Переходные процессы в электрических цепях

Задача

Дана электрическая цепь, в которой происходит коммутация (Рис. 1). В цепи действует постоянная ЭДС Е. Требуется определить закон изменения во времени токов и напряжений после коммутации в ветвях схемы.

Задачу следует решить двумя методами: классическим и операторным. На основании полученного аналитического выражения построить график изменения искомой величины в функции времени в интервале от t = 0 до

t = ,

где - меньший по модулю корень характеристического уравнения.

Параметры цепи: R₁ = 15 Ом; R₂ = 10 Ом; С = 10 мкФ; L = 10 мГ; Е = 100 В.

Решение

Классический метод

Решение задачи получается в виде суммы принужденного и свободного параметра:

i(t) = i_пр(t) + i_св(t); u(t) = u_пр(t)+ u_св(t), (1)

где

, а .

1. Находим токи и напряжения докоммутационного режима для момента времени t = (0-). Так как сопротивление индуктивности постоянному току равно нулю, а емкости - бесконечности, то расчетная схема будет выглядеть так, как это изображено на рис. 2.

Индуктивность закорочена, ветвь с емкостью исключена. Так как в схеме только одна ветвь, то ток i₁(0-) равен току i₃(0-), ток i₂(0-) равен нулю, и в схеме всего один контур.

Составляем уравнение по второму закону Кирхгофа для этого контура:

,

откуда

= 4 А.

Напряжение на емкости равно нулю [u_C(0-) = 0].

2. Определим токи и напряжения непосредственно после коммутации для момента времени t = 0+. Расчетная схема приведена на рис. 3.

По первому закону коммутации

i_L(0-) = i_L(0+),

т.е. ток i₃(0+) = 4 А. По второму закону коммутации

u_C(0-) = u_C(0+) = 0.

Для контура, образованного ЭДС Е, сопротивлением R₂ и емкостью С, согласно второго закона Кирхгофа имеем:

или

;

i₁(0+) = i₂(0+) + i₃(0+) = 14 А.

Напряжение на сопротивлении R₂ равно

Е - u_C(0+) = 100 В,

напряжение на индуктивности равно напряжению на емкости.

3. Рассчитываем принужденные составляющие токов и напряжений для . Как и для докоммутационного режима индуктивность закорачивается, ветвь с емкостью исключается. Схема приведена на рис. 4. и аналогична схеме для расчета параметров докоммутационого режима.

= 10 А;

= 100 В;

;

4. Определяем свободные составляющие токов и напряжений для момента времени t = 0+, исходя из выражений

i(0+) = i_пр(0+) + i_св(0+)

и

u(0+) = u_пр(0+) + u_св(0+).

i_св1(0+) = 4 А; i_св2(0+) = 10 А;

i_св3(0+) = -6 А; u_свL(0+) = u_свС(0+) = 0;

.

5. Определяем производные свободных токов и напряжений в момент времени непосредственно после коммутации (t = 0+), для чего составим систему уравнений, используя законы Кирхгофа для схемы, изображенной на рис. 3, положив Е = 0.

;

(2)

Производную тока через индуктивность можно найти, используя выражение:

,

а производную напряжения на емкости - из уравнения

.

Т.е.

,

откуда

;

(3)

Подставляя (3) в (2), после решения получаем:

;

;

;

Все полученные результаты заносим в таблицу.

6. Составляем характеристическое уравнение. Для этого исключим в послекоммутационной схеме источник ЭДС, разорвем любую ветвь и относительно разрыва запишем входное сопротивление для синусоидального тока . Например, разорвем ветвь с сопротивлением R₂:

.

Заменим jщ на р и приравняем полученное уравнение нулю. Получим:

или

R₂CLp² + pL + R₂ = 0.

Откуда находим корни р₁ и р₂.

р₁ = -1127, р₂ = -8873.

7. Определим постоянные интегрирования А₁ и А₂. Для чего составим систему уравнений:

;

или

;

Например, определим постоянные интегрирования для тока i₁ и напряжения u_L. Для тока i₁ уравнения запишутся в следующем виде:

4 = А_1i + А_2i;

.

После решения: А_1i = -8,328 А, А_2i = 12,328 А.

Для напряжения u_L:

;

.

После решения: = 129,1 В, = -129,1 В.

8. Ток i₁ cогласно (1) изменяется во времени по закону:

i₁(t) = 10 - 8,328е-^1127t + 12,328e-^8873t,

а напряжение u_L:

u_L(t) = 129,1e-^1127t - 129,1 e-^8873t.