Меню

Что такое действительный ток в определенной ветви



Методы расчета сложных электрических цепей

Методы расчета сложных электрических цепей

Сложной электрической цепью называют разветвленную цепь с несколькими источниками электрической энергии. Применение методов эквивалентных преобразований в таких цепях, как правило, не эффективно, так как не позволяют упростить ее до одноконтурной цепи или цепи с двумя узлами. Для расчета таких цепей используют более общие методы.

Метод непосредственного применения законов Кирхгофа

Метод заключается в составлении системы уравнений с применением первого и второго законов Кирхгофа для заданной электрической цени, решение которой позволяет определить токи всех ветвей цепию.

Реализация этою метода, как и любого другого метода расчета сложной электрической цени, начинается с предварительного анализа ее схемы с целью определения числа узлов Методы расчета сложных электрических цепей, числа ветвей Методы расчета сложных электрических цепей, числа независимых контуров Методы расчета сложных электрических цепей, числа ветвей Методы расчета сложных электрических цепейс источниками токов, выяснения возможности упрощения схемы.

Прежде всего определяют число неизвестных токов, которое равно Методы расчета сложных электрических цепейМетоды расчета сложных электрических цепей. Для каждой ветви задают положительное направление тока.

Методы расчета сложных электрических цепей

Далее по первому закону Кирхгофа составляют — 1 независимых уравнений.

Методы расчета сложных электрических цепей

Затем по второму закону составляют уравнений. При этом выбирают независимые контуры, не содержащие источников тока.

Методы расчета сложных электрических цепей

Общее число составленных по первому и второму законам Кирхгофа должно быть равно числу неизвестных токов.

Рассмотрим применение законов Кирхгофа для определения токов в ветвях цепи, схема которой приведена на рис. 1.25. Пусть ЭДС идеальных источников напряжения Методы расчета сложных электрических цепей, сопротивления Методы расчета сложных электрических цепейМетоды расчета сложных электрических цепей. Требуется определить все токи схемы с помощью метода непосредственного применения законов Кирхгофа.

Схема содержит 6 ветвей с неизвестными токами и четыре узла. Па схеме узлы обозначены арабскими цифрами, показаны принятые направления токов и направления обхода контуров А, Б и В.

Методы расчета сложных электрических цепей

Составим систему из 6 уравнений. Уравнения по первому закону Кирхгофа запишем для узлов 1, 2, 3, уравнения по второму закону Кирхгофа запишем для контуров А, Б, В:

Методы расчета сложных электрических цепей

Решив эту систему уравнений, получим Методы расчета сложных электрических цепейМетоды расчета сложных электрических цепей. Отрицательное значение тока Методы расчета сложных электрических цепей, указывает на то, что выбранное при составлении уравнений направление этого тока не соответствует действительности. Правильное направление — от узла 3 к узлу 4.

Для проверки вычислений с помощью программы схемотехнического моделирования Micro Сар выполнен анализ по постоянному току схемы, изображенной на рис. 1.25. Изображенные на рис. 1.26,а значения токов ветвей (в мА) подтверждают правильность выполненных расчетов. Изображенные на рис. 1.26,б узловые потенциалы схемы (в В) позволяют определить направление токов ветвей.

Методы расчета сложных электрических цепей

Метод контурных токов

Метод контурных токов наиболее часто применяется на практике для расчета сложных цепей, так как он позволяет находить все неизвестные величины при числе уравнений, меньшем числа неизвестных величин.

По этому методу в каждом независимом контуре схемы вместо действительных токов в ветвях вводят условный контурный ток. Действительный ток в любой ветви, принадлежащей только одному контуру, численно равен контурному току. Действительный ток в любой ветви, принадлежащей нескольким контурам равен алгебраической сумме контурных токов, проходящих через эту ветвь.

Уравнения для расчета контурных токов составляются по второму закону Кирхгофа. При этом учитываются напряжения на всех пассивных элементах контура от собственного контурного тока и в смежных элементах -от контурных токов соседних контуров. Направление контурного тока в независимом контуре выбирают произвольно. Направление обхода контура обычно выбирают совпадающим с направлением собственного контурного тока.

Падение напряжения при прохождении тока смежного контура в элементе принимают положительным, если направление тока в смежном контуре совпадает с направлением обхода, Если направление тока смежного контура не совпадает с направлением обхода, падение напряжения считают отрицательным. Значение ЭДС берется со знаком плюс, если направление обхода контура совпадает с положительным направлением ЭДС, и со знаком минус — если не совпадает.

Метод контурных токов рассмотрим на примере схемы электрической цепи, изображенной на рис. 1.27. Схема имеет три независимых контура: А, Б, В. Через сопротивления каждого контура проходит свой контурный ток Методы расчета сложных электрических цепей. Направления обхода каждого контура совпадает с направлением контурного тока этого контура. ЭДС идеальных источников напряжения Методы расчета сложных электрических цепейМетоды расчета сложных электрических цепей, сопротивления Методы расчета сложных электрических цепейи Методы расчета сложных электрических цепей.

Уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа, для контуров А, Б и В:

Методы расчета сложных электрических цепей

Методы расчета сложных электрических цепей

Подставив в эту систему уравнений численные значения ЭДС источников и сопротивлений и решив ее, получим Методы расчета сложных электрических цепейМетоды расчета сложных электрических цепей

Действительные токи ветвей схемы:

Методы расчета сложных электрических цепей

Полученные значения полностью совпадают с результатами ранее проделанного расчета этой же цени по методу непосредственного применения Законов Кирхгофа.

Метод узловых потенциалов

Потенциал любой точки электрической цепи определяется напряжением между данной точкой и точкой цепи с потенциалом равным нулю.

Методы расчета сложных электрических цепей

Метод узловых потенциалов заключается в том, что вначале полагают равным нулю потенциал некоторого базисного узла и для оставшихся ( -1) узлов составляют уравнения по первому закону Кирхгофа: алгебраическая сумма токов всех ветвей, подключенных к рассматриваемому узлу равна нулю. При этом токи ветвей, соединяющих узлы, определяются с помощью обобщенного закона Ома. Решив полученную систему уравнений, определяют потенциалы узлов.

Далее, применив обобщенный закон Ома для ветвей, определяют искомые токи.

Метод узловых потенциалов рассмотрим на примере схемы электрической цепи, изображенной на рис. 1.28 (я). В этой схеме ЭДС идеальных источников напряжения Методы расчета сложных электрических цепейМетоды расчета сложных электрических цепей, сопротивления Методы расчета сложных электрических цепей Методы расчета сложных электрических цепейи Методы расчета сложных электрических цепей.

Методы расчета сложных электрических цепей

Схема имеет четыре узла. Примем потенциал узла 3 . Составляем уравнения по методу узловых потенциалов. Сумма токов узла 1 приравнивается нулю. Ток каждой ветви, подключенной к узлу 1, записывается в соответствии с обобщенным законом Ома

Читайте также:  Источник тока 4 20ма

Методы расчета сложных электрических цепей

Аналогично для узла 2

Методы расчета сложных электрических цепей

Методы расчета сложных электрических цепей

Методы расчета сложных электрических цепей

Подставив в полученную систему уравнений численные значения ЭДС источников и сопротивлений и решив ее, получим Методы расчета сложных электрических цепейМетоды расчета сложных электрических цепей. Полученные результаты совпадают с данными (рис. 1.26,6^, полученными при выполнении с помощью программы Micro-Сар анализа по постоянному току схемы, изображенной на рис. 1.28,а.

Применив обобщенный закон Ома для каждой ветви схемы, получим искомые токи:

Методы расчета сложных электрических цепей

Полученные значения токов совпадают с результатами расчета этой цепи методом непосредственного применения законов Кирхофа и методом контурных токов.

Направления найденных токов указаны на графе цепи на рис. 1.28,6. Графом цепи называют такое изображение схемы электрической цепи, в котором все ветви заменены линиями, источники напряжения закорочены, а источники тока разомкнуты. Все ветви и все узлы сохраняются.

Метод узловых потенциалов имеет преимущество перед методом контурных токов в том случае, когда число уравнений, записанных по первому закону Кирхгофа, меньше числа уравнений, записанных по второму закону Кирхгофа.

Метод двух узлов является частным вариантом метод узловых потенциалов. Он применяется в тех случаях, когда анализируемая схема содержит только два узла (для определенности узлы Методы расчета сложных электрических цепейи Методы расчета сложных электрических цепей) и большое число параллельных ветвей, содержащих и не содержащих источники ЭДС. Согласно методу двух узлов межузловое напряжение

Методы расчета сложных электрических цепей

где Методы расчета сложных электрических цепей— алгебраическая сумма произведений ЭДС ветвей (ЭДС считаются положительными, если они направлены к узлу Методы расчета сложных электрических цепей, и отрицательными, если от узла Методы расчета сложных электрических цепейк узлу Методы расчета сложных электрических цепей) на проводимости этих ветвей; Методы расчета сложных электрических цепей— сумма проводимости всех ветвей, соединяющих узлы Методы расчета сложных электрических цепейи Методы расчета сложных электрических цепей.

Эта теория взята со страницы помощи с заданиями по электротехнике:

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Помощь студентам в учёбе
Помощь студентам в учёбе
Помощь студентам в учёбе

Помощь студентам в учёбе

Изучу , оценю , оплатите , через 2-3 дня всё будет на «4» или «5» !

Откройте сайт на смартфоне, нажмите на кнопку «написать в чат» и чат в whatsapp запустится автоматически.

Помощь студентам в учёбе

Помощь студентам в учёбеf9219603113@gmail.com


Помощь студентам в учёбе

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.9219603113.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

Источник

Определение токов методом наложения

Страницы работы

Содержание работы

4.4. Метод наложения

Метод основан на принципе наложения, заключающемся в независи­мости действия источников электрической энергии в цепи. Согласно прин­ципу наложения, действительный ток в рассматриваемой ветви равен ал­гебраической сумме составляющих токов в этой же ветви, вызванных каж­дым из источников электрической энергии исходной схемы в отдельности, при исключении действия остальных источников электрической энергии. Принцип наложения можно применять для определения составляющих то­ка не только от одного источника электрической энергии, но и от группы источников, разбивая все источники на произвольное число групп в любой комбинации. При этом каждый источник энергии в расчете должен участ­вовать только один раз.

Суть метода наложения заключается в следующем. Сначала со­ставляют расчетные электрические схемы, количество которых опреде­ляется исходя из количества источников электрической энергии, содер­жащихся в исходной схеме. Расчетная схема отличается от исходной схемы тем, что в ней сохраняется только тот источник энергии, от дей­ствия которого зависят составляющие токов. Исключение остальных ис­точников ЭДС и тока отражается в расчетной схеме соответственно за­мыканием и размыканием их зажимов. Если в сравнении с сопротивле­ниями и проводимостями приемников внутренними сопротивлениями источника ЭДС и проводимостью источника тока пренебречь нельзя, то их учитывают в схеме, вынося соответственно за пределы источников энергии согласно их эквивалентным схемам замещения. Затем вычисля­ют составляющие токов в ветвях. Направления составляющих токов

определяются направлением единственного в расчетной схеме источни­ка энергии (источника ЭДС или источника тока). Далее определяют дей­ствительные токи в ветвях по алгебраической сумме составляющих в со­ответствующих ветвях. Направление действительного тока в ветви опре­деляется в соответствии с направлениями составляющих токов в этой ветви. Итак, расчет сводится к двум этапам: предварительному — для оп­ределения составляющих токов, и окончательному — для определения действительных токов в ветвях [12]. Порядок расчета:

1. Определяют составляющие токов в ветвях от каждого из источни­ков электрической энергии.

2. Определяют действительные токи в ветвях через составляющие токов.

Рис. 4.6. Заданная схема для расчета методом наложения

Определить токи. Решение:

1. Определим составляющие токовот действия каждого из

источников электрической энергии.

Подпись:

Подпись:

Определим составляющие токов от источника тока(рис. 4.9).

Подпись:

Рис. 4.9. Схема с исключенным источником токаи источником ЭДС Е

2. Определим действительные токи

Для этого алгебраически суммируем вычисленные составляющие то­ков, приняв полученные для них направления в схемах (см. рис. 4.7-4.9) за положительные. На рис. 4.10 для наглядности показаны составляющие то­ков, а также действительные токи в ветвях.

Определяем действительные токи:

Источник

Что такое истинная ЭДС и истинный ток?

Один из методов анализа электрической цепи является метод контурных токов. Основой для него служит второй закон Кирхгофа. Главное его преимущество это уменьшение количества уравнений до m – n +1, напоминаем что m — количество ветвей, а n — количество узлов в цепи. На практике такое уменьшение существенно упрощает расчет.
Основные понятия

Контурный ток — это величина, которая одинакова во всех ветвях данного контура. Обычно в расчетах они обозначаются двойными индексами, например I11, I22 и тд.
Действительный ток в определенной ветви определяется алгебраической суммой контурных токов, в которую эта ветвь входит. Нахождение действительных токов и есть первоочередная задача метода контурных токов.
Контурная ЭДС — это сумма всех ЭДС входящих в этот контур.
Собственным сопротивлением контура называется сумма сопротивлений всех ветвей, которые в него входят.
Общим сопротивлением контура называется сопротивление ветви, смежное двум контурам.
Общий план составления уравнений
1 – Выбор направления действительных токов.
2 – Выбор независимых контуров и направления контурных токов в них.
3 – Определение собственных и общих сопротивлений контуров
4 – Составление уравнений и нахождение контурных токов
5 – Нахождение действительных токов
Итак, после ознакомления с теорией предлагаем приступить к практике! Рассмотрим пример.

Читайте также:  Да нет мы ток пиво пили

Выполняем все поэтапно.
1. Произвольно выбираем направления действительных токов I1-I6.

2. Выделяем три контура, а затем указываем направление контурных токов I11,I22,I33. Мы выберем направление по часовой стрелке.
3. Определяем собственные сопротивления контуров. Для этого складываем сопротивления в каждом контуре.
R11=R1+R4+R5=10+25+30= 65 Ом
R22=R2+R4+R6=15+25+35 = 75 Ом
R33=R3+R5+R6=20+30+35= 85 Ом

Затем определяем общие сопротивления, общие сопротивления легко обнаружить, они принадлежат сразу нескольким контурам, например сопротивление R4 принадлежит контуру 1 и контуру 2. Поэтому для удобства обозначим такие сопротивления номерами контуров к которым они принадлежат.
R12=R21=R4=25 Ом
R23=R32=R6=35 Ом
R31=R13=R5=30 Ом
4. Приступаем к основному этапу – составлению системы уравнений контурных токов. В левой части уравнений входят падения напряжений в контуре, а в правой ЭДС источников данного контура.
Так как контура у нас три, следовательно, система будет состоять из трех уравнений. Для первого контура уравнение будет выглядеть следующим образом:

Ток первого контура I11, умножаем на собственное сопротивление R11 этого же контура, а затем вычитаем ток I22, помноженный на общее сопротивление первого и второго контуров R21 и ток I33, помноженный на общее сопротивление первого и третьего контура R31. Данное выражение будет равняться ЭДС E1 этого контура. Значение ЭДС берем со знаком плюс, так как направление обхода (по часовой стрелке) совпадает с направление ЭДС, в противном случае нужно было бы брать со знаком минус.
Те же действия проделываем с двумя другими контурами и в итоге получаем систему:

В полученную систему подставляем уже известные значения сопротивлений и решаем её любым известным способом.

5. Последним этапом находим действительные токи, для этого нужно записать для них выражения.
Контурный ток равен действительному току, который принадлежит только этому контуру. То есть другими словами, если ток протекает только в одном контуре, то он равен контурному.

Но, нужно учитывать направление обхода, например, в нашем случае ток I2 не совпадает с направлением, поэтому берем его со знаком минус.

Токи, протекающие через общие сопротивления определяем как алгебраическую сумму контурных, учитывая направление обхода.
Например, через резистор R4 протекает ток I4, его направление совпадает с направлением обхода первого контура и противоположно направлению второго контура. Значит, для него выражение буде

Источник

Что такое действительный ток в определенной ветви

Метод токов ветвей

Первый и самый простой метод анализа цепей постоянного тока называется методом токов ветвей. В этом методе нам сначала нужно определить направления токов в цепи, а затем написать уравнения, описывающие их отношения друг с другом через законы Кирхгофа и Ома. Как только мы получим уравнения для каждого из неизвестных токов, мы сможем решить систему уравнений, рассчитав тем самым все токи, а затем и все напряжения в цепи.

Для рассмотрения метода мы будем использовать следующую схему:

analiz5

Первое что нам нужно сделать — это выбрать узел цепи (место соединения проводов), который будет использоваться в качестве точки отсчета для поиска неизвестных токов. Мы выберем узел, соединяющий резистор R1 справа, R2 снизу и R3 слева.

analiz6

Теперь нам нужно проставить направления токов в примыкающих к этому узлу проводах, обозначив их I1, I2 и I3 соответственно. Имейте ввиду, эти направления будут только предполагаемыми. Если выяснится, что наши предположения оказались ошибочными, то мы это увидим в процессе математического расчета (любые «неправильные» направления токов отобразятся в виде отрицательных чисел).

analiz7

Согласно Первому Закону Кирхгофа, алгебраическая сумма токов входящих в узел и выходящих из него должна быть равна нулю, поэтому мы можем связать все токи нашей схемы (I1, I2 и I3) друг с другом при помощи одного уравнения. Все входящие в узел токи мы обозначим знаком «плюс», а выходящие из него — знаком «минус»:

analiz8

На следующем шаге нам нужно промаркировать полярности напряжений всех резисторов в соответствии с предполагаемыми направлениями токов. Конец резистора, в который ток втекает — будет отрицательным, а из которого вытекает — будет положительным (электрон заряжен отрицательно, и течет от минуса к плюсу):

analiz9

Полярность батареи проставляется в соответствии со стандартом (короткий конец — отрицательный, длинный конец — положительный). В некоторых случаях вы можете обнаружить, что полярность резисторов не соответствует полярности батареи, а ток течет обратно через батарею. Ничего страшного, это только предполагаемое направление тока. Здесь важно помнить, что простановку полярности напряжений на резисторах и последующие расчеты нужно производить по изначально предполагаемым направлениям токов. Как отмечалось ранее, если ваши предположения окажутся неверными, то вы увидите это по окончательным результатам расчетов (они будут отрицательными). Сами же полученные величины все равно будут правильными.

Читайте также:  Как корректируют величину сварочного тока в потолочном положении по сравнению со сваркой в нижнем

Согласно Второму Закону Кирхгофа, алгебраическая сумма всех напряжений цепи должна равняться нулю. Исходя из этого, мы сможем создать несколько уравнений для нашей системы, подставив в них неизвестные значения токов (I1, I2 и I3). Для получения уравнений Второго Закона Кирхгофа нам нужно знать количество и полярность напряжений в каждой из ветвей цепи. В целях облегчения данной задачи давайте представим, что мы измерили все напряжения реальным вольтметром, обозначив неизвестные значения как положительное или отрицательное напряжение. Сначала мы создадим уравнение для левой ветви схемы, взяв за точку отсчета верхний левый угол, и двигаясь против часовой стрелки (выбор точки отсчета и направление — произвольны). Результат будет выглядеть следующим образом:

analiz10

analiz12

analiz13

analiz14

Закончив исследование левой ветви схемы, мы можем применить к полученным значениям Второй Закон Кирхгофа (сумма всех напряжений цепи равна нулю):

analiz15

Нам еще неизвестны значения напряжений на резисторах R1 и R2, поэтому мы не можем вставить их в уравнение в виде числовых величин. Однако, мы знаем, что сумма этих трех напряжений равна нулю, поэтому уравнение верно. Теперь пойдем дальше, и выразим неизвестные напряжения как произведение неизвестных токов и соответствующих им сопротивлений (применив Закон Ома: U = IR), а так же уберем все нулевые значения из левой части уравнения:

analiz16

Поскольку нам известны сопротивления всех резисторов, давайте подставим в уравнение конкретные числовые значения:

analiz17

У вас наверняка возник вопрос: зачем мы произвели все эти манипулирования с первоначальным видом уравнения (-28 + ER2 + ER1)? Какая разница в чем будет выражено уравнение, в напряжении или в токе (умноженном на сопротивление), если в обоих случаях последние два члена до сих пор неизвестны? Ответ на данные вопросы прост. Целью всех выше приведенных преобразований является получение уравнения Второго Закона Кирхгофа с использованием тех же неизвестных переменных, что и в уравнении Первого Закона Кирхгофа, так как это является необходимым условием для решения любой системы уравнений. Чтобы найти значения трех неизвестных токов (I1, I2 и I3), у нас должно быть три уравнения, связывающих их вместе.

Применив те же самые действия к правой ветви схемы (начиная с выбранного узла и двигаясь против часовой стрелки), мы получим еще одно уравнение Второго Закона Кирхгофа:

analiz18

analiz19

analiz20

analiz21

analiz22

Зная, что напряжение на каждом из резисторов может и должно быть выражено как произведение соответствующих токов и сопротивлений (величина которых известна), мы можем переписать это уравнение следующим образом:

analiz23

Теперь у нас есть система из трех уравнений (одно уравнение Первого и два уравнения Второго Законов Кирхгофа) с тремя неизвестными:

analiz24

Далее нам нужно перенести все известные величины в правые части уравнений, а неизвестные оставить в левой, дополнив их отсутствующими нулевыми значениями:

analiz25

Решив эту систему уравнений мы получим следующий результат:

analiz26

Таким образом, ток I1 равен 5 амперам, ток I2 равен 4 амперам и ток I3 равен минус 1 амперу. Отрицательное значение тока I3 означает что наше предположение по его направлению оказалось неверным. Давайте вернемся к первоначальной схеме и перерисуем стрелку этого тока на противоположное направление (исправив соответственно полярность напряжения на резисторе R3):

analiz27

Обратите внимание на тот факт, что в правой ветви схемы ток течет обратно через батарею 2. Это происходит благодаря более высокому напряжению батареи 1 (в которой ток течет «как обычно» — через цепь от минуса к плюсу). Означает ли это, что более «сильная» батарея всегда будет «побеждать» более слабую. Вовсе нет! Данный фактор зависит как от относительных напряжений батарей, так и от сопротивлений резисторов цепи. Единственным способом установления происходящих в цепи процессов является математический анализ.

Итак, величины всех токов данной цепи нам известны. Теперь, при помощи Закона Ома (U = IR), можно рассчитать напряжения на всех ее резисторах:

analiz28

Давайте теперь проанализируем эту схему при помощи программы PSPICE, проверив тем самым полученные результаты для напряжений. Данная программа, конечно, сможет рассчитать и токи, но тогда нам потребуется включить в схему дополнительные компоненты. Принимая во внимание этот факт, мы с вами пойдем по пути наименьшего сопротивления (если выданные программой значения напряжений совпадут с нашими расчетами, то и токи мы рассчитали правильно). Схема с номерами узлов для программы представлена ниже:

analiz29

analiz30

Как видите, результаты работы программы совпадают с нашими рассчетами: 20 вольт на резисторе R1 (узлы 1 и 2), 8 вольт на резисторе R2 (узлы 2 и 0) и 1 вольт на резисторе R3 (узлы 2 и 3). Обратите внимание на знаки всех этих напряжений: они имеют положительные значения! PSPICE основывает свою полярность на порядке, в котором перечислены узлы: первый узел должен быть положительным, а второй — отрицательным. Например, положительное (+) напряжение 20 вольт между узлами 1 и 2 означает, что узел 1 является положительным по отношению к узлу 2. Если бы число получилось отрицательным, то то ошибку следовало бы искать в порядке перечисления узлов.

Источник