40806

Цепи с распределенными параметрами

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Однако на практике часто приходится иметь дело с цепями линии электропередачи передачи информации обмотки электрических машин и аппаратов и т. уже при к линии следует подходить как к цепи с распределенными параметрами. Для исследования процессов в цепи с распределенными параметрами другое название длинная линия введем дополнительное условие о равномерности распределения вдоль линии ее параметров: индуктивности сопротивления емкости и проводимости. Уравнения однородной линии в стационарном режиме Под первичными параметрами линии...

Русский

2013-10-22

65.82 KB

11 чел.

Лекция 27_Цепи с распределенными параметрами.

В предыдущих лекциях рассматривались электрические цепи, геометрические размеры которых, а также входящих в них элементов не играли роли, т.е. электрические и магнитные поля были локализованы соответственно в пределах конденсатора и катушки индуктивности, а потери мощности – в резисторе. Однако на практике часто приходится иметь дело с цепями (линии электропередачи, передачи информации, обмотки электрических машин и аппаратов и т.д.), где электромагнитное поле и потери равномерно или неравномерно распределены вдоль всей цепи. В результате напряжения и токи на различных участках даже неразветвленной цепи отличаются друг от друга, т.е. являются функциями двух независимых переменных: времени t и пространственной координаты x. Такие цепи называются цепями с распределенными параметрами. Смысл данного названия заключается в том, что у цепей данного класса каждый бесконечно малый элемент их длины характеризуется сопротивлением, индуктивностью, а между проводами – соответственно емкостью и проводимостью.

Для оценки, к какому типу отнести цепь: с сосредоточенными или распределенными параметрами – следует сравнить ее длину l с длиной электромагнитной волны . Если , то линию следует рассматривать как цепь с распределенными параметрами. Например, для , т.е. при , и . Для , т.е. уже при  к линии следует подходить как к цепи с распределенными параметрами.

Для исследования процессов в цепи с распределенными параметрами (другое название – длинная линия) введем дополнительное условие о равномерности распределения вдоль линии ее параметров: индуктивности, сопротивления, емкости и проводимости. Такую линию называют однородной. Линию с неравномерным распределением параметров часто можно разбить на однородные участки.

 Уравнения однородной линии в стационарном режиме

Под первичными параметрами линии будем понимать сопротивление , индуктивность , проводимость  и емкость , отнесенные к единице ее длины. Для получения уравнений однородной линии разобьем ее на отдельные участки бесконечно малой длины  со структурой, показанной на рис. 1.

Пусть напряжение и ток в начале такого элементарного четырехполюсника равны u и i, а в конце соответственно  и .

Разность напряжений в начале и конце участка определяется падением напряжения на резистивном и индуктивном элементах, а изменение тока на участке равно сумме токов утечки и смещения через проводимость и емкость. Таким образом, по законам Кирхгофа

или после сокращения на

;    

(1)

.     

(2)

Теорию цепей с распределенными параметрами в установившихся режимах будем рассматривать для случая синусоидального тока. Тогда полученные соотношения при  можно распространить  и на цепи постоянного тока, а воспользовавшись разложением в ряд Фурье – на линии периодического несинусоидального тока.

Вводя комплексные величины и заменяя  на , на основании (1) и (2) получаем

;

(3)

(4)

где  и  - соответственно комплексные сопротивление и проводимость на единицу длины линии.

Продифференцировав (3) по х и подставив выражение  из (4), запишем

.

Характеристическое уравнение

,

откуда

.

Таким образом,

,

(5)

где  - постоянная распространения;  - коэффициент затухания;  - коэффициент фазы.

Для тока согласно уравнению (3) можно записать

,

(6)

где  - волновое сопротивление.

Волновое сопротивление  и постоянную распространения  называют вторичными параметрами линии, которые характеризуют ее свойства как устройства для передачи энергии или информации.

Определяя  и , на основании (5) запишем

.

(7)

Аналогичное уравнение согласно (6) можно записать для тока.

Слагаемые в правой части соотношения (7) можно трактовать как бегущие волны: первая движется и затухает в направлении возрастания х, вторая – убывания. Действительно, в фиксированный момент времени каждое из слагаемых представляет собой затухающую (вследствие потерь энергии) гармоническую функцию координаты х, а в фиксированной точке – синусоидальную функцию времени.

Волну, движущую от начала линии в сторону возрастания х, называют прямой, а движущуюся от конца линии в направлении убывания х – обратной.

На рис. 2 представлена затухающая синусоида прямой волны для моментов времени  и   . Перемещение волны характеризуется фазовой скоростью. Это скорость перемещения по линии неизменного фазового состояния, т.е. скорость, с которой нужно перемещаться вдоль линии, чтобы наблюдать одну и ту же фазу волны:

.

(8)

Продифференцировав (8) по времени, получим

.

(9)

Длиной волны  называется расстояние между двумя ее ближайшими точками, различающимися по фазе на  рад. В соответствии с данным определением

,

откуда

и с учетом (9)

.

В соответствии с введенными понятиями прямой и обратной волн распределение напряжения вдоль линии в любой момент времени можно трактовать как результат наложения двух волн: прямой и обратной, - перемещающихся вдоль линии с одинаковой фазовой скоростью, но в противоположных направлениях:

,

(10)

где в соответствии с (5)  и .

Представление напряжения в виде суммы прямой и обратной волн согласно (10) означает, что положительные направления напряжения для обеих волн выбраны одинаково: от верхнего провода к нижнему.

Аналогично для тока на основании (6) можно записать

,

(11)

где  и .

Положительные направления прямой и обратной волн тока в соответствии с (11) различны: положительное направление прямой волны совпадает с положительным направлением тока  (от начала к концу линии), а положительное направление обратной волны ему противоположно.

На основании (10) и (11) для прямых и обратных волн напряжения и тока выполняется закон Ома

;

.

 

Рассмотрим теоретически важный случай бесконечно длинной однородной линии.

Бесконечно длинная однородная линия. Согласованный режим работы

В случае бесконечно длинной линии в выражениях (5) и (6) для напряжения и тока слагаемые, содержащие , должны отсутствовать, т.к. стремление  лишает эти составляющие физического смысла. Следовательно, в рассматриваемом случае . Таким образом, в решении уравнений линии бесконечной длины отсутствуют обратные волны тока и напряжения. В соответствии с вышесказанным

;

.

(12)

На основании соотношений (12) можно сделать важный вывод, что для бесконечно длинной линии в любой ее точке, в том числе и на входе, отношение комплексов напряжения и тока есть постоянная величина, равная волновому сопротивлению:

.

Таким образом, если такую линию мысленно рассечь в любом месте и вместо откинутой бесконечно длинной части подключить сопротивление, численно равное волновому, то режим работы оставшегося участка конечной длины не изменится. Отсюда можно сделать два вывода:

Уравнения бесконечно длинной линии распространяются на линию конечной длины, нагруженную на сопротивление, равное волновому. В этом случае также имеют место только прямые волны напряжения и тока.

У линии, нагруженной на волновое сопротивление, входное сопротивление также равно волновому.

Режим работы длинной линии, нагруженной на сопротивление, равное волновому, называется согласованным, а сама линия называется линией с согласованной нагрузкой.

Отметим, что данный режим практически важен для передачи информации, поскольку характеризуется отсутствием отраженных (обратных) волн, обусловливающих помехи.

Согласованная нагрузка полностью поглощает мощность волны, достигшей конца линии. Эта мощность называется натуральной. Поскольку в любом сечении согласованной линии сопротивление равно волновому, угол сдвига  между напряжением и током неизменен. Таким образом, если мощность, получаемая линией от генератора, равна , то мощность в конце линий длиной  в данном случае

,

откуда КПД линии

и затухание

.

Как указывалось при рассмотрении четырехполюсников, единицей затухания является непер, соответствующий затуханию по мощности в  раз, а по напряжению или току – в  раз.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

25977. Аудит учета готовой продукции, её отгрузки и реализации 39.5 KB
  Далее уточняется как оценивается готовая продукция; правильность оценки и определения себестоимости каждого вида продукции; правильность расчета отклонений фактической себестоимости от плановой нормативной и составления бухгалтерских проводок по учету готовой продукции; соответствие данных аналитического учета готовой продукции с данными синтетического учета. Полноту оприходования произведенной продукции можно проверить путем составления альтернативного баланса расхода сырья и материалов выхода готовой продукции исходя из нормативных...
25978. Аудит учета нематериальных активов 40 KB
  При анализе системы внутреннего контроля аудитор обращает внимание на следующее: определен ли круг лиц ответственных за сохранность нематериальных активов; каким образом организация обеспечивает неразглашение коммерческой тайны; создана ли комиссия по приемке нематериальных активов; проводится ли инвентаризация нематериальных активов. Чтобы сделать вывод об организации бухгалтерского учета аудитор анализирует учетную политику на момент раскрытия в ней информации: о способах оценки нематериальных активов приобретенных не за...
25979. Холодная пластическая деформация 169 KB
  Основными механизмами сдвиговой пластической деформации кристаллических тел являются скольжение и двойникование. Скольжение - это такое перемещение одной части кристалла относительно другой, при котором кристаллическое строение обеих частей остается неизменным
25980. Аудиторская проверка финансовых вложений 43 KB
  Как и при проверке других активов аудитор исходит из предпосылок: полноты все финансовые вложения отражены в бухгалтерском учете и бухгалтерской отчетности не существует неучтенных финансовых вложений: в бухгалтерском учете и отчетности отражены все приобретенные организацией ценные бумаги и выданные займы; сальдо и обороты по счетам синтетического учета финансовых вложений совпадают с сальдо и оборотами по счетам аналитического учета; сальдо и обороты по счетам в полном объеме перенесены из регистров бухгалтерского учета в Главную книгу и...
25981. АУДИТ УЧЕТА ФИНАНСОВЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ И ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ 35.5 KB
  Выручка от продукции реализованной на сторону отражается прежде всего на счете 90. Кроме того на данном счете отражается себестоимость реализованной продукции которая включает в себя: себестоимость готовой продукции и полуфабрикатов собственного производства; себестоимость работ и услуг промышленного характера; стоимость покупных изделий; стоимость строительномонтажных и проектноизыскательских работ; стоимость товаров; расходы по перевозке грузов; транспортноэкспедиционные расходы на погрузочноразгрузочные работы; услуги связи; зарплата...
25982. Аудит учета финансовых вложений 40.5 KB
  Законодательные и нормативные документыПри учете и аудите финансовых вложений необходимо руководствоваться следующими законодательнонормативными документами:1. Положение по бухгалтерскому учету Учет финансовых вложений ПБУ 19 02 утвержденное приказом Минфина России от 10. Методические указания по инвентаризации имущества и финансовых обязательств приказ Минфина России от 13 июня 1995 г.
25983. Философия Гераклита. Принципы диалектики. Диалектика и метафизика 25.3 KB
  Принципы диалектики. Согласно его рассуждениям мудрый тот кто не дает названия предметамони меняются Основные принципы диалектики. Гегель расширил понимание диалектики вывел ее из рамки движения мыслиувидел столкновение и объединение противоположностей в самой действительности в истории в культуре. В современных вариантах диалектики практически отсутствует понимания ее как о развитии.
25984. Философия и жизнь Сократа 19.09 KB
  Философия и жизнь Сократа О жизни и деятельности Сократа одного из величайших философов Древней Греции можно узнать лишь по произведениям его современников и учеников в первую очередь Платона потому что сам Сократ письменных источников после себя не оставил. Платон же познакомился с Сократом за восемь лет до гибели последнего когда Сократу было уже за шестьдесят и встреча эта произвела революцию в душе будущего знаменитого философа. Платон же написал и Апологию Сократа из которой можно узнать о некоторых аспектах сократовской...
25985. Платон. Сущность философского идеализма 18.03 KB
  Выделить в творчестве Платона какойлибо аспект и систематически изложить его довольно сложно так как приходится реконструировать мысли Платона из отдельных высказываний которые настолько динамичны что в процессе эволюции мысли порой превращаются в свою противоположность.Систематическое широкое использование математического материала имеет место у Платона начиная с диалога Менон где Платон подводит к основному выводу с помощью геометрического доказательства. Значительно в большей мере чем в гносеологии влияние математики...