83674

Способы составления характеристического уравнения

Лекция

Физика

Путем исключения из системы уравнений описывающих электромагнитное состояние цепи на основании первого и второго законов Кирхгофа всех неизвестных величин кроме одной относительно которой и записывается уравнение 2; путем использования выражения для входного сопротивления цепи на синусоидальном токе; на основе выражения главного определителя. Согласно первому способу в предыдущей лекции было получено дифференциальное уравнение относительно напряжения на конденсаторе для последовательной RLCцепи на базе которого записывается...

Русский

2015-03-15

175.5 KB

0 чел.

Лекция N 29

Способы составления характеристического уравнения

Характеристическое уравнение составляется для цепи после коммутации. Оно может быть получено следующими способами:

  •  непосредственно на основе дифференциального уравнения вида (2) (см. лекцию №24), т.е. путем исключения из системы уравнений, описывающих электромагнитное состояние цепи на основании первого и второго законов Кирхгофа, всех неизвестных величин, кроме одной, относительно которой и записывается уравнение (2);
  •  путем использования выражения для входного сопротивления цепи на синусоидальном токе;
  •  на основе выражения главного определителя.

Согласно первому способу в предыдущей лекции было получено дифференциальное уравнение относительно напряжения  на конденсаторе для последовательной R-L-C-цепи, на базе которого записывается характеристическое уравнение.

Следует отметить, что, поскольку линейная цепь охвачена единым переходным процессом, корни характеристического уравнения являются общими для всех свободных составляющих напряжений и токов ветвей схемы, параметры которых входят в характеристическое уравнение. Поэтому по первому способу составления характеристического уравнения в качестве переменной, относительно которой оно записывается, может быть выбрана любая.

Применение второго и третьего способов составления характеристического уравнения рассмотрим на примере цепи рис. 1.

Составление характеристического уравнения по методу входного сопротивления заключается в следующем:

записывается входное сопротивление цепи на переменном токе;

jw заменяется на оператор р;

полученное выражение  приравнивается к нулю.

Уравнение

совпадает с характеристическим.

Следует подчеркнуть, что входное сопротивление может быть записано относительно места разрыва любой ветви схемы. При этом активный двухполюсник заменяется пассивным по аналогии с методом эквивалентного генератора. Данный способ составления характеристического уравнения предполагает отсутствие в схеме магнитосвязанных ветвей; при наличии таковых необходимо осуществить их предварительное развязывание.

Для цепи на рис. 1 относительно зажимов источника

.

Заменив jw на р и приравняв полученное выражение к нулю, запишем

или

.

(1)

При составлении характеристического уравнения на основе выражения главного определителя число алгебраических уравнений, на базе которых он записывается, равно числу неизвестных свободных составляющих токов. Алгебраизация исходной системы интегро-дифференциальных уравнений, составленных, например, на основании законов Кирхгофа или по методу контурных токов, осуществляется заменой символов дифференцирования и интегрирования соответственно на умножение и деление на оператор р. Характеристическое уравнение получается путем приравнивания записанного определителя к нулю. Поскольку выражение для главного определителя не зависит от правых частей системы неоднородных уравнений, его составление можно производить на основе системы уравнений, записанных для полных токов.

Для цепи на рис. 1 алгебраизованная система уравнений на основе метода контурных токов имеет вид

Отсюда выражение для главного определителя этой системы

 

.

Приравняв D к нулю, получим результат, аналогичный (1).

 

Общая методика расчета переходных процессов классическим методом

В общем случае методика расчета переходных процессов классическим методом включает следующие этапы:

  1.  Запись выражения для искомой переменной в виде

.      

(2)

  1.  Нахождение принужденной составляющей общего решения на основании расчета установившегося режима послекоммутационной цепи.
  2.  Составление характеристического уравнения и определение его корней (для цепей, описываемых дифференциальными уравнениями первого порядка, вместо корней можно находить постоянную времени t - см. лекцию №26). Запись выражения свободной составляющей в форме, определяемой типом найденных корней.
  3.  Подстановка полученных выражений принужденной и свободной составляющих в соотношение (2).
  4.  Определение начальных условий и на их основе – постоянных интегрирования.

 

Примеры расчета переходных процессов классическим методом


1.
Переходные процессы в R-L цепи при ее подключении
к источнику напряжения

Такие процессы имеют место, например, при подключении к источнику питания электромагнитов, трансформаторов, электрических двигателей и т.п.

Рассмотрим два случая:

а)   

б) .

Согласно рассмотренной методике для тока в цепи на рис. 2 можно записать

.   

(3)

Тогда для первого случая принужденная составляющая тока

.      

  (4)

Характеристическое уравнение

,

откуда  и постоянная времени .

Таким образом,

.          

(5)

Подставляя (4) и (5) в соотношение (3), запишем

.

В соответствии с первым законом коммутации . Тогда

,

откуда .

Таким образом, ток в цепи в переходном процессе описывается уравнением

,

а напряжение на катушке индуктивности – выражением

.

Качественный вид кривых  и , соответствующих полученным решениям, представлен на рис. 3.

При втором типе источника принужденная составляющая рассчитывается с использованием символического метода:

,

где .

Отсюда

.

Выражение свободной составляющей не зависит от типа источника напряжения. Следовательно,

.

Поскольку , то

.

Таким образом, окончательно получаем

.     

  (6)

Анализ полученного выражения (6) показывает:

  1.  При начальной фазе напряжения  постоянная интегрирования А=0. Таким образом, в этом случае коммутация не повлечет за собой переходного процесса, и в цепи сразу возникнет установившийся режим.
  2.  При  свободная составляющая максимальна по модулю. В этом случае ток переходного процесса достигает своей наибольшей величины.

Если  значительна по величине, то за полпериода свободная составляющая существенно не уменьшается. В этом случае максимальная величина тока переходного процесса  может существенно превышать амплитуду     тока     установившегося     режима.   Как видно   из  рис. 4,     где

, максимум тока имеет место примерно через . В пределе при   .

Таким образом, для линейной цепи максимальное значение тока переходного режима не может превышать удвоенной амплитуды принужденного тока: .

Аналогично для линейной цепи с конденсатором: если в момент коммутации принужденное напряжение равно своему амплитудному значению и постоянная времени  цепи достаточно велика, то примерно через половину периода напряжение на конденсаторе достигает своего максимального значения , которое не может превышать удвоенной амплитуды принужденного напряжения: .

 

2. Переходные процессы при отключении катушки индуктивности
от источника питания

При размыкании ключа в цепи на рис. 5 принужденная составляющая тока через катушку индуктивности .

Характеристическое уравнение

,

откуда  и .

В соответствии с первым законом коммутации

.

Таким образом, выражение для тока в переходном режиме

и напряжение на катушке индуктивности

.   

(7)

Анализ (7) показывает, что при размыкании цепей, содержащих индуктивные элементы, могут возникать большие перенапряжения, которые без принятия специальных мер могут вывести аппаратуру из строя. Действительно, при  модуль напряжения на катушке индуктивности в момент коммутации будет во много раз превышать напряжение источника: . При отсутствии гасящего резистора R указанное напряжение прикладывается к размыкающимся контактам ключа, в результате чего между ними возникает дуга.

3. Заряд и разряд конденсатора

При переводе ключа в положение 1 (см. рис. 6) начинается процесс заряда

конденсатора:

.

Принужденная составляющая напряжения на конденсаторе .

Из характеристического уравнения

определяется корень . Отсюда постоянная времени .

Таким образом,

.

При t=0 напряжение на конденсаторе равно  (в общем случае к моменту коммутации конденсатор может быть заряженным, т.е. ). Тогда  и

.

Соответственно для зарядного тока можно записать

.

В зависимости от величины : 1 - ; 2 - ; 3 - ; 4 -  - возможны четыре вида кривых переходного процесса, которые иллюстрирует рис. 7.

При разряде конденсатора на резистор  (ключ на рис.6 переводится в положение 2) . Постоянная времени .

Тогда, принимая, что к моменту коммутации конденсатор был заряжен до напряжения  (в частном случае ), для напряжения на нем в переходном режиме можно записать

.

Соответственно разрядный ток

.           

(8)

Как видно из (8), во избежание значительных бросков разрядного тока величина  должна быть достаточно большой.

В заключение отметим, что процессы заряда и разряда конденсатора используются в генераторах пилообразного напряжения, широко применяемых в автоматике. Для этого ключ в схеме на рис. 6 заменяется на электронный.

Литература

  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.

Контрольные вопросы

  1.  Составить характеристическое уравнение для цепи на рис. 1, используя выражение входного сопротивления относительно места разрыва ветви с резистором .
  2.  Может ли в одной части линейной цепи протекать колебательный переходный процесс, а в другой – апериодический?
  3.  Для чего в схеме на рис. 5 служит цепочка, состоящая из диода и резистора R?
  4.  Почему можно разрывать ветвь с конденсатором и нельзя – ветвь с индуктивным элементом?
  5.  Почему корни характеристического уравнения не зависят от того, относительно какой переменной было записано дифференциальное уравнение?
  6.  Для цепи на рис. 8 составить характеристическое уравнение и определить, при каких значениях  переходный процесс в ней будет носить апериодический характер, если .

Ответ: .

  1.  Определить  в цепи на рис. 9, если , , , .

Ответ: .

201


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

46199. Понятие лексической семантики. Структура лексического значения. Значение и смысл. (денотативный и коннотативный аспекты значения). Феноменология лексического значения в речи 15.15 KB
  Структура лексического значения. денотативный и коннотативный аспекты значения. Феноменология лексического значения в речи. Лексическая семантика является частью семантики которая занимается значениями подразделяя их на денотат и коннотат отдельных лексических элементов слов морфем и лексем отличаясь таким образом от семантики предложений.
46200. Взаимодействие субъекта с внешним миром и проблема развития интеллекта 15.1 KB
  Взаимодействие субъекта с внешним миром и проблема развития интеллекта. Пиаже интересовало отличает ли субъект внешний мир от внутреннего субъективного мира и каковы границы это различия действует ли внешний мир непосредственно на ум субъекта или его идеи на продукты собственно умственной активности а если субъект активен в познании то какого взаимодействие между его мыслью и явлениями внешнего мира каковы законы которым это взаимодействие подчиняется. Источник знания не в объектах и не в субъектах а в их взаимодействии. С помощью...
46201. THE NUMERAL 15.1 KB
  The crdinls from twentyone to twentynine from thirtyone to thirtynine etc.The derivtive ordinls re derived from the simple nd derivtive crdinls by mens of the suffix th:fourfourth tententh sixteensixteenth twentytwentieth etc.Before the suffix th the finl у is replced by ie:thirty thirtieth etc. In this cse only the lst component of the compound numerl hs the form of the ordinl:twentyfirst fortysecond sixtyseventh one hundred nd first etc.
46202. Особенности оценки контрольных и неконтрольных пакетов акций. Поправка на недостаточную ликвидность 15.09 KB
  При нахождении стоимости владения контрольным пакетом используются методы: дисконтированных денежных потоков капитализации доходов сделок стоимости чистых активов и ликвидационной стоимости. При расчете по методу сделок получают величину оценочной стоимости на уровне владения контрольным пакетом так как этот метод основан на анализе цен контрольных пакетов акций сходных компаний. Если оценщику нужно получить стоимость на уровне контрольного пакета то к стоимости полученной методом рынка капитала надо добавить премию за контроль. Для...
46204. Условия договора 15.04 KB
  Предусмотренные договором обязательства сторон бывают альтернативными т. содержат два или более способа исполнения обязательства например расчеты между сторонами осуществляются платежными поручениями или платежными требованиями. Также могут устанавливаться два или более предмета исполнения обязательства например поставляется цемент марки М400 или марки М500. Встречное исполнение обязательств Большинство договоров предусматривает встречное исполнение обязательств когда исполнение обязательства одной из сторон обусловлено исполнением...
46205. Кент Рокуэлл 15.04 KB
  Рокуэлл Кент Rockwell Kent 1882 1971 родился 21 июня 1882 года в городе Тарритаун. Один из продолжателей реалистической традиции в американском искусстве Рокуэлл Кент выдающийся борец за прогресс и мир учился у Генри. Свое творчество Рокуэлл Кент посвятил народам Гренландии Аляски могучей природе Атлантики. Тяга к суровой не тронутой цивилизацией природе сочетается в живописи и графике Кента с острым чувством современности.
46207. Специфика земельного участка как объекта оценки 14.92 KB
  Владелец земли в первую очередь имеет право на доход приносимый всем объектом недвижимости поскольку стоимость зданий сооружений и других улучшений на земельном участке носит вторичный характер и выступает как дополнительный вклад в стоимость земельного участка. Отличия земельного участка от других видов недвижимости обусловлены следующими особенностями: а земля является природным ресурсом который невозможно сво бодно воспроизвести в отличие от других объектов недвижимости; б при оценке всегда необходимо учитывать возможность...