Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Частина 1.doc
Скачиваний:
156
Добавлен:
17.11.2019
Размер:
4 Мб
Скачать
☆

4 .6. Застосування операторного методу для розрахунку та аналізу rLc-кіл.

Приклад № 4.6.

Як приклад розрахуємо перехідні процеси в електричному колі з послідовним з’єднанням r, L і C (рис. 4.5), а також визначимо умови існування в цьому колі коливального і аперіодичного перехідних процесів при підключенні до її входу постійної напруги U0.

Скористаємось операторними опорами елементів схеми і розрахуємо операторний струм:

.

Тоді зображення вихідної напруги (на конденсаторі) визначиться так:

,

де a2 = LC; a1 = rC.

Отриманий вираз можна переписати в такому виді:

a2p2uC(p) + a1puC(p) + uC(p) = U0(p).

За теоремою про похідні це операторне рівняння можна представити у вигляді диференціального рівняння зв’язку uC і U0 при нульових початкових умовах:

.

Очевидно, що його характеристичне рівняння збігається із знаменником виразу для uC(p), який прирівняний нулю, тобто

a2p2 + a1p + 1 = 0,

а загальне рішення для диференціального рівняння зв’язку uC і U0 при нульових початкових умовах шукається у виді:

,

де р1 і р2 – корені характеристичного рівняння.

При дійсних коренях р1 і р2 uC буде аперіодичною функцією. Якщо ж р1 і р2 – комплексні спряжені корені, то uC буде коливальною функцією.

Отже умови аперіодичності або коливальності uC визначається тільки знаком характеристичного рівняння. Іншими словами, обидва кореня

будуть дійсними, якщо 4а2 ≤ а12, або комплексними спряженими, якщо 4а2 > а12. Розглянемо ці обидва випадки.

  1. Корені р1 і р2 – дійсні і від’ємні, оскільки а2 > 0 і а1 > 0.

Введемо позначення .

Враховуючи вираз для характеристичного опору rLC-кола можна записати:

.

Ця величина називається коефіцієнтом згасання перехідного процесу в rLC-колі. Неважко показати, що умова 4а2 ≤ а12 забезпечується лише при z > 1.

Знаючи величини r, L і С, можна обчислити значення p1 і р2, що дозволяє представити рівняння для uC(p) у вигляді

де – постійні часу аперіодичної ланки другого порядку, що описує rLC-коло при z ≥1.

Враховуючи U0(р) = U0 / р (зображення постійної величини), остаточно отримується

.

Тоді відповідно до таблиці 4.1 перетворень Лапласа визначаємо оригінал функції:

.

Г рафік отриманої функції, що визначає характер зміни вихідної напруги, що знімається з конденсатора при стрибкоподібній зміні вхідної напруги, показаний на рис. 4.6.

Як і в rC-колі, напруга uС(t) змінюється монотонно згідно з експонентним законом, але якщо в rC-колі, що описується диференціальним рівнянням першого порядку, похідна duС(t) / dt при t = 0 дорівнює U0 / τ, то в rLC-колі, що описується рівнянням другого порядку, duС(t) / dt = 0. В цьому принципова відмінність кривих для rC-кіл і rLC-кіл при z ≥1.

2. Корені p1 і р2, – комплексні спряжені. Як слідує з виразу для коренів характеристичного рівняння, дійсна частина обох коренів, що дорівнює а1 / 2а2, завжди від’ємна при а1 > 0 і а2 > 0, що забезпечує затухаючий характер коливань перехідного процесу.

Умова комплексності коренів виконується при z < 1, а значення коренів визначається очевидною рівністю (де ):

.

Ввівши позначення (частота власних коливань rLC-кола), остаточно отримується

,

де – частота затухаючих коливань в rLC-колі; α = zω0 – коефіцієнт убування амплітуди затухаючих коливань.

Очевидно, що при r = 0 z = 0 і ωосц = ω0. З урахуванням вираз для uC(р) матиме вид:

,

що у відповідності з табл. 4.1 перетворень Лапласа дозволяє записати

де .

Залежність uC(t) для rLC-кола при z < l представлена на рис. 4.7, де Т – період затухаючих коливань, що дозволяє знайти і .

Отже, якщо експериментально отримано графік uС(t), то після визначення величин α і ωосц значення ω0 і z можуть бути розраховані з системи рівностей

Очевидно, що частота власних коливань ω0 визначається при цьому тільки величинами L і С, однак частота затухаючих коливань, як і коефіцієнт загасання, залежать і від значення активного опору контуру r.