь ab с элементом R 1 и током I 1 ; ветвь anb с элементом R 2 и током I 2 .

Узел электрической цепи (схемы) – место соединения трех и более ветвей. В схеме на рис. 1.2 – два узла a и b. Ветви, присоединенные к одной паре узлов, называют параллельными. Сопротивления R 1 и R 2 (рис. 1.2) находятся в параллельных ветвях.

Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям. В схеме на рис. 1.2 можно выделить три контура: I – bmab; II – anba; III – manbm, на схеме стрелкой показывают направление обхода контура.

Условные положительные направления ЭДС источников питания, токов во всех ветвях, напряжений между узлами и на зажимах элементов цепи необходимо задать для правильной записи уравнений, описывающих процессы в электрической цепи или ее элементах. На схеме (рис. 1.2) стрелками укажем положительные направления ЭДС, напряжений и токов:

а) для ЭДС источников – произвольно, но при этом следует учитывать, что полюс (зажим источника), к которому направлена стрелка, имеет более высокий потенциал по отношению к другому полюсу;

б) для токов в ветвях, содержащих источники ЭДС – совпадающими с направлением ЭДС; во всех других ветвях произвольно;

в) для напряжений – совпадающими с направлением тока в ветви или элемента цепи.

Все электрические цепи делятся на линейные и нелинейные.

Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным, например электропечь.

Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке.

Следовательно, в линейной электрической цепи все элементы – линейные, а нелинейной называют электрическую цепь, содержащую хотя бы один нелинейный элемент.

1.3. Основные законы цепей постоянного тока

Расчет и анализ электрических цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа. На основе этих законов устанавливается взаимосвязь между значениями токов, напряжений, ЭДС всей электрической цепи и отдельных ее участков и параметрами элементов, входящих в состав этой цепи.

Закон Ома для участка цепи

Соотношение между током I, напряжением UR и сопротивлением R участка аb электрической цепи (рис. 1.3) выражается законом Ома

Закон Ома для всей цепи

Этот закон определяет зависимость между ЭДС Е источника питания с внутренним сопротивлением r 0 (рис. 1.3), током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением R Э = r 0 + R всей цепи:

Сложная электрическая цепь содержит, как правило, несколько ветвей, в которые могут быть включены свои источники питания и режим ее работы не может быть описан только законом Ома. Но это можно выполнить на основании первого и второго законов Кирхгофа, являющихся следствием закона сохранения энергии.

Первый закон Кирхгофа

В любом узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю

где m – число ветвей подключенных к узлу.

При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут со знаком «плюс», а токи, направленные от узла – со знаком «минус». Например, для узла а (см. рис. 1.2) I - I 1 - I 2 = 0.

Второй закон Кирхгофа

В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех его участках

где n – число источников ЭДС в контуре;
m – число элементов с сопротивлением R к в контуре;
U к = R к I к – напряжение или падение напряжения на к-м элементе контура.

Для схемы (рис. 1.2) запишем уравнение по второму закону Кирхгофа:

Если в электрической цепи включены источники напряжений, то второй закон Кирхгофа формулируется в следующем виде: алгебраическая сумма напряжений на всех элементах контру, включая источники ЭДС равна нулю

При записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо:

1) задать условные положительные направления ЭДС, токов и напряжений;

2) выбрать направление обхода контура, для которого записывается уравнение;

3) записать уравнение, пользуясь одной из формулировок второго закона Кирхгофа, причем слагаемые, входящие в уравнение, берут со знаком «плюс», если их условные положительные направления совпадают с обходом контура, и со знаком «минус», если они противоположны.

Введение....................................................................................... 4

1 Раздел 1. Расчет сложной электрической цепи постоянного тока 5

1.1 Расчет токов по законам Кирхгофа................................... 5

1.2 Замена треугольника сопротивлений эквивалентной звездой...................................................................................................... 6

1.3 Расчет методом «Контурных токов»................................. 8

1.4 Баланс мощностей электрической цепи............................ 9

1.5 Расчет потенциалов точек электрической цепи.............. 10

2 Раздел 2. Расчет и анализ электрической цепи переменного тока 12

2.1 Расчет токов комплексным методом............................... 12

2.2 Определение активной мощности ваттметра.................. 14

2.3 Баланс активной и реактивной мощностей..................... 14

2.4 Векторная диаграмма токов............................................. 14

3 Раздел 3. Расчет трехфазной электрической цепи................ 15

3.1 Расчет фазных и линейных токов.................................... 15

3.2 Мощности трехфазной электрической цепи................... 16

3.3 Векторная диаграмма токов и напряжений..................... 17

4 Раздел 4. Расчет трехфазного асинхронного двигателя....... 18

Заключение................................................................................. 23

Список использованной литературы......................................... 24

Введение

Электротехника как наука является областью знаний, в которой рассматриваются электрические и магнитные явления и их практическое использование. На базе электротехники начали развиваться электроника, радиотехника, электропривод и другие смежные науки.

Электрическая энергия применяется во всех областях человеческой деятельности. Производственные установки на предприятиях имеют в основном электрический привод, т.е. приводят в действия электрические двигатели. Для измерения электрических и неэлектрических величин широко применяются электрические приборы и устройства.

Непрерывно расширяющиеся использование различных электротехнических и электронных устройств обуславливает необходимость знаниями специалистами всех областей науки, техники и производство основных понятий об электрических и электромагнитных явлений и их практическое применение.

Знание студентами данной дисциплины обеспечит их плодотворную деятельность в будущем как инженеров при современном состоянии энерговооруженности предприятий.

В результате полученных знаний инженер неэлектротехнических специальностей должен уметь квалифицированно эксплуатировать электротехническое и электронное оборудование и электропривод, применяемые в условиях современного производства, знать путь и методы экономии электроэнергии.

РАЗДЕЛ 1. РАСЧЕТ СЛОЖНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Параметры схемы приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Параметры схемы электрической цепи.

1.1 Расчет токов по законам Кирхгофа

Показываем на схеме направление токов в ветвях (рис. 1).

Согласно первому закону Кирхгофа для цепей постоянного тока алгебраическая сумма токов в любом узле электрической цепи равна нулю, т.е. сумма токов, направленных от узла, равна сумме токов, направленных к узлу.

Составляем уравнения по первому закону Кирхгофа для узлов, количество которых равно (n–1), где n – количество узлов в схеме:

А) +I 1 + I 3 – I 2 = 0; (1.1)

B) I 4 + I 6 – I 3 = 0; (1.2)

D) I 5 – I 1 – I 4 = 0. (1.3)

Согласно второму закону Кирхгофа для цепей постоянного тока в любом замкнутом контуре алгебраическая сумма напряжений на резистивных элементах равна алгебраической сумме ЭДС.

Составляем уравнения по второму закону Кирхгофа для каждого контура:

I) I 3 ∙ (R 3 + R 03) – I 1 ∙ (R 1 + R 01) + I 4 ∙ R 4 = E 3 – E 1 ; (1.4)

II) I 1 ∙ (R 1 + R 01) + I 2 ∙ (R 2 + R 02) + I 5 ∙ R 5 = E 1 + E 2 ; (1.5)

III) I 6 ∙ R 6 – I 4 ∙ R 4 – I 5 ∙ R 5 = 0. (1.6)

Решаем все полученные уравнения совместно как систему, подставив все известные значения:

=> (1.7)

Решив матрицу, получим неизвестные значения токов в ветвях:

I 1 = – 0,615 А;

Если ток в ветви оказался отрицательным, значит, его направление противоположно выбранному на схеме.

1.2 Замена треугольника сопротивлений эквивалентной звездой

Проведем преобразование «треугольника» bcd, соответствующего схеме электрической цепи, в эквивалентную «звезду» (рис. 2). Исходный треугольник образован сопротивлениями R 4 , R 5 , R 6 . При преобразовании обязательно сохраняется условие эквивалентности схем, т.е. токи в проводах, проходящих к преобразуемой схеме, и напряжения между узлами не меняют своих величин.

При преобразовании «треугольника» в «звезду» используем расчетные формулы:

Ом. (1.10)

В результате преобразования исходная схема упрощается (рис. 3).

В преобразованной схеме только три ветви и соответственно три тока I 1 , I 2 , I 3 . Для расчета этих токов достаточно иметь систему трех уравнений, составленных по законам Кирхгофа:

(1.11)

При составлении уравнений направление тока и обхода контуров выбирается так же, как и в трехконтурной схеме.

Составляем и решаем систему:

(1.12)

Решив матрицу, получим неизвестные значения токов I 1 , I 2 , I 3:

I 1 = –0,615 А;

Подстановкой полученных значений токов в уравнения, составленные для трехконтурной схемы, определим остальные токи I 4 , I 5 , I 6:

1.3 Расчет методом «Контурных токов»

Произвольно задаемся направлением контурных токов в ячейках исходной схемы. Удобнее все токи указать в одном направлении – по часовой стрелке

В зависимости от числа источников ЭДС (питания) в схеме, ее топологии и других признаков цепи анализируются и рассчитываются различными методами. При этом известными обычно являются ЭДС (напряжения) источников электроэнергии и параметры цепи, расчетными - напряжения, токи и мощности.

В этой главе мы ознакомимся с методами анализа и расчета цепей постоянного тока различной сложности.

Расчет цепей с одним источником питания

Когда в цепи имеется один активный элемент (источник электроэнергии), а другие являются пассивными, например резисторы /? t , R 2 ,..., то цепи анализируются и рассчитываются методом преобразования схем , сущность которого заключается в преобразовании (свертке) исходной схемы в эквивалентную и последующем разворачивании, в процессе которых определяются искомые величины. Проиллюстрируем этот метод для расчета цепей с последовательным, параллельным и смешанным соединением резисторов.

Цепь с последовательным соединением резисторов. Рассмотрим этот вопрос на следующем качественном примере. От идеализированного источника ЭДС Е (R 0 = 0), на выходных зажимах которого имеется напряжение U, т.е. когда E=U , через последовательно соединенные сопротивления R { , R 2 ,..., R n питается нагрузка (приемник) с сопротивлением R H (рис. 2.1, а).

Рис . 2.1

Требуется найти напряжение, сопротивление и мощность цепи эквивалентной заданной, изображенной на рис. 2.1, б, делая соответствующие выводы и обобщения.

Решение

А. При известных сопротивлениях и токе напряжения на отдельных элементах цепи, согласно закону Ома, находились бы так:

Б. Общее напряжение (ЭДС) цепи, согласно второму закону Кирхгофа, запишется так:

Г. Умножив все члены (2-2) на ток / или (2-5) на Р, будем иметь откуда

В. Разделив все члены (2-2) на ток /, получим где

Формулы (2-3), (2-5), (2-7) показывают, что в цепи с одним источником питания и последовательным соединением сопротивлений эквивалентные напряжение, сопротивление и мощность равны арифметическим суммам напряжений, сопротивлений и мощностей элементов цепи.

Приведенные соотношения и выводы свидетельствуют о том, что исходную схему по рис. 2.1, а с сопротивлениями /? 2 , R„ можно заменить (свернуть) простейшей по рис. 2.1, б с эквивалентным сопротивлением R 3 , определяемым по выражению (2-5).

а) для схемы по рис. 2.1, б справедливы соотношения U 3 = U = RI , где R = R 3 + R u . Исключив из них ток /, получим выражение

которое показывает, что напряжение U 3 на одном из сопротивлений цепи, состоящей из двух, соединенных последовательно, равно произведению общего напряжения U на отношение сопротивления этого участка R 3 к общему сопротивлению цепи R. Исходя из этого

б) ток и напряжения в цени но рис. 2.2, б можно записать в различных вариантах:

Решенные задачи

Задача 2.1. Чему равны сопротивление, напряжение и мощность цепи по рис. 2.1, а, если I = 1 A, R x = 1 Ом, Д 2 = 2 Ом, = 3 Ом, R u = 4 Ом?

Решение

Напряжения на резисторах, очевидно, будут равны: U t =IR^ = 1 1 = 1 В, U 2 = IR 2 = = 1 2 = 2 В, U n = /Л я = 1 3 = 3 В, t/ H = ZR H = 1 4 = 4 В. Эквивалентное сопротивление цепи: R 3 = R { + /? 9 + R n = 1 + 2 + 3 = 6 Ом. Сопротивление, напряжение и мощность цепи: /? = &, + /?„ = 6 + 4= 10 Ом; U= U { + U 2 + U„+U n = 1+2 + 3 + 4 = 10 В, или U=IR = = 1 10= 10 В; Р= Ш= 10 - 1 = 10 Вт, или Р= UJ+ U 2 I + U n I+ U U I= 11+21+31 + + 4 1 = 10 Вт, или Р = PR X + PR 2 + PR a + PR n = 12 1 + 12 2 + 12 3 + 12 4 = 10 Вт, или Р = Щ /R x +U? 2 /R 2 +UZ /R n +1/2 /R n = 12 / 1 + 22/2 + 32/3 + 42 /4 = 10 Вт.

Задача 2.2. В цепи по рис. 2.1, а известны: U = МО В, R { = Ом, R 2 = 2 Ом, = = 3 Ом, R H = 4 Ом. Определить U 2 .

Решение

R = /?! + /?, + Л 3 + Л 4 = Л,+ Л Н = 1+2 + 3 + 4 = 6 + 4 = 10 Ом, 1=11/R= 110/10 = = 11 А, // 2 = Л? 2 = 11 2 = 22 В или U 2 =UR 2 /R = 110 2 / 10 = 22 В.

Задачи, требующие решения

Задача 2.3. В цепи по рис. 2.1, а известны: U = МО В, R^ = Ом, R 2 = 2 Ом, R n = = 3 Ом, R u = 4 Ом. Определить Р„.

Задача 2.4. В цепи по рис. 2.1, б известны: U= 110 В, U H = 100 В, = 2 Ом. Определить Р э.

Задача 2.5. В цепи по рис. 2.1,6 известны: U= 110 В, R t = 3 Ом, Д н = 2 Ом. Определить }