Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ЭМ и ЭМ ПП в ЭЭС задачник.doc
Скачиваний:
89
Добавлен:
25.08.2019
Размер:
9 Мб
Скачать
☆

Решение задачи операторным методом

В этом случае также требуется первоначально составить дифференциальные уравнения в соответствии с первым и вторым законами Кирхгофа. Затем следует перейти от дифференциальных уравнений к операторным или, иначе говоря, от оригиналов функций f (t) к их изображениям F (p). Переход возможен на основе интегрального преобразования или с применением таблиц соответствия. К преимуществам операторного метода относят замену решения системы дифференциальных уравнений для оригиналов решением алгебраических уравнений для изображений и упрощение учета начальных условий [5, 6]. На последнем этапе расчета переходят от изображений к оригиналам, что возможно выполнить на основе таблиц соответствия или теоремы разложения.

При решении задач операторным методом можно составлять уравнения для изображений искомых величин, минуя этап составления дифференциальных уравнений [6]. В этом случае законы Кирхгофа в операторной форме в общем случае записываются в виде:

, (2.3)

где – операторное сопротивление ветви.

Такая запись использована при решении задачи операторным методом в главе 3.

Вид исходных дифференциальных уравнений (2.1), (2.2) не меня­ется.

Выполним переход от оригиналов к изображениям. Запишем для участка с параметрами X1, R1 уравнение в операторной форме. В наиболее общем виде [6] уравнение контура с параметрами R, L, C в операторной форме:

U (p) = (pL + R + 1/pC) i (p) – Li (0–) + UC (0–) / p.

Участок с параметрами X1, R1 в соответствии с принятыми допущениями не содержит емкости, поэтому

U (p) = (pL1 + R1) i1(p) – L1i1(0–),

где i1(0–)  ток в контуре в момент t = 0–.

Можно составить для участка с параметрами X1, R1 уравнение в операторной форме на основе соотношения (2.3). При этом вид последней записи не изменится. Отсюда

i1(p) = [U (p) + L1i1(0–)]/ (pL1 + R1).

Синусоидальной функции Um sin (ωt + α) соответствует изображение U (p) = Um [(p sin α + ω cos α)/(p2 + ω2)], операторное выражение для напряжения достаточно громоздко, последующие расчетные выражения будут сложны. Целесообразно воспользоваться комплексным представлением напряжения источника Um sin (ωt + α) = Jm {Uejωt}, т. е. изменяющееся по закону синуса напряжение источника может быть представлено как проекция вектора Um на мнимую ось, как мнимая часть комплекса Uеjωt. Изображение экспоненциального напряжения достаточно просто [6]: UejωtU/(p – jω). Таким образом:

i1(p) ={[U/(p – jω)] + L1i1(0–)]}/ (pL1 + R1).

Для участка цепи с параметрами X2, R2 после замыкания контакта уравнение в операторной форме:

0 = (pL2 + R2) i2(p) – Li2(0–).

Отсюда

i2(p) = [L2i2(0–)]/ (pL2 + R2).

Для получения ответа перейдем от изображений к оригиналам. Рассмотрим участок с параметрами X1, R1, введем параметр 1 = R1/ L1, разделим числитель и знаменатель выражения для i1(p) на L1, получим в области изображений:

i1(p) ={[(U/ L1)/ (p – jω)] + i1(0–)]}/ (p + 1).

В силу линейности уравнений сложение оригиналов соответствует сложению изображений, умножение оригиналов соответствует умножению изображений [6]. В последнем выражении содержится два слагаемых. По таблице соответствий находим оригинал первого слагаемого:

f1(t) = [(U/ L1)/ (1 + jω)](e jωt – e–1t).

Выделим мнимую часть последнего выражения, запишем последовательно:

(U/ L1)/ (1 + jω) = U/ (R1 + jωL1) = (Um / Z1) e j (α – φ1),

где , φ1 = arctg (X1/R1);

f1(t) = (Um /Z1) ej(α–φ1)(ejωt – e–1t),

искомый ток по первому слагаемому определим как проекцию вектора f1(t) на мнимую ось:

i11(t) = Jm {f1(t)} = (Um / Z1)[sin (ωt + α – φ1) – sin (α – φ1) e– t/Ta1].

По таблице соответствий находим оригинал второго слагаемого:

i12(t) = i1(0–) e–1t.

i1(0–)  ток в контуре в момент t = 0–, т. е. ток в контуре до коммутации, этот ток был определен при решении задачи классическим методом. С учетом обозначения Ta1 = X1/ ωR1 получаем

i1(t) = [im sin (α – φ)] е– t/Ta1.

Полный ток участка с параметрами X1, R1 состоит из двух слагаемых: i11(t), i12(t):

i1(t) = i11(t) + i12(t) = (Um / Z1)[sin (ωt + α – φ1)– sin (α – φ1) e– t/Ta1] +

[im sin (α – φ)] e – t/Ta1 =

= i1m sin (ωt + α – φ1) + [im sin (α – φ) – i1m sin (α – φ1)] e–t/Ta1.

Этот результат совпадает с полученным ранее классическим методом результатом.

Рассмотрим участок с параметрами X2, R2, введем параметр 2 = R2/L2, разделим числитель и знаменатель выражения для i2(p) на L2, получим в области изображений:

i2(p) = i2(0–)/ (p + 2).

По таблице соответствий, приведенной, например в [5], находим оригинал:

i2(t) = i2(0–) e–2t.

Здесь i2(0–)  ток в контуре в момент t = 0–, т. е. ток в контуре до коммутации, этот ток был определен при решении задачи классическим методом. С учетом обозначения Ta2 = X2/ ωR2 получаем

i2(t) = Im sin (α – φ)] e–t/Ta2 .