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elektrotechnik_1:analyse_von_gleichstromnetzen [2020/11/12 22:55] – tfischer | elektrotechnik_1:analyse_von_gleichstromnetzen [2023/09/19 22:28] (aktuell) – mexleadmin | ||
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- | <callout type=" | + | ====== 4 Analyse von Gleichstromnetzen ====== |
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- | Aufgrund des verkürzten Semesters ist für das WiSe2020 nur das Unterkapitel [[analyse_von_gleichstromnetzen# | + | |
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- | ====== 4. Analyse von Gleichstromnetzen ====== | + | |
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- | Die {{wpde> | + | Die Netzwerkanalyse nimmt in der Elektrotechnik eine zentrale Rolle ein. Sie ist deswegen so wichtig, weil damit die auf den ersten Blick komplizierte Schaltungen und Systeme soweit vereinfacht werden können, um diese zu verstehen und Ergebnisse daraus ableiten zu können. |
Daneben sind kommen Netzwerke auch in anderen Bereichen vor, zum Beispiel dem Kraftfluss durch ein Fachwerk oder dem Wärmefluss durch einzelne Hardware-Elemente (<imgref BildNr1> | Daneben sind kommen Netzwerke auch in anderen Bereichen vor, zum Beispiel dem Kraftfluss durch ein Fachwerk oder dem Wärmefluss durch einzelne Hardware-Elemente (<imgref BildNr1> | ||
+ | Auf der {{wpde> | ||
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- | ===== 4.1 Einführung in die notwendigen Begriffe | + | <callout type=" |
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+ | Aufgrund des verkürzten Semesters ist für das WiSe2020 nur das Unterkapitel [[analyse_von_gleichstromnetzen# | ||
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+ | ===== 4.1 Vorarbeiten zur Netzwerkanalyse ===== | ||
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+ | ==== Vorbereitung der Schaltung | ||
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- | Erklärung zu Knoten, Zweig, Masche, Graph, vollständiger Baum | + | < |
- | {{youtube>c7z1pRCzEuw}} | + | </ |
+ | {{drawio>VorbereitungDerSchaltung}} | ||
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+ | Bevor die Netzwerkanalyse angegangen werden kann, muss die Schaltung geeignet vorbereitet werden (vgl. <imgref BildNr10> | ||
+ | - Kläre was gegeben und was gesucht ist | ||
+ | - Zeichne eine Schaltung | ||
+ | - Füge Zählpfeile ein. Wenn nicht bereits gegeben, dann: | ||
+ | - Zeichne zunächst bei allen Quellen Strom- und Spannungspfeile nach dem Erzeugerpfeilsystem ein | ||
+ | - Lege danach die Strompfeile an den übrigen Zweigen beliebig fest | ||
+ | - Zeichne abschließend die Spannungspfeile an den Verbrauchern nach dem Verbraucherpfeilsystem ein | ||
+ | - Wähle geeignete Strom- und Spannungsbezeichnungen. Wenn nicht bereits gegeben, dann: | ||
+ | - Zähle günstigerweise Indizes stetig hoch, d.h. eine Zahl pro Element (Quelle oder Verbraucher) | ||
+ | - Füge keine Vorzeichen vor den Bezeichnern in der Schaltung ein | ||
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+ | In realen Anwendungen bietet es sich an die Anzahl der Variablen ("was ist gesucht?" | ||
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+ | Nicht selten hilft es die Zeichnung mehrmals (zumindest im Kopf) zu zeichnen, um hinreichend viel Platz für die Bezeichner zu haben (vgl. <imgref BildNr10> | ||
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+ | ==== Graph und Bäume ==== | ||
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+ | {{drawio> | ||
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+ | Im Kapitel [[einfache_gleichstromkreise# | ||
+ | In <imgref BildNr11> | ||
+ | Wichtig hierbei ist aber: In diesem Graph werden nur die (echten) Knoten eingezeichnet. Knoten sind ja nach Definition die Verbindung von __mehr als zwei__ Zweigen. Entsprechend ist die Verbindung zwischen $R_{10}$ und $R_7$ __kein Knoten__ ((gelegentliche werden solchen Verbindungen " | ||
+ | |||
+ | Ein Begriff der bisher noch nicht aufgetaucht ist, ist der des vollständigen Baums. Hierzu ist etwas (mathematische) Graphentheorie gefragt. Auch dort werden die Begriffe Knoten und Maschen so genutzt wie bisher. Ein **Baum** ist dabei eine spezielle Art eines Graphen. Der Graph in <imgref BildNr11> | ||
+ | Ein Baum ist nun gerade dadurch gekennzeichnet, | ||
+ | Bei den verschiedenen Bäumen gibt es nun welche, bei denen jeder Knoten zwei oder weniger Maschen verbindet.((hier wird nun vom bisherigen elektrotechnischen Begriff des Knotens (= Verbindung von mehr als 2 Zweigen) abgewichen. Der mathematische Begriff des Knotens hat diese Einschränkung nicht)) Diese werden **vollständige Bäume** (gelegentlich auch {{wpde> | ||
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+ | Baum 3 in <imgref BildNr11> | ||
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+ | Die Zweige in vollständigen Bäume werden nun nach ihrer Zugehörigkeit unterschieden: | ||
+ | * **Baumzweige** gehören zum vollständigen Baum (durchgezogene Linien in <imgref BildNr11> | ||
+ | * **Verbindungszweige** gehören nicht zum vollständigen Baum (gepunktete Linien in <imgref BildNr11> | ||
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+ | Warum ist der Schwenk in die Graphentheorie nun sinnvoll? Der Trick ist, dass durch die Definition des vollständigen Baumes gerade alle Maschen entfernt wurden. Umgekehrt kann durch jeden Verbindungszweig eine neue (unabhängige) Masche erstellt werden. Wird also die Anzahl an unabhängigen Maschengleichungen $m$ gesucht, so ist dies gerade gleich der Anzahl der Verbindungszweige. | ||
+ | |||
+ | Dazu muss wie folgt vorgegangen werden: | ||
+ | - Ermittle die Anzahl der (echten) Knoten $k$ | ||
+ | - Ermittle die Anzahl der Zweige $z$ | ||
+ | - Die Anzahl der Baumzweige $b$ ist nun $k-1$. (jeder Knoten wird nur einmal durchlaufen; | ||
+ | - Die Anzahl der Verbindungszweige $v$ ist gegeben durch "Alle Zweige minus Baumzweige": | ||
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+ | Die Anzahl der unabhängigen Maschengleichungen $m$ ist also durch Abzählen der Knoten $k$ und Zweige $z$ über $m = v = z - k + 1$ auffindbar. | ||
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+ | Diese Erklärung kann auch in [[https:// | ||
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===== 4.2 Zweigstromverfahren ===== | ===== 4.2 Zweigstromverfahren ===== | ||
- | Im Zweigstromverfahren werden: | + | <WRAP right> |
- | * für alle Knoten k jeweils die Gleichung: $\sum\limits_{i=0}^{N_i}{I_i}=0$ und | + | < |
- | * für alle Maschen m jeweils die Gleichung: $\sum\limits_{j=0}^{N_j}{U_j}=0$ aufgeschrieben | + | </ |
+ | {{drawio> | ||
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+ | |||
+ | Im Zweigstromverfahren werden | ||
+ | * für alle Knoten k jeweils die Gleichung: $\sum_{k=0}^{N_k}{I_k}=0$ | ||
+ | * für alle unabhängige | ||
+ | |||
+ | Damit bildet sich ein lineares Gleichungssystem. Dieses kann dann als Matrixgleichung betrachtet werden und mit den Regeln der (mathematischen) Kunst gelöst werden. | ||
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+ | <WRAP onlyprint> | ||
+ | Für das Beispiel (<imgref BildNr12> | ||
+ | |||
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+ | |||
+ | Die Matrizen müssen noch bei den Spannungs- und Stromquellen korrigiert werden!! | ||
+ | |||
+ | <WRAP group>< | ||
+ | === Beispiel für Knotengleichungen === | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | \sum\limits_{k=0}^{N_k}{I_k}=0 \\ \\ | ||
+ | | ||
+ | |||
+ | Aufstellen der einzelnen Gleichungen: | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | \scriptsize\text{Knoten ' | ||
+ | \scriptsize\text{Knoten ' | ||
+ | \scriptsize\text{Knoten ' | ||
+ | \scriptsize\text{Knoten ' | ||
+ | \scriptsize\text{Knoten ' | ||
+ | \scriptsize\text{Knoten ' | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | |||
+ | Sortieren der Ströme in Spalten: | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | \begin{smallmatrix} | ||
+ | \text{Knoten ' | ||
+ | \text{Knoten ' | ||
+ | \text{Knoten ' | ||
+ | \text{Knoten ' | ||
+ | \text{Knoten ' | ||
+ | \text{Knoten ' | ||
+ | \end{smallmatrix} | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | |||
+ | Aufstellen der Matrix: | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | |||
+ | \left( \begin{smallmatrix} | ||
+ | -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -1 & -1 & 0 \\ | ||
+ | +1 & -1 & 0 & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ | ||
+ | 0 & +1 & -1 & 0 & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ | ||
+ | 0 & 0 & 0 & 0 & +1 & -1 & 0 & 0 & 0 & -1 \\ | ||
+ | 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & +1 & +1& -1 & 0 & 0 \\ | ||
+ | 0 & 0 & -1 & +1 & 0 & 0 & -1& 0 & +1 & +1 \\ | ||
+ | \end{smallmatrix} \right) | ||
+ | \left( \begin{smallmatrix} | ||
+ | I_0 \\ I_1 \\ I_2 \\ I_3 \\ I_4 \\ I_5 \\ I_6 \\ I_7 \\ I_9 \\ I_{11} | ||
+ | \end{smallmatrix} \right) = \vec{0} | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | |||
+ | </ | ||
+ | === Beispiel für Maschengleichungen === | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | \sum\limits_{m=0}^{N_m}{U_m}=0 \\ \\ | ||
+ | | ||
+ | |||
+ | Aufstellen der einzelnen Gleichungen: | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | \scriptsize\text{Masche ' | ||
+ | \scriptsize\text{Masche ' | ||
+ | \scriptsize\text{Masche ' | ||
+ | \scriptsize\text{Masche ' | ||
+ | \scriptsize\text{Masche ' | ||
+ | \quad \\ | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | |||
+ | Sortieren der Spannungen in Spalten: | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | \begin{smallmatrix} | ||
+ | \text{Masche ' | ||
+ | \text{Masche ' | ||
+ | \text{Masche ' | ||
+ | \text{Masche ' | ||
+ | \text{Masche ' | ||
+ | \quad \\ \quad \\ | ||
+ | \end{smallmatrix} | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | |||
+ | Aufstellen der Matrix, hierbei aber $U_m = R_x \cdot I_m$ beachten: | ||
+ | \begin{align*} | ||
+ | |||
+ | \left( \begin{smallmatrix} | ||
+ | -R_0 & 0 & 0 & +R_3 & 0 & 0 & 0 & -R_9 & 0 & 0 \\ | ||
+ | 0 & +R_1 & -R_2 & -R_3 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ | ||
+ | 0 & 0 & +R_2 & 0 & +R_4 & 0 & 0 & 0 & 0 & -R_{11} | ||
+ | 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & +R_5 &-R_6 & 0 & 0 & +R_{11} | ||
+ | 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 &+R_6 & | ||
+ | \end{smallmatrix} \right) \cdot | ||
+ | \left( \begin{smallmatrix} | ||
+ | I_0 \\ I_1 \\ I_2 \\ I_3 \\ I_4 \\ I_5 \\ I_6 \\ I_7 \\ I_9 \\ I_{11} | ||
+ | \end{smallmatrix} \right) = \vec{0} | ||
+ | \quad \\ | ||
+ | \end{align*} | ||
+ | </ | ||
+ | </ | ||
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+ | Diese Matrizen lassen sich z.B. über das {{wpde> | ||
+ | ~~PAGEBREAK~~ ~~CLEARFIX~~ | ||
- | Diese können dann als Matrixgleichung betrachtet werden und mit den Regeln der (mathematischen) Kunst gelöst werden. | + | === weiteres Beispiel in Videos === |
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&= \vec{s_1} + \vec{s_2} | &= \vec{s_1} + \vec{s_2} | ||
\end{align*} | \end{align*} | ||
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+ | <callout icon=" | ||
+ | In einem physikalischen System, in dem Wirkung und Ursache linear zusammenhängen, | ||
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> Die Ströme in den Zweigen in einem linearen Netzwerk sind gleich der Summe der Teilströme in den betreffenden Zweigen, die durch die einzelnen Quellen hervorgerufen werden. | > Die Ströme in den Zweigen in einem linearen Netzwerk sind gleich der Summe der Teilströme in den betreffenden Zweigen, die durch die einzelnen Quellen hervorgerufen werden. | ||
+ | <WRAP group> <WRAP half column> | ||
Im Überlagerungsverfahren kann also der gesuchte Strom (bzw. die gesuchte Spannung) in einer Schaltung mit mehreren Quellen als Überlagerung der entstehenden Ströme (bzw. Spannungen) der einzelnen Quellen betrachtet werden. | Im Überlagerungsverfahren kann also der gesuchte Strom (bzw. die gesuchte Spannung) in einer Schaltung mit mehreren Quellen als Überlagerung der entstehenden Ströme (bzw. Spannungen) der einzelnen Quellen betrachtet werden. | ||
Das " | Das " | ||
- | - Wähle nächste Quelle | + | - Wähle nächste Quelle |
- Ersetze alle ideale Quellen durch ihre jeweiligen Ersatzwiderstände: | - Ersetze alle ideale Quellen durch ihre jeweiligen Ersatzwiderstände: | ||
- ideale Spannungsquellen durch Kurzschlüsse | - ideale Spannungsquellen durch Kurzschlüsse | ||
- ideale Stromquellen durch eine offene Leitung | - ideale Stromquellen durch eine offene Leitung | ||
- Berechne die gesuchten Teilströme in den betrachteten Zweigen. | - Berechne die gesuchten Teilströme in den betrachteten Zweigen. | ||
- | - Gehe zur nächsten Quelle | + | - Gehe zur nächsten Quelle |
- Addiere die Teilströme in den betrachteten Zweigen unter Beachtung des richtigen Vorzeichens | - Addiere die Teilströme in den betrachteten Zweigen unter Beachtung des richtigen Vorzeichens | ||
- | + | Dieses Vorgehen | |
- | <WRAP group> <WRAP half column> | + | |
- | + | ||
- | Im Video 1 wird das Superpositionsprinzips anhand eines einfachen Beispiels | + | |
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einfache Betrachtung des Superpositionsprinzips | einfache Betrachtung des Superpositionsprinzips | ||
{{youtube> | {{youtube> | ||
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- | <WRAP group> <WRAP half column> | ||
- | Auch im Video 2 wird anhand eines Beispiels das Überlagerungsverfahren angewandt. | ||
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komplexeres Beispiel für das Überlagerungsverfahren | komplexeres Beispiel für das Überlagerungsverfahren | ||
{{youtube> | {{youtube> | ||
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+ | === Beispiel === | ||
- | ====Tipps==== | + | <WRAP right> |
- | - Auf der [[https://de.wikipedia.org/ | + | < |
+ | </imgcaption> | ||
+ | {{drawio> | ||
+ | </WRAP> | ||
- | ===== Aufgaben ===== | ||
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<WRAP group>< | <WRAP group>< | ||
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- | <panel type=" | + | {{page> |
- | <WRAP group>< | + | {{page>aufgabe_4.5.3& |
+ | {{page>aufgabe_4.5.4& | ||
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