Анализ электрических цепей постоянного тока

Анализ электрических цепей постоянного тока

Топологические понятия теории электрических цепей

Основными топологическими понятиями теории электрических цепей являются ветвь, узел, контур, двухполюсник и четырехполюсник.

Ветвью называют участок электрической цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного пассивного или активного элемента, а также может представлять собой последовательное соединение нескольких различных элементов.

Узлом называют место соединения трех и более ветвей. Различают понятия геометрического и потенциального узлов. Геометрические узлы, имеющие одинаковые потенциалы, могут быть объединены в один потенциальный узел.

Контуром называют замкнутый путь, проходящий через несколько ветвей и узлов разветвленной электрической цепи. Количество контуров в некоторых схемах может быть большим, однако при анализе цепей для нахождения неизвестных токов в ветвях рассматривают только так называемые независимые контуры. Независимым называется контур, который содержит хотя бы одну ветвь, не вошедшую в предыдущие контуры.

Двухполюсником называют часть электрической цепи с двумя выделенными полюсами.

Четырехполюсником называют часть электрической цепи, имеющую две пары зажимов, которые называются входными и выходными.

Электрические цепи в зависимости от количества источников энергии содержащихся в них делят на простые (содержащие лишь один источник) и сложные (содержащие два и более источника энергии), неразветвленные (одноветвевые) и разветвленные (имеющие несколько ветвей). Кроме того, в зависимости от элементов цепи могут быть линейные и нелинейные.

Рекомендуемые материалы

Для анализа простых цепей применяют методы, основанные на законе Ома. Для расчета сложных цепей применяются методы, которые основаны на двух законах Кирхгофа.

Анализ простых электрических цепей

Схемы соединения потребителей

            Соединение потребителей может быть последовательным, параллельным и смешанным.

1. Последовательное соединение потребителей.

                На рисунке R1, R2, R3 - нагрузочные сопротивления (потребители). При последовательном соединении потребителей сила тока в них одинакова, а напряжение U на зажимах цепи равно сумме падений напряжений на ее участках:

.

По закону Ома можно записать:

,

отсюда общее сопротивление цепи равно:

.

2. Параллельное соединение потребителей.

                При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, а ток в неразветвленной части цепи равен сумме токов параллельно соединенных участков:

.

По закону Ома:

,

откуда

.

                       

Законы Кирхгофа

Для расчета сложных цепей (содержащих два и более источников энергии) применяют методы, которые основаны на двух законах Кирхгофа. Законы применимы как для анализа цепей, так и для  расчетов элементов и определения параметров цепей. В сложных цепях выделяют контуры, узлы (геометрические узлы, см. предыдущий рисунок, имеющие одинаковые потенциалы, объединяются в один), ветви (участки цепи между узлами - см. сложную цепь ниже).

Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю, т.е. .

            При составлении уравнений пользуются правилом: если ток входит в узел, то его в уравнение подставляют со знаком «+», если выходит - «-»:

                                              

                                                          

           

,

то есть сумма токов приходящих к узлу цепи равна сумме токов уходящих из узла.

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма ЭДС, действующих в замкнутом контуре, равна алгебраической сумме падений напряжений на сопротивлениях этого контура:

.

Приведем правила составления уравнений по второму закону Кирхгофа. Для примера возьмем схему замещения электропитания автомобиля, см. рисунок. На схеме Е₁ и Е₂ соответственно ЭДС аккумуляторной батареи и электрического генератора, а Е₃ - противо ЭДС стартерного электродвигателя. R_i сопротивления соединительных проводников.

                Цепь содержит три контура, однако уравнения по второму закону составляются только для независимых контуров. Независимым называется контур, который содержит хотя бы одну ветвь, не вошедшую в предыдущие контуры. Независимых контуров в приведенной цепи два.

            Уравнения составляют в следующей последовательности:

− произвольно выбираем направление токов ветвях (направления токов обозначены стрелками);

− составляем уравнения по первому закону Кирхгофа для узлов. Количество уравнений n должно быть равно количеству узлов m без одного (n=m-1). Например, для верхнего узла:

;

− произвольно задаемся направлением обхода контуров (например, против часовой стрелки);

− составляем уравнения по второму закону Кирхгофа для независимых контуров. При составлении пользуются правилами: если направление ЭДС совпадает с направлением обхода контура, то в уравнение она подставляется со знаком «+», в противном случае с «-»; если направление тока в сопротивлении совпадает с направлением обхода контура, то падение напряжения подставляется со знаком «+», в противном случае со знаком «-».

            Таким образом, для контуров I и II:

.

            Получена система из трех уравнений, решая которую получим значения искомых токов.

Если в результате решения один из токов  окажется отрицательным, то этот ток имеет направление, противоположное избранному на схеме. Кроме того, правильность вычисления токов можно проверить, составив уравнение по первому закону Кирхгофа (1.3) для узла схемы:

.

      В качестве примера рассмотрим цепь, схема которой приведена на рис. 4. Схема цепи содержит 6 ветвей (m=6) и 4 узла: a, b, c, d (n=4). По каждой ветви проходит свой ток, следовательно число неизвестных токов равно числу ветвей, и для определения токов необходимо составить m уравнений. При этом по первому закону Кирхгофа (1.3) составляют уравнения для (n–1) узлов. Недостающие m–(n–1) уравнения получают по второму закону Кирхгофа (1.4), составляя их для m–(n–1) взаимно независимых контуров. Рекомендуется выполнять операции расчета в определенной последовательности.

Рис. 4

1. Обозначение токов во всех ветвях. Направление токов выбираем произвольно, но в цепях с источниками ЭДС рекомендуется, чтобы направление токов совпадало с направлением ЭДС.

2. Составление уравнений по первому закону Кирхгофа. Выбираем 4–1=3 узла (a, b, c) и для них записываем уравнения:

узел a: I₁ - I₂ - I₃ = 0;

узел b: I₂ - I₄ + I₅ = 0;

узел c: I₄ - I₅ + I₆ = 0.

3. Составление уравнений по второму закону Кирхгофа. Необходимо составить 6–3=3 уравнения. В схеме на рис. 4 выбираем контура I, II, III и для них записываем уравнения:

контур I: E₁ = I₁(r₀₁ + R₁) + I₃R₃;

контур II: 0 = I₂R₂ + I₄R₄ + I₆R₇ - I₃R₃;

контур III: -E₂ = -I₅(r₀₂ + R₅ + R₆) - I₄R₄.

4. Решение полученной системы уравнений и анализ результатов. Полученная система из шести уравнений решается известными математическими методами. Если в результате расчетов численное значение тока получено со знаком «минус», это означает, что реальное направление тока данной ветви противоположно принятому в начале расчета. Если в ветвях с ЭДС токи совпадают по направлению с ЭДС, то данные элементы работают в режиме источников, отдавая энергию в схему. В тех ветвях, где направления тока и ЭДС не совпадают, источники ЭДС работает в режиме потребителя.

5. Проверка правильности расчетов. Для проверки правильности произведенных расчетов можно на основании законов Кирхгофа написать уравнения для узлов и контуров схемы, которые не использовались при составлении исходной системы уравнений:

узел d: I₃ + I₆ - I₁ = 0

внешний контур схемы: E₁ - E₂ = I₁(r₀₁ + R₁) + I₂R₂ - I₅(r₀₂ + R₅ +R₆) +I₆R₇.

Баланс мощностей

Мощность, определяющая непроизводительный расход энергии, например, на тепловые потери в источнике, называется мощностью потерь.

По закону сохранения энергии мощность источника равна сумме мощностей потребителей и потерь.

Это выражение представляет собой баланс мощности электрической цепи.

Для рассмотренной выше схемы независимой проверкой является составление уравнения баланса мощностей с учетом режимов работы элементов схемы с ЭДС:

.

Если активная мощность, поставляемая источниками питания, равна по величине активной мощности, израсходованной в пассивных элементах электрической цепи, то правильность расчетов подтверждена.

Расчет цепи с одним источником питания

Электрическая цепь, схема которой приведена на рис. 5, состоит из одного источника питания, имеющего ЭДС E и внутреннее сопротивление r₀, и резисторов R₁, R₂, R₃, подключенных к источнику по смешанной схеме. Операции расчета такой схемы рекомендуется производить в определенной последовательности.

Рис. 5

1. Обозначение токов и напряжений на участках цепи.

Резистор R₁ включен последовательно с источником, поэтому ток I₁ для них будет общим, токи в резисторах R₂ и R₃ обозначим соответственно I₂ и I₃. Аналогично обозначим напряжения на участках цепи.

2. Расчет эквивалентного сопротивления цепи.

Резисторы R₂ и R₃ включены по параллельной схеме и заменяются  эквивалентным сопротивлением:

.

В результате цепь на рис. 5 преобразуется в цепь с последовательно соединенными резисторами R₁, R₂₃ и r₀. Тогда эквивалентное сопротивление всей цепи запишется в виде:

R_э = r₀ + R₁ + R₂₃

3. Расчет тока в цепи источника. Ток I₁ определим по закону Ома:  I₁ = U/R_э

4. Расчет напряжений на участках цепи. По закону Ома определим величины напряжений:

U₁ = I₁R₁; U₂₃ = I₁R₂₃

Напряжение U на зажимах ab источника питания определим по второму закону Кирхгофа для контура I (рис. 5):

E = I₁r₀ + U; U = E - I₁r₀.

5. Расчет токов и мощностей для всех участков цепи. Зная величину напряжения U23, определим по закону Ома токи в резисторах R₂ и R₃:

; .

Определим величину активной электрической мощности, отдаваемую источником питания потребителям электрической энергии:

P = EI₁.

В элементах схемы расходуются активные мощности:

; ; .

На внутреннем сопротивлении r₀ источника питания расходуется часть электрической мощности, отдаваемой источником. Эту мощность называют мощностью потерь :

.

6. Проверка правильности расчетов. Эта проверка производится составлением уравнения баланса мощностей: мощность, отдаваемая источником питания, должна быть равна сумме мощностей, расходуемых в резистивных элементах схемы:

.

Условие передачи максимальной мощности от источника к потребителю

         Рассмотрим простейшую электрическую сеть, состоящую из источника – Е, имеющего внутреннее сопротивление Rо, потребителя (нагрузки) – Rн и соединяющей их линии  с сопротивлением Rл.

            Задача состоит в определении сопротивления нагрузки (или потребителя) Rн, при котором будет обеспечиваться передача максимальной мощности от источника к рассматриваемой нагрузке (или потребителю). Т.е. Rн = ?.

 

         Согласно второму закону Кирхгофа можем записать   

                        Е= I(Rо+Rл+Rн) ; или Е = IRо+IRл+U, где U= IRн – напряжение на потребителе (нагрузке).

            Отсюда U = E - I(Rо+Rл).

            Мощность электрического тока (P = UI) на потребителе запишется как Р = E I – I²(Rо+Rл).

            Представим последнюю зависимость в виде графика (перевернутая парабола) зависимости мощности от тока в цепи.

                                                                

Анализируя графическую зависимость можно утверждать, что нулевая мощность на потребителе (нагрузке) будет при нулевом токе в цепи и при токе короткого замыкания - (I к.з.), когда сопротивление нагрузки равно нулю, следовательно равно нулю и напряжение.

Из графика видно, что  Pmax  или максимальная мощность, отдаваемая от источника к потребителю будет при токе в цепи I = IК.З./2.

Ток в цепи можно выразить из первой формулы как

                                                        I = E/Rо+Rл+Rн.  (*)

Ток короткого замыкания, возникающий при сопротивлении нагрузки равном нулю, следовательно, рассчитается как

                                                                                  Iк.з. = E/Rо+Rл.

Отсюда на можно записать, что условие, при котором будет передаваться максимальная мощность от источника к потребителю I = IК.З./2 или можно записать :

                                                           I = ½ Iк.з. = E/(Rо+Rл+ Rо+Rл).

Сравнивая эту формулу с формулой (*) можно сделать вывод, что сопротивление нагрузки, при котором будет передаваться максимальная мощность от источника к потребителю определится как

                                                           Rн = Rо+Rл,

т.е. сопротивление нагрузки должно равняться сумме сопротивлений Rо – внутреннего сопротивления источника и Rл – сопротивления линии, соединяющей источник с потребителем (нагрузкой).

Нелинейные цепи постоянного тока

Основные понятия

Вольт–амперная характеристика (ВАХ) – это графическая зависимость изменения тока, протекающего через какой-либо элемент, от напряжения на нем. Большинство элементов, в т.ч. проводников, являются линейными элементами, характеризующимися ВАХ в виде прямой наклонной линии. Однако существуют и нелинейные элементы, у которых ВАХ представлена криволинейной зависимостью.

Как правило, это такие элементы, у которых сопротивление может меняться под воздействием каких-то внешних факторов, например: температура, давление, лучевое воздействие и др. На схемах нелинейные элементы показывают сопротивлением, перечеркнутым «клюшечкой».

Для расчета цепей, содержащих нелинейные элементы, необходимо знать их вольт-амперные характеристики.

Различают статические и дифференциальные параметры нелинейных элементов. Статическое сопротивление R_ст = u/i, дифференциальное сопротивление R_д = du/di.

Дифференциальным сопротивлением нелинейного резистора в его рабочей точке называется отношение бесконечно малого приращения напряжения к бесконечно малому приращению тока на нелинейном элементе. Дифференциальное сопротивление может быть и отрицательным.

На рис. б  показано, как по статической ВАХ определяются параметры нелинейного элемента. Графически R_ст определяется тангенсом угла α, а R_диф – тангенсом угла β. На графике:А – рабочая точка; прямая под углом β – касательная к вольт-амперной характеристике в точке А; прямая под углом α – секущая, проходящая через начало координат и точку А.

Рис. б. Характеристика для определения параметров нелинейного элемента

Расчет основывается на графическом анализе этих элементов:

  Параллельное соединение:

  

 

При параллельном соединение общая ВАХ -3 получается по общему                                                                                     суммированию кривых 1 и 2 по току (по ординате).     

Иллюстрация расчета параллельно соединенных нелинейных элементов

История медиа в постсоветской России - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.

Последовательное соединение:

Общее суммирование - по напряжению (по абсциссе).

                                                                              0             u1           u2          uав  u3            u

Иллюстрация расчета последовательно соединенных нелинейных элементов по ВАХ.