Кравченко. Практикум
.pdf19. ОПЕРАТОРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
Основные сведения
В основе операторного метода расчета переходных режимов лежит операционное исчисление, заключающееся в том, что решение интегро-дифференциальных уравнений, описывающих переходный режим, переносится из области действительного переменного (t) в область комплексного переменного (p = a + jb). При этом интегро-дифференциальные соотношения превращаются в алгебраические, что предопределяет возможность использования алгоритма расчета цепей постоянного тока при анализе переходных режимов.
Перевод временных функций f (t) (оригиналов) в операторную форму F(p) (изобра-
жения) осуществляется посредством прямого преобразования Лапласа
F(p) L f (t) f (t)e ptdt .
0
По окончании расчета переходного режима в операторной форме изображения искомых величин переводятся в оригинал (временные функции) с помощью одного из нижеперечисленных способов:
обратного преобразования Лапласа
|
1 |
a j |
|
|
f (t) L 1 F(p) |
F(p)eptdp , |
|||
2 j |
||||
|
a j |
|
||
теории вычетов |
|
|
||
f (t) Res F(p)ept |
, |
|||
|
|
|
|
таблиц соответствия, теоремы разложения.
Операторные изображения напряжений на элементах цепи
Оригинал |
|
Изображение |
||||||||
(функция времени) |
|
(операторная функция) |
||||||||
|
|
|
|
|
Индуктивный элемент |
|
|
|
||
uL(t) L |
diL(t) |
|
|
UL(p) LpI(p) LiL(0) |
||||||
dt |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Емкостный элемент |
|
|
|
||
uC (t) |
1 |
i(t)dt |
|
UC (p) |
1 |
I(p) |
uC (0) |
|
||
|
|
pC |
p |
|||||||
|
C |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
Резистивный элемент |
|
|
|
||
ur (t) ri(t) |
|
Ur (p) rI(p) |
206 |
|
|
|
|
|
|
19. ОПЕРАТОРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ |
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ПРИМЕРЫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Задача 19.1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
|
Индуктивная катушка (рис. 19.1) с параметрами |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r = 2 Ом, L = 1 Гн включается на напряжение, изме- |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
няющееся по закону |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
u(t) |
L |
u(t) U0e t, где U0 = 10 B; β = 2 с–1. |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определить мгновенное значение переходного |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
Рис. 19.1 |
|
тока i(t)и его максимальную величину imax . |
||||||||||||||||||||||||||
Решение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
1. Эквивалентная операторная схема представ- |
|
|
|
r |
|
|
I(p) |
||||||||||||||||||||||
лена на рис. 19.2. Операторное изображение источ- |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
ника питания: |
U(p) |
U0 |
. |
|
|
|
|
|
U(p) |
|
|
|
|
|
|
|
pL |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
2. Операторное изображение тока (на основании |
|
|
|
Рис. 19.2 |
|||||||||||||||||||||||||
закона Ома): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I(p) |
U(p) |
|
U0 |
|
|
|
10 |
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r pL |
|
(r pL)(p ) |
|
(p 2)2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Переход к оригиналу по таблицам соответствия |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (t) L 1 F(p) . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Поскольку |
L |
|
|
|
|
|
|
te |
|
|
, мгновен- |
||||||||
imax |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(p ) |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ное значение искомого переходного тока опреде- |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
лится соотношением i(t) 10te 2tA. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. График |
переходного |
|
тока |
изображен на |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
t рис. 19.3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
t0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
Рис. 19.3 |
|
|
|
|
|
4. Определение максимального значения пе- |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
реходного тока: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
208 |
19. ОПЕРАТОРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ |
и операторные ЭДС
EL(p) Li1(0) 1 10 10B c; EC (p) UC (0)p 50p B c .
3. Операторное изображение переходного напряжения на индуктивности
(рис. 19.5):
UL(p) I1(p)pL EL(p).
Операторное изображение тока в ветви с индуктивностью целесообразно искать с помощью метода двух узлов. Для схемы (рис. 19.5):
|
|
|
|
|
E(p) EL(p) |
|
EC (p) |
|
|
|
|
50p2 10500p 15 104 |
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 pC |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
r pL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
Uab(p) |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|||||
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
p p2 |
110p 2 103 |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r2 r3 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
r1 pL 1 pC |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
По закону Ома |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
I1(p) |
Uab(p) E(p) EL |
(p) |
10p2 |
1,1 103 p 15 103 |
. |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
r1 pL |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p(p2 110p 2 103) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
Окончательно |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
U |
|
(p) I (p)pL E |
|
(p) |
(10p2 1100p 15000)p |
|
|||||||||||||||||||||||||||||
L |
L |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p(p2 110p 2 103) |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5000 |
|
|
|
|
|
|
|
F1(p) |
. |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
p |
|
110p 2 10 |
|
F (p) |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
4. Переход к оригиналу. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
В соответствии с теоремой разложения |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
1 F (p) |
|
|
F (p |
k |
) |
p t |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
f(t) =L |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
e k |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F2(pk ) |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F2(p) k |
|
|
|
|
|
|
|
переходное напряжение на индуктивности определится соотношением
|
F (p ) |
p t |
F (p ) |
|
p t |
|
uL(t) = |
1 1 |
e 1 |
1 2 |
e |
2 ; |
|
F2(p1) |
F2(p2) |
|||||
|
|
|
|
209
а) корни характеристического уравнения F2(p) 0:
|
|
|
p2 110p 2 103 0; |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
; p 23c 1; |
|
|
87c 1; |
|
||||||||
p |
55 |
552 |
2 103 |
|
p |
2 |
|
||||||||
1,2 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
б) значения F1(pk ) и F2(pk ): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
F1(p) 5000; F2(p) 2p 110; |
F1(p1) F1(p2) 5000; |
||||||||||||||
F2(p1) 2( 23) 110 64; F2(p2) 2( 87) 110 64; |
|||||||||||||||
в) переходное напряжение на индуктивности |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
F (p ) |
p t |
F (p ) |
|
|
p t |
|
|
23t |
|
|
87t |
|
||
uL(t) |
1 1 |
e 1 |
1 2 |
e |
2 |
78,12e |
|
|
78,12e |
|
B. |
||||
F2(p1) |
F2(p2) |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Ответ: uL(t) 78,12e 23t 78,12e 87t B. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Задача 19.3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В цепи (рис. 19.6) известно: r1 |
= |
50 |
Ом; r2 |
= 30 Ом; L |
= 100 мГн; |
||||||||||
C = 200 мкФ; U = 1000 B. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Определить ток i1(t) в переходном режиме.
Решение
Эквивалентная операторная схема рассматриваемой цепи представлена на рис. 19.7.
i |
r1 |
|
I1(p) |
r1 |
|
1 |
|
|
|
||
|
r2 |
|
|
r2 |
1 pC |
|
C |
E(p) |
|
I11(p) |
I22(p) |
U |
L |
|
pL |
||
|
|
|
|||
|
i2 |
i3 |
|
EL (p) |
EC (p) |
|
|
|
|
||
|
Рис. 19.6 |
|
|
Рис. 19.7 |
|
210 |
19. ОПЕРАТОРНЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ |
Операторные сторонние и внутренние источники энергии:
E(p) E p; |
EC (p) UC (0) p; |
EL(p) Li2(0) . |
1. Операторные ЭДС внутренних источников энергии. По законам коммутации
i2(0 ) i2(0 ); uC (0 ) uC (0 ).
Из режима до коммутации
i (0 |
|
) |
|
U |
|
1000 |
12,5A; u |
(0 |
|
) 0. |
|
r |
r |
50 30 |
|
||||||
2 |
|
|
|
C |
|
|
|
|||
|
|
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
Следовательно,
i2(0 ) i2(0 ) 12,5A; uC (0 ) uC (0 ) 0 и |
|
EL(p) Li2(0) 0,1 12,5 1,25B c; EC (p) UC (0) |
p 0. |
2. Изображение искомого тока. По методу контурных токов (рис. 19.7) (для операторных изображений пригодны все методы расчета стационарных режимов):
I |
|
(p) r |
r |
|
pL I |
22 |
(p) r |
pL |
E |
Li (0), |
|||||
|
|
|
|||||||||||||
|
11 |
1 |
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
p |
2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
1 |
|
|||
|
|
I (p) |
r |
pL I |
|
pL |
Li (0). |
||||||||
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
11 |
2 |
|
|
22 2 |
|
|
|
|
2 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
pC |
|
|
Система уравнений (1) после подстановки цифровых значений будет выглядеть следующим образом:
|
I |
(p) 80 0,1p I |
|
|
(p) 30 0,1p |
1000 |
1,25, |
|||||
|
22 |
|
||||||||||
11 |
|
|
|
|
p |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2) |
|
|
|
|
|
|
|
|
30 0,1p |
5000 |
|
|||
I |
(p) 30 0,1p I |
|
|
(p) |
1,25. |
|||||||
22 |
|
|
|
|||||||||
|
11 |
|
|
|
|
|
p |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение системы (2) относительно I11(p):
|
|
20p2 |
7250p 106 |
|
|
|
F (p) |
|
|||
I |
(p) |
|
|
|
; I (p) I |
(p) |
1 |
|
. |
||
p(p |
2 400p 80000) |
F2 |
(p) |
||||||||
11 |
|
1 |
11 |
|
|