Метод узловых напряжений для расчета токораспределения

В этом методе токи в ветвях определяются через разность напряжений в узлах. Число узлов в схемах обычно меньше числа ветвей, поэтому порядок решаемой системы будет меньше, чем при определении токов “прямым” способом.

(1)

- система узловых уравнений (2)

Обратная матрица

М^t – транспонированная матрица М в случае, когда базисный узел системы совпадает с балансирующим.

Базисный узел – это узел, для которого напряжение задается перед расчетом.

Балансирующий узел – это узел, мощность которого равна алгебраической сумме мощностей всех остальных узлов в системе, т.е. он является балансирующим по мощности (здесь проявляется закон единства производства и потребления электроэнергии, сколько выработано, столько и должно быть потреблено).

В случае, если базисный узел не совпадает с балансирующим, то вместо М^t в формуле (1) ставится , которая может быть получена из избыточной первой матрицы инциденций М, т.е. содержащей строку для балансирующего узла, путем вычеркивания строки, отвечающей базисному узлу.

Для определения падений напряжений в ветвях необходимо решить систему узловых уравнений

при наличии ЭДС в ветвях

- матрица узловых проводимостей, может быть определена без расчетов непосредственно из схемы

Yу =	у з л ы
							4 х 4

Элементы из главной диагонали равна сумме проводимостей ветвей, подходящих к соответствующему узлу, а недиагональные элементы равны проводимостям ветвей между соответствующими узлами со знаком минус (-).

Матрица Y_у – симметричная.

Итак, по методу узловых напряжений, вначале составляется и решается система уравнений (2) относительно узловых напряжений U^у, затем найденные значения U^у подставляются в выражение (1) и вычисляются искомые токи в ветвях.

2.6. Метод контурных токов [Л-4, с.25-228]

Введем новые переменные – контурные токи I_I и I_II.

- вектор-столбец контурных токов.

Через контурные токи определяются токи в ветвях

(3)

М_α – первая матрица инциденций, составленная для дерева схемы (дерево выделено на схеме).

Обратная матрица М_α может быть легко определена по схеме (без процедуры обращения матрицы М_α). Столбцы матрицы содержат пути по ветвям дерева от каждого узла к балансирующему. Если направление движения от узла к балансирующему не совпадает с выбранным направлением в ветви, то ставится +1, иначе -1. Можно говорить наоборот – от балансирующего к каждому, тогда если направление движения совпадает, то +1 иначе -1.

Можно проверить

Матрица контурных сопротивлений Z_к также может легко определена по схеме. Матрица Z_к – квадратная, порядок равен числу контуров. Диагональные элементы равны суммам сопротивлений ветвей входящих в соответствующие контуры, а подиагональные элементы равны сопротивлениям ветвей, общих для двух соседних контуров. Матрица Z_к – симметричная, недиагональные элементы берутся со знаком “-”.

=	I	z1+z2+z4+z5	-z1-z4
II	-z1-z4	z1+z2+z4+z6

Итак, по методу контурных токов сначала составляется и решается система уравнений относительно контурных токов I_к, порядок равен количеству независимых контуров.

(4)

Найденные значения контурных токов I_к подставляются в выражение (3) и вычисляются искомые токи в ветвях I_b.

Целесообразность применения метода узловых напряжений или метода контурных токов определяется в зависимости от физических условий задачи, от принятых допущений, которые сейчас мы не рассматриваем. В одних случаях удобен первый метод, в других – второй. Наибольшее же распространение получил метод узловых напряжений, он реализован в большинстве промышленных программ для расчетов режимов электрических систем.

Отметим также следующее.

Элементами ряда матриц в наших задачах являются комплексные числа (а + jb) или (а - jb), что значительно увеличивает расчеты. Основное расчетное время идет на решение систем уравнений (2) и (4). Если уравнения линейны, то они решаются проще известными методами. На самом деле процессы, происходящие в электрической системе имеют нелинейный характер. Приведение уравнений к линейному виду является упрощением задач и используется, когда не требуется точного решения задач.

Далее в разделе 2 мы познакомимся с наиболее известными в широком применении методами решения систем линейных и нелинейных уравнений.

Инженерные методы узловых напряжений (УН) и контурных токов (КТ) позволяют сформировать уравнения (модель) состояния электрической системы, которые затем решаются известными в математике численными методами. Вообще решение многих задач заключается в формировании систем уравнений и вычислении их корней. Поэтому инженеру необходимо знать и уметь применять численные методы решения систем уравнений.
Раздел 2. МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ СИСТЕМ АЛГЕБРАИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ