Elektrotekhnika_Lektsii

5.2 Включение цепи r, L к источнику постоянного напряжения.

Рис 5.1

Рассмотрим включение источника постоянного напряжения u(t)=U в цепь последовательно соединенных r, L элементов (рис 5.1). Для послекоммутационного периода (t>0 и t=0), применив закон Кирхгофа, получим:

Первое слагаемое iПр есть частное решение уравнения (5.6) и выражает принужденное (установившееся) значение равное U/r. Второе слагаемое iСв=Aept представляет собой решение однородного уравнения, т.е. уравнения (5.5) при равенстве нулю правой части. Здесь p и A - соответственно корень характеристического уравнения и постоянная интегрирования. Для рассматриваемой цепи p= -r/L, а постоянная А определяется по начальному току в индуктивности i(0+). Так как ток в индуктивности до момента коммутации отсутствовал (нулевые начальные условия), то при t=0 для полного решения (5.6) имеет место

Именно здесь проявилось действие закон коммутации (5.1), распространено на полное решение. Окончательно из (5.6) находим, что

81

i Ur (1 e t / t) ,

Графики переходного тока и напряжения построенные по формулам (5.8) и (5.9) приведены на рис 5.2.

Чтобы оценить влияние параметров цепи на переходные процесс, свободную составляющую тока iСв для различных моментов времени, выраженных через t.

Тогда

iСв (t t) Ur e (t t) / t iСв (t) / e ,

iСв (t 2t) Ur e (t 2t) / t iСв (t) / e2

и.т.д.

Следовательно постоянная времени t равна промежутку времени в течении которого свободная составляющая тока убывает в е раз. Практически можно считать, что переходный процесс заканчивается спустя t=(4..5)t.

5.3. Короткое замыкание цепи с резистором и индуктивностью.

Рассмотрим теперь цепь, питаемую от источника постоянного тока (рис 5.3), в которой после коммутации (замыкания ключа) индуктивность с током [i(0-)№0] оказывается замкнутой на резистор r2.

Рис 5.3 В образовавшемся при этом контуре благодаря энергии, запасенной в

магнитном поле индуктивности, ток исчезает мгновенно: ЭДС самоиндукции, обусловленная убыванием магнитного потока, стремиться

82

поддержать ток в контуре за счет энергии исчезающего магнитного поля. Принужденный ток в данном случае равен нулю, переходной ток в контуре являться свободным, постепенно приближающимся к нулю. Свободный ток удовлетворяет однородному дифференциальному уравнению:

На рис 5.2 изображены графики спада тока и напряжения на индуктивности

включается в цепь с последовательным соединением резистора r и индуктивности L (рис 5.1).

83

любой цепи с резистором и емкостью они устанавливают на основании второго закона коммутации. Так при t=0 из (5.22) находим

отсюда А=-U и переходное напряжение на емкости будет изменяться по закону

(5.24)

Для тока получим

(5.25)

Кривые изменения тока приведены на рис 5.7

Рис 5.7

5.6 Короткое замыкание в цепи с резистором и емкостью.

Пусть емкость С была заряжена от источника постоянного напряжения да напряжения uc(0-)=U (рис 5.8) Для послекоммутационного периода (tі0) в короткозамкнутом контуре принужденное напряжение на емкости и принужденный ток в цепи будут равны нулю, и, по определению, в нем может существовать только свободный режим.

86

Постоянная интегрирования А находится из начальных условий при t=0: uc(0+)=A=uc(0-)=U.

Для напряжения на емкости теперь получим

(5.27)

С энергетической точки зрения режим короткого замыкания цепи rC характеризуется переходом энергии, запасенной до коммутации в электрическом поле емкости WЭ=C·U2/2 в тепло,

Графики изменения uc, и i приведены на рис.5.9

Рис 5.9

5.7. Включение цепи r, C к источнику синусоидального напряжения.

Этот случай отличается от рассмотренного в п. 5.5. только тем, что источник представлен гармонической функцией, т.е., например,

(5.28)

Принужденное напряжение на емкости

87

Теперь перейдем к рассмотрению переходных процессов в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных r, L, C элементов. Здесь по аналогии с r, L и r, C цепями возможны случаи, когда цепь подключается к источнику постоянного напряжения или к источнику переменного напряжения, в частности, синусоидального напряжения, или цепь образует замкнутый контур без источников, но емкость к моменту коммутации была заряжена. Составленный по второму закону Кирхгофа дифференциальных уравнений для каждого из названных случаев имеет решение в форме ( 5.3), где первое слагаемое выражает принужденный режим, задаваемый видом функции в правой части, а второе выражает свободный режим в цепи при отсутствии внешних источников. Именно здесь и проявляется отличие рассматриваемой цепи, состоящее в том, что наличие в ней одновременно двух реактивностей разных знаков приводит к появлению квадратного характеристического уравнения и двух его корней p1 и p2. Теперь переходное напряжение на емкости равно

Две постоянные интегрирования A1 и A2 определяться из двух начальных условий в сочетании с двумя законами коммутации. Так, если непосредственно перед коммутацией заданы uc(0-) и iL(0-) т.е. начальные условия, то выполнение законов коммутации приводит к равенствам

непосредственно после коммутации. Когда они известны, так же как

начальные условия uСпр(0-) и iLпр(0-) и корни p1 и p2 можно найти напряжения A1 и A2 и завершить решения (5.33) и (5.34). Проиллюстрируем

все вышеизложенное на случае разряда емкости на цепь r, L (рис 5.11).

Рис 5.11

Отсутствие источников питания означает, что в цепи для послекоммутационного периода (tі0) имеет место свободный режим и по второму закону Кирхгофа можно установить, что

89