Переходные процессы в электрических цепях постоянного тока

Глава 4. Переходные процессы в электрических цепях

4.1. Общие сведения

4.1.1. Понятие переходного процесса

При изучении предыдущего материала рассматривались установившиеся ре­жимы работы электрических цепей с сосредоточенными параметрами, т.е. режимы, которые устанавливаются в цепи при неизменных напряжении, токе, сопротив­лении и др.

Например, ток в цепи с последовательно соединенными резистором и катуш­кой (рис. 4.1) при питании от источника постоянного тока

.

Теоретически такой ток установится в цепи через бесконечно большое время после включения, а практически – через конечное время. Если после наступления установившегося неизменного тока вновь изменить напряжение, то соответственно изменится и ток. Переход от одного установившегося режима к другому происхо­дит не мгновенно, а в течение некоторого времени (рис. 4.2). Процессы, возникаю–

щие в цепях при переходе от одного установившегося режима к другому, называют переходными.Переходные процессы возникают при всяком внезап­ном изменении параметров цепи, включении, переключении или отключении вет­вей, при коротком замыкании и др. Момент внезапного изменения режима работы электрической цепи принимают за начальный (нулевой) момент времени, относи­тельно которого характеризуют состояние цепи и описывают сам переходный про­цесс. Переходные токи, напряжения, ЭДС и др. обозначают малыми буквами. Так, в момент времени, предшествующий изменению режима, ток обозначают, в первый момент времени после изменения режима, в заданный момент времени–. Для процессов, показанных на рис. 4.2

.

Продолжительность переходного процесса может быть очень малой и ис­числяться долями секунды, но токи и напряжения или другие параметры, харак­теризующие процесс, могут достигать экстремальных значений, с точки зрения по­следствий для электрической цепи. Наглядным примером является перенапряже­ние, возникающее при отключении цепи с катушкой большой индуктивности. ЭДС самоин­дукции тем больше, чем быстрее изменяется ток

При внезапном отключении цепи эта ЭДС может достигать значений, недо­пустимых для изоляции электроустановки и возникнуть электрическая дуга между размыкаемыми участками цепи или ее короткое замыкание. Примерами скачков тока при переходных процессах могут служить внезапные ко­роткие замыкания в электрических машинах и трансформаторах, включение цепей с конденсаторами и др. Иногда, наоборот, переходный процесс приводит к полезным, желательным результатам, и система выполняется таким образом, чтобы возникал необходимый переходный процесс.

4.1.2. Законы коммутации

Переходные процессы вызываются коммутацией в цепи.Коммутация – это замыкание или размыкание коммутирующих приборов (рис. 4.3). В результате таких внезапных изменений па­раметров в электрической цепи происходит переход из энергети­ческого состояния, соответствующего докоммутационному ре­жиму, к энергетическому состоянию, соответствующему после­коммутационному режиму.

При анализе переходных процессов пользуются двумя законами (правилами) коммутации.

Первый закон коммутации: в любой ветви с катушкой ток и магнит­ный поток в момент коммутации сохраняют те значения, которые они имели непосредственно перед коммутацией, и дальше начинают изменяться с этих значений. Иначе:ток через катушку не может измениться скачком. Этот за­кон можно записать в виде равенства

Для доказательства закона достаточно рассмотреть уравнение цепи (рис. 4.4), составленное по второму закону Кирхгофа

Если допустить, что ток в цепи изменяется скачком, то напряжение на ка­тушке будет равно бесконечности

Тогда в цепи не соблюдается закон Кирхгофа, что невозможно.

В случае нескольких цепей связанных взаимной индуктивностью, но не имеющих в каждой катушке магнитных потоков рассеяния, в момент

Рис. 4.4 коммутации общий магнитный поток не может измениться скачком, тогда как токи в каждой из этих цепей могут измениться скачком.

Второй закон коммутации: в любой ветви напряжение и за­ряд на конденсаторе сохраняют в момент коммутации те значения, которые они имели непосредственно перед коммутацией, и в дальнейшем изменяются, на­чиная с этих значений.

Иначе:напряжение на конденсаторе не может измениться скачком

Для доказательства закона рассмотрим уравнение цепи (рис. 4.5) по второму закону Кирхгофа

Рис 4.4.

Если допустить, что напряжение на конденсаторе изменяется скачком, то про­изводная а второй закон Кирхгофа нарушается. Однако ток через конденсатор

может изменяться скачком, что не противоречит второму закону Кирхгофа.

С энергетической точки зрения невозможность скачка тока через катушку и напряжения на конденсаторе объясняются невозможностью мгновен­ного изменения запасенных в них энергии магнитного поля катушки Li 2 /2 и энер­гии электрического поля конденсатораCu 2 /2. Для этого потребовалась быбеско­нечно большая мощность источника, что лишено физического смысла.

Источник

Лекция 4

2.8. Переходные процессы в линейных электрических цепях постоянного тока (классический метод)

2.8. Переходные процессы в линейных электрических цепях постоянного тока

Понятие переходного процесса. При изучении предыдущего материала рассматривались установившиеся режимы работы электрических цепей с сосредоточенными параметрами, т.е. режимы, которые устанавливаются в цепи при неизменных напряжении, токе, сопротивлении резисторов и др. Установившиеся режимы при заданных и неизменных параметрах цепи полностью определяются только источником энергии. Следовательно, источники постоянного напряжения (или тока) создают в цепи постоянный ток, а источники переменного напряжения (или тока) – переменный ток той же частоты, что и частота источника энергии.

Под переходным (динамическим, нестационарным) процессом или режимом в электрических цепях понимается процесс перехода цепи из одного установившегося состояния (режима) в другое.

Задача исследования переходных процессов заключается в том, чтобы выяснить, по какому закону и как долго будет наблюдаться заметное отклонение токов в ветвях и напряжений на участках цепи от их установившихся значений. Так, например, если в исследуемой ветви некоторой цепи (рис. 2.40) до коммутации существовал

постоянный ток I₁, а в установившемся режиме после коммутации он стал I₂, то нас будет интересовать закон изменения переходного тока i между моментом коммутации (t = 0) и тем неизвестным нам моментом времени t₁, когда переходный процесс можно считать закончившимся.

Переходные процессы возникают при любых изменениях режима электрической цепи: при подключении и отключении цепи, при изменении нагрузки, при возникновении аварийных режимов (короткое замыкание, обрыв провода и т.д.). Изменения в электрической цепи можно представить в виде тех или иных переключений, называемых в общем случае коммутацией. Физически переходные процессы представляют собой процессы перехода от энергетического состояния, соответствующего докоммутационному режиму, к энергетическому состоянию, соответствующему послекоммутационному режиму.

Переходные процессы − обычно быстропротекающие: длительность их составляет десятые, сотые, а иногда и миллиардные доли секунды. Сравнительно редко длительность переходных процессов достигает секунд и десятков секунд. Тем не менее, изучение переходных процессов весьма важно, так как позволяет установить, как деформируется по форме и амплитуде сигнал, выявить превышения напряжения на отдельных участках цепи, которые могут оказаться опасными для изоляции установки, увеличения амплитуд токов, которые могут в десятки раз превышать амплитуду тока установившегося периодического процесса, а также определить продолжи-тельность переходного процесса. С другой стороны, работа многих электротехнических устройств, особенно устройств промышленной электроники, основана на переходных процессах. Например, в электрических нагревательных печах качество выпускаемого материала зависит от характера протекания переходного процесса. Чрезмерно быстрое нагревание может стать причиной брака, а чрезмерно медленное отрицательно оказывается на качестве материала и приводит к снижению произво-дительности.

Законы коммутации. В общем случае в электрической цепи переходные процессы могут возникать, если в цепи имеются индуктивные и емкостные элементы, обладающие способностью накапливать или отдавать энергию магнитного или электрического поля. В момент коммутации, когда начинается переходный процесс, происходит перераспределение энергии между индуктивными, емкостными элементами цепи и внешними источниками энергии, подключенными к цепи. При этом часть энергия безвозвратно преобразуется в другие виды энергий (например, в тепловую на активном сопротивлении).

После окончания переходного процесса устанавливается новый установившийся режим, который определяется только внешними источниками энергии. При отключении внешних источников энергии переходный процесс может возникать за счет энергии электромагнитного поля, накопленной до начала переходного режима в индуктивных и емкостных элементах цепи.

Изменения энергии магнитного и электрического полей не могут происходить мгновенно, и, следовательно, не могут мгновенно протекать процессы в момент коммутации. В самом деле, скачкообразное (мгновенное) изменение энергии в индуктивном и емкостном элементе приводит к необходимости иметь бесконечно большие мощности Р = dW/dt, что практически невозможно, ибо в реальных электрических цепях бесконечно большой мощности не существует.

Таким образом, переходные процессы не могут протекать мгновенно, так как невозможно в принципе мгновенно изменять энергию, накопленную в электромагнитном поле цепи. Теоретически переходные процессы заканчиваются за время t → ∞.

Практически же переходные процессы являются быстропротекающими, и их длительность обычно составляет доли секунды. Так как энергия магнитного W_М и электрического полей W_Э описывается выражениями

; ,

где L и C  константы, то не могут изменяться мгновенно ток в индуктивности и напряжение на емкости. На этом основаны законы коммутации.

Первый закон коммутации состоит в том, что ток в ветви с индуктивным элементом в начальный момент времени после коммутации имеет то же значение, какое он имел непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения он начинает плавно изменяться. Сказанное обычно записывают в виде

полагая, что коммутация происходит мгновенно в момент t = 0. Первый закон коммутации формулируют еще следующим образом: ток в индуктивности не может измениться скачком.

Второй закон коммутации состоит в том, что напряжение на емкостном элементе в начальный момент после коммутации имеет то же значение, какое оно имело непосредственно перед коммутацией, а затем с этого значения оно начинает плавно изменяться:

Второй закон коммутации формулируют еще следующим

образом: напряжение на емкости не может измениться скачком.

Следовательно, наличие ветви, содержащей индук-тивность, в цепи, включаемой под напряжение, равно-сильно разрыву цепи в этом месте в момент коммутации, так как

Точно также, наличие в цепи, включаемой под напряжение, ветви, содержащей разряженный конденсатор, равносильно короткому замыканию в этом месте в момент коммутации, так как

Однако в электрической цепи возможны скачки напряжений на индуктивностях и токов на емкостях!

В электрических цепях с резистивными элементами энергия электромагнитного поля не запасается, вследствие чего в них переходные процессы не возникают, т.е. в таких цепях стационарные режимы устанавливаются мгновенно, скачком.

В действительности любой элемент цепи обладает каким-то сопротивлением r, индуктивностью L и емкостью С, т.е. в реальных электротехнических устройствах суще-ствуют тепловые потери, обусловленные прохождением тока и наличием сопротивления r, а также магнитные и электрические потери, определяемые наличием электрического и магнитного полей.

Переходные процессы в реальных электротехнических устройствах можно ускорять или замедлять путем подбора соответствующих параметров элементов цепей, а также за счет применения специальных устройств.

Классический метод анализа переходных процессов.

Предварительные соглашения. При анализе переходных процессов в электрических цепях считается, что:

1. Рубильники включаются и размыкаются мгновенно, без возникновения электрической дуги;

2. Время переходного процесса, теоретически бесконечно длительное, (переходный режим асимптотически приближается к новому установившемуся режиму), ограничивают условным пределом – длительностью переходного процесса;

3. Установившийся режим после коммутации рас-считывают при теоретическом условии t→∞, т.е. когда после коммутации прошло бесконечно большое время.

Установившийся режим до коммутации рассчитывают обычно в предположении, что к моменту коммутации в цепи закончился предыдущий переходный процесс. Хотя иногда приходится анализировать переходные процессы, возникающие в цепи, когда предыдущий переходный процесс, вызванный прежними коммутациями, еще не закончился. Но это не изменяет теоретическую постановку задачи.

Содержание классического метода. Анализ переходных процессов классическим методом производят путем решения дифференциальных уравнений, составленных для исследуемой электрической цепи на основе законов Кирхгофа или метода контурных токов.

Пусть в некоторой цепи (рис. 2.41, а) внезапно изменяется сопротивление. До коммутации в цепи существовали сопротивления R₁ и R, после коммутации остается только R. Требуется определить переходный ток i.

Электрическое состояние схемы после коммутации описывается интегро-дифференциальным уравнением, записанным на основании II закона Кирхгофа для мгновенных значений токов и напряжений:

Если это уравнение продифференцировать по времени получим линейное дифференциальное уравнение второго порядка, у которого в качестве постоянных коэффициентов выступают параметры цепи или их комбинации:

(2.13)

Из математики известно, что полное решение линейного дифференциального уравнения с постоянными коэф-фициентами находят в виде суммы частного решения неоднородного и общего решения соответствующего однородного уравнения.

Поскольку в правой части дифференциальных уравнений, описывающих электрическое состояние цепей, обычно находится напряжение (или ток) источника (внешняя вынуждающая сила), то частное решение находят из анализа установившегося режима после коммутации. Отсюда этот режим называют вынужденным и соответственно токи или напряжения, найденные в данном режиме, называют вынужденными. Расчет вынужденного режима, когда внешние источники вырабатывают постоянную э.д.с. (ток), не представляет трудностей и может быть осуществлен любым известным методом.

Однородное дифференциальное уравнение получают из выражения (4.12) путем «освобождения» его от правой части. Физически это означает, что исследуемая цепь «освобождается» от внешней вынуждающей силы. Токи или напряжения, найденные при решении однородного дифференциального уравнения, называются свободными. Свободные токи и напряжения являются результатом действия внутренних источников схемы: э.д.с. самоиндукции, возникающих в катушках, и напряжений на конденсаторах, когда и те, и другие не уравновешены внешними источниками.

Схематически анализ переходного процесса может быть представлен как результат наложения двух режимов: вынужденного и свободного. Схема на рис. 4.5, b должна быть рассчитана в установившемся (вынужденном) режиме, а схема на рис. 4.5, c − в режиме, когда цепь освобождена от внешних источников. Действительный (переходный) ток в соответствии с принципом суперпозиции равен сумме установившегося (вынужденного) и свободного токов:

Замечание 1. Физически существует только переходные токи и напряжения, а разложение их на свободные и вынужденные составляющие является математическим приемом, позволяющим упростить расчет переходных процессов в линейных цепях.

Замечание 2. Напомним, что принцип суперпозиции применим лишь к линейным цепям.

Существуют различные методы решения однородного дифференциального уравнения, полученного из выражения (2.13):

(2.14)

Классический метод анализа переходных процессов заключается в непосредственном интегрировании дифференциальных уравнений. Решение находят в виде суммы экспонент:

где число слагаемых равно порядку дифференциального уравнения.

После подстановки экспонент A_k·e p _k t в исходное уравнение (2.14) и дифференцирования можно получить характеристическое уравнение, из которого определяют корни p₁, p₂. Если встречаются кратные корни (например, p₁ = p₂ = P), решение имеет вид

Постоянные интегрирования A₁, A₂ находят из начальных условий, которые определяют с помощью законов коммутации. Различают независимые и зависимые (послекоммутационные) начальные условия. К первым относят значения токов через индуктивности и значения напряжений на емкостях, известные из докоммутационного режима работы цепи.

Значения остальных токов и напряжений при t = 0 в после коммутационной схеме, определяемые по незави-симым начальным значениям из законов Кирхгофа для схемы после коммутации, называют зависимыми началь-ными значениями.

Алгоритм расчета переходного процесса классическим методом. Для анализа переходного процесса предварительно следует привести схему к минимальному числу накопителей энергии, исключив параллельные и последовательные соединения однотипных реактивных элементов (индуктивностей или емкостей). Система интегро-дифференциальных уравнений, составленных в соответствии с законами Кирхгофа или методом контурных токов, может быть сведена путем подстановки к одному дифференциальному уравнению, которое используется для составления характеристического уравнения.

Порядок дифференциального, следовательно, и характеристического уравнения зависит от числа реактивных элементов приведенной схемы. Главная трудность в решения задачи классическим методом для уравнений высоких порядков состоит в отыскании корней характеристического уравнения и постоянных интегрирования.

1. Рассчитать вынужденный (установившийся) режим при t → ∞. Определить вынужденные токи и напряжения.

2. Рассчитать режим до коммутации. Определить токи в ветвях с индуктивностью и напряжения на конденсаторах. Значения этих величин в момент коммутации является независимыми начальными условиями.

3. Составить дифференциальные уравнения для свободного процесса (Е = 0) в схеме после коммутации по законам Кирхгофа или по методу контурных токов. Алгебраизировать данные уравнения, получить характеристическое уравнение и найти его корни.

4. Записать общие выражения для искомых напряжений и токов в соответствии с видом корней характеристи-ческого уравнения.

5. Переписать величины, полученные в п. 4, и производные от них при t = 0.

6. Определить необходимые зависимые начальные условия, используя независимые начальные условия.

7. Подставив начальные условия в уравнения п. 5, найти постоянные интегрирования.

8. Записать законы изменения искомых токов и напряжений.

В данном разделе предполагается не только практическое знакомство с классическим методом расчета переходных процессов, но и с особенностями самих процессов в рассматриваемых задачах.

Переходные процессы в цепях первого порядка. Рассмотрим применение классического метода к расчету переходных процессов в цепях первого порядка. Это цепи, содержащие только однотипные реактивные элементы (емкости или индуктивности), процессы, в которых описываются дифференциальными уравнениями первого порядка

Примером цепей первого порядка являются простейшие RL—(последовательное соединение резистора и катушки индуктивности) и RC— (последовательное соединение резистора и конденсатора) цепи. Переходные процессы в них обычно рассматриваются в режимах короткого замыкания и подключения их на постоянное напряжение.

Переходные процессы в RC-цепях. При расчете переходных процессов в RC-цепях в качестве независимой переменной выбирают u_c. Затем составляют дифференциальное уравнение для заданной RC-цепи, решение которого с учетом начальных условий для и_с(0) и определяет закон изменения напряжения на емкости.

Подключение реального конденсатора к источнику постоянного напряжения (заряд конденсатора). Рассмотрим вначале RС-цепь при нулевых начальных условиях (рис. 2.42), которая подключается в момент t = 0 к источнику постоянного напряжения u(t) = U. Переходный процесс в данной цепи описывается дифференциальным уравнением

,

решение которого ищем в форме суммы общего и частного решений, определяющих свободную и вынужденную составляющие.

При подключении RC-цепи к источнику постоянного тока (при U_c(0) = 0) на обкладках конденсатора начинается накопление зарядов и напряжение постепенно увеличивается до U.

1. Составим систему уравнений электрического состояния. Так как схема одноконтурная, то можно написать только одно уравнение по второму закону Кирхгофа:

В этом уравнении во время переходного процесса происходит изменение двух величин: тока i и напряжения на емкостном элементе u_С . Напряжение u_С подчиняется второму закону коммутации, поэтому рационально выразить ток по закону Ома

Тогда уравнение примет вид

.

2. Ищем решение этого уравнения как сумму двух

Теоретически переходной процесс длится бесконечно долго, поэтому вынужденный режим рассмотрим как новый установившийся режим при t = ∞. Конденсатор постоянный ток не пропускает (i_вын = 0), Ri_вын = 0. Отсюда

4. Вычислим u_Ссв. Из математики известно, что свободные составляющие меняются по экспоненциальному закону:

5. Определим показатель степени р, который является корнем характеристического уравнения.

Запишем уравнение электрического состояния для свободной составляющей:

Производной экспоненты является сама экспонента. Так как функция сложная, дифференцируем еще и показатель степени.

В итоге производная равна

.

После подстановки в уравнение электрического состояния получаем

Сравнив уравнение электрического состояния с характеристическим, делаем вывод: для получения характеристического уравнения в уравнении электрического состояния правую часть нужно приравнять к нулю, переменную величину заменить единицей, ее производную – р, вторую производную – р 2 и т. д.

Решение характеристического уравнения позволяет определить

.

обозначают τ и называют постоянной времени.

.

Так как [R]= Ом, [C] = Ф = с/Ом , то [τ]= с .

Постоянная времени τ – это время, в течение которого свободные составляющие уменьшаются в е раз по сравнению с начальным значением.(см. рис. 2.43).

Время t₂ − t₁ = τ , если

Постоянной времени можно дать геометрическую

τ – это величина подкасательной к любой точке экспоненты (рис. 2.44).

Поэтому можно определить постоянную времени по известному графику изменения свободной составляющей и неизвестных параметрах схемы.

6. Определим постоянную интегрирования А.

Постоянные интегрирования определяют из начальных условий с использованием законов коммутации.

Уравнение, по которому проводим решение, справедливо для любого момента времени, следовательно, и для начального:

По второму закону коммутации

До коммутации схема не была подключена к источнику энергии, поэтому

Вынужденная составляющая в данном примере является постоянной величиной, значит

После подстановки получим

Тогда закон изменения напряжения

.

Закон изменения тока можно получить как из уравнения по второму закону Кирхгофа, так и из закона Ома.

Из уравнения по второму закону Кирхгофа

Проиллюстрируем полученные уравнения графиками.

Свободная составляющая изменяется по закону экспоненты и стремится к нулю. В начальный момент

График подтверждает, что напряжение на конденсаторе меняется плавно, что вынужденный режим – это новый установившийся режим после переходного процесса.

График изменения тока представлен на рис. 2.47.

,

далее он стремится к нулю по закону экспоненты.

Графики будут меняться при изменении параметров схемы R и С. Величина напряжения от них не зависит. Величина тока обратно пропорциональна сопротивлению R и не зависит от емкости С. Длительность переходного процесса прямо пропорциональна значениям R и С.

Разряд конденсатора на резистор. Рассмотрим переходный процесс при коротком замыкании в цепи с конденсатором и резистором (рис. 2.48), если предварительно конденсатор был заряжен до напряжения

Установившийся ток через конденсатор и установившееся напряжение на конденсаторе равны нулю. Для построения характеристического уравнения запишем по второму закону Кирхгофа уравнение для вновь образованного контура

При расчете переходных процессов в цепях с конденсатором часто удобнее отыскать сначала не ток, а напряжение на конденсаторе u_C, а затем, учитывая, что

,

найти ток через конденсатор. Поэтому запишем уравнение по второму закону Кирхгофа в виде:

.

Характеристическое уравнение имеет вид:

Общее решение для свободной составляющей напряжения:

где: А = Е₁ – постоянная интегрирования;

p = − 1/(RC) – корень характеристического уравнения;

τ = RC – постоянная времени цепи.

С учетом нулевого значения установившегося напряжения получим напряжение на конденсаторе:

.

Источник