1.6. Расчет нелинейных цепей постоянного тока

Методы расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока

Электрическое состояние нелинейных цепей описывается на основании законов Кирхгофа, которые имеют общий характер. Следует помнить, что для нелинейных цепей принцип наложения неприменим. В этой связи методы расчета, разработанные для линейных схем на основе законов Кирхгофа и принципа наложения, в общем случае не распространяются на нелинейные цепи.

Общих методов расчета нелинейных цепей не существует. В общем случае при анализе нелинейной цепи описывающая ее система нелинейных уравнений может быть решена следующими методами:

- графическими;

- аналитическими;

- графо-аналитическими;

- итерационными.

Простые нелинейные электрические цепи постоянного тока рассчитывают графическим способом. При этом считаются известными вольт-амперные характеристики (ВАХ) нелинейных элементов, входящих в нелинейную цепь постоянного тока.

Нелинейный элемент, ВАХ которого в рабочем диапазоне приближенно можно изобразить прямолинейным участком, заменяют последовательным соединением линейного резистивного элемента с источником ЭДС. При этом сопротивление линейного элемента принимается равным дифференциальному сопротивлению нелинейного элемента в рабочей точке его ВАХ.

Нелинейный элемент в области рабочей точки характеристики можно также заменить параллельным соединением источника тока с линейным элементом, проводимость которого равна дифференциальной проводимости нелинейного элемента в этой точке.

Разветвленная нелинейная электрическая цепь постоянного тока с одним нелинейным элементом может быть рассчитана методом эквивалентного генератора. При этом заменяют линейную часть нелинейной цепи постоянного тока по отношению к нелинейному элементу эквивалентным источником. Полученную цепь последовательного соединения источника, линейного и нелинейного элементов рассчитывают графически.

Решение нелинейных уравнений, описывающих нелинейную электрическую цепь постоянного тока с двумя узлами, также проводят графически. При этом все уравнения необходимо строить в одинаковом масштабе, на одном графике в функции узлового напряжения.

2. Анализ и расчет линейных цепей переменного тока.

2.1. Способы представления и параметры синусоидальных величин

Переменный ток (ЭДС, напряжение) может изменяться во времени как по периодическому, так и не по периодическому закону. В промышленности используется периодический ток (ЭДС, напряжение), изменяющийся по синусоидальному закону. Периодически изменяющаяся величина характеризуется периодом Т [c] (интервал времени, по истечении которого значение данной величины повторяется). Число периодов в секунду характеризует частоту колебаний f = 1/Т [Гц].

Любая, синусоидально изменяющаяся, электрическая величина (ток, напряжение, ЭДС) может быть представлена в аналитическом, графическом и комплексном видах.

Аналитическая форма представления

I = I_m·sin(ω·t + ψ_i), u = U_m·sin(ω·t + ψ_u), e = E_m·sin(ω·t + ψ_e),

где I, u, e – мгновенное значение синусоидального тока, напряжения, ЭДС, т. е. Значения в рассматриваемый момент времени;

I_m, U_m, E_m – амплитуды синусоидального тока, напряжения, ЭДС;

(ω·t + ψ) – фазовый угол, фаза; ω = 2·π/Т – угловая частота, характеризующая скорость изменения фазы;

ψ_i, ψ_u, ψ_e – начальные фазы тока, напряжения, ЭДС отсчитываются от точки перехода синусоидальной функции через нуль к положительному значению до начала отсчета времени (t = 0). Начальная фаза может иметь как положительное так и отрицательное значение.

Как видно из графиков мгновенных значений тока и напряжения представленных на рис. 3.1. начальная фаза напряжения сдвинута влево от начала отсчёта и является положительной ψ_u > 0, начальная фаза тока сдвинута вправо от начала отсчёта и является отрицательной ψ_i < 0. Алгебраическая величина, равная разности начальных фаз двух синусоид, называется сдвигом фаз φ. Сдвиг фаз между напряжением и током

φ = ψ_u – ψ_i = ψ_u – ( - ψ_i) = ψ_u + ψ_i.

На практике приходится иметь дело не с мгновенными значениями синусоидальных величин, а с действующими. Все расчёты проводят для действующих значений, в паспортных данных различных электротехнических устройств указаны действующие значения (тока, напряжения), большинство электроизмерительных приборов показывают действующие значения.

Рис 3.1 – График мгновенных значений

Действующий ток является эквивалентом постоянного тока, который за одно и то же время выделяет в резисторе такое же количество тепла, как и переменный ток. Действующее значение связано с амплитудным простым соотношением

Векторная форма представления синусоидальной электрической величины – это вращающийся в декартовой системе координат вектор с началом в точке 0, длина которого равна амплитуде синусоидальной величины, угол относительно оси х – её начальной фазе, а частота вращения – ω = 2πf. Проекция данного вектора на ось у в любой момент времени определяет мгновенное значение рассматриваемой величины.

Совокупность векторов, изображающих синусоидальные функции, называют векторной диаграммой, рис. 3.2

Рис. 3.2 – Представление синусоидального напряжения и тока векторной диаграммой в момент времени t=0

В дальнейшем обозначение осей координат можно опускать. Векторная диаграмма строится также для действующих значений синусоидальных величин.

Комплексное представление синусоидальных электрических величин сочетает наглядность векторных диаграмм с проведением точных аналитических расчётов цепей.

Ток и напряжение изобразим в виде векторов на комплексной плоскости, рис. 3.3. Ось абсцисс называют осью действительных чисел и обозначают +1, ось ординат называют осью мнимых чисел и обозначают +j. (В некоторых учебниках ось действительных чисел обозначают Re, а ось мнимых – Im). Рассмотрим векторы U и I в момент времени t = 0. Каждому из этих векторов соответствует комплексное число, которое может быть представлено в трех формах:

Алгебраической

U = U’+ jU"

I = I’ – jI",

где U', U", I', I" – проекции векторов на оси действительных и мнимых чисел.

Показательной

где U, I – модули (длины) векторов; е – основание натурального логарифма; поворотные множители, т. к. умножение на них соответствует повороту векторов относительно положительного направления действительной оси на угол, равный начальной фазе.

Рис. 3.3 – Представление синусоидальных напряжения и тока векторной диаграммой на комплексной плоскости

Тригонометрической

U = U·(cosψ_u + jsinψ_u)

I = I·(cosψ_i – jsinψ_i).

При решении задач в основном применяют алгебраическую форму (для операций сложения и вычитания) и показательную форму (для операций умножения и деления). Связь между ними устанавливается формулой Эйлера

е^j·ψ = cosψ + jsinψ.