Учебное пособие по курсу электротехники ТОЭ

Лекция N 26

Переходные процессы в цепи с одним накопителем энергии и произвольным числом резисторов

Как отмечалось в предыдущей лекции, линейная цепь охвачена единым переходным процессом. Поэтому в рассматриваемых цепях с одним накопителем энергии (катушкой индуктивности или конденсатором) – цепях первого порядка – постоянная времени будет одной и той же для всех свободных составляющих напряжений и токов ветвей схемы, параметры которых входят в характеристическое уравнение. Переходные процессы в линейных электрических цепях. Классический метод расчета переходных процессов.

Общий подход к расчету переходных процессов в таких цепях основан на применении теоремы об активном двухполюснике: ветвь, содержащую накопитель, выделяют из цепи, а оставшуюся часть схемы рассматривают как активный двухполюсник А (эквивалентный генератор) (см. рис.1, а) со схемой замещения на рис. 1,б.

Постоянный электрический ток Курс лекций по физике

Совершенно очевидно, что постоянная времени здесь для цепей с индуктивным элементом определяется, как:

и с емкостным, как:

где - входное сопротивление цепи по отношению к зажимам 1-2 подключения ветви, содержащей накопитель энергии.

Например, для напряжения на конденсаторе в цепи на рис. 2 можно записать

где в соответствии с вышесказанным

Переходные процессы при подключении последовательной
R-L-C-цепи к источнику напряжения

Рассмотрим два случая:

а) ;

б) .

Согласно изложенной в предыдущей лекции методике расчета переходных процессов классическим методом для напряжения на конденсаторе в цепи на рис. 3 можно записать

(1)

Тогда для первого случая принужденная составляющая этого напряжения

(2)

Характеристическое уравнение цепи

решая которое, получаем

В зависимости от соотношения параметров цепи возможны три типа корней и соответственно три варианта выражения для свободной составляющей:

1. или , где - критическое сопротивление контура, меньше которого свободный процесс носит колебательный характер.

В этом случае

(3)

2. - предельный случай апериодического режима.

В этом случае и

(4)

3. - периодический (колебательный) характер переходного процесса.

В этом случае и

(5)

где - коэффициент затухания; - угловая частота собственных колебаний; - период собственных колебаний.

Для апериодического характера переходного процесса после подстановки (2) и (3) в соотношение (1) можно записать

Для нахождения постоянных интегрирования, учитывая, что в общем случае и в соответствии с первым законом коммутации , запишем для t=0 два уравнения:

решая которые, получим

; .

Таким образом,

Тогда ток в цепи

и напряжение на катушке индуктивности

На рис. 4 представлены качественные кривые , и , соответствующие апериодическому переходному процессу при .

Для критического режима на основании (2) и (4) можно записать

При

Таким образом

Для колебательного переходного процесса в соответствии с (2) и (5) имеем

Для нахождения постоянных интегрирования запишем

откуда и .

Тогда

На рис. 5представлены качественные кривые и , соответствующие колебательному переходному процессу при .

При подключении R-L-C-цепи к источнику синусоидального напряжения для нахождения принужденных составляющих тока в цепи и напряжения на конденсаторе следует воспользоваться символическим методом расчета, в соответствии с которым

где ; ; .

Таким образом,

и .

Здесь также возможны три режима:

1. ;	2.	3.

Наибольший интерес представляет третий режим, связанный с появлением во время переходного процесса собственных колебаний с частотой . При этом возможны, в зависимости от соотношения частот собственных колебаний и напряжения источника, три характерные варианта: 1 - ; 2 - ; 3 - , - которые представлены на рис. 6,а…6,в соответственно.

Литература

Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. –М.: Энергия- 1972. –240с.

Контрольные вопросы

Как можно определить постоянную времени в цепи с одним накопителем энергии по осциллограмме тока или напряжения в какой-либо ветви?
Определить, какой процесс: заряд или разряд конденсатора в цепи на рис. 2 – будет происходить быстрее?

Ответ: заряд.

Влияет ли на постоянную времени цепи тип питающего устройства: источник напряжения или источник тока?
В цепи на рис. 2 , С=10 мкФ. Чему должна быть равна индуктивность L катушки, устанавливаемой на место конденсатора, чтобы постоянная времени не изменилась?

Ответ: L=0,225 Гн.

Как влияет на характер переходного процесса в R-L-C-контуре величина сопротивления R и почему?
Определить ток через катушку индуктивности в цепи на рис. 7, если ; ; ; ; .

Ответ: .

Определить ток в ветви с конденсатором в цепи на рис. 8, если ; ; ; .

Ответ: .

Системы электропитания радиоэлектронной аппаратуры, устройств автоматики, промышленной электроники, средств связи, информационно-измерительной и вычислительной техники содержат, как правило, источник электропитания (первичный) и источник вторичного электропитания. В качестве источников электропитания используются электростанции, автономные электромашинные генераторы постоянного и переменного тока, химические источники (аккумуляторы и гальванические батареи), солнечные и атомные батареи, МГД-генераторы, термоэлектрические и термоэлектронные генераторы. Первичные источники в большинстве случаев не удовлетворяют требованиям со стороны потребителей или части потребителей электроэнергии по роду, величине и качеству вырабатываемого напряжения, по возможностям его стабилизации или регулирования. Основные функции источника вторичного электропитания, включаемого между источником электропитания и потребителями, состоит в однократном или многократном преобразовании тока – выпрямлении или инвертировании, изменении величины напряжении – трансформировании для переменного тока и конвертировании для постоянного, преобразовании частоты переменного тока, стабилизации и регулировании напряжения или тока, подавлении пульсаций и шумов выходного напряжения или тока – фильтрации. Причем источники вторичного электропитания могут выполнять одну из указанных функций или некоторую их комбинацию. Примеры решения типовых задач по ТОЭ Основы электротехники выполнение курсовой

Статический трансформатор – устройство, предназначенное для изменения величины переменного напряжения – является практически обязательным структурным элементом источника вторичного электропитания. При наличии первичного источника, вырабатывающего переменное напряжение, трансформатор достаточно часто включается в источник вторичного электропитания в качестве входного элемента. В этом случае трансформатор называется силовым, и его функциональное назначение заключается в преобразовании входной системы переменного напряжения (однофазной или трехфазной) в одну или несколько других систем переменных напряжений, используемых для питания соответствующих потребителей постоянного и переменного тока. При этом выходные напряжения трансформатора по величинам согласованы с требованиями со стороны потребителей. В системах питания электронной аппаратуры применяются силовые трансформаторы малой мощности. Они в большинстве случаев работают при низких напряжениях на обмотках (до 1 кВ), синусоидальной или близкой к синусоидальной форме преобразуемого напряжения и частоте равной 50 Гц (частоте промышленной сети) или 400 Гц (стандартной частоте автономных источников электропитания подвижных объектов).

;