- •6. Переходные процессы в линейных электрических цепях
- •6.1. Общие сведения о переходных процессах
- •6.2. Законы коммутации и начальные условия
- •6.3. Составление интегродифференциальных уравнений
- •6.4. Решение дифференциальных уравнений
- •6.5. Переходные процессы в электрических цепях I порядка
- •6.6. Переходные процессы в электрических цепях II порядка
- •7.2. Разложение периодических функций в ряд Фурье
- •7. Электрические цепи периодического несинусоидального тока
- •7.1. Общие сведения
- •7.3. Спектры некоторых периодических колебаний
- •7.4. Расчет электрических цепей несинусоидального тока с использованием разложения в ряд Фурье
- •7.5. Действующее значение и мощность периодического несинусоидального тока
- •8. Линейные четырехполюсники
- •8.1. Системы уравнений четырехполюсников
- •8 Рис. 8.4. Соединение четырехполюсников: а – последовательное, б – параллельное, в – каскадное .2. Характеристики линейных четырехполюсников
- •8.3. Примеры линейных четырехполюсников
6.3. Составление интегродифференциальных уравнений
Задача расчета переходных процессов заключается в определении мгновенных значений токов в ветвях и напряжений на элементах электрической цепи после коммутации при . При составлении уравнений по законам Ома и Кирхгофа используются соотношения, связывающие мгновенные значения напряжений на пассивных элементах R, L, C электрических цепей с мгновенными значениями токов, протекающих через них (описывающих вольт-амперные характеристики элементов)
a) сопротивление
– закон Ома (6.3)
б) индуктивность
– закон
Фарадея (6.4)
в) емкость
(6.5)
С учетом этих соотношений уравнения, составленные по законам Ома и Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений, приобретают вид интегродифференциальных уравнений, которые могут быть преобразованы в дифференциальные уравнения. Порядок дифференциального уравнения n определяется количеством независимых реактивных элементов. Дифференциальные уравнения I порядка (n=1) описывают переходные процессы в электрических цепях с одним реактивным элементом (RL и RC – цепи). При n=2 электрическая цепь содержит L и C элементы и переходные процессы описываются дифференциальными уравнениями II порядка.
Примеры составления дифференциальных уравнений:
1
Рис. 6.2. Схема
подключения источника ЭДС к RL
цепи
По 2-му закону Кирхгофа
.
Учитывая (6.3) и (6.4), запишем
.
Полученное
соотношение является неоднородным
дифференциальным уравнением I-го
порядка, где независимой переменной
является ток
.
2
Рис. 6.3. Схема
подключения источника ЭДС к RС
цепи
По второму закону Кирхгофа
.
Дифференцируя (1.5) записываем
Рис. 6.4. Схема
подключения источника ЭДС к
последовательному колебательному
контуру
Далее получаем дифференциальное уравнение
.
3. RLC – последовательный колебательный контур (рис. 6.4).
По 1-му и 2-му законам Кирхгофа
.
C учетом (6.3), (6.4), (6.5) имеем
Рис. 6.5. Схема
подключения источника ЭДС к параллельному
колебательному контуру
Учитывая, что ток
в цепи
получаем
.
4. RLC – параллельный колебательный контур
По 1-му и 2-му законам Кирхгофа
,
.
Учитывая, что
и
,
записываем
.
После преобразования имеем неоднородное дифференциальное уравнение II порядка
.
6.4. Решение дифференциальных уравнений
В общем случае для переходных процессов в линейной электрической цепи с n независимыми реактивными элементами составляется неоднородное дифференциальное уравнение n-го порядка
,
(6.6)
где
– независимая переменная (ток или
напряжение),
– внешнее воздействие, коэффициенты
определяются параметрами цепи. Решение
уравнения (6.6) находится как сумма двух
независимых решений
, (6.7)
где
– свободная составляющая, являющаяся
общим решением однородного дифференциального
уравнения [уравнения (6.6) с нулевой правой
частью],
– принужденная составляющая, частное
решение неоднородного уравнения.
Принужденная
составляющая находится в установившемся
режиме при
(после завершения переходных процессов)
с учетом внешнего источника
.
Для расчета
применяются такие же методы, что и при
определении начальных условий, с учетом
нового состояния электрической цепи.
Для решения однородного дифференциального
уравнения на основе (6.6) составляют
характеристическое уравнение
, (6.8)
где оператор
.
Решением алгебраического уравнения
(6.8) являются корни
,
вид которых определяет характер свободной
составляющей
.
Если корни
вещественные и различные, свободная
составляющая представляет собой сумму
экспонент
, (6.9)
где постоянные
интегрирования
находятся из начальных условий.
Для случая
вещественных и равных корней
решение однородного дифференциального
уравнения записывается в виде
. (6.10)
Наиболее интересным
является случай комплексно-сопряженных
корней
.
В этом случае каждой паре корней
характеристического уравнения в
выражении для
соответствует слагаемое
,
где A и - постоянные интегрирования, находятся из начальных условий.
Для упрощения
решения задач расчета переходных
процессов характеристическое уравнение
составляется с использованием понятия
обобщенного сопротивления цепи
,
которое получается из комплексного
сопротивления
заменой j
на оператор p.
Комплексное сопротивление
определяется для электрической цепи
после коммутации при короткозамкнутых
источниках ЭДС. Далее одна из ветвей
размыкается и относительно места
размыкания находится входное сопротивление.
Например, для электрической цепи на
рис. 6. 5 входное сопротивление
.
Далее после преобразований и замены j на p получим характеристическое уравнение
.
