- •18 Переходные процессы в простейших цепях Содержание
- •Переходные процессы в простейших цепях
- •1. Понятие о переходных процессах
- •2. Классический метод расчёта переходных процессов в цепях rlc
- •I(t)t→∞→ iчастн.(t).
- •3. Переходные процессы в простейших цепях 1-го порядка
- •3.1. Разряд конденсатора через активное сопротивление
- •3.2. Включение постоянного напряжения
- •3.3. Включение постоянного напряжения
- •3.4. Отключение постоянного напряжения
- •4. Переходные процессы в одноконтурной цепи 2-го порядка
- •4.1. Отключение постоянного напряжения
- •4.2. Включение постоянного напряжения
- •4.3. Воздействие длинными импульсами
- •4.4. Действие очень короткого импульса
- •4.5. Включение синусоидального напряжения
3.4. Отключение постоянного напряжения
от последовательной цепи RL
П
усть
в моментt
= 0 постоянное
напряжение U
отключается от последовательной
RL-цепочки
путём простого разрыва. При t
< 0 в катушке
был ток i
= U/R.
При разрыве цепи он скачком должен
упасть до нуля, однако это противоречит
второму уравнению Кирхгофа. В этой
ситуации происходит следующее.
При размыкании
ключа К
сопротивление его контактов rк
резко возрастает, что приводит к очень
быстрому уменьшению тока в цепи –
быстрому, но не скачкообразному. При
этом резко возрастает и ЭДС самоиндукции
катушки: Ес.и=
,
причём это возрастание настолько велико,
что при разрыве контактов ключаК
между ними
происходит электрический пробой –
искра.
И этот пробой будет при любой скорости
размыкания ключа, так как чем быстрее
размыкание, тем больше di/dt,
а, следовательно, и тем больше ЭДС
самоиндукции.
З
амечание
1. Этот
пробой может произойти не только в ключе
К,
но и в межвитковой изоляции самóй
катушки, что приведёт катушку в негодность.
Замечание 2. Итак, при разрыве цепи с индуктивностью Ес.и катушки во много раз превышает разорванное внешнее напряжение U, и в связи с этим, эта ЭДС очень опасна для человека.
Напряжения на элементах цепи, превышающие напряжение, приложенное от генератора, называются перенапряжениями.
В связи с возникновением опасных перенапряжений, катушки с большими индуктивностями (L≥1 Гн) нельзя отключать от генератора по приведённой выше схеме, т.е. путём простого разрыва цепи. Обычно ток в таких цепях сначала плавно уменьшают до нуля каким-либо регулятором, а потом уже разрывают цепь (например, на ГЭС).
Но можно сделать и быстрое отключение генератора от RL-цепи, если параллельно ей поставить активное сопротивление R0. Рассмотрим переходный процесс в цепи RLR0 после отключения от неё постоянного напряжения U.
При t > 0 второе уравнение Кирхгофа для указанного контура будет таким:
![]()
,
или
,
(7)
или
,
где
Его решение:
i
=
.
Из начального
условия
следует, что
,
и тогда
.
Напряжение на резисторе R0 (т. е. на выводах катушки RL) в этом случае
икат=
.
Если R0≫R,
то в первый момент после размыкания
ключа К
это напряжение может быть очень велико:
.
Пример. Пусть R = 10 Ом – это активное сопротивление обмотки катушки,
R0 = 50 кОм – сопротивление взявшегося за катушку человека,
U =1 В – напряжение отключаемой от катушки батарейки.
Тогда при t
= +0 напряжение
ичел=
кВ.
З
апасённый
катушкой ток
=100
мА будет «прокачан» через человека во
что бы то ни стало. Однако, эффективный
импульс тока будет очень короток:
например, приL=1
Гн длительность импульса
20
мкс.
Замечание.
Если при t
< 0 был ток
i0,
а сопротивления
,
то при отключении катушки от генератора
она будет сохранять этот ток бесконечно
долго. Действительно, так как при
уравнение (7) принимает видL(di/dt)
= 0, то i
= const
= i0.
Вместе с током катушка сохраняет и
энергию
.
4. Переходные процессы в одноконтурной цепи 2-го порядка
4.1. Отключение постоянного напряжения
от последовательной цепи RLС
П
усть
в моментt
= 0 постоянное
напряжение U
отключается от последовательной цепи
RLС,
так что при t
> 0 она
образует замкнутый последовательный
контур.
Т
ак
как приt
< 0 тока в
контуре не было, а конденсатор был
заряжен до напряжения U,
то начальные условия переходного
процесса будут такими:
i(+0) = i(−0) = 0, иС(+0) = иС(−0) = U. (1)
После замыкания контура конденсатор начнёт разряжаться, в контуре пойдёт ток i и начнётся свободный процесс, характер которого зависит от соотношения между параметрами R, L и С. Расставив стрелки тока и обхода, запишем второе уравнение Кирхгофа:
uL
+ uR
− uC
= 0, или
.
(2)
Дифференцируя
(2) и учитывая, что при данной расстановке
стрелок
,
получаем уравнение 2-го порядка
относительно токаi:
,
(3)
где
− коэффициент затухания,
− собственная частота.
Запись уравнения 2-го порядка в канонической форме (3) удобна тем, что его решение выражается простыми и наглядными функциями параметров β и ω0.
Подстановкой
(4)
оно сводится к более простому уравнению (проверить самостоятельно):
,
(5)
решение которого хорошо известно и зависит от соотношения между β и ω0. Здесь возможны три варианта:
Вариант 1:
>0
(колебательный вариант).
Обозначив
=
ω2,
получим:
.
Как известно, общим решением этого уравнения является функция
.
И тогда, с учётом (4), получаем:
.
(6)
Коэффициенты А и В здесь зависят от начальных условий. Для дифференциального уравнения 2-го порядка должны быть заданы два начальных условия: ток i и его первая производная в момент t = 0. Здесь следует помнить, что начальные условия для всякого переходного процесса задаются именно при t =+0, а не при t = −0, т. е. в первый момент после коммутации в цепи. А условия при t = +0 определяются уже правилами коммутации:
1) ток через индуктивность скачком измениться не может;
2) напряжение на конденсаторе скачком измениться не может.
Подстановка 1-го начального условия i(+0) = i(−0) = 0 в (6) даёт: В=0, т. е.
.
(7)
В
торое
начальное условие следует из уравнения
(2): так какi(0)
= 0, а иС(0)
= U,
то
.
Но, в силу (7),
.
Следовательно,
.
И тогда для тока в контуре получаем:
.
(8)
Кривая (8) описывает
свободные
затухающие колебания
в последовательной цепи RLC.
Она, в строгом смысле, не периодична, но
периодически и бесконечное число раз
проходит через ноль с периодом
,
где
.
Напряжения на
элементах контур также будут носить
характер затухающих колебаний. В
частности, напряжение на конденсаторе
теперь легко можно найти из уравнения
(2): иС(t)
=
,
напряжение на резистореuR(t)
= iR.
Вариант 2:
(критический вариант).
Уравнение (5) в этом случае принимает вид:
,
и его решение
.
Следовательно, для токаi,
с учётом (4), получаем:
.
И
з
тех же начальных условийi(0)
= 0,
получаем:В=0,
.
И тогда
.
(9)
Полученная функция
является апериодической.
Сопротивление R,
при котором колебательный процесс
вырождается в апериодический, называется
критическим сопротивлением Rкр.
Величина этого сопротивления определяется
из условия
:Rкр=
.
Закон изменения
напряжения на конденсаторе теперь проще
всего определить из соотношения иС(t)
=
с учётом найденного тока (9):
![]()
.
Вариант 3:
β2 >
(закритический вариант).
Обозначив
,
получим:
.
Общее решение этого уравнения имеет вид:
.
Следовательно, ток
,
(10)
где
.
При тех же начальных условиях, что и
предыдущих вариантах, ток в этом случае
будет таким:
,
(11)
где
.
Зависимость (11) качественно совпадает с вариантом 2, т. е. процесс здесь также будет апериодическим и экспоненциально затухающим, так как показатели в обеих экспонентах (10) отрицательны. Графики i(t) и uC(t) здесь такие же, как и в предыдущем варианте, только с ещё большим затуханием.
Ситуация β2
>
реализуется приR>Rкр=
.
