|Электрическая цепь характеризуется совокупностью элементов, из которых она состоит, и| |способом их соединения. Соединение элементов электрической цепи наглядно отображается| |ее схемой. Рассмотрим для примера две электрические схемы (рис. 1, 2), введя понятие | |ветви и узла. | |[pic] | |Рис.1 | |Рис.2 | | | |Ветвью называется участок цепи, обтекаемый одним и тем же током. | |Узел – место соединения трех и более ветвей. | |Представленные схемы различны и по форме, и по назначению, но каждая из указанных | |цепей содержит по 6 ветвей и 4 узла, одинаково соединенных. Таким образом, в смысле | |геометрии (топологии) соединений ветвей данные схемы идентичны. | |Топологические (геометрические) свойства электрической цепи не зависят от типа и | |свойств элементов, из которых состоит ветвь. Поэтому целесообразно каждую ветвь схемы| |электрической цепи изобразить отрезком линии. Если каждую ветвь схем на рис. 1 и 2 | |заменить отрезком линии, получается геометрическая фигура, показанная на рис. 3. | |Условное изображение схемы, в котором каждая ветвь заменяется отрезком линии, | |называется графом электрической цепи. При этом следует помнить, что ветви могут | |состоять из каких-либо элементов, в свою очередь соединенных различным образом. | |Отрезок линии, соответствующий ветви схемы, называется ветвью графа. Граничные точки | |ветви графа называют узлами графа. Ветвям графа может быть дана определенная | |ориентация, указанная стрелкой. Граф, у которого все ветви ориентированы, называется | |ориентированным. | |Подграфом графа называется часть графа, т.е. это может быть одна ветвь или один | |изолированный узел графа, а также любое множество ветвей и узлов, содержащихся в | |графе. | |В теории электрических цепей важное значение имеют следующие подграфы: | |1. Путь – это упорядоченная последовательность ветвей, в которой каждые две соседние | |ветви имеют общий узел, причем любая ветвь и любой узел встречаются на этом пути | |только один раз. Например, в схеме на рис. 3 ветви 2-6-5; 4-5; 3-6-4; 1 образуют пути| |между одной и той же парой узлов 1 и 3. Таким образом, путь – это совокупность | |ветвей, проходимых непрерывно. | |2. Контур – замкнутый путь, в котором один из узлов является начальным и конечным | |узлом пути. Например, для графа по рис. 3 можно определить контуры, образованные | |ветвями 2-4-6; 3-5-6; 2-3-5-4. Если между любой парой узлов графа существует связь, | |то граф называют связным. | |3. Дерево – это связный подграф, содержащий все узлы графа, но ни одного контура. | |Примерами деревьев для графа на рис. 3 могут служить фигуры на рис. 4. | |[pic] | |Рис.4 | |4. Ветви связи (дополнения дерева) – это ветви графа, дополняющие дерево до исходного| |графа. | |Если граф содержит m узлов и n ветвей, то число ветвей любого дерева [pic], а числа | |ветвей связи графа [pic]. | |5. Сечение графа – множество ветвей, удаление которых делит граф на два изолированных| |подграфа, один из которых, в частности, может быть отдельным узлом. | |Сечение можно наглядно изобразить в виде следа некоторой замкнутой поверхности, | |рассекающей соответствующие ветви. Примерами таких поверхностей являются для нашего | |графа на рис. 3 S1 иS2 . При этом получаем соответственно сечения, образованные | |ветвями 6-4-5 и 6-2-1-5. | |С понятием дерева связаны понятия главных контуров и сечений: | |главный контур – контур, состоящий из ветвей дерева и только одной ветви связи; | |главное сечение – сечение, состоящее из ветвей связи и только одной ветви дерева. | |Топологические матрицы | |Задать вычислительной машине топологию цепи рисунком затруднительно, так как не | |существует эффективных программ распознавания образа. Поэтому топологию цепи вводят в| |ЭВМ в виде матриц, которые называют топологическими матрицами. Выделяют три таких | |матрицы: узловую матрицу, контурную матрицу и матрицу сечений. | |1. Узловая матрица (матрица соединений) – это таблица коэффициентов уравнений, | |составленных по первому закону Кирхгофа. Строки этой матрицы соответствуют узлам, а | |столбцы – ветвям схемы. | |Для графа на рис. 3 имеем число узлов m=4 и число ветвей n=6. Тогда запишем матрицу | |АН , принимая, что элемент матрицы [pic](i –номер строки; j –номер столбца) равен 1, | |если ветвь j соединена с узлом i и ориентирована от него, -1, если ориентирована к | |нему, и 0, если ветвь j не соединена с узломi . Сориентировав ветви графа на рис. 3, | |получим | | | | | | [pic] | | | |[pic] | |[pic] | |[pic] | | | |.Данная матрица АН записана для всех четырех узлов и называется неопределенной. | |Следует указать, что сумма элементов столбцов матрицы АН всегда равна нулю, так как | |каждый столбец содержит один элемент +1 и один элемент -1, остальные нули. | |Обычно при расчетах один (любой) заземляют. Тогда приходим к узловой матрице А | |(редуцированной матрице), которая может быть получена из матрицы АН путем | |вычеркивания любой ее строки. Например, при вычеркивании строки “4” получим | | | | | | [pic] | | | |[pic] | |[pic] | |[pic] | | | |.Число строк матрицы А равно числу независимых уравнений для узлов [pic], т.е. числу | |уравнений, записываемых для электрической схемы по первому закону Кирхгофа. Итак, | |введя понятие узловой матрицы А, перейдем к первому закону Кирхгофа. | |Первый закон Кирхгофа | |Обычно первый закон Кирхгофа записывается для узлов схемы, но, строго говоря, он | |справедлив не только для узлов, но и для любой замкнутой поверхности, т.е. | |справедливо соотношение | |[pic] | |(1) | | | |где [pic]- вектор плотности тока; [pic]- нормаль к участку dS замкнутой поверхности | |S. | |Первый закон Кирхгофа справедлив и для любого сечения. В частности, для сечения S2 | |графа на рис. 3, считая, что нумерация и направления токов в ветвях соответствуют | |нумерации и выбранной ориентации ветвей графа, можно записать | |[pic]. | |Поскольку в частном случае ветви сечения сходятся в узле, то первый закон Кирхгофа | |справедлив и для него. Пока будем применять первый закон Кирхгофа для узлов, что | |математически можно записать, как: | |[pic] | |(2) | | | |т.е. алгебраическая сумма токов ветвей, соединенных в узел, равна нулю. | |При этом при расчетах уравнения по первому закону Кирхгофа записываются для (m-1) | |узлов, так как при записи уравнений для всех m узлов одно (любое) из них будет | |линейно зависимым от других, т.е. не дает дополнительной информации. | |Введем столбцовую матрицу токов ветвей | |I= | |[pic] | | | |Тогда первый закон Кирхгофа в матричной форме записи имеет вид: | |АI=O | |(3) | | | |– где O - нулевая матрица-столбец. Как видим, в качестве узловой взята матрица А, а | |не АН, т.к. с учетом вышесказанного уравнения по первому закону Кирхгофа записываются| |для (m-1) узлов. | |В качестве примера запишем для схемы на рис. 3 | |[pic] | |[pic] | | | |Отсюда для первого узла получаем | |[pic], | |что и должно иметь место. | |2. Контурная матрица (матрица контуров) – это таблица коэффициентов уравнений, | |составленных по второму закону Кирхгофа. Строки контурной матрицы Всоответствуют | |контурам, а столбцы – ветвям схемы. | |Элемент bij матрицы В равен 1, если ветвь j входит в контур i и ее ориентация | |совпадает с направлением обхода контура, -1, если не совпадает с направлением обхода | |контура, и 0, если ветвьj не входит в контурi. | |Матрицу В, записанную для главных контуров, называют матрицей главных контуров. При | |этом за направление обхода контура принимают направление ветви связи этого контура. | |Выделив в нашем примере (см. рис. 5) дерево, образуемое ветвями 2-1-4, запишем | |коэффициенты для матрицы В. | | | | | |[pic] | | | |[pic] | |[pic] | |[pic] | | | | | |. | |Перейдем теперь ко второму закону Кирхгофа. | |Под напряжением на некотором участке электрической цепи понимается разность | |потенциалов между крайними точками этого участка, т.е. | |[pic] | |(4) | | | |Просуммируем напряжения на ветвях некоторого контура: | |[pic] | |Поскольку при обходе контура потенциал каждой i-ой точки встречается два раза, причем| |один раз с “+”, а второй – с “-”, то в целом сумма равна нулю. | |Таким образом, второй закон Кирхгофа математически записывается, как: | |[pic] | |(5) | | | |- и имеет место следующую формулировку: алгебраическая сумма напряжений на зажимах | |ветвей (элементов) контура равна нулю. При этом при расчете цепей с использованием | |законов Кирхгофа записывается [pic]независимых уравнений по второму закону Кирхгофа, | |т.е. уравнений, записываемых для контуров, каждый из которых отличается от других | |хотя бы одной ветвью. Значение топологического понятия “дерева”: дерево позволяет | |образовать независимые контуры и сечения и, следовательно, формировать независимые | |уравнения по законам Кирхгофа. Таким образом, с учетом (m-1) уравнений, составленных | |по первому закону Кирхгофа, получаем систему из [pic]уравнений, что равно числу | |ветвей схемы и, следовательно, токи в них находятся однозначно. | |Введем столбцовую матрицу напряжений ветвей | |U= | |[pic] | | | |Тогда второй закон Кирхгофа в матричной форме записи имеет вид | |BU = 0. | |(6) | | | |В качестве примера для схемы рис. 5 имеем | |[pic], | |откуда, например, для первого контура получаем | |[pic], | |что и должно иметь место. | |Если ввести столбцовую матрицу узловых потенциалов | |= | |[pic] | | | |причем потенциал последнего узла [pic], то матрица напряжений ветвей и узловых | |потенциалов связаны соотношением | |U=AТ[pic] | |(7) | | | |где AТ - транспонированная узловая матрица. | |Для определения матрицы В по известной матрице А=АДАС , где АД – подматрица, | |соответствующая ветвям некоторого дерева, АС- подматрица, соответствующая ветвям | |связи, может быть использовано соотношение В= (-АТС А-1ТД1). | |3. Матрица сечений – это таблица коэффициентов уравнений, составленных по первому | |закону Кирхгофа для сечений. Ее строки соответствуют сечениям, а столбцы – ветвям | |графа. | |Матрица Q , составленная для главных сечений, называется матрицей главных сечений. | |Число строк матрицы Q равно числу независимых сечений. | |Элемент qij матрицы Q равен 1, если ветвьвходит в i-е сечение и ориентирована | |согласно направлению сечения (за положительное направление сечения принимают | |направление ветви дерева, входящей в него), -1, если ориентирована противоположно | |направлению сечения, и 0, если ветвьj не входит в i-е сечение. | |В качестве примера составим матрицу Q главных сечений для графа на рис. 5. При | |указанной на рис. 5 ориентации ветвей имеем | | | | | |[pic] | | | |[pic] | |[pic] | |[pic] | | | |В заключение отметим, что для топологических матриц А, В и Q, составленных для одного| |и того же графа, выполняются соотношения | |АВТ= 0; | |(8) | | | | | |QВТ= 0, | |(9) | | | |которые, в частности, можно использовать для проверки правильности составления этих | |матриц. Здесь 0 – нулевая матрица порядка [pic]. | |Приведенные уравнения позволяют сделать важное заключение: зная одну из | |топологических матриц, по ее структуре можно восстановить остальные. | |Литература | |1. Теоретические основы электротехники. Т.1. Основы теории линейных цепей./Под ред. | |П.А.Ионкина. Учебник для электротехн. вузов. Изд.2-е , перераб. и доп. –М.: Высш. | |шк., 1976.-544с. | |2. Матханов Х.Н. Основы анализа электрических цепей. Линейные цепи.: Учеб. для | |электротехн. и радиотехн. спец. 3-е изд. переработ. и доп. –М.: Высш. шк., 1990. | |–400с. | |3. 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. | | | |Контрольные вопросы и задачи | |Сформулируйте основные топологические понятия для электрических цепей. | |Что такое узловая матрица? | |Что такое контурная матрица? | |Что такое матрица сечений? | |Токи ветвей некоторой планарной цепи удовлетворяют следующей полной системе | |независимых уравнений: | |[pic]. | |Восстановив граф цепи, составить матрицы главных контуров и сечений, приняв, что | |ветвям дерева присвоены первые номера. | |Ответ: | |B= | |[pic] | |Q= | |[pic] | | | |Составить матрицу главных контуров для графа на рис. 3, приняв, что дерево образовано| |ветвями 2, 1 и 5 | |Ответ: | |B= | |[pic] | | | |Решить задачу 5, используя соотношения (8) и (9). |
| Теория / ТОЭ / Лекция N 3. Представление синусоидальных величин с помощью | |векторов и комплексных чисел. |
|Переменный ток долгое время не находил практического применения. Это было связано с | |тем, что первые генераторы электрической энергии вырабатывали постоянный ток, который| |вполне удовлетворял технологическим процессам электрохимии, а двигатели постоянного | |тока обладают хорошими регулировочными характеристиками. Однако по мере развития | |производства постоянный ток все менее стал удовлетворять возрастающим требованиям | |экономичного электроснабжения. Переменный ток дал возможность эффективного дробления | |электрической энергии и изменения величины напряжения с помощью трансформаторов. | |Появилась возможность производства электроэнергии на крупных электростанциях с | |последующим экономичным ее распределением потребителям, увеличился радиус | |электроснабжения. | |В настоящее время центральное производство и распределение электрической энергии | |осуществляется в основном на переменном токе. Цепи с изменяющимися – переменными – | |токами по сравнению с цепями постоянного тока имеют ряд особенностей. Переменные токи| |и напряжения вызывают переменные электрические и магнитные поля. В результате | |изменения этих полей в цепях возникают явления самоиндукции и взаимной индукции, | |которые оказывают самое существенное влияние на процессы, протекающие в цепях, | |усложняя их анализ. | |Переменным током (напряжением, ЭДС и т.д.) называется ток (напряжение, ЭДС и т.д.), | |изменяющийся во времени. Токи, значения которых повторяются через равные промежутки | |времени в одной и той же последовательности, называются периодическими, а наименьший | |промежуток времени, через который эти повторения наблюдаются, - периодом Т. Для | |периодического тока имеем | |[pic], | | (1) | | | |Величина, обратная периоду, есть частота, измеряемая в герцах (Гц): | |[pic], | |(2) | | | |Диапазон частот, применяемых в технике: от сверхнизких частот (0.01ё10 Гц – в | |системах автоматического регулирования, в аналоговой вычислительной технике) – до | |сверхвысоких (3000 ё 300000 МГц – миллиметровые волны: радиолокация, | |радиоастрономия). В РФ промышленная частота f = 50Гц. | |Мгновенное значение переменной величины есть функция времени. Ее принято обозначать | |строчной буквой: | |i - мгновенное значение тока [pic]; | |u – мгновенное значение напряжения [pic]; | |е - мгновенное значение ЭДС [pic]; | |р- мгновенное значение мощности [pic]. | |Наибольшее мгновенное значение переменной величины за период называется амплитудой | |(ее принято обозначать заглавной буквой с индексом m). | |[pic] - амплитуда тока; | |[pic] - амплитуда напряжения; | |[pic] - амплитуда ЭДС. | |Действующее значение переменного тока | |Значение периодического тока, равное такому значению постоянного тока, который за | |время одного периода произведет тот же самый тепловой или электродинамический эффект,| |что и периодический ток, называют действующим значением периодического тока: | |[pic], | |(3) | | | |Аналогично определяются действующие значения ЭДС и напряжения. | | | |Синусоидально изменяющийся ток | |Из всех возможных форм периодических токов наибольшее распространение получил | |синусоидальный ток. По сравнению с другими видами тока синусоидальный ток имеет то | |преимущество, что позволяет в общем случае наиболее экономично осуществлять | |производство, передачу, распределение и использование электрической энергии. Только | |при использовании синусоидального тока удается сохранить неизменными формы кривых | |напряжений и токов на всех участках сложной линейной цепи. Теория синусоидального | |тока является ключом к пониманию теории других цепей. | |Изображение синусоидальных ЭДС, напряжений | |и токов на плоскости декартовых координат | |Синусоидальные токи и напряжения можно изобразить графически, записать при помощи | |уравнений с тригонометрическими функциями, представить в виде векторов на декартовой | |плоскости или комплексными числами. | |Приведенным на рис. 1, 2 графикам двух синусоидальных ЭДС е1 и е2 соответствуют | |уравнения: | |[pic][pic]. | |[pic] | |Значения аргументов синусоидальных функций [pic] и [pic] называются фазами синусоид, | |а значение фазы в начальный момент времени (t=0): [pic] и [pic] - начальной фазой ( | |[pic][pic]). | |Величину [pic], характеризующую скорость изменения фазового угла, называют угловой | |частотой. Так как фазовый угол синусоиды за время одного периода Т изменяется на | |[pic] рад., то угловая частота есть [pic], где f– частота. | |При совместном рассмотрении двух синусоидальных величин одной частоты разность их | |фазовых углов, равную разности начальных фаз, называют углом сдвига фаз. | |Для синусоидальных ЭДС е1 и е2 угол сдвига фаз: | |[pic]. | | | |Векторное изображение синусоидально | |изменяющихся величин | |На декартовой плоскости из начала координат проводят векторы, равные по модулю | |амплитудным значениям синусоидальных величин, и вращают эти векторы против часовой | |стрелки (в ТОЭ данное направление принято за положительное) с угловой частотой, | |равной w. Фазовый угол при вращении отсчитывается от положительной полуоси абсцисс. | |Проекции вращающихся векторов на ось ординат равны мгновенным значениям ЭДС е1 и е2 | |(рис. 3). Совокупность векторов, изображающих синусоидально изменяющиеся ЭДС, | |напряжения и токи, называют векторными диаграммами. При построении векторных диаграмм| |векторы удобно располагать для начального момента времени (t=0), что вытекает из | |равенства угловых частот синусоидальных величин и эквивалентно тому, что система | |декартовых координат сама вращается против часовой стрелки со скоростью w. Таким | |образом, в этой системе координат векторы неподвижны (рис. 4). Векторные диаграммы | |нашли широкое применение при анализе цепей синусоидального тока. Их применение делает| |расчет цепи более наглядным и простым. Это упрощение заключается в том, что сложение | |и вычитание мгновенных значений величин можно заменить сложением и вычитанием | |соответствующих векторов. | | | |[pic] | | | |Пусть, например, в точке разветвления цепи (рис. 5) общий ток [pic] равен сумме токов| |[pic] и [pic] двух ветвей: | |[pic]. | |Каждый из этих токов синусоидален и может быть представлен уравнением | |[pic]и[pic] . | |Результирующий ток также будет синусоидален: | |[pic]. | |Определение амплитуды[pic] и начальной фазы [pic] этого тока путем соответствующих | |тригонометрических преобразований получается довольно громоздким и мало наглядным, | |особенно, если суммируется большое число синусоидальных величин. Значительно проще | |это осуществляется с помощью векторной диаграммы. На рис. 6 изображены начальные | |положения векторов токов, проекции которых на ось ординат дают мгновенные значения | |токов для t=0. При вращении этих векторов с одинаковой угловой скоростью w их | |взаимное расположение не меняется, и угол сдвига фаз между ними остается равным | |[pic]. | |Так как алгебраическая сумма проекций векторов на ось ординат равна мгновенному | |значению общего тока, вектор общего тока равен геометрической сумме векторов токов: | |[pic]. | |Построение векторной диаграммы в масштабе позволяет определить значения [pic] и | |[pic] из диаграммы, после чего может быть записано решение для мгновенного значения | |[pic] путем формального учета угловой частоты: [pic]. | | | |Представление синусоидальных ЭДС, напряжений | |и токов комплексными числами | |Геометрические операции с векторами можно заменить алгебраическими операциями с | |комплексными числами, что существенно повышает точность получаемых результатов. | |Каждому вектору на комплексной плоскости соответствует определенное комплексное | |число, которое может быть записано в : | |показательной [pic] | |тригонометрической [pic] или | |алгебраической [pic] - формах. | |Например, ЭДС [pic], изображенной на рис. 7 вращающимся вектором, соответствует | |комплексное число | |[pic]. | |Фазовый угол [pic] определяется по проекциям вектора на оси “+1” и “+j” системы | |координат, как | |[pic] . | |В соответствии с тригонометрической формой записи мнимая составляющая комплексного | |числа определяет мгновенное значение синусоидально изменяющейся ЭДС: | |[pic], | |(4) | | | | | |Комплексное число [pic] удобно представить в виде произведения двух комплексных | |чисел: | |[pic], | |(5) | | | | | |Параметр [pic], соответствующий положению вектора для t=0 (или на вращающейся со | |скоростью w комплексной плоскости), называют комплексной амплитудой: [pic], а | |параметр [pic] - комплексом мгновенного значения. | |Параметр [pic]является оператором поворота вектора на угол wt относительно начального| |положения вектора. | |Вообще говоря, умножение вектора на оператор поворота [pic] есть его поворот | |относительно первоначального положения на угол ±a. | |Следовательно, мгновенное значение синусоидальной величины равно мнимой части без | |знака “j” произведения комплекса амплитуды [pic] и оператора поворота [pic]: | |[pic]. | |Переход от одной формы записи синусоидальной величины к другой осуществляется с | |помощью формулы Эйлера: | |[pic], | |(6) | | | |Если, например, комплексная амплитуда напряжения задана в виде комплексного числа в | |алгебраической форме: | |[pic], | |- то для записи ее в показательной форме, необходимо найти начальную фазу [pic], т.е.| |угол, который образует вектор [pic] с положительной полуосью +1: | |[pic]. | |Тогда мгновенное значение напряжения: | |[pic], | |где [pic]. | |При записи выражения для определенности было принято, что [pic], т.е. что | |изображающий вектор находится в первом или четвертом квадрантах. Если [pic], то при | |[pic] (второй квадрант) | |[pic], | |(7) | | | |а при [pic] (третий квадрант) | |[pic] | |(8) | | | |или | |[pic] | |(9) | | | |Если задано мгновенное значение тока в виде [pic], то комплексную амплитуду | |записывают сначала в показательной форме, а затем (при необходимости) по формуле | |Эйлера переходят к алгебраической форме: | |[pic]. | |Следует указать, что при сложении и вычитании комплексов следует пользоваться | |алгебраической формой их записи, а при умножении и делении удобна показательная | |форма. | |Итак, применение комплексных чисел позволяет перейти от геометрических операций над | |векторами к алгебраическим над комплексами. Так при определении комплексной амплитуды| |результирующего тока [pic] по рис. 5 получим: | |[pic] | |где [pic]; | |[pic]. | | | |Действующее значение синусоидальных ЭДС, напряжений и токов | |В соответствии с выражением (3) для действующего значения синусоидального тока | |запишем: | |[pic]. | |Аналогичный результат можно получить для синусоидальных ЭДС и напряжений. Таким | |образом, действующие значения синусоидальных тока, ЭДС и напряжения меньше своих | |амплитудных значений в [pic] раз: | |[pic]. | |(10) | | | |Поскольку, как будет показано далее, энергетический расчет цепей переменного тока | |обычно проводится с использованием действующих значений величин, по аналогии с | |предыдущим введем понятие комплекса действующего значения | |[pic]. | | | |Литература | |1. 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. | |2. 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. | |Контрольные вопросы и задачи | |1. Какой практический смысл имеет изображение синусоидальных величин с помощью | |векторов? | |2. Какой практический смысл имеет представление синусоидальных величин с | |использованием комплексных чисел? | |3. В чем заключаются преимущества изображения синусоидальных величин с помощью | |комплексов по сравнению с их векторным представлением? | |4. Для заданных синусоидальных функций ЭДС и тока [pic] записать соответствующие | |им комплексы амплитуд и действующих значений, а также комплексы мгновенных значений. | |5. На рис. 5 [pic], а [pic]. Определить [pic]. | |Ответ: [pic] |
Страницы: 1, 2, 3