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

39162. Организация коммерческой деятельности предприятия розничной торговли на региональном рынке компьютеров и комплектующих на примере ООО «Фор-Т» 14.77 MB
  4 Разработка ассортиментного перечня предприятия Заключение Список литературы Приложения Введение Актуальность темы ВКР объясняется тем что рынок компьютерного оборудования и комплектующих это стремительно развивающийся рынок в России и во всем мире. Отсюда можно представить что коммерция не ограничена заранее заданными пределами и постоянно расширяет свои возможности и поле деятельности в торговле. Технический прогресс обуславливает частую замену запасных частей компьютера что свидетельствует о востребованности компьютерных...
39163. Принцип действия бытовой электроники 4.32 MB
  Малые габариты и масса обусловленные как меньшим выделением тепла на регулирующем элементе так и меньшими габаритами трансформатора благодаря тому что последний работает на более высокой частоте. Максимум что могла поддерживать PC1 без использования плат расширения 64К памяти. Обычно хотят поставить более быстрый процессор что и ведет к замене материнской платы. Управляющая логика возбуждает специальные стробирующие сигналы чтобы указать получателю когда ему следует принимать данные.
39164. Мобильные персональные компьютеры: виды, варианты исполнения, их сравнение 246.74 KB
  Ноутбуки отличаются небольшими размерами и весом время автономной работы ноутбуков изменяется в пределах от 1 до 15 часов. Desktop Replcement 14 16 дюймов массовые ноутбуки специального названия для данной категории ноутбуков не предусмотрено 11 133 дюйма субноутбуки 7 121 дюйма нетбуки. Классификация на основе назначения ноутбука и технических характеристик устройства: Бюджетные ноутбуки Ноутбуки среднего класса Бизнесноутбуки Мультимедийные ноутбуки Игровые ноутбуки Мобильная рабочая станция...
39165. Анализ конкурентоспособность в процессе жизненного цикла предприятия 312 KB
  Эта концепция используется для создания и сбыта продукции разработки стратегии маркетинга с момента поступления товара на рынок до его снятия с рынка. Это анализ возможностей производства продукции. Выбранная тема актуальна для данного дипломного проектирования потому что необходимо анализировать конкурентоспособность на каждом этапе жизненного цикла товара для организации эффективного сбыта продукции пользующейся спросом на рынке. Это анализ возможностей производства продукции.
39166. Исследование коронного разряда в плотном газе 90.7 KB
  Коронный разряд является самостоятельным разрядом в сравнительно плотном газе. Если к двум электродам между которыми находится газовый промежуток приложить электрическое поле то при определенной разности потенциалов между электродами которую назовем критической и обозначим через...
39168. Фактори, чинники та критерії конкурентоспроможності товару 109.5 KB
  Найчастіше під конкурентоспроможністю товару мають на увазі: властивість сукупність властивостей товару та його сервісу яка характеризується ступенем реального або потенційного задоволення ним конкретної потреби порівняно з аналогічними товарами представленими на цьому ринку; характеристику товару що відображає його відмінність від товаруконкурента за ступенем відповідності конкретній суспільній потребі та за витратами на її задоволення; спроможність товару відповідати вимогам даного ринку у період що аналізується; здатність...
39169. Конституционное право зарубежных стран 4.56 MB
  В учебнике освещаются основные понятия и институты зарубежного конституционного права раскрываются его предмет система источники. Предмет источники и система конституционного права зарубежных стран. Предмет конституционного права зарубежных стран. Источники конституционного права зарубежных стран.
39170. Базова апаратна конфігурація 68.75 KB
  Персональний компютер - універсальна технічна система. Його конфігурацію (склад устаткування) можна гнучко змінювати в міру необхідності. Тим не менш, існує поняття базової конфігурації, яку вважають типовою. У такому комплекті комп'ютер зазвичай поставляється. Поняття базової конфігурації може змінюватися. В даний час в базовій конфігурації розглядають чотири пристрої