Как найти неизвестный потенциал

Метод узловых потенциалов

Метод узловых потенциалов – один из методов анализа электрической цепи, который целесообразно использовать, когда количество узлов в цепи меньше или равно числу независимых контуров. Данный метод основан на составлении уравнений по первому закону Кирхгофа. При этом, потенциал одного из узлов цепи принимается равным нулю, что позволяет сократить число уравнений до n-1.

Рассмотрим пример

 

1 – Для начала примем узел 4 за базовый и будем считать его потенциал равным нулю.

2 – Составим уравнения по первому закону Кирхгофа для узла 1,2,3 (для узла 4 не составляем, так как это не требуется) 

3 – Используя обобщённый закон Ома составим уравнения для нахождения каждого из токов (за ϕi берем потенциал узла из которого ток выходит, а за ϕ потенциал узла в который ток входит) Gi – проводимость i-ой ветви. 

4 – Подставим полученные выражения для токов в уравнения из пункта 2, получим

Данная система уравнений записана для цепи состоящей из 4 узлов, а для n узлов справедливо

Проводимости G₁₁,G₂₂ и т.д. – сумма проводимостей сходящихся в узле (собственные проводимости), всегда берутся со знаком плюс. Проводимости G₁₂,G₂₁ и т.д. проводимости ветвей соединяющих узлы (общие проводимости), всегда берутся со знаком минус.

Если источник тока или ЭДС направлен к узлу, то берем со знаком плюс, в противном случае со знаком минус.

5 – Решив систему уравнений из пункта 4 любым доступным способом, найдем неизвестные потенциалы в узлах, а затем определим с помощью них токи.

Правильность решения проверим с помощью баланса мощностей 

Задача решена верно методом узловых потенциалов. 

Просмотров: 113953

При изучении основ электротехники приходится сталкиваться с необходимостью расчета тех или иных параметров различных схем. И самое простое, что приходится делать – это расчет токов ветвей в цепях постоянного тока.

Существует несколько наиболее применяемых методов расчетов для таких цепей: с помощью законов Кирхгофа, методом контурных токов, узловых потенциалов, методом эквивалентного генератора, эквивалентного источника тока, методом наложения. Для расчета более сложных цепей, например, в нелинейных схемах, могут применяться метод аппроксимации, графические методы и другие.
В данном разделе рассмотрим один из методов определения токов в цепи постоянного тока – метод узловых потенциалов.

Важно отличать метод узловых напряжений (потенциалов) от метода узлового напряжения (метод двух узлов).

Метод узловых потенциалов примеры решения задач

Для того, чтобы лучше разобраться в этом вопросе, рассмотрим конкретный пример схемы, показанной на рис.1.

        

Для начала обозначают направления токов в ветвях. Направление можно выбирать любым. Если в результате вычислений какой-то из токов получится с отрицательным значением, значит, его направление в действительности будет направлено в противоположную сторону относительно ранее обозначенного. Если в ветви имеется источник, то для удобства лучше обозначить направление тока в этой ветви совпадающим с направлением источника в этой ветви, хотя и не обязательно. Далее один из узлов схемы заземляем. Заземленный узел будет называться опорным, или базисным. Такой метод заземления на общее токораспределение в схеме влияния не оказывает.

Какой именно узел заземлять, значения не имеет. Заземлим, например, узел 4  φ₄ = 0.

Каждый из этих узлов будет обладать своим значением потенциала относительно узла 4. Именно значения этих потенциалов для дальнейшего определения токов и находят. Соответственно, для удобства этим потенциалам присваивают номера в соответствии с номером узла, т.е. φ₁, φ₂, φ₃. Далее составляется система уравнений для оставшихся узлов 1, 2, 3.

В общем виде система имеет вид:

Использованные в этой системе уравнений буквенно-цифровые обозначения

имеют следующий смысл:

– сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 1. В данном случае

 – сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 2. В данном случае

 – сумма проводимостей ветвей, сходящихся в узле 3. В данном случае

 – сумма проводимостей ветвей, соединяющих узлы 1 и 2, взятая со знаком «минус». Для этого единица и взята с отрицательным знаком:

 – сумма проводимостей ветвей, соединяющих узлы 1 и 3, взятая со знаком «минус». Для этого единица и в этом случае взята с отрицательным знаком:

Аналогично находятся и остальные проводимости:

J₁₁ – узловой ток узла 1, в котором участвуют ветви, подходящие именно к этому узлу, и содержащие в своем составе ЭДС. При этом, если ЭДС ветви, входящий в узел, направлена к рассматриваемому узлу (в данном случае к узлу 1), то такой узловой ток записывается с плюсом, если от узла, то с минусом. В данном случае

Аналогично

В результате всех ранее приведенных вычисленных значений исходная система уравнений примет вид:

Решать данную систему можно всеми доступными методами, мы же для упрощения решим ее в пакете Mathcad:

В результате получены следующие значения потенциалов в узлах цепи:

Токи в ветвях находятся в соответствии с законом Ома. Поясним это простыми словами.

В ветви с сопротивлением и источником, учитывая ранее обозначенное направление тока в рассматриваемой ветви, необходимо из потенциала узла, находящегося у начала стрелки направления тока, вычесть потенциал узла, находящегося у конца стрелки направления тока, а затем прибавить значение ЭДС в этой ветви. Далее все это разделить на сопротивление, имеющееся в ветви. Если бы ток и ЭДС в рассматриваемой ветви не совпадали по направлению, тогда значение ЭДС вычиталось. В ветви без ЭДС действует то же самое правило, только ЭДС в числителе, разумеется, отсутствует. В нашем примере получим, что

Значение тока первой ветви, как видно из расчета, получилось отрицательным. Значит, в действительности, этот ток направлен в противоположную сторону относительно его обозначенного направления на рис.1.

Правильность расчетов можно проверить, например, составлением баланса мощностей либо, к примеру, моделированием, схемы. Выполним моделирование в программе Multisim.

Как видим, результаты моделирования совпадают с расчетными значениями. Незначительная разница в тысячных долях из-за округлений промежуточных вычислений.

Ме́тод узловы́х потенциа́лов — формальный метод расчета электрических цепей путём записи системы линейных алгебраических уравнений, в которой неизвестными являются потенциалы в узлах цепи. В результате применения метода определяются потенциалы во всех узлах цепи, а также, при необходимости, силу тока во всех рёбрах (ветвях).

Введение[править | править код]

Часто необходимым этапом при решении самых разных задач электротехники и электроники является расчет электрической цепи. Под этим термином понимается процесс получения полной информации о напряжениях во всех узлах и о токах во всех рёбрах заданной электрической цепи. Для расчета линейной цепи достаточно записать необходимое число уравнений, которые базируются на правилах Кирхгофа и законе Ома, а затем решить полученную систему уравнений.

Однако на практике записать систему уравнений просто из вида принципиальной электрической схемы удается только для очень простых схем. Если в схеме более десятка элементов или она содержит много взаимосвязанных контуров (участки типа мостов), то для записи, определяющей схему системы уравнений, уже требуются специальные методики. К таким методикам относятся метод узловых потенциалов и метод контурных токов.

Метод узловых потенциалов не привносит ничего нового к правилам Кирхгофа и закону Ома. Данный метод лишь формализует их использование настолько, чтобы их можно было применить к любой, сколь угодно сложной цепи и пригоден для расчёта посредством вычислений на компьютерах. Иными словами, метод даёт ответ на вопрос «как использовать законы для расчета данной цепи?».

Теоретические основы[править | править код]

Если в цепи, состоящей из У узлов и Р рёбер, известны все характеристики звеньев (полные сопротивления R, величины источников ЭДС E и тока J), то возможно вычислить токи I_i во всех рёбрах и потенциалы φ_i во всех узлах. Поскольку электрический потенциал определён с точностью до произвольного постоянного слагаемого, то потенциал в одном из узлов (назовём его базовым узлом) можно принять равным нулю, а потенциалы в остальных узлах определять относительно базового узла. Таким образом, при расчёте цепи имеем У+Р-1 неизвестных переменных: У-1 узловых потенциалов и Р токов в рёбрах.

Не все из указанных переменных независимы. Например, исходя из закона Ома для участка цепи, токи в звеньях полностью определяются потенциалами в узлах:

С другой стороны, токи в рёбрах однозначно определяют распределение потенциала в узлах относительно базового узла:

Таким образом, минимальное число независимых переменных в уравнениях цепи равно либо числу звеньев, либо числу узлов минус 1, в зависимости от того, какое из этих чисел меньше.

При расчёте цепей чаще всего используются уравнения, записываемые, исходя из правил Кирхгофа. Система состоит из У-1 уравнений по 1-му правилу Кирхгофа (для всех узлов, кроме базового) и К уравнений по 2-му правилу Кирхгофа для каждого независимого контура. Независимыми переменными в уравнениях составленных по правилам Кирхгофа являются токи звеньев. Поскольку согласно формуле Эйлера для плоского графа число узлов, рёбер и независимых контуров связаны соотношением

или

то число уравнений составленных по правилам Кирхгофа равно числу переменных, и система разрешима. Однако число уравнений в системе Кирхгофа избыточно. Одним из методов сокращения числа уравнений является метод узловых потенциалов. Переменными в системе уравнений являются У-1 узловых потенциалов. Уравнения записываются для всех узлов, кроме базового. Уравнения для контуров в системе отсутствуют.

Уравнение для потенциала в узлах[править | править код]

Рассмотрим фрагмент цепи, состоящий из узла и примыкающих к нему звеньев (рис. 1). Согласно 1-му правилу Кирхгофа сумма токов в узле равна нулю:

Ток в звене определим, исходя из закона Ома для участка цепи:

откуда:

Обозначив проводимости рёбер через

получим окончательное уравнение для узла:

Последнее уравнение получено, исходя из предположения, что все источники тока и ЭДС направлены в сторону рассматриваемого узла. Если какой-либо источник направлен в противоположную сторону, его ЭДС или ток необходимо взять с обратным знаком.

Записав последнее уравнение для каждого узла цепи, кроме базового, получим систему уравнений для узловых потенциалов.

Практическое применение[править | править код]

Составление системы уравнений[править | править код]

Перед началом расчёта выбирается один из узлов (базовый узел), потенциал которого считается равным 0. Затем узлы нумеруются, после чего составляется система уравнений.

Уравнения составляются для каждого узла, кроме базового. Слева от знака равенства записывается:

• потенциал рассматриваемого узла, умноженный на сумму проводимостей рёбер, примыкающих к нему (проводимости рёбер, содержащих источники тока, считаются нулевыми и не принимаются в расчёт);
• минус потенциалы узлов, примыкающих к данному, умноженные на проводимости рёбер, соединяющих их с данным узлом. Если узел соединён с данным узлом ребром, содержащим источник тока, этот узел не принимается в расчёт.

Справа от знака равенства записывается:

• сумма всех источников токов, примыкающих к данному узлу;
• сумма произведений всех ЭДС, примыкающих к данному узлу, на проводимость соответствующего звена.

Если источник направлен в сторону рассматриваемого узла, то он записывается со знаком «+», в противном случае — со знаком «−». Не стоит забывать, что проводимость звена с последовательно подключенным идеальным источником тока равна 0.

Пример системы уравнений[править | править код]

На схеме (рис. 2) четыре узла. Потенциал в узле 0 принят равным нулю (φ₀ = 0). Записываем уравнения для узлов 1, 2 и 3:

где проводимости рёбер равны:

Формальный подход[править | править код]

В матричном виде система уравнений для метода узловых потенциалов выглядит следующим образом^[1]:

,

где

 — матрица соединений размера (q — 1) × p (q — количество узлов, р — количество рёбер), в которой i-я строка соответствует узлу i, а j-й столбец соответствует ребру j, причём элемент A_ij равен:

• 0, если ребро j не присоединено к узлу i;
• 1, если ребро выходит из узла;
• −1, если ребро входит в узел.

Термины «входит» и «выходит» означает, что для каждого ребра задаётся направление, которое обычно ассоциируется с направлением тока в этом ребре;

 — диагональная матрица проводимостей размера p × p, в которой диагональный элемент Y_ii равен проводимости i-го ребра, а недиагональные элементы равны нулю;

 — транспонированная матрица соединений;

 — матрица-столбец узловых потенциалов размером (q — 1) × 1. Потенциалы измеряется относительно предварительно выбранного узла, потенциал которого считается равным нулю. Нулевой узел не входит ни в одну из перечисленных в данном разделе матриц;

 — матрица-столбец источников тока размером p × 1, где каждый элемент равен току соответствующего источника, причём эта величина нулевая, если в данном ребре источник тока отсутствует; положительная, если направление тока источника совпадает с направлением тока в ребре; и отрицательная в противном случае;

 — матрица-столбец источников ЭДС размером p × 1, где каждый элемент равен ЭДС соответствующего источника, причём эта величина нулевая, если в данном ребре источник ЭДС отсутствует; положительная, если направление ЭДС источника совпадает с направлением тока в ребре; и отрицательная в противном случае.

Пример системы уравнений[править | править код]

Для схемы рис. 2 матрицы имеют вид:

Перемножаем матрицы в соответствии с матричным уравнением:

Раскрывая матричную запись, получаем следующую систему уравнений:

Ограничения[править | править код]

Метод узловых потенциалов применяется к эквивалентной схеме, поэтому имеют силу те же ограничения, что и для применимости эквивалентных схем. Если изначально дана реальная схема, то для неё необходимо составить эквивалентную схему и дальнейший расчет производить с ней. Таким образом, схема, к которой применяется метод узловых потенциалов, не содержит никаких реальных^{[уточнить]} элементов (транзисторов, диодов, ламп, гальванических элементов, пассивных элементов с паразитными параметрами и т. д.).

Примечания[править | править код]

См. также[править | править код]

• Эквивалентная схема
• Источник ЭДС
• Источник тока

В этих уравнениях — суммы проводимостей ветвей, присоединенных соответственно к узлам 1 и 2; — сумма проводимостей ветвей, соединяющих эти узлы.
Правая часть каждого из уравнений (1.30) равна алгебраической сумме произведений ЭДС в каждой ветви на проводимость ветви, присоединенной к рассматриваемому узлу. Произведение вида Eg записывается с положительным знаком в том случае, если ЭДС направлена к узлу, для которого записывается уравнение, и с отрицательным, если ЭДС направлена от узла.
Уравнения (1.30) не зависят от выбранных положительных направлений токов в ветвях.
Чтобы подтвердить это положение, рассмотрим опять схему, показанную на рис. 1.16, и для каждого узла примем положительные направления токов от узла.
Для узлов 1 и 2 справедливы уравнения

Принимая, как и раньше, φ₃ = 0 напишем выражения для токов ветвей:
для узла 1

для узла 2

После подстановки (1.32) в (1.31) и группировки слагаемых получаются уравнения, совпадающие с (1.30).
Таким образом, можно написать уравнения для определения потенциалов узлов произвольной электрической цепи, не задаваясь положительными направлениями токов в ветвях, при этом потенциал одного из узлов надо принять равным нулю.
Если электрическая схема содержит не только источники ЭДС, но и источники тока, то в уравнения, составленные по первому закону Кирхгофа, войдут и токи источников тока. При составлении уравнений вида (1.30) токи заданных источников тока учитываются для каждого узла в виде слагаемых в правой части, причем, как было отмечено выше, с положительными знаками должны быть взяты токи источников тока, направленные к узлу, с отрицательными — от узла.
Например, для узлов 1, 2 и 3 схемы, показанной на рис. 1.17, при φ₄ = 0 получим соответственно следующие уравнения:

где

Если электрическая схема имеет в своем составе У узлов (У — любое целое число), а потенциал, например, У-го узла принят равным нулю, то для определения У — 1 потенциалов остальных узлов получается У — 1 уравнений:

или в более общей форме для любого узла р при φ_у = О

В этих уравнениях, так же как и в уравнениях (1.30), проводимость g_pp (с двумя одинаковыми индексами) представляет собой суммарную проводимость ветвей, присоединенных к узлу р, и называется собственной узловой проводимостью этого узла; проводимость g_jp = g_pj с двумя различными индексами равна сумме проводимостей ветвей, соединяющих между собой рассматриваемые узлы j и р, и называется общей узловой проводимостью этих узлов. Правая часть каждого из уравнений содержит алгебраические суммы произведений ЭДС на соответствующие проводимости для всех ветвей, присоединенных к узлу р, ток J_p равен алгебраической сумме токов всех источников тока, присоединенных к тому же узлу. В свою очередь, ток — узловой ток — равен алгебраической сумме J_p и токов, определяемых источниками ЭДС, которые присоединены к узлу р, при этом следует иметь в виду, что для замкнутых поверхностей сумма всех узловых токов, как это вытекает из первого закона Кирхгофа, равна нулю. К узловым токам можно отнести и уже известные в каких-либо ветвях токи. Проводимости таких ветвей в выражения вида g_pp и g_jp не входят.
Решив уравнения (1.33), можно определить потенциалы узлов, а зная потенциалы, найти токи во всех ветвях по закону Ома (1.12а).
Если в цепи имеются ветви с идеальными источниками ЭДС и сопротивлениями этих ветвей можно пренебречь, то при составлении уравнений (1.33) получается неопределенность, поскольку проводимости таких ветвей бесконечно большие. Такое затруднение преодолевается путем переноса заданной ЭДС из ветви с нулевым сопротивлением через соответствующий узел в другие ветви, присоединенные к тому же узлу и имеющие конечные значения сопротивлений. В результате такого преобразования токи во всех ветвях заданной схемы не изменяются.
Для иллюстрации рассмотрим схему (рис. 1.18, а), у которой сопротивление ветви 2-4 равно нулю, а ЭДС равна Е. Если в каждую ветвь, присоединенную, например, к узлу 2, включить источник напряжения с ЭДС, равной Е и направленной от узла 2 (на рис. 1.18, а эти ЭДС изображены штриховой линией), то токи во всех ветвях останутся без изменения, поскольку разности потенциалов между точками 1‘, 3′, 4’ будут, так же как и в заданной схеме, равны нулю. Теперь потенциалы узлов 2 и 4, очевидно, одинаковы и их можно объединить в одну точку (рис. 1.18,6). Для полученной схемы с тремя узлами (вместо четырех) можно составить два независимых уравнения вида (1.33), из которых определяются искомые потенциалы двух узлов, а затем по закону Ома токи во всех ветвях схемы (рис. 1.18,6), после чего легко найти ток в ветви с сопротивлением r = 0 (рис. 1.18, а) по первому закону Кирхгофа.

Рассмотренную и аналогичные ей задачи можно решить и без предварительного переноса ЭДС через узел в другие ветви. Действительно, если принять в заданной схеме (рис. 1.18, а) φ₄ = 0, то потенциал φ₂ узла 2, очевидно, будет равен Е. Для определения двух неизвестных потенциалов φ₁ и φ₃ нужно составить уравнения (1.33), которые полностью совпадут с уравнениями, составленными для тех же узлов эквивалентной схемы (рис. 1.18,6).
Полезно еще рассмотреть применение уравнений (1.33) для частного случая схемы с двумя узлами и произвольным числом ветвей, все или часть которых содержат источники ЭДС. Требуется определить напряжение между этими узлами.
Пусть между узлами 1 и 2 включено m ветвей (рис. 1.19). Найдем напряжение U₁₂, записав уравнение (1.33) для первого узла

откуда

где числитель представляет собой алгебраическую сумму произведений ЭДС на проводимость для всех ветвей, содержащих ЭДС (с положительным знаком записываются ЭДС, направленные к узлу 1), а знаменатель — арифметическую сумму проводимостей всех ветвей, включенных между узлами.
Если между узлами 1 и 2 включены еще источники тока, то их значения следует добавить в числитель (1.34), причем со знаком плюс записываются токи, направленные к узлу 1.

Пример 1.3.
На рис. 1.20, к изображена электрическая схема с шестью неизвестными токами; ЭДС источников: Е₁ = 6 В, Е₂ = 12 В, Е₃ = 18 В; сопротивления ветвей: r₁ = r₂ = r₃ = 2 Ом и r₄ = r₅ = r₆ = 6 Ом. Пользуясь методом узловых потенциалов, определить токи во всех ветвях.
Решение.
Пусть потенциал точки 0 равен нулю. Запишем уравнения для узлов с потенциалами φ₁, φ₂ и φ₃:



или после подстановки численных значений проводимостей и ЭДС



Решив совместно эти уравнения, найдем искомые потенциалы: φ₁ = -9 В; φ₂ = 3 В; φ₃ = 6 В. Для определения токов в ветвях следует задаться их положительными направлениями. При выбранных положительных направлениях токов (рис. 1.20, а)



Матричные уравнения узловых потенциалов.
Уравнения узловых потенциалов (1.33) можно записать в матричной форме:

где

— квадратная матрица узловых проводимостей схемы;

— матрица-столбец потенциалов узлов и матрица-столбец узловых токов, причем по (1.33а) , при этом алгебраическое суммирование, выполняемое с учетом знаков, распространяется на все ветви с источниками токов и с источниками напряжений, присоединенные к i-му узлу.
Умножив слева уравнение (1.35) на получим уравнение для определения потенциалов узлов схемы в виде

где — матрица, обратная матрице .
Ниже показано, что матрицу узловых проводимостей можно составить непосредственно по соответствующей схеме цепи по формуле

где А — матрица соединений (узловых проводимостей ветвей схемы) или ее направленного графа; g — диагональная матрица проводимостей ветвей; — транспонированная матрица соединений.
Для иллюстрации применения формулы (1.39) рассмотрим схему рис. 1.20, а, для которой на рис. 1.20,6 построен направленный граф. Поскольку у заданной схемы четыре узла, то для нее можно составить три независимых уравнения, чему и соответствует матрица соединения узловых проводимостей ветвей из трех строк и шести столбцов (для узлов 1, 2, 3):

Диагональная матрица проводимостей ветвей

Произведение матриц А и g

Матрица узловых проводимостей цепи (1.39) получается после перемножения матриц Ag и :

Матрица-столбец потенциалов узлов

Матрица-столбец узловых токов

Пользуясь выражением (1.35), легко получить систему уравнений, приведенную в примере 1.3.
Если матрицу А дополнить четвертой строкой, соответствующей узлу О, то по (1.39) получится неопределенная матрица узловых проводимостей цепи, для которой сумма элементов по всем четырем строкам и четырем столбцам равна нулю; определитель такой матрицы также равен нулю. После вычеркивания любой строки и соответствующего этой строке столбца, например четвертой строки и четвертого столбца, получается определенная квадратная матрица третьего порядка.
Определитель неопределенной матрицы симметричен относительно главной диагонали. Если вычеркнутая строка не соответствует вычеркнутому столбцу, то и в этом случае получается определенная квадратная матрица, соответствующая независимой системе уравнений. Однако определитель такой матрицы уже не имеет симметрии относительно главной диагонали.
Здесь следует особо подчеркнуть, что если принять равным нулю потенциал того же узла схемы, который соответствует вычеркнутой строке матрицы А, то напряжения на всех ветвях схемы определяются через потенциалы узлов по формуле

где положительное направление напряжения U_jp совпадает с положительным направлением тока в ветви. Это непосредственно получается из формул для напряжения на каждой ветви. Например, для схемы по рис. 1.20

Из этого выражения следует

как и должно быть.

1. Метод узловых потенциалов

Ток в любой ветви
схемы можно найти по обобщенному закону
Ома. Для того, чтобы можно было применить
закон Ома, необходимо знать значение
потенциалов узлов схемы. Метод расчета
электрических цепей, в котором за
неизвестные принимают потенциалы узлов
схемы, называют методом узловых
потенциалов. Число неизвестных в методе
узловых потенциалов равно числу
уравнений, которые необходимо составить
для схемы по I
закону Кирхгофа. Метод узловых потенциалов,
как и метод контурных токов, – один из
основных расчетных методов. В том случае,
когда п-1
<
p (n
–
количество узлов, p – количество
независимых контуров), данный метод
более экономичен, чем метод контурных
токов.

Проиллюстрируем
на простом примере получение методики
расчета электрической цепи методом
узловых потенциалов:

1. Записываем (n
– 1)
уравнение по I
закону Кирхгофа (при выбранном опорном
узле 4,
потенциал которого условно принимаем
равным нулю)

узел
1: –
I₁
+ I₄
– I₆
= 0

узел 2:
I₁
– I₂
+
J₃
= 0

узел 3:
I₂
– I₄
+ I₅
= 0

2. Для каждого
из m
токов записываем выражение по обобщенному
закону Ома через потенциалы узлов с
учетом, что потенциал ₄
=
0:

3. Полученные в
п. 2 выражения подставляем в уравнения,
составленные по I
закону Кирхгофа

Приведем подобные
слагаемые при различных потенциалах и
получим каноническую систему уравнений:

(2.10)

Введем обозначения:

В окончательном
виде система уравнений для контурных
токов приобретает следующий вид:

(2.11)

в матричной форме

(2.12)

Собственная
проводимость узла (G_ii)
представляет
собой арифметическую сумму проводимостей
всех ветвей, соединенных в i-ом
узле.

Общая проводимость
i-ого
и j-ого
узлов (G_ij
=
G_ji)
представляет
собой взятую со знаком «–» сумму
проводимостей ветвей, присоединенных
одновременно к i-ому
и j–ому
узлам.

Проводимости
ветвей с источниками тока полагаются
равными нулю и в собственные и общие
проводимости не входят!

Узловой ток
(J_ii)
состоит из двух алгебраических сумм:
первая содержит токи источников тока,
содержащиеся в ветвях, соединенных в i
–ом узле;
вторая представляет собой произведение
ЭДС источников напряжения на проводимости
соответствующих ветвей, соединенных в
i
–ом узле. Со
знаком «+» в эту сумму входят E
и J
источников,
действие которых направлено к узлу, со
знаком «–» остальные.

Решение системы
уравнений по методу узловых потенциалов
в общем случае выполняется методом
Крамера при помощи определителей:

Тогда неизвестные
потенциалы могут вычислены следующим
образом:

(2.14)

Нетрудно, показать,
что аналогичную систему уравнений можно
построить для случая n
узлов в цепи.
Тогда необходимо составить для (n-1)
узлов
соответствующие уравнения, полагая
потенциал n-ого
узла, равным нулю.

Таким образом,
методика расчета цепи постоянного тока
методом узловых потенциалов следующая:

1. Обозначить все
   токи ветвей и их положительное
   направление.

2. Произвольно
   выбрать опорный узел (_n)и
   пронумеровать все остальные (n-1)-e
   узлы.

3. Определить
   собственные и общие проводимости узлов,
   а также узловые токи, т.е. рассчитать
   коэффициенты в системе уравнений.

4. Записать систему
   уравнений в виде

–матричная форма

Или в развернутом
виде:

алгебраическая
форма

В этой системе
каждому узлу соответствует отдельное
уравнение.

1. Полученную систему
   уравнений решить относительно неизвестных
   (n – 1)
   потенциалов при помощи метода Крамера.

2. С помощью обобщенного
   закона Ома рассчитать неизвестные
   токи.

1. Проверить
   правильность расчетов при помощи
   баланса мощности.

Порядок расчета
не зависит от вида источников, действующих
в цепи. Однако, расчет упрощается в
случае, когда между одной или несколькими
парами узлов включены идеализированные
источники ЭДС. Тогда напряжения между
этими парами узлов становятся известными
величинами, определенными условиями
задачи. Для успешного решения подобных
задач необходимо правильно обозначить
опорный узел, в качестве которого может
быть выбран только один из узлов, к
которым присоединена ветвь с
идеализированным источником ЭДС.

Если таких ветвей
q,
то количество уравнений в системе
сократится до

k
= n
– 1
– q.

Пример.

Если в данной схеме
в качестве опорного узла выбрать узел
1 (₁=0),
то потенциалы второго и третьего узлов
можно считать известными и равными
соответственно ₂=E₁
и
₃=E₁–E₂.
Тогда неизвестным остается только
потенциал четвертого узла, для которого
составим уравнение по методу узловых
потенциалов:

Следует отметить,
что уравнения для 2 и 3 узлов составить
не представляется возможным из-за
появляющихся неопределенностей вида
,
т.к. сопротивление ветви, содержащей
идеализированный источник ЭДС, равно
нулю, а проводимость соответственно.

Подставим известные
значения:

Из полученного
уравнения найдем неизвестный
,
а далее и все токи.

Для разветвленной
цепи, имеющей только два узла и произвольное
количество ветвей, метод узловых
потенциалов вырождается в
метод двух узлов.
Решение сводится к отысканию значения
потенциала одного из узлов, т.к. потенциал
другого узла может быть принятым равным
нулю.

Система уравнений
превращается в одно уравнение:

(2.15)

при условии, что

После определения
U₁₂
токи ветвей
и напряжения источников тока находят
при помощи обобщенного закона Ома.

Пример.

Пусть
,
тогда

По обобщенному
закону Ома:

Соседние файлы в папке Часть 1

• #
• #
• #
• #
• #