7 Метод узловых напряжений

Метод узловых напряжений состоит в определении напряжений между узлами сложной электрической цепи путем решения уравнений, составленных по первому закону Кирхгофа, куда в качестве неизвестных входят напряжения между узлами цепи. Этот метод позволяет уменьшить количество уравнений системы до величины: (k-1), где k - количество узлов сложной электрической цепи. Данный метод целесообразно использовать, когда l>2(k - 1), где l - количество ветвей сложной электрической цепи.

Узловыми напряжениями называют напряжения между каждым из (k-1) узлов и одним произвольно выбранным опорным узлом. Потенциал опорного узла принимается равным нулю. На схеме такой узел обычно отображают как заземленный.

Сущность метода заключается в том, что вначале решением системы уравнений определяют потенциалы всех узлов схемы по отношению к опорному узлу. Далее находят токи всех ветвей схемы с помощью закона Ома по формуле (1.16).

Расчет сложных электрических цепей методом узловых напряжений производят в следующей последовательности:

1. Вычерчиваем принципиальную схему и все ее элементы.

2. На схеме произвольно выбирают и обозначают опорный узел. В качестве опорного желательно выбирать узел, в котором сходится максимальное количество ветвей.

3. Произвольно задаемся направлением токов всех ветвей и обозначаем их на схеме.

4. Для определения потенциалов остальных (k-1) узлов по отношению к опорному узлу составляем следующую систему уравнений:

5 Решаем любым методом полученную систему относительно узловых напряжений и определяем их.

6 Далее для каждой ветви в отдельности применяем закон Ома (1.16) и находим все токи в электрической цепи.

Расчет сложной электрической цепи по данной методике приведен в примере №14.

Рассмотрим применение метода узловых напряжений для расчета электрических цепей более подробно на примере схемы, взятой из предыдущего раздела.

Метод узловых напряжений для схем с двумя узлами

Для сложных электрических цепей с двумя узлами система уравнений (1.24) вырождается в одно уравнение, из которого можно напрямую определить величину узлового напряжения:

8 Расчет методом эквивалентного генератора

Этот метод расчета иногда называют методом эквивалентного генератора. Он применяется в тех случаях, когда необходимо определить ток только в одной ветви схемы. Токи в остальных ветвях не представляют интереса. Так, при эксплуатации какого–либо устройства нас интересует часто, какой ток (мощность) будет в нагрузке и (или) какой ток (мощность) будет на входе этого устройства. Известно, что при уменьшении требований к количеству определяемых величин упрощается и сам расчет.

Расчет методом эквивалентного источника напряжения основывается на теореме об эквивалентном источнике напряжения:

" Ток в любой ветви линейной электрической цепи не изменится, если электрическую цепь, к которой подключена данная ветвь, заменить эквивалентным источником напряжения. ЭДС этого источника должна быть равна напряжению на зажимах разомкнутой ветви, а внутреннее сопротивление источника должно равняться входному сопротивлению пассивной электрической цепи со стороны зажимов подключения ветви при разомкнутой ветви".

Опуская доказательство теоремы (желающим ознакомиться с доказательством рекомендуем [1, стр.95]), рассмотрим последовательность расчета на основании этой теоремы. Исходная схема представлена на рис. 1.19, а.

Здесь выделена только интересующая часть схемы – ветвь а–б, а остальная часть представлена активным двухполюсником А с клеммами а–б. Отсоединяем интересующую нас ветвь а–б (рис. 1.19, б) и, осуществляя расчет оставшейся цепи (двухполюсник А), находим напряжение U_аб на клеммах а–б. Затем в этой же оставшейся схеме (двухполюсник А) (рис. 1.19, б) убираем источники ЭДС, заменяя их на резисторы, сопротивления которых равны внутренним сопротивлениям этих источников или перемычками, если источники идеальны и определяем сопротивление цепи относительно клемм а–б, которое обозначаем через R₀. Величина R₀ определяется методом эквивалентного преобразования. Затем эта часть схемы (двухполюсник А) (рис. 1.19, б) заменяется последовательно соединенными источником ЭДС с нулевым внутренним сопротивлением и ЭДС, равной найденному U_а,б , и резистором с сопротивлением, равным R_0, а к клеммам а–б подключается интересующая ветвь (рис. 1.19, в). Ток в интересующей цепи определяется из очевидного соотношения:

.

Последовательность расчета:

1. Отсоединить от схемы интересующую ветвь, клеммы подсоединения которой обозначить через а–б.

2. Рассчитать оставшуюся часть цепи и определить напряжение на клеммах а–б (U_аб).

3. В оставшейся части цепи заменить источники ЭДС перемычкой или резистором, сопротивление которого равно внутреннему сопротивлению источника ЭДС.

4. Определить сопротивление этой цепи относительно клемм а–б, которое обозначим R₀.

5. Оставшуюся часть цепи заменить последовательно соединёнными источником ЭДС с напряжением U_аб и резистором с сопротивлением R₀. Эту цепь подсоединить к клеммам а–б.

6. К клеммам а–б подсоединить интересующую ветвь и определить ток, протекающий через нее.

Определим ток в ветви а–б схемы (рис. 1.20, а) методом эквивалентного источника напряжения.

Отключаем ветвь а–б (рис. 1.20, б) и находим напряжение на клеммах а–б:

.

Далее исключаем у оставшейся схемы источник E, заменяя его перемычкой, считая, что его внутреннее сопротивление равно нулю (рис. 1.20, в) и определяем сопротивление цепи относительно клемм а–б:

.

Теперь составляем схему (рис. 1.20, г) и находим ток в ветви а–б:

.

На этом расчет закончен.

10 Нелинейными называются цепи, в состав которых входит хотя бы один нелинейный элемент.

Нелинейными называются элементы, параметры которых зависят от величины и (или) направления связанных с этими элементами переменных (напряжения, тока, магнитного потока, заряда, температуры, светового потока и др.). Нелинейные элементы описываются нелинейными характеристиками, которые не имеют строгого аналитического выражения, определяются экспериментально и задаются таблично или графиками.

Нелинейные элементы можно разделить на двух – и многополюсные. Последние содержат три (различные полупроводниковые и электронные триоды) и более (магнитные усилители, многообмоточные трансформаторы, тетроды, пентоды и др.) полюсов, с помощью которых они подсоединяются к электрической цепи. Характерной особенностью многополюсных элементов является то, что в общем случае их свойства определяются семейством характеристик, представляющих зависимости выходных характеристик от входных переменных и наоборот: входные характеристики строят для ряда фиксированных значений одного из выходных параметров, выходные – для ряда фиксированных значений одного из входных.

По другому признаку классификации нелинейные элементы можно разделить на инерционные и безынерционные. Инерционными называются элементы, характеристики которых зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические характеристики, определяющие зависимость между действующими значениями переменных, отличаются от динамических характеристик, устанавливающих взаимосвязь между мгновенными значениями переменных. Безынерционными называются элементы, характеристики которых не зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические и динамические характеристики совпадают.

Понятия инерционных и безынерционных элементов относительны: элемент может рассматриваться как безынерционный в допустимом (ограниченном сверху) диапазоне частот, при выходе за пределы которого он переходит в разряд инерционных.

В зависимости от вида характеристик различают нелинейные элементы с симметричными и несимметричными характеристиками. Симметричной называется характеристика, не зависящая от направления определяющих ее величин, т.е. имеющая симметрию относительно начала системы координат: . Для несимметричной характеристики это условие не выполняется, т.е. . Наличие у нелинейного элемента симметричной характеристики позволяет в целом ряде случаев упростить анализ схемы, осуществляя его в пределах одного квадранта.

По типу характеристики можно также разделить все нелинейные элементы на элементы с однозначной и неоднозначной характеристиками. Однозначной называется характеристика , у которой каждому значению х соответствует единственное значение y и наоборот. В случае неоднозначной характеристики каким-то значениям х может соответствовать два или более значения y или наоборот. У нелинейных резисторов неоднозначность характеристики обычно связана с наличием падающего участка, для которого , а у нелинейных индуктивных и емкостных элементов – с гистерезисом.

Нелинейные электрические цепи постоянного тока

Нелинейные свойства таких цепей определяет наличие в них нелинейных резисторов.

В связи с отсутствием у нелинейных резисторов прямой пропорциональности между напряжением и током их нельзя охарактеризовать одним параметром (одним значением ). Соотношение между этими величинами в общем случае зависит не только от их мгновенных значений, но и от производных и интегралов по времени.

Параметры нелинейных резисторов

В зависимости от условий работы нелинейного резистора и характера задачи различают статическое, дифференциальное и динамическое сопротивления.

Если нелинейный элемент является безынерционным, то он характеризуется первыми двумя из перечисленных параметров.

С татическое сопротивление равно отношению напряжения на резистивном элементе к протекающему через него току. В частности для точки 1 ВАХ на рис. 1

Под дифференциальным сопротивлением понимается отношение бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока

С ледует отметить, что у неуправляемого нелинейного резистора всегда, а может принимать и отрицательные значения (участок 2-3 ВАХ на рис. 1).

В случае инерционного нелинейного резистора вводится понятие динамического сопротивления

определяемого по динамической ВАХ. В зависимости от скорости изменения переменной, например тока, может меняться не только величина, но и знак .

Методы расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока

Электрическое состояние нелинейных цепей описывается на основании законов Кирхгофа, которые имеют общий характер. При этом следует помнить, что для нелинейных цепей принцип наложения неприменим. В этой связи методы расчета, разработанные для линейных схем на основе законов Кирхгофа и принципа наложения, в общем случае не распространяются на нелинейные цепи.

Общих методов расчета нелинейных цепей не существует. Известные приемы и способы имеют различные возможности и области применения. В общем случае при анализе нелинейной цепи описывающая ее система нелинейных уравнений может быть решена следующими методами:

1. графическими;

2. аналитическими;

3. графо-аналитическими;

4. итерационными.