Меню

Ток через индуктивность переходный процесс

Переходные процессы в электрических цепях постоянного тока

Разделы: Физика

Время от времени на экзаменах и олимпиадах встречаются задачи, в которых речь идёт о перераспределении (перетекании) электрических зарядов вследствие различных видов коммутаций (переключений) в электрических цепях. Чаще всего имеются в виду электрические цепи, содержащие конденсаторы и катушки индуктивности. Сложность подобных задач заключается в том, что рассматриваемые в них процессы, возникающие при переключениях, вызывают у школьников затруднения как в понимании физических явлений, так и в построении математической модели, позволяющей решить данную проблему. Даже если модель задачи и была построена, решение полученных уравнений выходит за рамки школьной программы. Тем не менее, ещё совсем недавно аналогичные задачи предлагались на вступительных экзаменах по физике в ведущие физические ВУЗы или факультеты. А теперь задания с подобного рода содержанием «перекочевали» в контрольно-измерительные материалы на ЕГЭ.

Примером такой задачи является, например, следующая:

Катушка индуктивности подключена к источнику тока с пренебрежимо малым внутренним сопротивлением через резистор R = 60 Ом (рисунок 1). В момент t = 0 ключ К замыкают. Значения силы тока в цепи, измеренные в последовательные моменты времени с точностью ±0,01 А, представлены в таблице.

В других вариантах катушку индуктивности может заменить конденсатор.
При этом надо ответить на ряд вопросов. Например, чему равно значение ЭДС источника тока, каково значение напряжения на резисторе или катушке в некоторый момент времени и т.п.

Нестандартность заданий заключается в том, что вопросы касаются не статического состояния (например, конденсатор уже заряжен или разряжен), а относятся к мгновенным значениям ещё неустановившихся значений силы тока (напряжения).

Разумные ученики по первой подсказке (помощи) учителя в дальнейшем обычно легко справляются с подобного рода задачами. Однако, некоторые наиболее любознательные школьники, «смотря в корень» проблемы, начинают интересоваться происхождением магического ряда чисел во второй строчке таблицы изменения силы тока (напряжения). После решения нескольких задач, содержащих подобные таблицы, в конце концов приходится назначать дополнительное занятие по изучению так называемых переходных процессов в цепях постоянного тока, содержащих конденсаторы или катушки индуктивности.

Переходный процесс в цепи, содержащей конденсатор.

Пусть дана схема (рисунок 2), в которой в некоторый момент времени t=0 ключ К замыкается, в результате чего напряжение источника тока подаётся на остальную часть схемы. Для простоты будем считать, что внутреннее сопротивление источника тока мало. Это допущение не повлияет на искомый результат.

Школьники, понимающие, что конденсатор является цепью фактически разомкнутой для постоянного тока, с некоторым недоумением воспринимают информацию, что сразу после замыкания цепи в ней возникает, правда, очень быстро заканчивающийся, процесс протекания тока. В результате конденсатор переходит от незаряженного состояния в заряженное.

Длительность этого процесса составляет десятые, сотые, а иногда и миллионные доли секунды; сравнительно редко время переходных процессов может составлять секунды и десятки секунд.
Что же происходит в результате замыкания ключа К? Конденсатор C вначале не заряжен, а потому потенциалы его обкладок одинаковы. Примем потенциал нижнего по рисунку вывода источника тока равным нулю, тогда верхний вывод имеет потенциал Е. Замыкание ключа приводит к обнулению потенциала как нижней, так и верхней пластины конденсатора. Таким образом, между верхним полюсом источника тока и верхней обкладкой конденсатора возникает разность потенциалов, что приведёт к перемещению заряженных частиц (электронов), то есть к возникновению электрического тока. Значение силы тока по закону Ома пропорционально разности потенциалов. Следовательно, сразу после замыкания ключа К на резисторе R напряжение будет равно E. При этом сила тока в нем равна Процесс протекания тока приведёт к росту заряда на обкладках конденсатора, а, следовательно, и росту потенциалов на его обкладках. В результате, верхняя обкладка заряжается положительным зарядом, а нижняя — отрицательным. Так как на левом выводе резистора потенциал не изменяется, а на правом растёт, разность потенциалов (напряжение) на резисторе снижается, что приводит к уменьшению силы зарядного тока, а, следовательно, и к уменьшению скорости заряда конденсатора.

Для замкнутой цепи (рисунок 2) можно записать уравнение E = UR + UC, так как резистор и конденсатор включены в ней последовательно. Здесь UR = iR — напряжение на резисторе, а — напряжение на конденсаторе, а — сила зарядного тока. Тогда Так как , то

Заряд на конденсаторе изменяется постепенно, хотя и очень быстро. Это прямо вытекает из уравнения (1). В самом деле, мгновенный (скачком) рост заряда на конденсаторе делал бы дробь очень большой, что противоречило бы этому уравнению, так как все остальные члены имеют конечное (не бесконечно большое) значение. Получив из (1) выражение

заметим, что по мере увеличения заряда q на конденсаторе уменьшается скорость процесса заряда этого конденсатора. Для малых интервалов времени то есть при , значение производная заряда как функции от времени. Таким образом, в уравнение неизвестная величина (заряд) входит еще и со своей производной. Решить его — означает найти вид функции q(t) зависимости заряда на конденсаторе от времени. Решение этого, так называемого дифференциального, уравнения выходит за рамки школьной программы.

Тем не менее, попробуем всё-таки определить характер зависимости заряда (напряжения) на конденсаторе другим способом. Для этого представим исходное уравнение в виде

Время заряда конденсатора разобьём на малые одинаковые интервалы времени t и посмотрим, как будет меняться значение заряда и напряжения по истечении первого интервала t1 от начала заряда, затем второго — t2 и т.д. При этом как уже было сказано

Таким образом, есть возможность последовательно, шаг за шагом, рассчитывать напряжения на конденсаторе через одинаковые промежутки времени t, получая последовательность чисел.

Выражения типа (3) называют рекуррентным, так как для вычисления последующего члена последовательности надо знать её предыдущий член. При этом, разумеется, значения величин E, R и C должны быть известными. Обратим внимание, что в выражениях (2) и (3) дробь безразмерна, то есть RC имеет размерность времени (докажите это.)

Выведем формулу общего члена последовательности. В соответствии с выражением (3) проследим, как изменяется напряжение на конденсаторе, учитывая, что вначале U0=0 В (конденсатор не заряжен).

В последнем выражении видно, что в скобках стоит сумма конечного количества членов геометрической прогрессии со знаменателем . Так как конденсатор заряжается только до напряжения источника тока, то сумма её не может быть бесконечно большой, и эта прогрессия является убывающей, а потому . По формуле суммы геометрической прогрессии имеем

Какими взять интервалы времени t и каково их количество? Анализируя выражение (4), приходим к выводу, что из бесконечного увеличения числа интервалов следует асимптотическое приближение В самом деле, сумма членов той же, но уже не ограниченной количеством n членов бесконечно убывающей геометрической прогрессии

Этот чисто математический вывод означает, что полный заряд конденсатора до напряжения источника тока E происходит за бесконечно большой интервал времени. В реальности же вследствие ограниченной точности (чувствительности) измерительных приборов ждать «бесконечно» долго не приходится. Конденсатор считается заряженным, если напряжение на нём достигло такого значения, при котором визуально оно уже не изменяется. Поэтому будем считать, что конденсатор «практически» заряжен за n = N шагов, если напряжение на нём будет составлять, например, доли от напряжения источника E, то есть . Тогда из (4)

Если T — время, за которое конденсатор будет «практически» заряжен, то понятно, что

Величина RC, имеющая размерность времени, характеризует электрическую цепь. Можно сказать, что от величины RCзависит время заряда конденсатора. Соотношение показывает, во сколько раз отличается время «полного» заряда конденсатора от RC. Посмотрим, как это соотношение зависит от количества N интервалов времени при различных значениях . Лучше всего проанализировать выражение (5) с помощью табличного процессора MS Excel. Расчёты по формуле (5) были проведены для трёх значений . На графике (рисунок 3) показаны результаты этих расчётов.

Из графиков видно, что при N > 100 соотношение «стабилизируется», то есть мало зависит от N. Это означает, что конденсатор можно считать заряженным, например, с точностью = 0,95, если время T будет в 3 раза больше величины RC при условии, что число интервалов N > 100.

Теперь ясно, что для расчётов по формуле (4) значений напряжений Un берётся , где в соответствии с рисунком 3 при значение , при = 0,95 — T = 3 . RC, при = 0,99 — T = 4,6 . RC при = 0,9 — T = 2,3 . RC, а N выбирается во всех случаях большим 100.

Если нас интересует практически полный заряд конденсатора ( = 0,99), то это произойдёт за T = 4,6 . RC. Тогда Опять же воспользуемся табличным процессором MS Excel. График показан на рисунке 4. Расчёты были произведены для E = 5В, RC = 0,001с. И при N = 100 имеем t = 0,000046c.

Переходный процесс в цепи, содержащей катушку индуктивности

Рассмотрим теперь электрическую цепь, содержащую катушку индуктивности (рисунок 5).

Читайте также:  Мощность тока нагрев нагревателя

Пусть катушка обладает малым электрическим сопротивлением, меньшим, чем сопротивление резистора R. Внутренним сопротивлением источника тока пренебрежём. В момент времени t = 0 ключ К замыкается, и по цепи начинает протекать электрический ток. Если бы в цепи не было катушки индуктивности, то значение тока сразу бы установилось равным . Из-за явления самоиндукции нарастание тока в катушке будет постепенным. При этом в катушке возникает ЭДС самоиндукции . Здесь L — индуктивность катушки, — скорость изменения тока.

Так как резистор R и катушка L соединены последовательно, то E = UR + UL.

При малых изменениях тока за малые промежутки времени ( ) дробь превращается в производную силы тока как функции времени . Тогда уравнение (6) превращается в дифференциальное уравнение

решение которого заключается в нахождении вида функции силы тока i(t) в катушке индуктивности от времени. Поступим так, как и в предыдущем случае. Представим уравнение (6) в виде

Время нарастания тока разобьём на малые одинаковые интервалы времени и посмотрим, как будет меняться его значение по истечении первого интервала от начала процесса, затем второго — и т.д. При этом, как уже было сказано,

Несложное преобразование даёт следующее

Выражение (7) также является рекуррентным и позволит определить изменение значения силы тока в катушке индуктивности через одинаковые промежутки времени . При известных величинах E, R и L. Самостоятельно выведите формулы (8)

Можно также показать что при установившееся значение силы тока в цепи

Обратим внимание, что в выражении (7) дробь безразмерна (докажите это).

Для определения количества интервалов времени n, а также самого интервала можно воспользоваться результатами предыдущего анализа. Время, за которое сила тока практически установится при точности амперметра, соответствующей

Пусть, например, E = 18В, R = 60Ом, L = 80Гн. Тогда T = 6,1с и при N = 100 имеем 0,061с. Эти данные соответствуют условию задания, приведённого в начале этой работы. Построим график, используя табличный процессор MS Excel (рисунке 6).

Красные маркеры поставлены в соответствии с таблицей к заданию, приведенному в начале работы. Как видно, теоретические расчёты хорошо согласуются с результатами измерений.

Придумаем задачу с переходным процессом!

Пусть конденсатор уже заряжен (рисунок 7). В некоторый момент времени t = 0 ключ К замыкается, и конденсатор начинает разряжаться через резистор R. Составьте задание для участников экзамена, где приведён ряд значений силы тока (или напряжения) в последовательные моменты времени. В условии может быть задано, например, начальное значение напряжения на конденсаторе (начальное значение силы разрядного тока), а также сопротивление резистора и ёмкость конденсатора.

Из уравнения (9) видно, что скорость разряда конденсатора уменьшается по мере уменьшения остаточного заряда на конденсаторе. Весь процесс разряда также разобьём на одинаковые интервалы времени t. Проделайте рассуждения самостоятельно и получите рекуррентную формулу

От рекуррентной формулы переходим к формуле для общего члена последовательности Un(выведите самостоятельно).

Здесь U — начальное напряжение на конденсаторе.

Здесь напряжение уменьшается асимптотически до нуля. Будем считать, что конденсатор практически разрядится, если напряжение на нём будет составлять (например, ). Пусть значение Un = достижимо за n = N шагов. Тогда

Если n = N соответствует длительности T процесса «практически полного» разряда конденсатора, то, учитывая , получим

Формулы (11) и (5) идентичны, так как соответствует .

Пусть конденсатор заряжен до напряжения U = 5В, RC = 0,001с. И, если N = 100, то T = 4,6 . RC и t = 0,000046c Используя табличный процессор MS Excel, рассчитаем по формуле (10) значения Un и построим график (рисунке 8).

Из таблицы возьмём только 7-10 последовательных моментов времени из 100, относительно равномерно распределенных по всему графику. Так как на начальном участке графика скорость изменения напряжения больше, чем в конце, то и в таблице более подробно отразим именно начальный участок. Следующая задача вполне могла бы занять место в экзаменационных материалах.

Электрическая цепь (рисунок 9) состоит из конденсатора C, резистора R =50 Ом и ключа К. Конденсатор заряжен до напряжения U0. В момент времени t = 0 ключ К замыкают, и начинается разряд конденсатора. Значения напряжения, измеренные в последовательные моменты времени с точностью ±0,05В, приведены в таблице

Источник

Переходные процессы в цепях с индуктивностью

Схема с корректной коммутацией

Проанализируем процесс коммутации в схеме рис.

Из старого установившегося режима :

По физическим законами коммутации:

Таким образом, в начале переходного процесса вторая ветвь полностью воспринимает на себя ток первой ветви: . В третью короткозамкнутую ветвь ток не попадает: .

На рисунке справа качественно представлен весь переходный процесс . Вследствие короткого замыкания третьей ветви сформировалась несвязанная цепь. Здесь уравнения для левого и правого контуров дают решения для токов и , которые независимо друг от друга затухают с различными постоянными времени: и .

Предположение о мгновенной коммутации не нарушает ни один физический закон. Здесь, мгновенную коммутацию нужно считать корректной.

Схема с некорректной коммутацией

В той же схеме, теперь на рис. 2.7 изменен характер коммутации. Ключ теперь не замыкается, а размыкается. Рассмотрим физический процесс коммутации.

Из старого установившегося режима:

По физическим законам коммутации:

Поскольку правые части различные, то не равны и левые части :

После коммутации ток должен войти во вторую ветвь, но последняя физически не в состоянии воспринять его мгновенно, так как не может измениться скачком.

По принципу непрерывности электрического тока в начале коммутации ток вынужден замыкаться по третьей ветви, где в зазоре (пока еще контакты близки друг к другу) возникает электрическая дуга (искра). Она гаснет спустя некоторое время , когда токи в индуктивностях выровняются.

Таким образом, следуя физике процесса, нужно рассчитывать токи в цепи для двух интервалов времени:

Ι интервал соответствует длительности погасания дуги. В работе двухконтурная цепь, где работают физические законы коммутации. Расчет переходного процесса на этом интервале проблематичен. Цепь нелинейная. Нелинейным элементом является электрическая дуга, сопротивление которой меняется от 0 до ∞.

ΙΙ интервал . В работе осталась линейная одноконтурная цепь с последовательно включенными индуктивностями. Ее постоянная времени .

Следуя реальному физическому процессу, рассчитывая два следующих друг за другом интервала, можно использовать физический закон коммутации на левой границе каждого из них.

Продолжительность горения дуги (или искры) незначительна, порядка с. В силовых цепях дуга крайне нежелательна и ее искусственно гасят специальными техническими средствами, сводя интервал времени к минимуму.

Имеется возможность избежать расчета переходного процесса на первом коротком интервале и рассчитать сразу процесс на втором этапе, если, игнорируя физическое содержание процесса коммутации, пренебречь интервалом времени и считать коммутацию мгновенной.

Однако при времени моменты времени и совмещаются, что приводит к скачкообразному изменению индуктивного тока в момент коммутации. Это обстоятельство и иллюстрируется на рис. 3. В таких условиях уже невозможно использование формально нарушенных нами физических законов коммутации для определения начального значения .

Для определения начального значения нужно использовать другие соотношения, определяемые принципом непрерывности потокосцепления.

Когда предположение о мгновенной коммутации якобы приводит к нарушению физических законов, его следует считать корректным. Цепи, допускающие такое нарушение, называют цепями с некорректной коммутацией.

Дата добавления: 2018-06-27 ; просмотров: 575 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Источник



Переходные процессы в R-L и R-C цепях

Рассмотрим переходные процессы в цепи, содержащей последовательно соединенные резистор R и индуктивность L . Уравнение Кирхгофа для такой цепи

где u = u ( t ) — напряжение на входе цепи. Найдем решение этого уравнения для свободной составляющей тока, т.е. при u = 0, в виде i с = I e pt . Для этого подставим выражение для тока в исходное уравнение и найдем значение p

Выражение Lp + R =0 представляет собой характеристическое уравнение, которое могло быть получено без подстановки общего выражения для свободной составляющей формальной заменой в однородном дифференциальном уравнении производных тока на p k , где k — порядок производной.

Таким образом, общее решение для тока при переходном процессе в R-L цепи можно представить в виде

где t = 1/|p| = L / R — постоянная времени переходного процесса; I — постоянная интегрирования, определяемая по начальным значениям; i — установившийся ток в цепи, определяемый по параметрам R и L и напряжению на входе u .

Длительность переходного процесса в цепи, определяемая значением t , возрастает с увеличением L и уменьшением R .

Рассмотрим подключение R — L цепи к источнику постоянной ЭДС E (рис. 1 а)).

Установившийся ток в этой цепи будет определяться только ЭДС E и резистивным сопротивлением R , т.к. после окончания переходного процесса i = const и u L = Ldi / dt = 0, т.е. i у = E / R .

Полный ток в переходном процессе из выражения (1)

Для определения постоянной I найдем начальное тока. До замыкания ключа ток очевидно был нулевым, а т.к. подключаемая цепь содержит индуктивность, ток в которой не может измениться скачкообразно, то в первый момент после коммутации ток останется нулевым. Отсюда

Подставляя найденное значение постоянной I в выражение для тока, получим

Из этого выражения можно определить падения напряжения на резисторе u R и индуктивности u L

Читайте также:  Какие металлы самые лучшие проводники тока

Из выражений (1)-(3) следует, что ток в цепи нарастает по экспоненте с постоянной времени t = L / R от нулевого до значения E / R (рис. 1 б)). Падение напряжения на сопротивлении u R повторяет кривую тока в измененном масштабе. Напряжение на индуктивности u L в момент коммутации скачкообразно возрастает от нуля до E , а затем снижается до нуля по экспоненте (рис. 1 б)).

Подставляя выражения (3) в уравнение Кирхгофа для цепи после коммутации, можно убедиться в его справедливости в любой момент времени

Пусть рассмотренная выше R — L цепь длительное время была подключена к источнику ЭДС E , а затем замкнута накоротко (рис. 2 а)).

В этом случае установившийся ток будет равен нулю и задача сводится к отысканию его свободной составляющей. Из выражения (1)

Постоянную I можно определить из начальных условий. Установившийся ток в цепи до переключения ключа S был равен i (0 — ) = E / R , а т.к. в первый момент после коммутации ток в индуктивности сохраняет свое значение, то i (0 — ) = i (0 + ) = I = E / R . Отсюда ток и падения напряжения в цепи

Из выражений (4) следует, что при замыкании цепи накоротко ток уменьшается от E / R до нуля по экспоненте с постоянной времени t = L / R (рис. 2 б)). Падение напряжения на резисторе изменяется по такому же закону, а напряжение на индуктивности в момент коммутации скачком изменяется от нуля до — E , а затем снижается до нуля ( рис. 2б)).

Общее падение напряжения на резисторе и индуктивности в любой момент времени

как и следовало ожидать, равно нулю и в переходном процессе происходит преобразование энергии магнитного поля в тепло.

При отключении цепи содержащей индуктивность в ней могут возникать падения напряжений опасные для ее элементов. Пусть R — L цепь с подключенным к ней вольтметром отключается от источника постоянной ЭДС E (рис. 3).

Так как цепь содержит индуктивность, то после размыкания ключа S ток не сможет изменить своего значения и будет протекать в контуре R — L — V . Значение тока до коммутации i (0 — ) = E / R = i (0 + ) = i (0) Уравнение Кирхгофа для этого контура

Ri + R V i + u L = 0,

где R V — сопротивление вольтметра.

Отсюда падение напряжения на вольтметре u V = R V i (0) = ER V / R и на индуктивности u V = ( R + R V ) i (0) = E (1+ R V / R ).

Обычно R V >> R , поэтому напряжение на вольтметре и на индуктивности в момент отключения превосходят ЭДС источника в R V / R раз. Это может быть опасным для вольтметра и изоляции катушки. Если индуктивность цепи достаточно велика, то запасенной в ней энергии может оказаться достаточно для разрушения изоляции или входных цепей прибора. Поэтому при отключении цепи постоянного тока с большой индуктивностью ее предварительно замыкают на малое сопротивление, а измерительные приборы отключают .

Рассмотрим теперь процесс подключения R — L цепи к источнику переменной синусоидальной ЭДС (рис. 4 а)).

Ток после коммутации в соответствии с выражением (1)

Установившееся значение i у определяется по закону Ома как

где y — фаза напряжения на входе цепи в момент коммутации, а j = arctg( w L / R ) .

До коммутации ток в цепи был равен нулю, поэтому из выражений (5) и (6) можно найти постоянную I

следовательно, полный ток в цепи после коммутации

Таким образом, ток в цепи состоит из двух составляющих — установившегося периодического синусоидального тока и свободного, уменьшающегося по экспоненте с постоянной времени t = L / R (рис. 4 б)). В результате, ток в некоторые моменты времени превышает амплитудное значение установившегося тока.

Начальное значение свободной составляющей тока I m sin( y — j ) зависит от момента включения y . При y = j +( k +1/2) p ( k = 0, 1, 2 ј ) ток через полпериода после коммутации (рис. 4 в)) достигает максимального значения, равного I max = I m [1+e — p t /( w t ) ]. Значение e — p t /( w t ) w и постоянной времени t . При w ® µ и/или t ® µ I max ® 2.

При y = j + k p ( k = 0, 1, 2 ј ) свободный ток в момент коммутации равен нулю и переходный процесс отсутствует . В цепи сразу после коммутации возникает установившийся режим. Эта особенность переходных процессов на переменном токе используется в устройствах детерминированного включения . В них момент включения нагрузки выбирают таким образом, чтобы уменьшить или исключить большие значения тока, напряжения или других параметров.

Перейдем к рассмотрению переходных процессов в цепи с последовательным соединением резистора R и емкости C . По второму закону Кирхгофа для этой цепи

Ток в емкости можно представить в виде i = Cdu C / dt . Отсюда

Решение этого дифференциального уравнения для напряжения на емкости также можно представить суммой свободной и установившейся составляющих u C = u у + u с . Свободную составляющую найдем из решения однородного уравнения ( u = 0) в виде u с = U e pt . Подставим это выражение в уравнение и найдем значение p

Выражение RCp + 1 = 0 представляет собой характеристическое уравнение, которое могло быть получено без подстановки общего выражения для свободной составляющей формальной заменой в однородном дифференциальном уравнении производных от напряжения на емкости на p k , где k — порядок производной.

Отсюда общее решение для напряжения на емкости

u C = u у + u с = u у + U e — t / t ,

где U — постоянная интегрирования, определяемая из начальных значений; t = 1/|p| = RC — постоянная времени переходного процесса.

Рассмотрим процесс подключения последовательной R — C цепи к источнику постоянной ЭДС E (рис. 5 а)).

В отличие от индуктивности, емкость после накопления заряда может длительное время сохранять его. Поэтому начальное значение напряжения на емкости U 0 может быть произвольным и иметь произвольный знак по отношению к ЭДС источника.

Установившееся значение напряжения на емкости после замыкания ключа S всегда будет равно E , т.к. на постоянном токе в установившемся режиме du C / dt = 0 и i = Cdu C / dt = 0, а u C = u — Ri = E — Ri = E . Поэтому из выражения (8) напряжение на емкости в общем виде будет равно

u C = u у + u с = E + U e — t / t .

Пусть напряжение на емкости до коммутации было u C (0 — ) = ± U 0 (знак + соответствует полярности напряжения на рис. 5 а) без скобок). Тогда из (9) для момента времени непосредственно после замыкания ключа найдем постоянную U

а затем и выражение для напряжения на емкости в виде

где t = RC — постоянная времени переходного процесса.

Отсюда можно найти ток в цепи и падение напряжения на резисторе

На рис. 5 б)-г) приведены временные диаграммы переходного процесса подключения R — C цепи к источнику постоянной ЭДС для трех вариантов начальных значений напряжения на емкости: 1) E > U 0 > 0 ; 2) E U 0 и U 0 > 0; 3) U 0 U 0 до E . В то время как ток и напряжение на резисторе в момент коммутации скачкообразно изменяются на величину пропорциональную разности или сумме E и U 0 , а затем монотонно уменьшаются до нуля. При этом, если E U 0 , то ток и падение напряжения на R отрицательны, т.е. происходит разряд емкости.

Полный разряд емкости происходит при отсутствии внешних источников энергии (рис. 1 а)). После переключения ключа S вся энергия накопленная в электрическом поле емкости C преобразуется в тепло в резисторе R .

Напряжение на емкости в переходном процессе будет иметь только свободную составляющую

u C = u с = U e — t / t

и если цепь достаточно длительное время была подключена к источнику, то в момент переключения напряжение на емкости будет равно E . Поэтому постоянная U будет равна

u C (0 — ) = E = u C (0 + ) = U ,

а напряжение на емкости в переходном процессе —

u C = E e — t / t .

Отсюда ток в цепи и напряжение на резисторе

Источник

Ток через индуктивность переходный процесс

При всех изменениях в электрической цепи: включении, выключении, коротком замыкании, колебаниях величины какого-либо параметра и т.п. – в ней возникают переходные процессы, которые не могут протекать мгновенно, так как невозможно мгновенное изменение энергии, запасенной в электромагнитном поле цепи. Таким образом, переходный процесс обусловлен несоответствием величины запасенной энергии в магнитном поле катушки и электрическом поле конденсатора ее значению для нового состояния цепи.

При переходных процессах могут возникать большие перенапряжения, сверхтоки, электромагнитные колебания, которые могут нарушить работу устройства вплоть до выхода его из строя. С другой стороны, переходные процессы находят полезное практическое применение, например, в различного рода электронных генераторах. Все это обусловливает необходимость изучения методов анализа нестационарных режимов работы цепи.

Основные методы анализа переходных процессов в линейных цепях:

  1. Классический метод, заключающийся в непосредственном интегрировании дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное состояние цепи.
  2. Операторный метод, заключающийся в решении системы алгебраических уравнений относительно изображений искомых переменных с последующим переходом от найденных изображений к оригиналам.
  3. Частотный метод, основанный на преобразовании Фурье и находящий широкое применение при решении задач синтеза.
  4. Метод расчета с помощью интеграла Дюамеля, используемый при сложной форме кривой возмущающего воздействия.
  5. Метод переменных состояния, представляющий собой упорядоченный способ определения электромагнитного состояния цепи на основе решения системы дифференциальных уравнений первого прядка, записанных в нормальной форме (форме Коши).

Классический метод расчета

Классический метод расчета переходных процессов заключается в непосредственном интегрировании дифференциальных уравнений, описывающих изменения токов и напряжений на участках цепи в переходном процессе.

В общем случае при использовании классического метода расчета составляются уравнения электромагнитного состояния цепи по законам Ома и Кирхгофа для мгновенных значений напряжений и токов, связанных между собой на отдельных элементах цепи соотношениями, приведенными в табл. 1.

Читайте также:  Изменение силы тока в катушке колебательного контура происходит по закону

Таблица 1. Связь мгновенных значений напряжений и токов на элементах электрической цепи

при наличии магнитной связи с катушкой, обтекаемой током ,

Для последовательной цепи, содержащей линейные резистор R, катушку индуктивности L и конденсатор С, при ее подключении к источнику с напряжением u (см. рис. 1) можно записать

Подставив в (1) значение тока через конденсатор

получим линейное дифференциальное уравнение второго порядка относительно

В общем случае уравнение, описывающее переходный процесс в цепи с n независимыми накопителями энергии, имеет вид:

где х – искомая функция времени (напряжение, ток, потокосцепление и т.п.); — известное возмущающее воздействие (напряжение и (или) ток источника электрической энергии); — к-й постоянный коэффициент, определяемый параметрами цепи.

Порядок данного уравнения равен числу независимых накопителей энергии в цепи, под которыми понимаются катушки индуктивности и конденсаторы в упрощенной схеме, получаемой из исходной путем объединения индуктивностей и соответственно емкостей элементов, соединения между которыми являются последовательными или параллельными.

В общем случае порядок дифференциального уравнения определяется соотношением

где и — соответственно число катушек индуктивности и конденсаторов после указанного упрощения исходной схемы; — число узлов, в которых сходятся только ветви, содержащие катушки индуктивности (в соответствии с первым законом Кирхгофа ток через любую катушку индуктивности в этом случае определяется токами через остальные катушки); — число контуров схемы, ветви которых содержат только конденсаторы (в соответствии со вторым законом Кирхгофа напряжение на любом из конденсаторов в этом случае определяется напряжениями на других).

Наличие индуктивных связей на порядок дифференциального уравнения не влияет.

Как известно из математики, общее решение уравнения (2) представляет собой сумму частного решения исходного неоднородного уравнения и общего решения однородного уравнения, получаемого из исходного путем приравнивания его левой части к нулю. Поскольку с математической стороны не накладывается каких-либо ограничений на выбор частного решения (2), применительно к электротехнике в качестве последнего удобно принять решение , соответствующее искомой переменной х в установившемся послекоммутационном режиме (теоретически для ).

Частное решение уравнения (2) определяется видом функции , стоящей в его правой части, и поэтому называется принужденной составляющей. Для цепей с заданными постоянными или периодическими напряжениями (токами) источников принужденная составляющая определяется путем расчета стационарного режима работы схемы после коммутации любым из рассмотренных ранее методов расчета линейных электрических цепей.

Вторая составляющая общего решения х уравнения (2) – решение (2) с нулевой правой частью – соответствует режиму, когда внешние (принуждающие) силы (источники энергии) на цепь непосредственно не воздействуют. Влияние источников проявляется здесь через энергию, запасенную в полях катушек индуктивности и конденсаторов. Данный режим работы схемы называется свободным, а переменная — свободной составляющей.

В соответствии с вышесказанным, общее решение уравнения (2) имеет вид

Соотношение (4) показывает, что при классическом методе расчета послекоммутационный процесс рассматривается как наложение друг на друга двух режимов – принужденного, наступающего как бы сразу после коммутации, и свободного, имеющего место только в течение переходного процесса.

Необходимо подчеркнуть, что, поскольку принцип наложения справедлив только для линейных систем, метод решения, основанный на указанном разложении искомой переменной х, справедлив только для линейных цепей.

Начальные условия. Законы коммутации

В соответствии с определением свободной составляющей в ее выражении имеют место постоянные интегрирования , число которых равно порядку дифференциального уравнения. Постоянные интегрирования находятся из начальных условий, которые принято делить на независимые и зависимые. К независимым начальным условиям относятся потокосцепление (ток) для катушки индуктивности и заряд (напряжение) на конденсаторе в момент времени (момент коммутации). Независимые начальные условия определяются на основании законов коммутации (см. табл. 2).

Таблица 2. Законы коммутации

Название закона

Формулировка закона

Первый закон коммутации (закон сохранения потокосцепления)

Магнитный поток, сцепленный с катушками индуктивности контура, в момент коммутации сохраняет то значение, которое имел до коммутации, и начинает изменяться именно с этого значения: .

Второй закон коммутации (закон сохранения заряда)

Электрический заряд на конденсаторах, присоединенных к любому узлу, в момент коммутации сохраняет то значение, которое имел до коммутации, и начинает изменяться именно с этого значения: .

Доказать законы коммутации можно от противного: если допустить обратное, то получаются бесконечно большие значения и , что приводит к нарушению законов Кирхгофа.

На практике, за исключением особых случаев (некорректные коммутации), допустимо использование указанных законов в другой формулировке, а именно:

первый закон коммутации – в ветви с катушкой индуктивности ток в момент

коммутации сохраняет свое докоммутационное значение и в дальнейшем начинает изменяться с него: .

второй закон коммутации – напряжение на конденсаторе в момент

коммутации сохраняет свое докоммутационное значение и в дальнейшем начинает изменяться с него: .

Необходимо подчеркнуть, что более общей формулировкой законов коммутации является положение о невозможности скачкообразного изменения в момент коммутации для схем с катушкой индуктивности – потокосцеплений, а для схем с конденсаторами – зарядов на них. В качестве иллюстрации сказанному могут служить схемы на рис. 2, переходные процессы в которых относятся к так называемым некорректным коммутациям (название произошло от пренебрежения в подобных схемах малыми параметрами, корректный учет которых может привести к существенному усложнению задачи).

Действительно, при переводе в схеме на рис. 2,а ключа из положения 1 в положение 2 трактование второго закона коммутации как невозможность скачкообразного изменения напряжения на конденсаторе приводит к невыполнению второго закона Кирхгофа . Аналогично при размыкании ключа в схеме на рис. 2,б трактование первого закона коммутации как невозможность скачкообразного изменения тока через катушку индуктивности приводит к невыполнению первого закона Кирхгофа . Для данных схем, исходя из сохранения заряда и соответственно потокосцепления, можно записать:

Зависимыми начальными условиями называются значения остальных токов и напряжений, а также производных от искомой функции в момент коммутации, определяемые по независимым начальным условиям при помощи уравнений, составляемых по законам Кирхгофа для . Необходимое число начальных условий равно числу постоянных интегрирования. Поскольку уравнение вида (2) рационально записывать для переменной, начальное значение которой относится к независимым начальным условиям, задача нахождения начальных условий обычно сводится к нахождению значений этой переменной и ее производных до (n-1) порядка включительно при .

Пример. Определить токи и производные и в момент коммутации в схеме на рис. 3, если до коммутации конденсатор был не заряжен.

В соответствии с законами коммутации

На основании второго закона Кирхгофа для момента коммутации имеет место

Для известных значений и из уравнения

Значение производной от напряжения на конденсаторе в момент коммутации (см. табл. 1)

Корни характеристического уравнения. Постоянная времени

Выражение свободной составляющей общего решения х дифференциального уравнения (2) определяется видом корней характеристического уравнения (см. табл. 3).

Таблица 3. Выражения свободных составляющих общего решения

Вид корней характеристического уравнения

Выражение свободной составляющей

Корни вещественные и различные

Корни вещественные и

Пары комплексно-сопряженных корней

Необходимо помнить, что, поскольку в линейной цепи с течением времени свободная составляющая затухает, вещественные части корней характеристического уравнения не могут быть положительными.

При вещественных корнях монотонно затухает, и имеет место апериодический переходный процесс. Наличие пары комплексно сопряженных корней обусловливает появление затухающих синусоидальных колебаний (колебательный переходный процесс).

Поскольку физически колебательный процесс связан с периодическим обменом энергией между магнитным полем катушки индуктивности и электрическим полем конденсатора, комплексно-сопряженные корни могут иметь место только для цепей, содержащих оба типа накопителей. Быстроту затухания колебаний принято характеризовать отношением

которое называется декрементом колебания, или натуральным логарифмом этого отношения

называемым логарифмическим декрементом колебания, где .

Важной характеристикой при исследовании переходных процессов является постоянная времени t , определяемая для цепей первого порядка, как:

где р – корень характеристического уравнения.

Постоянную времени можно интерпретировать как временной интервал, в течение которого свободная составляющая уменьшится в е раз по сравнению со своим начальным значением. Теоретически переходный процесс длится бесконечно долго. Однако на практике считается, что он заканчивается при

  1. Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.
  2. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.
  3. Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. –М.: Энергия- 1972. –240с.

Источник