Как преобразовать треугольник в звезду: расчёт моста
Дано: мостовая схема постоянного тока с узлами a, b, c, d. Источник В подключён между узлами a и d. Верхние плечи: Ом на участке a-b и Ом на участке a-c. Нижние плечи: Ом на участке b-d и Ом на участке c-d. В диагонали моста между b и c стоит Ом. Найти: эквивалентную звезду для треугольника a-b-c, общее сопротивление цепи и токи всех ветвей.
Мост не уравновешен: произведения противолежащих плеч не совпадают, , а . Значит, через диагональ идёт ток, и формулы последовательного и параллельного соединения к такой схеме не применяются напрямую. Треугольник a-b-c заменяют эквивалентной звездой, после чего цепь становится обычной смешанной. Ответ: лучи звезды 10, 6 и 15 Ом, общее сопротивление 22 Ом, ток источника 2 А, ток в диагонали 0,16 А. Калькулятор сверху повторяет тот же расчёт для любых сопротивлений.
Решение по шагам
Шаг 1. Выделить треугольник и записать его стороны. Узлы a, b и c попарно соединены резисторами, поэтому они образуют треугольник. Его стороны удобно переобозначить по вершинам, чтобы не путаться в нумерации плеч моста.
| Сторона треугольника | Обозначение | Значение |
|---|---|---|
| a-b (плечо ) | 20 Ом | |
| b-c (диагональ ) | 30 Ом | |
| c-a (плечо ) | 50 Ом |
Шаг 2. Найти сумму сторон. Она одна на все три формулы и служит общим знаменателем:
Шаг 3. Посчитать лучи звезды. Каждый луч выходит из своей вершины и равен произведению двух сторон, сходящихся в этой вершине, делённому на сумму всех трёх:
Общая точка звезды - новый узел, которого в исходной схеме не было; обозначим его O. Внешние узлы a, b и c остались на месте, и всё, что к ним подключено снаружи, не трогают.
Шаг 4. Свернуть преобразованную схему. Теперь от источника идёт луч , дальше цепь разветвляется на две ветви, которые сходятся в узле d:
Остаётся последовательная цепочка из луча и параллельного блока:
Сама техника свёртки здесь обычная, шаг за шагом она разобрана в задаче про общее сопротивление цепи.
Шаг 5. Найти токи. Полный ток даёт закон Ома для всей цепи, а напряжение на параллельном блоке - произведение этого тока на сопротивление блока:
Отсюда токи ветвей: А и А. Сумма равна 2 А, то есть первый закон Кирхгофа выполняется.
Шаг 6. Вернуться к исходной схеме. Токи и уже найдены: преобразование не меняет режим внешних ветвей, поэтому через нижние плечи текут те же 1,2 и 0,8 А. Чтобы получить токи верхних плеч и диагонали, считают потенциалы, приняв :
Дальше по закону Ома для участка: А, А, а в диагонали А. Ток течёт от b к c, потому что потенциал b выше.
Ответ: лучи звезды Ом, Ом, Ом; Ом; А; токи плеч 1,36 А, 0,64 А, 1,2 А, 0,8 А; ток диагонали 0,16 А.
Формула и откуда она берётся
Формулы получают из требования эквивалентности: сопротивление между любой парой внешних выводов должно быть одинаковым у треугольника и у звезды. Для пары a-b у звезды это , а у треугольника - сторона параллельно с двумя другими сторонами, соединёнными последовательно. Получаются три уравнения такого вида, и решение системы даёт три формулы лучей.
Читается результат по простому правилу: в числителе - произведение двух сторон, примыкающих к вершине, в знаменателе - сумма всех трёх сторон. Луч выходит из вершины a, а к ней примыкают стороны и , поэтому именно они стоят в числителе. Сторона вершины a не касается и попадает только в знаменатель.
Отсюда полезное следствие для самопроверки: каждый луч всегда меньше любой из двух примыкающих сторон, ведь знаменатель больше каждого сомножителя. Если получился луч крупнее стороны, где-то перепутан сомножитель или пропущено слагаемое в сумме. В частном случае одинаковых сторон все лучи равны - это тоже быстрый контроль.
Важно помнить, что эквивалентность внешняя. Токи и напряжения снаружи трёх выводов остаются прежними, а внутри участка их уже нет: узла O в реальной схеме не существует, и напряжение на луче - вспомогательная величина, а не показание вольтметра. Именно поэтому ток диагонали приходится искать возвратом к исходной схеме, как в шаге 6.
Обратное преобразование: звезда в треугольник
Обратный переход нужен, когда в схеме нет ни одного удобного треугольника, зато есть трёхлучевой узел, мешающий свёртке. Формулы симметричны прямым: сторона равна сумме двух лучей плюс их произведение, делённое на третий луч.
Вышли ровно исходные 20, 30 и 50 Ом, и это лучшая проверка прямого преобразования: если обратный переход не вернул исходные стороны, ошибка в арифметике. Обратите внимание на зеркальное правило: в дроби стоит противолежащий луч, тот, который к данной стороне не примыкает.
Ещё одно следствие видно сразу: сторона треугольника всегда больше суммы двух лучей, из которых она собрана. Сумма сторон здесь 100 Ом против 31 Ом у суммы лучей - звезда заметно «легче», хотя ведёт себя снаружи так же.
Проверка ответа и выбор треугольника
Самая надёжная проверка - баланс мощностей: источник отдаёт Вт, а резисторы рассеивают Вт. Сходится до ватта, значит, токи найдены верно; подробнее этот приём разобран в задаче про баланс мощностей.
Треугольник в мостовой схеме можно выбрать четырьмя способами: верхний a-b-c, нижний b-c-d и два боковых. Ответ от выбора не зависит, меняется только объём арифметики. Берут тот треугольник, после замены которого остаются простые последовательно-параллельные участки, - обычно это треугольник, две вершины которого лежат на концах диагонали.
Преобразование - не единственный путь. Ту же цепь считают методом контурных токов или напрямую системой уравнений по правилам Кирхгофа. Преобразование выигрывает, когда нужно только эквивалентное сопротивление и один-два тока: система из пяти уравнений для этого избыточна.
Частые ошибки
- В числитель берут произвольную пару сторон. Правило жёсткое: сомножители - только те две стороны, что сходятся в вершине данного луча. Перепутанный сомножитель даёт правдоподобное, но неверное число.
- В знаменателе оказывается не сумма, а произведение или сумма только двух сторон. Знаменатель один и тот же для всех трёх лучей - посчитайте его один раз и подставляйте.
- Токи внутренних ветвей снимают со звезды. Диагональ после замены исчезает, тока в ней у новой схемы нет. Его находят только возвратом к исходной схеме через потенциалы узлов.
- Преобразуют мост, который уравновешен. Если , потенциалы b и c равны, ток диагонали нулевой, и её просто выбрасывают - преобразование не нужно.
- Меняют внешние подключения. Резисторы и висят на узлах b и c и после замены остаются там же. Подключать их к узлу O нельзя: это уже другая схема.
- Теряют размерность при делении. Произведение сторон даёт квадратные омы, деление на сумму возвращает омы. Если в ответе остались сотни, скорее всего забыт знаменатель.
FAQ
Когда вообще нужно преобразование треугольник-звезда? Когда схема не сворачивается последовательными и параллельными формулами: есть мост, кольцо или трёхлучевой узел. Признак простой - вы не можете указать ни одной пары резисторов, соединённых чисто последовательно или чисто параллельно.
Можно ли преобразовывать не резисторы, а комплексные сопротивления? Да, формулы те же, только вместо подставляют комплексные , а арифметика ведётся в комплексных числах. Для цепей переменного тока это стандартный приём, в том числе при расчёте трёхфазной цепи, соединённой звездой.
Совпадает ли это преобразование с соединением обмоток звездой и треугольником? Терминология общая, физика разная. В трёхфазных цепях речь о схеме соединения фаз источника или нагрузки, здесь - о математической замене участка эквивалентным. Формулы лучей применимы к трёхфазной симметричной нагрузке как частный случай: .
Что делать, если одна из сторон треугольника равна нулю? Нулевая сторона означает, что две вершины закорочены и это фактически один узел. Треугольник вырождается, преобразовывать нечего: схема упрощается объединением узлов, после чего сворачивается обычным порядком.
Коротко
- Найдите сумму сторон треугольника: Ом. Это общий знаменатель всех трёх формул.
- Посчитайте лучи: числитель каждого - произведение двух сторон, примыкающих к его вершине. Получаются Ом, Ом, Ом.
- Достройте схему: лучи сходятся в новом узле O, внешние подключения узлов a, b и c не меняются.
- Сверните цепь обычными формулами: ветви 20 и 30 Ом дают 12 Ом, плюс луч - итого Ом и А.
- Вернитесь к исходной схеме через потенциалы узлов и найдите ток диагонали А, а затем проверьте ответ балансом мощностей: 88 Вт отданных равны 88 Вт рассеянным.
Похожие задачи
Как найти параметры четырёхполюсника: A, B, C, D
Как найти параметры четырёхполюсника в A-форме: расчёт коэффициентов A, B, C, D по Т-образной схеме, опыты холостого хода и короткого замыкания, проверка взаимности AD - BC = 1.
ТОЭ/электротехникаКак построить топографическую диаграмму: разбор
Разбираем, как построить топографическую диаграмму цепи переменного тока: потенциалы точек a, b, c, d на комплексной плоскости, масштаб построения и чтение напряжения между любой парой точек.
ТОЭ/электротехникаКак рассчитать переходный процесс в RC-цепи: пример
Как рассчитать переходный процесс классическим методом: постоянная времени RC-цепи, принуждённая и свободная составляющие, ток и напряжение по шагам с числами и калькулятор.
ТОЭ/электротехникаКак найти сдвиг фаз: по уравнениям и осциллограмме
Разбираем, как найти сдвиг фаз между напряжением и током: разность начальных фаз по уравнениям u(t) и i(t), перевод угла в миллисекунды, осциллограмма, опережение и отставание.
ТОЭ/электротехникаКак найти реактивную мощность: пример расчёта
Разбираем, как найти реактивную мощность цепи переменного тока: формула Q через тангенс угла сдвига фаз, треугольник мощностей, расчёт полной мощности, тока и ёмкости конденсатора.
ТОЭ/электротехникаКак найти общее сопротивление цепи: расчёт
Разбираем, как найти общее сопротивление цепи: свёртка схемы по шагам, формулы последовательного и параллельного соединения, расчёт тока и токов ветвей, мост и типичные ошибки.