Теоремы и методы расчета сложных резистивных цепей Метод контурных токов Векторные диаграммы Резонанс в сложных схемах Топологические методы расчета электрических цепей Расчет сложных трехфазных цепей

Методы расчета электрических цепей

Анализ методов расчета сложных электрических цепей Основные методы расчёта сложных линейных электрических цепей постоянного тока фактически сводятся к расчёту системы линей­ных алгебраических уравнений. Количество уравнений, образующих эту систему, зависит от сложности рассматриваемой электрической цепи, в частности от количества ветвей Nв, количества узлов Ny наличия источ­ников тока и идеальных источников э.д.с. Для одной и той же цепи раз­ные методы требуют составление независимой системы уравнений, содержащей разное количество уравнений. Наибольшее количество уравнений для одной и той же цепи содержит система уравнений, составленная на основании законов Кирхгофа. Метод контурных токов и метод узловых потенциалов позволяют сократить количество уравнений в системе.

Классический метод расчета переходных процессов

Переходные процессы в любой электрической цепи можно описать системой дифференциальных уравнений, составленных для схемы цепи по законам Кирхгофа. В математике известно несколько методов решения систем дифференциальных уравнений: классический, операционный, численный и др. Название метода расчета переходных процессов адекватно названию математического метода решения системы дифференциальных уравнений, которыми описывается переходные процессы.

Исключая из системы дифференциальных уравнений Кирхгофа лишние переменные, получим в результате для искомой функции x(t) неоднородное дифференциальное уравнение n-го порядка:

,

где х – искомая величина, например i или u; ak – постоянные коэффициенты; F(t) – некоторая функция времени, определяемая источником энергии.

Из курса математики известно, что решение (общий интеграл) линейного неоднородного дифференциального уравнения состоит из суммы двух решений: а) - полного решения однородного (без правой части) дифференциального уравнения и б) - частного решения неоднородного дифференциального уравнения для t= ∞ :

.

Вид частного решения  для t = ∞ определяется источниками энергии и соответствует значению искомой функции в установившемся послекоммутационном режиме: . В электротехнике эта составляющая решения получила название установившейся.

Полное решение однородного дифференциального уравнения имеет вид:

,

где А1, А2,…, Аn – постоянные интегрирования; p1, p2,…, pn – корни характеристического уравнения, которое получают из однородного дифференциального, заменив в нем х→1, dx/dt→p и т.д.:

.

Эта составляющая решения не зависит от источников энергии, в электротехнике она получила название свободной: .

Таким образом, решение для искомой функции (тока, напряжения) может быть представлено в принятой в электротехнике форме:

.

Физический смысл имеет только полное решение для искомой функции x(t), а ее отдельные составляющие  и  являются расчетными величинами.

Метод расчета переходного процесса, заключающийся в решении неоднородного дифференциального уравнения классическим методом математики, получил название классического.

Расчет переходного процесса классическим методом состоит из следующих составных частей или этапов:

а) расчет установившейся составляющей ;

б) составление характеристического уравнения и определение его корней p1,…, pn;

в) определение постоянных интегрирования А1, А2,….

Следует отметить, что расчет переходного процесса классическим методом выполняется не в строгом соответствии с математическим методом решения неоднородного дифференциального уравнения. Физические законы электротехники позволяют существенно упростить это решение.

5. Определение установившейся составляющей

Как известно, установившаяся составляющая искомой функции , являясь частным решением неоднородного дифференциального уравнения при t=∞, соответствует значению искомой функции в установившемся после коммутации режиме. Определение этой составляющей математическим методом из решения дифференциального уравнения довольно сложно и трудоемко. Гораздо проще найти эту функцию инженерным методом путем расчета схемы цепи в установившемся режиме после коммутации, что и делают на практике.

 Пример. Определить установившуюся составляющую для тока iу в схеме рис. 130 при заданных значениях параметров элементов: R1=50 Ом, L=100 мГн, R2=100 Ом, C=50мкФ, а)для постоянной ЭДС e(t) =E=150 В = const; б)для синусоидальной ЭДС e(t) =150sinωt, f=50 Гц.

После коммутации ветвь с резистором R2 отключается и не оказывает влияния на режим остальной схемы.

а) При постоянной ЭДС источника e(t)=Е=const ток в схеме протекать не может (сопротивление конденсатора постоянному току равно ∞), следовательно iу(t)=0.

б) При переменной ЭДС источника e(t)=Еmsinωt расчет установившегося режима выполняется в комплексной форме для комплексных амплитуд функций. По закону Ома:

  A

 A

Вид установившейся составляющей соответствует виду источников энергии, которые действуют в схеме цепи.

Высшие гармоники в трехфазных цепях В симметричном трехфазном режиме токи и напряжения в фазах сдвинуты взаимно во времени на Dt = T/3 в порядке следования фаз А ® В ® С ® А, что в градусной мере составляет : для 1 гармоники Dwt = = 120°, для 2 гармоники D2wt = 2× = 240= -120°, для 3 гармоники D3wt = 3× = 360° = 0, и т. д.

Пример. Задана схема цепи и комплексные сопротивления фаз на основной частоте (Ом, Ом, Ом. Фазные напряжения генератора несинусоидальны, гармонический состав задан : uA = 200sinwt + 50sin3wt + 20sin5wt

Переходные процессы в электрических цепях Установившимся режимом называется такое состояние электрической цепи (схемы), при котором наблюдается равновесие между действием на цепь источников энергии и реакцией элементов цепи на это действие. Различают следующие 4 вида установившихся режимов в цепи: 1) режим отсутствия тока и напряжения; 2) режим постоянного тока; 3) режим переменного синусоидального тока; 4) режим периодического несинусоидального тока.

Методы составления характеристического уравнения Свободный режим схемы не зависит от источников энергии, определяется только структурой схемы и параметрами ее элементов. Из этого следует, что корни характеристического уравнения p1, p2,…, pn будут одинаковыми для всех переменных функций (токов и напряжений). Характеристическое уравнение можно составить различными методами. Первый метод – классический, когда характеристическое уравнение составляется строго в соответствии с дифференциальным по классической схеме. При расчете переходных процессов в сложной схеме составляется система из “m” дифференциальных уравнений по законам Кирхгофа для схемы цепи после коммутации. Так как корни характеристического уравнения являются общими для всех переменных, то решение системы дифференциальных уравнений выполняется относительно любой переменной (по выбору). В результате решения получают неоднородное дифференциальное уравнение с одной переменной. Составляют характеристическое уравнение в соответствии с полученным дифференциальным и определяют его корни.

"Узловые" токи Iyi - это некоторые расчётные, реально не существующие токи, которые определяются путём алгебраического суммирования произведений э.д.с. ветвей, соединённых в узле "i", на проводимости этих ветвей и токов источников тока (если они имеются). При этом со знаком “ + ” берутся те составляющие, для которых э.д.с. и токи источников тока направлены к узлу. В противном случае они берутся со знаком “ – ”. Если в некоторой электрической цепи заданы сопротивления ветвей, э.д.с. источников напряжения и токи источников тока, то решение системы уравнений (8) позволяет определить потенциалы всех узлов и токи в ветвях по формуле
Теоретическая база метода контурных токов