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

58521. ІV Універсал Центральної Ради. Проголошення незалежності УНР 79 KB
  Перед зовнішньою агресією УЦР виявилася фактично беззбройною. Більшість із них заплатили власним життям за недалекоглядну політику лідерів УЦР але нічого змінити не змогли. Керівники УЦР були змушені переглянути свої погляди на статус України і відмовившись від гасел автономії у складі рівноправної федерації...
58522. Запровадження радянської влади в Україні 78 KB
  Мета: навчальна охарактеризувати політику воєнного комунізму в Україні; розповісти про червоний терор повстанський рух Н. наступ денікінців в Україні денікінський режим; серпень 1919 р. Стара назва якою радянська влада в Україні прикривалася в 1918 р.
58523. конспект Позакласного заходу з історії студенткипрактикантки V курсу 51 групи факультету історії та пр. 48 KB
  Мета: навчальна: розширити знання учнів з історії Першої світової війни; детальніше розкрити події Першої світової війни. Обладнання: роздатковий матеріал афоризми про історію зображення подій і діячів Першої світової війни...
58524. УРОК КАК ОСНОВНАЯ ФОРМА ОБУЧЕНИЯ ИНФОРМАТИКЕ. КЛАССИФИКАЦИЯ ТИПОВ УРОКОВ ПО ИНФОРМАТИКЕ. ДИДАКТИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ УРОКОВ ИНФОРМАТИКИ 31 KB
  Основной формой организации учебно-воспитательной работы с учащимися по всем предметам в средней школе является урок. Преподавание основ информатики и вычислительной техники без сомнения наследует все дидактическое богатство накопленное школой...
58525. Додатні і відємні числа. Число 0 29 KB
  Разом з нею Олівець креслив різноманітні фігури це давало змогу дітям вимірювати довжину відрізків та узнавати периметри різних фігур. Олівець вважав свою подругу дуже освіченою. Але Олівець ніяк не міг збагнути чому на шкалі у Лінійки є цифра...
58526. ФИЗИКА – МЕДИЦИНЕ 83 KB
  А вот как измеряют давление крови у человека Измеряют давление с помощью манометра и фонендоскопа докладчик демонстрирует приборы и действия врача с помощью одного из учащихся класса. При этом врач скажет что у вас давление 120 на 80 и что это давление считается для человека нормальным.
58527. Развитие личности ребенка в раннем возрасте 68.5 KB
  Цель: Изучение основных закономерностей развития личности ребенка в раннем возрасте. Задачи: Обучающая: ознакомить студентов с о теоретическим материалом по теме рассмотреть взгляды детских психологов на проблему развития личности ребенка в раннем возрасте...
58528. Урок літератури, його самобутність 53 KB
  При підготовці до уроку літератури вчителем має бути продумано все: методи і прийоми навчання характер завдань і видів роботи доцільність використання посібників і художніх текстів дозування часу контакт з класом темп уроку його загальна...
58529. Я вас любил… 63 KB
  Углубить представления учащихся о личности и творчестве поэта показать благородство искренность и неистребимость пушкинских чувств. В ходе работы над сборником у вас появится возможность глубже познакомиться с личностью и творчеством...