Схемой замещения электрической цепи называют

Схемой замещения электрической цепи называют

Электрическая цепь – это совокупность устройств, предназначенных для взаимного преобразования, передачи и распределения электрической энергии. Если все эти три процесса происходить при токах и напряжениях постоянных во времени, то такие цепи наз-ся цепями постоянного тока. Отдельное устройство, входящее в состав электрической цепи и выполняющее в ней определённую функцию, называется элементом электрической цепи. К основным элементам относятся источники электрической энергии и приёмники этой энергии. (источники энергии, резисторы, катушки, конденсаторы, гальванические элементы, камутаторы и т.д.). Схема замещения – графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения её основных элементов и способы их соединения. На этой схеме реальные элементы замещаются расчётными моделями (идеализированными элементами). Схемами замещения пользуются при расчёте режима работы электрической цепи.

2. Топологические понятия электрических цепей: ветвь, узел, контур.

Узел —это участок электрической схемы, где сходиться 3 и более токов.

Ветвь – это участок электрической схемы, на котором все элементы соединены последовательно и по которым течет один и тот же ток.

Контур —любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.

3. Законы Кирхгофа для цепей постоянного тока.

Первый закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле равна нулю.

Количество уравнений по первому закону: у – 1. У – количество ветвей.

Второй закон Кирхгофа.1)Алгебраическая сумма напряжений в замкнутом контуре равна нулю.

2) Алгебраическая сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС.

Количество уравнений по второму закону : b — bист – (у — 1)

Последовательное, параллельное и смешанное соединение потребителей постоянного тока. Основные понятия. Расчет.

Последовательное, параллельное и смешанное соединения резисторов. Значительное число приемников, включенных в электрическую цепь (электрические лампы, электронагревательные приборы и др.), можно рассматривать как некоторые элементы, имеющие определенное сопротивление. Это обстоятельство дает нам возможность при составлении и изучении электрических схем заменять конкретные приемники резисторами с определенными сопротивлениями. Различают следующие способы соединения резисторов (приемников электрической энергии): последовательное, параллельное и смешанное.

Рис. 25. Схемы последовательного соединения приемников

Последовательное соединение резисторов. При последовательном соединении нескольких резисторов конец первого резистора соединяют с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. При таком соединении по всем элементам последовательной цепи проходит
один и тот же ток I.
Последовательное соединение приемников поясняет рис. 25, а.
.Заменяя лампы резисторами с сопротивлениями R1, R2 и R3, получим схему, показанную на рис. 25, б.
Если принять, что в источнике Ro = 0, то для трех последовательно соединенных резисторов согласно второму закону Кирхгофа можно написать:

где Rэк = R1 + R2 + R3.
Следовательно, эквивалентное сопротивление последовательной цепи равно сумме сопротивлений всех последовательно соединенных резисторов.Так как напряжения на отдельных участках цепи согласно закону Ома: U1=IR1; U2 = IR2, U3 = IRз и в данном случае E = U, то длярассматриваемой цепи

Следовательно, напряжение U на зажимах источника равно сумме напряжений на каждом из последовательно включенных резисторов.
Из указанных формул следует также, что напряжения распределяются между последовательно соединенными резисторами пропорционально их сопротивлениям:

т. е. чем больше сопротивление какого-либо приемника в последовательной цепи, тем больше приложенное к нему напряжение.

В случае если последовательно соединяются несколько, например п, резисторов с одинаковым сопротивлением R1, эквивалентное сопротивление цепи Rэк будет в п раз больше сопротивления R1, т. е. Rэк = nR1. Напряжение U1 на каждом резисторе в этом случае в п раз меньше общего напряжения U:

При последовательном соединении приемников изменение сопротивления одного из них тотчас же влечет за собой изменение напряжения на других связанных с ним приемниках. При выключении или обрыве электрической цепи в одном из приемников и в остальных приемниках прекращается ток. Поэтому последовательное соединение приемников применяют редко — только в том случае, когда напряжение источника электрической энергии больше номинального напряжения, на которое рассчитан потребитель. Например, напряжение в электрической сети, от которой питаются вагоны метрополитена, составляет 825 В, номинальное же напряжение электрических ламп, применяемых в этих вагонах, 55 В. Поэтому в вагонах метрополитена электрические лампы включают последовательно по 15 ламп в каждой цепи.
Параллельное соединение резисторов. При параллельном соединении нескольких приемников они включаются между двумя точками электрической цепи, образуя параллельные ветви (рис. 26, а). Заменяя

Рис. 26. Схемы параллельного соединения приемников

лампы резисторами с сопротивлениями R1, R2, R3, получим схему, показанную на рис. 26, б.
При параллельном соединении ко всем резисторам приложено одинаковое напряжение U. Поэтому согласно закону Ома:

Ток в неразветвленной части цепи согласно первому закону Кирхгофа I = I1+I2+I3, или

Следовательно, эквивалентное сопротивление рассматриваемой цепи при параллельном соединении трех резисторов определяется формулой

Вводя в формулу (24) вместо значений 1/Rэк, 1/R1, 1/R2 и 1/R3 соответствующие проводимости Gэк, G1, G2 и G3, получим: эквивалентная проводимость параллельной цепи равна сумме проводимостей параллельно соединенных резисторов:

Таким образом, при увеличении числа параллельно включаемых резисторов результирующая проводимость электрической цепи увеличивается, а результирующее сопротивление уменьшается.
Из приведенных формул следует, что токи распределяются между параллельными ветвями обратно пропорционально их электрическим сопротивлениям или прямо пропорционально их проводимостям. Например, при трех ветвях

В этом отношении имеет место полная аналогия между распределением токов по отдельным ветвям и распределением потоков воды по трубам.
Приведенные формулы дают возможность определить эквивалентное сопротивление цепи для различных конкретных случаев. Например, при двух параллельно включенных резисторах результирующее сопротивление цепи

при трех параллельно включенных резисторах

При параллельном соединении нескольких, например n, резисторов с одинаковым сопротивлением R1 результирующее сопротивление цепи Rэк будет в n раз меньше сопротивления R1, т.е.

Rэк = R1 / n(27)

Проходящий по каждой ветви ток I1, в этом случае будет в п раз меньше общего тока:

I1 = I / n (28)

При параллельном соединении приемников, все они находятся под одним и тем же напряжением, и режим работы каждого из них не зависит от остальных. Это означает, что ток, проходящий по какому-либо из приемников, не будет оказывать существенного влияния на другие приемники. При всяком выключении или выходе из строя любого приемника остальные приемники остаются вклю-

Рис. 27. Схемы смешанного соединения приемников

ченными. Поэтому параллельное соединение имеет существенные преимущества перед последовательным, вследствие чего оно получило наиболее широкое распространение. В частности, электрические лампы и двигатели, предназначенные для работы при определенном (номинальном) напряжении, всегда включают параллельно.
На электровозах постоянного тока и некоторых тепловозах тяговые двигатели в процессе регулирования скорости движения нужно включать под различные напряжения, поэтому они в процессе разгона переключаются с последовательного соединения на параллельное.

Смешанное соединение резисторов. Смешанным соединением называется такое соединение, при котором часть резисторов включается последовательно, а часть — параллельно. Например, в схеме рис. 27, а имеются два последовательно включенных резистора сопротивлениями R1 и R2, параллельно им включен резистор сопротивлением Rз, а резистор сопротивлением R4 включен последовательно с группой резисторов сопротивлениями R1, R2 и R3.
Эквивалентное сопротивление цепи при смешанном соединении обычно определяют методом преобразования, при котором сложную цепь последовательными этапами преобразовывают в простейшую. Например, для схемы рис. 27, а вначале определяют эквивалентное сопротивление R12 последовательно включенных резисторов с сопротивлениями R1 и R2: R12 = R1 + R2. При этом схема рис. 27, а заменяется эквивалентной схемой рис. 27, б. Затем определяют эквивалентное сопротивление R123 параллельно включенных сопротивлений и R3 по формуле

При этом схема рис. 27, б заменяется эквивалентной схемой рис. 27, в. После этого находят эквивалентное сопротивление всей цепи суммированием сопротивления R123 и последовательно включенного с ним сопротивления R4:

Последовательное, параллельное и смешанное соединения широко применяют для изменения сопротивления пусковых реостатов при пуске э. п. с. постоянного тока.

Дата добавления: 2015-04-16 ; просмотров: 100 ; Нарушение авторских прав

1. Схемы замещения электрических цепей

2. Эквивалентные преобразования пассивных электрических цепей

3. Расчет цепей посредством двух законов Кирхгофа

4. Мощность в цепях постоянного тока

5. Баланс мощностей

1. Схемы замещения электрических цепей

Схемой электрической цепи называется ее графическое изображение с использованием обозначений идеальных элементов. Например:

Читайте также:

  1. E) схема данных.
  2. I. Устройство и условное обозначение на схемах.
  3. II. Электрическая схема и принцип действия.
  4. III. Полная схема замещения трансформатора.
  5. III. Схема замещения и векторная диаграмма асинхронного двигателя
  6. Ordm;. Общая схема построения кинематических уравнений Эйлера.
  7. Uном, В Схема сетей С
  8. V. Упрощенная схема замещения трансформатора и внешняя характеристика.
  9. А. Схема соединений трехфазных цепей «звезда».
  10. Автогенераторы на диодах Ганна. Конструкции, эквивалентная схема. Режимы работы. Параметры генераторов, области применения.
Читайте также:  Как работает система no frost в холодильнике

Если учесть сопротивление утечки реального конденсатора, сопротивление витков реальной индуктивной катушки и внутреннее сопротивление реального источника ЭДС, то можно составить соответствующие схемы замещения этих элементов:

Отсюда следует, что все схемы по сути дела являются лишь более или менее точными схемами замещения реальных электрических цепей.

Представленный на рис.2 контур содержит три участка: участок с постоянным напряжением U = Е, не зависящим от тока источника, и участки с напряжениями RвхI и U на нагрузке Rн.

Направление ЭДС выбрано совпадающим с направлением тока, но оно противоположно напряжению на этом элементе.

Для определения параметров схемы замещения источника электрической энергии с линейной внешней характеристикой нужно провести два опыта — холостого хода (I=0; U=Uх=Е) и короткого замыкания (I=Iк; U=Е-RвнI).

2. Эквивалентные преобразования пассивных электрических цепей

Для упрощения анализа сложных электрических цепей отдельные их участки, не содержащие ЭДС, или пассивные цепи целиком можно заменить одним эквивалентным сопротивлением. Под эквивалентным понимают такое сопротивление, которое, будучи включенным в цепь вместо заменяемой группы сопротивлений, не изменяет распределение токов и напряжений в остальной части цепи.

При последовательном соединении сопротивлений по каждому из них

протекает один тот же ток, следовательно, падение напряжения на эквивалентном сопротивлении должно быть равно сумме падений напряжений на исходных сопротивлениях:

Если группа заменяемых сопротивлений соединена параллельно, то

напряжения на каждом из них и на эквивалентном сопротивлении одинаковы. Условия эквивалентности будут выполнены, если ток через искомое сопротивление будет равен сумме токов через отдельные параллельные сопротивления:

Используя закон Ома для отдельного сопротивления, можем записать:

Поскольку величина, обратная сопротивлению, есть проводимость, то, вводя обозначения для проводимости , получим:

При анализе сложных схем встречаются случаи, когда часть схемы образует так называемый треугольник сопротивлений:

Читайте также:  Чёрная рябина как употреблять

Схема упрощается, если треугольник с сопротивлениями Rав, Rвс, Rса заменить эквивалентной звездой с сопротивлениями Rа, Rв, Rс. Иногда, наоборот, необходимо обратное преобразование звезды в треугольник. Схемы треугольника и звезды считаются эквивалентными, если после преобразования все токи и напряжения в остальных частях схемы (не затронутых преобразованиями) остаются неизменными.

Очевидно, условия эквивалентности должны выполняться и при обрыве проводов, подходящих к узлам "а", "в", "с". Например, при обрыве провода, подходящего к узлу "а", сопротивления между точками "в" и "с" в треугольнике и звезде должны быть одинаковы, т.е.:

Рассуждая аналогичным образом, можно записать:

Решая полученную систему уравнений относительно Rа, Rв и Rс, получим формулы эквивалентного преобразования треугольника в звезду:

Решая систему относительно и получим формулы преобразования звезды в треугольник:

В частном случае, когда сопротивления звезды или треугольника одинаковы, эти формулы упрощаются:

3. Расчет цепей посредством двух законов Кирхгофа

а) произвольно задаются положительными направлениями токов во всех ветвях схемы,

б) для всех узлов схемы кроме одного составляются уравнения по 1-му закону Кирхгофа,

в) для всех независимых контуров составляются уравнения по 2-му закону Кирхгофа (контур будет считаться независимым от остальных, если в него входит хотя бы одна новая ветвь, т.е. не вошедшая в состав других контуров).

Общее число уравнений, составленных по 1 и 2-му законам Кирхгофа должно быть равно числу неизвестных токов. Полученная система линейных уравнений разрешается относительно токов с использованием известных методов решения систем уравнений (например, с помощью определителей)

Если при решении системы уравнений значение какого-либо тока получилось отрицательным, то это означает, что истинное направление тока противоположно выбранному. Данный метод расчета является универсальным, однако расчет вручную возможен лишь для несложных схем (4-5 неизвестных тока). Для более сложных схем требуется применение иных методов или вычислительной техники.

4. Мощность в цепях постоянного тока

Для оценки энергетических условий важно знать сколь быстро совершается работа.

Отношение работы "А" к соответствующему промежутку времени t определяет мощность:

Используя закон Ома, можно получить другие формулы для мощности в электрических цепях:

5. Баланс мощностей

В любой электрической цепи должен соблюдаться энергетический баланс — баланс мощностей: алгебраическая сумма мощностей всех источников равна арифметической сумме мощностей всех приемников энергии.

В левой части равенства слагаемое берется со знаком "+" если Е и I совпадают по направлению и со знаком "-" если не совпадают.

Если направления ЭДС и тока I в источнике противоположны, то физически это означает, что данный источник работает в режиме потребителя.

| следующая лекция ==>
Лекция №1. 1. Введение. Цели, задачи и структура курса | Лекция №3

Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 2869 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Для упрощения исследования цепи ее заменяют схемой замещения, которая служит расчетной моделью реальной цепи. Схема учитывает последовательность соединения участков цепи и их свойства.

Каждый из элементов схемы отражает какую-либо одну сторону исследуемого процесса. На рис. 2.2–2.4 показаны обозначения простейших пассивных двухполюсников (а) и их характеристики (б).

Двухполюсники в схеме соединяются между собой идеальными (сверхпроводящими) проводниками, на которых стрелками указываются направления токов. Принято считать, что ток в пассивном двухполюснике течет от точки более высокого («плюс») к точке более низкого («минус») потенциала.

Сопротивление R (рис. 2.2) отражает в схеме потребление энергии (например, рассеивание энергии в виде тепла резистором), а уравнение вольтамперной характеристики (ВАХ) соответствует закону Ома:

.

Термином «сопротивление» называют также коэффициент пропорциональности . Здесь и , соответственно, масштабы напряжения и тока.

Мощность этого элемента (скорость потребления энергии) определяется по закону Джоуля-Ленца:

Индуктивность L (рис. 2.3) учитывает накопление энергии в магнитном поле катушки:

Здесь – коэффициент пропорциональности в

уравнении вебер-амперной характеристики (ВбАХ)катушки, а и , соответственно, масштабы потокосцепления и тока. Связь напряжения и тока соответствует закону

.

Емкость С (рис. 2.4) отражает накопление энергии в электрическом поле конденсатора:

При этом величина представляет собой коэффициент пропорциональности в уравнении кулон-вольтной характеристики (КлВХ), а и

, соответственно, масштабы заряда и напряжения.

Связь напряжения и тока смещения:

Схемы замещения реальных источников энергии содержат идеальные источники напряжения и тока.

Разность потенциалов на зажимах источника напряжения, называемая электродвижущей силой (ЭДС), не зависит от тока в нем. Внутреннее сопротивление источника напряжения равно нулю.

В свою очередь, задающий ток источника тока не зависит от напряжения на его зажимах. Внутреннее сопротивление источника тока бесконечно велико.

Читайте также:  Набор соединителей smoe 81975 цена

Обозначения идеальных источников показаны на рис. 2.5.

Стрелка источника ЭДС (рис. 2.5,a) указывает точку более высокого потенциала. Обычно предполагается, что источник вырабатывает энергию. Поэтому ток внутри него течет от точки более низкого к точке более высокого потенциала. При этом мощность источника равна:

Двойная стрелка источника тока (рис. 2.5,б) указывает направление этого тока. Полярность напряжения обычно также считают соответствующей тому случаю, когда источник вырабатывает энергию. Тогда и у источника тока стрелка будет указывать

точку более высокого потенциала, а его мощность определится как

Если же полярности источников не будут соответствовать направлению их токов, окажется, что источники потребляют энергию и их мощности станут отрицательными.

На рис. 2.6 в качестве примера показана схема замещения некоторой электрической цепи, содержащая все выше перечисленные двухполюсники.

Участок схемы, по которому в любой момент времени течет один и тот же ток, называется ветвью. Принятое положительное направление тока в ветви указывается стрелкой.

Место соединения нескольких ветвей называется узлом (узлы обозначены буквами). Если в узле сходятся лишь две ветви, то его называют устранимым (например, узел f). Если два узла соединены проводником без сопротивления, то их потенциалы одинаковы (например, и , и ), так что каждую пару можно считать одним («расщепленным») узлом и обозначать одной буквой (a, b).

Замкнутый путь по ветвям схемы называется контуром (например, afbca). Замкнутый путь, не проходящий по ветвям, а пересекающий их, называется сечением ( , ).

Топологическая схема, содержащая все ветви и узлы схемы замещения, но не отражающая характера ее элементов, называется графом (узлы изображаются точками, ветви – линиями). На рис. 2.7,а изображен граф схемы, которая показана на рис. 2.6. Ветвь с источником тока в граф не входит, поскольку внутренняя проводимость этого источника равна нулю.

Граф называется направленным, если указаны направления его ветвей, обычно соответствующие направлениям токов. Для графа применимы понятия контура и сечения. Часть графа, содержащая все узлы, соединенные между собой ветвями, не образующими ни одного контура, называется деревом. Ветви, дополняющие дерево до графа, называют хордами.

Легко доказать, что число ветвей дерева на единицу меньше числа узлов: . Тогда число хорд: .

На рис. 2.7,б,в показаны некоторые из деревьев рассматриваемого графа. Здесь

; ; ; .

Если окружить один из узлов схемы замкнутой поверхностью и записать для нее уравнение принципа непрерывности электрического тока, то его следствием будет первый закон Кирхгофа.

В любой момент времени алгебраическая сумма токов в узле равна нулю (с одним знаком учитываются токи, отходящие от узла, с другим – подходящие к нему).

Так, для узла «a» схемы рис. 2.6 имеем:

или

По первому закону Кирхгофа можно составить столько независимых уравнений, сколько ветвей у дерева:

.

Если вычислить циркуляцию вектора напряженности электрического поля по одному из контуров схемы, то в результате получится второй закон Кирхгофа следствие принципа сохранения энергии:

алгебраическая сумма падений напряжения в контуре равна алгебраической сумме ЭДС того же контура (со знаком «плюс» в левой части учитываются падения напряжения на тех элементах, направление тока в которых совпадает с направлением обхода контура, а в правой части – ЭДС тех источников, чьи стрелки совпадают с направлением обхода).

Так, для контура « » имеем:

откуда

Если в контур попадает источник тока, то напряжение на его зажимах записывается в правой части со знаком «плюс», когда его стрелка совпадает с направлением обхода. Напомним, что полярность его напряжения соответствует рис. 2.5. Если составляется уравнение для незамкнутого контура, то в правой части следует записать и напряжение на разомкнутых зажимах (разность их потенциалов), учитывая со знаком «плюс» потенциал зажима, с которого начинается обход контура, и со знаком «минус» потенциал зажима, на котором обход заканчивается.

Например,

Отсюда

Контур, содержащий только одну хорду, называется главным. Очевидно, уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа для главных контуров, будут взаимно независимыми. Следовательно, по второму закону Кирхгофа можно составить столько независимых уравнений, сколько у графа хорд.

Существуют две основные задачи, требующие расчета цепей.

В первой из них известны схема цепи и ее параметры. Нужно найти токи в ветвях и напряжения между узлами. Это задача анализа.

Во второй – известен режим работы цепи, а необходимо построить подходящую схему и определить ее параметры. Это задача синтеза. Мы ограничимся анализом электрических цепей, а с синтезом можно будет познакомиться при изучении специальных дисциплин.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Увлечёшься девушкой-вырастут хвосты, займёшься учебой-вырастут рога 9989 — | 7783 — или читать все.

91.146.8.87 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.

Отключите adBlock!
и обновите страницу (F5)

очень нужно

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector