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Als Netzwerkanalyse bezeichnet man in der Elektrotechnik die Vorgehensweise in einem Netzwerk siehe Bild aus den bekannten Werten der Schaltelemente sowie den vorgegebenen Quellgrossen alle Strome und Spannungen zu berechnen Von Hand und mit analytischen Methoden konnen mit realistischem Aufwand nur lineare Systeme untersucht werden Die rechnergestutzte Schaltungssimulation dagegen beruht vorwiegend auf iterativen Naherungsverfahren benotigt sehr viele Rechenschritte kann aber auch mit nichtlinearen Bauelementen umgehen Einfaches elektrisches Netzwerk bestehend aus zwei Maschen und folgenden Bauelementen 2 Spannungsquellen und 4 Widerstande Inhaltsverzeichnis 1 Allgemein 2 Zweigstromanalyse 3 Uberlagerungsverfahren nach Helmholtz 4 Maschenstromverfahren 5 Knotenpotentialverfahren 6 Widerstandswurfel 7 Siehe auch 8 Literatur 9 EinzelnachweiseAllgemein BearbeitenIn einem Netzwerk sind die Zusammenhange zwischen allen auftretenden Stromen bzw allen auftretenden Spannungen durch die nach dem deutschen Physiker Gustav Robert Kirchhoff benannten kirchhoffschen Regeln beschrieben Der Zusammenhang zwischen Strom und Spannung ist durch das ohmsche Gesetz beschrieben welches die Bauelementegleichung von Widerstanden beschreibt Voraussetzung sind lineare Schaltelemente und eine lineare Kennlinie im Gegensatz z B zur Diode Bei nicht reellen Widerstanden wird die sogenannte komplexe Rechnung erforderlich So lasst sich auch eine Analyse fur Wechselspannung durchfuhren wobei jede betrachtete Frequenz einzeln zu berechnen ist Damit eine Netzwerkanalyse moglich ist werden in dem Netzwerk Knotenpunkte Zweige und Maschen definiert Mithilfe der kirchhoffschen Regeln und den Strom Spannungs Beziehungen der Zweipole konnen ihnen dann Gleichungen zugeordnet werden Damit die mathematischen Gleichungssysteme zu einer eindeutigen Losung fuhren mussen die jeweiligen Gleichungen voneinander unabhangig sein nbsp Knoten 1 des NetzwerksEin Knotenpunkt ist dabei ein Punkt im Netzwerk in dem eine Stromverzweigung auftritt Wenn ein Netzwerk k displaystyle k nbsp Knotenpunkte besitzt dann gibt es insgesamt nur k 1 displaystyle k 1 nbsp unabhangige Knotengleichungen Eine hiervon in dem gezeigten Beispiel ist I 1 I 2 I 3 0 displaystyle I 1 I 2 I 3 0 nbsp nbsp Zweig 1 des NetzwerksEin Zweig ist die Verbindung zweier Knoten durch Zweipolelemente Wenn das Netzwerk z displaystyle z nbsp Zweige besitzt dann gibt es insgesamt auch z displaystyle z nbsp unabhangige Zweiggleichungen Im dargestellten Beispiel sind die Zweiggleichungen nach Ausnutzung der Bauelementgleichungen U z 1 R 1 I 1 U q 1 displaystyle U z1 R 1 cdot I 1 U q1 nbsp U z 2 R 2 I 2 displaystyle U z2 R 2 cdot I 2 nbsp U z 3 R 3 I 3 R 4 I 3 U q 2 displaystyle U z3 R 3 cdot I 3 R 4 cdot I 3 U q2 nbsp Als vollstandigen Baum bezeichnet man ein Gerust aus Zweigen welches alle Knoten verbindet wobei kein Knoten zweimal beruhrt werden darf Anschaulich ausgedruckt die gebildete Struktur darf keine Moglichkeiten bieten um im Kreis zu gehen Fur den Baum sind verschiedene Varianten moglich Insgesamt sind bei einem vollstandig vermaschten Netzwerk jeder Knoten hat einen Zweig zu jedem anderen Knoten k k 2 displaystyle k k 2 nbsp Varianten denkbar Im vorliegenden Beispiel ergeben sich drei unterschiedliche Baume da mehr als ein Zweig zwei Knoten miteinander verbindet nbsp Die einzelnen Zweige im Baum werden Baumzweige oder Aste genannt Wegen des Aufbaus des Baumes gibt es a k 1 displaystyle a k 1 nbsp Aste Alle Zweige die nicht zum Baum gehoren bezeichnet man als Sehnen oder auch Verbindungszweige Deren Anzahl entspricht der Zahl unabhangiger Maschengleichungen z k 1 displaystyle z k 1 nbsp die mit Hilfe des Maschensatzes aufgestellt werden konnen nbsp Masche 2 des NetzwerksEine Masche ist ein uber Zweige geschlossener Umlauf Fur eine einfache Analyse sollte stets ein Umlauf uber nur eine Sehne bzw einen Verbindungszweig gewahlt werden Fur den Fortlauf wird dieser Weg genutzt Der Umlaufsinn der m displaystyle m nbsp unabhangigen Maschen kann willkurlich festgelegt werden ist jedoch relevant fur spatere Berechnungen Im Beispiel sind die folgenden zwei Maschenumlaufe gewahlt M 1 U q 1 U 1 U 2 0 displaystyle M1 colon U q1 U 1 U 2 0 nbsp M 2 U q 2 U 3 U 4 U 2 0 displaystyle M2 colon U q2 U 3 U 4 U 2 0 nbsp Somit existieren k 1 displaystyle k 1 nbsp unabhangige Knotengleichungen m z k 1 displaystyle m z k 1 nbsp unabhangige Maschengleichungen und fur jeden Zweig eine Zweipolgleichung also z displaystyle z nbsp Zweipolgleichungen Mit diesem Gleichungssystem aus 2 z displaystyle 2z nbsp Gleichungen lassen sich deshalb alle 2 z displaystyle 2z nbsp gesuchten Grossen d h alle z displaystyle z nbsp Zweigstrome und alle z displaystyle z nbsp Zweigspannungen eindeutig ermitteln Zweigstromanalyse BearbeitenLineare elektrische NetzwerkeIdeales Element nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp Elektrisches Bauelement nbsp nbsp nbsp nbsp Reihen und Parallelschaltung nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp Netzwerkumformungen nbsp nbsp nbsp nbsp Generatorsatze Netzwerksatze nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp Methoden der Netzwerkanalyse nbsp nbsp nbsp Zweitor Parameter nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp nbsp Zur Losung mittels Zweigstromanalyse werden alle unabhangigen Knotengleichungen und die unabhangigen Maschengleichungen aufgestellt Anschliessend werden diese sortiert indem man diese nach Strom Widerstand auf der einen Seite der Gleichung und Spannungen auf der anderen Seite aufreiht Als Ergebnis erhalt man ein lineares Gleichungssystem Im gezeigten obigen Beispiel folgt hiermit dann in geordneter Reihenfolge Knotengleichung 1 Maschengleichung 1 und Maschengleichung 2 K 1 I 1 I 2 I 3 0 displaystyle K1 colon I 1 I 2 I 3 0 nbsp M 1 I 1 R 1 I 2 R 2 U q 1 displaystyle M1 colon I 1 R 1 I 2 R 2 U q1 nbsp M 2 I 2 R 2 I 3 R 3 I 3 R 4 U q 2 displaystyle M2 colon I 2 R 2 I 3 R 3 I 3 R 4 U q2 nbsp In Matrixschreibweise lautet nun das Gleichungssystem 1 1 1 R 1 R 2 0 0 R 2 R 3 R 4 I 1 I 2 I 3 0 U q 1 U q 2 displaystyle begin pmatrix 1 amp 1 amp 1 R 1 amp R 2 amp 0 0 amp R 2 amp R 3 R 4 end pmatrix cdot begin pmatrix I 1 I 2 I 3 end pmatrix begin pmatrix 0 U q1 U q2 end pmatrix nbsp Zur Losung des linearen Gleichungssystems gibt es Standardmethoden die hierfur genutzt werden konnen Kleinere Gleichungssysteme lassen sich analytisch von Hand losen fur umfangreichere Schaltkreise werden numerische Methoden Computerprogramme verwendet Uberlagerungsverfahren nach Helmholtz BearbeitenDas Uberlagerungsverfahren beruht auf dem Superpositionsprinzip bei linearen Systemen Vorgehen Bis auf eine Quelle werden alle anderen entfernt Spannungsquellen werden durch Kurzschlusse ersetzt bzw Stromquellen als Unterbrechung gesehen Die Innenwiderstande der Quellen verbleiben jedoch in der Schaltung Die gesuchten Teilstrome mit der verbliebenen Quelle werden berechnet Das Vorgehen wird fur jede andere Quelle wiederholt Zum Schluss wird die vorzeichenrichtige Addition der errechneten Teilstrome fur die betrachteten Zweige durchgefuhrt Ergebnis Der gesuchte Teilstrom wurde ermittelt Maschenstromverfahren Bearbeiten Hauptartikel Maschenstromverfahren Mit zunehmender Komplexitat steigt der Aufwand zur Berechnung des Netzwerks mit der Zweigstromanalyse Eine Reduzierung des Rechenaufwands ergibt sich durch das Maschenstromverfahren auch als Schleifenanalyse bekannt nbsp Wien Brucke nbsp In das Baum Diagramm eingezeichnete MaschenVorgehen Kurzform Netzwerk vereinfachen Baum wahlen ideale Stromquellen als Sehne Nicht ideale Stromquellen in eine aquivalente Spannungsquelle umwandeln Maschen festlegen Matrix aufstellen r 11 r 1 n r n 1 r n n i M 1 i M n u q M 1 u q M n displaystyle begin pmatrix r 11 amp dots amp r 1n vdots amp ddots amp vdots r n1 amp dots amp r nn end pmatrix cdot begin pmatrix i M1 vdots i Mn end pmatrix begin pmatrix u qM1 vdots u qMn end pmatrix nbsp r i i R i n M i displaystyle r ii sum R in M i nbsp r i j r j i R in M i und M j Umlaufsinn M i M j displaystyle r ij r ji sum R text in M i text und M j cdot text Umlaufsinn M i M j nbsp u q M i U q in M i 1 Pfeil U q M i displaystyle u qMi sum U q text in M i cdot 1 cdot text Pfeil U q M i nbsp Sonderfall ideale Stromquellen Iq u q M i U q in M i 1 Pfeil U q M i I q R in M i und M I q Umlaufsinn M i M I q displaystyle u qMi sum U q text in M i cdot 1 cdot text Pfeil U q M i I q cdot sum R text in M i text und M Iq cdot text Umlaufsinn M i M Iq nbsp Gleichungssystem losen Zweigstrome berechnen anhand der Summe der Maschenstrome I 1 I M 2 displaystyle I 1 I M2 nbsp I 5 I M 1 I M 2 displaystyle I 5 I M1 I M2 nbsp Knotenpotentialverfahren Bearbeiten Hauptartikel Knotenpotentialverfahren Wie beim Maschenstromverfahren ergibt sich beim Knotenpotentialverfahren ein reduziertes lineares Gleichungssystem Vorgehen Kurzform Spannungsquellen in aquivalente Stromquelle umwandeln Bezugsknotenpotential Masse wahlen ideale Spannungsquellen an Bezugspotential angeschlossen ansonsten mit dieser Anleitung nicht losbar Restliche Knoten durchnummerieren Matrix aufstellen Knoten mit idealer Spannungsquelle weglassen g 11 g 1 n g n 1 g n n u 10 u n 0 i q 1 i q n displaystyle begin pmatrix g 11 amp dots amp g 1n vdots amp ddots amp vdots g n1 amp dots amp g nn end pmatrix cdot begin pmatrix u 10 vdots u n0 end pmatrix begin pmatrix i q1 vdots i qn end pmatrix nbsp g i i G mit Knoten i verbunden displaystyle g ii sum G text mit Knoten i text verbunden nbsp g i j g j i 1 G zwischen den Knoten i und j Koppelleitwerte displaystyle g ij g ji 1 cdot sum G text zwischen den Knoten i text und j text Koppelleitwerte nbsp i q i I q an Knoten I q vom Knoten weg fliessend sind negativ displaystyle i qi sum I q text an Knoten I q text vom Knoten weg fliessend sind negativ nbsp Bei mit idealer Spannungsquelle gekoppelter Knoten Spannungsquelle mit Koppelleitwert multiplizieren und zum Stromvektor addieren wenn der Spannungspfeil zum Bezugsknotenpotential hin zeigt andernfalls abziehen Gleichungssystem losen Zweigspannung Uij ui0 uj0 aus den Knotenpotentialen ermitteln und daraus den Zweigstrom erreichen Widerstandswurfel Bearbeiten nbsp Widerstandswurfel aus zwolf gleichen WiderstandenEin Problem der Netzwerkanalyse ist der sogenannte Widerstandswurfel der von zwolf gleichen wurfelformig miteinander verloteten ohmschen Widerstanden gebildet wird Fur diese Konstruktion ist der Gesamtwiderstand uber die Raumdiagonale A C zu ermitteln nbsp Wurfel mit bezeichneten Ecken und eingezeichneten DiagonalenDas Problem kann durch Symmetrieuberlegungen vereinfacht werden Der Widerstandswurfel wird mit zwolf gleichen Widerstanden aufgebaut und ist deshalb auch elektrisch symmetrisch 3 fache Rotationssymmetrie um die Raumdiagonale als Achse Durch die drei an einer Ecke nur an den Ecken auf der Raumdiagonale miteinander verbundenen Widerstande fliessen wegen der Symmetrie beim Anlegen einer Spannung auch gleich grosse Strome Die der betrachteten Ecke abgewandten Enden dieser drei Widerstande liegen deshalb untereinander ebenfalls auf demselben Potential Verbindet man Punkte gleichen Potentials Aquipotentialpunkte miteinander leitend fliesst uber diese Verbindungen kein Strom in Ermangelung einer Spannung zwischen diesen Daraus folgt dass diese zusatzlichen Verbindungen die Schaltung nicht verandern Ferner ist ersichtlich dass durch die Widerstande der gleiche Strom fliessen muss da an ihnen dieselbe Spannung abfallt So lassen sich am Widerstandswurfel bei der Ermittlung des Gesamtwiderstands uber den Ecken der Raumdiagonalen in der Grafik die Ecken A und C zwei mal drei potentialgleiche Punkte in der Grafik die Punkte A B D und B C D finden die ohne eine elektrische Veranderung zu verursachen jeweils miteinander verbunden werden konnen Nach dem Herstellen dieser Verbindungen ergibt sich die ubersichtliche Reihenschaltung einer Parallelschaltung von drei Widerstanden mit einer Parallelschaltung von sechs Widerstanden und einer Parallelschaltung von drei Widerstanden 1 R g e s 1 3 R 1 6 R 1 3 R 5 6 R displaystyle R mathrm ges frac 1 3 cdot R frac 1 6 cdot R frac 1 3 cdot R frac 5 6 cdot R nbsp Siehe auch BearbeitenNetzwerk Elektrotechnik Norton Theorem Ersatzstromquelle Thevenin Theorem ErsatzspannungsquelleLiteratur BearbeitenHorst Elschner Albrecht Moschwitzer Albrecht Reibiger Rechnergestutzte Analyse in der Elektronik Reihe Informationselektronik Verlag Technik Berlin 1977 Arnold Fuhrer Klaus Heidemann Wolfgang Nerreter Grundgebiete der Elektrotechnik Band 1 Stationare Vorgange Carl Hanser Verlag Munchen u a 1983 ISBN 3 446 13677 0 L W Nagel R A Rohrer Computer Analysis of Nonlinear Circuits Excluding Radiation In IEEE Journal of Solid State Circuits Vol 6 Nr 4 1971 ISSN 0018 9200 S 166 182 L W Nagel Spice 2 A Computer Programm to Simulate Semiconductor Circuits University of California Berkeley CA Erl Memorandum Nr Erl M520 1975 Jiri Vlach Kishore Singhal Computer Methods for Circuit Analysis and Design 2 Auflage Van Nostrand Reinhold New York NY 1993 ISBN 0 442 01194 6 Gert Hagmann Grundlagen der Elektrotechnik 15 Auflage AULA Verlag Wiebelsheim ISBN 978 3 89104 747 7Einzelnachweise Bearbeiten Heinrich Hemme Mathematik zum Fruhstuck 89 mathematische Ratsel mit ausfuhrlichen Losungen 2 neu bearbeitete Auflage Vandenhoeck amp Ruprecht Gottingen 2003 ISBN 3 525 40734 3 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Netzwerkanalyse Elektrotechnik amp oldid 206979907