Курс лекций по ТОЭ и типовые задания Линейные электрические цепи постоянного тока Метод контурных токов Трехфазные электрические цепи Законы Кирхгофа Метод узловых потенциалов Метод эквивалентного генератора

Баланс мощностей

Для проверки правильности результатов расчета электрической схемы составляется баланс электрических мощностей. В соответствии  с законом

сохранения энергии в любой отдельно взятой электрической цепи мощность, развиваемая источниками в этой цепи, равна мощности, расходуемой в приемниках энергии. При этом следует иметь в виду, что при определенных условиях некоторые источники, действующие в цепи, не генерируют, а, наоборот, потребляют энергию. Следовательно, суммарную мощность источников, действующих в цепи, находят в виде алгебраической суммы мощности отдельных источников. Со знаком “плюс” берется мощность источников, генерирующих энергию (рисунок 3.22, а, б), а со знаком “минус” – мощность источников, потребляющих энергию (рисунок 3.22, в, г). На рисунках буквой А обозначен активный двухполюсник, внутренняя схема которого представляет совокупность источников энергии и резисторов, соединенных между собой определенным образом.

Мощность источника напряжения равна произведению ЭДС E источника и проходящего по нему тока I (P = ЕI), а мощность источника тока определяется произведением напряжения UJ на его зажимах и генерируемого источником тока J (P = UJJ). На рисунке 3.22, а, б мощность источников берется с положительным знаком, а на рисунке 3.22, в, г – с отрицательным.

Таким образом, мощность источников, действующих в цепи, находят по формуле 

  (3.20) 

В резисторах электрическая энергия необратимо превращается в тепловую. Мощность, потребляемая всеми резисторами в цепи, равна сумме мощностей каждого резистора:

 Pнагр =   (3.21)

Относительную ошибку вычислений находят по формуле

 

  (3.22)

Составим баланс мощностей для примера 3.4. Найдем напряжение UJ на зажимах источника тока по второму закону Кирхгофа для контура b-c-d-b:

UJ = E5 – R5I5 + R3I3 = 118,325 В.

Из полученных в результате расчета значений токов следует, что энергию генерируют источники ЭДС E1, E4 и источник тока J, в то время как источник ЭДС E5 является ее потребителем. Таким образом, мощность, развиваемая источниками, 

 Pист = E1I1 + E4I4 – E5I5 +UJJ = 404,935 Вт.

Мощность, выделяемая в сопротивлениях резисторов (мощность нагрузки),

 

Pнагр =  404,92 Вт.

Относительная ошибка вычислений

Вывод: расчет токов схемы выполнен правильно, т. к. баланс мощностей выполняется.

В схеме можно предварительно произвести эквивалентные преобразования, позволяющие исключить из нее ветви с источниками токов и, следовательно, уменьшить число контуров.

В этом случае система контурных уравнений (3.19) может быть записана в матричной форме: 

  (3.23)

где ;

  – квадратная матрица сопротивлений электрической цепи порядка n;

  – матрица-столбец искомых контурных токов;

  – матрица-столбец контурных ЭДС.

Решение матричного уравнения (3.23) находим в следующей форме:

  . (3.24)

При расчете многоконтурных электрических цепей матричная форма записи позволяет использовать при решении системы уравнений ЭВМ.

Пример 3.5 Рассчитать токи  в схеме на рисунке 3.23 с параметрами E1 = 12 В, E5 = 8 В, J = 2 A, r01 = 1 Ом,  r05 = 1,2 Ом, R1 = 11 Ом, R2 = 8 Ом, R3 = 14 Ом, R4 = 5 Ом, R5 = 6,8 Ом, R6 = 6 Ом методом контурных токов. Построить потенциальную диаграмму для контура a-b-c-d-a.

Решение. Подключим источник тока J параллельно сопротивлениям R2 и R4 (рисунок 3.24, а), распределение токов в узлах a, b и c при этом останется прежним. Заменим параллельное соединение источников тока J и сопротивлений R2 и R4 эквивалентным последовательным соединением ЭДС Е2 = R2J = 16 В и Е4 = R4J = 10 В с соответствующими сопротивлениями R2 и R4 (рисунок 3.24, б).

В результате эквивалентных преобразований получим схему на рисунке 3.25. Токи в ветвях с сопротивлениями R2 и R4 этой схемы будут отличаться от токов в исходной схеме, поэтому обозначим их и .

Выберем независимые контуры и направим в них контурные токи I11, I22 и I33. Запишем систему уравнений относительно неизвестных контурных токов в матричной форме и найдем ее решение.

  ,

где R11 = R1 + r01 + R2 + R3 = 34 Ом; 

 R22 = R2 + R4 + r05 + R5 = 21 Ом;

 R33 = R3 + R6 + r05 + R5 = 28 Ом;

 R12 = R21 = – R2 = – 8 Ом;

  R13 = R31 = R3 = 14 Ом; 

 R23 = R32 = r05 + R5 = 8 Ом;

 E11 = E1 – E2 = – 4 В;

  E22 = E2 + E4 – E5 = 18 В;

 E33 = – E5 = – 8 В.

Решение системы линейных алгебраических уравнений выполним методом Крамера. Найдем определитель матрицы сопротивлений

 

1,012∙104 Ом3,

а также следующие определители:

 

 

Находим контурные токи:

  

Токи ветвей схемы 3.25:

I1 = I11 = 0,674 A;  = – I11 + I22 = 0,842 A; I3 = – I11 – I33 = 0,382 A; 

 = I22 = 1,516 A; I5 = – I22 – I33 = – 0,46 A; I6 = – I33 = 1,056 A. 

Вернемся к исходной схеме и определим токи во второй и четвертой ветвях по первому закону Кирхгофа:

I2 = I3 – I5 – J = – 1,158 А; I4 = I1 + I2 = – 0,484 А.

 

Проверим правильность результатов расчета по балансу электрических мощностей. Найдем напряжение UJ на зажимах источника тока:

UJ = – R2I2 – R4I4 = 11,684 В.

Истинные направления токов I2 и I4 противоположны предварительно выбранным.

Из проведенных расчетов следует, что источник ЭДС E1 и источник тока J функционируют в режиме генерирования энергии, в то время как источник ЭДС E5 ее потребляет.

Мощность источников Pист = E1I1 – E5I5 + UJJ = 27,776 Вт.

Мощность нагрузки

Pнагр =27,777 Вт.

Построим потенциальную диаграмму, т. е. распределение потенциалов узлов, в том числе и устранимых m и n вдоль контура a-b-c-d-a (рисунок 3.26) в зависимости от сопротивлений участков, входящих в этот контур. Выделим из схемы 3.23 этот контур и укажем действительные направления токов в ветвях. Ток на любом участке схемы определяется не абсолютными значениями потенциалов точек, к которым этот участок присоединен, а их разностью. Следовательно, потенциал одной из точек схемы можно принять равным нулю. Примем, например, потенциал узла а равным нулю (φа = 0) и найдем потенциалы остальных точек контура:

φb = –R2I2 = – 9,264 В; φn = φb + R5I5 = – 6,136 В; φc = φn + E5 + r05I5 = 2,416 В;

φd = φc–R6I6 = – 3,92 В; φm= φd + E1– r01I1 = 7,406 В; φa = φm – R1I1 = – 0,008 В.

Потенциальная диаграмма представлена на рисунке 3.27.

Расчет цепи методом контурных токов