Переходные процессы в цепях с сосредоточенными параметрами

В тех случаях, когда требуется учесть процессы в электрическом и магнитном поле электрическая цепь содержит реактивные элементы обоих типов. Простейшим вариантом такой цепи является последовательное соединение R-L-C (рис. 1).

Уравнение Кирхгофа для этой цепи после замыкания ключа S

Характеристическое уравнение для дифференциального уравнения (2) можно получить заменой производных по времени на p^k

где - величина, названная при рассмотрении явления резонанса в этой цепи затуханием; - волновое сопротивление цепи, а - угловая частота, на которой в цепи рис. 1 возникает резонанс.

Таким образом, корни характеристического уравнения являются функцией затухания d и резонансной частоты w₀, значения которых, в свою очередь, определяются параметрами цепи R, L и C. Резистивное сопротивление R входит только в выражение для затухания и при вариации R резонансная частота будет сохраняться постоянной. Поэтому при анализе корней затухание можно считать независимой переменной, а резонансную частоту константой, т.к. эти условия можно реализовать изменением R.

Из выражения (4) следует, что корни могут быть вещественными отрицательными, если dі 2, или комплексно-сопряженными, если d< 2. Для первого случая их можно представить в виде

где s=-d /2 и . Безразмерные величины s и v можно назвать относительным затуханием и относительной частотой, т.к. они связаны с абсолютными значениями этих величин через резонансную частоту w₀.

Если затухание цепиdі 2, то оба корня отрицательные вещественные различные (кроме предельного случая d =2) и свободные составляющие всех величин в переходном процессе будут суммой двух экспонент с различными показателями. Значения тока и напряжений со временем не будут регулярно повторяться, поэтому такой переходный процесс называется апериодическим. Так как p_1,2 < 0, то обе экспоненты будут со временем уменьшаться до нуля со скоростью, определяемой постоянной времени каждой из них t_1,2 = 1/| p_1,2 | = 1/(w₀|h_1,2|). Таким образом, чем больше абсолютное значение h , тем быстрее закончится переходный процесс. Для двух экспонент длительность процесса будет определяться меньшим абсолютным значением h . Из рис. 2 следует, что при увеличении затухания d значения h₁ и h₂ расходятся, причем при d(r)µh₁(r) 0 и длительность переходного процесса становится бесконечной. Одновременно h₁ и h₂ достигают наибольших возможных абсолютных значений в предельном режиме, когда d=2. Следовательно, этот режим будет соответствовать минимальной длительности переходного процесса в цепи.

При затухании0 < d < 2 корни характеристического уравнения комплексно-сопряженные с отрицательной вещественной частью. В этом случае свободная составляющая решения дифференциального уравнения также будет суммой двух экспонент, но эти экспоненты могут быть объединены и решение получено в виде

a(t) = Aes^tsin(vt+n )

Эта функция представляет собой синусоиду с изменяющейся во времени амплитудой. Всякая синусоидальная функция соответствует колебаниям величины относительно среднего значения, поэтому переходный процесс в цепи называется колебательным. Вещественная часть корней характеристического уравнения s определяет скорость изменения амплитуды, а мнимая v , частоту колебаний. Следовательно, длительность переходного процесса будет зависеть только отs= -d /2. Так как s < 0, то со временем амплитуда колебаний свободной составляющей будет уменьшаться. При уменьшении затухания d абсолютное значение s также уменьшается, что соответствует увеличению длительности переходного процесса. Максимального абсолютного значения равного s = h₁ = h₂ = - 1 (рис. 2) s достигает в предельном режиме при d(r) 2, подтверждая сделанное ранее утверждение, что в этом режиме длительность переходного процесса минимальна.

.

Величина D называется декрементом колебаний. На практике чаще применяют натуральный логарифм D называемый логарифмическим декрементом колебаний

.

Как и следовало ожидать, скорость изменения свободных составляющих в колебательном переходном процессе зависит только от затухания электрической цепи.

Частота колебаний свободных составляющих тока и напряжений при изменении затухания также изменяется. При увеличении затухания она стремится к нулю (рис. 2), а при уменьшении к резонансной частоте цепи. При отсутствии затухания в цепи будет протекать переменный синусоидальный ток с частотой w₀.

Рассмотрим теперь процесс подключения цепи рис. 1 к источнику постоянной ЭДС E. Емкость C при этом может быть полностью разряжена или заряжена до напряжения U₀ , которое с помощью коэффициента -µ < c < +µ можно представить через ЭДС источника в виде U₀ = cE. При c < 1 ток в цепи после замыкания ключа будет протекать в направлении показанном сплошной стрелкой.

Установившееся значение тока в цепи будет равно нулю, а установившееся значение напряжения на емкости - ЭДС E. В общем случае напряжение на емкости при переходном процессе равно

,

Постоянные интегрирования A₁ и A₂ нужно определить из начальных значений тока и напряжения на емкости в момент коммутации, пользуясь тем, что

u_C(0_-) = U₀ = cE = u_C(0₊) = E + A₁ + A₂ и

i(0_-) = 0 = i(0₊) = C(p₁A₁ + p₂A₂) .

Отсюда A₁ = E(1-c)p₂/( p₁-p₂) и A₂ = -E(1-c)p₁/( p₁-p₂) . Подставляя полученные значения в выражения для напряжения на емкости и тока получим

Если в выражения (7) и (8) подставить корни характеристического уравнения из выражения (5), то для апериодического процесса напряжение на емкости и ток в цепи будут

На рис. 3 а) приведены эти кривые при относительном начальном значении напряжения на емкостиc = 0.5. В качестве базовых значений для напряжения принята ЭДС E, а для тока E(1-c)/[Lw₀(h₁-_{h 2})]. Для тока также построены быстро и медленно затухающие составляющие экспоненты i_s и i_l (i =i_s+i_l).

Выражения (7) и (8) получены без введения каких-либо ограничений на корни характеристического уравнения. Поэтому для нахождения решения при колебательном процессе (d <2) можно подставить корни из выражения (6), а затем преобразовать полученнуюсумму экспонент с комплексными показателями по формуле Эйлера. В результате мы получим выражения для напряжения на емкости и тока в цепи в виде

гдеy = arctg(v /s ) = arctg(2p /J ) .

На рис. 3 б) приведены кривыеколебательного переходного процессапри том же относительном начальном значениинапряжения на емкостиc, что и при апериодическом процессе (они построены на рисунке пунктиром).

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЦЕПЬ И ЕЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Классификация электрических цепей и их элементов

Электрической цепью называют совокупность устройств и объектов, предназначенных для распределения, взаимного преобразования и передачи электрической и других видов энергии и (или) информации. Свое назначение цепь выполняет при наличии в ней электрического тока. Электромагнитные процессы в цепи и ее параметры могут быть описаны с помощью известных из курса физики интегральных понятий: ток, напряжение (разность потенциалов), заряд, магнитный поток, электродвижущая сила, сопротивление, индуктивность, взаимная индуктивность и емкость.

В отличие от электрической цепи электромагнитные процессы в ряде электротехнических устройств характеризуются дифференциальными понятиями: вектор напряженности электрического поля и вектор электрического смещения, вектор напряженности магнитного поля и вектор магнитной индукции, плотность заряда и вектор плотности тока, удельная электрическая проводимость и др. Анализ устройств, процессы в которых описываются с помощью дифференциальных понятий, рассматривают в теории электромагнитного поля.

Следует отметить, что именно в теории поля дается определение интегральных понятий (таких, как ток и напряжение), характеризующих электрическую цепь. Расчет параметров цепи (сопротивлений, индуктивностей, емкостей) в общем случае также возможен только с помощью понятий, используемых в теории поля.

В некоторых случаях одно и то же устройство можно анализировать и методами теории цепей, и методами теории поля. Например, линия передачи электрической энергии может рассматриваться как цепь с распределенными параметрами или как направляющая система для электромагнитного поля. Выбор того или иного метода зависит от конкретных целей анализа, необходимой точности и других факторов.

Электрическая цепь состоит из отдельных частей (объектов), выполняющих определенные функции и называемых элементами цепи.

Основными элементами цепи являются источники и приемники электрической энергии (сигналов).

Источники энергии (сигналов), такие, как электромеханические или электронные генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы, термодатчики и т. д., предназначены для преобразования различных видов энергии в электрическую энергию.

Приемники энергии (сигналов) служат для преобразования электрической энергии в другие виды энергии. К ним относятся электрические двигатели, нагревательные приборы, электрические лампы, электронно-лучевые трубки, динамические громкоговорители и др.

Кроме основных элементов, цепь содержит различные вспомогательные элементы, которые связывают источники с приемниками (соединительные провода, линии передачи), подавляют или усиливают определенные составляющие сигналов (фильтры, усилители), изменяют уровень напряжения и тока в других частях цепи (трансформаторы), улучшают или изменяют характеристики и параметры участков цепи и ее элементов (корректирующие устройства, фазовые звенья) и т. п.

Расчет электрических цепей стлб 32 Цепи постоянного и переменного тока Расчёт трёхфазных электрических цепей Законы Кирхгофа и расчёт резистивных электрических цепей Расчёт магнитной цепи Расчёт электрического поля Сборник заданий по ТОЭ Явление электромагнитной индукции и магнитные цепи Электрические цепи постоянного тока Электрические цепи переменного тока Баланс мощностей Граф электрической цепи Лекции по курсу основы электротехники