Introduktion till modifierad nodanalys

Relevanta dokument
Kurs 2D1213, laboration 1: Bli bekväm med MATLAB. Michael Hanke. November 6, 2006

Tentamen Elektronik för F (ETE022)

10. Kretsar med långsamt varierande ström

Växelström i frekvensdomän [5.2]

Växelström i frekvensdomän [5.2]

1 Grundläggande Ellära

IF1330 Ellära KK1 LAB1 KK2 LAB2. tentamen

10. Kretsar med långsamt varierande ström

10. Kretsar med långsamt varierande ström

10. Kretsar med långsamt varierande ström

Du behöver inte räkna ut några siffervärden, svara med storheter som V 0 etc.

Sammanfattning av kursen ETIA01 Elektronik för D, Del 1 (föreläsning 1-6)

Tentamen ETE115 Ellära och elektronik för F och N,

Analys av elektriska nät med numeriska metoder i MATLAB

Lösningsförslag Inlämningsuppgift 3 Kapacitans, ström, resistans

Sammanfattning av kursen ETIA01 Elektronik för D, Del 1 (föreläsning 1-10)

Lektion 1: Automation. 5MT001: Lektion 1 p. 1

Bestäm uttrycken för följande spänningar/strömmar i kretsen, i termer av ( ) in a) Utspänningen vut b) Den totala strömmen i ( ) c) Strömmen () 2

Föreläsnng Sal alfa

ETE115 Ellära och elektronik, tentamen april 2006

Extra kursmaterial om. Elektriska Kretsar. Lasse Alfredsson. Linköpings universitet November 2015

Tentamen i Elektronik för E, 8 januari 2010

Komplexa tal. j 2 = 1

2. DC (direct current, likström): Kretsar med tidskonstanta spänningar och strömmar.

Tentamen i Elektronik, ESS010, del1 4,5hp den 19 oktober 2007 klockan 8:00 13:00 För de som är inskrivna hösten 2007, E07

Att använda el. Ellära och Elektronik Moment DC-nät Föreläsning 3. Effekt och Anpassning Superposition Nodanalys och Slinganalys.

Fö 2 - TMEI01 Elkraftteknik Trefas effektberäkningar

IE1206 Inbyggd Elektronik

Spänningsfallet över ett motstånd med resistansen R är lika med R i(t)

Viktigt! Glöm inte att skriva Tentamenskod på alla blad du lämnar in.

Svar och Lösningar. 1 Grundläggande Ellära. 1.1 Elektriska begrepp. 1.2 Kretslagar Svar: e) Slinga. f) Maska

3.4 RLC kretsen Impedans, Z

Tentamen i Elektronik för E (del 2), ESS010, 5 april 2013

Vecka 4 INDUKTION OCH INDUKTANS (HRW 30-31) EM-OSCILLATIONER OCH VÄXELSTRÖMSKRETSAR

TSTE20 Elektronik 01/31/ :24. Nodanalys metod. Nodanalys, exempel. Dagens föreläsning. 0. Förenkla schemat 1. Eliminera ensamma spänningskällor

Vi börjar med en vanlig ledare av koppar.

Föreläsning 29/11. Transienter. Hambley avsnitt

Elektriska komponenter och kretsar. Emma Björk

Lektion 2: Automation. 5MT042: Automation - Lektion 2 p. 1

Tentamen i Elektronik för E, ESS010, 12 april 2010

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

9. Magnetisk energi [RMC 12] Elektrodynamik, vt 2013, Kai Nordlund 9.1

Föreläsning 4, Ht 2. Aktiva filter 1. Hambley avsnitt 14.10, 4.1

Elektronik grundkurs Laboration 1 Mätteknik

Laborationsrapport Elektroteknik grundkurs ET1002 Mätteknik

Spolen och Kondensatorn motverkar förändringar

TSTE05 Elektronik & mätteknik Föreläsning 3 Likströmsteori: Problemlösning

Föreläsning 6: Nätverksoptimering

Ellära. Lars-Erik Cederlöf

Impedans och impedansmätning

Föreläsning 3/12. Transienter. Hambley avsnitt

Kap 3 - Tidskontinuerliga LTI-system. Användning av Laplacetransformen för att beskriva LTI-system: Samband poler - respons i tidsplanet

TSKS06 Linjära system för kommunikation Kursdel Elektriska kretsar. Föreläsning 3

Tentamen på elläradelen i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

TANA17 Matematiska beräkningar med Matlab

Program: DATA, ELEKTRO

Tentamen i Elektronik för F, 13 januari 2006

9. Magnetisk energi Magnetisk energi för en isolerad krets

Växelström K O M P E N D I U M 2 ELEKTRO

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (2:a omtentan), fredag 30 augusti 2013, kl 9:00-14:00

IDE-sektionen. Laboration 5 Växelströmsmätningar

ETE115 Ellära och elektronik, tentamen oktober 2006

Föreläsning 8. Ohms lag (Kap. 7.1) 7.1 i Griffiths

Fö 2 - TMEI01 Elkraftteknik Trefas effektberäkningar

Tentamen i Elektronik för F, 2 juni 2005

Elteknik. Superposition

IE1206 Inbyggd Elektronik

Fö 3 - TSFS11 Energitekniska system Trefassystemet

Maxwells potentialekvation, s.k. nodekvation går ut på att analysera ett nät utifrån potentialerna i nätets noder.

1. Skriv Ohm s lag. 2. Beräkna strömmen I samt sätt ut strömriktningen. 3. Beräkna resistansen R. 4. Beräkna spänningen U över batteriet..

Instruktioner för laboration 2, Elektromagnetism och elektriska nät 1TE025 Elektriska system 1TE014

isolerande skikt positiv laddning Q=CV negativ laddning -Q V V


nmosfet och analoga kretsar

Linköpings Universitet Institutionen för datavetenskap (IDA) UPP-gruppen Arv och polymorfi

Elektronik 2017 EITA35

IE1206 Inbyggd Elektronik

TENTAMEN TEN2 i HF1006 och HF1008

4. Elektromagnetisk svängningskrets

Sven-Bertil Kronkvist. Elteknik. Komplexa metoden j -metoden. Revma utbildning

Tentamen på del 1 i kursen Elinstallation, begränsad behörighet ET

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Ingmar Leisse Industriell Elektroteknik och Automation

Genom att kombinera ekvationer (1) och (3) fås ett samband mellan strömmens och spänningens amplitud (eller effektivvärden) C, (4)

1 Kvadratisk optimering under linjära likhetsbivillkor

IE1206 Inbyggd Elektronik

Fö 1 - TMEI01 Elkraftteknik Trefassystemet

Institutionen för Fysik

AC-kretsar. Växelströmsteori. Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

Tentamen eem076 Elektriska Kretsar och Fält, D1

ETE115 Ellära och elektronik, tentamen januari 2008

Fö 3 - TSFS11 Energitekniska system Trefassystemet

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 1 den 18 oktober, 2010, kl

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Olof Samuelsson Industriell Elektroteknik och Automation

Laboration 1 Elektriska kretsar Online fjärrstyrd laborationsplats Blekinge Tekniska Högskola (BTH)

IF1330 Ellära KK1 LAB1 KK2 LAB2. tentamen

TENTAMEN HF1006 och HF1008

Laborationsrapport. Kurs Elinstallation, begränsad behörighet. Lab nr 2. Laborationens namn Växelströmskretsar. Kommentarer. Utförd den.

Införa begreppen ström, strömtäthet och resistans Ohms lag Tillämpningar på enkla kretsar Energi och effekt i kretsar

Linköpings Universitet Institutionen för datavetenskap (IDA) UPP-gruppen Arv och polymorfi

TENTAMEN HF1006 och HF1008

Transkript:

Introduktion till modifierad nodanalys Michael Hanke 12 november 213 1 Den modifierade nodanalysen (MNA) Den numeriska simuleringen av elektriska nätverk är nära besläktad med nätverksmodellering. En väletablerad nätverksmodell är att använda grafer med grenar och noder. Varje gren representerar då en elektronisk komponent kopplad till grenens noder (Se det enkla exemplet i figur 1). De enklaste komponenterna i ett nätverk beskrivs fullständigt genom samband mellan en grens ström och spänning (t ex resistorer, kondensatorer, induktorer samt (oberoende) spännings- och strömkällor). Dessa beskrivande samband mellan ström och spänning kallas karakteristiska ekvationer. Tillståndet för ett nätverk vid en given tidpunkt beskrivs helt av grenspänningarna, grenströmmarna och nodpotentialerna. Nodpotentialerna är dock endast bestämda upp till en konstant och en nod tilldelas därför spänningen V. Denna nod kallas massnod eller jord. De andra potentialerna ges då i förhållande till denna nod (och blir då unika). För att nätverksmodellen skall vara komplett så måste komponenternas topologi (dvs deras ömsesidiga sammankoppling) beaktas. Antar vi att kopplingarna mellan kretsens komponenter samt noderna är helt förlustfria så kan topologin beskrivas med Kirchhoffs lagar. Alltså består närverksmodelleringen av två steg: 1. Beskriv nätverkskomponenterna. 2. Applicera Kirchoffs lagar. 1.1 Nätverkskomponenter För att göra det enkelt för oss kommer vi endast att behandla okontrollerade komponenter med två anslutningar. Dessutom antas komponenterna vara linjära. Varje 1

Figure 1: A sample circuit: Schematic of a low-pass filter grenspänning skrivs som v medan grenströmmar skrivs som i. Observera att båda kan vara såväl positiva som negativa beroende på grenens riktning. Passiva komponenter Inom nätverksmodellering skiljer man mellan tre olika typer av passiva komponenter: resistorer, kondensatorer och induktorer. De karakteristiska ekvationerna beskrivs av: Resistorer begränsar det elektriska flödet enligt lagen v = Ri, där R är resistansens värde. Ibland skrivs sambandet som i = Gv där G = 1/R kallas konduktans. Kondensatorer binder energi i ett elektriskt fält. Detta beskrivs av sambandet q= Cv där q är den elektriska laddningen och C är kapacitansen. De karakteristiska ekvationerna för förhållandet mellan ström och spänning ges av i= dt d dv q= C dt (om C är konstant). Induktorer binder energi i ett elektromagnetiskt fält enligt Φ = Li där Φ är det magnetiska flödet och L är induktansen. De karakteristiska ekvationerna 2

för förhållandet mellan ström och spänning ges av v= dt d di Φ=L dt (om L är konstant). Oberoende källor Vi antar för enkelhets skull att oberoende källor är de enda aktiva komponenterna. Generaliseringen till beroende källor är rättfram. Spänningskälla Det karakteristiska sambandet för en spänningskälla ges av v = E där E är källans styrka. Observera att v beror inte på grenströmmen i. Strömkälla Det karakteristiska sambandet för en strömkälla ges av i=i där I är källans styrka. Observera att i beror inte på grenspänningen v. 1.2 Kirchhoffs lagar Beteendet hos ett elektriskt nätverk bestäms helt av Kirchoffs lagar. Om vi betraktar en nod med inkommande grenströmmar i 1,...,i l, så kan vi beskriva Kichoffs strömlag (KCL) med i 1 + +i l =, dvs summan av alla inkommande strömmar till en nod är noll. Om vi tänker oss en loop med grenspänningar v 1,...,v m, så kan vi formulera Kirchoffs spänningslag (KVL) som v 1 + +v m =, dvs summan av alla grenspänningar i en loop är noll. I ett verkligt nätverk finns det många noder och loopar. För att kunna beskriva en krets topologi måste vi skriva ned KCL och KVL för varje nod och loop i kretsen. Det blir då uppenbart att vi måste ha ett systematiskt sätt att härleda alla ekvationer. Lyckligtvis existerar det en elegant beskrivning av ekvationerna som använder kretsens (reducerade) incidensmatris A. Antag att vi har en krets med n+1 noder och b grenar. Numrera noderna och grenarna som följande: Den jordade noden utesluts här. Definiera en riktning för varje gren, dvs definiera en start- och en slutnod. Den reducerade 1 incidensmatrisen beskriver vilka noder som tillhör varje gren: a i j = 1, om gren j har startnod i 1, om gren j har slutnod i, else Det är nu bekvämt att samla alla grenströmmar i en vektor 2 i = [i 1,i 2,...,i b. Den kompakta formuleringen för KCL blir då Ai=. 1 Uttrycket reducerad kommer av att den jordade noden är utelämnad. 2 Alla vektorer antas vara kolumnvektorer. För att efterlikna MATLAB-notationen markeras en transponerad vektor eller matris med apostrof: A T = A. 3.

Incidensmatrisen tillåter dessutom en enkel beskrivning av sambandet mellan nodpotentialer och grenspänningar. Om v=[v 1,v 2,...,v b är vektorn med grenspänningar och e = [e 1,e 2,...,e n är vektorn med nodpotentialer (exklusive jorden), så gäller sambandet v=a e. 1.3 Nätverksanalys Låt som förut i vara vektorn med grenströmmar och v vara vektorn med grenpotentialer. Första steget är att skriva ner nätverksekvationerna och de karakteristiska ekvationerna som beskrevs i föregående sektioner. Vi får då ett system med dimensionen 2b+n för de okända variablerna i,v,e. Den så kallade modifierade nodanalysen (MNA) behöver ett mycket mindre antal obekanta. I detta fall ersätter man grenströmmarna för alla strömdefinierande komponenter (konduktorer, resistorer 3, strömkällor) med sina karakteristiska ekvationer. Grenspänningarna ersättes med nodpotentialerna. Det är praktiskt att dela upp incidensmatrisen efter vilken komponenttyp grenarna tillhör. Enligt definitionen av incidensmatrisen motsvarar varje kolumn i A en gren. Vi antar attgrenarna är numrerade i följande ordning: resistiva grenar, kapacitiva grenar, induktiva grenar, grenar med spänningskällor, och till sist grenar med strömkällor. Matrisen A kan då skrivas på blockform: A=[A R,A C,A L,A V,A I, där indexen står för resistiv (R), kapacitiv (C), induktiv (L), spänningskällor (V) samt strömkällor (I). Använder vi de karakteristiska ekvationerna får vi följande system: A C d dt CA C e+a RGA R e+a Li L + A V i V = A I I, d dt Li L A L e =, Vi använder här följande notation: A V e = E. i V är vektorn med grenströmmar genom spänningskällor. i L är vektorn med grenströmmar genom induktorer. 3 med konduktansformulering! 4

I är vektorn med strömkällornas värden. E är vektorn med spänningskällornas värden. C är den diagonala matrisen med kapacitanser. G är den diagonala matrisen med konduktanser (inversen av resistans). L är den diagonala matrisen med induktanser. De okända variablerna i det klassiska MNA-systemet är nodspänningarna e, strömmarna genom spänningskällor i V, och strömmarna genom induktorer i L.Alltså har antalet obekanta minskat drastiskt. I matrisformulering kan systemet skrivas som A C CA C L d dt e i L i V + A R GA R A L A V A L A V e i L i V = A I I E Detta system består av differentialekvationer (för e 4 och i L ) samt ekvationer som inte innehåller några derivator av de obekanta. Ett sådant system kallas för en differential-algebraisk ekvation och spelar en viktig roll inte bara inom kretssimulering. DC-analys När vi genomför en DC-analys antar vi att nätverket endast består av resistorer samt ström- och spänningskällor. Kondensatorer och induktorer måste ersättas med sina likströmsmotsvarigheter, dvs en kondensator är en perfekt isolator medan en induktor är en perfekt ledare. För att förenkla notationen antar vi att nätverket inte innehåller några kondensatorer eller induktorer överhuvudtaget. Matrisen framför derivatirna bli således en matris med nollor och MNA-systemet reduceras till [ AR GA R A V A V [ e i V = [ AI I E Detta är ett linjärt ekvationssystem. Under vissa förutsättningar på nätverkets topologi blir systemmatrisen icke-singulär och systemet har en unik lösning. Exempel Betrakta den elektriska kretsen i figur 2. Vi räknar de resistiva grenarna först, sedan grenarna med spänningskällor och sist grenarna med stömkällor. Låt gren i vara grenen genom resistor R i, för i=1,2,3,4. Gren 5 är spänningskällan och gren 6 består av strömkällan. Detta ger oss incidensmatriserna 4 Egentligen bestäms inte alla nodspänningar av differentialekvationer då A C CA C är en singulär matris. Detta beskrivs mer detaljerat senare i kursen. 5..

Figure 2: A resistive network A R = +1 +1 1 +1 +1 1,A V = +1,A I = 1 Låt för enkelhets skull alla resistanserna vara lika med 1Ω. Systemet blir då 2 1 e 1 1 3 1 e 2 1 1 1 e 3 = 1. 1 i V 9 AC-analys Vi antar här att alla källor är harmoniska och har samma frekvens f, dvs de lyder under sambanden v(t)= ˆV sinωt,i(t)= Î sinωt där ω = 2π f. Istället för att använda amplituden är det vanligt att arbeta med effektiva värden V = ˆV/ 2,I = Î/ 2. Det är här bekvämt att använda sig av komplexvärda storheter. Istället för triginometriska funktioner använder vi då komplexa tal. Från de Moivres formel kan, 6

tidsberoende spänningar och strömmar skrivas som real- eller imaginärdelen av e jωt skalad med ˆV respektive Î. Sambandet mellan kapacitans och resistans kan då förenklas till d dt e jωt = jωe jωt, v=zi, vilket liknar Ohms lag för resistorer. Den komplexa motsvarigheten till resistans kallas impedans. Att använda detta synsätt i analysen av RLC-kretsar kallas jωmetoden. Impedansen räknas enkelt ut med följande samband: Resistor Z = R Kondensator Z = 1 jωc Induktor Z = jωl Vi återgår nu till MNA-ekvationerna, där induktiva och kapacitiva grenar nu kan hanteras på samma sätt som de resistiva grenarna genom att ersätta resistans med impedans. Inversen av impedansen Z kallas för admittansen Y. Låt Y R,Y C,Y L vara de diagonala matriserna med admittanser för de resistiva, kapacitiva och konduktiva grenarna. Då gäller att 5 [ AR Y R A R + A CY C A C + A LY L A L A V A V [ e i V = [ AI I E Ström- och spänningsvektorerna innehåller nu effektiva värden. Exempel Betrakta RLC-kretsen i figur 3. Numrera grenarna som tidigare. Vi får nu följande matriser:. A R = +1 +1,A C = +1 1,A L = +1 1,A V = +1,A I = 1, och [ 1/R1 Y R = 1/R 4,Y C =[ jωc,y L =[1/( jωl). 5 Speciellt gäller, Y R = G. 7

Figure 3: A simple RLC circuit Strömberäkning, eller: hur konstruerar vi en amperemeter? Ett återstående problem i MNA-analysen är att vi endast har ett fåtal strömmar att tillgå. Om vi t ex är intresserade av att veta strömmen genom en resistiv gren så ges denna inte av NMA-analysen, trots att vi helt kan beskriva nätverkets tillstånd. Ett trick är då att seriekoppla en spänningskälla på V med resistansen. Denna spänningskälla påverkar inte nätverkets tillstånd men enligt KCL är strömmen genom spänningskällan densamma som genom resistorn. Alltså fungerar spänningskällor på V som amperemetrar. 8