- •Переходный, принужденный и свободный режим работы цепи
- •В ключение цепи r, с на постоянное напряжение
- •Включение цепи r, с на синусоидальное напряжение
- •Переходные процессы в цепи r, l, c
- •Методика расчета переходных процессов классическим методом в общем случае
- •Операторный метод расчета пп
- •Изображения простейших функций
- •Законы Ома и Кирхгофа в операторной форме
- •Эквивалентные операторные схемы и порядок расчета пп операторным методом
- •Теорема разложения
- •Интеграл Дюамеля
- •Основы метода переменных состояния
- •Сравнение различных методов расчета пп
Законы Ома и Кирхгофа в операторной форме
Рассмотрим цепь R, L, C, которая находилась под воздействием е1(t) и в момент коммутации переключается на е(t) (рис.7.20). По второму закону Кирхгофа имеем
где
В этой форме записи не указаны пределы
интегрирования, что делает невозможным
переход к изображению uC.
Поэтому перепишем последнюю формулу
так
В этом выражении
учтено, что в момент времени t
напряжение на емкости определяется не
только тем uC(0),
которое было на ней при t=0,
но и тем, которое добавилось из-за
протекания тока в интервале времени
0…t.
Тогда
Чтобы перейти от оригиналов к изображениям
умножим обе части этого равенства на
e-ptdt
и проинтегрируем
от 0 до .
Полагая i(t)I(p); e(t) E(p) и учитывая каковы изображения постоянной величины (uC(0)), производной и интеграла, имеем
откуда
- это и есть закон
Ома для цепи R,
L,
C
в операторной форме.
Выражение, стоящее
в знаменателе, называется полным
сопротивлением цепи R,
L,
C
в операторной форме (операторное
сопротивление)
.
Оно построено точно также как и
комплексное сопротивление, только
вместо j
cтоит
р.
Величина, обратная операторному
сопротивлению, называется опереаторной
проводимостью
В числителе закона Ома кроме изображения внешней ЭДС Е(р) имеется еще два слагаемых, которые определяются начальными условиями – током в индуктивности (i(0)) и напряжением на емкости (uC(0)). Наличие двух дополнительных ЭДС, которые называются внутренними или расчетными, обусловлена тем, что в магнитном поле индуктивности и электрическом поле емкости в момент коммутации была запасена энергия. Указанные в законе Ома знаки внутренних ЭДС справедливы только при условии, что они направлены по току.
При нулевых
начальных условиях (i(0)=0;
uC(0)=0)
закон Ома в операторной форме
имеет такой же вид, как и в комплексной
форме.
Для любого узла разветвленной цепи во время ПП выражение первого закона Кирхгофа для мгновенных значений имеет вид i1+i2+i3+…+in=0. Если перейти от оригиналов к изображениям, то получим I1(p)+I2(p)+I3(p)+…+In(p)=0. Это первый закон Кирхгофа в операторной форме, он имеет такой же вид как и в комплексной форме.
Для любого контура цепи, состоящего из n ветвей может быть записан второй закон Кирхгофа для мгновенных значений
,
полагая, что ikIk(p),
ek(t)
Ek(p)
и повторяя все рассуждения, использованные
при выводе закона Ома, получим
что можно переписать
так (второй закон Кирхгофа в операторной
форме)
где
При нулевых начальных условиях имеем
и это выражение
аналогично второму закону Кирхгофа в
комплексной форме.
Таким образом, законы Ома и Кирхгофа в операторной форме имеют такой же вид как и в комплексной форме, только при ненулевых начальных условиях необходимо учитывать внутренние или расчетные ЭДС, а сопротивления ветвей должны быть операторными.
Эквивалентные операторные схемы и порядок расчета пп операторным методом
М
ы
убедились в том, что уравнения для
изображений, составленные по законам
Ома и Кирхгофа исходя из уравнений для
мгновенных значений,
аналогичны уравнениям, составленным
для той же цепи комплексным методом.
Это говорит о том, что все основанные
на законах Ома и Кирхгофа приемы и методы
составления уравнений (методы узловых
потенциалов, контурных токов, наложения,
эквивалентного генератора и т.д.) могут
быть применены и для составления
уравнений относительно изображений.
Однако при ненулевых начальных условиях
необходимо учитывать внутренние ЭДС,
что проще всего осуществить путем
составления эквивалентной операторной
схемы. Она отличается от исходной тем,
что: а) в неё введены внутренние (расчетные)
ЭДС, б) напряжения, токи и внешние ЭДС
представлены изображениями, в)
сопротивления ветвей – операторными
сопротивлениями. Приведем 2 примера
составления эквивалентных операторных
схем. Для цепи, которая была использована
при выводе закона Ома
(Рис.7.20),
она имеет вид, представленный на рис.7.21.
На рис.7.22 представлены исходная схема (а) и эквивалентная операторная (б).
Рекомендуемый порядок расчета ПП операторным методом.
Составляем эквивалентную операторную схему (при нулевых начальных условиях можно не выполнять).
Любым методом (МУП, МКТ, МЭГ и т.д.) составляем систему уравнений для изображений токов ПП. Соображения по выбору наиболее рационального метода такие же как и при постоянном токе, т.е. они основаны на учете особенностей схемы и условия задачи.
Решая полученную систему алгебраических уравнений, определяем изображения искомых токов ПП.
По найденным изображениям отыскиваем оригиналы. Это делается с помощью таблиц изображений и оригиналов или по специальным формулам.
Приведем конкретный пример. Пусть цепь R, C включается на постоянное напряжение (рис.7.23,а). Эквивалентная операторная схема в данном случае по внешнему виду не отличается от исходной (рис.7.23,б). По закону Ома имеем
.
В соответствии с
таблицей оригиналов и изображений
последнему соответствует такой оригинал
Если в цепи действует
синусоидальное напряжение, то расчет
можно вести в обычной форме и в комплексной
.
В последнем случае внутренние ЭДС
необходимо учитывать в виде
,
а искомые величины определять путем
взятия мнимой части от полученных
комплексных оригиналов.
Предложенный
порядок расчета применяется, когда
определяются полные токи ПП, однако в
ряде случаев значительно проще операторным
методом рассчитывать только свободные
составляющие, причем принужденные
составляющие определяются ранее
известными методами. В этом случае
порядок расчета такой же, только в п.1
составляется эквивалентная операторная
схема для свободных токов, которая
отличается от предыдущей тем, что в ней
отсутствуют все внешние ЭДС, а внутренние
ЭДС имеют вид
