Определить все токи используя метод узлового напряжения

Метод узловых (потенциалов) напряжений

ads

При изучении основ электротехники приходится сталкиваться с необходимостью расчета тех или иных параметров различных схем. И самое простое, что приходится делать – это расчет токов ветвей в цепях постоянного тока.

Существует несколько наиболее применяемых методов расчетов для таких цепей: с помощью законов Кирхгофа, методом контурных токов, узловых потенциалов, методом эквивалентного генератора, эквивалентного источника тока, методом наложения. Для расчета более сложных цепей, например, в нелинейных схемах, могут применяться метод аппроксимации, графические методы и другие.
В данном разделе рассмотрим один из методов определения токов в цепи постоянного тока – метод узловых потенциалов.

Метод узловых потенциалов примеры решения задач

Для того, чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим конкретный пример схемы, показанной на рис.1.

Рис.1. Схема постоянного тока

Для начала обозначают направления токов в ветвях. Направление можно выбирать любым. Если в результате вычислений какой-то из токов получится с отрицательным значением, значит, его направление в действительности будет направлено в противоположную сторону относительно ранее обозначенного. Если в ветви имеется источник, то для удобства лучше обозначить направление тока в этой ветви совпадающим с направлением источника в этой ветви, хотя и не обязательно. Далее один из узлов схемы заземляем. Заземленный узел будет называться опорным, или базисным. Такой метод заземления на общее токораспределение в схеме влияния не оказывает.

Каждый из этих узлов будет обладать своим значением потенциала относительно узла 4. Именно значения этих потенциалов для дальнейшего определения токов и находят. Соответственно, для удобства этим потенциалам присваивают номера в соответствии с номером узла, т.е. φ₁, φ₂, φ₃. Далее составляется система уравнений для оставшихся узлов 1, 2, 3.

В общем виде система имеет вид:

Использованные в этой системе уравнений буквенно-цифровые обозначения

имеют следующий смысл:

– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 1. В данном случае

– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 2. В данном случае

– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 3. В данном случае

– сумма проводимостей ветвей, соединяющих узлы 1 и 2, взятая со знаком «минус». Для этого единица и взята с отрицательным знаком:

– сумма проводимостей ветвей, соединяющих узлы 1 и 3, взятая со знаком «минус». Для этого единица и в этом случае взята с отрицательным знаком:

Аналогично находятся и остальные проводимости:

J₁₁ – узловой ток узла 1, в котором участвуют ветви, подходящие именно к этому узлу, и содержащие в своем составе ЭДС. При этом, если ЭДС ветви, входящий в узел, направлена к рассматриваемому узлу (в данном случае к узлу 1), то такой узловой ток записывается с плюсом, если от узла, то с минусом. В данном случае

В результате всех ранее приведенных вычисленных значений исходная система уравнений примет вид:

Решать данную систему можно всеми доступными методами, мы же для упрощения решим ее в пакете Mathcad:

В результате получены следующие значения потенциалов в узлах цепи:

Токи в ветвях находятся в соответствии с законом Ома. Поясним это простыми словами.

В ветви с сопротивлением и источником, учитывая ранее обозначенное направление тока в рассматриваемой ветви, необходимо из потенциала узла, находящегося у начала стрелки направления тока, вычесть потенциал узла, находящегося у конца стрелки направления тока, а затем прибавить значение ЭДС в этой ветви. Далее все это разделить на сопротивление, имеющееся в ветви. Если бы ток и ЭДС в рассматриваемой ветви не совпадали по направлению, тогда значение ЭДС вычиталось. В ветви без ЭДС действует то же самое правило, только ЭДС в числителе, разумеется, отсутствует. В нашем примере получим, что

Значение тока первой ветви, как видно из расчета, получилось отрицательным. Значит, в действительности, этот ток направлен в противоположную сторону относительно его обозначенного направления на рис.1.

Правильность расчетов можно проверить, например, составлением баланса мощностей либо, к примеру, моделированием, схемы. Выполним моделирование в программе Multisim.

Рис.2. Моделирование в Multisim

Как видим, результаты моделирования совпадают с расчетными значениями. Незначительная разница в тысячных долях из-за округлений промежуточных вычислений.

Источник

1.4 Метод узловых потенциалов. Метод узлового напряжения (метод двух узлов)

В методе узловых потенциалов за вспомогательные расчетные величины принимают потенциалы узлов схемы. При этом потенциалом одного из узлов задаются, обычно считая его равным нулю (заземляют). Этот узел называют опорным узлом. Затем для каждого узла схемы, кроме опорного узла, составляют систему уравнений методом узловых потенциалов. По найденным потенциалам узлов находят токи ветвей по обобщенному закону Ома (закону Ома для ветви с ЭДС).

Отметим, что метод узловых потенциалов без предварительного преобразования схемы не применим к схемам с взаимной индукцией.

Для схем, содержащих несколько ветвей только с идеальными источниками ЭДС (без пассивных элементов), не имеющих общего узла нужно применять особые способы составления системы уравнений метода узловых потенциалов.

Для схем, содержащих несколько ветвей только с идеальными источниками ЭДС (без пассивных элементов), имеющих общий узел, этот общий узел принимают за опорный узел (заземляют). Тогда потенциалы узлов, соединенных этими идеальными источниками ЭДС без пассивных элементов с опорным узлом, равны ЭДС этих идеальных источников (+E, если идеальный источник ЭДС направлен от опорного узла и –E в противном случае).

Метод двух узлов является частным случаем метода узловых потенциалов. Он применяется для определения токов в ветвях схемы с двумя узлами и произвольным числом параллельных активных и пассивных ветвей.

Решение задач методом узловых потенциалов и методом двух узлов

Задача 1.4.1 Рассчитать цепь рис. 1.4.1 методом узловых, потенциалов.

Решение. В рассматриваемой схеме четыре узла. Заземлим узел 4 (опорный узел)

φ 3 = φ 4 + E 2 = 200 B .

Необходимо найти потенциалы узлов 1 и 2. Составим систему уравнений по методу узловых потенциалов для узлов 1 и 2.

Рассматривая узел 1, получим

φ 1 ⋅ g 11 − φ 2 ⋅ g 12 − φ 3 ⋅ g 13 = J + E 1 R 1 + R ′ 1

φ 1 ⋅ g 11 − φ 2 ⋅ g 12 = J + E 1 R 1 + R ′ 1 + E 1 ⋅ g 13 .

В правой части этого уравнения оба слагаемых учтены со знаком плюс, так как J и E₁ направлены к узлу 1.

Рассматривая узел 2 (правая часть уравнения равна нулю, так как в ветвях, подсоединенных к узлу 2, нет источников энергии), получим

− φ 1 ⋅ g 21 + φ 2 ⋅ g 22 − φ 3 ⋅ g 23 = 0

− φ 1 ⋅ g 21 + φ 2 ⋅ g 22 = E 2 ⋅ g 23 .

Найдем собственную проводимость первого узла

g 11 = 1 R 6 + 1 R 1 + R ′ 1 + 1 R И Т + 1 R 2 + 1 R 5 = 1 20 + 1 25 + 1 25 + 1 40 = 0,155 С м .

Проводимость ветви с идеальным источником тока равна нулю, так как внутреннее сопротивление идеального источника тока R_ИТ равно бесконечности.

Собственная проводимость узла 2

g 22 = 1 R 2 + 1 R 3 + 1 R 4 = 1 25 + 1 30 + 1 35 = 0,102 С м .

Взаимные проводимости между узлами

g 13 = 1 R 6 + 1 R 1 + R ′ 1 = 1 20 + 1 25 = 0,09 С м ; g 21 = g 12 = 1 R 2 = 1 25 = 0,04 С м ; g 23 = 1 R 3 = 1 30 = 0,033 С м .

Подставив в уравнения известные величины, получим

Для решения этой системы используем метод определителей. Главный определитель системы

Δ = | 0,155 − 0,04 − 0,04 0,102 | = 0,01421.

Δ 1 = | 39 − 0,04 6,6 0,102 | = 4,242 ; Δ 2 = | 0,155 39 − 0,04 6,6 | = 2,583.

Находим потенциалы узлов

φ 1 = Δ 1 Δ = 4,242 0,01421 = 298,6 В ; φ 2 = Δ 2 Δ = 2,583 0,01421 = 181,8 В .

Определяем токи в ветвях (положительные направления токов в ветвях с ЭДС выбираем по направлению ЭДС, в остальных ветвях произвольно)

I 1 = φ 3 − φ 1 + E 1 R 1 + R ′ 1 = 200 − 298,6 + 150 10 + 15 = 2,056 А .

В числителе этого выражения от потенциала узла 3, из которого вытекает ток I₁, вычитается потенциал узла 1, к которому ток подтекает. Если ЭДС ветви совпадает (не совпадает) с выбранным направлением тока, то она учитывается со знаком плюс (минус). В знаменателе выражения учитываются сопротивления ветви.

Аналогично определяем другие токи (направления токов указаны на схеме рис. 1.4.1)

I 1 = φ 3 − φ 1 R 6 = 200 − 298,6 20 = − 4,93 А ; I 2 = φ 1 − φ 2 R 2 = 298,6 − 181,8 25 = 4,67 А ; I 3 = φ 3 − φ 2 R 3 = 200 − 181,8 30 = 0,607 А ; I 4 = φ 2 − φ 4 R 4 = 181,8 − 0 35 = 5,194 А .

Для определения тока в ветви с идеальной ЭДС зададимся направлением тока I₇. По первому закону Кирхгофа для узла 3 составим уравнение

− I 7 + I 3 + I 1 + I 6 = 0.

I 7 = I 3 + I 1 + I 6 = 0,607 + 2,056 − 4,98 = − 2,317 A .

Задача 1.4.2 Определить токи в схеме рис. 1.4.2 методом узлового напряжения.

1 Находим напряжение между двумя узлами по методу двух узлов

U a b = φ a − φ b = E 1 ⋅ g 1 + J g 1 + g 2 + g 3 = 32 ⋅ 1 1 + 18 1 1 + 1 6 + 1 2 = 30 B .

При составлении этого уравнения по методу двух узлов в числителе необходимо брать произведение ЭДС на проводимость своей ветви со знаком плюс, если ЭДС направлена к узлу a, и минус – если направлена от узла a к узлу b.

Аналогичное правило определяет и знаки токов источников тока.

2 Находим токи по закону Ома (по закону Ома для ветви с ЭДС)

I 1 = E 1 + φ b − φ a R 1 = E 1 − U a b R 1 = 32 − 30 1 = 2 А ; I 2 = U a b R 2 = 30 6 = 5 А ; I 3 = U a b R 3 = 30 2 = 15 А .

Правильность решения проверим по первому закону Кирхгофа

I 1 − I 2 + I 3 + J = 0 ; 2 − 5 − 15 + 18 = 0.

Источник

Метод узловых напряжений

Метод узловых напряжений заключается в определении на основании первого закона Кирхгофа потенциалов в узлах электрической цепи относительного некоторого базисного узла. Базисный узел в общем случае выбирается произвольно, потенциал этого узла принимается равным нулю. Разности потенциалов рассматриваемого и базисного узлов называется узловым напряжением.

На рис.29 представлена схема электрической цепи, содержащая пять ветвей и три узла. За базисный принят узел с индексом «0».

Узловое напряжение U₁₀=j₁-j₀. Положительное напряжение узловых напряжений указывается стрелкой от рассматриваемого узла к базисному.

Рис.29. Иллюстрация к методу узловых напряжений.

Напряжение на ветвях цепи равно, очевидно, разности узловых напряжений концов данной ветви. Например, напряжение ветви 4 равно: U₄=I₄R₄=U₁₀-U₂₀ (30)

Из формулы (30) видно, что, зная узловые напряжения, можно найти ток ветви.

Структуру уравнений получим, рассматривая схему рис.30.

Т.к. узел с индексом «0» принят за базисный, то его потенциал равен нулю. Узловые напряжения (потенциалы) узлов 1 и 2 – неизвестны.

Уравнения по первому закону Кирхгофа для 1 и 2 узлов соответственно записываются:

(31)

Узловое напряжение (32)

Отсюда (33,а)

Аналогично для оставшихся токов:

(33,б)

Выражения (33,а,б) подставляем в систему (31) и после некоторых арифметических преобразований получаем:

(34)

q₁₂=q₂₁=q₄+q₅ – взаимная проводимость ветви, соединяющей узлы 1 и 2.

Из приведенных выражений видно:

Собственная проводимость узла равна сумме проводимостей ветвей, сходящихся в данном узле.

Взаимная проводимость равна сумме проводимостей ветвей, соединяющих данные узлы.

Узловой ток (теоретическое понятие) – это алгебраическая сумма произведений E_iq_i и J_i источников тока (если они есть) всех ветвей, примыкающих к рассматриваемому узлу. Слагаемое входит в выражение со знаком «+», если э.д.с. и источник тока направлены к узлу. В противном случае – ставится знак «-».

После введенных обозначений система (34) принимает вид:

(35)

Из формул (35) видно, что собственная проводимость входит в выражения со знаком «+», а взаимная проводимость – со знаком «-».

Для произвольной схемы, содержащей n+1 узлов, система уравнений по методу узловых напряжений имеет вид:

(36)

Число уравнений, составляемое по методу узловых напряжений, равно

где N_э.д.с. – число идеальных источников э.д.с.

Пример: (общий случай)

Пример: (с идеальными э.д.с.)

Порядок расчета электрических цепей по методу узловых напряжений:

1. Выбираем произвольно базисный узел. Желательно нулевой потенциал представить тому узлу, где сходится большее количество ветвей. Если имеется ветвь, содержащая идеальную э.д.с., то базисный узел должен быть концом или началом этой ветви.

2. Составляется система уравнений для неизвестных узловых напряжений в соответствии с общей структурой этих уравнений (36).

3. Решая данную систему, находят напряжения узлов относительно базиса.

4. Токи ветвей определяют по обобщенному закону Ома:

(38)

Следствие: Если схема содержит только два узла, то в соответствие с методом узловых напряжений (в отсутствие идеальных э.д.с.) составляется только одно уравнение.

Например, для схемы рис.30:

Формула (39) носит название метода двух узлов.

Рис.30. Иллюстрация к методу двух узлов.

Узловое напряжение по методу двух узлов равно:

(40)

Определить все токи методом узловых напряжений.

Т.к. электрическая цепь содержит три узла и не содержит ветвей с идеальными источниками э.д.с., то число уравнений, составляемых по методу узловых напряжений равно 2.

Узел 3 будем считать базисным.

Тогда

Где

В результате решения системы определяем U₁₃=2,8 B; U₂₃=-1,95 B.

Токи в ветвях определяем по закону Ома:

Метод наложения (суперпозиции).

Метод наложения основан на применении принципа наложения, который формулируется следующим образом:

Ток в любой ветви электрической цепи равен сумме токов, обусловленных действием каждого источника в отдельности, при отсутствии других источников.

Рассматриваемый принцип называют принципом независимого действия.

При действии только одного из источников напряжения предполагается, что э.д.с. всех остальных источников равны нулю, так же как равны нулю и токи всех источников тока. Отсутствие напряжения на зажимах источников напряжения равносильно короткому замыканию их зажимов. Отсутствие тока в ветви с источником тока равносильно разрыву этой ветви.

Если источник э.д.с. содержит внутреннее сопротивление, то, полагая э.д.с. равной нулю, следует оставлять в его ветви внутреннее сопротивление. Аналогично в случае источника тока с параллельной внутренней проводимостью, следует, разрывая ветвь источника (т.е. полагая J=0), оставлять включенной параллельную ветвь с внутренним сопротивлением.

Пусть в цепи действуют источники с параметрами E и J, I // _n и I / _n – токи n-ой ветви, создаваемые каждым из этих источников в отдельности. Искомый ток

Принцип суперпозиции применим к напряжениям, т.к. между током и напряжением рассматривается линейная зависимость (закон Ома); но не применим к мощности:

т.к. мощности – это квадратичные функции токов.

Определить все токи методом наложения.

1. Заменяем источник э.д.с. E короткозамкнутым участком (т.к. его r_вн=0) (схема рис.2).

Т.к. конфигурация цепи изменилась, то в цепи рис.2 протекают токи отличные от токов цепи рис.1. Их называют первые частичные токи и обозначают со штрихом.

Т.к. схема упростилась, то токи можно рассчитать, применяя правило плеч. Схему цепи рис.2 более наглядно представим на рис.3.

2. Разорвем ветвь с источником тока J. Токи, протекающие в цепи рис.4 называют вторыми частичными токами и обозначают с двумя штрихами.

3. Искомые токи найдем как алгебраическую (т.е. с учетом направлений) сумму частичных токов:

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Метод узловых напряжений

Дата публикации: 12 января 2015 .
Категория: Статьи.

В практических задачах встречаются цепи, имеющие всего две узловые точки. Между узловыми точками может быть включено произвольное количество ветвей. Расчет таких цепей значительно упрощается, если пользоваться методом узлового напряжения.

Рассмотрим сущность этого метода. В данной статье решение задач методом узлового напряжения рассмотрены на примерах.

На рисунке 1 изображена разветвленная электрическая цепь с двумя узловыми точками А и Б, между которыми включены четыре параллельные ветви. Три первые ветви имеют источники электродвижущих сил (ЭДС) (генераторы) с ЭДС E₁, E₂ и E₃.

Рисунок 1. Метод узлового напряжения

Последовательно с генераторами в этих ветвях включены сопротивления r₁, r₂ и r₃ (к ним могут быть отнесены и внутренние сопротивления самих генераторов). В последней ветви включено сопротивление r₄. Положительные направления токов в каждой ветви выбраны от точки Б к точке А. Поскольку в первых трех ветвях направление тока совпадало с направлением ЭДС источников электрической энергии, то последние работают в режиме генераторов. Если напряжение между узловыми точками А и Б обозначить U, то ток в первой ветви:

аналогично для остальных ветвей:

Применяя для узловой точки А первый закон Кирхгофа, будем иметь:

Заменив токи их выражениями, последнее уравнение записываем так:

Мы получили формулу узлового напряжения.

В числителе формулы узлового напряжения представлена алгебраическая сумма произведений ЭДС ветвей на проводимости этих ветвей. В знаменателе формулы дана сумма проводимостей всех ветвей. Если ЭДС какой-либо ветви имеет направление, обратное тому, которое указано на рисунке 1, то она входит в формулу для узлового напряжения со знаком минус. В общем виде формулу для узлового напряжения можно записать так:

Применяя формулу для узлового напряжения, решим следующий пример.

Пример 1. Для цепи, представленной на рисунке 1, даны ЭДС генераторов E₁ = 110 В, E₂ = 115 В, E₃ = 120 В; внутреннее сопротивление генераторов r₀₁ = 0,2 Ом, r₀₂ = 0,1 Ом, r₀₃ = 0,3 Ом. Сопротивление ветвей r₁ = 2,3 Ом, r₂ = 4,9 Ом, r₃ = 4,7 Ом, r₄ = 5 Ом. Определить токи в ветвях.

Расчет цепей методом узловых напряжений начнем с определения проводимости каждой ветви:

Находим узловое напряжение:

Определяем токи в ветвях:

Знак минус у тока I₄ показывает, что действительное направление тока обратно тому, которое показано на рисунке 1.
Рассмотрим работу двух генераторов параллельного возбуждения с одинаковыми ЭДС (E₁ = E₂) и одинаковыми внутренними сопротивлениями (r₀₁ = r₀₂). Схема включения генераторов показана на рисунке 1. Пусть E₁ = E₂ = 110 В, r₀₁ = r₀₂ = 0,2 Ом. Сопротивление потребителя r₃ = 1 Ом. Определить мощность, развиваемую генераторами.

Применяя формулу узлового напряжения, будем иметь:

Мощности, создаваемые генераторами:

Приведенный пример показывает, что при одинаковых ЭДС и одинаковых внутренних сопротивлениях генераторов мощности, отдаваемые каждым генератором в сеть, также равны.

Пусть теперь ЭДС второго генератора E₂ стала равной 121 В.

Тогда узловое напряжение

Мощности, создаваемые генераторами:

Следовательно, при параллельной работе генераторов постоянного тока с одинаковым внутренним сопротивлением более загруженным окажется тот генератор, ЭДС которого больше.

Рассмотрим, наконец, случай, когда ЭДС параллельно работающих генераторов одинаковы, но внутренние сопротивления различны.

Пример 2. Дано: ЭДС генераторов E₁ = E₂ = 110 В, внутренние сопротивления генераторов r₀₁ = 0,2 Ом, r₀₂ = 0,25 Ом, сопротивление внешней части цепи r = 1 Ом. Определить токи генераторов.

Вычисляем узловое напряжение:

При параллельной работе генераторов постоянного тока с одинаковыми ЭДС, но с различными внутренними сопротивлениями более загруженным окажется тот генератор, который имеет меньшее внутреннее сопротивление.

Источник: Кузнецов М.И., «Основы электротехники» — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.

Источник

Определить все токи используя метод узлового напряжения

Расчёт электрических цепей по методу узловых потенциалов: методика

Возможно, для турбо-версии статьи у вас некорректно отображаются формулы. Для корректного отображения статьи посмотрите оригинальную версию.

В дополнение к выводу метода рассмотрим методику расчёта электрических цепей по методу узловых потенциалов.

Последовательность расчёта следующая.

Пронумеровать все узлы и задать произвольное направление токов в схеме.
Стянуть узлы с одинаковым потенциалом. Узлы будут иметь одинаковый потенциал, если между ними находится чистая ветвь с нулевым сопротивлением – закоротка (ветви между узлами 2 − 4 и 3 − 5 на рис. 1). Перерисовывать схему со стянутыми узлами не обязательно, но тогда следует учесть, что потенциалы узлов по концам закоротки будут одинаковыми.

Рис. 1. Пример объединения узлов с одинаковым потенциалом

Выбрать базисный узел (рис. 2) и приравнять его потенциал нулю $ \underline<\varphi>_ <3>= 0 \space \textrm <В>$. В качестве базисного узла можно выбрать любой, за исключением случая, когда имеются особые ветви. Если в схеме есть хотя бы одна особая ветвь, то за базисный узел следует принимать один из концов одной из таких ветвей. При этом потенциал другого конца будет равен ЭДС $ \underline<\varphi>_ <1>= \underline_ <1>$, если источник напряжения направлен в этот узел, и равен минус ЭДС $ \underline<\varphi>_ <6>=- \underline_ <2>$, если источник направлен к базисному узлу.

Рис. 2. Выбор базисного узла

Примечание. Зачастую для обозначения базисного узла используют символ заземления, так как принято считать, что «земля» имеет нулевой потенциал.

Составить уравнения для узлов без особых ветвей, потенциалы которых неизвестны. Уравнения записываются по следующему принципу:

потенциал рассматриваемого узла умножается на сумму проводимостей всех примыкающих к нему ветвей;
вычитаются потенциалы узлов, находящихся на противоположных концах примыкающих ветвей, умноженные каждый на свою проводимость соединяющей их ветви;
приравнивается алгебраической сумме примыкающих к данному узлу источников тока и источников ЭДС, последние умножаются на проводимость ветви, в которой они расположены.
Под алгебраической суммой подразумевается необходимость учёта направленности источников, если источник направлен в рассматриваемый узел, то он записывается со знаком «+», в противном случае со знаком «-».

В случае, если имеется более одной особой ветви, и они не имеют общие узлы, то уравнения для узлов, в состав которых входит особая ветвь, не примыкающая к базисному узлу, записываются следующим образом:

потенциал рассматриваемого узла умножается на сумму проводимостей всех примыкающих к нему ветвей и проводимостей ветвей, примыкающих к узлу противоположного конца особой ветви;
вычитаются потенциалы узлов, находящихся на противоположных концах примыкающих ветвей к узлам особой ветви, умноженные каждый на свою проводимость примыкающей ветви;
приравнивается алгебраической сумме примыкающих к узлам особой ветви источников тока и источников ЭДС, последние умножаются на проводимость ветви, в которой они расположены, за исключением источника ЭДС особой ветви, который умножается на сумму проводимости ветвей, примыкающих к узлу противоположного конца особой ветви.
При составлении уравнения проводимость особой ветви не учитывается ( 1 / 0=∞). Следует также учитывать, что направление ЭДС особой ветви и соответственно её знак учитываются относительно рассматриваемого узла.

Рассчитать токи в ветвях по закону Ома как алгебраическую сумму разности потенциалов и ЭДС в ветви с искомым током, делённую на сопротивление этой ветви. Вычитаемым будет тот потенциал, в который направлен ток, а знак ЭДС выбирается в зависимости от направления: в случае сонаправленности с током ЭДС берётся со знаком «+», в противном случае со знаком «-». Ток в закоротке следует искать по первому закону Кирхгофа, составленному для одного из узлов рассматриваемой ветви в исходной схеме, после расчета всех остальных токов в схеме.
Правильность расчёта по методу узловых потенциалов проще всего проверить по первому закону Кирхгофа для уникальных узлов без особых ветвей, подставив полученные значения токов. Под уникальными узлами подразумеваются те узлы, при рассмотрении которых имеется хотя бы одна ветвь, не примыкающая к другим из рассмотренных узлов.

Пример решения. В качестве примера рассмотрим схему с двумя особыми ветвями и источником тока (рис. 3). Количество уравнений составляемых для нахождения узловых потенциалов равно

6 (всего узлов) – 1 (базисный узел) – 2 (узла особых ветвей) = 3.

Произвольно обозначим узлы и токи на схеме. Один из узлов одной из особой ветви (1-4 и 3-6) примем за базисный, к примеру узел 4, в таком случае $ \underline<\varphi>_ <4>= 0 $, а $ \underline<\varphi>_ <1>= \underline_ <1>$.

Рис. 3. Пример расчёта электрической схемы

В ветви 3-6 необходимо найти потенциал только одного из узлов (рассчитаем для узла 6), так как второй (потенциал узла 3) будет отличаться на значение ЭДС, т.е. $ \underline<\varphi>_ <3>= \underline<\varphi>_<6>— \underline_ <2>$. Далее необходимо составить уравнения для нахождения оставшихся потенциалов в узлах 2, 5 и 6. Следует отметить, что ёмкость ветви с источником тока не повлияет на расчёты, поскольку проводимость этой ветви бесконечно большая, а ток задаётся самим источником.

$$ \begin \underline<\varphi>_ <5>\cdot (\underline_ <7>+ \underline_ <5>+ \underline_<8>)- \underline<\varphi>_ <4>\cdot \underline_<7>— \underline<\varphi>_ <2>\cdot \underline_<5>— \underline<\varphi>_ <6>\cdot \underline_ <8>= 0 \\ \underline<\varphi>_ <2>\cdot (\underline_ <2>+ \underline_ <5>+ \underline_<3>)- \underline<\varphi>_ <1>\cdot \underline_<2>— \underline<\varphi>_ <5>\cdot \underline_<5>— \underline<\varphi>_ <3>\cdot \underline_ <3>= 0 \\ \underline<\varphi>_ <6>\cdot (\underline_ <8>+ \underline_ <3>+ \underline_<1>)- \underline<\varphi>_ <5>\cdot \underline_<8>— \underline<\varphi>_ <2>\cdot \underline_<3>— \underline<\varphi>_ <1>\cdot \underline_ <1>= \underline_ <2>\cdot (\underline_ <3>+ \underline_<1>) + \underline_ <1>\end $$

Подставим известные значения потенциалов, сократив количество неизвестных:

$$ \begin \underline<\varphi>_ <5>\cdot (\underline_ <7>+ \underline_ <5>+ \underline_<8>)- 0 \cdot \underline_<7>— \underline<\varphi>_ <2>\cdot \underline_<5>— \underline<\varphi>_ <6>\cdot \underline_ <8>= 0 \\ \underline<\varphi>_ <2>\cdot (\underline_ <2>+ \underline_ <5>+ \underline_<3>)- \underline_ <1>\cdot \underline_<2>— \underline<\varphi>_ <5>\cdot \underline_<5>— (\underline<\varphi>_<6>— \underline_<2>) \cdot \underline_ <3>= 0 \\ \underline<\varphi>_ <6>\cdot (\underline_ <8>+ \underline_ <3>+ \underline_<1>)- \underline<\varphi>_ <5>\cdot \underline_<8>— \underline<\varphi>_ <2>\cdot \underline_<3>— \underline_ <1>\cdot \underline_ <1>= \underline_ <2>\cdot (\underline_ <3>+ \underline_<1>) + \underline_ <1>\end $$

Перенесём все свободные составляющие в правую часть равенств и получим конечную систему уравнений с тремя неизвестными узловыми потенциалами:

$$ \begin \underline<\varphi>_ <5>\cdot (\underline_ <7>+ \underline_ <5>+ \underline_<8>)- \underline<\varphi>_ <2>\cdot \underline_<5>— \underline<\varphi>_ <6>\cdot \underline_ <8>= 0 \\ \underline<\varphi>_ <2>\cdot (\underline_ <2>+ \underline_ <5>+ \underline_<3>)- \underline<\varphi>_ <5>\cdot \underline_<5>— \underline<\varphi>_ <6>\cdot \underline_ <3>= \underline_ <1>\cdot \underline_<2>— \underline_ <2>\cdot \underline_ <3>\\ \underline<\varphi>_ <6>\cdot (\underline_ <8>+ \underline_ <3>+ \underline_<1>)- \underline<\varphi>_ <5>\cdot \underline_<8>— \underline<\varphi>_ <2>\cdot \underline_ <3>= \underline_ <1>\cdot \underline_ <1>+ \underline_ <2>\cdot (\underline_ <3>+ \underline_<1>) + \underline_ <1>\end $$

Для решения системы уравнений с неизвестными узловыми потенциалами, можно воспользоваться Matlab. Для этого представим систему уравнений в матричной форме:

$$ \begin \underline_ <7>+ \underline_ <5>+ \underline_ <8>& -\underline_ <5>& -\underline_ <8>\\ -\underline_ <5>& \underline_ <2>+ \underline_ <5>+ \underline_ <3>& -\underline_ <3>\\ -\underline_ <8>& -\underline_ <3>& \underline_ <8>+ \underline_ <3>+ \underline_ <1>\end \cdot \begin \underline<\varphi>_ <5>\\ \underline<\varphi>_ <2>\\ \underline<\varphi>_ <6>\end = \\ = \begin 0 \\ \underline_ <1>\cdot \underline_<2>— \underline_ <2>\cdot \underline_ <3>\\ \underline_ <1>\cdot \underline_ <1>+ \underline_ <2>\cdot (\underline_ <3>+ \underline_<1>) + \underline_ <1>\end $$

Запишем скрипт в Matlab для нахождения неизвестных:

Примечание. Для решения в численном виде необходимо заменить символьное задание переменных реальными значениями проводимостей, ЭДС и тока источника.

В результате получим вектор-столбец $ \underline<\boldsymbol<\varphi>> $ из трёх элементов, состоящий из искомых узловых потенциалов, при этом токи в ветвях через потенциалы узлов:

Для проверки правильности расчёта можно воспользоваться уравнениями по первому закону Кирхгофа: если суммы токов в узлах 2 и 5 равны нулям, значит расчёт выполнен верно:

$$ \underline_ <5>+ \underline_<3>— \underline_ <2>= 0, $$

$$ \underline_ <5>+ \underline_<7>— \underline_ <8>= 0. $$

Итак, метод узловых потенциалов позволяет рассчитывать меньшее количество сложных уравнений для расчёта электрической цепи в сравнении с другими методами при меньшем числе узлов в сравнении с количеством контуров.

Источник

Метод узловых потенциалов

2015-05-13
50552

Ток в любой ветви схемы можно найти по обобщенному закону Ома. Для того чтобы можно было применить закон Ома, необходимо знать значение потенциалов узлов схемы. Метод расчета электрических цепей, в котором за неизвестные принимают потенциалы узлов схемы, называют методом узловых потенциалов. Число неизвестных в методе узловых потенциалов равно числу уравнений, которые необходимо составить для схемы по I закону Кирхгофа. Метод узловых потенциалов, как и метод контурных токов, – один из основных расчетных методов. В том случае, когда п – 1

3. Полученные в п. 2 выражения подставляем в уравнения, составленные по I закону Кирхгофа

Приведем подобные слагаемые при различных потенциалах и получим каноническую систему уравнений:

(2.10)

Введем обозначения:

В окончательном виде система уравнений для контурных токов приобретает следующий вид:

(2.11)

в матричной форме

(2.12)

Собственная проводимость узла (G_ii) представляет собой арифметическую сумму проводимостей всех ветвей, соединенных в i-м узле.

Общая проводимость i-го и j-го узлов (G_ij = G_ji) представляет собой взятую со знаком «–» сумму проводимостей ветвей, присоединенных одновременно к i-му и j-му узлам.

Проводимости ветвей с источниками тока полагаются равными нулю и в собственные и общие проводимости не входят!

Узловой ток (J_ii) состоит из двух алгебраических сумм: первая содержит токи источников тока, содержащиеся в ветвях, соединенных в i-м узле; вторая представляет собой произведение ЭДС источников напряжения на проводимости соответствующих ветвей, соединенных в i-м узле. Со знаком «+» в эту сумму входят E и J источников, действие которых направлено к узлу, со знаком «–» – остальные.

Решение системы уравнений по методу узловых потенциалов в общем случае выполняется методом Крамера при помощи определителей:

(2.13)

Тогда неизвестные потенциалы могут вычислены следующим образом:

(2.14)

Нетрудно показать, что аналогичную систему уравнений можно построить для случая n узлов в цепи. Тогда необходимо составить для (n-1) узлов соответствующие уравнения, полагая потенциал n-го узла равным нулю.

Таким образом, алгоритм расчета цепи постоянного тока методом узловых потенциалов следующий:

1. Обозначить все токи ветвей и их положительное направление.

2. Произвольно выбрать опорный узел (j_n) и пронумеровать все остальные (n-1)—e узлы.

3. Определить собственные и общие проводимости узлов, а также узловые токи, т.е. рассчитать коэффициенты в системе уравнений.

4. Записать систему уравнений в виде:

или в развернутом виде:

В этой системе каждому узлу соответствует отдельное уравнение.

5. Полученную систему уравнений решить относительно неизвестных k = n – 1 потенциалов при помощи метода Крамера.

6. С помощью обобщенного закона Ома рассчитать неизвестные токи.

7. Проверить баланс мощности.

Порядок расчета не зависит от вида источников, действующих в цепи. Однако расчет упрощается в случае, когда между одной или несколькими парами узлов включены идеализированные источники ЭДС. Тогда напряжения между этими парами узлов становятся известными величинами, определенными условиями задачи. Для успешного решения подобных задач необходимо правильно обозначить опорный узел, в качестве которого может быть выбран только один из узлов, к которым присоединена ветвь с идеализированным источником ЭДС. Если таких ветвей q, то количество уравнений в системе сократится до k = n – 1 – q.

Пример. Если в данной схеме (рис. 2.6) в качестве опорного узла выбрать узел 1 (j₁ = 0), то потенциалы второго и третьего узлов можно считать известными и равными соответственно j₂ = E₁ и j₃ = E₁–E₂. Тогда неизвестным остается только потенциал четвертого узла, для которого составим уравнение по методу узловых потенциалов:

Следует отметить, что уравнения для 2-го и 3-го узлов составить не представляется возможным из-за появляющихся неопределенностей вида , т.к. сопротивление ветви, содержащей идеализированный источник ЭДС, равно нулю, а проводимость соответственно .

Подставим известные значения:

Из полученного уравнения найдем неизвестный , а далее и все токи.

Для разветвленной цепи, имеющей только два узла и произвольное количество ветвей, метод узловых потенциалов вырождается в метод двух узлов. Решение сводится к отысканию значения потенциала одного из узлов, т.к. потенциал другого узла может быть принят равным нулю.

Система уравнений превращается в одно уравнение:

(2.15)

при условии, что

После определения U₁₂ токи ветвей и напряжения источников тока находят при помощи обобщенного закона Ома.

Пусть (рис. 2.7), тогда

Источник

Метод узлового напряжения (двух узлов)

Наиболее простым методом расчета электрической цепи с двумя узлами – является метод узлового напряжения или метод двух узлов.

Важно отличать метод узлового напряжения (метод двух узлов) от метода узловых напряжений.

Содержание

Метод узлового напряжения (двух узлов)

Рисунок 1 – Электрическая цепь с двумя узлами

Определим разность потенциалов между двумя узлами цепи А и B.

Найдём потенциал точки А, перемещаясь по первой ветви от узла B до А.

Исходя из выражения (1) можно записать:

Выразим ток первой ветви

где r₁ и g₁ – сопротивление и проводимость первой ветви соответственно.

Аналогично составляются уравнения для оставшихся ветвей.

По первому закону Кирхгофа запишем уравнение для узла B

Подставим в вышеуказанное уравнение выражения токов (2-5).

Раскрыв скобки, находим узловое напряжение U:

Общее выражение узлового напряжения

Исходя из вышеизложенного, узловое напряжение равно отношению алгебраической суммы произведений ЭДС на проводимости соответствующих ветвей к сумме проводимостей всех ветвей. ЭДС направленная к узлу A, записывается со знаком «+», если в противоположную сторону, то со знаком «-».

Давайте рассмотрим применения метода на конкретном примере.

Пример решения задач методом двух узлов (метод узлового напряжения)

Пример. Электрическая цепь постоянного тока представлена на рисунке 2. Определить токи в ветвях методом двух узлов, если ЭДС источников равна E1 = 40 В, E2 = 50 В, E3 = 10 В, а сопротивления r1 = 10 Ом, r2 = 20 Ом, r3 = 15 Ом, r4 = 12 Ом.

Рисунок 2 – Электрическая цепь

Порядок расчёта:

Так как действительные направления токов до расчёта цепи нам неизвестны — произвольно указываем направления токов в ветвях, например, как на Рисунке 3.

Рисунок 3

Определим проводимость ветвей.

Найдем напряжение U_AВ. Для этого воспользуемся формулой 6.

В числителе записываем произведения ЭДС на проводимости соответствующих ветвей, причем ЭДС направленная к узлу A, записывается со знаком «+», если в противоположную сторону, то со знаком «-».

В знаменателе указываем сумму проводимостей всех ветвей:

Подставляем раннее найденные значения проводимостей и значения ЭДС указанные в условии задачи:

Определим токи в ветвях. С учетом направления ЭДС

Подставляем численные значения

Токи I₃ и I₄ получились с отрицательными значениями, следовательно их направление противоположно ранее принятому.

Рисунок 4 – Реальные направления токов.

Правильность решения можно проверить при помощи баланса мощностей.

Так же для себя правильность решения задачи можно проверить выполнением первого закона Кирхгофа, а именно:

Источник

Читайте также: Кпд известны номинальные токи

Рубрики

Мощность

Напряжение

Регулятор

Стабилизатор

Ток

Свежие записи

Методика испытаний генератора переменного тока

Разность фаз напряжения тока

Первые электровозы переменного тока

Как можно повысить ток генератора

Закон ома для разветвленной цепи переменного тока