Elektromosságtan. I. Egyenáramú hálózatok általános számítási módszerei. Magyar Attila

Hasonló dokumentumok
Vágó István VILLAMOS HÁLÓZATOK SZÁMÍTÁSA A GRÁFELMÉLET ALKALMAZÁSÁVAL

Gingl Zoltán, Szeged, :14 Elektronika - Hálózatszámítási módszerek

1. konferencia: Egyenáramú hálózatok számítása

Gingl Zoltán, Szeged, szept. 1

Elektrotechnika- Villamosságtan

Fizika A2E, 9. feladatsor

Mátrixok, mátrixműveletek

Elektrotechnika példatár

Elektrotechnika- Villamosságtan

Mérnök Informatikus. EHA kód: f

1. tétel - Gráfok alapfogalmai

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

A tercsnek és a kondenzátornak nincs szerepe, csak ellenállások vannak a körben. A

Villamosságtan szigorlati tételek

15. LINEÁRIS EGYENLETRENDSZEREK

Elektromosságtan. II. Általános áramú hálózatok. Magyar Attila

Lineáris algebra. =0 iє{1,,n}

Determinánsok. A determináns fogalma olyan algebrai segédeszköz, amellyel. szolgáltat az előbbi kérdésekre, bár ez nem mindig hatékony.

Síkgráfok és alkalmazásaik

EGYSZERŰ, NEM IRÁNYÍTOTT (IRÁNYÍTATLAN) GRÁF

Gauss elimináció, LU felbontás

Lineáris egyenletrendszerek

Vektorok, mátrixok, lineáris egyenletrendszerek

Gráfelméleti alapfogalmak

Jelek és rendszerek 1

Diszkrét matematika 2.C szakirány

III. Gráfok. 1. Irányítatlan gráfok:

Bevezetés a számításelméletbe (MS1 BS)

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, mátrixegyenlet

Diszkrét matematika 1. estis képzés

A lineáris tér. Készítette: Dr. Ábrahám István

Lineáris algebra gyakorlat

Összetett hálózat számítása_1

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Matematika szigorlat június 17. Neptun kód:

Diszkrét matematika 2.

Elektromosságtan. III. Szinuszos áramú hálózatok. Magyar Attila

1. Homogén lineáris egyenletrendszer megoldástere

Mátrixok. 3. fejezet Bevezetés: műveletek táblázatokkal

Elektrotechnika. 1. előad. Budapest Műszaki Főiskola Bánki Donát Gépész és Biztonságtechnikai Kar Mechatronikai és Autechnikai Intézet

22. GRÁFOK ÁBRÁZOLÁSA

12.A 12.A. A belsı ellenállás, kapocsfeszültség, forrásfeszültség fogalmának értelmezése. Feszültséggenerátorok

Diszkrét matematika I., 12. előadás Dr. Takách Géza NyME FMK Informatikai Intézet takach november 30.

Lineáris algebra 2. Filip Ferdinánd december 7. siva.banki.hu/jegyzetek

Bevezető fizika (infó), 8. feladatsor Egyenáram, egyenáramú áramkörök 2.

Gráfelméleti feladatok. c f

11. DETERMINÁNSOK Mátrix fogalma, műveletek mátrixokkal

Vektorterek. Wettl Ferenc február 17. Wettl Ferenc Vektorterek február / 27

1. Egy lineáris hálózatot mikor nevezhetünk rezisztív hálózatnak és mikor dinamikus hálózatnak?

SZINUSZOS ÁRAMÚ HÁLÓZATOK Számítási feladatok

Hobbi Elektronika. Bevezetés az elektronikába: Ohm törvény, Kirchoff törvényei, soros és párhuzamos kapcsolás

4. Fuzzy relációk. Gépi intelligencia I. Fodor János NIMGI1MIEM BMF NIK IMRI

Diszkrét matematika 2. estis képzés

Összeállította: dr. Leitold Adrien egyetemi docens

Mátrixok 2017 Mátrixok

1. Determinánsok. Oldjuk meg az alábbi kétismeretlenes, két egyenletet tartalmaz lineáris egyenletrendszert:

2.Előadás ( ) Munkapont és kivezérelhetőség

Gráfelmélet jegyzet 2. előadás

Bázistranszformáció és alkalmazásai 2.

Műveletek mátrixokkal. Kalkulus. 2018/2019 ősz

17. előadás: Vektorok a térben

Lineáris algebra és a rang fogalma (el adásvázlat, szeptember 29.) Maróti Miklós

Vektorterek. =a gyakorlatokon megoldásra ajánlott

Fizika A2E, 8. feladatsor

12. előadás. Egyenletrendszerek, mátrixok. Dr. Szörényi Miklós, Dr. Kallós Gábor

Diszkrét matematika 2. estis képzés

Diszkrét matematika 2. estis képzés

A vezérelt források egyenletéhez jutunk sorra, ha az egyes paraméterek:

Diszkrét matematika II., 5. előadás. Lineáris egyenletrendszerek

9. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 9. előadás Mátrix inverze, Leontyev-modell

Diszkrét matematika 2 (C) vizsgaanyag, 2012 tavasz

Bevezetés az állapottér-elméletbe Dinamikus rendszerek állapottér reprezentációi

Gráfelmélet. I. Előadás jegyzet (2010.szeptember 9.) 1.A gráf fogalma

1. Generátorrendszer. Házi feladat (fizikából tudjuk) Ha v és w nem párhuzamos síkvektorok, akkor generátorrendszert alkotnak a sík vektorainak

Tranziens jelenségek rövid összefoglalás

Bevezetés az algebrába 1

Lineáris leképezések (előadásvázlat, szeptember 28.) Maróti Miklós, Kátai-Urbán Kamilla

Fizika A2 Alapkérdések

Síkba rajzolható gráfok

Áramkörök elmélete és számítása Elektromos és biológiai áramkörök. 3. heti gyakorlat anyaga. Összeállította:

3. el adás: Determinánsok

Diszkrét matematika II., 8. előadás. Vektorterek

= 163, 63V. Felírható az R 2 ellenállásra, hogy: 163,63V. blokk sorosan van kapcsolva a baloldali R 1 -gyel, és tudjuk, hogy

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Lineáris Algebra gyakorlatok

összeadjuk 0-t kapunk. Képletben:

10. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 10. előadás Sajátérték, Kvadaratikus alak

KOVÁCS BÉLA, MATEMATIKA I.

6. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 6. előadás Bázis, dimenzió

Síkbarajzolható gráfok, rúdszerkezetek, transzformátorok

3. Előadás. Megyesi László: Lineáris algebra, oldal. 3. előadás Lineáris egyenletrendszerek

Diszkrét matematika 2. estis képzés

Villamosság biztonsága

Feladatok, amelyek gráfokkal oldhatók meg 1) A königsbergi hidak problémája (Euler-féle probléma) a

Átmeneti jelenségek egyenergiatárolós áramkörökben

Lineáris programozás. Modellalkotás Grafikus megoldás Feladattípusok Szimplex módszer

Diszkrét matematika 2.C szakirány

Bevezetés a játékelméletbe Kétszemélyes zérusösszegű mátrixjáték, optimális stratégia

Miskolci Egyetem. Diszkrét matek I. Vizsga-jegyzet. Hegedűs Ádám Imre

Adatszerkezetek 2. Dr. Iványi Péter

Átírás:

Elektromosságtan I. Egyenáramú hálózatok általános számítási módszerei Magyar Attila Pannon Egyetem Műszaki Informatika Kar Villamosmérnöki és Információs Rendszerek Tanszék amagyar@almos.vein.hu 2010. február 22.

Áttekintés Gráfelméleti alapfogalmak 1 Egyenáramú hálózatok általános számítási módszerei Gráfelméleti alapfogalmak A gráfot jellemző mátrixok A gráfot jellemző mátrixok kapcsolata egymással és a gráffal Ohm-törvény Kirchoff-törvények Ágáramok és ágfeszültségek számítása A hurokáramok módszere A vágatfeszültségek módszere A csomóponti potenciálok módszere Átviteli mennyiségek Reciprocitás és szimmetria Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 2 / 45

A csúcs fokszáma a csúcshoz illeszkedő élek száma. A csúcsok számát n-nel, az élek számát b-vel jelöljük Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 3 / 45 Egyenáramú hálózatok általános számítási módszerei Gráfelméleti alapfogalmak Gráfelméleti alapfogalmak A hálózat gráfja a hálózat ágainak és csomópontjainak egymáshoz illeszkedését, azaz a hálózat struktúráját jellemzi Gráf: élek és csúcsok kölcsönös egymáshoz rendelése. Az élet vonaldarabbal, a csúcsot kis körrel jelöljük. Az él végpontja a csúcs. Két élnek közös pontja csak a csúcs lehet

Gráfelméleti alapfogalmak Végcsúcs: csak egyetlen élhez illeszkedik Nyitott él: csúcsnélküli él Izolált csúcs: olyan csúcs, amelyhez él nem illeszkedik Részgráf: a gráf csúcsainak és éleinek egy részhalmaza. Részgráfhoz tartozás szempontjából jellemezhető a gráf éleinek halmaza egy sorvektorral: x = [x 1 x 2... x b ], ahol 1, ha a j ág a részgráf eleme és megfelelő az irány x j = 0, ha a j ág nem eleme a részgráfnak 1, ha a j ág a részgráf eleme és fordított az irány x = [1 1 1 1 0 0], x = [ 1 0 0 0 0 0], x = [0 0 1 1 0 0] Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 4 / 45

Gráfelméleti alapfogalmak Kiegészítő részgráfok: a két részgráf tartalmazza az eredeti gráf minden élét és csúcsát úgy, hogy a két részgráf egyetlen közös élet sem tartalmaz Út: Olyan (irányított) részgráf, amelynek két végcsúcsa van a többi csúcsának fokszáma a részgráfban pedig 2. Az út egy élen legfeljebb egyszer halad át. Minden út jellemezhető egy b elemű sorvektorral. Összefüggő gráf: bármely csúcsa között van legalább egy út. Az összefüggő részgráfok neve komponens. A komponensek számát c-vel jelöljük. Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 5 / 45

Hurok Gráfelméleti alapfogalmak Hurok (kör): olyan összefüggő (irányított) részgráf, amelyben minden csúcs fokszáma 2. A hurokból egy nyitott élet elhagyva utat kapunk A hurokban a csúcsok és az élek száma megegyezik. Jellemezhető egy sorvektorral: B T = [ 1 1 0 0 0 1] Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 6 / 45

Gráfelméleti alapfogalmak Fa: az összefüggő gráf olyan összefüggő részgráfja, amely tartalmazza az összes csúcsot és annyi élet, hogy ne alakuljon ki hurok. n csúcs esetén a fának r = n 1 éle (faág) van. A faágak számát a gráf rangjának nevezzük, általánosan r = n c. Összefüggő gráf egy-egy fájában bármely csúcs között pontosan egy út van Egy irányított gráf fájában az (i)-től (j)-ig mutató utat jellemezze az L T ij sormátrix, a (j)-től (k)-ig vezető utat pedig L T jk. Ekkor L T ik = LT ij + L T jk mivel a fában tetsz két csúcs között az út egyértelmű. L T 14 = [ 1 1 1 1 0 0 0] L T 47 = [0 0 0 1 1 1 0] L T 17 = [ 1 1 1 0 1 1 0] Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 7 / 45

Gráfelméleti alapfogalmak További példák: Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 8 / 45

Gráfelméleti alapfogalmak Fakomplementum: összefüggő gráf egyik fájának kiegészítő részgráfja. Általában nem tartalmazza a gráf valamennyi csúcsát. A fakomplementum élei a kötőélek (kötőágak) A fakomplementum éleinek száma a gráf nullitása: m = b r = b (n c) = b + c n Nem összefüggő gráf minden egyes komponenséhez rendelhető fa. Az egyes komponensekhez rendelt fák összessége erdőt alkot. Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 9 / 45

Vágat Gráfelméleti alapfogalmak Vágat: a gráf nyitott éleinek olyan halmaza, amelynek elhagyásával a kapott gráf rangja az eredeti gráf rangjánál egyel kisebb, és a vágat bármelyik élét a gráfba visszahelyezve a rang az eredeti gráf rangjával megegyezik. Több komponensből álló gráf esetén vágatot csak az egyik komponenshez tartozó nyitott élek alkothatnak, mert különben nem elégítik ki a vágat definícióját Vágatnak irányítás is adható oly módon, hogy az irányítás a vágat elhagyásával keletkezett két összefüggő részgráf egyikétől a másik felé mutat A vágathoz rendelhető egy Q T = [x 1 x 2... x b ] sorvektor, amely megadja, hogy a vágat a gráf mely éleit tartalmazza, és ezeknek milyen az irányítása a vágat irányításához képest Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 10 / 45

Gráfelméleti alapfogalmak Példa: Q T = [0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0] Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 11 / 45

Fundamentális vágatrendszer Gráfelméleti alapfogalmak Vágatrendszer: adott gráfhoz rendelt több vágat vágatrendszert alkot. A vágatrendszer lineárisan független, ha a rendszerben lévő egyetlen vágat sorvektora sem fejezhető ki a többi vágat sorvektorainak lineáris kombinációjaként. Fundamentális vágatrendszer olyan lineárisan független vágatrendszer, amely a gráf bármely vágatával kiegészítve már nem lineárisan független. Ha adott a gráf egy fája (erdő), és a vágatokat úgy készítjük el, hogy minden vágat csak egy faágat vág el, a létrejött vágatrendszer lineárisan független lesz (minden vágat sorvektora tartalmaz egy olyan faágat, amit a többi nem tartalmaz). Fundamentális vágatrendszer = fa, v. erdő által generált vágatrendszer Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 12 / 45

Példa Gráfelméleti alapfogalmak A fundamentális vágatrendszert alkotó r számú vágat sorvektorai: Q T 1 = [ 0 0 0 0 0 1 1 ] Q T 2 = [ 1 1 0 0 0 1 0 ] Q T 3 = [ 1 0 1 1 0 0 0 ] Q T 4 = [ 1 0 1 0 1 0 0 ] Csúcsok által generált vágatok: n = 0 T i=1 A T i A T 1 = [ 1 0 1 1 0 0 0 ] A T 2 = [ 1 1 0 0 0 1 0 ] A T 3 = [ 0 1 1 0 1 0 1 ] A T 4 = [ 0 0 0 1 1 0 0 ] A T 5 = [ 0 0 0 0 0 1 1 ] Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 13 / 45

Fundamentális hurokrendszer Gráfelméleti alapfogalmak Hurokrendszer: adott gráfhoz rendelt több hurok hurokrendszert alkot. A hurokrendszer lineárisan független, ha a rendszerben lévő egyetlen hurok B T k sorvektora sem fejezhető ki a többi hurok sorvektorainak lineáris kombinációjaként. Fundamentális hurokrendszer olyan lineárisan független hurokrendszer, amely a gráf bármely hurokjával kiegészítve már nem lineárisan független. Összefüggő gráf fundamentális hurokrendszere a gráf egy tetszőeges fája segítségével meghatározható úgy, hogy a fához sorba illesztjük a kötőéleket: minden kötőél feltétele egy hurkot, és így egy sorvektort határoz meg. Az így létrejött hurokrendszer fundamentális, mert minden hurokban szerepel egy olyan kötőág, amely a többi huroknak nem eleme. Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 14 / 45

Példa Gráfelméleti alapfogalmak A fundamentális hurokrendszert alkotó hurkok: B T 1 = [ 0 1 0 0 0 1 1 ] B T 2 = [ 0 0 1 1 1 0 0 ] B T 3 = [ 1 1 0 1 1 0 0 ] A fundamentális hurokrendszert megadó sorvektorok száma megegyezik a gráf nullitásával (a kötőélek számával): m = b n + c Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 15 / 45

A gráfot jellemző mátrixok A gráfot jellemző mátrixok Ha ismerjük a hálózat struktúráját, definiálhatjuk a hálózatot jellemző mátrixokat: Csúcsmátrix (A t ) Hurokmátrix (B t ) Vágatmátrix (Q t ) Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 16 / 45

A gráfot jellemző mátrixok Csúcsmátrix - A t Incidencia mátrix n sora van (csúcsok száma) b oszlopa van (ágak száma) Értéke 0, ha (i) és j nem illeszkedik a ij = +1, ha j irányítása (i)-től elmutat 1, ha j irányítása (i) felé mutat Tulajdonságai: Egy oszlopban pontosan két nemnulla elem van Rangja n c (mint a gráfé) c sor elhagyható a mátrixból (komponensenként egy), mivel nem szolgáltat új információt a többihez képest (redukált csúcsmátrix A) Redukált csúcsmátrixból meghatározható a csúcsmátrix Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 17 / 45

A gráfot jellemző mátrixok Csúcsmátrix - A t A t = 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 18 / 45

A gráfot jellemző mátrixok Csúcsmátrix - A t A = 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 19 / 45

A gráfot jellemző mátrixok Hurokmátrix - B t Nullitás számú (m) sora van (hurkok száma) b oszlopa van (ágak száma) Értéke 0, ha j nem illeszkedik az i-edik hurokra +1, ha j illeszkedik az i-edik hurokra, b ij = és az irányítása a hurokéval egyező 1, ha j illeszkedik az i-edik hurokra, és az irányítása a hurokéval ellentétes B t = 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 20 / 45

A gráfot jellemző mátrixok Hurokmátrix - B t B t = A t = A csúcsmátrix és a hurokmátrix szorzata A t B T t = 0 B t A T t = 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 21 / 45

A gráfot jellemző mátrixok Vágatmátrix - Q t Rang számú (r) sora van (vágatok száma) b oszlopa van (ágak száma) Értéke q ij = 0, ha az i-edik vágat nem tartalmazza a j-edik élet +1, ha az i-edik vágat tartalmazza a j-edik élet, és az irányítása a vágatéval egyező 1, ha az i-edik vágat tartalmazza a j-edik élet, és az irányítása a vágatéval ellentétes A vágatmátrix és a hurokmátrix szorzata Q B T t t = 0 B t Q T t = 0 Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 22 / 45

A gráfot jellemző mátrixok kapcsolata egymással és a gráffal A gráfot jellemző mátrixok kapcsolata egymással és a gráffal Válasszuk ki a gráf egy fáját, és számozzuk az éleket úgy, hogy az 1, 2,..., m számúak kötőélek legyenek Válasszuk ki a gráfnak azt a fundamentális hurokrendszerét, amelyben az I. hurok az 1, a II. hurok a 2,... az m sorszámú hurok az m-edik kötőélet tartalmazza, a hurok irányítása egyezzen meg a megfelelő kötőélek irányításával Ekkor a fundamentális hurokrendszer hurokmátrixa partícionálható: B = [ I m F ], ahol I m az m m-es egységmátrix Redukált hurokmátrix normálalak Képezzünk a kiválasztott fával fundamentális vágatrendszert is úgy, hogy az I. vágat az m + 1-edik faélet, a II vágat az m + 2-edik faélet tartalmazza. A vágatok irányítása a faélek irányításával egyezzen meg. A faélek száma r, így a fundamentális vágatmátrix ] partícionálható: Q = [Q I e r Redukált vágatmátrix normálalak Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 23 / 45

Példa A gráfot jellemző mátrixok kapcsolata egymással és a gráffal Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 24 / 45

A gráfot jellemző mátrixok kapcsolata egymással és a gráffal A gráfot jellemző mátrixok kapcsolata egymással és a gráffal B = Q = I. II. III. IV. I. II. III. IV. Mivel Q B T = 0, ezért 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 ] [Q I e r I m F T = 0 ] [I = 4 F [ ] = Q I e 4 ebből Q e = F T, vagy F = Q T e Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 25 / 45

Ohm-törvény Ohm-törvény Definiáljuk az egyenáramú ágtípusokra a hálózat ágáramaiból és ágfeszültségeiből alkotott oszlopvektort! Gráfélek, ágáramok, és feszültségek indexelése: I 1, I 2,..., I b ágáramok referencia iránya legyen az él irányítása Áramgenerátort tartalmazó ág árama az áramforrás és a belső ellenállás áramának összege (I = I A + I Z ) U 1, U 2,..., U b ágfeszültségek referencia iránya legyen az él irányítása Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 26 / 45

Ohm-törvény Ágáramok oszlopmátrixa (I ), véges ellenállású ágak árama (I Z ), és az áramforrások árama (I A ) Áram- vagy I 1 I Z1 I A1 feszültséggenerátort I 2 I =., I I Z2 Z =., I I A2 tartalmazó ágak esetén I Z A = eleme az áram-, vagy. feszültséggenerátor belső I b I Zb I Ab ellenállásán folyó áram Ágfeszültségek oszlopvektora (U), véges ellenállású ágak feszültségei (U Z ), és a forrásfeszültségek (U V ) Áram- vagy U 1 U Z1 U V1 feszültséggenerátort U 2 U =., U U Z2 Z =., U U V2 tartalmazó ágak esetén V = U. Z eleme az áram-, vagy feszültséggenerátor belső U b U Zb U Vb ellenállásán eső feszültség I A + I Z = I és U V + U Z = U Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 27 / 45

Ohm-törvény Az i-edik ág ellenállásának árama és feszültsége közötti kapcsolat: U Zi = R i I Zi ahol R i az i-edik ág ellenállása Valamennyi ágra felírva: U Z = R I Z, ahol R 1 0... 0 0 R 2... 0 R =..... mindig diagonális. 0 0... R b R inverze a G konduktanciamátrix: G 1 0... 0 0 G 2... 0 G =...... 0 0... G b mindig diagonális Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 28 / 45

Kirchoff csomóponti törvénye Kirchoff-törvények Kirchoff csomóponti törvény a j-edik csomópontra: I k = 0, a csomóponttól elmutató a pozitív referencia irány k Minden csomóponthoz van egy A T j sorvektor, és így A T j (I A + I Z ) = 0 Az összes csomópontra: A t (I A + I Z ) = 0 Elegendő a redukált csúcsmátrixszal számolni: A(I A + I Z ) = 0 Független csomópontokra felírt Kirchoff-egyenletek egyenértékűek egy fundamentális vágatrendszerre vonatkozó Kirchoff-egyenletekkel: ahol Q a redukált vágatmátrix Q(I A + I Z ) = 0 Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 29 / 45

Kirchoff huroktörvénye Kirchoff-törvények Kirchoff huroktörvény a j-edik hurokra: U k = 0 k Minden hurkot egy B T j sorvektor jellemez, és így B T j (U V + U Z ) = 0 Az összes hurokra: B T t (U V + U Z ) = 0 Elegendő a az egyenletek a B fundamentális hurokrendszerre felírni: B U = B(U V + U Z ) = 0 ahol B a redukált hurokmátrix Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 30 / 45

Ágáramok és ágfeszültségek számítása Ágáramok és ágfeszültségek számítása (Feladat) Adott: a hálózatra jellemző Q, B, R, U V, I A mátrixok és vektorok Határozzunk meg: az ágáramokat és az ágfeszültségeket (I Z és U Z ) Kiindulási egyenletek: Q (I A + I Z ) = 0 B (U V + U Z ) = 0 Rendezve: Q I Z = Q I A B R I Z = B U V Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 31 / 45

Ágáramok és ágfeszültségek számítása Hipermátrixos alak: [ Q B R I Z meghatározása: [ I Z = ] [ Q I I Z = A B U V Q B R ] 1 [ Q I A B U V A hálózat passzív elemein fellépő feszültségek: [ Q R 1 ] 1 [ Q I U Z = R I Z = A B B U V A hálózat ágfeszültségei: [ Q R 1 U = U Z + U V = U V B ] ] ] ] 1 [ Q I A B U V U Z és U nem meghatározható a fenti képletekkel, ha a hálózat nulla ellenállású ágat tartalmaz Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 32 / 45 ]

A hurokáramok módszere A hurokáramok módszere Az ágáramok vagy ágfeszültségek meghatározására szolgáló egyenletekben az ismeretlenek száma b. A hurokáramok módszerének lényege az ismeretlenek számának csökkentése. Képezzük a hálózat gráfjának egy fundamentális hurokrendszerét. Minden hurokban folyik egy képzeletbeli áram. A hurokáramok referenciairánya a hurkok irányításával egyezik meg. Az ágáramokat az adott ágon áthaladó hurokáramok előjeles összege adja m hurokáram (ahány független hurok) Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 33 / 45

A hurokáramok módszere Feladat: b számú ismeretlen ágáram meghatározása. Hurokáramok felvételével r csomóponti egyenlet automatikusan teljesül. A hurokáramok száma pedig m. (r + m = b) Hurokáramokat tartalmazó oszlopvektor: J = J 1. J m A j-edik ág eredő árama az ághoz illeszkedő hurokáramok előjeles összege: I j = B T j J, ahol B j a B hurokmátrix j-edik oszlopa. Az összes ágáram: I Z -re rendezve: Eml. hurokegyenlet: U Z = R I Z = R (B T J I A ) I = I Z + I A = B T J I Z = B T J I A B U = B (U V + U Z ) = 0 Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 34 / 45

A hurokáramok módszere Behelyettesítve U Z -t a hurokegyenletbe: B U V + B U Z = B U V + B R B T J B R I A = 0 Rendezve: B R B T J = B (R I A U V ) Jelölje R B = B R B T Kifejezhető a hurokáram vektor: (A passzív elemek árama) I Z = B T R 1 B (hurokellenállás mátrixot) J = R 1 B B (R I A U V ) B (R I A U V ) I A Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 35 / 45

A vágatfeszültségek módszere A vágatfeszültségek módszere Az egyes vágatokban fellép egy ún. vágatfeszültség, amelynek referenciairánya a vágat irányításával egyezik meg. Egy ág feszültsége azon vágatfeszültségek előjeles összegével egyenlő, amely vágatok az ágat tartalmazzák. r vágatfeszültség, amelyek a huroktörvényt automatikusan kielégítik. Jelölje a vágatok sorrendjének megfelelően rendezett vágatfeszültség vektort V Q : Az i-edik ág feszültsége V Q = V Q1. V Qr U i = Q T i V Q, ahol Q i a vágatmátrix i-edik oszlopa. Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 36 / 45

A vágatfeszültségek módszere Az ágfeszültségek oszlopmátrixa: U = Q T V Q Célunk a vágatfeszültségek meghatározása U Z = U U V = Q T V Q U V Fundamentális vágatrendszerre vonatkozó Kirchoff-egyenletből: Q (I A + I Z ) = Q R 1 U Z + Q I A = = Q R 1 Q T V Q Q R 1 U V + Q I A = 0 Rendezve Q G Q T V Q = Q (G U V I A ), ahol G = R 1 Jelölje G Q = Q G Q T a vágatkonduktancia mátrixot, ekkor (A passzív elemek feszültsége) U Z = Q T G 1 Q V Q = G 1 Q Q (G U V I A ) Q (G U V I A ) U V Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 37 / 45

A csomóponti potenciálok módszere A csomóponti potenciálok módszere Válasszuk nullának a hálózat egy-egy komponensében egy-egy csomópont potenciálját! (Összefüggő hálózat esetén csak egy nullpotenciál van) Jelöljük a többi csomópont potenciálját φ 1,..., φ r -rel. Oszlopvektorba rendezve: φ 1 φ =. Meghatározhatók az ágfeszültségek: a k-adik ág feszültsége az ághoz illeszkedő (i) és (j) csomópont potenciáljának különbsége U k = ±(φ i φ j ) φ r (az ág irányításától függően) Ha A k az A csúcsmátrix k-adik oszlopa, akkor U k = A T K φ Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 38 / 45

A csomóponti potenciálok módszere Ágfeszültségek mátrixegyenlete: U = A T φ A csomóponti potenciálok automatikusan kielégítik a huroktörvényt. Az A csúcsmátrix speciális vágatmátrix, a csomóponti potenciálok kiszámítása a vágatfeszültségek meghatározására vezethető vissza: φ = G 1 A A (G U V I A ), ahol G A = A G A T a csomóponti konduktanciamátrix Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 39 / 45

Átviteli mennyiségek Átviteli mennyiségek A hálózat struktúrája sok esetben a következő alakú: Határozzuk meg az U 2 és I 2 kimeneti (szekunder) mennyiségeket az U 1 és I 1 bemeneti (primer) mennyiségek ismeretében! Lineáris hálózat esetében a kimeneti mennyiségek arányosak a bemeneti mennyiségekkel. Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 40 / 45

Átviteli mennyiségek Négy átviteli mennyiség definiálható: W U = U 2 U 1 feszültségátviteli tényező W I = I 2 I1 R T = U 2 I 1 áramátviteli tényező átviteli (transzfer) rezisztencia G T = I 2 U 1 átviteli (transzfer) konduktancia A négy mennyiség nem független egymástól, mivel U 2 = R I 2, és I 2 = G U 2, azaz W U = R G T, és W I = G R T Bemeneti mennyiségek R B = U 1 I 1 G B = I 1 U 1 bemeneti rezisztancia bemeneti konduktancia Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 41 / 45

Átviteli mennyiségek Ha U 1 feszültséggel gerjesztjük a bemenetet: I 1 = G B U 1, U 2 = W U U 1, I 2 = G T U 1 Ha I 1 árammal gerjesztjük a bemenetet: U 1 = R B I 1, U 2 = R T I 1, I 2 = W I I 1 Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 42 / 45

Reciprocitás és szimmetria Reciprocitás és szimmetria Kapcsoljunk az első kapura egy feszültségforrást, a másodikat pedig zárjuk rövidre és mérjük meg az áramokat Kapcsoljunk a második kapura egy feszültségforrást, az elsőt pedig zárjuk rövidre és mérjük meg az áramokat A hálózat a két kapura nézve reciprok, ha I 2 = I 1 ha a hálózat reciprok, és a források árama is megegyezik (I 1 = I 2 ), akkor a hálózat a két kapura nézve szimmetrikus Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 43 / 45

Reciprocitás és szimmetria Kapcsoljunk az első kapura egy áramforrást, a másodikat pedig zárjuk le szakadással és mérjük meg az áramokat Kapcsoljunk a második kapura egy áramforrást, az elsőt pedig zárjuk le szakadással és mérjük meg az áramokat A hálózat a két kapura nézve reciprok, ha U 2 = U 1 ha a hálózat reciprok, és a források feszültsége is megegyezik (U 1 = U 2 ), akkor a hálózat a két kapura nézve szimmetrikus Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 44 / 45

Reciprocitás és szimmetria Tétel A szimmetria feltétele Reciprocitás I 1 U = I 1 2 U, vagy U 2 1 I = U 1 2 I (a két oldalról mért rövidzárási konduktancia, 2 illetve üresjárási rezisztancia megegyezik) Lineáris ellenállásokból álló kétkapu mindig reciprok. Magyar A. (Pannon Egyetem) Elektromosságtan 2010. február 45 / 45