Багатополюсник – частина електричного кола, яка розглядається відносно певної сукупності виділених у ній вузлів – полюсів. Подібно до двополюс-ників, багатополюсники описуються відповідними рівняннями, які в уза-гальненому вигляді описують співвідношення між напругами та струмами на полюсах..
Чотириполюсник – частина електричного кола довільної структури, що має два вхідні і два вихідні полюси (Рис. 62), які позначаються, відповідно, та .
Прикладами чотириполюсника в електротехніці є лінія електропередачі (ЛЕП), трансформатор, мостова схема Рис. 63, а, б, в і т.п.
Чотириполюсники розподіляють на активні (позначаються літерою А), які мають внутрішні нескомпенсовані джерела енергії, і пасивні, що не мають джерел енергії, (позначаються літерою - П).
Основні рівняння пасивних чотириполюсників.
Розглянемо чотириполюсник, позначивши напруги і струми на вході і виході так, як показано на Рис. 64, а. За теоремою компенсації, замінимо зовнішні частини кола, підімкнені до полюсів і , еквівалентними джерелами напруги і (Рис. 64, б).
Згідно з принципом накладання запишемо рівняння чотириполюсника фор-ми :
Рівняння чотириполюсника форми .
Тут вхідні і взаємні провідності віток з ЕРС і .
Розв’язуючи рівняння чотириполюсника форми відносно і одер-жимо рівняння чотириполюсника форми :
Рівняння чотириполюсника форми .
Тут - вхідні і взаємні опори віток з ЕРС і .
Зв’язок між вхідними і вихідними напругами та струмами описується рів-няннями чотириполюсника форми А:
Рівняння чотириполюсника форми . (1)
Коефіцієнти можна виразити через коефіцієнти або .
Застосовується і така форма запису:
Для пасивного (взаємного) чотириполюсника виконується умова:
Для звортного увімкнення чотириполюсника (Рис. 64, в), легко одержати рівняння:
(2)
Чотириполюсник, для якого переміна місцями вхідних і вихідних полюсів не впливає на розподіл струмів поза ним, називається симетричним. Очевидно, для симетричного чотириполюсника:
.
Визначення коефіцієнтів чотириполюсника.
Коефіцієнти чотириполюсника визначаються із дослідів розриву (роз-
микання) та короткого замикання з боку вхідних та вихідних полюсів.
1. Режим розриву при прямому ввімкненні чотириполюсника (розрив між полюсами (Рис. 64,а)), Система рівнянь (1) перетворюється на еле-ментарну:
Звідки (3)
Вхідний опір .
2. Коротке замикання між полюсами (Рис. 64,а),
Звідки (4)
Вхідний опір .
3. Режим розриву при зворотному ввімкненні чотириполюсника (Рис. 64,в) (розрив між полюсами ), Система рівнянь (2) перетворюється на елементарну:
Звідки
Вхідний опір .
Звідки Вхідний опір .
4. Коротке замикання між полюсами ,
Коефіцієнти чотириполюсника можна в принципі визначити, знаючи вхідні опори в режимах розриву і короткого замикання ( ). Для цього достатньо 3-х параметрів, наприклад, .
1.
2. ;
3. ;
Підставляємо значення коефіцієнтів виражені через коефіцієнт і
вхідні опори , в рівняння :
(5)
Тоді: (6)
Співвідношення між вхідними опорами та коефіцієнтами чотириполюсника:
Як видно із формули (5), коефіцієнт (і всі інші коефіцієнти (6)) роз-раховуються з точністю до знаку, який неможливо вибрати, орієнтуючись лише на опори . Тому доцільніше проводити розрахунок коефіцієнтів чотириполюсника через вхідні та вихідні струми і напруги, наприклад, за фор-мулами (3), (4), які завжди дають однозначні результати.
Приклад 8.
Визначити коефіцієнтичотириполюсника (Рис. П8.1).
Параметри опорів в Омах показані на схемі.
Навантажити чотириполюсник (підімкнути до клем ) комплексним опором .
Якими повинні бути напруга та струм на вході чотириполюсника, щоб дію-че значення напруги на навантаженні було ?
План розв’язання задачі.
Зробити розв’язок магнітного зв’язку, а потім із дослідів розриву і короткого замикання визначити коефіцієнти 4-полюсника
Розв’язок задачі.
До спільного вузла магнітозв’язані котушки підходять однойменними по-люсами, розв’язок магнітного зв’язку показаний на Рис. П8.2.
Спрощуєм схему, з’єднуючи послідовно реактивні опори у вітках:
У спрощеній схемі 4-полюсника без магнітного зв’язку (Рис. П8.3) робимо дослід розриву, Задаємось напругою на вході 4-полюсника і розраховуєм схему.
Вхідний еквівалентний опір:
Струми у вітках:
Самостійно перевірте правильність розрахунків за балансом потужностей!
Якщо баланс потужностей не сходиться, повернутись назад і знайти помилку.
Напруга на виході :
Із досліду розриву визначаються коефіцієнти 4-полюсника
При тій же напрузі на вході виконується дослід корот-кого замикання (Рис. П8.4). Вітка з опорами закорочена, тобто опори видаляються.
Вхідний еквівалентний опір:
Струми у вітках:
При короткому замиканні струм (не плутати із ).
Самостійно перевірте правильність розрахунків за балансом потужностей!
Якщо баланс потужностей не сходиться, повернутись назад і знайти помилку.
Із досліду короткого замикання визначаються коефіцієнти
Вірність розрахунків підтверджує перевірка .
Увага!При невірному розрахунку будь-якого досліду права частина рів-няння не буде дорівнювати одиниці.
Для визначення напруги та струму на вході чотирполюсника при відомій напрузі на навантаженні спочатку знаходиться струм навантаження:
Напруга та струм на вході чотириполюсника визначаються із рівнянь чотириполюсника за даними та .
Щоб пересвідчитись у вірності результатів, необхідно навантажити чотири-полюсник (Рис. П8.3) опором розрахувати коло при вже відомій вхідній напрузі і переконатись що .
Примітка: при розрахунках режимів розмикання і короткого замикання доцільно зада-ватися значеннями вихідної напруги , або струму і розраховувати значення вхідних величин і . Тоді у режимі розмикання при У режимі короткого замикання при
30. Еквівалентні схеми чотириполюсників.
При розгляді коефіцієнтів чотириполюсника було показано, що будь-який пасивний чотириполюсник характеризується трьома незалежними постійними коефіцієнтами. Отже, можна подати пасивний чотириполюсник у вигляді три-елементної Т - (Рис. 65) або П -(Рис. 66) подібної схеми, виходячи з того, що схема заміщення має такі ж самі коефіцієнти , як і чотириполюсник, що замінюється.
Для чотириполюсників простої структури рівняння у будь якій формі легко записати безпосередньо за законами Кірхгофа. Орієнтуємось на рівняння у формі А.
За першим законом Кірхгофа
1. Т- подібна схема.
За другим законом Кірхгофа:
За знайденими коефіцієнтами чотириполюсника
визначаються параметри Т – подібного чотириполюсника:
(1)
За другим законом Кірхгофа
2. П- подібна схема.
За першим законом Кірхгофа
За знайденими коефіцієнтами чотириполюсника
визначаються параметри П – подібного чотириполюсника::
(2)
Отже, з формул (1) і (2) знаючи коефіцієнти пасивного чотириполюсника, можна знайти параметри Т – чи П – схеми заміщення.
Увага! При розрахунку параметрів схеми заміщення можливий випадок, при якому активна складова одного із параметрів від’ємна. Це означає, що чотириполюсник неможливо замінити еквівалентною пасивною схемою за-міщення.
Приклад 9.
За відомими коефіцієнтами замінити складний чотириполюсник (див. При-клад 8) Т - або П - подібною схемою та розрахувати її параметри для частоти 50 (Гц).
Для Т-подібної схеми (Рис. П9)
Для частоти 50(Гц) індуктивність та ємність віток відповідно будуть:
Самостійно розрахувати параметри П – подібної схеми заміщення.