Преобразование линейных пассивных электрических цепей

Эквивалентное преобразование части пассивной электрической цепи состоит в такой ее замене другой пассивной цепью, при которой остаются неизменными токи и напряжения остальной цепи, не подвергшейся преобразованию. К простейшим преобразованиям относятся замена последовательно и параллельно соединенных потребителей эквивалентным потребителем.

При последовательном соединении роль эквивалентного сопротивления (или сопротивления эквивалентного потребителя) играет сумма сопротивлений всех потребителей (рис. 1.11.).

 

 

или (1.32)

Это следует из II закона Кирхгофа:

(1.33)

При двух последовательно соединенных потребителях:

(1.34)

При параллельном соединении роль эквивалентной проводимости (или проводимости эквивалентного потребителя) играет сумма проводимостей всех потребителей (рис. 1.12.).

 

(1.13)

Это следует из I закона Кирхгофа:

 

При двух параллельно соединенных потребителях:

(1.14)

Таким образом, для расчета цепей с последовательно включенными потребителями целесообразно их свойства выражать значениями сопротивлений, а для параллельно включенных – значениями проводимостей.

Определение эквивалентного сопротивления при смешанном соединении потребителей выполняется путем постепенного упрощения (сворачивания) исходной цепи.

Пример.

Параллельное соединение R₁ и R₂:

Последовательное соединение R₁₂ и R₃:

Последовательное соединение R₄ и R₅:

Параллельное соединение R₁₂₃ и R₄₅:

Последовательное соединение R_ас и R₆:

Таким образом, эквивалентное сопротивление

Более сложными являются взаимные преобразования потребителей, соединенных звездой или треугольником. К таким преобразованиям следует обращаться в тех случаях, когда в цепи, подлежащей упрощению, нельзя выделить параллельное или последовательное соединения потребителей.

 

В узлах a, b, c и треугольник, и звезда на рис. 1.14 соединяются с остальной частью схемы. Преобразование треугольника в звезду должно быть таковым, чтобы при одинаковых значениях потенциалов одноименных точек треугольника и звезды притекающие к этим точкам токи были одинаковы, тогда вся внешняя схема «не заметит» произведенной замены.

Выразим U_ab треугольника через параметры потребителей и притекающие к этим узлам токи. Запишем уравнения Кирхгофа для контура и узлов a и b.

Заменим в первом уравнении токи I3 и I2 на соответствующие выражения:

По закону Ома напряжение Uab для соединения потребителей треугольником:

(1.15)

Теперь получим выражение для этого же напряжения при соединении потребителей звездой:

(1.16)

Для эквивалентности данных цепей при произвольных значениях токов I_a и I_b необходимо равенство напряжений U_ab для соединения потребителей треугольником и звездой. Это возможно только при одинаковых коэффициентах уравнений (1.15) и (1.16), т.е.

(1.17)

Аналогично можно получить выражения для определения :

(1.18)

Таким образом, сопротивление луча звезды равно произведению сопротивлений прилегающих сторон треугольника, деленному на сумму сопротивлений трех сторон треугольника.

Формулы обратного преобразования можно вывести независимо, либо как следствие соотношений (1.17) и (1.18) через проводимости:

(1.19)

или через сопротивления:

(1.20)

Следовательно, сопротивление стороны треугольника равно сумме сопротивлений прилегающих лучей звезды и произведения их, деленного на сопротивление третьего луча.