40810

Расчет нелинейных электрических цепей

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Если в сложной электрической цепи имеется одна ветвь с нелинейным резистором то определение тока в ней можно проводить на основе теоремы об активном двухполюснике методом эквивалентного генератора. Ветвь содержащая нелинейный резистор выделяется из исходной цепи а вся остальная уже линейная схема представляется в виде активного двухполюсника АД. Если необходимо также найти токи в линейной части исходной цепи то после расчета нелинейной схемы на рис. 1б в соответствии с теоремой о компенсации нелинейный резистор заменяется...

Русский

2013-10-22

63.85 KB

37 чел.

Лекция 31_Расчет нелинейных электрических цепей.

Если в сложной электрической цепи имеется одна ветвь с нелинейным резистором, то определение тока в ней можно проводить на основе теоремы об активном двухполюснике (методом эквивалентного генератора). Идея решения заключается в следующем. Ветвь, содержащая нелинейный резистор, выделяется из исходной цепи, а вся остальная, уже линейная, схема представляется в виде активного двухполюсника (АД). Согласно теореме об АД схему линейного АД по отношению к зажимам 1-2 выделенной ветви (см. рис. 1,а) можно представить эквивалентным генератором (см. рис. 1,б) с ЭДС, равной напряжению  на зажимах 1-2 при разомкнутой ветви с нелинейным резистором, и внутренним сопротивлением, равным входному сопротивлению линейного двухполюсника. Последняя схема рассчитывается, например, графическим методом как цепь с последовательным соединением элементов.

Если необходимо также найти токи в линейной части исходной цепи, то после расчета нелинейной схемы на рис. 1,б в соответствии с теоремой о компенсации нелинейный резистор заменяется источником ЭДС или тока, после чего проводится анализ полученной линейной цепи любым известным методом.

Аналитические методы расчета

Исследования общих свойств нелинейных цепей удобно осуществлять на основе математического анализа, базирующегося на аналитическом выражении характеристик нелинейных элементов, т.е. их аппроксимации. На выбор аналитического метода влияют условия поставленной задачи, а также характер возможного перемещения рабочей точки по характеристике нелинейного элемента: по всей характеристике или в ее относительно небольшой области.

К аналитическим методам относятся: 

  1.  метод аналитической аппроксимации;
  2.  метод кусочно-линейной аппроксимации;
  3.  метод линеаризации.

Метод аналитической аппроксимации основан на замене характеристики (или ее участка) нелинейного элемента общим аналитическим выражением. Применяются следующие виды аналитической аппроксимации:

  1.  степенным многочленом (см. рис. 2,а);
  2.  трансцендентными (экспоненциальными, гиперболическими и др.) функциями (см. рис. 2,б).

Выбор коэффициентов (а,b,c,…) осуществляется исходя из наибольшего соответствия аналитического выражения рабочему участку нелинейной      характеристики.     При       этом

выбираются наиболее характерные точки, через которые должна пройти аналитическая кривая. Число точек равно числу коэффициентов в аналитическом выражении, что позволяет однозначно определить последнее.

Необходимо помнить, что при получении нескольких корней нелинейного уравнения они должны быть проверены на удовлетворение задаче. Пусть, например, в цепи, состоящей из последовательно соединенных линейного R и нелинейного резисторов, ВАХ последнего может быть аппроксимирована выражением . Определить ток в цепи, если источник ЭДС Е обеспечивает режим работы цепи в первом квадранте.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа для данной цепи имеет место уравнение

или

.

Корни уравнения

.

Решением задачи является , поскольку второе решение  не удовлетворяет условиям исходя из физических соображений.

Метод кусочно-линейной аппроксимации основан на представлении характеристики нелинейного элемента отрезками прямых линий (см. рис. 3), в результате чего нелинейная цепь может быть описана линейными уравнениями с постоянными (в пределах каждого отрезка) коэффициентами.

При наличии в цепи двух и более нелинейных резисторов реализация метода затруднена, так как в общем случае изначально неизвестно, на каких участках ломаных кривых находятся рабочие точки.

Кусочно-линейная аппроксимация может быть реализована методом секционных кусочно-линейных функций, позволяющим описать ломаную кривую общим аналитическим выражением. Например, для кривой, представленной на рис. 4 и определяемой коэффициентами  и  характеризующими наклон ее отдельных прямолинейных участков, и параметрами , характеризующими координаты точек, где значения функции изменяются скачками, данное выражение будет иметь вид

Здесь два первых слагаемых в правой части определяют первый наклонный участок аппроксимируемой кривой; три первых слагаемых - первый наклонный участок и участок первого скачка; четыре первых слагаемых - первый и второй наклонные участки с учетом участка первого скачка и т.д.

 В общем случае аппроксимирующее выражение по методу секционных кусочно - линейных функций имеет вид

Метод линеаризации применим для анализа нелинейных цепей при малых отклонениях рабочей точки Р (см. рис. 5) от исходного состояния.

В окрестности рабочей точки (см. рис. 5)

,

где        (закон Ома для малых приращений);

-дифференциальное сопротивление.

Идея метода заключается в замене нелинейного резистора  линейным с сопротивлением, равным дифференциальному в заданной (или предполагаемой) рабочей точке, и либо последовательно включенным с ним источником ЭДС, либо параллельно включенным источником тока. Таким образом,  линеаризованной ВАХ (см. прямую на     рис. 5) соответствует последовательная (рис. 6,а) или параллельная (рис. 6,б) схема замещения нелинейного резистора.

Если исходный режим определен и требуется рассчитать лишь приращения токов и (или) напряжений, обусловленные изменением напряжения или тока источника, целесообразно использовать эквивалентные схемы для приращений, получаемые на основании законов Кирхгофа для малых приращений:

-первый закон Кирхгофа: ;

-второй закон Кирхгофа: .

При составлении схемы для приращений:

1) все ЭДС и токи источников заменяются их приращениями;

2) нелинейные резисторы  заменяются линейными с сопротивлениями, равными дифференциальным в рабочих точках.

Необходимо помнить, что полная величина какого-либо тока или напряжения в цепи равна алгебраической сумме исходного значения переменной и ее приращения, рассчитанного методом  линеаризации.

Если исходный режим работы нелинейного резистора неизвестен, то следует задаться рабочей точкой на его ВАХ и, осуществив соответствующую линеаризацию, произвести расчет, по окончании которого необходимо проверить, соответствуют ли его результаты выбранной точке. В случае их несовпадения линеаризованный участок уточняется, расчет повторяется и так до получения требуемой сходимости

Итерационные методы расчета

Решение нелинейного уравнения (системы нелинейных уравнений), описывающего (описывающих) состояние электрической цепи, может быть реализовано приближенными численными методами. Решение находится следующим образом: на основе первой, достаточно грубой, оценки определяется начальное значение корня (корней), после чего производится уточнение по выбранному алгоритму до вхождения в область заданной погрешности.

Наиболее широкое применение в электротехнике для численного расчета нелинейных резистивных цепей получили метод простой итерации и метод Ньютона-Рафсона, основные сведения о которых приведены в табл. 1.

Таблица 1. Итерационные методы расчета

Последователь-ность расчета

Геометрическая иллюстрация алгоритма

Условие сходимости итерации

Примечание

Метод простой итерации

1.Исходное нелинейное уравнение электрической цепи , где -искомая переменная, представляется в виде .

2. Производится расчет по алгоритму  где

- шаг итерации.

 

Здесь - заданная погрешность

На интервале между приближенным и точным значениями корня должно выполняться неравенство

1.Начальное приближение  обычно находится из уравнения  при пренебрежении в нем нелинейными членами.

2. Метод распространим на систему нелинейных уравнений n-го порядка. Например, при решении системы 2-го порядка

итерационные формулы имеют вид  ;

.

3. При решении системы уравнений сходимость обычно проверяется в процессе итерации.

 

Метод Ньютона-

-Рафсона

1. На основании исходного нелинейного уравнения электрической цепи , где -искомая переменная, записывается итерационная формула  где - шаг итерации.

2.По полученной формуле проводится итерационный расчет

 Здесь - заданная погрешность

На интервале между приближенным и точным значениями корня должны выполняться неравенства

Примечания п. 1,2 и 3 к методу простой итерации распространимы на метод Ньютона-Рафсона. При этом при решении системы 2-го порядка

итерационные формулы имеют вид

где

 


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16984. Загальне використовування даних додатками Windows. Буфер обміну. Технологія OLE 7.02 MB
  Практична робота №5 Тема: Загальне використовування даних додатками Windows. Буфер обміну. Технологія OLE. Мета: Ознайомитися з технологією OLE і загальним використовуванням даних додатками Windows. Устаткування: ПК. Операційна система Windows. Індивідуальне завдання ...
16985. Створення таблиць та обробка табличних даних засобами Word 222.5 KB
  Практична робота № 11 Тема: Створення таблиць та обробка табличних даних засобами Word Мета: засвоїти засоби створення редагування та форматування двовимірних таблиць а також організацію обробки та сортування табличних даних у програмі Word. Обладнання: персональний ...
16986. Введення таблиць. Автозаповнення формулами. Сортування даних 676.5 KB
  Практична робота №14 Тема: Введення таблиць. Автозаповнення формулами. Сортування даних. Мета: Навчитися використовувати функцію авто заповнення формулами та сортувати дані у таблицях. Обладнання: ПЕОМ. Табличний процесор MS Excel. Правила ТБ Індивідуальне з
16987. Побудова діаграм 308 KB
  Практична робота №15 Тема: Побудова діаграм. Мета: Навчитися будувати діаграми змішаного типу та кругові діаграми. Обладнання: ПЕОМ. Табличний процесор MS Excel. Хід виконання Правила ТБ Індивідуальне завдання 1. За даними табл. 3 побудувати діаграму зміша...
16988. Фільтрація даних. Критерії фільтрації 1.03 MB
  Практична робота №16 Тема: Фільтрація даних. Критерії фільтрації. Мета: Навчитися використовувати фільтрацію даних та навчитися використовувати Автофильтр та Расширенный фильтр. Обладнання: ПЕОМ. Табличний процесор MS Excel. Хід виконання Правила ТБ Інд
16990. Рішення задач матричної і векторної алгебри в Maple 356.5 KB
  Практична робота №30. Тема: Рішення задач матричної і векторної алгебри в Maple. Мета: Навчитися обчислювати визначників вирішувати системи лінійних рівнянь методом Крамера і матричним способом а також знаходити значення матричного многочлена використовуючи можлив
16991. Диференціальне і інтегральне числення функцій одного і декількох змінних в Maple 430.5 KB
  Практична робота №31. Тема: Диференціальне і інтегральне числення функцій одного і декількох змінних в Maple. Мета: Навчитися обчислювати межі часткову суму послідовностей похідні функцій і інтеграли в середовищі Maple. Обладнання: ПК зі встановленим математичним па
16992. Команди MS-DOS: cls, date, time, copy, del, dir, find, mem, mkdir, label, rd 72.5 KB
  Практична робота №1 Тема: Команди MSDOS: cls date time copy del dir find mem mkdir label rd. Мета: навчитися використовувати основні команди MSDOS при роботі з ОС. Устаткування: ПК. Операційна система MSDOS та Windows. Правила ТБ. Методичні рекомендації. Індивідуальне завда