Электрические цепи постоянного тока и методы их расчета (стр. 5 из 6)
Рис. 1.26
1. Обозначение токов во всех ветвях. Направление токов выбираем произвольно, но в цепях с источниками ЭДС рекомендеются, 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. 1.26 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.
Независимой проверкой является составление уравнения баланса мощностей (1.8) 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.
1.8. Основные методы расчета сложных электрических цепей
С помощью законов Ома и Кирхгофа в принципе можно рассчитать электрические цепи любой сложности. Однако решение в этом случае может оказаться слишком громоздким и потребует больших затрат времени. По этой причине для расчета сложных электрических цепей разработаны на основе законов Ома и Кирхгофа более рациональные методы расчета, два из которых: метод узлового напряжения и метод эквивалентного генератора, рассмотрены ниже.
Метод узлового напряжения
Этот метод рекомендуется использовать в том случае, если сложную электрическую схему можно упростить, заменяя последовательно и параллельно соединенные резисторы эквивалентными, используя при необходимости преобразование треугольника сопротивлений в эквивалентную звезду. Если полученная схема содержит несколько параллельно соединенных активных и пассивных ветвей, как, например, схема на рис. 1.27, то ее расчет и анализ весьма просто можно произвести методом узлового напряжения.
Пренебрегая сопротивлением проводов, соединяющих ветви цепи, в ее схеме (рис. 1.27) можно выделить два узла: a и b. В зависимости от значений и направлений ЭДС и напряжений, а также значений сопротивлений ветвей между узловыми точками a и b установится определенное узловое напряжение Uab. Предположим, что оно направлено так, как показано на рис. 1.27, и известно. Зная напряжение Uab легко найти токи во всех ветвях.
Выберем положительные направления токов и обозначим их на схеме. Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для контуров (1.4), проходящих по первой и второй ветви, содержащих источники ЭДС, совершая обход контуров по часовой стрелке.
Первая ветвь: E1 = I1(r01 + R1) + Uab.
Вторая ветвь: -E2 = -I2(r02 + R2) + Uab.
Рис. 1.27
Определим значения токов, возникающих в первой и второй ветвях,
(1.20)
,(1.21)
,где:
; 
– проводимости соответственно первой и второй ветвей.Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для ветвей (1.5), содержащих источники напряжений, совершая обход контуров также по часовой стрелке.
Третья ветвь: Uab - U1 + I3R3 = 0.
Четвертая ветвь: Uab + U2 - I4R4 = 0.
Определим значения токов, возникающих в третьей и четвертой ветвях,
(1.22)
,(1.23)
,где:
; 
– проводимости соответственно третьей и четвертой ветвей.Ток в пятой ветви определим по закону Ома:
(1.24)
,где
– проводимость пятой ветви.Для вывода формулы, позволяющей определить напряжение Uab, напишем уравнение по первому закону Кирхгофа (1.3) для узла a:
I1 - I2 + I3 - I4 - I5 = 0.
После замены токов их выражениями (1.20) – (1.24) и соответствующих преобразований получим
.Формула узлового напряжения в общем случае имеет вид
(1.25)
.При расчете электрической цепи методом узлового напряжения после определения величины напряжения Uab значения токов в ветвях находят по их выражениям (1.20) – (1.24).
При записи формулы (1.25) следует задаться положительным направлением узлового напряжения Uab. Со знаком «+» в (1.25) должны входить ЭДС, направленные между точками a и b встречно напряжению Uab, и напряжения ветвей, направленные согласно с Uab. Знаки в формуле (1.25) не зависят от направления токов ветвей.
При расчете и анализе электрических цепей методом узлового напряжения рекомендуется выбирать положительные направления токов после определения узлового напряжения. В этом случае при расчете токов по выражениям (1.20) – (1.24) положительные направления токов нетрудно выбрать таким образом, чтобы все они совпадали с их действительными направлениями.
Проверка правильности произведенных расчетов проводится по первому закону Кирхгофа для узла a или b, а также составлением уравнения баланса мощностей (1.8).
Метод эквивалентного генератора
Метод эквивалентного генератора позволяет произвести частичный анализ электрической цепи. Например, определить ток в какой-либо одной ветви сложной электрической цепи и исследовать поведение этой ветви при изменении ее сопротивления. Сущность метода заключается в том, что по отношению к исследуемой ветви amb (рис. 1.28, а) сложная цепь заменяется активным двухполюсником А (смотри рис. 1.23), схема замещения которого представляется эквивалентным источником (эквивалентным генератором) с ЭДС Eэ и внутренним сопротивлением r0э, нагрузкой для которого является сопротивление R ветви amb.
Если известны ЭДС и сопротивление эквивалентного генератора, то ток I в ветви amb определяется по закону Ома
.Покажем, что параметры эквивалентного генератора Eэ и r0э можно определить соответственно по режимам холостого хода и короткого замыкания активного двухполюсника.
В исследуемую схему (рис. 1.28, а) введем два источника, ЭДС которых E1 и Eэ равны и направлены в разные стороны (рис. 1.28, б). При этом величина тока I в ветви amb не изменится. Ток I можно определить как разность двух токов I = Iэ - I1, где I1 – ток, вызванный всеми источниками двухполюсника А и ЭДС E1 (рис. 1.28, в); Iэ – ток, вызванный только ЭДС Eэ (рис. 1.28, г).
Если выбрать ЭДС E1 такой величины, чтобы получить в схеме (1.28, в) ток I1=0, то ток I будет равен (рис. 1.28, г)
,где r0э – эквивалентное сопротивление двухполюсника А относительно выводов а и b.
Рис. 1.28
Так как при I1 = 0 (рис. 1.28, в) активный двухполюсник А будет работать относительно ветви amb в режиме холостого хода, то между выводами a и b установится напряжение холостого хода U = Uхх и по второму закону Кирхгофа для контура amba получим E1 = I1R + Uхх = Uхх. Но по условию Eэ = E1, поэтому и Eэ = Uхх. Учитывая это, формулу для определения тока I можно записать в такой форме: