METODA OCZKOWA
W celu wyjaśnienia istoty metody oczkowej, zwanej też metodą prądów oczkowych, prądów obwodowych lub prądów cyklicznych, weźmy pod uwagę obwód liniowy stacjonarny prądu sinusoidalnego o schemacie przedstawionym na rysunku. Załóżmy, że dla tego obwodu są dane impedancje: Z1, Z2, Z3, Z4, Z5 oraz napięcia źródłowe o wartościach skutecznych zespolonych: E1, E3, E4, E6. Celem rozważań jest obliczenie prądów gałęziowych: I1, I2, I3, I4, I5, I6.
Dla rozpatrywanego obwodu na podstawie pierwszego prawa Kirchhoffa możemy napisać trzy równania liniowo niezależne, wilżące prądy gałęziowe
dla węzła 1 I1 + I2 - I3 = 0
dla węzła 2 I3 + I5 + I6 = 0 (1)
dla węzła 3 I4 - I6 - I1 = 0
Wypisując równania na podstawie drugiego prawa Kirchhoffa wybieramy oczka liniowo niezależne. Przyjmujemy zwroty obiegowe oczek zaznaczone na rys. i na podstawie drugiego prawa Kirchhoffa piszemy następujące trzy równania liniowo niezależne:
(2)
Korzystając z równań (1) możemy prądy I2, I4, oraz I5, wyrazić w zależności od prądów I1, I3, I6 a mianowicie
(3)
Podstawiamy równania (3) do równań (2) i otrzymujemy
(4)
Porządkujemy równania (4) względem prądów gałęziowych
(5)
W budowie równań (5) występuje prawidłowość pozwalająca zapisać je w postaci
(6)
przy czym przyjęto następujące oznaczenia:
(7)
Wyjaśnimy sens fizyczny i podamy definicje wielkości w równaniach (7).
Prądu I1, I2, uraz I3 (ze wskaźnikiem prim) nazywamy prądami oczkowymi odpowiednio oczka pierwszego, drugiego i trzeciego.
Prądem oczkowym (lub cyklicznym) nazywamy prąd umyślony płynący przez wszystkie gałęzie oczka.
W gałęzi należącej tylko do jednego oczka (na rys w gałęzi 1, 3 i 6) prąd oczkowy jest równy prądowi gałęziowemu. W gałęzi wspólnej dwóch oczek prąd gałęziowy jest równy sumie lub różnicy geometrycznej prądów oczkowych, zależnie od ich zwrotu.
Impedancje o dwóch jednakowych wskaźnikach, a więc impedancje typu Zkk (w rozpatrywanym obwodzie Z11, Z22, Z33) nazywamy impedancjami własnymi oczka.
Impedancja własna oczka k-tego jest równa sumie impedancji zespolonych wszystkich gałęzi należących do tego oczka. Impedancja własna oczek przyjmujemy zawsze ze znakiem plus.
Impedancje u różnych wskaźnikach, a więc impedancje typu Zkl (np. Z12, Z23) nazywamy impedancjami wzajemnymi oczek.
Impedancja wzajemna oczka k-tego z oczkiem L-tym jest równa impedancji zespolonej gałęzi wspólnej oczka k-tego i l-tego. Impedancja wzajemna oczka np. pierwszego z drugim jest taka sama jak drugiego z pierwszym, czyli Z12=Z21, Z23=Z32 itd. Znak impedancji wzajemnej zależy od zwrotów prądów oczkowych we wspólnej gałęzi dwóch oczek. Jeżeli zwroty prądów są jednakowe, impedancji wzajemnej przyporządkowujemy znak plus. jeżeli zwroty prądów są różne - znak minus. Jeżeli oczka nie stykają się ze sobą, impedancja wzajemna oczek jest równa zeru.
Napięcia źródłowe typu Ekk, a więc opatrzone dwoma jednakowymi wskaźnikami nazywamy napięciami źródłowymi oczkowymi.
Napięcie źródłowe oczkowe k-tego oczka jest równe sumie napięć źródłowych gałęzi należących do tego oczka.
Jeżeli zwrot obiegowy oczka przyjmiemy zgodny ze zwrotem prądu oczkowego, to kolejne napięcia źródłowe gałęzi danego oczka przyjmujemy ze znakiem plus, jeśli zwrot napięcia źródłowego jest zgodny ze zwrotem obiegowym oczka i ze znakiem minus - jeśli jest przeciwny.
Mając w ten sposób wyznaczone wielkości równań (6) i (7) - (przykład przedstawiamy na rysunku), możemy przystąpić do rozwiązania układu równań (6) dla wyznaczenia padów oczkowych. Po wyznaczeniu prądów oczkowych wyznaczamy prądy gałęziowe zgodnie ze wzorami:
(8)
Układ równań (6) jest układem równań obwodu elektrycznego mającego trzy oczka liniowo niezależne. Rozważania można uogólnić na przypadek n oczek liniowo niezależnych. Wtedy otrzymamy
(9)
Układ równań (9) można rozwiązać jedną z metod rozwiązywania niejednorodnego układu równań liniowych, a mianowicie metodą rugowania zmiennych, metodą wyznaczników i metodą macierzową. Omówimy najczęściej stosowane metody - wyznaczników i macierzową.
Stosując metodę wyznaczników, prąd oczkowy k-tego oczka, a więc prąd I'k wyznaczamy z równania
(10)
w którym:
၄ - wyznacznik główny układu równań (9); ၄k - wyznacznik otrzymany z wyznacznika głównego przez zastąpienie k-tej kolumny kolumną wolnych wyrazów; ၄ak - podwyznacznik względny (dopełnienie algebraiczne) dla wiersza a i kolumny k.
Wyznacznik główny ၄ układu równań (9) ma postać
(11)
a zatem jego elementami są impedancje własne i wzajemne oczek.
Wyznacznik ၄k, np. dla k = 2, ma postać
(12)
tzn. kolumna 2 wyznacznika określonego równaniem (11) została zastąpiona kolumną wolnych wyrazów, czyli napięciami źródłowymi oczkowymi.
Stosując metodę macierzową układ równań (9) możemy napisać w postaci
(13)
lub
(14)
przy czym:
Macierz napięć źródłowych oczkowych będąca macierzą kolumnowa o liczbie wierszy równej liczbie oczek liniowo niezależnych obwodu.
Macierz impedancji własnych i wzajemnych będąca macierzą kwadratową symetryczną; na głównej przekątnej występują impedancje własne oczek, poza główną przekątną impedancje wzajemne oczek.
Macierz prądów oczkowych będąca macierzą kolumnową o liczbie wierszy równej liczbie oczek liniowo niezależnych obwodu.
W celu wyznaczenia macierzy I' z równania (14) mnożymy lewostronnie to równanie przez macierz odwrotną względem macierzy impedancji włW celu wyznaczenia macierzy I
(15)
Ponieważ iloczyn macierzy odwrotnej przez macierz daną jest równy macierzy jednostkowej, ostatecznie więc otrzymamy
(16)
Obliczanie macierzy odwrotnej Z-1 jest najbardziej pracochłonnym fragmentem obliczeń; musi być przy tym spełniony warunek det Z ᄅ 0.
Tok postępowania w metodzie oczkowej obliczania prądów gałęziowych, przy zastosowaniu rachunku macierzowego, jest następujący:
(1) Znając liczbę gałęzi b i liczbę węzłów v rozpatrywanego obwodu, wyznaczamy liczbę oczek liniowo niezależnych. Dokonując numeracji oczek liniowo niezależnych, zaznaczamy jednocześnie na schemacie rozpatrywanego obwodu zwroty prądów oczkowych.
(2) Opierając się na definicjach impedancji własnych oczek Zkk, impedancji wzajemnych oczek Zkl, oraz napięć źródłowych oczkowych Ekk w sposób mnemotechniczny bezpośrednio na podstawie danego schematu elektrycznego rozpatrywanego obwodu, wpisujemy elementy macierzy impedancji Z i macierzy napięć źródłowych oczkowych E.
(3) Obliczamy macierz odwrotną Z-1 względem macierzy impedancji Z.
(4) Obliczamy macierz kolumnową prądów oczkowych I' mnożąc prawostronnie macierz Z-1 przez macierz E.
(5) Znając wartości prądów oczkowych wyznaczamy prądy gałęziowe.
Obliczamy metodą oczkową prądy gałęziowe w obwodzie jak na rys a.
Dane:
Z1=-j10ၗ; Z2=j10ၗ; Z3=5ၗ; Z4=Z5=10ၗ; E2=j100V; Iź=5A;
W obwodzie występuje idealne źródło prądu. Do jego wyeliminowania zastosujemy twierdzenie o włączeniu dodatkowych idealnych źródeł prądu. W tym celu równolegle do każdej gałęzi tworzącej oczko zewnętrzne (rys. b) włączymy idealne źródło prądu o wartości Iź=5A i o przeciwnym zwrocie względem źródła idealnego, które zamierzamy wyeliminować. Otrzymujemy obwód jak na rys. c. Następnie źródła prądu (rzeczywiste) zastępujemy źródłami napięcia :
oraz
Otrzymujemy obwód jak na rys. e. Taki sam graf zorientowany odpowiada obwodowi z rys. a. Zatem obwody z rys. a i rys. d są strukturalnie równoważne. Obwód z rys. d jest obwodem o dwóch oczkach niezależnych i do jego rozwiązania zastosujemy metodę prądów oczkowych. Macierz prądów oczkowych wynosi
Obliczamy:
Macierz impedancji własnych i wzajemnych
Macierz napięć źródłowych oczkowych
Macierz odwrotną macierzy impedancji własnych i wzajemnych
Zatem
Prądy oczkowe wynoszą
Prądy gałęziowe
Zadanie można rozwiązać również metodą wyznaczników. W tym celu napiszemy układ równań oczkowych w postaci
przy czym
Wyznacznik główny układu wynosi
Odpowiednio wyznaczniki
Szukane prądy oczkowe
Szukamy rozpływu prądów w obwodzie jak na rysunku. Do obliczeń zastosujemy metodę oczkową.
Dane: E1=j200V; E2=100V; R1=R3=10ၗ; R2=30ၗ; XC1=20ၗ; XL1=10ၗ; XC3=10ၗ; XL3=20ၗ; XL2= XL4=10ၗ; XC2=40ၗ; XM12= XM24=5ၗ;
Zgodnie z metodą oczkową
Impedancje własne oczek i impedancję wzajemną - ze względu na występowanie sprzężeń indukcyjnych - obliczmy nieco inaczej niż w obwodzie bez sprzężeń. W oczku 2 istnieje sprzężenie pomiędzy elementami L2 i L4 należącymi do tego samego oczka. Wobec tego impedancja indukcji wzajemnej ZM24=jXM24 występuje dwukrotnie. Natomiast impedancja indukcji wzajemnej pomiędzy elementami L1 i L2 wchodzi do wyrażenia na impedancję wzajemną oczek. Zatem
Obliczamy napięcia źródłowe oczkowe
Równania macierzowe podane na wstępie można napisać w postaci układu dwóch równań
W celu wyznaczenia prądów oczkowych zastosujemy metodę wyznaczników.
Wyznacznik główny układu równań
wyznaczniki
Szukane prądy oczkowe
Prądy gałęziowe
METODA WĘZŁOWA
W celu wyjaśnienia istoty metody węzłowej, zwanej też metodą napięć węzłowych lub metodą potencjałów węzłowych, weźmy pod uwagę obwód elektryczny liniowy stacjonarny o schemacie przedstawionym na rysunku. Niech dla tego obwodu dane będą admitancje zespolone wszystkich gałęzi: Y1, Y2, Y3, Y4, Y5, Y6, Y7 napięcia źródłowe: E1, E5, E6, E7, oraz prąd źródłowy Iź4. Zadanie polega na wyznaczeniu prądów we wszystkich gałęziach tego obwodu. Zakładamy potencjał jednego z węzłów tego obwodu. np. węzła czwartego równy zeru, V4=0. Takie założenie jest dopuszczalne, gdyż prądy w gałęziach nie zależy od wartości potencjałów, ale od różnicy potencjałów na zaciskach gałęzi. Węzeł 4 jest węzłem odniesienia. Napięcia między pozostałymi węzłami liniowo niezależnymi a węzłem odniesienia oznaczamy U'1, U'2, U'3, i nazywamy napięciami międzywęzłowymi. Napięcie między węzłami niezależnymi oznaczać będziemy dwoma wskaźnikami, tzn. itp. U12, U22 itd.
Dla zaznaczonych na rysunku zwrotów prądów gałęziowych, na podstawie pierwszego prawa Kirchhoffa dla węzłów 1, 2 i 3 tego obwodu, możemy odpowiednio napisać następujące trzy równania liniowo niezależne:
(1)
Uwzględniając prawo Ohma dla gałęzi źródłowej, które przy prądzie sinusoidalnym dla wartości skutecznych zespolonych ma identyczną postać jak dla prądu stałego, z tym, że zamiast konduktancji wchodzą do równania admitancje zespolone, napiszemy
(2)
Po podstawieniu zależności (2) do równań (1) otrzymamy
(3)
Po uporządkowaniu równań (3) względem napić międzywęzłowych U'1, U'2, U'3 oraz przeniesieniu na prawą stronę admitancji i napięć międzywęzłowych, równania te mają postać
(4)
W budowie równań (4) występuje prawidłowość, która pozwala te równaniu zapisać następująco:
(5)
przy czym przyjęto oznaczenia
(6)
Wyjaśnimy sens i podamy definicje wielkości w równaniach (6).
Admitancje o dwóch jednakowych wskaźnikach, a więc admitancje typu Ykk (w rozpatrywanym obwodzie Y11, Y22, Y33) nazywamy admitancjami własnymi węzła.
Admitancja własna k-tego węzła jest równa sumie admitancji zespolonych gałęzi zbiegających się w tym węźle. Niezależnie od zwrotów prądów gałęziowych, admitancje własne przyjmujemy zawsze ze znakiem plus.
Admitancje o dwóch różnych wskaźnikach, a więc admitancje typu Ykl (np. Y12, Y23) nazywamy admitancjami wzajemnymi węzłów. Admitancja wzajemna węzła k-tego z węzłem l-tym jest równa sumie admitancji zespolonych wszystkich gałęzi łączących bezpośrednio węzeł k-ty z l-tym. Niezależnie od wyboru zwrotów prądów gałęziowych admitancje wzajemne przyjmujemy zawsze ze znakiem minus..
Prądu typu I'źk (w rozpatrywanym obwodzie k=1, 2, 3) są wypadkowymi prądami źródłowymi zasilającymi odpowiedni k-ty węzeł.
Prądu typu I'źk jest równy sumie iloczynów admitancji zespolonych gałęzi i napięć źródłowych zespolonych gałęzi należących do k-tego węzła, a więc
Jeżeli do rozpatrywanego węzła jest dołączona gałąź zawierająca prąd źródłowy (w obwodzie z rysuku węzeł k=2). To do iloczynu YaEa dodajemy wspomniany prąd źródłowy. Iloczyn YaEa przyjmujemy ze znakiem plus, jeżeli zwrot Ea jest w kierunku do rozpatrywanego k-tego węzła, a ze zwrotem minus, jeżeli zwrot jest od rozpatrywanego węzła. Analogicznie wypadkowy prąd źródłowy Iźk przyjmujemy ze znakiem plus, jeżeli zwrot tego prądu źródłowego jest do węzła, a w przeciwnym przypadku bierzemy ze znakiem minus.
Zauważmy, że iloczyny YaEa są prądami źródłowymi zastępczych źródeł prądu, równoważnych odpowiednim źródłom napięcia. W przypadku, gdy wszystkie źródła napięcia zostaną zastąpione przez równoważne źródła prądu, prąd I'źk będzie wypadkowym prądem źródłowym zasilającym k-ty węzeł rozpatrywanego obwodu. W omówionym przykładzie
gdyż wśród gałęzi należących do węzła pierwszego tylko gałąź pierwsza o admitancji Y1 i napięciu źródłowym E1 oraz gałąź siódma o admitancji Y7 i napięciu źródłowym E7 zawierają źródła napięcia, przy czym zwroty E1 i E7 są od węzła pierwszego, wobec czego iloczyny Y1E1, Y7E7 wzięto ze znakiem minus. Wśród gałęzi należących do węzła drugiego nie ma gałęzi zawierających źródła napięcia. Węzeł ten jest zasilany tylko źródłem prądu o prądzie źródłowym Iź4 i zwrocie do węzła drugiego, zatem I'ź2 = Iź4.
Układ równań (5) jest typowym układem równań obwodu elektrycznego mającego 3 węzły liniowo niezależne. Równania można uogólnić dla przypadku m węzłów niezależnych. Wtedy otrzymamy
(7)
Układ równań (7) można rozwiązać jedną z metod rozwiązywania niejednorodnego układu równań liniowych, a mianowicie metodą rugowania zmiennych, metodą wyznaczników lub metodą macierzowa.
Omówimy metodę wyznaczników i metodę macierzową. Stosując metodę wyznaczników, napięcie międzywęzłowe k-teko węzła obliczymy z równania
(8)
w którym:
၄ - wyznacznik główny układu równań (7); ၄k - wyznacznik otrzymany z wyznacznika głównego przez zastąpienie k-tej kolumny kolumną wolnych wyrazów; ၄ak - podwyznacznik względny (dopełnienie algebraiczne) dla wiersza a i kolumny k.
Wyznacznik główny układu równań (7) ma postać
(9)
a zatem jego elementarni są admitancje własne i wzajemne węzłów.
Wyznacznik ၄k, np. dla k=2 ma postać
(10)
tzn. kolumna 2 wyznacznika określonego równaniem (9) została zastąpiona wolnymi wyrazami, czyli odpowiednimi wypadkowymi prądami źródłowymi poszczególnych węzłów. Stosując metodę macierzową, układ równań (7) możemy napisać w postaci
(11)
lub
(12)
przy czym:
Macierz prądów źródłowych wypadkowych w węzłach będąca macierzą kolumnową o liczbie wierszy równej liczbie węzłów liniowo niezależnych obwodu:
Macierz admitancji własnych i wzajemnych będąca macierzą kwadratową symetryczną; na głównej przekątnej występują admitancje własne węzłów ze znakiem plus, poza główną przekątną admitancje wzajemne ze znakiem minus:
Macierz napięć międzywęzłowych będąca macierzą kolumnową o liczbie wierszy równej m, tzn. liczbie m węzłów liniowo niezależnych.
W celu wyznaczenia poszukiwanej macierzy napięć międzywęzłowych U' mnożymy lewostronnie równanie (12) przez macierz odwrotną macierzy admitancji własnych i wzajemnych (przy det Yᄅ0) i otrzymujemy
(13)
a ponieważ iloczyn macierzy odwrotnej przez macierz daną jest równy macierzy jednostkowej, zatem ostatecznie
(14)
Znając wartości napięć: U'1, U'2,...,U'm, wyznaczamy prądy gałęziowe z zależności napisanych na podstawie prawa Ohma dla poszczególnych gałęzi rozpatrywanego obwodu. Na przykład dla obwodu o schemacie elektrycznym przedstawionym na rys. znając wartości napięć U'1, U'2, i U'3, prądy gałęziowe wyznaczamy z zależności (2).
Tok postępowania w metodzie węzłowej wyznaczania prądów gałęziowych przy zastosowaniu rachunku macierzowego jest następujący:
(1) Jeden z węzłów rozpatrywanego obwodu przyjmujemy jako węzeł odniesienia, czyli przyjmujemy, że potencjał tego węzła jest równy zeru (uziemiamy węzeł). Ze względu na operatywność metody jest wygodnie za węzeł odniesienia przyjąć węzeł, do którego należy najwięcej gałęzi. Można łatwo wykazać, że wybór węzła odniesienia nie ma wpływu na wartość wyznacznika macierzy Y.
(2) W sposób mnemotechniczny bezpośrednio na podstawie danego schematu elektrycznego obwodu wypisujemy admitancje własne Ykk w postaci zespolonej i admitancje wzajemne Ykl, w postaci zespolonej będące elementami macierzy Y. Również w sposób mnemotechniczny na podstawie danego schematu elektrycznego obwodu wypisujemy macierz kolumnową prądów źródłowych I'ź zasilających poszczególne węzły rozpatrywanego obwodu.
(3) Obliczamy macierz odwrotną Y-1 względem macierzy Y.
(4) Obliczamy macierz kolumnową napięć międzywęzłowych U' mnożąc prawostronnie macierz Y-1 przez macierz I'ź.
(5) Znając napięcie międzywęzłowe węzłów liniowo niezależnych obliczamy prądy gałęziowe z zależności napisanych na podstawie prawa Ohma dla poszczególnych gałęzi rozpatrywanego obwody.
Obwód przedstawiony na rysunku zawiera dwa źródła sterowane: źródło prądu sterowane prądem Iź=kI oraz źródło napięcia sterowane prądem E=ၡIź. Metodą potencjałów węzłowych obliczamy prądy w gałęziach oraz prądy źródłowe Iź i napięcie źródłowe E.
Dane: Z1=2ၗ; Z2=1ၗ; Z3=j1ၗ; Z4=-j1ၗ; E4=6V; ၡ=1V/A; k=4A/A;
W obwodzie występują dwa węzły niezależne 1 i 2 (trzeci węzeł jest uziemiony jego potencjał jest ró jest uziemiony
Układamy dwa równania
Z założenia
Uzależniamy prąd I1 od potencjałów w węzłach 1 i 2
Stąd po przekształceniach
Wobec tego
Podstawiamy dane do pierwszego układu równań na potencjały węzłowe
Po uporządkowaniu otrzymujemy
stąd
Prąd w gałęziach
Obliczmy rozpływ prądów w obwodzie przedstawionym na rysunku metodą potencjałów węzłowych.
Dane: R1=R2=R3=1ၗ; XL=XC=4ၗ; E1=1V; E2=j2V; Iź1=2A;
Admitancje własne węzłów 1 i 2 wynoszą
Admitancja wzajemna między węzłami 1 i 2 jest równa zeru, Y12=Y21=0.
Prądy źródłowe wypadkowe węzłów 1 i 2 wynoszą odpowiednio
Macierze admitancji własnych i wzajemnych wynosi
Macierz prądów źródłowych wypadkowych
Macierz napięć węzłowych (potencjałów węzłowych)
Zatem
Potencjał węzłów 1 i 2 względem węzła odniesienia 3 wynoszą odpowiednio
Napięcie na gałęzi zawierającej równoległe połączoną cewkę i kondensator wynosi
Prąd płynący w gałęzi cewki
Prąd płynący w gałęzi kondensatora
Suma tych prądów jest równa zeru.
Prądy w pozostałych gałęziach wynoszą
Ponieważ prąd w gałęzi 1-2 jest równy zeru, wobec tego
Zasada ruchliwości źródeł
Gałąź 3 zawiera tylko idealne źródło napięcia E3 (rys. 1.a ), co nie stanowi przeszkody w stosowaniu metody prądów obwodowych. Do analizy sieci z rys. 1.a nie można natomiast zastosować metody napięć węzłowych.
Rys .1
Możliwe jest jednak także inne postępowanie. Zauważmy, że ani macierz impedancji obwodowych ani wektor sił elektromotorycznych obwodowych nie ulegną zmianie, jeśli usuniemy źródło E3 z gałęzi 3, wprowadzając dwa źródła E3 w gałęziach 1 i 2 w sposób pokazany na rys. 1.b. Można także pójść o krok dalej i usunąć gałąź 3. (tj. zewrzeć wierzchołki 3 i 4), otrzymując sieć z rys. 1.c . We wszystkich tych przypadkach równania prądów obwodowych pozostają niezmienione, identyczne będą zatem wszystkie prądy obwodowe, a więc także wszystkie prądy gałęziowe.
Przedstawiony sposób postępowania ilustruje dokładnie rys. 2.
W ogólnym przypadku postępowanie to polega na tym, że:
a) gałąź AB zawierająca tylko idealne źródło napięciowe zostaje zwarta;
b) idealne źródło napięciowe E zostaje wprowadzone albo do wszystkich gałęzi incydentnych z wierzchołkiem A albo do wszystkich gałęzi incydentnych z wierzchołkiem B, z zachowaniem zwrotu.
Rys. 2.