Методы анализа линейных разветвленных электрических цепей

Линейные цепи– параметры (R,L,C,M) элементов схемы замещения не зависят от величины и направления протекающих к ним напряжений.

Задачи теории электрических цепей делятся на задачи анализа и задачи синтеза.

Анализ– расчет электрических процессов в заданных электрических цепях, т.е. с заданной структурой и заданными характеристиками всех элементов цепи.

Синтез– отыскание структуры цепи и характеристика ее элементов при которых электрический процесс в цепи будет подчиняться заданным закономерностям.

3.2.1. Анализ линейных электрических цепей постоянного тока

Даны:величины э.д.с. и токов источников энергии их внутренние сопротивления, величины сопротивлений приемников; дана схема электрической цепи.

Определить:величины токов во всех элементах цепи.

Постоянный ток– неизменный по величине и по направлению.

Идеальные емкостный и индуктивный элементы, а также элемент взаимоиндукции при анализе цепей постоянного тока не учитываются т.к.: сопротивление идеального индуктивного элемента постоянному току равно нулю. Идеальный емкостный элемент не пропускает постоянный ток.

Цепи с одним источником питания. Метод эквивалентных преобразований

Анализ основан на законе Омаи методе эквивалентных преобразований (эквивалентного сопротивления, свертки).

Эквивалентное преобразование– замена группы элементов этого участка одним (или несколькими элементами с другой конфигурацией соединений) при условии, что режим работы в остальной части цепи не меняется.

Путем последовательных упрощений с помощью эквивалентных преобразований рассчитывают эквивалентное сопротивление цепи.

В результате получают неразветвленную электрическую цепь с одним источником и эквивалентным сопротивлением цепи.

Определяют ток через источник при помощи закона Ома для полной цепи

Используя полученное значение тока через источник питания определяют токи во всех ветвях цепи.

Для проверки правильности расчета цепи составляют энергетический баланс цепи (или строят потенциальную диаграмму для любого контура).

Если цепь питается от источника тока, то расчет ведут по п.3, 4.

В случае сложно разветвленной цепи необходимо воспользоваться эквивалентным преобразованием:

; ;.

; ; .

; ;;

; ;.

Проверка: .

; ;;.

Проверка: .

Используется преобразование звезда – треугольник Y.

Цепи с несколькими источниками питания

В основе расчета лежат законы Кирхгофа, принцип наложения, теорема об эквивалентном генераторе, принцип взаимности.

Методы расчета, основанные на применении законов Кирхгофа и их модификации (метод контурных токов, метод узловых напряжений) – методы общего анализа цепей(определяются токи во всех ветвях).

Методы наложения, эквивалентного генератора, взаимности – методы частичного анализа(определяется ток в одной ветви).

3.2.2. Метод непосредственно применения законов Кирхгофа

Выбирают произвольное положительное направление искомых токов в ветвях и обозначают их на схеме.

Число неизвестных токов равно числу всех ветвей схемы без учета ветвей содержащих источники тока, т.к. токи в ветвях, содержащих источники тока, известны – (в – в_ит).

Составляют уравнение по 1-му закону Кирхгофа для (y-1) узлов схемы, с учетом токов от источников тока, где y – число узлов схемы. Уравнение для последнего узла не составляют, т.к. оно совпало бы с уравнением, полученным при суммировании уже составленных уравнений для предыдущих узлов (т.е. линейно-независимых уравнений – (y-1)). При составлении уравнений следуют правилу: если ток выходит из узла, то его записывают со знаком (+), если входит – то со знаком (-).

В рассматриваемом примере:

(для узла 1);

(для узла 3).

Составляют [(в — в_ит) — (у — 1)] уравнений по 2 закону Кирхгофа для независимых контуров.

3.1. Выбирают независимые контуры.

б) Независимый контур – контур, в который входит хотя бы одна новая ветвь, не вошедшая в предыдущие контуры.

Эффективно использовать метод ячеек, по которому каждый независимый контур – это ячейка сети (рыбацкой) – внутри отсутствуют ветви.

в) При выборе контуров ветви с источником тока исключаются (в противном случае при составлении уравнений в них вошли бы бесконечно большие слагаемые и они не имели бы смысла (E=;R=)).

3.2. Выбирают положительное направление обхода контуров (обычно по часовой стрелке).

3.3. При составлении уравнений следуют правилу: если направление тока и э.д.с. на элементе совпадает с направлением обхода, то падение напряжения и э.д.с. записывают со знаком (+), если не совпадает, то со знаком (–).

В рассматриваемом примере:

(для независимого контура E₁R₁R₂E₂);

(для независимого контура E₂R₂R₃R₄).

Решают тем или иным методом полученную систему линейных алгебраических уравнений.

В рассматриваемом примере:.

На основании полученного решения проставляют на схеме реальное положительное направление токов в ветвях.

Проверяют правильность полученного решения с помощью энергобаланса или (и) потенциальной диаграммы:

В рассматриваемом примере: .

Методы анализа линейных разветвлённых электрических цепей при синусоидальных воздействиях.

ID (номер) заказа

Рассчитать токи в заданной схеме методом контурных токов, методом узловых потенциалов и неизвестный ток в одной из ветвей методом эквивалентного источника. Построить векторные диаграммы для одного из узлов и напряжений для одного из контуров, содержащего источники ЭДС. Проверку правильности выполненного расчёта осуществить методом баланса мощностей. Определить показания приборов, измеряющих действующее значение. В ответе указать значения токов в комплексной форме и во временной для тока, рассчитанного методом эквивалентного источника, показания приборов.

Закажите подобную или любую другую работу недорого

Если в сложной электрической цепи имеется одна ветвь с нелинейным резистором, то определение тока в ней можно проводить на основе теоремы об активном двухполюснике (методом эквивалентного генератора). Идея решения заключается в следующем. Ветвь, содержащая нелинейный резистор, выделяется из исходной цепи, а вся остальная, уже линейная, схема представляется в виде активного двухполюсника (АД). Согласно теореме об АД схему линейного АД по отношению к зажимам 1-2 выделенной ветви (см. рис. 1,а) можно представить эквивалентным генератором (см. рис. 1,б) с ЭДС, равной напряжению на зажимах 1-2 при разомкнутой ветви с нелинейным резистором, и внутренним сопротивлением, равным входному сопротивлению линейного двухполюсника.

Последняя схема рассчитывается, например, графическим методом как цепь с последовательным соединением элементов.

Если необходимо также найти токи в линейной части исходной цепи, то после расчета нелинейной схемы на рис. 1,б в соответствии с теоремой о компенсации нелинейный резистор заменяется источником ЭДС или тока, после чего проводится анализ полученной линейной цепи любым известным методом.

Аналитические методы расчета

Исследования общих свойств нелинейных цепей удобно осуществлять на основе математического анализа, базирующегося на аналитическом выражении характеристик нелинейных элементов, т.е. их аппроксимации. На выбор аналитического метода влияют условия поставленной задачи, а также характер возможного перемещения рабочей точки по характеристике нелинейного элемента: по всей характеристике или в ее относительно небольшой области.

К аналитическим методам относятся:

метод аналитической аппроксимации;
метод кусочно-линейной аппроксимации;
метод линеаризации.

Метод аналитической аппроксимации основан на замене характеристики (или ее участка) нелинейного элемента общим аналитическим выражением. Применяются следующие виды аналитической аппроксимации:

степенным многочленом (см. рис. 2,а);
трансцендентными (экспоненциальными, гиперболическими и др.) функциями (см. рис. 2,б).

Выбор коэффициентов (а,b,c,…) осуществляется исходя из наибольшего соответствия аналитического выражения рабочему участку нелинейной характеристики. При этом

выбираются наиболее характерные точки, через которые должна пройти аналитическая кривая. Число точек равно числу коэффициентов в аналитическом выражении, что позволяет однозначно определить последнее.

Необходимо помнить, что при получении нескольких корней нелинейного уравнения они должны быть проверены на удовлетворение задаче. Пусть, например, в цепи, состоящей из последовательно соединенных линейного R и нелинейного резисторов, ВАХ последнего может быть аппроксимирована выражением . Определить ток в цепи, если источник ЭДС Е обеспечивает режим работы цепи в первом квадранте.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для данной цепи имеет место уравнение

Решением задачи является , поскольку второе решение не удовлетворяет условиям исходя из физических соображений.

Метод кусочно-линейной аппроксимации основан на представлении характеристики нелинейного элемента отрезками прямых линий (см. рис. 3), в результате чего нелинейная цепь может быть описана линейными уравнениями с постоянными (в пределах каждого отрезка) коэффициентами.

При наличии в цепи двух и более нелинейных резисторов реализация метода затруднена, так как в общем случае изначально неизвестно, на каких участках ломаных кривых находятся рабочие точки.

Кусочно-линейная аппроксимация может быть реализована методом секционных кусочно-линейных функций, позволяющим описать ломаную кривую общим аналитическим выражением. Например, для кривой, представленной на рис. 4 и определяемой коэффициентами и характеризующими наклон ее отдельных прямолинейных участков, и параметрами , характеризующими координаты точек, где значения функции изменяются скачками, данное выражение будет иметь вид

Здесь два первых слагаемых в правой части определяют первый наклонный участок аппроксимируемой кривой; три первых слагаемых — первый наклонный участок и участок первого скачка; четыре первых слагаемых — первый и второй наклонные участки с учетом участка первого скачка и т.д.

В общем случае аппроксимирующее выражение по методу секционных кусочно — линейных функций имеет вид

Метод линеаризации применим для анализа нелинейных цепей при малых отклонениях рабочей точки Р (см. рис. 5) от исходного состояния.

В окрестности рабочей точки (см. рис. 5)

где (закон Ома для малых приращений);

-дифференциальное сопротивление.

Идея метода заключается в замене нелинейного резистора линейным с сопротивлением, равным дифференциальному в заданной (или предполагаемой) рабочей точке, и либо последовательно включенным с ним источником ЭДС, либо параллельно включенным источником тока. Таким образом, линеаризованной ВАХ (см. прямую на рис. 5) соответствует последовательная (рис. 6,а) или параллельная (рис. 6,б) схема замещения нелинейного резистора.

Если исходный режим определен и требуется рассчитать лишь приращения токов и (или) напряжений, обусловленные изменением напряжения или тока источника, целесообразно использовать эквивалентные схемы для приращений, получаемые на основании законов Кирхгофа для малых приращений:

-первый закон Кирхгофа: ;

-второй закон Кирхгофа: .

При составлении схемы для приращений:

1) все ЭДС и токи источников заменяются их приращениями;

2) нелинейные резисторы заменяются линейными с сопротивлениями, равными дифференциальным в рабочих точках.

Необходимо помнить, что полная величина какого-либо тока или напряжения в цепи равна алгебраической сумме исходного значения переменной и ее приращения, рассчитанного методом линеаризации.

Если исходный режим работы нелинейного резистора неизвестен, то следует задаться рабочей точкой на его ВАХ и, осуществив соответствующую линеаризацию, произвести расчет, по окончании которого необходимо проверить, соответствуют ли его результаты выбранной точке. В случае их несовпадения линеаризованный участок уточняется, расчет повторяется и так до получения требуемой сходимости

Итерационные методы расчета

Решение нелинейного уравнения (системы нелинейных уравнений), описывающего (описывающих) состояние электрической цепи, может быть реализовано приближенными численными методами. Решение находится следующим образом: на основе первой, достаточно грубой, оценки определяется начальное значение корня (корней), после чего производится уточнение по выбранному алгоритму до вхождения в область заданной погрешности.

Наиболее широкое применение в электротехнике для численного расчета нелинейных резистивных цепей получили метод простой итерации и метод Ньютона — Рафсона, основные сведения о которых приведены в табл. 1.

Таблица 1. Итерационные методы расчета

Метод простой итерации

1.Исходное нелинейное уравнение электрической цепи , где — искомая переменная, представляется в виде .

2. Производится расчет по алгоритму где

Геометрическая иллюстрация алгоритма

Здесь — заданная погрешность

Условие сходимости итерации

На интервале между приближенным и точным значениями корня должно выполняться неравенство

1.Начальное приближение обычно находится из уравнения при пренебрежении в нем нелинейными членами.

2. Метод распространим на систему нелинейных уравнений n — го порядка. Например, при решении системы 2 — го порядка

итерационные формулы имеют вид ;

3. При решении системы уравнений сходимость обычно проверяется в процессе итерации.

1. На основании исходного нелинейного уравнения электрической цепи , где — искомая переменная, записывается итерационная формула где — шаг итерации.

2.По полученной формуле проводится итерационный расчет

Геометрическая иллюстрация алгоритма

Здесь — заданная погрешность

Условие сходимости итерации

На интервале между приближенным и точным значениями корня должны выполняться неравенства

Примечания п. 1,2 и 3 к методу простой итерации распространимы на метод Ньютона — Рафсона. При этом при решении системы 2 — го порядка

итерационные формулы имеют вид

Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.2. Жуховицкий Б.Я., Негневицкий И.Б. Линейные электрические цепи (продолжение). Нелинейные цепи. –М.: Энергия- 1972. –200с.
Матханов П.Н. Основы анализа электрических цепей. Нелинейные цепи.: Учеб. для студ. электротехн. спец. вузов. 2-е изд., переработ. и доп. –М.: Высш. шк., 1986. –352с.
Чуа Л.О., Лин Пен-Мин.Машинный анализ электронных схем: алгоритмы и вычислительные методы: Пер. с англ. –М.: Энергия, 1980. – 640 с.
Сборник задач и упражнений по теоретически основам электротехники: Учеб. пособие для вузов /Под ред. проф. П.А.Ионкина. –М.: Энергоиздат, 1982. –768 с.

Как рассчитываются цепи с одним нелинейным резистором и произвольным числом линейных?
В чем преимущества и недостатки аналитических методов расчета по сравнению с графическими?
Какие аналитические методы используются для расчета нелинейных резистивных цепей постоянного тока?
В чем сущность метода линеаризации? Для решения каких двух типов задач он применяется?
Что такое эквивалентные схемы для приращений? Как они составляются?
Какова последовательность расчета нелинейных цепей итерационными методами?
В диагонали моста находится нелинейный резистор, ВАХ которого аппроксимирована выражением , где . Линейные сопротивления противоположных плеч моста попарно равны: ; . Определить мощность, рассеиваемую нелинейным резистором, если схема питается от источника с ЭДС .

Определить ток в цепи, состоящей из последовательно соединенных линейного и нелинейного резисторов, если кривая ВАХ последнего проходит через точки с координатами (15 В; 1,425 А) и (5 В; 0,325 А) и аппроксимирована выражением вида . ЭДС на входе цепи .

Ответ: .

В схеме предыдущей задачи ВАХ нелинейного резистора описывается выражением (ток – в амперах, напряжение – в вольтах) ; ; . Определить напряжение на нелинейном резисторе и ток в нем методом Ньютона-Рафсона.

Ответ: ; .

В цепи на рис. 1,б , . ВАХ нелинейного резистора аппроксимирована двумя прямолинейными отрезками, первый из которых проходит через точки с координатами (0 В; 0 А) и (9 В; 2 А), а второй – через точки с координатами (9 В; 2 А) и (12 В; 6 А). Определить ток в цепи.

Ответ: .