Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Цепи с распр.пар. Мамаев.docx
Скачиваний:
3
Добавлен:
17.09.2019
Размер:
748.81 Кб
Скачать

Однородной линии

Напряжение ток в линии являются функциями двух независимых переменных: пространственной координаты χ, определяющей место наблюдения, и времени t, определяющего момент наблюдения. Здесь предполагается, что направление координатной оси χ совпадает с направлением оси линии.

Рис.11-2.Элементарный участок цепи с равномерно распределенными параметрами.

Нашей ближайшей задачей является нахождение пространственно-временного распределения величин тока в линии i(x,t) и напряжение между проводами u(x,t).При этом в общем случае может рассматриваться передача электромагнитной энергии по линии, когда источник и приемник имеются на обоих концах линии.

Выберем положительное направление тока в линии слева направо (рис. 11-2) и условимся называть «началом» линии левый конец, а «концом» линии- правый конец. Расстояние до произвольной точки линии от начала обозначим через χ , а от конца – через χ. Таким образом, вся длина линии l=x+x

Выделим элементарный участок линии длиной ∆х, находящийся на расстоянии х от начала. Пользуясь первичными параметрами r,g,L, и С, отнесенными к единице длины линии, приближенно представим рассматриваемый элементарный участок линии в виде последовательно включенных сопротивления r∆x и индуктивности L∆x и параллельно включенных активной проводимости g∆x и емкости С∆х.

Обозначим:

u-напряжение между верхним и нижним проводами в точке х;

∆u- приращение напряжение на участке ∆х.

i - ток в точке х;

∆i - приращение тока на участке ∆х.

Уравнения для приращений напряжений и тока на элементе длины ∆х запишутся следующим образом:

-

.

∆u=(ri+Ldi/dt) ∆х;

-∆i =[g(u+∆u )+C(∂( u+∆u ))/∂t] ∆х.

Ввиду наличия двух независимых переменных (х и t) уравнения записываются в частных производных.

По мере стремления ∆х к нулю степень точности этих уравнений повышается, причем величина второго порядка малости [g∆u +C(∂u )/∂t] ∆х в правой части нижнего уравнения (11-1) может быть опущена.

Итак, линя рассматривается как цепная схема с бесконечно большим числом звеньев, электрические параметры которых бесконечно малы.

Разделив обе части уравнений (11-1) на ∆х и перейдя к пределу ∆х=0, получаем дифференциальные уравнения линии:

.

Эти уравнения известны в литературе под названием телеграфных уравнений.

Если за начало отсчета принять конец линии, т.е. ввести координату χ, то уравнения примут вид:

.

Уравнения (11-2) или (11-3) могут быть решены однозначно при использовании начальных и граничных условий. Начальными условиями будут значения напряжения и тока в начале или конце линии в момент времени, принятый за нуль. Граничные условия определяются связями между напряжением и током в начале или конце линии, зависящими от заданного режима работы линии.

Решение указанных выше уравнений дает функциональные зависимости напряжения и тока в линии от переменных (или ) и .

11-3. Синусоидальный режим в однородной линии

При периодическом режиме под воздействием приложенного к линии синусоидального напряжения в любой точке линии напряжение и ток изменяются синусоидально с частотой источника. Обозначим комплексные действующие значения напряжения и тока на расстоянии от начала линии через и .

Применяя комплексную форму записи, перепишем уравнения в комплексном виде:

(11-4)

.

Ввиду того что комплексные значения и не зависят от и являются только функциями , при переходе от уравнений (11-2) к (11-4) частные производные по заменены обыкновенными.

Исключая из системы (11-4) ток , получаем уравнение относительно :

(11-5)

Аналогично, исключая из (11-4) напряжение , получаем уравнение относительно :

(11-6)

Обозначим квадратный корень из комплексного множителя при или через

(11-7)

и назовем эту величину коэффициентом распространения. Смысл такого названия выяснится позже.

Итак, уравнения (11-5) и (11-6) записываются в виде:

(11-8)

(11-9)

Получились одинаковые однородные линейные дифференциальные уравнения второго порядка. Решение первого из них имеет вид:

Ток после этого получается подстановкой (11-9) в первое уравнение (11-4):

или

(11-10)

где

(11-11)

называется волновым сопротивлением линии.

Смысл такого названия объяснен дальше.

Подставив (11-7) в (11-9), получим:

Мгновенное значение напряжения в точке равно мнимой части выражения :

(11-12)

здесь и – аргументы комплексных величин и .

Таким образом, мгновенное значение напряжения в любой точке линии слагается из двух функций.

Рассмотрим вначале первую из этих слагающих функций.

Если считать точку фиксированной и рассматривать изменение напряжения в данной точке в зависимости от времени, то первая слагающая выражения (11-12) представит собой синусоидальную функцию с постоянной амплитудой.

Если же считать момент времени фиксированным и рассматривать изменение мгновенного напряжения вдоль линии (т.е. в зависимости от ), то получим затухающую синусоидальную волну напряжения, амплитуда которой убывает с ростом , т.е. по мере удаления от начала линии к концу.

Величина , характеризующая изменение амплитуды волны на единицу длины линии, называется коэффициентом затухания, а величина , равная изменению фазы на единицу длины линии, называется коэффициентом фазы.

Убывание амплитуды волны вдоль линии обусловливается потерями в линии, а изменение фазы – конечной скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Оба эти коэффициента и входят в комплексный параметр , который, следовательно, характеризует распространение волны напряжения и тока по линии.

На рис. 11-3, а буквой обозначена длина волны напряжения, равная расстоянию между двумя точками линии, в которых фазы рассматриваемой слагающей напряжения различаются на . Следовательно,

,

откуда

(11-13)

.

Полученная формула выражает зависимость, существующую между длиной волны и коэффициентом фазы линии.

На рис. 11-3, а изображены волны напряжения, соответствующие двум следующим друг за другом моментам времени: и .

С течением времени волна перемещается от начала линии к ее концу; она носит название прямой, или падающей, волны.

Скорость перемещения падающей волны вдоль линии, называемая фазовой скоростью волны, определяется как скорость перемещения точки,

a) б)

Рис. 11-3. Прямая (падающая) (а) и обратная (отраженная) (б) волны.

фаза колебания в которой остается постоянной. Это условие записывается для прямой волны в виде:

,

откуда

и

(11-14)

, следовательно,

.

Аналогичное исследование второго слагаемого выражения (11-12) показывает, что для произвольного момента времени оно представляет синусоидальную волну, амплитуда которой возрастает с увеличение , т.е. по мере удаления от начала линии к ее концу. С течением времени волна перемещается от конца линии к ее началу (рис. 11-3, б); она называется обратной, или отраженной, волной.

Фазовая скорость обратной волны получается равной ; знак минус указывает, что обратная волна движется в направлении, противоположном направлению прямой волны.

Итак, мгновенное напряжение можно рассматривать как сумму двух волн, движущихся в противоположных направлениях, причем каждая из этих волн затухает в направлении движения.

На основании (11-13) и (11-14)

(11-15)

т. е. за время, равное одному периоду, как падающая, так и отраженная волны перемещаются на расстояние, равное длине волны.

Линии, физическая длина которых соизмерима с длиной волны, считаются длинными линиями. При достаточно высоких частотах практически любая протяженная электрическая цепь становится «длинной» по отношению к длине волны.

Как будет показано ниже, фазовая скорость в воздушной линии близка к скорости света ( м/сек), и поэтому частоте 50 гц будет соответствовать длина волны 6000 км, а частоте гц – длина волны 10 см. Следовательно, в первом случае длинной линией будет линия, измеряемая многими сотнями или тысячами километров, а во втором случае – цепь протяженностью в несколько сантиметров.

Возвращаясь к уравнениям (11-9) и (11-10) и записывая прямую и обратную волну в комплексной форме, имеем:

,

где

.

15