83644

Входное сопротивление длинной линии

Лекция

Физика

В общем случае для линии с произвольной нагрузкой для входного сопротивления можно записать. Полученное выражение показывает что входное сопротивление является функцией параметров линии и ее длины и нагрузки. При этом зависимость входного сопротивления от длины линии т.

Русский

2015-03-15

156 KB

0 чел.

Лекция N 46

Входное сопротивление длинной линии

Входным сопротивлением длинной линии (цепи с распределенными параметрами) называется такое сосредоточенное сопротивление, подключение которого вместо линии к зажимам источника не изменит режим работы последнего.

В общем случае для линии с произвольной нагрузкой  для входного сопротивления можно записать

.  

(1)

Полученное выражение показывает, что входное сопротивление является функцией параметров линии  и , ее длины  и нагрузки . При этом зависимость входного сопротивления от длины линии, т.е. функция , не является монотонной, а носит колебательный характер, обусловленный влиянием обратной (отраженной) волны. С ростом длины линии как прямая, так соответственно и отраженная волны затухают все сильнее. В результате влияние последней ослабевает и амплитуда колебаний функции  уменьшается. При согласованной нагрузке, т.е. при , как было показано ранее, обратная волна отсутствует, что полностью соответствует выражению (1), которое при  трансформируется в соотношение

.

Такой же величиной определяется входное сопротивление при .

При некоторых значениях длины линии ее входное сопротивление может оказаться чисто активным. Длину линии, при которой  вещественно, называют резонансной. Как и в цепи с сосредоточенными параметрами, резонанс наиболее ярко наблюдается при отсутствии потерь. Для линии без потерь на основании (1) можно записать

.      

(2)

Из (2) для режимов холостого хода (ХХ) и короткого замыкания (КЗ), т.е. случаев, когда потребляемая нагрузкой активная мощность равна нулю, соответственно получаем:

;

(3)

.

(4)

Исследование характера изменения  в зависимости от длины  линии на основании (3) показывает, что при    по модулю изменяется в пределах  и имеет емкостный характер, а при  - в пределах  и имеет индуктивный характер. Такое чередование продолжается и далее через отрезки длины линии, равные четверти длины волны (см. рис. 1,а).

В соответствии с (4) аналогичный характер, но со сдвигом на четверть волны, будет иметь зависимость  при КЗ (см. рис. 1,б).

 

Точки, где , соответствуют резонансу напряжений, а точки, где , - резонансу токов.

Таким образом, изменяя длину линии без потерь, можно имитировать емкостное и индуктивное сопротивления любой величины. Поскольку длина волны  есть функция частоты, то аналогичное изменение  можно обеспечить не изменением длины линии, а частоты генератора. При некоторых частотах входное сопротивление цепи с распределенными параметрами также становится вещественным. Такие частоты называются резонансными. Таким образом, резонансными называются частоты, при которых в линии укладывается целое число четвертей волны.

 

Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами

Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами имеют характер блуждающих волн, распространяющихся по цепи в различных направлениях. Эти волны могут претерпевать многократные отражения от стыков различных линий, от узловых точек включения нагрузки и т.д. В результате наложения этих волн картина процессов в цепи может оказаться достаточно сложной. При этом могут возникнуть сверхтоки и перенапряжения, опасные для оборудования.

Переходные процессы в цепях с распределенными параметрами возникают при различных изменениях режимов их работы: включении-отключении нагрузки, источников энергии, подключении новых участков линии и т.д. Причиной переходных процессов в длинных линиях могут служить грозовые разряды.

 

Уравнения переходных процессов в цепях с распределенными параметрами

При рассмотрении схемы замещения цепи с распределенными параметрами были получены дифференциальные уравнения в частных производных

(5)

(6)

Их интегрирование с учетом потерь представляет собой достаточно сложную задачу. В этой связи будем считать цепь линией без потерь, т.е. положим  и . Такое допущение возможно для линий с малыми потерями, а также при анализе начальных стадий переходных процессов, часто наиболее значимых в отношении перенапряжений и сверхтоков.

С учетом указанного от соотношений (5) и (6) переходим к уравнениям

  

(7)

 

(8)

Для получения уравнения (7) относительно одной переменной продифференцируем (7) по х, а (8) – по t:

(9)

.

(10)

Учитывая, что для линии без потерь , после подстановки соотношения (10) в (9) получим

(11)

Аналогично получается уравнение для тока

(12)

Волновым уравнениям (11) и (12) удовлетворяют решения

;

.

Как и ранее, прямые и обратные волны напряжения и тока связаны между собой законом Ома для волн

  и  ,

где .

При расчете переходных процессов следует помнить:

  1.  В любой момент времени напряжение и ток в любой точке линии рассматриваются как результат наложения прямой и обратной волн этих переменных на соответствующие величины предшествующего режима.
  2.  Всякое изменение режима работы цепи с распределенными параметрами обусловливает появление новых волн, накладываемых на существующий режим.
  3.  Для каждой волны в отдельности выполняется закон Ома для волн.

Как указывалось, переходный процесс в цепях с распределенными параметрами характеризуется наложением многократно отраженных волн. Рассмотрим многократные отражения для двух наиболее характерных случаев: подключение источника постоянного напряжения к разомкнутой и короткозамкнутой линии.

 

Переходные процессы при включении на постоянное напряжение
разомкнутой и замкнутой на конце линии

При замыкании рубильника (см. рис. 2) напряжение в начале линии сразу же

достигает величины , и возникают прямые волны прямоугольной формы напряжения  и тока , перемещающиеся вдоль линии со скоростью V (см. рис. 3,а).Во всех точках линии, до которых волна еще не дошла, напряжение и ток равны нулю.Точка, ограничивающая участок линии, до которого дошла волна, называется фронтом волны. В рассматриваемом случае во всех точках линии, пройденных фронтом волны, напряжение равно , а ток - .

Отметим, что в реальных условиях форма волны, зависящая от внутреннего сопротивления источника, параметров линии и т.п., всегда в большей или меньшей степени отличается от  прямоугольной.

Кроме того, при подключении к линии источника с другим законом изменения напряжения форма волны будет иной. Например, при экспоненциальном характере изменения напряжения источника (рис. 4,а) волна будет иметь форму на рис. 4,б.

В рассматриваемом примере с прямоугольной волной напряжения при первом пробеге волны напряжения и тока (см. рис. 3,а) независимо от нагрузки имеют значения соответственно  и , что связано с тем, что волны еще не дошли до конца линии, и, следовательно, условия в конце линии не могут влиять на процесс.

В момент времени  волны напряжения и тока доходят до конца линии длиной l, и нарушение однородности обусловливает появление обратных (отраженных) волн. Поскольку в конце линия разомкнута, то

,

откуда  и .

В результате (см. рис. 3,б) напряжение в линии, куда дошел фронт волны, удваивается, а ток спадает до нуля.

В момент времени , обратная волна напряжения, обусловливающая в линии напряжение , приходит к источнику, поддерживающему напряжение . В результате возникает волна напряжения  и соответствующая волне тока  (см. рис. 3,в).

В момент времени  волны напряжения и тока подойдут к концу линии. В связи с ХХ  и  (см. рис. 3,г). Когда эти волны достигнут начала линии, напряжение и ток в ней окажутся равными нулю. Следовательно, с этого момента переходный процесс будет повторяться с периодичностью .

В случае короткозамкнутой на конце линии в интервале времени  картина процесса соответствует рассмотренной выше. При , поскольку в конце линии  и , что приведет к возрастанию тока в линии за фронтом волны до величины . При  от источника к концу линии будет двигаться волна напряжения  и соответствующая ей волна тока , обусловливающая ток в линии, равный , и т. д. Таким образом, при каждом пробеге волны ток в линии возрастает на .

Отметим, что в реальном случае, т.е. при наличии потерь мощности, напряжение в линии в режиме ХХ постепенно выйдет на уровень, определяемый  напряжением источника, а ток в режиме КЗ ограничится активным сопротивлением и проводимостью линии, а также внутренним сопротивлением источника.

 

Литература

  1.  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.
  2.  Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.2. Жуховицкий Б.Я., Негневицкий И.Б. Линейные электрические цепи (продолжение). Нелинейные цепи. –М.:Энергия- 1972. –200с.
  3.  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.

Контрольные вопросы и задачи

  1.  Какой характер имеет зависимость входного сопротивления линии от ее длины и почему?
  2.  С помощью чего можно изменять характер и величину входного сопротивления цепи с распределенными параметрами?
  3.  Какое допущение лежит в основе анализа переходных процессов в длинных линиях?
  4.  Каким законом связаны волны напряжения и тока в переходных режимах?
  5.  Линия без потерь имеет длину , фазовая скорость волны . При каких частотах в ней будут иметь место минимумы и максимумы входного сопротивления?

Ответ: .

  1.  При каких длинах линии без потерь в ней будут наблюдаться резонансные явления, если фазовая скорость равна скорости света, а частота ?

Ответ: .

  1.  Постройте эпюры распределения напряжения и тока вдоль линии, питаемой от источника постоянного напряжения, при включении и отключении в ее конце резистивной нагрузки.

314


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

21525. Задачи и организация медицинской службы Вооруженных Сил Российской Федерации в военное время 110.5 KB
  Задачи и организация медицинской службы Вооруженных Сил Российской Федерации в военное время Учебные вопросы: 1. Основные задачи медицинской службы Российской Армии в военное время их краткое содержание и значение. Перед медицинской службой стоят следующие основные задачи: Обеспечение высокой боевой готовности сил и средств медицинской службы. Проведение мероприятий медицинской службы по защите личного состава войск а также защиты соединений частей и учреждений медицинской службы от оружия массового поражения.
21526. Санитарные потери войск 145.5 KB
  Принимая во внимание поражающую способность современного огнестрельного оружия и высокую степень бронезащищённности войск значительная часть личного состава укрыта за бронёй танков бронетранспортёров боевых машин пехоты следует ожидать увеличения удельного веса закрытых травм в особенности закрытых травм мозга которые могут составить 57 общего числа санитарных потерь от огнестрельного оружия. Таким образом следующей особенностью поражающего действия ядерного оружия надо считать изменчивость структуры причиняемых им потерь. Величина...
21527. ОТРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМИ ЖИДКОСТЯМИ: клиника, диагностика, лечение 131.5 KB
  Многие из технических жидкостей высокотоксичны и при определенных условиях могут вызвать как острые так и хронические отравления личного состава. Наиболее часто встречаются и тяжело протекают острые отравления такими веществами как этиленгликоль и его производные хлорированные углеводороды дихлорэтан четыреххлористый углерод трихлорэтилен метиловый спирт. Острые отравления ядовитыми техническими жидкостями это трудный для диагностики и сложный для лечения раздел клинической токсикологии имеющий большую актуальность и важное...
21528. ОТРАВЛЕНИЯ ФИТОТОКСИКАНТАМИ 248.5 KB
  ВВЕДЕНИЕ Боевые фитотоксиканты БФТ фитотоксиканты боевого применения гербициды военного предназначения токсичные химические вещества предназначенные для поражения и уничтожения различных видов растительности с военными целями. Возможны поражения людей при вдыхании аэрозолей употреблении зараженных продуктов и воды. Производные дихлор и трихлорфеноксиуксусных кислот обладают сравнительно невысокой токсичностью но при действии в больших дозах могут наблюдаться тяжелые поражения смертельные отравления у человека возможны при...
21529. ОТРАВЛЯЮЩИЕ ВЕЩЕСТВА ОБЩЕТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ 126.5 KB
  Острые отравления: Руководство для врачей. НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ Таблицы и слайды по теме: Отравления цианидами и монооксидом углерода. Известно также что в США применяется смертная казнь посредством отравления осужденных парами синильной кислоты в специальной камере. Могут быть и отравления цианидами вследствие употребления в пищу большого количества семян миндаля персика абрикоса вишни сливы и других растений семейства розовоцветных или настоек из их плодов.
21530. ПОРАЖЕНИЯ ОТРАВЛЯЮЩИМИ ВЕЩЕСТВАМИ ОБЩЕТОКСИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ: КЛИНИКА, ДИАГНОСТИКА, ЛЕЧЕНИЕ, ЭТАПНОЕ ЛЕЧЕНИЕ 127 KB
  К отравляющим веществам общетоксического действия относятся следующие вещества: синильная кислота цианистый калий натрий хлорциан бромциан моноОксид углерода. ОТРАВЛЕНИЯ МОНООКСИДОМ УГЛЕРОДА УГАРНЫМ ГАЗОМ. Монооксид углерода газ без цвета и запаха. Монооксид углерода относится к веществам общетоксического действия.
21531. ПРЕПАРАТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТУЮ СИСТЕМУ 140 KB
  Первое характеризуется увеличением сердечного индекса минутного объема сердца и массы циркулирующей крови при снижении общего периферического сопротивления второе снижением минутного объема сердца и массы циркулирующей крови при повышенном периферическом сопротивлении. В соматогенной фазе при отсутствии токсической концентрации химического вещества нарушения функции сердечнососудистой системы являются результатом развившегося повреждения ЦНС органов дыхания печени почек а также самого сердца. Развивается в результате...
21532. Общие принципы диагностики и лечения острых отравлений 203 KB
  Она складывается из трех основных направлений диагностических мероприятий: а клинической диагностики основанной на данных анамнеза результатах осмотра места происшествия и изучения клинической картины заболевания для выделения специфических симптомов отравления которое проводится врачом оказывающим больному медицинскую помощь на догоспитальном этапе или в стационаре; б лабораторной диагностики направленной на: Качественное и количественное определение идентификацию токсических веществ в биологических средах организма кровь моча...
21533. Анализ данных литературы по средствам и схемам неотложной терапии отравлений ФОС и веществами удушающего действия 72.5 KB
  Признаки поражения: небольшая одышка чувство стеснения в груди кашель головокружение тошнота общая слабость небольшое слюнотечение насморк не резко выраженная гиперемия слизистой оболочки зева и гортани; в легких возможны единичные сухие хрипы. В легких выслушивается значительное количество хрипов; при перкуссии обнаруживаются участки притупленнотимпанического звука. Развивается сравнительно благоприятно протекающий отек легких. Из осложнений могут быть: бронхопневмония плевропневмония тромбозы и эмфизема легких.