Теоретические основы электротехники. Часть 2. Переходные и статические режимы в линейных и нелинейных цепях. Электромагнитное поле

ния и тока u uпад uотр ; i iпад iотр (рис. 2.7, г, д), когда отраженная волна прошла 25 расстояния между концом и началом линии ( x1 3l5), приняв, что сопротивление нагрузки RН 3ZC , т. е. коэффициент отражения k 0,5. До

ся, а при RН ZC ( k 0) напряжение уменьшится, ток уве-

личится. Форма отраженной волны повторяет форму падающей волны при любом активном сопротивлении нагрузки.

Холостой ход и короткое замыкание в конце линии. В

частных случаях ZН (холостой ход) и ZН 0 (короткое замыкание) коэффициент отражения достигает наибольшего по модулю значения — при холостом ходе kХХ 1, при коротком замыкании kКЗ 1. Во всех других случаях коэф-

фициент отражения меньше единицы, т. е. напряжение и ток отраженной волны меньше, чем падающей, поскольку энергия падающей волны частично поглощается в сопротивлении нагрузки.

замыкании ток удваивается, а напряжение уменьшается до нуля.

71

Отражение от неоднородности. Узел соединения раз-

личных линий (или разветвление) в конце линии следует рассматривать как неоднородность, т. е. некоторое сопротивление RН , включенное в конце линии. Например, если в конце

линии с волновым сопротивлением Z C 1 параллельно подключены две линии с волновыми сопротивлениями Z C 2 и ZC 3 (рис. 2.8), то по этим линиям пойдут волны, сумма токов которых равна току, направленному к узлу по первой линии.

активного сопротивления, сделанные выше, справедливы и для случая отражения от неоднородности.

Рис. 2.8

Общий случай отражения волны от конца линии.

Если к концу линии подключен пассивный двухполюсник (рис. 2.9) и напряжение в конце линии uпад известно, то напря-

жение на зажимах двухполюсника uН можно представить как

Аналогично — для тока в конце линии:

72

волна возникла на время позднее, чем падающая.

Примем в уравнениях (2.19) — (2.21) за начало отсчета времени момент достижения падающей волной конца линии. Будем отсчитывать расстояние точки линии y l x от ее конца, тогда

uотр uотр 0, t , uпад uпад 0, t , iотр iотр 0, t , iпад iпад 0, t .

Если исключить из уравнений (2.19) и (2.20) неизвестное напряжение отраженной волны, то получим:

uН iН ZC 2uпад .

Уравнению (2.22) соответствует схема рис. 2.10 при замыкании ключа в момент достижения волной конца линии и появления напряжения uН и тока iН . При помощи этой схе-

мы можно найти напряжение uН и ток iН в конце линии при произвольной нагрузке. Далее напряжение uотр и ток iотр от-

раженной волны в конце линии можно определить из уравнений (2.19) и (2.20). В общем случае форма отраженной волны не совпадает с формой падающей волны.

73

Пример 2.1. Падающая волна прямоугольной формы

напряжения и тока вдоль линии к моменту времени, когда отраженная волна дойдет до середины линии.

Решение. По эквивалентной схеме рис. 2.11, б

74

Рис. 2.11

Напряжение отраженной волны

uотр iотр ZC 6,126 13,125e 32t кВ .

В момент достижения волной конца линии напряжение удваивается, а ток спадает до нуля (согласно первому закону коммутации), т. е. в первый момент волна отражается так же, как от разомкнутого конца линии. Затем ток увеличивается, а напряжение уменьшается (рис. 2.12, а, б).

75

Пример 2.2. Определить напряжение отраженной волны (пример 2.1) с помощью коэффициента отражения в операторной форме.

2.5. Расчет волн, возникающих при переключениях

Волны в линиях возникают также при ненулевых начальных условиях, т. е. при коммутациях под напряжением и (или) при наличии тока в линии.

Рассмотрим подключение нагрузки RН к концу линии

без потерь с постоянным источником ЭДС E U в начале (рис. 2.13). До коммутации ток в линии равен нулю, напряжение — U .

76

Подставив в (2.26) выражение (2.25), получим:

Uuоб uоб 0 .

RН ZC

Отсюда

Расчет переходного процесса в линии значительно упрощается путем сведения к расчету цепи при нулевых начальных условиях. При этом нет необходимости в анализе граничных условий. Коротко суть данного метода: при подключении нагрузки или участков линии необходимо на докоммутационный режим наложить режим, который возникает при подключении к зажимам ключа источника напряжения, равного докоммутационному напряжению на зажимах. Напряжения и токи, которые накладываются на ранее существовавшие, представляют собой вновь возникающие волны и рассчитываются при нулевых начальных условиях (в цепи отсутствует запасенная энергия и источники, кроме включаемого на зажимы ключа).

Для цепи рис. 2.13 расчет обратной волны можно рассмотреть на примере схемы рис. 2.14, а. По эквивалентной схеме (рис. 2.14, б) найдем:

77

При расчете напряжений и токов обратных волн при отключении нагрузок или участков линии метод сведения к нулевым начальным условиям заключается в подключении к зажимам ключа источника тока, ток которого равен докоммутационному току в ветви ключа.

Пример 2.3. Найти напряжения и токи волн, возникающих при подключении к линии без потерь (рис. 2.15, а) дополнительного сопротивления R 20 Ом и при отключении

Решение. При подключении дополнительного сопротивления R по эквивалентной схеме (рис. 2.15, б) найдем:

Наложение этих токов и напряжений на ток I U RН и

напряжение U иллюстрируют графики (рис. 2.15, в).

В случае отклонения сопротивления R по эквивалентной схеме рис. 2.15, г найдем:

uп р uоб iп р ZC 31,5 кВ .

78

79